浅地层剖面资料解释中的陷阱问题分析.docx

1、第37卷第6期物探与化探Vol.37,No.62013年12月GEOPHYSICAL&GEOCHEMICALEXPLORATIONDec.*2013DOI-10.11720/j.in.1000-8918.2013.6.20浅地层剖面资料解释中的陷阱问题分析王方旗，吕京福，申宏，董立峰，宋玉鹏（国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛266061）摘要：浅地层剖面仪是目前海洋工程勘察和海洋地质研究应用最为广泛的地球物理调查仪器之一，其地层探测分辨率越来越高，但实际获取的声学地层剖面资料在解释时会存在一些陷阱，值得引起注意笔者从浅地层剖面仪的工作原理出发，分析了导致解释陷阱的4种情况:声学地层与

2、地质地层的不同导致的陷鬲、非自激自收导致的浅水区浅部地层厚度畸变、特殊反射界面在声学剖面上的空间变形和海底地层中声速变化造成的地层厚度失真，井对浅地层剖面资料处理和解释中如何预防和消除这些陷阱的影响进行了讨论。关键词：浅地层剖面;解释陷阱；声学界面;地层厚度中图分类号：肉31.4文献标识码：A文章编号：】000_8918（2013）06-106】-06收稿日期2013-01-21基金项目：国家海洋公益性行业科研专项（201005005）;国家海洋公益性行业科研专项（201005010-01）浅地层剖面仪应用声学原理来获取海底沉积物的分布、地质结构等相关信息，由于其具有连续走航式探测、作业方便成

3、本低效率高探测分辨率高以及穿透深度大并能获得与地质剖面相似的记录图谱等优点，在海洋工程调查和海洋地质研究中得到了广泛的应用，其应用范围涉及海洋工程地质勘察、灾害地质调查、海底资源调查和海洋地质科学研究葺野外工作获得的浅地层剖面图谱虽然已经能够反映海底地质构造的一些特点，但是海底下伏地层岩土类型、分布和结构非常复杂，并且浅地层剖面仪所基于的声学方法和技术也具有一定的局限性，因此，声学剖面上的许多现象可能反映地下的真实情况，也可能是某些假象，会导致解释陷阱问题的发生九笔者从浅地层剖面仪的工作原理出发，分析和讨论了4个主要导致浅地层剖面探测解释陷阱的因素，并提出了相关的处理方法，为浅地层剖面资料的处

4、理和解释提供了参考O1基本原理浅地层剖面仪的原理与陆地单道地震勘探的基本原理是相似的P,声波在不同类型的介质中具有不同的传播特征，当岩土介质的成分、结构和密度等因素发生变化时，声波的传播速度、能量衰减及频谱成分等也会发生相应的变化，在弹性性质不同的介质分界面上还会发生波的反射和透射因此，科学家利用这一原理研制了浅地层剖面仪，用于探测声波在岩土介质中的传播时间、振幅及频谱特征等信息，并推断相应岩土介质的结构和致密程度、完整程度等特征图1为声波传播示意，把声波传播的介质看作一个层状的模型:海水作为第一种介质，它的密度为Pl,声波在其中传播的速度为,海底以下的地层存备个界面，它们的密度和速度分别是p

5、",pK，r当声波向下传播时，一部分备葬界面保发生反射，另一部分透射后继续向下传播，在下一分界面处再发生反射和透射，其反射波强度与地层的反射系数R有关R=名2-乙=P*2,（）Z2+Z,p2v2+pv式中：为界高上部介辰南密度和声波在该介质中的相播速度；p、p,为界面下部介质的密度和声波在该介质中的传一播咨度,z=p叫作介质的波阻抗,由式（）可以看出，能否获得强的反射系数（&）取决于界面两侧物质是否存在较大的波阻抗差当pw,-pi值很小，即界面两侧的物质差异不大时，京由抗羸艮小，产生的反射很弱甚至没有反射;相反，当时2值很大，即界面两侧的物质差异很大时，萩由抗若艮大,就能得到

6、较强的反射因此,接收到的反射信号携带了海底地层的大量地质结构和构造信息，通过观测记录分析海底沉积物对于声波的反射，就可以了解浅部地层的地质情况O浅地层剖面探测原理示意图12解释陷阱问题及分析2.1声学地层与地质地层的认识陷阱声学地层指在声学剖面上具有相同（或相近）反射特征的反射同相轴组合，表示其内部不存在波阻抗界面或存在一套具有相同特征的波阻抗界面组合;而地质地层指在形成过程中成因类似或形成环境相互关联的一套连续的地层组合，其顶、底界面既可为整合面，也可为不整合面。声学地层的划分依据是声学图谱上的波阻抗界面，而波阻抗界面的反射特性又与界面上下的地层岩性有关；地质地层的划分依据则一般是成因或形成

