胡高偉，業(yè)渝光＊，張 劍，刁少波，劉昌嶺

1 國土資源部海洋油氣資源與環(huán)境地質(zhì)重點實驗室，青島 266071

2 青島海洋地質(zhì)研究所，青島 266071

1 引 言

天然氣水合物大多存在于海底松散沉積物中，與孔隙流體相比，具有較高的彈性參數(shù)，因此，含水合物沉積層同背景地層相比，一般具有較高的縱波速度和橫波速度[1］.利用這一特性，人們可以判斷沉積層中是否含有水合物，或估算水合物的資源量[2］.目前，學(xué)者們建立了多種水合物飽和度與彈性波速度之間的關(guān)系模型[3］，以期利用地震波或聲波測井?dāng)?shù)據(jù)預(yù)測沉積層中的水合物并估算資源量.但是，由于野外研究中缺乏實測的水合物飽和度數(shù)據(jù)，難以建立水合物飽和度與聲速之間的關(guān)系來檢驗上述模型，也很難確定模型中的各種參數(shù).因此，采用模擬實驗的方法進行水合物的形成和分解實驗，并研究此過程中含水合物松散沉積物的聲學(xué)特性隨水合物飽和度的變化規(guī)律，對水合物地球物理勘探和資源評價具有重要意義.

含水合物松散沉積物的聲學(xué)特性實驗研究可分為定性研究[4-8］、定量研究[9-10］和實時定量研究[11-13］三類.美國地質(zhì)調(diào)查局Winters等利用含水合物沉積物物性參數(shù)測試裝置（GHASTLI裝置）進行了很好的定性研究工作[5-8］，不僅測量了含水合物野外沉積物樣品（采自Mallik2L-38井）、凍結(jié)沉積物樣、合成的含水合物沉積物樣及其凍結(jié)樣的縱波速度，還研究了沉積物粒徑、沉積孔隙中物質(zhì)（游離氣、水、水合物、冰等）對沉積介質(zhì)縱波速度的影響，但由于沒有水合物飽和度數(shù)據(jù)未建立水合物飽和度與聲速之間的關(guān)系.英國南安普頓大學(xué)Priest等[9］和美國佐治亞州理工學(xué)院Yun等[10］分別進行了甲烷水合物和四氫呋喃（THF）水合物的聲學(xué)特性定量研究，通過控制氣或水的量獲得已知飽和度的含水合物沉積物樣品，再測量其縱橫波速度從而建立水合物飽和度與速度之間的關(guān)系，但這類方法不能實時測量水合物飽和度.近年來，青島海洋地質(zhì)研究所業(yè)渝光等[12-16］聯(lián)合時域反射技術(shù)（TDR）和超聲探測技術(shù)，實時獲取了固結(jié)沉積物中水合物飽和度和縱橫波速度數(shù)據(jù)以及松散沉積物中水合物飽和度和縱波速度間關(guān)系.中國石油大學(xué)任韶然等[11，17］也通過聯(lián)合電阻法和超聲探測技術(shù)獲取了松散沉積物中水合物飽和度與縱波速度的關(guān)系.然而，傳統(tǒng)的平板超聲換能器與松散沉積物間存在較大的衰減，較難獲取橫波數(shù)據(jù).本文在超聲與時域反射聯(lián)合探測技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過引進和改進彎曲元技術(shù)，不僅實時獲取了松散沉積物縱波速度和水合物飽和度數(shù)據(jù)，同時也獲取了橫波速度隨水合物飽和度的變化關(guān)系，從而可為水合物海上地球物理勘探提供更為豐富的實驗數(shù)據(jù)支撐.

2 彎曲元技術(shù)改進及其測量原理

彎曲元技術(shù)最早由Shirley等[18-19］引進到土工測量中.隨后，Dyvik等[20］研究發(fā)現(xiàn)利用彎曲元測量土樣的小應(yīng)變剪切模量Gmax與共振柱測量的結(jié)果一致.從此，彎曲元技術(shù)開始在土工測量中得到了廣泛的應(yīng)用[21-26］.在水合物研究領(lǐng)域，雖然 Yun等[10］利用彎曲元測量了含THF水合物沉積物的聲速等參數(shù)，但由于THF水合物在常壓下就可以生成，勿需考慮彎曲元的耐壓因素，進行防水的措施也相對簡單.因此，本文自行研制了新型的彎曲元換能器，使之能在一定壓力條件下同時測量含甲烷水合物松散沉積物的縱波速度和橫波速度.

