由于火成岩发育区的花岗岩基岩面起伏较大，在海洋地质工程勘察中，火成岩发育区的勘察难度相比其他岩性发育区更大，单一钻探手段很难清楚查明地层结构和基岩起伏面的变化。海洋钻探成本本身较高，且效率较低，因此物探方法配合地质工程勘查显得尤为重要。曾在陆地勘察中发挥过重要作用的地震映像方法近年来被延伸到水域勘察中来^[1]。地震映像法是近10 a来用于探测浅部介质中纵、横向不均匀体构造、洞穴、障碍物、非金属管道、岩溶、土坝中白蚁巢及空洞、地裂缝与疏松带、滑坡体等的有效方法^[2]，在水域和陆域物探勘探中均适用。水域地震映像和陆域地震映像一样，均属于地震勘探范畴，是基于介质弹性差异进行探测的一种物探方法^[3]，相比陆地反射中的多次覆盖，具有独特的优缺点。其优点是数据处理简单, 不需进行动校正(当偏移距为零时), 因此, 不存在由于动校正造成的波形拉伸畸变或近地表广角反射引起的畸变^[4]；其次，水域地震映像法不可能接收到面波、横波等类型的波，而单船作业的水域地震映像法由于检波器处于折射波盲区之中, 也不可能接收到折射波信号，因此, 水域地震映像法接收到的只有反射纵波信号, 不再是多波探测, 可有效屏蔽面波等干扰波^[5]。其缺点是施工困难，主要体现在两个方面:一是水上定位难度较大；二是震源问题，常规的机械震源船和电火花震源设备庞大，运输不便，且震动频率为2~3 s，甚至更长，震动过慢使得炮点较少，达不到高密度映像的目的，而单体气枪震源会带来较为严重的气泡效应。近年来，水域地震映像引起不少学者的关注。王云安等^[6]利用水域工程地震映像查明武汉阳逻大桥地层结构，孟立鹏等利用水域地震映像法调查渤海隐伏断裂^[7]，姚道平等^[8]利用高密度(水域)地震映像对海上工程进行地质勘察。

本文以厦门某海底隧道勘察为例，对火成岩发育区进行水域地震映像勘探与研究，结合部分钻孔资料及标定的波速进行验证对比分析，获得了较好的效果。结果表明，利用水域地震映像勘探既可以较好地弥补钻探缺陷，又能极大地节约经济成本，具有较高的应用价值和科研价值。

1 地质背景与地球物理条件 1.1 地质背景

厦门某海底隧道所在区域地貌单元属闽东南沿海低山丘陵-滨海平原区。陆域为风化剥蚀型微丘地貌，海岸带为海蚀海岸及堆积海滩地貌，岸线曲折，海滩多礁石。图 1为研究区地质构造和地震映像测线布置图，研究区附近主要断裂为五通-文灶断裂(F₄)、狐尾山-钟宅断裂(F₅)，两断裂均发育于燕山期花岗岩和侏罗纪火山岩中。靶区工勘阶段的钻探资料揭示，区内主要地层有淤泥、淤泥混砂、砂、残积土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、弱风化花岗岩。

1.2 地球物理条件

水域地震映像属于地震勘探范畴，其原理是基于介质弹性差异进行探测。表 1为靶区内通过钻孔资料实测得到的覆盖层、风化岩层及弱风化岩层的纵波平均速度V_P和平均密度σ，各层纵波平均速度依次呈现变高特征，且密度σ逐渐变大，因此波阻抗(σV_P)存在较明显的差异，为开展水域地震映像勘探提供了良好的地球物理条件。

2 水域地震映像探测

水域地震映像法是通过人工激发地震波, 当地震波在水中及存在波阻抗差异地下介质中传播时, 经置于水面的检波器会接收到来自于不同地层界面的反射波, 通过共偏移距处理技术，这些密集的炮集记录会形成较为连续的同相轴，各同相轴的时间差异和起伏状况代表了不同地层的结构特征。

2.1 震源及接收电缆

本文选用HMS-620双源电磁震源系统激发地震波。相比常规的震源系统，HMS-620震源系统更加轻便和稳定，且触发频率可调，能根据需要调节炮点的密集程度。水听器选用MicroEe24道组合检波固态油压电缆，相比单道接收，24道组合检波具有较高的信噪比。

2.2 确定最佳观测系统

数据采集之前，通过实验确定最佳偏移距、采样间隔、激发频率及滤波等参数，以使震源激发的地震波既能穿透目标地层，又能较好地压制多次波。本次采样间隔为0.125 ms，记录时长为250 ms，采用等偏移距为6 m。

2.3 GPS导航定位

物探工作测量定位采用信标导航和GPS差分定位，测量时将RTK流动站安装在勘探船上，连续接收GPS信号，通过实时计算，可显示出勘探船的实际位置与设计勘探测线的偏离距离以及航向与航速，实验人员指挥勘探船按设计的勘探测线进行水域地震映像勘探。保持定点时间和主机记录时间同步，每完成一个测点的地震映像数据采集后，数据将自动存盘(图 2)。

2.4 潮位测量

由于海域的海水存在一定的潮差，高程计算需要同时进行潮差的日变观测工作。本次物探在研究区附近码头上设置有多个水位观测点，工作时派专人观测潮水高程日变，每10 min观测一次并记录，供后期资料处理时作高程校正使用。

