2021, Vol. 45
文章信息
- 杨国明, 朱俊江, 赵冬冬, 熊梓翔, 王长盛, 欧小林, 贾永刚, 李三忠. 2021.
- YANG Guo-ming, ZHU Jun-jiang, ZHAO Dong-dong, XIONG Zi-xiang, WANG Chang-sheng, OU Xiao-lin, JIA Yong-gang, LI San-zhong. 2021.
- 浅地层剖面探测技术及应用
- Development and application of sub-bottom profiler technologies
- 海洋科学, 45(6): 147-162
- Marina Sciences, 45(6): 147-162.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20201030001
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文章历史
- 收稿日期：2020-10-30
- 修回日期：2020-12-01
2. 青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室, 山东 青岛 266100;
3. 中国冶金地质总局青岛地质勘察院, 山东 青岛 266109;
4. 中国海洋大学山东省海洋环境地质工程重点实验室, 青岛 266100;
5. 青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋地质过程和环境功能实验室, 青岛 266237
2. Laboratory for Marine Mineral Resources, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266100, China;
3. Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Environment and Geological Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266109, China;
4. Laboratory for Marine Geology, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology(Qingdao), Qingdao 266100, China;
5. Qingdao Geological Exploration Institute, China Metallurgical Geology Bureau, Qingdao 266237, China
浅地层剖面仪(sub-bottom profiler)又称为沉积物回声探测仪(sediment-penetrating echosounder)[1], 基于声学原理进行连续走航探测, 可以高效获取高分辨率的水下浅部地层结构、构造、底质等多方面信息, 在海洋地质研究和海洋工程应用中发挥着重要作用[2-5]。
国内外学者使用不同类型浅地层剖面仪, 开展了广泛的应用, Vardy等[6]利用TOPAS和3D Chrip两种浅剖对海底滑坡进行了研究, Francky等[7]利用Knudsen 3.5 kHz浅剖进行地质灾害调查, Alevizos等[8]通过SES-2000型浅剖对海底底质进行调查, Mestdagh等[9]利用SIG电火花浅地层剖面探测结合IODP339航次中的钻井资料分析了加的斯湾(Cadiz)的地层层序特征。在国内, 曹金亮等[10]使用国产DTA-6000浅剖开展海底富钴结壳研究, 宋永东等[11]使用SES-2000进行海底管线探测, 刘世昊等[12]使用CSP2200布默震源浅剖研究了渤海湾第四纪地层分层。
虽然浅地层剖面技术在国内外得到大量应用, 但是前人都未对不同类型浅剖应用成果进行综合对比分析, 亦未阐述如何根据探测目标合理选择不同浅剖系统。本文针对以上问题, 收集和整理了常见浅地层剖面系统的性能参数和工作方式, 通过分析典型案例, 对比不同类型浅地层剖面系统的实际应用效果, 特别是在地层分辨率、穿透能力等方面的差异, 以及针对不同探测目标, 最终为选取最恰当的浅地层剖面探测系统提供科学参考和理论指导。
