淺地層剖面和單道地震測量在海砂勘查中的聯合應用

倪玉根，習龍，夏真，何健，陳梅，李勇航，李麗青

中國地質調查局廣州海洋地質調查局，廣州510760

海砂（海中的砂石），是指由巖石風化后經水流、冰川和風等地質營力侵蝕、搬運或改造，賦存于現代海洋環境的砂、礫質碎屑沉積物[1]。隨著人口和經濟的增長，作為建筑和回填的基礎材料，海砂的需求激增。因此，加強海砂資源勘查和合理開發顯得尤為迫切。

海砂根據賦存狀態可分為表層海砂和埋藏海砂（蓋層海砂）。表層海砂是指直接出露于海底的海砂，一般與現代水動力條件處于平衡狀態，屬于“活動型砂源”（active source[2]）；埋藏海砂是指上覆一定厚度泥質蓋層的海砂，為地質歷史時期沉積（多為更新世），屬于“穩定型砂源”（passive source[2]）。從環境影響角度來說，開采近岸表層海砂（活動型砂源）可能會造成較嚴重的環境破壞，而開采埋藏海砂（穩定型砂源）的環境影響則相對較小[2]。從找砂難易程度來說，表層海砂相對簡單，通過地形地貌和底質調查即可識別，再通過鉆探即可查明砂層厚度；而對于埋藏海砂，由于其隱伏于泥層之下，找砂難度較大，地形地貌和底質調查無能無力，必須先采用物探手段探查，鎖定目標后再進行鉆探。

目前，常用來識別埋藏海砂的物探手段是單道地震[3-10]。單道地震探砂的優點是其信號可穿透砂層，屬于直接探測法，但缺點是存在多解性，只依據單道地震識別砂層存在不確定性。因此，在進行埋藏海砂勘查時，需要多種物探手段結合，互相約束，從而提高找砂的成功率。淺地層剖面是可與單道地震結合進行埋藏海砂勘查的物探手段之一，淺地層剖面信號頻率較單道地震高，信號在砂層中衰減嚴重，穿透較差；在泥層中衰減較弱，具有較好的穿透。由于淺地層剖面難以穿透砂層，因此在以往的海砂勘查中未得到足夠的重視，甚至都不部署，利用淺地層剖面勘查埋藏海砂的研究也鮮有報道。

本文轉換思路，利用淺地層剖面可較好穿透泥層、但較難穿透砂層的特性，采用排除法，通過其排除泥層，再結合單道地震直接識別砂層，并經鉆孔驗證，最終形成一套埋藏海砂的識別方法，從而提高找砂準確率。

1 數據采集

由于有些研究中對淺地層剖面和單道地震測量的界定與本文存在分歧[9-10]，為避免爭議，本文所指的淺地層剖面和單道地震測量概念如下。

淺地層剖面測量：由調查船安裝淺地層剖面測量系統進行走航式探測。淺地層剖面測量系統（非拖曳式）一般由處理單元和換能器組成，通過換能器向水下垂直發射聲波信號，再由換能器接受回波信號，并經信號處理可顯示海底淺部地層結構。一般淺地層剖面測量頻率大于3 000 Hz，垂向分辨率可達厘米級，穿透深度一般幾十米（視地層性質和噪音影響等而定）。

單道地震測量：由調查船搭載單道地震測量系統進行走航式探測。單道地震測量系統一般由震源系統和電纜接收系統組成，一點激發一道接收，由震源系統（Sparker等）激發產生探測信號，由電纜接受回波信號，并經信號處理可顯示海底中淺部地層結構。一般單道地震測量頻率為3 000 Hz至幾百赫茲，垂向分辨率米級，穿透深度可達100 m以上（視地層性質和噪音影響等而定）。

1.1 淺地層剖面采集

本文淺地層剖面數據采集時間為2016年11月，調查船“海洋地質十八號”（原“奮斗五號”），所用儀器為德國INNOMAR公司SES-2000 Medium型參量陣淺地層剖面儀。其由系統主機（包括數據采集計算機和發射接收單元）、換能器組成。主要技術參數：①主頻約100 kHz；②差頻3.5、5、6、8、10、12、15kHz（可選）；③工作水深5～2 000 m；④最大穿透深度70 m；⑤地層分辨率可達5 cm。

數據采集：①淺剖儀側舷固定安裝，換能器吃水深度3.3 m；②采集頻率6 kHz；③聲速1 520 m/s；④ 記錄長度60 m，記錄延時根據水深進行調整；⑤ 測量中船速控制在4～6 kn，并盡量保持恒速；⑤ 數據記錄格式為*.ses。

