浅地层剖面仪与水域地震映象对比分析(审校)

浅地层剖面仪与水域地震映象对比分析（中交天津港航勘察设计研究院有限公司）马永刚天津塘沽 300450摘要：简要介绍了浅地层剖面仪及水域地震映象系统工作原理,技术指标, 分析应用范围及应用效果。

关键词：浅地层剖面仪；水域地震映象；参量阵；垂直分辨率；穿透力作者简介：马永刚 1981生，2005年毕业于清华大学土木工程学院，助工现主要从事岩土工程工作我国的海域宽广辽阔，海岸线达18000 多千米，随着我国经济的持续高速发展，扩大陆域面积，开发海洋资源，增加海岸线的基础设施，如桥梁、码头、造船厂、核电站等，这些建设工程均要求进行浅海域地质调查工作。

对近岸地区进行地球物理调查和工程勘察已经非常迫切并且是大有前景的工作。

目前浅地层剖面、浅层地震映象、旁侧扫声纳、海洋磁力仪等工程物探的一些技术方法，已成功的应用于这些领域。

1 浅地层剖面仪浅地层剖面仪就是利用回声测深原理设计的。

在工作过程中，浅地层剖面仪主机和定位的 GPS 固定在改装后的测量船上，利用 GPS 定位使航向按照预定的测线方向。

测量船按一定的速度行驶，发射基阵和接收基阵安置在水面下，根据工区实际地质情况，主机设定发射声脉冲的频率范围和功率等参数，重复的向下发射一脉冲，接收基阵接收到回波并转换成电信号，主机对其进行初步的增益和滤波处理后，就可以实时的将探测到的水下地质情况利用纸质输出或数字输出。

1.1 Edgetech 3200XS地层浅剖仪我院通过接近一年的时间，对北京、上海、杭州、广州等一些生产销售浅剖仪单位进行现场调研，于2005年11月选择美国产的Edgetech 3200XS型地层浅剖仪。

1.1.1仪器工作原理为声波测距原理，即s=vt/2 =λf t/2 ( s-距离、v-声速、t-声波自发射至接收的时间)，类似回声测深仪。

Edgetech 3200XS地层浅剖仪是一种高分辨率的宽带调频海底剖面仪，采用了当前比较流行的chirp技术和DSP匹配滤波信号处理技术，在一定程度上解决了分辨率与穿透深度的成反比矛盾，使仪器具有高分辨率的同时具有足够的穿透深度，分辨率高，图象清晰因而具有广泛的应用范围。

系统发射一种线性扫描全谱频率的FM脉冲，当遇到声阻抗不同的介质层面时，发生反射，水听器中所接收的声波回波穿过脉冲压缩滤波器，通过滤波、信号放大、检波，按到达时间的先后，用灰度等级表征回波强度并在显示器上显示出来，从而产生海洋、湖泊和河流的高分辨率水地地层影象。

在不同介质中，声波的传播速度不同，其主要与介质的密度、压强、温度有关，把海底的沉积物看作一个层状模型，海水层作为第一种介质，它的密度为ρ1，速度为V1，海底下的沉积物存在多个界面，他们的密度和速度分别为ρ2，V2，…ρn，Vn。

当声波向下传播时，一部分在分界面处发生反射，另一部分沿法线方向继续传播，在下一分界面出发生反射和透射，其反射强度和地层的反射系数R有关。

见图R=（ρ2*V2-ρ1*V1）/（ρ2*V2+ρ1*V1）当两种介质的反射系数大时，接收到的反射信号就比较强，反之则比较弱。

因此，接收到的反射信号，携带了水下地层的大量有用地质信息。

通过观测记录分析海底沉积物的地质属性，并可以直观的识别地层的地质构造。

因为 FM脉冲是由较宽动态范围的数字模拟转换器和由线性组件组成的发射器所产生，所以声波脉冲的能量、幅度和相位特征可被精确控制，而高精度可确保沉积物分类所要求的高重复性信号的判定，和常规浅剖相比信噪比提高20-30dB。

