基于淺剖數(shù)據(jù)的海底底質(zhì)分類研究與應(yīng)用

路允乾，楊 力，譚玉芳，張浩浩

（1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510075；2.天然氣水合物勘查開發(fā)國家工程研究中心，廣東 廣州 510075）

海底底質(zhì)是包括海岸帶、大陸架、大陸坡和大洋盆地的海底沉積物和海底基巖的總稱，底質(zhì)類型是海洋資源與環(huán)境研究的重要基礎(chǔ)資料，隨著海洋資源開發(fā)、海洋工程建設(shè)和航運安全、軍事安全的需要，海底底質(zhì)的識別和研究愈發(fā)重要[1-4]。目前，海底底質(zhì)的測量數(shù)據(jù)主要由定量數(shù)據(jù)和定性數(shù)據(jù)組成，定量數(shù)據(jù)包括原位測量數(shù)據(jù)和反演數(shù)據(jù)，定性數(shù)據(jù)包括實驗室樣品測定或計算得到的地質(zhì)學(xué)巖性分類數(shù)據(jù)等。獲取底質(zhì)數(shù)據(jù)的方式可分為現(xiàn)場樣品采集作業(yè)、原位測量等接觸型探測方式和基于聲學(xué)特征的多波束、淺地層剖面等非接觸型探測方式[5-6]?，F(xiàn)場樣品采集方式多樣，常用的有拖網(wǎng)法、液壓法、鉆探法、震動法、活塞法和重力法，這些取樣方法是直觀、準(zhǔn)確地得到底質(zhì)巖性及物性數(shù)據(jù)的有效手段，但是由于樣品環(huán)境發(fā)生了改變，實驗室測量恢復(fù)水下環(huán)境困難，導(dǎo)致獲取的物性及聲學(xué)數(shù)據(jù)存在較大誤差[7-8]。原位測量可消除由于環(huán)境改變引起的誤差，但原位測量效率低、采樣數(shù)據(jù)離散且成本太高，不適用于大面積的底質(zhì)探測。非接觸的聲學(xué)測量是效率最高的底質(zhì)探測方法，多波束聲學(xué)反演滿足大范圍高精度海底沉積物探測的需要，但多波束穿透深度有限，只能分辨表面沉積。淺地層剖面聲學(xué)測量是海洋探測最常用的方式之一，淺地層剖面儀可在船舶走航過程中通過換能器發(fā)射聲波信號，穿透海水及沉積層，利用接收單元接收到攜帶界面信息的反射波測量海底淺層的構(gòu)造分布，由于淺剖信號具有更強(qiáng)的穿透力，淺剖資料具有分辨淺表層的能力和效率高、成本低的特點[9-11]。

自20 世紀(jì)70 年代以來，專家學(xué)者提出了許多海底底質(zhì)分類研究的思路，如基于Contourlet 變換和支持向量機(jī)的側(cè)掃聲吶成像底質(zhì)分類、基于多波束柵格圖像和改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的底質(zhì)分類、基于多波束反向散射強(qiáng)度角度響應(yīng)曲線的底質(zhì)分類、利用海底淺層剖面儀灰度圖進(jìn)行底質(zhì)分類等，這些分類方法大多是針對海底表面底質(zhì)，識別深度有限[9-18]。淺地層剖面資料反射頻率較多波束低、穿透能力強(qiáng)，本文采用淺地層剖面與地質(zhì)取樣相結(jié)合的方式，在振幅均一化校正的基礎(chǔ)上提取淺剖資料的均方根振幅屬性，研究發(fā)現(xiàn)均方根振幅屬性與底質(zhì)類型具有良好的相關(guān)性，將提取均方根振幅屬性繪制成平面等值線，可初步劃分底質(zhì)類型，實際地質(zhì)取樣資料與利用均方根振幅得出的底質(zhì)劃分結(jié)果相吻合。在少量地質(zhì)取樣約束下，利用淺地層剖面資料可以方便快捷地獲取區(qū)域內(nèi)一定深度下的底質(zhì)類型分布，節(jié)約了探測成本，提高了探測效率，可為海洋環(huán)境調(diào)查、海底資源勘探、海洋工程建設(shè)、海洋軍事活動等各個方面提供借鑒和參考。

