浅地层剖面仪在海底工程勘察中的应用

第18卷 第8期 中 国 水 运 Vol.18 No.8 2018年 8月 China Water Transport August 2018

收稿日期：2018-03-09

作者简介：胡爱彬（1983-），男，天津人，中交第一航务工程勘察设计院有限公司工程师，从事工程地质工作。

浅地层剖面仪在海底工程勘察中的应用

胡爱彬

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

摘 要：浅地层剖面探测是海洋工程勘察的主要手段之一。文章首先阐述了浅地层剖面仪的工作原理，然后对地层剖面仪的数据处理方法进行了介绍，最后结合实际案例，分析了影响浅地层剖面仪数据精度的因素，通过对水深数据与浅地层剖面仪数据进行对比分析、图像判读，探究了海底地质构造运动的特征，总结了进行海底底质分类工作的经验，保证了港池工程的顺利施工。 关键词：浅层剖面仪；工程勘察；数据处理

中图分类号：P229 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2018）08-0224-02

在海洋资源开发过程中，浅海海域的地质调查工作是一

项非常重要的工作。由于地层剖面仪具有操作简单、配置灵活、经济高效等优点，在浅海工程开发过程中得到了非常广泛的应用。在海域开发过程中，利用浅层剖面仪进行勘测可查明海底断裂构造分布情况、海域地质灾害情况、海底障碍分布情况等，为后期海洋资源开发提供详细的地质资料。

一、浅层剖面仪的勘察原理

在对海底进行勘察时，可将海底看成层状模型，其中海水成是层状模型中第一种组成介质，其密度为ρ1，声波在海水中的传播速度为C1，海底沉积物分别为层状模型中的其他组成介质，密度和声波传播速度分别为ρ2，C 2…，ρn ，C n 。声波向下传播的过程中，在分界面处一部分声波会出现反射，另外一部分会顺着法线方向继续进行传播，并在分解面位置出现投射和反射，如图1所示。

图1 浅层剖面仪工作原理

一般来说，地层的反射系数决定了声波反射的强度，如果介质反射系数大，那么设备可接收到的反射信号相对来说也就越强[1]。反之，如果介质反射系数小，那么设备可接收到的反射信号相对来说也就越小，所以，可通过分析接收到的反射信号了解水下地层的地质情况。并直观的识别出地层

的构造情况。

浅层剖面仪就是基于回声探测原理来进行设计的，在工作期间，会在经过改装的测量船上固定定位GPS 和浅层剖面仪主机，然后使用GPS 定位设备使测量船按照设计的测线方向进行测量。通过利用安装在水下的接收基阵和发射基阵进行声波脉冲的发射和转换，接收基阵在收到回波后会将其转变成电信号，主机对转换后的电信号进行增益和滤波处理后，采用数字形式存入到计算机中，然后利用相应的识别算法或数据处理措施，将可反映地层声学特征的记录剖面输出，进而将海底地层特征以及沉积物的结构特征反映出来。

二、地层剖面仪处理过程中数据处理措施

在海底工程勘察过程中，受接收设备以及地质条件等因素的影响，接收到的地质信息资料一般都存在比较多的干扰成分。所以，在分析海底地质前，需要先采用校正、叠加、滤波等措施处理数据资料。地层反射截面在进行划分时，将波反射连续、频率、结构基本相似的地层划分为同一层组，在识别浅层剖面测量瀑布图时：（1）要将各反射层正确的识别出来，然后将反射波组确定出来。此时，需要将瀑布图数据和已知资料进行对比分析，然后合理的解释地层反射波组特征[2]。

（2）要识别出干扰信号。其中对瀑布图判断造成干扰的信号主要包括多次回波、噪声干扰等。一般情况下，浅层剖面仪在进行勘察过程中噪音是非常强大，并且噪音出现的原因也很复杂，常见的噪音主要包括环境噪音、机械干扰、海底多次波、海底障碍物等。在对噪音进行压制时，常用的

方法主要包括τ-p 域滤波、Radon 滤波、FK 滤波等方法，其压制原理是利用一次波和多次波之间的速度差异来达到对多次波进行压制的目的。一般来说，对于周期比较短的浅水区域多次波，使用预测反褶积法可有效消除海底鸣震，而对于深水区域的海底多次波由于干扰波比较强，采用上述方法不能达到压制目的。对于这种类型的多次波可使用聚束滤波法进行处理，使用该方法不仅可使这类多次波得到压制，而且对有效波产生的干扰也比较小。此外，在采用地层剖面仪进

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行勘察过程中，纵向分辨率指的是对临近地层厚度进行分辨的能力。由于海洋工程地质环境比较复杂，为了提升分辨率，需要对参数进行合理的组合后才能进行野外资料的采集，并在信噪比比较高的情况下进行处理，不仅要对高频进行拓宽，还要注意进行低频的保护，确保反射信号可接近于尖脉冲，保证勘测效果可达到要求。

