淺地層剖面資料解釋中的陷阱問題分析.docx

1、第37卷第6期物探與化探Vol.37,No.62013年12月GEOPHYSICAL&GEOCHEMICALEXPLORATIONDec.*2013DOI-10.11720/j.in.1000-8918.2013.6.20淺地層剖面資料解釋中的陷阱問題分析王方旗，呂京福，申宏，董立峰，宋玉鵬（國家海洋局第一海洋研究所，山東青島266061）摘要：淺地層剖面儀是目前海洋工程勘察和海洋地質(zhì)研究應用最為廣泛的地球物理調(diào)查儀器之一，其地層探測分辨率越來越高，但實際獲取的聲學地層剖面資料在解釋時會存在一些陷阱，值得引起注意筆者從淺地層剖面儀的工作原理出發(fā)，分析了導致解釋陷阱的4種情況:聲學地層與

2、地質(zhì)地層的不同導致的陷鬲、非自激自收導致的淺水區(qū)淺部地層厚度畸變、特殊反射界面在聲學剖面上的空間變形和海底地層中聲速變化造成的地層厚度失真，井對淺地層剖面資料處理和解釋中如何預防和消除這些陷阱的影響進行了討論。關鍵詞：淺地層剖面;解釋陷阱；聲學界面;地層厚度中圖分類號：肉31.4文獻標識碼：A文章編號：】000_8918（2013）06-106】-06收稿日期2013-01-21基金項目：國家海洋公益性行業(yè)科研專項（201005005）;國家海洋公益性行業(yè)科研專項（201005010-01）淺地層剖面儀應用聲學原理來獲取海底沉積物的分布、地質(zhì)結構等相關信息，由于其具有連續(xù)走航式探測、作業(yè)方便成

3、本低效率高探測分辨率高以及穿透深度大并能獲得與地質(zhì)剖面相似的記錄圖譜等優(yōu)點，在海洋工程調(diào)查和海洋地質(zhì)研究中得到了廣泛的應用，其應用范圍涉及海洋工程地質(zhì)勘察、災害地質(zhì)調(diào)查、海底資源調(diào)查和海洋地質(zhì)科學研究葺野外工作獲得的淺地層剖面圖譜雖然已經(jīng)能夠反映海底地質(zhì)構造的一些特點，但是海底下伏地層巖土類型、分布和結構非常復雜，并且淺地層剖面儀所基于的聲學方法和技術也具有一定的局限性，因此，聲學剖面上的許多現(xiàn)象可能反映地下的真實情況，也可能是某些假象，會導致解釋陷阱問題的發(fā)生九筆者從淺地層剖面儀的工作原理出發(fā)，分析和討論了4個主要導致淺地層剖面探測解釋陷阱的因素，并提出了相關的處理方法，為淺地層剖面資料的處

4、理和解釋提供了參考O1基本原理淺地層剖面儀的原理與陸地單道地震勘探的基本原理是相似的P,聲波在不同類型的介質(zhì)中具有不同的傳播特征，當巖土介質(zhì)的成分、結構和密度等因素發(fā)生變化時，聲波的傳播速度、能量衰減及頻譜成分等也會發(fā)生相應的變化，在彈性性質(zhì)不同的介質(zhì)分界面上還會發(fā)生波的反射和透射因此，科學家利用這一原理研制了淺地層剖面儀，用于探測聲波在巖土介質(zhì)中的傳播時間、振幅及頻譜特征等信息，并推斷相應巖土介質(zhì)的結構和致密程度、完整程度等特征圖1為聲波傳播示意，把聲波傳播的介質(zhì)看作一個層狀的模型:海水作為第一種介質(zhì)，它的密度為Pl,聲波在其中傳播的速度為,海底以下的地層存?zhèn)鋫€界面，它們的密度和速度分別是p

