中地层剖面探测在海上风电场勘察中的应用

张长飞

（中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司 福建福州 350003）

海上风电具有风资源稳定、不占用土地、消纳条件好、技术先进、稳定性好、发电利用小时数高等优势。大力发展海上风电，对我国调整能源结构、推动能源转型、实现“双碳”目标具有重要意义。在全球“碳中和”目标的推动以及我国相关产业政策的引导下，“十四五” 期间我国海上风电规划总装机量超过100 GW。未来海上风电的发展将趋于大型化、深远海化、基地化、规模化以及一体化综合应用［1］。勘察工作是海上风电场勘察设计的重要组成部分。工程勘察需要为场址选择、风机布置、基础选型、结构设计、工程量概算等工作提供大量准确可靠的地质资料。工程勘察的成果对工程设计和建设的影响重大而深远［2］。

常规的海上钻探勘察虽然能准确揭露单个点的地层分布情况，但它不能全面反映场区内的地层结构、覆盖层分布等情况［3］。为了揭示海上风电场浅部地层结构、覆盖层厚度、基岩埋深等情况，中地层剖面探测是一种不可或缺的重要手段［2-5］。中地层剖面是利用声波在海底地层中的传播及反射规律来探测海底地质情况，中地层剖面探测因具有探测效率高、探测映像直观、工程造价低等优点，被广泛地应用于海上风电场勘察中［2，4，7］。

1 工作原理与数据处理

1.1 工作原理

中地层剖面探测的基本原理是［5］：通过换能器（震源）将控制信号转换为不同频率的声波脉冲向海底发射，该声波在海水和沉积层传播过程中遇到反射界面，反射回换能器被转换为模拟或数字信号后记录下来，并输出为能够反映地层声学特征的剖面记录。反射界面为波阻抗不等的2 种介质的分界面，而波阻抗为声波在介质中传播的速度（υ）和介质密度（ρ）的乘积。在中地层剖面探测中，近似认为是垂直入射的，反射系数R 可以用式（1）来表达：

式中：Z 为介质的波阻抗；R 为反射系数。

声波波阻抗反射界面代表着不同地层的密度和声学差异而形成的地层反射界面，在剖面仪显示器上反映两相邻的界面线，并能分别显示2 层沉积物的性质图像特性差异。由于不同的沉积物存在着密度差异和速度差异，在声学反射剖面上表现为波阻抗界面。差异越大，波阻抗界面就越明显（反射信号的振幅越强）。这种反射界面一般能够代表不同地质年代、不同沉积环境和物质构成的真实界面。工作原理详见图1。

图1 中地层剖面工作原理

1.2 数据处理

资料整理包括定位资料的整理、原始剖面的复制、各种参数值的量取与计算，以及各种成果图件的绘制。中地层剖面仪记录比较多的噪声，噪声的影响比较大且来源也比较复杂。常见的有机械干扰、环境噪声、直达波、海底多次波等；处理过程中压制噪声，减小噪声对有用信号的影响，处理流程包含带通滤波、时变增益、反褶积等。具体的布置如下：

（1）定位资料的整理：校对定位坐标成果资料，包括检查其线号、工作日期、剖面方向、点号等，与定位记录数据、定位草图的统一性。

（2）原始剖面的复制：将中地层剖面测量的原始记录剖面存盘。

（3）原始资料的处理：原始数据处理采用Sonarwiz7 中剖处理模块，处理手段包括：水位改正、噪声压制、振幅控制等。

（4）资料解释的流程：中剖资料的主要解释工作包括地层划分、绘制解释剖面以及区域成果图。在进行剖面解译前首先对剖面的水深进行校正，水中声速使用工作区中声速剖面测量得到的速度。

2 在某近海风电场可研阶段勘察中的应用

2.1 测区情况

场址中心离岸约8～10 km，桩基容量100 MW。海底地形起伏大，大部分区域水深为20～30 m，局部可达40～47 m。附近主要有大蛇岛、小蛇岛、小日岛等岛屿，岛礁多且分布不均，规模大小不一。因礁顶高程不同，致该海域潮起时形成众多暗礁，潮落时出现成片礁石，海底面地形地貌复杂。

