海底沉積物的基本地聲結(jié)構(gòu)與地聲模型

鄒大鵬 ，伍智林，孫晗 ，劉偉 ，紀(jì)軒榮 ，肖體兵

(1. 廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2. 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所 聲場(chǎng)聲信息國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；3. 廣東工業(yè)大學(xué) 省部共建精密電子制造技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510006)

1 引言

海底沉積物聲學(xué)特性空間結(jié)構(gòu)分布是影響水下聲場(chǎng)的重要因素之一，所有海底聲學(xué)探測(cè)都與海底沉積物的聲學(xué)特性及其聲速剖面有關(guān)，或涉及淺表層地聲模型，或涉及深層地聲模型。地聲模型可以提供海底聲速、密度、聲衰減系數(shù)和分層特征等地聲屬性，在聲場(chǎng)預(yù)報(bào)、匹配場(chǎng)定位、地聲反演中十分重要[1-4]。通過(guò)聲學(xué)遙測(cè)[5-9]、理論分析[10-12]、實(shí)驗(yàn)室聲學(xué)測(cè)量[13-19]和原位聲學(xué)測(cè)量[20-23]等方法，開(kāi)展海底沉積物聲學(xué)與物理特性分析和地聲參數(shù)反演研究，嘗試建立適用于不同測(cè)量頻率、不同埋深的海底聲速剖面，為各種應(yīng)用提供海底沉積物地聲模型[12-15]，越來(lái)越成為海洋聲學(xué)探測(cè)基礎(chǔ)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

地聲反演和聲場(chǎng)預(yù)報(bào)中通常將海底聲速剖面分為沉積物層和基底層的兩層模型[1-8]，又根據(jù)不同需要把沉積物層等效分成深度不等的一至多層結(jié)構(gòu)；對(duì)于各層聲速，既有采取等聲速結(jié)構(gòu)[1,3-6]，也有采取不等聲速結(jié)構(gòu)[2,8]。這種采取等效方法簡(jiǎn)化建立的地聲模型，為聲場(chǎng)傳播分析和地聲反演帶來(lái)方便。李夢(mèng)竹等[1]指出負(fù)躍層起伏環(huán)境下的高聲速海底的聲學(xué)反演，可以采取單層等聲速海底地聲模型代替兩層結(jié)構(gòu)，與小于海底特征角的海底掠射聲場(chǎng)等效模型相似[7]。尚爾昌[8]指出，建立在假設(shè)地聲模型之上的反演得到的海底地聲參數(shù)并非介質(zhì)本身的固有參數(shù)，海底衰減系數(shù)的頻率特性會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的畸變。周志愚等[9]利用全反射射線法和折射法，獲得南海淺海垂直聲速剖面，指出海底表層存在低聲速層，隨著埋深增加既有等聲速結(jié)構(gòu)，也存在非等聲速層結(jié)構(gòu)，同時(shí)指出海底溫度變化對(duì)表層聲速具有影響性。Buckingham[10]基于VGS模型計(jì)算兩層和3層海底的聲速剖面，得出即使物理參數(shù)不隨埋深變化，壓縮波速度和剪切波速度都隨著深度增大而增大。實(shí)際地聲模型復(fù)雜多樣，既有低聲速結(jié)構(gòu)也有高聲速結(jié)構(gòu)，抑或兩者交錯(cuò)出現(xiàn)[12-15]。因此，水聲探測(cè)和地聲反演采用的等效地聲模型，其存在的分層及聲速剖面選擇問(wèn)題，即等效地聲模型與實(shí)際地聲模型的相互關(guān)系以及簡(jiǎn)化依據(jù)問(wèn)題，需要更為深入研究得以明確。

Hamilton[13-14]運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法研究海底沉積物樣品的各物理參數(shù)之間的關(guān)系以及與聲速和聲阻抗的關(guān)系，建立大陸架、大陸坡、深海平原的聲學(xué)特性回歸模型，基于地聲梯度建立地聲模型，被廣泛借鑒和參考。盧博[15]基于樣品分析研究中國(guó)東南沿海尤其是南海海底沉積物聲學(xué)特性，指出基于沉積物/海水聲速比和沉積物壓縮波/剪切波聲速比將海底劃分為液態(tài)海底、半固態(tài)海底和固態(tài)海底，在Hamilton地聲模型基礎(chǔ)上提出南海海域的3種海水-沉積物聲速結(jié)構(gòu)。這些根據(jù)取樣測(cè)量獲得的聲速結(jié)構(gòu)往往屬于海底表層、淺層聲速剖面，在各自海域具有直接指導(dǎo)性[13-19]。Li等[20]通過(guò)海底原位測(cè)量獲得南海海底1.4 m范圍內(nèi)的低聲速層、等聲速結(jié)構(gòu)，與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的聲速剖面具有相似性。Kim等[21]比較原位和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量獲得海底沉積物聲速分布，指出溫度、壓力、頻率等不同導(dǎo)致聲速剖面存在差異，可以進(jìn)行修正?；诤５自粶y(cè)量表明，海底既有等聲速層結(jié)構(gòu)[20-22]，也有隨著埋深增大的不等聲速層結(jié)構(gòu)[22-23]。上述測(cè)量研究表明，沉積歷史和沉積過(guò)程變化導(dǎo)致海底聲速剖面非常復(fù)雜，也因?yàn)楦鞣N聲學(xué)測(cè)量技術(shù)存在尺度不同和方法差異，導(dǎo)致建立的地聲模型不一致。隨著海底聲學(xué)探測(cè)向著深遠(yuǎn)海、海底深層、高精度、高效率的方向的不斷發(fā)展，如何為不同測(cè)量應(yīng)用提供具有一致性解釋和相互借鑒的地聲模型，一直以來(lái)都是亟需探討解決的難點(diǎn)。

