聲速預測方程在淺地層剖面資料處理中的應用

王方旗，亓發(fā)慶，姚菁，陶常飛，徐國強

（國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

聲速預測方程在淺地層剖面資料處理中的應用

王方旗，亓發(fā)慶，姚菁，陶常飛，徐國強

（國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

海底沉積層的聲速是淺地層剖面資料采集和處理的關鍵參數(shù)之一，通常的做法是將地層的聲速設定為一個經(jīng)驗值，而實際上聲速并非定值。通過對國內(nèi)外主要沉積物聲速預測方程的比較，利用盧博等建立的適用于中國東南近海的聲速經(jīng)驗公式，在某人工島構造調(diào)查中，根據(jù)地質(zhì)鉆孔獲取的孔隙度參數(shù)計算各沉積層的平均聲速，建立相應的聲速結構剖面，應用于淺地層剖面資料的處理，取得較好的效果。用孔隙度預測聲速的方法參數(shù)容易獲取，能夠提高淺地層剖面資料的解譯精度，使地層的厚度更接近于實際，具有一定的實用意義。

沉積物聲速預測方程；淺地層剖面；孔隙度；時深轉(zhuǎn)換

淺地層剖面資料采集和處理時，一個關鍵的問題就是海底地層中聲速的確定。淺地層剖面儀接收器記錄的是地層聲學界面反射信號的到達時間，如果地層中的聲速不能準確確定，就無法準確獲取各地層的真實厚度。通常的做法是根據(jù)歷史調(diào)查資料將沉積物聲速預設一個經(jīng)驗值，例如在遼東灣一般取1 600 m·s-1。由于海底地層實際結構的復雜性和不均勻性，聲速并不是一個定值，這樣的做法能夠在采集資料時對地層結構有一定大致了解，但在資料解譯時地層厚度會存在偏差，因此需要弄清海底沉積層的聲速分布情況，對地層厚度進行校正。

海底沉積物的聲速與其物理性質(zhì)參數(shù)存在相關關系。自20世紀50年代以來，國內(nèi)外在海底沉積物聲學特性及物理性質(zhì)方面的研究都取得了一些有意義的成果[1-9]，Hamilton、Anderson、周志愚和孟金生、Orsi和 Dunn、盧博等、唐永祿都建立了適用于不同海域沉積物的聲速與孔隙度之間的經(jīng)驗公式。在海上進行石油平臺井場或人工島場址構造調(diào)查中，一般采取工程地質(zhì)鉆探和淺地層剖面探測相結合的方法，孔隙度是一個比較容易獲取的參數(shù)。因此，用孔隙度來預測海底沉積層的聲速用于淺地層剖面資料處理是一個可行的方法。

1 海底沉積物聲速結構

海底沉積物是由沉積物固體顆粒與海水雙相介質(zhì)組成的，由于其孔隙度、含水量、密度、粒度、固體顆粒堆壘方式等的差異，可能形成海底高聲速層或低聲速層，Hamilton歸納了眾多的沉積物模型，總結出兩種較為常見的沉積物聲速結構模型：高聲速模型和低聲速模型，并指出在深海大洋區(qū)域低聲速沉積物普遍存在，而在大陸架上沉積物一般為高聲速。盧博等通過對我國大量海底沉積物聲學與物理性質(zhì)的總結研究認為，在我國沿海大陸架區(qū)域上不只有這兩種聲速模式。并建立了3種主要的聲速結構模式，代表了我國東南沿海淺海的沉積物聲速結構的基本特征（圖1）。

圖 1 三種海底沉積物聲速結構模型（據(jù)盧博）Fig. 1 Three seabed sediment sound velocity models (by LU Bo)

圖1中，海水聲速C0根據(jù)多年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定在1 500 m·s-1。模式A：海底沉積物無明顯的聲學分層，聲速隨深度緩慢增加，整個沉積層聲速Cp始終恒大于海水聲速C0，在大陸架邊緣殘留沉積區(qū)域上大部分為這種情況。模式 B：海底沉積物存在明顯的聲學分層，在表層和下層沉積物聲速Cp大于C0，在這兩個層之間有一層或數(shù)層低聲速夾層，在地質(zhì)歷史上曾多次遭受海侵海退事件的地區(qū)，海-陸相沉積物交替疊加沉積，就可能會出現(xiàn)這種情況。模式C：海底沉積物也有明顯的聲學分層，表層是低聲速沉積層，經(jīng)過一定的埋深之后聲速隨深度緩慢增加，沉積物聲速Cp大于C0，在一些河口或溺谷型海灣中，海底的上覆地層接收了現(xiàn)代沉積物的緩慢沉積，加上咸淡水混合產(chǎn)生的絮凝沉積作用，形成一層飽和、松軟的表層沉積物，這個表層就會成為低速層[6]。

