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。     

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。     

南海珠江口东部海底沉积物腐蚀性研究

总结了１９９４年在南海东部石油开发区及毗邻近岸海区开展的海底沉积物和海水共１７个环境因子大面积调查研究的成果。文中探索性地提出一套适合于海南海亚热带海区海底沉积物腐蚀性评价的方法，并根据调查和评价的评定出本海区各测海站海底沉的的腐蚀性等级。     

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。     

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。     

南海浅海海底沉积物的声衰减

报道了南海浅海海底沉积物的声衰减性质。给出了测量和计算海底沉积物声衰减的方法。分析讨论了不同频率下的声衰减以及与若干个海底沉积物物理参数的关系,结果表明,同一类型沉积物在高频段时的声衰减要比低频段的声衰减大;同一频段下粗颗粒沉积物的声衰减要比细颗粒的声衰减大;北部湾海底浅层沉积物声衰减在低频100kHz下为80~150dB/m,在高频1MHz下为150~360dB/m;海南岛南部外海海底浅层沉积物声衰减在低频下为66~160dB/m,在高频1MHz下为190~350dB/m;高频段的数据与台湾海峡北部海底表层沉积物声衰减测量分析数据比较接近,而低频段的数据与台湾海峡北部海底表层沉积物声衰减测量分析数据有较大的差别。     

南海珠江口东部海底沉积物腐蚀性研究

总结了1994年在南海东部石油开发区及毗邻近岸海区开展的海底沉积物和海水共17个环境因子大面积调查研究的成果。文中探索性地提出一套适合于南海亚热带海区海底沉积物腐蚀性评价的方法，并根据调查和评价的结果评定出本海区各测站海底沉积物的腐蚀性等级。     

含水合物沉积物力学性质及影响因素

天然气水合物作为未来潜在的能源资源,广泛存在于海底沉积物中。海底水合物的大量分解将造成含水合物地层的力学性质发生变化,导致海底滑坡等灾害。从实验介质、水合物种类、水合物饱和度以及温度、压力、应变率等方面介绍了含水合物沉积物力学性质的研究进展,并评述了其存在的问题,指出了其研究方向与趋势。     

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。     

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。     

南海北部深水区表层沉积物工程性质的统计特征分析

针对从中国南海北部海域某深水区采集的表层沉积物柱状样,进行了沉积物微观结构的扫描电镜测试、矿物成分的X射线衍射试验以及物理和力学性质的统计学分析。结果表明,该深水区海底表层沉积物通常为有机质软黏土,具有高含水率、低密度、高孔隙比、高液限、高可塑性、低强度等典型特征。统计分析和假设检验表明,沉积物的物理和力学指标均呈现变异性,且后者普遍高于前者。相对密度、含水率、液塑限和塑性指数服从正态分布;容重、碳酸盐含量、不排水抗剪强度、灵敏度接近假设检验结果,近似服从正态分布。研究结果可为深水海底工程结构设计的海床土性参数取值提供参考。     

南海表层沉积物中主要污染物的环境背景值

纯粹意义上的环境背景值是指在未受污染的自然状态下环境要素的正常含量,又称环境污染本底值.在全球海洋环境中,由于人类活动的影响,很难找到不受污染影响的海域,特别是毗邻陆地的沿岸和近海海域.在这些海域中,许多化学成分的实测含量往往是天然本底值与人为影响的叠加,显然在缺乏环境背景值资料的情况下是难以正确评价海区的污染状况的.因此,确定环境背景值是海洋环境保护的基础研究工作之一.     

南海北部陆坡东沙海域海底丘状体气体与水合物分布

海底丘状体在天然气水合物发育区是一种常见的微地貌,对丘状体的研究有助于理解海底流体渗漏模式以及水合物的赋存规律。本文研究南海北部陆坡东沙海域天然气水合物发育区海底丘状体的特征及其与水合物的关系。研究所用的数据包括准三维多道地震数据、多波束数据以及浅地层剖面数据。在多波束海底地形图上,丘状体表现为局部的正地形,直径大约为300 m,高出周围海底约50 m。浅地层剖面上存在明显的声空白以及同相轴下拉现象,指示了海底丘状体气体的分布以及流体运移的路径。丘状体周围明显的BSR表明局部区域可能发育有水合物,水合物钻探结果也证实了这一推测。三维多道地震剖面上,丘状体正下方存在空白反射区域,这与泥火山的地震反射特征类似。但空白反射区域内存在强振幅能量,而且丘状体正下方存在连续的反射层,这表明该丘状体并非泥火山成因。综合钻探结果以及三维地震成像结果,认为水合物形成过程引起的沉积物膨胀以及海底碳酸盐岩的沉淀是形成该丘状体的主要原因。     

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%.     

