如相邻两层有必然的密度战声速差

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  Vol.30, 2011年06 MARINESCIENCE BULLETIN Jun. 2011 收稿日期:2010-3-18;收点窜稿日期:2010-11-2 基金项目:国度海洋局青年基金(2010310)。 做者简介:李平(1981-),男,陕西蓝田,帮理工程师,硕士,次要处置海洋地球物理查询拜访取研究工做。电子邮箱: 浅地层剖面探测综述 (国度海洋局第一海洋研究所,山东青岛 266061) 要:海洋地球物理手艺正在海洋地质查询拜访中起主要感化,此中浅地层剖面探测因其成本低、效率高,正在海洋地质查询拜访研究中具有广漠的使用前景。浅地层剖面探测是操纵声波正在水中和水下堆积物内和反射的特征来探测海底浅部地层布局和构制的。本文阐 述了浅地层剖面仪成长过程,针对浅地层剖面探测,阐发了其次要影响要素和方式,并对次要剖面声图类型及其特征进行了探 环节词:地球物理手艺;浅地层剖面探测;综述中图分类号:P631.5 文献标识码:A 文章编号: 1001-6932(2011)03-0344-07 Review sub-bottomprofiler LI Ping, DU Jun (First Institute Oceanography,SOA,Qingdao266061,China) Abstract: Marine geophysical survey technique plays importantrole marinegeology investigations,in which Sub-bottom Profiler Probe high-efficiencycharacteristic has broad application prospects marinegeological investigation research.Sub-bottom Profiler Probe soundwaves underwatersediment shallowstratum structure under ,thedevelopment process Sub-bottomProfile system itsmain influencing ctors suppressionmethods mainaudio diagram types discussed.Keywords: marine geophysical survey technique; sub-bottom profiler probe; review 浅地层剖面探测是一种基于水声学道理的连 续走航式探测水下浅部地层布局和构制的地球物 理方式 [1-3] 。浅地层剖面仪(Sub-bottom Profiler System)又称浅地层地动剖面仪,是正在超宽频海底 剖面仪根本上的改良,是操纵声波探测浅地层剖面 布局和构制的仪器设备。以声学剖面图形反映浅地 层组织布局,具有很高的分辩率,可以或许经济高效地 探测海底浅地层剖面布局和构制。 本文简要引见了浅地层剖面探测手艺的工做 道理,总结了目前国表里普遍利用的次要手艺产物 型号以及次要参数和机能。阐述了浅地层剖面仪发 展过程,阐发了影响浅地层剖面探测质量的次要因 素和方式,并对次要浅地层剖面声图类型及其 特征进行了切磋。 浅地层剖面探测成长过程浅地层剖面仪是正在测深仪根本上成长起来的, 只不外其发射频次更低,声波信号通过水体穿透床 底后继续向底床更深层穿透,连系地质注释,能够 探测到海底以下浅部地层的布局和构制环境。浅地 层剖面探测正在地层分辩率(一般为数十厘米)和地 层穿透深度(一般为近百米)方面有较高的机能, 并能够肆意选择扫频信号组合,现场及时设想调整 工做参量,能够正在航道勘测中丈量海底浮泥厚度,天富娱乐 也能够勘测海上油田钻井平台基岩深度。 浅地层剖面仪采用的手艺次要包罗压电陶瓷 式、声参量阵式、电火花式和电磁式4 种。此中, 压电陶瓷式次要分为固定频次和线性调频(Chirp) 等:浅地层剖面探测综述345 两种;电火花式次要操纵高电压正在海水中的放电产 生声音道理;声参量阵式操纵差频道理进行水深测 量和浅地层剖面勘察;电磁式凡是多为各类分歧类 型的Boomer,穿透深度及分辩率适中。 浅地层剖面探测设备机能目标平分辨率取穿 透深度是互相矛盾的。