Chirp 3212淺剖儀在煙臺淺海區的應用實例

■張超 趙俐紅 凌子龍 楊明明

（山東科技大學地科學院山東青島266590）

Chirp 3212淺剖儀在煙臺淺海區的應用實例

■張超 趙俐紅 凌子龍 楊明明

（山東科技大學地科學院山東青島266590）

Chirp 3212是基于線性調頻技術的便攜式淺地層剖面回聲探測儀，其子波在經過振幅包絡和相關等處理后,具有很高的資料信噪比和地層分辨率，因此該淺剖儀較好的解決了探測深度和分辨率矛盾的問題。淺剖儀理論上的地層分辨率可以達到十幾厘米，最大的探測深度大概在百米。本文以煙臺田橫山風景區某區域探測地下15米范圍內的地層為工程實例，利用該儀器進行了勘測取得了較好的效果。

Chirp3212 淺剖儀 線性調頻 chirp 子波 淺剖實例

1　前言

我國東部沿海地區經濟發達，各種水域的開發也在逐漸的增加，比如：碼頭的建設、地下光纜和油氣管道以及排污管道等的設置。在開展工程前需要對其地質條件進行調查和評價.淺地層剖面儀可穿透海底一定深度的淤泥層、砂質層和基巖層[2]，因此可以將水域范圍內具有一定厚度的地層、構造反映出來，有利于人們對地質災害進行深入的判斷，其應用目前已成為了解工程場地潛在災害地質因素的重要途徑[3]。本文以煙臺田橫山風景區某區域探測地下15米范圍內的地層為工程實例，利用該儀器進行了勘測取得了較好的效果。所得經驗對Chirp類淺剖儀及其相關的儀器在水域調查中的應用具有一定的參考價值。

2　Chirp淺剖儀工作原理

把海底看作一個層狀的模型[6]，海水層作為第一種介質，它的密度為P1，聲波在其中傳播的速度為V1。海底下的積物存在多個界面，假設它們的密度和速度分別是P2，V2，...Pn，Vn，其中海底為第一界面，當聲波向下傳播時，一部分在分界面處發生反射，另一部分沿法線方向繼續傳播，在下一分界面處發生反射和透射，衡量反射的強度稱為反射系數。一個界面、兩種介質的反射系數的數學表達式為：

式中：R為反射系數；P1、V1為第一種介質的密度和聲波在其中的傳播速度；P2、V2為第二種介質的密度和聲波在其中的傳播速度。從公式（1）可以看出，獲得反射聲波的強弱取決于界面兩側物質的差異。當P2V2-P1V1的值較大，即界面兩側物質差異較大時，接收到的反射信號就比較強，反之則比較弱。因此，接收到的反射信號，攜帶了水下地層的大量有用的地質信息。通過觀測

記錄并分析海底沉積物對于聲波的反射特性，可以了解沉積物的地質屬性，并可以直觀地描述地層的地質構造[7]。Chirp系統的理論縱向地層分辨率為十幾厘米左右，最大探測深度在50～60m左右[8]。完全滿足淺地層的勘探需要。

3　工程實例

研究區位于蓬萊北側海域，區域為0.6km×1km長方形，水深在5-28m之間，本次勘察要求獲得調查研究區海底淺部15米之內沉積物結構和地層的空間分布特征等信息。

3.1數據采集

3.1.1采集方案

為了獲得測區全貌的地層構造信息，淺地層剖面儀測線按照以下方案布設：區內范圍內主測線長度1000m，平均間距300m，聯絡測線長度600m，平均間距150m。為了避開測區散布的漁網，根據水深地形圖設計5條主測線（豎）和5條聯絡線（橫）。本次淺地層剖面探測中，頻率設計3.5kHz，帶寬3kHz，脈沖長度2ms，量程設計為20-50m，換能器吃水深度1.7m。船只保持4節航速并穩定航向，沿測線先從淺至深測量5條聯絡線，再測量5條主測線。第一條測線的方向為自西向東，并為S曲線方式繼續行進。

3.1.2現場試驗

在水域進行調查時要進行設備的調試，進行試驗。將淺剖裝置安裝在船舷右側，嵌套在固定支架內固定。安裝完畢后沿第一條測線進行測試。

淺剖測量過程中的背景噪聲主要為隨機噪聲，由船體發動機噪聲、船體尾流噪聲、海水涌浪噪聲等組成。高噪聲機動，如：馬達、水泵、風機、螺旋漿等等，在記錄上表現條帶狀；魚群面積大，垂直密度也大，可以干擾發收信號，使地層信號減弱或消失；海況條件較差時，聲波被氣泡干擾，同時，浪花沖擊探頭，引起極大噪聲干擾；海底波阻抗比較大時，反射損失就較小，如果使用頻率又偏高,就會出現二次波或多次波，一般在水深較淺，聲速發射功率大時最容易發生二次回波及三次回波現象，會產生同一位置圖象疊加現象，導致無法進行內業分析[11]；直達波干在記錄上表現為平行水面的黑線條。