南海中部沉积物颗粒组分特征

为研究南海中部沉积物的粒度特征及其蕴含的古海洋信息,对南海中部中沙以南的陆坡和海盆区表层沉积物及分别位于陆坡和海盆的2根柱样进行了粒度、扫描电镜、CaCO3和生物硅含量的分析.结果显示,南海中部沉积物由三类颗粒组分构成,其中,第一类颗粒组分的峰值粒径在5～10μm之间,主要由陆源矿物碎屑组成;第二类组分的峰值粒径在40～70 μm之间,主要由有孔虫和硅藻组成;第三类颗粒组分的峰值粒径＞ 400 μm,由生物骨骼碎屑组成.这三类颗粒组分中第一类在研究区表层沉积物中均存在,第三类则随机分布,第二类颗粒组分多以有孔虫为主,其含量受水深控制.在南海中部碳酸钙临界补偿深度[Dc(CaC03)]以浅的陆坡区,因有孔虫含量较多,沉积物粒度曲线多为双峰形态,而在Dc(CaCO3)值以下的海盆区,因大部分有孔虫被溶解,沉积物中第二类颗粒组分为含量相对较低的硅藻,沉积物粒度曲线呈单峰或双峰形态.无论是陆坡区还是海盆区的柱样沉积,其平均粒径、第二类颗粒组分含量的变化均反映了有孔虫或硅藻含量的变化,因此,可以作为研究南海中部古生产力的替代性指标.     

基于同轴差距测量法的南海深水海底沉积物声衰减特性研究

通过分析沉积物声波测量过程能量损失的实质,阐述平行轴差距衰减测量法和垂直轴差距衰减测量法的研究基础——差动式衰减测量方法原理,并推导了其衰减系数公式。根据南海沉积物的柱状样品分装的特点,结合以上两种方法,提出了同轴差距衰减测量法,这种方法具有原理上的合理性并且其可操作性强;运用此方法测量了沉积物在常温和温度控制变化条件下的声波信号,计算了衰减系数,研究了温度对沉积物声波传播能量的影响,得出南海深水海底沉积物具有以下声衰减特性：沉积物含砂量高,声衰减系数大;随着温度的升高,沉积物的声衰减系数变化具有不均匀性,整体呈非线性减小趋势。以上研究将为声学遥测和反演海底沉积物的物理力学特性提供数据和方法支持。     

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.     

南海表层沉积物中铂族元素的地球化学分布特征及其影响因素

报道了南海表层沉积物中铂族元素的丰度及其分布特征。52个表层沉积物中铂族元素(PGE)含量变化范围:钌为0.40×10-9~3.20×10-9,平均值为1.20×10-9;钯为0.01×10-9~13.30×10-9,平均值为4.31×10-9;铱为0.59×10-9~4.49×10-9,平均值为1.21×10-9;铂为1.27×10-9~16.21×10-9,平均值为5.26×10-9;铑为0.05×10-9~0.2×10-9,平均值为0.12×10-9;金为0.43×10-9~27.38×10-9,平均值为6.92×10-9。尽管PGE含量与沉积物平均粒径的关系不是很明显,但是整体上随平均粒径的增大,PGE含量出现逐渐减少的趋势,表现出一定的粒度控制规律。南海全海域表层沉积物铂、钯、钌、铑、铱和金的估算背景值分别为1.168×10-9±0.190×10-9,3.228×10-9±0.403×10-9,1.085×10-9±0.189×10-9,4.432×10-9±0.258×10-9,0.123×10-9±0.023×10-9和4.720×10-9±0.413×10-9,远高于我国大陆东部地壳的,而与深海沉积物的基本处于同一水平,表现出了海洋沉积物富集PGE的固有特征。尽管PGE在大陆架区有所富集,但明显富集区主要分布在吕宋岛以西至中央海盆区域,指示海底火山喷发作用释放的PGE对南海中西部深海盆区沉积物中的PGE可能有重要贡献。