5、",pK，r當聲波向下傳播時，一部分備葬界面保發(fā)生反射，另一部分透射后繼續(xù)向下傳播，在下一分界面處再發(fā)生反射和透射，其反射波強度與地層的反射系數(shù)R有關R=名2-乙=P*2,（）Z2+Z,p2v2+pv式中：為界高上部介辰南密度和聲波在該介質(zhì)中的相播速度；p、p,為界面下部介質(zhì)的密度和聲波在該介質(zhì)中的傳一播咨度,z=p叫作介質(zhì)的波阻抗,由式（）可以看出，能否獲得強的反射系數(shù)（&）取決于界面兩側(cè)物質(zhì)是否存在較大的波阻抗差當pw,-pi值很小，即界面兩側(cè)的物質(zhì)差異不大時，京由抗羸艮小，產(chǎn)生的反射很弱甚至沒有反射;相反，當時2值很大，即界面兩側(cè)的物質(zhì)差異很大時，萩由抗若艮大,就能得到

6、較強的反射因此,接收到的反射信號攜帶了海底地層的大量地質(zhì)結構和構造信息，通過觀測記錄分析海底沉積物對于聲波的反射，就可以了解淺部地層的地質(zhì)情況O淺地層剖面探測原理示意圖12解釋陷阱問題及分析2.1聲學地層與地質(zhì)地層的認識陷阱聲學地層指在聲學剖面上具有相同（或相近）反射特征的反射同相軸組合，表示其內(nèi)部不存在波阻抗界面或存在一套具有相同特征的波阻抗界面組合;而地質(zhì)地層指在形成過程中成因類似或形成環(huán)境相互關聯(lián)的一套連續(xù)的地層組合，其頂、底界面既可為整合面，也可為不整合面。聲學地層的劃分依據(jù)是聲學圖譜上的波阻抗界面，而波阻抗界面的反射特性又與界面上下的地層巖性有關；地質(zhì)地層的劃分依據(jù)則一般是成因或形成

7、環(huán)境的改變界面（一般為巖性的突變）聲學地層與地質(zhì)地層有一定的關系，但又不同C（1）波阻憑界面并不一定與地質(zhì)界面一一對應在同一地質(zhì)地層內(nèi)，由于形成時間的長短導致固結程度、密實度等的不同（波阻抗差較大），會形成波阻抗界面，但從地質(zhì)成因上來說它并不是一個地質(zhì)界面，例如同一地層內(nèi)上部為松軟黏土，下部為較硬黏土的情況；同樣,存在地質(zhì)界面并不一定存在波阻抗界面，兩套成因不同但彈性性質(zhì)相同或相近（波阻抗差很小）的地層分界面就不是有效的波阻抗界面。（2）當波阻抗界面與地質(zhì)界面能夠?qū)獣r，由于地層厚度因素的影響會導致兩種情況發(fā)生（圖2）假設聲波的脈沖長度為而穿越地層的雙程盤行時為白廣則:當?shù)貙虞^厚，聲波的雙程旅

8、行時小于聲波的'脈沖長度，即A/<Ar時，如圖2a所示，同一接收點接收到的來自界面&和七的鬲個反射波可以分開而形成兩個單波，保鹵著客自的波形特征，此時波阻抗界面與地質(zhì)界面能完全一一對應;當?shù)貙虞^薄，聲波的雙程旅行時大于聲波的脈沖度，即A/>由時,如圖對所示，此時來自相距很近的各反射界福的反射波到達同一個接收點時會互相疊加，形成復合波（圖中的+），無法區(qū)分出哪是叫的波形，哪是R,的波形，哪是R的波形了，此時前面圖譜上看到雨反射波同相軸余再與波阻抗界面一一對應，而是一組靠得很近的波阻抗界面疊加的結果，但其中必有一個起主導作用的界面，這就為對剖面進行合理的解釋提供了可能,

9、綜上所述，即使在測區(qū)的同一點，根據(jù)鉆孔資料得到的地質(zhì)剖面上的地層分界面與淺地層剖面上的反射波同相軸在數(shù)量上和出現(xiàn)位置上也經(jīng)常不是一一對應的，也就造成聲學地層與地質(zhì)地層并不完全是一一對應的，即淺地層剖面圖譜并不能完全真實的反映海底地層的結構，而是存在許多的，假象”因此在淺地層剖面資料的解釋過程中，必須要通過研究聲學圖譜的詳細特征劃定具有代表性的聲學地層，將之與地質(zhì)地層對照并進行綜合分析，正確分辨出真正的地層界面和，假象”，務求反映海底地層的真實情況,以獲取海底各沉積層序的空間分布規(guī)律，并圈定特殊地質(zhì)體的分布范圍等地層較厚，兩個反射波可以分開;地層較薄,反射波疊加在一起無法區(qū)分圖2地層厚度對反射波