三、海底工程勘察中地层剖面仪的实际应用

1．工程概况

某港口码头工程在进行施工过程中，为了节省工程开支，保证工程的施工安全。在开挖施工时，需要先将海底地质特性充分调查清楚。勘察的主要目的是为了充分了解海底基岩、砾石、粘土、砂等沉积物的分布情况和埋设深度，充分了解有可能对施工造成影响的特殊地质构造和工程障碍物。结合该工程的具体情况以及勘察要求，决定采用浅层剖面仪进行勘察。勘察仪选用3200XS型浅地层剖面以进行测量，港池中按照20×20m纵横布置测线，总测量里程长度为100km。

2．分析结果

在采用浅层剖面仪进行分析时，严格按照上述流程进行勘察，将钻孔点的浅剖瀑布图和已有钻孔资料中地层层面划分情况进行对比分析，进一步将瀑布图上反射结果所代表的沉积物类型确定出来，最后得到对应的数据综合成图。通过进行分析得到浅地层剖面测量结果如下：

（1）结合钻孔资料，浅剖测量结果可将海底地层中粘土层、砂层、淤泥层和基岩之间的界限准确地指示出来，将临近浅剖数据和钻孔资料作对比，两者基本一直。通过对已知钻孔点进行对比分析后，即可开展测线解释，然后得到浅剖解释图。

（2）在对各个测线进行浅剖解释后，根据综合处理各个测线的浅剖数据可得到不同类型沉积物的分布情况呈现出来，港池中海底表层沉积物的分布情况如图2所示。从图2可看出，沉积物主要为淤泥和砂，表层沉积物以粘土层为主，在提取浅剖层数据后可将海底各个深度沉积物的分布示意图做出来，并将各层沉积物的厚度显示出来。

图2 沉积物分布图

（3）在进行勘察的过程中，一些区域海底出现了非常明显的多次回波效应。对浅地层剖面仪多次成像图进行分析后不难发现，因为在测量过程中为了可使尾流噪音降低，在船舷的一侧放置了浅剖拖鱼，所以多次回波信号应为声波信号在船底和海底之间多次进行反射后造成的。根据浅剖探测原理不难发现，只有在波阻抗界面非常强的情况下才会产生多次回波，基岩汲取和坚硬的海底才会出现多次波反射[3]。因此该港区出现多次回波主要是因为海底含有砂质坚硬层造成的。当出现海底多次回波时，可利用随机软件DISCOVER-Sub-bottom对相关数据进行处理分析。此外，在实际测量过程中可将多次回波区域实时标注出来，为了可得到最佳的图像效果，此区域可对浅剖发射参数进行调节后实再次进行测量。

（4）因为港池的变长相对来说较短，为了可全面覆盖所有的港池水压，导致测量过程中出现了比较多的掉头区域。在这些掉头区域中浅剖瀑布图会产生较大的的变化。正常测量的过程处于竖线的左侧，开始掉头转弯后测量区域位于竖线的右侧。在进行掉头时，由于测量船的速度会变慢，进而导致船体侧面浅剖拖鱼的速度也会随之减缓，进而使横向方向上发射信号的密度变大，并且一些区域同一点的回波出现了叠加的情况，增强了回波信号。而且转弯过程中受离心力的影响，浅剖信号会由原来的垂直发射信号转变成斜向发射信号[4-5]。地层中信号的传递时间会增加，进而使瀑布图出现了变化。因此，对于这些区域的数据尽量不予使用，如果确实需要使用，则需对转弯区域地层厚度的变化情况进行考虑分析。

四、结束语

综上所述，在海底工程勘察中，地层剖面仪可非常直观地将海底地层剖面情况呈现出来，使勘察人员更加直观地了解海底地层情况。该港口项目勘察工程在勘察过程中使用地层剖面以进行勘察，然后配合前期钻探工作准确地将勘察区域基岩的分布情况、粘土层情况、砂土层情况、淤泥层情况显示出来，通过进行勘察证明，该港区不存在对施工造成较大影响的地质结构体，有效保证了港池工程的有序开展。

参考文献

[1] 王方旗.浅地层剖面仪的应用及资料解译研究[D].青岛：

国家海洋局第一海洋研究所，2010.

[2] 王化仁，田春和，王鹏等.浅地层剖面仪在管线铺设路由

调查中的应用[J].水道港口，2007，（02）：133-135. [3] 李一保，张玉芬，刘玉兰等.浅地层剖面仪在海洋工程中

的应用[J].工程地球物理学报，2007，（01）：4-8.

[4] 罗深荣.侧扫声纳和多波束测深系统在海洋调查中的综合

应用[J].海洋测绘，2003，（01）：22-24.

[5] 赵铁虎，张志，王旬等.浅水区浅地层剖面测量典型问题

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