海底地層剖面測量是海洋物理探測的重要內容，它利用聲波脈衝在水中和水下沉積物內傳播和反射的特性來探測海底地層結構。聲脈衝入射到海底底質中，在不同地層界面產生反射，其強度取決於界面兩邊介質聲阻抗的差，用放電或熱敏紙記錄此反射，根據到達時間和反射的強度可以判斷地層界面的深度和性質，也可將信息數位化後存儲以備後處理。用計算機處理數據可以提高信噪比，有時還加專家判讀系統。海底地層剖面測量應用廣泛，是重要的海上勘探方法，該方法能較好的了解基巖埋深、查明斷裂構造的分布、海底障礙物的分布情況和淺層氣、古河道、海底滑坡和塌陷等海域災害的地質情況，在錨地航道建設、碼頭橋梁建設、管道鋪設等近海工程中發揮了重要作用。
一、海底剖面儀的分類與特徵
對於一系列的近岸和深海調查來說，欲快速而準確地了解海底地層情況，最有效的工具就是剖面儀，它可以為用戶提供非常詳盡而可靠的資料。最近十幾年來，各儀器生產廠家在技術革新方面也做了許多工作，從簡單的聲學產品到一些特殊器件都有新的技術突破， 海底剖面儀的分類及主要技術特點如下。
⒈ 海底剖面儀的主要分類
⑴淺地層剖面測量是利用聲波在海底以下介質中的透射和反射，採用聲學回波原理，獲得海底0m～80m淺層聲學剖面的一種地球物理調查方法。
⑵單道地震測量是利用地震波在海底以下介質中的透射和反射，採用聲學回波原理，獲得海底0m～800m淺層聲學剖面的一種地球物理調查方法。
⑶深地層剖面儀用氣槍、水槍、電火花、爆炸等聲源，工作頻率為數百赫寬頻帶，用拖曳線列水聽器陣接收。可探測海底表面以下數百米深的地層結構，穿透粗砂、礫幾石等夾層。
本文只討論淺層剖面儀特徵及應用，對深地層剖面儀由於海底石油天然氣資源工程中應用較多，在此不作進一步分析探討。
⒉ 淺地層剖面測量設備分類
淺地層剖面測量設備按技術分類為聲參量陣式、壓電陶瓷式和電磁式三種，單道地震測量設備為電火花式一種，各設備的特徵為：
⑴聲參量陣式(差頻技術)：優點是發射指向性與解析度較高；缺點是穿透力差，價格高。
⑵壓電陶瓷式(壓電技術)：優點是解析度高(低於前者)，且儀器的穿透力較好；缺點是價格較高。
⑶電磁式(磁致伸縮式):通常多為各種不同名稱的Boomer，穿透深度及解析度適中，價格較低。
⑷電火花式(高壓放電原理)：優點是穿透深度較大；缺點是解析度較差。
下表為各剖面儀的性能表，下圖為Boomer與X-Star (Chirp)技術淺剖比對圖片。
二、淺地層剖面測量
⒈ 適用範圍
淺地層剖面測量設備適用於航道、錨地、管線路由調查等1～80m水深的工程和地球物理測量工作，對忪軟土質地層具有較強的穿透能力，且解析度較高，對砂質地層穿透能力較差。
淺層剖面儀用換能器或電磁脈衝聲源發射數千赫頻率的寬帶聲脈衝，能穿透數十米的鬆散地層，分辨力數十釐米，而對粗砂、礫石等地層很難穿透。也有些產品根據非線性聲學原理，發射兩種頻率相近的高頻脈衝，用差頻法產生低頻，可用較小尺寸換能器獲得深穿透能力、高方向性。
⒉ 系統主要特點
其主要特點是探測記錄海底淺地層組織結構，以垂直縱向剖面圖形反映淺地層組織結構，而且具有良好的解析度，能夠高效率探測海域的海底淺地層組織結構。現代新型淺地層剖面儀對水下地層的垂直解析度可達0.1m，泥質穿透深度可達100m，砂質穿透深度可達5m。
線性調頻技術（chirp），較好的解決了解析度與穿透深度的矛盾。通過發射寬帶，長時間的調頻脈衝，接收信號經過相關處理（匹配濾波），得到一個比發射脈寬的寬度窄很多的壓縮脈衝，壓縮後的脈衝寬度與發射脈衝的寬度無關，這個壓縮脈衝寬度等於調頻帶寬的倒數，由此可以理解，發射較寬的線性調頻（chirp）脈衝，能夠保證一定穿透深度，同時不會降低垂直解析度。