10、的影響2.2非自激自收導致的地層厚度畸變深為°,以及各反射層深分別為吊、八、/假淺地層剖面儀按照發(fā)射換能器與水聽器的組合分為兩種類型：發(fā)收一體和發(fā)收分置對于發(fā)收分置型淺地層剖面儀，由于聲波信號走的不是垂直路徑，而是斜路徑，入射角、反射角不為零，在水深較大的海域，可近似為自激首收系統(tǒng)，若水深過淺，則淺層入射角、反射角較大，對淺部地層來說，從時間剖面上讀取畝聲波走時比垂直發(fā)射、垂直接收的雙程走時大很多，甚至幾倍,會造成聲勇走時的延遲粕淺地層剖面的地層畸變，從而導致了地層厚度計算的不準確，要進行校正成J。在處理淺地層削面資料時，首先要進行海底追蹤，然后再劃分地層，所得到的深度（基于預設的參

11、考聲速）都是以海底為起算面的如圖3,不考慮聲線穿過界面時的折射，并假設介質(zhì)分層均勻、q為換能器吃水深度，可以從剖面直接時深轉(zhuǎn)換得到的水圖3淺地層剖面聲線示意設實際水深為h°，實際地層埋深為h、h、.、"根據(jù)淺地濕剖面儀的原理有'一'I0K八+1Kqi|Q；si0_2_2-在直角三角形中，由勾股定理可得2h0-a=一J即h0=0.5a+0.5，（2）農(nóng)=0.5«+0.5-J-時（二,2,“）（3）式（2）即為水深校正公式，經(jīng)過改正后，淺地層剖面儀可得到近似的水深值；式（3）為地層畸變的校正公式，校正后得到的是以海底為起算面的地層界面埋深,可以看出，換

12、能器與水聽器的水平距離d較大和工作海區(qū)的水深太淺是導致發(fā)收分置型淺地層剖面儀地層畸變產(chǎn)生的原因越大，畸變越大，越小，畸變越??；水深越深,地層畸變越小，水深越淺,地層畸變越大，一般認為，當水深超過5m時，地層的畸變將會很小，在滿足探測精度的要求下可以不進行校正但當發(fā)射換能器與水聽器水平距藹較大、水深較淺時，畸變將大大增加，導致淺部地層失真，嚴重影響了地層麟釋的準確度,必須進行校正O2.3特殊反射界面的空間變形淺地層剖面探測的主要目的是查明海底以下地質(zhì)構造的形態(tài)，弄清探測范圍內(nèi)地下地質(zhì)構造在三維空間中的位置和分布特征。但是實際調(diào)查任務實施時，海上觀測是沿著一條一條的調(diào)查測線進行的，所獲取的聲學剖面

13、是復雜的地下地質(zhì)構造的聲波反射波的綜合結果，因此，必須要認識以下情況,（1）當反射界面水平時，對反射波起作用的構造體就位于儀器（震源與接收器的中心）所處位置在反射界面的垂直投影點處，這樣所得到的聲學剖面上反射界面同相軸的形態(tài)與實際地層界面的位置形態(tài)是一致的，在進行相關的動校正并考慮聲波的速度函數(shù)進行時深轉(zhuǎn)換后就可以得到界面的真實位置和形態(tài)。（2）首反射界面不是水平時，情況則會非常復雜，接&器接收到的回波信號不再只是投影點的反射波，而是從兩側(cè)傾斜界面來的所有的反射波，這樣就不能反映界面的真實空間位置和形態(tài)。下面用一個簡單的地質(zhì)模型對此問題加以詳細說明，圖S為一個立體地質(zhì)模型，地下地層界面