1 浅地层剖面探测技术海洋声学探测的研究可以追溯到很早, 德国科考船“流星号”和“埃迪·斯蒂芬号”1925年首次使用回声测深技术, 最早发现了大西洋洋中脊。20世纪40年代, 浅地层剖面仪原型出现, 60年代, 第一套电火花震源诞生, 同时声参量阵理论也开始发展, 随后浅地层剖面探测技术得到快速发展和应用[13-14]。1965年, 在夏威夷岛南部海域, Heath利用浅地层剖面技术获得了沉积物厚度特征[15]。随着调频声脉冲、声参量阵、脉冲等离子体等技术的应用, 探测能力不断提升, 数据采集与处理能力不断加强, 浅地层剖面探测技术逐渐成为海洋地球物理探测的最常用手段之一, 20世纪90年代已经开展了小范围的三维浅地层探测工作和研究[16-23]。目前, 常见的浅地层剖面仪多来自国外, 型号众多, 可选择范围大。国产浅地层剖面仪较少, 近年来在实际应用中也取得了不错的成果[10], 但是全海深浅地层剖面探测技术比较落后, 三维探测技术几乎空白, 与国外相比, 国内在技术与产能上都存在一定差距。
浅地层剖面探测技术与回声测深技术和海上地震勘探技术有着密切联系, 三者都是利用反射波进行探测, 其工作原理、系统组成等相近。浅地层剖面探测技术所用的声波频率低于回声测深, 高于地震探测, 所以能够穿透海底浅部沉积层, 获得高分辨率的海底底质与地层信息[4, 24-25]。
1.1 工作原理浅地层剖面技术利用声波在不同介质中传播性质不同, 不同介质界面处(声阻抗界面)会发生反射与透射, 透射波在下一个界面处继续产生反射波与透射波, 通过分析接收记录的反射波返回时间、振幅、频率等信息, 获得声波有效穿透地层的特征与性质(图 1), 通常使用的声波频率在几百Hz到几十千Hz之间, 声波频率越高地层垂直分辨率越高, 但同条件下的穿透深度越小。声波的传播速度、能量衰减特征都与其所经过的介质性质相关, 通过反演方法分析反射波的走时、振幅、频率等信息可以得到多层介质的厚度、类型等特征[3-5, 24]。振幅大小表示反射波能量强弱, 界面的反射系数决定反射声波的振幅, 以两层水平介质为例:
| $ A_{\mathrm{r}}=R \times A_{\mathrm{i}}, $ | (1) |
| $ R=\frac{\rho_{2} v_{2}-\rho_{1} v_{1}}{\rho_{2} v_{2}+\rho_{1} v_{1}}, $ | (2) |
 |
| 图 1 不同浅地层剖面探测系统的组成与工作方式 Fig. 1 Composition and deployment of different sub-bottom profiler systems |
式(1)中Ar为反射波振幅, Ai为入射波振幅, R为反射系数, 式(2)中ρ1、v1、ρ2、v2分别为上层介质和下层介质的平均密度和声波传播速度, 平均密度与声波传播速度乘积为介质的声阻抗。在浅地层剖面图像中通常以灰度表示反射界面的强弱, 由(1)(2)两式可知相邻介质声阻抗差值越大, 反射系数R的绝对值越大, 反射波能量越强, 在浅剖图像中灰度越强, 也越容易识别。
不同类型震源产生的声波性质差异较大, 压电换能器震源利用压电效应将电能转换为机械振动, 具有声波稳定、可操控性强等特点, 声波通过相位叠加形成良好的指向性, 电磁脉冲震源利用电磁感应使金属片发生连续脉冲震动, 电火花震源则是通过高压放电气化海水产生爆炸声波, 声波能量高, 可穿透几百米地层, 参量阵震源则是向水体发射频率相近的两个高频声波(F1, F2), 利用差频原理, 产生F1+F2, F1–F2等多频率声波, 充分利用低频与高频声波综合分析达到较好的探测效果, 在一定程度上缓解了穿透深度与分辨率之间的矛盾[23-27]。多种海洋地球物理探测设备从根本上是对不同频率段声波的应用, 并且不同探测结果能够起到良好的相互验证与补充作用, 在实际应用中多设备同时探测易产生干扰且操作难度较大, 若能开发一种所有频率段集中于单一观测系统的技术, 可以大大提高探测效率与探测精度[28]。
