基于淺剖數據的海底底質分類研究與應用

路允乾，楊 力，譚玉芳，張浩浩

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

海底底質是包括海岸帶、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，底質類型是海洋資源與環境研究的重要基礎資料，隨著海洋資源開發、海洋工程建設和航運安全、軍事安全的需要，海底底質的識別和研究愈發重要[1-4]。目前，海底底質的測量數據主要由定量數據和定性數據組成，定量數據包括原位測量數據和反演數據，定性數據包括實驗室樣品測定或計算得到的地質學巖性分類數據等。獲取底質數據的方式可分為現場樣品采集作業、原位測量等接觸型探測方式和基于聲學特征的多波束、淺地層剖面等非接觸型探測方式[5-6]?，F場樣品采集方式多樣，常用的有拖網法、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、準確地得到底質巖性及物性數據的有效手段，但是由于樣品環境發生了改變，實驗室測量恢復水下環境困難，導致獲取的物性及聲學數據存在較大誤差[7-8]。原位測量可消除由于環境改變引起的誤差，但原位測量效率低、采樣數據離散且成本太高，不適用于大面積的底質探測。非接觸的聲學測量是效率最高的底質探測方法，多波束聲學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造分布，由于淺剖信號具有更強的穿透力，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70 年代以來，專家學者提出了許多海底底質分類研究的思路，如基于Contourlet 變換和支持向量機的側掃聲吶成像底質分類、基于多波束柵格圖像和改進神經網絡的底質分類、基于多波束反向散射強度角度響應曲線的底質分類、利用海底淺層剖面儀灰度圖進行底質分類等，這些分類方法大多是針對海底表面底質，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，本文采用淺地層剖面與地質取樣相結合的方式，在振幅均一化校正的基礎上提取淺剖資料的均方根振幅屬性，研究發現均方根振幅屬性與底質類型具有良好的相關性，將提取均方根振幅屬性繪制成平面等值線，可初步劃分底質類型，實際地質取樣資料與利用均方根振幅得出的底質劃分結果相吻合。在少量地質取樣約束下，利用淺地層剖面資料可以方便快捷地獲取區域內一定深度下的底質類型分布，節約了探測成本，提高了探測效率，可為海洋環境調查、海底資源勘探、海洋工程建設、海洋軍事活動等各個方面提供借鑒和參考。

1 研究區位置

研究區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。研究區內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。瓊東南盆地陸坡區第四紀晚更新世以來主要發育了一套半深海相-深海相沉積，沉積巖性較簡單，以泥和粉砂為主[19-20]，研究區海底底質基本以泥質沉積為主，沉積物類型變化不大。研究區東南有一長約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，海丘周圍發育多條底流沖刷形成的沖溝，推測研究區海底沉積物可能來自東南部水下海丘。研究區內共有5 條淺地層剖面測線及3 個重力取樣站位，根據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黏土，取樣站位巖性與研究區西北深東南淺的水深數據吻合良好。

圖1 研究區淺地層剖面及取樣站位

2 數據來源與處理

2.1 采集設備及采集參數

淺剖資料來自廣州海洋地質調查局，共計5 條測線，測線間距為5 000 m，淺剖測量設備是德國ATLAS 公司生產的ATLAS PARASOUNND P70 參量陣淺地層剖面儀，外設設備及導航定位系統為：Veripos DGPS、Octans 光纖羅經、AML SVPlus 聲速計、HYPACK 導航系統等。ATLAS PARASOUNND P70 參量陣淺地層剖面儀主要由換能器、發射/接收電子單元、主控制計算機組成，其中發射/接收電子單元包括模擬電子單元（Analog Electronic Unit）、數字電子單元（Digital Electronic Unit）和內部連接單元（Internal Connection Unit）三部分。該設備固定安裝在廣州海洋地質調查局“海洋六號”船上，設備工作水深為10~11 000 m，適用于全海域范圍海底地質結構的調查分析。它既具備傳統的單脈沖發射模式，又有先進的脈沖鏈發射模式（Pulse Train）和等距發射模式（Quasi-equidistant），利用連續波（Continuous Wave）、調頻脈沖波（Chirped）、編碼脈沖（Barker-coded）等多種脈沖類型選擇和參量陣差頻技術相結合，使其實現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的全海洋海底淺地層剖面調查儀器之一。本文數據采集采用等距發射模式，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據量，采集過程中應用了延遲記錄的方式。

2.2 淺剖資料預處理

淺剖數據在野外采集過程中容易受到周圍環境的噪音干擾，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，經常發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據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、SU 地震處理系統軟件與自研的淺地層剖面測量數據預處理軟件。處理的主要任務有坐標轉換與位置校正、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據中的地理經緯度坐標轉換為平面坐標，UTM（Universal Transverse Mercator）投影，中央經線111°，讀取位置相關信息、校正換能器位置；采用RadExpro 2014 地震資料處理系統中的Burst Noise Removal 去噪模塊，衰減強能量大值脈沖干擾和部分隨機干擾（圖2（c）），恢復被覆蓋的有效信號；根據低頻涌浪噪音與有效信號的頻帶差異去除涌浪噪音；根據道之間的位置關系，實現同一設計測線不同測線段的剖面進行連接，保證剖面的連續性等（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性得到大幅提升，為地質解釋奠定了基礎（圖2（d））。

圖2 測線XS-29 預處理前后對比

3 結 果

3.1 振幅一致性校正

在淺剖數據野外采集的過程中，因為水深或探測目標層發生變化，采集參數也隨之改變，主要體現在震源激發能量的改變，特別不同船舶采集的數據，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，但這一處理對數據屬性反演尤為關鍵[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，通過將淺剖數據的背景噪音校正到同一水平來消除采集參數變化對淺地層振幅能量的影響。

