浅地层剖面仪运用于表层淤泥厚度探测

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摘要：浅地层剖面仪由于高效、经济的特点在海洋测绘中发挥了重要的作用，同时由于其穿透深度深、作业效率高的优势在表层淤泥厚度探测中占有重要的地位；本文结合深圳某海域的工程实例，介绍了浅地层剖面仪在表层淤泥探测中的外业作业流程及内业处理方法，着重阐述了浅地层剖面仪图像判读过程中注意的问题，并就其数据成图的流程进行了介绍，以为类似近海工程应用提供参考。

关键词：浅地层剖面仪；表层淤泥厚度；图像判读

一、引言

浅地层剖面仪自兴起以来，已经广泛应用于海洋地质调查、港口建设、航道疏浚、海底管线布设以及海上石油平台建设等方面，另外其在淤泥层厚度、基岩埋深及灾害地质情况探测等方面也发挥了越来越重要的作用。关于浅地层剖面仪在海底管道检测中的应用许多学者已经做了介绍，而对于其在淤泥层厚度探测方面的研究涉及较少，仅有在人工湖中的研究个例。本文以深圳某海域探测为例，探讨浅地层剖面仪在表层淤泥厚度探测方面的应用，同时就其数据处理过程及相关注意问题进行一定的探讨。常用的表层淤泥层厚度探测的方法有：人工探摸及钻探取样、泥浆密度仪、双频测深仪、Silas淤泥探测、浅地层剖面仪探测。其中人工探摸及钻探取样、泥浆密度仪探测属于点式作业，效率低，受环境影响大，适用于小范围的淤泥探测；双频测深仪受限于其工作频率，穿透能力有限；Silas淤泥探测为泥浆密度仪与双频测深仪的组合产物，难以探测厚度大的淤泥层；而浅地层剖面仪的工作频率（2-16kHz）能够在理论上保证其探测到厚度为80m的粘土层，能够保证穿透表层淤泥层，并进行淤泥层厚度判定。对于该工程而言，为了提高工作效率，并确保其能完全穿透表层淤泥层，决定选取浅地层剖面仪作为淤泥厚度探测的方式。后续工程如有需要可辅助以人工取样的方式，以更加全面地获取表层沉积物的状态，完成表层土质的定类。

二、浅地层剖面仪工作原理

浅地层剖面仪通过换能器将控制信号转换为不同频率的声波脉冲向海底发射，声波在通过不同介质时，由于介质的波阻抗差异性，产生强弱不同的回波信号，经海底地层散射后被接收端滤波、放大，通过适当的数据处理或识别算法，可以输出为能够反映地层声学特征的记录剖面，从而反映海底沉积结构和地层特征。浅地层剖面仪含有两个关键的参数：发射功率和发射频率。发射功率的大小决定了声波对介质的穿透深度，而发射频率决定了层组特征的分辨率。发射功率越大，穿透深度越大。低频穿透深度大，但分辨率低；高频穿透深度小，而分辨率高。本次作业使用的地层剖面仪为美国EdgeTech公司生产的3200XS浅地层剖面仪系统。EdgeTech3200XS浅地层剖面仪系统采用全频谱CHIRP技术，是一种高分辨率宽带调频（FM）浅地层剖面仪系统，可广泛用于海底管线探测、地质调查等。Edgetech3200XS通过发射2-16kHz/20ms的FM脉冲，声波脉冲的能量、幅度和相位特征可被精确控制，而高精确度确保了沉积物分类所要求的高重复性和信号的判定，从而产生高分辨率的海底地层图像。3200XS针对FM脉冲范围，自动匹配滤波相关处理，信噪比可改善20-30dB，适应性强，无直达波，没有空间旁瓣，降低海表面效应，既保证了作用距离和对地层的穿透深度，同时提高了对地层的分辨率。

