浅地层剖面探测技术在航道项目中的应用分析

摘要：随着海洋资源开发持续推进，近岸涉海工程建设越来越多，浅地层剖面探测利用声波在海底沉积物中的传播以及反射特性和规律对海底地层结构、构造进行探测，具有高分辨率、可穿透地层、可连续走航式探测等优点，应用十分广泛。通过介绍浅地层剖面探测技术的原理和工作流程，以工程实例为研究对象，将浅地层探测应用于海洋调查工作中，对结果进行地质解释并得出结论。

关键词：海洋资源""浅地层剖面探测""波阻抗""地质解释""地质类型

Application"Analysis"of"Shallow"Strata"Profile"Detection"Technology"in"Waterway"Project

CHEN"Changjin

Fujian"Zhangzhou"Gulei"Port"Construction"and"Development"Group"Co.，"Ltd.，"Zhangzhou，"Fujian"Province，"363215"China

Abstract："With"the"continuous"advancement"of"marine"resource"development，"there"are"more"and"more"offshore"marine"engineering"constructions，"Shallow"strata"profile"detection"uses"the"propagation"and"reflection"characteristics"and"laws"of"sound"waves"in"seabed"sediments"to"detect"the"structure"and"formation"of"seabed"strata."It"has"the"advantages"of"high"resolution，"penetrating"strata"and"continuous"navigation"detection，"and"is"widely"used."By"introducing"the"principle"and"workflow"of"shallow"strata"profile"detection"technology，"taking"engineering"example"as"the"research"object，"shallow"strata"detection"is"applied"to"marine"survey"work，"and"geological"interpretation"is"carried"out"and"conclusions"are"drawn.

Key"Words："Marine"resources;"Shallow"strata"profile"detection;"Wave"impedance;"Geological"interpretation;"Geological"type

随着我国经济的快速发展，海洋活动的变得越来越频繁，为了更好地利用海洋，国家依法对长江口区域进行海籍调查。长江口区域也是用海活动最密集的区域之一，开发建设规模较大，海岸空间资源利用率高，用海类型包括码头、围海、海底电缆管道、隧桥、保滩坝等人工构筑物。其中，丁坝在崇明三岛的用海项目中占有很大的比例，但由于行政区划分的变化和年代久远的原因，部分丁坝无法收集相关竣工资料。本文就地层剖面探测技术在航道项目探测中前期准备、测量计划线的布设、前期的准备、仪器的选择、数据采集、数据处理、精度评估等过程做详细的介绍，为今后航道项目的探测提供了新的方法与思路[1]。

1"浅地层剖面探测的技术原理

地层剖面探测技术在航道项目中的应用面临着诸多挑战和问题。首先，海洋测绘需要覆盖大面积海域，而海洋环境的复杂性使获取精确和全面的数据变得困难。海洋中的水流、潮汐、风浪等自然因素会导致数据的失真和误差，从而影响探测结果的准确性。其次，航道项目探测需要使用传感器和仪器进行数据采集，但这些设备对深海环境的适应性相对较弱。在深海区域，温度、压力和水质等因素的变化较大会对设备的性能和精度产生负面影响。此外，海洋测绘技术还面临数据处理和管理的问题。海洋测绘数据量大、复杂度高，如何高效地存储、分析和管理这些数据，是一个亟待解决的挑战。同时，地层剖面探测技术还需要解决数据标准化和共享的问题，以便不同机构和国家之间能够进行有效的数据合作和交流。

浅地层剖面探测技术是利用声波的折射和反射的原理设计的。通过震源发出的地震波，沿垂直方向下传播，遇到介质不同、密度不同的两种介质时，部分声波在界面反射，部分在界面通过继续向下传播;到达下一个界面同样产生反射和通过，不同密度和声学差异的介质反射和通过的声波的强弱不同，利用这个原理即可获取海底地层分层情况和各层底质的信息[2]。地层剖面探测技术是一种集成了多种探测方法和技术的综合性应用，旨在准确、高效地识别和定位地下管线的位置、深度和走向，这项技术结合了电磁法、雷达探测、声波探测、红外热成像等多种物理探测手段，以及地理信息系统（Geographic"Information"System，GIS）、全球定位系统（Global"Navigation"Satellite"System，GNSS）和计算机辅助设计（Computer"Aided"Design，CAD）等信息技术，形成了一套完整的探测解决方案。""""完成浅层剖面系统的安装后，在船上进行静态测试，内容包括硬件的安装与集成的测试、供电系统测试、GNSS数据的连接测试和系统软件测试。通过多次量取各个单元相对GNSS天线的偏移距离等相关参数，确保各参数准确。安装测试完毕后，使测量船以低速平稳航行，对整套设备和软件进行接通测试，以确保集成系统的可靠性和可行性[3]。

