声速预测方程在浅地层剖面资料处理中的应用

王方旗，亓发庆，姚菁，陶常飞，徐国强

（国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061）

声速预测方程在浅地层剖面资料处理中的应用

王方旗，亓发庆，姚菁，陶常飞，徐国强

（国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061）

海底沉积层的声速是浅地层剖面资料采集和处理的关键参数之一，通常的做法是将地层的声速设定为一个经验值，而实际上声速并非定值。通过对国内外主要沉积物声速预测方程的比较，利用卢博等建立的适用于中国东南近海的声速经验公式，在某人工岛构造调查中，根据地质钻孔获取的孔隙度参数计算各沉积层的平均声速，建立相应的声速结构剖面，应用于浅地层剖面资料的处理，取得较好的效果。用孔隙度预测声速的方法参数容易获取，能够提高浅地层剖面资料的解译精度，使地层的厚度更接近于实际，具有一定的实用意义。

沉积物声速预测方程；浅地层剖面；孔隙度；时深转换

浅地层剖面资料采集和处理时，一个关键的问题就是海底地层中声速的确定。浅地层剖面仪接收器记录的是地层声学界面反射信号的到达时间，如果地层中的声速不能准确确定，就无法准确获取各地层的真实厚度。通常的做法是根据历史调查资料将沉积物声速预设一个经验值，例如在辽东湾一般取1 600 m·s-1。由于海底地层实际结构的复杂性和不均匀性，声速并不是一个定值，这样的做法能够在采集资料时对地层结构有一定大致了解，但在资料解译时地层厚度会存在偏差，因此需要弄清海底沉积层的声速分布情况，对地层厚度进行校正。

海底沉积物的声速与其物理性质参数存在相关关系。自20世纪50年代以来，国内外在海底沉积物声学特性及物理性质方面的研究都取得了一些有意义的成果[1-9]，Hamilton、Anderson、周志愚和孟金生、Orsi和 Dunn、卢博等、唐永禄都建立了适用于不同海域沉积物的声速与孔隙度之间的经验公式。在海上进行石油平台井场或人工岛场址构造调查中，一般采取工程地质钻探和浅地层剖面探测相结合的方法，孔隙度是一个比较容易获取的参数。因此，用孔隙度来预测海底沉积层的声速用于浅地层剖面资料处理是一个可行的方法。

1 海底沉积物声速结构

海底沉积物是由沉积物固体颗粒与海水双相介质组成的，由于其孔隙度、含水量、密度、粒度、固体颗粒堆垒方式等的差异，可能形成海底高声速层或低声速层，Hamilton归纳了众多的沉积物模型，总结出两种较为常见的沉积物声速结构模型：高声速模型和低声速模型，并指出在深海大洋区域低声速沉积物普遍存在，而在大陆架上沉积物一般为高声速。卢博等通过对我国大量海底沉积物声学与物理性质的总结研究认为，在我国沿海大陆架区域上不只有这两种声速模式。并建立了3种主要的声速结构模式，代表了我国东南沿海浅海的沉积物声速结构的基本特征（图1）。

图 1 三种海底沉积物声速结构模型（据卢博）Fig. 1 Three seabed sediment sound velocity models (by LU Bo)

图1中，海水声速C0根据多年的统计数据确定在1 500 m·s-1。模式A：海底沉积物无明显的声学分层，声速随深度缓慢增加，整个沉积层声速Cp始终恒大于海水声速C0，在大陆架边缘残留沉积区域上大部分为这种情况。模式 B：海底沉积物存在明显的声学分层，在表层和下层沉积物声速Cp大于C0，在这两个层之间有一层或数层低声速夹层，在地质历史上曾多次遭受海侵海退事件的地区，海-陆相沉积物交替叠加沉积，就可能会出现这种情况。模式C：海底沉积物也有明显的声学分层，表层是低声速沉积层，经过一定的埋深之后声速随深度缓慢增加，沉积物声速Cp大于C0，在一些河口或溺谷型海湾中，海底的上覆地层接收了现代沉积物的缓慢沉积，加上咸淡水混合产生的絮凝沉积作用，形成一层饱和、松软的表层沉积物，这个表层就会成为低速层[6]。

