侯正瑜, 郭常升, 王景強(qiáng)

(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)院大學(xué), 北京 100049)

南沙海域是中國(guó)南疆的最南端, 位于南海南部,12°N以南, 海區(qū)面積廣闊。南沙海域的自然資源豐富, 其南部、東部和西部的外緣地區(qū)蘊(yùn)藏油氣資源,是地球物理和海洋科學(xué)研究的熱點(diǎn)區(qū)域。海底沉積物聲學(xué)特性對(duì)海洋聲場(chǎng)有重要的影響, 與水聲通訊和探測(cè)密切相關(guān), 通過(guò)海底沉積物聲學(xué)特性可以了解沉積物的物理性質(zhì), 為海底沉積物分類(lèi)和海底工程條件評(píng)價(jià)等提供基礎(chǔ)資料, 因此研究分析沉積物的聲學(xué)物理參數(shù)相關(guān)關(guān)系具有重要的意義。目前獲得海底沉積物聲學(xué)參數(shù)的測(cè)量方法主要有兩種: 原位測(cè)量和取樣實(shí)驗(yàn)室測(cè)量[1]。本文采用沉積物取樣甲板測(cè)量, 在測(cè)量海區(qū)利用重力式取樣器獲取海底沉積物柱狀樣品, 然后在甲板上直接用儀器進(jìn)行聲學(xué)參數(shù)測(cè)量。甲板測(cè)量相對(duì)于陸地實(shí)驗(yàn)室測(cè)量省略了樣品由測(cè)量海區(qū)搬運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室的過(guò)程, 避免了樣品在搬運(yùn)和保存過(guò)程中對(duì)沉積物造成的擾動(dòng), 減少了因擾動(dòng)而造成的誤差。

海底沉積物的聲學(xué)性質(zhì)與其物理性質(zhì)密切相關(guān),國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)兩者的相互關(guān)系進(jìn)行了大量的研究,代表性的有 Hamilton[2]、Anderson[3]、Orsi和 Dunn[4]、盧博[5]、鄒大鵬[6]和周志愚[7]等, 他們都總結(jié)了一些海底沉積物聲速的預(yù)測(cè)方程。本文基于沉積物取樣甲板測(cè)量獲得的沉積物聲速以及實(shí)驗(yàn)室測(cè)量得到的物理參數(shù), 分析研究了聲速與孔隙度的相關(guān)關(guān)系,利用回歸的方法建立了孔隙度聲速預(yù)測(cè)方程, 并與國(guó)內(nèi)外學(xué)者建立的預(yù)測(cè)方程進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 測(cè)量區(qū)域概況

南沙群島海域淺層沉積物主要是由 5 類(lèi)沉積物類(lèi)型所組成: (l)粉砂, (2)粉砂質(zhì)砂, (3)砂質(zhì)粉砂,(4)黏土質(zhì)粉砂, (5)砂-粉砂質(zhì)黏土, 基本上以粉砂粒級(jí)為主[8]。研究區(qū)域位于南沙群島海域, 分布在4°～8°N, 110°～116°E, 本次測(cè)量采集站位 21 個(gè), 水深介于 100～3 000 m, 其中兩個(gè)站位水深小于 500 m,其他站位水深均大于 1 000 m(圖 1), 根據(jù)吳世敏對(duì)南沙海域構(gòu)造單元的劃分[9], 采集的海底沉積物柱狀樣品主要來(lái)自于南沙地塊隆起區(qū)和南沙地塊前陸盆地區(qū), 屬于深水區(qū)。

2 同軸差距測(cè)量法與聲速計(jì)算

沉積物聲速的測(cè)量采用同軸差距測(cè)量法, 測(cè)量原理圖如圖2所示。測(cè)量設(shè)備為WSD-3數(shù)字聲波儀,測(cè)量參數(shù)為: 測(cè)量柱狀樣最大長(zhǎng)度 100 cm、測(cè)量間隔15 cm、測(cè)量頻率100 kHz、單道采樣長(zhǎng)度1024、采樣間隔 1 μs。

圖1 采樣區(qū)域水深(m)圖Fig. 1 Sampling area depth (m)