该系统配置了SB-216S和SB-512I两种型号的拖鱼，根据海底地质情况和底质类型，选取合适的拖鱼。

所以，该浅地层剖面仪的分辨率和穿透深度与拖鱼类型以及工作频率有关，根据工程情况和现场情况。

1.1.2仪器组成本装置共由如下两部分组成，即：主机、拖鱼。

3200XS 浅剖仪基本的声纳系统图2 仪器组成框图图3 仪器主要组成1.1.3探测系统（1）定位导航系统：DGPS 和相配套的HYDACK MAX 水道测量软件。

（2）测深系统：单波束测深仪。

拖带式 旁带式（3）探测仪器：美国Edgetech 3200XS-STAR 浅地层剖面仪系统（拖带式SB-512i 、旁带式SB-216拖鱼）如下图。

（4）处理系统：Edgetech 567型处理器。

（5）技术指标参数图4 仪器主要技术参数参与对比分析的项目6个：大连港大窑湾港区三期疏浚工程浅剖探测;深圳港大铲湾集装箱码头一期工程疏挖区浅剖探测；天津港临港工业区疏挖区浅剖探测；永定新河口砂源钻探及浅剖探测；秦皇岛港山海关港区起步工程浅探测；威海石岛港区、靖海湾港区浅剖探测。

右图为永定新河探砂工程浅剖及钻探成果分析对比图图5 图像与钻孔资料对应情况1.2 德国SES-96参量阵浅地层剖面测深仪（SES –96 standardParametric Sediment Echo Sounder ）简介国家海洋局北海分局青岛环海海洋工程勘察研究院购进的SES-96参量阵浅地层剖面仪与传统的地层剖面设备最大的区别在于它的参量阵换能器（声源）。

高强度声传播时并不满足叠加原理，同时平行地向前传播的两个不同频率的声波，由于非线性效应，两声波相互作用而产生出组合频率的声波。

一个活塞式生源流体中发射两个频率相近的载波，频率分别为1f 和2f 的载波在流体中产生差频波（21f f f d -=）（当然还有和频波及其他组合频率的波），产生差频波的相互作用区就是一条频率为d f 的虚源长线阵，即所谓的端射参量发射阵。

差频波的指向性非常的尖，并且没有旁瓣。

SES-96就是利用声波的这一特性，制造出了小尺寸、低频率的参量声源。

参量声源的优势● 窄波束、宽带宽● 指向性好、无旁瓣● 小换能器SES-96使用差频技术产生低频信号，低频频率范围为4kHz 、5 kHz 、6 kHz 、8 kHz 、10 kHz 、12 kHz 。

图6 参量阵剖面仪连接示意图应用非线性声学原理的参量阵剖面仪既可以提高地层分辨率，又可以提高抗干扰能力，但其有效工作频率声波的电声转换功率很低（约SES-96 各部分连接示意图001％）。

经过我院实例工程效果(大连港大窑湾港区三期疏浚工程浅剖探测)，由于其频率发射范围过窄，其仪器在分辨性能及穿透性能与Edgetech 3200XS浅剖存在一定差距。

2 水域地震映象地震映象法是一种非常有效的水域工程物探新方法，它利用了水中无面波干扰的特点，采用了小偏移距与等偏移距、单点高速激发，单点接收或多点接收，经过实时数据处理，以大屏幕密集显示波阻抗界面的方法形成彩色数字剖面，再现地下结构形态。

地震勘探方法，在水中它既有较陆地优越性的一面，也有困难的一面。

如在水中没有剪切波，即没有面波干扰，是其优越的一面；困难的一面一是水上位置难定，二是振源问题——如果采用常规的炸药、子弹振源，不可避免地出现气泡效应问题，有可能将几十毫秒内的有用信号全部掩盖。

即使通过数据处理，也难以恢复。

而如果采用非炸药振源，如电火花振源、电脉冲声振源、气枪振源等，或是设备庞大和气泡效应问题，或是能量太小，频带太窄，信号难以穿透深度较大较厚的土层。

三是水底是一个很强的反射界面，多次反射问题十分难办，尤其是水浅和水下土层较硬的时候尤为明显。

国内一些单位在对振源、发射能量、频率、接收方式、数据处理、推断解释等方面进行了研究，研制了机械式全自动冲击振源，使用这种振源即避免了气泡效应，又获得了较大的勘探深度，多次反射也得到了一定程度的抑制。