这3种模型虽然没有给出海底沉积物准确的声速计算方程，但是对于建立详细的沉积层声速剖面具有重要的指导意义和参考价值。它表明了：1）海底沉积层中的声速并不是一个定值，声速结构非常复杂，各层之间差值可能会很大；2）海底固态松散沉积层中的声速可能会比液态海水中的声速还低；3）低声速沉积层不只在海底表面的浮泥中存在，还可能存在于某些高声速沉积物之间的夹层中。

2 建立声速剖面处理浅剖资料

根据卢博等的实测资料，在中国东南沿海大陆架海底沉积物最低值可至1 336 m·s-1，最高值可至1 885 m·s-1，跨度很大。在浅地层剖面资料处理时，如果预设沉积物声速为 1 600 m·s-1，那么 1 336、1 600、18 853个值在1 ms-1单程走时所对应的地层厚度分别为：1.3 m、1.6 m和1.9 m，可见它们之间的差别是相当大的，极大地影响了浅地层剖面资料的解译精度，因此有必要进行相应的校正。本文以辽东湾某人工岛场址构造调查资料为例进行地层厚度校正。

2.1 声速计算方程的选取

图 1中的沉积物声速结构模型满足不了浅地层剖面地层厚度校正的要求，而必须要确定出比较符合实际的各地层声速值。影响沉积物声速的因素有很多：密度、孔隙度、含水量、粒度、压力、温度、埋藏深度及地质年代等。国内外学者做了大量工作研究了世界大洋海底沉积物各项物理化学性质指标对声速的影响，普遍认为孔隙度是一个最好的预测声速的参数，以下是几个典型的以孔隙度为参变量的声速经验方程：

公式中，Cp为沉积物声速，n为沉积物孔隙度，C0为海底处海水的声速。

由于测量数据的限制及研究区范围的有限性，经验公式都有一定的区域适用性，公式(1)、(2)、(4)研究对象都在国外海域，公式(3)只是在公式(2)的基础上在常数项引入了海水声速C0，公式(5)适用区域为南海，而公式(6)是总结了中国东南近海的大量数据资料建立的，适用于中国东南近海的大部分海域。本文研究区位于辽东湾海域，没有查阅到相关的沉积物声学研究资料，因此本文选取(6)式进行尝试性探索，用于计算沉积层声速。

2.2 建立沉积物声速剖面

根据(6)式，孔隙度是计算声速的主要依据，因此孔隙度的准确度直接影响声速计算结果的精度，目前孔隙度参数尚无法直接测量，而是由密度、土粒比重、含水量 3个实测参数计算得到的，本文所依据的资料满足 GB50021－2001《岩土工程勘察规范（2009修订版）》和GBT－50123－1999《土工试验方法标准》的要求。

如图2所示为辽东湾某人工岛调查工程地质钻孔L3孔柱状图，表1为该孔的土工试验成果表。首先根据钻孔资料将地层划分为9个小层，并提取每层厚度范围内所取土样的孔隙度参数，然后利用式(6)计算各土样的声速，并求取每层的平均速度，绘制成声速剖面图（图3）。

由于从工程地质钻孔资料获得的孔隙度n的分布具有一定的离散性，而声速的计算依赖于孔隙度，因此计算出来的声速分布的密度就由孔隙度决定。声速分布密度越密，得到的声速剖面越详细，求出的层平均声速越接近于实际情况。

图 2 L3孔钻孔柱状图Fig. 2 Drilling histogram of L3

表 1 辽东湾某人工岛调查工程地质钻孔资料（L3孔）Tab. 1 Geological drilling data of an artificial island in Liaodong Bay

表 2 校正前后地层深度对比Tab. 2 Comparison of stratum depths before and after correction

图 3 人工岛场址中心处沉积物声速结构剖面Fig. 3 Seabed sediment sound velocity profile of the artificial island site

2.3 时深转换计算

在浅地层剖面资料采集时，所得到的剖面资料有两种：双程走时剖面和深度剖面。实际上，深度剖面是为了在采集资料时对地层结构作大致了解而做的，就是先假定一个地层声速，然后用资料处理软件根据这个声速将双程走时剖面进行时深转换后得到的。因此，对于双程走时剖面只需转换成单程走时后根据声速结构剖面进行时深转换计算即可；对于深度剖面而必须根据最初预设的声速值反算出时间，再重新进行计算。

