淺地層剖面探測技術在航道項目中的應用分析

摘要：隨著海洋資源開發持續推進，近岸涉海工程建設越來越多，淺地層剖面探測利用聲波在海底沉積物中的傳播以及反射特性和規律對海底地層結構、構造進行探測，具有高分辨率、可穿透地層、可連續走航式探測等優點，應用十分廣泛。通過介紹淺地層剖面探測技術的原理和工作流程，以工程實例為研究對象，將淺地層探測應用于海洋調查工作中，對結果進行地質解釋并得出結論。

關鍵詞：海洋資源""淺地層剖面探測""波阻抗""地質解釋""地質類型

Application"Analysis"of"Shallow"Strata"Profile"Detection"Technology"in"Waterway"Project

CHEN"Changjin

Fujian"Zhangzhou"Gulei"Port"Construction"and"Development"Group"Co.，"Ltd.，"Zhangzhou，"Fujian"Province，"363215"China

Abstract："With"the"continuous"advancement"of"marine"resource"development，"there"are"more"and"more"offshore"marine"engineering"constructions，"Shallow"strata"profile"detection"uses"the"propagation"and"reflection"characteristics"and"laws"of"sound"waves"in"seabed"sediments"to"detect"the"structure"and"formation"of"seabed"strata."It"has"the"advantages"of"high"resolution，"penetrating"strata"and"continuous"navigation"detection，"and"is"widely"used."By"introducing"the"principle"and"workflow"of"shallow"strata"profile"detection"technology，"taking"engineering"example"as"the"research"object，"shallow"strata"detection"is"applied"to"marine"survey"work，"and"geological"interpretation"is"carried"out"and"conclusions"are"drawn.

Key"Words："Marine"resources;"Shallow"strata"profile"detection;"Wave"impedance;"Geological"interpretation;"Geological"type

隨著我國經濟的快速發展，海洋活動的變得越來越頻繁，為了更好地利用海洋，國家依法對長江口區域進行海籍調查。長江口區域也是用海活動最密集的區域之一，開發建設規模較大，海岸空間資源利用率高，用海類型包括碼頭、圍海、海底電纜管道、隧橋、保灘壩等人工構筑物。其中，丁壩在崇明三島的用海項目中占有很大的比例，但由于行政區劃分的變化和年代久遠的原因，部分丁壩無法收集相關竣工資料。本文就地層剖面探測技術在航道項目探測中前期準備、測量計劃線的布設、前期的準備、儀器的選擇、數據采集、數據處理、精度評估等過程做詳細的介紹，為今后航道項目的探測提供了新的方法與思路[1]。

1"淺地層剖面探測的技術原理

地層剖面探測技術在航道項目中的應用面臨著諸多挑戰和問題。首先，海洋測繪需要覆蓋大面積海域，而海洋環境的復雜性使獲取精確和全面的數據變得困難。海洋中的水流、潮汐、風浪等自然因素會導致數據的失真和誤差，從而影響探測結果的準確性。其次，航道項目探測需要使用傳感器和儀器進行數據采集，但這些設備對深海環境的適應性相對較弱。在深海區域，溫度、壓力和水質等因素的變化較大會對設備的性能和精度產生負面影響。此外，海洋測繪技術還面臨數據處理和管理的問題。海洋測繪數據量大、復雜度高，如何高效地存儲、分析和管理這些數據，是一個亟待解決的挑戰。同時，地層剖面探測技術還需要解決數據標準化和共享的問題，以便不同機構和國家之間能夠進行有效的數據合作和交流。

淺地層剖面探測技術是利用聲波的折射和反射的原理設計的。通過震源發出的地震波，沿垂直方向下傳播，遇到介質不同、密度不同的兩種介質時，部分聲波在界面反射，部分在界面通過繼續向下傳播;到達下一個界面同樣產生反射和通過，不同密度和聲學差異的介質反射和通過的聲波的強弱不同，利用這個原理即可獲取海底地層分層情況和各層底質的信息[2]。地層剖面探測技術是一種集成了多種探測方法和技術的綜合性應用，旨在準確、高效地識別和定位地下管線的位置、深度和走向，這項技術結合了電磁法、雷達探測、聲波探測、紅外熱成像等多種物理探測手段，以及地理信息系統（Geographic"Information"System，GIS）、全球定位系統（Global"Navigation"Satellite"System，GNSS）和計算機輔助設計（Computer"Aided"Design，CAD）等信息技術，形成了一套完整的探測解決方案。""""完成淺層剖面系統的安裝后，在船上進行靜態測試，內容包括硬件的安裝與集成的測試、供電系統測試、GNSS數據的連接測試和系統軟件測試。通過多次量取各個單元相對GNSS天線的偏移距離等相關參數，確保各參數準確。安裝測試完畢后，使測量船以低速平穩航行，對整套設備和軟件進行接通測試，以確保集成系統的可靠性和可行性[3]。