淺剖數據原始記錄的每條測線往往由多個數據文件組成，每個數據文件的采集參數經常發生變化。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鍵的部分。研究區XS-29 測線根據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 為例進行分段間的振幅一致性校正，在兩段數據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）），提取時窗內的背景噪音振幅數據（圖4（a）），可以發現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 附近出現一個振幅高值，這類數據點被認為是異常值，在一致性校正時需要對異常值進行剔除。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 之間出現一振幅強度值分界線，分界線右側分段2 振幅值整體高于分界線左側的分段1，分別統計分段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。為了使處理結果具有一致性，本文將目標背景噪音振幅設置為1，然后對不同分段的噪音平均振幅賦一個比例系數來達到均一化的效果。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據背景噪音振幅處于同一水平，消除了采集參數對振幅值的影響（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，可認為研究區所有測線采集時淺地層剖面儀發射的脈沖強度是不變的，那么接收到的振幅強度就反映了海底的反射強度特征，海底反射強度主要受底質類型影響，即沉積物的粒度、孔隙度、密度、含水量等物理性質控制了接收到的淺剖振幅屬性強度，具體表現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分不同底質類型[25-27]。因此提取研究區振幅屬性，總結其變化規律，有助于把握整個研究區的沉積物分布及底質類型。研究區5 條主測線的均方根振幅剖面顯示海底以下約30 ms 內均方根振幅強度縱向上分布穩定，橫向上在海底破折帶發生明顯變化，東南部海底斜坡粉砂質黏土地層振幅能量強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 內破折帶左側黏土段的均方根振幅強度明顯高于右側斜坡的粉砂質黏土段（圖5），研究區振幅屬性的區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區域底質類型劃分。

圖5 測線XS-30 均方根振幅屬性剖面（剖面位置見圖1）

淺剖數據的縱向穿透深度可達百米，具體的穿透深度受到發射能量、發射頻率、噪音水平和底質類型的影響。研究區淺剖資料縱向剖面顯示在海底以下約30 ms 的范圍內，振幅能量縱向穩定，同相軸清晰、連續性好，反射界面和內部分層結構清晰，分辨率較高，30 ms 以下的地層出現空白反射，沉積物內部反射界面不清，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行底質類型判別。首先拾取出研究區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格化為平面結果（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，主要位于研究區西北部，振幅值在0.001 5~0.004；綠色和藍色的振幅低值位于研究區東南部，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，高值區范圍較小，不連續。

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果疊合顯示，研究區西北部以黏土為主，東南部以粉砂質黏土為主，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））。網格化后的振幅強度平面圖很好地體現了淺地層剖面反射能量強度，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度高值（粉色箭頭）和3 處相對能量強度低值（綠色箭頭）（圖7（b）），其中，西側高值對應均方根振幅強度平面圖西北部紅色高值區，東側的相對高值異常，對應平面圖上測線XS-30 東部黃色高值異常區（圖7（a））；測線XS-32 淺地層剖面中部同樣有一反射強度高值異常（圖7（c）），與平面圖上粉色箭頭對應的異常區匹配良好（圖7（d））。均方根振幅強度平面圖很好地反映了淺地層剖面反射強度，且高低值異常與地質取樣巖性差異吻合，可有效應用于海底底質類型劃分。根據多波束地形圖，研究區水深具有西北深、東南淺的特點，且研究區東南部發育的海丘和海丘周圍的沖溝指示研究區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搬運的過程中顆粒較粗的部分率先沉積，細粒部分則越過坡折帶搬運到更遠的西北部，形成了西北部黏土沉積為主，東南部粉砂質黏土為主的沉積特征。

圖7 底質分類結果質控

均方根振幅屬性平面圖與取樣結果的良好吻合證明了通過提取經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行海底底質類型識別，這種方法很好地解決了淺剖數據同一條測線在不同時間、不同船舶采集下振幅強度不一致的問題。均方根振幅屬性對底質類型敏感的本質是不同類型、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境的影響，具有很強的區域非均質性，不同地區、不同類型的沉積物物理性質存在很大差異，因此識別屬性不是一成不變的，需要結合地質取樣具體分析[28]。在相同能量激發強度的前提下，一般來說原生地層的反射振幅強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度大于砂巖層[23]。得益于淺剖數據縱向穿透能力強的特點，當海底沉積物在一定深度范圍內保持穩定，成分基本一致時，可以分辨一定厚度的底質類型，本文根據研究區淺剖資料的特點，選取了海底以下30 ms（約22.5 m）的范圍進行底質類型識別，發揮了淺剖資料的優勢，拓展了底質類型的縱向分辨深度。當海底沉積物類型縱向變化時，可以結合地質取樣結果人工拾取巖性界面，分層進行底質類型判別。

5 結 論

淺地層剖面資料與地質取樣相結合的方式可以快速而相對準確地對海底底質類型進行劃分。淺地層剖面資料在提取均方根振幅前需要經過預處理和振幅一致性校正。本文淺地層剖面數據經過處理后，連接了分段剖面，有效壓制了各種噪音干擾，恢復了有效反射，分辨率和信噪比得到顯著提升，為剖面解釋奠定了基礎。對于存在背景噪音振幅不一致情況的淺剖資料，進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據的均方根振幅屬性，與研究區地質取樣數據匹配后進行底質類型的識別和劃分，這一方法具有效率高、成本低的特點。在研究區，均方根振幅西北部高值和東南部低值的分界面清晰連續，其分布特征與西部黏土為主、東部粉砂質黏土為主的地質取樣結果吻合良好，證明該方法可有效應用于海底底質分類，可為海底底質分類提供有效的方法和技術支持。