引用本文
刘玉萍, 丁龙翔, 杨志成, 张宝金, 张衡, 李福元. 利用浅剖资料进行海底底质分析[J]. 物探与化探, 2016,40(1): 66-72.
LIU Yu-Ping, DING Long-Xiang, YANG Zhi-Cheng, ZHANG Bao-Jin, ZHANG Heng, LI Fu-Yuan. Seabed sediment analysis using sub-bottom profile data[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(1): 66-72.
Doi:10.11720/wtyht.2016.1.12  
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利用浅剖资料进行海底底质分析
刘玉萍1, 丁龙翔1, 杨志成2, 张宝金1, 张衡1, 李福元1
1.国土资源部 海底矿产资源重点实验室,广州海洋地质调查局,广东 广州 510075
2.中海石油(中国)有限公司天津分公司 渤海石油研究院,天津 300452
通讯作者:李福元(1971-),男,高级工程师,主要从事地震资料的处理与方法研究工作。

作者简介: 刘玉萍(1987-),女,硕士研究生,工程师,研究方向为高精度浅剖及单道资料处理,现在广州海洋地质调查局资料处理研究所从事地震资料处理方面的工作。E-mail:liu-yuping@163.com

收稿日期: 2015-03-25
基金: 国土资源部海底矿产资源重点实验室开放基金(KLMMR-2014-A-04)和国家重大专项(GZH201100307)资助
摘要

海底底质的分类与识别研究具有十分重要的意义,浅剖资料海底反射强度主要与海底底质类型有关。选取南海海域某区块浅剖资料作为研究对象,通过提取浅剖资料海底均方根振幅并绘制等值线图,进而分析判别研究区海底底质的宏观变化特征,最后结合海底摄像资料对调查区底质的直观认识。通过对比分析,验证了利用浅剖资料海底振幅的特征属性直接进行底质分析的可行性。

关键词: 浅剖资料; 底质分类; 均方根振幅; 海底摄像
中图分类号:P631.4 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)01-0066-07 doi: 10.11720/wtyht.2016.1.12
Seabed sediment analysis using sub-bottom profile data
LIU Yu-Ping1, DING Long-Xiang1, YANG Zhi-Cheng2, ZHANG Bao-Jin1, ZHANG Heng1, LI Fu-Yuan1
1.MLR Key Laboratory of Marine Mineral Resources,Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou 510075,China
2.Bohai Oilfield Research Institute,Tianjin Branch,CNOOC Ltd.,Tianjin 300452,China
Abstract

Research on seabed classification and recognition is of great significance.The reflection intensity of sub-bottom profile data is mainly related to the seabed sediment types.In this paper,the authors selected a sub-bottom profile data in the South China Sea as the study object,drew the contour map by extracting the RMS amplitude of the sub-bottom profile data and analyzed the macroscopic characteristics of the seabed sediment in the study area.Compared with deep sea video recording,the method of seabed amplitude characteristic attributes of sub-bottom profile data is suitable for direct seabed analysis.

Keyword: sub-bottom profile data; seabed classification; RMS amplitude; deep sea video recording