2.1 新型彎曲元換能器

傳統(tǒng)壓電陶瓷彎曲元（Piezoceramic bender elements）通常是由中間絕緣層分開的兩片可縱向伸縮的壓電陶瓷晶體片組成，在使用時，彎曲元的一端被固定，另一端自由，形成懸臂結(jié)構(gòu).在實際測試中，發(fā)射彎曲元在脈沖電壓下產(chǎn)生振動，在樣品的一端產(chǎn)生橫波；該橫波經(jīng)樣品傳播后到達接收彎曲元，使之振動而產(chǎn)生電信號.發(fā)射信號和接收信號都顯示在示波器上，通過對比信號即可得到橫波的傳播時間，從而結(jié)合橫波在樣品中傳播的距離（接收彎曲元和發(fā)射彎曲元端對端距離，Ltt）計算其速度.

為了能在模擬海底溫壓條件下同時獲取縱橫波數(shù)據(jù)，研制了新型的彎曲元換能器（圖1）.換能器外殼采用不銹鋼質(zhì)量塊制成，彎曲元被部分或整體密封于質(zhì)量塊中，采用絕緣樹脂灌注充滿質(zhì)量塊，以保證彎曲元能耐壓和防水.彎曲元換能器懸臂梁長度為0.5cm，由不銹鋼片制成、壓電陶瓷晶片驅(qū)動作彎曲振動.兩環(huán)形壓電陶瓷晶片被中間切分，得到四個半環(huán)形的陶瓷晶片，四個陶瓷晶片再由粘結(jié)層膠結(jié)在一起.彎曲元換能器工作時，陶瓷晶片驅(qū)動懸臂梁作彎曲振動，不僅能產(chǎn)生切向振動（橫波），而且還能產(chǎn)生小幅度的壓縮振動（縱波）.此種結(jié)構(gòu)的彎曲元與傳統(tǒng)彎曲元相比，具有更強的驅(qū)動力.此外，在彎曲元后加了一個單獨激發(fā)縱波的壓電陶瓷晶片，以增強縱波的幅度.

2.2 彎曲元換能器的標(biāo)定

利用4個不同長度的聚甲醛棒（POM）標(biāo)定了縱橫波在彎曲元中傳播的固有走時t0P、t0S，POM棒的直徑為6cm左右，與樣品的直徑較為接近（表1）.每根POM棒的兩端開槽，使彎曲元換能器能方便地插入槽中，以測量POM棒的波形.

彎曲元換能器測量POM棒的波形如圖2所示，能清楚地判別縱橫波的到達聲時.在T0標(biāo)定過程中，對每一根POM棒進行了5次重復(fù)測量，取其平均值作為縱橫波的到達聲時.隨后，根據(jù)4根POM棒中所獲得的縱橫波聲時及其所對應(yīng)的長度，即可擬合出POM棒的縱橫波速度（圖3），同時得到縱橫波在彎曲元換能器中的固有走時時間t0P和t0S，分別為7.017μs和18.63μs.

表1 用于T0標(biāo)定的POM棒規(guī)格Table 1 Parameters of POM column using for T0calibration

2.3 新型彎曲元技術(shù)測量方法（FFT-WT法）

圖4為水合物生成過程中松散沉積物（粒徑0.09～0.125mm）的波形變化圖.通常，在彎曲元測試中確定橫波傳播時間的方法有直接確定法和計算分析法.直接確定法直接由發(fā)射彎曲元的輸入波形和接收彎曲元的輸出波形特征點確定；計算分析法是由動有限元分析、發(fā)射信號和接收信號相關(guān)分析與相速度分析、以及相敏檢測等幾種方法分析計算得到[27］.由于彈性波在沉積物中傳播時壓縮波和剪切波相互耦合易形成近場效應(yīng)，以及彈性波在堅硬沉積物樣品復(fù)雜室內(nèi)邊界上反射和折射易形成過沖現(xiàn)象（overshooting），使橫波傳播時間的確定較為困難.然而，Jovicic等（1996）[21］的研究表明，當(dāng)用方波作為激發(fā)信號時，用接收信號的第一個反向點作為橫波的到達時間較為合適；Leong等（2009）[28］也發(fā)現(xiàn)使用較高的激發(fā)頻率時（Ltt／λ＞3.33），近場效應(yīng)可被消減到合理范圍.因此，實驗中采用方波單脈沖激發(fā)的方式和30KHz的頻率進行激發(fā)，得出的波形能較為清楚地分辨橫波達到時間.但是，對縱波到達時間進行確定比較困難.Leong等[28］的研究認(rèn)為，在滿足下列測試條件下，利用縱、橫波彎曲元可以同時測量樣品的縱橫波：① 示波器分辨率高于12位（識別幅度較低的P波）；② 使用合適規(guī)格的壓電陶瓷彎曲元（15.9mm×3.2mm×0.51mm）；③使用較高的激發(fā)頻率消除橫波的近場效應(yīng).本文實驗的條件基本滿足上述要求，但獲取的縱波信號受聲干擾較大，可能與海底沉積物的復(fù)雜性質(zhì)及實驗中采用剛性反應(yīng)釜進行測量等因素有關(guān).由于無法沿用Leong等的方法確定縱波到達時間，本文對縱波段進行頻譜分析（FFT），獲取縱波和干擾波的頻率特征，再利用小波分析（WT）的方法得出波形頻率隨時間的變化情況，從而由頻率特征判斷縱波的到達時間點，取得了較好效果.為便于描述，將上述方法稱為FFT-WT法，下面詳細(xì)介紹這一方法.

