参量阵浅地层剖面技术在深远海探测中的应用

0 引 言

近年来，随着大型深远海科学考察船的下水及各种深远海调查设备的应用，对海洋科学的研究及海洋资源的勘察逐步从近海向深远海延伸(王建村等，2020)。由于水体介质的特殊性以及海洋探测技术的特点，目前对海底沉积物探测最有效的方法仍然为基于水声学原理的浅地层剖面探测技术。TOPAS(Topographic Parametric Sonar) PS18浅地层剖面仪目前在大洋勘探中应用广泛，为深远海海洋科考活动提供准确的浅地层剖面资料，在海底矿产资源的探测与开发工作中也主要通过浅地层剖面仪来进行勘察。21世纪初，我国在东太平洋地区开始获得海底专属勘探矿区及优先开采矿区(吕国涛等，2013)，标志着我国深远海资源勘探开发工作正式拉开序幕。

当前，国内外虽然已经进行了大量的深远海考察工作，但是由于考察成本及应用效益等原因，针对深远海浅地层的探测工作非常少，虽然对某些区块进行过一些深远海浅剖的相关工作，但由于涉密等原因，并未公开发表成果。

以西太平洋一过海山浅地层剖面为例，介绍参量阵浅地层剖面调查设备组成及原理，通过对浅层剖面资料进行处理及解释，分析该区域的沉积演化规律，为该区块下一步的调查勘探工作奠定基础。

1 设备组成及测量原理

TOPAS PS18 浅地层剖面仪采用宽带非线性参量阵技术，既保证有很高的地层分辨率，又满足了在深水中的地层穿透能力，可以在20 m至全海深的环境中进行作业。该设备的最大地层穿透厚度可达200 m，地层分辨率<0.25 m。

系统换能器安装在船底，具有横摇、纵摇和升降波束稳定的功能，具备进行高精度、高分辨率调查任务的能力，同时能满足在15节船速下进行高效勘测工作。目前该设备被广泛应用于海洋浅地层结构探测、海洋底质调查、海洋热液冷泉调查、海底矿产勘探等工作，在深海底质调查、矿产资源勘探及沉积演化研究方面发挥了重要的作用(吴水根等，2007)。

1.1 设备组成

TOPAS PS18系统主要由换能器、收发机柜单元、系统控制单元和外围传感器4部分组成(图1)。

图1 TOPAS 系统结构示意图

TOPAS PS18浅地层剖面仪的换能器安装在船底，共由8个模块组成，为收发一体式换能器。在进行海底浅地层剖面探测工作时，发射换能器阵列向水体中发出高能量声脉冲，声脉冲在水体和海底传播过程中遇到波阻抗界面产生反射，反射波将信息以声学反射信息的形式传送至接收换能器，同时接收换能器阵列将接收的声学信号转换为电信号并传输给收发机柜单元。

收发机柜单元为整个系统的心脏与大脑，主要控制声学信号的激发、接收及能量放大等，负责将换能器阵列转换的电信号进行处理后发送至系统控制单元进行数据存储和显示。

系统控制单元主要指采集软件控制，使用TOPAS自带软件(图2)，不仅具有采集功能，还具有处理和回放功能。在数据采集过程中，可以通过参数设置来控制激发状态、波形、能量、接收时延等信息，同时也能实时调整增益、时窗等，以提高数据采集质量。

图2 TOPAS采集软件设置界面

1.2 参量阵技术原理

浅地层剖面探测中与探测地层分辨率直接相关的波束角大小受换能器大小的制约，即波束角越小，所需的换能器越大，例如，直径为D的圆形平面阵的波束宽度约为λ/D(λ为发射声波的波长)。为提高分辨率就需要降低波束宽度，但是换能器尺寸又不可能无限增大，两者相互矛盾。

为解决上述矛盾，非线性参量阵声呐技术被应用到浅剖探测中，该方法以其能在小孔径下实现低频、窄波束、高指向性且无旁瓣的特点，一直在水声探测领域受到广泛关注,且发展势头越来越好。参量阵技术利用换能器发射2个频率相近且沿同一方向传播的高频初始信号，在远场中获得2个高频信号的差频、和频及谐频等次频声波信号，利用主频及次频信号来进行探测(刘圣军，2008；朱建军，2014；万芃等，2015)。

