南黃海中部海底沉積物聲阻抗特性

闞光明，蘇遠(yuǎn)峰，劉保華，李官保，孟祥梅

1.國(guó)家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061

2.國(guó)家海洋局海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061

3.國(guó)家深?；毓芾碇行?，山東 青島 266061

0 前言

海底是聲波在海水中傳播的重要邊界，海底沉積物的聲速、聲衰減系數(shù)、聲阻抗等聲學(xué)特性參數(shù)與海底沉積物物理特性有著密切的關(guān)系。描述二者關(guān)系的海底地聲模型是利用聲學(xué)方法對(duì)海底沉積物物理力學(xué)及工程性質(zhì)進(jìn)行遙測(cè)、反演和評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，在海底資源調(diào)查和開(kāi)發(fā)、海洋工程勘察以及海底穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等方面具有重要的價(jià)值[1-3]。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)海底沉積物聲學(xué)特性與物理力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系進(jìn)行了大量研究：Hamilton[4-5]和 Anderson[6]建立了大陸架和大陸坡沉積物、深海丘陵沉積物、深海盆地沉積物物理力學(xué)性質(zhì)與沉積物聲速之間的關(guān)系，給出了聲速與孔隙度、密度、平均粒度、黏土顆粒含量之間的回歸方程；盧博等[7-8]、唐永祿[9]、鄒大鵬等[10]、潘國(guó)富等[11]、程凈凈等[12]對(duì)我國(guó)南海北部陸架、臺(tái)灣海峽、東海陸架以及南黃海中部等海區(qū)的海底沉積物聲速與沉積物密度、含水量、孔隙度、孔隙比等物理力學(xué)參數(shù)關(guān)系進(jìn)行了研究，建立了多個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式。但上述研究人員主要研究了沉積物聲速、剪切波速等聲學(xué)參數(shù)與沉積物物理參數(shù)之間的關(guān)系，而對(duì)作為沉積物重要聲學(xué)參數(shù)之一的聲阻抗特性則研究很少。

聲阻抗是海底沉積物聲學(xué)特性的主要參數(shù)之一，同時(shí)也是確定和計(jì)算海底反射和透射系數(shù)的主要參數(shù)。沉積物聲阻抗與沉積物物理性質(zhì)參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)回歸方程常常被用來(lái)遙測(cè)和估算沉積物孔隙度、體密度、粒徑等沉積物物理性質(zhì)參數(shù)[13]。許多沉積物聲學(xué)分類系統(tǒng)也是使用回波振幅來(lái)估算海底聲阻抗，進(jìn)而對(duì)海底沉積物類型進(jìn)行遙測(cè)和分類[2-3]。筆者利用在南黃海中部海域獲得的大量海底沉積物樣品及其聲學(xué)特性和物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)該海域海底沉積物聲阻抗特征進(jìn)行分析和研究，揭示研究區(qū)海底沉積物聲阻抗分布規(guī)律，建立聲阻抗與物理力學(xué)參數(shù)的回歸關(guān)系，并對(duì)聲阻抗和聲速與沉積物物理力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行對(duì)比分析，以期能夠?yàn)樵摵Ｓ蚝５壮练e物聲學(xué)特性預(yù)測(cè)或基于聲學(xué)方法對(duì)海底沉積物性質(zhì)進(jìn)行探測(cè)或遙測(cè)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于南黃海中西部（北緯33°46′26.4″-36°20′46.8″，東經(jīng)121°30′51.0″-123°48′55.8″），水深為17～83m，近陸水深較淺，向海變深。研究區(qū)沉積環(huán)境比較復(fù)雜，沉積物物質(zhì)來(lái)源豐富多樣，進(jìn)入黃海中部的物質(zhì)在風(fēng)、浪、環(huán)流和潮流的共同作用下，形成了多種類型的海底沉積物[14-15]。測(cè)區(qū)中部和東部底質(zhì)以粉砂質(zhì)黏土和黏土質(zhì)粉砂為主，西南部靠近蘇北淺灘，以粉砂、細(xì)砂為主，西北部底質(zhì)主要為粉砂質(zhì)砂。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