7、环境的改变界面（一般为岩性的突变）声学地层与地质地层有一定的关系，但又不同C（1）波阻凭界面并不一定与地质界面一一对应在同一地质地层内，由于形成时间的长短导致固结程度、密实度等的不同（波阻抗差较大），会形成波阻抗界面，但从地质成因上来说它并不是一个地质界面，例如同一地层内上部为松软黏土，下部为较硬黏土的情况；同样,存在地质界面并不一定存在波阻抗界面，两套成因不同但弹性性质相同或相近（波阻抗差很小）的地层分界面就不是有效的波阻抗界面。（2）当波阻抗界面与地质界面能够对应时，由于地层厚度因素的影响会导致两种情况发生（图2）假设声波的脉冲长度为而穿越地层的双程盘行时为白广则:当地层较厚，声波的双程旅

8、行时小于声波的'脉冲长度，即A/<Ar时，如图2a所示，同一接收点接收到的来自界面&和七的鬲个反射波可以分开而形成两个单波，保卤着客自的波形特征，此时波阻抗界面与地质界面能完全一一对应;当地层较薄，声波的双程旅行时大于声波的脉冲度，即A/>由时,如图对所示，此时来自相距很近的各反射界福的反射波到达同一个接收点时会互相叠加，形成复合波（图中的+），无法区分出哪是叫的波形，哪是R,的波形，哪是R的波形了，此时前面图谱上看到雨反射波同相轴余再与波阻抗界面一一对应，而是一组靠得很近的波阻抗界面叠加的结果，但其中必有一个起主导作用的界面，这就为对剖面进行合理的解释提供了可能,

9、综上所述，即使在测区的同一点，根据钻孔资料得到的地质剖面上的地层分界面与浅地层剖面上的反射波同相轴在数量上和出现位置上也经常不是一一对应的，也就造成声学地层与地质地层并不完全是一一对应的，即浅地层剖面图谱并不能完全真实的反映海底地层的结构，而是存在许多的，假象”因此在浅地层剖面资料的解释过程中，必须要通过研究声学图谱的详细特征划定具有代表性的声学地层，将之与地质地层对照并进行综合分析，正确分辨出真正的地层界面和，假象”，务求反映海底地层的真实情况,以获取海底各沉积层序的空间分布规律，并圈定特殊地质体的分布范围等地层较厚，两个反射波可以分开;地层较薄,反射波叠加在一起无法区分图2地层厚度对反射波

10、的影响2.2非自激自收导致的地层厚度畸变深为°,以及各反射层深分别为吊、八、/假浅地层剖面仪按照发射换能器与水听器的组合分为两种类型：发收一体和发收分置对于发收分置型浅地层剖面仪，由于声波信号走的不是垂直路径，而是斜路径，入射角、反射角不为零，在水深较大的海域，可近似为自激首收系统，若水深过浅，则浅层入射角、反射角较大，对浅部地层来说，从时间剖面上读取亩声波走时比垂直发射、垂直接收的双程走时大很多，甚至几倍,会造成声勇走时的延迟粕浅地层剖面的地层畸变，从而导致了地层厚度计算的不准确，要进行校正成J。在处理浅地层削面资料时，首先要进行海底追踪，然后再划分地层，所得到的深度（基于预设的参

11、考声速）都是以海底为起算面的如图3,不考虑声线穿过界面时的折射，并假设介质分层均匀、q为换能器吃水深度，可以从剖面直接时深转换得到的水图3浅地层剖面声线示意设实际水深为h°，实际地层埋深为h、h、.、"根据浅地湿剖面仪的原理有'一'I0K八+1Kqi|Q；si0_2_2-在直角三角形中，由勾股定理可得2h0-a=一J即h0=0.5a+0.5，（2）农=0.5«+0.5-J-时（二,2,“）（3）式（2）即为水深校正公式，经过改正后，浅地层剖面仪可得到近似的水深值；式（3）为地层畸变的校正公式，校正后得到的是以海底为起算面的地层界面埋深,可以看出，换

