近年來，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源消耗不斷增加帶來的能源短缺、生態(tài)環(huán)境污染問題也日益嚴重，因而推動國家能源結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變，發(fā)展綠色清潔能源對提高我國國際競爭力、促進我國經(jīng)濟健康發(fā)展具有重要意義。風電屬于綠色清潔能源，與傳統(tǒng)化石能源發(fā)電相比，其具有降本的潛能;相較于陸上風電，海上風電憑借風資源好、噪音小、占地面積小、風電機組容量大等優(yōu)勢逐步成為風電開發(fā)的熱土。
海上風電勘察，圖片來自網(wǎng)絡(luò)
海上風電場類似于陸上風電場，需要對工區(qū)海域進行前期地質(zhì)勘察工作，但其勘探工作又有別于陸上風電場的，因為海上鉆探工期更長、難度更大，海上區(qū)域地質(zhì)資料少，又不能通過地質(zhì)測繪調(diào)查區(qū)域地質(zhì)情況，可采用的勘探手段也較少，且往往由于工程前期勘察工作受工期和成本限制，不可能布置太多的地質(zhì)鉆孔，況且鉆探方法只能揭露單個鉆探點的地層情況，不能推斷整個工區(qū)海域地層分布情況，因此，能提供區(qū)域性成果的物探工作比較重要，需要采取一種方便快捷、低成本、較為準確的物探技術(shù)手段輔以地質(zhì)鉆探，達到海上風電場地質(zhì)勘探工作的目的。淺地層剖面法利用的是聲學原理對淺海地層進行探測，根據(jù)淺地層剖面上反射波特征及剖面形態(tài)進行地質(zhì)解釋，是一種連續(xù)探測工區(qū)海域海底地層的快速便捷、低成本的物探手段，不僅用在海上風電場等海上建設(shè)工程前期地質(zhì)勘察中，還可應用在內(nèi)陸湖泊、河流等水域探測水底地形、沉積物和水下地層分布等。
本文以某海上風電場工程地質(zhì)勘探為實例，通過采用淺地層剖面法，查明工區(qū)海域內(nèi)地層分層、古河道等不良地質(zhì)現(xiàn)象分布和基巖面埋深等，展示淺地層剖面法在地層探測方面的成果，為地質(zhì)勘探提供物探依據(jù)。
一、淺地層剖面法工作原理
淺地層剖面法與陸上地震勘探法原理類似，主要通過換能器(震源)將控制信號轉(zhuǎn)換為不同頻率的聲波脈沖信號向海底發(fā)射，該聲波在海水和各沉積層間傳播的過程中遇到反射界面，又反射回換能器被轉(zhuǎn)換為模擬或數(shù)字信號后記錄下來，并輸出為能夠反映地層聲學特征的剖面記錄。在不同的介質(zhì)中，聲波的傳播速度不同。聲波傳播速度主要與介質(zhì)密度、壓強等有關(guān)。把海水與海底下沉積地層看作一個近似水平層狀模型，海水作為第一種介質(zhì)，它的密度為ρ1，聲波在其中傳播的速度為υ1海底下的沉積地層存在多個界面，各沉積地層的密度和聲波在該層中的傳播速度分別為ρ2、υ2…ρN、υN。當聲波向下傳播時，一部分在分界面處發(fā)生反射，另一部分沿法線方向繼續(xù)向下傳播，在下一分界面處發(fā)生反射和透射，如圖1所示。其反射強度與地層的反射系數(shù)R有關(guān)。各地層的反射系數(shù)的計算公式為
當兩種介質(zhì)的反射系數(shù)較大時，接收到的反射信號就比較強，反之則比較弱。因此，接收到的反射信號攜帶了水下地層大量有用的地質(zhì)信息。通過觀測記錄并分析海底沉積物對于聲波的反射，可以了解沉積物的地質(zhì)屬性，并可以直觀地識別地層的地質(zhì)構(gòu)造。
圖1 淺地層剖面法工作原理示意圖
淺地層剖面法的探測深度通常為幾十米，探測深度與發(fā)射器聲源級、信號頻率、海底面反射系數(shù)、地層含砂量等有關(guān)。一般情況下，探測海域水深應大于10m;當水深小于5m時，由于干擾較多，使分辨率下降，信噪比降低，因此，難以取得較好的探測效果。
目前，淺地層剖面儀的生產(chǎn)廠家和品種比較多，常用的主流儀器有英國AAE公司生產(chǎn)的CSP系列、德國Innomar公司生產(chǎn)的SES-2000、美國EdgeTech公司生產(chǎn)的3100P、中國香港C-Products公司生產(chǎn)的C-Boom等。