20 世纪 80 年代,美国 Datasonics 公司取罗得岛州州立大学的海军研究所 及美国地质查询拜访局结合开辟了一种称为“Chirp”的 压缩子波,并被普遍的使用于海底浅地层勘察中 通过长时间的调频脉冲,领受信号颠末滤波处置,获得一个比发射脉宽的宽度窄良多的压缩脉冲,压 缩后的脉冲宽度取发射脉冲宽度无关,此压缩脉冲 宽度等于调频带宽的倒数,即τp=1/f ,(τp:处置 后的脉冲宽度;f:调频宽度)。发射较宽的线性 调频(Chirp)脉冲,可以或许必然穿透深度,同时 不会降低垂曲分辩率。此中GeoChirp是采用线性 调频(Chirp)声纳做为声源,来探测海底浅地层构 制环境的一种浅地层剖面仪。取此同时,为了发生 具有脚够穿透力的低频,它的换能器必需做得大而 沉,分辩率也较差。于是人们提出了参量阵(非线 性调频)道理,操纵该道理Innomar 公司研制 了SES–96 参量阵测深/浅地层剖面仪。总体来看, Chirp 手艺正在地层分辩率上具有极高的机能,而其 勘察深度的有使其使用范畴具有很大的。 同时,保守的 Boomer 为电磁式剖面仪,但其 声能发射机(震源)输出的电压凡是为几千伏,针 对该问题,研究人员正在设想长进行严沉改良,采用 奇特低压手艺的新型浅地层剖面仪(C–Boom)应 运而生 浅地层剖面探测手艺发源于20世纪60 年代初 期,其后普遍使用于口岸扶植、航道疏浚、海底管 线布设,以及海上石油平台扶植等方面。70 年代以 来,跟着近海油气资本的大规模开辟和各类近岸水 上工程扶植项目标不竭添加,以及各类地质灾祸的 屡次发生和发觉,浅地层剖面探测的主要性越来越 为人们认识 [6,7] 。同时,浅地层剖面探测设备呈现多 元化的成长趋向,目前普遍利用的浅地层剖面探测 设备的次要产物类型及其手艺规格入表1 所示。 Tab.1Major product sub-bottomprofiler equipments(by Baohua Liu,2005) 出产厂家 型号 频次/kHz 分辩率/cm 穿透深度/m 工做水深/m SES-96 96 和108 InnomarSES-2000 3.5~12 和100 5003100-G 4~24 2~40300 EdgeTech 3300 2~16 6~10 6~80 000SIS-1000 和7(Chirp)20 50 000Benthos SIS-3000 和7(Chirp)10 50 000C-Products C-BOOM 0.5~3 30 80 GeoChirpII 0.5 和13 Chirp 000GeoAcoutics GeoPulse 2~12 10~20 按照岩性定 浅地层剖面探测工做道理浅地层剖面探测工做是通过换能器将节制信 号转换为分歧频次(100 Hz~10 kH)的声波脉冲向 海底发射,该声波正在海水和堆积层过程中碰到 声界面,经反射前往换能器转换为模仿或数字 信号跋文实下来,并输出为可以或许反映地层声学特征 的浅地层声学记实剖面。 声学地层探测系统是操纵声波反射的道理来 探测地层的。声波正在海底,碰到反射界面(界 面两侧的介质性质存正在差别)时发生反射,发生反 射波的前提是界面两边介质的波不相等。换句 话说,决定声波反射前提的要素为波差(反射 系数R pp )。波为声波正在介质中的速度V 介质密度ρ的乘积。 正在浅地层剖面查询拜访中,近似认为声波是垂曲入 射的,此时 由上式可知:要获得强反射,必需有大的密度差和 大的声速差,如相邻两层有必然的密度和声速差, 其两层的相邻界面就会有较强的声强,正在剖面仪终 端显示器上会反映灰度较强的剖面界面线。当声波 到界面上时,一部门声信号会通过,另一部门 声信号则会反射回来;并且正在每一个界面上城市发生此现象。使用到地学中,即声波波反射界面 代表着分歧地层的密度和声学差别而构成的地层 反射界面。 称为声阻率,简单地说,海底相邻两层存正在必然声阻率量差,就能正在剖面仪显示器上 反映两相邻的界面线,并能别离显示两层堆积物的 性质图像特征差别。操纵这个道理,人们发了然声 学地层剖面系统(图1)。 浅地层剖面工做道理Fig.1 Principle sub-bottomprofile 因为分歧的堆积物存正在着密度差别和速度差 异,这种差别正在声学反射剖面上表示为波界 面,差别越大,波界面就越较着(振幅越强)。 由分歧物质构成的不异地质年代的岩层,因为相互 间存正在着密度和速度的差别,会构成多个反射界 面,而分歧年代的岩层,也可能因为物质构成不异、 密度差别不大而不存正在较着的声学反射界面。因 此,声学地层反射界面取地质界面或地层层面之间 存正在着不完全对应关系。