1 研究區(qū)位置

研究區(qū)位于南海北部陸坡的瓊東南海域，分布范圍為110°50’E—111°10’E，17°10’N—17°20’N（圖1），水深在1 200~1 500 m。研究區(qū)內(nèi)地勢自南東向北西緩慢傾斜下降，地形自西北邊緣1 600 m水深段，向東南方向逐漸變淺至1 200 m 左右，海底地形總體變化平緩，海底地貌變化不大，主要有麻坑、陡坎、臺地等。瓊東南盆地陸坡區(qū)第四紀(jì)晚更新世以來主要發(fā)育了一套半深海相-深海相沉積，沉積巖性較簡單，以泥和粉砂為主[19-20]，研究區(qū)海底底質(zhì)基本以泥質(zhì)沉積為主，沉積物類型變化不大。研究區(qū)東南有一長約40 km，寬5~10 km，水深最淺處僅100 m 的狹長水下海丘，海丘呈橢圓形，近北東東向展布，海丘周圍發(fā)育多條底流沖刷形成的沖溝，推測研究區(qū)海底沉積物可能來自東南部水下海丘。研究區(qū)內(nèi)共有5 條淺地層剖面測線及3 個重力取樣站位，根據(jù)取樣站位的巖性分析，北部兩個站位（圖1 中綠色圓點）海底沉積物類型為黏土，南部取樣站位（圖1 中黃色圓點）海底沉積物類型為粉砂質(zhì)黏土，取樣站位巖性與研究區(qū)西北深東南淺的水深數(shù)據(jù)吻合良好。

圖1 研究區(qū)淺地層剖面及取樣站位

2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1 采集設(shè)備及采集參數(shù)

淺剖資料來自廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，共計5 條測線，測線間距為5 000 m，淺剖測量設(shè)備是德國ATLAS 公司生產(chǎn)的ATLAS PARASOUNND P70 參量陣淺地層剖面儀，外設(shè)設(shè)備及導(dǎo)航定位系統(tǒng)為：Veripos DGPS、Octans 光纖羅經(jīng)、AML SVPlus 聲速計、HYPACK 導(dǎo)航系統(tǒng)等。ATLAS PARASOUNND P70 參量陣淺地層剖面儀主要由換能器、發(fā)射/接收電子單元、主控制計算機(jī)組成，其中發(fā)射/接收電子單元包括模擬電子單元（Analog Electronic Unit）、數(shù)字電子單元（Digital Electronic Unit）和內(nèi)部連接單元（Internal Connection Unit）三部分。該設(shè)備固定安裝在廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局“海洋六號”船上，設(shè)備工作水深為10~11 000 m，適用于全海域范圍海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)的調(diào)查分析。它既具備傳統(tǒng)的單脈沖發(fā)射模式，又有先進(jìn)的脈沖鏈發(fā)射模式（Pulse Train）和等距發(fā)射模式（Quasi-equidistant），利用連續(xù)波（Continuous Wave）、調(diào)頻脈沖波（Chirped）、編碼脈沖（Barker-coded）等多種脈沖類型選擇和參量陣差頻技術(shù)相結(jié)合，使其實現(xiàn)了從淺水到深水全海域范圍的測量功能，具有較高的地層分辨率和地層穿透能力，是目前世界上最先進(jìn)的全海洋海底淺地層剖面調(diào)查儀器之一。本文數(shù)據(jù)采集采用等距發(fā)射模式，脈沖長度1 ms，換能器吃水5.6 m，采樣間隔0.04 ms，為了減少野外采集的數(shù)據(jù)量，采集過程中應(yīng)用了延遲記錄的方式。

