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1、海底浅地层剖面仪内业培训教材上海地海仪器有限公司2005年2月目 录1、 绪言2、 海底浅地层剖面仪的应用领域3、 海底浅地层剖面仪基本原理3.1 深度测量3.2 海底分层测量4、 海底浅层剖面仪的分辨率4.1 垂直分辨率4.2 水平分辨率5、 影响海底浅地层剖面仪的环境因素6、 剖面声图包含的图像类型6.1 干扰图像6.2 多次反射图像6.3 地层界面线、地层层位图像6.4 水体图像。7、 剖面声图层理特征7.1 简单层理特征7.2 复杂层理特征7.3 无声反射带8、 浅地层剖面声图解释实例海底浅地层剖面仪内业培训教材1. 绪言浅地层剖面仪又称浅地层地震剖面仪、浅层剖面仪。是一种走航式探测水
2、下浅部地层结构和构造的地球物理方法。其主要特点是探测记录海底浅地层组织结构，以垂直纵向剖面图形反映浅地层组织结构，而且具有良好的分辨率，能够高效率探测海域的海底浅地层组织结构。现代浅地层剖面仪对水下地层的垂直分辨率可达0.1米，穿透深度，砂质海底可达10米，泥质海底可达一百多米。该设备已成为浅剖地质探测必备装备。浅地层剖面技术起源于21世纪六十年代初期。七十年代以来，随着近海油气资源的大规模开发和各种近岸水上工程建设项目的不断增加，以及各种地质灾害地质现象的频繁发生和发现，这种海底探测设备的重要性越来越为人们认识。2. 海底浅地层剖面仪的应用领域海底浅地层剖面仪主要应用于以下几个领域：海底石油
3、及矿物勘探；海洋地质、地貌调查研究；海洋工程勘察；海底环境调查；3. 海底浅地层剖面仪基本原理注意发射的声波在传播过程中，由于各种能量消耗，振幅是在不断减小的。当声波遇到强反射层，如硬底质，反射的声波振幅并不是比入射的声波振幅更大，而是相对于其它的弱反射层或多次反射的波的能量（振幅）更大，并有在反射回接收器的过程中振幅还会衰减。3.1 深度测量 海底浅地层剖面仪工作方式与测深仪相似，工作频率较低，测深仪只能测量换能器到海底的水深，而浅地层剖面仪不仅能测量换能器到海底的水深，还能探测换能器垂直下方的海底一定深度，反映海底地层分层情况和各层地质的特征。浅地层剖面仪的换能器按一定时间间隔垂直向下发射
4、声脉冲，声脉冲穿过海水触及海底以后，部分声能反射返回换能器；另一部分声能继续向地层深层传播，同时回波陆续返回，声波传播的声能逐渐损失，直到声波能量损失耗尽为止。测量地层厚度，实际是测量声波穿透地层传播的时间，如T表示地层上下两个界面之间的时间差，即声波往返两次穿过该地层上下两个界面的时间，C表示该地层的声速，这样就可按下式算出该地层厚度：W=1 2CT式中：W：地层厚度（m） C：地层声速：（m/s） T：声波往返两次穿过地层的时间（s）地层声速随着不同的沉积物存在不同的声速，几种常见沉积物声速如下表：沉积物类型平均直径mm组成%沉积物密度 103kg/m3孔隙度n%纵波速度c m/s砂粉砂粘
5、土粗砂0.530100.02.0338.61836细砂0.15388.16.37.11.9843.91742粉砂0.09083.913.12.91.9147.41711粘土质粉砂0.0066.159.234.81.4375.01535粘土0.00150.620.778.91.4277.51491海底沉积物声速更详细资料可查阅有关资料3.2 海底分层测量 声波的海底反射能量大小由反射系数（R）决定，反射系数R为： R=入射R是否应为反射振幅与入射振幅的比值脉冲振幅 反射脉冲振幅=2v2-1v1 2v2+1v1 1 V1，2 V2分别表示一、二层介质的密度和声速，由式可知要得到强反射。必须有大的密