2"工程应用实例

2.1"测区概况

本工程为福建省某沿海航道项目，要求对航道区域进行浅地层剖面探测，以探明拟建航道设计范围内海域的海底底质类别与分布范围，为工程设计提供基础资料。

依据项目技术需求布设测线，共布置60条，总长度约31.7"km，实际测线总里程约35.8"km。

2.2"仪器设备

本次项目所采用仪器设备的精度（等级）、时效性、稳定性及其他性能指标均达到或接近国内外先进水平，仪器均妥善维护和保养，确保运行稳定，安全可靠，具备正常作业能力。主要设备为Geo-Source"200"Light多极电火花震源，Mini-Trace"II地震数据采集单元，HY1200声速剖面仪。

2.3"测前准备

海上天气变化快，经常出现大风大浪等不利于测量的天气，同时丁坝由于淤积的原因处在海水较浅的区域，甚至低潮时漏出水面，这些因素对测量仪器来说是重大的安全隐患。为了确保船只和仪器的安全，加强气象监测，选择在风浪小，大潮高潮时进行测量。测前准备包括测量船保障、GNSS测试与验证、系统的安装与测试等阶段。本次所用震源采取侧舷拖曳形式，供能电缆和检波器接收电缆分别位于测量船中部一侧。震源箱放置于干燥、稳定、温度低于60"℃的环境中，远离其他设备和人员。安装完毕后，利用激光测距仪和测量尺准确量取测量船尺寸以及各个单元相对GPS天线的偏移距离。

设备安装完毕后，测量船以低航速（不大于3"knot）平稳航行，对整套设备进行接通测试，确保各单元设备运转正常，各项参数正确[4]。完成浅层剖面系统的安装后，在船上进行静态测试，内容包括硬件的安装与集成的测试，供电系统测试，GNSS数据的连接测试和系统软件测试。通过多次量取各个单元相对GNSS天线的偏移距离等相关参数，确保各参数准确。安装测试完毕后，使测量船以低速平稳航行，对整套设备和软件进行接通测试，以确保集成系统的可靠性和可行性。

2.4"采集数据

2.4.1"潮位观测

进行测量时设立临时潮位站进行潮位观测，作为水深改正的依据，以使不同测线的底跟踪结果趋于一致。

潮位观测使用人工观测，数据记录时间间隔为10"min。潮位观测前，对时钟进行校正，采用UTC时间；观测过程中，定时进行时间校对，其误差不大于1"min，超限时进行修正；观测数据均记录至0.01"m，测量前10"min开始观测，测量结束后10"min停止观测，潮汐数据如图1所示[5]。

2.4.2声速测量

地层剖面底跟踪数据利用声速仪进行声速改正，由震源系统发射的声波，可以穿过海水，并穿透海底面进入地层中，在泥、沙等不同性质的地层变化界面处声波发生反射、透射，声接收基阵将反射波的返回时间、振幅、频率等信息转换为电信号传输给记录系统，辅助系统则记录了测量的位置、环境及船舶的姿态等信息。由于声速根据海水盐度及温度等因素变化而变化，作业时在测区内有代表性的水域采用声速仪测定声速剖面。此外，声速测量技术还可以检测到海水周围的盐度及温度，帮助规划人员避免地下冲突。地磁探测技术在项目探测中具有一定的优势和应用前景，通过不断的技术改进和实践验证，能够为航道工程建设提供可靠的技术支持。

此项目测量区域较小且水域开阔，不同地点不同深度声速变化不显著，在代表性水域测量一至二次声速剖面即可满足要求[6]，如图2所示。

2.5"数据处理

数据采集应选择大潮高潮平潮时进行，数据采集进行之前应利用声速剖面仪测量丁坝区域的声速剖面值，进行声速改正。正式探测前，在测区内进行多次试测。数据采集利用测量船沿计划线方向以走航的方式进行。最终依据反射层内部结构特征分析活动断裂、滑坡、塌陷、浅层气、岩体等地质类型，绘制地层（反射层）剖面图件、地质体分布图、岩面（风化壳顶面）高程图等[7]。