國(guó)家海洋局第一海洋研究所分別于2009年6月和2010年6月在該南黃海中部海域使用重力取樣器和箱式取樣器開(kāi)展了大規(guī)模海底沉積物取樣。2個(gè)航次共完成沉積物取樣287站位，獲得沉積物柱狀樣品433.0m。重力取樣管內(nèi)襯為直徑110.0 mm、壁厚約2mm的PVC襯管，取得樣品后把PVC管連同沉積物一起從取樣管中取出，兩端封好，做好標(biāo)記。箱式取樣器采集到原狀樣品后，使用PVC管插入到箱式樣中以獲得短柱狀樣，采樣同樣方法將樣品封裝好。重力取樣器獲得的柱狀樣一般較長(zhǎng)，最長(zhǎng)達(dá)3.40m，箱式樣取樣深度一般為0.5～0.6m。航次結(jié)束后，上述樣品從船上搬運(yùn)到恒溫恒濕樣品庫(kù)中，然后進(jìn)行聲學(xué)特性參數(shù)以及物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)測(cè)試。

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣品測(cè)試時(shí)，首先將樣品按要求進(jìn)行截取和分割，一般切割成30cm一段（根據(jù)實(shí)際情況切割長(zhǎng)度有所調(diào)整）。然后將樣品放置在柱狀樣品實(shí)驗(yàn)室測(cè)試平臺(tái)上對(duì)樣品聲速進(jìn)行測(cè)試。聲速計(jì)算公式如下：

式中：c為沉積物樣品聲速，m／s；L為柱狀沉積物樣品長(zhǎng)度，mm；t為聲波穿透時(shí)間，μs；t0為零聲時(shí)修正值，μs。在自行研制的測(cè)量平臺(tái)上使用WSD-3型數(shù)字聲波儀采用透射法進(jìn)行樣品聲速測(cè)量，平臺(tái)的樣品長(zhǎng)度測(cè)量精度為0.1mm，數(shù)字聲波儀的聲時(shí)判讀精度為±0.1μs，完全滿足該實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度的要求[16]。采用3種不同長(zhǎng)度的有機(jī)玻璃棒對(duì)儀器測(cè)量精度進(jìn)行了標(biāo)定，結(jié)果顯示測(cè)量誤差小于1%，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)海底沉積物聲速測(cè)量準(zhǔn)確度為±3%的要求。

測(cè)試完聲速后將樣品從PVC管中推出，然后進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目包括液限、塑限、顆粒成分、密度、含水量、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、壓縮系數(shù)、貫入阻力、抗剪強(qiáng)度等。上述參數(shù)測(cè)量方法可參考文獻(xiàn)[16]，實(shí)驗(yàn)儀器均在標(biāo)定的有效期限內(nèi)，測(cè)量精度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

沉積物聲阻抗是聲速與密度的乘積，其計(jì)算公式如下：

式中：Za為沉積物聲阻抗，kg／（m2·s）或（Pa·s）／m；ρ為沉積物密度，kg／m3。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試過(guò)程中，采用6種不同頻率（25，50，100，150，200，250kHz）的聲學(xué)換能器對(duì)每段樣品進(jìn)行了聲學(xué)性質(zhì)參數(shù)測(cè)量。本文聲阻抗特性討論主要基于以下兩點(diǎn)考慮，選用頻率為100kHz的聲速數(shù)據(jù)，共343組：1）雖然不同頻率的聲阻抗值有所不同，但其分布特征以及與沉積物物理力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系趨勢(shì)基本相同；2）相對(duì)于其他頻率的數(shù)據(jù)，處于中間頻段的頻率為100kHz的聲阻抗數(shù)據(jù)量最多，更具有代表性。

2 研究區(qū)海底沉積物物理力學(xué)性質(zhì)及波阻抗特征

2.1 沉積物物理力學(xué)性質(zhì)

研究區(qū)沉積物主要包括粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂、黏土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)黏土等5種類型，主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。本區(qū)沉積物呈現(xiàn)出分區(qū)域分布特征。研究區(qū)西南部，沉積物以粉砂質(zhì)砂、粉砂、砂質(zhì)粉砂為主，砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)（ws）較高（粉砂質(zhì)砂的ws最高，平均值為54.6%），黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)（wc）較低（粉砂的wc最低，平均值為15.5%），平均粒徑較大；在研究區(qū)東北部，沉積物以粉砂質(zhì)黏土、黏土質(zhì)粉砂為主，多呈流塑狀態(tài)，ws較低（粉砂質(zhì)黏土的ws最低，平均值僅為3.0%），wc較高（粉砂質(zhì)黏土的wc高達(dá)66.0%），平均粒徑較小。