首先，確定彎曲元換能器的頻率特征.由于發(fā)射換能器和接收換能器均由彎曲元和縱波晶片疊加而成，分別測試了縱波片（發(fā)射）、縱波片（接收）和彎曲元（發(fā)射）、彎曲元（接收）在0～100kHz間的導(dǎo)納曲線.由于縱波在頻率高于100kHz時仍有可能穿透沉積物，所以還獲取了縱波片（發(fā)射）、縱波片（接收）和彎曲元（發(fā)射）、彎曲元（接收）在100～200kHz間的導(dǎo)納曲線.結(jié)果表明，彎曲元發(fā)射的最佳頻率段為18～35kHz，接收的最佳頻率為30kHz左右，即橫波的主要頻率在30kHz附近.縱波的頻率分布范圍較廣，由縱波片產(chǎn)生的縱波頻率主要有75kHz、80、95、125、138kHz等；由彎曲元產(chǎn)生的縱波頻率則主要有75、115、125、146kHz等，綜合兩者的頻率，縱波頻率峰值可能主要出現(xiàn)在75、125kHz和140kHz附近.

根據(jù)FFT和WT，可以得出波形頻率隨時間的分布特征，從而根據(jù)頻率識別縱波的到達時間.FFT是對感興趣的波形區(qū)間做快速傅里葉變換，得出該波形區(qū)間的主頻參數(shù)及頻率分布特征[29］，可由超聲處理軟件完成（圖5）.由圖5中可以看出，對飽水松散沉積物中獲取波形的縱波段做頻譜分析后，得出縱波的主頻在122kHz最強，73kHz略弱，與換能器所產(chǎn)生的縱波頻率特征相符.隨后，利用WT和縱波的頻率特征來判斷縱波的到達時間.

小波分析因同時具有時域和頻域分析功能，而被廣泛應(yīng)用于信號處理和波形分析中[30-35］.本文采用的小波分析軟件由Vallen-Systeme GMbH和Aoyama Gakuin University（AGU）合作開發(fā)，該程序以中心頻率為7MHz的Gabor函數(shù)作為母波，具有強大的處理功能[31，36］，可以通過色譜圖顯示波形頻率隨時間的分布特征，還能分析某一時刻波形頻率的小波系數(shù)（WT Coefficients），以確定該時刻的頻率分布特征.對飽水松散沉積物波形的前8192個點的數(shù)據(jù)進行小波分析的結(jié)果如圖6所示，顯示了96.1μs時波形的主頻為122kHz（最強）和73kHz（較弱），與圖5頻譜分析所得到的結(jié)果一致，說明飽水松散沉積物的縱波到達時間為96.1μs.

利用FFT-WT法也可以判斷橫波的到達時間，例如，對飽水松散沉積物波形進行FFT-WT分析表明，飽水松散沉積物中橫波到達時間為196.6μs，與直接判讀法結(jié)果一致.為了檢驗FFT-WT法的準(zhǔn)確性，對比了利用此方法判斷的水合物生成過程中松散沉積物的橫波速度與直接法測量的橫波速度（圖7）.結(jié)果表明，兩種方法獲取的橫波速度具有很好的一致性，說明FFT-WT法判斷縱橫波的到達時間是十分有效的，這種方法的提出為超聲波形的信號分析提供了一種新的思路.

3 實驗及結(jié)果分析

實驗裝置在原有裝置[12，37］基礎(chǔ)上將傳統(tǒng)的平板型超聲換能器替換成了新型的彎曲元換能器（圖8）.彎曲元懸臂梁插入松散沉積物中，避免了因耦合而產(chǎn)生的衰減問題，且采用的頻率也比傳統(tǒng)超聲技術(shù)的頻率相對較低，因而能探測整個實驗過程（水合物生成和分解過程）中的聲波速度變化情況.

