海底表层沉积物声速特性研究进展与探讨

海底表层沉积物具有多相、多颗粒、多形态的组成结构，导致其声学特性复杂多样。通过分析压缩波速度和切变波速度特性的研究现状，指出有待于解决的科学问题和关键技术问题。在分析国内外有关海底沉积层声速特性研究基础上，提出采取系统、可控的实验测量手段解决当前测量存在的4点问题。综合分析了压缩波速度和切变波速度存在的统计回归关系和理论分析关系，探讨了当前地声反演、采样样品声学测量、原位声学测量3种方法存在的测量尺度、测量频率、测量状态等的差异，探讨建立不同测量方法和测量技术对测量结果进行统一性解释的方法，从而获得不同类型、不同区域的海底表层沉积物真实的声速特性。最后，从实验室声学测量、物理力学参数测量、流固耦合特性分析、原位测量及海底监测、采样测量与原位测量的误差分析及校正、海底大纵深声学测量6个方面提出技术需求，为提高声学探测海洋和海底的精度服务，推动海洋声学探测和海洋工程发展。     

海底沉积物声学物理力学性质聚类分析研究

Stoll、Hamilton等分别从理论和实测方面出发研究海底沉积物声学与物理力学性质关系,这两类研究都是将声学性质作为独立性质从沉积物的物理性质中提取出来,以两者作为因果关系进行研究,割裂了其内在统一性.本文不试图建立声学与物理力学性质的经验方程,而是综合考虑海底沉积物声学、物理力学性质,对南海大陆坡和人陆架沉积物进行聚类研究,分析南海海底沉积物共有的性质.研究表明聚类分析方法为海底沉积物性质研究提供了一种有效的分类手段,通过聚类,得出如下结论:(1)声速与孔隙度、密度等物理力学性质存在着明显的单调相关性,可以通过某些物理力学参数来预报沉积物的声速,同时可以通过测量沉积物声速反演沉积物的某些物理力学参数;(2)海底沉积物的声速和地文单元、沉积物的颗粒成份组成有关;(3)火陆坡黏土质粉砂、粉砂、砂质粉砂和大陆架粉砂、砂质粉砂、粉砂质砂的压缩波速依次增大,切变波速依次减小;(4)海底沉积物声学与物理力学性质聚类分析研究,可以作为海底沉积物的声学探测的参考依据.     

海底沉积物物理参数的声学反演模式

声学反演方程是声学探测沉积物物理参数的基础方程。基于声学理论和统计理论的声速反演沉积物物理参数的两种模式,运用南海海底沉积物声学物理数据验证、比较了两种反演模式,以反演孔隙度、含水量为例,得出基于双参数经验方程反演模式的适用性较强,但精度有待于提高;基于声速理论的反演模式反演南海海底沉积物物理参数有待于进一步完善。     

基于浅地层剖面的海底浅表层沉积物物理性质参数反演技术研究

海底浅表层（小于1 m）沉积物的物理性质,如粒度、孔隙度、密度等是海洋沉积学研究和海洋工程地质分析的重要内容,目前主要基于有限的海底取样或原位测试获取这些沉积物的物理性质。浅地层剖面是基于声学信号（频率几千赫兹）在沉积物中的传播得到可反映沉积地层结构的数据,其中的一些声学参数,如海底反射系数、波阻抗等与沉积物物理性质密切相关。如何充分而有效地利用浅地层剖面资料,反演得到剖面覆盖区海底浅表层沉积物的物理性质参数,极具科学意义和应用价值,且基于声学属性反演沉积物物理性质是当前研究的热点。为此,本文基于渤海LD16-3CEPA至LD10-1PAPD路由段的浅地层剖面数据和海底表层沉积物的实测物理参数,利用Biot-Stoll模型建立研究区海底反射系数和沉积物物理性质之间的关系,并基于浅地层剖面数据计算得到的海底反射系数,反演了研究区海底浅表层沉积物的孔隙度、密度、平均粒径等物理性质参数。其中反演的孔隙度、密度、平均粒径与实测孔隙度、密度、平均粒径基本相符,偏差度基本都在20%的偏差范围内,表明该反演方法在该区的应用是可行的。     

