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1、K S 水声勘探仪及其探查水底抛石厚度的效果钟世航( 铁道部科学研究院，北京，1 0 0 0 8 1 ，钟世航工作室，北京，1 0 2 2 4 9 )现有的水声勘探仪，包括S - S T A R 浅地层剖面仪、M E P 3 0 5 系列、G P Y 、S H A P I I 等，都是利用声学方法的仪器。这类水声勘探仪，它们的发射器发射的声波一般能穿过水底的淤泥、中砂或粗砂层，能得到水底地形、淤泥层顶面、砂层顶底等这类细颗粒沉积物的定性图像，但穿透不了卵石及抛石层。设法穿透各种中砂、粗砂层、卵石层、抛石层并测定它们的厚度是多年的研究内容反射类的物探方法，强调要追踪反射波同相轴、作时深转换和几何
2、偏移，要求得到被探查对象2 维、3 维的空伺形态的定量解释结果。作者认为，除了仅作质量定性评价的方法外，不作定量解释和不能得到被测物的空间形态的方法，实际上不是完全的、或不是成熟的地球物理勘查方法。水声勘探不能只停留在定性解释上，应当前进一步。通常，水声勘探仪使用高的频段，分辨率高，但入射波的穿透能力弱，用于水底表层的探查：水上浅层地震反射法使用低的频段，入射波的穿透能力强，但分辨率低，主要用于水底下岩层和地质构造的勘探。能否有一种方法和仪器兼有两者的优点? 是一些物探工作者的希望。K s 水声勘探仪就是试图解决以上问题，并在前述思路上创造与开发的，于2 0 0 4 年获得中华人民共和国国家知
3、识产权局授予的发明专利权。它的基本目标是要能穿透卵石和抛石层，并有足够的灵敏度可探查出厚度大予1 m 的这些层的厚度；还要能穿透水底岩层，能代替或部分代替水上浅层地震反射法。为此，作者和孙宏志、王荣设法在以下几个方面突破：( 1 ) 采用超宽频带的接收系统，用一套接收系统能同时接收从几十H z 到l O k H z 的全部反射信号。现有的水声勘探仪，尽管发射源采用了宽频带或扫频技术，但每套水听器都是窄频带的，即使采用2 套以上水听器。也只能接收2 、3 组窄频段的信号。水底不同介质的界面反射波的频段相差很多。例如，淤泥项面反射主频可能为2 5 0 0 H z 左右，抛石顶面反射波( 散射波)
4、的主频则可能达3 5 0 0 4 0 0 0 H z 。窄频的接收难以很好地反映各层。K s 水声勘探仪采用一套超宽频带的接收系统后，可在此超宽频段内全信息接收、采集反射信号，在时间剖面图上可以清晰地辨认出频谱不同的各组反射同相轴，并可直接观察到这些反射波主频的明显不同；还可分别作各层反射波的频谱分析，更便于作正确的定性解释。在全信息地接收很宽频带的反射信号的基础上，还可以用分窗口带通滤波的方法提取和突出某组或某几组反射面。( 2 ) 采用定向性较强的接收检波器。、这种检波器接收波的幅角小，这样，在点距小时，可以避免各道( 各点) 反射信号的道间叠加，利于作反射波同相轴的追踪。现有的水听器接收
5、角较大，当道( 点) 距小时，各道接收到的信号与相邻测点接收到的反射信息有相当部分的重合，这就相当于作了道间的叠加和平均。这样，它们的时间剖面上反射同相轴均甚圆滑，虽然外行人看来好看，但大大失真：对反射面的较大落差、呈台阶状的界面、小段的不连续界面等均因道间的叠加和平均而反映不出来，也就难以通过几何偏移作出反射界面的真实几何形态。而K S 水声勘探仪在测点距小到l 2 m 的情况下，在时间剖面上却可清楚地辨认出非连续的反射界面、台阶状的反射界面，并可在几何偏移后作出反射面的定量解释图像。它的时间剖面上的反射同相轴，虽然看起来不圆滑，不“好看”，但却反映了真实情况。这就使水声勘探法可以进行定量解
