李家鋼，黃必桂，劉樂(lè)軍，李西雙*，周慶杰，高珊，周航，欒坤祥

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2. 自然資源部第一海洋研究所 地質(zhì)與地球物理研究室，山東 青島 266061；3. 北京勞雷海洋儀器有限公司，北京 100020)

1 引言

在南海北部發(fā)育的海底地貌中，硬質(zhì)海床是一種比較典型的地貌類型，主要包括珊瑚礁、各類膠結(jié)砂以及膠結(jié)的珊瑚石或貝殼碎屑等組成的厚度較薄的土層[1]。此外，在海底之下數(shù)米的土層中，也存在類似的以膠結(jié)的珊瑚碎片為主的薄層[2]。對(duì)于上述位于不同深度的各類膠結(jié)砂或膠結(jié)珊瑚碎片或貝殼等組成的硬質(zhì)土層，本文統(tǒng)一稱之為“硬質(zhì)薄層（Hard-thin Layers, HTLs）”。在物理性質(zhì)上，硬質(zhì)薄層與其上下方的松散土層具有較大的差異，往往表現(xiàn)出硬度高、密度大等特點(diǎn)[3]。在南海北部，硬度大且分布極具不確定性的硬質(zhì)薄層對(duì)海上工程施工，比如海底光纜、油氣管道鋪設(shè)等帶來(lái)極大困難。硬質(zhì)薄層可能導(dǎo)致海底挖溝二次作業(yè)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和工期延誤，甚至可能導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備的損害[4]。因此，如何快速而有效地識(shí)別并確定硬質(zhì)薄層的位置、分析評(píng)估其危害性成為海上工程地質(zhì)勘察中迫切需要解決的問(wèn)題。然而，迄今有關(guān)討論海床淺表層硬質(zhì)層的文獻(xiàn)不多。吳海京和年永吉[1]基于側(cè)掃聲吶影像討論了不同類型硬質(zhì)海底的聲學(xué)特征；徐梓辰等[5]討論了基于鉆頭振動(dòng)數(shù)據(jù)識(shí)別硬質(zhì)地層的方法。

本文以南海北部荔灣管線路由區(qū)為例，基于淺地層剖面、側(cè)掃聲吶影像以及多波束后向散射強(qiáng)度等聲學(xué)資料，分析并討論了海床淺表層硬質(zhì)薄層的聲學(xué)識(shí)別特征，總結(jié)了海底以及埋藏于海底之下硬質(zhì)薄層的聲學(xué)識(shí)別方法。研究結(jié)果對(duì)于利用工程物探資料快速而有效地識(shí)別硬質(zhì)薄層有指導(dǎo)意義。

2 荔灣管道路由區(qū)硬質(zhì)薄層的物理特性

南海北部陸架區(qū)的海底重力取樣與地質(zhì)鉆孔取樣的土工測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，海底附近的硬質(zhì)薄層主要由粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土/黏土質(zhì)砂和砂粒、貝殼/珊瑚石碎屑等組成，厚度從幾十厘米到數(shù)米不等。已有的研究顯示，貝殼碎屑和珊瑚礁碎屑通常具有比正常陸架沉積物高的縱波聲速和聲衰減系數(shù)[6]；而細(xì)顆粒的沉積物將貝殼以及大塊珊瑚石“膠結(jié)”（圖1），會(huì)增加沉積物的剛度，從而導(dǎo)致高的剪切波和壓縮波速度，使得海床變硬，不利于挖溝作業(yè)。

圖1 南海北部陸架路由區(qū)取樣中的珊瑚石照片F(xiàn)ig. 1 Photo of coral rocks in geological samples in the route area of northern shelf of the South China Sea

3 資料與方法

3.1 聲學(xué)資料

研究中收集了南海北部荔灣管道路由區(qū)的工程物探資料，包括高分辨率淺地層剖面、側(cè)掃聲吶影像以及由多波束數(shù)據(jù)提取的后向散射數(shù)據(jù)，這些物探數(shù)據(jù)分布于寬度約為500 m的條帶狀區(qū)域（圖2）。淺地層剖面的采集使用了KONGSBERG公司的TOPAS PS18淺地層剖面儀，采用CW模式發(fā)射脈沖信號(hào)。側(cè)掃聲吶資料采用Klein 3000側(cè)掃聲吶獲得，數(shù)據(jù)采集過(guò)程中使用了雙頻率（100 kHz和500 kHz）。多波束后向散射數(shù)據(jù)由EM302獲得的多波束原始數(shù)據(jù)中提取后經(jīng)校正、網(wǎng)格化后生成，網(wǎng)格化間距為5 m×5 m。