随着海洋资源开发活动的大规模开展, 底质分类与识别是海洋科学考察和研究的重要内容。传统的比较常规的海底底质探测方法是依据站点式的机械手段获取样品, 通过实验室内样品分析, 确定海底沉积物类型和分布特征, 该方法工作费时费力, 存在设备笨重等不足, 特别是深水区域困难较大。同时, 该取样方法一般是按照一定网格定点离散的取样, 通过内插与外延对测区内底质类型进行划分, 因此其代表性会受到一定影响[1]。20世纪70年代, 人们就开始应用声学遥感的方法进行海底底质类型的划分与识别研究[2]。声学底质分类是通过遥测海底底质的反射系数、声速、衰减、散射等声学特性来了解其底质类型、粒度大小等物理特性, 它具有工作高效, 获取资料连续、丰富的特点, 可以迅速而可靠的进行海底底质类型划分[3]。因而当需要了解大面积沉积物类型面上分布或研究区的底质取样资料稀少时, 声学方法就显示出极大的优越性[4]。常见的声学底质分类方法有剖面声纳、测深仪法, 侧扫法和多波束法三大类。近年来, 国内不少专家学者针对声学海底底质分类方法进行了分析与研究[5, 6, 7, 8], 徐铭等研究了一种窄带高频声信号海底底质分类方法, 能较好的与海洋图集结果吻合[9]; 张海青等通过海底浅层剖而仪灰度图像的纹理分析进行底质分类[10]。李庆武提出一种基于Contourlet变换和支持向量机的侧扫声纳成像海底底质分类方法[11]; 张国堙等通过研究热液区的底质取样、摄像以及多波束声纳资料, 建立综合分析热液区底质的模式, 获得热液区的底质类型及其分布特征[12]; 何林邦等提出基于多波束栅格图像和改进神经网络的底质分类方法, 显著提高了海底底质分类的分辫率和精度[13]; 金绍华等提出一种基于多波束反向散射强度角度响应曲线的底质特征参数提取算法, 该方法能有效保留底质类型相关的反向散射强度随入射角变化信息[14]; 唐秋华等基于多波束反向散射强度数据, 结合海底地质取样数据建立沉积物粒度特征之间的统计关系模型, 并用改进的向量化神经网络方法实现底质的快速自动分类识别[3]。

海底摄像是通过水下摄像机对海底地形地貌进行视频监控并具有存储和录制功能的一种调查设备。摄像系统的水下拖体装有高清晰水下摄像机、照相机和照明灯, 甲板控制单元发出相关指令后, 照明灯开启, 拖体在光电复合缆的牵引下沿着预先布设好的测线移动, 摄像头拍摄的高质量视频图像通过光纤传输到甲板计算机, 在甲板单元完成视频文

件的录制和存储, 利用视频文件可以对海底地形地貌进行实时观测和分析。海底照相与水下摄影等光学方法能用于详细研究海底沉积物特征, 但是一般设备昂贵、操作复杂、效率很低, 无法作为一种区域性研究海底沉积物的手段[1]。何高文提出利用浅地层剖面测量和海底摄像联合应用确定平顶海山富钴结壳分布界线[15]。

浅地层剖面的海底振幅强度反映了海底的反射强度大小, 海底反射强度与海底底质类型有关, 文中通过提取浅剖资料的海底均方根振幅, 并进行归一化预处理, 插值出研究区的平面海底均方根振幅等值线, 对该等值线进行分析研究可以直接判别海底底质的软硬程度变化特征并进行初步的底质划分, 实际资料的应用证明利用浅剖资料得出的海底底质结论与海底摄像的结果相吻合。利用浅地层剖面资料, 可以在不增加其他外部设备和经费的情况下, 迅速定性的获取调查区域内的底质类型分布情况, 这对于海洋资源勘查、区域地质调查、海洋工程应用等领域都有重要意义。

1 仪器说明

浅地层剖面测量采用德国ATLAS公司生产的Parasound P70型深水参量浅层剖面仪。该设备固定安装在海洋六号船上, 设备工作水深为10~11 000 m, 适用于全海域范围海底地质结构的调查分析。它既具备传统的单脉冲发射模式, 又有先进的脉冲链发射模式(pulse train)和等距发射模式(Quasi-equidistant), 利用连续波(CW)、调频脉冲波(chirped)、编码脉冲(barker-coded)等多种脉冲类型选择和参量阵差频技术相结合, 使其实现了从浅水到深水全海域范围的测量功能, 具有较高的地层分辨率和地层穿透能力, 是目前世界上最先进的全海洋海底浅地层剖面调查仪器之一。

海底摄像系统是由广州海洋地质调查局自行设计研制, 主要由甲板单元、水下拖体及光电复合缆组成, 其中光电复合缆为海洋六号船船载设备。甲板单元通过光电复合缆对水下拖体提供电力和通讯, 系统电源取自不间断电源(UPS), 可以连续长时间在水下进行拍摄。

