海洋物探技術(shù)在近岸海底礁石探測(cè)中的應(yīng)用

張惟河

The Application of Marine Geophysical Prospecting Technology in the Detection of Offshore Reefs

ZHANG Wei-he

（CCCC Guangzhou Dredging Co. Ltd.， Guangzhou 510220， China）

【摘? 要】論文介紹了海底礁石地質(zhì)特征，同時(shí)通過重點(diǎn)分析幾種常用的海底礁石探測(cè)技術(shù)方法特點(diǎn)，說明了海洋物探是目前海底礁石探測(cè)最值得推薦使用的技術(shù)方法，其效率高、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)、適用范圍廣的特點(diǎn)能夠很好地滿足海底礁石探測(cè)的各項(xiàng)要求，并在相關(guān)工程項(xiàng)目得到了有效應(yīng)用。實(shí)踐證明，海洋物探法可精確還原疏浚區(qū)海底礁石分布狀態(tài)，為項(xiàng)目提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

【Abstract】This article introduces the geological characteristics of submarine reefs. At the same time， by focusing on the analysis of several commonly used seafloor reef detection techniques and methods， it shows that marine geophysical exploration is currently the most recommended technical method for submarine reef detection. The characteristics of strong nature and wide application range can well meet the requirements of submarine reef detection， and it has been effectively applied in related engineering projects. Practice has proved that marine geophysical methods can accurately restore the distribution status of subsea reefs in the dredged area and provide reliable data support for the project.

【關(guān)鍵詞】物探技術(shù);海底礁石;探測(cè)應(yīng)用

【Keywords】geophysical exploration technology; subsea reef; detection application

【中圖分類號(hào)】TN62? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2020）03-0186-04

1 引言

21世紀(jì)，人類進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)利用海洋時(shí)期，海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展提速，給疏浚業(yè)帶來新的發(fā)展機(jī)遇，也對(duì)疏浚業(yè)設(shè)備和技術(shù)提出了更高的要求。目前全球疏浚工程正變得越來越復(fù)雜，主要體現(xiàn)在疏浚深度不斷加大：越來越多的港口航道疏浚標(biāo)高低至-20m以下，特殊項(xiàng)目疏浚標(biāo)高甚至低于-50m，疏浚土質(zhì)也由此變得越來越復(fù)雜。若疏浚土質(zhì)為巖石，則需要特定施工船舶或特殊施工工藝才能清除，其施工難度和成本較一般砂土疏浚要高得多。若在工程項(xiàng)目前期未能夠準(zhǔn)確掌握海底礁石分布狀態(tài)和方量情況，勢(shì)必加大項(xiàng)目進(jìn)展的風(fēng)險(xiǎn)，因此尋求一種可靠的海底礁石探測(cè)方法是有效規(guī)避項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵所在。

2 海底礁石地質(zhì)特征

巖石是在大自然中廣泛存在的地質(zhì)巖體，按成因的不同，可分為巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖。巖漿巖由巖漿形成，產(chǎn)狀復(fù)雜多樣，有巖床、巖盆、巖蓋、巖鞍、巖基、巖株、巖脈、巖墻等;沉積巖是成層堆積的松散沉積物固結(jié)而成的巖石，具有明顯的可反映物質(zhì)沉積規(guī)律的結(jié)構(gòu)特征，產(chǎn)狀較為單一，多為層理和層狀，只有在受到后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響和改造下才會(huì)變得復(fù)雜;變質(zhì)巖是巖石在高溫高壓下經(jīng)變質(zhì)作用形成，產(chǎn)狀普遍較為復(fù)雜。三大類型巖石均有可能分布于近岸海底，常見有花崗巖、生物礁灰?guī)r、砂巖、泥巖、頁巖、混合巖等。

