淺地層剖面探測綜述

李平，杜軍

（國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

淺地層剖面探測綜述

李平，杜軍

（國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

海洋地球物理技術在海洋地質調查中起重要作用，其中淺地層剖面探測因其成本低、效率高，在海洋地質調查研究中具有廣闊的應用前景。淺地層剖面探測是利用聲波在水中和水下沉積物內傳播和反射的特性來探測海底淺部地層結構和構造的。本文闡述了淺地層剖面儀發展歷程，針對淺地層剖面探測，分析了其主要影響因素和壓制方法，并對主要剖面聲圖類型及其特征進行了探討。

地球物理技術；淺地層剖面探測；綜述

淺地層剖面探測是一種基于水聲學原理的連續走航式探測水下淺部地層結構和構造的地球物理方法[1-3]。淺地層剖面儀（Sub-bottom Profiler System）又稱淺地層地震剖面儀，是在超寬頻海底剖面儀基礎上的改進，是利用聲波探測淺地層剖面結構和構造的儀器設備。以聲學剖面圖形反映淺地層組織結構，具有很高的分辨率，能夠經濟高效地探測海底淺地層剖面結構和構造。

本文簡要介紹了淺地層剖面探測技術的工作原理，總結了目前國內外廣泛使用的主要技術產品型號以及主要參數和性能。闡述了淺地層剖面儀發展歷程，分析了影響淺地層剖面探測質量的主要因素和壓制方法，并對主要淺地層剖面聲圖類型及其特征進行了探討。

1 淺地層剖面探測發展歷程

淺地層剖面儀是在測深儀基礎上發展起來的，只不過其發射頻率更低，聲波信號通過水體穿透床底后繼續向底床更深層穿透，結合地質解釋，可以探測到海底以下淺部地層的結構和構造情況。淺地層剖面探測在地層分辨率（一般為數十厘米）和地層穿透深度（一般為近百米）方面有較高的性能，并可以任意選擇掃頻信號組合，現場實時設計調整工作參量，可以在航道勘測中測量海底浮泥厚度，也可以勘測海上油田鉆井平臺基巖深度。

淺地層剖面儀采用的技術主要包括壓電陶瓷式、聲參量陣式、電火花式和電磁式4種。其中，壓電陶瓷式主要分為固定頻率和線性調頻（Chirp）兩種；電火花式主要利用高電壓在海水中的放電產生聲音原理；聲參量陣式利用差頻原理進行水深測量和淺地層剖面勘探；電磁式通常多為各種不同類型的Boomer，穿透深度及分辨率適中。

淺地層剖面探測設備性能指標中分辨率與穿透深度是互相矛盾的。20世紀80年代，美國Datasonics公司與羅得島州州立大學的海軍研究所及美國地質調查局聯合開發了一種稱為“Chirp”的壓縮子波，并被廣泛的應用于海底淺地層勘探中[4]。通過長時間的調頻脈沖，接收信號經過濾波處理，得到一個比發射脈寬的寬度窄很多的壓縮脈沖，壓縮后的脈沖寬度與發射脈沖寬度無關，此壓縮脈沖寬度等于調頻帶寬的倒數，即τp=1/?f ，（τp：處理后的脈沖寬度；?f：調頻寬度）。發射較寬的線性調頻（Chirp）脈沖，能夠保證一定穿透深度，同時不會降低垂直分辨率。其中GeoChirpⅡ是采用線性調頻（Chirp）聲納作為聲源，來探測海底淺地層構造情況的一種淺地層剖面儀。與此同時，為了產生具有足夠穿透力的低頻，它的換能器必須做得大而重，分辨率也較差。于是人們提出了參量陣（非線性調頻）原理，利用該原理德國Innomar公司研制了SES–96 參量陣測深/淺地層剖面儀。總體來看，Chirp 技術在地層分辨率上具有極高的性能，而其勘探深度的限制有使其應用范圍具有很大的限制。

同時，傳統的Boomer為電磁式剖面儀，但其聲能發射機（震源）輸出的電壓通常為幾千伏，針對該問題，研究人員在設計上進行重大改進，采用獨特低壓技術的新型淺地層剖面儀（C–Boom）應運而生[5]。

