李艷華, 郭常升, 李會(huì)銀, 譚寶海

(1. 中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國(guó)科學(xué)院 海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島266071; 3. 中國(guó)科學(xué)院 研究生院, 北京 100049; 4. 中國(guó)石油大學(xué) 地球資源學(xué)院, 山東 東營(yíng) 257061)

海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)原位測(cè)量系統(tǒng)海上試驗(yàn)研究

李艷華1,2,3, 郭常升1,2, 李會(huì)銀4, 譚寶海4

(1. 中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國(guó)科學(xué)院 海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島266071; 3. 中國(guó)科學(xué)院 研究生院, 北京 100049; 4. 中國(guó)石油大學(xué) 地球資源學(xué)院, 山東 東營(yíng) 257061)

提出了一種新的海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)原位測(cè)量方法, 介紹了新研制的海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)原位測(cè)量系統(tǒng)。在青島近海海域?qū)υ撓到y(tǒng)進(jìn)行了海試, 獲得了各個(gè)站位的聲速數(shù)據(jù)。將測(cè)得的各站位的聲速與不同海域的沉積物聲速進(jìn)行對(duì)比分析, 并對(duì)各個(gè)站位的聲速與沉積物的平均粒徑進(jìn)行了相關(guān)性分析, 發(fā)現(xiàn)與以往研究結(jié)果一致, 沉積物聲速與沉積物類(lèi)型相關(guān), 不同類(lèi)型的沉積物的聲速有明顯差異;聲速與平均粒徑相關(guān)性較好, 粒徑越大, 聲速越高。結(jié)果表明, 利用海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)原位測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的原位聲速是正確的, 它能快速準(zhǔn)確地得到海底沉積物的聲速值。

海底沉積物; 原位測(cè)量; 聲速

海底沉積物的聲學(xué)特性研究隨著海洋科學(xué)、海洋沉積學(xué)、海洋地質(zhì)學(xué)等學(xué)科的發(fā)展以及海洋工程和海洋開(kāi)發(fā)的需要, 越來(lái)越受到廣泛的重視[1]。海底作為海洋的下界面, 在海洋工程、海洋聲場(chǎng)等研究中都需要了解海底沉積物的聲學(xué)特性。目前獲得海底沉積物聲學(xué)特性的測(cè)量方法主要有兩種： 原位測(cè)量和采樣后的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量[2]。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量是首先獲得沉積物樣品, 然后在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量得到沉積物的聲學(xué)性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量?jī)x器設(shè)備簡(jiǎn)單, 操作方便, 但是這種方法改變了沉積物原有的真實(shí)環(huán)境, 如海底沉積物所處的海水壓力以及溫度等都發(fā)生了變化, 而且取樣過(guò)程中也會(huì)不可避免地對(duì)沉積物產(chǎn)生擾動(dòng), 測(cè)得的海底沉積物聲學(xué)特性值與真實(shí)值有較大的差別。原位測(cè)量是將測(cè)量設(shè)備放在海底, 將聲學(xué)換能器插入海底沉積物中, 直接測(cè)量海底沉積物的聲學(xué)特性值, 這樣得到的數(shù)據(jù)是真實(shí)海底環(huán)境的聲學(xué)特性值,避免了取樣產(chǎn)生的擾動(dòng), 具有更高的精度和可靠性。尤其對(duì)于易受擾動(dòng)的沉積物, 如稀軟的海底表層沉積物以及含有氣體的沉積物等, 原位測(cè)量更為重要。但是原位測(cè)量設(shè)備比較復(fù)雜, 技術(shù)要求高。

近年來(lái), 國(guó)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了幾種原位測(cè)量系統(tǒng),比較具有代表性的是美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室的沉積物聲學(xué)特性原位測(cè)量系統(tǒng)(ISSAMS)[3]、夏威夷大學(xué)的聲學(xué)長(zhǎng)矛(Acoustic Lance)[4]和Geotek公司的沉積物聲學(xué)物理性質(zhì)測(cè)量?jī)x(SAPPA)。目前, 國(guó)內(nèi)對(duì)沉積物聲學(xué)性質(zhì)的研究主要還是取得沉積物樣品后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)量, 還沒(méi)有成熟的海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)原位測(cè)量技術(shù)。本文提出了一種新的海底沉積物原位測(cè)量技術(shù), 初步制作了海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)原位測(cè)量系統(tǒng),利用該系統(tǒng)在青島近海進(jìn)行了原位測(cè)試得到了沉積物的聲速, 并對(duì)聲速與沉積物平均粒徑之間的關(guān)系作了分析研究, 獲得了初步成果。