2.2 淺剖資料預(yù)處理

淺剖數(shù)據(jù)在野外采集過程中容易受到周圍環(huán)境的噪音干擾，造成資料信噪比低，同相軸模糊不清；并且由于采集儀器自身的原因，經(jīng)常發(fā)生更換文件名記錄的情況，造成測線分段；有時因為延時記錄采集的原因，無法正確反映反射波的時間信息。本次野外采集的原始淺剖數(shù)據(jù)具有明顯的分段特征，且不同分段間背景噪音差別巨大（圖2（a））[21-23]。根據(jù)原始淺地層剖面資料的特點，本文淺地層剖面資料處理使用RadExpro 地震處理系統(tǒng)、SU 地震處理系統(tǒng)軟件與自研的淺地層剖面測量數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件。處理的主要任務(wù)有坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與位置校正、剖面連接、大值干擾壓制等，以上處理過程均采用保幅處理的原則。處理流程包括將淺地層剖面測量數(shù)據(jù)中的地理經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)，UTM（Universal Transverse Mercator）投影，中央經(jīng)線111°，讀取位置相關(guān)信息、校正換能器位置；采用RadExpro 2014 地震資料處理系統(tǒng)中的Burst Noise Removal 去噪模塊，衰減強(qiáng)能量大值脈沖干擾和部分隨機(jī)干擾（圖2（c）），恢復(fù)被覆蓋的有效信號；根據(jù)低頻涌浪噪音與有效信號的頻帶差異去除涌浪噪音；根據(jù)道之間的位置關(guān)系，實現(xiàn)同一設(shè)計測線不同測線段的剖面進(jìn)行連接，保證剖面的連續(xù)性等（圖2（b））。處理后的淺地層剖面有效壓制了各種噪音干擾，波形得到改善，恢復(fù)了被覆蓋的有效反射，消除了涌浪造成的同相軸高頻抖動，地震記錄的低頻和大值干擾被去除，剖面信噪比和同相軸連續(xù)性得到大幅提升，為地質(zhì)解釋奠定了基礎(chǔ)（圖2（d））。

圖2 測線XS-29 預(yù)處理前后對比

3 結(jié) 果

3.1 振幅一致性校正

在淺剖數(shù)據(jù)野外采集的過程中，因為水深或探測目標(biāo)層發(fā)生變化，采集參數(shù)也隨之改變，主要體現(xiàn)在震源激發(fā)能量的改變，特別不同船舶采集的數(shù)據(jù)，造成不同時間采集的測線甚至同一條測線的不同分段之間的振幅能量不同，因此在提取淺剖屬性之前，必須進(jìn)行振幅一致性校正。振幅一致性校正容易被忽略，但這一處理對數(shù)據(jù)屬性反演尤為關(guān)鍵[24]。振幅能量的差異主要由震源的能量差異引起，因此，本文采取了基于背景噪音振幅一致性校正的方法，通過將淺剖數(shù)據(jù)的背景噪音校正到同一水平來消除采集參數(shù)變化對淺地層振幅能量的影響。

淺剖數(shù)據(jù)原始記錄的每條測線往往由多個數(shù)據(jù)文件組成，每個數(shù)據(jù)文件的采集參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化。振幅一致性校正既要考慮不同測線間的一致性校正，又要考慮同一測線不同分段間的一致性校正，二者校正方法大致相同。同一測線不同分段間的一致性校正通常容易被忽略，但卻是振幅一致性校正中最為關(guān)鍵的部分。研究區(qū)XS-29 測線根據(jù)背景噪音振幅值的大小可以明顯分為3 個分段，分段連接處背景噪音振幅能量存在差異，以分段1 和分段2 為例進(jìn)行分段間的振幅一致性校正，在兩段數(shù)據(jù)連接處的海底上方約10 ms 處選擇100 道作為背景噪音的時窗（圖3（a）），提取時窗內(nèi)的背景噪音振幅數(shù)據(jù)（圖4（a）），可以發(fā)現(xiàn)大部分背景噪音振幅值落在0 附近，僅在共中心點道集（Common Depth Point，CDP）號200 附近出現(xiàn)一個振幅高值，這類數(shù)據(jù)點被認(rèn)為是異常值，在一致性校正時需要對異常值進(jìn)行剔除。由圖4（b）可知，剔除異常值后重新提取背景噪音振幅，可以看到噪音振幅可明顯分為兩段，在CDP 號220 附近即分段1 與分段2 之間出現(xiàn)一振幅強(qiáng)度值分界線，分界線右側(cè)分段2 振幅值整體高于分界線左側(cè)的分段1，分別統(tǒng)計分段1 與分段2 的背景噪音振幅平均值，分段1 背景噪音振幅平均值為0.000 35，分段2 背景噪音振幅平均值為0.000 099。為了使處理結(jié)果具有一致性，本文將目標(biāo)背景噪音振幅設(shè)置為1，然后對不同分段的噪音平均振幅賦一個比例系數(shù)來達(dá)到均一化的效果。以此類推校正測線的所有分段，均一化后不同測線和同一測線各個分段間的數(shù)據(jù)背景噪音振幅處于同一水平，消除了采集參數(shù)對振幅值的影響（圖3（b））。