港口、航道、水利、海洋工程中一般將埋藏于海面以下的巖石稱為海底礁石。海底礁石按埋藏情況，可分為裸露礁石和埋藏礁石。其中埋藏礁石上覆地層則稱為礁石覆蓋層。覆蓋層土質(zhì)多樣，有淤泥、粘土、砂、礫石及其混合物等。同時(shí)，由于土質(zhì)的多樣性，礁石覆蓋層的致密程度也不盡相同。按分布狀態(tài)，海底礁石還可大致區(qū)分為連片礁石和孤立礁石。

3海底礁石探測(cè)技術(shù)

目前，國內(nèi)外常用的海底礁石探測(cè)技術(shù)有海域工程鉆探、礁石釬探測(cè)量、海洋地球物理探測(cè)以及人工探摸等，其中人工探摸作業(yè)僅能探測(cè)海底裸露礁石，效率低、成本高、定位差，且受海況條件影響明顯，一般僅作為輔助探測(cè)手段，暫不做詳盡介紹。

3.1 海域工程鉆探

海域工程鉆探手段，是通過鉆機(jī)鉆取海底巖芯，判斷巖石類型、觀察巖石節(jié)理、破碎情況、風(fēng)化程度和巖芯采樣率等，初步判斷巖石的可挖性。再通過室內(nèi)土工試驗(yàn)，包括巖石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、點(diǎn)荷載試驗(yàn)等最終確定其施工工藝。工程鉆探是目前進(jìn)行巖石定性分析最為直接、有效的方法，但是由于其采用點(diǎn)狀作業(yè)方式，作業(yè)周期長、成本高，而且還易受海況條件限制，同時(shí)對(duì)于巖層產(chǎn)狀起伏較大的海底礁石區(qū)域，很難進(jìn)行準(zhǔn)確的巖石定量分析。

3.2 釬探測(cè)量

礁石釬探測(cè)量與人工探摸類似，大多時(shí)候僅作為輔助手段進(jìn)行疑似海底礁石探查。測(cè)量過程中，首先用探桿探測(cè)海底表面水深，記錄下測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)號(hào)、水深和測(cè)量時(shí)間（或水位），然后靠人力釬探穿透覆蓋層至礁石巖面，并記錄下對(duì)應(yīng)的水深和測(cè)量時(shí)間，從而達(dá)到探知礁石分布狀態(tài)的目的。其作業(yè)效率低，受覆蓋層厚度和覆蓋層土質(zhì)致密程度限制明顯[1]。

3.3 海洋地球物理探測(cè)

隨著海洋物探技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的物探設(shè)備應(yīng)用到了海底礁石探測(cè)中。這類設(shè)備能夠更有效地測(cè)量出海底礁石的狀態(tài)，使測(cè)量的結(jié)果更準(zhǔn)確，另外還不受測(cè)量范圍的限制。當(dāng)前，用于海底礁石探測(cè)的主流物探設(shè)備有多波束測(cè)深系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶系統(tǒng)和淺層剖面系統(tǒng)，三者被業(yè)界分別形象地比喻為“水下地形地貌儀”“水下照相機(jī)”和“水下CT”。它們都是聲學(xué)設(shè)備，發(fā)射的聲波頻率各有不同，均以聲波接觸海底介質(zhì)或目標(biāo)物反射回來的信號(hào)的物理性質(zhì)差異作為研究基礎(chǔ)。

多波束測(cè)深系統(tǒng)大部分以200～400kHz的工作頻率進(jìn)行探測(cè)的，利用發(fā)射換能器和接收換能器陣列向海底發(fā)射和接收聲波波束的原理，獲取大量海底被測(cè)點(diǎn)的水深值，從而比較可靠地繪制出海底地形的三維特征[2]。側(cè)掃聲吶利用聲學(xué)換能器發(fā)射低入射角高頻聲脈沖扇形波束，接收單元接收回波信號(hào)，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理單元，呈現(xiàn)出二維海底地貌圖，其工作頻率有100kHz、400kHz和900kHz等，頻率不同對(duì)應(yīng)的掃寬也不相同[3-4]。淺層剖面探測(cè)系統(tǒng)的工作頻率主要為400hz-

