李 琦，劉 頡，常 哲，楊 逍，李國富，黃 翠

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

海底表層沉積物是海水與海底的分界面，其地聲屬性能反映出沉積物組分、微觀結(jié)構(gòu)、現(xiàn)代沉積環(huán)境的狀況，具有獨特的聲學(xué)研究意義。由于實際海底地質(zhì)環(huán)境下沉積環(huán)境差異，因此對海底表層沉積物聲學(xué)參數(shù)的測量存在差別，對此開展海底沉積環(huán)境對其測量的影響研究工作對于海底資源勘探與開發(fā)、海洋工程建設(shè)、海底監(jiān)測等領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價值[1]。

多年以來，國內(nèi)外學(xué)者對預(yù)測海洋沉積物聲學(xué)特性的海底地聲模型開展了持續(xù)研究，早期地球聲學(xué)模型主要有20 世紀(jì)80 年代提出的Hamilton 的地聲學(xué)模型 [2]和21 世紀(jì)初提出的 Jackson 和Richardson 的基于物理學(xué)的聲學(xué)模型。沉積物聲學(xué)模型主要可以分為3 類：流體模型、彈性體模型和多孔彈性（即孔隙彈性體）模型，主要有Biot 模型、Biot-Stoll 模型、CREB（Corrected and Reparametrized Extended Biot） 模型和等效密度流體近似模型（Effective Density Fluid Model，EDFM），以及近年的非固結(jié)海底沉積層結(jié)構(gòu)模型（最新版本為VGS(λ)模型）[3-9]。同時，國內(nèi)外也開展了海底沉積物聲學(xué)經(jīng)驗公式和實際測量方法研究[10-12]。由于海底環(huán)境復(fù)雜多樣，目前的聲學(xué)模型以及經(jīng)驗公式[13-15]，尚無法完全解釋海底沉積物的聲學(xué)特性，總存在實際測量樣本偏離理論計算或者預(yù)測的規(guī)律[16-18]。因此，需要開展針對海底沉積環(huán)境對海底表層沉積物聲學(xué)參數(shù)測量影響相關(guān)研究。

本文在國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，開展了海底沉積環(huán)境對海底表層沉積物聲學(xué)參數(shù)測量影響研究，利用了正演模型比較 VGS(λ)、Biot-Stoll、CREB和EDFM 模型，分析了沉積環(huán)境的空間沉積特征與海底表層沉積物聲學(xué)參數(shù)測量的關(guān)系，計算了不同掠射角下的單砂層、薄層狀結(jié)構(gòu)體等海底反射損失，并開展了基于超聲檢測技術(shù)（Ultrasonic Testing，UT）和原位測量技術(shù)的海底沉積物實際測量方法研究，建立了海底三維反射模型和對接收信號進(jìn)行數(shù)值分析，開展了聲反射損失測量實驗，進(jìn)而實現(xiàn)了反射模型預(yù)測與實測數(shù)據(jù)相匹配程度的評估。

1 原理與方法

結(jié)合 Hamilton 地聲學(xué)模型和 Jackson 和Richardson 的基于物理學(xué)的聲學(xué)模型，將Hamilton的地聲模型中環(huán)境參數(shù)融合到基于物理學(xué)的聲學(xué)模型中，建立了理論聲速和平均宏觀物理力學(xué)參數(shù)與沉積環(huán)境密切相關(guān)的新地聲模型，如圖1 所示。

圖1 研究方法示意圖

第一，海底表層沉積環(huán)境。海洋底部大部分表面覆蓋著一層具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征的沉積物，該介質(zhì)主要由松散泥沙、氣泡、貝殼碎屑、水合物、有機(jī)質(zhì)、營養(yǎng)鹽等組成，并同時受物理化學(xué)作用和生物擾動影響。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究，對于復(fù)雜沉積環(huán)境中的沉積物，其顆粒大小、物理力學(xué)性質(zhì)（孔隙形狀、堆壘方式和礦物成分）、組成元素以及微結(jié)構(gòu)、空間特征（如層理）等因素都影響聲波的傳播特性[19-21]，本文將從在不同沉積環(huán)境單元下站位空間沉積特征方面，開展聲學(xué)參數(shù)測量的影響研究。