數據處理和解釋采用德國INNOMAR公司的ISE2.91軟件。

1.2 單道地震剖面采集

本文的單道地震與淺地層剖面同步采集，單道地震測量系統由記錄系統、震源系統和接收電纜3個 部 分 組 成：①記 錄 系 統：Ixblue Delph Seismic數字單道地震記錄系統；②震源系統：SIG 2mille電火花震源系統；③接收電纜：GEO-SENSE 48型電纜。

數據采集：① 震源能量1 000 J，激發間隔1 000 ms；② 電極距離船尾約45 m，水聽器中心點距離船尾約45 m；③電纜沉放深度約0.5 m，震源與接收電纜偏移距約7 m；④記錄長度500 ms；⑤測量中船速控制在4～6 kn，并盡量保持恒速；⑤數據記錄格式為SEG-Y。

數據處理采用Omega 2015地震資料處理系統，數據解釋采用GeoSuite地震資料解釋軟件。

2 淺地層剖面和單道地震的聯合應用

近年來，廣州海洋地質調查局在華南近海開展了一系列海砂資源調查，在海砂調查實踐中，淺地層剖面和單道地震聯合應用取得了良好的效果。本文以珠江口磨刀門南海域為例，選取P7、P17兩條物探測線（淺地層剖面和單道地震同步測量），以及線上ZK1～ZK6六口鉆孔進行詳細介紹（圖1）。所選測線和鉆孔水深約18～35 m，距離磨刀門口約16～37 km，所在海域底質為泥[8,11]。其中，P7線垂直于岸線，走向NNW-SSE，長度約21 km；P17線平行于岸線，走向SWW-NEE，長度約22 km；6口鉆孔巖性分層等信息見表1。

表1 鉆孔巖性信息Table 1 Lithological information of borehole

圖1 物探測線和鉆孔位置Fig.1 Location of geophysical survey lines and boreholes

2.1 淺地層剖面

P7線淺地層剖面垂直于岸線，位于磨刀門河口（圖1）。剖面上可清晰識別出R0（海底）和R1兩個反射界面，結合ZK1—ZK4鉆孔資料，R1界面之上的S1層為淺剖信號能穿透的泥質層（圖2a、2b）。測線北部為磨刀門河口的泥質前積層，層理清晰，其下發育淺層氣，導致R1反射界面在此處被屏蔽，泥質層厚度至少超過10 m（受淺層氣影響其底界不詳），向海方向逐漸減薄（圖2a、2b）。測線中部為均質薄泥層，淺地層剖面上以透明的均質反射為特征，泥層總體厚約5 m，局部見小型古河道充填沉積（圖2a、2b和圖3a）。測線南部為古河道泥質充填沉積，以層狀反射為特征，最深處厚度超過25 m（圖2a、2b）。R1界面之下為無反射區，經與鉆孔（ZK1，ZK2和ZK3）比對，該界面為泥、砂層分界面，受砂層阻隔，淺剖信號難以穿透（圖2a、2b和圖3a）。

圖2 P7線淺地層和單道地震剖面聯合解釋圖a.淺地層剖面，b. 淺地層剖面解釋，c.單道地震剖面，d.單道地震解釋。Fig.2 Combined interpretation of sub-bottom and single-channel seismic profile of line P7a.Sub-bottom profile of line P7, b.Interpretation of sub-bottom profile of line P7,c.Single-channel seismic profile of line P7,d.Interpretation of single-channel seismic profile of line P7.

P17線淺地層剖面平行于岸線，垂直于P7線（圖1）。剖面上可清晰識別出R0（海底）和R1兩個反射界面，結合ZK2、ZK5和ZK6鉆孔資料，R1界面上部的S1層為泥質層（圖4a、4b）。測線西部至中部透明反射層為均質薄泥層，泥層厚度約為4 m，局部見小型古河道充填沉積（圖4a、4b）。測線中部至東部為以層狀反射為特征的大型古河道泥質充填沉積，泥質層厚度較大，底界被淺層氣屏蔽，ZK6鉆孔顯示泥層厚達28 m（圖4a、4b和圖5a）。經與鉆孔（ZK2和ZK5）比對，與P7線相同，R1界面為泥、砂層分界面，淺剖信號無法穿透其下砂層（圖4a、4b和圖5a）。

綜上，淺地層剖面對泥層具有較好的穿透性，而較難穿透砂層。根據淺地層剖面的這個特性，可通過排除法找埋藏海砂，即淺地層剖面穿透深的地方（如P17線東部，層狀反射和透明均質反射厚度較大）是泥層厚的地方，找砂時應予以避開；淺地層剖面穿透較差的地方，泥層較薄，可暫定為目標區。由于淺地層剖面難以穿透砂層，故無法獲取泥層之下砂層的具體信息，如砂有幾層，砂有多厚。因此，還需通過單道地震等能穿透砂層的物探手段對砂層進行直接探測。