表1 研究區(qū)沉積物物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)與聲學(xué)特性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table1 Statistics of physical-mechanical and acoustic properties of the sediments in the study area

從表1中可以看出，不同類型沉積物的基本物理性質(zhì)參數(shù)差別很大。其中：粉砂質(zhì)砂的密度最大，而含水率和孔隙度最??；粉砂質(zhì)黏土的密度最小，而含水率和孔隙度最大。其余3種類型沉積物的密度、含水率、孔隙度介于粉砂質(zhì)砂和粉砂質(zhì)黏土之間，按照砂質(zhì)粉砂、粉砂、黏土質(zhì)粉砂的順序，密度依次較小，而含水率、孔隙度依次升高。由此，沉積物密度、含水率、孔隙度與粒徑存在密切關(guān)系，隨著粒徑減?。搭w粒變細(xì)），密度減小，而含水率和孔隙度增大。本區(qū)所涉及的沉積物類型中，粉砂質(zhì)黏土的液限、塑限、塑性指數(shù)最大，而粉砂質(zhì)砂的液限、塑限、塑性指數(shù)最小，其余類型沉積物的液限、塑限、塑性指數(shù)介于二者之間。由此，海底沉積物可塑性的指標(biāo)與顆粒粒徑和黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)密切相關(guān)，一般顆粒粒徑小，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，則可塑性好，反之則差。在沉積物力學(xué)性質(zhì)參數(shù)方面，本區(qū)粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂的壓縮系數(shù)均較低，屬于低壓縮性沉積物；而黏土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)黏土的壓縮系數(shù)較高。由此，沉積物的壓縮性大小與其密度和結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，壓縮系數(shù)基本上隨著密度的增大而減小，隨著孔隙度的增大而增大。本區(qū)所涉及的沉積物類型中，粉砂的抗剪強(qiáng)度最大，粉砂質(zhì)黏土的抗剪強(qiáng)度最小，其余類型沉積物的抗剪強(qiáng)度介于二者之間。由此，不同類型沉積物的抗剪強(qiáng)度未呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，與其他物理力學(xué)參數(shù)的依賴關(guān)系也不明顯。

2.2 沉積物聲阻抗及其分布規(guī)律

聲速測(cè)量過(guò)程中同步測(cè)量樣品溫度，其變化范圍為12.2～25.1℃。需要說(shuō)明的是，本文未考慮溫度對(duì)沉積物聲速的影響，聲速數(shù)據(jù)均為測(cè)量時(shí)溫度條件下的沉積物聲速。本文所涉及的沉積物聲速特性均是實(shí)驗(yàn)室常壓下（約為一個(gè)大氣壓）測(cè)得的，因此可以認(rèn)為是在相同壓力環(huán)境下的數(shù)據(jù)。王琪等[17]根據(jù)不同壓力環(huán)境下沉積物聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，在水深小于1000m（10MPa）時(shí)水深對(duì)海底沉積物聲速的影響可以忽略。筆者認(rèn)為，對(duì)于淺層海底沉積物，水深（壓力）對(duì)沉積物聲速的估算可以借鑒海水聲速的計(jì)算公式。對(duì)于本研究區(qū)17～83m的水深變化范圍，根據(jù)Mackenzie[18]公式計(jì)算得出的由水深（壓力）導(dǎo)致的聲速變化非常?。s為1.08m／s）。因此，本文的聲速測(cè)量數(shù)據(jù)未進(jìn)行壓力因素的校正。

