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。     

南沙海域深水区表层沉积物声速与孔隙度相关关系

采用同轴差距测量法对南沙海域海底沉积物取样进行甲板现场声学测量,并计算了声速,结合沉积物取样分析获得的孔隙度,研究了海底表层100 cm沉积物的声速和孔隙度之间的相互关系,分析获得了孔隙度与海底沉积物声速关系的经验公式,结果表明此海域沉积物声速的临界孔隙度为67.80%。将此公式与国内外其他学者建立的经验公式进行了对比,分析发现各预测方程之间存在着差异,说明不同海域的沉积物声学特性具有差异性,经验公式具有区域性,同时分析了其他影响声速的因素。此项工作对于建立和研究南海声场环境具有重要意义。     

受控三轴应力-应变下沉积物声速与物理力学性质的关系

对南海某海域深度100～400 m的海底浅层（约2 m埋深范围）沉积物柱状样在接近海底水压力下进行三轴应变-声学同步测量,结果表明沉积物纵波声速有两个特征:（1）从应变过程开始到结束,沉积物纵波声速不断变化;（2）平均声速随着平均静弹性模量的增加,由大变小又由小变大,存在声速最小值。这些结果与海底浅表层沉积物的物理力学性质、围压、颗粒的结合状态改变有关。此外,沉积物动弹性模量和孔隙度呈良好的负相关性,这与孔隙度增大含水量增大有关;动弹性模量是静弹性模量的10～100倍,这主要与三轴应变试验的应变数量级与声波振动产生的应变数量级的差异大有关。采用本论文实验测量的数据分别建立了双复合参数-声速和孔隙度-声速经验公式,分析结果表明双复合参数-声速公式声速预报误差约是孔隙度-声速公式的1/4,表明双复合参数-声速公式更加有效。     

海底沉积物声速经验方程的分析和研究

比较国内外主要研究者提出的海底沉积物声速单参数、双参数和多参数预报经验方程的物理意义和适用性,提出了孔隙度-含水量预报海底沉积物声速新的双参数公式,该式避免了单一参数预报声速经验方程和某些双参数公式中物理意义不明确以及多参数方程复杂性及对提高预报计算能力效果不显著之处.基于理论分析,改进孔隙度-含水量双参数计算公式得到的通用模型具有明确的物理意义,可以通过修改参数适用于不同海域的声速预报,提高了泛化能力,扩大了适用范围.通过对孔隙度、含水量等物理参数的权值分析研究,更加明确了孔隙度是影响海底沉积物声速大小的最关键参数.用台湾海峡北部、南海海域、珠江口大陆架三处的海域沉积物测量数据比较了不同模型,验证了本模型的优越性.     

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。     

海底沉积物力学性质影响声速的物理机制

利用声学方法提取海底沉积层物理一力学性质的信息,是近年得到迅速发展的一种海底调查方法[1-4],近一、二十年间利用电子显微镜观测技术,发现沉积物一些重要的微观特征,如沉积物颗粒堆垒状态、孔隙结构和孔隙纵横比等,对声在海底沉积物中的传播特性,特别是对于沉积物的声速,具有不能忽视的影响,为了阐明海底沉积物结构-力学因素影响声传播特性的物理机制,本文研究了沉积物微观结构与其宏观声学表现之间的关系,并以南海西北部一个有代表性的陆架海区为例,对17个现场测站的一系列测试数据进行回归分析,结果表明,采用无侧限抗压强度q_u作为等效因子来综合地表达海底沉积物颗粒堆垒和孔隙结构的宏观效应,可作为利用孔隙度n计算沉积层声速c的一个补充修正项;对于本海区,可得到下面形式的经验公式: f(c,n,q_u)=c-4195+90.5833n-0.7695n2+94.6968q_u-64.4603q_u2=0,它提高了不考虑孔隙结构的常用公式(如Anderson公式[5])的计算精度,同时免除了为修正声速计算而对微观孔隙进行测量统计的必要性。     

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。     

海底沉积物孔隙度与声速的关系

给出大陆架海底沉积层中声速(压缩波)V_p依赖于沉积物孔隙度n的一个新的经验公式,该公式当n=100时,V_p=V₀,V₀为海底水声速.公式的计算值与我国周边大陆架测量值吻合较好,并将其结果与国内外成果作了对比讨论.     