圖2 研究中收集的工程物探資料分布Fig. 2 Track of geophysical data collected in the study areaa中灰色線表示側(cè)掃聲吶和多波束數(shù)據(jù)覆蓋的條帶狀區(qū)域，黑色點(diǎn)表示有淺地層剖面數(shù)據(jù)的區(qū)域，其中一個(gè)區(qū)域進(jìn)行了放大如bGrey lines represent the narrow zone covered by side-scan sonar and multibeam data and black dots represent the areas with sub-bottom profiles in a. An area is enlarged as in b

3.2 正演模擬

為更好地了解海底附近硬質(zhì)薄層與正常沉積物在淺地層剖面上反射特征的差異，在研究中構(gòu)建了兩種簡(jiǎn)單的二維地層模型進(jìn)行正演模擬。為方便計(jì)算，正演模型中地層/薄層厚度和子波頻率做相應(yīng)的縮放，薄層厚度/埋深放大20倍（放大后約為10 m），輸入子波的頻率則變?yōu)闇\地層剖面主頻的1/20，約為100 Hz。

4 結(jié)果與討論

4.1 硬質(zhì)薄層的地震正演模擬

研究中使用兩個(gè)二維平行介質(zhì)模型來(lái)進(jìn)行正演模擬，模型中的具體參數(shù)見(jiàn)表1，兩組模型及正演結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

表1 地震正演模型參數(shù)Table 1 Parameters in seismic forward models

在模型I中，硬質(zhì)薄層位于海底以下10 m。正演得到的地震記錄（圖3）顯示，硬質(zhì)薄層處反射振幅較兩側(cè)沉積物強(qiáng)，硬質(zhì)薄層兩側(cè)可見(jiàn)繞射現(xiàn)象，并且硬質(zhì)薄層下方反射的受到“屏蔽”而變?nèi)?。上述地震反射特征出現(xiàn)的主要原因是，相對(duì)于周邊的松散沉積物，硬質(zhì)薄層具有較高的波阻抗（硬質(zhì)薄層具有更大的密度和縱波波速），較多的反射波能量會(huì)在硬質(zhì)薄層的上界面反射回去，只有部分能量能繼續(xù)向下傳播。在硬質(zhì)薄層兩側(cè)與沉積物接觸的邊緣，可以視為彈性不連續(xù)的間斷點(diǎn)，當(dāng)?shù)卣鸩ㄍㄟ^(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生繞射現(xiàn)象[7]。

圖3 模型I（a）及地震正演結(jié)果（b）Fig. 3 Model I (a) and seismic forward result (b)模型I中不同介質(zhì)（硬質(zhì)薄層、海水、地層1和地層2）的密度取值相同，僅考慮速度差異而引起的波阻抗變化，硬質(zhì)薄層縱波波速取3000 m/s，海水波縱波波速取1500 m/s，地層1縱波波速取 2000 m/s，地層2縱波波速取2500 m/sIn model I, the density of medias (hard-thin layer, seawater, formation 1 and formation 2) are assumed to be same; therefore, impedances of the medias are determined by their sound velocities. Here, the sound velocity is taken as 3000 m/s for the hard-thin layer, 1500 m/s for seawater,2000 m/s for formation 1 and 2500 m/s for formation 2

在模型II中，硬質(zhì)薄層位于海床表面。正演得到的地震記錄（圖4）顯示，較之兩側(cè)沉積物，硬質(zhì)薄層具有較強(qiáng)的振幅，薄層兩端仍可見(jiàn)繞射現(xiàn)象，但不如模型I中明顯。薄層下方地層的反射振幅相對(duì)于模型I中更弱，表明當(dāng)硬質(zhì)薄層位于海床表面時(shí)對(duì)下方地層反射振幅影響更大。