本區(qū)聲阻抗值為（2.0651～3.4567）×106kg／（m2·s），與唐永祿[19]報(bào)道的我國(guó)近海海底沉積物聲阻抗值相當(dāng)。不同類型沉積物之間聲阻抗變化規(guī)律與聲速變化規(guī)律相同。其中：粉砂質(zhì)砂的聲阻抗最大，為（2.5617～3.4567）×106kg／（m2·s），平均值為3.0744×106kg／（m2·s）；而粉砂質(zhì)黏土的聲阻抗最小，為（2.0651～2.7029）×106kg／（m2·s），平均值為2.2392×106kg／（m2·s）；砂質(zhì)粉砂、粉砂、黏土質(zhì)粉砂的聲阻抗介于粉砂質(zhì)砂和粉砂質(zhì)黏土之間，平均值分別為3.0088×106kg／（m2·s）、2.8276×106kg／（m2·s）、2.6568×106kg／（m2·s）。

在平面分布上，本區(qū)沉積物聲阻抗呈現(xiàn)出分區(qū)域分布的特征。研究區(qū)西南部為聲阻抗高值區(qū)，其值為（2.8～3.4）×106kg／（m2·s）；研究區(qū)東北部的聲阻抗較低，其值一般小于2.3×106kg／（m2·s）。在聲阻抗高值區(qū)與低值區(qū)之間，存在一走向?yàn)楸蔽?東南向的聲阻抗梯度帶，其值為（2.3～2.8）×106kg／（m2·s）。需要指出的是，雖然本區(qū)的水深也呈現(xiàn)出西南淺而東北深的分布特征，但沉積物聲阻抗的分區(qū)域分布特征與水深并未有直接的關(guān)系，原因在于：1）聲速一般隨水深（壓力）增大而增大，與聲速具有密切對(duì)應(yīng)關(guān)系的聲阻抗也應(yīng)遵循同樣的規(guī)律，而本區(qū)水深大的區(qū)域聲阻抗反而小，因此，二者不存在明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系；2）從本文估算的水深對(duì)沉積物聲速的影響來(lái)看，對(duì)于本區(qū)17～83m的水深變化范圍，不會(huì)引起如此明顯的聲阻抗分布差異。筆者認(rèn)為，不同水深以及其他因素引起的不同沉積環(huán)境，造成海底沉積物類型的分區(qū)域分布特性，這是引起聲阻抗分區(qū)域分布的主要因素。聲阻抗這種分區(qū)域分布的特征與本區(qū)沉積物聲速等聲學(xué)特性以及沉積物類型、密度、含水率等物理性質(zhì)的分區(qū)域分布具有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。研究區(qū)東北部的沉積物聲速和密度較低，其值大都在1480.0m／s和1.6g／cm3以下，而含水率較大，一般高于70%；而在研究區(qū)西南部，沉積物和密度均較高，其值大都在1560.0m／s和1.8g／cm3以上，而含水率一般小于40%。本區(qū)海底沉積物聲阻抗在區(qū)域分布特征上與沉積物密度、含水率等物理參數(shù)的相似性從另一方面也證明了二者之間存在明顯的相關(guān)性。

3 聲阻抗指數(shù)與物理力學(xué)參數(shù)的關(guān)系

為了分析研究區(qū)沉積物聲阻抗與物理性質(zhì)之間的關(guān)系，筆者對(duì)聲阻抗和密度、含水率、孔隙比（e）、孔隙度、液限、塑限、塑性指數(shù)、砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、中值粒徑、壓縮系數(shù)、抗剪強(qiáng)度等參數(shù)分別進(jìn)行回歸分析，將沉積物聲阻抗作為因變量，上述物理參數(shù)作為自變量，采用最小二乘法分別得出了聲阻抗與上述物理參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)回歸方程（表2）。同時(shí)，繪制了沉積物各物理力學(xué)參數(shù)與聲阻抗的二維相關(guān)圖解，如圖1-圖4所示。

