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浅地层剖面探测在航道工程可行性研究中的应用
● 王璐璐
（广西地理信息中心，广西 南宁 530023）
［摘 要］文章介绍了浅地层剖面探测在航道工程可行性研究中的应用，探明海底底质类别、岩礁埋藏深度等，为今后开展工程建设提供参考。
［关键词］海洋地质调查；浅地层剖面探测；反射系数2018年10月24日，万众瞩目的珠港澳大桥全线通车，全长55km的珠港澳大桥连接珠海、、澳门，极大缩短了三地的来往时间。在珠港澳大桥前期勘察时，项目组根据大桥主体工程所要求的探测深度及工程区域情况，选择浅地层剖面探测、单道地震及多道地震三种物探方法进行综合勘探。其中，浅地层剖面的物探方法起到了重要作用。笔者以湄洲湾航道四期工程肖厝南山片区航道工程水域探测为例，采用浅地层剖面探测法，探明拟建航道设计范围内海域的海底底质类别、岩礁埋藏深度及岩礁上部覆盖层厚度等，为今后航道疏浚、炸礁工程设计提供基础资料。
成分、物理性质等不十分明显的特征界线分开。
浅地层剖面探测系统是利用声波的折射和反射原理进行设计。产生反射波的条件是界面两边介质的波阻抗不相等，声波在海底传播时，遇到反射界面（界面两侧的介质性质存在差异）时发生反射。其中，波阻抗为声波在介质中传播的速度v和介质密度ρ的乘积。而决定声波反射条件的因素称为反射系数Rpp。
浅地层剖面探测中，认为声波是近似垂直入的，此时
Rpp=
ρ2v2-ρ1v1
ρ2v2+ρ1v1
由上式可知：有强反射，一定会产生大的密此次浅地层剖面探测使用CHIRP III浅剖系
1 浅地层剖面探测
地层是一切成层岩石的总称，包括变质的和火山成因的成层岩石在内，是一层或一组具有某种统一的特征和属性，和上下层有着明显区别的岩层。地层可以是固定的岩石也可以是没有固结的沉积物，地层之间可以由明显层面或沉积间断面分开，也可以由岩性、所含化石、矿物成分或化学
度差和大的声速差。
统。CHIRP III系统震源和接收器集成在一个封闭在箱子内，探测时震源和接收器同时浸入海水中，导航定位置于其正上方。震源垂直向下按一定频率发射一定频段范围内的声波脉冲，脉冲信号穿过海水触及海底以后，部分脉冲信号产生反
［作者简介］王璐璐（19-），女，2014年毕业于闽江学院，测绘工程专业，主要从事海洋测绘、测绘地理信息数据处理工作，助理工程师。
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射声脉冲，另一部分声脉冲信号继续向地层深部传播，遇到波阻抗较大界面时产生反射。界面上下地层波阻抗越大反射能量越大，界面越清晰。当波阻抗足够大，并且传播介质对声信号的衰减较小的情况下，地层界面便可为人眼识别。声波波阻抗反射界面代表着不同地层的密度和声学差异而形成的地层反射界面。
1.1.3 计划测线布设
测线依照《航道工程（工可研阶段）浅地层剖面探测技术要求》进行布设。项目组依据相关规范对测线进行适当延长，为探测船舶掉头上线预留足够空间。
1.2 探测实施
探测阶段，多次调节设备收发参数，使海底地层的声学图像清晰可见，从而获得辨别度高的优质数据。若信号质量不稳定，可及时调整发射与接收单元的参数，使信号质量处于稳定状态。声学图像质量不满足后处理要求时，应及时进行补测或重测。1.2.1 潮位观测
开展浅地层剖面探测的同时，在临时潮位站上同步连续观测潮位。潮位观测使用人工观测，数据记录时间间隔为10min。潮位观测前，对时
钟进行校正，采用UTC时间；观测过程中，定时进行时间校对，其误差不大于1min，超限时进行修正；观测数据均记录至0.01m，浅地层剖面探测前10min开始观测，探测结束后10min停止观测。1.2.2 声速测量
1.1 测前准备
1.1.1 测区概况
湄洲湾位于海峡西岸，福建省沿海中部，泉州市和莆田市会合处，具体为莆田市仙游县、城厢区、秀屿区和泉州市惠安县、泉港区交汇处，其中泉州港肖厝港和斗尾港是中国少有，世界不多的多泊位天然深水良港。此次作业区域就在肖厝港。测线如图1所示（图中蓝色线均为浅地层剖面探测测线）。
图1 探测区域位置示意图
由于声速受海水温
度及盐度等因素的影响，因此作业时在航道中心及主要转折点选取有代表性的水域采用声速剖面仪进行声速探测，根据测得的声速按时段对水深进行声速改正。
声速剖面探测时间间隔＜6h。为保证探测精度，声速剖面仪入水后要停留10s以上，水中下放和提升速度＜0.5m/s。
1.1.2 设备安装调试
本次探测Chirp III采用侧挂方式安装在船的一侧，震源和接收器同时侵入水中，定位天线位于其正上方，保证定位准确。
设备安装完毕后，接通整套设备，让探测船以小航速（不大于3knot）稳速航行。通过测试，确保各设备单元运转正常、参数正确。
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2 数据处理与解释
根据调查要求，对原始资料进行预处理、常规处理和地质解释。通过对浅地层剖面测量数据的处理，划分反射界面的分反射层序。在反射界面的基础上，充分利用测区搜集资料及周边地质资料，与测区内地质钻探资料进行层位对比，结合记录中的沉积结构、层位标高、堆积、侵蚀、界面的整合关系、层理结构、相位变化等特征来分析声学记录中地层沉积特征及其地质信息。