第二，基于超聲檢測技術(shù)的原位測量方法。近年來，基于三維可視化成像的超聲檢測技術(shù)（Ultrasonic Testing，UT），可通過海底表層沉積物空間沉積特征分析聲波在沉積物中的傳播特性及其參數(shù)變化。常見的超聲檢測模式有A 掃描、B 掃描和C 掃描，其中，超聲C 掃描檢測技術(shù)可以直觀地進(jìn)行缺陷可視化檢測與定量分析，特別適合于復(fù)合材料、海底沉積物等物體檢測成像。而在沉積物內(nèi)部層理結(jié)構(gòu)的分形特征研究方面，由于海底表層沉積物具有種類（砂、粉砂、黏土等）、形態(tài)多樣性（不規(guī)則的層理、粗糙的表面等）的特點，導(dǎo)致傳統(tǒng)的依靠圖像顏色和輪廓等特征進(jìn)行分形的方法并不適用于海底環(huán)境，而紋理特征可避免直接檢測超聲圖像模糊邊界，對超聲C 掃描圖像分形能力增強(qiáng)有一定的有效性。本文基于紋理的圖像分形方法的超聲C 掃描檢測技術(shù)，將該檢測技術(shù)應(yīng)用于海底沉積物聲反射原位測量方法中，可獲得海底沉積物環(huán)境信息和聲反射損失數(shù)據(jù)[1]。

2 沉積環(huán)境對聲學(xué)參數(shù)測量的影響

2.1 聲速與聲衰減計算

本節(jié)采用 VGS (λ) 模型、Biot-Stoll 模型、CREB模型和EDFM 模型4 種海底聲學(xué)模型，作為模型的正演模型。本文為了便于比較分析，參考Williams實驗[7-8]的參數(shù)值，分析不同海底聲學(xué)模型下聲速、聲衰減系數(shù)等聲學(xué)模型預(yù)測值。另外，考慮上述實驗測量是在實驗室環(huán)境下進(jìn)行的，孔隙水特性可以近似地認(rèn)為與上覆淡水特性相同。一是不同聲波頻率參數(shù)取值下，計算了本節(jié)四種海底聲學(xué)模型的壓縮波和剪切波（切變波）的聲速和聲衰減系數(shù)，并以評估這些模型的預(yù)測結(jié)果與國內(nèi)外文獻(xiàn)中實測數(shù)據(jù)的匹配程度，如圖2 所示；二是增加了溫度和粒度因素的EDFM 模型，分析仿真了0°～30°溫度范圍下模型的聲速和聲衰減系數(shù)，如圖3 所示。從理論上講，由于砂質(zhì)沉積物通常被認(rèn)為是由海水滲透的固體砂粒組成的兩相多孔介質(zhì)，Biot-Stoll 和EDFM模型預(yù)測結(jié)果與國內(nèi)外文獻(xiàn)中實測數(shù)據(jù)分析結(jié)果的較為一致，VGS(λ)模型和CREB 模型可以充分?jǐn)M合壓縮波和剪切波（切變波）的以往實際測量波速和衰減數(shù)據(jù)。

2.2 空間沉積特征分析

由于海底沉積物類型和沉積環(huán)境復(fù)雜多樣，國內(nèi)外文獻(xiàn)中擬合關(guān)系和理論關(guān)系都存在解釋的多樣性，得出的普遍結(jié)論是沉積物測量聲速與測量狀態(tài)（頻率、環(huán)境）密切相關(guān)，理論聲速與平均宏觀物理力學(xué)參數(shù)（如孔隙度、密度、彈性模量等）選擇密切相關(guān)[16-17]。近些年國內(nèi)外學(xué)者從沉積學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)的角度，對海底的空間沉積特征及工程地質(zhì)特性進(jìn)行了較為全面的分析[19，22]。因此，需要結(jié)合實際海底沉積環(huán)境分析海底空間沉積特征，研究海底空間沉積特征對海底表層沉積物聲學(xué)參數(shù)測量的影響。如圖4 所示，本文利用基于紋理特征的海底表層沉積物分形方法，從沉積物空間沉積特征研究角度，分析了實際海底表層沉積物的層紋理和結(jié)構(gòu)，該研究可為沉積物物理聲學(xué)性質(zhì)研究提供基礎(chǔ)資料和技術(shù)支持。

