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摘要：淺地層剖面儀由于高效、經(jīng)濟的特點在海洋測繪中發(fā)揮了重要的作用，同時由于其穿透深度深、作業(yè)效率高的優(yōu)勢在表層淤泥厚度探測中占有重要的地位；本文結(jié)合深圳某海域的工程實例，介紹了淺地層剖面儀在表層淤泥探測中的外業(yè)作業(yè)流程及內(nèi)業(yè)處理方法，著重闡述了淺地層剖面儀圖像判讀過程中注意的問題，并就其數(shù)據(jù)成圖的流程進行了介紹，以為類似近海工程應用提供參考。

關鍵詞：淺地層剖面儀；表層淤泥厚度；圖像判讀

一、引言

淺地層剖面儀自興起以來，已經(jīng)廣泛應用于海洋地質(zhì)調(diào)查、港口建設、航道疏浚、海底管線布設以及海上石油平臺建設等方面，另外其在淤泥層厚度、基巖埋深及災害地質(zhì)情況探測等方面也發(fā)揮了越來越重要的作用。關于淺地層剖面儀在海底管道檢測中的應用許多學者已經(jīng)做了介紹，而對于其在淤泥層厚度探測方面的研究涉及較少，僅有在人工湖中的研究個例。本文以深圳某海域探測為例，探討淺地層剖面儀在表層淤泥厚度探測方面的應用，同時就其數(shù)據(jù)處理過程及相關注意問題進行一定的探討。常用的表層淤泥層厚度探測的方法有：人工探摸及鉆探取樣、泥漿密度儀、雙頻測深儀、Silas淤泥探測、淺地層剖面儀探測。其中人工探摸及鉆探取樣、泥漿密度儀探測屬于點式作業(yè)，效率低，受環(huán)境影響大，適用于小范圍的淤泥探測；雙頻測深儀受限于其工作頻率，穿透能力有限；Silas淤泥探測為泥漿密度儀與雙頻測深儀的組合產(chǎn)物，難以探測厚度大的淤泥層；而淺地層剖面儀的工作頻率（2-16kHz）能夠在理論上保證其探測到厚度為80m的粘土層，能夠保證穿透表層淤泥層，并進行淤泥層厚度判定。對于該工程而言，為了提高工作效率，并確保其能完全穿透表層淤泥層，決定選取淺地層剖面儀作為淤泥厚度探測的方式。后續(xù)工程如有需要可輔助以人工取樣的方式，以更加全面地獲取表層沉積物的狀態(tài)，完成表層土質(zhì)的定類。

二、淺地層剖面儀工作原理

淺地層剖面儀通過換能器將控制信號轉(zhuǎn)換為不同頻率的聲波脈沖向海底發(fā)射，聲波在通過不同介質(zhì)時，由于介質(zhì)的波阻抗差異性，產(chǎn)生強弱不同的回波信號，經(jīng)海底地層散射后被接收端濾波、放大，通過適當?shù)臄?shù)據(jù)處理或識別算法，可以輸出為能夠反映地層聲學特征的記錄剖面，從而反映海底沉積結(jié)構(gòu)和地層特征。淺地層剖面儀含有兩個關鍵的參數(shù)：發(fā)射功率和發(fā)射頻率。發(fā)射功率的大小決定了聲波對介質(zhì)的穿透深度，而發(fā)射頻率決定了層組特征的分辨率。發(fā)射功率越大，穿透深度越大。低頻穿透深度大，但分辨率低；高頻穿透深度小，而分辨率高。本次作業(yè)使用的地層剖面儀為美國EdgeTech公司生產(chǎn)的3200XS淺地層剖面儀系統(tǒng)。EdgeTech3200XS淺地層剖面儀系統(tǒng)采用全頻譜CHIRP技術，是一種高分辨率寬帶調(diào)頻（FM）淺地層剖面儀系統(tǒng)，可廣泛用于海底管線探測、地質(zhì)調(diào)查等。Edgetech3200XS通過發(fā)射2-16kHz/20ms的FM脈沖，聲波脈沖的能量、幅度和相位特征可被精確控制，而高精確度確保了沉積物分類所要求的高重復性和信號的判定，從而產(chǎn)生高分辨率的海底地層圖像。3200XS針對FM脈沖范圍，自動匹配濾波相關處理，信噪比可改善20-30dB，適應性強，無直達波，沒有空間旁瓣，降低海表面效應，既保證了作用距離和對地層的穿透深度，同時提高了對地層的分辨率。

三、外業(yè)作業(yè)

