劉榮林

（福建省港航勘察科技有限公司，福建 福州 350009）

0.引言

近岸海洋工程建設(shè)需要查明海床以下地層類型及埋藏深度等信息，或具體目標(biāo)體的埋藏情況，為其工程設(shè)計(jì)、建設(shè)及維護(hù)等方面提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。目前應(yīng)用最多的方法就是采用淺地層剖面儀或單道地震系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)，依據(jù)采集數(shù)據(jù)的反射波特征，并結(jié)合工程區(qū)內(nèi)的鉆探資料進(jìn)行對(duì)比，確定不同地層的反射界面。但由于具體的探測(cè)目的不同、海床地質(zhì)條件不同，不同探測(cè)儀器測(cè)得的數(shù)據(jù)相差較大。本文從不同類型儀器的原理及特征入手，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，探討不同情況下儀器的不同選擇。

1.聲波探測(cè)原理

聲波遇到不同的彈性介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生反射和透射（如圖1所示）。根據(jù)費(fèi)馬原理，聲波在介質(zhì)中的一點(diǎn)傳播至另一點(diǎn)的路徑是傳播時(shí)間最短的路徑而不是傳播距離最短的路徑[1]，由此可以得出公式，如公式（1）所示：

圖1 聲波在介質(zhì)中的反射透射路徑

同理可以得出公式，如公式（2）所示：

根據(jù)公式（1）和公式（2），可以追蹤出聲波在彈性介質(zhì)中的傳播路徑。淺地層剖面儀及單道地震系統(tǒng)均是利用聲波這一特性而用于探測(cè)海底地層的分布情況，其中淺地層剖面儀聲波的激發(fā)與接收可以看作在同一點(diǎn)，探測(cè)接收到的數(shù)據(jù)就是儀器發(fā)射點(diǎn)正下方的海底地層反射數(shù)據(jù)；而單道地震系統(tǒng)的震源與水聽器是分開的，探測(cè)接收到的數(shù)據(jù)是震源與水聽器中間位置的海底地層反射數(shù)據(jù)。

不同探測(cè)儀器探測(cè)數(shù)據(jù)的好壞，一般從兩個(gè)角度進(jìn)行比較，即分辨率和穿透能力。分辨率分為縱向分辨率和橫向分辨率，聲波的頻率越高、波形越尖銳，縱向分辨率越高，可以用來(lái)表達(dá)（c為聲速、T為脈沖寬度）。橫向分辨率一般用第一菲涅爾帶半徑來(lái)衡量，半徑越小代表分辨率越高，數(shù)學(xué)表達(dá)式為R＝?？梢钥闯霎?dāng)頻率f越大，橫向分辨率越高。穿透能力主要是由儀器發(fā)射聲波的頻率來(lái)決定，低頻、寬脈沖的聲波有較好的穿透能力。因此，分辨率與穿透能力對(duì)聲波的要求是沖突的。

2.聲波特征及對(duì)比分析

2.1 淺地層剖面儀聲波特征

本文以EdgeTech SB-216S型淺地層剖面儀為例，介紹其發(fā)射聲波的原理，并分析CHIRP技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)（如表1所示）。SB-216S型淺地層剖面儀是利用壓電陶瓷這種特殊材料對(duì)電場(chǎng)及壓力場(chǎng)的“靈敏感應(yīng)”來(lái)發(fā)射聲波和接收反射波的。當(dāng)施加外界電場(chǎng)到壓電陶瓷上時(shí)會(huì)引起變形，電場(chǎng)方向交替變化則會(huì)引起機(jī)械振動(dòng)，此時(shí)壓電陶瓷成為聲源發(fā)射聲波；當(dāng)反射回來(lái)的聲波產(chǎn)生的壓力場(chǎng)作用到壓電陶瓷上時(shí)則會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，以此來(lái)記錄反射聲波。

表1 Edge Tech SB-216S型淺地層剖面儀參數(shù)

為了獲得具有一定穿透能力且分辨率較高的數(shù)據(jù)，淺地層剖面儀廣泛地采用CHIRP技術(shù)。CHIRP技術(shù)是一種線性調(diào)頻技術(shù)，該技術(shù)的特點(diǎn)是具有較寬的頻率范圍和較長(zhǎng)的脈沖延續(xù)時(shí)間，目的是增大聲波的穿透能力[2,3]，其子波理論表達(dá)式，如式（3）所示：

式（3）中，A為振幅；f1為開始頻率；f2為結(jié)束頻率；T為信號(hào)延遲時(shí)間；t為記錄時(shí)間。

由于CHIRP子波各頻率子波強(qiáng)度相同，相同地層的反射界面會(huì)由多個(gè)頻率成分的反射波疊加，影響地層識(shí)別的分辨率（如圖2所示），對(duì)此需要對(duì)CHIRP子波加一包絡(luò)函數(shù)，使子波能量集中在主頻處，降低其他次要頻率的影響（如圖3所示）。