12、能器与水听器的水平距离d较大和工作海区的水深太浅是导致发收分置型浅地层剖面仪地层畸变产生的原因越大，畸变越大，越小，畸变越小；水深越深,地层畸变越小，水深越浅,地层畸变越大，一般认为，当水深超过5m时，地层的畸变将会很小，在满足探测精度的要求下可以不进行校正但当发射换能器与水听器水平距蔼较大、水深较浅时，畸变将大大增加，导致浅部地层失真，严重影响了地层麟释的准确度,必须进行校正O2.3特殊反射界面的空间变形浅地层剖面探测的主要目的是查明海底以下地质构造的形态，弄清探测范围内地下地质构造在三维空间中的位置和分布特征。但是实际调查任务实施时，海上观测是沿着一条一条的调查测线进行的，所获取的声学剖面

13、是复杂的地下地质构造的声波反射波的综合结果，因此，必须要认识以下情况,（1）当反射界面水平时，对反射波起作用的构造体就位于仪器（震源与接收器的中心）所处位置在反射界面的垂直投影点处，这样所得到的声学剖面上反射界面同相轴的形态与实际地层界面的位置形态是一致的，在进行相关的动校正并考虑声波的速度函数进行时深转换后就可以得到界面的真实位置和形态。（2）首反射界面不是水平时，情况则会非常复杂，接&器接收到的回波信号不再只是投影点的反射波，而是从两侧倾斜界面来的所有的反射波，这样就不能反映界面的真实空间位置和形态。下面用一个简单的地质模型对此问题加以详细说明，图S为一个立体地质模型，地下地层界面

14、包含一个凸界面、一个凹界面和一个倾斜界面，假设调查测线4/?珞垂直走向的方向进行Oa一立体地质模模型沿测线,48的切面图4非水平界面立体模型及声波作用示意2.3.1凸界面如图41，点1在凸界面的投影正好在其中心,在该点处记录到的反射波是正常的，而在该点前后位置所记录的不仅仅是记录点在界面的投影点的反射波，而且包含大量其他位置的反射波，也就是说本来不应该有的反射波被接收到了，如果反射强的话,就会屏蔽掉真实投影点位置的反射波同相轴，造成失真，在声学剖面上表现为凸界面范围扩大,形态变形（点1处的虚线所示），如果反射不很强，那么就会在假同相轴偏上或偏下位置还会识别出真实投影点位置的反射波同相轴2.3.

15、2凹界面钮图4静点2在凹界面的投影在最深点处，在该点记录到的反籍波包含正常的投影点的反射波和来自凹界面上其他点的侧反射波，该点前后位置的情况也是如此在声学剖面上表现为凹界面深度变O浅，形态变形，原来凹的界面看上去好像是两个“凸界面”交叉在一起，在交叉点的下方还会识别出一个，.凸界面，同相轴，它以真实投影点的位置为对称中心呈对称展布（点2处的虚线所示）图5为一个典型的凹界面变形实例O图5凹界面变形实例2.3.3倾斜界面如图41，点3处为倾斜界面的情况。仪器除接收到投影点处的界面反射波以外，还接收到投影点前后位置的反射波，造成反射界面同相轴变形或发生偏移，使得倾斜界面的倾角变小了（虚线所示），测线

16、方向不垂直走向时还会导致海底实际调查位置与计划测线的偏移，从以上分析可以看出，这三种情况都会造成反射界面有变浅趋势的变形，这是由浅地层剖面仪的设计原理导致的对于发收合置型浅地层剖面仪可以归结为侧反射问题，且系统换能器的指向性越差或波束角越大，这种失真就越严重，而对于发收分置型浅地层剖面仪则是由于实际反射点与投影点位置的偏移引起的（因为要求垂直入射和反射）因此，在处理和解释浅地层剖面资料时，遇到这三种情况都需进行相关的处理，使反射界面变形还原、偏移归位后，才能够得到真实的地下地质构造形态。2.4地层中声速变化规律的影响还有一个导致浅地层剖面地层失真的因素是地层中声速的变化浅地层剖面仪接收器记录的

17、是地层分界面反射信号的到达时间，如果地层中的声速不能准确确定，就无法准确获取各地层的真实厚度O通常的做法是根据历史调查资料将沉积物声速预设一个经验值，例如一般在16001800m/s之间选取一个声速值但是，由于海底地层实际结构的复杂性和不均匀性,声速并不是一个定值，这样的做法能够在采集资料时对地层结构有一定大致了解，但在资料解释时地层厚度会产生偏差，导致地层失真匕目前，由于海底取样器及原位测试仪器的限制，针对海底表层沉积物的声速规律研究得较多，一般浅于6w相关的研究成果可以用于浅剖表层资料的处理对于较深层地层来说，有关沉积层声速的研究很少，不妨采用经验公式GGt/z）=%（1+伙）（4）进行时