圖7 FFT-WT法測量的橫波速度與直接法測量值比較Fig.7 Shear wave velocities measured by FFT-WT method and direct observation method

3.1 實驗材料及過程

松散沉積物為過篩的天然砂，粒徑為0.09～0.125mm，由于實驗在高壓下進行，由TDR測量了高壓下飽水樣品的含水量（亦即樣品孔隙度）為38.53%.為了加快實驗進程，采用300ppm的SDS溶液進行了實驗.實驗過程如下：

（1）將接收彎曲元換能器裝入反應(yīng)釜的底部；

（2）將同軸型TDR探針固定在內(nèi)筒上，并將探針和圓柱形不銹鋼圈分別與TDR同軸電纜的正負(fù)極焊接，然后把內(nèi)筒放入高壓反應(yīng)釜中；

（3）向內(nèi)筒中裝入洗凈、烘干后的天然砂，在裝砂過程中用鐵棒將砂搗實，最終使天然砂正好填滿內(nèi)筒；

（4）向反應(yīng)釜的內(nèi)筒中加入濃度為300ppm的SDS溶液，直至天然砂被SDS溶液完全飽和；

（5）蓋好反應(yīng)釜，通過金屬頂桿控制發(fā)射彎曲元的位置，以確保彎曲元懸臂梁插入到沉積物中，同時確定發(fā)射、接收彎曲元端對端的距離Ltt；

圖8 含水合物松散沉積物的聲學(xué)特性測量實驗裝置示意圖Fig.8 Experimental apparatus for researching acoustic properties of hydrate bearing unconsolidated sediments

（6）用高壓甲烷氣沖洗反應(yīng)釜3～5次，以排凈里面的空氣；

（7）通入高壓甲烷氣，使反應(yīng)釜內(nèi)壓力達到實驗預(yù)計的壓力，并放置24h左右使甲烷氣溶解在SDS溶液中.

（8）降低水浴的溫度至2℃以形成甲烷水合物.

（9）停止控溫，使水浴溫度上升，水合物分解.

整個實驗過程中，溫度、壓力、超聲波形和TDR波形等數(shù)據(jù)都由計算機系統(tǒng)實時記錄.

3.2 實驗結(jié)果描述

反應(yīng)釜內(nèi)壓力為5.4MPa左右時，將浴槽溫度設(shè)定為2℃開始降溫，以形成水合物（圖9）.當(dāng)實驗進行到約1.1h、反應(yīng)釜內(nèi)溫度約為4℃時，水合物開始形成.沉積物表層和內(nèi)部的升溫異常，以及壓力、含水量的下降均指示水合物開始生成，同時聲速也開始增大.待實驗進行到4h左右時，因水合物生成消耗甲烷氣，使系統(tǒng)內(nèi)壓力降低到3.9MPa左右（圖10），此時向系統(tǒng)內(nèi)進行了第一次補氣，系統(tǒng)壓力增加到4.7MPa.氣體的補給促進了水合物的繼續(xù)快速生成，至第6.7h，系統(tǒng)內(nèi)壓力降至3.7MPa，此時向系統(tǒng)進行第二次補氣，系統(tǒng)內(nèi)壓力增加到4.4MPa.隨后水合物繼續(xù)生成，到第8.9h后進行第三次補氣，壓力從3.85MPa增加到4.6MPa.水合物完全生成后壓力為4.5MPa，保持釜內(nèi)的溫度和壓力約14h，系統(tǒng)壓力沒有再下降，水可能已經(jīng)完全生成水合物.在松散沉積物實驗中，測試了水合物飽和度為0～98.85%期間各參數(shù)的變化情況.

水合物生成并保持一段時間后，停止控溫，使水浴溫度由2℃自然升高至室溫.升溫約3h后水合物開始分解，分解過程持續(xù)時間一般為8～10h左右（圖9，圖10）.

由圖9可以看出，利用獲取的溫度壓力數(shù)據(jù)（溫壓法）、聲速參數(shù)（彎曲元超聲探測法）和水合物飽和度數(shù)據(jù)（TDR探測法）都能靈敏探測天然氣水合物的生成和分解情況：在水合物開始生成時溫度小幅度上升（由水合物生成放熱引起），壓力和含水量下降（水合物生成消耗氣體和水），聲速開始上升（水合物生成增大了沉積物的體積模量、剪切模量并降低了沉積物密度）.彎曲元超聲探測法與TDR探測法和溫壓法在水合物開始形成、開始分解和完全分解等時間點的探測上吻合良好，表明聯(lián)合利用新型彎曲元超聲技術(shù)和TDR探測技術(shù)研究含水合物松散沉積物的聲學(xué)特征等參數(shù)是非常有效的.

3.3 聲學(xué)特性

為了確保實驗結(jié)果的可靠性，進行了18個輪次的重復(fù)實驗，對第17、18輪的實驗結(jié)果進行了對比（見圖11），結(jié)果表明，兩輪次實驗中聲速隨水合物飽和度變化的曲線吻合很好，說明實驗具有很好的重復(fù)性，實驗結(jié)果可靠.以第18輪次的實驗為例，介紹了天然氣水合物生成和分解過程中聲速的變化情況（圖9）.結(jié)果表明，聲速隨水合物的生成而逐漸增大.對于含飽和水的松散沉積物，縱波速度和橫波速度分別為1440m／s和510m／s左右；當(dāng)水合物完全生成后，含水合物松散沉積物的縱橫波速度分別為3645m／s和1800m／s左右.