三、外业作业

本次作业区域位于深圳某海域，海底地形复杂，作业范围不规则，个别区域水深极浅，船舶极易搁浅，许多的未知因素给作业带来了很多困难。摸清海底地形地貌及水深状态就显得尤为重要，因此本次测量采取了以浅地层剖面仪测量为主，同时辅助以单波束测深仪、侧扫声纳对测区地形进行综合扫测。浅地层剖面测量按照网格法布设测线，测线间距为50m，其中ENE方向测线总长约22km，WSW方向测线总长约25km，共计测线长约47km。在作业之前，通过调试3200XS的主要参数——脉冲类型、脉冲功率百分比、发射频率(能量、幅度、相位特征等)来确定最佳工作参数，以适应测区的水深及底质情况，确保产生高分辨率的海底地层图像。为了获得清晰的地层剖面资料，测量过程使用30~40ms量程，150ms发射速率，1~15KHz带通滤波。根据图像情况，分别选用不同的脉冲宽度、能量大小、量程范围进行测试，调节TVG使图像资料效果最佳。实时记录测量工作参数和测量班报，以便后期数据处理。作业时，采用Hypack2008实时对船舶进行导航定位，以保证测量船沿设计测线航行，同时通过定标器同步给单波束测深仪、侧扫声纳及浅地层剖面仪输送打标信号。首先利用单波束测深仪对测区进行比例尺为1：500的水深测量，查明作业范围内详细的水深情况，明确测区的海底地形；之后利用侧扫声纳对测区进行比例尺为1：2000的地貌测量，了解淤泥层的大致分布情况，明确重点勘测区域，以保证浅地层剖面仪勘测的针对性和准确性；接着根据单波束测深仪和侧扫声呐的扫测结果，采用浅地层剖面仪按照既定测线对测区表层淤泥厚度进行测定，并对侧扫声呐扫测出有明显地形起伏的区域进行重点勘测；最后选取部分区域进行取样验证，以保证数据的真实可靠。

四、内业处理

浅剖资料的数据处理、最终成图的流程及相关注意问题如下：（一）由于测区的水深普遍较浅，大部分时间浅地层剖面仪距离海底面的高度小于5m，部分区域甚至只有1-2m，测量过程中受多次回波及环境噪声的影响显著。因此在进行浅剖资料图像判读时，应该注意对多次回波的判断，保证在摘取表层淤泥厚度的过程中，对于反射界面的摘取原则保持一致，并尽量保证同位相的追踪连续清晰。某些小范围内的界面起伏可能由于船体的晃动或者回波信号接收原因引起，可忽略，尽量使淤泥底界面的起伏与海底面的起伏保持一致；另外有些同位相追踪不连续的地方是由于航道疏浚后的回淤造成，应该注意判断，保证连续追踪。（二）在完成海底面和表层淤泥界面的摘取之后，通过CAD将两组界面的X、Y坐标输出至Excel中，对应点位X坐标的差值即为该点的层厚数据，并对得出的数据进行差值处理，以增加数据的密度，便于之后的Suffer成图。（三）在完成层厚数据的预处理之后，得出以下文件格式(X、Y、Thickness)，然后利用Suffer软件进行数据网格化处理。在生成网格数据的过程中，宜选用克里经差值方法，克里经法可将数学函数与指定数量的点或指定半径内的所有点进行拟合以确定每个位置的输出值，对周围的测量值进行加权以得出未测量位置的预测，便于分析数据的趋势走向，是比较切合等厚图的差值方法。（四）利用生成的网格数据建立三维表面图，成图后，需比较核实主测线与检查线交点的层厚数据，保证重合；同时最后的成图应避免有牛眼现象，并参考测区地形，以保证数据的真实可靠。

五、结语

（一）浅地层剖面仪对表层淤泥探测的测量方式为走航式测量，获取的数据经过处理后可以获得连续的层厚数据，能够对淤泥层进行有效的层位划分，相较于其他的淤泥探测方法，其发射频率能够保证其穿透厚度和密度较大的淤泥层，是目前较为高效、经济、准确的淤泥探测方法。（二）对于海底地形复杂、探测面积大的测量区域，建议采用单波束测深仪、侧扫声纳及浅地层剖面仪相结合的方式进行表层淤泥探测。首先采用单波束测深仪、侧扫声纳对整个测区进行小比例尺的地形、地貌测量，以明确测区地形及重点勘测区域，然后采用浅地层剖面仪按照网格法测线布设方法对测区进行针对性的扫测。（三）浅剖资料处理过程中，应注意对多次回波的判断，反射界面的摘取原则应保持一致，并尽量保证同位相的追踪连续清晰。数据预处理之后，采用克里经差值方法对数据进行差值处理，完成等厚度的绘制。

参考文献：

[1]余江,周兴华.浅地层剖面仪在淤泥厚度探测中的应用[J].浙江水利科技,2009（6）：52-54.

[2]王华强,青平等.浅地层剖面仪在港池探测中的应用[J].海洋测绘,2010（4）:76-68.

[3].张惟河,梁思明等.侧扫声纳和浅地层剖面仪在表层淤泥探测中的应用[J].港工技术,2014（5）:86-91.

作者：李灵波1孟山雅2 单位：1.天津水运工程勘察设计院；2.中海油能源发展装备技术有限公司