2.2 單道地震

P7線單道地震剖面與P7線淺地層剖面同步測量（圖1）。根據地震反射特征，P7線單道地震剖面上可清晰識別出R0（海底）、R1和R2三個反射界面，以及S1（泥層）和S2（砂層）兩套地層（圖2c、2d）。R1反射界面為S1的底界，S1地震相特征為中強連續反射或中弱振幅均質/連續反射，經鉆孔驗證（ZK1—ZK4）為泥層；經與淺地層剖面比對，兩者中的R1是同一界面，S1是同一地層（圖2—5）。P7線單道地震剖面顯示，S1層北部為磨刀門河口的泥質前積層，地震反射特征為中強振幅連續反射，下部被淺層氣屏蔽，底界不詳；S1層中部為以中弱振幅均質/連續反射為特征的薄泥層；S1層南部為古河道泥質充填沉積，地震反射特征為中強振幅連續反射（圖2c、2d）。R2反射界面為S2的底界，S2地震相特征為一套中強振幅連續性差的雜亂反射，經鉆孔驗證（ZK1—ZK3）為砂層，厚度約15～25 ms（圖2d）。此外，根據地震相差異，還可識別出S3和S4兩個地質體，其中S3為弱振幅反射，S4為中弱振幅連續反射，鉆孔揭示S3為砂層，S4為泥層（圖2c、2d和圖3b）。

圖3 P7線淺地層和單道地震剖面局部放大圖a. 淺地層剖面局部放大，b. 單道地震剖面局部放大。Fig.3 Partial magnification of sub-bottom and single-channel seismic profile of line P7a.Partial magnification of sub-bottom profile of line P7, b.Partial magnification of single-channel seismic profile of line P7.

P17線單道地震剖面與P17線淺地層剖面同步測量（圖1）。對應于P7線單道地震剖面，P17線單道地震剖面上亦可清晰識別出R0（海底）、R1和R2三個反射界面，以及S1（泥層）和S2（砂層）兩套地層（圖4c、4d）。P17線單道地震反射顯示，S1層西部至中部為均質薄泥層（中弱振幅均質/連續反射），局部見小型古河道充填沉積（弱振幅反射為主）；S1層中部至東部為大型古河道泥質充填沉積（中強振幅連續反射為主），下部受淺層氣影響，底界不詳（圖4c、4d）。與P7線對應，R1和R2反射界面所限定的S2為砂層（經ZK2和ZK5鉆孔驗證），單道地震反射以中強振幅雜亂反射為特征，厚度約10～25 ms（圖2d和圖4d）。另外，根據地震反射特征，還可識別出S3和S5兩個地質體，均以弱振幅反射為特征（圖4d）。其中S3與P7線中S3為同一地層，經鉆孔揭示為砂層（圖3b和圖5b）。S5地震反射特征與其附近的小型古河道泥質充填沉積的弱振幅甚至是空白反射（淺剖可以穿透）類似，推測為泥層（圖4d）。在海南島近海的海砂調查中，也出現類似的弱振幅反射地震相，經鉆孔驗證為泥層[6]。由上可見，同為弱振幅反射，可能是砂層，也可能是泥層，反映了單道地震的多解性。此外，ZK5鉆孔所在位置地震反射特征（中強振幅雜亂反射）顯示的是一套砂層，而實際鉆孔中揭露的是兩層砂，中間夾有約3 m的泥層，也反映了單道地震的多解性（圖4d）。

圖4 P17線淺地層和單道地震剖面聯合解釋圖a.淺地層剖面，b.淺地層剖面解釋，c.單道地震剖面，d.單道地震解釋。Fig.4 Combined interpretation of sub-bottom and single-channel seismic profile of line P17a.Sub-bottom profile of line P17,b.Interpretation of sub-bottom profile of line P17,c.Single-channel seismic profile of line P17,d.Interpretation of single-channel seismic profile of line P17.

圖5 P17線淺地層和單道地震剖面局部放大圖a.淺地層剖面局部放大，b.單道地震剖面局部放大。Fig.5 Partial magnification of sub-bottom and single-channel seismic profile of line P17a.Partial magnification of sub-bottom profile of line P17,b.Partial magnification of single-channel seismic profile of line P17.

