中地層剖面探測在海上風電場勘察中的應用

張長飛

（中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司 福建福州 350003）

海上風電具有風資源穩定、不占用土地、消納條件好、技術先進、穩定性好、發電利用小時數高等優勢。大力發展海上風電，對我國調整能源結構、推動能源轉型、實現“雙碳”目標具有重要意義。在全球“碳中和”目標的推動以及我國相關產業政策的引導下，“十四五” 期間我國海上風電規劃總裝機量超過100 GW。未來海上風電的發展將趨于大型化、深遠海化、基地化、規模化以及一體化綜合應用［1］。勘察工作是海上風電場勘察設計的重要組成部分。工程勘察需要為場址選擇、風機布置、基礎選型、結構設計、工程量概算等工作提供大量準確可靠的地質資料。工程勘察的成果對工程設計和建設的影響重大而深遠［2］。

常規的海上鉆探勘察雖然能準確揭露單個點的地層分布情況，但它不能全面反映場區內的地層結構、覆蓋層分布等情況［3］。為了揭示海上風電場淺部地層結構、覆蓋層厚度、基巖埋深等情況，中地層剖面探測是一種不可或缺的重要手段［2-5］。中地層剖面是利用聲波在海底地層中的傳播及反射規律來探測海底地質情況，中地層剖面探測因具有探測效率高、探測映像直觀、工程造價低等優點，被廣泛地應用于海上風電場勘察中［2，4，7］。

1 工作原理與數據處理

1.1 工作原理

中地層剖面探測的基本原理是［5］：通過換能器（震源）將控制信號轉換為不同頻率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反射界面，反射回換能器被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剖面記錄。反射界面為波阻抗不等的2 種介質的分界面，而波阻抗為聲波在介質中傳播的速度（υ）和介質密度（ρ）的乘積。在中地層剖面探測中，近似認為是垂直入射的，反射系數R 可以用式（1）來表達：

式中：Z 為介質的波阻抗；R 為反射系數。

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，在剖面儀顯示器上反映兩相鄰的界面線，并能分別顯示2 層沉積物的性質圖像特性差異。由于不同的沉積物存在著密度差異和速度差異，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（反射信號的振幅越強）。這種反射界面一般能夠代表不同地質年代、不同沉積環境和物質構成的真實界面。工作原理詳見圖1。

圖1 中地層剖面工作原理

1.2 數據處理

資料整理包括定位資料的整理、原始剖面的復制、各種參數值的量取與計算，以及各種成果圖件的繪制。中地層剖面儀記錄比較多的噪聲，噪聲的影響比較大且來源也比較復雜。常見的有機械干擾、環境噪聲、直達波、海底多次波等；處理過程中壓制噪聲，減小噪聲對有用信號的影響，處理流程包含帶通濾波、時變增益、反褶積等。具體的布置如下：

（1）定位資料的整理：校對定位坐標成果資料，包括檢查其線號、工作日期、剖面方向、點號等，與定位記錄數據、定位草圖的統一性。

（2）原始剖面的復制：將中地層剖面測量的原始記錄剖面存盤。

（3）原始資料的處理：原始數據處理采用Sonarwiz7 中剖處理模塊，處理手段包括：水位改正、噪聲壓制、振幅控制等。

（4）資料解釋的流程：中剖資料的主要解釋工作包括地層劃分、繪制解釋剖面以及區域成果圖。在進行剖面解譯前首先對剖面的水深進行校正，水中聲速使用工作區中聲速剖面測量得到的速度。

2 在某近海風電場可研階段勘察中的應用

2.1 測區情況

場址中心離岸約8～10 km，樁基容量100 MW。海底地形起伏大，大部分區域水深為20～30 m，局部可達40～47 m。附近主要有大蛇島、小蛇島、小日島等島嶼，島礁多且分布不均，規模大小不一。因礁頂高程不同，致該海域潮起時形成眾多暗礁，潮落時出現成片礁石，海底面地形地貌復雜。