声速预测方程在浅地层剖面资料处理中的应用

海底沉积层的声速足浅地层剖面资料采集和处理的关键参数之一,通常的做法是将地层的声速设定为一个经验值,而实际上声速并非定值.通过对国内外主要沉积物声速颅测方程的比较,利用卢博等建立的适用于中国东南近海的声速经验公式,在某人工岛构造调查中,根据地质钻孔获取的孔隙度参数计算各沉积层的平均声速,建立相应的声速结构剖面,应用于浅...     

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。     

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。     

基于主元分析技术的海底沉积物声速预报方程

通过应用主元分析技术建立预报海底沉积物声速的经验方程,将前人研究报道的经验方程进行分析研究,指出其计算误差,运用南海南部大陆架和大陆坡数据,建立了主元回归计算模型。从理论上研究了如何在众多影响声速的物理参数中,排除相互关联的参数,优选出相互独立的、且对声速有显著影响的少数几个物理参数,用优选后的物理参数建立了南海南部海域大陆架及大陆坡沉积物的3参数（孔隙度n、颗粒中值粒径Ma、塑限W,）声速预报方程：Cp=1774-5．0944n＋12．499Md＋0．9985Wp,该方程的相对预报误差仅为-4．48％-3．77％。     

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.     

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。     

频谱分析技术在沉积声学研究中的应用

海洋沉积声学研究是水声学、地声学及海洋地球物理学(尤其是人工地震方面)等学科密切相关的一个重要研究领域。然而,它是从测量分析研究沉积物声速方面入手的。目前,对沉积物声速测量的手段除了反射法和折射法以外,还有室内测量法等)。本文计论了电学计算机配合频谱分析技术在测量沉积物声速上的应用研究结果。     

海底沉积物声学响应中的颗粒与孔隙因素

颗粒参数是描述海底沉积物的基本要素之一,它们深刻地影响到海底沉积物的物理力学性质和声学性质.统计分析结果表明,海底沉积物颗粒度参数中以孔隙度、干密度、中值粒径、平均粒径、颗粒形状之间的关系最为密切.孔隙度与体积干密度呈强线性相关,与平均粒径、中值粒径也呈弱线性相关.在沉积物声速与物理参数的单参数和双参数的经验公式讨论中,显示出声速分别与孔隙度和平均粒径之间具有密切相关关系.根据沉积物颗粒堆垒结构和颗粒形状、粒径大小等,可以计算沉积物的理论孔隙度,从而判定沉积物的声衰减系数.     

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。     

海底沉积物纵波速度与强度参数关系模型研究

海底沉积物具有质地松软、强度低的特点,其强度参数与海上平台插桩就位、导管架的安装等工程关系紧密,与海上作业安全息息相关。常规钻孔取芯与静力触探等强度参数获取方法成本较高、取样点少,且对沉积物扰动较大,利用易获取的声学资料预测海底沉积物的强度参数具有重要研究意义。本文基于Wood方程、Biot-Stoll模型、Dvorkin等效介质模型等声波传播理论,计算不同物性参数（密度、孔隙度）梯度下的理论纵波速度,结合室内模拟地层声学实验,对比了模型计算声速与实测声速的变化特征,建立了声速与物性参数关系模型。基于室内模拟地层土力学试验,揭示了沉积物物性与抗剪强度、黏聚力等参数之间的关系,建立了物性与强度参数关系模型。以物性参数为桥梁,建立基于声学特征的海底沉积物强度参数预测模型。此模型既避免了原位取样沉积物失水扰动的问题,又弥补了经验公式局限性的缺点,具有普适性与准确性,有效提高无法取样地区沉积物强度参数的精度,提高了经济效益,对浅层的勘探与开发起到了理论指导的作用。     

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。     

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.