1 海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)原位測(cè)量原理

本文研究的是海底30 cm以內(nèi)的淺層沉積物,它具有較高的含水量, 甚至呈流體狀。海底淺層沉積物一般比較松軟, 可以將聲學(xué)換能器直接插入沉積物中進(jìn)行測(cè)量, 測(cè)量原理如圖1所示。當(dāng)聲學(xué)換能器插入沉積物中后, 發(fā)射換能器發(fā)射聲波信號(hào), 兩個(gè)接收換能器接收穿過(guò)沉積物的聲波信號(hào), 由聲波到達(dá)兩個(gè)接收換能器的時(shí)間差, 可以計(jì)算沉積物中的聲速。具體的計(jì)算公式如下：1

式中, Vp為聲波在沉積物中傳播的速度, d為接收換能器1和接收換能器2之間的距離, t1和t2為聲波分別到達(dá)接收換能器1和接收換能器2的時(shí)間。

圖1 海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)測(cè)量原理Fig. 1 Principle of velocity measurement

2 系統(tǒng)構(gòu)成

海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)原位測(cè)量系統(tǒng)采用有纜方式作業(yè), 當(dāng)聲學(xué)換能器插入沉積物后, 甲板的計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)采用指令方式, 進(jìn)行實(shí)時(shí)操作和監(jiān)控。測(cè)量系統(tǒng)有兩部分組成： 水上甲板控制部分和海底測(cè)量部分, 如圖2所示。水上甲板控制部分以計(jì)算機(jī)為中心, 對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行控制并進(jìn)行人機(jī)對(duì)話,它可以完成對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、發(fā)射接收控制、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示等功能。電纜傳輸接口將水上設(shè)備對(duì)海底測(cè)量?jī)x器的控制命令調(diào)制后, 通過(guò)電纜傳輸給海底測(cè)量?jī)x器, 并對(duì)海底儀器上傳數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊解調(diào)后, 通過(guò) USB接口傳遞給計(jì)算機(jī)處理、記錄。供電模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電, 使得系統(tǒng)在沒(méi)有電源供應(yīng)的情況下也可以持續(xù)工作7～8 h。海底儀器由數(shù)據(jù)傳輸接口、聲系控制模塊、聲波波形數(shù)據(jù)采集模塊及聲系組成。聲系由一個(gè)發(fā)射換能器和兩個(gè)接收換能器組成。聲系控制模塊控制發(fā)射探頭激發(fā)聲波的時(shí)間及強(qiáng)度, 數(shù)據(jù)采集電路對(duì)來(lái)自接收探頭的聲波信號(hào)進(jìn)行放大、濾波并完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)傳輸接口接收來(lái)自水上的控制命令, 并將采集電路得到的測(cè)量數(shù)據(jù)調(diào)制后上傳。

圖2 海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)原位測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Scheme of the system structure

由于海洋環(huán)境比較復(fù)雜, 為了保證系統(tǒng)能在較復(fù)雜的海洋環(huán)境中正常有效地工作, 設(shè)計(jì)合理的海底測(cè)量部分的結(jié)構(gòu)成為技術(shù)的關(guān)鍵。我們?cè)O(shè)計(jì)的海底測(cè)量部分采用三角形框架, 如圖3所示。在框架的三個(gè)角上固定有加重鉛球, 使得框架在海底保持平衡, 而且, 在框架下放到海底后, 可以無(wú)需動(dòng)力裝置, 僅靠自身重力就可以使探頭插入海底沉積物中。

3 海上試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

圖3 海底部分儀器構(gòu)造Fig. 3 Structure of the underwater part

2009年10月, 在青島近海海域進(jìn)行了海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)原位測(cè)量系統(tǒng)海上試驗(yàn), 試驗(yàn)選擇一艘漁船, 實(shí)驗(yàn)海區(qū)范圍為 35°40′～36°10′N(xiāo), 120°10′～120°35′E。