海南岛东南外海海底沉积物特征及其声学物理性质研究

分析研究了南海北部大陆架西南缘的海南岛东南外海海底沉积物声学物理特性,在多个航次中进行了海底沉积层取样、海水CTD测量、浅地层及旁侧声呐扫测等工作.在实验室里对沉积物样品进行声学参数、沉积学基本参数、物理力学参数和14C年龄测试等分析.根据多尔特曼公式求解出弹性模量、体积弹性模量、压缩系数、切变模量、泊松比和拉梅常数等六项沉积物弹性参数.分析结果表明在该海区海底沉积物的压缩波速为1.474~1.700 m/s,在不同的海区内有高低声速两类性质的沉积物分布;沉积物的切变波速为150~600 m/s;沉积物在100 kHz的声衰减为35~260 dB/m;沉积物的密度为1.4~2.0 g/cm3;沉积物的孔隙度为42%~88%.     

基于Chirp数据和Biot-Stoll模型反演南海北部陆坡海底表层沉积物物理性质

浅地层剖面是基于声学信号(频率在几百至几千赫兹)在沉积物中的传播得到可反映沉积地层结构的数据，海底反射系数与沉积物物理性质密切相关。Biot-Stoll声波传播理论模型可以预测海底沉积物的物理性质，构建反射系数等声学参数与物理参数之间的关系，但在不同的海域采用不同的参数所获得的效果不同。为此，本文基于南海北部陆坡海底表层沉积物的实测物理参数，利用Biot-Stoll模型建立研究区海底反射系数和沉积物物理性质之间的关系，结果表明模型计算值与样品实测值吻合度总体较好，偏差在0.1%～4.9%之间，并建立了频率3.5 kHz时海底反射系数与沉积物孔隙度、密度、平均粒径之间的关系方程，且方程拟合度较高，可决系数R2均大于0.99。在对典型Chirp剖面数据计算其海底反射系数的基础上，反演了海底表层沉积物的孔隙度、密度、颗粒平均粒径等物理性质，其中反演孔隙度、密度、平均粒径与实测孔隙度、密度、平均粒径相对误差均小于5%，结果与实测值基本相符，表明该反演方法在南海北部陆坡区的应用是可行的。     

中国东南近海海底沉积物声学物理性质及其相关关系

在获得的数据资料基础上,发现了中国东南近海海底沉积物声学物理参数的平面分布规律,通过对这些参数的回归分析以及对声速和沉积物密度的估计,建立了经验公式。结果显示,中国东南近海海底沉积物的基本声学物理特性如下:沉积物类型多样而且复杂,从黏土到砂砾有13个颗粒组分组合;沉积物物理力学参数变化范围较大;沉积物声学性质相对于附近海域的数据变化范围更大。这些都与海底沉积环境、沉积物来源、沉积条件和沉积作用过程有关。该项研究有助于建立海底地声模型及开展应用。     

用定深爆炸声源反演海底声学参数

根据2014年在南中国海开展声学试验的定深爆炸宽带声信号数据进行海底地声参数反演.考虑到不同海底声参数对不同声场物理参数的敏感程度不同以及不同海底声参数对不同反演方法的敏感程度亦不同,综合应用2种反演方法得到不同底质声参数:(1)根据接收的直达波和海底反射波计算得到关注海域的海底反射系数进而反演得到海底声阻抗;(2)实验海区的海底地形为大陆坡,选取Hamilton总结的关于沉积物声速与沉积物密度关系的经验公式,结合沉积物声阻抗与沉积物声速、沉积物密度的关系,进而反演得到沉积物声速和沉积物密度.沉积物声学参数的取样测量是在实验室条件下进行的,温度为23℃,大气压1×105Pa,由于沉积物孔隙海水是决定沉积物声速的关键且受温度压强变化的影响显著,本研究利用沉积物声速与孔隙海水声速的比值即使在温度压强变化的情况下较稳定的特点,可对沉积物声速在实验室条件和海底原位条件进行校正.校正到海底温度和压强后,反演结果与沉积物取样的实测结果和Hamilton总结的结果吻合得相当好:(1)声阻抗的反演结果为2.065 6×10~5g/(cm2·s),修正后的沉积物取样结果则为2.046 0×10~5g/(cm~2·s),Hamilton总结的结果为2.238 0×10~5g/(cm~2·s);(2)声速的反演结果为1 482.6m/s,修正后的沉积物取样结果为1 467.5 m/s,Hamilton总结的结果为1 502.8 m/s;(3)密度的反演结果为1.393 2 g/cm3,沉积物取样结果为1.400 0 g/cm~3,Hamilton总结的结果为1.489 0 g/cm3.     

