淺地層剖面探測(cè)技術(shù)在海洋地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

淺地層剖面探測(cè)技術(shù)在海洋地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

平層剖面勘探是一種基于水聲學(xué)原理的連續(xù)軌跡觀測(cè)水平層結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)的地球物理方法。淺地層剖面儀(Sub-bottomProfilerSystem)又稱淺地層地震剖面儀,是在超寬頻海底剖面儀基礎(chǔ)上的改進(jìn),是利用聲波探測(cè)淺地層剖面結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的儀器設(shè)備。以聲學(xué)剖面圖形反映淺地層組織結(jié)構(gòu),具有很高的分辨率,能夠經(jīng)濟(jì)高效地探測(cè)海底淺地層剖面結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。本文簡(jiǎn)要介紹了淺地層剖面探測(cè)技術(shù)的工作原理,總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的主要技術(shù)產(chǎn)品型號(hào)以及主要參數(shù)和性能。闡述了淺地層剖面儀發(fā)展歷程,分析了影響淺地層剖面探測(cè)質(zhì)量的主要因素和壓制方法,并對(duì)主要淺地層剖面聲圖類型及其特征進(jìn)行了探討。1淺地層剖面探測(cè)的基本原理淺地層剖面儀是在測(cè)深儀基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,只不過(guò)其發(fā)射頻率更低,聲波信號(hào)通過(guò)水體穿透床底后繼續(xù)向底床更深層穿透,結(jié)合地質(zhì)解釋,可以探測(cè)到海底以下淺部地層的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造情況。淺地層剖面探測(cè)在地層分辨率(一般為數(shù)十厘米)和地層穿透深度(一般為近百米)方面有較高的性能,并可以任意選擇掃頻信號(hào)組合,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)調(diào)整工作參量,可以在航道勘測(cè)中測(cè)量海底浮泥厚度,也可以勘測(cè)海上油田鉆井平臺(tái)基巖深度。淺地層剖面儀采用的技術(shù)主要包括壓電陶瓷式、聲參量陣式、電火花式和電磁式4種。其中,壓電陶瓷式主要分為固定頻率和線性調(diào)頻(Chirp)兩種;電火花式主要利用高電壓在海水中的放電產(chǎn)生聲音原理;聲參量陣式利用差頻原理進(jìn)行水深測(cè)量和淺地層剖面勘探;電磁式通常多為各種不同類型的Boomer,穿透深度及分辨率適中。淺地層剖面探測(cè)設(shè)備性能指標(biāo)中分辨率與穿透深度是互相矛盾的。20世紀(jì)80年代,美國(guó)Datasonics公司與羅得島州州立大學(xué)的海軍研究所及美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種稱為“Chirp”的壓縮子波,并被廣泛的應(yīng)用于海底淺地層勘探中。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)頻脈沖,接收信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波處理,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)射脈沖寬度無(wú)關(guān),此壓縮脈沖寬度等于調(diào)頻帶寬的倒數(shù),即τp=1/?f,(τp:處理后的脈沖寬度;?f:調(diào)頻寬度)。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。其中GeoChirpⅡ是采用線性調(diào)頻(Chirp)聲納作為聲源,來(lái)探測(cè)海底淺地層構(gòu)造情況的一種淺地層剖面儀。