海底淺地層剖面儀內(nèi)業(yè)培訓(xùn)教材

1、海底淺地層剖面儀內(nèi)業(yè)培訓(xùn)教材iFVRT阪卩 l： qG EcJjTcr ED州 RiNTIIH* I|KFJ|PF廠TF 陽 i：*：；ij ETTTZ 和）巳 ERFaith:Hain / Ar Ehl *1 pg 7 Al rlanurlftkeflectt onUO tf I IM11JUptf*ir .廣Bn. i -JU: TJ f F -卄+十.，.”, 1h1r. Ji 1r Ji.j 、-亀 . .,|T1Mdi HY fl A ,；、!K;lifteslate： fi3/ns/iayo ctMTii； rill-ur Return： apMi上海地海儀器有限公司2005年2月

2、目錄1、緒言2、海底淺地層剖面儀的應(yīng)用領(lǐng)域3、海底淺地層剖面儀基本原理3.1深度測量3.2海底分層測量4、海底淺層剖面儀的分辨率4.1垂直分辨率4.2水平分辨率5、影響海底淺地層剖面儀的環(huán)境因素6、剖面聲圖包含的圖像類型6.1干擾圖像6.2多次反射圖像6.3地層界面線、地層層位圖像6.4水體圖像。7、剖面聲圖層理特征7.1簡單層理特征7.2復(fù)雜層理特征7.3無聲反射帶8、淺地層剖面聲圖解釋實(shí)例海底淺地層剖面儀內(nèi)業(yè)培訓(xùn)教材1. 緒言淺地層剖面儀又稱淺地層地震剖面儀、淺層剖面儀。是一種走航式探測水下淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的地球物理方法。其主要特點(diǎn)是探測記錄海底淺地層組織結(jié)構(gòu)， 以垂直縱向剖面圖形反映淺

3、地層組織結(jié)構(gòu)，而且具有良好的分辨率，能夠高效率探 測海域的海底淺地層組織結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代淺地層剖面儀對(duì)水下地層的垂直分辨率可達(dá) 0.1 米，穿透深度，砂質(zhì)海底 可達(dá) 10 米，泥質(zhì)海底可達(dá)一百多米。該設(shè)備已成為淺剖地質(zhì)探測必備裝備。淺地層剖面技術(shù)起源于 21 世紀(jì)六十年代初期。七十年代以來，隨著近海油氣 資源的大規(guī)模開發(fā)和各種近岸水上工程建設(shè)項(xiàng)目的不斷增加，以及各種地質(zhì)災(zāi)害地 質(zhì)現(xiàn)象的頻繁發(fā)生和發(fā)現(xiàn)，這種海底探測設(shè)備的重要性越來越為人們認(rèn)識(shí)。2. 海底淺地層剖面儀的應(yīng)用領(lǐng)域海底淺地層剖面儀主要應(yīng)用于以下幾個(gè)領(lǐng)域：海底石油及礦物勘探；海洋地質(zhì)、地貌調(diào)查研究；海洋工程勘察；海底環(huán)境調(diào)查；3. 海底淺地層

4、剖面儀基本原理3.1 深度測量海底淺地層剖面儀工作方式與測深儀相似，工作頻率較低，測深儀只能測量換能 器到海底的水深，而淺地層剖面儀不僅能測量換能器到海底的水深，還能探測換能 器垂直下方的海底一定深度，反映海底地層分層情況和各層地質(zhì)的特征。淺地層剖面儀的換能器按一定時(shí)間間隔垂直向下發(fā)射聲脈沖， 聲脈沖穿過海水 觸及海底以后，部分聲能反射返回?fù)Q能器；另一部分聲能繼續(xù)向地層深層傳播，同 時(shí)回波陸續(xù)返回，聲波傳播的聲能逐漸損失，直到聲波能量損失耗盡為止。測量地層厚度，實(shí)際是測量聲波穿透地層傳播的時(shí)間，如 T表示地層上下兩 個(gè)界面之間的時(shí)間差，即聲波往返兩次穿過該地層上下兩個(gè)界面的時(shí)間， C表示該地

