環(huán)境條件變化對海底沉積物實驗室聲速測量結果的影響＊

李官保，闞光明，孟祥梅，劉保華，韓國忠

（1.國家海洋局 第一海洋研究所，青島266061；2.國家海洋局 海洋沉積與環(huán)境地質重點實驗室，青島266061）

海底沉積物聲速是海底測量的重要參數(shù)之一，在海洋工程、海洋科研和海洋軍事等領域都有重要的應用價值。獲取海底沉積物聲速的手段主要有原位測量和實驗室測量兩種。實驗室測量的海底沉積物樣品由于脫離了海底環(huán)境，其基本物理性質可能會發(fā)生不同程度的改變，從而引起聲速測量值偏離真實聲速，這也是原位測量技術受到關注的重要原因。我國原位聲學測量技術在近年來有了很大的發(fā)展［1-3］，但由于原位測量設備不能廣泛應用，開展大規(guī)模原位聲學調查的設備條件尚未完全具備，因此實驗室測量仍然是當前獲取海底沉積物聲速的主要手段。

在此情況下，研究實驗室內沉積物樣品相對于原位狀態(tài)的改變及其對聲速測量值的影響顯得十分必要，兩者之間關系的建立是基于實驗室測量結果進行原位聲速預測的依據(jù)。鄒大鵬等［4］在實驗室內通過改變測量溫度環(huán)境的方式研究了溫度變化對聲速測量值的影響，但由于缺少了原位數(shù)據(jù)的對比，因此并未論及其他物理性質的變化情況。2009—2010年國家海洋局在南黃海完成了海底沉積聲學調查，其間不僅進行了沉積物聲學性質的原位測量和實驗室測量，而且還在船上實驗室和陸地室內實驗室分別進行了沉積物物理性質的測量。根據(jù)上述實測數(shù)據(jù)，分析了沉積物樣品從海底到實驗室環(huán)境中物理性質的改變以及沉積物聲速測量值的差異，并探討了兩者之間的相互關系。

1 數(shù)據(jù)來源與測量方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

國家海洋局第一海洋研究所先后于2009-06和2010-06執(zhí)行了2個海底沉積聲學調查航次（SA2009和SA2010）。調查區(qū)位于南黃海中部海域（圖1），水深15～80m，底質以粉砂質粘土和粘土質粉砂為主，西南部靠近蘇北淺灘，以細砂為主。2個航次共在303個站位進行了海底沉積物柱狀取樣，在其中的104個站位完成了原位聲學測量。樣品采集后，在有的站位直接將其密封保存，其他站位則首先截取一部分在船上實驗室進行了聲速、濕密度和含水率測量，然后將剩余部分密封保存。所有保存的樣品在航次結束后搬運到中國大洋樣品館的常溫實驗室內存放，并在之后的半年內在室內實驗室陸續(xù)完成了聲學性質、物理性質、土力學性質等參數(shù)的測量。104個原位測站涵蓋了從細砂到粘土等各種底質類型，原位系統(tǒng)超過25kN 的貫入力保證了可在幾乎所有底質條件下正常工作。但是，海底重力取樣受底質條件限制較大，因此并非所有站位均取得了足夠長度的沉積物柱狀樣品用來進行實驗室聲速測量；而且由于海上作業(yè)量大，并非所有取得了柱狀樣品的站位都進行了船上實驗室聲速測量。經過整理，共有70個站位同時測量了原位和船上實驗室聲速，其中53個站位還在室內實驗室測量了聲速，而在船上和陸地實驗室內同時測量了沉積物樣品聲速的站位有131個（圖2）。圖2中底圖表示研究區(qū)底質類型［5］：FS：細砂；TS：粉砂質砂；ST：砂質粉砂；T：粉砂；YT：粘土質粉砂；TY：粉砂質粘土；S-T-Y：砂-粉砂-粘土。

圖1 研究區(qū)地理位置（陰影區(qū)）Fig.1 Location of the study area（Shaded area）

圖2 站位圖Fig.2 Stations

1.2 測量方法

圖3 實驗室聲學裝置實物圖Fig.3 Portrait of the laboratory sediment acoustic instrument

1）原位聲速測量方法：沉積物聲學特性的原位測量采用國家海洋局第一海洋研究所研制的基于液壓驅動貫入的自容式海底沉積聲學原位測量系統(tǒng)，系統(tǒng)原理與組成詳見文獻［6］。該原位測量系統(tǒng)與CTD 剖面儀比測海水聲速的測量誤差在0.5%以內。

