南黄海海底沉积物原位声速测量与实验室声速测量对比研究

介绍了海底沉积物原位声速测量方法和实验室声速测量方法的工作原理以及在南黄海中部海底沉积声学调查中的应用情况,详细对比分析了原位测量声速和船舶甲板实验室测量声速的差异,讨论了温度和压力等环境因素变化对声速的影响,研究成果对海底沉积物声速测量和预报具有一定应用价值.     

海底沉积物声速实验室测量结果校正研究

海底沉积物实验室测量状态与海底原状态存在较大差异,因此有必要进行声速校正.基于研究海底浅表层沉积物采样样品的原状态与实验室环境的差异,提出运用Hamilton声速校正模型对实验室测量沉积物声速数据进行校正,实现表层沉积物标准测量环境(23℃,1个大气压)下的声速校正到海底原状态;设计了温度变化实验测试南海海底沉积物的声速比变化,验证了Hamilton模型的可行性并将其推广到室温状态下各个温度的校正;分析了Hamilton声速校正模型应用于海底浅表层沉积物声速校正的可行性.     

海底沉积物声学性质原位测量系统海上试验研究

提出了一种新的海底沉积物声学性质原位测量方法,介绍了新研制的海底沉积物声学性质原位测量系统。在青岛近海海域对该系统进行了海试,获得了各个站位的声速数据。将测得的各站位的声速与不同海域的沉积物声速进行对比分析,并对各个站位的声速与沉积物的平均粒径进行了相关性分析,发现与以往研究结果一致,沉积物声速与沉积物类型相关,不同类型的沉积物的声速有明显差异;声速与平均粒径相关性较好,粒径越大,声速越高。结果表明,利用海底沉积物声学性质原位测量系统测得的原位声速是正确的,它能快速准确地得到海底沉积物的声速值。     

应力-应变过程中海底沉积物微结构变化对其声速的影响

本文阐述了对海底沉积物样品在应力-应变过程中进行同步声学测量的实验工具和方法,分析了采自南海45个站位的海底沉积物样品的实验数据资料,结果表明,沉积物颗粒越粗、孔隙越小、无侧限抗压强度越大,声速越高。沉积物样品在受力应变过程中,声速具有明显的随应力而变化的特征。进一步探讨了不同应变阶段沉积物的声学特征以及应力所导致沉积物微结构变化对其声速的影响过程,这一研究将在石油地质测井和海底工程基底稳定性评价等方面具有重要的应用意义。     

应力-应变过程中海底沉积物微结构变化对其声速的影响

阐述了对海底沉积物样品在应力-应变过程中进行同步声学测量的实验工具及方法,分析了采自南海45个站位的海底沉积物样品的实验数据资料,结果表明,沉积物颗粒越粗、孔隙越小、无侧限抗压强度越大,声速越高.沉积物样品在受力应变过程中,声速具有明显的随应力而变化的特征.进一步探讨了不同应变阶段沉积物的声学特征以及应力所导致沉积物微结构变化对其声速的影响过程,这一研究将在石油地质测井和海底工程基底稳定性评价等方面具有重要应用意义.     

在轴向应力-应变下海底沉积物声速及其变化

对南海南部海域海底浅表层沉积物短柱状样进行轴向应力-应变/声学测量,结果表明沉积物纵波声速有三种不同的变化结果:(1)声速从应变过程开始随应力-应变曲线变化,在最大应力时声速同时也是最大值,结束时可能高于或低于开始时的声速;(2)声速从应变过程开始逐渐减小,结束时是最小值;(3)声速从应变过程开始逐渐增大,最大值出现在结束时.这些结果与海底浅表层沉积物的物理力学性质、颗粒接触状态、颗粒的微结构等特征有关.研究结果可为深入认识南海南部各种海底沉积物作为承载界面的可靠性、声遥测遥感海底沉积物的工程力学性质等科学目的提供理论依据.     

基于海底表层沉积物声速特征的南海地声模型

在由垂直声速梯度建立的地声模型基础上,通过引入沉积物与海水声速比和沉积物压缩波与切变波声速比两个表征沉积物声学特征参数得到更全面和有实际指导意义的地声模型。在沉积物声波传播FCMCM模型基础上,基于热作用和重力作用下沉积物两相介质的应力应变分析,建立TFCMCM和DFCFCM模型,运用模型校正表层沉积物声速特征来计算和解释地声模型。根据海底表层沉积物存在低声速和高声速两种类型,结合沉积物沿纵深孔隙度不变和变化两种类型,得到南海海底沉积物的两类四种典型地声模型:低声速孔隙度不变型、低声速孔隙度减小型、高声速不变型和高声速孔隙度减小型。运用这四种典型地声模型的组合解释了卢博提出的南海三种典型声速结构。认知声速结构将为南海声学探测海底、划分海底区域提供模型支持。     