本文通過(guò)探討地聲模型的基本組成與建立方法，分析南海海底表層沉積物樣品的密度、孔隙度與聲速變化關(guān)系，提出地聲模型的4種基本聲速結(jié)構(gòu)，通過(guò)基本聲速結(jié)構(gòu)的組合構(gòu)建和解釋現(xiàn)有的地聲模型；通過(guò)分析頻散特性和環(huán)境溫度與壓力對(duì)聲速剖面的影響性，提出將實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法建立的地聲模型應(yīng)用于不同測(cè)量方法時(shí)，進(jìn)行修正和對(duì)比，得到地聲模型的解釋一致性，為海底聲學(xué)探測(cè)應(yīng)用的各種地聲模型提供建立依據(jù)。

2 地聲模型的基本組成與基本結(jié)構(gòu)

2.1 地聲模型的基本組成

如圖1所示，海平面、海底面和基底面是物質(zhì)交換、溫度交換和沉積形態(tài)變化的3個(gè)重要界面，也是海洋3個(gè)最主要的聲學(xué)特性傳播界面。在底層海水、沉積歷史和自身重力等綜合作用下[24-28]，海底沉積物在海底不同埋深處形成復(fù)雜的分層特征，其特點(diǎn)主要有：各層既以無(wú)機(jī)質(zhì)為主，又可能含有一定量的有機(jī)質(zhì)；既包含硅質(zhì)沉積物，也可能包含碳酸鹽沉積物；既是海水飽和的兩相介質(zhì)沉積物，也可能因滲漏氣體存在成為固液氣三相混合的沉積物；還可能因?yàn)榛旌县悮ぁ⒂蜌?、可燃冰、多金屬結(jié)核等而成為多物質(zhì)混合狀態(tài)。具體應(yīng)用時(shí)，需根據(jù)以上組成成分、類型、混合狀態(tài)而劃分為更為細(xì)致的分層。以當(dāng)前取樣測(cè)量[13-19, 29-31]和原位測(cè)量[20-23,32-34]為參考，海底沉積物通?？梢苑譃楸韺樱?～3 m埋深）、淺層（3～10 m埋深）和深層海底沉積物（10 m以深至巖石層），部分海域深層海底沉積物可以深達(dá)千米[28]。

圖1 海底沉積物基本分層結(jié)構(gòu)Fig. 1 Basic layered structure of seafloor sediments

海底沉積物的聲速、聲衰減系數(shù)、密度隨著海底埋深的分布結(jié)構(gòu)，通常用地聲模型表征?？紤]到海底探測(cè)需求，根據(jù)已有的海底聲速結(jié)構(gòu)和地聲模型的研究，得到地聲模型的基本組成如下：

（1）聲速結(jié)構(gòu)-壓縮波波速（通常稱之為聲速）隨著埋深深度的變化關(guān)系，即聲速剖面；表示成壓縮波與埋深深度的梯度關(guān)系，即為聲速梯度；

（2）密度結(jié)構(gòu)-密度與埋深深度的關(guān)系，即密度剖面；表示成密度與埋深深度的梯度關(guān)系，即為密度梯度；

（3）空間結(jié)構(gòu)-海底沉積物的埋深分層特征和水平分布范圍；

（4）聲衰減結(jié)構(gòu)-壓縮波衰減系數(shù)（通常稱之為聲衰減）與埋深深度的關(guān)系，即聲衰減剖面；表示成壓縮波衰減系數(shù)隨著埋深的梯度關(guān)系，即為聲衰減梯度；

（5）剪切波速度結(jié)構(gòu)-剪切波速度與埋深深度的關(guān)系，即剪切波速度剖面；也可以表示成剪切波速度隨著埋深的梯度關(guān)系，即為剪切波速度梯度。

其中，前3項(xiàng)包含海底分層的聲速剖面和密度剖面，構(gòu)成地聲結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)建海底聲阻抗剖面，是一種基本地聲模型關(guān)系。增加后兩項(xiàng)可以構(gòu)建擴(kuò)展后的地聲模型。

Hamilton[13]指出，建立地聲模型還需要考慮海底沉積物層和巖石層的類型、分層厚度和形狀以及彈性性質(zhì)如彈性模量、剪切波衰減系數(shù)與埋深深度的關(guān)系等，更廣泛意義的地聲模型還包括沉積歷史、沉積環(huán)境等參數(shù)。但在具體建立地聲模型時(shí)，很難獲得如此多的資料和數(shù)據(jù)，實(shí)際的地聲模型具有多層狀態(tài)、三維結(jié)構(gòu)、各向異性等特性，過(guò)于復(fù)雜，需要根據(jù)需求進(jìn)行簡(jiǎn)化。通過(guò)研究地聲模型的基本結(jié)構(gòu)，在應(yīng)用時(shí)結(jié)合少量測(cè)量數(shù)據(jù)以及預(yù)報(bào)方法，可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)建區(qū)域性的地聲模型。

2.2 地聲模型的4種基本地聲結(jié)構(gòu)

