Chirp淺地層剖面儀在福建海域工程中的應用

蔣云魁

(福建省水利水電勘測設計研究院，福建 福州 350001)

我國擁有18400km的大陸海岸線和近300萬km2的海洋國土面積，隨著我國經濟發展水平的不斷提高，涉海工程建設越來越多，相應地海域地質調查的工作也隨之增加。淺地層剖面儀能便捷、快速、直觀、有效地揭示海底淺層沉積結構和構造特征，是海域淺層地質調查的重要手段。

淺地層剖面探測是一種基于聲學反射原理的連續走航式地球物理探測方法。自20世紀80年代引入我國后，技術逐漸成熟并廣泛應用于海域工程勘察、海底管線路由勘察等諸多領域，如李一保等將淺地層剖面儀應用于海洋工程，張金城等將淺地層剖面儀應用于海岸工程，柴冠軍等將淺地層剖面儀應用于航道工程，周興華等將淺地層剖面儀應用于杭州灣海底管線檢測，魏志強等將淺地層剖面儀應用于大亞灣海底管道檢測，筆者工程實踐中將淺地層剖面儀成功應用于各種打撈作業中。大量工程實踐證明，淺地層剖面儀在海域淺地層調查中擁有廣闊的應用前景。

1 Chirp聲吶脈沖

Chirp信號也稱線性調頻信號，是一種瞬時頻率隨時間線性增加或減小的信號，相對于早期連續波CW信號有著良好的自相關特性，20世紀80年代后期A.DE Roos等提出利用其進行海底沉積物探測和識別的設想。3200XS淺地層剖面儀正是利用線性調頻技術(LFM)輸出FM掃頻脈沖穿透地層，結合DSP匹配濾波信號處理技術，地層穿透能力和地層分辨率都得以優化。Chirp聲吶脈沖理論表達式見式(1)，頻率/時間函數關系見式(2)，脈沖在寬頻帶保證穿透能力的同時為了突出主頻分辨率，Chirp聲吶脈沖常和包絡函數如SIN函數一起使用，以MATLAB軟件繪制示意圖如圖1所示。

(1)

f(t)=f1+kt

(2)

圖1 SIN函數包絡的Chirp聲吶脈沖示意圖

2 淺地層剖面儀工作原理

地震學中把密度與波速的乘積稱為波阻抗?？v波垂直或近垂直入射時，反射波振幅A反與入射波振幅A入的比值叫做波從介質1入射到分界面時的界面反射系數R。淺地層剖面儀工作原理如圖2所示。

(3)

式中，R—反射系數；A反—反射波振幅；A入—入射波振幅；ρ1、V1—上覆介質1的密度、縱波波速；ρ2、V2—下伏介質2的密度、縱波波速。

圖2 淺地層剖面儀工作原理示意圖

當下伏介質2波阻抗遠大于上覆介質1波阻抗時，式(3)中反射系數R越靠近1，即下伏介質波阻抗越大于上覆介質波阻抗，反射系數R越大，反射波振幅A反也越大，淺地層剖面探測正基于此，通過對波阻抗差異界面(反射界面)的拾取劃分地層。

3 3200XS型淺地層剖面儀

3.1 設備

3200XS型淺地層剖面儀由FS-SB全頻譜處理器、拖魚、Kevlar纜組成，如圖3所示。作業時，在港口、河道及近海岸常采用厘米級精度的GPS_RTK天線接入HYPACK軟件進行導航，在保證平面定位的同時，高程數據與水(潮)位觀測數據進行校驗；在近海岸、近海、外海GPS_RTK天線無法鎖定時，采用信標機接入HYPACK軟件進行導航，平面精度小于0.5m，高程采用觀潮數據校正。

圖3 3200XS型淺地層剖面儀

3.2 技術特點

(1)作業便捷。設備組件少，三個主要組件中最重的SB- 216S型拖魚僅70kg，無需懸吊臂等機械協助，出海作業小漁船、快艇皆可安裝探測。

(2)作業高效。得益于高發射速率，每秒最高可達10次。在不影響數據采集質量前提下，0～1級海況，作業時速可達5kont；2～3級海況，作業時速?？刂圃?kont。選擇較好海況通常一天掃測量輕易可達50km。

(3)成果直觀。采集作業中每次發射、接收經DPS濾波匹配后為一振幅不一的反射波形線，淺地層剖面圖便由一條條的反射波形線根據振幅大小以灰度圖像呈現(反射波振幅越大，灰度圖像越暗(黑)，反之，圖像越亮(白))，根據灰度圖像可直觀、實時地判別水深、海底底質、目標物、礁石及基巖埋深變化。