水中的弹性波在衰减过程中，船底和水耦合的很好，因此可以把声波发生器安装在船底，可直接用铁锤敲击铁船船底，产生机械震动波向水下传播，用不同的材料和厚度做锤垫改变激发频率。

2.1 振源方式设计一种全自动机械震源，这种震源安装在观测船上的震源船，震动采用快速连续冲击方式，冲击间隔时间控制在2秒左右，即1小时冲击1800次，航行速度在2节。

弹性波的频带也是个很重要的因素，我们知道高频弹性波在水中衰减很少，因此，探测水深时可采用发射很高的声波和超声波。

而对于海底土层，高频波在其间衰减很快，只有较低频率的波才能穿透较深较硬的地层。

这就是为什么有些对于水底地形，海湾沉积淤泥分辨的很好的浅剖仪在探测砂层和卵石以下的地层就显得信号难以分辨，原因在震源频率太高而频带太窄水底地层一般中反射的地震波频带一般在200～1000Hz因此，震源波的功率1000Hz以内，峰值频率一般在400～600Hz左右。

2.2 采集方式采集方式既可采用单点接收方式直接形成地震映象剖面方式，也可采用类似于陆上CDP 迭加剖面那样的多道采集。

前者方式最好在同一测量点接上几个不同频率的换能器，这样一次激发就能采集多个换能器，形成的多个地震映象剖面有利于对比，提高了效率；后者方式既可以在室内通过抽道集形成地震映象剖面，又可通过CDP 迭加处理形成地震映象剖面，但在采集时应严格控制走航速度。

偏移距的选择也是一个值得注意的问题。

水底是个强反射界面，波以不同的入射角入射到水底界面反射系数是不同的，反射系数越小越好。

随着入射角增大，反射系数亦增大。

因此,安排偏移距在入射角< 40°时，一般对水底界面的穿透系数无大影响。

在水浅而又要求分辨浅部地层时，尽量采用小偏移距，以获得较清晰的水底界面和较大的穿透系数。

在采集中，设置适当的滤波参数亦是重要的。

当水上地震映象法采用走航式时，船上发动机、螺旋桨的噪声和水流对传感器的冲击都直接影响到采集有效信号的质量。

这些噪音干扰虽然强度大但频率较低，因此很容易通过滤波将其消除。

滤波方式可采用高通滤波下限频率可设置在75～150Hz。

由于水中接收的是应力波，传感器应采用压电式换能器，它的频率响应和灵敏度也需认真考虑。

由于水下土层反射波的有效信号频率在1000Hz 以下，所以传感器的频响亦必须与之相应。

它还应具有较高的灵敏度，一般说来，应达到1v /μPa 以上。

3 总结以上几种水上物探设备的声信号发射器有一般采用压电式、电磁式和适用于深地层的电火花放电式和高压气枪式。

为了减小船舶运动和噪声产生的影响，接收器常装在潜于海面下数米的“拖鱼”（一种水下拖曳体）内。

进行深海探测时，拖曳体则靠近海底以提高分辨率。

3.1噪声的压制水上物探设备噪音是比较强的,噪音的产生也是比较复杂的，这里对常见的噪音做一些分析。

常见的噪音来源有机械干扰、环境噪音、直达波、海底障碍物、海底多次波等。

机械干扰主要是勘探船体及螺旋浆、来往船只等产生的噪音，这类噪音主要是线性的低频相干噪音为主，可以通过改造勘探船和控制船速等来减弱其影响，如使用马力较小的木壳船效果较好。

海上的风、流、涌、浪等产生的噪音称为环境噪音，这种噪音是一种随机噪音，在频率域为白噪声，即有无限大频宽；对于这种随机噪音，在采集时严格控制，在后期处理中可采用中值滤波、预测滤波等数字处理方法削弱影响，其中 Kalman 滤波在应用中取得的效果较为理想。