考慮到水聲探測(cè)的普遍性應(yīng)用，以下針對(duì)地聲模型最基本的3項(xiàng)組成，以壓縮波波速為主，研究地聲模型的基本結(jié)構(gòu)，即地聲結(jié)構(gòu)。在地聲結(jié)構(gòu)研究中，只包括海底沉積物的聲速剖面和密度剖面，未考慮聲衰減剖面和剪切波速度剖面，主要原因有：（1）海底沉積物的聲衰減特性雖然決定著測(cè)量聲波在海底傳播的能量、強(qiáng)度與距離，剪切波可以表征底質(zhì)結(jié)構(gòu)，卻都非海底地聲模型劃分的決定因素；（2）海底沉積物的聲衰減特性和剪切波在實(shí)驗(yàn)室中的測(cè)量精度都低于聲速測(cè)量，仍需深入研究不同測(cè)量方法在較寬聲波頻率范圍內(nèi)精確性的關(guān)系才能建立更為準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)模型。

根據(jù)每一層上表面沉積物聲速cpis與底層海水聲速c0比較，定義為低聲速表面和高聲速表面，表達(dá)如式（1）；考慮到每層之間存在層間聲速差異，通過(guò)比較每一層上表面沉積物聲速cpis與上一層下底面沉積物聲速cpjb的大小，定義分成高聲速層和低聲速層，表達(dá)如式（2）；考慮到每一層內(nèi)存在聲速變化狀態(tài)因素，根據(jù)每一層聲速梯度gcpi與聲速梯度閾值gth0的比較，可以分為聲速緩慢變化型和聲速增大類型聲速梯度，定義表達(dá)如式（4）：

式中，cp為聲速（即壓縮波波速，單位：m/s）；gcpi為聲速梯度（即壓縮波波速梯度，單位：s-1）；h為沉積物層厚度（單位：m），下標(biāo)s、b、i、j、th0分別表示表層、底層、第i層、第i-1層、閾值，其中，i≥2。當(dāng)i=1時(shí)對(duì)應(yīng)著海底表層第1層，此時(shí)與底層海水c0的聲速進(jìn)行比較。

基于以上對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出4種地聲模型的基本結(jié)構(gòu)：（1）低聲速表面-聲速緩慢變化類型；（2）低聲速表面-聲速增大類型；（3）高聲速表面-聲速緩慢變化類型；（4）高聲速表面-聲速增大類型。以上4種基本地聲結(jié)構(gòu)，如果考慮層與層之間的過(guò)渡，還可以結(jié)合高聲速層和低聲速層進(jìn)行細(xì)致劃分，比如某海域海底第3層沉積物被定義為低聲速表面-高聲速層-聲速增大類型，則表示第3層海底沉積物上表面聲速低于底層海水聲速，但高于第2層海底沉積物的下表面聲速，并且第3層內(nèi)聲速處于增大類型。

基本地聲結(jié)構(gòu)定義時(shí)未考慮密度剖面，是因?yàn)殡m然存在低于底層海水聲速的海底沉積物類型，但其密度和聲阻抗都大于底層海水的密度和聲阻抗，因此只采用聲速進(jìn)行劃分可以簡(jiǎn)化表達(dá)出海底沉積物的分層狀態(tài)和結(jié)構(gòu)。

海底第1層地聲結(jié)構(gòu)形成水聲的下邊界和地聲的上邊界，是水聲學(xué)、地聲學(xué)和沉積聲學(xué)都關(guān)注的最重要的地聲結(jié)構(gòu)。表層海底沉積物的表面聲速與底層海水聲速c0相比較，當(dāng)大于c0時(shí)，同時(shí)為高聲速表面和高聲速層海底，即高聲速海底；小于或等于c0時(shí)，為低聲速表面海底和低聲速層海底，即低聲速海底。對(duì)于低聲速表面海底，如果屬于聲速緩慢變化類型時(shí)，通常整層都是低聲速層，小于底層海水聲速c0；如果屬于聲速增大類型，當(dāng)沉積物層埋深增長(zhǎng)到一定深度時(shí)會(huì)大于底層海水聲速c0，由低聲速層過(guò)渡成高聲速層。實(shí)際海底，黏土質(zhì)含量非常高的海底沉積物基本都屬于低聲速表面-低聲速層海底，砂質(zhì)含量非常高的海底沉積物基本都屬于高聲速表面-高聲速層海底。粉砂質(zhì)海底沉積物根據(jù)黏土百分含量的高低而處于高聲速和低聲速的過(guò)渡中。

聲速梯度閾值gth0需要設(shè)定具體范圍值，通常聲場(chǎng)傳播中要求聲速測(cè)量精度在1%以內(nèi)，以表層粉砂質(zhì)海底沉積物聲速為1600 m/s計(jì)算，在16 m以淺的范圍內(nèi)，聲速梯度閾值gth0如果設(shè)定為1 s-1，則在此16 m海底沉積物層內(nèi)可以把整層海底沉積物聲速當(dāng)成常值1600 m/s應(yīng)用而滿足精度。當(dāng)某海底沉積物層的gth0設(shè)定為1 s-1，此層聲速梯度平均值介于這個(gè)閾值范圍時(shí)，屬于聲速緩慢變化類型；當(dāng)聲速梯度平均值大于閾值范圍時(shí)，屬于聲速增大類型。