根据得到的声速剖面对浅地层剖面进行时深转换计算得到表2。从表中可以看出，粉质粘土层的平均声速要小于粉砂和细砂层的，其差值大约在80～100 m·s-1。通过对比校正前后的地层深度，各层深度偏差最小值为-0.1 m，最大值为-1.3 m，偏差较大，对浅地层剖面资料解译精度会造成一定影响，说明进行校正还是有必要的，在一定程度上使得地层深度更接近于实际情况。

3 结论与展望

通过卢博等的沉积物声速依赖于孔隙度的经验方程，利用容易获取的孔隙度这一参数计算沉积层声速，用于浅地层剖面资料处理时各层的时深转换计算，使各地层厚度的解译更加准确，该方法具有一定的实用价值。

利用沉积物孔隙度计算海底沉积层的声速以此建立的声速结构剖面是一个层状结构，而实际上沉积物中声速的分布是非常复杂的，即使在同一沉积层内，声速也是随深度的增加而变化的（一般受压力影响随深度增加而增大）。因此，层状结构并不能反映海底沉积物的真实的声速结构，研究海底沉积物声速剖面真实的连续的结构是今后研究中需要努力的。

[1] Hamilton E L, George Shumway, Menard H W, et al. Acoustic and Other Physical Properties of Shallow-Water Sediments off San Diego [J]. Acoustical Society of America, 1956, 28(1):1-1.

[2] Hamilton E L. Geoacoustic Modeling of the Sea Floor [J]. Acousti--cal Society of America, 1980, 68: 1313-1340.

[3] Anderson R S. Statistical correlation of physical properties and sound velocity in sediments [A]. Physical of Sound in Marine Sediment [C]. NY: Plenum Press, 1974: 481-518.

[4] 周志愚, 杜继川, 赵广存, 等. 南海、黄海海底声速垂直分布的测量结果 [J]. 海洋学报, 1983, 5(5): 543-552.

[5] Orsi T H, Dunn D A. Sound velocity and related physical properties of fine-grained abyssal sediments from the Brazil Basin(South Atlantic Ocean) [J]. Acoustical Society of America, 1990, 88(3):1536-1543.

[6] 卢博. 海水-沉积物声速结构模式 [J]. 海洋通报, 1995, 14(2):42-47.

[7] 卢博, 李赶先, 孙东怀, 等. 中国东南近海海底沉积物声学物理性质及其相关关系 [J]. 热带海洋学报, 2006, 25(2): 12-17.

[8] 唐永禄. 海底沉积物孔隙度与声速的关系 [J]. 海洋学报, 1998,20(6): 39-43.

[9] 卢博, 梁元博. 中国东南沿海海洋沉积物物理参数与声速的统计相关 [J]. 中国科学(B辑), 1994, 24(5): 556-560.

Application of sound velocity forecasting equations in processing sub-bottom profile data

WANG Fang-qi, QI Fa-qing, YAO Jing, TAO Chang-fei, XU Guo-qiang

(First Institute of Oceanography, SOA, Qingdao 266061, China)

The seabed sediment sound velocity is one of the key parameters in the acquiring and processing of sub-bottom profile data. Usually, the sound velocity is regarded as a constant with experience, but this is not true. On the basis of comparing some sound velocity forecasting empirical equations, the LU Bo’s equation was considered the most appropriate to predict the seabed sediments sound velocity of near-shore southeast China Sea. In the survey of an artificial island site, the porosity data obtained from geological drilling was utilized to predict the sediment sound velocity, and the sound velocity profile was drawn, which was applied in processing the sub-bottom profile data. The method of utilizing porosity to predict sound velocity in processing sub-bottom profile data can improve the interpretation accuracy, therefore it’s of practical significance.

sediment sound velocity forecasting equation; sub-bottom profile; porosity; time-depth conversion

P343.5

A

1001-6932(2011)05-0492-04

2010-09-05；

2011-04-22

王方旗（1981－），男，山东诸城人，助理工程师，硕士，主要从事海洋地球物理方面的研究。电子邮箱：sdhdwfq0317@163.com。