2.2 測線布置

本次中地層剖面測量工作測線布置如下：沿風機主排列方向布置2 條剖面，共完成中地層剖面15.5 km。物探測線航跡圖詳見圖2。

圖2 物探測線布置圖

2.3 地層巖性及地球物理條件

海域地層巖性根據地震反射波組形態特征主要由以下8 個單元層組成：

（1）第1 大單元層，主要為流塑狀淤泥層，埋深較淺。

（2）第2 大單元層，為可塑狀粉質黏土層，埋深較淺。

（3）第3 大單元層，為松散-中密狀中砂層，埋深較淺。

（4）第4 大單元層，為可～硬塑狀殘積粘性土層，埋深較淺。

（5）第5 大單元層，為硬塑全風化花崗巖層。

（6）第6 大單元層，為硬塑砂土狀強風化花崗巖層。

（7）第7 大單元層，為碎塊狀強風化花崗巖層。

（8）第8 大單元層，為中風化花崗巖基巖層，主要為燕山期侵入的花崗巖。

2.4 數據解釋

根據地震時間剖面圖中反射波形、到時和連續性等特點的對比分析，確定海底標高0～-120 m 范圍內存在8 組有效波組（T0～T7），其中局部地段T5、T6、T7波組受上部地層能量衰減影響，有效信號識別一般。

T0為海底與海水的反射界面，由于海水與海底的波阻抗差異比較大，因此該反射界面反射能量強，相位穩定，同相軸清晰，連續性好，全區可連續追蹤。T1為淤泥層與中砂或強風化花崗巖層界面，該界面層內圖像明亮，T0和T1之間的層內反射同相軸多表現為低幅值、近似平行的反射類型，同相軸連續性好，可連續追蹤。T2為粉質黏土層與碎塊狀強風化花崗巖層界面，該界面層內圖像較明，T1和T2之間的地層表現為低幅值、近似平行的反射類型，同相軸連續性好，可連續追蹤，具有平行簡單層理特征，沉積物平穩且較為均勻一致。T3為中砂層與碎塊狀強風化花崗巖層界面，受中砂層吸收反射波能力較強的影響，T1和T3之間地層圖像顏色較淺，層內弱振幅，同相軸不連續，不易追蹤；受上部地層能量衰減影響，T3和T7之間的地層圖像顏色較淺，層內弱振幅，同相軸不連續，不易追蹤。T6為砂土狀強風化花崗巖與碎塊狀強風化花崗巖層界面，受上部地層能量衰減影響，T6和T7之間的地層圖像顏色較深，層內強振幅，同相軸不連續，不易追蹤。T7為中風化花崗巖層頂界面。其中L2測線部分中地層剖面成果斷面見圖3，L3測線部分綜合地質解釋斷面見圖4。

圖3 L2 測線部分中地層剖面成果斷面圖

圖4 L3 測線部分綜合地質解釋斷面圖

結合鉆探和中地層剖面探測成果，分析如下：

（1）本次中地層剖面勘查所有測線的時間剖面圖中有效反射相位相似性一般、各相位起伏較大，說明區內地層沉積不穩定、巖性在橫向上變化較大，底部分布礁石。

（2）場區覆蓋層厚度變化大，由于基巖與上伏薄層砂及其他軟弱覆蓋層物理性質差異比較大，波阻抗較大，反射較強烈，基巖界線明顯。

（3）水深、覆蓋層厚度變化大，根據基巖面的起伏情況，可根據中剖成果合理選擇基礎型式，如重力式基礎、高樁承臺基礎、單樁基礎、導管架基礎等。

3 在某外海風電場可研階段勘察中的應用

3.1 測區概況

場址中心距離海岸線約55 km，水深49～55 m。裝機容量200 MW。場址區處于水下緩坡、水下堆積臺地、平原地貌。海底地形單一、平緩，總體呈西高東低，高程-49.1～-54.8 m（1985高程），海底地形比降約為1.0‰。

3.2 測線布置

本次中地層剖面工作測線布置如下：沿風機主排列方向布置2 條剖面，剖面間距約2.9 km，每條剖面長度約8.5 km；垂直風機主排列方向布置4 條剖面，剖面間距約2.2 km，每條剖面長度約5 km。測線總長度約37 km。物探測線航跡詳見圖5。