與此同時(shí),為了產(chǎn)生具有足夠穿透力的低頻,它的換能器必須做得大而重,分辨率也較差。于是人們提出了參量陣(非線性調(diào)頻)原理,利用該原理德國(guó)Innomar公司研制了SES–96參量陣測(cè)深/淺地層剖面儀。總體來(lái)看,Chirp技術(shù)在地層分辨率上具有極高的性能,而其勘探深度的限制有使其應(yīng)用范圍具有很大的限制。同時(shí),傳統(tǒng)的Boomer為電磁式剖面儀,但其聲能發(fā)射機(jī)(震源)輸出的電壓通常為幾千伏,針對(duì)該問(wèn)題,研究人員在設(shè)計(jì)上進(jìn)行重大改進(jìn),采用獨(dú)特低壓技術(shù)的新型淺地層剖面儀(C–Boom)應(yīng)運(yùn)而生。淺地層剖面探測(cè)技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代初期,其后廣泛應(yīng)用于港口建設(shè)、航道疏浚、海底管線布設(shè),以及海上石油平臺(tái)建設(shè)等方面。70年代以來(lái),隨著近海油氣資源的大規(guī)模開(kāi)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)害的頻繁發(fā)生和發(fā)現(xiàn),淺地層剖面探測(cè)的重要性越來(lái)越為人們認(rèn)識(shí)。同時(shí),淺地層剖面探測(cè)設(shè)備呈現(xiàn)多元化的發(fā)展趨勢(shì),目前廣泛使用的淺地層剖面探測(cè)設(shè)備的主要產(chǎn)品類型及其技術(shù)規(guī)格入表1所示。2淺地層剖面成像技術(shù)淺地層剖面探測(cè)工作是通過(guò)換能器將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為不同頻率(100Hz~10kH)的聲波脈沖向海底發(fā)射,該聲波在海水和沉積層傳播過(guò)程中遇到聲阻抗界面,經(jīng)反射返回?fù)Q能器轉(zhuǎn)換為模擬或數(shù)字信號(hào)后記錄下來(lái),并輸出為能夠反映地層聲學(xué)特征的淺地層聲學(xué)記錄剖面。聲學(xué)地層探測(cè)系統(tǒng)是利用聲波反射的原理來(lái)探測(cè)地層的。聲波在海底傳播,遇到反射界面(界面兩側(cè)的介質(zhì)性質(zhì)存在差異)時(shí)發(fā)生反射,產(chǎn)生反射波的條件是界面兩邊介質(zhì)的波阻抗不相等。換句話說(shuō),決定聲波反射條件的因素為波阻抗差(反射系數(shù)Rpp)。波阻抗為聲波在介質(zhì)中傳播的速度V和介質(zhì)密度ρ的乘積。在淺地層剖面調(diào)查中,近似認(rèn)為聲波是垂直入射的,此時(shí)由上式可知: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)的剖面界面線。當(dāng)聲波傳播到界面上時(shí),一部分聲信號(hào)會(huì)通過(guò),另一部分聲信號(hào)則會(huì)反射回來(lái);而且在每一個(gè)界面上都會(huì)發(fā)生此現(xiàn)象。應(yīng)用到地學(xué)中,即聲波波阻抗反射界面代表著不同地層的密度和聲學(xué)差異而形成的地層反射界面。ρV稱為聲阻率,簡(jiǎn)單地說(shuō),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。利用這個(gè)原理,人們發(fā)明了聲學(xué)地層剖面系統(tǒng)(圖1)。由于不同的沉積物存在著密度差異和速度差異,這種差異在聲學(xué)反射剖面上表現(xiàn)為波阻抗界面,差異越大,波阻抗界面就越明顯(振幅越強(qiáng))。由不同物質(zhì)組成的相同地質(zhì)年代的巖層,由于彼此間存在著密度和速度的差異,會(huì)形成多個(gè)反射界面,而不同年代的巖層,也可能由于物質(zhì)組成相同、密度差異不大而不存在明顯的聲學(xué)反射界面。因此,聲學(xué)地層反射界面與地質(zhì)界面或地層層面之間存在著不完全對(duì)應(yīng)關(guān)系。但在大多數(shù)情況下,不同年代的巖層存在著不同的物理特征,聲學(xué)反射特征也有差異,因而依據(jù)聲學(xué)反射剖面劃分的反射界面往往與地層界面是吻合的。