2）實驗室聲速和物理性質測量方法：沉積物聲學特性的實驗室測量采用自制的樣品聲學測量裝置，該裝置由數(shù)字聲波儀、測量平臺和多組換能器組成，基于透射法測量樣品的聲學特性參數(shù)（圖3）。按照30cm 把樣品分割成段，分別測量其聲速，采用最表層段的聲速用以對比。發(fā)射換能器產生的高頻聲波沿每段樣品的軸向傳播，被另一端的接收換能器接收，測量平臺上的滑動標尺可以測定樣品長度，根據(jù)聲波走時、幅度和樣品長度來計算聲速。聲速測量主要參數(shù)：（1）發(fā)射波形：脈沖波；（2）換能器主頻：25kHz；（3）采樣率：5 MHz；（4）記錄長度：2k（采樣點）；（5）重復測量次數(shù)：2次。在物理性質參數(shù)中，含水率測量采用烘干法，濕密度測量采用環(huán)刀法。以下為便于描述，對于在船上實驗室和室內實驗室測量的聲速和物理性質參數(shù)分別對應地稱為甲板聲速、含水率、濕密度和室內聲速、含水率和濕密度。

2 原位和實驗室環(huán)境下測量的聲速和物理性質的比較

2.1 沉積物聲速

圖4a和圖4b分別顯示了沉積物甲板聲速與原位聲速、室內聲速與甲板聲速的對比情況。由圖可知，從原位聲速、甲板聲速到室內聲速，總體上是逐漸增大的；并且在沉積物聲速較高的站位，3種聲速測量值相互之間的差值大于聲速較低的站位。

圖4 原位與實驗室測量的沉積物聲速比較Fig.4 Comparison of the sediment acoustic velocities measured in situ and onshore methods

2.2 沉積物物理性質

調查中未直接測量原位狀態(tài)下沉積物的物理性質。沉積物取樣后直接在船上實驗室測量，由于調查區(qū)水深小，而且樣品搬運距離和時間均較短，因此測得的物理性質可以近似為原位物理性質。甲板濕密度和含水率與室內濕密度和含水率的對比（圖5）可知，從甲板到室內，沉積物的物理性質發(fā)生了較明顯的改變，室內的濕密度較甲板濕密度總體上有增大的趨勢，而室內含水率較甲板含水率則總體上有減小的趨勢，這與通常認為的沉積物在搬運和長期保存過程中會發(fā)生水分流失、不斷壓實的現(xiàn)象相符。根據(jù)樣品平均粒徑的分類統(tǒng)計表明，顆粒較粗的沉積物其物理性質的改變程度超過顆粒較細的沉積物。

圖5 甲板和室內測量的沉積物物理性質比較Fig.5 Comparison of the sediment wet density and water content measured shipboard and in onshore laboratory

2.3 沉積物溫度

沉積物樣品溫度實驗室溫度環(huán)境的影響，與海底環(huán)境下的溫度有明顯差異。圖6a記錄了幾個站位的沉積物從原位到船上實驗室的溫度變化過程，其中原位溫度采用CTD 剖面儀記錄的底層海水的溫度，可以看到溫度總體上是逐漸升高的，幅度最大近8 ℃。圖6b是甲板聲速測量和室內聲速測量時的溫度對比，也可以看出兩者有明顯的不同，由于室內測量主要在夏秋兩季進行，室內溫度多數(shù)較甲板溫度為高。

圖6 沉積物從原位到實驗室的溫度變化Fig.6 Changes of sediment temperature from the in-situ state to the shipboard and onshore laboratories

3 討 論

3.1 沉積物溫度改變對實驗室聲速的影響

圖7 甲板聲速比與原位聲速比的比較Fig.7 Comparison between the shipboard-measured and in-situ-measured acoustic velocity ratios

