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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

含砂量变化影响海底沉积物压缩波速度的分析研究

本文通过对南海海底沉积物样品的声学物理参数和沉积粒度特征统计分析,发现了高、低含砂量沉积物的声学物理特征存在明显差异,建立了海底沉积物的含砂量与压缩波速度、孔隙度、含水量和密度等经验公式,分析了含砂量变化与沉积物的体积压缩模量和密度变化的关系,从声速理论基础上阐明了含砂量变化引起沉积物压缩波速度变化的内在原因是含砂量变化引起了体积压缩模量和密度发生了变化,说明了含砂量增大引起沉积物压缩波速度增大的内在原因是含砂量增大引起了体积压缩模量变化量大于密度变化量,从而在数据统计和理论分析结合基础上,论证了含砂量是影响海底沉积物压缩波速度的重要因素之一。这一研究对声学方法反演海底沉积物粒度参数和沉积物类型、地声参数转换模型的建立,以及对水声反演海底和海底资源勘探等方面都具有重要理论意义和应用价值。     

便携式海底沉积声学原位测量系统研制及应用

详细介绍了最新研制的便携式海底沉积声学原位测量系统的工作原理和结构组成.与基于液压驱动的海底沉积声学原位测量系统相比,该系统操作简单,轻便灵活,易于吊放.2010年中国科学院南海海洋研究所“实验3”号科考船南海开放航次应用该系统在南海北部开展了海底沉积声学原位测量,首次获得该海区海底沉积物声速和声衰减系数原位测量数据.将原位测量声速与实验室测量声速进行了对比分析,结果表明二者存在明显差异,从而表明温度和压力等环境参数对沉积物声速具有重要影响.     

温度对海底沉积物声学特性影响实验研究

温度的变化是影响海底沉积物声学特性非常重要的因素之一。文章采用同轴差距衰减测量法,在不同温度下对海底沉积物声学特性进行测量,实验得出南海海底沉积物随着温度的升高具有以下声学特性:1)沉积物声速变化比较缓慢,上下波动点较明显,但总体趋势接近线性下降;2)衰减幅值随着温度升高一直下降,偶尔有些波动的异常点,声衰减幅值呈现线性下降的趋势;3)声衰减系数变化呈现抛物线趋势,具有强非线性。对于此类沉积物声速特殊情况,还有待从理论和实验方面更深入地研究解释其成因。     

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。     

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.     

The Three Results of Sound Velocity Variance in Sediments During Controlled Stress-strain Testing from the South China Sea

Sound velocity in each type of seafloor sediment from the South China Sea varies with the development of strain in the controlled stress-strain course. Experiments show that there may exist three cases for the maximum sound velocity: (1) it appears at the stress peak; (2) it appears in the phase of no load; and (3) it appears at the end of the strain course. These results are related to physical-mechanical properties and structure of sediments.     

The Three Results of Sound Velocity Variance in Sediments During Controlled Stress-strain Testing from the South China Sea

Sound velocity in each type of seafloor sediment from the South China Sea varies with the development of strain in the controlled stress-strain course. Experiments show that there may exist three cases for the maximum sound velocity: (1) it appears at the stress peak; (2) it appears in the phase of no load; and (3) it appears at the end of the strain course. These results are related to physical-mechanical properties and structure of sediments.     

南海北部大陆架海底沉积物物理性质研究

用物理(声学的、工程地质的、扫描电子显微镜)等技术方法,综合分析了沉积物结构特征和工程力学性质,研究了颗粒接触、堆垒、孔隙等现象与物理性质之间的关系,得出了沉积物声学物理参数和应力一应变性质之间的关系。结果表明,南海北部大陆架海底沉积物有6种结构类型,其中混合接触结构类型的沉积物具有较高的抗压强度和声速,浅层海底存在着高、低声速分层的中尺度结构。     

基于时间平均的海底沉积物声速预测

在海底沉积物声速预测中,把不同海域的物理性质完全不同的沉积物试验数据拟合出一个统一的方程存在不足,不但数据过于离散,而且方程中参量的物理意义不明确。借鉴Wyllie等建立的时间平均方程的思路,基于声传播过程中路程、时间和声速之间的基本关系,引入了表征固液双相之间的堆垒方式和耦合状态对声传播路径影响的耦合系数,建立了沉积物声速预测模型。将鹿回头外海、南海南部和北部的沉积物测量数据进行线性回归分析,分别得出适用于不同海域的沉积物声速预测模型,拟合的复相关系数较大,偏差较小,证明该模型能够反映声速随孔隙度的变化规律,且各参数物理意义明确,具有一定的研究和理论探索意义。     

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.     

浅海声反射损失的实验研究

本文介绍在水深40—90米的浅海海域中三种类型沉积层海底上,用爆炸声源进行的海底反射损失的实验研究结果。实验结果与按均匀半空间底模型计算所得海底反射损失的理论曲线作了比较。结果表明:反射损失值明显地与底的类型有关,细砂底的反射损失较小,粉砂质泥次之,而粉砂质粘土的反射损失较大;对于同类型的海底,孔隙度大者反射损失也较大。此外,还讨论了沉积物中场速的两种经验公式的适用性。     

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%.