5、層的聲速，這樣就可按下式算出該地層厚度：1W=CAT式中：w地層厚度（mC :地層聲速：（m/s） T:聲波往返兩次穿過地層的時(shí)間（s）地層聲速隨著不同的沉積物存在不同的聲速，幾種常見沉積物聲速如下表:沉積物類型平均直徑mm組成%沉積物密度103kg/m3孔隙度n%縱波速度c m/s砂粉砂粘土粗砂0.530100.02.0338.61836細(xì)砂0.15388.16.37.11.9843.91742粉砂0.09083.913.12.91.9147.41711粘土質(zhì)粉砂0.0066.159.234.81.4375.01535粘土0.00150.620.778.91.4277.51491海底沉積物聲

6、速更詳細(xì)資料可查閱有關(guān)資料3.2海底分層測量聲波的海底反射能量大小由反射系數(shù)（R）決定，反射系數(shù)R為:入脈沖振幅反_ P 2V2- p MR=射射脈沖振幅一 p 2V2+ p 1V1p 1 Vl,p 2 V2分別表示一、二層介質(zhì)的密度和聲速，由式可知要得到強(qiáng)反射。 必須有大的密度差和大的聲速差，如相鄰兩層有一定的密度和聲速差，其兩層的相 鄰界面就會(huì)有較強(qiáng)的聲強(qiáng)，在剖面儀終端顯示器上會(huì)反映灰度較強(qiáng)的剖面的界面線。P V稱為聲阻率，簡單地說，海底相鄰兩層存在一定聲阻率量差，就能在剖面儀顯示 器上反映兩相鄰的界面線，并能分別顯示兩層沉積物的性質(zhì)圖像特性差異。4. 海底淺層剖面儀的分辨率海底淺地層分辨

7、率可分為垂直分辨率和水平分辨率。分辨率定義：兩層面之間能分辨的最小間隔，即能分辨為兩個(gè)界面的最小間距。4.1垂直分辨率垂直分辨率與反射脈沖寬度相關(guān)，用下式表示：1垂直分辨率=Ct式中：C :聲速T：脈沖寬度上式說明垂直分辨率的最小間隔為2 Ct，小于2Ct就不能分辨。這是由于脈沖的前沿觸及1界面后的反向返回的聲波與脈沖后沿觸及 2界面后的反向返回的 聲波最小間隔為2 Ct如果小于1 Ct,就不能分辨為兩個(gè)界面。實(shí)際地層的垂直分辨 與多種因素有關(guān)，如：地層介質(zhì)對(duì)聲波的反射、透射和散射能力有關(guān)，與地層厚度， 聲波波束角有關(guān)，與記錄和顯示設(shè)備的分辨率有關(guān)。因此，在實(shí)際探測過程中，應(yīng) 根據(jù)具體情況，綜

8、合實(shí)際因素分析垂直分辨率。以上所說分辨率與發(fā)射脈寬相關(guān)，就是說脈寬要窄，才能得到高分辨率。但是 發(fā)射功率與脈寬也有相關(guān)，發(fā)射寬脈沖可得到較大的發(fā)射功率，發(fā)射窄脈沖只能降 低發(fā)射功率。發(fā)射功率又與穿透沉積層厚度有關(guān)，發(fā)射功率大，聲波穿透沉積層厚 度大；發(fā)射功率小。聲波穿透沉積層厚度小。由以上所述可知，分辨率與穿透深度 是矛盾的。線性調(diào)頻技術(shù)（chirp ）,較好的解決了分辨率與穿透深度的矛盾。通過發(fā)射寬 帶，長時(shí)間的調(diào)頻脈沖，接收信號(hào)經(jīng)過相關(guān)處理（匹配濾波），得到一個(gè)比發(fā)射脈寬的寬度窄很多的壓縮脈沖，壓縮后的脈沖寬度與發(fā)射脈沖的寬度無關(guān)，這個(gè)壓縮脈 沖寬度等于調(diào)頻帶寬的倒數(shù)，表達(dá)式為：T P=1