根据反射层内部结构特征分析滑坡、塌陷、浅层气、岩体等地质类型，绘制地层（反射层）剖面图件、地质体分布图、岩面（风化壳顶面）高程图等。
本项目采用GeoSuite-Allworks软件进行处理与解释。操作流程如图1所示。
filter、Mute、Signature-deconvolution滤镜对干扰信号进行剔除。
2.2 地质解释分析
地层剖面解释包括追踪反射界面、划分反射波组、分析反射波组特征、识别地质体类型、进行沉积分析与构造解释。2.2.1 反射界面划分
（1）同一层组内波反射连续、清晰、可区域性追踪。
（2）层组内反射结构、形态、能量、频率等基本相似，与相邻层组有显著差异。
（3）主测线与联络线剖面上相同层组的凡有关联应能闭合。
值得注意的是，在大多数情况下，不同年代
的岩层存在着不同的物理特征，声学反射特征也有差异，因而依据声学反射剖面划分的反射界面往往与地层界面是吻合的。这种反射界面一般能代表不同地质时代、不同沉积环境和物质构成的真实地层界面。但是，也存在以下特殊情况，不同物质组成的相
图1 浅地层剖面数据处理流程图
同地质年代的沉积层或岩层，由于彼此间存在着的密度差引起的
2.1 声学图像处理
在进行地质解释之前，要对原始数据进行预处理，完成声学图像的还原与恢复工作，使声学图像内容足够丰富，最大程度地反映海底面以下的地质信息，以利于后期的解释工作。处理声学图像包括两大方面：一是增强并还原真实的地质信息数据；二是去除干扰信号。
为了还原真实的反射强度，利用Gain、TVG、Traceequalization、Normalize、Trace mixer滤镜组合进行增强。
为去除干扰信号，利用FIRfilter、IIR
声速差，因此会形成多个反射界面。而不同地质年代的沉积层，也可能因物质组成相同、密度差异不大而不存在明显的声学反射界面。因此，声学地层反射界面与地质（地层）界面间并非完全对应，不能作为评判的唯一标准。2.2.2 地质类型识别
依据反射界面划分的反射波组，与探测区域及附近的地质资料进行层位对比，充分利用测区资料和周边地质环境，结合历史资料中的沉积结构、层位标高、堆积、侵蚀、界面的整合关系、层理结构、相位变化等特征来确定地质体类型。
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2.2.3 时间深度转换
在确定（或大致确定）地质体类型之后，依据钻探资料或相关经验确定相应地质体（沉积层或地层）的声速。
借助时深转换方程，将声学资料的时间数据（单位：ms）换算成深度数据（单位：m）。时深转换方程为：
D=VT2其中：D为深度，V为地质体声速，T为声波双程旅行时。
3 浅地层结构与沉积物分析
片区航道工程（工可研阶段）区域相对较小，整个测区所处的地质环境与沉积条件基本不存在差异。笔者将结合相关海域的区域地质资料，对浅地层结构与沉积物类型进行详细阐述、分析[1]
。
3.1 强风化花岗岩
测区内多数测线的声学图像中存在底部基岩的强反射界面，其反射特征为声学反射振幅强烈，图像灰度值高，反射弧线成抛物线形或倒置杂草状。
结合文献资料及附近岛礁的岩层资料，推断海底基岩为强风化花岗岩，其埋藏深度起伏变化较大，多呈尖峰状断续分布。
3.2 砂质粉砂
探测区域内的海底表层，有岩礁出露，底质主要有砂质粉砂和淤泥质粉砂。
粉砂的声学特征为声学强度适中，整体相对通透，同相轴较为清晰，排布规则，偶夹有薄层。
3.3 全风化花岗岩
该层的反射信号较强，但不如强风化花岗岩，振幅较大，灰度值较高，可以看到不太清晰的成抛物线形的反射弧线。其风化程度较高，声学图像反射较为杂乱。
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经过以上分析，结果如下：（1）底质类型
参考《中国海湾志第8分册福建省南部海湾》，探测区域处于近岸浅海沉积环境。测区表层沉积物种类主要为砂质粉砂、淤泥质粉砂等，表层下有砂质残积土和全分化花岗岩等，航道内有埋藏深度不等的强风化岩[2]。
（2）基岩分布
测区内多组探测剖面发现有明显的基岩（或其风化壳）反射特征，测区部分区域基岩埋藏较浅，基岩起伏较复杂。
4 结 语
通过该片区航道工程（工可研阶段）实地探测可以看出，测区内无沉船、礁石等异常体，片区航道工程（工可研阶段）水域航道内有埋藏深度不等的基岩，根据其声学图像推测下伏基岩为强风化花岗岩。因基岩分布和岩性较为复杂，为确保航道通行的安全性，具体风化程度及岩土特性还需要勘察部门通过钻探进行验证，以便于判断是否需要爆破处理。
现阶段，浅地层剖面探测还存在些许不足，一是图像干扰多，自然地质现象会受到噪声影响而造成误判；二是剖面图反应不直观，多数情况参考数值，需要人工参考多方资料进行验证；三是浅地层剖面测量数据成果主要是岩面图、剖面图和航迹图，数据的呈现依然是平面的，3D数据可视化技术在地球物理探测技术中使用较少。未来，随着科技进步及经验积累，浅地层剖面探测的应用会更加准确，更加广泛。
［参 考 文 献］
［1］GB1276310-2007，海洋调查规范第10部分海
洋地形地貌调查［S］.
［2］陈峰，刘维坤，陈瑞祥，等.中国海湾志第8
分册福建南部海湾［M］.北京：海洋出版社，1993.
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