這3種模型雖然沒有給出海底沉積物準確的聲速計算方程，但是對于建立詳細的沉積層聲速剖面具有重要的指導意義和參考價值。它表明了：1）海底沉積層中的聲速并不是一個定值，聲速結構非常復雜，各層之間差值可能會很大；2）海底固態(tài)松散沉積層中的聲速可能會比液態(tài)海水中的聲速還低；3）低聲速沉積層不只在海底表面的浮泥中存在，還可能存在于某些高聲速沉積物之間的夾層中。

2 建立聲速剖面處理淺剖資料

根據(jù)盧博等的實測資料，在中國東南沿海大陸架海底沉積物最低值可至1 336 m·s-1，最高值可至1 885 m·s-1，跨度很大。在淺地層剖面資料處理時，如果預設沉積物聲速為 1 600 m·s-1，那么 1 336、1 600、18 853個值在1 ms-1單程走時所對應的地層厚度分別為：1.3 m、1.6 m和1.9 m，可見它們之間的差別是相當大的，極大地影響了淺地層剖面資料的解譯精度，因此有必要進行相應的校正。本文以遼東灣某人工島場址構造調(diào)查資料為例進行地層厚度校正。

2.1 聲速計算方程的選取

圖 1中的沉積物聲速結構模型滿足不了淺地層剖面地層厚度校正的要求，而必須要確定出比較符合實際的各地層聲速值。影響沉積物聲速的因素有很多：密度、孔隙度、含水量、粒度、壓力、溫度、埋藏深度及地質(zhì)年代等。國內(nèi)外學者做了大量工作研究了世界大洋海底沉積物各項物理化學性質(zhì)指標對聲速的影響，普遍認為孔隙度是一個最好的預測聲速的參數(shù)，以下是幾個典型的以孔隙度為參變量的聲速經(jīng)驗方程：

公式中，Cp為沉積物聲速，n為沉積物孔隙度，C0為海底處海水的聲速。

由于測量數(shù)據(jù)的限制及研究區(qū)范圍的有限性，經(jīng)驗公式都有一定的區(qū)域適用性，公式(1)、(2)、(4)研究對象都在國外海域，公式(3)只是在公式(2)的基礎上在常數(shù)項引入了海水聲速C0，公式(5)適用區(qū)域為南海，而公式(6)是總結了中國東南近海的大量數(shù)據(jù)資料建立的，適用于中國東南近海的大部分海域。本文研究區(qū)位于遼東灣海域，沒有查閱到相關的沉積物聲學研究資料，因此本文選取(6)式進行嘗試性探索，用于計算沉積層聲速。

2.2 建立沉積物聲速剖面

根據(jù)(6)式，孔隙度是計算聲速的主要依據(jù)，因此孔隙度的準確度直接影響聲速計算結果的精度，目前孔隙度參數(shù)尚無法直接測量，而是由密度、土粒比重、含水量 3個實測參數(shù)計算得到的，本文所依據(jù)的資料滿足 GB50021－2001《巖土工程勘察規(guī)范（2009修訂版）》和GBT－50123－1999《土工試驗方法標準》的要求。

如圖2所示為遼東灣某人工島調(diào)查工程地質(zhì)鉆孔L3孔柱狀圖，表1為該孔的土工試驗成果表。首先根據(jù)鉆孔資料將地層劃分為9個小層，并提取每層厚度范圍內(nèi)所取土樣的孔隙度參數(shù)，然后利用式(6)計算各土樣的聲速，并求取每層的平均速度，繪制成聲速剖面圖（圖3）。

由于從工程地質(zhì)鉆孔資料獲得的孔隙度n的分布具有一定的離散性，而聲速的計算依賴于孔隙度，因此計算出來的聲速分布的密度就由孔隙度決定。聲速分布密度越密，得到的聲速剖面越詳細，求出的層平均聲速越接近于實際情況。

圖 2 L3孔鉆孔柱狀圖Fig. 2 Drilling histogram of L3

表 1 遼東灣某人工島調(diào)查工程地質(zhì)鉆孔資料（L3孔）Tab. 1 Geological drilling data of an artificial island in Liaodong Bay

表 2 校正前后地層深度對比Tab. 2 Comparison of stratum depths before and after correction

圖 3 人工島場址中心處沉積物聲速結構剖面Fig. 3 Seabed sediment sound velocity profile of the artificial island site