6、度差和大的声速差，如相邻两层有一定的密度和声速差，其两层的相邻界面就会有较强的声强，在剖面仪终端显示器上会反映灰度较强的剖面的界面线。V称为声阻率，简单地说，海底相邻两层存在一定声阻率量差，就能在剖面仪显示器上反映两相邻的界面线，并能分别显示两层沉积物的性质图像特性差异。4. 海底浅层剖面仪的分辨率海底浅地层分辨率可分为垂直分辨率和水平分辨率。分辨率定义：两层面之间能分辨的最小间隔，即能分辨为两个界面的最小间距。4.1 垂直分辨率垂直分辨率与反射脉冲宽度相关，用下式表示：垂直分辨率=1 2C式中： C：声速 ：脉冲宽度上式说明垂直分辨率的最小间隔为1 2C ，小于1 2C 就不能分辨。这是由于
7、脉冲的前沿触及1界面后的反向返回的声波与脉冲后沿触及2界面后的反向返回的声波最小间隔为1 2C 如果小于1 2C，就不能分辨为两个界面。原因是若由不同深度界面返回的两个脉冲之间的路程差若是小于脉冲宽度，则会导致两个脉冲有一部分相叠加，因为脉冲是有一定宽度的。叠加后则分不出是由哪个层面反射来的实际地层的垂直分辨与多种因素有关，如：地层介质对声波的反射、透射和散射能力有关，与地层厚度，声波波束角有关，与记录和显示设备的分辨率有关。因此，在实际探测过程中，应根据具体情况，综合实际因素分析垂直分辨率。以上所说分辨率与发射脉宽相关，就是说脉宽要窄，才能得到高分辨率。但是发射功率与脉宽也有相关，发射宽脉冲
8、可得到较大的发射功率，发射窄脉冲只能降低发射功率。发射功率又与穿透沉积层厚度有关，发射功率大，声波穿透沉积层厚度大；发射功率小。声波穿透沉积层厚度小。由以上所述可知，分辨率与穿透深度是矛盾的。线性调频技术（chirp），较好的解决了分辨率与穿透深度的矛盾。通过发射宽带，长时间的调频脉冲，接收信号经过相关处理（匹配滤波），得到一个比发射脉宽的宽度窄很多的压缩脉冲，压缩后的脉冲宽度与发射脉冲的宽度无关，这个压缩脉冲宽度等于调频带宽的倒数，表达式为：P=1/f 式中：P：处理后的脉冲宽度（s） f：调频宽度由上式可以理解，发射较宽的线性调频（chirp）脉冲，能够保证一定穿透深度，同时不会降低垂直分
9、辨率。4.2 水平分辨率声波以球面波形式从声源向外传播，因此，对任何反射界面而言，声波覆盖的面积，随扩散时间的增加而增大。声波触及反射界面后产生反向反射声波，剖面仪的检波器能够第一时间被接收的反射声波记录下来的有限园域，称为第一菲涅尔带，水平分辨率很大程度上取决于这个带的大小。第一菲涅尔带对水平分辨率影响因素是这个带的半径大小，其半径R可由下式表示：R=1 2v（t f）1 2式中：t：到达反射体的时间（s） V：声源与反射体之间介质的平均速度（m/s） f: 声波信号的频率（Hz）菲涅尔带是一个圆弧带，中心距这个带的边缘是1/4，R小，剖面声图能反映探测反射界面的小隆起和凹陷形态；R大，剖面
10、声图不能反映出所探测反射界面的小隆起和小凹陷地貌形态。5. 影响海底浅地层剖面仪的环境因素在海上应用声呐系统都要受到海上各种环境因素的影响。因此，应用声呐系统在海上工作应该注意海上环境因素，只有正确使用声呐系统，才能获得良好的声图图象，才能得到正确的解释结果。影响浅地层剖面仪的海上环境主要因素，有以下几方面：地质条件：海底底质是砂、岩石、珊瑚礁和贝壳等类型，严重制约声波穿透深度。汽水界面：汽水界面能将发射声能几乎全部反射，几乎无发射声波触及目标。船尾的尾流区域：如果采用船尾拖曳换能器，应该使换能器避开船的尾流区，一般方法是使换能器入水深度加深，或者拖缆加长。噪声：在系统的带宽范围内的外界声源信
11、号都可能串入造成干扰信号图像，如：电噪声、水噪声、船只机械噪声、沿岸工程噪声等。船只摆动：拖鱼设计为稳定的水平状态工作，船速和航向不稳定造成船只摇摆，使拖鱼不能保持平稳状态，造成图像不良。海况：涌浪使船只摇摆，致使拖鱼不稳定。6. 剖面声图包含的图像类型6.1 干扰图像6.1.1 后辐射干扰：由于剖面仪开角较大及副瓣作用，有部分声波直接向水面辐射，导致海底直达声波和海面反射多路径的声波重叠显示的干扰图像。在记录声图上海底界面会出现三条平行等间距（间距等于换能器入水深度）的界面线，易于被认为地层的界面线。6.1.2 直达声波干扰：由于换能器基阵90度方向的灵敏度较大，发射换能器发射声波会有一部分
