基于浅剖数据的海底底质分类研究与应用

路允乾，杨 力，谭玉芳，张浩浩

（1.广州海洋地质调查局，广东 广州 510075；2.天然气水合物勘查开发国家工程研究中心，广东 广州 510075）

海底底质是包括海岸带、大陆架、大陆坡和大洋盆地的海底沉积物和海底基岩的总称，底质类型是海洋资源与环境研究的重要基础资料，随着海洋资源开发、海洋工程建设和航运安全、军事安全的需要，海底底质的识别和研究愈发重要[1-4]。目前，海底底质的测量数据主要由定量数据和定性数据组成，定量数据包括原位测量数据和反演数据，定性数据包括实验室样品测定或计算得到的地质学岩性分类数据等。获取底质数据的方式可分为现场样品采集作业、原位测量等接触型探测方式和基于声学特征的多波束、浅地层剖面等非接触型探测方式[5-6]。现场样品采集方式多样，常用的有拖网法、液压法、钻探法、震动法、活塞法和重力法，这些取样方法是直观、准确地得到底质岩性及物性数据的有效手段，但是由于样品环境发生了改变，实验室测量恢复水下环境困难，导致获取的物性及声学数据存在较大误差[7-8]。原位测量可消除由于环境改变引起的误差，但原位测量效率低、采样数据离散且成本太高，不适用于大面积的底质探测。非接触的声学测量是效率最高的底质探测方法，多波束声学反演满足大范围高精度海底沉积物探测的需要，但多波束穿透深度有限，只能分辨表面沉积。浅地层剖面声学测量是海洋探测最常用的方式之一，浅地层剖面仪可在船舶走航过程中通过换能器发射声波信号，穿透海水及沉积层，利用接收单元接收到携带界面信息的反射波测量海底浅层的构造分布，由于浅剖信号具有更强的穿透力，浅剖资料具有分辨浅表层的能力和效率高、成本低的特点[9-11]。

自20 世纪70 年代以来，专家学者提出了许多海底底质分类研究的思路，如基于Contourlet 变换和支持向量机的侧扫声呐成像底质分类、基于多波束栅格图像和改进神经网络的底质分类、基于多波束反向散射强度角度响应曲线的底质分类、利用海底浅层剖面仪灰度图进行底质分类等，这些分类方法大多是针对海底表面底质，识别深度有限[9-18]。浅地层剖面资料反射频率较多波束低、穿透能力强，本文采用浅地层剖面与地质取样相结合的方式，在振幅均一化校正的基础上提取浅剖资料的均方根振幅属性，研究发现均方根振幅属性与底质类型具有良好的相关性，将提取均方根振幅属性绘制成平面等值线，可初步划分底质类型，实际地质取样资料与利用均方根振幅得出的底质划分结果相吻合。在少量地质取样约束下，利用浅地层剖面资料可以方便快捷地获取区域内一定深度下的底质类型分布，节约了探测成本，提高了探测效率，可为海洋环境调查、海底资源勘探、海洋工程建设、海洋军事活动等各个方面提供借鉴和参考。

1 研究区位置

研究区位于南海北部陆坡的琼东南海域，分布范围为110°50’E—111°10’E，17°10’N—17°20’N（图1），水深在1 200~1 500 m。研究区内地势自南东向北西缓慢倾斜下降，地形自西北边缘1 600 m水深段，向东南方向逐渐变浅至1 200 m 左右，海底地形总体变化平缓，海底地貌变化不大，主要有麻坑、陡坎、台地等。琼东南盆地陆坡区第四纪晚更新世以来主要发育了一套半深海相-深海相沉积，沉积岩性较简单，以泥和粉砂为主[19-20]，研究区海底底质基本以泥质沉积为主，沉积物类型变化不大。研究区东南有一长约40 km，宽5~10 km，水深最浅处仅100 m 的狭长水下海丘，海丘呈椭圆形，近北东东向展布，海丘周围发育多条底流冲刷形成的冲沟，推测研究区海底沉积物可能来自东南部水下海丘。研究区内共有5 条浅地层剖面测线及3 个重力取样站位，根据取样站位的岩性分析，北部两个站位（图1 中绿色圆点）海底沉积物类型为黏土，南部取样站位（图1 中黄色圆点）海底沉积物类型为粉砂质黏土，取样站位岩性与研究区西北深东南浅的水深数据吻合良好。