圖9 溫度、壓力、含水量（左縱坐標(biāo)）及聲速（右縱坐標(biāo)）隨水合物生成和分解的變化圖（Ta、Tb分別表示沉積物內(nèi)部和表面的溫度）Fig.9 Changes of temperature，pressure，water contents and acoustic properties of hydrate bearing sediments during hydrate formation（Ta：inner temperature，Tb：surface temperature）

3.4 水合物飽和度與聲速關(guān)系

利用獲取的數(shù)據(jù)建立了松散沉積物中聲速與水合物飽和度的關(guān)系，結(jié)果如圖11，圖12所示.結(jié)果表明，當(dāng)水合物飽和度低于80%左右時，在同一飽和度下，水合物生成過程中獲取的縱波速度（或橫波速度）大于分解過程中的縱波速度（或橫波速度）.這一結(jié)果與Hu等[13］的固結(jié)沉積物中的實驗結(jié)果有所不同，在固結(jié)沉積物中，在相同飽和度時水合物分解過程中獲取的縱波速度（或橫波速度）大于生成過程中獲取的縱波速度（或橫波速度）.這可能與沉積物的骨架、水合物的微觀分布及其形成、分解速度等有關(guān).在固結(jié)沉積物中，沉積骨架是固定的，水合物對聲速的影響主要表現(xiàn)在水合物的數(shù)量和其自身的硬度上，在生成過程中，除飽和度變化外，可能其本身的硬度也隨著時間的推移而逐漸的增大[38-40］，在相同飽和度下，分解過程中水合物由于反應(yīng)時間長其自身硬度大，導(dǎo)致其聲速較大.而在飽水松散沉積物中，沉積物的骨架是松散、沒有膠結(jié)的，極易受水合物微觀分布的影響，水合物生成時先膠結(jié)沉積物顆粒，增大了沉積物顆粒間的接觸面積，使沉積物的聲速陡增[9，41］，隨后水合物繼續(xù)膠結(jié)沉積物顆粒生成，或在孔隙流體中生成.而分解時靠近沉積物顆粒的部分先分解導(dǎo)致膠結(jié)消失，從而造成分解過程中獲取的速度較低.另外一種可能是分解時沉積物中的氣體還沒來得及跑到氣相中，而是以氣泡的形式存在沉積物中，這種情況也會導(dǎo)致速度降低.此外，水合物的分解速度大于形成速度[42］，因形成和分解速度不同可能對聲學(xué)響應(yīng)造成不同影響，也可能是其中一個原因.由于在水合物勘探中難以判斷水合物是處于生成階段還是處于分解階段，因此采用同一飽和度時生成與分解過程的聲速平均值作為實測值來討論含水合物松散沉積物的聲學(xué)特性（圖12）.實驗結(jié)果表明，含水合物松散沉積物的聲速（Vp和Vs）隨水合物飽和度的增加而逐漸增大，在水合物飽和度為0～25%期間聲速增長速度相對較快，25%～60%期間增長較為緩慢，飽和度大于60%后聲速隨著水合物飽和度的增大速度增長又相對加快（圖12）.

圖12 第18輪實驗水合物生成（form）和分解（dis）過程中水合物飽和度與聲速之間的關(guān)系（圖中Vp（average）=0.5（[Vp（form）+Vp（dis）］，Vs（average）=0.5（[Vs（form）+Vs（dis）］）Fig.12 Relationship between hydrate saturation and acoustic properties of hydrate bearing sediments in 18th run experiment

4 討 論

本文獲取的縱波速度與筆者以前[41］獲取的松散沉積物（粒徑0.18～0.28mm）結(jié)果不同（圖13）.在以前結(jié)果中，縱波速度僅在水合物形成初期陡然增長，從1780m／s增長至2100m／s左右，隨后隨水合物生成緩慢的增大，水合物完全生成時縱波速度為2790m／s，漲幅為1100m／s；而本研究中，縱波速度隨水合物生成而較快增漲，從1500m／s左右增漲至3650m／s左右，漲幅達2100～2200m／s.本研究中獲得的飽水松散沉積物縱波速度較小，這可能是由于沉積物粒徑較細(xì)引起的.王開林等（2004）[43］研究表明，粒徑較細(xì)的沉積物可能具有較低的縱波速度.水合物生成過程中兩種沉積物的縱波速度漲幅不同，可能與水合物在沉積物中的微觀分布有關(guān)：在較粗的沙粒中，水合物先膠結(jié)沉積物顆粒生成，對沉積物縱波速度的影響較大，當(dāng)飽和度大于1%后水合物在孔隙流體中形成，對沉積物縱波速度的影響較??；本研究中，水合物則是膠結(jié)或接觸沉積物顆粒形成，這兩種分布模式均對縱波速度的影響較大，因此縱波速度漲幅比較大.