圖2 同軸差距測(cè)量方法示意圖Fig. 2 Coaxial differential distance attenuation measurement

2.1 測(cè)量步驟

利用重力取樣器將海底沉積物柱狀樣品取上來(lái)以后, 在甲板實(shí)驗(yàn)室將沉積物柱狀樣品固定在測(cè)量平臺(tái)上, 并將深度為0～100 cm的柱狀樣品用游標(biāo)卡尺分為100, 85, 70, 55, 40, 25, 10 cm七段, 按照?qǐng)D2所示, 測(cè)量之前在換能器表面涂薄層凡士林, 第一次測(cè)量時(shí), 將接收換能器R1固定在柱狀樣品8 cm處(R1接收的聲波作為信號(hào)對(duì)比道, 用以計(jì)算沉積物聲衰減系數(shù), 本文未涉及該系數(shù)), 發(fā)射換能器 T固定在底端, 接收換能器R2固定在頂端100 cm處, 接通電源, 開(kāi)始測(cè)量后, 發(fā)射換能器T產(chǎn)生100 kHz的聲波在沉積物柱狀樣品中傳播, 聲信號(hào)首先到達(dá)接收換能器R1, 再經(jīng)過(guò)時(shí)間Δt到達(dá)接收換能器R2, 測(cè)量過(guò)程由電腦控制并記錄信號(hào)。第二次測(cè)量時(shí), 將柱狀樣品從頂端100 cm處切去15 cm, 樣品剩余85 cm,然后將接收換能器R2固定在頂端85cm處, 其他步驟與第一次測(cè)量相同, 進(jìn)行聲波信號(hào)的第二次采集。一個(gè)沉積物柱狀樣品需要測(cè)量 7次, 每一次測(cè)量重復(fù)上述步驟, 最后樣品剩余10 cm。

2.2 初至波讀取

在計(jì)算聲速之前, 首先要確定聲波信號(hào)初至點(diǎn),確定信號(hào)到達(dá)接收換能器的時(shí)間t。為了準(zhǔn)確地讀取初至波, 采用了小波變換模極大值法。

在聲波的傳播中, 當(dāng)穿過(guò)沉積物柱狀樣品的聲波到達(dá)接收換能器時(shí), 在這一時(shí)刻, 幅值發(fā)生突變,引起信號(hào)波形的變化, 幅值的突變處可以看作信號(hào)的到時(shí)。小波分析具有良好的局部分析功能, 可以方便地檢測(cè)到信號(hào)的突變點(diǎn), 從而準(zhǔn)確地得到聲波信號(hào)的到達(dá)時(shí)間。利用小波分析檢測(cè)信號(hào)突變點(diǎn)的一般方法是: 對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度分析, 在信號(hào)出現(xiàn)突變時(shí), 其小波變換后的系數(shù)具有模極大值。如果能檢測(cè)出所有尺度上的小波變換模量極大值, 并形成一條平滑的模極大值線(不同尺度下對(duì)應(yīng)的模極大值點(diǎn)的連線), 就可以檢測(cè)出信號(hào)的突變點(diǎn)[10-12]。

2.3 聲速計(jì)算

完成一個(gè)柱狀樣品的測(cè)量后, 獲得 100, 85, 70,55, 40, 25, 10 cm七段柱狀樣品的聲波信號(hào)(圖3所示), 利用小波變換模極大值法讀取每段信號(hào)的初至?xí)r間為t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7, 在已知沉積物樣品長(zhǎng)度L的情況下, 由式(1)可以計(jì)算出沉積物聲速。

其中Vp是沉積物聲速。

圖3 接收換能器R2接收到的同一個(gè)沉積物樣品不同長(zhǎng)度的聲波Fig. 3 Sound waves of different length of one sediment sample received by receiving transducer R2

3 聲速特性分析

本次對(duì)南沙海域海底沉積物聲速的調(diào)查采用甲板直接測(cè)量, 實(shí)驗(yàn)條件為 1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓, 溫度為常溫,測(cè)量獲得海底表層沉積物的聲速變化范圍為 1 421～1 579 m/s, 將本海域的聲速范圍與其他一些海域聲速結(jié)果做比較, 發(fā)現(xiàn)本海域的聲速較低, 可能與沉積物的物理性質(zhì)有關(guān)。

3.1 沉積物物理參數(shù)

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)海底沉積物柱狀樣品進(jìn)行濕密度、含水量、孔隙度等物理參數(shù)測(cè)量計(jì)算, 共測(cè)量濕密度126個(gè)、含水量126個(gè)、孔隙度63個(gè)。分析表明, 研究區(qū)域的沉積物濕密度變化范圍為 1.1～1.83 g/cm3,平均值 1.26 g/cm3, 比渤海灣(1.5～2.05 g/cm3)[13]、黃海(1.2～1.95 g/cm3)[14]、東海(1.6～2.09 g/cm3)和南海北部大陸架(1.5～2.02 g/cm3)[15]以及南海西南部(1.58～1.96 g/cm3)[13]的濕密度低, 屬于低濕密度區(qū)域。含水量是沉積物實(shí)際含水多少的指標(biāo), 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明含水量的范圍為 15.8%～68.74%?？紫抖缺硎境练e物中孔隙多少的程度, 孔隙度范圍為31.7%～85.9%。

