海洋场地环境物探工作方案.docx

海洋场地环境物探工作方案 海洋场地环境综合物探工作方案 0 前言 随着现代物探技术的迅猛发展，其在海洋领域所发挥的独特作用亦日益显现。海洋物探是地球物理学原理与技术在海洋条件下的具体应用，其服务行业是十分广阔的。海洋物探是海域工程勘探的一个重要方面，具有快速、准确、无损害的特点，它对于勘探区域地层的宏观揭露，弥补了传统地质钻探的不足，在海洋现代大型重点工程的设计和施工中，发挥了越来越重要的作用。本方案拟综合使用多波束测深、侧扫声纳、单道反射地震以及磁测等海洋物探方法，对某场区海底及近岸的海域第四纪覆盖层、海域基岩面、海底障碍物进行勘探和探测。 1 方案的目的 1.1、查明拟建场区海底地形地貌特征。 1.2、拟建场区海底底质的划分，各种出露于海底的管线、障碍物和沉积物的探测和定位。 1.3、查明拟建场区的海底地质构造。 2 技术方案 综合使用多波束测深、侧扫声纳、单道反射地震以及海洋磁测等多种海洋物探方法，并进行适当地质钻探对比验证。 2.1多波束测深 多波束测深技术是目前海测领域进行海洋地形地貌勘测的重要 手段，被广泛应用于港口和航道测量，以及水下物体探测定位等方面，具有测量精度高和全覆盖的特点。多波束测深是水声技术、计算机技术、导航定位技术和数字化传感器技术等多种技术的高度集成。测深时，载有多波束测深系统的船，每发射一个声脉冲，不仅可以获得船下方的垂直深度，而且可以同时获得与船的航迹相垂直的面内的几十个水深值。多波束测深系统一般由窄波束回声测深设备（换能器、测量船摇摆的传感装置、收发机等）和回声处理设备（计算机、数字磁带机、数字打印机、横向深度剖面显示器、实时等深线数字绘图仪、系统控制键盘等）两大部分组成。多波束测深系统同单个宽波束的回声测深仪相比，具有横向覆盖范围大（为深度的几倍），波束窄（约为3°5°），效率高等优点。适用于海上工程施工区和重要航道的较大面积的精确测量，也可以用于精确测定航行障碍物的位置、深度。它能绘出海底三维图形，有的系统还可在冰覆盖区使用。 在测量中，使用多波束系统配合GPS RTK定位仪器进行。施工前，把仪器按要求固定安装到测量船只上后，在浪级小于1 m的海况下，分别在平坦海底区域和海底已知目标物上，对该系统的横摇偏差、纵摇偏差、电罗经偏差和导航延迟等参数进行一系列校正，并在施工附近方圆10 km内架设验潮站，每十分钟纪录一组潮水变化信息。施工期间，每3 h4 h监测一次海水声速变化，以确保测量的精度。在数据编辑和处理阶段，利用处理软件对海水深度数据进行编辑和滤波后，再采用人工干预来剔除残余的噪声数据，并加入潮水和声速改正信息，最终输出工程用图或海图。 2.2侧扫声纳 侧扫声纳技术是一种利用声波背反射原理实时成像的方法。该系统水下测量设备俗称“拖鱼”，外形酷似鱼雷，拖拽于船后，二侧装有声纳换能器，可按固定时间间隔向水底发射垂直于航向的扇形高频波束，接收来自海底或水体内物体的背反射信号，并依据所接收的信号走时信息和背反射强度来绘制直观的表征海底面貌的灰度或彩色图。这种方法具有分辨率高、覆盖面大和图像直观的优点，是目前海底地貌测量、海底底质划分，各种出露于海底的管线、障碍物和沉积物探测定位的重要手段。 以某型双频侧扫声纳为例，该系统有二个发射频率，分别为100 kHz和500 kHz，水平面内的波束角宽为0.5°，垂直平面内的波束角宽为50°。使用500 kHz的高频声纳信号进行测量，覆盖范围设定在测线二侧75 m以内时，分辨率能达分米级。野外测量时使用时间增益控制( TG )来补偿声波在传播过程中的损失，并利用自动增益控制( G )来补偿信号的随机变化，室内图像处理中利用手动增益控制(MGC)来使得输出的图像有最佳的显示效果。运用该系统对水底鱼礁、沉船和海底管线等各种出露于海底之上的物体进行调查研究，有较好的应用效果。 2.3单道反射地震 单道反射地震方法在浅海地质勘查领域具有较大的优势，可以为地质构造调查研究，海上基建项目选址，填海及航道疏通工程可行性研究等提供大量重要的地质信息，也被用于海底管线、隧道和各种掩 埋物等的调查研究。单道海上反射地震具有配置灵活、操作简单、高效且经济的特点，作为一种基础物探方法，其应用领域不断扩展。单道海上反射地震系统由船载系统和拖曳系统构成。