不同的水合物微觀模式對沉積物縱波速度或橫波速度影響不同，在前人研究中也有體現(xiàn).將本研究結(jié)果與文獻值進行了比較（圖14），結(jié)果表明，測得的縱波速度在飽和度低于20%左右時與Ren等（2010）[11］所測結(jié)果一致，說明兩實驗中水合物在沉積物中的分布模式可能都是膠結(jié)模式，Ren等的研究結(jié)果也證實了這一點.縱波速度和橫波速度在同一飽和度時比Priest等（2005）[9］的測量值略低，可能與實驗條件有關(guān)，本實驗是一個圍壓較小的實驗，沉積物較松散，因此測量的縱橫波速度較低.

利用實驗結(jié)果與 Yun等（2005）[10］測得的含THF水合物沉積物的縱波速度和橫波速度值進行了對比，結(jié)果表明，甲烷水合物對沉積物聲學(xué)特性的影響與THF水合物不同，甲烷水合物可能在較低飽和度時就開始膠結(jié)沉積物，而THF水合物則是先在孔隙流體中形成，達到一定的量后才開始膠結(jié)沉積物顆粒生成.可見，利用THF代替甲烷來研究含水合物沉積物的聲學(xué)特性雖然在技術(shù)上比較容易實現(xiàn)，但測量的結(jié)果并不能直接指導(dǎo)野外甲烷水合物的勘探.本文引進彎曲元技術(shù)研究含甲烷水合物沉積物的聲學(xué)特性，更貼近于實際應(yīng)用，具有更為重要的理論和實踐意義.

5 結(jié) 論

本文將彎曲元技術(shù)引進到測量含甲烷水合物松散沉積物的聲學(xué)特性研究中，不僅制造了新型結(jié)構(gòu)的彎曲元換能器，而且采用小波分析和頻譜分析的方法提高了獲取聲波速度的能力，使彎曲元技術(shù)在松散沉積物中得到了有效的應(yīng)用.利用彎曲元測量的縱波速度和橫波速度可以靈敏地探測水合物的生成和分解點，并與溫壓、TDR探測的結(jié)果一致，表明彎曲元技術(shù)在甲烷水合物聲波速度的探測中具有很好的有效性.

基于彎曲元技術(shù)，獲取了松散沉積物中實測的縱橫波速度與水合物飽和度關(guān)系.對粒徑為0.09～0.125mm天然砂的水合物聲學(xué)特性研究表明，在同一飽和度下，在水合物生成過程中測得的縱橫波速度高于水合物分解過程中所測得的縱橫波速度.用兩過程中獲取的縱橫波速度平均值作為實測值與水合物飽和度建立了關(guān)系.結(jié)果表明，當(dāng)Sh＜25%時，縱橫波速度增長較快，25%～60%期間增長較為緩慢，在Sh＞60%后聲速隨著水合物飽和度增加又快速增長.上述結(jié)果指示水合物在0.09～0.125mm天然砂中生成時，可能先膠結(jié)沉積物顆粒，隨后與沉積物顆粒呈接觸關(guān)系，最后再膠結(jié)沉積物顆粒生成.經(jīng)對比研究后認(rèn)為，前人采用THF水合物代替甲烷水合物研究含水合物沉積物的聲學(xué)特性與實際情況不太相同，將彎曲元技術(shù)引進到含甲烷水合物沉積物的聲學(xué)特性研究中更具有實際意義.

致 謝 浙江大學(xué)陳云敏教授和黃博教授在彎曲元技術(shù)方面提供了指導(dǎo)，北京強度環(huán)境研究所的劉武鋼博士在小波分析方面提供了大力幫助，兩位匿名評審專家提供了很有價值的修改意見，在此一并致謝！

（References）

[1]Holbrook W S，Hoskins H，Wood W T，et al.Methane hydrate and free gas on the Blake Ridge from Vertical Seismic Profiling.Science，2006，273：1840-1843.

[2]Wu S G，Wang X J，Wong H K，et al.Low-amplitude BSRs and gas hydrate concentration on the northern margin of the South China Sea.Mar.Geophys.Res.，2007，28（2）：127-138.

[3]Chand S Y，Minshull T A，Gei D，et al.Elastic velocity models for gas-hydrate-bearing sediments-A comparison.Geophys.J.Int.，2004，159（2）：573-590.

[4]王東，李棟梁，張海瀾等.天然氣水合物樣品聲縱波特性和溫壓影響測量.中國科學(xué)（G輯：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)），2008，38（8）：1038-1045.Wang D，Li D L，Zhang H L，et al.Acoustic characterizes of gas hydrate samples and the temperature／pressure affects.Science in China（Series G：Physics，Mechanics &Astronomy）.（in Chinese），2008，38（8）：1038-1045.