溫度是影響沉積物聲速的重要因素，Hamilton［7-8］認為沉積物中孔隙水的聲學特性對于溫度的變化最為敏感，也是控制沉積物聲學特性隨溫度變化的主要因素。他發(fā)現(xiàn)標準測量環(huán)境（23 ℃、1個標準大氣壓）下的沉積物聲速和海水聲速之比（聲速比）近似等于海底原位狀態(tài)下的聲速比。鄒大鵬等［4］則根據(jù)實驗結果對該認識加以推廣，提出任意溫度下測量的沉積物聲速比均近似等于原位聲速比。因此聲速比可近似認為是不隨溫度變化的常量，據(jù)此可以進行試驗室聲速的溫度校正。

調查中有4個站位同時測量了水深、CTD 底層水聲速和溫度、沉積物原位聲速、樣品甲板聲速以及測量時的溫度，因此可以計算出甲板聲速比（甲板聲速與對應海水聲速的比值）和原位聲速比，計算中甲板聲速對應的海水聲速的計算基于甲板聲速的對應測量溫度和Mackenzie公式［9］。計算結果表明這4 個站位的甲板聲速比和原位聲速比非常接近（表1，圖7）。為了彌補調查中CTD 剖面測量站位較少，多數(shù)原位測站中未獲得底層海水的聲速的缺憾，采用了一種替代性方法，即根據(jù)南黃海夏季底層水溫等值線分布圖［10］來插值推算各原位測站對應位置上的底層水溫，然后根據(jù)Mackenzie公式計算底層海水聲速，用來計算各站位的原位聲速比。各站位的甲板聲速比與原位聲速比的對比見圖7，兩者有較好的吻合，表明甲板聲速比與原位聲速比之間的關系符合Hamilton模型，甲板聲速與原位聲速之間的差異可以歸因為溫度的改變，通過對甲板聲速進行溫度校正可以較好地預測原位聲速。

同理，分別計算了各站位沉積物甲板聲速和室內聲速的聲速比，兩者比較發(fā)現(xiàn)（圖8a）。圖8中，Φ 為平均粒徑。室內聲速比與甲板聲速比有較大差異，總體上前者大于后者。這表明，樣品溫度的改變不足以解釋室內聲速和原位聲速之間的差異，直接根據(jù)Hamilton模型對室內聲速進行溫度校正不能很好地預測原位聲速。

圖8 甲板聲速比和室內聲速比的比較Fig.8 Comparison between the shipboard-measured and laboratory-measured acoustic velocity ratios

表1 4個站位預測和實測的原位聲速Table 1 The in-situ acoustic velocities predicted and measured at four stations

3.2 沉積物物理性質改變對實驗室聲速的影響

海底沉積物是一種含流體的孔隙介質，聲波在其中的傳播受到沉積物的結構和組成等性質的影響。對大量實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析表明，沉積物聲速與其物理性質有很好的相關關系［11-12］。就濕密度和含水率而言，表現(xiàn)為，隨著沉積物密度的增大、孔隙度的減小，聲速相應地會增大。實際測量的室內密度和含水率分別較甲板濕密度和含水率有增大和減小的趨勢，而室內聲速也較甲板聲速總體上增大，即便對消除了溫度的影響的聲速比相比較，室內聲速比也多較甲板聲速比為大，這與前人的統(tǒng)計結果相吻合，也說明在根據(jù)室內聲速進行原位聲速預測時，應該考慮樣品物理性質相對于原位狀態(tài)改變的影響。

Jackson &Richardson［12］根據(jù)實測數(shù)據(jù)建立了聲速比分別與密度、孔隙度和中值粒徑等參數(shù)的經驗公式。由于密度和含水量等均有變化，因此嘗試利用最小二乘法建立了室內聲速比與室內密度和含水量的雙參數(shù)經驗公式：

式中，VpR 為室內聲速比；ρ為室內密度；ω 為含水量。

將實測甲板密度和含水量代入公式（1）可以計算出校正的室內聲速比，與實測甲板聲速比相比較（圖8b）可知，經過濕密度和含水率校正后的室內聲速比與甲板聲速比的對應關系較圖中有了明顯改善，印證了濕密度和含水率的改變是造成室內聲速偏離原位聲速的重要因素。