綜上，由于砂層和泥層的物性差異，在單道地震剖面上，泥層表現為中強至中弱振幅連續性好的層狀反射或弱振幅反射，且可與淺地層剖面對比；砂層則表現為中強振幅連續性差的雜亂反射，根據以上反射差異，可對砂層進行識別。單道地震能穿透砂層，直接探測海砂，但同時存在多解性，需與其他物探手段進行聯合解釋，以提高可靠性。

2.3 淺地層剖面和單道地震的聯合應用

通過上述分析，基于砂層和泥層的物性差異，利用淺地層剖面和單道地震識別埋藏海砂的方法總結如下：

（1）根據淺地層剖面排除泥層（泥層的間接排除法）。淺地層剖面具有能穿透泥層而較難穿透砂層的性質，泥層的淺地層剖面識別標志為清晰的層狀反射或均質反射。若淺地層剖面穿透深度較大，層狀或均質反射清晰，指示泥質沉積較厚，找砂時應避開此類區域。反之，若淺地層剖面穿透深度小，指示泥層較薄，其下發育砂層可能性較大，可列為關注區域。

（2）根據單道地震識別砂層（砂層的直接識別法）。單道地震能直接穿透泥層和砂層，泥層的單道地震識別標志為中強至中弱振幅連續性好的層狀反射或弱振幅反射（若海底表層為泥層時，可與淺地層剖面較好地吻合），砂層的單道地震識別標志為中強振幅連續性差的雜亂反射。通過淺地層剖面篩選出泥層較薄的區域后，對同步采集的單道地震剖面進行解譯，上覆泥層可與淺地層剖面對比，較易識別。若泥層之下地震反射表現為中強振幅連續性差的雜亂反射，則可初步判定為砂質沉積，若該雜亂反射具有一定的厚度和規模，則可確定為找砂目標區域。另外，單道地震還對基巖面具有較好的識別效果[12-15]，若基巖面埋深較淺，表明該處海砂資源潛力有限，找砂時應予以避開。

（3）鉆孔驗證。通過以上淺地層剖面和單道地震聯合解釋，識別海砂富集區域，確定孔位，通過鉆探直接驗證物探解譯的準確性；同時根據鉆探結果，開展井震對比，總結經驗，加深認識，進一步提高物探解譯的水平。

3 討論

以上淺地層剖面和單道地震聯合應用的海砂識別方法在實踐中取得了較好的效果，前文詳述了本方法在珠江口磨刀門外的成功應用（圖2—5）。此外，在粵東粵西近海（未發表的數據）和臺灣海峽[4]等海區，本方法也進行了有效的應用。以下對該方法的特點進行討論。

本方法適用于泥質蓋層之下埋藏海砂的勘查，采用“淺地層剖面排除泥層+單道地震識別砂層+鉆孔驗證”，充分利用淺地層剖面易穿透泥層、難穿透砂層的特性，有效提高了對泥層識別的準確性，據此采用排除法避開泥質厚層區，與單道地震結合，顯著降低了物探資料多解性，有效提高了找砂成功率。

本方法的有效性依賴于物探資料的質量。除海況影響和淺層氣屏蔽等客觀原因會造成數據效果不佳之外，儀器型號的選擇和安裝方式的不同等原因也會直接影響數據效果，其中尤其以淺地層剖面最為明顯。如本文采用的SES-2000 Medium型參量陣淺剖儀排除泥層效果較好，而SES-2000 Light型參量陣淺剖儀則由于發射功率較小，實踐中發現其側舷固定安裝于千噸級調查船，受船體噪音影響，對泥層的穿透十分有限，難以達到排除泥層的目的。另外，實踐中還發現SES-2000 Medium-70型參量陣淺剖儀，固定安裝于千噸級調查船底，穿透效果更強，可在穿透海底表層2 m左右的薄砂層之后，仍能對下伏泥層進行較好的穿透。

本方法的局限性在于單道地震的多解性。對于淺地層剖面識別泥層來說，多解性較小，把握性較大，但對于單道地震識別砂層來說，存在一定的多解性。前已述及，如同為弱振幅反射，可為砂層，亦可能為泥層（圖2、圖3b和圖4）。又如同為中強振幅雜亂反射，ZK1和ZK3中揭示的是一層砂，而ZK5中揭露的是兩層砂夾一層泥（圖2，圖4）。因此，為了降低單道地震的多解性，提高對砂層識別的可靠性，有必要進一步引入其他物探手段，與單道地震聯合探測。

4 結論

（1）采用“淺地層剖面排除泥層+單道地震識別砂層+鉆孔驗證”進行埋藏海砂勘查，將泥層的間接排除法與砂層的直接識別法相結合，可有效提高埋藏海砂的找砂成功率。

（2）淺地層剖面具有易穿透泥層而難穿透砂層的特性，泥層的淺地層剖面識別標志為清晰的層狀反射或均質反射，并可與單道地震進行對比，有效提高了對泥層識別的把握性，從而指導找砂避開泥質厚層區。

（3）單道地震可直接穿透砂層，砂層的單道地震識別標志為中強振幅連續性差的雜亂反射，在利用淺地層剖面排除泥質厚層區之后，可據此優選砂質厚層區作為找砂目標區。