2 研究区域及采集参数

选择利用Parasound P70型深水参量浅层剖面仪在南海某海域采集的浅剖资料作为研究对象, 调查区位于我国海南岛东南海域西部, 海水深度约在1 200~1 300 m之间。该区位于南海北部陆坡区, 海底地形由北西向南东倾斜, 水深线走向大体与海岸线平行, 地形变化相对平缓。调查区测线轨迹与海底摄像测站位置见图1所示, 本次浅剖调查区形状呈长约12.5 km、宽约20.4 km、NW向的矩形区域, 总工作量为2 000 km, 调查测网均匀密集分布, 测网大小为150 m× 700 m, 其中共布设了主测线81条, 联络测线29条, 测线方位角238° 或148° , 联络测线基本与海岸线平行。海底摄像的设计测站为20个, 均匀分布在调查区域内, 基本上将拖体离底高度控制在2~4 m, 海底摄像观测记录时间不少于60 min/站位, 调查时船速不高于2节, 拖体在海底的实际拍摄路径通过或接近预定拍摄测站位置。视频图像和照片资料清晰, 视频拍摄连续, 完全可以满足预期对资料要求。

图1 调查区测线轨迹与海底摄像测站位置

在调查区内进行了多组调查参数的对比试验, 最终确定表1是本次浅地层剖面测量工作参数表, 采用5个脉冲串全能量激发模式, 调查区采集参数一致, 保证浅剖振幅不受震源和检波器差异的影响。单脉冲发射模式(single pulse)具有更强的底部跟踪能力, 等距发射模式(pulse train)具有更高的水平分辨率(同等水深下, 等距发射模式的发射速率约是单脉冲发射模式的2~6倍), 等距发射模式必须要有稳定的海底跟踪才能使用。该调查区海域水深变化小, 海底较稳定, 因此主要使用等距发射模式, 仅在第一航段末期天气较差、涌浪较大时使用底部跟踪能力更强的单脉冲发射模式(single pulse)稳定跟踪海底。更小的脉冲长度具有更高的垂直分辨率, 但海底跟踪能力就更差。根据调查区的海底地形情况, 本航次的脉冲长度设置为1 ms。

表1 浅剖测量工作参数
3 浅剖数据预处理

浅剖海底振幅反应了海底底质与海水的反射强度差, 海底反射强度与海底的底质类型有关, 研究浅剖资料海底振幅强弱, 对海底底质的认识与分析具有一定的指示意义。提取浅剖海底振幅之前对浅地层剖面数据进行剖面连接, 带通滤波, 噪声剔除等常规资料处理, 避免其他因素对振幅值的影响。此外, 尽管采集参数一致, 浅剖资料处理过程保幅保真, 引起海底振幅异常的因素仍然有多种。图2列举了两种典型的海底振幅异常因素, 采集系统受不确定因素影响, 在连续平滑的道集中会出现弱振幅道或者空道; 凝似含气通道或气泡反射也会造成海底振幅的突变。图2a引起的振幅异常通过周围相邻道振幅值的插值可以得到有效的校正; 图2b引起的振幅异常是客观海底底质引起的, 应予以保留。

图2 两种海底振幅异常因素a— 采集系统引起的弱振幅道; b— 疑似含气通道

然后, 进行调查区每条测线的海底拾取, 根据拾取的海底位置在纵向上开取合适的时窗(时窗大小刚好能覆盖海底表层厚度为最佳), 搜索每道时窗内均方根振幅值作为该道的海底均方根振幅, 那么可以认为该均方根振幅强度大小能反映海底表层的底质性质, 用该方法完成整个调查区的海底振幅提取。

图3是某主测线海底均方根振幅最优化拟合图。其中的蓝线代表提取出来的海底均方根振幅值, 可以看到, 提取出来的海底振幅值相对较散乱, 并存在一些奇异值点, 需要对它进行一个拟合平滑处理, 消除振幅值的跳跃现象, 使其更加平滑、真实。最优化拟合是一种较好的二维数据拟合方法, 不同的拟合参数能达到不同的拟合效果, 适用性强。拟合参数的确立原则是拟合的振幅曲线波长与调查区测网大小相当。利用该拟合方法对整个调查区的110条测线海底均方根振幅值均进行拟合预处理, 拟合得到的新的海底均方根振幅值更能真实地反应海底反射强度大小。