14、包含一個凸界面、一個凹界面和一個傾斜界面，假設調(diào)查測線4/?珞垂直走向的方向進行Oa一立體地質(zhì)模模型沿測線,48的切面圖4非水平界面立體模型及聲波作用示意2.3.1凸界面如圖41，點1在凸界面的投影正好在其中心,在該點處記錄到的反射波是正常的，而在該點前后位置所記錄的不僅僅是記錄點在界面的投影點的反射波，而且包含大量其他位置的反射波，也就是說本來不應該有的反射波被接收到了，如果反射強的話,就會屏蔽掉真實投影點位置的反射波同相軸，造成失真，在聲學剖面上表現(xiàn)為凸界面范圍擴大,形態(tài)變形（點1處的虛線所示），如果反射不很強，那么就會在假同相軸偏上或偏下位置還會識別出真實投影點位置的反射波同相軸2.3.

15、2凹界面鈕圖4靜點2在凹界面的投影在最深點處，在該點記錄到的反籍波包含正常的投影點的反射波和來自凹界面上其他點的側(cè)反射波，該點前后位置的情況也是如此在聲學剖面上表現(xiàn)為凹界面深度變O淺，形態(tài)變形，原來凹的界面看上去好像是兩個“凸界面”交叉在一起，在交叉點的下方還會識別出一個，.凸界面，同相軸，它以真實投影點的位置為對稱中心呈對稱展布（點2處的虛線所示）圖5為一個典型的凹界面變形實例O圖5凹界面變形實例2.3.3傾斜界面如圖41，點3處為傾斜界面的情況。儀器除接收到投影點處的界面反射波以外，還接收到投影點前后位置的反射波，造成反射界面同相軸變形或發(fā)生偏移，使得傾斜界面的傾角變小了（虛線所示），測線

16、方向不垂直走向時還會導致海底實際調(diào)查位置與計劃測線的偏移，從以上分析可以看出，這三種情況都會造成反射界面有變淺趨勢的變形，這是由淺地層剖面儀的設計原理導致的對于發(fā)收合置型淺地層剖面儀可以歸結為側(cè)反射問題，且系統(tǒng)換能器的指向性越差或波束角越大，這種失真就越嚴重，而對于發(fā)收分置型淺地層剖面儀則是由于實際反射點與投影點位置的偏移引起的（因為要求垂直入射和反射）因此，在處理和解釋淺地層剖面資料時，遇到這三種情況都需進行相關的處理，使反射界面變形還原、偏移歸位后，才能夠得到真實的地下地質(zhì)構造形態(tài)。2.4地層中聲速變化規(guī)律的影響還有一個導致淺地層剖面地層失真的因素是地層中聲速的變化淺地層剖面儀接收器記錄的

17、是地層分界面反射信號的到達時間，如果地層中的聲速不能準確確定，就無法準確獲取各地層的真實厚度O通常的做法是根據(jù)歷史調(diào)查資料將沉積物聲速預設一個經(jīng)驗值，例如一般在16001800m/s之間選取一個聲速值但是，由于海底地層實際結構的復雜性和不均勻性,聲速并不是一個定值，這樣的做法能夠在采集資料時對地層結構有一定大致了解，但在資料解釋時地層厚度會產(chǎn)生偏差，導致地層失真匕目前，由于海底取樣器及原位測試儀器的限制，針對海底表層沉積物的聲速規(guī)律研究得較多，一般淺于6w相關的研究成果可以用于淺剖表層資料的處理對于較深層地層來說，有關沉積層聲速的研究很少，不妨采用經(jīng)驗公式GGt/z）=%（1+伙）（4）進行時

18、深轉(zhuǎn)換，以減小聲速變化對淺地層剖面資料解釋的影響式（4）中：凡為海底表層沉積物的聲速，可根據(jù)經(jīng)驗值選取;/為聲速隨深度的變化率，可根據(jù)歷史資料或經(jīng)驗進行確定;，為從海底起算的海底沉積層的深度。3結論淺地層剖面儀作為一種目前較為成熟的海洋地質(zhì)聲學儀器，地層探測分辨率越來越高，有的儀器標稱理論垂直分辨率甚至達到了厘米級，但是在資料后處理和解釋方面存在的問題卻依然很多，大都關注的是多次波和干擾波的壓制和消除方面早，很少關注聲學剖面地質(zhì)解釋的一些細節(jié)問題，致使其高分辨率的潛在優(yōu)勢無法得到更好的利用因此，必須更加注重淺地層剖面資料后處理方法和技術的深入研究，盡可能地認識和消除解釋陷阱的影響，還原真相筆者