拖曳系统包括换能器、水听器和电缆构成；船载系统包括可控震源、数据采集和处理平台、GPS卫星导航定位系统，测深系统等。 反射地震剖面系统的组成和工作原理示意 2.3.1 单道反射地震在浅水条件下的应用 在大区域、深水条件下，发射和接收设备(换能器和水听器)拖在船尾3050 m，以降低发动机、螺旋桨及船载设备对地震系统造成的音频干扰。 而在近岸浅水区域，工程特点一是区域小，测线往往很短，很多工区在海湾、避风塘等半封闭地区，发射和接收设备不能拖在船后足够距离；二是水浅，水深大多在210 m，不利于野外作业。在上述的环境不允许按深水区域的配置进行工作，如果缩短后置距离，环境 噪声必然增加，特别是测量船尾流生成的大量气泡，容易造成声波混淆。近岸地层的基岩界面较浅，沉积层相对较薄，地震的测量目标区厚度仅几米到十几米。直达波和水底的多次反射波会严重影响有用信息的获取。在水深足够的情况下，可通过设置延时接收参数。去除直达波，而且它一般对地层剖面没有影响。而在浅水条件下，水深可能和收发距相当，故而会叠加在水底反射界面上，严重时可能使海床面的辨认变得极为困难；多次波的情况更复杂。海底反射多次波在地震剖面上比较容易判断，往往是形态相似，和水深相关，随反射次数的增加，波动幅度逐渐加大的一组反射界面。在浅水条件下需组织设计一套压制直达波和多次波，提高地震信号信噪比的野外施工方案，并在施工中验证方案的有效性。可在系统装配设计时，将换能器和水听器分别放置在测量船两边，其好处是船体阻隔了直达波的大部分能量，使其对剖面的影响程度减弱到允许的范围，破坏了大部分多次反射波的形成途径。不利的方面是，由于靠近船身，噪声加大，而且由于涌浪的推动，水听器经常碰触船体而造成干扰。改进的方案是：在水听器的尾部设一个支点，防止它在测量船转弯时碰撞船壁，但又给它一定的自由度，保证正常航行时整条电缆不会激起气泡；其次，航线设计成平行于潮水方向，减弱浪涌的作用；根据具体情况调节收发距和水听器的吃水深度，进一步压制多次波的作用或避免多次反射界面叠加在真实地层界面上；选择合适的震源能量也可以有效地减弱多次波的作用，由于水浅，不但水底的反射产生多次波，基岩面的反射波同样在水层中产生多次反射，因此，适当降低震源的能量 在此类情况下是有益的。 2.3.2 抑制噪声水平的方法 地震勘查依赖于接收器的信噪比水平，通过压制噪声来提高信噪比水平同样是野外作业人员的工作重点。噪声包括空间随机信号和相干噪声。噪声源主要包括电缆晃动产生的水体紊乱、微弱的地震信号、海上交通、生物活动等造成的环境噪声，以及推进马达、螺旋桨、发电机、通讯设备产生的音频噪声。低于10 Hz的背景噪声主要是微弱地震活动；10200 Hz主要由船引起；2001 000 Hz的噪声主要考虑海水状态以及风的影响。 抑制噪声水平的其它方法如下。 (1)通过上述对噪声的频谱分析得知，噪声能量集中的频率范围为101 000 Hz，主要来源是发动机的震动和螺旋桨引起的，1 000 Hz 以上频率的噪声幅度相对减弱。因此，将水听器同主要噪声源之间的距离拉大，可以有效地降低噪声干扰，如将水听器放置在远离发动机的一侧。 (2)通过改变噪声源的基频，将之改变到换能器的能量谱之外，然后通过滤波的方法加以消除，如在船的发动机机座上安装避震装置来降低震动频率。 (3)可通过改变船速来降低螺旋桨产生的噪声，实验证明，噪声水平在船速34 km时较低，当船速达到6 km时急剧升高。 (4)对于电噪声，如50 Hz(或60 Hz)基频及其次生谐波的干扰、尖脉冲等，通过给发电机输出端加装滤波电感，在震源和接收系统处分 别接水线等方法加以压制，再通过低通滤波进一步消除。 2.3.3 地震剖面解释 地震剖面解释建立在声阻抗理论的基础上，换能器以一定的时间间隔向海底发射声脉冲，声波在遇到声阻抗特性不同的介质时，在界面上会产生反射。结合当地地质资料及地质取样数据和经过数据处理的地震剖面来区分和定义不同类型的地层，就可以确定这些界面的属性。近海浅水区域的地层一般为填埋层、沉积层及冲淤积层、基岩层等。 （1）填埋层。在部分区域有填埋层，和其依附的海相沉积层成分相似，但较松软，二者之间由于密度不同会产生相对较强的声波反射界面，层内密度不均，相对应的地震剖面多呈杂乱反射图像。 （2）沉积层及冲淤积层。海相沉积层构成均一，层内密度随深度逐渐增加，其地震剖面没有强的杂乱反射。