同時也應注意到，校正的室內聲速比與甲板聲速比線性關系的離散性仍較強，這可能與沉積物的顆粒組成有關，圖8b中顯示中值粒徑大的沉積物的聲速比離散性更大，表明細粒沉積物的狀態(tài)較原位狀態(tài)保持的較好，而顆粒較粗的沉積物，其水分和結構容易因外部過程而發(fā)生不同程度的改變。

4 結 語

對南黃海沉積聲學調查的實測數(shù)據(jù)的分析表明，沉積物在室內實驗室測量時往往較原位狀態(tài)發(fā)生了較大的改變，不僅是溫度，還包括濕密度、含水率等基本的物理性質，從而影響到聲速的測量結果，難以僅僅通過溫度校正來恢復原位聲速，而是應該同時考慮物理性質改變的影響；相對而言，沉積物取樣后直接在船上實驗室測量聲速，可以很好地根據(jù)Hamilton模型通過溫度校正來預測原位聲速。因此對于獲取的沉積物樣品立即在船上實驗室進行聲速測量更有利于恢復原位聲速。

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［1］ TAO C H，JIN X B，JIN X L，et al.Development of multi-frequency in-situ marine sediment geoacoustic measuring system ［J］.Acta Oceanologia Sinica，2006，28（2）：46-50.陶春輝，金肖兵，金翔龍，等.多頻海底聲學原位測試系統(tǒng)研制和試用［J］.海洋學報，2006，28（2）：46-50.

［2］ GUO C S，LI H Y，CHENG X Y，et al.A design on an equipement for measuring acoustic properties of seafloor sediment［J］.Marine Sciences，2009，33（12）：73-78.郭常升，李會銀，成向陽，等.海底底質聲學參數(shù)測量系統(tǒng)設計［J］.海洋科學，2009，33（12）：73-78.

［3］ KAN G M，LIU B H，HAN G Z，et al.Application of in-situ measurement technology to the survey of seafloor sediment acoustic properties in the Huanghai Sea［J］.Acta Oceanologia Sinica，2010，32（3）：88-94.闞光明，劉保華，韓國忠，等.原位測量技術在黃海沉積聲學調查中的應用［J］.海洋學報，2010，32（3）：88-94.

［4］ ZOU D P，WU B H，LU B，et al.A study on correction of acoustic velocity in seafloor sediments measured in laboratory［J］.Journal of Tropical Oceanography，2008，7（1）：27-31.鄒大鵬，吳百海，盧博，等.海底沉積物聲速實驗室測量結果校正研究［J］.熱帶海洋學報，2008，7（1）：27-31.

［5］ ZHANG H T，ZHANG X H，WEN Z H，et al.Geological and geophysical map series of eastern China seas and adjacent regions（1：1 000000）［M］.Beijing：Ocean Press，2011.張洪濤，張訓華，溫珍河，等.中國東部海區(qū)及鄰域地質地球物理系列圖（1：100萬）［M］.北京：海洋出版社，2011.

［6］ KAN G M，LIU B H，ZHAO Y X，et al.Self-contained in situ sediment acoustic measurement system based on hydraulic-driving Penetration［J］.High Technology Letters，2011，17（3）：311-316.

［7］ HAMILTON E L.Prediction of in situ acoustic and elastic properties of marine sediments［J］.Geophysics，1971，36（2）：266-284.

［8］ HAMILTON E L.Compressional-wave attenuation in marine sediments［J］.Geophysics，1972，37（4）：620-646.

［9］ MACKENZIE K V.Nine-term equation for sound speed in the oceans［J］.Journal of the Acoustical Society of America，1981，70（3）：807-812.

［10］ SU J L.Hydrology in the China Seas［M］.Beijing：Ocean Press，2005.蘇紀蘭.中國近海水文［M］.北京：海洋出版社，2005.

［11］ JACKSON D R，RICHARDSON M D.High-frequency seafloor acoustics［M］.New York：Spinger，2007.

［12］ RICHARDSON M D，BRIGGS K B.In-situ and laboratory geoacoustic measurements in soft mud and hard-packed sand sediments：implications for high-frequency acoustic propagation and scattering［J］.Geo-Marine Letters，1996，16（3），196-203.