1.2 典型浅地层剖面系统组成浅地层剖面探测系统主要由震源系统、接收系统、记录与控制系统和辅助系统四部分组成(图 1)。
震源系统即声波的产生装置, 根据产生声波的方式不同可以将其分为参量阵震源、压电换能器震源、电磁式震源、电火花震源等。气枪、炸药等震源多用于地震勘探。电火花震源也常用于单道地震探测之中, 单道地震探测与浅地层剖面探测之间并没有明确的界线, 二者相比, 单道地震探测穿透深度可达几千米, 分辨率一般为米级, 浅地层剖面探测穿透深度一般为几十米到几百米, 分辨率可达几厘米到几十厘米。不同类型、不同规模的震源存在形态、结构、工作方式等方面的差异(图 1)。
接收系统是将声波信号转换为电信号的系统, 又称为水听器, 由密封在油缆里按照一定规律排列的检波器组成, 其性质与检波器质量、排列和数量有关。接收系统有拖缆与固定接收模块两种, 内置检波器的拖缆, 拖缆数量、长度根据需求不同存在差异, 将检波器按照一定规则排列的接收模块与震源位置相对固定, 便于操作与后续数据处理。
记录与控制系统一般是安装了相应软件的普通计算机或特殊处理器(图 1), 将震源系统、接收系统与辅助系统连接为一体, 记录震源系统产生的声波与返回的有效信号, 同时能够实时显示探测剖面结果。
辅助系统是进行导航定位、船体姿态记录、声速剖面测量等工作的一系列配套设备和相关软件。目前常见的导航定位系统有无线电指向标-差分全球定位系统(DGPS), 连续运行参考站(CORS), 全球星站差分系统等, Hypack是最常用的导航定位软件之一。姿态传感器能够记录波浪等引起的船体姿态变化, 为后期数据精细处理研究提供依据, 准确的声速测量有利于进行有效的剖面时深转换。
1.3 浅地层剖面仪分类本文收集和整理了50多种常见浅地层剖面仪的性能指标和参数(表 1)。目前浅地层剖面仪型号众多, 分类方式不统一, 存在按震源类型、工作水深、工作方式等分类方法。按照仪器工作水深分类, 可以分为浅地层剖面仪、中地层剖面仪与中深地层剖面仪。按照工作方式分类, 可以分为船载型、拖曳型, 其中船载型又可以分为船体安装、船侧悬挂两种类型, 拖曳型又能分出尾拖与侧拖, 拖体可以是拖鱼、震源、ROV/AUV等。按震源类型把常见浅地层剖面仪分为压电换能器、电磁式、电火花和参量阵四种类型, 在一定程度上不同震源类型的工作环境、工作方式与探测效果相对固定[25, 29]。由表 1可见每种震源类型都有多种型号, 部分厂家开发了从浅水到深水工作的完整系列, 甚至深拖型、可搭载于ROV/AUV等平台的特殊型号。
| 震源类型 | 主要生产商 | 型号/系列 | 最大工作水深/m | 穿透能力/m砂/泥 | 垂直分辨率/cm | 备注 |
| 压电换能器 | 中国科学院声学研究所 | GPY 2000 | 200 | 100 | 10~30 | 适用于浅水工作 |
| DTA-6000 | 6 000 | 80 | 20 | 我国第一套声学深拖、集合浅地层剖面与侧扫声呐 | ||
| 中国船舶第七一五研究所 | DDT 0116/0216 | 6 000 | 50 | 8~16 | 拖曳式工作有浅水型与深水型 | |
| 挪威 Kongsberg | GeoPulse | 1 000 | 30/80 | 6~25 | 拖曳式工作, 分辨率高, 穿透能力较强。 | |
| GeoChrip 3D | — | 6/80 | 6 | |||
| GeoChripⅡ | 3 000 | 100 | 6 | |||
| 美国 EdgeTech | 2000 SERIES CSS/DSS/TVD | 3 000 | 20/200 | 6~25 | 拥有多型号拖鱼, 更好的适应中浅水工作 | |
| 3100/3200/3300 | 5 000 | 20/200 | 4~25 | |||
| 美国 SyQwest | StrataBox | 800 | 100 | 6~15 | 便携、易操作、高分辨率 | |
| Bathy-2010/P/DW | 12 000 | 300 | 6 | 高分辨率, 高穿透 | ||
| 德国 General Acoustics | Subpro 2545 | — | — | — | 主要用于浅水、超浅水区域 | |
