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中地层剖面仪在海上风电场勘察中的应用

2024-11-11 71 上传者：管理员

摘要：以某海上风电工程为案例，采用中地层剖面仪采集野外数据，通过数据处理解译获得该区的地质剖面。结果表明中地层剖面勘测可以探测覆盖层厚度及花岗岩基岩埋深情况，可以初步揭露整个测线的地质结构，并及时发现不良地质情况，并指出中地层剖面仪对于不同地层的探测效果。

关键词：
中地层剖面仪
勘测
波阻抗
海上风电
花岗岩
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随着我国能源结构调整和环境保护意识的提高，海上风电作为清洁能源的重要组成部分，在中国各地得到了快速发展，福建作为东南沿海省份，其海上风电项目也在近年来得到了积极推动和建设。福建拥有长达3 000多千米的海岸线，海岸线长，风力资源丰富，适宜海上风电的发展。通过建设海上风电场，不仅可以有效利用风能资源，还能够减少对传统化石能源的依赖，降低环境污染，推动可持续能源的发展，为国家碳达峰与碳中和做出贡献。

海上风电工程勘察前期需考虑风电场址选址问题，而传统的岩土勘察只能揭露单点位置的地层情况，无法代表整个场区的地质情况。中地层剖面勘察利用声学原理来获得地下地质结构信息，通过连续走航进行采集数据，效率较高，探测分辨率高，探测深度深，可以揭露整个测线的地质情况，在海上风电、跨海大桥、海底沉船调查等海上工程及海洋调查中得到广泛应用[1-4]。

1、工程概况

某平潭海上风电场工区中心离岸约6.0 km～13.0 km,场址周边分布大量露海岛礁，周边分布山日岛、东痒岛、小痒岛、白冰礁、牛尾、大嵩、小嵩以及东洲、坪洲、山洲等众多岛礁。根据工区多波束侧扫海底地形图，工区西南地势高，东北地势低，整体较为平坦，海底高程约-15.0 m～-35.0 m。工区地貌类型为海积成因，场地内水下滑坡、沟壑等不发育，海底亦未见明显阶地。场区内未见其他构筑物，且未见岛礁出露。

工区海域内主要分布的地层岩性如下：第四系全新统海积层(Q)淤泥、砂土、淤泥质粉质黏土以及第四系晚更新统冲积层(Q)的黏性土、砂土，场区内下伏燕山早期第一次侵入的花岗岩(ηγ)风化岩层等地层。

本次采用中地层剖面勘探方法进行勘测，物探工作共完成中地层剖面50.79 km。

2、地球物理条件

工区的海水、覆盖层以及基岩由于本身的结构、成分及其组合形式的不同，决定了不同地质体物性差异。这些物性参数的差异(密度、速度等)反映了不同的地质现象，通过采集地质体的各种物性参数，了解不同地质体的物性差异，可以建立反演模型，推测地下介质的工程性质。

据本次物探区域已有地质钻探资料表明，基岩为燕山期花岗岩，工程地层岩性可分为以下8类：

1)第一层为流塑—软塑状淤泥层。2)第二层为稍密—中密状粉砂层。3)第三层为软塑—可塑状淤泥质粉质黏土层。4)第四层为密实状为主，局部为中密状粉砂层。5)第五层为可塑—硬塑粉质黏土夹中砂夹砾质黏性土层。6)第六层为全风化花岗岩层。7)第七层为散体状强风化花岗岩夹碎块状强风化花岗岩层。8)第八层为中风化花岗岩层。

本次主要岩土层的物性参数见表1。

表1主要岩土层物性参数表

本区具有开展地震类勘探的地球物理条件：工区地层之间波速及密度差异明显，界面处存在波阻抗差，当地层平稳时，为良好的地震反射界面。

3、中地层剖面勘测原理

中地层剖面勘测是利用水声学原理来探测地层，通过连续走航式探测水下岩土结构的地球物理方法。中地层剖面勘测设备是由装载GPS的船舶、震源及水听器等设备组成(见图1)。

图1中地层剖面探测原理示意图

声波在海底传播过程中，当海底地层反射界面两边的介质(r1和r2,v1和v2)存在差异时，在界面处将会发生反射和透射、局部也会发生漫反射，其反射强度取决于界面的波阻抗差，波阻抗Z为声波在介质中传播的速度v和介质密度r的乘积，波阻抗差异越大，则反射强度越大。

在中地层剖面勘测中，近似认为声波是垂直入射的，此时反射系数为[5]:

不同反射界面的密度和声波速度是不一样的，当声波传播到不同反射界面上时，声波会部分通过，部分声波则反射回来，通过利用不同界面的波阻抗差，进行中剖勘探，当地层界面两边的密度和速度差异越大，则剖面图中波阻抗界面就越明显。本次工区，不同的岩土层存在着不同的物理特征，波阻抗存在差异，因此反射界面可以代表不同岩土层界面。通过海上采集中地层剖面数据，通过数据处理与解译，可获得反射剖面成果，再通过反射剖面进行地层划分。