2.5 数据采集工作方式

根据前期实验后的最佳观测系统进行相应的数据采集，外业工作时，地震数据采集仪器、GPS测量及导航仪器置于工作船上，并由该船牵引水上多道接收电缆及双源电磁地震震源系统。工作系统在GPS导航指引下，沿测线逐点采集数据。震源按需要手动激发，地震仪采集地震数据与GPS仪测量定位同步进行。工作船牵引测量系统连续、缓慢的沿测线从一端点驶向另一端点，即可完成物探剖面测量。

3 成果分析与解释

水域地震映像采用等偏移距进行单波(P波)勘探，避免了折射波和面波的干扰，从处理结果来看，分辨率较高。在研究区布设了5条测线进行实验工作，取得了较好的效果。成果解释以地震映像时间剖面为基础，结合钻孔资料标定的速度(表 1)，获取了深度剖面。深度剖面上同相轴的起伏状态和特征反映了地层的结构变化，5条测线(位置如图 1所示)成果反映了海底火成岩区典型的球状风化特征。

图 3、图 4、图 5为SW-NE方向3条相互平行测线的映像深度剖面成果图，3条测线在海平面(0 m)之下均出现3个较为连续的同相轴T₁、T₂和T₃，除此之外，再无其他连续可追踪的同相轴存在。

图 3为测线Ⅰ地震映像处理成果与解释图，T₁为水底界面。深度剖面显示水深和测试水深结果一致，水深约14.3~16.2 m，水底下界面平稳，测线两端略有变化；T₂为淤泥、砂、砾石组成的地层界面，该地层厚度约6.8~8.5 m；T₃为强风化花岗岩底界面，起伏较大，测线范围内出现多处中风化基岩面向上隆起与强风化基岩面向下凹陷，与花岗岩球状风化特征较好吻合。

图 4为测线Ⅱ地震映像处理成果与解释图，T₁为水底界面。深度剖面显示，水深从SW往NE方向逐渐变深，水深为14.5~20.7 m；T₂同样为淤泥、砂、砾石组成的地层界面，该地层厚度变化较大，约5.6~38.4 m；T₃为强风化花岗岩底界面，该界面起伏较大，测线2 100 m处的中风化基岩面明显隆起，为花岗岩球状风化不均所致，与测线Ⅰ地震映像结果具有一定的继承性。

图 5为测线Ⅲ地震映像处理成果与解释图。T₁为水底界面，深度剖面显示水深从SW往NE方向逐渐变浅，水深为17.2~21.3 m；T₂同样为淤泥、砂、砾石组成的地层界面，该地层厚度至SW往NE方向逐渐变薄，厚度约22.4~14.8 m；T₃为强风化花岗岩底界面，该界面起伏较大，测线180 0 m处的中风化基岩面明显隆起，与测线Ⅰ1 600 m处、测线Ⅱ2 100 m处的中风化基岩面隆起存在相同的继承性，更进一步印证为花岗岩球状风化不均。

图 6、图 7分别为NNW-SSE方向2条相互平行测线的映像深度剖面成果图。2条测线在海平面(0 m)之下均出现3个较为连续的同相轴T₁、T₂和T₃，除此之外，再无其他连续可追踪的同相轴存在。

图 6为测线Ⅳ地震映像处理成果与解释图。T₁为水底界面，深度剖面显示，水深从NNW往SSE方向逐渐变浅(SSE方向为厦门岛)，水深为17.4~20.3 m；T₂亦为淤泥、砂、砾石组成的地层界面，该地层厚度范围约12.6~22.6 m，从NNW往SSE方向逐渐变浅；T₃为强风化花岗岩底界面，该界面起伏较大，测线4 200 m处强风化层厚度出现明显凹陷。

图 7为测线Ⅴ地震映像处理成果与解释图。T₁为水底界面，深度剖面显示，从NNW往SSE方向水深变化不大，深度为11.5~16.1 m；T₂同样为淤泥、砂、砾石组成的地层界面，此地层由于中部(2 200 m处)为强风化花岗岩向上隆起，地层较薄，厚度约11.4 m，两侧较厚，厚度约32.7 m；T₃为强风化花岗岩底界面，该界面起伏较大，测线3 200 m处强风化层厚度出现明显凹陷，与测线Ⅳ4 200 m处的强风化层厚度明显凹陷具有继承性。

此外，3条SW-NE方向平行测线与2条NNW-SSE方向平行测线相交，交叉处的淤泥、砂及砾石下界面深度均约25~40 m，强风化基岩下界面深度均为40~55 m，交叉重叠位置的深度信息一致性较好。

4 结语

火成岩发育区的地层厚度结构变化较大，本次实验利用水域地震映像取得了较好的效果。SW-NE方向3条平行测线地震映像剖面中，中风化花岗岩基岩面向上隆起具有一定继承性；NNW-SSE方向2条平行测线地震映像剖面中，强风化花岗岩下界面向下凹陷具有继承性，通过实验参数的选取和后期资料的处理，较好地查明了靶区水深范围和地层结构特征，为后期海底隧道施工提供了科学的地质依据。

火成岩发育区的花岗岩由于其球状风化特征，小范围内的地层极有可能由于风化不均，导致地层厚度存在较大差异，钻探资料已经不能像常规勘探那样具有参考价值，其联合剖面也不能简单地依靠柱状图来生成，而水域地震映像在花岗岩区的应用将很好地弥补钻探的局限性。