海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)測量技術(shù)評述

孟祥梅，孫蕾

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海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)測量技術(shù)評述

孟祥梅1,2，孫蕾1,2

(1. 海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國家海洋局重點實驗室，國家海洋局第一海洋研究所，山東青島 266061； 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室，山東青島 266061)

由于資源勘探、軍事應(yīng)用、巖土特性聲學(xué)調(diào)查和聲波傳播理論研究等的需要，多年來人們一直在進(jìn)行海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)的測量。對海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)的取樣測量技術(shù)和原位測量技術(shù)進(jìn)行了敘述，分別總結(jié)了兩種測量技術(shù)存在的問題，認(rèn)為下一步有必要發(fā)展海底沉積物低頻聲學(xué)性質(zhì)的直接測量技術(shù)，建議在原位測量海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)參數(shù)的同時測量其他性質(zhì)參數(shù)以便于對比研究，并設(shè)法提高原位測量的工作效率。

海底沉積物；聲學(xué)性質(zhì)；取樣測量；原位測量

0 引言

海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)參數(shù)，例如聲波在沉積物中傳播的速度和衰減，是沉積物聲波傳播理論的基本輸入?yún)?shù)。自從20世紀(jì)50年代以來，為了以下目的，聲波在松散沉積物中傳播的速度和衰減就已被測量[1-9]：(1) 約束低頻地球物理學(xué)數(shù)據(jù)的反演，特別是與油氣勘探有關(guān)的數(shù)據(jù)；(2) 為反潛戰(zhàn)提供地聲學(xué)模型；(3) 測定巖土特性與聲學(xué)特性之間的關(guān)系以支持聲學(xué)調(diào)查技術(shù)；(4) 研究聲波傳播理論公式的正確性；(5) 預(yù)測沉積物的巖土性能；(6) 為高頻散射和穿透模型提供必要的輸入?yún)?shù)。

海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)測量技術(shù)主要分三種，即取樣測量、反射/折射剖面遙測和原位測量。

取樣測量由于技術(shù)簡單，樣品的外界因素如壓力和溫度可控，很長時間內(nèi)一直是海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)測量的主要方法。但由于在取樣、運輸、保存和測試過程中，海底沉積物樣品會受到未知程度的擾動，內(nèi)部結(jié)構(gòu)勢必發(fā)生變化，從而影響聲學(xué)性質(zhì)的測量結(jié)果，而有限的典型樣品尺寸也會限制用于樣品測試的頻率。

大規(guī)模海底沉積物聲速調(diào)查在測量原理上主要有反射波法和折射波法兩種，它是利用人工地震波在地層中的傳播規(guī)律獲取地層信息的方法。測定不同水平距離上的直達(dá)波、反射波和首波的傳播時間，根據(jù)折射定律，計算底質(zhì)中各層的聲速和厚度。由直達(dá)波和反射波的傳播路徑及聲能之差可決定各層沉積物的衰減系數(shù)。反射/折射剖面遙測技術(shù)為測量大體積表層和次表層沉積物的原位聲學(xué)性質(zhì)提供了一個高效的方式。該技術(shù)的弊端是被聲穿透的沉積物體積存在一定程度的不確定性，而采用的數(shù)據(jù)處理技術(shù)需要確定的假設(shè)，這可能限制它們對某些沉積物類型的使用。

原位測量是介于取樣測量和反射/折射剖面遙測之間的一種折衷的技術(shù)，雖然其與遙測技術(shù)相比更具侵入性，但比取樣測量受擾動小。與原位聲波傳播試驗相關(guān)的試樣幾何形狀比實驗室技術(shù)受限制少，而且與遙測技術(shù)相比能更好地描述海底沉積物的聲學(xué)性質(zhì)。

總的來說，反射/折射剖面遙測技術(shù)提供的是大體積地層的平均聲速和衰減系數(shù)的估計，屬于獲取海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)的間接方法，而取樣測量和原位測量屬于直接方法，本文僅對這兩種測量技術(shù)進(jìn)行評述。

1 取樣測量

1.1 聲速和聲衰減測量

在實驗室中通常采用透射法測量沉積物的聲速，測量原理如圖1所示，發(fā)射換能器產(chǎn)生的聲波在海底取得的沉積物樣品中傳播，被另一端的接收換能器接收。在已知樣品長度的情況下，根據(jù)聲波儀記錄的接收信號計算出聲波穿透時間，由式(1)即可得聲速：