20khz，頻率不同聲波穿透能力也隨之不同，利用聲波換能器垂直向下發(fā)射聲脈沖，聲脈沖不斷進(jìn)行穿透和反射接收，從而探知地層垂向結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，進(jìn)而反映海底淺部地層的分層情況[5]。

多波束測(cè)深系統(tǒng)能夠獲取海底地物準(zhǔn)確的位置信息等定量數(shù)據(jù)，卻難以對(duì)海底地物進(jìn)行詳細(xì)的定性分析;側(cè)掃聲吶可獲取高清的海底二維圖像[6]，可根據(jù)圖像的明暗信息對(duì)海底地物進(jìn)行定性分析，但無法進(jìn)行定量分析;淺層剖面系統(tǒng)以獲取淺層地質(zhì)剖面為主，能夠較為清晰地劃分出海底淺部地層界面，可探知礁石巖面標(biāo)高和覆蓋層厚度等信息，但無法對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行全覆蓋探測(cè)，且對(duì)海底表層土質(zhì)類型的區(qū)分效果一般。

可見，以上三種探測(cè)方法具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。通過互相配合使用，并將其信息進(jìn)行整合處理，能夠高效完成對(duì)海底及其淺部地質(zhì)的定性和定量分析，從而精確還原海底淺部礁石分布全貌。同時(shí)海洋物探采用走航式作業(yè)方式，作業(yè)效率高，在海況復(fù)雜的調(diào)查區(qū)域也能正常開展工作，適應(yīng)性強(qiáng)。

4 海底礁石地質(zhì)特征與探測(cè)方法

海底礁石類型多樣，地質(zhì)特征也十分復(fù)雜。在進(jìn)行海底礁石探測(cè)工作前，可通過分析海底礁石的類型、分布特點(diǎn)、地質(zhì)演化過程，覆蓋層厚度以及覆蓋層土質(zhì)等的情況，來選擇最合適的探測(cè)方法、布置最佳的作業(yè)計(jì)劃。

在進(jìn)行未受后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)明顯影響的沉積巖礁石區(qū)探測(cè)時(shí)，考慮到它的產(chǎn)狀較為平整，巖面起伏變化不大，鉆探和物探均可作為探測(cè)手段，物探計(jì)劃測(cè)線和鉆孔點(diǎn)間距在相關(guān)規(guī)范要求允許范圍內(nèi)可適當(dāng)加大，若礁石為裸露狀態(tài)或埋深較淺且覆蓋層土質(zhì)疏松，則也可考慮進(jìn)行釬探測(cè)量，若礁石埋藏較深且覆蓋層土質(zhì)相對(duì)較為密實(shí)，淺層剖面設(shè)備需考慮采用高能量、低頻率的儀器型號(hào)，保證礁石探測(cè)效果;在進(jìn)行產(chǎn)狀復(fù)雜、巖面起伏變化較大的巖石地層礁石區(qū)探測(cè)時(shí)，物探則是最佳的探測(cè)手段，但其測(cè)線間距應(yīng)盡量縮小，其他探測(cè)方法可視情況做相應(yīng)選擇;在進(jìn)行海底孤石

探測(cè)時(shí)，物探是一種相對(duì)較為合適的探測(cè)手段，而鉆探和

釬探不予以考慮;在礁石測(cè)區(qū)面積較大，建議使用物探手段進(jìn)行探測(cè)，鉆探和釬探僅考慮作為輔助手段進(jìn)行疑似礁石確認(rèn)。

