兩種不同類型的高分辨率淺地層探測系統(tǒng)在近岸海洋工程應(yīng)用中的對比分析

劉榮林

（福建省港航勘察科技有限公司，福建 福州 350009）

0.引言

近岸海洋工程建設(shè)需要查明海床以下地層類型及埋藏深度等信息，或具體目標體的埋藏情況，為其工程設(shè)計、建設(shè)及維護等方面提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。目前應(yīng)用最多的方法就是采用淺地層剖面儀或單道地震系統(tǒng)進行探測，依據(jù)采集數(shù)據(jù)的反射波特征，并結(jié)合工程區(qū)內(nèi)的鉆探資料進行對比，確定不同地層的反射界面。但由于具體的探測目的不同、海床地質(zhì)條件不同，不同探測儀器測得的數(shù)據(jù)相差較大。本文從不同類型儀器的原理及特征入手，分析其優(yōu)缺點，探討不同情況下儀器的不同選擇。

1.聲波探測原理

聲波遇到不同的彈性介質(zhì)會產(chǎn)生反射和透射（如圖1所示）。根據(jù)費馬原理，聲波在介質(zhì)中的一點傳播至另一點的路徑是傳播時間最短的路徑而不是傳播距離最短的路徑[1]，由此可以得出公式，如公式（1）所示：

圖1 聲波在介質(zhì)中的反射透射路徑

同理可以得出公式，如公式（2）所示：

根據(jù)公式（1）和公式（2），可以追蹤出聲波在彈性介質(zhì)中的傳播路徑。淺地層剖面儀及單道地震系統(tǒng)均是利用聲波這一特性而用于探測海底地層的分布情況，其中淺地層剖面儀聲波的激發(fā)與接收可以看作在同一點，探測接收到的數(shù)據(jù)就是儀器發(fā)射點正下方的海底地層反射數(shù)據(jù)；而單道地震系統(tǒng)的震源與水聽器是分開的，探測接收到的數(shù)據(jù)是震源與水聽器中間位置的海底地層反射數(shù)據(jù)。

不同探測儀器探測數(shù)據(jù)的好壞，一般從兩個角度進行比較，即分辨率和穿透能力。分辨率分為縱向分辨率和橫向分辨率，聲波的頻率越高、波形越尖銳，縱向分辨率越高，可以用來表達（c為聲速、T為脈沖寬度）。橫向分辨率一般用第一菲涅爾帶半徑來衡量，半徑越小代表分辨率越高，數(shù)學(xué)表達式為R＝。可以看出當(dāng)頻率f越大，橫向分辨率越高。穿透能力主要是由儀器發(fā)射聲波的頻率來決定，低頻、寬脈沖的聲波有較好的穿透能力。因此，分辨率與穿透能力對聲波的要求是沖突的。

2.聲波特征及對比分析

2.1 淺地層剖面儀聲波特征

本文以EdgeTech SB-216S型淺地層剖面儀為例，介紹其發(fā)射聲波的原理，并分析CHIRP技術(shù)的特點及優(yōu)勢（如表1所示）。SB-216S型淺地層剖面儀是利用壓電陶瓷這種特殊材料對電場及壓力場的“靈敏感應(yīng)”來發(fā)射聲波和接收反射波的。當(dāng)施加外界電場到壓電陶瓷上時會引起變形，電場方向交替變化則會引起機械振動，此時壓電陶瓷成為聲源發(fā)射聲波；當(dāng)反射回來的聲波產(chǎn)生的壓力場作用到壓電陶瓷上時則會產(chǎn)生電信號，以此來記錄反射聲波。

表1 Edge Tech SB-216S型淺地層剖面儀參數(shù)

為了獲得具有一定穿透能力且分辨率較高的數(shù)據(jù)，淺地層剖面儀廣泛地采用CHIRP技術(shù)。CHIRP技術(shù)是一種線性調(diào)頻技術(shù)，該技術(shù)的特點是具有較寬的頻率范圍和較長的脈沖延續(xù)時間，目的是增大聲波的穿透能力[2,3]，其子波理論表達式，如式（3）所示：

