海底地质勘探技术应用 -海底地形地貌探测

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近些年我国在海洋风能源开发力度和投入不断增加，并且风电场建设从海岸开始向潮间带以及近海区域进行推进。从目前的应用情况来看，常用的海洋物探技术包括多波束测深技术、侧扫声呐技术、浅地层剖面探测技术等。通过梳理这些技术在海上风电场勘察中的应用要点，不仅可以加快勘察数据整理速度，而且能够为后续工程建设工作的顺利开展奠定基础。

一、常用的海洋物探方法

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⒈多波束测深技术

多波束测深技术是目前海测领域进行海洋地形地貌勘测的重要手段，被广泛应用于港口和航道测量及水下物体探测定位等方面，具有测量精度高和全覆盖的特点，主要通过发射扇形阵列声波波束，记录和分析声波走时数据来获得海底深度。多波束测深采用全覆盖布设测线，测图比例尺为1：2000，等高距为1.0m。多波束换能器通常都安装于船底面以下，避免船底对波束的发射影响。换能器的船头、船尾、舷边3个方向分别拉紧，确保换能器稳固，避免晃动。多波束系统的辅助设备姿态传感器安装在船的中心线上，指向船头，安装底部应稳固并严格保持水平，以减少干扰影响，提升所采集数据的完整性和准确性。

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⒉侧扫声呐勘测技术

在海上风电场勘察过程中，侧扫声呐技术属于常用的勘察技术之一，可以很好地掌握海底凸出物位置和海水悬浮体分布情况，便于海上风电场选址工作的顺利推进。利用该技术进行勘察时，所使用到的水下勘察设备会以固定时间间隔向水底发射与前进航向垂直的高频波束，同时也接收物体的反射信号，基于信号反馈强度来表示相关内容。

在系统安装环节，“拖鱼”会使用拖曳式安装方式，借助船尾吊架开始向着船舷外围进行伸出，“拖鱼”距海底深度需控制在量程的10%～20%之间，并且利用保护绳进行再次固定，而勘察时“拖鱼”的航行过程也需要尽可能避开波浪，确保所采集数据的时效性。另外在航测时也需沿着平行航线进行扫侧，而测线的重复距离不小于量程的10%，确保航测数据的完整性。

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⒊浅地层剖面探测技术

该技术是风电建设的重要勘察手段之一。在信号发生器启动后，对信号进行放大，随后将其输送到水下震源当中的发射阵列，开始向着水下发射某一频率范围的调频脉冲信号，信号在遇到不同波阻抗界面时，会产生相应的反射信号，信号录入到设备当中后，利用信号放大、A/D转换处理之后，会将其记录到计算机当中，利用计算机软件完成阴影波形显示处理、数据信息处理、处理信息存储等工作，从而得到海底地形信息。

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在系统安装过程中，会把震源和电缆按要求布设在船舷两侧后部，电缆中心到船尾的距离25m。信号收发设备、定位系统安装在驾驶室内，和计算机关联在一起。通过导航定位数据进行时钟同步处理，消除定位系统和浅地层剖面仪之间所存在的时间延迟。在采集软件中，基于实际情况来设置相应的位置参数，以便于位置归算活动的推进。另外，在系统安装过程中需要提前设置好各个端口的应用参数，以便于信号接收/发射单元、信息采集单元的顺利运行，提高整理数据的有效性。

⒋高分辨率地震勘探技术

在风电场勘察过程中，会使用到高分辨率地震勘探技术。在船只上安装地震探测仪，启动仪器，激发震源，开始接收海底传输地震信号，随后对于反馈信息进行处理。由于所使用设备的分辨率较高，能够更加有效地分析风电场区域存在的灾害问题，以及灾害地质分布区域，从而为后续风电场建设活动的顺利推进奠定基础。

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在系统安装过程中，将采集电缆和激发震源拖在工作船只的尾部，相互之间保持安全距离，按照偏移距要求布置到相应位置。而且在勘察过程中也会将信息采集软件和定位系统的时钟进行同步化处理，这样可以消除系统之间存在的延迟，提升信息传输过程的同步性。

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二、海洋物探方法应用成果分析

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黄海某海域拟建海上风力发电厂，该地区的平均水深33～43m。根据钻孔得到的数据，该海域的地层上部都是第四系堆积物(包括海积淤泥、冲海积淤泥、残积相等)，其中海相沉积淤泥、冲海积淤泥的稳定性较弱，残积相则具备较强的稳定性，具有良好的承载力。为了确保海上风力发电厂的顺利建设，可以利用海洋物探方法来探测基础地形情况。

⒈海底地形

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在该风电场建设的前提勘探中，海洋物探方法可以顺利采集海底地形数据。例如，使用浅地层剖面仪器对烟台某海域海底地形数据进行采集，所得到的成果图利用浪涌校正处理、数据增益处理、滤波信号处理等方式进行处理后，可以得到清晰度较高的海底地形图。地形图中存在非常清晰的海水与淤泥分界线，从结果图可以了解到该区域的海底地形整体上比较平坦，初步满足建设风力发电场的条件。