綜上所述，分析海底礁石的地質(zhì)特征情況，對(duì)探測(cè)方法的選擇、物探設(shè)備選型和計(jì)劃測(cè)線布置、鉆孔孔位和釬探點(diǎn)位布設(shè)等都有重要的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。海洋物探方法具有適應(yīng)性強(qiáng)和適用范圍廣的特點(diǎn)，同時(shí)海洋物探采用走航式作業(yè)方式，高效且成本低，是目前進(jìn)行海底礁石探測(cè)最值得推薦的方法，在某些特定情況下，可考慮運(yùn)用鉆探和釬探進(jìn)行礁石探測(cè)或作為物探的輔助手段進(jìn)行疑似礁石確認(rèn)。

5 海底礁石探測(cè)應(yīng)用實(shí)例

5.1 工程項(xiàng)目背景

國內(nèi)某航道擴(kuò)建工程，長度約11.9km，分為航道內(nèi)段和航道外段。航道內(nèi)段設(shè)計(jì)標(biāo)高-21.5m，疏浚范圍內(nèi)分布有大量的礁石，礁石分布狀態(tài)復(fù)雜，有連片礁石區(qū)，有零星礁石，有裸露礁石，也有埋藏礁石，因此該工程除了傳統(tǒng)上的砂土疏浚外，還要進(jìn)行局部區(qū)域的炸礁施工。為保證投標(biāo)報(bào)價(jià)準(zhǔn)確和施工過程風(fēng)險(xiǎn)可控，需要在項(xiàng)目前期摸清該區(qū)域的礁石分布狀態(tài)和礁石方量。

5.2 應(yīng)用實(shí)例

該工程區(qū)域礁石分布狀態(tài)復(fù)雜，采用鉆探和釬探等其他方法均很難滿足探測(cè)要求，而通過多波束、側(cè)掃聲納及淺層剖面儀的組合使用，能夠很好地滿足探測(cè)要求。針對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)海底礁石的分布特征，進(jìn)行了物探設(shè)備包括多波束、側(cè)掃聲納及淺層剖面儀的選型工作，各設(shè)備選型情況見表1。

勘測(cè)作業(yè)過程中，由于多波束和側(cè)掃聲納的工作頻率較為接近，同步作業(yè)會(huì)造成一定的信號(hào)干擾，影響勘測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，同時(shí)考慮到多波束數(shù)據(jù)作為最基礎(chǔ)的研究資料，對(duì)后續(xù)側(cè)掃聲納和淺剖測(cè)量的計(jì)劃布置有指導(dǎo)意義，所以首先進(jìn)行多波束掃測(cè)，隨后再進(jìn)行側(cè)掃聲納和淺剖測(cè)量。其中多波束和側(cè)掃聲納對(duì)海底進(jìn)行全覆蓋掃測(cè)，淺剖則按照40 m測(cè)線間距進(jìn)行測(cè)量。作業(yè)過程嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行。

內(nèi)業(yè)處理過程如下：首先利用多波束數(shù)據(jù)繪制三維海底地形地貌圖（圖1），然后根據(jù)側(cè)掃聲納鑲嵌圖繪制出海底裸露礁石大致范圍（圖2），最后通過兩者數(shù)據(jù)和圖形的相互比對(duì)，準(zhǔn)確描繪出海底裸露礁石的位置范圍，然后將繪制完成的裸露礁石范圍圖作為淺剖內(nèi)業(yè)處理的底圖文件與淺剖數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，繪制海底和礁石巖面（圖3）。

該項(xiàng)目通過多波束、側(cè)掃聲納及淺剖儀的組合使用及對(duì)三組數(shù)據(jù)的對(duì)比和互補(bǔ)，精確地還原了該測(cè)區(qū)范圍內(nèi)海底礁石分布狀態(tài)和方量情況：總共探明海底礁石42處，其中裸露礁石35處，埋藏礁石7處，總炸礁方量約21萬方。目前從現(xiàn)場(chǎng)炸礁施工反饋信息了解，海底礁石探測(cè)成果準(zhǔn)確可靠，有效保障了項(xiàng)目施工的順利推進(jìn)。