2.2 测线布置

本次中地层剖面测量工作测线布置如下：沿风机主排列方向布置2 条剖面，共完成中地层剖面15.5 km。物探测线航迹图详见图2。

图2 物探测线布置图

2.3 地层岩性及地球物理条件

海域地层岩性根据地震反射波组形态特征主要由以下8 个单元层组成：

（1）第1 大单元层，主要为流塑状淤泥层，埋深较浅。

（2）第2 大单元层，为可塑状粉质黏土层，埋深较浅。

（3）第3 大单元层，为松散-中密状中砂层，埋深较浅。

（4）第4 大单元层，为可～硬塑状残积粘性土层，埋深较浅。

（5）第5 大单元层，为硬塑全风化花岗岩层。

（6）第6 大单元层，为硬塑砂土状强风化花岗岩层。

（7）第7 大单元层，为碎块状强风化花岗岩层。

（8）第8 大单元层，为中风化花岗岩基岩层，主要为燕山期侵入的花岗岩。

2.4 数据解释

根据地震时间剖面图中反射波形、到时和连续性等特点的对比分析，确定海底标高0～-120 m 范围内存在8 组有效波组（T0～T7），其中局部地段T5、T6、T7波组受上部地层能量衰减影响，有效信号识别一般。

T0为海底与海水的反射界面，由于海水与海底的波阻抗差异比较大，因此该反射界面反射能量强，相位稳定，同相轴清晰，连续性好，全区可连续追踪。T1为淤泥层与中砂或强风化花岗岩层界面，该界面层内图像明亮，T0和T1之间的层内反射同相轴多表现为低幅值、近似平行的反射类型，同相轴连续性好，可连续追踪。T2为粉质黏土层与碎块状强风化花岗岩层界面，该界面层内图像较明，T1和T2之间的地层表现为低幅值、近似平行的反射类型，同相轴连续性好，可连续追踪，具有平行简单层理特征，沉积物平稳且较为均匀一致。T3为中砂层与碎块状强风化花岗岩层界面，受中砂层吸收反射波能力较强的影响，T1和T3之间地层图像颜色较浅，层内弱振幅，同相轴不连续，不易追踪；受上部地层能量衰减影响，T3和T7之间的地层图像颜色较浅，层内弱振幅，同相轴不连续，不易追踪。T6为砂土状强风化花岗岩与碎块状强风化花岗岩层界面，受上部地层能量衰减影响，T6和T7之间的地层图像颜色较深，层内强振幅，同相轴不连续，不易追踪。T7为中风化花岗岩层顶界面。其中L2测线部分中地层剖面成果断面见图3，L3测线部分综合地质解释断面见图4。

图3 L2 测线部分中地层剖面成果断面图

图4 L3 测线部分综合地质解释断面图

结合钻探和中地层剖面探测成果，分析如下：

（1）本次中地层剖面勘查所有测线的时间剖面图中有效反射相位相似性一般、各相位起伏较大，说明区内地层沉积不稳定、岩性在横向上变化较大，底部分布礁石。

（2）场区覆盖层厚度变化大，由于基岩与上伏薄层砂及其他软弱覆盖层物理性质差异比较大，波阻抗较大，反射较强烈，基岩界线明显。

（3）水深、覆盖层厚度变化大，根据基岩面的起伏情况，可根据中剖成果合理选择基础型式，如重力式基础、高桩承台基础、单桩基础、导管架基础等。

3 在某外海风电场可研阶段勘察中的应用

3.1 测区概况

场址中心距离海岸线约55 km，水深49～55 m。装机容量200 MW。场址区处于水下缓坡、水下堆积台地、平原地貌。海底地形单一、平缓，总体呈西高东低，高程-49.1～-54.8 m（1985高程），海底地形比降约为1.0‰。

3.2 测线布置

本次中地层剖面工作测线布置如下：沿风机主排列方向布置2 条剖面，剖面间距约2.9 km，每条剖面长度约8.5 km；垂直风机主排列方向布置4 条剖面，剖面间距约2.2 km，每条剖面长度约5 km。测线总长度约37 km。物探测线航迹详见图5。