淺地層剖面探測技術起源于20世紀60年代初期，其后廣泛應用于港口建設、航道疏浚、海底管線布設，以及海上石油平臺建設等方面。70年代以來，隨著近海油氣資源的大規模開發和各種近岸水上工程建設項目的不斷增加，以及各種地質災害的頻繁發生和發現，淺地層剖面探測的重要性越來越為人們認識[6,7]。同時，淺地層剖面探測設備呈現多元化的發展趨勢，目前廣泛使用的淺地層剖面探測設備的主要產品類型及其技術規格入表1所示。

表 1 淺地層剖面設備的主要產品及其技術規格（據劉保華，2005年）Tab.1 Major product and technology-specification of sub-bottom profiler equipments（by Baohua Liu，2005）

2 淺地層剖面探測工作原理

淺地層剖面探測工作是通過換能器將控制信號轉換為不同頻率（100 Hz～10 kH）的聲波脈沖向海底發射，該聲波在海水和沉積層傳播過程中遇到聲阻抗界面，經反射返回換能器轉換為模擬或數字信號后記錄下來，并輸出為能夠反映地層聲學特征的淺地層聲學記錄剖面。

聲學地層探測系統是利用聲波反射的原理來探測地層的。聲波在海底傳播，遇到反射界面（界面兩側的介質性質存在差異）時發生反射，產生反射波的條件是界面兩邊介質的波阻抗不相等。換句話說，決定聲波反射條件的因素為波阻抗差（反射系數Rpp）。波阻抗為聲波在介質中傳播的速度V和介質密度ρ的乘積。

在淺地層剖面調查中，近似認為聲波是垂直入射的，此時

由上式可知：要得到強反射，必須有大的密度差和大的聲速差，如相鄰兩層有一定的密度和聲速差，其兩層的相鄰界面就會有較強的聲強，在剖面儀終端顯示器上會反映灰度較強的剖面界面線。當聲波傳播到界面上時，一部分聲信號會通過，另一部分聲信號則會反射回來；而且在每一個界面上都會發生此現象。應用到地學中，即聲波波阻抗反射界面代表著不同地層的密度和聲學差異而形成的地層反射界面。ρV稱為聲阻率，簡單地說，海底相鄰兩層存在一定聲阻率量差，就能在剖面儀顯示器上反映兩相鄰的界面線，并能分別顯示兩層沉積物的性質圖像特性差異。利用這個原理，人們發明了聲學地層剖面系統（圖1）。

圖 1 淺地層剖面工作原理Fig.1 Principle of sub-bottom profile

由于不同的沉積物存在著密度差異和速度差異，這種差異在聲學反射剖面上表現為波阻抗界面，差異越大，波阻抗界面就越明顯（振幅越強）。由不同物質組成的相同地質年代的巖層，由于彼此間存在著密度和速度的差異，會形成多個反射界面，而不同年代的巖層，也可能由于物質組成相同、密度差異不大而不存在明顯的聲學反射界面。因此，聲學地層反射界面與地質界面或地層層面之間存在著不完全對應關系。但在大多數情況下，不同年代的巖層存在著不同的物理特征，聲學反射特征也有差異，因而依據聲學反射剖面劃分的反射界面往往與地層界面是吻合的。這種反射界面一般能夠代表不同地質時代、不同沉積環境和物質構成的真實地層界面。

在依據反射界面進行淺地層剖面實際解譯過程中，應該首先與測區內地質鉆探資料進行層位對比，并充分利用鄰區資料和周邊地質環境條件，結合記錄中的沉積結構、層位標高、堆積、侵蝕、界面的整合、不整合接觸、層理結構、相位變化等特征來分析研究聲學記錄中地層沉積特征以及其它地質信息。這樣，一般而言能夠得到與實際情況較為相符的結論。

3 淺地層剖面探測主要影響因素

淺地層剖面探測結果受多種因素制約，如儀器本身的技術性能指標，海底底質特征，探測過程中的噪聲及其壓制，其他各種干擾，以及解譯者的實際水平、經驗等。其中絕大多數是可以改良甚至是避免的，因此，在實際探測過程中，應根據具體情況，綜合實際因素施測，以達到最優的探測效果。

3.1 海底底質

海底地質構造狀況，尤其是海底底質類型特性決定儀器所能勘測的深度范圍。海底底質是砂、巖石、珊瑚礁和貝殼等硬質海底嚴重制約聲波穿透深度，限制儀器勘探的深度。例如，淺地層剖面探測深度砂質海底小于30 m，泥質海底可達100多m，兩者存在巨大的差異。