4、海上勘测

本次中地层剖面测量施工船舶长32.5 m、宽6.2 m,配备导航仪、雷达、水深仪、无线电话等航行设备，具有足够适航条件。本次导航定位采用南方CORS银河6定位系统，满足航行定位要求。本项目使用GeoSuite Acquisition中剖数据采集系统内置导航记录软件，方便外业采集记录。

本次海域物探勘查工作施工前先将设计测线航迹坐标输入GeoSuite Acquisition中剖数据采集系统中，采集数据时，电脑显示屏显示设计测线与航迹曲线，使得航迹曲线紧贴设计曲线进行船舶导航。

4.1仪器设备

本次中地层剖面测量采用荷兰厂商生产的GEO Marine Survey Systems,包含Geo-Spark1000+脉冲震源、200LW电极、GEO单道高分辨率水听信号缆、高压电缆、24位采集模块Mini-Trace, P52联想电脑接收机、南方C0RS银河6共同构成。Mini-Trace采集盒和P52联想电脑接收机在系统中的作用是触发外部Geo-Spark1000+脉冲震源，并且同步记录来自GEO单道高分辨率水听信号缆的数据，对数据进行灰度调整、信号放大、数字滤波等。该系统轻巧易操作，穿透深度较大、分辨率较高。

本次施工采用拖拉式连续航行和定时激发、接收方式，即将200 LW电极挂在船尾右侧后方长30 m, GEO单道高分辨率水听信号缆牵挂在工作船尾部右侧外2.5 m,并向后延伸，长度约35 m,使水听器与震源在同一侧位置。Geo-Spark1000+脉冲震源和GEO单道高分辨率水听信号缆应拖于船尾涡流区外且平行列置，水听信号缆稳定拖浮在海面以下0.1 m～0.5 m。

4.2现场测试及勘测工作

调查开始前，在作业海区调试设备，确定最佳工作参数。通过对比分析发射间隔、增益参数、脉宽、记录长度、发射能量等参数，达到所需要的中剖勘测垂向分辨率和穿透能力。在数据采集软件中输入仪器相对位置，进行位置矫正。将GPS导航数据输入设备，使得定位导航工作正常，保证数据有效采集。

通过试验，最终选定海域变频控制震源系统，发射能量600 J或800 J,发射间隔1 000 ms,记录长度140 ms。施工时按工作测线理论坐标以走航式导航、同时记录测线航迹坐标的方式进行定位工作。定位记录与物探数据采集同步进行，工作过程中全程监视卫星接收信号的持续稳定性，最终在确保定位有效性及精度良好的情况下完成外业作业。

本次勘测期间各物探方法按照实际航行航迹进行数据采集，由于局部区域存在渔网和暗礁等因素，导致航线局部有些偏移，中地层剖面航迹图见图2。

图2物探测线布置图与航迹图

5、资料处理与解译

5.1资料处理

资料处理前，首先校对定位坐标成果资料，核对采集数据与野外记录是否一致，而后进行原始数据备份，之后进行原始数据处理工作。

原始数据处理采用GeoSuite AllWorks中剖处理模块，处理方法包括水位改正、振幅控制、噪声压制、反褶积等。先对剖面的水深进行校正，再通过地层划分进行剖面解释。

5.2资料解译

通过分析地震时间剖面图中的反射波形、到时与连续性等特征，确定了海底标高0 m～-140 m深度范围内存在T0—T7这8组有效波组，其中T5,T6,T7波组由于受上部地层尤其是砂层的能量衰减影响，有效信号识别一般，反射同相轴不连续，不易追踪。本次选取较为代表性的2条测线L1与L4部分成果进行分析，通过时深转换的中地层剖面成果断面见图3与图4,测线综合地质解释断面见图5与图6。

图3 L1测线中地层剖面成果断面图

图4 L4测线中地层剖面成果断面图

图5 L1测线综合地质解释断面图

图6 L4测线综合地质解释断面图

现将各波组特征分述如下：

T0界面：为海底与海水的反射界面，该界面反射能量强，同相轴清晰，连续性好，可连续追踪，该界面起伏较小，较为平坦，局部起伏处为海底礁石出露，该界面可反映本测线海底地形起伏较小。

T1界面：为淤泥层与粉砂层界面，该界面层内反射能量较为清晰，T0和T1之间的层内反射同相轴多表现为低幅值近似平行的反射类型，同相轴连续性好，可连续追踪。

T2界面：为粉砂层与淤泥质粉质黏土或粉质黏土层界面，该界面反射能量存在变化，时强时弱，可能与粉砂层厚度有关，上部粉砂层较厚处的反射能量较弱。T1和T2之间的层内反射同相轴表现为低幅值，主要为放射状、点状等形态的反射类型，局部平行，同相轴连续性一般，不易追踪。

