南海南部海域海底沉积物弹性性质及其分布

报道和分析了12°N以南的南海南部海域海底沉积物弹性参数纵波速Vp、横波速Vs、弹性模量E、体积弹性模量K、压缩系数β、剪切模量μ、泊松比ν和拉梅常数λ,并对大陆架和大陆坡、深海盆的结果进行比较分析。结果表明,海底浅层沉积物声速(纵波速)以低声速为主,高声速沉积物主要在大陆架和个别岛礁区域,低声速沉积物连成一片,高声速沉积物不是连成一片。大陆架海底沉积物弹性模量、体积弹性模量、泊松比和拉梅常数等4项参数比大陆坡海底沉积物要高,大陆坡海底沉积物压缩系数比大陆架海底沉积物要高,剪切模量在大陆架和大陆坡海底上相差不大。讨论了它们之间的关系、平面分布特征及其普遍意义。     

声波从海底沉积层上的反射

假设海底为一液态层复盖一孔隙弹性固体半空间,用声阻抗的概念,导出了其上的声反射系数的唯象公式。再将松散的沙（泥）质沉积物中的声阻抗的表式用于液态层,建立了反射系数与沙（泥）质沉积物的具体参数的联系。文末对高声频情况下的海底上的声反射系数进行了简化。并对几个特例作了数值计算。     

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。     

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.     

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.     

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 Biot-Stoll 模型声速反演中的参数选择——以南海南部沉积物为例

研究海底表层沉积物性质对海洋矿产资源探测、海洋工程建设等有重要的意义。Biot-Stoll模型可以模拟预测海底沉积物的物理性质,但采用不同的参数模拟的效果不同。Stoll参数是各种海洋环境下模型达到最佳预测的单一数值的形式;Schock参数则是对渗透率、孔隙大小、沉积物孔隙曲折度等修改后的函数表达式形式,更接近沉积物实际情况。采用Stoll参数和Schock参数分别计算了南海南部海区海底沉积物纵波速度,并对南海南部沉积物样品进行了计算和实测对比,结果表明,采用Stoll参数计算误差较大,平均为3.962%;采用Schock参数计算误差较小,平均为0.847%。因此,在南海南部海区采用Schock参数预测海底表层沉积物物理性质更准确。     

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。     

WAVECALC: an Excel-VBA spreadsheet to model the characteristics of fully developed waves and their influence on bottom sediments in different water depths

The generation and growth of waves in deep water is controlled by winds blowing over the sea surface. In fully developed sea states, where winds and waves are in equilibrium, wave parameters may be calculated directly from the wind velocity. We provide an Excel spreadsheet to compute the wave period, length, height and celerity, as well as horizontal and vertical particle velocities for any water depth, bottom slope, and distance below the reference water level. The wave profile and propagation can also be visualized for any water depth, modeling the sea surface change from sinusoidal to trochoidal and finally cnoidal profiles into shallow water. Bedload entrainment is estimated under both the wave crest and the trough, using the horizontal water particle velocity at the top of the boundary layer. The calculations are programmed in an Excel file called WAVECALC, which is available online to authorized users. Although many of the recently published formulas are based on theoretical arguments, the values agree well with several existing theories and limited field and laboratory observations. WAVECALC is a user-friendly program intended for sedimentologists, coastal engineers and oceanographers, as well as marine ecologists and biologists. It provides a rapid means to calculate many wave characteristics required in coastal and shallow marine studies, and can also serve as an educational tool.     

海洋沉积物粒度参数3种计算方法的对比研究

海洋沉积物粒度参数是反映沉积物物质来源及水动力条件的敏感性指标。目前国内对海洋沉积物粒度参数计算方法并不完全统一,制约了粒度数据的整合和使用。利用长江口外近海348个表层沉积物粒度数据,分别使用Folk和Ward的图解法公式、Collias等的矩法公式和McManus的矩法公式进行了粒度参数的计算。运用相关分析和基本统计分析等方法,讨论了不同方法计算结果间的差异和影响因素。结果显示:图解法与矩法计算的平均粒径和分选系数分别呈显著线性相关,且不受沉积物物质来源的影响。对于偏态和峰态,3种不同方法计算结果的相关性较低,甚至表现为不相关。不同方法计算的沉积物粒度参数的差异性均与沉积物类型和频率曲线分布形态有关。当物质组成均匀、频率曲线近正态分布时,不同方法计算的粒度参数的相关性显著提高。当沉积物较粗或较细时,粒度分布偏离正态且具有明显尾部特征,用不同方法计算结果的差异会随之增大。对3种不同公式综合对比认为Collias等的矩法公式反映沉积物粒度分布特征更加灵敏、可靠,建议在进行资料整合时采用。     

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。     

中国黄渤海沉积物声速与物理性质研究

In order to investigate the correlation between a sound velocity and sediment bulk properties and explore the influence of frequency dependence of the sound velocity on the prediction of the sediment properties by the sound velocity,a compressional wave velocity is measured at frequencies of 25–250 k Hz on marine sediment samples collected from the Bohai Sea and the Yellow Sea in laboratory,together with the geotechnical parameters of sediments.The results indicate that the sound velocity ranges from 1.232 to 1.721 km/s for the collected sediment samples with a significant dispersion within the series measuring frequency.Poorly sorted sediments are highly dispersive nearly with a positive linear relationship.The porosity shows a better negative logarithmic correlation with the sound velocity compared with other geotechnical parameters.Generally,the sound velocity increases with the increasing of the average particle size,sand content,wet and dry bulk densities,and decreasing of the clay content,and water content.An important point should be demonstrated that the higher correlation can be obtained when the measuring frequency is low within the frequency ranges from 25 to 250 k Hz since the inhomogeneity of sediment properties has a more remarkably influence on the laboratory sound velocity measurement at the high frequency.     

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。     

海洋沉积物声速与物理参数的关系

海洋沉积声速与物理性质密切相关，特别是含水量Ｗ和孔隙度Ｎ，它们在建立回归议程和预报沉积物性质中有所贡献。中国东，南海沿海沉积物的资料和数据表明：声速和声速比可以用来预报沉积物性质。     

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。