18、深转换，以减小声速变化对浅地层剖面资料解释的影响式（4）中：凡为海底表层沉积物的声速，可根据经验值选取;/为声速随深度的变化率，可根据历史资料或经验进行确定;，为从海底起算的海底沉积层的深度。3结论浅地层剖面仪作为一种目前较为成熟的海洋地质声学仪器，地层探测分辨率越来越高，有的仪器标称理论垂直分辨率甚至达到了厘米级，但是在资料后处理和解释方面存在的问题却依然很多，大都关注的是多次波和干扰波的压制和消除方面早，很少关注声学剖面地质解释的一些细节问题，致使其高分辨率的潜在优势无法得到更好的利用因此，必须更加注重浅地层剖面资料后处理方法和技术的深入研究，尽可能地认识和消除解释陷阱的影响，还原真相笔者

19、基于浅地层剖面的基本原理，分析和讨论了导致浅地层剖面探测地层失真的4种情况：（1）声学地层与地质地层的区别导致的认识陷阱问题这是由于声波的干涉和叠加性质导致声学界面与地层分界面不能一一对应而造成的地层失真,这种情况需要依据详细的钻孔资料，通过将有代表性的声学标准层与钻孔地质地层对照并进行综合分析，正确分辨出真正的地层界面和“假界面”，才能反映海底地层的真实情况（2）非自激自收导致的浅部地层厚度畸变换能器§水听器的水平距离”较大和水深太浅是导致这种畸变产生的原因当水深超过15m时，地层的畸变将会很小，在满足探测精度的要求下可以不进行校正但当发射换能器与水听器水平距离较大、1065水深较

20、浅时，畸变将大大增加，导致浅部地层失真,严重影响了地层解译的准确度，需要利用式（3）进行校正（3）地层界面非水平时导致的声学界面的空间变形倾斜界面、凹界面、凸界面都会造成反射界面有变浅趋势的变形目前，对这些情况的处理还都是凭经验进行的，对变形严重的界面进行人为的调整和偏移但是如果面对的是海量数据和复杂的界面，人为干预调整工作量的剧增是显而易见的，因此，对这些特殊问题的发生机制和特点进行系统的总结和分析研究，并形成一套较为准确的处理方法用计算机加以实现是非常必要的，能够大大提高浅地层剖面资料解释的科学性和可靠性（4）海底地层声速的变化导致的地层失真地层声速是进行时深转换的一个基本参数，因此地层声

21、速分布函数是否切合实际决定着换算出的地层厚度与实际地层厚度能否一一对应在资料解释中可利用经验公式（4）代表地层的声速分布函数来进行时深转换计算，以减小地层失真影响O参考文献：庄杰枣，王绍智，兰志光,等浅地层割面记录地质解释的若干问叫.海洋测绘，1996，16（2）：16-24.y刘金俊，齐国钧.极浅海水区浅地层剖面浅层失真及校正呈.海洋地质与第四纪质，1996,16（I）*111-116.早赵铁虎，张志珂，许枫.浅水区浅地层剖面测最典型问题分析9物探化探计算技术，2002,24（3）*215-219.&陆基孟地震勘探原理山东东营：中国石油大学出版社，2006.曰王方旗，亓发庆，姚善，等

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24、tllom(>n>filerisoneofthemostwidelyusrtlgeophysicalinslninientsformarinesurveyingaiwlmarinegeologicalresearch.Althoughitsverticalresolutionbecomtsmoreandmorehigh，then*aresomepitfallsininterpretationoftheactualacousticpn)-filedata.Inthispaper，basedontheworkingprincipleofthesublx>ttomprofiler*

25、theauthorsanalyzedfourfactorscausingtheinterpretationpillalls.First仙eunderstandingpitfailcausedbythedifferencebetweenacousticlayersandgeologicalIslers*Second*liteshallow.stratigraphicdistortioncausedbythehorizontallyseparalelyplacedtransducerandhydrophone'Third，lhespatialdeibrmalionofthea-«>usticinterfacesinthedataprofilesreflectedfromspecialstratigraphicinterfaces*Thelast，thelayerthicknessdistort