图1 研究区浅地层剖面及取样站位

2 数据来源与处理

2.1 采集设备及采集参数

浅剖资料来自广州海洋地质调查局，共计5 条测线，测线间距为5 000 m，浅剖测量设备是德国ATLAS 公司生产的ATLAS PARASOUNND P70 参量阵浅地层剖面仪，外设设备及导航定位系统为：Veripos DGPS、Octans 光纤罗经、AML SVPlus 声速计、HYPACK 导航系统等。ATLAS PARASOUNND P70 参量阵浅地层剖面仪主要由换能器、发射/接收电子单元、主控制计算机组成，其中发射/接收电子单元包括模拟电子单元（Analog Electronic Unit）、数字电子单元（Digital Electronic Unit）和内部连接单元（Internal Connection Unit）三部分。该设备固定安装在广州海洋地质调查局“海洋六号”船上，设备工作水深为10~11 000 m，适用于全海域范围海底地质结构的调查分析。它既具备传统的单脉冲发射模式，又有先进的脉冲链发射模式（Pulse Train）和等距发射模式（Quasi-equidistant），利用连续波（Continuous Wave）、调频脉冲波（Chirped）、编码脉冲（Barker-coded）等多种脉冲类型选择和参量阵差频技术相结合，使其实现了从浅水到深水全海域范围的测量功能，具有较高的地层分辨率和地层穿透能力，是目前世界上最先进的全海洋海底浅地层剖面调查仪器之一。本文数据采集采用等距发射模式，脉冲长度1 ms，换能器吃水5.6 m，采样间隔0.04 ms，为了减少野外采集的数据量，采集过程中应用了延迟记录的方式。

2.2 浅剖资料预处理

浅剖数据在野外采集过程中容易受到周围环境的噪音干扰，造成资料信噪比低，同相轴模糊不清；并且由于采集仪器自身的原因，经常发生更换文件名记录的情况，造成测线分段；有时因为延时记录采集的原因，无法正确反映反射波的时间信息。本次野外采集的原始浅剖数据具有明显的分段特征，且不同分段间背景噪音差别巨大（图2（a））[21-23]。根据原始浅地层剖面资料的特点，本文浅地层剖面资料处理使用RadExpro 地震处理系统、SU 地震处理系统软件与自研的浅地层剖面测量数据预处理软件。处理的主要任务有坐标转换与位置校正、剖面连接、大值干扰压制等，以上处理过程均采用保幅处理的原则。处理流程包括将浅地层剖面测量数据中的地理经纬度坐标转换为平面坐标，UTM（Universal Transverse Mercator）投影，中央经线111°，读取位置相关信息、校正换能器位置；采用RadExpro 2014 地震资料处理系统中的Burst Noise Removal 去噪模块，衰减强能量大值脉冲干扰和部分随机干扰（图2（c）），恢复被覆盖的有效信号；根据低频涌浪噪音与有效信号的频带差异去除涌浪噪音；根据道之间的位置关系，实现同一设计测线不同测线段的剖面进行连接，保证剖面的连续性等（图2（b））。处理后的浅地层剖面有效压制了各种噪音干扰，波形得到改善，恢复了被覆盖的有效反射，消除了涌浪造成的同相轴高频抖动，地震记录的低频和大值干扰被去除，剖面信噪比和同相轴连续性得到大幅提升，为地质解释奠定了基础（图2（d））。

图2 测线XS-29 预处理前后对比

3 结 果

3.1 振幅一致性校正

在浅剖数据野外采集的过程中，因为水深或探测目标层发生变化，采集参数也随之改变，主要体现在震源激发能量的改变，特别不同船舶采集的数据，造成不同时间采集的测线甚至同一条测线的不同分段之间的振幅能量不同，因此在提取浅剖属性之前，必须进行振幅一致性校正。振幅一致性校正容易被忽略，但这一处理对数据属性反演尤为关键[24]。振幅能量的差异主要由震源的能量差异引起，因此，本文采取了基于背景噪音振幅一致性校正的方法，通过将浅剖数据的背景噪音校正到同一水平来消除采集参数变化对浅地层振幅能量的影响。

