浅海区C-Boom型浅地层剖面地层畸变及校正.docx

1、第29卷第1期201【年1月海洋科学进展ADVANCESINMARINESCIENCEVol.29No.1January,2011浅海区GBoom型浅地层剖面*地层畸变及校正王方旗，亓发庆，姚菁，高小惠，赵洪鹏（国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛266061）摘蜜：浅地层剖面测量是海洋I：程勘察、灾害地质调查和大陆架海洋地质科学研究的重要手段，资料解译的准确程度将对地质调查和研究成果的可靠性造成直接影响。由于GBoom型浅地层剖面仪的发射换能器与水听器是分开安置的，当调查区域的水深过浅时，将其近似为自激自收的单道地震系统会导致地层的畸变，水深越浅地层畸变率越大。根据浅地层剖面仪的基木原理，推导

2、出了GBoom型浅地层剖面仪地层畸变率的计算公式及地层畸变校正公式，为用GView软件更准确地解译此类浅地层剖面资料提供了参考。关键词：浅海区；浅地层剖面；畸变率；地层畸变校正中图分类号:P631.5文献标识码：A文章编号：1671-6647（2011）01004707地层剖面测量是一种基于水声学原理的连续走航式探测水下浅部地层结构和构造的地球物理方法。随着近海汕气资源的大规模开发、国土资源大调查项目的展开、各种近岸水上工程建设的不断增加以及各种海lII底灾害地质现象的频繁发生，浅地层剖面仪以其灵敏度和分辨率高，连续性好且能快速地探测水下地层的地质特征及其分布而在海洋调查中得到了广泛的应用，其

3、应用范围涉及到水上工程勘察、灾害地质调查和海洋地质科学研究等诸多领域用。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：发收一体和发收分离。前者的发射换能器与水听器组合在一起（或称为自激自收），包含于一个共同的机箱之中，发射换能器与水听器基本处于同一位置，例如：SES.Chirp等；后者的发射换能器与水听器是分离的，实际调查时为了避开尾流、机器干扰等以获取更好的剖面记录而常常使两者水平相距410m安放，例如:AAE系列、EGS的C-Boom等。由于GBoom电源单元很轻（仅18kg）,操作简单，采用独特的低电压技术，仅仅需要很小的发电机，特别适合于小船及水深1100m的近岸作业，且采用C

4、-View软件同步采集并解译、处理资料快速、准确，因此在近海进行地质调查应用非常广泛。但是GBoom的发射换能器与水听器是分开安置的，由于声波信号走的不是垂直路径，而是斜路径，入射角、反射角不等于零（图1）,因而只有在水深较大的开阔海域，才可近似为自激自收系统；如果水深过浅，则浅层入射角、反射角非常大，在这种情况下，对浅部地层来说，己不能近似为自激自收系统，由时间剖面上读取的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，造成了声波走时的延迟和浅地层剖面的地层畸变，必须要进行校正®o1浅地层剖面仪的基本原理声波是物质运动的一种形式，由物质的机械运动而产生，通过质点间的相互作用

5、将振动由近及远地传播。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*收稿日期:20090901资助项目：中油辽河油田-辽东湾葵西I号人工岛构造综合调查研究（B06391）:国家海洋局第一海洋研究所基本科研业务费专项资金项目莱州湾古环境演化与地卜卤水资源的形成（2008G13）作者,简介：王方旗（1981）,男，山东诸城人，硕士研究生，主要从事海洋地质方面研究.Email:sdhdwfq0317（张骞编辑）48海洋科学进展29卷波的传播速度、能量衰减及频谱成分等亦将发生相应变化，在弹性性质不同的介质分界面上还会发生波的反射和折射。因此，人们利用这一原

6、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速度、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完整程度，从而对其作出评价。如图1（声波的实际传播路径应为曲线，这里近似取为直线），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-声波在其中传播的速度为.；海底以下的地层存在n个界面，它们的密度和速度分别是2,n；2,o当声波向下传播时，一部分在分界面处发生反射，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，其反射强度和地层的反射系数R有关：式中，I,I为界面上部介质的密度和声波在该介质中的传播速度；2,2为界面下部介质的密度和声波在该介质中的传播速度

7、，其中又被称为介质的声阻抗。由式（1）可以看出，能否获得强的反射（R）取决于界面两侧物质是否存在差异，即是否存在较大的声阻抗差。当22-!.值很小，即界面两侧的物质差异不大时，声阻抗差很小，产生的反射很弱甚至没有反射；相反，当22-.值很大，即界面两侧的物质差异很大时，声阻抗差很大，就能得到较强的反射。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，通过观测记录并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。坦拣回10酷H，坞据回回酷，一A（发射换能器S（水听器）图1浅地层剖面仪工作原理Fig.1Theprinciplcoflhesubbottomprofiler图