圖4 模型II（a）及地震正演結(jié)果（b）Fig. 4 Model II (a) and seismic forward result (b)模型II中不同介質(zhì)（硬質(zhì)薄層、海水、地層1和地層2）的密度取值相同，僅考慮速度差異而引起的波阻抗變化，硬質(zhì)薄層縱波波速取3000 m/s，海水波縱波波速取1500 m/s，地層1縱波波速取 2000m/s，地層2縱波波速取2500 m/sIn model II, the density of medias (hard-thin layer, seawater, formation 1 and formation 2) are assumed to be same; therefore, impedances of the medias are determined by their sound velocities. Here, the sound velocity is taken as 3000 m/s for the hard-thin layer 1500 m/s for seawater,2000 m/s for formation 1 and 2500 m/s for formation 2

4.2 淺地層剖面

荔灣淺水路由區(qū)的淺地層剖面上，海底之下數(shù)米至十幾米范圍內(nèi)可以識(shí)別出4種典型的聲學(xué)反射相（圖5a至圖5d）：振幅較強(qiáng)的平行反射相、振幅較弱的平行反射相、無(wú)反射以及繞射。結(jié)合路由區(qū)已有的地質(zhì)取樣，上述反射相中平行反射通常代表了軟質(zhì)松散沉積物，無(wú)反射則通常與砂質(zhì)沉積物相關(guān)；海底管線表現(xiàn)出明顯的繞射。有一種反射特征值得注意，即強(qiáng)反射界面之下出現(xiàn)弱振幅平行反射，且弱反射的邊界是直立的（圖5d），這一反射特征可以與正演模型II得到的地震記錄相對(duì)比，推測(cè)是位于海底且厚度不大的硬質(zhì)薄層引起的。在陸架外緣（水深約為200 m）的部分淺地層剖面上（圖5e），海底或者海底之下數(shù)米可見(jiàn)典型的繞射現(xiàn)象，繞射弧之間表現(xiàn)為強(qiáng)反射界面下緊跟著空白反射或弱反射，這種反射特征也與正演模型得到的結(jié)果相似。據(jù)文獻(xiàn)[2]的研究，這種反射特征被解釋為埋藏的薄層珊瑚礁，強(qiáng)反射指示了位于海底附近硬質(zhì)薄層的位置和分布。

圖5 路由區(qū)典型聲學(xué)反射相（a-d）以及陸架外緣的埋藏硬質(zhì)薄層反射特征（e）Fig. 5 Typical acoustic reflection facies (a-d) in the study area and the reflection configuration of the buried hard-thin layers at the outer edge of the shelf (e)a. 振幅較強(qiáng)的平行反射；b. 振幅較弱的平行反射及管線引起的繞射；c. 海底下方的無(wú)反射；d. 強(qiáng)反射海底下反射突然變?nèi)醅F(xiàn)象a. Parallel reflections with high amplitude; b. parallel reflections with low amplitude and diffractions caused by the pipeline; c. no reflections beneath the seafloor; d. the phenomenon that amplitude of the reflections are abruptly lower beneath the seafloor which has high-amplitude reflections

從硬質(zhì)薄層物理性質(zhì)和模擬結(jié)果來(lái)看，由膠結(jié)的珊瑚礁石組成的硬質(zhì)薄層相對(duì)于松散沉積物而言波阻抗差異大，硬質(zhì)薄層邊界處繞射現(xiàn)象明顯，這種類型的硬質(zhì)薄層多出現(xiàn)于陸架外緣[2]。當(dāng)硬質(zhì)薄層是細(xì)顆粒沉積物和貝殼膠結(jié)而成時(shí)，其與正常沉積物的接觸邊界不像珊瑚礁那樣明顯，導(dǎo)致其邊緣繞射現(xiàn)象不明顯，但其相對(duì)較高的波阻抗仍然能夠形成強(qiáng)反射界面并能夠“阻擋”部分反射波能量向下透射，從而造成薄層下方反射振幅變?nèi)?。這種硬質(zhì)薄層多見(jiàn)于陸架淺水區(qū)。