冲淤积层最为显著，也就是说相对厚度最大，依附于风化基岩上，成分主要包括密度和强度随深度逐渐增加，冲积或淤积的沙、淤泥及粘土，从整条剖面来看，沙层、淤泥层和牯土层具有不连续性，但在局部的地震剖面上，成分之间的界面可辨。 （3）基岩层。风化基岩面多呈现弧状反射，声波在基岩内的传播速度明显加快，在信号的时间-幅度图中，该层的地震子波周期明显加大。 2.3.4 各层厚度值的获取 为了获取地层的厚度，在界定了各地层的声波反射界面之后需 要利用地震数据处理软件提供的数字化功能，将层的时问数据提取出来。这个时间为双程走时，是声波从发射开始，传播至反射界面再回到接收所经历的时间。如果知道该介质的声速c、各地层的层速，这个界面的深度就能根据公式算出。在地震剖面解释方面，钻孔数据是速度标定的依据，需要结合地质资料和钻孔数据，才能给出准确的地层定义及地层厚度结果。 2.4 海洋磁测 海洋磁测特别适合于探测各种海底掩埋、废弃的铁磁性物质，被广泛使用在海洋工程勘查、考古甚至军事领域。使用普通船只拖曳质子旋进磁力仪在海洋上测量的方式是目前最主要的一种磁测方式，相比采用无磁性船拖拽或沉底测量的方式具有成本低、施工简单和效率高的特点，但需要注意分析船体和方位对数据的影响。野外施工中，采用普通木制机动船拖拽探头的方式，磁力仪被置于船后70 m，以减少船体干扰，磁力仪的采样速率设为每秒纪录10 次，GPS实时定位，船速保持在2节3节，每0.2 m左右就能获得一个磁力数据，仪器显示灵敏度为0.01 nT/字。测量中，磁力仪距离海底为6 m 左右，这时的灵敏度较高，数据效果好并且也比较安全。 海底沉船、铁质磁性物体等海底掩埋物的磁异常较大，磁异常十分明显，达数百nT。在数据处理阶段可运用长方体磁异常作为反演依据，对海底掩埋磁性物质的情况做出准确的解释推断。海底管线理论上类似无限走向的水平圆柱体，磁异常最大值与最小值应大致以管线中心左右对称。海底管线与沉船等物体相比，磁性较弱，日变和其 它时变效应也会对数据处理和解释带来的困扰。测量时，测线垂直于管线走向，使用两点同步测量海洋磁场数值的梯度方法来消除海洋磁场随时间的变化分量，以增强探测低幅微值和短波长结构特征的能力。数据处理阶段进行日变改正和正常场改正工作，根据需要进行位场延拓、求导和化极等处理，使用多点滑动平均滤波，取得了较好的测量效果，达到了探测海底管线的目的。 3结语 海洋场地环境物探因其工作的特殊性，本方案使用包括地质钻探在内的多种钻探、物探手段进行勘察，基本实现了本方案设定的三个主要目的，达到了准确揭露海底地质特征的要求。任何一种单一的物探方法都不是万能的，要根据勘察的要求和目的，充分利用已知地质资料，分析各地层或目标物的特点和物理性质差异，综合选择合适的物探方法进行试验和勘探，是海域场地环境物探工作取得有效成果的关键。 本方案采用的多波束和侧扫声纳原理类似，仪器设计上各有侧重，特别是在海底目标物探测方面，二种方法具有较好的互补性。多波束技术具有对目标物的深度、尺寸和定位准确的优点，常利用三维可视化进行分析；侧扫声纳的优点在能直观地提供海底形态的声成像，分辨率极高，且拖鱼距海底深度可调，又可划分目标物的底质特征。同时，多波束受水深和波束角度的制约较大，分辨率由中央波束向边缘波束降低，对凹陷目标的探测效果也很不理想，适用范围远不如侧扫声纳广泛，而侧扫声纳测量结果易受环境干扰，只能由目标影 子长度等参数估计目标高度和尺寸，对数据解释人员的要求比较高，推断解释时经验占较大比重。海洋地震勘探是传统性的海洋声学技术，是目前研究海洋地质构造的主要技术手段，有时也与海洋磁测配合来查找区域内的断层或其他构造情况。单道反射地震的分辨率相当高，因此在查找各种埋藏于海床之下尺寸较大的目标物方面也有许多应用，比如沉船，海底管线和隧道等，但其工作效率相对较低，成本高。海洋磁测常被用于探测各种位于海底表面或被掩埋的铁磁性物质，在此类工程中，单道反射地震方法可以在海磁资料的基础上，进行针对性的调查研究，提供目标物的埋深。 从长期实践来看，根据每种海洋物探方法技术的特点组合使用，对于解决各种海事和浅水工程问题，有着十分良好的应用效果。随着我国经济和技术水平的快速发展，近海工程的增多，海洋物探技术必将发挥更大的作用，创造良好的社会和经济效益。