9、/ f式中：T P：處理后的脈沖寬度（S） f：調(diào)頻寬度由上式可以理解，發(fā)射較寬的線性調(diào)頻（chirp ）脈沖，能夠保證一定穿透深 度，同時(shí)不會(huì)降低垂直分辨率。4.2水平分辨率聲波以球面波形式從聲源向外傳播，因此，對(duì)任何反射界面而言，聲波覆蓋的 面積，隨擴(kuò)散時(shí)間的增加而增大。聲波觸及反射界面后產(chǎn)生反向反射聲波，剖面儀 的檢波器能夠第一時(shí)間被接收的反射聲波記錄下來的有限園域，稱為第一菲涅爾帶， 水平分辨率很大程度上取決于這個(gè)帶的大小。第一菲涅爾帶對(duì)水平分辨率影響因素 是這個(gè)帶的半徑大小，其半徑 R可由下式表示：rWv （*）；式中：t ：到達(dá)反射體的時(shí)間（s）V :聲源與反射體之間介質(zhì)的平均速度

10、（m/s）f：聲波信號(hào)的頻率（Hz）菲涅爾帶是一個(gè)圓弧帶，中心距這個(gè)帶的邊緣是1/4入，R小，剖面聲圖能反映探測反射界面的小隆起和凹陷形態(tài)；R大，剖面聲圖不能反映出所探測反射界面的 小隆起和小凹陷地貌形態(tài)。5. 影響海底淺地層剖面儀的環(huán)境因素在海上應(yīng)用聲吶系統(tǒng)都要受到海上各種環(huán)境因素的影響。因此，應(yīng)用聲吶系統(tǒng) 在海上工作應(yīng)該注意海上環(huán)境因素，只有正確使用聲吶系統(tǒng)，才能獲得良好的聲圖圖象，才能得到正確的解釋結(jié)果影響淺地層剖面儀的海上環(huán)境主要因素，有以下幾方面： 地質(zhì)條件：海底底質(zhì)是砂、巖石、珊瑚礁和貝殼等類型，嚴(yán)重制約聲波穿透深度。 汽水界面：汽水界面能將發(fā)射聲能幾乎全部反射，幾乎無發(fā)射聲波觸及

11、目標(biāo)。 船尾的尾流區(qū)域：如果采用船尾拖曳換能器，應(yīng)該使換能器避開船的尾流區(qū)， 一般方法是使換能器入水深度加深，或者拖纜加長。噪聲：在系統(tǒng)的帶寬范圍內(nèi)的外界聲源信號(hào)都可能串入造成干擾信號(hào)圖像，如： 電噪聲、水噪聲、船只機(jī)械噪聲、沿岸工程噪聲等。船只擺動(dòng)：拖魚設(shè)計(jì)為穩(wěn)定的水平狀態(tài)工作，船速和航向不穩(wěn)定造成船只搖擺， 使拖魚不能保持平穩(wěn)狀態(tài)，造成圖像不良。海況：涌浪使船只搖擺，致使拖魚不穩(wěn)定。6. 剖面聲圖包含的圖像類型6.1 干擾圖像6.1.1 后輻射干擾：由于剖面儀開角較大及副瓣作用，有部分聲波直接向水面輻射， 導(dǎo)致海底直達(dá)聲波和海面反射多路徑的聲波重疊顯示的干擾圖像。 在記錄聲圖上海 底界面會(huì)

12、出現(xiàn)三條平行等間距（間距等于換能器入水深度）的界面線， 易于被認(rèn)為 地層的界面線。6.1.2 直達(dá)聲波干擾：由于換能器基陣 90 度方向的靈敏度較大，發(fā)射換能器發(fā)射聲 波會(huì)有一部分向水平方向射出，該部分聲波直接被接收換能器接收，形成直達(dá)波記 錄。當(dāng)收、發(fā)換能器間距之半小于測區(qū)水深時(shí)，直達(dá)波被反映在海底線之上端，呈 現(xiàn)細(xì)而均勻的線條與零位線平行，可呈現(xiàn)多條平行線。6.1.3 側(cè)向發(fā)射干擾由于發(fā)射換能器的較大波束角，當(dāng)船駛近岸壁、巨輪、突起暗礁時(shí)會(huì)有反射面形成側(cè)向反射干擾圖像。這種干擾圖像視干擾物距離遠(yuǎn)近而會(huì)出現(xiàn)在海底之上或與 海底界面線和地層圖像疊加。其圖像特征是前后不連續(xù)的一段或幾段線段圖像。