T3界面：为淤泥质粉质黏土层与粉砂层或粉质黏土夹中砂层界面，T2和T3之间的层内反射同相轴多表现为低幅值、近似平行的反射类型，局部存在一定起伏，总体来说同相轴连续性好，可连续追踪。

T4界面：为粉砂层与粉质黏土夹中砂层夹砾质黏性土层或散体状强风化花岗岩层界面，该界面反射能量强弱不一，T3和T4之间的地层表现为低幅值，局部平行、局部交叉，局部呈现放射状或点状的反射类型，同相轴连续性一般，不易追踪。

T5界面：为粉质黏土夹中砂层夹砾质黏性土层与全风化花岗岩或散体状强风化花岗岩层界面，受上部地层能量衰减影响，该界面反射同相轴能量较弱，T4和T5之间的地层反射同相轴能量较暗，层内强振幅，呈现出部分平行部分交叉的反射类型，同相轴不连续，不易追踪。

T6界面：为全风化花岗岩与散体状强风化花岗岩层界面，受上部地层能量衰减影响，T5和T6之间的反射同相轴不连续，识别效果一般，不易追踪。

T7界面：为粉质黏土层或散体状强风化花岗岩夹碎块状强风化花岗岩层与中风化花岗岩层界面，受上部地层能量衰减影响，T6和T7之间的反射同相轴不连续，识别效果一般，不易追踪。

T7界面下部：该界面反射能量强弱不一，礁石区域反射能量较强，该界面起伏大，为中风化花岗岩顶界面。

花岗岩基岩埋深在15 m～120 m(海水面以下),基岩整体为西南方向浅，东北方向深的特点，主要为燕山期侵入的花岗岩。本次时间剖面有效反射同相轴相似性较好，局部一般，第四系全新统海积层各相位起伏不大，说明该区内浅部地层沉积较稳定，岩性在横向上较为均匀；第四系晚更新统冲积层相位存在一定起伏，说明该区内深部地层沉积不稳定，岩性在横向上存在一定变化。

本次测线T0界面起伏较小，表明测区内存在滑坡体的可能性较小，测区范围未发现断层气、断层、古河道、沉船、海底电缆等不良地质与不良埋藏物。

中地层剖面声学反射界面的划分主要依据是沉积物或沉积环境的不同而形成的波阻抗界面，声学地层图谱与沉积物类型与粒序变化，以及沉积环境之间并不存在严格一一对应关系，中地层剖面声学层序划分的波阻抗界面，是在中地层剖面解释的基础上通过地质钻孔数据进行校正，特别是在地层结构复杂的区域。建议为更好、更准确地反映测区的沉积环境特征，应适当增加钻孔数量。

本次解译过程中，从声学地层图谱中不易区分发现全风化花岗岩层、散体状强风化花岗岩夹碎块状强风化花岗岩层与中风化花岗岩层。通过中地层剖面勘测可以将测线地层较好的识别出来，获得地质信息。但中地层剖面勘测也存在对于资料解释多解性、地层偏移、砂层探测深度浅等问题，建议解译资料时可结合已有钻孔资料和其他勘探资料，获得更为真实的地层成果，为海上风电建设做好贡献。

6、结论

1)中地层剖面勘测可以探测覆盖层厚度及花岗岩基岩埋深情况。本次工区基岩埋深在15 m～120 m,基岩整体为西南方向浅、东北方向深的特点，主要为燕山期侵入的花岗岩。

2)对于海底面、淤泥层、淤泥质粉质黏土层、粉质黏土层等黏性土层探测效果较好，对于较厚粉砂等砂层地层以及全风化花岗岩层、散体状强风化花岗岩层探测效果较差，主要是由于砂层以及全风化花岗岩层、散体状强风化花岗岩层造成反射和漫反射能量损失。

3)中地层剖面勘测效率较高，探测分辨率高，探测深度深，可以初步揭露整个测线的地质结构，并及时发现不良地质与不良埋藏物情况，如滑坡、断层、古河道、沉船、海底电缆等埋藏情况，可满足海上风电前期可研阶段勘测要求。

参考文献:

[1]王方旗,吕京福,申宏,等.浅地层剖面资料解释中的陷阱问题分析[J].物探与化探,2013,37(6):1061-1066.

[2]李一保,张玉芬,刘玉兰,等.浅地层剖面仪在海洋工程中的应用[J].工程地球物理学报,2007,4(1):4-8.

[3]刘彦华,杨晓军,袁超,等.海洋物探方法在海上风电场勘察中的应用[J].地质学刊,2019,43(4):619-626.

[4]谢源.浅地层剖面仪在跨海海底引水管道建设工程中的应用[J].水利科技,2018(3):27-30.

[5]陆基孟,王永刚.地震勘探原理[M].东营:中国石油大学出版社,2011.

文章来源:林端琳.中地层剖面仪在海上风电场勘察中的应用[J].山西建筑,2024,50(22):81-84.