[5]Winters W J，Pecher I A，Booth J S，et al.Properties of samples containing natural gas hydrate from the JAPEX／JNOC／GSC Mallik 2L-38gas hydrate research well，determined using Gas Hydrate and Sediment Test Laboratory Instrument（GHASTLI）.Geological Survey of Canada Bulletin，1999，544：241-250.

[6]Winters W J，Waite W F，Mason D H，et al.Sediment properties associated with gas hydrate formation.∥4thInternational Conference on Gas Hydrate， Yokohama，Japan，May 19-23，2002：722-727.

[7]Winters W J，Waite W F，Pecher I A，et al.Comparison of methane gas hydrate formation on physical properties of fineand corse-grained sediments.∥AAPG HEDBERG CONFERENCE“Gas hydrate：Energy Resource Potential and Associated Geologic Hazards”.Vancouver，BC，Canada，2004：1-5.

[8]Winters W J，Waite W F，Mason D H，et al.Methane gas hydrate effect on sediment acoustic and strength properties.Journal of Petroleum Science and Engineering，2007，56（1-3）：127-135.

[9]Priest J A，Best A I，Clayton C R I，et al.A laboratory investigation into the seismic velocities of methane gas hydrate-bearing sand.Journal of Geophysical Research，2005，110：B04102，doi：10.1029／2004JB003259.

[10]Yun T S，F(xiàn)rancisca F M，Santamarina J C.Compressional and shear wave velocities in uncemented sediment containing gas hydrate.Geophysical Research Letters，2005，32（10）：L10609，doi：10.1029／2005GL022607.

[11]Ren S R，Liu Y J，Liu Y X，et al.Acoustic velocity and electrical resistance of hydrate bearing sediments.Journal of Petroleum Science and Engineering，2010，70（1-2）：52-56.

[12]業(yè)渝光，張劍，胡高偉等.天然氣水合物飽和度與聲學(xué)參數(shù)響應(yīng)關(guān)系的實驗研究.地球物理學(xué)報，2008，51（4）：1156-1164.Ye Y G，Zhang J，Hu G W，et al.Experimental research on relationship between gas hydrate saturation and acoustic parameters.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2008，51（4）：1156-1164.

[13]Hu G W，Ye Y G，Zhang J，et al.Acoustic properties of gas hydrate-bearing consolidated sediments and experimental testing of elastic velocity models.Journal of Geophysical Research，2010，115：B02102.doi：10.1029／2008JB006160.

[14]業(yè)渝光，張劍，胡高偉等.天然氣水合物超聲和時域反射聯(lián)合探測技術(shù).海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，2008，28（5）：101-107.Ye Y G，Zhang J，Hu G W，et al.Combined detection technique of ultrasonic and Time Domain Reflectometry in gas hydrate.Marine Geology &Quaternary Geology （in Chinese），2008，28（5）：101-107.

[15]胡高偉，張劍，業(yè)渝光等.天然氣水合物的聲學(xué)探測模擬實驗.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，2008，28（1）：135-141.Hu G W，Zhang J，Ye Y G，et al.Acoustic investigation experiment on gas hydrate-bearing artificial cores.Marine Geology &Quaternary Geology （in Chinese），2008，28（1）：135-141.

[16]業(yè)渝光，劉昌嶺.天然氣水合物實驗技術(shù)及應(yīng)用.地質(zhì)出版社，2011.Ye Y G，Liu C L.Natural Gas Hydrate Experimental Techniques and Its Application （in Chinese）.Beijing：Geology Press，2011.

[17]張衛(wèi)東，劉永軍，任韶然等.水合物沉積層聲波速度模型.中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，32（4）：60-63.Zhang W D，Liu Y J，Ren S R，et al.Acoustic velocity model of hydrate bearing sediments.Journal of China University of Petroleum （in Chinese），2008，32（4）：60-63.

[18]Shirley D J.An improved shear wave transducer.J.Acoust.Soc.Am.，1978，63（5）：1643-1645.

[19]Shirley D J，Hampton L D.Shear wave measurements in laboratory sediments.J.Acoust.Soc.Am.，1978，63（2）：607-613.

[20]Dyvik R，Madshus C.Lab meaurements of Gmaxusing bender element.∥ Proc.，ASCE Convention on Advances in the Art of Testing Soils under Cyclic Conditions，1985：186-196.

[21]Jovicic V，Coop M R，Simic M.Objective criteria for determining Gmaxfrom bender element tests.Geotechnique，1996，46（2）：357-362.

[22]Jovicic V，Coop M R.Interpretation of bender element tests.Geotechnique，1997，47（3）：875.