其中：V為樣品聲速(m/s)，為樣品長度(mm)，為聲波穿透時間(μs)，1為系統(tǒng)延時(μs)，0為聲時修正值(μs)。

圖1 聲速透射法測量原理圖

Fig.1 Schematic of transmission measurement of acoustic velocity

上述測量方法測量的是海底沉積物樣品垂直方向上的聲速。Richardson[10]發(fā)明的方法測量的是海底沉積物樣品徑向上的聲速和衰減系數(shù)：根據(jù)分別在沉積物巖芯中和充滿蒸餾水的相同巖芯管中傳播的頻率為400 kHz聲波信號(5~10個周期的正弦波)的傳播時間差(D)來測量聲速(，m/s)和衰減系數(shù)(，dB/m)

(3)

其中：w是蒸餾水的聲速(m/s)；是巖芯管的內(nèi)徑(m)；w/s是沉積物蒸餾水中與樣品中透射聲波振幅的接收電壓的比值。另外，多傳感器跟蹤系統(tǒng)[11]及巖芯綜合測試系統(tǒng)[12-16]上帶的P波傳感器也可用來測量海底沉積物樣品徑向上的聲速，方法與Richardson的方法類似。

鄒大鵬等[17]提出了同軸差距衰減測量法(其原理圖如圖2所示)，并推導(dǎo)得出了衰減系數(shù)α的表達(dá)式：

其中：1、2分別為樣品長度為1、2時接收到的聲波信號的聲壓最大幅值。

圖2 同軸差距衰減測量法原理圖

Fig.2 Schematic of coaxial differential distance measurement of acoustic attenuation

1.2 剪切波速測量

在實驗室中，沉積物剪切波速的測量采用多種技術(shù)，包括共振柱、使用石英晶體傳感器的脈沖技術(shù)、壓電陶瓷剪切板或徑向膨脹傳感器、扭轉(zhuǎn)共振柱[18]、扭轉(zhuǎn)周期載荷及多種壓電陶瓷或彎曲元(見Bennell和Taylor-Smith[19]的回顧)。彎曲元可以被懸臂安裝，其中彎曲元的一端被夾緊，允許另一端振動[20-21]或?qū)⑵渥杂傻厍度胍环N柔性材料中[22-23]。懸臂安裝對實驗室測量來說最合適，且自由嵌入對原位應(yīng)用來說更好。

目前在實驗室中通常使用彎曲元法對沉積物的剪切波速進(jìn)行測試(如圖3所示)。試驗時，彎曲元懸臂段被插入試樣中。當(dāng)一端的彎曲元通電而產(chǎn)生彎曲運動時周圍的土體也被迫水平向左右運動。這種運動以波的形式通過土體這一介質(zhì)傳播，到達(dá)另一端時，對端的彎曲元由于周圍土體的運動而產(chǎn)生彎曲變形，由于壓電材料的特殊性質(zhì)，動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，該電信號被電荷放大器接收并放大。用示波器記錄激發(fā)和接收兩種信號。試樣中剪切波波速可用式(5)得出：

其中：V為剪切波速(m/s)；為修正后的試樣高度(mm)，即試樣的高度減去彎曲元插入試樣的高度，為剪切波傳播時間(ms)，即激發(fā)和接收信號的時間差。

圖3 彎曲元法測試沉積物剪切波速示意圖

Fig.3 Schematic of shear wave speed measurement using bending element method

1.3 目前取樣測量技術(shù)存在的問題

從海底取得沉積物樣品進(jìn)行聲學(xué)性質(zhì)測量改變了海底沉積物的賦存環(huán)境，雖然可以通過實驗手段恢復(fù)海底的壓力和溫度等，但是由于海底沉積物并非理想彈性體，其在取樣、運輸、保存和測試過程中產(chǎn)生的形變并不能完全恢復(fù)，這勢必影響聲學(xué)性質(zhì)的測量結(jié)果(見圖4和圖5)。另外，前述聲衰減測量方法換能器與沉積物之間耦合欠佳引起的能量損失、分割樣品造成的擾動、邊界散射的干擾連同上述海底沉積物狀態(tài)的改變使得取樣測量得到的聲衰減系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原位測量的結(jié)果[24](見圖5)。同樣是取樣測量使用不同測量方法測得的剪切波速也不一樣(見表1)。從表1來看，使用超聲波換能器測得的剪切波速明顯偏大，而使用彎曲元和共振柱測得的剪切波速比較一致。

表1 不同取樣測量方法測得的海底沉積物剪切波速比較

* 表示該數(shù)據(jù)為平均值

2 原位測量

2.1 國內(nèi)外原位測量系統(tǒng)