圖3 測線XS-29 分段間振幅一致性校正前后對比

圖4 測線XS-29 分段間的振幅一致性校正（取樣時窗見圖3）

3.2 振幅一致性校正

振幅一致性校正后，可認(rèn)為研究區(qū)所有測線采集時淺地層剖面儀發(fā)射的脈沖強(qiáng)度是不變的，那么接收到的振幅強(qiáng)度就反映了海底的反射強(qiáng)度特征，海底反射強(qiáng)度主要受底質(zhì)類型影響，即沉積物的粒度、孔隙度、密度、含水量等物理性質(zhì)控制了接收到的淺剖振幅屬性強(qiáng)度，具體表現(xiàn)為不同沉積物對聲波的吸收和反射不同，利用反射能量密度可以區(qū)分不同底質(zhì)類型[25-27]。因此提取研究區(qū)振幅屬性，總結(jié)其變化規(guī)律，有助于把握整個研究區(qū)的沉積物分布及底質(zhì)類型。研究區(qū)5 條主測線的均方根振幅剖面顯示海底以下約30 ms 內(nèi)均方根振幅強(qiáng)度縱向上分布穩(wěn)定，橫向上在海底破折帶發(fā)生明顯變化，東南部海底斜坡粉砂質(zhì)黏土地層振幅能量強(qiáng)度明顯小于西北部海谷黏土地層，從測線XS-30 均方根振幅屬性剖面可以明顯看到海底以下30 ms 內(nèi)破折帶左側(cè)黏土段的均方根振幅強(qiáng)度明顯高于右側(cè)斜坡的粉砂質(zhì)黏土段（圖5），研究區(qū)振幅屬性的區(qū)域差異反映了沉積物類型的差異，因此可以通過均方根振幅屬性實現(xiàn)區(qū)域底質(zhì)類型劃分。

圖5 測線XS-30 均方根振幅屬性剖面（剖面位置見圖1）

淺剖數(shù)據(jù)的縱向穿透深度可達(dá)百米，具體的穿透深度受到發(fā)射能量、發(fā)射頻率、噪音水平和底質(zhì)類型的影響。研究區(qū)淺剖資料縱向剖面顯示在海底以下約30 ms 的范圍內(nèi)，振幅能量縱向穩(wěn)定，同相軸清晰、連續(xù)性好，反射界面和內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)清晰，分辨率較高，30 ms 以下的地層出現(xiàn)空白反射，沉積物內(nèi)部反射界面不清，分辨率降低，因此，本文提取海底以下30 ms 的均方根振幅屬性來進(jìn)行底質(zhì)類型判別。首先拾取出研究區(qū)5 條淺剖測線的海底面，作為均方根振幅提取的頂界面，然后將海底向下漂移30 ms 作為均方根振幅屬性提取的底界面，提取海底以下30 ms 的均方根振幅屬性并將其網(wǎng)格化為平面結(jié)果（圖6）。從均方根振幅屬性平面圖上可以看出，高低振幅分界明顯，分界線大致呈北東向展布，紅色和黃色代表振幅高值，主要位于研究區(qū)西北部，振幅值在0.001 5~0.004；綠色和藍(lán)色的振幅低值位于研究區(qū)東南部，振幅值介于0.001~0.001 5。測線XS-30、XS-32、XS-33 南部還存在零星高值異常，高值區(qū)范圍較小，不連續(xù)。