8、2浅地层剖面仪声波路径示意图Fig.2Thepathofsoundwavemovementofthesubbottomprofiler2GBoom型剖面地层畸变及校正方法如图2,当发射换能器与水听器水平距离d很大、水深很浅时，入射角很大，声波的实际路径（|AK.I+IK.SI）与垂直路径（IPK.I）相差甚远，而由实际路径得到的介质层厚与实际介质层厚有很大偏差，导致地层发生畸变。实际作业时，发射换能器都要放入水中一定深度。为更好地探讨影响地层畸变率的因素，这里忽略这个深度，取a=0o假设声波的实际路径为S斜,垂直双程路径为S垂,定义介质的畸变为：S=S斜-S,介质的畸变率为：D=S=s斜S垂S

9、«S垂一这写用声波的实际走时斜和垂直双程走时t垂来定义介质的畸变和畸变率是一致的V由式（2）可以看出，D值越大，说明声波的实际路径与垂直双程路径的偏差越大，越会偏离声波穿过的实际介质的层厚,使得剖面解译不准确。2.1地层畸变率与入射角的关系由图2知：S斜=|AK1|+|K1S|=|AKI|+|KIS|=|AS|,S«=|AA|且有:|AA|=|AS|cosi,则式（2）变换算为：D=S=S«hSjr=IAS|-|AA|=1-1（3）S®S垂|AA|cosi可以看出，地层畸变率是入射角i的函数，入射角i越大,畸变率越大；入射角i越小，畸变率越小。但是,入射

10、角i的大小取决于换能器与水听器的水平距离和水深两个因素（图2）。2.2地层畸变率与器换能器和水听器水平距离（d）的关系在直角三角形APK.+,_._|PKi|C0S，-|AK.|_._|PKi|C0S，-|AK.|2+ho22ho4hj+d2则式（3）换算为:D，cosi_1=4h7+d22ho(4)表I畸变率与层深（h）及换能器与水听器水平距离（d）的关系层深h/m.换能器与水听器水平距离d/m46810320%41%67%94%65%12%20%30%92%5%9%14%121%3%5%8%151%2%3%5%Table1Relationshipbetweenthedistortionra

11、teandstratumdepth(h)andthehorizontaldistance(d)fromtransducertohydrophone因此，水深越深，地层畸变率越小；水深越浅，地层畸变率越大同理，其它的反射界面也如此。可以看出，对相同的地层来说，地层畸变率取决于换能器与水听器水平距离d的大小,d越大,畸变率越大;d越小，畸变率越小，当d趋向于0（自激自收）时,地层畸变率为0o2.3地层畸变率与水深的关系由式（4）可以看出，对于既定的剖面仪系统，仪器安装后，畸变率的大小只取决于声波发生反射的界面的深度（h。或h°+»或h°+h.+h2或）：反射界面深度越

12、浅，畸变率越大;反射界面深度越深，畸变率越小。例如当换能器与水听器水平距离d分别为6,8,10m时，对于包括水深在内的15m深度处的畸变率分别为：2%,3%,5%;同样的d,对于包括水深在内的3m深度处的畸变率分别为:41%,67%,94%（表1）。刘金俊等（1996）认为，当水深超过15m（此时所有的反射界面的深度都大于15m）时，地层的畸变率将小于5%,在满足探测精度的要求下可以不进行校正':表1中的数据与此相符（但限于换能器与水听器水平距离小于10m的情况）。而当发射换能器与水听器水平距离较大、水深较浅时，畸变率将大大增加，严重影响了地层解译的准确度，必须进行校正。2.4GBoo

13、n-i型浅地层剖面地层畸变校正公式在浅地层剖面资料处理时，首要的问题就是海底沉积物中声速的选取。我们知道声波在海水中的传播速度约为1500m/s,在固结的沉积岩层中传播的速度大于2000m/s,在变质岩和火成岩的传播速度在3500m/s以上。而声波在l（X）m以内未固结地层中的传播速度，国内外的取值很不一致，但一般在15001700m/s。在实际工作中我们一般取平均声速为1600m/s,与实际地质情况吻合较好。本研究也采用该值。A"图3浅地层剖面仪声波路径示意图Fig.3Thepathofsound-wavemovementofthesubbotlomprofiler用GView软件

