海洋物探技术在近岸海底礁石探测中的应用

张惟河

The Application of Marine Geophysical Prospecting Technology in the Detection of Offshore Reefs

ZHANG Wei-he

（CCCC Guangzhou Dredging Co. Ltd.， Guangzhou 510220， China）

【摘  要】论文介绍了海底礁石地质特征，同时通过重点分析几种常用的海底礁石探测技术方法特点，说明了海洋物探是目前海底礁石探测最值得推荐使用的技术方法，其效率高、成本低、适应性强、适用范围广的特点能够很好地满足海底礁石探测的各项要求，并在相关工程项目得到了有效应用。实践证明，海洋物探法可精确还原疏浚区海底礁石分布状态，为项目提供可靠的数据支持。

【Abstract】This article introduces the geological characteristics of submarine reefs. At the same time， by focusing on the analysis of several commonly used seafloor reef detection techniques and methods， it shows that marine geophysical exploration is currently the most recommended technical method for submarine reef detection. The characteristics of strong nature and wide application range can well meet the requirements of submarine reef detection， and it has been effectively applied in related engineering projects. Practice has proved that marine geophysical methods can accurately restore the distribution status of subsea reefs in the dredged area and provide reliable data support for the project.

【关键词】物探技术;海底礁石;探测应用

【Keywords】geophysical exploration technology; subsea reef; detection application

【中图分类号】TN62                              【文獻标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）03-0186-04

1 引言

21世纪，人类进入大规模开发利用海洋时期，海洋经济发展提速，给疏浚业带来新的发展机遇，也对疏浚业设备和技术提出了更高的要求。目前全球疏浚工程正变得越来越复杂，主要体现在疏浚深度不断加大：越来越多的港口航道疏浚标高低至-20m以下，特殊项目疏浚标高甚至低于-50m，疏浚土质也由此变得越来越复杂。若疏浚土质为岩石，则需要特定施工船舶或特殊施工工艺才能清除，其施工难度和成本较一般砂土疏浚要高得多。若在工程项目前期未能够准确掌握海底礁石分布状态和方量情况，势必加大项目进展的风险，因此寻求一种可靠的海底礁石探测方法是有效规避项目风险的关键所在。

2 海底礁石地质特征

岩石是在大自然中广泛存在的地质岩体，按成因的不同，可分为岩浆岩、沉积岩、变质岩。岩浆岩由岩浆形成，产状复杂多样，有岩床、岩盆、岩盖、岩鞍、岩基、岩株、岩脉、岩墙等;沉积岩是成层堆积的松散沉积物固结而成的岩石，具有明显的可反映物质沉积规律的结构特征，产状较为单一，多为层理和层状，只有在受到后期构造运动的影响和改造下才会变得复杂;变质岩是岩石在高温高压下经变质作用形成，产状普遍较为复杂。三大类型岩石均有可能分布于近岸海底，常见有花岗岩、生物礁灰岩、砂岩、泥岩、页岩、混合岩等。

港口、航道、水利、海洋工程中一般将埋藏于海面以下的岩石称为海底礁石。海底礁石按埋藏情况，可分为裸露礁石和埋藏礁石。其中埋藏礁石上覆地层则称为礁石覆盖层。覆盖层土质多样，有淤泥、粘土、砂、砾石及其混合物等。同时，由于土质的多样性，礁石覆盖层的致密程度也不尽相同。按分布状态，海底礁石还可大致区分为连片礁石和孤立礁石。

3海底礁石探测技术

目前，国内外常用的海底礁石探测技术有海域工程钻探、礁石钎探测量、海洋地球物理探测以及人工探摸等，其中人工探摸作业仅能探测海底裸露礁石，效率低、成本高、定位差，且受海况条件影响明显，一般仅作为辅助探测手段，暂不做详尽介绍。

3.1 海域工程钻探

海域工程钻探手段，是通过钻机钻取海底岩芯，判断岩石类型、观察岩石节理、破碎情况、风化程度和岩芯采样率等，初步判断岩石的可挖性。再通过室内土工试验，包括岩石的无侧限抗压强度试验、点荷载试验等最终确定其施工工艺。工程钻探是目前进行岩石定性分析最为直接、有效的方法，但是由于其采用点状作业方式，作业周期长、成本高，而且还易受海况条件限制，同时对于岩层产状起伏较大的海底礁石区域，很难进行准确的岩石定量分析。

3.2 钎探测量

礁石钎探测量与人工探摸类似，大多时候仅作为辅助手段进行疑似海底礁石探查。测量过程中，首先用探杆探测海底表面水深，记录下测点的点号、水深和测量时间（或水位），然后靠人力钎探穿透覆盖层至礁石岩面，并记录下对应的水深和测量时间，从而达到探知礁石分布状态的目的。其作业效率低，受覆盖层厚度和覆盖层土质致密程度限制明显[1]。

3.3 海洋地球物理探测

随着海洋物探技术的不断发展，越来越多的物探设备应用到了海底礁石探测中。这类设备能够更有效地测量出海底礁石的状态，使测量的结果更准确，另外还不受测量范围的限制。当前，用于海底礁石探测的主流物探设备有多波束测深系统、侧扫声呐系统和浅层剖面系统，三者被业界分别形象地比喻为“水下地形地貌仪”“水下照相机”和“水下CT”。它们都是声学设备，发射的声波频率各有不同，均以声波接触海底介质或目标物反射回来的信号的物理性质差异作为研究基础。