圖2 基于海底聲學(xué)模型的壓縮波和剪切波（切變波）的聲速與聲衰減系數(shù)預(yù)測仿真圖

圖3 基于EDFM 模型的壓縮波聲速與聲衰減系數(shù)計算仿真圖

圖4 基于紋理特征的分形方法的實際海底表層沉積物的層紋理和結(jié)構(gòu)分析圖

2.3 聲反射系數(shù)預(yù)測

根據(jù)Jackson 和Richardson 的研究，海底聲反射常被用于推斷水下聲學(xué)特性和驗證水聲學(xué)理論試驗，是淺水傳播的重要組成部分，因此，從研究成效和影響作用的角度出發(fā)，聲學(xué)模型準(zhǔn)確預(yù)測海底水-沉積物界面聲波反射系數(shù)能力的效用，僅次于其預(yù)測聲速和聲衰減系數(shù)能力的效用。海底表層沉積物的聲反射是本文的研究重點，主要在單砂層和層狀介質(zhì)的情況下進(jìn)行了聲反射系數(shù)預(yù)測。其中，對于多孔彈性聲學(xué)模型，海底沉積物的反射系數(shù)不能如流體聲學(xué)模型和彈性地聲模型反射系數(shù)的簡單地表達(dá)，Stoll 專著詳細(xì)介紹了計算多孔彈性平面波反射損失的分析方法，本文將來自沙半空間的平面波反射系數(shù)作為研究基礎(chǔ)，主要利用Isakson 提供的一個更簡單的公式計算在多孔彈性介質(zhì)中傳播的平面波反射系數(shù)，如圖5 所示。

圖5 沙半空間中基于多孔彈性模型的聲波反射損失計算仿真圖

第一，單砂層的聲反射。單砂層反射系數(shù)的推導(dǎo)比沙半空間中介紹的情況要復(fù)雜得多，單砂層被視為一定厚度的多孔彈性介質(zhì)層，被覆蓋在砂半空間基質(zhì)上，基質(zhì)分別選取軟泥、砂屑石灰?guī)r和石灰?guī)r3 種材質(zhì)，這3 種材質(zhì)的壓縮和剪切速度分別小于、大于與小于和大于水中聲速。對于基質(zhì)每種材質(zhì)情況，在1 cm 砂層厚，10 Hz～1 MHz 頻率范圍和0°～90°角度范圍（掠射角是入射角的余角）條件下，分別使用Biot-Stoll 聲學(xué)模型對砂層進(jìn)行建模且計算底部反射損失，由于層厚大于半波長時底部損失明顯增加，可能會稍微出現(xiàn)較小程度的擾動。如圖6-a 由上至下所示，第一種情況，角度大于30°時反射損失明顯增加，頻率大于10 kHz 時在60°附近出現(xiàn)駝峰；第二種情況，在50°和5 kHz 附近反射損失略微增加，50°時到達(dá)基質(zhì)臨界角；第三種情況，5 kHz附近反射損失如第二情況同樣略微增加，70°出現(xiàn)反射損失明顯增加，70°時到達(dá)基質(zhì)臨界角。

第二，層狀介質(zhì)的聲反射。該問題描述為近似薄層狀多相介質(zhì)。實際的海底沉積物可以近似看作不同疊合方式下薄層復(fù)合結(jié)構(gòu)的多相介質(zhì)，即含非均勻多相介質(zhì)薄層狀結(jié)構(gòu)，由于海底形成原因復(fù)雜且涉及地球科學(xué)研究領(lǐng)域廣泛，故僅研究相對簡單的具有明顯層理的薄層狀結(jié)構(gòu)海底沉積物。本文利用聲反射數(shù)據(jù)和傳遞矩陣方法，分析介質(zhì)物理參數(shù)、疊合層數(shù)、層厚度等參數(shù)對海底沉積物聲反射損失測量的影響，選取了物理性質(zhì)差別較大的砂（海底細(xì)沙）、石灰?guī)r、石英砂等介質(zhì)作為研究對象，構(gòu)建了以石英砂為基底的由砂和石灰?guī)r組成的雙層結(jié)構(gòu)介質(zhì)（自上而下由水、細(xì)沙、石灰石和石英砂介質(zhì)疊加而成，石灰石層層厚為1 cm，細(xì)沙層層厚為1 cm），并計算了該層狀介質(zhì)的聲反射系數(shù)（百分比），如圖 6-b 所示。