⒊ 剖面聲圖層理特徵
剖面聲圖的層理特徵，是指剖面聲圖顯示具有一定灰度的點狀、塊狀和線狀圖形組成的圖像，反映不同性質的海底地層圖像的特徵。
⑴簡單層理特徵：
平行簡單層理特徵：沉積層界面呈現平行特徵，其層位圖像也呈平行特徵，表明沉積物平穩且較均勻一致的下沉積澱，顯示了在低能量沉積環境中細粒沉積物，如下圖。
發散簡單層理特徵：點狀和線狀圖像由密集擴散成稀疏圖像，表示沉積物沉積速率的區域變化，見下圖。
⑵複雜層理特徵：
複雜斜層理特徵：由點狀、塊狀和點線狀圖形組成的不平行傾斜狀圖形特徵，通常表示近岸平原沉積物的沉積層圖像特徵，見下圖。
S型複雜層理特徵：由形成 S 型的線狀或塊狀組成的圖像特徵，通常表示淺海環境的沉積層圖像特徵，沉積物的粒度從細到相對粗的粒度，見下圖。
無聲反射帶：無聲反射帶就是聲圖中不存在具有一定灰度的點裝、塊狀和線狀圖形，而形成空白的或幹擾圖像。產生無聲反射帶是由於該沉積物中有天然氣或泥炭層，在該層高解析度的高頻信號被衰減得最快，或說聲波信號被較快吸收掉，因此，聲波在該層穿透深度很小，見下圖。
航道工程中的埋藏基巖面：具有典型多次拋物線的起伏變化，灰度較黑，聲線無穿越，見下圖。
三、單道地震測量
⒈ 適用範圍
單道地震測量應用領域是以地層拾取為目的的工程應用領域(調查沉積地層結構、尋找含沙地層以提供建築用沙、勘測基巖深度等)，擴展到層間地震異常拾取為目的的地震勘探領域(如水下考古、海床下的空洞和隧道探測等工程)，對碼頭工程地層結構調查也非常適用。
由於系統具有較強的穿透力，設備的解析度相對較低，對相對精度要求較高的航道工程建議採用淺地層剖面系統。
⒉ 系統的組成
單道地震系統由船載系統和拖曳系統構成。拖曳系統包括換能器、水聽器和電纜構成；船載系統包括可控震源、數據採集和處理平臺、GPS衛星導航定位系統，測深系統等。見下圖。
⒊ 單道地震剖面解釋
地震剖面解釋建立在聲阻抗理論的基礎上，換能器以一定的時間間隔向海底發射聲脈衝，聲波在遇到聲阻抗特性不同的介質時，在界面上會產生反射。結合當地地質資料及地質取樣數據和經過數據處理的地震剖面來區分和定義不同類型的地層，就可以確定這些界面的屬性。近海淺水區域的地層一般為填埋層、沉積層及衝淤積層、基巖層等。
⑴填埋層：在部分區域有填埋層，和其依附的海相沉積層成分相似，但較鬆軟，二者之間由於密度不同會產生相對較強的聲波反射界面，層內密度不均，相對應的地震剖面多呈雜亂反射圖像。
⑵沉積層及衝淤積層：海相沉積層構成均一，層內密度隨深度逐漸增加，其地震剖面沒有強的雜亂反射。衝淤積層最為顯著，也就是說相對厚度最大，依附於風化基巖上，成分主要包括密度和強度隨深度逐漸增加，衝積或淤積的沙、淤泥及粘土，從整條剖面來看，沙層、淤泥層和牯土層具有不連續性，但在局部的地震剖面上，成分之間的界面可辨。
上圖中DM-傾倒物堆積層；DM和EM-為海相沉積層和衝-淤積層。衝-淤積層說相對厚度最大，依附於風化基巖上，成分主要包括密度和強度隨深度逐漸增加，衝積或淤積的沙、淤泥及粘土。
⑶基巖層：風化基巖面多呈現弧狀反射，聲波在基巖內的傳播速度明顯加快，在信號的時間-幅度圖中，該層的地震子波周期明顯加大，見下圖（GM-基巖層）。
在地震剖面解釋方面，鑽孔數據是速度標定的依據，需要結合地質資料和鑽孔數據，才能給出準確的地層定義及地層厚度結果。
四、海底剖面儀作業方法
⒈ 測量比例尺與測線布設
淺地層剖面測量比例尺和測線布設應符合下列要求：
