综合物探技术在港口航道建设中的应用

2016-08-16兰天霞

大科技 2016年17期

关键词：孤石声呐物探

兰天霞

（贵州顺达水运规划勘察设计院贵州贵阳 550004）

综合物探技术在港口航道建设中的应用

兰天霞

（贵州顺达水运规划勘察设计院贵州贵阳 550004）

海洋物探技术是港口航道建设中最为主要的勘测方法，本文对常见的物探技术进行分析，并结合具体工程实例对综合物探技术的具体应用进行探析。

海洋物探；磁法勘探；侧扫声呐

1 引言

为了保证港口航道建设的顺利实施，需要对施工范围内进行海上物探，从而调查海底地形、地层分界面等分布情况，为施工方案的制定提供依据。对于港口航道这类复杂工程勘测工作来说，单一的物探技术不能满足其要求，需要根据工程实际情况选择适宜的技术类型或者综合应用多种技术，保证勘测结果的准确和全面。目前常用的海洋物探技术有高精度磁法、水域浅层地震反射波法、旁侧声呐等。

2 常见海洋物探方法技术

2.1 高精度磁测

高精度磁测采用精度高、稳定性好、动态范围大的质子磁力仪，该仪器是利用氢质子磁矩在地磁场中自由旋进的原理制成的高灵敏度弱磁测量装置，是一种绝对观测仪器，观测某时刻观测点的地磁场总强度T的大小，读数分辨率0.1nT，可达精度1.0nT。在野外工作前，对仪器进行了噪声、一致性测定和探头高度实验，结合工作区自然地理、交通条件等方面的综合情况，采取规则网的方式进行野外磁测工作，网度为100m×20m。在异常地段，操作员对点位进行了加密。磁测工作的实测磁异常中往往包含有测量的偶然误差和浅部不均匀体所引起的随机干扰，是比较复杂的，在进行解释之前，采用了RGIS2012软件包，对原始数据进行数据网格化、ΔT化极、向上延拓、求导等处理。

2.2 地震反射波法

此方法是建立在水平界面假设的基础上，将不同激震点、不同接收点上接收的来自同一反射点的地震反射信号，经过适当的正常时差校正后叠加起来，得到同一个反射点的叠加值。如图1（a）所示，以M为中心分别在地面T1、T2、T3及T4点激发，在对应的R1、R2、R3及R4点接收来自界面同一点（A）的反射波，把A称为共反射点，把R1、R2、R3及R4点接收道的数据从原始共炮点地震记录中抽出并组成的集合称为CDP道集（图1b）。水平反射层CDP道集的时距曲线为一条双曲线，经过正常时差 ΔT校正（动校正）后，将 CDP道集反射波时距曲线（T1、T2、T3、T4）校正到T＝T0的直线上，并通过叠加或累计产生一个单独的记录，动校正与叠加示意图见图1（C）。

图1 CDP叠加示意图

正常时差ΔT计算公式如下式：

式中：Δt为正常时差（S）；t0为法线反射时间（S）；V1为界面上部介质速度（m/S）；h为反射界面深度（m）。

覆盖次数取决于每次激震时接收点的数量和激震点间距，对于单边激震而言，覆盖次数n用下式确定：

式中：n为覆盖次数；N为采集记录地震道数；D为激发炮点每次移动几个道距。

CDP叠加的直接效果是增强有效反射波信号的相对振幅，利用叠加的平均特性消除环境噪声，通过叠加的时差特性压制多次波等相干噪声。与单道地震剖面对比，多次CDP覆盖具有明显优势：叠加后有效信号明显得到加强，理论

上在保持完全同相叠加时，信噪比可提高槡n倍；对于时差较大的多次波和干扰波，叠加后具有明显压制作用；能通过反射波速度扫描建立二维速度模型，动校正效果更优。

2.3 侧扫声呐

侧扫声呐系统是当今水下目标探测的主要方式，是海底地形地貌探测的重要工具，是计算机技术、数据处理技术和数字化传感器技术等多种高新技术的高度集成，是航道测绘领域最先进技术的集中体现。侧扫声呐技术在扫雷、反潜、海战场环境建设、重要军事训练区扫海测量等方面具有重要的价值。侧扫声呐系统是由多个子系统组成的复杂系统，尽管不同型号侧扫声呐系统在设计细节上有所差异，但其基本组成相同，大体上可分为侧扫声呐声学系统、外围辅助传感器、数据实时采集处理系统和成果输出系统，图2给出侧扫声呐系统的基本组成单元。

图2 侧扫声纳系统组成单元

换能器作为侧扫声呐声学系统，是系统的核心部件，它是声电转换装置。大多数侧扫声呐换能器采用压电陶瓷结构，当一个电压加到发射换能器上时，引起其物理形态发生改变，将由发射机所产生的振荡电场转换成机械形变，这种形变传送到水中，在水中产生振荡压力，即声脉冲；同样，接收换能器用来接收回声信号，通过检测声压力变化，将这种压力变化转换成电能。现代侧扫声呐系统在换能器设计时采用收发合一的线列阵，使声能在水平线以下范围内集中。

外围辅助传感器主要包括定位传感器、姿态传感器、声剖和罗经。定位传感器采用GPS定位系统，主要用于测量时实时导航和定位，为侧扫声呐换能器提供位置信息；姿态传感器主要负责换能器横摇、纵摇和艏摇参数采集，实时反映换能器姿态变化，用于后续声呐图像改正；罗经主要提供拖体航向，用于后续回波点归位计算；声速剖面仪用于获取海水中声速空间变化结构，它直接影响回波点点位归算精度。侧扫声呐数据采集系统实现波束形成，将接收到的回波信号转换为数字信号，并反算、记录其往返程时间。数据实时处理系统主要指甲板实时处理单元，根据数据采集系统获取的数据，实时显示海底声呐图像，便于操作者了解成果有效性，指导后续工作。