6、释，成为真正的物探方法。2 1 5( 3 ) K S 水声勘探仪采用可控制发射能量的电火花震源。在探测浅部时用较小的发射能量、发射主频较高、震源发射脉冲的时间间隔间隔可调小，即采用较小的测点距。高频的波的纵向和横向的分辨率高，可探查出水底厚度大于1 m 的淤泥层、砂层、卵石层、抛石层的顶底面。在探测深部时用较大的发射能量，发射主频较低，测点距较大，可采集到反射时达1 5 0 m s 以上的反射波，探测较深的地层。地震反射法的一项重要功能是作水平叠加，作出速度剖面。水平叠加的要求是参与叠加的各测点在所有炮点激发时位置不变。这就给水上浅层地震反射法带来一个难题在湍急水流的大江大河和浅海中无法作水平
7、叠加，因为在湍急且水流流向多变的水流中，难以保证叠加的每一炮的测点位与前一炮的测点位重含。因此日前作水上浅层地震反射时多仅根据钻孔来定波速，这大大降低了水上浅层地震反射法的能力。同时，在大江、大河上垂直河岸作地震剖面，需要用船下锚固定缆绳控制测量船保证测线基本成直线，这就常常要封航。而水声勘探法是近于零偏移距的单点弹性波反射法，只要解决测点定位( 或者测段定位) 问题，就可无拘束地在水上作探查，可以采用弯曲、曲折的测线。如果水声勘探可探查水底l O O m 左右深的地层，就有可能代替或部分代替水上浅层地震反射法。这对在水流湍急的长江、黄河等大江河和浅海海域勘查是十分有利的。因此一些物探工作者提
8、出，希望水声勘探仪能发展到可探查水底下1 0 0 m 左右的能力。K s 水声勘探仪可以采集到水底下1 0 0 m 左右反射层的反射信号，达到了这个要求。作者现正在研究在水面测水下地层波速的方法，力图更前进一步。( 4 ) K s 水声勘探仪的时间剖面，采用波形加变面积彩色显示作为基本的显示形式。其优点是波形显示便于资料解释时作同相轴追踪并能较好地反映波的细节变化，又通过不同颜色反映振幅大小，还可以较直观地从时间剖面图上看到波的频谱差别，并且在采用手动振幅放大修饰时，不像变密度彩色显示那样易出假象。实测效果K S 型水声勘探仪在实测中表现了良好的性能。例如在长江武汉段和南通段的现场实测，测区水
9、深1 2 5 m ，任务是探查水底抛石的分布范围和抛石的厚度。实测资料十分清晰地反映了江底沉积层和岩层的反射界箍，并通过时深转换、几何偏移定量解释，给出了这些界面的剖面图。由剖面图上可看到，抛石层呈一堆堆的不均匀情况，这很符合实际情况。武汉测段，是探查护堤抛石的范围和厚度，测线均垂直江堤，从江堤边到3 0 0 m 外的江中，测线大段跨过的江底为斜坡，测点距为l m 。因探查时间在抛石后几个月，抛石层上已覆盖了厚厚的一层淤泥。水声勘探的资料中可见江底淤泥层顶面、抛石层顶面、江底( 抛石层的底面) 的反射波同相轴，资料反映抛石层很不均匀，局部有抛石缺少的情况。这些抛石缺少的情况，作者用水上电法给予
10、了证实。除提交了时间剖面、电测深曲线外，最重要的成果是定量解释的水底地形及淤泥、抛石顶底面地质剖面图。在时间剖面上还可清晰地看到反射时近6 0 m s 的江底下岩层的反射波同相轴。在南通段，探查目的是在正建的长江大桥的桥墩周围，探查为保护桥墩、防冲刷的抛石的范围和抛石厚度。工作时正是桥墩施工和抛石期间，测区在江心桥墩周围，测线有垂直江岸的，有与主流方向斜交的，有顺水或逆水的，测点距2 4 m 。探查时，测线旁边正作水上打桩施工，在这种强干扰情况下，资料中仍能清晰地反映出抛石层的上下界面及抛石层厚度的厚度变化，提供了水底抛石顶底面定量解释剖面图。时间剖面上可清晰地看到反射时近6 0 m s 的江底下岩层的反射波同相轴。在北京京密运河昌平段的试验中，在水深约3 m 的情况下，K g 水声勘探仪探查的时间剖面上反映了反射时约l O O m s 的反射面反射同相轴。参考文献 1 何剑、谷秀萍、冷元宝等，“S - S T A R ”在探测大堤根石、海域基岩中的应用，工程物探，1 9 9 8 ，N o 3 2 冯建铭，浅层剖面法在西气东输工程中的应用，工程物探，2 0 0 1 ，N o 3 3 王景川主编，中华人民共和国国家知识产权局发明专利公报，2 0 0 3 ( 1 9 ) 1 2 ，P 1 6 92 1 6