3.1 試驗(yàn)海區(qū)概況

青島近海海域沉積物受氣候、季節(jié), 尤其水動(dòng)力(波浪、恒流、潮汐等)的影響較大, 沉積物來(lái)源比較復(fù)雜, 從而導(dǎo)致沉積物類(lèi)型較多, 沉積較復(fù)雜。青島近海沉積物的總體分布是, 沿海岸顆粒較粗, 類(lèi)型為砂、粉砂質(zhì)砂, 向深處顆粒逐漸變細(xì), 較深處的沉積物主要為粉砂、黏土, 局部為粉砂質(zhì)黏土、黏土質(zhì)粉砂。研究區(qū)位于青島膠州灣和附近濱岸區(qū)以及南部淺海沉積區(qū)。膠州灣和附近濱岸區(qū)屬于現(xiàn)代沉積區(qū)。濱岸區(qū)為高能海岸, 沉積物類(lèi)型為砂、粉砂質(zhì)砂,顆粒較粗。膠州灣則屬于潮汐作用為主的低能海岸,沉積物類(lèi)型較多, 表層沉積物主要是黏土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)黏土, 局部還有礫石、砂礫-礫砂、粗砂、砂、細(xì)砂、黏土粉砂質(zhì)砂、粉砂黏土質(zhì)砂、砂黏土質(zhì)粉砂等[5]。南部淺海沉積區(qū)分為兩個(gè)沉積區(qū), 一個(gè)為20 m水深以內(nèi)以及大公島附近的海域, 沉積物類(lèi)型以砂-粉砂-黏土為主; 另一個(gè)為靈山島東北部水深大于20 m的海域, 為陸架沉積區(qū), 沉積物類(lèi)型以砂-粉砂-黏土以及黏土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)黏土為主, 分選較差[6]。

為了準(zhǔn)確測(cè)得研究區(qū)海底沉積物的聲學(xué)特性值,我們首先在海水中對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了校正, 精確測(cè)量了水聽(tīng)器之間的距離, 然后選取了比較有代表性的 9個(gè)站位進(jìn)行了海底沉積物聲速原位測(cè)試, 每個(gè)站位測(cè)量多次, 取其平均值作為該站位的聲速值,外業(yè)采集了海底沉積物樣品, 在室內(nèi)按常規(guī)方法測(cè)試了樣品的平均粒徑。

3.2 原位測(cè)量系統(tǒng)海水中校正

由聲速計(jì)算公式可知, 兩個(gè)接收換能器之間的距離是計(jì)算聲速的重要參數(shù), 它的測(cè)量準(zhǔn)確度直接影響聲速的計(jì)算精度。但是, 接收換能器是有一定體積的, 直接測(cè)量的方法不能準(zhǔn)確測(cè)出聲波在兩個(gè)換能器之間的傳播距離。為此, 只能采用間接的方法進(jìn)行測(cè)量, 即在海水中進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)校正。

校正時(shí), 首先將原位測(cè)量系統(tǒng)放入海水中進(jìn)行測(cè)量, 海水中接收到的聲信號(hào)如圖 4, 根據(jù)兩道聲波的到時(shí), 可以計(jì)算出聲波到達(dá)兩個(gè)接收換能器的時(shí)間差。為了提高測(cè)量精度, 重復(fù)測(cè)量6次, 計(jì)算平均值, 得到的時(shí)間差為95.6μs。利用CTD測(cè)得海水的聲速為1 516 m/s, 由d=vt, 可以計(jì)算出兩個(gè)接收換能器之間的距離為14.493cm。

3.3 海底沉積物物理參數(shù)和聲速分析

國(guó)內(nèi)學(xué)者主要是通過(guò)沉積物取樣進(jìn)行室內(nèi)測(cè)量得到聲速值。唐永祿[7]分析了南海3個(gè)海區(qū)的沉積物物理性質(zhì)和聲速范圍, 沉積物類(lèi)型從黏土質(zhì)粉砂到砂, 聲速范圍為1 492～1 633 m/s。盧博等[8,9]在中國(guó)東南近海以及海南島東南外海等海域進(jìn)行取樣, 測(cè)得了海底沉積物的聲速。他指出臺(tái)灣東南臺(tái)東外海的砂質(zhì)沉積物聲速為 1 610 m/s以上,泥質(zhì)沉積物聲速為1 500～1 650 m/s; 南海北部沉積物取樣以粗顆粒為主, 聲速范圍為1 420～1 880 m/s; 東海海底沉積物取樣以細(xì)砂為主, 聲速范圍為1 396～1 760 m/s;海南島東南外海分為高聲速區(qū)和低聲速區(qū), 低聲速區(qū)主要是黏土質(zhì)粉砂或粉砂質(zhì)黏土, 聲速范圍為1 514～1 523 m/s, 高聲速區(qū)主要是細(xì)砂以及粗砂-礫-珊瑚碎屑, 聲速范圍是1 586～1 673 m/s。原位測(cè)試方面, 只有陶春輝等[10,11]利用聲學(xué)長(zhǎng)矛獲得了杭州灣的原位聲速值?？梢?jiàn), 不同海域、不同類(lèi)型的海底沉積物聲速的變化范圍較大, 但是, 整體上來(lái)看, 沉積物聲速與沉積物類(lèi)型密切相關(guān), 沉積物顆粒越粗, 聲速越大。