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⒉地界分层

利用海洋物探方法可以对地界分层情况进行推演，利用浅地层剖面仪整理地界分层图可以了解到，海水和淤泥存在非常明显的分界面，并且该地区的淤泥层和黏土层存在清晰的分界面。

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采用低船速匀速直线航行的方法，施工时船速5kn，能探测30m深度内的地层情况，地层分辨率优于0.2m。现场采集剖面信噪比高，噪声干扰小，剖面记录连续，采集资料满足设计要求。经过滤波处理、涌浪校正、振幅恢复、临道叠加后的剖面见图1。从图中可以看出，本次作业所获得的剖面资料连续清晰、成果可靠，探测航迹与设计测线的偏离距不大于10m。

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图1 浅地层探测剖面图

调查区内浅地层剖面测量自上而下连续追踪了QT0(海底面)、QT1和QT2等3个反射界面，相应地层划分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ3个层组。其中第Ⅰ层组为淤泥质土层；第Ⅱ层组为黏土层，部分区域存在砂性土；第Ⅲ层组整体为黏性土层，下部部分区域为砂性土层，如图2所示。

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图2 浅地层过浅钻剖面

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⒊海底地貌特征与障碍物分布

利用海洋物探方法对海底地貌特征与海底障碍物情况进行直接展示(图3、图4)。

图3 渔船拖网异常

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图4 某风机位附近异常

通过对黄海某海域海上风电项目侧扫声呐数据资料判读、分析和研究发现，在调查区内发现海底异常主要集中在各个风电机位附近，推测为风电安装前对海底进行地质钻探取样的施工船舶在作业前后起抛锚时遗留下来的锚拖痕。在风机位附近实施钻井作业船舶抛锚时的锚拖痕异常及渔船拖网等一般不会对风机站安装就位作业产生不良影响。

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⒋地质构造

本次高分辨率地震探测作业所获得的海底以下1000ms剖面数据地层清晰、可靠。其中断裂构造见图5中F1、F2、F3断层，均为正断层。

图5 二维多道地震剖面上F1、F2、F3断层示意图

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三、海洋物探方法注意事项

⒈前期准备工作

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通过做好前期准备工作，有利于后续作业活动的顺利开展，提高所采集数据信息的完整性和准确性。在具体实践中，首先要做好勘察队伍成员筛选，除了在前期筛选综合能力强的勘察人员组成勘察队伍外，也会在日常工作中加强人员培训，使队伍综合能力水平控制在较高水平，以满足海洋物探工作的顺利开展。由于海洋环境非常复杂，在对风电场待作业区域作业条件进行勘察时，依赖于完善、细致的勘察计划，在计划中细化勘察顺序、勘察内容、记录要求、整理要求等，从而满足海洋物探工作的开展要求，提升勘探结果的准确性。

⒉梳理技术应用流程

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通过梳理技术应用流程，可以提高各节点获取数据的完整性和准确性，以满足相应的管理需求。在实践中，需要结合风电场作业环境的踏勘情况，选择相匹配的物探技术，讨论技术的可行性和可靠性。同时也需要对物探技术的应用流程进行梳理，确定每个技术应用节点需要注意的内容，拟定相匹配的管理计划。在勘察工作开始前也需要按要求做好技术交底，帮助勘察人员明确技术应用期间需要注意的内容，这样也可以减少勘察期间的技术问题，提升所选勘察技术的应用效果。

⒊控制物探结果误差

通过控制物探结果误差，提升物探结果的准确性。做好机械误差控制，在仪器使用之前需要按要求做好调试工作，并且也需要做好安装位置、海平面垂直度等参数控制，从而降低机械误差问题带来的影响，提高整理结果的准确性。而且机械设备也需要定期进行养护，确保其可以维持稳定的工作状态，减少机械误差问题。加强偶然误差控制，海洋表面的波动性较强，容易增加物探时的偶然误差，需要增加物探次数，并且选择海面平静时展开勘察，以减少偶然误差带来的影响。海洋物探工作需要选择恰当时机，如天气能见度较好的时间段，避免偶然误差问题带来的影响。

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四、结语

综上所述，做好前期准备工作，有利于后续作业的顺利开展；梳理技术应用流程，可以提高各节点获取数据的完整性和准确性，控制物探结果误差，提升物探结果的准确性。通过梳理海洋物探方法在风电场建设中的应用要点，对于提高勘察结果准确性和完整性有着积极意义。

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【作者简介】文/邹正兵，男，1984年出生，中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司，高级工程师，地球物理学专业，主要从事海洋物探采集技术和管理工作。文章来自《地质装备》（2023年第2期），用于学习与交流，参考文献略，版权归作者及出版社共同拥有，转载请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。

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