但正在大大都环境下,分歧 年代的岩层存正在着分歧的物理特征,声学反射特征 也有差别,因此根据声学反射剖面划分的反射界面 往往取地层界面是吻合的。这种反射界面一般可以或许 代表分歧地质时代、分歧堆积和物质形成的实 实地层界面。 正在根据反射界面进行浅地层剖面现实解译过 程中,该当起首取测区内地质钻探材料进行层位对 比,并充实操纵邻区材料和周边地质前提,结 合记实中的堆积布局、层位标高、堆积、、界 面的整合、不整合接触、层理布局、相位变化等特 征来阐发研究声学记实中地层堆积特征以及其它 地质消息。如许,一般而言可以或许获得取现实环境较 为相符的结论。 浅地层剖面探测次要影响要素浅地层剖面探测成果受多种要素限制,如仪器 本身的手艺机能目标,海底底质特征,探测过程中 的噪声及其,其他各类干扰,以及解的实 际程度、经验等。此中绝大大都是能够改良以至是 避免的,因而,正在现实探测过程中,应按照具体情 况,分析现实要素施测,以达到最优的探测结果。 3.1 海底底质 海底地质构制情况,特别是海底底质类型特征 决定仪器所能勘测的深度范畴。海底底质是砂、岩 石、珊瑚礁和贝壳等硬质海底严沉限制声波穿透深 度,仪器勘察的深度。例如,浅地层剖面探测 深度砂质海底小于30 m,泥质海底可达100 两者存正在庞大的差别。3.2 噪声 处于系统带宽范畴内的声源信号都可能 串入形成干扰信号图像,包罗低频船只机械噪声和 噪声等。乐音正在浅地层剖面记实上可能城市或 多或少地显示出来,降低勘测数据质量,以至对判 读、解译成果发生严沉的影响。因而,准确地识别, 以至消弭噪声的影响是十分主要的。 3.3 船只摆动 为获得具有优良结果的浅地层剖面探测数据 材料,查询拜访船走航过程中应尽量连结均速慢速不变 行驶,船速和航向不不变形成船只扭捏,使拖鱼不 能连结平稳形态,形成图像结果欠安。同时,涌浪 等:浅地层剖面探测综述347 也可使船只扭捏,以致拖鱼不不变。 其他影响要素还包罗海气界面,海气界面能将 发射声能几乎全数反射,几乎无发射声波触及目 标。若是采用船尾拖曳换能器,船的尾流对地层反 射信号也能发生干扰,施测过程中该当使换能器尽 量避开船的尾流区,凡是采纳使换能器入水深度加 深,或者加长拖缆的方式。别的,海水深度、潮汐 感化及海底崎岖均对浅地层剖面探测有着间接的 影响。 次要声学剖面类型及其特征4.1 声学地层层序图像 浅地层剖面丈量所获取的声学记实剖面是地 质剖面实正在反映。声地层层序是堆积层序正在浅地层 声学记实剖面上的反映(图2)。按照反射波的振幅、 频次、相位、持续性和波组组合关系等,界定声阻 抗界面,进而划分声学反射界面。 典型地层剖面声图Fig. Typicalsub-bottom profile 声学地层层序本色是地层界面间声波差 异的反映。浅地层剖面的地质解译,是按照堆积物 的岩性变化、堆积物密度、堆积层构制、层面特征 以及堆积层延长取错断等进行解译。 4.2 多次反射图像 凡波存正在差别的界面上都能发生波的反 射。正在有多个波界面时,波正在某个界面反射后 可能正在另一个界面又进行一次以上的反射再前往 海面,这种现象称为多次反射(图3)。凡是,多次 反射波也是一种干扰,若是把它们做为一次反射波 注释,会得犯错误的地质结论,例如强调堆积层厚 度,混合地层接触关系。凡是来讲,不整合面、基 岩面和玄武岩面等强反射界面庞易发生多次波。识 别多次波的方式良多,最好操纵钻孔材料、区域地 质材料或取其他物探对比。 4.3 干扰图像 干扰图像次要可包罗中转波干扰和侧向发散 干扰。中转声波干扰因为换能器基阵90标的目的的灵 敏度较高,换能器发射声波会有一部门向程度标的目的 射出,该部门声波间接被领受换能器领受,构成曲 达波记实。当收、发换能器间距小于测区水深的 倍时,中转波被反映正在海底线之上端,呈现细而平均的线条取零位线平行,可呈现多条平行线。侧向 发射干扰是因为发射换能器具有较大波束角,当船 近岸壁、突起暗礁时会有反射面构成侧向反射干扰 图像(图4)。 典型二次反射图像声图Fig.3 Typical twice-reflection sound-picture 348 典型干扰图像声图Fig. Typicalinterference sound-picture 此外,次要声学剖面类型还包罗水体图像,指 浅地层剖面仪记实到的发射线至海底之间的图像。 剖面声图特征及其地层学注释浅地层剖面声图反映海平面变化,正在冲积平原 或近岸中反映堆积的变化过程。