| 英国 STR | STR digital | — | — | — | 输出功率大, 可调频率范围广 | |
| 德国 Teledyne (ATLAS) | Chrip Ⅲ | 600 | 80 | — | 对国内停售 | |
| 电磁式 | 英国 C-Products | C-Boomer | 100 | 80 | 20 | 低电压、高穿透、体积小、易操作, 适合浅水区探测 |
| 荷兰 GEO Resources | GEO Boomer | 300 | 150 | 10 | 较高分辨率、高穿透能力 | |
| 英国 AAE | AA251/301 | — | — | — | 可搭配不同规格CSP能量箱 | |
| S-Boomer | — | — | — | |||
| 电火花 | 英国 AAE | Dura/Delta-Sparker | — | — | — | 可搭配不同规格CSP能量箱 |
| DTS-500 Deep Tow | 2 000 | — | 15~25 | 深拖式电火花震源 | ||
| 荷兰 Geo Resources | GEO Spark | 5 000 | 300~1 000 | 20~30 | 根据目标选择GEO SOURCE 200/400/ 800/1600 | |
| 法国 S.I.G. | SIG Pulse S1/M2/L5 | 11 000 | 900 | 35 | S1/M2/L5应用于不同水深, 高穿透, 分辨率略低 | |
| 参量阵 | 德国Innomar | SES-2000/96 | 11 000 | 200 | 15 | 从浅水到深水, 多型号齐全 |
| 德国 Teledyne | ParaSound P70/P35 | 11 000 | 200 | 15 | 国内多艘科考船安装, 仪器性能良好 | |
| 挪威 Kongsberg | TOPAS PS 18/40/120 | 11 000 | 200 | 15 | 国内多艘科考船安装, 仪器性能良好 | |
| SBP 27/29 | 11 000 | 200 | 30 | EM122/124的扩展 | ||
| 法国 Ixblue | ECHOES 1500/3500/5000/10000 | 11 000 | 400 | 8~40 | 多个压电换能器探头组合, 体积小, 易安装 |
压电换能器震源利用不同矿物晶体的压电效应产生声波, 有固定频率和线性调频(chrip)两种, 具有较高的分辨率, 但是穿透能力较弱。一般压电换能器浅剖适用于中浅水海域探测, 通过深拖或搭载ROV/AUV等工作平台也能应用于深海探测, 主要的国外生产厂家有Kongsberg、Edgetech、Teledyne、Ixblue、SyQwest等, 国内主要由中国科学院声学研究所、中国船舶第七一五研究所等单位研发与生产。
电磁式震源利用电磁效应使金属板产生位移从而产生声波, 分辨率与穿透深度适中。传统电磁式震源设备笨重、输出电压高, 英国C-Products公司的C-Boom(表 1)采用独特低电压技术(LVB), 设备便携、操作简单, 非常适合浅水区域探测。
参量阵震源利用差频原理, 通过高频率声波产生一系列二次频率。通常便携式参量阵浅地层剖面仪在浅水区工作, 体积较小, 拖曳或船侧悬挂进行工作, 操作简单, 即装即用, 以德国Innomar公司的SES-2000系列为代表(表 1)。船体安装参量阵震源浅地层剖面系统适用于全海深探测, 使用方便、工作效率高、探测数据质量好, 是国内外远洋科考船的必备声学探测设备之一[30-31], “东方红3”、“科学号”科考船安装了TOPAS PS18(表 1)[32]。
电火花震源浅地层剖面仪有多种型号, 通过电极间放电气化海水产生大能量声波, 穿透深度大, 分辨率略有下降, 立体电火花震源能够增加信号频带宽, 一定程度上提高地层穿透能力与地层分辨率, 主要生产厂家有AAE、Geo Resources、SIG等(表 1)。