3.2數據處理

淺剖搜集的數據采用實時采集和后處理淺剖側掃聲吶以及磁法數據的軟件系統SonarWiz5。

資料分析通過軟件對Seg-y文件進行讀取、處理來實現。處理過程主要包括數據信號選擇、波速修正、測量深度選擇、色譜控制、濾波處理、信號增益修正、圖像輸出等幾個方面，處理順序及內容則按任務的要求進行合理的選擇[3]。對于得到的數據圖像，我們主要對它進行濾波處理和增益處理。

3.3數據分析

圖3.3.1為第4條和第6條測線的剖面圖，縱坐標為海水面為零點的深度值，橫坐標為測線坐標。剖面圖上的第一條線為水深值。剖面中，會存在二次波或多次波的干擾，它在記錄上顯示深度,是水深的兩倍或多倍，如圖3.3.1所示，出現了一個二次波，是水深的兩倍，且隨著深度的加深距離越來越大。第四條測線為聯絡測線，其剖面顯示地形較平緩，起伏變化不大。

根據對淺剖得到的數據和圖像的分析并結合當地的一些地層資料，在大的地層分析中，整個測區海底15米范圍之內并沒有明顯的地層的分層，山東半島東北部海岸發育于魯東丘陵的基礎之上，這里的海岸以基巖-礁石海岸、砂質海岸（包括連島沙壩海岸）、沙壩-渴湖型海岸、砂質海灘等為特征。

如果地層內砂質較純，粉、細砂沉積又較密實，則層面線淡而細，層面線以下地層為一片白色，且層內出現2次或多次反射，一般為砂層圖象。由于山東半島東北部濱淺海區的表層沉積物底質類型為粉砂、砂質粉砂和粉砂質砂，局部海區出現砂質礫。細粉砂質軟泥主要分布在蓬萊角海區。而我們測區屬于山東半島東北濱海區域并且測區靠近海岸，推測測區15m地層沉積物以砂質粉砂為主，且上部地層含淤泥量較大，向下逐步變硬，為全新世的海相沉積。15m地層內沒有連續可追蹤的反射界面，但在部分測線存在一些地形凸起和局部較小的沉積分層。如果后期管線施工應盡量避開這些可能堅硬的地方。

我們采用Surfer軟件對所測地形得到數據進行成圖。數據分別為大地坐標和海底深度。由于測線并非直線，所得圖形僅供參考。可以看到地形在測區中部突然變陡，落差在10m。總之，整個測區海底下15m地層大部分為海相松散沉積地層，除在測區南部的東邊界發現有小型堅硬地層出露外，其他地區基巖埋深較深，15m內地層分層不明顯，缺少可連續追蹤的地層界面，推測該層以粉砂為主，上部地層含水量大，除堅硬地層（或暗礁）出露外，該區15m地層內還存在小型古洼地，但規模較小，其他災害地質現象不明顯。

4　結語

本文以煙臺田橫山風景區某區域探測地下15米范圍內的地層為工程實例介紹了chirp3212淺剖儀的工作原理和技術特點，描述了它的使用方法和數據分析的步驟，并得出如下結論：

（1）本次利用淺剖儀獲得較淺的地層剖面（最低頻率3.5Kz）資料，該深度與地層結構、土層性質和頻率密切相關。

（2）由于缺少鉆孔資料，不能給出準確的剖面解釋。但能結合鉆孔資料，將能整合鉆孔方法詳細、準確的有點和物探方法高效普查、花費低等優點，為勘查或者地質災害判別提供更可靠地根據。

（3）該淺剖系統在水域中采用連續走航的方式進行調查，通過線性調頻技術子保證探測深度的條件下具有很高的分辨率，能夠獲得水底及地層分界面的有效信號，優勢明顯。

國家自然科學基金項目資助（41106037）；山東省高校海洋測繪重點實驗室（山東科技大學）資助項目（2013B06）

[1]劉保華,丁繼勝,裴彥良,等.海洋地球物理探測技術及其在近海工程中的應用 [ J].海洋科學進展,2005,23(3):374-384.

[2]董玉娟,周浩杰,王正虎.側掃聲納和淺地層剖面儀在海底管線檢測中的應用 [J].水道港口,2015（5）:450-455.

[3]劉建達,黃永林,宋文榮,譚慧明,蔣新.Chirp淺剖儀在水域地質調查中的應用 [J].防災減災工程學報,2010,02:216-221.216,218.

[4]呂國濤,胡長青.阿曼灣淺地層調查資料的處理研究 [J].聲學技術2010（2）:162-166.

[5]呂國濤，溫明明，吳衡，李永航.PARASOUND P70淺剖在大洋科考中的應用 [J].內江科技,2013(2):104-105.

[6]譚慧明，蔣新，黃永林.淺剖儀在水域活斷層調查中的應用研究 [J].防災減災學報,2010,26(3):6-10

[7]馬永剛，陳尚士,刁海島.Edgetech 3200XS淺剖系統在疏浚工程勘察中的應用 [J].工程勘察,2006(S1):304-309.

[8]孔祥淮.山東半島東北部濱淺海區表層沉積物特征和沉積作用 [D].中國海洋大學,2006.

[9]徐海濤.GPY-N型淺地層剖面儀在航道工程中的應用 [J].水運工程,2002(10): 77-78.

P62[文獻碼]B

1000-405X（2016）-7-149-2