砂质海底沉积物压缩波速与物理参数关系试验研究

砂土是主要的海底沉积物类型之一,明确砂质沉积物声学与物理性质的关系对海底底质和地层探测至关重要。本文利用超声探测仪和自制的试样制备测试装置,模拟制备不同沉积状态的砂土试样,同步开展超声测试和物理性质测试,探讨砂质沉积物声速测试方法及影响因素,揭示砂质沉积物压缩波速与物理参数的内在联系。试验结果和分析表明:换能器接触管壁的间接测量方法中,声波多路径传播可显著影响沉积物声速测量的准确性,而换能器接触试样的直接测量方法可避免这一影响;30 kHz至100 kHz的不同频率对压缩波速测量结果没有明显影响。砂质沉积物的压缩波速与密度、孔隙度、含水率有较好的相关性,相关系数分别为0.87、0.86、0.84,并且随密度的增大而增大,随孔隙度、含水量的增大而减小。砂质沉积物的压缩波速与中值粒径的相关系数小于0.6,对物质组成不敏感。另外,与声速相比,砂质沉积物的声阻抗与密度、孔隙度、含水量的相关性更高。砂质沉积物压缩波速对饱和度非常敏感,例如,饱和度从0.971增至0.994时,压缩波速从393.3 m·s^-1急剧增大到748.5 m·s^-1,需特别注意。     

基于同轴差距测量法的南海深水海底沉积物声衰减特性研究

通过分析沉积物声波测量过程能量损失的实质，阐述平行轴差距衰减测量法和垂直轴差距衰减测量法的研究基础——差动式衰减测量方法原理，并推导了其衰减系数公式。根据南海沉积物的柱状样品分装的特点，结合以上两种方法，提出了同轴差距衰减测量法，这种方法具有原理上的合理性并且其可操作性强；运用此方法测量了沉积物在常温和温度控制变化条件下的声波信号，计算了衰减系数，研究了温度对沉积物声波传播能量的影响，得出南海深水海底沉积物具有以下声衰减特性：沉积物含砂量高，声衰减系数大；随着温度的升高，沉积物的声衰减系数变化具有不均匀性，整体呈非线性减小趋势。以上研究将为声学遥测和反演海底沉积物的物理力学特性提供数据和方法支持。     

南海南部海域岛礁区海底珊瑚砂声速影响因素的初步研究

通过对南海南部海域岛礁区科学考察数据资料的分析研究,得出了岛礁区海底珊瑚砂的纵波声速随孔隙度、含水量增大而减小,以及声速随中值粒径、湿密度增大而增大的统计结果,并在Biot和Wyllie的松散饱和水沉积物声速理论公式与模型基础上,解释了物理力学因素对海底珊瑚砂声速的影响机制,阐明了固相因素和液相因素的强弱变化引起声速增大或减小的理论原因,分析了各种声速经验公式在海底珊瑚砂声速估算上的精度差异,得出了有必要建立包括海底珊瑚砂在内的单一类型声速经验公式的初步结论。     

海底沉积物纵波波速与物理-力学性质的理论关系和比较

本文提出以密度变化比和等效弹性模量变化比为参数描述海底沉积物纵波波速,得到密度变化比是由孔隙率、海水密度和海底沉积物固相密度构成的复合参数,建立了以复合参数和等效弹性模量变化比为变量的泰勒多项式海底沉积物纵波波速公式。基于单因素分析法得出纵波波速可表示为参考声速与调制函数的乘积,沉积物的参考声速由海底底质物理性质确定,建立了复合参数-声速的近似理论模型。对该理论模型与现有的主要纵波波速经验公式的分析结果表明,孔隙率-纵波波速经验公式只是参考声速不同,但调制函数是互相等效的,验证了本文海底沉积物纵波波速理论关系的有效性。     

A Preliminary Study of Shear Wave in Seafloor Surface Sediments

This article preliminarily reports and analyses the transmission characteristics and behaviors of shear wave in the offshore seafloor surface sediments in China, discusses the relationships between the physical and mechanical features of the shear wave and the compression wave, and compares the testing results with that of Hamilton and Chen et al. The result shows that the shear wave can be tested if the seafloor surface sediment has tangent modulus. The shear wave velocity ranges from 50-600 m/s and the measuring frequency from 50-200 kHz. The sound velocity rate of shear wave and compression wave can be used to appraise the stress-strain feature of seafloor surface sediments. This study provides a basis for further describing and appraising the seafloor sedimentary acoustic-mechanical feature and building a geological-acoustic model on China's offshore sea area.     