本次作業(yè)區(qū)域位于深圳某海域，海底地形復雜，作業(yè)范圍不規(guī)則，個別區(qū)域水深極淺，船舶極易擱淺，許多的未知因素給作業(yè)帶來了很多困難。摸清海底地形地貌及水深狀態(tài)就顯得尤為重要，因此本次測量采取了以淺地層剖面儀測量為主，同時輔助以單波束測深儀、側(cè)掃聲納對測區(qū)地形進行綜合掃測。淺地層剖面測量按照網(wǎng)格法布設測線，測線間距為50m，其中ENE方向測線總長約22km，WSW方向測線總長約25km，共計測線長約47km。在作業(yè)之前，通過調(diào)試3200XS的主要參數(shù)——脈沖類型、脈沖功率百分比、發(fā)射頻率(能量、幅度、相位特征等)來確定最佳工作參數(shù)，以適應測區(qū)的水深及底質(zhì)情況，確保產(chǎn)生高分辨率的海底地層圖像。為了獲得清晰的地層剖面資料，測量過程使用30~40ms量程，150ms發(fā)射速率，1~15KHz帶通濾波。根據(jù)圖像情況，分別選用不同的脈沖寬度、能量大小、量程范圍進行測試，調(diào)節(jié)TVG使圖像資料效果最佳。實時記錄測量工作參數(shù)和測量班報，以便后期數(shù)據(jù)處理。作業(yè)時，采用Hypack2008實時對船舶進行導航定位，以保證測量船沿設計測線航行，同時通過定標器同步給單波束測深儀、側(cè)掃聲納及淺地層剖面儀輸送打標信號。首先利用單波束測深儀對測區(qū)進行比例尺為1：500的水深測量，查明作業(yè)范圍內(nèi)詳細的水深情況，明確測區(qū)的海底地形；之后利用側(cè)掃聲納對測區(qū)進行比例尺為1：2000的地貌測量，了解淤泥層的大致分布情況，明確重點勘測區(qū)域，以保證淺地層剖面儀勘測的針對性和準確性；接著根據(jù)單波束測深儀和側(cè)掃聲吶的掃測結(jié)果，采用淺地層剖面儀按照既定測線對測區(qū)表層淤泥厚度進行測定，并對側(cè)掃聲吶掃測出有明顯地形起伏的區(qū)域進行重點勘測；最后選取部分區(qū)域進行取樣驗證，以保證數(shù)據(jù)的真實可靠。

四、內(nèi)業(yè)處理

淺剖資料的數(shù)據(jù)處理、最終成圖的流程及相關注意問題如下：（一）由于測區(qū)的水深普遍較淺，大部分時間淺地層剖面儀距離海底面的高度小于5m，部分區(qū)域甚至只有1-2m，測量過程中受多次回波及環(huán)境噪聲的影響顯著。因此在進行淺剖資料圖像判讀時，應該注意對多次回波的判斷，保證在摘取表層淤泥厚度的過程中，對于反射界面的摘取原則保持一致，并盡量保證同位相的追蹤連續(xù)清晰。某些小范圍內(nèi)的界面起伏可能由于船體的晃動或者回波信號接收原因引起，可忽略，盡量使淤泥底界面的起伏與海底面的起伏保持一致；另外有些同位相追蹤不連續(xù)的地方是由于航道疏浚后的回淤造成，應該注意判斷，保證連續(xù)追蹤。（二）在完成海底面和表層淤泥界面的摘取之后，通過CAD將兩組界面的X、Y坐標輸出至Excel中，對應點位X坐標的差值即為該點的層厚數(shù)據(jù)，并對得出的數(shù)據(jù)進行差值處理，以增加數(shù)據(jù)的密度，便于之后的Suffer成圖。（三）在完成層厚數(shù)據(jù)的預處理之后，得出以下文件格式(X、Y、Thickness)，然后利用Suffer軟件進行數(shù)據(jù)網(wǎng)格化處理。在生成網(wǎng)格數(shù)據(jù)的過程中，宜選用克里經(jīng)差值方法，克里經(jīng)法可將數(shù)學函數(shù)與指定數(shù)量的點或指定半徑內(nèi)的所有點進行擬合以確定每個位置的輸出值，對周圍的測量值進行加權(quán)以得出未測量位置的預測，便于分析數(shù)據(jù)的趨勢走向，是比較切合等厚圖的差值方法。（四）利用生成的網(wǎng)格數(shù)據(jù)建立三維表面圖，成圖后，需比較核實主測線與檢查線交點的層厚數(shù)據(jù)，保證重合；同時最后的成圖應避免有牛眼現(xiàn)象，并參考測區(qū)地形，以保證數(shù)據(jù)的真實可靠。

五、結(jié)語

（一）淺地層剖面儀對表層淤泥探測的測量方式為走航式測量，獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后可以獲得連續(xù)的層厚數(shù)據(jù)，能夠?qū)τ倌鄬舆M行有效的層位劃分，相較于其他的淤泥探測方法，其發(fā)射頻率能夠保證其穿透厚度和密度較大的淤泥層，是目前較為高效、經(jīng)濟、準確的淤泥探測方法。（二）對于海底地形復雜、探測面積大的測量區(qū)域，建議采用單波束測深儀、側(cè)掃聲納及淺地層剖面儀相結(jié)合的方式進行表層淤泥探測。首先采用單波束測深儀、側(cè)掃聲納對整個測區(qū)進行小比例尺的地形、地貌測量，以明確測區(qū)地形及重點勘測區(qū)域，然后采用淺地層剖面儀按照網(wǎng)格法測線布設方法對測區(qū)進行針對性的掃測。（三）淺剖資料處理過程中，應注意對多次回波的判斷，反射界面的摘取原則應保持一致，并盡量保證同位相的追蹤連續(xù)清晰。數(shù)據(jù)預處理之后，采用克里經(jīng)差值方法對數(shù)據(jù)進行差值處理，完成等厚度的繪制。

參考文獻：

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作者：李靈波1孟山雅2 單位：1.天津水運工程勘察設計院；2.中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司