二、工程概況和地質(zhì)條件
某海上風電場場址位于廣西北部灣海域，離岸距離為10.5～55.0km，水深0～35m，裝機規(guī)模約900MW。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料顯示：北部灣三面為陸地環(huán)抱，北側(cè)有南流江、紅河等注入;海底地形變化較為簡單，呈現(xiàn)為從灣頂向灣口逐漸下降;海底較平坦，河流從陸地帶來的泥沙沉積在海底，屬于新生代的大型沉積盆地，沉積層厚達數(shù)千米。根據(jù)工區(qū)海域地質(zhì)鉆孔揭露：工區(qū)海域下伏基巖面埋深較淺，海底面表層為一層淤積層，地質(zhì)鉆探在較小的鉆進深度內(nèi)，即可見全風化、強風化和中風化的砂巖。
三、淺地層剖面法的勘察目的和任務
按照本階段地質(zhì)勘察任務和相關(guān)規(guī)范要求，采用淺地層剖面法，初步查明整個場址區(qū)海域海底面以下地層的分布、起伏情況和基巖面埋深，以及存在的不良地質(zhì)現(xiàn)象分布，為地質(zhì)專業(yè)工程地質(zhì)勘察提供物探方面的基礎(chǔ)資料。
四、野外工作方法
⒈測線布置
根據(jù)GB51395-2019《海上風力發(fā)電場勘測標準》的要求和勘察目的，本次淺地層剖面法主測線沿擬建風機主排列方向、按間距約1300m東西向平行布設(shè)測線，測線至測區(qū)邊界兩側(cè)各延長500m，共布設(shè)12條主測線，主測線總長約95.9km。
檢查線大致垂直于主測線呈南北方向、按間距約1800m平行布設(shè)測線，共布設(shè)6條測線，檢查線總長約68.8km。測線布設(shè)示意圖如圖2所示，測線總長為164.7km。
圖2 淺地層剖面法測線布置圖
⒉儀器設(shè)備
本次野外作業(yè)采用木制船舶“桂防漁×××”為調(diào)查船。船體長29m，寬6.7m，型深3.45m，總噸位241t，主機總功率280kw。
本次使用的定位設(shè)備為美國TRimble公司生產(chǎn)的SPS351DGPS。本次探測使用的淺地層剖面探測設(shè)備為德國Innomar公司生產(chǎn)的SES-2000淺地層剖面儀。
本次探測使用的涌浪補償設(shè)備是瑞典SMC公司生產(chǎn)的SMCS-108運動姿態(tài)傳感器，可為淺地層剖面儀提供準確的載體浪涌和橫滾、俯仰數(shù)據(jù)。
⒊數(shù)據(jù)采集
SES-2000淺地層剖面儀采取在船側(cè)固定安裝，同時完成單波束水深測量和淺地層剖面測量。安裝方式如圖3所示。
圖3 SES-2000淺地層剖面儀安裝方式示意圖
在正式測量作業(yè)前，量取GPS、IMU、T20-P換能器之間的偏移距離，正確連接好儀器后，分別采用不同的掃寬量程、TVG增益值和航行速度，在工區(qū)進行測試以選擇最佳的工作參數(shù)，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量最佳。本次勘察過程中，確定的采集系統(tǒng)工作參數(shù)：一次發(fā)射頻率為100KHz，二次發(fā)射主頻為6KHz，發(fā)射信號功率為80kw，發(fā)射信號頻率每秒15個脈沖信號，航速保持在5節(jié)左右。對于異常海域，若有必要可加密測線布設(shè)，保證測線密度能夠滿足控制整個工區(qū)海域地質(zhì)勘察的需要。
五、資料處理與解釋
⒈資料處理
采用德國Innomar公司SES-2000淺地層剖面儀自帶的ISE軟件進行數(shù)據(jù)資料處理。
在資料解釋前，首先識別剖面記錄上的干擾波，去除地質(zhì)假象，初步分析各層面的空間形態(tài)及層間的接觸關(guān)系，包括對數(shù)據(jù)進行TVG調(diào)整、帶通濾波、振幅濾波、DBG調(diào)整、壓制二次反射、去除信號干擾等操作，使資料清晰，各層最大程度可辨識，繪制海底面及目標層分界面。同時，在資料解釋過程中，重點關(guān)注可能出現(xiàn)的各種不良地質(zhì)現(xiàn)象，如淺層氣、埋藏古河道、滑坡、活動斷層、海底侵蝕、透鏡體等，利用ISE軟件的數(shù)字提取功能，導出XYZ格式的地層厚度數(shù)據(jù)及平面信息，繪制基巖埋深及古河道等不良地質(zhì)現(xiàn)象分布圖。