實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)分析表明，當(dāng)聲速梯度較小時(shí)，海底沉積物的孔隙度基本不變或者緩慢變化，當(dāng)聲速梯度較大時(shí)，海底沉積物孔隙度處于減小變化；同時(shí)，海底沉積物的孔隙度與聲速具有明確的一元二次相關(guān)性[13-19,29-31]，與密度呈現(xiàn)良好的線性相關(guān)。因此，引入孔隙度代替密度作為定義地聲結(jié)構(gòu)類型的一個(gè)基本量，在地聲模型分析和實(shí)際應(yīng)用中更為直觀和有效。

3 地聲模型和地聲結(jié)構(gòu)的建立

3.1 地聲模型的建立方法

當(dāng)前海底沉積物聲學(xué)測(cè)量方法[1-23,29-37]，可用于建立地聲模型的方法主要有4種：（1）遙測(cè)法[1-9]；（2）實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法[13-19,29-31,37]；（3）海底原位測(cè)量法[20-23,32-34]；（4）鉆探測(cè)量法[35-37]。如表1所示，不同方法建立地聲模型的測(cè)量頻率和尺度各不相同。

表1 地聲模型建立方法的比較Table 1 Comparison of establishment methods of geoacoustic model

實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法通過(guò)重力柱狀取樣（含活塞取樣）、箱式取樣、多管取樣等方式取得海底沉積物樣品，在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展分段聲學(xué)和物理特性測(cè)量。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法存在過(guò)程擾動(dòng)，但可以得到海底沉積物樣品的分層信息以及聲學(xué)與物理特性分布結(jié)構(gòu)。

海底原位測(cè)量法通過(guò)貫入式、壓入式海底原位測(cè)量設(shè)備，在海底原位環(huán)境狀態(tài)測(cè)量海底沉積物的聲學(xué)特性和聲學(xué)結(jié)構(gòu)。如需要借助取樣進(jìn)行樣品測(cè)量獲得海底沉積物物理特性，因此對(duì)海底沉積物的擾動(dòng)小。

遙測(cè)法通過(guò)聲學(xué)反射和折射獲得海底聲波傳播的分層走時(shí)信息和傳播損失信息，結(jié)合海底沉積物的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式、理論模型、搜索函數(shù)、目標(biāo)函數(shù)等，獲得海底沉積物的聲學(xué)與物理特性的分布結(jié)構(gòu)。通常需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法或者海底原位測(cè)量法進(jìn)行佐證。

鉆探測(cè)量法通過(guò)鉆探取樣測(cè)量、隨鉆測(cè)井、鉆孔測(cè)井等方式，測(cè)量深層海底沉積物的聲學(xué)與物理特性。屬于專有手段，能夠獲得實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法或海底原位測(cè)量法難以提供的海底深層聲速剖面特征，作為以上3種建立模型的驗(yàn)證、補(bǔ)充和支持。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法和海底原位測(cè)量法只能獲得表層和淺層海底沉積物的聲速剖面分布特征，遙測(cè)法和鉆探測(cè)量法可以獲得深層海底沉積物的聲速剖面分布特征。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法、海底原位測(cè)量法和鉆探測(cè)量法都只能獲得測(cè)量點(diǎn)的聲速剖面分布，需要結(jié)合遙測(cè)法來(lái)構(gòu)建區(qū)域性的地聲模型。

為實(shí)現(xiàn)這4種建立地聲模型方法的相互借鑒性和解釋統(tǒng)一性，需要解決的共性問(wèn)題有：（1）實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法和原位測(cè)量法的測(cè)量頻率高于遙測(cè)法中的水聲測(cè)量和地聲反演的探測(cè)頻率，需建立有效解釋從10 Hz至1 MHz測(cè)量頻率范圍內(nèi)的海底沉積物頻散特性對(duì)聲速剖面影響性分析的普遍方法；（2）實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法和原位測(cè)量法的測(cè)量深度遠(yuǎn)低于遙測(cè)法中的水聲測(cè)量和地聲反演的探測(cè)深度，需建立有效解釋從表層到深層100 m深度范圍內(nèi)的地聲模型建模的普遍方法；（3）實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法的測(cè)量環(huán)境有別于其他3種方法的海底原位測(cè)量環(huán)境狀態(tài)，需建立有效解釋從0℃至60℃的綜合溫度范圍內(nèi)和從1.013×105Pa至60 MPa綜合壓力范圍內(nèi)的海底沉積物聲速剖面校正的普遍方法。

3.2 基于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法的地聲結(jié)構(gòu)建立

以重力柱狀取樣（含活塞取樣）獲得海底沉積物樣品，按照可觀測(cè)的分層或者定長(zhǎng)分割分段，采用PVC管或有機(jī)玻璃管存放分段樣品，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量得到海底沉積物的聲學(xué)特性和物理特性。其中，砂質(zhì)海底沉積物顆粒尺寸大、堆積密實(shí)、難于插入而取樣長(zhǎng)度有限，一般為1 m左右；黏土質(zhì)海底沉積物因?yàn)榧羟袕?qiáng)度低而容易取得較長(zhǎng)樣品，可以達(dá)到4～8 m。海底沉積物的聲速深受測(cè)量環(huán)境影響[21,38-40]，因此參照23℃、1.013×105Pa的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量環(huán)境，采用此環(huán)境狀態(tài)下的鹽度為34.5的海水所對(duì)應(yīng)的1529.3 m/s作為底層海水實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)聲速，用于計(jì)算建立地聲模型的高低聲速表層海底。