圖5 物探測線航跡圖

3.3 地層巖性及地球物理條件

海域地層巖性根據地震反射波組形態特征主要由5 個單元層組成：

（1）第1 大單元層，主要為流塑狀淤泥層，埋深較淺。

（2）第2 大單元層，為軟塑～可塑狀土層，以淤泥質粉質黏土為主，局部夾粉細砂、粉質黏土。

（3）第3 大單元層，為硬塑狀土層，以粉質黏土為主，夾粉細砂。

（4）第4 大單元層，為密實砂層，以粉細砂、細砂、礫砂為主，局部夾粉質黏土。

（5）第5 大單元層，為基巖層，主要為燕山期侵入的花崗巖。

3.4 數據解釋

根據地震時間剖面圖中反射波形、到時和連續性等特點的對比分析，確定海底標高0～-170 m 范圍內存在5 組有效波組（T0～T4），其中T4波組受上部地層能量衰減影響，有效信號識別較差。其中：T0為海水水體與下部沉積地層之間的界面，即海底反射界面，主要特征為同相軸能量強，連續性較好，上下地層波阻抗差異大。T1為淤泥層與軟塑-可塑狀土層界面，T0和T1之間層內反射同相軸連續、易追蹤。大部分地區表現為微弱的近似平行且橫向連續的地震反射特征，推測為淤泥質海床。T2為軟塑可塑狀土層與硬塑狀土層界面，T1和T2之間的層內反射同相軸多表現為低幅值、近似平行的反射類型，層內圖像較明，該層主要為松散粉砂與軟塑-可塑狀粉質黏土。T3為硬塑狀土層與密實砂層界面，T2和T3之間的層內圖像較暗，主要為硬塑狀粉質黏土層，夾有密實粉質黏土層。T4為密實砂層與基巖界面，T3和T4層圖像顏色較深，主要為密實砂層。T4下部為基巖層，該層連續性較差，表現為雜亂弱反射類型。

其中L3測線中地層剖面成果斷面圖見圖6，L4測線綜合地質解釋斷面圖見圖7。

圖6 L3 測線綜合地質解釋斷面圖

圖7 L4 測線綜合地質解釋斷面圖

結合鉆探和中地層剖面探測成果，分析如下：

（1）本次中地層剖面勘查所有測線的時間剖面圖中有效反射相位相似性較好、且各相位起伏不大，說明區內地層沉積穩定、巖性在橫向上基本沒有變化。反映海底的T0界面起伏坡度角不大，表明測區內存在滑坡體的可能性極小，未發現明顯的斷層等不良地質現象。

（2）淤泥及黏性土，無顆粒結構，反射能量損失較小，對聲波的衰減較小，界面清晰。

（3）受上部砂層地層能量衰減影響，T3和T4之間的層內圖像較暗，振幅較強，層內同相軸不連續，不易追蹤。由于砂是由顆粒組成的，對聲波的反射能力較強，另穿透的聲波在顆粒間的漫反射也造成能量損失、衰減，可以看出中地層剖面探測對深厚的砂層穿透深度較小，探測效果較差［4］。

（4）基礎選型可采用四樁導管架基礎、吸力筒導管架等，為深海區的基礎選型提供了可靠的基礎數據。

4 結論

本文介紹了中地層剖面探測的工作原理，并成功應用于某近海、外海風電場，取得了顯著的效果，并得出以下結論：

（1）中地層剖面探測能夠有效查明覆蓋層厚度的分布情況。

（2）對區分淤泥、淤泥質土等軟土和基巖頂面的反射界面清晰，效果好。對于深厚的砂層由于反射和漫反射造成能量損失，穿透深度較小，探測效果較差。

（3）中地層剖面探測憑借其成本低、效率高、覆蓋面積大等特點，符合風電場預可研、可研階段的勘察深度要求，有效查明場區內覆蓋層厚度，為基礎選型提供可靠的依據。

但中地層剖面探測作為1 種物探手段，根據其原理產生的探測深度有限、解譯的多解性、圖像失真等問題以及地層的非均質、各項異性等特點，中地層剖面探測應結合鉆探和其他物探資料進行探測和解譯。