本次調(diào)查主要根據(jù)地層的聲學反射特征進行地層的劃分工作，根據(jù)經(jīng)驗值使用的時深轉(zhuǎn)換聲速為1600m/S。
⒉解譯成果
在根據(jù)反射界面進行淺地層剖面實際解譯時，應首先與工區(qū)海域內(nèi)地質(zhì)鉆孔資料進行地質(zhì)層位對比，并充分利用臨近海域資料和周邊地質(zhì)條件，結(jié)合淺地層剖面中的沉積結(jié)構(gòu)、層位標高、堆積、侵蝕、界面的整合/不整合、層理結(jié)構(gòu)、相位/振幅/頻率等特征變化來分析研究剖面中地層沉積特征以及其他地質(zhì)信息，這樣才能得到與實際地質(zhì)情況較吻合的成果。
根據(jù)工區(qū)海域18條淺地層剖面圖像和鉆孔資料解譯，風電場海域內(nèi)識別出R0和R12個反射界面，其中，R0為海底面，R1為基巖頂界面，R0和R1之間的地層為淤泥沉積層。
根據(jù)淺地層剖面結(jié)果：海底面反射界面反射能量強、相位穩(wěn)定、同相軸清晰、連續(xù)性好，起伏反映工區(qū)海域海底地形變化，如圖4所示;
圖4 埋藏古河道典型剖面圖像(測線A-QP-Z8)
基巖反射界面反射能量較強、同相軸清晰、連續(xù)性好，有一定起伏，在工區(qū)有效調(diào)查深度內(nèi)均發(fā)現(xiàn)有明顯基巖面強反射(如圖5所示);
圖5 基巖出露典型剖面圖像(測線A-QP-Z11)
古河道是由于第四紀時期海平面的巨大升降變動而形成，海平面下降近岸陸架裸露成陸地，河流下切侵蝕，當海水再次侵蝕時，河流隱藏在海底，河谷和河床沉積物和兩側(cè)巖土性差異，在淺地層剖面記錄上可見明顯“凹”形反射;工區(qū)海域內(nèi)埋藏古河道發(fā)育較好，較多剖面圖上存在疑似古河道形態(tài)，古河道兩側(cè)是傾斜反射結(jié)構(gòu)，底部最大深度約19m(如圖4所示);推測測區(qū)東南側(cè)有斜層理發(fā)育，剖面圖上反映為同相軸清晰且連續(xù)性好，在傾斜處同相軸錯斷(如圖6所示)。
圖6 斜層理典型剖面圖像(測線A-QP-Z7)
根據(jù)工區(qū)海域的鉆探資料(AK01～AK10)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造，對18條淺地層剖面圖像進行綜合解釋如下：
⑴在工區(qū)海域的南側(cè)、北側(cè)及中部部分區(qū)域均可見有明顯的基巖反射特征，由典型剖面圖像(圖5)可以看出。其中，南側(cè)和北側(cè)區(qū)域的基巖出露出海底面2～8m，工區(qū)海域中部探測到的基巖埋深為0～20m?？傮w上來說，基巖埋深較淺，基巖的分布范圍見圖7。整體上看，基巖在中部區(qū)域處于埋藏狀態(tài)，南北兩側(cè)基巖出露出海底面。
⑵埋藏古河道主要分布在工區(qū)海域的中部以南區(qū)域。埋藏古河道自區(qū)塊中部靠西的位置呈現(xiàn)NW—SE走向，至南部出露的基巖周圍，分為多個走向，寬度為550～1800m。古河道分布區(qū)域如圖7所示。古河道頂界面埋深為0.5～1.1m，底界面埋深大部分為2.8～19.0m，部分區(qū)域(淺剖測線A-QP-Z8)河道向下侵蝕較深，最大深度超過19m，分布如圖7所示，典型剖面圖像如圖4所示。
⑶發(fā)現(xiàn)工區(qū)海域東南側(cè)(圖7)有疑似因歷史地質(zhì)活動而受應力作用發(fā)育較為明顯的斜層理、“凹”形層理，該層理與上部界面呈角度不整合的接觸關(guān)系。與該區(qū)域相近(距離約400m)的鉆孔(AK10)在90m深度內(nèi)未見基巖層，因此，懷疑該區(qū)域基巖埋深變大。斜層理分布區(qū)域如圖7所示，典型剖面圖像如圖6所示。