1.4 工作流程与数据处理浅地层剖面探测工作可以分为准备工作、现场勘测、室内分析和成果输出四部分(图 2)。准备工作最重要的是要根据探测目标、区域地质背景等资料, 设计合理的工作方案, 保证能够达到探测目标的基础上, 提高分辨率。现场勘测时浅地层剖面探测系统可以通过计算机实时显示初步的探测结果, 提高海上作业的效率。浅地层剖面探测的采集、处理软件较多, 如SonarWiz、GeoSurvey、SESWIN等, 三维浅地层剖面数据常用PROMAXTM等地震软件进行处理[33-34], 利用ArcGis的3D分析功能模块可以对浅剖数据进行三维模型构建[35]。不同仪器采集的数据存储、编码有多种格式, 如SEG-Y, XTF, JSF, COD, SES, RAW, ODC, KEB等, 其中SEG-Y为标准格式。海上采集数据通常会受到波浪、不同类型的噪音等多种因素的制约[29], 导致探测结果分辨率与信噪比降低, 同相轴连续性差[36]。数据精细化处理与解释具有非常重要的意义, 关键是去噪和提高信噪比与分辨率[37]。
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| 图 2 浅地层剖面探测系统工作流程图 Fig. 2 Flowchart of the sub-bottom profiler system |
常规的浅地层剖面数据处理通常包括环境因素与坐标位置校正、信号处理、地层解释与数字化等内容, 其中信号处理一般进行声速校正、增益控制、简单的滤波处理等(图 2)。在实际应用中这种简单处理往往无法达到最好的成像效果, 需要做进一步精细处理。数据的精细化处理通常包括多种参数校正、噪音去除、信号增强、多次波压制、预测反褶积等操作(图 2)[36-38], 常规小型软件不具备精细处理功能, 通常需要借助大型地震处理软件或通过编写相应的处理程序来进行个性化处理, 这无疑增加了处理难度与门槛。人工对浅地层剖面数据精细化处理与地层划分效率较低, 近年来数据自动精细处理方法研究越来越多[39-41], 能够大大提高资料处理效率。通过反演方法, 使用Schock-Stoll模型、Gardner经验公式等可以反演海底浅表层速度、密度、孔隙度等物理性质参数[8, 42]。
浅地层剖面探测的分辨率为厘米级, 对海底地形的变化非常敏感, 而浅地层剖面探测设备对海底地形的探测能力较弱, 误差较大, 在海底坡度较大时会出现无法找到海底的情况, 导致成像时会因地形误差引起图像模糊(图 3a), 甚至出现海底错断, 数据不连续现象。将浅地层剖面探测与测深两种调查方法相结合, 利用多波束测深获得的地形数据对浅地层剖面进行海底归为校正, 将校正后的数据按同样的方法处理成像(图 3b), 结果显示该方法对成像效果影响显著, 极大提高了地层可识辨度[43]。
浅地层剖面探测技术主要应用于海底浅部地层信息探测和海底特殊目标调查, 可以直观展示出海底浅部的地层结构与构造, 通过计算与处理可以反演地层岩性、孔隙度、含气性等信息, 广泛应用于海底底质调查研究和海洋工程探测等领域。在浅埋物体调查中浅地层剖面探测技术最大优势是能够高效探测海底面以下掩埋物体的形态、埋深等特征, 在水下特殊环境、水下文物、海底管线等调查中广泛应用。不同类型的浅地层剖面探测设备探测能力差异较大, 设备的选择对于探测目标的实现至关重要, 本文通过对比分析不同类型浅地层剖面系统的实际应用案例, 重点强调不同震源类型浅剖系统的特点和使用优势。
2.1 浅部地层信息探测具有高分辨率与深穿透的浅地层剖面有利于准确的地层划分与解释, 然而分辨率与穿透深度无法同时提高。在设计探测方案时就需要考虑折中方案, 在能够探测到目标深度的条件下, 尽可能增大探测分辨率, 这也就需要选择合适的浅地层剖面探测系统, 在保证探测结果有效性的前提下降低工作难度, 提高工作效率。
2.1.1 压电换能器型与电磁式浅剖的应用2014—2015年美国地质调查局在德尔马瓦半岛搭载斯嘉丽伊莎贝拉船, 使用S-Boom和SB-0512i两套浅地层剖面探测设备进行了近岸调查[44]。S-Boom在本次工作中功率为200~400 W, 使用道间距3.125 m的16道水听器接收信号。SB-0512i拖鱼的工作频率为0.5~12 kHz。S-Boom为震源获得的浅地层剖面探测结果(图 4a), 有效穿透深度约60 m, 地层结构清晰。SB-0512i获得的浅地层剖面探测结果(图 4b), 穿透深度略小, 但能够展示更加精细的浅部地层结构。对电磁式布默震源与线性调频震源在相同位置的浅地层探测剖面(图 4a, b)进行对比, 可以发现整体上两种方法获得的探测结果具有良好一致性, 但在线性调频震源探测剖面(图 4b)中能够识别更多的浅部地层结构特征。