参量阵换能器同时向水中发射2个频率相近的高频声波信号(f1、f2)作为主频信号，在水体传播过程中，主频信号由于介质的非线性效应形成差频波(f1-f2)，由于主频信号f1和f2非常接近，所以差频(f1-f2)的频率很低，故具有很强的沉积层穿透能力，可以用来探测海底沉积地层结构，由于主频信号f1频率较高，所以可用于精确测量水体深度(图3)(黄淳，2013；祝鸿浩，2015；胡梦涛等，2019)。由于次频信号与主频信号的波束角基本一致，并且不存在旁瓣，故次频信号的波束指向性好，具有较高的分辨率，大量的沉积层信息就可以通过可控的差频信号来获得，从而更好地识别和分类沉积层。由于初始波信号f1和f2频率较高，故不需要为了提高探测深度而无限增大换能器尺寸，解决了实际的工程问题(付作民等，2019)。

图3 参量阵原理图

TOPAS PS18浅地层剖面仪的中心主频为18 kHz，可以控制发射15～21 kHz的信号，从而产生0.5、1、2、3、4、5、6 kHz的差频信号，换能器尺寸仅为约1.2 m2，却可以完成水深20 m至全海深的地层探测，穿透能力超过150 m(由沉积类型、水深和环境噪音决定)。

2 在深远海的应用效果

选取2018年在西太平洋地区采集的一条具有典型沉积层序的浅地层剖面资料进行效果展示及分析，测线具体位置如图4。图中黄色折线为测线L1的位置，由于L1测线整体较长，从浅层剖面来看，测线大部分区域无明显地震层序，只有图中红色标记的A-B段地震层序特征比较明显，故选取L1测线的A-B段作为浅剖展示及分析测线段，重点针对A-B段的浅剖资料进行分析。

图4 浅剖测线位置图

2.1 研究区概况

研究区位于西太平洋东马里亚纳海盆的麦哲伦海山群，南部为东马里亚纳海盆，东部为皮嘉费他海盆(张伙带等，2018)，平均水深超过1 000 m，由于科考船同时载有多波束仪和浅剖仪，故两台仪器同时探测，主要目的是探明研究区的地形地貌及浅地层信息。查阅历史资料发现，该区属于东马里亚纳海盆中的大型断块状隆起区(程永寿等，2015)。

2.2 现场数据采集及处理

波形选择：Chirp波是一种线性调频脉冲，具有覆盖频率范围大、能量大、分辨率高的特点,对地层进行测量时, 在保证地形穿透能力的同时仍然具有较高的分辨率(万芃等，2015)。

由于该区平均水深超过1 000 m,常规信号无法同时满足穿透和高分辨率的要求，故使用Chirp(LFM)波对其地层进行测量，实践证明探测效果比较理想。

能量选取：由于此次浅剖采集所用的设备可满足20～11 000 m的全水深作业，为满足在浅水作业时保护设备，在深水作业时能够达到穿透能量的要求，TOPAS可以通过采集软件控制输出能量的百分比，一般在水深超过1 km时开始选用100%能量进行探测，故在作业过程中将能量设置为100%。由于TOPAS参量阵用来探测的次频信号频率范围为2.0～6.0 kHz，为避免吉布斯效应，将滤波范围设置为低频1.0～2.0 kHz、高频6.0～7.0 kHz，并根据现场资料情况调整时变增益，保证海底能正常显示，且地震层序明显。

科考船上同时配备了全水深多波束和浅剖设备，多波束仪可以根据声速剖面资料来准确调整海洋声速结构，而浅剖仪的海水声速资料只能输入平均值，故在测量海水深度方面，多波束仪的精度较浅剖仪高。