本项目采用GeoSuite-Allworks软件进行处理与解释，操作流程如图3所示。

2.6"地质解释分析

2.6.1"反射界面划分

反射界面划分的原则如下：同一层组内波反射连续、清晰、可区域性追踪；层组内反射结构、形态、能量、频率等基本相似，与相邻层组有显著差异；主测线与联络线剖面上相同层组的反射界面应能够闭合。

常规处理和地质解释需要追踪反射界面，划分反射波组，分析反射波组特征，识别地质体类型，进行沉积分析与构造解释。

2.6.2"时间深度转换

根据反射界面划分的反射波组，确定地质体类型。在确定地质体类型之后，通过钻探资料或相关经验确定相应沉积层或地层的声速。在确定（或大致确定）地质体类型之后，借助时深转换方程，将声学资料的时间数据（单位：ms）换算成深度数据（单位：m）。

式（1）中：D为累加深度，V为地质体声速函数，T为声波双程旅行时。

探测区域分为南、北两个区域。根据本项目浅地层剖面探测结果，结合附近区域的勘察资料，初步判断测区内的地层基本为砂混淤泥、粉质黏土、残积土，下伏风化岩。

北侧区域典型的浅地层剖面探测图像，北侧区域的范围地形呈“碗”状，四周水深较浅，中间水深较深，测区内基岩面连续，清晰可见，未发现较浅礁石存在。

南侧区域典型的浅地层剖面探测图像，具体见图3所示，区域内整体水深均偏浅且水深起伏变化较大，水深介于1～8"m之间，沉积地层的反射波同相轴偏杂乱，可能是砂粒组分含量较高导致，由于砂粒含量高，地震波传播能量耗散较大，穿透能力降低，该区域未探测出清晰的基岩面。但根据礁石反射波同相轴的特征初步判断，未发现较浅礁石存在。

本次浅地层剖面探测图谱清晰，地层分层良好，基岩面清晰可见，并可见人工堆填砂土，基岩出露主要在测区南部，分布范围较小，浅地层图谱上可见强反射界面；基岩浅埋主要分布在测区北部，分布范围较小，浅地层图谱中基岩面清晰，界面上覆沉积地层；砂土堆填区主要位于测区中部偏南位置，范围较大，砂土堆填区地形起伏变化较大，浅地层图谱呈杂乱反射，且穿透深度较浅。

3"结论

本文介绍了浅地层剖面探测的技术原理，并结合浅地层剖面探测技术在海洋工程中的应用，对数据采集、数据处理、地质解释等工作做了描述，并得出以下结论。

（1）浅地层剖面探测能有效反映海底浅部的地层结构与构造，为海洋工程建设提供可靠的资料支持。

（2）进行地质解释之前，要对原始数据进行声学图像的还原与恢复工作，使声学图像内容足够丰富，最大程度地反映海底的地质信息，以提高解释准确性。

（3）浅地层剖面探测手段，实施过程中可能受到机械波干扰、多次波反射干扰等，且地质解释上具有多解性，以及地层具有非均值等特点。因此在工程实践中，浅地层剖面探测应当与钻探及其他物探手段配合进行[8]。

参考文献

[1]杨国明，朱俊江，赵冬冬，等.浅地层剖面探测技术及应用[J].海洋科学，2021，45（6）：147-162.

[2]张长飞.中地层剖面探测在海上风电场勘察中的应用[J].能源与环境，2023（5）：56-59.

[3]王璐璐.浅地层剖面探测在航道工程可行性研究中的应用[J].南方国土资源，2019（5）：50-53.

[4]罗宗杰，张卓，张顺洋.侧扫声呐在海底管线路由规划中的应用[J].江西水利科技，2018，44（3）：218-221.[5]刘爱华.侧扫声纳、多波束扫测在航道应急搜寻中的综合应用[J].运输经理世界，2023（17）：157-159.

[6]胡梦涛，李太春，廖荣发，等.参量阵浅剖探测技术在海底管线探测中的应用[J].海洋测绘，2019，39（5）：30-34.

[7]张体强.近岸海域浅地层剖面数据处理技术及应用[J].工程地球物理学报，2023，20（1）：18-23.

[8]武传鹏，佟弢.浅地层剖面探测在水域工程中的应用及问题分析[J].港工技术，2022，59（5）：117-120.