3.2.1 低聲速表面的地聲結(jié)構(gòu)類型

海底沉積物樣品NH1534取自于南海3100 m水深海底[16]，長(zhǎng)度為3.95 m，以黏土質(zhì)類型為主，分成9段測(cè)量，聲學(xué)測(cè)量主頻為400 kHz。9段樣品測(cè)量孔隙度為0.819±0.021，密度為（1.32±0.03） g/cm3，測(cè)量聲速為（1464.4±1.9） m/s。隨著埋深深度增加，樣品NH1534的孔隙度、密度、聲速變化不大，整體形成比較均勻的聲速剖面。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量海底沉積物聲速整體小于底層海水聲速1529.3 m/s，因此樣品所在區(qū)域?qū)?yīng)著低聲速表面-聲速緩慢變化類型的聲速剖面，表層地聲結(jié)構(gòu)比較均勻單一。

海底沉積物樣品NHB21取自南海2843 m水深海底[17]，長(zhǎng)度為0.9 m，以粉砂質(zhì)黏土類型為主，粉砂含量高，聲學(xué)測(cè)量主頻為100 kHz。如圖2所示，隨著埋深深度增加，樣品NHB21的孔隙度減小、聲速增大，其中表層聲速為1430.0 m/s，低于底層海水實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)聲速，但隨著埋深增大，聲速增長(zhǎng)，屬于低聲速表面-聲速增大類型，在0.9 m埋深處，海底沉積物的聲速開(kāi)始超過(guò)底層海水實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)聲速。

圖2 海底沉積物樣品NHB21的聲速-孔隙度沿埋深分布Fig. 2 Distribution of sound velocity and porosity along buried depth of seafloor sediment sample NHB21

樣品NHB21對(duì)應(yīng)的地聲結(jié)構(gòu)表示成聲速（cp，單位：m/s）、密度（ρ，單位：kg/m3）、孔隙度（n，%）與海底埋深（z，單位：m）的擬合關(guān)系式分別如下：

式中，R為相關(guān)系數(shù)，表示兩個(gè)量之間的相關(guān)特性及程度。

式（5）至式（7）建立的地聲結(jié)構(gòu)直接適用范圍為取樣海區(qū)一定水平區(qū)域的1 m埋深深度的范圍，表示成聲速梯度和密度梯度分別為150.52 s-1和38.095 kg/m4。如果向更深埋深推廣應(yīng)用以及向其他海區(qū)拓展應(yīng)用，存在預(yù)報(bào)誤差，需要進(jìn)行修正和驗(yàn)證。

3.2.2 高聲速表面的地聲結(jié)構(gòu)類型

海底沉積物樣品NH54取自于南海1600 m水深海底，長(zhǎng)度為1.5 m，以黏土質(zhì)粉砂類型為主，分成10段測(cè)量，聲學(xué)測(cè)量主頻為100 kHz。10段樣品測(cè)量孔隙度為0.611±0.029，密度為（1.68±0.05） g/cm3，測(cè)量聲速為（1539.7±9.1） m/s。隨著埋深深度增加，樣品NH54的孔隙度、密度、聲速變化不大，整體形成比較均勻的聲速剖面。海底表層沉積物聲速為1533.0 m/s，大于底層海水實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)聲速1529.3 m/s，因此樣品所在區(qū)域?qū)?yīng)著高聲速表面-聲速緩慢變化類型，表層地聲結(jié)構(gòu)相對(duì)均勻單一。

海底沉積物樣品NH06取自于南海北部大陸架附近，長(zhǎng)度為2.2 m，以砂質(zhì)粉砂類型為主，分成7段測(cè)量，聲學(xué)測(cè)量主頻為40 kHz。如圖3所示，隨著深度增加，樣品NH06的孔隙度減小、密度增加、聲速增大，形成聲速逐漸增大趨勢(shì)的聲速剖面。表層海底沉積物聲速為1549.7 m/s，大于底層海水實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)聲速，因此樣品所在區(qū)域?qū)?yīng)著高聲速表面-聲速增長(zhǎng)類型。

圖3 海底沉積物樣品NH06的聲速-孔隙度沿埋深分布Fig. 3 Distribution of sound velocity and porosity along buried depth of seafloor sediment sample NH06

樣品NH06對(duì)應(yīng)的地聲結(jié)構(gòu)表示成聲速、密度、孔隙度與海底埋深的擬合關(guān)系式為

式（5）建立的地聲結(jié)構(gòu)適用范圍為取樣海區(qū)一定水平區(qū)域的2.5 m埋深深度的范圍，表示成聲速梯度和密度梯度分別為45.12 s-1和72.704 kg/m4。

3.3 基于鉆探測(cè)量法的地聲結(jié)構(gòu)建立

海底沉積物樣品HB101和HB102取自于黃海[37]，樣品平均水深為57.5 m，采取遙測(cè)法中的地震測(cè)量和鉆探測(cè)量法取樣測(cè)量相互結(jié)合。高頻地震剖面表明兩個(gè)站位具有明顯的海底原位地聲分層特征，HB101站位分為Subunit II-a、Subunit II-b和Pre-LGM 3層，HB102站位分為Subunit II-a、Subunit II-b、Subunit III-a、和Pre-LGM 4層。通過(guò)鉆探取樣獲得約43 m長(zhǎng)的樣品HB101和約30 m長(zhǎng)的樣品HB102，在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展聲學(xué)和物理特性測(cè)量，測(cè)量頻率為600 kHz。鉆探測(cè)量和地震測(cè)量獲得海底沉積物層的聲速剖面具有較為一致的分層相似性，基于取樣樣品的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量聲速和物理特性表明海底地聲結(jié)構(gòu)既有單一狀態(tài)，也因?yàn)槌练e歷史復(fù)雜和洋流運(yùn)動(dòng)而出現(xiàn)交錯(cuò)的復(fù)合狀態(tài)。樣品HB101和HB102在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)下測(cè)量表層表面聲速均小于底層海水實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)聲速，都屬于低聲速表層類型。Pre-LGM作為最底層，因?yàn)闅v史沉積事件影響，組成成分復(fù)雜變化，與其他層相比出現(xiàn)砂質(zhì)含量和礫含量的混合交錯(cuò)劇增，聲速剖面相對(duì)異常復(fù)雜，在此不做討論。