剖面声图 的层理是指剖面声图显示具有必然灰度的点状、块 状和线状图形构成的图像,反映分歧性质的海底浅 部地层特征 5.1简单层理 简单层理包罗平行层理和发散层理。平行简单 层理为点状和线),次要反映了地壳平 稳、平均分歧沉降,表白正在低能量堆积中的细 颗粒堆积物。发散型堆积层布局次要反映了相对稳 定或不变下沉的架、盆地充填等的匀速堆积环 境。发散布局则意味着堆积速度上有侧向变化或沉 积概况的逐渐倾斜。简单层理常构成于海平面上升 后的浅海中,多为细粒堆积物的堆积层。平行 层理次要正在海平面上升后浅海环流感化下构成,同 时也表白堆积层构成多是粘土或者粉、细砂。 典型简单层理声图Fig. Typical sound-picture 5.2 复杂层理特征 复杂层理可进一步细分为复杂斜层理、S 杂层理和芜杂层理等3品种型。此中复杂斜层理是 由点状、线状和点线状图形构成的不服行倾斜状图 形,凡是暗示河道、河道三角洲或者近岸平原等沉 积(图6)。S 型复杂层来由S 型的线状或块状 图形组合而成的图像,凡是暗示三角洲及浅海环 境,堆积物粒度从细到粗的堆积序列。芜杂层理是 等:浅地层剖面探测综述349 由不持续、不整合的点状或线状图形组合的图像, 暗示高能量堆积,它反映各类分歧的堆积速 率,或者堆积后基底,崩积后残、堆积等堆积 过程。 点、线状平行或微倾斜图像表白河道众多平原 或河道决口扇,构成粗、细粒稠浊的堆积层。点、 线状斜交的倾斜层理图像显示了正在该层构成河流, 正在河流中粗粒堆积物的交织层理。点、线状芜杂层 理图像表白该堆积层是粗粒的堆积物,堆积物可能 残积或崩积构成堆积层,该层顶部被认为是正在低海 平面期间构成的地概况。 浅部地层中发育的碟状凹地和扰动体(莱州湾)Fig. Erodedchannel sub-bottomprofile(Laizhou bay) 5.3 无声反射带 无声反射带就是声图中不存正在具有必然灰度 的点状、块状和线状图形,而几乎是一片空白带或 干扰图像(图7)。点状图形无序组合图像表白该层 是声波屏障带,也可称无声反射带或称无声信号 带,一般认为是该堆积物中含有气体或泥炭层,该 层中高分辩率的高频信号衰减得最快,或者说声波 信号被较快接收掉,因而,声波正在该层穿透深度很 小。发生无声反射带的缘由是堆积物中有天然气或 泥炭层或者为均一的粉细砂层 。别的,因为含气堆积物对声能量的屏障感化,有时剖面上正在反映含 气堆积物的芜杂反射下也会呈现无反射区。 No-noisereflection sub-bottomprofile Huangheestuary(by Zhangcun Yan,2007) 浅地层剖面勘测是一种基于水声学道理的持续走航式探测水下浅部地层布局和构制的地球物 理方式 [10,11] 。操纵浅地层剖面仪能够无效获得海底 以下的浅部地层布局和构制,并可阐发出海底以下 存正在的灾祸地质要素如埋藏古河流、浅层气、浅部 断层、薄弱虚弱地层和浅部基岩等。近年来,虽然浅地 350 层勘测手艺取得长脚前进,但因为勘测过程受诸多要素的影响及其具有的多解性特征,浅地层剖面施 测应尽量取钻孔相共同,取得优良的勘测结果。因 此,领会浅地层剖面勘测的影响要素,声学剖面类 型及其地质注释,并正在人工判读过程中尽可能消弭 要素的影响,瞄准确和精确地识别海底情况是 很是成心义的。 参考文献: 海洋工程,1995, 13(2): 71-74. SES–96参量阵测深/浅地层剖面仪的特点及其使用 中国港湾扶植,2001, 工程地球物理学报,2007, Chirp手艺及其正在海底浅层勘察中的 使用 海洋手艺,2006, 25(2): 10-14. 采用奇特低电压手艺的新型浅地层剖面仪C-Boom 海岸工程,2005, 24(3): 72-77. 魏恒源.浅地层剖面仪正在水域工程勘测中的使用 华南地动,1996, 16(4): 73-79. 物探化探计较手艺,2002, 24(3): 215-219. 王,陈开远. 地动地层学注释根本 中国地质大学出书社, 1988: 5-63. 潘国富.浅层地动声学剖面的声地层学注释 海洋地质取第四纪地质, 1991, 11(1): 93-104. [10] 浅地层剖面仪正在管线铺设由查询拜访中的使用 水道口岸,2007, 28(2): 133-135. [11] 海洋地球物理探测手艺及其正在近海工程中的使用 海洋科学进展河,2005, 23(3): 374-384.

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