2.3 時深轉(zhuǎn)換計算

在淺地層剖面資料采集時，所得到的剖面資料有兩種：雙程走時剖面和深度剖面。實際上，深度剖面是為了在采集資料時對地層結構作大致了解而做的，就是先假定一個地層聲速，然后用資料處理軟件根據(jù)這個聲速將雙程走時剖面進行時深轉(zhuǎn)換后得到的。因此，對于雙程走時剖面只需轉(zhuǎn)換成單程走時后根據(jù)聲速結構剖面進行時深轉(zhuǎn)換計算即可；對于深度剖面而必須根據(jù)最初預設的聲速值反算出時間，再重新進行計算。

根據(jù)得到的聲速剖面對淺地層剖面進行時深轉(zhuǎn)換計算得到表2。從表中可以看出，粉質(zhì)粘土層的平均聲速要小于粉砂和細砂層的，其差值大約在80～100 m·s-1。通過對比校正前后的地層深度，各層深度偏差最小值為-0.1 m，最大值為-1.3 m，偏差較大，對淺地層剖面資料解譯精度會造成一定影響，說明進行校正還是有必要的，在一定程度上使得地層深度更接近于實際情況。

3 結論與展望

通過盧博等的沉積物聲速依賴于孔隙度的經(jīng)驗方程，利用容易獲取的孔隙度這一參數(shù)計算沉積層聲速，用于淺地層剖面資料處理時各層的時深轉(zhuǎn)換計算，使各地層厚度的解譯更加準確，該方法具有一定的實用價值。

利用沉積物孔隙度計算海底沉積層的聲速以此建立的聲速結構剖面是一個層狀結構，而實際上沉積物中聲速的分布是非常復雜的，即使在同一沉積層內(nèi)，聲速也是隨深度的增加而變化的（一般受壓力影響隨深度增加而增大）。因此，層狀結構并不能反映海底沉積物的真實的聲速結構，研究海底沉積物聲速剖面真實的連續(xù)的結構是今后研究中需要努力的。

[1] Hamilton E L, George Shumway, Menard H W, et al. Acoustic and Other Physical Properties of Shallow-Water Sediments off San Diego [J]. Acoustical Society of America, 1956, 28(1):1-1.

[2] Hamilton E L. Geoacoustic Modeling of the Sea Floor [J]. Acousti--cal Society of America, 1980, 68: 1313-1340.

[3] Anderson R S. Statistical correlation of physical properties and sound velocity in sediments [A]. Physical of Sound in Marine Sediment [C]. NY: Plenum Press, 1974: 481-518.

[4] 周志愚, 杜繼川, 趙廣存, 等. 南海、黃海海底聲速垂直分布的測量結果 [J]. 海洋學報, 1983, 5(5): 543-552.

[5] Orsi T H, Dunn D A. Sound velocity and related physical properties of fine-grained abyssal sediments from the Brazil Basin(South Atlantic Ocean) [J]. Acoustical Society of America, 1990, 88(3):1536-1543.

[6] 盧博. 海水-沉積物聲速結構模式 [J]. 海洋通報, 1995, 14(2):42-47.

[7] 盧博, 李趕先, 孫東懷, 等. 中國東南近海海底沉積物聲學物理性質(zhì)及其相關關系 [J]. 熱帶海洋學報, 2006, 25(2): 12-17.

[8] 唐永祿. 海底沉積物孔隙度與聲速的關系 [J]. 海洋學報, 1998,20(6): 39-43.

[9] 盧博, 梁元博. 中國東南沿海海洋沉積物物理參數(shù)與聲速的統(tǒng)計相關 [J]. 中國科學(B輯), 1994, 24(5): 556-560.

Application of sound velocity forecasting equations in processing sub-bottom profile data

WANG Fang-qi, QI Fa-qing, YAO Jing, TAO Chang-fei, XU Guo-qiang

(First Institute of Oceanography, SOA, Qingdao 266061, China)

The seabed sediment sound velocity is one of the key parameters in the acquiring and processing of sub-bottom profile data. Usually, the sound velocity is regarded as a constant with experience, but this is not true. On the basis of comparing some sound velocity forecasting empirical equations, the LU Bo’s equation was considered the most appropriate to predict the seabed sediments sound velocity of near-shore southeast China Sea. In the survey of an artificial island site, the porosity data obtained from geological drilling was utilized to predict the sediment sound velocity, and the sound velocity profile was drawn, which was applied in processing the sub-bottom profile data. The method of utilizing porosity to predict sound velocity in processing sub-bottom profile data can improve the interpretation accuracy, therefore it’s of practical significance.

sediment sound velocity forecasting equation; sub-bottom profile; porosity; time-depth conversion

P343.5

A

1001-6932(2011)05-0492-04

2010-09-05；

2011-04-22

王方旗（1981－），男，山東諸城人，助理工程師，碩士，主要從事海洋地球物理方面的研究。電子郵箱：sdhdwfq0317@163.com。