圖6 均方根振幅屬性平面圖

4 討 論

將均方根振幅屬性平面圖與取樣結(jié)果疊合顯示，研究區(qū)西北部以黏土為主，東南部以粉砂質(zhì)黏土為主，與西北部均方根振幅高值和東南部均方根振幅低值的分布特征吻合良好（圖7（a）、圖7（c））。網(wǎng)格化后的振幅強(qiáng)度平面圖很好地體現(xiàn)了淺地層剖面反射能量強(qiáng)度，以測線XS-30、測線XS-32 為例，測線XS-30 在淺地層剖面上有兩處相對能量強(qiáng)度高值（粉色箭頭）和3 處相對能量強(qiáng)度低值（綠色箭頭）（圖7（b）），其中，西側(cè)高值對應(yīng)均方根振幅強(qiáng)度平面圖西北部紅色高值區(qū)，東側(cè)的相對高值異常，對應(yīng)平面圖上測線XS-30 東部黃色高值異常區(qū)（圖7（a））；測線XS-32 淺地層剖面中部同樣有一反射強(qiáng)度高值異常（圖7（c）），與平面圖上粉色箭頭對應(yīng)的異常區(qū)匹配良好（圖7（d））。均方根振幅強(qiáng)度平面圖很好地反映了淺地層剖面反射強(qiáng)度，且高低值異常與地質(zhì)取樣巖性差異吻合，可有效應(yīng)用于海底底質(zhì)類型劃分。根據(jù)多波束地形圖，研究區(qū)水深具有西北深、東南淺的特點，且研究區(qū)東南部發(fā)育的海丘和海丘周圍的沖溝指示研究區(qū)海底沉積物的物源可能來自東南海丘，來自東南部的沉積物向西北深水區(qū)搬運的過程中顆粒較粗的部分率先沉積，細(xì)粒部分則越過坡折帶搬運到更遠(yuǎn)的西北部，形成了西北部黏土沉積為主，東南部粉砂質(zhì)黏土為主的沉積特征。

圖7 底質(zhì)分類結(jié)果質(zhì)控

均方根振幅屬性平面圖與取樣結(jié)果的良好吻合證明了通過提取經(jīng)過振幅一致性校正處理后的淺地層剖面資料均方根振幅屬性可以很好地進(jìn)行海底底質(zhì)類型識別，這種方法很好地解決了淺剖數(shù)據(jù)同一條測線在不同時間、不同船舶采集下振幅強(qiáng)度不一致的問題。均方根振幅屬性對底質(zhì)類型敏感的本質(zhì)是不同類型、不同粒度沉積物對反射振幅能量敏感，而沉積物受壓實作用和沉積環(huán)境的影響，具有很強(qiáng)的區(qū)域非均質(zhì)性，不同地區(qū)、不同類型的沉積物物理性質(zhì)存在很大差異，因此識別屬性不是一成不變的，需要結(jié)合地質(zhì)取樣具體分析[28]。在相同能量激發(fā)強(qiáng)度的前提下，一般來說原生地層的反射振幅強(qiáng)度隨著沉積物密度的增大而遞增，隨著孔隙度的增大而減小，泥巖的孔隙度通常較砂巖小，且更容易被壓實，因此相同深度情況下的泥巖反射振幅強(qiáng)度大于砂巖層[23]。得益于淺剖數(shù)據(jù)縱向穿透能力強(qiáng)的特點，當(dāng)海底沉積物在一定深度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，成分基本一致時，可以分辨一定厚度的底質(zhì)類型，本文根據(jù)研究區(qū)淺剖資料的特點，選取了海底以下30 ms（約22.5 m）的范圍進(jìn)行底質(zhì)類型識別，發(fā)揮了淺剖資料的優(yōu)勢，拓展了底質(zhì)類型的縱向分辨深度。當(dāng)海底沉積物類型縱向變化時，可以結(jié)合地質(zhì)取樣結(jié)果人工拾取巖性界面，分層進(jìn)行底質(zhì)類型判別。

5 結(jié) 論

淺地層剖面資料與地質(zhì)取樣相結(jié)合的方式可以快速而相對準(zhǔn)確地對海底底質(zhì)類型進(jìn)行劃分。淺地層剖面資料在提取均方根振幅前需要經(jīng)過預(yù)處理和振幅一致性校正。本文淺地層剖面數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，連接了分段剖面，有效壓制了各種噪音干擾，恢復(fù)了有效反射，分辨率和信噪比得到顯著提升，為剖面解釋奠定了基礎(chǔ)。對于存在背景噪音振幅不一致情況的淺剖資料，進(jìn)行了基于背景噪音的一致性校正，將測線振幅能量均一化到同一水平。隨后提取了淺地層剖面數(shù)據(jù)的均方根振幅屬性，與研究區(qū)地質(zhì)取樣數(shù)據(jù)匹配后進(jìn)行底質(zhì)類型的識別和劃分，這一方法具有效率高、成本低的特點。在研究區(qū)，均方根振幅西北部高值和東南部低值的分界面清晰連續(xù)，其分布特征與西部黏土為主、東部粉砂質(zhì)黏土為主的地質(zhì)取樣結(jié)果吻合良好，證明該方法可有效應(yīng)用于海底底質(zhì)分類，可為海底底質(zhì)分類提供有效的方法和技術(shù)支持。