樣品HB101的SubunitⅡ?qū)映练e相對(duì)穩(wěn)定，如圖4A所示，在埋深38 m內(nèi)整體呈現(xiàn)聲速正增長(zhǎng)的地聲結(jié)構(gòu)規(guī)律性，雖然在地震剖面上分為SubunitⅡ-a和SubunitⅡ-b兩個(gè)子層。整個(gè)層都以粉砂質(zhì)類型為主，孔隙度約從0.669減小到0.548，濕密度約從1.59 g/cm3增大到1.82 g/cm3，聲速約從1508 m/s增大到1570 m/s，平均聲速梯度為1.63 s-1，平均密度梯度為6.053 kg/m4，屬于典型的低聲速表面-聲速增大類型。

圖4 樣品HB101和HB102的地聲結(jié)構(gòu)（參照文獻(xiàn)[37]修改）Fig. 4 The geoacoustic structure of samples HB101 and HB37 (modified according to reference [37])

樣品HB102的Subunit-Ⅱ和Subunit-Ⅲ沉積相對(duì)穩(wěn)定，都以粉砂質(zhì)類型為主。如圖4B所示，SubunitⅡ?qū)臃殖蒘ubunitⅡ-a和SubunitⅡ-b兩個(gè)子層，地聲結(jié)構(gòu)存在明顯差異，SubunitⅡ-a層在海底表層至7 m埋深內(nèi)呈現(xiàn)聲速正增長(zhǎng)，孔隙度約從0.686%減小到0.598%，濕密度約從1.53 g/cm3增大到1.66 g/cm3，聲速約從1493 m/s增大到1510 m/s，平均聲速梯度為2.43 s-1，平均密度梯度為18.571 kg/m4，屬于低聲速表面-聲速增大類型；SubunitⅡ-b層在埋深7～17 m內(nèi)呈現(xiàn)聲速緩慢變化，孔隙度、密度、聲速分別圍繞均值0.619、1.65 g/cm3、1525 m/s波動(dòng)，中間存在砂質(zhì)薄層而出現(xiàn)聲速偏大值，屬于低聲速表面-聲速緩慢變化類型；Subunit Ⅲ-a層在埋深17～21 m內(nèi)呈現(xiàn)聲速緩慢變化，也屬于低聲速表面-聲速緩慢變化類型，從地聲模型上可以和SubunitⅡ-b劃為同一層，整體屬于低聲速表面-聲速緩慢變化類型。

3.4 地聲結(jié)構(gòu)的組合與地聲模型

海底沉積物樣品HB101和HB102的大深度鉆探測(cè)量表明[37]，在沉積歷史復(fù)雜的海底沉積物中，存在著交錯(cuò)的多層結(jié)構(gòu)，無(wú)法采用單一的地聲模型進(jìn)行描述和代替，但基于以上4種基本地聲結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分和組合，可以將區(qū)域性復(fù)雜的地聲模型描述出來(lái)。

對(duì)于同一類型海底沉積物，地聲結(jié)構(gòu)主要與埋深范圍內(nèi)存在的溫度梯度和壓力梯度作用有關(guān)，影響海底沉積物的物理特性參數(shù)進(jìn)而影響到聲學(xué)特性。鄒大鵬等[12]基于FCMCM模型分析海底埋深的影響作用計(jì)算典型地聲模型，將地聲模型化為低聲速層的GMI第一類地聲模型（分為孔隙度不變的GMI1型和孔隙度減小的GMI2型兩種子模型）和高聲速層的GMII第二類地聲模型（分為孔隙度不變的GMII1型和孔隙度減小的GMII2型兩種子模型）共4類，解釋了盧博[15]總結(jié)的南海地聲模型。本文提出的4種基本地聲結(jié)構(gòu)與這4類典型地聲模型具有對(duì)應(yīng)性為：（1）GMI1型—低聲速表面-聲速緩慢變化類型；（2）GMI2型—低聲速表面-聲速增大類型；（3）GMII1型—高聲速表面-聲速緩慢變化類型；（4）GMII2型—高聲速表面-聲速增大類型。