3.2 沉積物聲速和孔隙度的回歸方程

孔隙度是沉積物中孔隙體積占總體積的百分比,它表征了飽和沉積物內(nèi)固體顆粒與液體的兩相體積的大小關(guān)系, 沉積物可以看成是由沉積物孔隙所含流體與顆粒骨架組成的, 在聲波傳播中固相介質(zhì)提供的是固體顆粒的聲速和聲波在固相中傳播路徑,液相介質(zhì)提供的則是孔隙流體的聲速和聲波在液相中傳播的路徑, 由于沉積物孔隙所含流體與礦物骨架之間在聲學(xué)性質(zhì)上具有明顯的差別, 所以沉積物的孔隙度是影響沉積物聲速的首要參數(shù)[16]。對(duì)于沉積物聲速和孔隙度之間的關(guān)系, Hamilton[2]和Anderson[3]做了大量的分析研究工作, 總結(jié)出聲速和孔隙度的回歸方程, 國(guó)內(nèi)一些學(xué)者結(jié)合實(shí)際資料也開(kāi)展了海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)與孔隙度的研究, 梁元博[17]、周志愚[18]、唐永祿[19]、盧博[5]等在不同海域采集樣品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析, 并總結(jié)了沉積物聲速-孔隙度回歸方程, 其中周志愚和唐永祿還在回歸方程中引入了海水聲速項(xiàng)。以上學(xué)者均認(rèn)為孔隙度與海底沉積物聲速的相關(guān)性最為密切。但是上述研究主要局限于第一類(lèi)(大陸架)海區(qū), 半深海和深海的海底沉積物樣品采集和研究較少, 而此次研究的沉積物樣品主要來(lái)自半深海海區(qū)(圖1)?，F(xiàn)將本文和國(guó)內(nèi)外在大陸架海底沉積物中聲速與孔隙度關(guān)系回歸方程列出:

本文:

Anderson[3]:

Hamilton[2]:

梁元博和盧博[17]:

周志愚等[18]:

唐永祿[19]:

式中,CP為沉積物聲速,C0為海水聲速,n為沉積物的孔隙度。 其中本文建立的回歸方程的均方根誤差為15.38, 相關(guān)系數(shù)R=0.8036。

從圖 4可以看出, 測(cè)量數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)公式擬合較好, 為了對(duì)比分析, 將Hamilton, Anderson以及盧博的經(jīng)驗(yàn)公式繪制于圖4。從圖4可以看出, 聲速是隨孔隙度變化的二次方程, 隨著孔隙度的增加, 海底沉積物聲速減小, 當(dāng)孔隙度增加到一定值N(本文稱(chēng)之為臨界孔隙度)之后, 聲速隨著孔隙度的增加而變大。對(duì)比發(fā)現(xiàn)各個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式的N值均不相同, 各經(jīng)驗(yàn)公式的N值及其對(duì)應(yīng)的聲速值見(jiàn)表1。當(dāng)沉積物孔隙度大于臨界值時(shí), 聲速隨著孔隙度增大而升高是由剪切模量的增大造成的。而剪切模量的增大是沉積物所含礦物在沉積時(shí), 由水作用在礦物顆粒上的復(fù)雜的范德華力、庫(kù)侖力和膠結(jié)作用相互作用引起的[20]。再將三個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式與本次測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn), Hamilton測(cè)量的聲速比此次測(cè)量結(jié)果平均高100 m/s, Anderson的測(cè)量值也比本次測(cè)量值大, 盧博的測(cè)量值與此次測(cè)量值相差較小(圖4)。由此可以看出, 不同海域測(cè)量的聲速值不同, 其預(yù)測(cè)方程同樣具有區(qū)域局限性。

分析認(rèn)為, 測(cè)量結(jié)果受海底沉積物取樣區(qū)域、海水深度、聲速的測(cè)量方法、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境及測(cè)量條件等影響。為了獲得更精確的測(cè)量結(jié)果, 應(yīng)盡可能避免人為因素的影響, 最好的方法是采用原位測(cè)量技術(shù)獲取海底沉積物的聲速。