浅剖数据原始记录的每条测线往往由多个数据文件组成，每个数据文件的采集参数经常发生变化。振幅一致性校正既要考虑不同测线间的一致性校正，又要考虑同一测线不同分段间的一致性校正，二者校正方法大致相同。同一测线不同分段间的一致性校正通常容易被忽略，但却是振幅一致性校正中最为关键的部分。研究区XS-29 测线根据背景噪音振幅值的大小可以明显分为3 个分段，分段连接处背景噪音振幅能量存在差异，以分段1 和分段2 为例进行分段间的振幅一致性校正，在两段数据连接处的海底上方约10 ms 处选择100 道作为背景噪音的时窗（图3（a）），提取时窗内的背景噪音振幅数据（图4（a）），可以发现大部分背景噪音振幅值落在0 附近，仅在共中心点道集（Common Depth Point，CDP）号200 附近出现一个振幅高值，这类数据点被认为是异常值，在一致性校正时需要对异常值进行剔除。由图4（b）可知，剔除异常值后重新提取背景噪音振幅，可以看到噪音振幅可明显分为两段，在CDP 号220 附近即分段1 与分段2 之间出现一振幅强度值分界线，分界线右侧分段2 振幅值整体高于分界线左侧的分段1，分别统计分段1 与分段2 的背景噪音振幅平均值，分段1 背景噪音振幅平均值为0.000 35，分段2 背景噪音振幅平均值为0.000 099。为了使处理结果具有一致性，本文将目标背景噪音振幅设置为1，然后对不同分段的噪音平均振幅赋一个比例系数来达到均一化的效果。以此类推校正测线的所有分段，均一化后不同测线和同一测线各个分段间的数据背景噪音振幅处于同一水平，消除了采集参数对振幅值的影响（图3（b））。

图3 测线XS-29 分段间振幅一致性校正前后对比

图4 测线XS-29 分段间的振幅一致性校正（取样时窗见图3）

3.2 振幅一致性校正

振幅一致性校正后，可认为研究区所有测线采集时浅地层剖面仪发射的脉冲强度是不变的，那么接收到的振幅强度就反映了海底的反射强度特征，海底反射强度主要受底质类型影响，即沉积物的粒度、孔隙度、密度、含水量等物理性质控制了接收到的浅剖振幅属性强度，具体表现为不同沉积物对声波的吸收和反射不同，利用反射能量密度可以区分不同底质类型[25-27]。因此提取研究区振幅属性，总结其变化规律，有助于把握整个研究区的沉积物分布及底质类型。研究区5 条主测线的均方根振幅剖面显示海底以下约30 ms 内均方根振幅强度纵向上分布稳定，横向上在海底破折带发生明显变化，东南部海底斜坡粉砂质黏土地层振幅能量强度明显小于西北部海谷黏土地层，从测线XS-30 均方根振幅属性剖面可以明显看到海底以下30 ms 内破折带左侧黏土段的均方根振幅强度明显高于右侧斜坡的粉砂质黏土段（图5），研究区振幅属性的区域差异反映了沉积物类型的差异，因此可以通过均方根振幅属性实现区域底质类型划分。

图5 测线XS-30 均方根振幅属性剖面（剖面位置见图1）

浅剖数据的纵向穿透深度可达百米，具体的穿透深度受到发射能量、发射频率、噪音水平和底质类型的影响。研究区浅剖资料纵向剖面显示在海底以下约30 ms 的范围内，振幅能量纵向稳定，同相轴清晰、连续性好，反射界面和内部分层结构清晰，分辨率较高，30 ms 以下的地层出现空白反射，沉积物内部反射界面不清，分辨率降低，因此，本文提取海底以下30 ms 的均方根振幅属性来进行底质类型判别。首先拾取出研究区5 条浅剖测线的海底面，作为均方根振幅提取的顶界面，然后将海底向下漂移30 ms 作为均方根振幅属性提取的底界面，提取海底以下30 ms 的均方根振幅属性并将其网格化为平面结果（图6）。从均方根振幅属性平面图上可以看出，高低振幅分界明显，分界线大致呈北东向展布，红色和黄色代表振幅高值，主要位于研究区西北部，振幅值在0.001 5~0.004；绿色和蓝色的振幅低值位于研究区东南部，振幅值介于0.001~0.001 5。测线XS-30、XS-32、XS-33 南部还存在零星高值异常，高值区范围较小，不连续。