將樣品HB101和HB102采用4種基本地聲結(jié)構(gòu)組合表示成地聲模型如圖4所示，樣品HB101的地聲模型為GMI2型（0～30 m埋深范圍內(nèi)），樣品HB101的地聲模型為GMI1型（0～7 m埋深范圍內(nèi)）+GMI2型（7～21 m埋深范圍內(nèi)）。這種基于鉆探取樣在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量建立地聲結(jié)構(gòu)組合而成的地聲模型，與基于地震測(cè)量法獲得的海底分層具有較好的一致對(duì)應(yīng)性[37]，表明可以基于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法建立海底沉積物的基本地聲結(jié)構(gòu)，通過(guò)組合構(gòu)建海底不同尺度的地聲模型。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法和原位測(cè)量法測(cè)量集中在表層，定義地聲模型的埋深有限，如樣品NH1534為GMI1型（0～4 m埋深范圍內(nèi)），樣品NHB21為GMI2型（0～1 m埋深范圍內(nèi)），樣品NH54為GMII1型（0～1.5 m埋深范圍內(nèi)），樣品NHB21為GMII2型（0～2.2 m埋深范圍內(nèi)）。這種地聲模型劃分可以作為中高頻海底探測(cè)聲波傳播的地聲模型參考，雖然無(wú)法直接作為低頻海底探測(cè)聲波傳播的地聲模型，但可以結(jié)合低頻探測(cè)得到的海底分層及聲波傳播走時(shí)剖面進(jìn)行預(yù)報(bào)。

4 討論

4.1 頻散對(duì)地聲模型建立的影響

海底沉積物聲波傳播過(guò)程具有頻散特性，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法中，采用高頻段（30～1000 kHz），高于聲學(xué)遙測(cè)法的中頻和低頻段（0.01～15 kHz），在如此寬頻帶范圍內(nèi)存在較為明顯的頻散性[29-31]；而聲學(xué)遙測(cè)法中的地聲反演屬于低頻段，頻帶窄，海底沉積物的聲速頻散性變化較小，較為關(guān)注聲衰減與頻率的關(guān)系[1-2,5,7]。當(dāng)基于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法建立的地聲結(jié)構(gòu)和地聲模型，被應(yīng)用于實(shí)際水聲測(cè)量和地聲測(cè)量的低頻率段時(shí)，應(yīng)需考慮頻散特性的影響性。當(dāng)前基于Biot理論構(gòu)建的一系列模型[5,11,30-31,41]和基于VGS模型[2,30,42]在解釋不同類型海底沉積物的頻散特性規(guī)律方面并不一致，也無(wú)法全部有效解釋聲學(xué)遙測(cè)、原位測(cè)量、實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)的頻散性，但提供了一種基于理論模型計(jì)算預(yù)報(bào)及校正不同測(cè)量頻率下的聲速特性的方法。

應(yīng)用Biot理論的EDFM簡(jiǎn)化模型[43]計(jì)算樣品NH1534和樣品NH06的頻散性如圖5所示，整體符合含砂量高的粗粒海底沉積物（如樣品NH06）的頻散性變化幅度大于黏土含量高的細(xì)粒海底沉積物（如樣品NH1534）的規(guī)律性。兩類樣品的頻散性變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)的差異較大，其原因根據(jù)Biot理論[44-45]理解為兩種類型海底沉積物的滲透率差異性較大，引起特征頻率的差異較大，從而導(dǎo)致頻散特性的差異較大；而特征頻率與海底沉積物的類型及其物理性質(zhì)密切有關(guān)，直接導(dǎo)致轉(zhuǎn)折頻率前后范圍內(nèi)的聲速變化特性差異較大，這種影響關(guān)系涉及海底沉積物的多個(gè)物理參數(shù)，將另文定量闡述其影響性和影響程度。從圖5中可以得到，基于高頻建立的聲速剖面和地聲結(jié)構(gòu)在應(yīng)用于低頻時(shí)存在如下特性：（1）對(duì)于樣品NH06，在中頻應(yīng)用時(shí)影響較小，仍屬于高聲速表面類型，但對(duì)于低頻和甚低頻測(cè)量借鑒應(yīng)用時(shí)的影響較大，小于底層海水聲速，將屬于低聲速表面類型，定義上有所改變，原因是海水不具有頻散性、聲速未變化；（2）對(duì)于樣品NH1534，在整個(gè)頻率區(qū)域內(nèi)，因?yàn)轭l散特性變化很小，可以忽略頻散特性對(duì)聲速剖面和地聲模型的影響；（3）當(dāng)實(shí)際海底同時(shí)出現(xiàn)這兩類樣品分層時(shí)，基于高頻建立的地聲模型可以借鑒用于中頻測(cè)量，但是在用于低頻和甚低頻測(cè)量時(shí)誤差較大。即使如此，基于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法建立的高頻地聲模型仍能體現(xiàn)出聲速剖面的差異，在很寬泛的頻率段內(nèi)可以借鑒使用。

圖5 基于EDFM模型計(jì)算海底沉積物頻散特性Fig. 5 Calculated dispersion characteristics of seafloor sediments based on EDFM

基于高頻建立的地聲模型在應(yīng)用于其他頻率時(shí)，并不改變海底的實(shí)際地聲結(jié)構(gòu)特性和物理特征分層特性，只是可能會(huì)影響到地聲模型的描述和定義類型；另一方面如果海底沉積物同層內(nèi)沉積物物理性質(zhì)差異不大、各層類型差異不大，則不同頻率下的聲速剖面變化差異較小，并不影響地聲結(jié)構(gòu)類型和地聲模型的推廣和借鑒。因此，基于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法建立的海底沉積物物理性質(zhì)變化不大的同一沉積物層內(nèi)的地聲結(jié)構(gòu)，可以直接作為建立實(shí)際的聲速剖面和地聲模型的參考，只是需要考慮頻散影響特性對(duì)各層表面的聲學(xué)特性描述和定義；在基本物理參數(shù)已知，或者可以借鑒參考，或者可以反演得到的前提下，借助于理論模型計(jì)算，可以預(yù)測(cè)和修正得到不同測(cè)量頻率下所需要的地聲結(jié)構(gòu)。