表1為我們測(cè)得的9個(gè)站位的海底沉積物的聲速和平均粒徑的測(cè)試分析結(jié)果。試樣均為淺層沉積物原狀樣, 其中1站位位于膠州灣內(nèi)部, 為砂質(zhì)粉砂沉積物; 2～3站位分別位于團(tuán)島附近淺海區(qū)和海水浴場(chǎng), 為砂質(zhì)沉積物, 代表了近岸較粗顆粒的沉積物;4～6站位位于離海岸較遠(yuǎn)的海域, 顆粒較細(xì), 代表了含有黏土較多的松軟沉積物; 7～9站位為黏土質(zhì)粉砂, 或含砂的黏土質(zhì)粉砂, 代表了細(xì)顆粒的粉砂質(zhì)沉積物。

從表 1的分析結(jié)果可見(jiàn), 沉積物聲速與沉積物類(lèi)型密切相關(guān), 不同類(lèi)型的海底沉積物的聲速有較大差異,聲速一般隨著沉積物顆粒變粗而增大。較粗的砂沉積物的聲速最大, 為1 675.4 m/s; 細(xì)顆粒的黏土質(zhì)粉砂沉積物的聲速在1 550 m/s左右; 較松軟的粉砂質(zhì)黏土沉積物的聲速都在1550 m/s以下。與其他海域的沉積物聲速相比, 我們測(cè)得的沉積物的聲速是合理的。

表1 各站位海底淺層沉積物測(cè)試結(jié)果Tab. 1 Measurements of marine sediments

4 海底沉積物物理參數(shù)對(duì)聲速的影響

海底沉積物物理參數(shù)對(duì)聲速影響的研究, 國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者在理論模型和相關(guān)性經(jīng)驗(yàn)方程方面都進(jìn)行過(guò)研究。在海底沉積物的理論模型方面, 最具代表性的是 Biot模型[12,13], 將海底沉積物看作是一個(gè)充滿流體的多孔介質(zhì)。此模型可以得到一組描述聲波在多孔介質(zhì)中的傳播方程, 但是方程引入的參量很多, 有些不容易測(cè)定, 實(shí)用價(jià)值不大。經(jīng)驗(yàn)方程方面研究的較多, 但是適用范圍有一定的局部性。Hamilton[14]將海底沉積物分為大陸階地、深海丘陵和深海平原 3個(gè)類(lèi)型, 每個(gè)類(lèi)型都給出了沉積物聲速與孔隙度、密度、平均粒徑、黏土含量等某些物理參數(shù)的回歸方程。Anderson[15]則是將海底沉積物按深度分為4類(lèi), 每一類(lèi)給出了聲速與包括孔隙度、孔隙比、平均粒徑等物理參數(shù)的回歸方程。國(guó)內(nèi)周志愚[16]、唐永祿[1]分別總結(jié)了南海海底沉積物聲學(xué)物理參數(shù)的回歸方程, 他們都在方程中含有海水聲速項(xiàng),并認(rèn)為孔隙度與海底沉積物聲速的相關(guān)性最好。盧博等[8,17]在中國(guó)東南沿海海域?qū)５壮练e物做了統(tǒng)計(jì)分析, 得出了聲速與孔隙度、含水量、塑限、液限等的統(tǒng)計(jì)相關(guān)公式。羅忠輝、盧博[18]又提出利用多參數(shù)方程來(lái)預(yù)報(bào)聲速, 它是利用主元分析技術(shù), 在眾多影響聲速的物理參數(shù)中, 從理論上選出相互獨(dú)立、對(duì)聲速影響顯著的物理參數(shù)來(lái)建立聲速相關(guān)方程。但是, 不同研究海區(qū)的沉積物類(lèi)型和沉積物結(jié)構(gòu)特性不同, 而各個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式都是根據(jù)各自的研究區(qū)內(nèi)的海底沉積物的聲學(xué)物理數(shù)據(jù)來(lái)得到的, 有一定的適用范圍和條件。