4.3 側(cè)掃聲吶影像

側(cè)掃聲吶技術(shù)在水下目標(biāo)探測(cè)以及海底底質(zhì)分類中有著廣泛的應(yīng)用[8-15]。側(cè)掃聲吶影像圖可以清楚地顯示出不同海底地貌類型的聲學(xué)特征[10,16-19]。淺水路由區(qū)發(fā)育的麻坑、沙波、沙紋等地貌在側(cè)掃聲吶影響上很容易識(shí)別出來(lái)（圖6a，圖6c）：麻坑在平面上呈近圓形，內(nèi)部為暗色陰影，邊緣較亮；沙波和沙紋呈明顯的明暗陰影交替；已鋪設(shè)的海底管線在側(cè)掃聲吶影像上呈線狀陰影（圖6a至圖6d）。此外，側(cè)掃聲吶影像圖上還可以識(shí)別出邊界呈不規(guī)則狀、內(nèi)部呈現(xiàn)明暗快速變化的區(qū)域，其特征與典型礁石的側(cè)掃影像相似[20]，分布呈零散狀，面積大小不一（圖6b，圖6d）。考慮到沿路由區(qū)的取樣以及淺地層剖面并未揭示基巖存在，上述影像特征可能指示了出露海底的硬質(zhì)薄層。

圖6 側(cè)掃聲吶影像揭示的典型地貌（a-d中左側(cè)影像為高頻，右側(cè)為低頻）Fig. 6 Typical geomorphological features revealed by side-scan sonar images (left images in a-d were acquired with high frequencies and right ones were acquired with low frequencies)

4.4 多波束后向散射強(qiáng)度

多波束水深測(cè)量時(shí)記錄的后向散射強(qiáng)度反映了海底的粗糙程度，其大小依賴于聲波入射角、海底粗糙程度、沉積物類型、聲學(xué)性質(zhì)以及聲波在水體中的傳播狀況，在海底沉積物類型分類中應(yīng)用廣泛[21-27]。由后向散射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化得到的灰度圖可以較為直觀地反映海底的粗糙程度，其灰度紋理以及其幾何形態(tài)可以反映出海底底質(zhì)類型的變化和地貌分區(qū)。當(dāng)由細(xì)顆粒沉積物和貝殼/珊瑚礁碎塊構(gòu)成的硬質(zhì)薄層出露海底時(shí)，由于硬質(zhì)海底力學(xué)強(qiáng)度大，其形態(tài)受海流沖刷影響小，粗糙的表面通常表現(xiàn)出較大的后向散射強(qiáng)度。在路由淺水區(qū)，后向散射強(qiáng)度灰度圖上至少顯示出4種典型的影像特征（圖7）。在這些影像特征中，有一種表現(xiàn)為顏色較深（灰度值較大，對(duì)應(yīng)于后向散射強(qiáng)度大）且呈不規(guī)則幾何形態(tài)，其形成與海底處的硬質(zhì)薄層密切相關(guān)（圖7c）。已鋪設(shè)的海底管線則表現(xiàn)出與側(cè)掃聲吶影像圖上類似的線性陰影特征（圖7a，圖7c和圖7d）。

圖7 后向散射強(qiáng)度灰度圖揭示的典型地貌Fig. 7 Typical geomorphological features revealed by the grayscale map of backscatter intensity

4.5 硬質(zhì)薄層的綜合物探數(shù)據(jù)驗(yàn)證及分布

由于物探資料解譯具有多解性，不同物探資料的相互驗(yàn)證尤為必要，這種驗(yàn)證在物探資料的信噪比較低時(shí)更是必須的。很多研究案例顯示，綜合利用物探資料識(shí)別并確定海底目標(biāo)是一個(gè)有效的手段[28-30]。我們將工程物探資料確定的硬質(zhì)薄層區(qū)域與已通過(guò)地質(zhì)取樣確認(rèn)或其他方式（如現(xiàn)場(chǎng)施工）確定的硬質(zhì)薄層區(qū)域進(jìn)行對(duì)比，其中位于管線附近的8個(gè)硬質(zhì)薄層區(qū)高度吻合，這表明通過(guò)綜合利用不同物探方法和資料可以較準(zhǔn)確地確定硬質(zhì)薄層是否存在以及其分布范圍。圖8展示了其中一個(gè)硬質(zhì)薄層分布區(qū)的驗(yàn)證情況。在側(cè)掃聲吶影像圖上，硬質(zhì)薄層對(duì)應(yīng)的位置表現(xiàn)為邊界不清楚的亮斑（圖8a）；而在后向散射強(qiáng)度灰度圖上（圖8b），硬質(zhì)薄層表現(xiàn)出較大的后向散射強(qiáng)度值，其不規(guī)則的邊界比較清晰；而淺地層剖面上（圖8c）硬質(zhì)薄層處海底表現(xiàn)為強(qiáng)反射特征，海底下方沉積層的反射變?nèi)踔两蹩瞻?，兩?cè)具有直立邊界，與周邊松散沉積物展示的中等強(qiáng)度的平行反射相形成明顯對(duì)比。

