两种不同类型的高分辨率浅地层探测系统在近岸海洋工程应用中的对比分析

刘荣林

（福建省港航勘察科技有限公司，福建 福州 350009）

0.引言

近岸海洋工程建设需要查明海床以下地层类型及埋藏深度等信息，或具体目标体的埋藏情况，为其工程设计、建设及维护等方面提供基础数据资料。目前应用最多的方法就是采用浅地层剖面仪或单道地震系统进行探测，依据采集数据的反射波特征，并结合工程区内的钻探资料进行对比，确定不同地层的反射界面。但由于具体的探测目的不同、海床地质条件不同，不同探测仪器测得的数据相差较大。本文从不同类型仪器的原理及特征入手，分析其优缺点，探讨不同情况下仪器的不同选择。

1.声波探测原理

声波遇到不同的弹性介质会产生反射和透射（如图1所示）。根据费马原理，声波在介质中的一点传播至另一点的路径是传播时间最短的路径而不是传播距离最短的路径[1]，由此可以得出公式，如公式（1）所示：

图1 声波在介质中的反射透射路径

同理可以得出公式，如公式（2）所示：

根据公式（1）和公式（2），可以追踪出声波在弹性介质中的传播路径。浅地层剖面仪及单道地震系统均是利用声波这一特性而用于探测海底地层的分布情况，其中浅地层剖面仪声波的激发与接收可以看作在同一点，探测接收到的数据就是仪器发射点正下方的海底地层反射数据；而单道地震系统的震源与水听器是分开的，探测接收到的数据是震源与水听器中间位置的海底地层反射数据。

不同探测仪器探测数据的好坏，一般从两个角度进行比较，即分辨率和穿透能力。分辨率分为纵向分辨率和横向分辨率，声波的频率越高、波形越尖锐，纵向分辨率越高，可以用来表达（c为声速、T为脉冲宽度）。横向分辨率一般用第一菲涅尔带半径来衡量，半径越小代表分辨率越高，数学表达式为R＝。可以看出当频率f越大，横向分辨率越高。穿透能力主要是由仪器发射声波的频率来决定，低频、宽脉冲的声波有较好的穿透能力。因此，分辨率与穿透能力对声波的要求是冲突的。

2.声波特征及对比分析

2.1 浅地层剖面仪声波特征

本文以EdgeTech SB-216S型浅地层剖面仪为例，介绍其发射声波的原理，并分析CHIRP技术的特点及优势（如表1所示）。SB-216S型浅地层剖面仪是利用压电陶瓷这种特殊材料对电场及压力场的“灵敏感应”来发射声波和接收反射波的。当施加外界电场到压电陶瓷上时会引起变形，电场方向交替变化则会引起机械振动，此时压电陶瓷成为声源发射声波；当反射回来的声波产生的压力场作用到压电陶瓷上时则会产生电信号，以此来记录反射声波。

表1 Edge Tech SB-216S型浅地层剖面仪参数

为了获得具有一定穿透能力且分辨率较高的数据，浅地层剖面仪广泛地采用CHIRP技术。CHIRP技术是一种线性调频技术，该技术的特点是具有较宽的频率范围和较长的脉冲延续时间，目的是增大声波的穿透能力[2,3]，其子波理论表达式，如式（3）所示：

式（3）中，A为振幅；f1为开始频率；f2为结束频率；T为信号延迟时间；t为记录时间。

由于CHIRP子波各频率子波强度相同，相同地层的反射界面会由多个频率成分的反射波叠加，影响地层识别的分辨率（如图2所示），对此需要对CHIRP子波加一包络函数，使子波能量集中在主频处，降低其他次要频率的影响（如图3所示）。

图2 模拟CHIRP信号波形及频谱

图3 模拟加包络函数的CHIRP信号波形及频谱

CHIRP子波还存在脉冲延续时间长的缺点，根据纵向分辨率的公式可以得出其分辨率较低。因此，需对采集的信号进行脉冲压缩处理，再根据采集的信号与子波信号具有很好的相似性，而采集的噪声与子波相似性很差的特点，进行滤波，提高数据的信噪比。

2.2 单道地震系统声波特征

本文以荷兰GEO-Spark1000 Plus单道地震系统为例，技术参考（如表2所示），探讨电火花能源发射声波的原理及特征。GEO-Spark单道地震系统是利用瞬时高压放电会产生“液电效应”的原理，即高压电场产生的巨大能量在放电通道内瞬时释放，通道内的液体迅速膨胀、汽化并引起“爆炸”。在液体中，高压放电的形式一般有两种：一种是电弧放电；另一种是电晕放电。GEO-Spark单道地震系统采用的是高压脉冲负极电晕放电技术，在放电电极与海水之间进行局部放电，GEO-Spark 300J声波脉冲波形及频谱（如图4所示）：

图4 GEO-Spa rk 300J声波脉冲波形及频谱

表2 GEO-Spark 1000 Plus单道地震系统技术参数

2.3 工程中的应用对比

EdgeTech SB-216S型浅地层剖面仪和GEO-Spark单道地震系统均是为了近岸海洋工程高分辨率探测浅地层分布特征而设计的，两者应用了不同的技术手段来提高纵向分辨率和穿透深度。其中EdgeTech公司是对接收到的反射信号利用信号处理技术进行脉冲压缩和滤波来提高分辨率。而GEOSpark则利用瞬时高压放电会产生延续极短的尖脉冲，脉冲宽度为微秒级别，可以达到较高的分辨率的原理来探测。

