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...     

海底沉积物实验室剪切波速度及其与沉积物的物理性质之间的关系

采用压电陶瓷弯曲元法和共振柱试验的方法对采自我国海域的一些典型海底浅表层沉积物样品进行了剪切波速测试,获得首批可信数据.两种方法所测得的剪切波速数据具有很好的一致性,且在数赫兹至数十千赫兹频段范围内剪切波速不具明显弥散性.剪切波速与沉积物类型关系密切,不同海区和不同类型海底沉积物的剪切波速有明显差异.近海较细颗粒沉积物粉砂的剪切波速在100m/s左右,细颗粒沉积物的剪切波速在100m/s以下;陆架较粗颗粒沉积物的剪切波速最大,超过100m/s;深海、半深海细颗粒沉积物的剪切波速最低,小于50m/s.剪切波速与含水量、密度、孔隙度、塑限和液限等沉积物物理参数之间具很好的相关性,反映了剪切波速和物理性质之间的密切关系.剪切波速与压缩波速呈正相关性,但在不同的波速范围剪切波速随压缩波速的变化有很大不同.     

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.     

南海某海区海底沉积物物理、声学和弹性性质

报道了南海某海区３个区块海底沉积物若干项声学物理性质，讨论和分 析了沉积物的物理力学参数，声学和弹性参数之间的关系。     

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。     

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。     

南海某海区海底沉积物物理、声学和弹性性质

报道了南海某海区３个区块海底沉积物若干项声学物理性质，讨论和分析了沉积物的物理力学参数，声学和弹性参数之间的关系。     

南海中沙天然气水合物资源远景区海底沉积物的物理力学性质研究

根据南海中沙天然气水合物远景区沉积物样品的分析资料,从物理力学特征各方面对本区海底沉积物进行了综合工程地质特征研究。结果表明,本区海底沉积物类型全部为淤泥,工程地质性质相近,以高含水率、高孔隙比、低密度及高塑性为主要特征,抗剪强度很小,压缩系数均大于0.5。土体沉积环境为水动力强度较弱的深海半深海环境。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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.     

基于声波探测海底浅层沉积物特性的方法研究

利用声波在水中的传输特性进行海底浅层沉积物特性的探测。在实践应用中有实验室方法、现场测量方法和海底声学遥测方法,并研制出大量的仪器。由于海上和海底实际条件的限制,声波探测方法都存在一定的不足之处,由此提出了声衰减测试沉积物特性以及建立实验室模拟海底环境探测方法的设想。     

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%.     

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。