這種反射界面一般能夠代表不同地質(zhì)時(shí)代、不同沉積環(huán)境和物質(zhì)構(gòu)成的真實(shí)地層界面。在依據(jù)反射界面進(jìn)行淺地層剖面實(shí)際解譯過(guò)程中,應(yīng)該首先與測(cè)區(qū)內(nèi)地質(zhì)鉆探資料進(jìn)行層位對(duì)比,并充分利用鄰區(qū)資料和周邊地質(zhì)環(huán)境條件,結(jié)合記錄中的沉積結(jié)構(gòu)、層位標(biāo)高、堆積、侵蝕、界面的整合、不整合接觸、層理結(jié)構(gòu)、相位變化等特征來(lái)分析研究聲學(xué)記錄中地層沉積特征以及其它地質(zhì)信息。這樣,一般而言能夠得到與實(shí)際情況較為相符的結(jié)論。3內(nèi)容分析研究淺地層剖面探測(cè)結(jié)果受多種因素制約,如儀器本身的技術(shù)性能指標(biāo),海底底質(zhì)特征,探測(cè)過(guò)程中的噪聲及其壓制,其他各種干擾,以及解譯者的實(shí)際水平、經(jīng)驗(yàn)等。其中絕大多數(shù)是可以改良甚至是避免的,因此,在實(shí)際探測(cè)過(guò)程中,應(yīng)根據(jù)具體情況,綜合實(shí)際因素施測(cè),以達(dá)到最優(yōu)的探測(cè)效果。3.1海底皮質(zhì)限制儀器勘探的深度海底地質(zhì)構(gòu)造狀況,尤其是海底底質(zhì)類型特性決定儀器所能勘測(cè)的深度范圍。海底底質(zhì)是砂、巖石、珊瑚礁和貝殼等硬質(zhì)海底嚴(yán)重制約聲波穿透深度,限制儀器勘探的深度。例如,淺地層剖面探測(cè)深度砂質(zhì)海底小于30m,泥質(zhì)海底可達(dá)100多m,兩者存在巨大的差異。3.2低頻地層噪聲處于系統(tǒng)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,包括低頻船只機(jī)械噪聲和環(huán)境噪聲等。噪音在淺地層剖面記錄上可能都會(huì)或多或少地顯示出來(lái),降低勘測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量,甚至對(duì)判讀、解譯結(jié)果產(chǎn)生重大的影響。因此,正確地識(shí)別,甚至消除噪聲的影響是十分重要的。3.3船尾拖適應(yīng)換能器影響為獲得具有良好效果的淺地層剖面探測(cè)數(shù)據(jù)資料,調(diào)查船走航過(guò)程中應(yīng)盡量保持均速慢速穩(wěn)定行駛,船速和航向不穩(wěn)定造成船只搖擺,使拖魚(yú)不能保持平穩(wěn)狀態(tài),造成圖像效果不佳。同時(shí),涌浪也可使船只搖擺,致使拖魚(yú)不穩(wěn)定。其他影響因素還包括海氣界面,海氣界面能將發(fā)射聲能幾乎全部反射,幾乎無(wú)發(fā)射聲波觸及目標(biāo)。如果采用船尾拖曳換能器,船的尾流對(duì)地層反射信號(hào)也能產(chǎn)生干擾,施測(cè)過(guò)程中應(yīng)該使換能器盡量避開(kāi)船的尾流區(qū),通常采取使換能器入水深度加深,或者加長(zhǎng)拖纜的方法。另外,海水深度、潮汐作用及海底起伏均對(duì)淺地層剖面探測(cè)有著直接的影響。4主要聲音剖面的類型和特點(diǎn)4.1反射波波組結(jié)構(gòu)的劃分淺地層剖面測(cè)量所獲取的聲學(xué)記錄剖面是地質(zhì)剖面真實(shí)反映。聲地層層序是沉積層序在淺地層聲學(xué)記錄剖面上的反映(圖2)。根據(jù)反射波的振幅、頻率、相位、連續(xù)性和波組組合關(guān)系等,界定聲阻抗界面,進(jìn)而劃分聲學(xué)反射界面。聲學(xué)地層層序?qū)嵸|(zhì)是地層界面間聲波阻抗差異的反映。淺地層剖面的地質(zhì)解譯,是根據(jù)沉積物的巖性變化、沉積物密度、沉積層構(gòu)造、層面特征以及沉積層延伸與錯(cuò)斷等進(jìn)行解譯。4.2多次反射的產(chǎn)生凡波阻抗存在差異的界面上都能發(fā)生波的反射。在有多個(gè)波阻抗界面時(shí),波在某個(gè)界面反射后可能在另一個(gè)界面又進(jìn)行一次以上的反射再返回海面,這種現(xiàn)象稱為多次反射(圖3)。通常,多次反射波也是一種干擾,如果把它們作為一次反射波解釋,會(huì)得出錯(cuò)誤的地質(zhì)結(jié)論,例如夸大沉積層厚度,混淆地層接觸關(guān)系。