本文根據(jù)海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)原位測(cè)試系統(tǒng)得到的原位聲速與相應(yīng)的沉積物的平均粒徑等數(shù)據(jù),研究了青島近海海域原位聲速與沉積物平均粒徑的相關(guān)性。平均粒徑是沉積物的一個(gè)重要參數(shù), 它是在樣品中長(zhǎng)期保持不變的參數(shù)。圖 5是原位測(cè)量得到的聲速與沉積物平均粒徑的統(tǒng)計(jì)相關(guān)圖, 計(jì)算得到聲速與沉積物平均粒徑的相關(guān)系數(shù)為 0.867 0, 相關(guān)性較好。聲速隨著沉積物平均粒徑的增大而增大, 這與以往的研究結(jié)果[13,14]是一致的。這是因?yàn)楹５壮练e物的聲傳播(壓縮波)在很大程度上是由沉積物的彈性性質(zhì)[7]決定的。海底沉積物是由固體礦物顆粒經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間沉積堆積形成孔隙骨架, 在骨架間的空隙中充滿流體的雙相介質(zhì)。海底沉積物的固體骨架與流體彈性性質(zhì)差別很大。沉積物的固體骨架具有較高的體積模量和剪切強(qiáng)度, 聲速較高; 而流體體積模量較低, 剪切模量為0或很小, 聲速較低。聲波在海底沉積物中傳播時(shí), 會(huì)通過(guò)聲速較高的固體顆粒, 也會(huì)通過(guò)聲速較低的液體海水, 因此, 兩者的相對(duì)含量會(huì)對(duì)聲速產(chǎn)生很大的影響。海底沉積物的平均粒徑對(duì)其流體的相對(duì)含量, 即孔隙度, 有很大的影響,整體趨勢(shì)是顆粒越粗, 固體顆粒含量越高, 相應(yīng)的孔隙度越小, 聲速也就越高。

圖5 海底沉積物平均粒徑與聲速的統(tǒng)計(jì)相關(guān)圖Fig. 5 Mean grain size versus acoustic velocity

5 結(jié)論

本文提出了一種新的海底沉積物聲速原位測(cè)量方法, 自行研制了海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)原位測(cè)量系統(tǒng), 在青島近海進(jìn)行了海上試驗(yàn)。海試過(guò)程中, 系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定, 利用該系統(tǒng)獲得了海底沉積物的原位聲速。測(cè)試得到的海底沉積物聲速范圍為 1 505～1 675.4 m/s, 沉積物類(lèi)型較多, 包括黏土質(zhì)粉砂、砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)黏土、粉砂質(zhì)砂和砂-粉砂-黏土等。較粗的砂質(zhì)沉積物的聲速最大, 為1 675.4 m/s; 細(xì)顆粒的黏土質(zhì)粉砂沉積物的聲速在1 550 m/s左右; 較松軟的粉砂質(zhì)黏土沉積物的聲速都在 1 550 m/s以下。同時(shí), 沉積物的聲速與平均粒徑相關(guān)數(shù)為0.867 0,相關(guān)性較好, 聲速與平均粒徑成正相關(guān), 粒徑越大,聲速越高。這些結(jié)論與以往的研究結(jié)果是一致的, 證明利用海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)原位測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的聲速是正確的, 它能快速準(zhǔn)確地得到海底沉積物的聲速值。但是, 必須認(rèn)識(shí)到, 我們的試驗(yàn)海區(qū)只是在近海海域, 測(cè)試站位也較少, 對(duì)于系統(tǒng)在較深海域的工作情況, 還需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。

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waveform for calibration in the sea water

Test of an in situ measurement system of marine sediments

LI Yan-hua1,2,3, GUO Chang-sheng1,2, LI Hui-yin4, TAN Bao-hai4
(1. Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Key Laboratory of Marine Geology and Environment, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 3. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4. Georesources College, China Petroleum University,Dongying 257061, China)

Jan., 22, 2010

marine sediments; in situ measurement; acoustic velocity

In this paper, we put forward a new method of measuring the in situ velocity of marine sediments and introduced the in situ measurement system of marine sediments. The system was tested in Qingdao offshore area. We compared the velocity of different sea sediments and analyzed the correlation between mean grain size and velocity by regression analysis. The results indicated that the different sediments had different velocities and the sediments with coarser grains had higher velocity. The results were accurate by contrast with previous research. The research in this paper verifies that the measurement system can measure the velocity quickly and accurately.

TB565.1

A

1000-3096(2010)09-0055-05

2010-01-22;

2010-07-04

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2006AA09Z116)

李艷華(1985-), 女, 山東聊城人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)楹Ｑ蟮刭|(zhì)聲學(xué), 電話： 15910306217, E-mail： lyhlyh1985@126.com

(本文編輯： 劉珊珊)