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。     

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。     

琼东南外海海底沉积物粒度组分对孔隙度、声速的影响

海底沉积物粒度组分影响和控制着沉积物的声学特性和物理性质,具有明显的区域性特点。文章测定了琼东南外海海底沉积物的声速、孔隙度以及沉积物粒度组成,讨论了他们的相互关系。琼东南外海海底沉积物纵波波速变化范围为1455~1773m×s~(-1),由琼东南外海的东北至南部海域,可分别划分为低声速沉积物区、高声速沉积物区、低声速沉积物区和高声速沉积物区。沉积物孔隙度回归方程和声波回归方程表明,沉积物类型从砂、粉砂质砂、黏土质粉砂、砂-粉砂-黏土到粉砂质黏土变化,声速总体呈减小的趋势,孔隙度呈明显的增大趋势。     

菲律宾海深海海底沉积物声学特性与物理性质相关关系

为研究深海海底沉积物声学特性与物理性质相关关系,于2016年11月在实验室对水深3164～5 592 m的菲律宾海深海海底沉积物柱状样品的声学特性进行测量,获取了沉积物声速、声速比、声阻抗、声阻抗指数等声学特性参数。结合沉积物的孔隙度和密度等物理性质参数,分析了海底沉积物声速、声速比、声阻抗、声阻抗指数与孔隙度、密度的相关关系,建立了该海域海底沉积物声学特性回归方程。研究结果表明:研究区深海数据与浅海回归方程符合度较差,与深海回归方程符合度较好;Hamilton校正方法有助于修正实验室测量引起的温度和压力误差,声速比与Hamilton方程符合度比声速好;声阻抗和声阻抗指数与物理性质参数的相关性优于声速和声速比。此外,研究认为由于海底沉积物的沉积环境较为复杂,其声学特性回归方程存在差异。由于上述差异的存在,在使用基于不同海域数据建立的回归方程进行海底沉积物声学特性预测时,应加以区别对待。该研究丰富了深海海底沉积物声学数据,对促进深海海底沉积物声学深入研究具有一定的借鉴意义。     

海底松散沉积物声学性质原位测量实验研究

分析研究了国内外海底松散泥沙的声速和声衰减系数测量的研究现状,并据此研制了海底表层沉积物声速声衰减系数原位测量系统。利用原位测量系统分别在实验室和海滩对不同粒度的沉积物进行了测量分析,得到了不同粒度沉积物的声速和声衰减系数。数据分析表明,沉积物的声速和声衰减系数与沉积物的粒径有密切的关系,粒径越粗,声速越高,声衰减系数越大。通过沉积物声学性质研究,可以开发海底浅层沉积物声学性质原位测量技术,提高相关海洋调查的速度和效率。     

声波在不同沉积物类型中传播的实验研究

报道了声波在７个沉积物类型中实验结果,分析了若干项参数对不同沉积物类型中声速变化的影响和机制,对今后利用声遥感遥测天然海底沉积物提供重要科学依据。     

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.     

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。     

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。     

海底沉积物声速研究的意义、方法及展望

总结和分析了20世纪50年代以来的国内外有关海底沉积物声速研究的主要文献,详细阐述了海底沉积物声速研究的科学意义、工程意义和军事意义。将海底沉积物声速的主要研究方法进行了归纳和分类,分为理论研究、室内声学试验和海底原位声学试验3个大类,并论述和分析了各类方法的代表性观点及取得的主要研究成果。最后对目前海底沉积物声速的研究方法存在的主要问题进行了讨论,展望了基于高分辨率声学浅地层剖面资料与钻孔岩心对比研究方法的发展前景。     

海底声学原位测试声速提取技术研究

海底沉积物的声学声速特性是沉积物声学中的一个重要的研究方向。正确提取声学原位测量的声速对海底沉积物声学反演至关重要。分析了海底声学原位测试系统的输出子波特性,提出了基于子波提取的互相关双向极值声速提取法。在声速提取过程中,发现某些通道实测声波到达时会出现超出正常范围的异常。分析后认为异常通道的到达波相位出现180°反至现象。通过互相关数值的负极小值提取的声波到达时对互相关正极大值所获得的到达时曲线进行校正后提取声速,得到了正确的结果,说明了本方法的正确性。     

海底沉积物声速-压力特性测试系统的设计与实验

文中设计基于可编程逻辑控制器(PLC)的测控平台、伺服加压控制、步进推动控制、多传感器测量、触摸屏交互等功能的温压可控声学测量系统,实现海底沉积物样品的孔隙水自动可控加压,通过声学测量功能单元测量海底沉积物在各个压力下的声速,模拟海底沉积物处于大陆坡2 000 m以浅海底表层任何深度变化时的声学特性测量,得到海底沉积物声速-压力特性,为校正实验室测量数据还原到海底原位测量数据提供一种方法。     

中国黄海、东海和南海北部海底浅层沉积物声学物理性质之比较

黄海、东海和南海北部海底沉积物声学物理性质存在着差异,这与海区海底地质和沉积环境有关。取样所及的海底沉积物样品分析表明:黄海实验海区海底有6种沉积类型,东海实验海区海底有3种沉积类型,南海北部大陆架海区海底有6种沉积类型。三个海区的沉积物密度为1.48～2.03g·cm-3;沉积物含水量为10%～90%;沉积物孔隙度为65%～80%;沉积物纵波声速为1460～1916m·s-1;沉积物横波声速为115～611m·s-1。