3.2 噪聲

處于系統帶寬范圍內的外界聲源信號都可能串入造成干擾信號圖像，包括低頻船只機械噪聲和環境噪聲等。噪音在淺地層剖面記錄上可能都會或多或少地顯示出來，降低勘測數據質量，甚至對判讀、解譯結果產生重大的影響。因此，正確地識別，甚至消除噪聲的影響是十分重要的。

3.3 船只擺動

為獲得具有良好效果的淺地層剖面探測數據資料，調查船走航過程中應盡量保持均速慢速穩定行駛，船速和航向不穩定造成船只搖擺，使拖魚不能保持平穩狀態，造成圖像效果不佳。同時，涌浪也可使船只搖擺，致使拖魚不穩定。

其他影響因素還包括海氣界面，海氣界面能將發射聲能幾乎全部反射，幾乎無發射聲波觸及目標。如果采用船尾拖曳換能器，船的尾流對地層反射信號也能產生干擾，施測過程中應該使換能器盡量避開船的尾流區，通常采取使換能器入水深度加深，或者加長拖纜的方法。另外，海水深度、潮汐作用及海底起伏均對淺地層剖面探測有著直接的影響。

4 主要聲學剖面類型及其特征

4.1 聲學地層層序圖像

淺地層剖面測量所獲取的聲學記錄剖面是地質剖面真實反映。聲地層層序是沉積層序在淺地層聲學記錄剖面上的反映（圖2）。根據反射波的振幅、頻率、相位、連續性和波組組合關系等，界定聲阻抗界面，進而劃分聲學反射界面。

圖 2 典型地層剖面聲圖Fig.2 Typical sub-bottom profile

聲學地層層序實質是地層界面間聲波阻抗差異的反映。淺地層剖面的地質解譯，是根據沉積物的巖性變化、沉積物密度、沉積層構造、層面特征以及沉積層延伸與錯斷等進行解譯。

4.2 多次反射圖像

凡波阻抗存在差異的界面上都能發生波的反射。在有多個波阻抗界面時，波在某個界面反射后可能在另一個界面又進行一次以上的反射再返回海面，這種現象稱為多次反射（圖3）。通常，多次反射波也是一種干擾，如果把它們作為一次反射波解釋，會得出錯誤的地質結論，例如夸大沉積層厚度，混淆地層接觸關系。通常來講，不整合面、基巖面和玄武巖面等強反射界面容易產生多次波。識別多次波的方法很多，最好利用鉆孔資料、區域地質資料或與其他物探成果對比。

4.3 干擾圖像

干擾圖像主要可包括直達波干擾和側向發散干擾。直達聲波干擾由于換能器基陣90°方向的靈敏度較高，換能器發射聲波會有一部分向水平方向射出，該部分聲波直接被接收換能器接收，形成直達波記錄。當收、發換能器間距小于測區水深的2倍時，直達波被反映在海底線之上端，呈現細而均勻的線條與零位線平行，可呈現多條平行線。側向發射干擾是由于發射換能器具有較大波束角，當船近岸壁、突起暗礁時會有反射面形成側向反射干擾圖像（圖4）。

圖 3 典型二次反射圖像聲圖Fig.3 Typical twice-reflection sound-picture

圖4 典型干擾圖像聲圖Fig.4 Typical interference sound-picture

此外，主要聲學剖面類型還包括水體圖像，指淺地層剖面儀記錄到的發射線至海底之間的圖像。

5 剖面聲圖特征及其地層學解釋

淺地層剖面聲圖反映海平面變化，在沖積平原或近岸環境中反映沉積環境的變遷過程。剖面聲圖的層理是指剖面聲圖顯示具有一定灰度的點狀、塊狀和線狀圖形組成的圖像，反映不同性質的海底淺部地層特征[8]。

5.1 簡單層理

簡單層理包括平行層理和發散層理。平行簡單層理為點狀和線狀圖像（圖5），主要反映了地殼平穩、均勻一致沉降，表明在低能量沉積環境中的細顆粒沉積物。發散型沉積層結構主要反映了相對穩定或穩定下沉的大陸架、盆地充填等的勻速沉積環境。發散結構則意味著沉積速率上有側向變化或沉積表面的逐步傾斜。簡單層理常形成于海平面上升后的淺海環境中，多為細粒沉積物的沉積層。平行層理主要在海平面上升后淺海環流作用下形成，同時也表明沉積層組成多是粘土或者粉、細砂。