式（3）中，A為振幅；f1為開始頻率；f2為結(jié)束頻率；T為信號延遲時間；t為記錄時間。

由于CHIRP子波各頻率子波強度相同，相同地層的反射界面會由多個頻率成分的反射波疊加，影響地層識別的分辨率（如圖2所示），對此需要對CHIRP子波加一包絡(luò)函數(shù)，使子波能量集中在主頻處，降低其他次要頻率的影響（如圖3所示）。

圖2 模擬CHIRP信號波形及頻譜

圖3 模擬加包絡(luò)函數(shù)的CHIRP信號波形及頻譜

CHIRP子波還存在脈沖延續(xù)時間長的缺點，根據(jù)縱向分辨率的公式可以得出其分辨率較低。因此，需對采集的信號進行脈沖壓縮處理，再根據(jù)采集的信號與子波信號具有很好的相似性，而采集的噪聲與子波相似性很差的特點，進行濾波，提高數(shù)據(jù)的信噪比。

2.2 單道地震系統(tǒng)聲波特征

本文以荷蘭GEO-Spark1000 Plus單道地震系統(tǒng)為例，技術(shù)參考（如表2所示），探討電火花能源發(fā)射聲波的原理及特征。GEO-Spark單道地震系統(tǒng)是利用瞬時高壓放電會產(chǎn)生“液電效應(yīng)”的原理，即高壓電場產(chǎn)生的巨大能量在放電通道內(nèi)瞬時釋放，通道內(nèi)的液體迅速膨脹、汽化并引起“爆炸”。在液體中，高壓放電的形式一般有兩種：一種是電弧放電；另一種是電暈放電。GEO-Spark單道地震系統(tǒng)采用的是高壓脈沖負極電暈放電技術(shù)，在放電電極與海水之間進行局部放電，GEO-Spark 300J聲波脈沖波形及頻譜（如圖4所示）：

圖4 GEO-Spa rk 300J聲波脈沖波形及頻譜

表2 GEO-Spark 1000 Plus單道地震系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

2.3 工程中的應(yīng)用對比

EdgeTech SB-216S型淺地層剖面儀和GEO-Spark單道地震系統(tǒng)均是為了近岸海洋工程高分辨率探測淺地層分布特征而設(shè)計的，兩者應(yīng)用了不同的技術(shù)手段來提高縱向分辨率和穿透深度。其中EdgeTech公司是對接收到的反射信號利用信號處理技術(shù)進行脈沖壓縮和濾波來提高分辨率。而GEOSpark則利用瞬時高壓放電會產(chǎn)生延續(xù)極短的尖脈沖，脈沖寬度為微秒級別，可以達到較高的分辨率的原理來探測。

EdgeTech公司利用線性調(diào)頻得到了包含一定范圍的低頻和高頻的信號，利用低頻來增加穿透深度。GEO-Spark利用不同的能量級別來進行瞬時高壓放電，能量級別變大、尖脈沖頻率變低，則穿透能力變強。

本文介紹了兩種淺地層探測系統(tǒng)的發(fā)聲原理，并列出了相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，僅僅靠理論給出的技術(shù)參數(shù)來評價哪種儀器更好是不合理的，還要針對兩種儀器自身的特點選擇合適的使用場景。下面從實際案例應(yīng)用中進行比較，探討各自適合使用的環(huán)境。

以某航道建設(shè)工程為例，利用EdgeTech SB-216S型淺地層剖面儀、GEO-Spark 1000 Plus單道地震系統(tǒng)對同一測區(qū)進行了淺地層探測，以此說明兩種儀器在實際工程中的應(yīng)用情況。航道建設(shè)工程對淺地層探測的一般要求是準確判斷基巖面的埋藏深度及各沉積層的覆蓋厚度，為確定航道疏浚及炸礁等工作提供數(shù)據(jù)支撐，對儀器的穿透能力有一定的要求。下面從基巖面的識別、沉積地層的識別兩種角度來分析其特征。

2.3.1 基巖面的識別

（1）當(dāng)海底基巖面埋藏深度較淺、覆蓋層主體為淤泥混砂時，兩種探測系統(tǒng)地層剖面上基巖面的反射特征均比較明顯，可以連續(xù)追蹤，能清晰地判斷基巖埋藏深度，具體探測剖面數(shù)據(jù)（如圖5（a）、圖5（b）所示）：