EdgeTech公司利用线性调频得到了包含一定范围的低频和高频的信号，利用低频来增加穿透深度。GEO-Spark利用不同的能量级别来进行瞬时高压放电，能量级别变大、尖脉冲频率变低，则穿透能力变强。

本文介绍了两种浅地层探测系统的发声原理，并列出了相关的技术参数，仅仅靠理论给出的技术参数来评价哪种仪器更好是不合理的，还要针对两种仪器自身的特点选择合适的使用场景。下面从实际案例应用中进行比较，探讨各自适合使用的环境。

以某航道建设工程为例，利用EdgeTech SB-216S型浅地层剖面仪、GEO-Spark 1000 Plus单道地震系统对同一测区进行了浅地层探测，以此说明两种仪器在实际工程中的应用情况。航道建设工程对浅地层探测的一般要求是准确判断基岩面的埋藏深度及各沉积层的覆盖厚度，为确定航道疏浚及炸礁等工作提供数据支撑，对仪器的穿透能力有一定的要求。下面从基岩面的识别、沉积地层的识别两种角度来分析其特征。

2.3.1 基岩面的识别

（1）当海底基岩面埋藏深度较浅、覆盖层主体为淤泥混砂时，两种探测系统地层剖面上基岩面的反射特征均比较明显，可以连续追踪，能清晰地判断基岩埋藏深度，具体探测剖面数据（如图5（a）、图5（b）所示）：

图5 浅地层剖面对比图

（2）在海底覆盖层为十几米左右厚度时，两种探测系统地层剖面数据基岩面辨识度相差较大，GEO-Spark单道地震系统探测的基岩面比较清晰，可以连续追踪，在覆盖层达到二十多米时基岩面依然清晰；EdgeTech SB-216S型浅地层剖面仪探测的基岩面反射强度明显变弱，基岩面连续追踪性比较差。具体探测剖面数据（如图6所示）：

图6 基岩面探测深度对比图

2.3.2 沉积地层的识别

沉积地层由于泥、砂、砾的成分含量不同，所以两种探测系统的数据质量又有一定的差异。当沉积地层中泥为主体成分时，两者的地层界面反射波同相轴均清晰连续可见，但EdgeTech SB-216S型浅地层剖面纵向分辨率更高，具体（如图7（a）所示）：

当沉积地层中砂、砾含量较多时，EdgeTech SB-216S型浅地层剖面仪的穿透能力变弱，甚至穿不透；GEO-Spark单道地震系统穿透能力也会降低，通过加大激发能量级别可以在一定程度上弥补，具有一定深度的穿透能力。探测数据（如图7（b）所示），GEO-Spark单道地震系统可以穿透一定厚度的砂层，下伏地层界面同相轴相对清晰；EdgeTech SB-216S型浅地层剖面仪则无法完全穿透砂层，下伏地层界面同相轴模糊，无法可靠追踪。

图7 沉积地层探测剖面对比图

2.4 特定目标体的探测

对于近岸海洋工程而言，除港口、航道等交通设施的建设外，海底输电管线及输油、气管线的敷设工程也占一定比例。海底管线敷设完成后，为保障管线设施具有正常可靠的使用功能，还需对其进行维护。由于灾害天气及人为因素等影响，有可能对海底管线造成一定程度的损害，为了获取海底管线的位置及状态信息需要利用高分辨率浅地层剖面仪进行探测[4]。

探测海底管线最主要的目的是明确管线属于埋藏海底、裸露海底、悬空海底三种状态的哪一种。一般情况下海底管线与上覆地层的波阻抗差异较大，利用浅地层剖面仪可以得到比较清晰的反射界面，以此判断海底管线的状态。海底管线埋藏深度一般较浅，对穿透能力要求不高。由于EdgeTech SB-216S型浅地层剖面仪纵向分辨率更高，因此，它比GEOSpark单道地震系统更适合用于海底管线探测的工程中[5]。图8是使用浅地层剖面仪对海底管线进行探测的剖面图。

图8 海底管线探测剖面

3.结论

本文根据两种不同类型的高分辨率浅地层探测系统在某航道工程探测中获取的实测数据进行对比分析，得出了以下结论：

（1）对于覆盖层较薄、基岩埋藏较浅的地质条件来讲，两种浅地层探测系统均能达到比较好的效果；对于淤泥、淤泥质粉砂等偏细的沉积层探测来讲，两者关于地层的划分差距不大，但SB-216S型浅地层剖面仪对层内的沉积细部特征探测具有明显优势，分辨率更高；在沉积层砂、砾含量较高的地质条件下，GEO-Spark单道地震系统具有更好的穿透效果。

（2）EdgeTech SB-216S浅地层剖面仪具有更高的主频频率特征，分辨率很高，适合调查沉积层比较细的工程区；由于分辨率较高，对埋藏的目标体探查也比较适用，如，海底管道、沉船等。

（3）GEO-Spark单道地震系统发射的声波主频介于几百Hz至几千Hz，具有较强的穿透能力，同时也具有可观的分辨能力，比较适合需要查明基岩埋藏深度、沉积地层组分较粗的工程。