圖8 多種物探資料解釋的硬質(zhì)薄層Fig. 8 Comprehensive interpretation of hard-thin layers by geophysical dataa 為側(cè)掃聲吶影像，b 為后向散射強(qiáng)度，c 為淺地層剖面。a 和 b 中紅色虛線圈定的區(qū)域?yàn)橛操|(zhì)薄層分布區(qū)；c 中帶雙箭頭的白線為硬質(zhì)薄層的分布區(qū)a is sde-scan sonar image, b is backscattering intensity and c is sub-bottom profile. The area delineated by the red dotted lines is the distribution area of the hardthin layers in a and b. The white lines with double arrows indicate the distribution of the hard-thin layers in c

綜合利用側(cè)掃影像、多波束后向散射強(qiáng)度以及淺地層剖面，沿荔灣管線路由區(qū)共確定出23個(gè)規(guī)模較大的硬質(zhì)薄層分布區(qū)（圖9）。在這些區(qū)域中，大部分區(qū)域已得到證實(shí)（地質(zhì)取樣或現(xiàn)場(chǎng)工程施工的確認(rèn)）。對(duì)上述23個(gè)區(qū)域的統(tǒng)計(jì)顯示，路由區(qū)（500 m寬的條帶）硬質(zhì)薄層的分布面積約為5.6×105m2，其中最小區(qū)域的面積約為600 m2，最大面積超過(guò)7×104m2。

圖9 研究區(qū)內(nèi)識(shí)別的硬質(zhì)薄層的分布（埋藏深度小于5 m）Fig. 9 The location of hard-thin layers (buried depth is less than 5 m) identified in the study areab的位置見(jiàn)右上角a；c是b的局部放大，黑色區(qū)域?yàn)樽R(shí)別的硬質(zhì)薄層分布區(qū)The location of b is shown in a, and c is a partial enlargement of b. Black areas denote the distribution area of hard-thin layers identified by geophysical data

5 總結(jié)

本文以南海北部荔灣管線路由區(qū)為例，基于硬質(zhì)薄層的物理性質(zhì)開(kāi)展了地震正演模擬以及工程物探資料的綜合分析，得到了如下認(rèn)識(shí)：

（1）硬質(zhì)薄層的物理性質(zhì)顯示它們與周邊沉積物相比具有較高波阻抗和強(qiáng)度，且容易形成粗糙的海底，因此可以基于聲學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)（如淺地層剖面、側(cè)掃聲吶影像和后向散射強(qiáng)度）識(shí)別并確定它們的位置。

（2）在淺地層剖面上，平直的強(qiáng)反射界面及其對(duì)下方地層反射信號(hào)的“削弱”甚至屏蔽現(xiàn)象可以作為硬質(zhì)薄層存在的指示，強(qiáng)反射的位置指示硬質(zhì)薄層的埋深和分布。

（3）側(cè)掃聲吶影像和后向散射強(qiáng)度均能夠很好地顯示位于或出露于海底面的硬質(zhì)薄層，都表現(xiàn)為具不規(guī)則形狀的明暗陰影變化的特征，但后向散射強(qiáng)度圖能更清楚地揭示硬質(zhì)的分布邊界。

（4）當(dāng)硬質(zhì)薄層位于海底時(shí)，綜合側(cè)掃影像、反向散射強(qiáng)度結(jié)合淺地層剖面可以有效地確定硬質(zhì)層的存在及其分布范圍；而當(dāng)硬質(zhì)層位于海床淺層部位（數(shù)米至十幾米）時(shí)，淺地層剖面可能是目前唯一且有效方法。

致謝：感謝劉洋廷博士在正演方面給予的大力支持，也感謝審稿人在提高本文質(zhì)量方面提出的富有建設(shè)性的建議和意見(jiàn)！