圖5 淺地層剖面對比圖

（2）在海底覆蓋層為十幾米左右厚度時，兩種探測系統(tǒng)地層剖面數(shù)據(jù)基巖面辨識度相差較大，GEO-Spark單道地震系統(tǒng)探測的基巖面比較清晰，可以連續(xù)追蹤，在覆蓋層達到二十多米時基巖面依然清晰；EdgeTech SB-216S型淺地層剖面儀探測的基巖面反射強度明顯變?nèi)酰鶐r面連續(xù)追蹤性比較差。具體探測剖面數(shù)據(jù)（如圖6所示）：

圖6 基巖面探測深度對比圖

2.3.2 沉積地層的識別

沉積地層由于泥、砂、礫的成分含量不同，所以兩種探測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量又有一定的差異。當(dāng)沉積地層中泥為主體成分時，兩者的地層界面反射波同相軸均清晰連續(xù)可見，但EdgeTech SB-216S型淺地層剖面縱向分辨率更高，具體（如圖7（a）所示）：

當(dāng)沉積地層中砂、礫含量較多時，EdgeTech SB-216S型淺地層剖面儀的穿透能力變?nèi)酰踔链┎煌福籊EO-Spark單道地震系統(tǒng)穿透能力也會降低，通過加大激發(fā)能量級別可以在一定程度上彌補，具有一定深度的穿透能力。探測數(shù)據(jù)（如圖7（b）所示），GEO-Spark單道地震系統(tǒng)可以穿透一定厚度的砂層，下伏地層界面同相軸相對清晰；EdgeTech SB-216S型淺地層剖面儀則無法完全穿透砂層，下伏地層界面同相軸模糊，無法可靠追蹤。

圖7 沉積地層探測剖面對比圖

2.4 特定目標體的探測

對于近岸海洋工程而言，除港口、航道等交通設(shè)施的建設(shè)外，海底輸電管線及輸油、氣管線的敷設(shè)工程也占一定比例。海底管線敷設(shè)完成后，為保障管線設(shè)施具有正常可靠的使用功能，還需對其進行維護。由于災(zāi)害天氣及人為因素等影響，有可能對海底管線造成一定程度的損害，為了獲取海底管線的位置及狀態(tài)信息需要利用高分辨率淺地層剖面儀進行探測[4]。

探測海底管線最主要的目的是明確管線屬于埋藏海底、裸露海底、懸空海底三種狀態(tài)的哪一種。一般情況下海底管線與上覆地層的波阻抗差異較大，利用淺地層剖面儀可以得到比較清晰的反射界面，以此判斷海底管線的狀態(tài)。海底管線埋藏深度一般較淺，對穿透能力要求不高。由于EdgeTech SB-216S型淺地層剖面儀縱向分辨率更高，因此，它比GEOSpark單道地震系統(tǒng)更適合用于海底管線探測的工程中[5]。圖8是使用淺地層剖面儀對海底管線進行探測的剖面圖。

圖8 海底管線探測剖面

3.結(jié)論

本文根據(jù)兩種不同類型的高分辨率淺地層探測系統(tǒng)在某航道工程探測中獲取的實測數(shù)據(jù)進行對比分析，得出了以下結(jié)論：

（1）對于覆蓋層較薄、基巖埋藏較淺的地質(zhì)條件來講，兩種淺地層探測系統(tǒng)均能達到比較好的效果；對于淤泥、淤泥質(zhì)粉砂等偏細的沉積層探測來講，兩者關(guān)于地層的劃分差距不大，但SB-216S型淺地層剖面儀對層內(nèi)的沉積細部特征探測具有明顯優(yōu)勢，分辨率更高；在沉積層砂、礫含量較高的地質(zhì)條件下，GEO-Spark單道地震系統(tǒng)具有更好的穿透效果。

（2）EdgeTech SB-216S淺地層剖面儀具有更高的主頻頻率特征，分辨率很高，適合調(diào)查沉積層比較細的工程區(qū)；由于分辨率較高，對埋藏的目標體探查也比較適用，如，海底管道、沉船等。

（3）GEO-Spark單道地震系統(tǒng)發(fā)射的聲波主頻介于幾百Hz至幾千Hz，具有較強的穿透能力，同時也具有可觀的分辨能力，比較適合需要查明基巖埋藏深度、沉積地層組分較粗的工程。