圖7 工區(qū)海域基巖埋深及古河道分布示意圖
⑷工區(qū)海域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)淺層氣、滑坡、活動斷層、海底侵蝕、透鏡體等不良地質(zhì)現(xiàn)象;未發(fā)現(xiàn)海底管線、沉船等障礙物。
⒊成果驗證
⑴根據(jù)收集到的區(qū)域地質(zhì)資料和鉆探揭露的地質(zhì)資料顯示：場區(qū)位于水下淺灘、水下岸坡地貌單元上，水深一般為14～22m;場區(qū)北西側(cè)及南側(cè)部分區(qū)域有礁石群分布，北側(cè)部分礁石突出水面，礁石區(qū)域地勢偏高、起伏較大，具NE—SW向帶狀延伸特點，兩側(cè)礁石群所夾中部區(qū)域地勢相對平坦，礁石零星分布。地質(zhì)資料顯示的結(jié)果與淺地層剖面探測的基巖埋深大體一致，尤其是礁石群分布區(qū)域及走向比較吻合。
⑵根據(jù)鉆孔揭露：AK01基巖埋深為1.8m，上部為中砂混淤泥、粉砂混黏性土;AK02基巖埋深為2.1m，上部為粗砂、粉質(zhì)黏土;AK03基巖埋深為0.0m;AK04基巖埋深為4.3m，上部為淤泥、粉土、中砂混黏性土;AK05基巖埋深為3.2m，上部為全風化砂巖;AK06基巖埋深為2.3m，上部為全風化砂巖;AK07基巖埋深為0.5m，上部為淤泥;AK08基巖埋深為3.8m，上部為淤泥;AK09基巖埋深為14.2m，上部為淤泥質(zhì)土、中砂混黏性土、粉砂混黏性土;AK10基巖埋深大于90m，上部為淤泥、角礫、粉砂、粉砂混黏性土、中砂、粉砂、粉土等。除AK07孔基巖埋深與淺地層剖面探測結(jié)果有些偏差外(偏差約3m，出現(xiàn)偏差的原因可能是由于該強風化砂巖層呈砂質(zhì)黏土狀，結(jié)構(gòu)比較松散，在淺地層剖面上未呈現(xiàn)基巖反射特征所致)，其余鉆孔資料均與淺地層剖面探測結(jié)果比較吻合。
六、淺地層剖面法探測影響因素
淺地層剖面法探測效果受多種因素制約，如儀器本身性能、海底底質(zhì)、數(shù)據(jù)采集過程中噪音及壓制和其他各種干擾，以及處理解釋人員經(jīng)驗等。因此，在采用淺地層剖面法進行探測時，需注意以下幾方面：
⑴參數(shù)選擇。在開展正式工作前，應在工區(qū)海域做試驗選擇最佳采集參數(shù)，包括發(fā)射頻率、能量、采樣間隔、采集時間等。
⑵海底底質(zhì)。海底底質(zhì)構(gòu)造情況，尤其是海底底質(zhì)類型特性決定儀器的最大探測深度。砂、巖石、珊瑚礁等硬質(zhì)海底嚴重制約著聲波穿透深度，限制儀器探測深度。一般來說，海底沉積層中砂質(zhì)含量越多、泥質(zhì)含量越少，探測深度越小;反之，則探測深度越大。
⑶噪聲和干擾。處于有效信號帶寬范圍內(nèi)的外界信號都是有效數(shù)據(jù)的干擾信號，包括船只機械噪聲、環(huán)境噪聲、直達波和海底多次波等。數(shù)據(jù)采集過程中就是要識別出這些噪聲并盡量消除這些噪聲干擾的影響，提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，使成果更接近真實地質(zhì)情況。
⑷船只搖擺。調(diào)查船走航過程中應盡量保持勻速、慢速行駛，避免大風大浪期間采集數(shù)據(jù)，并使用涌浪補償設(shè)備進行數(shù)據(jù)修正。
⑸盡可能利用有利的地質(zhì)資料進行對比驗證，不斷總結(jié)淺地層剖面法的資料處理、解釋經(jīng)驗。
七、結(jié)語
海上風電場一般都位于淺海海域，進行風電場海域前期地質(zhì)勘察，查明工區(qū)海域工程地質(zhì)條件、重大工程地質(zhì)問題，以及工區(qū)海域各巖土層結(jié)構(gòu)和工程地質(zhì)特性，對于風電場總體布置及初選基礎(chǔ)方案非常重要。采用淺地層剖面法獲得的剖面圖直觀、易于解析，通過將淺地層剖面探測結(jié)果與鉆孔資料對比，結(jié)果比較吻合。隨著水域工程建設(shè)不斷增多，淺地層剖面法將應用于更多的領(lǐng)域。