(4)定位精度高。目前主流的電火花式單道地震或多道地震勘探設備，為避免船螺旋槳攪動的氣泡干擾，往往遠離船尾，且設備發射、接收分體，定位精度實難保證，尤其在小型目標物打撈作業中。實踐經驗中將淺地層剖面儀拖魚掛于船中部外側，避開氣泡干擾的同時船穩定的中部可減弱拖魚的擺動幅度，導航設備置于拖魚上方，平面定位精度高。

(5)淺層分辨率高。地層分辨率不僅包含垂直分辨率，也包含水平分辨率。垂直分辨率的推導及影響因素詳見王琪等人淺剖儀垂直地層分辨率分析，3200XS型淺地層剖面儀采集作業中，Chirp聲吶脈沖選擇主頻為2～15kHz、脈沖寬度為10ms的脈沖，理論薄層分辨可達6cm。水平分辨率主要通過調節脈沖發射頻率、作業船只航速滿足，后文實例中30cm供水管道、船錨等在4kont航速下依舊可探明，可見采集數據水平向密度大、水平分辨率高。

4 工程應用實例

4.1 實例介紹與分析

實例1：湄洲灣航道二期工程，根據航道設計高程，對設計高程以上的礁石方量進行估算。

為準確估算航道設計高程以上的礁石量，對航道區域進行網狀布置測線。航道區域地層主要為淤泥、泥質細砂、礁石，區域礁石埋深整體較淺，礁石巖面可連續追蹤，最終利用SonarWiz后處理軟件及Surfer地質繪圖軟件準確形成巖面圖，并計算出設計高程以上的礁石方量。礁石淺地層剖面圖如圖4所示，礁石為波阻抗極大的介質，Chirp聲吶脈沖到達其表面時以反射為主，淤泥-礁石界面為波阻抗明顯的差異界面，反射系數大，經DPS濾波匹配后的反射波振幅大，采集灰度圖像中淤泥-礁石界面白-黑分明。

圖4 礁石淺地層剖面圖(1)

實例2：莆田湄洲島供水工程，根據供水管道設計比較方案，查明管線比較線路的底質、地層情況，并提供三條比較線路在設計高程以上的礁石跨度。

三條比較線路區域表層以礫砂為主，礫砂為波阻抗較大的介質，Chirp聲吶脈沖常難以穿透，由于供水管道設計埋深較淺，淺地層剖面探測仍能發揮其長處。探測中淺埋礁石巖面可連續追蹤，最深可達7m。最終探測成果結合少量鉆孔精細、準確地完成了三條設計線路的地質剖面圖，礁石淺地層剖面圖如圖5—6所示，淺埋于礫砂之下礁石巖面比上覆淤泥時稍模糊，正是由于淤泥-礁石波阻抗差異比礫砂-礁石波阻抗差異大、反射系數大所致，出露的礁石巖面起伏不平，海底表面即為海水與礁石的強反射界面，灰度顯示較暗。

圖5 礁石淺地層剖面圖(2)

應用實例3：福鼎沙埕引水工程，除對新設計引水線路進行底質、地層探測外，對資料缺失的舊管道進行平面及高程定位。

設計引水線路區域淺部地層主要為淤泥、中細砂，局部礁石出露，舊管道為直徑30cm耐腐蝕耐壓不銹鋼管。本實例以分析舊管道探測為主，由于舊管管徑小，為能精準定位及在采集灰度圖像中分辨管道，作業時控制航速不超過3kont，對最先探明的管線位置連線延伸，拖魚間隔橫切延伸線，管線拐點處多方向加密測線進行精確定位，管道淺地層剖面圖如圖7所示，管道處于淤泥層中，埋深1～2m，淤泥-管道為波阻抗差異界面且管道為圓形，因而采集灰度圖像中管道呈暗色圓弧。

圖7 管道淺地層剖面圖

實例4：莆田大麥嶼海上風電場工程，除對風電場區域的地層進行劃分外，在平面圈定出淺埋礁石的范圍。

本項目可研階段進行了淺地層剖面探測，僅對風機機位連線進行粗略探查，整個風電場區域表層主要為淤泥、泥質細砂、中粗砂，基巖整體埋深較淺，礁石多處出露海底。該地質條件正好適合淺地層剖面探測，最終成果基本摸清了地層分布、基巖埋深。典型的淺埋礁石淺地層剖面如圖8所示，“上軟下硬”的地層結構容易追蹤二者界面，該明顯的波阻抗差異界面正好為地層界面。淤泥、泥質細砂淺地層剖面如圖9所示，淤泥淺地層剖面灰度圖像常呈含夾大量“水平向細薄層”的特征；泥質細砂淺地層剖面灰度圖像放大后常呈砂類“均勻、散亂的點狀”特征，中粗砂亦如此，但灰度圖像偏暗。