3.1 沉積物基本物理參數(shù)與聲阻抗的相關(guān)關(guān)系

圖1為沉積物基本物理參數(shù)與聲阻抗的相關(guān)關(guān)系曲線。從圖1和表2中可以看出，聲阻抗與密度、含水率、孔隙比和孔隙度等沉積物基本物理參數(shù)具有非常好的相關(guān)性，其判定系數(shù)R2均大于0.95。其中：密度與聲阻抗呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，密度越大，聲阻抗越大；而含水率、孔隙比和孔隙度與聲阻抗呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著含水率、孔隙比和孔隙度的增大，聲阻抗減小。沉積物聲阻抗為聲速與密度的乘積，而沉積物聲速在很大程度上與沉積物的可壓縮性有關(guān)，密度越大，孔隙度越小，則沉積物越密實(shí)，其可壓縮性越小，聲速和聲阻抗則越大。含水率、孔隙比、孔隙度等參數(shù)表述的是沉積物的兩相特征，即海底沉積物是由固體骨架和骨架間孔隙中充填的流體組成?；陔p相介質(zhì)彈性波傳播理論的數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，沉積物快縱波速度（即沉積物聲速）隨著孔隙度的增加而減小。因此，作為聲速與密度乘積的聲阻抗，具有與沉積物聲速基本相同的變化趨勢(shì)。

表2 研究區(qū)沉積物聲阻抗與物理力學(xué)性質(zhì)經(jīng)驗(yàn)回歸方程Table2 List of the empirical regression equations between the acoustic impedance and the physical-mechanical parameters of the sediments in the study area

圖1 沉積物基本物理參數(shù)與聲阻抗的相關(guān)關(guān)系Fig.1 Diagrams for the correction between the basic physical properties and the acoustic impedance of sediments

圖2 沉積物可塑性參數(shù)與聲阻抗的相關(guān)關(guān)系Fig.2 Diagrams for the correction between the plasticity properties and the acoustic impedance of sediments

3.2 沉積物可塑性指標(biāo)與聲阻抗的相關(guān)關(guān)系

圖3 沉積物粒度成分參數(shù)與聲阻抗之間的相關(guān)關(guān)系Fig.3 Diagrams for the correction between the grain size parameters of the acoustic impedance of sediments

圖2為沉積物可塑性指標(biāo)參數(shù)與聲阻抗的相關(guān)關(guān)系曲線。從表2中可以看出，液限、塑限和塑性指數(shù)與聲阻抗經(jīng)驗(yàn)回歸公式的判定系數(shù)R2均在0.8以上，表明沉積物上述可塑性指標(biāo)參數(shù)均與聲阻抗具有良好的相關(guān)性。從圖2可以看出，聲阻抗呈現(xiàn)出與液限、塑限和塑性指數(shù)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，即隨著液限、塑限和塑性指數(shù)的增大，聲阻抗減小。沉積物塑性指數(shù)是沉積物液限與塑限之差，指的是沉積物由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種狀態(tài)時(shí)的界限含水率，主要反映了沉積物可塑性的強(qiáng)弱。塑性指數(shù)主要取決于沉積物中黏粒含量以及黏粒礦物的親水性，沉積物中黏粒礦物含量及其親水性越高，其塑性指數(shù)越大，則其聲速和聲阻抗越小。沉積物可塑性指標(biāo)與聲阻抗的相關(guān)關(guān)系和含水率與聲阻抗相關(guān)關(guān)系類似，但同時(shí)受到黏粒礦物含量及其親水性的影響。

3.3 沉積物粒度成分與聲阻抗之間的相關(guān)關(guān)系

圖3為沉積物粒度成分參數(shù)與聲阻抗的相關(guān)關(guān)系。由圖3及表2可以看出：和沉積物基本物理參數(shù)及可塑性參數(shù)與聲阻抗相關(guān)性相比，沉積物粒度成分參數(shù)（砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、中值粒徑）與聲阻抗的相關(guān)性較差，判定系數(shù)R2均小于0.75。其中，沉積物砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與聲阻抗的判定系數(shù)最小，主要原因可能在于測(cè)試樣品主要為黏土質(zhì)沉積物，沉積物砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的沉積物樣品較少，代表性較差。測(cè)試樣品的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，樣品數(shù)量較多，因此，數(shù)據(jù)的相關(guān)性較好。對(duì)比圖3b和圖2c可以看出，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)和塑性指數(shù)與聲阻抗的相關(guān)性趨勢(shì)基本相同；從而也證明了沉積物黏粒礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，其塑性指數(shù)越大，而聲速和聲阻抗越小。圖3c所示的中值粒徑與聲阻抗相關(guān)關(guān)系的判定系數(shù)R2為0.729，總體上較低。沉積物聲阻抗除受沉積物粒徑的影響外，還會(huì)受到粒度分選性、顆粒形狀、顆粒排列狀況和沉積礦物類型等因素的影響。因此，即使粒徑相同的沉積物，其聲阻抗可能相差很大。而且，對(duì)于某一給定粒徑的泥質(zhì)沉積物，固結(jié)（排水）實(shí)驗(yàn)可以在不改變沉積物平均粒徑的情況下降低孔隙度，增加沉積物密度，從而使得聲阻抗增大。