2"工程應用實例

2.1"測區概況

本工程為福建省某沿海航道項目，要求對航道區域進行淺地層剖面探測，以探明擬建航道設計范圍內海域的海底底質類別與分布范圍，為工程設計提供基礎資料。

依據項目技術需求布設測線，共布置60條，總長度約31.7"km，實際測線總里程約35.8"km。

2.2"儀器設備

本次項目所采用儀器設備的精度（等級）、時效性、穩定性及其他性能指標均達到或接近國內外先進水平，儀器均妥善維護和保養，確保運行穩定，安全可靠，具備正常作業能力。主要設備為Geo-Source"200"Light多極電火花震源，Mini-Trace"II地震數據采集單元，HY1200聲速剖面儀。

2.3"測前準備

海上天氣變化快，經常出現大風大浪等不利于測量的天氣，同時丁壩由于淤積的原因處在海水較淺的區域，甚至低潮時漏出水面，這些因素對測量儀器來說是重大的安全隱患。為了確保船只和儀器的安全，加強氣象監測，選擇在風浪小，大潮高潮時進行測量。測前準備包括測量船保障、GNSS測試與驗證、系統的安裝與測試等階段。本次所用震源采取側舷拖曳形式，供能電纜和檢波器接收電纜分別位于測量船中部一側。震源箱放置于干燥、穩定、溫度低于60"℃的環境中，遠離其他設備和人員。安裝完畢后，利用激光測距儀和測量尺準確量取測量船尺寸以及各個單元相對GPS天線的偏移距離。

設備安裝完畢后，測量船以低航速（不大于3"knot）平穩航行，對整套設備進行接通測試，確保各單元設備運轉正常，各項參數正確[4]。完成淺層剖面系統的安裝后，在船上進行靜態測試，內容包括硬件的安裝與集成的測試，供電系統測試，GNSS數據的連接測試和系統軟件測試。通過多次量取各個單元相對GNSS天線的偏移距離等相關參數，確保各參數準確。安裝測試完畢后，使測量船以低速平穩航行，對整套設備和軟件進行接通測試，以確保集成系統的可靠性和可行性。

2.4"采集數據

2.4.1"潮位觀測

進行測量時設立臨時潮位站進行潮位觀測，作為水深改正的依據，以使不同測線的底跟蹤結果趨于一致。

潮位觀測使用人工觀測，數據記錄時間間隔為10"min。潮位觀測前，對時鐘進行校正，采用UTC時間；觀測過程中，定時進行時間校對，其誤差不大于1"min，超限時進行修正；觀測數據均記錄至0.01"m，測量前10"min開始觀測，測量結束后10"min停止觀測，潮汐數據如圖1所示[5]。

2.4.2聲速測量

地層剖面底跟蹤數據利用聲速儀進行聲速改正，由震源系統發射的聲波，可以穿過海水，并穿透海底面進入地層中，在泥、沙等不同性質的地層變化界面處聲波發生反射、透射，聲接收基陣將反射波的返回時間、振幅、頻率等信息轉換為電信號傳輸給記錄系統，輔助系統則記錄了測量的位置、環境及船舶的姿態等信息。由于聲速根據海水鹽度及溫度等因素變化而變化，作業時在測區內有代表性的水域采用聲速儀測定聲速剖面。此外，聲速測量技術還可以檢測到海水周圍的鹽度及溫度，幫助規劃人員避免地下沖突。地磁探測技術在項目探測中具有一定的優勢和應用前景，通過不斷的技術改進和實踐驗證，能夠為航道工程建設提供可靠的技術支持。