图6 均方根振幅属性平面图

4 讨 论

将均方根振幅属性平面图与取样结果叠合显示，研究区西北部以黏土为主，东南部以粉砂质黏土为主，与西北部均方根振幅高值和东南部均方根振幅低值的分布特征吻合良好（图7（a）、图7（c））。网格化后的振幅强度平面图很好地体现了浅地层剖面反射能量强度，以测线XS-30、测线XS-32 为例，测线XS-30 在浅地层剖面上有两处相对能量强度高值（粉色箭头）和3 处相对能量强度低值（绿色箭头）（图7（b）），其中，西侧高值对应均方根振幅强度平面图西北部红色高值区，东侧的相对高值异常，对应平面图上测线XS-30 东部黄色高值异常区（图7（a））；测线XS-32 浅地层剖面中部同样有一反射强度高值异常（图7（c）），与平面图上粉色箭头对应的异常区匹配良好（图7（d））。均方根振幅强度平面图很好地反映了浅地层剖面反射强度，且高低值异常与地质取样岩性差异吻合，可有效应用于海底底质类型划分。根据多波束地形图，研究区水深具有西北深、东南浅的特点，且研究区东南部发育的海丘和海丘周围的冲沟指示研究区海底沉积物的物源可能来自东南海丘，来自东南部的沉积物向西北深水区搬运的过程中颗粒较粗的部分率先沉积，细粒部分则越过坡折带搬运到更远的西北部，形成了西北部黏土沉积为主，东南部粉砂质黏土为主的沉积特征。

图7 底质分类结果质控

均方根振幅属性平面图与取样结果的良好吻合证明了通过提取经过振幅一致性校正处理后的浅地层剖面资料均方根振幅属性可以很好地进行海底底质类型识别，这种方法很好地解决了浅剖数据同一条测线在不同时间、不同船舶采集下振幅强度不一致的问题。均方根振幅属性对底质类型敏感的本质是不同类型、不同粒度沉积物对反射振幅能量敏感，而沉积物受压实作用和沉积环境的影响，具有很强的区域非均质性，不同地区、不同类型的沉积物物理性质存在很大差异，因此识别属性不是一成不变的，需要结合地质取样具体分析[28]。在相同能量激发强度的前提下，一般来说原生地层的反射振幅强度随着沉积物密度的增大而递增，随着孔隙度的增大而减小，泥岩的孔隙度通常较砂岩小，且更容易被压实，因此相同深度情况下的泥岩反射振幅强度大于砂岩层[23]。得益于浅剖数据纵向穿透能力强的特点，当海底沉积物在一定深度范围内保持稳定，成分基本一致时，可以分辨一定厚度的底质类型，本文根据研究区浅剖资料的特点，选取了海底以下30 ms（约22.5 m）的范围进行底质类型识别，发挥了浅剖资料的优势，拓展了底质类型的纵向分辨深度。当海底沉积物类型纵向变化时，可以结合地质取样结果人工拾取岩性界面，分层进行底质类型判别。

5 结 论

浅地层剖面资料与地质取样相结合的方式可以快速而相对准确地对海底底质类型进行划分。浅地层剖面资料在提取均方根振幅前需要经过预处理和振幅一致性校正。本文浅地层剖面数据经过处理后，连接了分段剖面，有效压制了各种噪音干扰，恢复了有效反射，分辨率和信噪比得到显著提升，为剖面解释奠定了基础。对于存在背景噪音振幅不一致情况的浅剖资料，进行了基于背景噪音的一致性校正，将测线振幅能量均一化到同一水平。随后提取了浅地层剖面数据的均方根振幅属性，与研究区地质取样数据匹配后进行底质类型的识别和划分，这一方法具有效率高、成本低的特点。在研究区，均方根振幅西北部高值和东南部低值的分界面清晰连续，其分布特征与西部黏土为主、东部粉砂质黏土为主的地质取样结果吻合良好，证明该方法可有效应用于海底底质分类，可为海底底质分类提供有效的方法和技术支持。