4.2 環(huán)境溫度和壓力對(duì)建立地聲模型的影響

實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法脫離海底原位環(huán)境，產(chǎn)生溫度變化和壓力變化，直接引起測(cè)量聲速的變化，需要校正。環(huán)境影響因素研究[38-40]表明，表層海底沉積物與孔隙海水的變化規(guī)律相似，在一定精度下可以采用聲速比進(jìn)行聲速校正，得到原位測(cè)量環(huán)境狀態(tài)的聲速剖面。應(yīng)用EDFM模型[40,43]分析對(duì)比樣品NH1534和NH06的溫度和靜水壓力變化對(duì)聲速的影響性，如圖6所示。當(dāng)缺乏聲速比隨環(huán)境變化的計(jì)算條件下，可以直接采用Hamilton固定聲速比的校正法[46]進(jìn)行聲速，與基于EDFM模型的考慮聲速比變化的校正速度趨勢(shì)一致，有差異但較小。海底原位測(cè)量法和聲學(xué)遙測(cè)法對(duì)應(yīng)著海底原位環(huán)境的地聲模型，而實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法對(duì)應(yīng)著實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的地聲模型，因此基于聲速比校正法提供一種不同環(huán)境下建立地聲模型進(jìn)行相互校正的基本方法。大陸架海底表層沉積物主要受到溫度的影響因素大，大陸坡受到溫度影響性其次，深?；咎幱诔貭顟B(tài)，而壓力影響作用隨著海水深度的增加而呈現(xiàn)近似于線性增大。當(dāng)海底沉積物樣品采集到實(shí)驗(yàn)室，大陸架沉積物樣品主要校正溫度影響性，大陸坡和深海沉積物樣品則需同時(shí)校正溫度和壓力的影響性。對(duì)于淺層海底沉積物，可以參考表層海底沉積物的校正方法進(jìn)行校正；但是深層海底沉積物因?yàn)轭~外受到地?zé)釡囟群吐裆顗毫Φ挠绊懽饔茫鼮閺?fù)雜，需開(kāi)展深入研究和探索提出可借鑒的校正方法。

圖6 溫度和靜水壓力對(duì)海底沉積物聲速的影響特性Fig. 6 Influence characteristics of temperature and hydrostatic pressure on sound velocity of seafloor sediments

海底沉積物與底層海水的聲學(xué)特性受到環(huán)境溫度和壓力的影響作用相似，兩者聲速比隨著環(huán)境狀態(tài)變化較小，基于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法獲得的地聲結(jié)構(gòu)和建立的地聲模型，可以作為其他方法的海底聲速剖面和地聲模型的應(yīng)用參考，將不同環(huán)境建立的聲速剖面校正到實(shí)際應(yīng)用的海底原位環(huán)境下，建立海底原位地聲模型。

5 結(jié)論

地聲模型因?yàn)楹５壮练e過(guò)程和沉積歷史復(fù)雜而具有海底分層特性，同層內(nèi)因?yàn)槌练e環(huán)境影響因素具有溫度和壓力差異而存在地聲梯度，還因?yàn)榻⒎椒ú煌嬖陬l散性和環(huán)境差異性等引入的聲速剖面差異等，通過(guò)研究地聲模型的基本地聲結(jié)構(gòu)組成及其影響因素，得到如下結(jié)論：

（1）具有4種典型的基本地聲結(jié)構(gòu)：低聲速表面-聲速緩慢變化類型、低聲速表面-聲速增大類型、高聲速表面-聲速緩慢變化類型和高聲速表面-聲速增大類型，分別對(duì)應(yīng)著單一結(jié)構(gòu)的地聲模型；

（2）地聲模型可以歸結(jié)為4種基本地聲結(jié)構(gòu)的組合，通過(guò)與底層海水聲速、同層內(nèi)聲速剖面以及與上層海底沉積物下表面聲速的比較，可以建立海底各種實(shí)際分層的地聲模型；

（3）不同測(cè)量環(huán)境狀態(tài)下的聲速剖面具有差異性，基于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法建立的地聲模型作為參考地聲模型，通過(guò)考慮海底實(shí)際環(huán)境的溫度和壓力梯度，應(yīng)用聲速比校正法實(shí)現(xiàn)不同海底原位環(huán)境狀態(tài)下的表層和淺層海底沉積物聲速剖面的修正；

（4）不同測(cè)量頻率下的聲速剖面具有差異性，基于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法建立的地聲模型作為參考地聲模型，通過(guò)考慮頻散性和基于理論計(jì)算相結(jié)合的基礎(chǔ)上，修正得到不同測(cè)量頻率下的聲速剖面。

由于海底沉積物的沉積狀態(tài)和特性復(fù)雜、聲學(xué)測(cè)量方法具有多種性，建立高精度的海底沉積物地聲模型仍需深入研究明晰全頻域范圍內(nèi)海底沉積物的頻散性、深層海底沉積物的聲學(xué)和物理特性以及分層特性、全頻域范圍內(nèi)的海底沉積物的聲衰減特性、寬頻率范圍內(nèi)海底沉積物的剪切波波速特性。

致謝：感謝中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所盧博研究員、自然資源部第一海洋研究所闞光明研究員和王景強(qiáng)副研究員對(duì)課題研究提供的支持和交流討論。