多波束测深系统大部分以200～400kHz的工作频率进行探测的，利用发射换能器和接收换能器阵列向海底发射和接收声波波束的原理，获取大量海底被测点的水深值，从而比较可靠地绘制出海底地形的三维特征[2]。侧扫声呐利用声学换能器发射低入射角高频声脉冲扇形波束，接收单元接收回波信号，并经过数据处理单元，呈现出二维海底地貌图，其工作频率有100kHz、400kHz和900kHz等，频率不同对应的扫宽也不相同[3-4]。浅层剖面探测系统的工作频率主要为400hz-

20khz，频率不同声波穿透能力也随之不同，利用声波换能器垂直向下发射声脉冲，声脉冲不断进行穿透和反射接收，从而探知地层垂向结构和性质，进而反映海底浅部地层的分层情况[5]。

多波束测深系统能够获取海底地物準确的位置信息等定量数据，却难以对海底地物进行详细的定性分析;侧扫声呐可获取高清的海底二维图像[6]，可根据图像的明暗信息对海底地物进行定性分析，但无法进行定量分析;浅层剖面系统以获取浅层地质剖面为主，能够较为清晰地划分出海底浅部地层界面，可探知礁石岩面标高和覆盖层厚度等信息，但无法对测区进行全覆盖探测，且对海底表层土质类型的区分效果一般。

可见，以上三种探测方法具有很强的互补性。通过互相配合使用，并将其信息进行整合处理，能够高效完成对海底及其浅部地质的定性和定量分析，从而精确还原海底浅部礁石分布全貌。同时海洋物探采用走航式作业方式，作业效率高，在海况复杂的调查区域也能正常开展工作，适应性强。

4 海底礁石地质特征与探测方法

海底礁石类型多样，地质特征也十分复杂。在进行海底礁石探测工作前，可通过分析海底礁石的类型、分布特点、地质演化过程，覆盖层厚度以及覆盖层土质等的情况，来选择最合适的探测方法、布置最佳的作业计划。

在进行未受后期构造运动明显影响的沉积岩礁石区探测时，考虑到它的产状较为平整，岩面起伏变化不大，钻探和物探均可作为探测手段，物探计划测线和钻孔点间距在相关规范要求允许范围内可适当加大，若礁石为裸露状态或埋深较浅且覆盖层土质疏松，则也可考虑进行钎探测量，若礁石埋藏较深且覆盖层土质相对较为密实，浅层剖面设备需考虑采用高能量、低频率的仪器型号，保证礁石探测效果;在进行产状复杂、岩面起伏变化较大的岩石地层礁石区探测时，物探则是最佳的探测手段，但其测线间距应尽量缩小，其他探测方法可视情况做相应选择;在进行海底孤石

探测时，物探是一种相对较为合适的探测手段，而钻探和

钎探不予以考虑;在礁石测区面积较大，建议使用物探手段进行探测，钻探和钎探仅考虑作为辅助手段进行疑似礁石确认。

综上所述，分析海底礁石的地质特征情况，对探测方法的选择、物探设备选型和计划测线布置、钻孔孔位和钎探点位布设等都有重要的参考价值和指导意义。海洋物探方法具有适应性强和适用范围广的特点，同时海洋物探采用走航式作业方式，高效且成本低，是目前进行海底礁石探测最值得推荐的方法，在某些特定情况下，可考虑运用钻探和钎探进行礁石探测或作为物探的辅助手段进行疑似礁石确认。

5 海底礁石探测应用实例

5.1 工程项目背景

国内某航道扩建工程，长度约11.9km，分为航道内段和航道外段。航道内段设计标高-21.5m，疏浚范围内分布有大量的礁石，礁石分布状态复杂，有连片礁石区，有零星礁石，有裸露礁石，也有埋藏礁石，因此该工程除了传统上的砂土疏浚外，还要进行局部区域的炸礁施工。为保证投标报价准确和施工过程风险可控，需要在项目前期摸清该区域的礁石分布状态和礁石方量。

5.2 应用实例

该工程区域礁石分布状态复杂，采用钻探和钎探等其他方法均很难满足探测要求，而通过多波束、侧扫声纳及浅层剖面仪的组合使用，能够很好地满足探测要求。针对测区内海底礁石的分布特征，进行了物探设备包括多波束、侧扫声纳及浅层剖面仪的选型工作，各设备选型情况见表1。

勘测作业过程中，由于多波束和侧扫声纳的工作频率较为接近，同步作业会造成一定的信号干扰，影响勘测数据质量，同时考虑到多波束数据作为最基础的研究资料，对后续侧扫声纳和浅剖测量的计划布置有指导意义，所以首先进行多波束扫测，随后再进行侧扫声纳和浅剖测量。其中多波束和侧扫声纳对海底进行全覆盖扫测，浅剖则按照40 m测线间距进行测量。作业过程严格按照相关规范要求进行。

内业处理过程如下：首先利用多波束数据绘制三维海底地形地貌图（图1），然后根据侧扫声纳镶嵌图绘制出海底裸露礁石大致范围（图2），最后通过两者数据和图形的相互比对，准确描绘出海底裸露礁石的位置范围，然后将绘制完成的裸露礁石范围图作为浅剖内业处理的底图文件与浅剖数据进行比对验证，绘制海底和礁石岩面（图3）。

该项目通过多波束、侧扫声纳及浅剖仪的组合使用及对三组数据的对比和互补，精确地还原了该测区范围内海底礁石分布状态和方量情况：总共探明海底礁石42处，其中裸露礁石35处，埋藏礁石7处，总炸礁方量约21万方。目前从现场炸礁施工反馈信息了解，海底礁石探测成果准确可靠，有效保障了项目施工的顺利推进。