13、6.2 多次反射圖像6.3 地層界面線、地層層位圖像6.4 水體圖像。從發(fā)射線至海底之間的水體圖像，有魚群時(shí)可在水體圖像中顯示魚 群圖像。7剖面聲圖層理特征剖面聲圖的層理特征，是指剖面聲圖顯示具有一定灰度的點(diǎn)狀、塊狀和線狀圖 形組成的圖像，反映不同性質(zhì)的海底地層圖像的特征。7.1 簡單層理特征7.1.1 平行簡單層理特征，沉積層界面呈現(xiàn)平行特征，其層位圖像也呈平行特征， 表明沉積物平穩(wěn)且較均勻一致的下沉積淀，顯示了在低能量沉積環(huán)境中細(xì)粒沉積物。7.1.2 發(fā)散簡單層理特征，點(diǎn)狀和線狀圖像由密集擴(kuò)散成稀疏圖像，表示沉積物沉 積速率的區(qū)域變化。7.2 復(fù)雜層理特征7.2.1 復(fù)雜斜層理特征：由點(diǎn)狀

14、、塊狀和點(diǎn)線狀圖形組成的不平行傾斜狀圖形特征， 通常表示河流及河流三角洲，近岸平原沉積物的沉積層圖像特征。722 S型復(fù)雜層理特征：由形成 S型的線狀或塊狀組成的圖像特征，通常表示三角 洲及淺海環(huán)境的沉積層圖像特征，沉積物的粒度從細(xì)到相對(duì)粗的粒度。7.2.3 雜亂層理特征：不連續(xù)、不整合的點(diǎn)狀、線狀圖形組合的圖像特征，表示相對(duì)高能量沉積環(huán)境，它有各種不同的沉積速率，沉積后基底瓦解、崩積后殘積堆積。7.3 無聲反射帶無聲反射帶就是聲圖中不存在具有一定灰度的點(diǎn)裝、塊狀和線狀圖形，而形成空白 的或干擾圖像 。產(chǎn)生無聲反射帶是由于該沉積物中有天然氣或泥炭層 。8. 淺地層剖面聲圖解釋實(shí)例： （見附圖）

15、 聲圖反映海平面變化，在沖積平原或近岸環(huán)境中沉積物沉積作用中反映的典型 剖面圖像特征。將沉積層劃分為沉積單元，對(duì)每一沉積單元圖像特征進(jìn)行說明如下： 沉積層單元 6 是點(diǎn)、線狀雜亂層理圖像特征，表明該沉積層是粗粒的沉積物， 沉積物可能殘積或崩積形成沉積層，該層頂部被認(rèn)為是在低海平面時(shí)期形成的地表 侵蝕面。沉積物單元 5 是點(diǎn)、線狀平行層理圖像特征，表明該層系由海平面上升后，由 細(xì)粒到中粒的淺海沉積物形成的沉積物，隨著海平面下降，該區(qū)又由河流塑造，導(dǎo) 致了沉積層單元4a和4b的沉積層特征。沉積層單元 4a 是點(diǎn)、線狀斜交的傾斜層理圖像特征，顯示了在該層形成河道， 在河道中粗粒沉積物的交錯(cuò)層理。沉積

16、層單元 4b 是點(diǎn)、線狀平行或稍微傾斜圖像特征，表明河流泛濫平原或在 河流超越河岸的河流決口扇，形成粗、細(xì)粒都有的沉積層。沉積層單元 3 表明海平面再次上升，導(dǎo)致淺海環(huán)境中多為細(xì)粒沉積物的沉積層。 沉積層 2 是點(diǎn)、線狀圖形自圖左向圖右傾斜向發(fā)散并穿入下面和右邊層面形成 平行圖象特征，表明海平面再次輕度下降，由潮流沖蝕，其粒級(jí)由右邊細(xì)粒泥質(zhì)沉 積到左邊傾斜較大的沙質(zhì)沉積。沉積層單元 1 是點(diǎn)、線狀圖形組合的平行圖像特征， 表明最后一次海平面上升， 淺海環(huán)流作用形成，同時(shí)也說明沉積層組成多是泥、粉砂和細(xì)砂。沉積層單元 7 是點(diǎn)狀圖形無序組合圖像特征，表明該層是聲波屏蔽帶，也可稱 無聲反射帶或稱無聲信號(hào)帶，一般認(rèn)為是由該沉積物中含有氣體或泥炭層存在，在 該層高