此項目測量區域較小且水域開闊，不同地點不同深度聲速變化不顯著，在代表性水域測量一至二次聲速剖面即可滿足要求[6]，如圖2所示。

2.5"數據處理

數據采集應選擇大潮高潮平潮時進行，數據采集進行之前應利用聲速剖面儀測量丁壩區域的聲速剖面值，進行聲速改正。正式探測前，在測區內進行多次試測。數據采集利用測量船沿計劃線方向以走航的方式進行。最終依據反射層內部結構特征分析活動斷裂、滑坡、塌陷、淺層氣、巖體等地質類型，繪制地層（反射層）剖面圖件、地質體分布圖、巖面（風化殼頂面）高程圖等[7]。

本項目采用GeoSuite-Allworks軟件進行處理與解釋，操作流程如圖3所示。

2.6"地質解釋分析

2.6.1"反射界面劃分

反射界面劃分的原則如下：同一層組內波反射連續、清晰、可區域性追蹤；層組內反射結構、形態、能量、頻率等基本相似，與相鄰層組有顯著差異；主測線與聯絡線剖面上相同層組的反射界面應能夠閉合。

常規處理和地質解釋需要追蹤反射界面，劃分反射波組，分析反射波組特征，識別地質體類型，進行沉積分析與構造解釋。

2.6.2"時間深度轉換

根據反射界面劃分的反射波組，確定地質體類型。在確定地質體類型之后，通過鉆探資料或相關經驗確定相應沉積層或地層的聲速。在確定（或大致確定）地質體類型之后，借助時深轉換方程，將聲學資料的時間數據（單位：ms）換算成深度數據（單位：m）。

式（1）中：D為累加深度，V為地質體聲速函數，T為聲波雙程旅行時。

探測區域分為南、北兩個區域。根據本項目淺地層剖面探測結果，結合附近區域的勘察資料，初步判斷測區內的地層基本為砂混淤泥、粉質黏土、殘積土，下伏風化巖。

北側區域典型的淺地層剖面探測圖像，北側區域的范圍地形呈“碗”狀，四周水深較淺，中間水深較深，測區內基巖面連續，清晰可見，未發現較淺礁石存在。

南側區域典型的淺地層剖面探測圖像，具體見圖3所示，區域內整體水深均偏淺且水深起伏變化較大，水深介于1～8"m之間，沉積地層的反射波同相軸偏雜亂，可能是砂粒組分含量較高導致，由于砂粒含量高，地震波傳播能量耗散較大，穿透能力降低，該區域未探測出清晰的基巖面。但根據礁石反射波同相軸的特征初步判斷，未發現較淺礁石存在。

本次淺地層剖面探測圖譜清晰，地層分層良好，基巖面清晰可見，并可見人工堆填砂土，基巖出露主要在測區南部，分布范圍較小，淺地層圖譜上可見強反射界面；基巖淺埋主要分布在測區北部，分布范圍較小，淺地層圖譜中基巖面清晰，界面上覆沉積地層；砂土堆填區主要位于測區中部偏南位置，范圍較大，砂土堆填區地形起伏變化較大，淺地層圖譜呈雜亂反射，且穿透深度較淺。

3"結論

本文介紹了淺地層剖面探測的技術原理，并結合淺地層剖面探測技術在海洋工程中的應用，對數據采集、數據處理、地質解釋等工作做了描述，并得出以下結論。

（1）淺地層剖面探測能有效反映海底淺部的地層結構與構造，為海洋工程建設提供可靠的資料支持。

（2）進行地質解釋之前，要對原始數據進行聲學圖像的還原與恢復工作，使聲學圖像內容足夠豐富，最大程度地反映海底的地質信息，以提高解釋準確性。

（3）淺地層剖面探測手段，實施過程中可能受到機械波干擾、多次波反射干擾等，且地質解釋上具有多解性，以及地層具有非均值等特點。因此在工程實踐中，淺地層剖面探測應當與鉆探及其他物探手段配合進行[8]。

參考文獻

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[3]王璐璐.淺地層剖面探測在航道工程可行性研究中的應用[J].南方國土資源，2019（5）：50-53.

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[7]張體強.近岸海域淺地層剖面數據處理技術及應用[J].工程地球物理學報，2023，20（1）：18-23.

[8]武傳鵬，佟弢.淺地層剖面探測在水域工程中的應用及問題分析[J].港工技術，2022，59（5）：117-120.