压电换能器震源浅地层剖面仪, 具有很高的分辨率, 但是穿透能力较弱, 能够更清晰地展示出最浅部的地层结构, 进行更准确的进行地层划分。电磁式震源浅地层剖面仪声波稳定, 分辨率较高, 穿透能力适中。两种震源一般用于中浅水的探测, 压电换能器震源也可以搭载于深拖、AUV、ROV等深海工作平台进行工作, 获得深水区精细探测资料。
2.1.2 电火花型浅剖的应用2011年贝尔吉卡号(Belgica)在坎塔布连海[Cantabrian Sea(Le Danois bank)]使用SIG电火花震源进行海底峡谷探测[45], 频率约800 Hz, 2.5 s/ping, 穿透深度可达500 ms约350 m, 分辨率约为1.5 m。电火花震源探测剖面(图 5)清晰地展示了峡谷内的沉积物分布形态和泥沙运移情况, 能够清晰识别由泥沙运移形成的结构、底部的不整合界面与块体搬运沉积体系。
前期电火花震源的子波重复性差、充电效率低、性能不稳定导致其应用较少[46], 近年来随着技术的革新, 电火花震源日渐成熟, 不同电火花震源系统的探测能力差异较大, 传统电火花震源激发的衰减震荡脉冲, 脉冲时间长达1×10–3s、分辨率较低, 等离子体震源激发的脉冲为单脉冲, 脉冲时间约0.2×10–3s、带宽更大、能量传输效率高、分辨率较高[23, 47], 立体震源也拓宽了地层剖面资料的频带, 有效压制了随机噪音、鬼波、多次波, 能够获得更强的穿透能力和更高的分辨率[38]。目前的大功率电火花震源已经可以进行全海深探测工作, 地层穿透深度可达几百米, 其分辨率会有所下降, 从几十厘米到几米, 受到探测环境、所选用的电火花的能力、频率与接收系统等多方面因素影响。
2.1.3 参量阵型浅剖的应用浅层气泛指赋存于海底浅部的气体, 分布范围广, 声波难以穿透, 对天然气水合物的探测具有重要意义, 在浅地层剖面探测结果中通常表现为浊反射、帘式反射、毯式反射、增强反射等[48]。2014年, Jordan等利用SES-2000浅地层剖面仪, 频率为2.5 kHz, 采集了爱尔兰西南海岸处的浅剖数据, 综合分析该地区浅层气、麻坑等现象及成因(图 6)[49]。浅层气存在的区域地层松散, 容易发生局部塌陷, 形成麻坑等地貌[50], 可以通过浅部海底含气带特征, 推测深部天然气水合物分布、分解、泄露等情况[51-52]。该地区的声空白带位于海底面以下4~10 m, 上部出现强反射界面, VC24与VC25分别为两根长约6 m的柱状样, 其中VC24穿过了声空白带(图 6), Jordan对所取样本进行了甲烷浓度测试, 发现VC24甲烷浓度由上到下增加, 在强反射界面附近达到最大值, VC25甲烷浓度变化较小且柱状样下部甲烷浓度显著低于VC24[49]。
TOPAS PS18声参量阵浅地层剖面探测, 穿透深度可达100 m, 分辨率约30 cm。由图 7中显示的埋藏通道位于多格滩的东北部, 侵蚀特征明显, 宽3 000 m深12 m, 是北海湖泄流的突破点, 可以分为上下两部分, 通过模拟计算流速、流量变化, 得出北海湖的泄洪时间与湖泊容量等信息, 侵蚀面上发育沙波、沙丘, 下部为冰积物或侵蚀残留物, 声波难以穿透[53]。
参量阵震源实质上是通过将多个压电换能器按照一定规律进行组合, 再通过相应的控制系统控制每个换能器发出的声波, 利用差频原理, 使两个频率接近的高频声波产生一系列二次频率声波, 既有高频部分, 又有低频部分, 高频声波可用以获得更多水体信息(图 8a), 低频声波具有较好的穿透能力, 可以有效获取浅地层剖面(图 8b)。TOPAS参量阵浅剖系统可以发射Ricker波、CW波、Chrip波等多种波形, 能够更好的根据水深、底质等探测环境变化满足不同的分辨率与穿透需求。便携式参量阵浅地层剖面探测设备, 分辨率高, 但是受到设备规模限制, 换能器数量少, 能量低, 导致地层穿透能力差, 适合用于浮泥、淤泥、松软沉积物等探测。船载型参量阵浅地层剖面探测设备具有波束角小、分辨率高、穿透能力强、声波种类多等特点, 在海底探测中广泛应用, 可以与船载多波束结合使用, 直接利用多波束探测的海底地形进行海底归位校正。