图5 物探测线航迹图

3.3 地层岩性及地球物理条件

海域地层岩性根据地震反射波组形态特征主要由5 个单元层组成：

（1）第1 大单元层，主要为流塑状淤泥层，埋深较浅。

（2）第2 大单元层，为软塑～可塑状土层，以淤泥质粉质黏土为主，局部夹粉细砂、粉质黏土。

（3）第3 大单元层，为硬塑状土层，以粉质黏土为主，夹粉细砂。

（4）第4 大单元层，为密实砂层，以粉细砂、细砂、砾砂为主，局部夹粉质黏土。

（5）第5 大单元层，为基岩层，主要为燕山期侵入的花岗岩。

3.4 数据解释

根据地震时间剖面图中反射波形、到时和连续性等特点的对比分析，确定海底标高0～-170 m 范围内存在5 组有效波组（T0～T4），其中T4波组受上部地层能量衰减影响，有效信号识别较差。其中：T0为海水水体与下部沉积地层之间的界面，即海底反射界面，主要特征为同相轴能量强，连续性较好，上下地层波阻抗差异大。T1为淤泥层与软塑-可塑状土层界面，T0和T1之间层内反射同相轴连续、易追踪。大部分地区表现为微弱的近似平行且横向连续的地震反射特征，推测为淤泥质海床。T2为软塑可塑状土层与硬塑状土层界面，T1和T2之间的层内反射同相轴多表现为低幅值、近似平行的反射类型，层内图像较明，该层主要为松散粉砂与软塑-可塑状粉质黏土。T3为硬塑状土层与密实砂层界面，T2和T3之间的层内图像较暗，主要为硬塑状粉质黏土层，夹有密实粉质黏土层。T4为密实砂层与基岩界面，T3和T4层图像颜色较深，主要为密实砂层。T4下部为基岩层，该层连续性较差，表现为杂乱弱反射类型。

其中L3测线中地层剖面成果断面图见图6，L4测线综合地质解释断面图见图7。

图6 L3 测线综合地质解释断面图

图7 L4 测线综合地质解释断面图

结合钻探和中地层剖面探测成果，分析如下：

（1）本次中地层剖面勘查所有测线的时间剖面图中有效反射相位相似性较好、且各相位起伏不大，说明区内地层沉积稳定、岩性在横向上基本没有变化。反映海底的T0界面起伏坡度角不大，表明测区内存在滑坡体的可能性极小，未发现明显的断层等不良地质现象。

（2）淤泥及黏性土，无颗粒结构，反射能量损失较小，对声波的衰减较小，界面清晰。

（3）受上部砂层地层能量衰减影响，T3和T4之间的层内图像较暗，振幅较强，层内同相轴不连续，不易追踪。由于砂是由颗粒组成的，对声波的反射能力较强，另穿透的声波在颗粒间的漫反射也造成能量损失、衰减，可以看出中地层剖面探测对深厚的砂层穿透深度较小，探测效果较差［4］。

（4）基础选型可采用四桩导管架基础、吸力筒导管架等，为深海区的基础选型提供了可靠的基础数据。

4 结论

本文介绍了中地层剖面探测的工作原理，并成功应用于某近海、外海风电场，取得了显著的效果，并得出以下结论：

（1）中地层剖面探测能够有效查明覆盖层厚度的分布情况。

（2）对区分淤泥、淤泥质土等软土和基岩顶面的反射界面清晰，效果好。对于深厚的砂层由于反射和漫反射造成能量损失，穿透深度较小，探测效果较差。

（3）中地层剖面探测凭借其成本低、效率高、覆盖面积大等特点，符合风电场预可研、可研阶段的勘察深度要求，有效查明场区内覆盖层厚度，为基础选型提供可靠的依据。

但中地层剖面探测作为1 种物探手段，根据其原理产生的探测深度有限、解译的多解性、图像失真等问题以及地层的非均质、各项异性等特点，中地层剖面探测应结合钻探和其他物探资料进行探测和解译。