12、向水平方向射出，该部分声波直接被接收换能器接收，形成直达波记录。当收、发换能器间距之半小于测区水深时，直达波被反映在海底线之上端，呈现细而均匀的线条与零位线平行，可呈现多条平行线。6.1.3 侧向发射干扰由于发射换能器的较大波束角，当船驶近岸壁、巨轮、突起暗礁时会有反射面形成侧向反射干扰图像。这种干扰图像视干扰物距离远近而会出现在海底之上或与海底界面线和地层图像叠加。其图像特征是前后不连续的一段或几段线段图像。6.2 多次反射图像6.3 地层界面线、地层层位图像6.4 水体图像。从发射线至海底之间的水体图像，有鱼群时可在水体图像中显示鱼群图像。7剖面声图层理特征剖面声图的层理特征，是指剖面声图
13、显示具有一定灰度的点状、块状和线状图形组成的图像，反映不同性质的海底地层图像的特征。7.1 简单层理特征7.1.1 平行简单层理特征，沉积层界面呈现平行特征，其层位图像也呈平行特征，表明沉积物平稳且较均匀一致的下沉积淀，显示了在低能量沉积环境中细粒沉积物。7.1.2 发散简单层理特征，点状和线状图像由密集扩散成稀疏图像，表示沉积物沉积速率的区域变化。7.2 复杂层理特征7.2.1 复杂斜层理特征：由点状、块状和点线状图形组成的不平行倾斜状图形特征，通常表示河流及河流三角洲，近岸平原沉积物的沉积层图像特征。7.2.2 S型复杂层理特征：由形成S型的线状或块状组成的图像特征，通常表示三角洲及浅海环
14、境的沉积层图像特征，沉积物的粒度从细到相对粗的粒度。7.2.3 杂乱层理特征：不连续、不整合的点状、线状图形组合的图像特征，表示相对高能量沉积环境，它有各种不同的沉积速率，沉积后基底瓦解、崩积后残积堆积。7.3 无声反射带无声反射带就是声图中不存在具有一定灰度的点装、块状和线状图形，而形成空白的或干扰图像。产生无声反射带是由于该沉积物中有天然气或泥炭层。8. 浅地层剖面声图解释实例：（见附图） 声图反映海平面变化，在冲积平原或近岸环境中沉积物沉积作用中反映的典型剖面图像特征。将沉积层划分为沉积单元，对每一沉积单元图像特征进行说明如下：沉积层单元6是点、线状杂乱层理图像特征，表明该沉积层是粗粒的
15、沉积物，沉积物可能残积或崩积形成沉积层，该层顶部被认为是在低海平面时期形成的地表侵蚀面。沉积物单元5是点、线状平行层理图像特征，表明该层系由海平面上升后，由细粒到中粒的浅海沉积物形成的沉积物，随着海平面下降，该区又由河流塑造，导致了沉积层单元4a和4b的沉积层特征。沉积层单元4a是点、线状斜交的倾斜层理图像特征，显示了在该层形成河道，在河道中粗粒沉积物的交错层理。沉积层单元4b是点、线状平行或稍微倾斜图像特征，表明河流泛滥平原或在河流超越河岸的河流决口扇，形成粗、细粒都有的沉积层。沉积层单元3表明海平面再次上升，导致浅海环境中多为细粒沉积物的沉积层。沉积层2是点、线状图形自图左向图右倾斜向发散
16、并穿入下面和右边层面形成平行图象特征，表明海平面再次轻度下降，由潮流冲蚀，其粒级由右边细粒泥质沉积到左边倾斜较大的沙质沉积。沉积层单元1是点、线状图形组合的平行图像特征，表明最后一次海平面上升，浅海环流作用形成，同时也说明沉积层组成多是泥、粉砂和细砂。沉积层单元7是点状图形无序组合图像特征，表明该层是声波屏蔽带，也可称无声反射带或称无声信号带，一般认为是由该沉积物中含有气体或泥炭层存在，在该层高分辨率的高频信号被衰减得最快，或说声波信号被较快吸收掉，因此，声波在该层穿透深度很小。对浅层剖面声图的解释，是综合知识的经验积累，有关知识如仪器性能、仪器正确使用方法，水声物理，海洋物理、测绘方法、海洋地质等基本知识。海洋实际工作经验也是很重要的。声呐的声图图像解释的困难之处，在于声呐的声图是依据反射信号强弱，用像素点的灰度强弱来反映。像素点组合形成图像，这种图像反映目标真实形状是很差的。由于多种因素影响不可能形成真实目标图像，因而存在多值性。解释就要排除各种干扰因素，才能得到正确解释结果。