针对海底特殊目标调查, 主要应用分辨率更高的压电换能器型与参量阵型浅地层剖面系统, 这两种类型能够有效穿透海底浅层沉积物, 发现埋藏于海底面以下的特殊目标, 在海底气体泄露探测、海底管线探测、水下文物调查等领域中具有良好的应用效果。
单晨晨等[54]利用ATLAS P70参量阵深水型浅地层剖面系统在印度洋北部的马克兰增生楔发现了典型的羽状流, 是沉积层赋存天然气水合物的重要证据之一。船载参量阵型浅地层剖面探测设备高频与低频声波在海底气体泄露状况探测中能够得到充分的利用, 通过20 kHz的高频部分可以显示出羽状流在水体中的形态特征(图 8a), 4 kHz的低频部分穿透能力更强, 获得了羽状流逸出位置清晰的浅部地层特征, 揭示该区域发育大量流体渗漏的管状通道(图 8b)。船载参量阵浅地层剖面探测可以直接获取流体逸出的位置、形态、规模等特征, 同时获得流体逸出位置的浅部地层剖面特征。
在管线探测工作中, 高分辨率的压电换能器型和参量阵型浅地层剖面仪具有良好的应用效果, 无论管线是否有掩埋、悬空等现象, 都能清晰地探测出管线的平面位置和埋藏深度。在管线探测中增大生比波束角、增强绕射弧, 利用管线产生的绕射弧来确定管线位置、埋深或悬跨(图 9a)[10, 55-56]。2008年, Tian等用频率为3.5 kHz, 脉冲时间4×10–4 s, 波束角为50°的浅地层剖面仪(Klein Model 532S-101)与侧扫声呐结合的拖鱼进行管线调查, 结果显示管线外径0.2 m, 浅埋于海底面以下0.5 m(图 9a)[56]。
浅地层剖面探测技术也可进行大范围水下文物调查与研究[17, 57], 与传统的水下文物探测方法(水下拖网和潜水法)相比, 浅地层剖面探测法具有探测深度大、作业效率高、对文物无损害等优势[58]。高分辨率的压电换能器型浅地层剖面仪能够更精细地展示水下文物的位置、形态等特征。2009年, Plets等在汉布尔(Hamble)河使用3D-Chrip浅地层剖面仪(图 9b; 表 2)进行三维高分辨率浅地层剖面探测[16], 图 9b为探测结果的截面图, 分辨率高达7 cm, 图中的矩形反射特征展示出船舶的桅座。近年来浅地层剖面仪在国内水下文物探测工作中也得以应用, 取得了丰富的成果[57-59]。
| 名称 | 震源类型和频率范围 | 接收 | 分辨率 | 目标区域 |
| 3D CHRIP | 压电换能器(调频) | 11条电缆, 25 cm | < 10 cm | 100 s×100 s·m2 |
| 1.5~13 kHz | 6道, 25 cm | 10 s·m | ||
| SEANAP 3D | 电磁式(布默) | 8条电缆, 50 cm | 10 cm | 100 s×100 s·m2 |
| 4.5 kHz | 4道, 50 cm | 10 s·m | ||
| OPU3D | 电磁式(布默) | 8条电缆, 2 m | 20 cm | 100 s×100 s·m2 |
| 2 kHz | 2道, 2 m | 10 s·m | ||
| VHR 3D | 电火花 | 4条电缆, 4 m | 75 cm | 几平方千米 |
| 500 Hz | 6道, 2 m | 10 s·m |
三维浅地层剖面探测能够更精细、更直观的展示出探测区域的三维特征, 从20世纪末国外研究者就已经将三维浅地层剖面探测技术应用于冰川沉积物、浅埋沉船等研究[6, 18-19, 60], 经过长时间的发展, 国外三维浅地层剖面探测技术较为成熟, 研制出3D Chrip、Seanap 3D、VHR 3D等众多三维浅地层剖面设备(表 2), 并应用于实际探测工作中[6, 61-62]。国内的三维浅地层剖面探测技术发展滞后, 与国外差距大, 没有成型的国产三维浅地层剖面仪。目前获取三维浅地层剖面的主要方法包括利用水听器阵采集三维探测数据[6, 15, 17, 33, 63]和把二维数据通过计算处理得到三维数据两种方法[34, 64], 主要差异为网格大小与形成方式, 前者可以生成分米甚至厘米级网格, 得到较为精细的三维图像, 后者受测线密度限制网格较大。通过水听器阵采集三维探测数据分辨率和探测精度更高, 但是相应的探测成本也更高, 探测目标区域更小, 加大测线密度, 通过算法得到三维数据体的方法分辨率与探测精度下降, 网格大小与测线间距相关, 能够进行较大范围三维探测。