19、基于淺地層剖面的基本原理，分析和討論了導致淺地層剖面探測地層失真的4種情況：（1）聲學地層與地質(zhì)地層的區(qū)別導致的認識陷阱問題這是由于聲波的干涉和疊加性質(zhì)導致聲學界面與地層分界面不能一一對應而造成的地層失真,這種情況需要依據(jù)詳細的鉆孔資料，通過將有代表性的聲學標準層與鉆孔地質(zhì)地層對照并進行綜合分析，正確分辨出真正的地層界面和“假界面”，才能反映海底地層的真實情況（2）非自激自收導致的淺部地層厚度畸變換能器§水聽器的水平距離”較大和水深太淺是導致這種畸變產(chǎn)生的原因當水深超過15m時，地層的畸變將會很小，在滿足探測精度的要求下可以不進行校正但當發(fā)射換能器與水聽器水平距離較大、1065水深較

20、淺時，畸變將大大增加，導致淺部地層失真,嚴重影響了地層解譯的準確度，需要利用式（3）進行校正（3）地層界面非水平時導致的聲學界面的空間變形傾斜界面、凹界面、凸界面都會造成反射界面有變淺趨勢的變形目前，對這些情況的處理還都是憑經(jīng)驗進行的，對變形嚴重的界面進行人為的調(diào)整和偏移但是如果面對的是海量數(shù)據(jù)和復雜的界面，人為干預調(diào)整工作量的劇增是顯而易見的，因此，對這些特殊問題的發(fā)生機制和特點進行系統(tǒng)的總結和分析研究，并形成一套較為準確的處理方法用計算機加以實現(xiàn)是非常必要的，能夠大大提高淺地層剖面資料解釋的科學性和可靠性（4）海底地層聲速的變化導致的地層失真地層聲速是進行時深轉(zhuǎn)換的一個基本參數(shù)，因此地層聲

21、速分布函數(shù)是否切合實際決定著換算出的地層厚度與實際地層厚度能否一一對應在資料解釋中可利用經(jīng)驗公式（4）代表地層的聲速分布函數(shù)來進行時深轉(zhuǎn)換計算，以減小地層失真影響O參考文獻：莊杰棗，王紹智，蘭志光,等淺地層割面記錄地質(zhì)解釋的若干問叫.海洋測繪，1996，16（2）：16-24.y劉金俊，齊國鈞.極淺海水區(qū)淺地層剖面淺層失真及校正呈.海洋地質(zhì)與第四紀質(zhì)，1996,16（I）*111-116.早趙鐵虎，張志珂，許楓.淺水區(qū)淺地層剖面測最典型問題分析9物探化探計算技術，2002,24（3）*215-219.&陸基孟地震勘探原理山東東營：中國石油大學出版社，2006.曰王方旗，亓發(fā)慶，姚善，等

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24、tllom(>n>filerisoneofthemostwidelyusrtlgeophysicalinslninientsformarinesurveyingaiwlmarinegeologicalresearch.Althoughitsverticalresolutionbecomtsmoreandmorehigh，then*aresomepitfallsininterpretationoftheactualacousticpn)-filedata.Inthispaper，basedontheworkingprincipleofthesublx>ttomprofiler*

25、theauthorsanalyzedfourfactorscausingtheinterpretationpillalls.First仙eunderstandingpitfailcausedbythedifferencebetweenacousticlayersandgeologicalIslers*Second*liteshallow.stratigraphicdistortioncausedbythehorizontallyseparalelyplacedtransducerandhydrophone'Third，lhespatialdeibrmalionofthea-«>usticinterfacesinthedataprofilesreflectedfromspecialstratigraphicinterfaces*Thelast，thelayerthicknessdistort