圖 5 典型簡單層理聲圖Fig.5 Typical simple sound-picture

5.2 復雜層理特征

復雜層理可進一步細分為復雜斜層理、S型復雜層理和雜亂層理等3種類型。其中復雜斜層理是由點狀、線狀和點線狀圖形組成的不平行傾斜狀圖形，通常表示河流、河流三角洲或者近岸平原等沉積環境（圖6）。S型復雜層理由S型的線狀或塊狀圖形組合而成的圖像，通常表示三角洲及淺海環境，沉積物粒度從細到粗的沉積序列。雜亂層理是由不連續、不整合的點狀或線狀圖形組合的圖像，表示高能量沉積環境，它反映各種不同的沉積速率，或者沉積后基底瓦解，崩積后殘、堆積等沉積過程。

點、線狀平行或微傾斜圖像表明河流泛濫平原或河流決口扇，形成粗、細粒混雜的沉積層。點、線狀斜交的傾斜層理圖像顯示了在該層形成河道，在河道中粗粒沉積物的交錯層理。點、線狀雜亂層理圖像表明該沉積層是粗粒的沉積物，沉積物可能殘積或崩積形成沉積層，該層頂部被認為是在低海平面時期形成的地表侵蝕面。

圖 6 淺部地層中發育的碟狀洼地和擾動體（萊州灣）Fig.6 Eroded channel and interference-body in the sub-bottom profile（Laizhou bay）

5.3 無聲反射帶

無聲反射帶就是聲圖中不存在具有一定灰度的點狀、塊狀和線狀圖形，而幾乎是一片空白帶或干擾圖像（圖7）。點狀圖形無序組合圖像表明該層是聲波屏蔽帶，也可稱無聲反射帶或稱無聲信號帶，一般認為是該沉積物中含有氣體或泥炭層，該層中高分辨率的高頻信號衰減得最快，或者說聲波信號被較快吸收掉，因此，聲波在該層穿透深度很小。產生無聲反射帶的原因是沉積物中有天然氣或泥炭層或者為均一的粉細砂層[9]。另外，由于含氣沉積物對聲能量的屏蔽作用，有時剖面上在反映含氣沉積物的雜亂反射下也會出現無反射區。

圖 7 黃河口淺部地層中的無聲反射帶（據閆章存，2007年）Fig.7 No-noise reflection in the sub-bottom profile of Huanghe estuary（by Zhangcun Yan，2007）

6 總 結

淺地層剖面勘測是一種基于水聲學原理的連續走航式探測水下淺部地層結構和構造的地球物理方法[10,11]。利用淺地層剖面儀可以有效獲得海底以下的淺部地層結構和構造，并可分析出海底以下存在的災害地質因素如埋藏古河道、淺層氣、淺部斷層、軟弱地層和淺部基巖等。近年來，盡管淺地層勘測技術取得長足進步，但由于勘察過程受諸多因素的影響及其具有的多解性特征，淺地層剖面施測應盡量與鉆孔相配合，取得良好的勘察效果。因此，了解淺地層剖面勘測的影響因素，聲學剖面類型及其地質解釋，并在人工判讀過程中盡可能消除環境因素的影響，對正確和準確地識別海底狀況是非常有意義的。

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Review on the probing of sub-bottom profiler

LI Ping, DU Jun

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

Marine geophysical survey technique plays an important role in marine geology investigations，in which Sub-bottom Profiler Probe with the low-cost and high-efficiency characteristic has broad application prospects in the marine geological investigation and research.Sub-bottom Profiler Probe is to use the transmission and reflection of sound waves in the water and underwater sediment to detect the shallow stratum structure under the seabed.In this paper，the development process of Sub-bottom Profile system and its main influencing factors and suppression methods are analyzed.The main audio diagram types and their characteristics are discussed.

marine geophysical survey technique; sub-bottom profiler probe; review

P631.5

A

1001-6932(2011)03-0344-07

2010-3-18；收修改稿日期：2010-11-2

國家海洋局青年基金（2010310）。

李平（1981－)，男，陜西藍田，助理工程師，碩士，主要從事海洋地球物理調查與研究工作。電子郵箱：lp@fio.org.cn。