3.4 沉積物力學(xué)性質(zhì)與聲阻抗之間的相關(guān)關(guān)系

圖4為沉積物力學(xué)性質(zhì)參數(shù)與聲阻抗的關(guān)系。由圖4和表2可以看出：沉積物壓縮系數(shù)與聲阻抗具有良好的相關(guān)性，判定系數(shù)R2為0.90；而抗剪強(qiáng)度與聲阻抗的相關(guān)性較差，判定系數(shù)R2只有0.38。壓縮系數(shù)是體積彈性模型的倒數(shù)，反映了沉積物的壓縮性和膨脹性。盧博等[7]認(rèn)為，沉積物只有存在可壓縮性和膨脹性，才有可能使得聲波在沉積物中傳播，在某種意義上，沉積物的壓縮性決定了聲速的變化。因此，壓縮系數(shù)同樣也決定著聲阻抗的變化，二者有著密切的相關(guān)關(guān)系?？辜魪?qiáng)度反映了沉積物的剛性，此參數(shù)與沉積物聲速和聲阻抗的相關(guān)性不強(qiáng)。因此，利用抗剪強(qiáng)度進(jìn)行沉積物聲速和聲阻抗的預(yù)測(cè)或者采用聲阻抗來(lái)遙測(cè)沉積物抗剪強(qiáng)度，將會(huì)帶來(lái)較大誤差。

圖4 沉積物力學(xué)性質(zhì)參數(shù)與聲阻抗相關(guān)關(guān)系Fig.4 Diagrams for the correction between the mechanical parameters and the acoustic impedance of sediments

4 分析與討論

4.1 聲阻抗預(yù)測(cè)公式與聲速預(yù)測(cè)公式對(duì)比分析

沉積物聲阻抗是沉積物聲速與密度的乘積，其與聲速之間關(guān)系密切。圖5所示為聲阻抗與聲速的相關(guān)關(guān)系，二者呈現(xiàn)出線性正相關(guān)關(guān)系，判定系數(shù)R2為0.90，說(shuō)明聲阻抗與聲速相關(guān)性較高。但聲阻抗和聲速是2個(gè)物理含義完全不同的沉積物聲學(xué)特性參數(shù)，聲速反映的是聲波在沉積物中傳播的快慢，而聲阻抗則反映的是沉積物阻止聲波在其中傳播的特性。因此，聲阻抗與沉積物物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系與聲速與沉積物物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系之間存在差異。

圖5 聲阻抗與聲速的相關(guān)關(guān)系Fig.5 Diagrams for the correction between the acoustic impedance and the sound speed

圖6為沉積物密度、液限、壓縮系數(shù)與聲速的相關(guān)關(guān)系圖解，表3為主要物理力學(xué)參數(shù)與聲速的相關(guān)關(guān)系經(jīng)驗(yàn)回歸方程及其判定系數(shù)。分別對(duì)比圖1a和圖6a、圖2a和圖6b、圖4a和圖6c可以看出，相對(duì)于密度、液限、壓縮系數(shù)與聲阻抗的相關(guān)關(guān)系，其與聲速的相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)出更大的離散型，其判定系數(shù)R2分別為0.847、0.860、0.815，均小于密度、液限、壓縮系數(shù)與聲阻抗的判定系數(shù)，其他物理力學(xué)參數(shù)與聲速的相關(guān)性也呈現(xiàn)出相同的規(guī)律性。對(duì)比表2和表3可以看出：表中所列的主要物理力學(xué)參數(shù)與聲阻抗的相關(guān)系數(shù)均大于與聲速的相關(guān)系數(shù)，說(shuō)明這些參數(shù)與聲阻抗具有更好的相關(guān)性，從而也說(shuō)明聲阻抗是一個(gè)能夠更好地反映聲學(xué)特性與物理力學(xué)性質(zhì)關(guān)系的沉積物聲學(xué)特性參數(shù)。所以，在很多應(yīng)用方面，研究人員將聲阻抗作為對(duì)沉積物物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行聲學(xué)遙測(cè)的重要聲學(xué)參數(shù)之一。