海底沉积物的基本地声结构与地声模型

为准确建立海底地声模型,本文探讨地声模型的基本组成和基本结构。通过样品实验室测量,分析南海海底表层沉积物的密度、孔隙度与声速随着埋深变化的关系,得出海底实际存在的低声速表面–声速缓慢变化类型、低声速表面–声速增大类型、高声速表面–声速缓慢变化类型和高声速表面–声速增大类型4种典型地声结构;对比钻探测量,分析黄海海底沉积物的密度、孔隙度与声速随埋深变化关系,得出海底地声模型分层特征与地声结构组合特征。研究表明,地声模型可以归结为4种基本地声结构的组合,通过与底层海水声速、同层内声速剖面以及与上层海底沉积物下表面声速的比较,可以建立各种海底地声模型;基于实验室测量法建立的地声模型可以作为参考地声模型,但需要考虑实际海底温度和压力梯度以及海底沉积物的频散特性等,借助于声速比校正法和频散性理论模型进行计算及修正。     

Sea Floor Sediment and Its Acouso-Physical Properties in the Southeast Open Sea Area of Hainan Island in China

Acouso-physical properties of sea floor sediments in the southeast offshore sea area of Hainan Island on the northern continental shelf of the South China Sea are analyzed. In many cruises, conductivity-temperature-depth measurements of seawater, measurements of shallow stratum and side-scan sonar have been made. Acoustic parameters, basic sedimentary parameters, physical-mechanical parameters and ¹⁴C age, etc., have been measured. The sediment elastic parameters, including Young's modulus, bulk modulus, constrained modulus, rigidity modulus, Poisson's ratio, Lames constant, etc., have been calculated. Results show that the compression wave velocity of the seafloor sediment in the sea area ranges from 1474–1700 m/s, and there are high and low sound velocity sediment types in the different sea areas; the shear wave velocity is 150–600 m/s; at 100 kHz the sediment sound attenuation is 35–260 dB/m, the sediment density is 1.4–2.0 g/cm³; the sediment porosity is 42–88%. Sound field parameters and describing sound reciprocity between sea and seafloor are described.     

Sound velocity and related properties of seafloor sediments in the Bering Sea and Chukchi Sea

The Bering Sea shelf and Chukchi Sea shelf are believed to hold enormous oil and gas reserves which have attracted a lot of geophysical surveys. For the interpretation of acoustic geophysical survey results, sediment sound velocity is one of the main parameters. On seven sediment cores collected from the Bering Sea and Chukchi Sea during the 5th Chinese National Arctic Research Expedition, sound velocity measurements were made at 35, 50, 100, 135, 150, 174, 200, and 250 k Hz using eight separate pairs of ultrasonic transducers. The measured sound velocities range from 1 425.1 m/s to 1 606.4 m/s and are dispersive with the degrees of dispersion from 2.2% to 4.0% over a frequency range of 35–250 k Hz. After the sound velocity measurements, the measurements of selected geotechnical properties and the Scanning Electron Microscopic observation of microstructure were also made on the sediment cores. The results show that the seafloor sediments are composed of silty sand, sandy silt, coarse silt, clayey silt, sand-silt-clay and silty clay. Aggregate and diatom debris is found in the seafloor sediments. Through comparative analysis of microphotographs and geotechnical properties, it is assumed that the large pore spaces between aggregates and the intraparticulate porosity of diatom debris increase the porosity of the seafloor sediments, and affect other geotechnical properties. The correlation analysis of sound velocity and geotechnical properties shows that the correlation of sound velocity with porosity and wet bulk density is extreme significant, while the correlation of sound velocity with clay content, mean grain size and organic content is not significant. The regression equations between porosity, wet bulk density and sound velocity based on best-fit polynomial are given.