三维浅地层剖面探测系统分辨率和探测精度与震源类型也关系密切, 从压电换能器到电磁式再到电火花震源, 声波频率、分辨率和探测精度逐渐降低, 目标区域则能有所增加(表 2)。与其他三维反射地震探测系统相比, 3D-Chrip浅地层剖面仪震源与水听器阵固定(图 10), 解决了震源与水听器相对位置不确定带来的问题。2012年, Vardy等利用3D-Chrip对1996年挪威发生海底滑坡的区域进行了详细探测, 获取了950 m×140 m三维数据体, 清晰显示出海底滑坡的三维结构特征[6]。
2016年, Kim等在韩国东部郁陵海盆图中进行浅地层剖面探测, 目标区域大小为1 km×1 km, 水深约2 165 m, 利用船载SyQwest Bathy2010震源, 测线间距约为20 m, 船速约5节, 每次脉冲间隔8 s, 工作频率为4 kHz(2 750~6 750 Hz), 由60个水听器组成的4个接收阵采集数据, 所得结果垂向分辨率可达10 cm, 通过移动平均法设置不同的网格进行计算, 最终获得区域三维数据体(图 11a, b)[34], 清晰展示出断层在三维空间中的形态特征。与二维探测相比, 三维浅地层剖面探测能够更直观地展示探测区域的空间展布特征, 在浅部精细结构探测、水下文物调查、海洋工程等领域具有广阔的应用前景, 但受到探测效率低、数据处理困难等制约。
综合上述案例, 发现四种震源类型的浅地层剖面探测设备, 针对不同的工作环境与探测目标各有优势。普通压电换能器型、电磁式、便携参量阵型更适合进行浅水区高分辨率, 穿透深度要求不高的探测。压电换能器震源穿透深度浅, 垂直分辨率可达6 cm, 最有利于进行高分辨率的最浅部地层信息探测与浅埋藏物体形态调查。电磁式浅地层剖面仪只能应用于浅水海域探测, 穿透深度与分辨率适中, 适合进行较大范围的普查。便携参量阵型浅剖受规模限制, 声波能量较小, 穿透能力弱, 在浅水区浮泥、淤泥等调查中应用效果好, 增大波束角能够获取更大范围的海底特殊目标信号, 常应用于海底管线等探测。船载参量阵型浅剖能够全海深应用, 既能保证较高的分辨率, 同时具备较强的穿透能力, 在海洋科学考察中应用广泛。电火花震源能够产生大能量声波, 穿透深度可达上千米, 分辨率会有所下降, 在探测巨厚沉积物或海底底质难以穿透的情况下有独特的优势。不管哪种类型的浅剖, 其探测结果都只是一个区域的二维切面, 不能完整反映该区域的真实空间特征, 三维浅地层剖面探测能够展示探测区域的三维结构特征, 获取探测目标在空间中的展布信息。
3 总结与展望浅地层剖面探测是重要的海底探测技术之一, 在浅部地层信息探测、海底特殊目标调查等海洋地质研究与海洋工程方面广泛应用。本文通过对比4种震源类型的浅地层剖面设备在多种条件下的应用效果, 认为只有依据不同环境条件与不同探测目标选择合适的浅剖系统才能达到探测目标。浅水海域的探测中常使用便携式设备, 从压电换能器型、便携参量阵型到电磁式和电火花型, 其地层穿透能力逐渐增强, 分辨率逐渐降低。中深水环境下选用船载参量阵型和电火花型。科学考察船普遍安装参量阵型浅剖, 其具有工作效率高、探测数据质量高等优点, 在海洋探测中得到广泛应用, 既可以通过高频声波获取水体信息, 又可以获得浅地层剖面信息。电火花震源穿透能力强, 穿透深度可以达到几百米, 同时能保证亚米级到米级的分辨率。三维浅地层剖面探测能够更直观的展示探测目标在三维空间中的特征, 但是探测效率低、数据处理难度大。
未来浅地层剖面探测系统发展将向深穿透、高分辨率、高效率、二维向三维甚至高维探测发展。综合各种震源和探测技术的优势, 参量阵探测技术将会有更好的发展前景, 进一步提高参量阵原频信号到差频信号的转换效率, 利用多频率声信号从而获取更高质量的探测数据。为了大大提高工作效率与探测精度, 浅地层剖面探测技术也将与其他声学探测技术, 如多波束、侧扫声呐等设备集成。
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