14、处理浅地层剖面资料时，往往要先进行海底追踪，然后再划分地层，这样得到的剖面数据都是以海底数据为基础的，并且是以海底为起算面的。由GView软件可以直接得到剖面解译的水深：Ho,以及各反射层深H<xn,Hg,H",Hy。在图3中，设|AM|=|AK>|,|SN|=|SK.|，设实际第一层深为hi,根据浅地层剖面仪的原理：h.=|KiK2|,H（.=IAK，lSI,ITIAK2I+IK2SIIAKi|+|KiS|IAK.1+1KiSIHe）=7022=|MK2|+；NK2|KK|5（5）即：Hcxnh.o可以看出，用GView软件剖面解译得到的地层深度比地层实际深度耍小，这是

15、因为软件计算时减掉了未经畸变校正的水深值（该值比实际值明显偏大）。这是由GView软件的数据处理原理造成的，即在解译所有地层时，水深畸变都传递给了地层深度，由此造成的地层畸变称为水深遗传畸变，水深遗传畸变使得剖面解洋得到的地层深度比实际深度减小了。剖面解译得到的地层深度实际上是畸变与水深遗传畸变双重影响的结果。在第一个反射界面上，声波实际时程为|AK.|+|KiS|=|AS|=2Ho,在直角三角形OAS中，由勾股定理可得2ho-a=4HS-d,2即：(6)hu=0.5a+0.54H5-d式(5)即为海水厚度畸变校正公式，可见经过校准实际的仪器安置参数后，浅地层剖面仪可以得到近似的水深值。在第二

16、个反射界面上，声波实际时程为|AK2|+|K$|=|AS|=2H&>+2H°,在直角三角形OAS中，由勾股定理可得2(ho+h.)-a=4(Ho(i)+Ho)2-d2,即：h!=0.5a+4(H<xi)+Ho2)-d-ho,同理可得以下各地层深度：h>=0.5a+4(Ho<i)+Ho)2-d:-ho(i=1,2,n)(7)式(6)即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深度。3在辽河油田井场调查中的应用国家海洋局第一海洋研究所曾对辽河油田的某井场进行了浅地层剖面调查，并同时在测区中心井位打了一个30m的钻孔。在调查过程中，先后从西向东

17、和从南向北两次穿过中心井位，水深在I.43.5m之间。调查中，发射换能器与水听器的水平距离约为4.8m,由于水深较浅，浅部地层畸变较明显。从实测原始剖面(图4)及未进行校正直国家海洋局第一海洋研究所曾对辽河油田的某井场进行了浅地层剖面调查，并同时在测区中心井位打了一个30m的钻孔。在调查过程中，先后从西向东和从南向北两次穿过中心井位，水深在I.43.5m之间。调查中，发射换能器与水听器的水平距离约为4.8m,由于水深较浅，浅部地层畸变较明显。从实测原始剖面(图4)及未进行校正直界面校正前层深/m校正后层深/m偏差/m畸变率海底3.101.961.1458.2%Ai1.101.480.3825.

18、7%a24.9()5.670.7713.6%B9.9010.810.918.4%c>12.6013.550.957.0%C222.9023.931.034.3%表2地层畸变校正前后层深对比Table2Thestratumdepthbeforeandafterdistortioncorrection接解译的地层剖面(图5a)与中心钻孔柱状图的对比，可以看出，浅地层剖面的界面与钻孔柱状图的分层界面存在偏差，各层位不能吻合。根据式(4)、式：6)计算出钻孔处的地层畸变率、地层畸变校正前后层深(表2),可见在实际水深为1.96m时，在海底的畸变率为58.2%,对地层解译的影响较大，需要进行校正。

19、图4实测原始剖面与钻孔柱状图对照Fig.4Correlationbetweenthemeasuredprofileandthedrillingdata图5校正前后的剖面与钻孔柱状图对照Fig.5Correlationbetweenthedrillingdataandtheprofilesobtainedbeforeandafterthecorrection根据实际仪器安置参数，对剖面资料进行畸变校正，用校正后的数据重新绘制的地质剖面与钻孔柱状图能够极好的吻合起来（图5b）。由于工作时GBoom的发射换能器与水听器是分开安置的，导致了浅部地层剖面发生畸变。影响地层畸变率大小的因素有：换能器与水听

20、器的水平距离（d）和工作海区的水深。d越大，畸变率越大，d越小，畸变率越小，水深越深，地层畸变率越小；水深越浅，地层畸变率越大。此外，由GView软件的数据处理原理导致的水深遗传畸变，使得剖而解译得到的地层深度比实际深度大大减小，地层畸变与水深遗传畸变双重影响导致了地层剖面失真，在进行地层畸变校正时要同时考虑两个因素的影响。本文从浅地层剖面的工作原理推导出了式（6）和式（7）,对于该类浅地层剖面资料解译具有一定的参考意义。致谢:国土资源部青岛海洋地质研究所赵铁虎研究员在本文修改过程中提出的指导性意见和建议。参考文献(References):IWANGQ,LIYYC.BAOJY.Ananalys

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