3.3 基于時(shí)間平均的聲速預(yù)測(cè)模型

Wyllie等[21-22]所建立的孔隙度與速度關(guān)系的時(shí)間平均方程是以固液雙相的巖石模型為基礎(chǔ)的, 將介質(zhì)看作水平層狀的液相與固相兩部分, 聲波穿過(guò)介質(zhì)的總時(shí)間等于聲波分別穿過(guò)液相和固相的時(shí)間之和, 以此來(lái)建立方程。假定其孔隙度為n, 固體骨架聲速為Cs, 孔隙流體聲速為Cl, 固液雙相平均聲速為Cp, 則時(shí)間平均方程為:

表1 各經(jīng)驗(yàn)公式N值與聲速Tab. 1 The experience formula N value and sound velocity

圖4 聲速與孔隙度關(guān)系圖Fig. 4 Sound velocity and porosity relationship diagram

從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度看, 建立時(shí)間平均方程所基于的最基本的原理是路程、速度和時(shí)間的關(guān)系, 而在聲傳播過(guò)程中決定這 3個(gè)物理量的則是固體顆粒、孔隙流體以及它們之間的對(duì)壘結(jié)構(gòu)。從數(shù)學(xué)和物理的角度看,當(dāng)固體顆粒和孔隙流體保持不變時(shí), 即Cs和Cl保持不變, 聲速的倒數(shù)應(yīng)和孔隙度n呈線性關(guān)系。將本次測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸發(fā)現(xiàn), 沉積物的孔隙度與聲速的倒數(shù)呈較好的線性關(guān)系(圖 5), 驗(yàn)證了上述猜測(cè), 也從反面證實(shí)了南沙海域海底沉積物中的固體顆粒與孔隙流體基本保持不變。

3.4 影響聲速的其他因素

聲波在沉積物中傳播時(shí), 除了沉積物孔隙因素外, 顆粒間接觸、對(duì)壘和排列、流體含量和性質(zhì)也會(huì)影響到聲波的傳播。在沉積物物理性質(zhì)中, 這些影響表現(xiàn)為密度、中值粒徑、含水量等對(duì)聲速的影響。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究表明, 密度以及中值粒徑與沉積物聲速呈正比相關(guān)關(guān)系; 含水量與沉積物聲速呈反比相關(guān)關(guān)系。

圖5 聲速的倒數(shù)與孔隙度關(guān)系圖Fig. 5 The reciprocal of Sound velocity and porosity relationship diagram

除了沉積物物理參數(shù)外, 還有其他影響沉積物聲速的因素。程凈凈[23]對(duì)沉積物中的流變性參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究, 她認(rèn)為塑限、液限和塑性指數(shù)與壓縮波速成反比相關(guān)關(guān)系。闞光明[24]對(duì)溫度和靜水壓力進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn), 研究表明隨著溫度增加, 聲速呈增大趨勢(shì); 而靜水壓力對(duì)海底沉積物聲速的影響還未有較為一致的結(jié)論。

此外, 實(shí)驗(yàn)室直接測(cè)量聲速時(shí), 樣品由海底取樣并搬運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室, 這種方法改變了沉積物所在的真實(shí)環(huán)境, 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), 使測(cè)得的海底沉積物聲學(xué)參數(shù)值與真實(shí)值有較大的誤差。為了得到高精度的海底沉積物聲學(xué)參數(shù)值, 應(yīng)積極研究海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量技術(shù)[25-29]。海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量技術(shù), 是利用原位測(cè)量?jī)x器直接測(cè)量聲波在沉積物中的傳播, 避免了沉積物所處的溫度、壓力等周?chē)h(huán)境變化引起的測(cè)量誤差, 也避免了樣品取樣和搬運(yùn)對(duì)沉積物造成的擾動(dòng), 測(cè)量結(jié)果較取樣測(cè)量更加準(zhǔn)確可靠。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)南沙海域表層沉積物聲速和孔隙度測(cè)量分析主要得到以下兩點(diǎn)結(jié)論: (1)海底沉積物聲速隨著孔隙度的增加而減小, 當(dāng)孔隙度增加到臨界點(diǎn)N之后, 聲速隨著孔隙度的增加而變大。不同海域的臨界孔隙度不同, 本海域的臨界孔隙度值N為67.80%。(2)將建立的沉積物聲速和孔隙度預(yù)測(cè)方程與 Hamilton等學(xué)者建立的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對(duì)比, 發(fā)現(xiàn)其他學(xué)者建立的公式對(duì)于本文的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性較差,說(shuō)明預(yù)測(cè)方程之間存在差異, 各經(jīng)驗(yàn)公式具有區(qū)域局限性, 需針對(duì)不同的海區(qū)建立相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式。

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