針對海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)參數(shù)的測量問題，國外研究者率先研制了各種原位測量系統(tǒng)，工作時系統(tǒng)被下放到海底，換能器插入沉積物中直接對聲學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測量，獲取相應(yīng)的聲學(xué)參數(shù)。聲速一般根據(jù)測量得到的聲波傳播時間和探針之間的距離來直接計算，或通過與聲波在海水中的傳播相對比而得到。聲衰減系數(shù)通常由不同距離探針間的聲波能量(波形振幅)損失與標(biāo)準(zhǔn)能量(如海水中的振幅)相對比得到。有的測量系統(tǒng)還安裝有剪切波換能器，與聲速和聲衰減的測量原理一致，通過接收到的信號的到達(dá)時間和振幅的變化，計算不同接收換能器之間沉積物的剪切波速度及其衰減。有的測量系統(tǒng)可以附在重力取樣器、活塞取樣器或?qū)ｉT設(shè)計的探針上，通過各個接收換能器接收到信號的到達(dá)時間和振幅差異，計算換能器之間的垂向剖面上沉積物的聲速和衰減系數(shù)。

最早用于海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)原位測量的是安裝有兩個鈦酸鋇傳感器的探針[28]，其由攜帶水中呼吸器的潛水員插入水下沉積物表層以下6 in (15.24 cm)，通過測量兩個傳感器之間聲能脈沖的傳播時間得到原位聲速，隨后又借助深潛器使儀器工作在1200 m水深海底[29]。Allman[30]制作了一種電纜控制水下載體，現(xiàn)場測量沉積物的聲速和聲衰減。Shirley和Anderson[31]制作了附加在普通取樣器上的聲速剖面儀，但取樣器插入海底的初速度約為5 m/s，表層樣品受擾動，換能器和沉積物相對運動較快，彼此耦合弱，降低了沉積物中的信號強(qiáng)度。

早期的工作通過一些原位設(shè)備的發(fā)展和使用得到了加強(qiáng)，這些原位測量系統(tǒng)主要包括美國海軍研制的ISSAMS[32]、夏威夷大學(xué)研制的進(jìn)行沉積物垂直剖面聲學(xué)性質(zhì)測量的Acoustic Lance[33]、新罕布什爾大學(xué)研制的ISSAP[34-35]及華盛頓大學(xué)設(shè)計的SAMS[36]等。

國內(nèi)在海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)原位測量技術(shù)方面要滯后于國外，近些年各單位也開始研制相應(yīng)的測量設(shè)備，如國家海洋局第二海洋研究所研制的實時監(jiān)控多頻海底聲學(xué)原位測試系統(tǒng)[37]、中國科學(xué)院海洋研究所研制的海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)原位測量系統(tǒng)[38]、國家海洋局第一海洋研究所研制的基于液壓驅(qū)動貫入的自容式海底沉積物聲學(xué)原位測量系統(tǒng)[39]和便攜式海底沉積物聲學(xué)原位測量系統(tǒng)[40]等。

表2列出了見諸文獻(xiàn)的海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)原位測量系統(tǒng)的工作參數(shù)及應(yīng)用情況等。從表2來看，大部分原位測量系統(tǒng)測量的是海底水平方向沉積物的聲學(xué)參數(shù)，最大測量深度為1.20 m；Acoustic Lance、SAMS和實時監(jiān)控多頻海底聲學(xué)原位測試系統(tǒng)測量的是海底垂直方向沉積物的聲學(xué)參數(shù)，最大測量深度為8.00 m。表2中所列的12個原位測量系統(tǒng)均可測量海底沉積物的聲速及聲衰減系數(shù)，ISSAMS及SAPPA還可測量海底沉積物的剪切波速度，而ISSAMS也可測量剪切波的衰減系數(shù)。表2中各個原位測量系統(tǒng)測量聲速的工作頻率均在1 kHz以上，其中ISSAP、Attenuation Array、INSEA、海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)原位測量系統(tǒng)、基于液壓驅(qū)動貫入的自容式海底沉積物聲學(xué)原位測量系統(tǒng)和便攜式海底沉積物聲學(xué)原位測量系統(tǒng)的工作頻率均在20 kHz以上(超聲波)，Acoustic Lance的工作頻率均在20 kHz以下。表2中除SPADE外，用于海底水平方向沉積物聲學(xué)性質(zhì)測量的原位測量系統(tǒng)測量聲速的傳感器收發(fā)距離最大為1.27 m，最小為0.10 m，用于海底垂直方向沉積物聲學(xué)性質(zhì)測量的SAMS收發(fā)距離介于1.18 m至2.97 m之間。從應(yīng)用情況來看，表2中的原位測量系統(tǒng)主要用于淺海環(huán)境中海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)的測量。國外原位測量系統(tǒng)中除SAPPA、SPADE和INSEA外其余均已用于海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)的野外調(diào)查。國內(nèi)原位測量系統(tǒng)中基于液壓驅(qū)動貫入的自容式海底沉積物聲學(xué)原位測量系統(tǒng)，由于其通過液壓驅(qū)動貫入，減少了對沉積物的擾動，并可按照預(yù)設(shè)的工作參數(shù)在海底全自動工作，已用于海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)的野外調(diào)查。