另外，在某些斜坡及其他地形变化复杂的地区，浅剖仪无法准确追踪海底，会严重影响探测效果，故在测量过程中多波束和浅剖设备同时开启，将多波束仪获得的水深资料传入浅剖采集软件作为浅剖追踪海底的水深参考资料，应用效果十分理想。图5为L1测线的地形剖面图，方向为NE-SW向，可见测线前半段位于海山顶部，水深-1 400 m左右海山顶部较为平坦。沿测线向南进入山地，地形变化剧烈，从-1 400 m直降至-6 000 m以下，其中A-B段位于海山顶部边缘靠近南部斜坡位置，为选取的浅剖分析测线段。

图5 L1测线地形剖面图

图6 L1测线A-B段TOPAS现场采集剖面

图6为TOPAS PS18在测量过程中的采集的L1测线的A-B段浅地层剖面。通过该剖面资料可以看出，研究区水深约为1 400 m，海底界面波组清晰，同相轴连续，地层成像效果非常好，能够穿透海底约50 m地层，且纵向分辨率较高。在横向上，浅剖能较好地刻画海底异常体，可为海底底质调查和特殊异常体刻画提供较好的数据证据。

2.3 浅地层剖面解释及分析

为进一步研究工作区域的层序结构，分析其沉积演化规律，后期对L1测线A-B段浅地层剖面资料进行沉积层序解释及分析(图7)。

图7 L1测线A-B段解释效果图

图7显示该区主要可分为T0、T1和T2这3套层序。① T0时期：整个浅剖剖面无明显沉积层序，近似表现为杂乱数据体，推测为海底基岩，在T1时期开始沉积之前，该区经历了区域性的冲刷或剥蚀，顶部地层随其他动力作用被搬运至他处。② T1时期：地势海山处于较低位置，在周围物源不断供给的情况下，T0不断被T1时期物源所覆盖，该期构造稳定，物源供给充分，以稳定的顶超沉积为主。③ T2时期：该区仍然以顶超沉积作用为主，在周围物源供给充足的情况下，T1层序不断被T2沉积层所覆盖，直到斜坡边界地区由于斜坡较陡，没有足够的沉积物容纳空间，沉积层才逐渐消失(陆一锋等，2017)。

前人在麦哲伦海山群地区进行过关于平顶海山成因方面的研究工作，表明该区的海山主要为火山作用形成(程永寿等，2015)。图7可见该区存在一火山侵入现象(图7中E处),该侵入体仅存在于T0和T1两套层序中，T2层沉积层序中不存在，说明在T2层之前的某一时期，该区曾发生火山活动，该期为火山活跃期。但在T2时期以后，该区仅存在沉积结构，没有明显的侵入现象存在，故该段时期比较稳定，没有发生火山等构造运动。

由于浅地层剖面探测的地层深度相对较浅，且仅为一条二维测线，而且该区的历史资料相对较少，并不能形成更加直观的构造认识，故要想更好地对该区进行研究，后续还应结合联络测线甚至多道地震和大洋钻探资料，开展沉积底质构造、构造演化特征分析及矿物质资源评价等工作。

3 结 论

(1) TOPAS PS18浅地层剖面仪是当前最先进的全海深浅地层剖面仪之一，其换能器安装在船底，通过电声转换实现声波探测信号的发射和接收，从而实现对海底浅地层层序的探测。

(2) TOPAS PS18浅地层剖面仪应用参量阵技术，中心主频为18 kHz，可控制发射15～21 kHz的声学信号，从而产生0.5～6.0 kHz的差频信号，在换能器尺寸较小的情况下，既可保证有很高的地层分辨率，又能满足在深水中的地层穿透能力，在海洋科考领域取得了较好的应用效果，具备较高的科学应用价值。

(3) 通过对研究区L1测线A-B段浅剖资料的解释及分析，发现该区主要经历了3期构造及沉积作用，并且在T2时期局部地区爆发过小规模的岩浆侵入活动。

(4) 由于当前选用的浅剖测线仅为一条二维测线，且穿透相对较浅，为更好地研究深水区域的构造演化特征及矿产资源分布规律，需结合多道地震及深水钻孔资料，多种手段综合分析，才能更加准确地获取深海区域的地质信息。