圖2 模擬CHIRP信號(hào)波形及頻譜

圖3 模擬加包絡(luò)函數(shù)的CHIRP信號(hào)波形及頻譜

CHIRP子波還存在脈沖延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，根據(jù)縱向分辨率的公式可以得出其分辨率較低。因此，需對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮處理，再根據(jù)采集的信號(hào)與子波信號(hào)具有很好的相似性，而采集的噪聲與子波相似性很差的特點(diǎn)，進(jìn)行濾波，提高數(shù)據(jù)的信噪比。

2.2 單道地震系統(tǒng)聲波特征

本文以荷蘭GEO-Spark1000 Plus單道地震系統(tǒng)為例，技術(shù)參考（如表2所示），探討電火花能源發(fā)射聲波的原理及特征。GEO-Spark單道地震系統(tǒng)是利用瞬時(shí)高壓放電會(huì)產(chǎn)生“液電效應(yīng)”的原理，即高壓電場(chǎng)產(chǎn)生的巨大能量在放電通道內(nèi)瞬時(shí)釋放，通道內(nèi)的液體迅速膨脹、汽化并引起“爆炸”。在液體中，高壓放電的形式一般有兩種：一種是電弧放電；另一種是電暈放電。GEO-Spark單道地震系統(tǒng)采用的是高壓脈沖負(fù)極電暈放電技術(shù)，在放電電極與海水之間進(jìn)行局部放電，GEO-Spark 300J聲波脈沖波形及頻譜（如圖4所示）：

圖4 GEO-Spa rk 300J聲波脈沖波形及頻譜

表2 GEO-Spark 1000 Plus單道地震系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

2.3 工程中的應(yīng)用對(duì)比

EdgeTech SB-216S型淺地層剖面儀和GEO-Spark單道地震系統(tǒng)均是為了近岸海洋工程高分辨率探測(cè)淺地層分布特征而設(shè)計(jì)的，兩者應(yīng)用了不同的技術(shù)手段來(lái)提高縱向分辨率和穿透深度。其中EdgeTech公司是對(duì)接收到的反射信號(hào)利用信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行脈沖壓縮和濾波來(lái)提高分辨率。而GEOSpark則利用瞬時(shí)高壓放電會(huì)產(chǎn)生延續(xù)極短的尖脈沖，脈沖寬度為微秒級(jí)別，可以達(dá)到較高的分辨率的原理來(lái)探測(cè)。

EdgeTech公司利用線性調(diào)頻得到了包含一定范圍的低頻和高頻的信號(hào)，利用低頻來(lái)增加穿透深度。GEO-Spark利用不同的能量級(jí)別來(lái)進(jìn)行瞬時(shí)高壓放電，能量級(jí)別變大、尖脈沖頻率變低，則穿透能力變強(qiáng)。

本文介紹了兩種淺地層探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)聲原理，并列出了相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，僅僅靠理論給出的技術(shù)參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)哪種儀器更好是不合理的，還要針對(duì)兩種儀器自身的特點(diǎn)選擇合適的使用場(chǎng)景。下面從實(shí)際案例應(yīng)用中進(jìn)行比較，探討各自適合使用的環(huán)境。

以某航道建設(shè)工程為例，利用EdgeTech SB-216S型淺地層剖面儀、GEO-Spark 1000 Plus單道地震系統(tǒng)對(duì)同一測(cè)區(qū)進(jìn)行了淺地層探測(cè)，以此說(shuō)明兩種儀器在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況。航道建設(shè)工程對(duì)淺地層探測(cè)的一般要求是準(zhǔn)確判斷基巖面的埋藏深度及各沉積層的覆蓋厚度，為確定航道疏浚及炸礁等工作提供數(shù)據(jù)支撐，對(duì)儀器的穿透能力有一定的要求。下面從基巖面的識(shí)別、沉積地層的識(shí)別兩種角度來(lái)分析其特征。

2.3.1 基巖面的識(shí)別

（1）當(dāng)海底基巖面埋藏深度較淺、覆蓋層主體為淤泥混砂時(shí)，兩種探測(cè)系統(tǒng)地層剖面上基巖面的反射特征均比較明顯，可以連續(xù)追蹤，能清晰地判斷基巖埋藏深度，具體探測(cè)剖面數(shù)據(jù)（如圖5（a）、圖5（b）所示）：