通常來(lái)講,不整合面、基巖面和玄武巖面等強(qiáng)反射界面容易產(chǎn)生多次波。識(shí)別多次波的方法很多,最好利用鉆孔資料、區(qū)域地質(zhì)資料或與其他物探成果對(duì)比。4.3直達(dá)波波場(chǎng)特征干擾圖像主要可包括直達(dá)波干擾和側(cè)向發(fā)散干擾。直達(dá)聲波干擾由于換能器基陣90°方向的靈敏度較高,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)換能器間距小于測(cè)區(qū)水深的2倍時(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。側(cè)向發(fā)射干擾是由于發(fā)射換能器具有較大波束角,當(dāng)船近岸壁、突起暗礁時(shí)會(huì)有反射面形成側(cè)向反射干擾圖像(圖4)。此外,主要聲學(xué)剖面類型還包括水體圖像,指淺地層剖面儀記錄到的發(fā)射線至海底之間的圖像。5環(huán)境內(nèi)沉積環(huán)境的變遷淺地層剖面聲圖反映海平面變化,在沖積平原或近岸環(huán)境中反映沉積環(huán)境的變遷過(guò)程。剖面聲圖的層理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)的海底淺部地層特征。5.1調(diào)查沉積層的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單層理包括平行層理和發(fā)散層理。平行簡(jiǎn)單層理為點(diǎn)狀和線狀圖像(圖5),主要反映了地殼平穩(wěn)、均勻一致沉降,表明在低能量沉積環(huán)境中的細(xì)顆粒沉積物。發(fā)散型沉積層結(jié)構(gòu)主要反映了相對(duì)穩(wěn)定或穩(wěn)定下沉的大陸架、盆地充填等的勻速沉積環(huán)境。發(fā)散結(jié)構(gòu)則意味著沉積速率上有側(cè)向變化或沉積表面的逐步傾斜。簡(jiǎn)單層理常形成于海平面上升后的淺海環(huán)境中,多為細(xì)粒沉積物的沉積層。平行層理主要在海平面上升后淺海環(huán)流作用下形成,同時(shí)也表明沉積層組成多是粘土或者粉、細(xì)砂。5.2s型復(fù)雜層理由s型的雜巖圖像復(fù)雜層理可進(jìn)一步細(xì)分為復(fù)雜斜層理、S型復(fù)雜層理和雜亂層理等3種類型。其中復(fù)雜斜層理是由點(diǎn)狀、線狀和點(diǎn)線狀圖形組成的不平行傾斜狀圖形,通常表示河流、河流三角洲或者近岸平原等沉積環(huán)境(圖6)。S型復(fù)雜層理由S型的線狀或塊狀圖形組合而成的圖像,通常表示三角洲及淺海環(huán)境,沉積物粒度從細(xì)到粗的沉積序列。雜亂層理是由不連續(xù)、不整合的點(diǎn)狀或線狀圖形組合的圖像,表示高能量沉積環(huán)境,它反映各種不同的沉積速率,或者沉積后基底瓦解,崩積后殘、堆積等沉積過(guò)程。點(diǎn)、線狀平行或微傾斜圖像表明河流泛濫平原或河流決口扇,形成粗、細(xì)?；祀s的沉積層。點(diǎn)、線狀斜交的傾斜層理圖像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。點(diǎn)、線狀雜亂層理圖像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。5.3聲波屏蔽帶超聲反射帶無(wú)聲反射帶就是聲圖中不存在具有一定灰度的點(diǎn)狀、塊狀和線狀圖形,而幾乎是一片空白帶或干擾圖像(圖7)。點(diǎn)狀圖形無(wú)序組合圖像表明該層是聲波屏蔽帶,也可稱無(wú)聲反射帶或稱無(wú)聲信號(hào)帶,一般認(rèn)為是該沉積物中含有氣體或泥炭層,該層中高分辨率的高頻信號(hào)衰減得最快,或者說(shuō)聲波信號(hào)被較快吸收掉,因此,聲波在該層穿透深度很小。產(chǎn)生無(wú)聲反射帶的原因是沉積物中有天然氣或泥炭層或者為均一的粉細(xì)砂層。另外,由于含氣沉積物對(duì)聲能量的屏蔽作用,有時(shí)剖面上在反映含氣沉積物的雜亂反射下也會(huì)出現(xiàn)無(wú)反射區(qū)。6海底淺地層剖面施工技術(shù)淺地層剖面勘測(cè)是一種基于水