图3 某主测线海底均方根振幅最优化拟合

4 海底底质分析特征量提取及结果分析

以往浅剖资料处理均只提供单一的浅剖成果剖面, 不考虑用户关注的振幅特征, 缺乏对浅剖数据的振幅属性的分析与思考。解释人员主要关注剖面的信息, 鲜见从平面上利用浅剖资料获取有用的信息。浅剖资料的海底振幅强度反映了海底表层的反射强度, 海底反射强度主要与海底表层底质类型有关, 提取调查区海底表层振幅相关属性, 有助于把握整个调查区的海底表层底质类型及沉积物分布情况。

利用研究区所有测线拟合后的海底均方根振幅, 插值出整个调查区的海底均方根振幅平面等值线图(图4), 那么利用该等值线图可以宏观上刻画海底表层的底质信息(表层厚度约1 m)。可以看出, 海底振幅值沿着垂直于海岸线方向呈带状分布, 从东到西, 反射强度逐渐变弱, 认为东部海底底质相对较硬, 声波不易穿透。整个调查区的反射强度变化不大, 最强反射强度(均方根振幅约16 000)为最弱反射强度(约12 000)的1.33倍左右, 说明该调查区海底底质变化甚小。

图4 调查区海底均方根振幅平面等值线

该区域以往的调查研究资料显示, 调查区整体地势较为平坦, 调查区域内海底底质基本以灰白色泥质沉积物为主, 且表层底质变化不大。表2是根据20个海底摄像测站实时观测的视频资料得出每个测站的海底表面底质初步结论。在4、5、12和18号站的位置可见到有凝似麻坑群分布, 在18和19号站位置测得有白色菌席分布。总的来说, 调查区底质变化很小, 沉积物基本覆盖整个调查区。图5是海底摄像系统在1、3、5、7、16和20号站拍摄到的典型照片(比例尺约60:1), 其中1号和5号站、3号和16号站、7号和20号站分别分布在图4中三个不同颜色区域, 照片显示不同站位和不同颜色区域的海底表面沉积物类型基本一致, 肉眼看不出其中的差异。综合图4、图5和表2结果得出的关于本调查区的海底底质结论是相吻合的。

表2 海底摄像测出的海底表面底质初步结论

图5 海底摄像系统在1、3、5、7、16和20号站拍摄到的照片

图6是海底摄像系统在4号站位拍摄到的疑似麻坑分布和在18号站位拍摄到的疑似菌席分布(比例尺约50:1), 表2中显示4号站和18号站的可见底质均为沉积物。而这两个站位分别在图4相对应的位置看不到海底均方根振幅的任何变化。因此海底均方根振幅等值线不能刻画调查区海底微地形地貌特征的差异, 它仅能从宏观上整体把握调查区的海底表层底质反射强度变化。

图6 海底摄像系统在4号站位拍摄到的麻坑(疑似)和在18号站位拍摄到的菌席(疑似)

5 结论

利用浅剖资料记录的海底反射强度信息研究海底底质分布情况, 结论如下:

1)海底摄像系统能迅速高效直观的对海底地形地貌进行实时观测和分析, 是目前较为主流的, 易实施的一种可靠海底调查手段, 其缺点是海底摄像测站覆盖范围有限, 仅能较小范围直观测量。

2)利用浅地层剖面资料, 可以在不增加其他外部设备和经费的情况下, 充分利用现有的资料、资源获得调查区的海底均方根振幅等值线, 在采集系统及参数一致、测线密集均匀的情况下, 该均方根振幅等值线较为准确可靠。

3)海底均方根振幅等值线反映了海底底质的反射强度, 能从宏观上把握整个调查区域的海底表层底质强硬分布概况, 但对微地形地貌以及具体底质的刻画就显得无能为力了。海底摄像信息仅从海底表面测量海底底质信息, 虽然得到的结论与均方根振幅等值线具有较好的一致性, 但说服力不够。

4)单一的海底均方根振幅等值线信息比较局限, 建议今后开展更多的关于浅剖数据挖掘方面的研究工作, 得到更好的更具体的海底地质分类结果。

致谢:海上资料采集由“ 海洋六号” 船完成, 在此谨向航次全体工作人员表示衷心感谢!

The authors have declared that no competing interests exist.

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