[23]Zeng X，Ni B.Application of bender elements in measuring Gmaxof sand under K0condition.Geotechnical Testing Journal，1998，21（3）：251-263.

[24]Arulnathan R，Boulanger R W，Reimer M F.Analysis of bender element tests.Geotechnical Testing Journal，1998，21（2）：120-131.

[25]Clayton C R I，Theron M，Best A I.The measurement of vertical shear-wave velocity using side-mounted bender elements in the triaxial apparatus.Geotechnique，2004，54（7）：495-498.

[26]姬美秀，陳云敏，黃博.彎曲元試驗高精度測試土樣剪切波速方法.巖土工程學(xué)報，2003，25（6）：732-736.Ji M X，Chen Y M，Huang B.Method for precisely determining shear wave velocity of soil from bender element tests.Chinese Journal of Geotechnical Engineering （in Chinese），2003，25（6）：732-736.

[27]姬美秀.壓電陶瓷彎曲元剪切波速測試及飽和海洋軟土動力特性研究[博士論文］.杭州：浙江大學(xué)，2005.Ji M X.Study on the shear wave veolocity measurement from bender elements and dynamic properties of saturated soft marine clay [Ph.D.thesis]（in Chinese）.Hangzhou：Zheiiang University，2005

[28]Leong E C，Cahyadi J，Rahardjo H.Measuring shear and compression wave velocities of soil using bender-extender elements.Can.Geotech.J.，2009，46（7）：792-812.

[29]Fourier J.The Analytical Theory of Heat.London：Cambridge University Press，1878.

[30]Hamstd M A，Gallagher A O，Gary J.A wavelet transform applied to acoustic emission signals.Journal of Acoustic Emission，2002，20：39-82.

[31]Gaul L，Hurlebaus S.Idenfication of the impact location on a plate using wavelets.Mechanical Systems and Signal Processing，1997，12（6）：783-795.

[32]Ding Y，Reuben R L，Steel J A.A new method for waveform analysis for estimating AE wave arrival times using wavelet secomposition.NDT&E International，2004，37（4）：279-290.

[33]Jeong H，Jang Y S.Wavelet analysis of plate wave propagation in composite laminates.Composite Structures，2000，49（4）：443-450.

[34]Suzuki H，Kinjo T，Hayashi Y，et al.Wavelet transform of acoustic emission signals.Journal of Acoustic Emission，1996，14（2）：69-84.

[35]Takemoto M，Nishino H，Ono K.Wavelet transformapplication to AE signal analysis.∥ Kishi T，Ohtsu M，Yuyama S，eds.Proceedings of Acoustic Emission-Beyond the Millennium.Elsevier，2000：35-56.

[36]Vallen-Systeme GmbH，Munich，Germany，http：∥www.vallen.de／wavelet／index.html，2001.

[37]業(yè)渝光，張劍，刁少波等.氣水合物地球物理探測模擬裝置.中國發(fā)明專利：CN200410036544.X，2004，pp10.Ye Y G，Zhang J，Diao S B，et al.Gas hydrate geophysical exploration simulator.Chinese Invention Patent：CN200410036544.X，2004，pp10.

[38]Yoslim J，Englezos P.The effect of surfactant on the morphology of methane／propane clathrate hydrate crystals.∥paper presented at Sixth International Conference on Gas Hydrate.British Columbia，Canada，2008.

[39]Beltrán J G，Servio P.Morphology studies on gas hydrates interacting with silica gel.∥paper presented at Sixth International Conference on Gas Hydrate.British Columbia，Canada，2008.

[40]Kingston E，Clayton C，Priest J.Gas hydrate growth morphologies and their effect on the stiffness and damping of a hydrate bearing sand.∥paper presented at Sixth International Conference on Gas Hydrate.British Columbia，Canada，2008.

[41]胡高偉，業(yè)渝光，張劍等.松散沉積物中天然氣水合物生成、分解過程與聲學(xué)特性的實驗研究.現(xiàn)代地質(zhì)，2008，22（3）：465-474.Hu G W，Ye Y G，Zhang J，et al.Study on gas hydrate formation-dissociation and its acoustic responses in unconsolidated sands.Geoscience（in Chinese），2008，22（3）：465-474.

[42]Cathles L M，Chen D F.A compositional kinetic model of hydrate crystallization and dissolution.JournalofGeophysical Research，2004，109：B08102.doi：10.1029／2003JB002910.

[43]王開林，楊圣奇，蘇承東.不同粒徑大理巖樣聲學(xué)特性的研究.煤田地質(zhì)與勘探，2004，32（2）：30-32.Wang K L，Yang S Q，Su C D.Study on the acoustic property of marble specimens with different grains.Coal Geology &Exploration （in Chinese），2004，32（2）：30-32.