表3 研究區(qū)沉積物聲速與物理力學(xué)性質(zhì)關(guān)系經(jīng)驗(yàn)回歸方程Table3 List of the empirical regression equations between the sound speed and the physical-mechanical parameters of the sediments in the study area

圖6 沉積物物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)與聲速的相關(guān)關(guān)系Fig.6 Diagrams for the correction between the physical and mechanical properties and sound speed of sediments

4.2 測(cè)量頻率對(duì)聲阻抗的影響

聲波在沉積物中傳播時(shí)具有一定的頻散現(xiàn)象，聲速一般隨著頻率的增大而增大[16]。圖7為不同類型沉積物聲阻抗與頻率（f）的關(guān)系，圖中，聲阻抗最大的為粉砂質(zhì)砂，最小的為黏土質(zhì)粉砂，砂質(zhì)粉砂介于二者之間。對(duì)于同一類沉積物，每個(gè)頻率點(diǎn)（25，50，100，150，200，250kHz）對(duì)應(yīng)的聲阻抗為該測(cè)量頻率的所有樣品聲阻抗的平均值。從圖中可以看出，不同頻率的聲阻抗不同，說(shuō)明聲阻抗存在一定的頻散性。而且，與聲速的頻散規(guī)律相類似，聲阻抗一般隨著頻率的增大而增大。在上述測(cè)量頻段，黏土質(zhì)粉砂的聲阻抗頻散值為39.207×103kg／（m2·s），粉砂質(zhì)砂和砂質(zhì)粉砂的聲阻抗頻散值分別為58.457×103kg／（m2·s）和54.500×103kg／（m2·s），相比較而言，黏土質(zhì)粉砂的聲阻抗頻散性略小于粉砂質(zhì)砂和砂質(zhì)粉砂的聲阻抗的頻散性。

圖7 聲阻抗與頻率的關(guān)系Fig.7 Diagrams for the correction between the acoustic impedance and the frequency

5 結(jié)論

1）作為海底沉積物聲學(xué)特性主要參數(shù)之一的聲阻抗與沉積物物理力學(xué)性質(zhì)之間存在密切的相關(guān)性。通過(guò)回歸分析，建立了聲阻抗與沉積物主要物理力學(xué)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)回歸方程，給出了判定系數(shù)R2的數(shù)值。本文的研究成果將能夠?yàn)樵摵Ｓ蚝５壮练e物聲學(xué)特性預(yù)測(cè)或基于聲學(xué)方法對(duì)海底沉積物性質(zhì)進(jìn)行探測(cè)或遙測(cè)提供理論依據(jù)。雖然沉積物聲阻抗與聲速之間存在密切的相關(guān)性，但二者與沉積物物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性并不完全相同。聲阻抗與物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性優(yōu)于聲速與物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性，這也是人們往往將聲阻抗作為對(duì)沉積物物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行聲學(xué)遙測(cè)的重要聲學(xué)參數(shù)的原因所在。

2）與沉積物聲速的頻散規(guī)律類似，沉積物聲阻抗存在一定的頻散特性。不同類型沉積物聲阻抗的頻散性不同，粉砂質(zhì)砂和砂質(zhì)粉砂較大，而黏土質(zhì)粉砂較小。因此，可以看出，顆粒較粗、砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的沉積物聲阻抗的頻散性越大，這與沉積物的雙相介質(zhì)特性有關(guān)。聲阻抗的頻散性表明，當(dāng)基于某一測(cè)量頻率的數(shù)據(jù)建立的聲阻抗拓展應(yīng)用于其他頻率時(shí)要謹(jǐn)慎，預(yù)測(cè)方程的泛化推廣需要進(jìn)一步研究。另外，本文僅討論了測(cè)量頻率對(duì)聲阻抗的影響，而未考慮測(cè)量時(shí)樣品溫度的變化對(duì)聲阻抗的影響，溫度對(duì)聲阻抗的影響需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和理論研究。

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