圖6 海底表層層狀結(jié)構(gòu)介質(zhì)的聲反射損失預(yù)測圖

3 聲反射損失測量實驗

聲反射損失測量實驗如圖7-a 所示，水池底部鋪設(shè)有一層的海砂，水池上方是搭建高頻聲學(xué)測量平臺，將換能器和水聽器垂直掛設(shè)于鋁合金支撐框架上方橫梁上（換能器中心頻率為100 kHz），通過從聲學(xué)測量平臺數(shù)據(jù)采集器的連續(xù)記錄中提取單砂層結(jié)構(gòu)和泥層砂層雙層結(jié)構(gòu)介質(zhì)（海砂平均粒徑約0.8 mm 和泥質(zhì)石英砂平均粒徑約0.06 mm）的聲反射信號，計算從時間窗接收聲學(xué)信號的能量值，對水池實驗的聲反射數(shù)據(jù)開展信號分析，計算接收信號功率，通過針對泥沙的反射信號進(jìn)行判斷和提取，計算反射信號的時頻域的能量分布，如圖7-b所示。

圖7 實驗室聲反射實驗數(shù)據(jù)分析圖

4 結(jié)論

海底表層沉積物由于其存在多樣性導(dǎo)致其聲學(xué)參數(shù)測量可能具有較大差異，這與海區(qū)海底地質(zhì)和沉積環(huán)境有關(guān)，因此本文開展海底沉積環(huán)境對海底表層沉積物聲學(xué)參數(shù)測量影響研究，通過對水池底部層狀介質(zhì)進(jìn)行聲學(xué)測量試驗和利用聲波傳播理論進(jìn)行聲速計算，對比了測量試驗與理論模型的結(jié)果，得到以下結(jié)論：

（1）通過模型參數(shù)及其選擇、模型與數(shù)據(jù)比較和數(shù)值實驗研究了VGS (λ) 模型、Biot-Stoll 模型、CREB 模型和EDFM 模型四種聲學(xué)模型。第一，EDFM 模型通過假定框架模量相對于顆粒和流體的模量相比可忽略不計，從而避免了框架處理的困難，將Biot-Stoll 模型的孔隙介質(zhì)簡化為了由等效密度描述的流體介質(zhì)，從某種意義上說，忽略框架使得EDFM 比Biot-Stoll 模型在物理上更加精確，其缺點是忽略了在砂質(zhì)沉積物中可測量的剪切波；CREB 模型通過結(jié)合顆粒間噴射流和粘性阻力機(jī)制，擴(kuò)展了Biot-Stoll 模型，但只是表面現(xiàn)象的描述。第二，通過數(shù)值仿真分析，沒有模型能夠同時匹配Kimura 測量數(shù)據(jù)集中包含的壓縮波速、壓縮波衰減、剪切波（切變波）速度和剪切波（切變波）衰減的數(shù)據(jù)。

（2）基于Biot-Stoll 模型，研究了覆蓋在各種基質(zhì)上的單砂層和雙砂層的聲反射。第一，開展單砂層結(jié)構(gòu)的砂質(zhì)沉積物的聲反射問題的研究，獲得了不同掠射角和不同基質(zhì)情況下，層厚1 cm 的單砂層的聲反射損失。第二，通過對單砂層的聲反射仿真結(jié)果分析可知，在正常入射條件下，當(dāng)層厚度等于二分之一或四分之一波長時，會引起反射損失起伏。第三，基于傳遞矩陣方法研究了薄層狀結(jié)構(gòu)介質(zhì)的聲反射問題，計算了不同掠射角度下雙砂層的反射系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，該仿真結(jié)果可能存在由于不同薄層狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致介質(zhì)反射系數(shù)具有較大差異的情況，說明物理性質(zhì)、層數(shù)、層厚度等參數(shù)對海底沉積物聲反射損失測量存在直接影響，本研究更接近實際海底環(huán)境的狀況，可為進(jìn)一步揭示海底聲波傳播機(jī)制和影響聲學(xué)測量的環(huán)境因素提供了技術(shù)和方法。

（3）開展了實驗室高頻聲反射損失測量實驗。實驗數(shù)據(jù)分析表明：第一，參照實際海底沉積環(huán)境，開展垂直入射方式的單層（砂層）和雙層（泥層砂層）結(jié)構(gòu)的沉積物聲反射實驗，并對反射波進(jìn)行了信號提取和功率計算，該分析通過實測數(shù)據(jù)對沉積物聲學(xué)特性進(jìn)行更為精細(xì)研究，其結(jié)果使本研究方法更具環(huán)境適用性。第二，將實驗中反射實測數(shù)據(jù)，與模型預(yù)測結(jié)果和國內(nèi)外文獻(xiàn)中原位測量數(shù)據(jù)集進(jìn)行了分析和對比，結(jié)果表明，本實驗實測值與原位測量值差值（原位測量點海底界面粗糙）基本符合國內(nèi)外文獻(xiàn)報道資料，與聲學(xué)模型聲反射預(yù)測值基本一致。