圖8 淺埋礁石淺地層剖面圖

圖9 淤泥、泥質細砂淺地層剖面圖

實例5：福清核電廠5km限制發展區海上風電工程路由項目，探測要求對路由區域底質劃分，且平面圈定路由區域礁石或不均勻風化巖體范圍。

海上風電路由項目海纜埋設深度一般不超過5m，此次探測難度在于灘涂區域水深較淺，為避免二次、多次反射覆蓋真實反射波選擇在高潮位作業，但靠岸大部分區域水深仍不到5m。探測發現淤泥中多處出現波阻抗突變的孤石，后期鉆探巖芯揭露為硅質巖塊，如圖10所示。圖10中水深不到2m，二次、多次反射之所以沒影響聲吶脈沖的繼續穿透，筆者認為Chirp聲吶脈沖在波阻抗極小的淤泥、含砂淤泥中以入射為主，且脈沖的聲強在淤泥等軟土中衰減較慢。推知，當海底表層為波阻抗較大的礫砂、碎石等地層時，Chirp聲吶脈沖以反射為主，且脈沖的聲強衰減極快，這時二次、多次反射明顯，且深部采集灰度圖像偏亮，即使下伏再有“上軟下硬”地層，淺地層剖面儀探測仍舊失效。

圖10 硅質巖塊淺地層剖面圖

實例6：某風機吊裝主鉤及船錨打撈探測項目，受臺風影響，風機吊裝船1個風機吊裝主鉤掉入海中、8個船錨拉斷。該海域表層10m內皆為淤泥，多波束、側掃聲吶掃測無果后，推測風機吊裝主鉤已沒入海底。

根據吊裝船事發前?？康拇蟾抛鴺?，對該區域擴大范圍以5m的測線間距進行掃測，無異常反射后加密掃測。最終首輪掃測便順利找到風機吊裝主鉤及5個船錨(風機吊裝主鉤造價昂貴，重造延誤工期，為首要找回目標)。主鉤上表面淤泥為明顯的波阻抗差異界面，且根據采集灰度圖像海底二次反射下的主鉤二次、層間多次反射較大把握地判斷為主鉤，事實正是吊裝主鉤。船錨表面積小，在海中接近直立姿態，拖魚掃測難以切到，找回難度較大。主鉤淺地層剖面圖及打撈實物如圖11所示，船錨淺地層剖面圖如圖12所示。其中船錨上方區域灰度圖像偏白，推測船錨受力擾動原沉積淤泥后，被波阻抗更小的軟塑或流塑態淤泥填充所致。

4.2 淺地層剖面灰度圖像解譯總結

淺地層探測中，目標物的識別、地層的劃分基于反射波勘探原理利用不同介質(或地層)之間的波阻抗差異區分，波阻抗差異不明顯時利用淺地層剖面儀高分辨率的特點通過采集灰度圖像的宏觀表征判別。

通過以上6個應用實例可看出：①當波阻抗差異明顯時，下伏介質(礁石、孤石、管道、吊裝主鉤)波阻抗與上覆介質波阻抗差異越大，反射系數越大，反射波振幅越大(對應反射波能量越強)，在采集灰度圖像中下伏介質顯示越暗；②波阻抗差異不明顯時，軟土層或覆蓋層之間的類別判斷(如含砂淤泥與淤泥、淤泥與泥質細砂)主要利用淺地層剖面儀高分辨率的優點，通過軟土微觀結構在采集灰度圖像上的宏觀表征判別。

圖11 主鉤淺地層剖面圖及打撈實物

圖12 船錨淺地層剖面圖

5 結語

實踐證明，在適宜地質條件下淺地層剖面儀應用于航道、供引水、海上風電工程和打撈作業時，可清晰、直觀地揭示海底底質、地層以及目標物。其中，在解譯淺地層剖面灰度圖像時應結合探測原理以及設備技術參數進行分析，方能準確地識別海底底質、劃分地層和定位目標物。

淺地層剖面儀也存在不足，受發射脈沖主頻限制其穿透深度有限，需查明區域巖面時應以海域單道或多道地震勘探設備為主；為驗證海底底質判別和校正基巖埋深，需結合一定數量鉆孔；在管道、光纜、電纜、鐵質異物排查中效率較慢，還應結合側掃聲吶、海洋磁力儀等技術手段。