成果输出系统主要包括数据后处理及成果输出。综合各类外业数据，通过相关数据处理软件对这些数据进行处理，最终获得各有效波束在海底反射点在地理坐标系下坐标及反射强度，最终形成测量成果，输出声呐图像。

3 实例探析综合物探技术在港口航道建设中的应用

3.1 技术概述

本工程要求震源有一定的穿透深度，分辨率高，激发间隔短，以保证较多的覆盖次数，因此采用了气动机械声波水域高分辨率浅层地震勘探连续冲击震源，该震源主频在400～1000Hz，频带宽，余震衰减快，能量适中，脉冲特性好，激发时间间隔调整灵活（最小间隔1s），重量轻，方便携带，操作简单。为实现高密度激发与高密度接收，本工程选用水域走航式多道地震反射波方法，即在GPS制导下地震数据采集与物探点定位随着作业船行驶过程中同步、连续、动态进行，数据采集见示意图（图3）。导航定位仪器采用双频RTK GPS，RTK GPS接收机载波相位差分能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。地震仪采用SWS－6地震勘探系统。

图3 地震数据处理流程

3.2 数据处理

本工程主要数据处理流程为：①水域地震反射。多次波发育，本次利用预测反褶积与RaDon变换压制或消除多次波；受水流、风力及作业船马力的影响，走航式地震反射波法各地震记录炮间距各不相同，采用线元叠加即消除了航速不均的影响，又可增加反射波叠加次数，提高信噪比与横向分辨率；②计算各地震道坐标、距离。航迹归—地震道号与坐标对应点输入—计算各道坐标、各道坐标投影到隧洞轴线或设计线上—计算偏离轴线距离—插值计算每个CDP点的里程桩号、偏离距；③在地震反射时间剖面上标注CDP点号与设计测线距离的对应关系，结合地质资料综合分析、判定异常并标注其位置。

3.3 成果解释

水域地震反射波成果资料解释工作主要是利用处理地震数据得到的各种地震反射时间剖面与速度等物性参数剖面，结合测区地质资料（特别是测线附近的钻孔资料及测井资料），通过对地震反射波组的走时、频率、相位、强度及连续性等波形特征对比分析，把地震时间剖面转变为深度剖面，绘制出地质构造图，划分岩土层之间的界面，探明断层、风化槽及孤石等不良地质体的位置与分布形态。本工程叠加线元长度为1m，即CDP道间距为1m。下面就正常地层剖面与不良地质体物探异常剖面分别举例说明本次高精度水域地震反射勘探的探测效果。

3.3.1 正常地层解释

综合地质资料推断各波组分别对应水底、淤泥层底、全风化花岗岩顶和中微风化花岗岩顶。在全风化花岗岩顶和中微风化花岗岩顶之间还存在断断续续的反射波同相轴，反应不同风化程度的岩层界面，由于成层性较差，本次勘探不做细分。各主要地层在地震反射时间剖面上显示清晰直观，分层准确度高，已被钻探资料证实。

3.3.2 物探异常解释

在该港口航道工程不同里程段共发现30多处绕射现象，绕射波的大小规模与能量强弱各不相同，综合地质资料推断这些绕射弧由花岗岩球状风化核（简称孤石）引起。绕射波的几何形态为双曲线，双曲线的顶点（绕射点）就是孤石的埋深。孤石绕射波具有以下特征：①同一埋深，孤石的几何尺寸越大，绕射弧的曲率半径越大，反之则越小；②同一尺寸的孤石，埋深越浅大，绕射弧的曲率半径越大，反之则越小。绕射波在绕射点处能量最强，向两侧变弱；③绕射波振幅的强弱决定于孤石与周围岩性的差异，差异大则振幅强，反之就弱；④接收点与绕射点的相对位置也影响绕射波的振幅大小，若接收点位于绕射点正上方则能量强，反之能量弱。孤石特征的典型剖面见图4，在淤泥底面与中～微风化花岗岩顶面之间的时间范围内，在 CDP 点号 1 280、1390、1 450、1 470、1 520、1 610、1 690、1 730及1 775点号附近存在明显的不连续绕射弧（图中紫色线所指），规模大小与埋深不一，推断强绕射弧为孤石或孤石群，弱绕射弧为全风化花岗岩中的强风化核。这种形态特征在轨道交通1、2号线跨海段分布较少。

图4 孤石反射时间剖面

另外，断层的解释是反射地震资料解释的难点与重点，根据有关文献与类似工程经验，在时间剖面上断层位置地震反射波具有以下形态特征：①反射波同相轴或波组出现错断现象，而断层两侧波组关系相对稳定；②反射波同相轴数目明显增加或减少，波组间隔突然变化；③反射波同相轴形状突变，反射凌乱或出现空白区；④发射波同相轴发生分叉、合并及扭曲；⑤来自中、微风化基岩顶面发射波组的双程时间明显增加，出现明显的岩面凹槽或岩面陡坎，并伴随出现绕射波与断面波。图4该工程TJ－WT1线中部地震反射时间剖面图，在CDP点号1560～1 740段反射波同相轴形状突变，发射凌乱，其左右两侧同相轴错断明显，综合地质资料推断为断层破碎带，破碎带范围如图5中红线所示，共揭示2条构造带，其他两条线路未揭示。