⑴根據調查任務的要求確定測量比例尺，航道和錨地工程普查階段比例尺一般為1:10000～25000，詳查階段比例尺一般為1:2000～10000；主測線布設的間隔一般為圖上1～2cm，檢查線間隔一般為圖上5cm。
⑵採取測線方式進行測量，主測線的布設應垂直地層的總體走向，檢查線應儘量與主測線垂直；在航道工程中，主測線的布設應平行於航道方向布設，檢查線應儘量與航道方向走向垂直；在錨地工程中，主測線應儘量平行錨地長邊方向；在海底管道探測中主測線的布設垂直於海底管線走向，測線間隔根據業主要求、海底管道布設特徵及工程區地質狀況確定。
⑶在測量過程中，遇海底地層分布變化較大和淺部地質構造複雜的海區，應適當加密測線，加密的程度以能完善地反映海底地層空間變化和控制淺部地質構造特徵為原則。
⒉ 系統安裝
⑴舷掛式淺地層剖面儀安裝於船的中後部一側，拖曳式淺地層剖面儀拖曳於船的尾部，拖曳式安裝換能器，應使拖魚保持平穩。
⑵發射和接收換能器必須良好接地。
⑶採用拖曳式安裝淺地層剖面儀時，淺地層剖面儀拖魚位置應與定位系統的天線位置進行歸算；淺地層剖面儀固定安裝和舷掛式安裝位置歸算誤差不大於0.5cm，拖曳式安裝位置歸算誤差不大於纜長的10％。
⒊環境因素的影響：
影響淺地層剖面儀的海上環境主要因素，有以下幾方面：
⑴地質條件：海底底質是砂、巖石、珊瑚礁和貝殼等類型，嚴重製約聲波穿透深度。
⑵汽水界面：汽水界面能將發射聲能幾乎全部反射，幾乎無發射聲波觸及目標。
⑶船尾的尾流區域：如果採用船尾拖曳換能器，應該使換能器避開船的尾流區，一般方法是使換能器入水深度加深，或者拖纜加長。
⑷噪聲：在系統的帶寬範圍內的外界聲源信號都可能串入造成幹擾信號圖像，如：電噪聲、水噪聲、船隻機械噪聲、沿岸工程噪聲等。
⑸船隻擺動：拖魚設計為穩定的水平狀態工作，船速和航向不穩定造成船隻搖擺，使拖魚不能保持平穩狀態，造成圖像不良。
五、海底剖面儀資料處理方法
⒈ 聲圖像的判讀方法
淺層剖面聲像圖顯示具有一定厚度的不同性質的層位之間聲圖像，還顯示不同性質的層位圖案式聲圖像，以此來表現不同底質性質的層位。對淺層剖面聲圖的解釋，是綜合知識的經驗積累，有關知識如儀器性能、儀器正確使用方法，水聲物理，海洋物理、測繪方法、海洋地質等基本知識。海洋實際工作經驗也是很重要的。聲吶的聲圖圖像解釋的困難之處，在於聲吶的聲圖是依據反射信號強弱，用像素點的灰度強弱來反映。像素點組合形成圖像，這種圖像反映目標真實形狀是很差的。由於多種因素影響不可能形成真實目標圖像，因而存在多值性，因此還需要與地質鑽孔等其他資料進行比對分析，確定不同層位的底質類型，解釋就要排除各種幹擾因素，才能得到正確解釋結果。
⒉ 資料的處理與成圖。
地層聲學剖面資料解釋主要是依據反射界面的特徵劃分反射層序，繪製反射層剖面圖和厚度圖。
⑴識別和劃分鬆散層和基巖；
⑵識別和解釋表層斷層；
⑶識別和分析表層地質體類型；
⑷重點識別目標層位的頂、底板反射界面，尤其是頂板反射界面。
由於聲吶工作站只反映換能器垂直下方的海底淺層剖面聲圖像，因此，相鄰測線不存在覆蓋區域。
淺地層剖面圖按測線進行編制，選取橫向比例尺（H）和縱向比例尺（V），一般縱橫比例尺比值為1:10；橫向坐標是距起點的距離，並在上方註記測線點號；縱向坐標為當地理論深度基準面下的海底面深度和層位厚度，並註明底質類型。
淺剖資料具有較高的解析度，但由於海上噪音幹擾及地層沉積的特點，其信噪比較低，解析度是以信噪比為基礎，因此高精度處理以提高資料的信噪比為主要處理目標，組合使用各種去噪處理方法，通過對參數的精細選擇，可保證資料處理效果。還需要與地質鑽孔等其他資料進行比對分析，才能確定不同層位的厚度及底質類型概況。