表2 國內(nèi)外海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)原位測量系統(tǒng)

*“-”表示未查到該項數(shù)據(jù)。需要注意的是，國內(nèi)外海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)原位測量系統(tǒng)可能會因國防需要資料不公開，表2中僅包含作者搜集到的公開中英文文獻(xiàn)中提到的設(shè)備。

2.2 目前原位測量技術(shù)存在的問題

原位測量與取樣測量相比不改變海底沉積物的賦存環(huán)境，海水是換能器與沉積物之間的天然耦合劑，測量時對沉積物的擾動也小，相比反射/折射剖面遙測更準(zhǔn)確，因此國內(nèi)外一直在競相研制原位測量系統(tǒng)。但是，目前的原位測量系統(tǒng)大多僅能進(jìn)行海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)的測量，不能同時進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)的測量，與取樣測量相比，不便于海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)與物理力學(xué)性質(zhì)的對比研究。另外，除中國科學(xué)院海洋研究所研制的原位測量系統(tǒng)實現(xiàn)了拖行式連續(xù)測量[56-57]外，其余原位測量系統(tǒng)一次僅能測量一個站位海底沉積物的聲學(xué)性質(zhì)，不便于進(jìn)行大范圍海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)調(diào)查。目前國內(nèi)的原位測量系統(tǒng)中除實時監(jiān)控多頻海底聲學(xué)原位測試系統(tǒng)有多個工作頻率外，其余原位測量系統(tǒng)的工作頻率只有一個，不利于測量結(jié)果的應(yīng)用。

3 總結(jié)

目前來看，無論是取樣測量技術(shù)還是原位測量技術(shù)，受樣品尺寸或原位測量系統(tǒng)尺寸限制，測試頻率一般都較高。由于聲波在海底沉積物中傳播衰減的非線性，取樣測量或原位測量測得的聲衰減數(shù)據(jù)無法應(yīng)用于低頻的油氣勘探或地聲學(xué)模型，反射/折射剖面遙測技術(shù)的測試頻率雖然較低，但是屬于間接方法，有必要發(fā)展海底沉積物低頻聲學(xué)性質(zhì)的直接測量技術(shù)。另外，為了促進(jìn)海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)原位測量數(shù)據(jù)在巖土特性聲學(xué)調(diào)查中的應(yīng)用，應(yīng)在測量聲學(xué)性質(zhì)參數(shù)的同時測量海底沉積物的其他性質(zhì)參數(shù)進(jìn)行對比研究，并進(jìn)一步發(fā)展類似于拖行式連續(xù)測量的原位測量系統(tǒng)以提高測量效率。

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Measurement techniques of acoustic properties of marine sediments: a review

MENG Xiang-mei1,2, SUN Lei1,2

(1. Key Laboratory of Marine Sedimentology and Environmental Geology, First Institute of Oceanography, SOA, Qingdao 266061, Shandong,China;2. Laboratory for Marine Geology, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266061, Shandong, China)

Due to the needs of resources exploration, military application, acoustic survey of geotechnical characteristics, research on acoustic wave propagation theory etc, the measurements of acoustic properties of marine sediments have been conducted for years. The sampling measurement technique and in-situ measurement technique of acoustic properties of marine sediments are reviewed herein, and the problems of the two measurement techniques above are summarized respectively. It is considered that developing the direct measurement techniques for acoustic properties of marine sediments at low frequencies is necessary next. To facilitate the contrastive study of acoustic properties and other properties of marine sediments, it is suggested that the measurements of other properties as well as acoustic properties of marine sediments in situ should be conducted. The in-situ measurement’s efficiency should also be improved.

marine sediments; acoustic properties; sampling measurement; in-situ measurement

P714+.8

A

1000-3630(2016)-04-0281-08

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.04.001

2015-12-02;

2016-02-05

海洋公益性行業(yè)科研專項(201405032); 國家自然科學(xué)基金資助項目(41406073, 41527809)

孟祥梅(1981－), 女, 山東濟(jì)南人, 博士, 研究方向為海底沉積物聲學(xué)。

孟祥梅, E-mail: mxmeng@fio.org.cn