圖5 淺地層剖面對(duì)比圖

（2）在海底覆蓋層為十幾米左右厚度時(shí)，兩種探測(cè)系統(tǒng)地層剖面數(shù)據(jù)基巖面辨識(shí)度相差較大，GEO-Spark單道地震系統(tǒng)探測(cè)的基巖面比較清晰，可以連續(xù)追蹤，在覆蓋層達(dá)到二十多米時(shí)基巖面依然清晰；EdgeTech SB-216S型淺地層剖面儀探測(cè)的基巖面反射強(qiáng)度明顯變?nèi)?，基巖面連續(xù)追蹤性比較差。具體探測(cè)剖面數(shù)據(jù)（如圖6所示）：

圖6 基巖面探測(cè)深度對(duì)比圖

2.3.2 沉積地層的識(shí)別

沉積地層由于泥、砂、礫的成分含量不同，所以兩種探測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量又有一定的差異。當(dāng)沉積地層中泥為主體成分時(shí)，兩者的地層界面反射波同相軸均清晰連續(xù)可見，但EdgeTech SB-216S型淺地層剖面縱向分辨率更高，具體（如圖7（a）所示）：

當(dāng)沉積地層中砂、礫含量較多時(shí)，EdgeTech SB-216S型淺地層剖面儀的穿透能力變?nèi)?，甚至穿不透；GEO-Spark單道地震系統(tǒng)穿透能力也會(huì)降低，通過(guò)加大激發(fā)能量級(jí)別可以在一定程度上彌補(bǔ)，具有一定深度的穿透能力。探測(cè)數(shù)據(jù)（如圖7（b）所示），GEO-Spark單道地震系統(tǒng)可以穿透一定厚度的砂層，下伏地層界面同相軸相對(duì)清晰；EdgeTech SB-216S型淺地層剖面儀則無(wú)法完全穿透砂層，下伏地層界面同相軸模糊，無(wú)法可靠追蹤。

圖7 沉積地層探測(cè)剖面對(duì)比圖

2.4 特定目標(biāo)體的探測(cè)

對(duì)于近岸海洋工程而言，除港口、航道等交通設(shè)施的建設(shè)外，海底輸電管線及輸油、氣管線的敷設(shè)工程也占一定比例。海底管線敷設(shè)完成后，為保障管線設(shè)施具有正?？煽康氖褂霉δ?，還需對(duì)其進(jìn)行維護(hù)。由于災(zāi)害天氣及人為因素等影響，有可能對(duì)海底管線造成一定程度的損害，為了獲取海底管線的位置及狀態(tài)信息需要利用高分辨率淺地層剖面儀進(jìn)行探測(cè)[4]。

探測(cè)海底管線最主要的目的是明確管線屬于埋藏海底、裸露海底、懸空海底三種狀態(tài)的哪一種。一般情況下海底管線與上覆地層的波阻抗差異較大，利用淺地層剖面儀可以得到比較清晰的反射界面，以此判斷海底管線的狀態(tài)。海底管線埋藏深度一般較淺，對(duì)穿透能力要求不高。由于EdgeTech SB-216S型淺地層剖面儀縱向分辨率更高，因此，它比GEOSpark單道地震系統(tǒng)更適合用于海底管線探測(cè)的工程中[5]。圖8是使用淺地層剖面儀對(duì)海底管線進(jìn)行探測(cè)的剖面圖。

圖8 海底管線探測(cè)剖面

3.結(jié)論

本文根據(jù)兩種不同類型的高分辨率淺地層探測(cè)系統(tǒng)在某航道工程探測(cè)中獲取的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出了以下結(jié)論：

（1）對(duì)于覆蓋層較薄、基巖埋藏較淺的地質(zhì)條件來(lái)講，兩種淺地層探測(cè)系統(tǒng)均能達(dá)到比較好的效果；對(duì)于淤泥、淤泥質(zhì)粉砂等偏細(xì)的沉積層探測(cè)來(lái)講，兩者關(guān)于地層的劃分差距不大，但SB-216S型淺地層剖面儀對(duì)層內(nèi)的沉積細(xì)部特征探測(cè)具有明顯優(yōu)勢(shì)，分辨率更高；在沉積層砂、礫含量較高的地質(zhì)條件下，GEO-Spark單道地震系統(tǒng)具有更好的穿透效果。

（2）EdgeTech SB-216S淺地層剖面儀具有更高的主頻頻率特征，分辨率很高，適合調(diào)查沉積層比較細(xì)的工程區(qū)；由于分辨率較高，對(duì)埋藏的目標(biāo)體探查也比較適用，如，海底管道、沉船等。

（3）GEO-Spark單道地震系統(tǒng)發(fā)射的聲波主頻介于幾百Hz至幾千Hz，具有較強(qiáng)的穿透能力，同時(shí)也具有可觀的分辨能力，比較適合需要查明基巖埋藏深度、沉積地層組分較粗的工程。