海底不均勻沉積層斜向聲學(xué)原位縱波測(cè)量的仿真研究

王 瑩,陶春輝*,,張國(guó)堙,周建平,3,沈洪壘

(1.上海交通大學(xué) 海洋學(xué)院,上海 200030; 2.自然資源部海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,自然資源部第二海洋研究所,浙江 杭州 310012; 3.自然資源部海洋智能觀測(cè)技術(shù)創(chuàng)新中心,浙江 杭州 310012; 4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深地工程智能建造與健康運(yùn)維全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116)

0 引言

海底沉積物聲學(xué)特性通常用聲速、聲衰減系數(shù)等參數(shù)表示,可以用于反演沉積物的物理力學(xué)性質(zhì),在海洋工程地質(zhì)評(píng)價(jià)、海洋聲場(chǎng)預(yù)報(bào)、潛在工程地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[1]。受沉積環(huán)境以及沉積物被改造、埋藏后壓實(shí)與固結(jié)等作用影響,從陸架、陸坡到深海盆地,不同沉積單元地層分層,導(dǎo)致沉積層垂向分布不均勻,其聲學(xué)特性存在著明顯的垂向變化[2]。另外,以花崗巖為基底的沉積層中常見孤石分布[3],會(huì)造成沉積層的橫向分布不均勻。針對(duì)這些不均勻沉積層開展聲學(xué)特性測(cè)量方法研究具有重要意義。

海底沉積物的聲學(xué)特性測(cè)量方法主要包括實(shí)驗(yàn)室測(cè)量與原位測(cè)量?jī)煞N。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量即是在室內(nèi)測(cè)量沉積物樣品,方法簡(jiǎn)單高效,但是樣品脫離了海底原始的溫度與壓力環(huán)境,且在搬運(yùn)過(guò)程中可能造成結(jié)構(gòu)的變化,測(cè)量精度較低[4]。原位測(cè)量是將測(cè)量?jī)x器放置在海底沉積物中進(jìn)行測(cè)量,該方法保持了海底原始的溫度與壓力環(huán)境,且最大程度降低了對(duì)沉積物的擾動(dòng),可以獲得高精度的沉積物聲學(xué)特性[1,5-6]。根據(jù)聲源與接收換能器相對(duì)位置的不同,原位聲學(xué)測(cè)量方式可分為垂向測(cè)量、橫向測(cè)量、孔中測(cè)量以及斜向測(cè)量四大類[4](圖1)。橫向測(cè)量的發(fā)射與接收換能器在同一水平線上,由于受尺寸限制,現(xiàn)有的橫向聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)只能測(cè)所在層位一定水平范圍內(nèi)的沉積物聲學(xué)特性,很難識(shí)別宏觀的沉積層空間不均勻性,代表性設(shè)備有美國(guó)的ISSAMS 系統(tǒng)[7]、ISSAP系統(tǒng)[8]、ACS系統(tǒng)[9]、AA沉積物聲衰減測(cè)量陣列[10],英國(guó)的SPADE探針[11]、SAPPA系統(tǒng)[12],我國(guó)自然資源部第一海洋研究所研發(fā)的HISAMS系統(tǒng)[13]和BISAMS系統(tǒng)[14]。垂向測(cè)量的發(fā)射與接收換能器在同一垂線上,其識(shí)別垂向不均勻性效果較好,但無(wú)法識(shí)別橫向不均勻性,代表性設(shè)備有美國(guó)的AL聲學(xué)長(zhǎng)矛測(cè)量系統(tǒng)[15],我國(guó)自然資源部第二海洋研究所研制的多頻海底聲學(xué)原位測(cè)試系統(tǒng)MFI GeoA系統(tǒng)[6]和第二代MFI GeoA系統(tǒng)[16]?？字袦y(cè)量通常依靠鉆機(jī)進(jìn)行裝置下放,可實(shí)現(xiàn)大深度測(cè)量,對(duì)水平方向的沉積空間不均勻性具有較好的識(shí)別效果,但是難以避免滑行波對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,由于探測(cè)波頻率通常較高,水平探測(cè)距離受到限制,典型代表有傳統(tǒng)聲波測(cè)井。斜向測(cè)量的發(fā)射與接收換能器呈一定角度傾斜,可獲取垂向和橫向信息,其識(shí)別垂向不均勻性的效果不如垂向測(cè)量好,代表性設(shè)備有美國(guó)的SAMS系統(tǒng)[17],該系統(tǒng)可以獲取橫向、縱向的沉積層信息,由于探測(cè)距離較短,且聲速計(jì)算方法過(guò)于簡(jiǎn)單,對(duì)大深度沉積層空間不均勻性識(shí)別效果較差?？傮w而言,現(xiàn)有的原位聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)主要針對(duì)淺表層沉積物聲學(xué)特性測(cè)量,探測(cè)深度較淺,且受激發(fā)聲源頻帶和接收偏移距等客觀因素制約,橫向探測(cè)范圍有限。斜向測(cè)量能夠同時(shí)獲取沉積層垂向、橫向信息,是獲取不均勻沉積層聲學(xué)特性的有效方法,通過(guò)擴(kuò)大探測(cè)距離并優(yōu)化聲速計(jì)算方法,將有效推動(dòng)大深度沉積層原位測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。

(a)橫向測(cè)量

(b)垂向測(cè)量

(c)孔中測(cè)量

(d)斜向測(cè)量圖1 四種原位測(cè)量方式的示意圖Fig.1 Schematic diagram of four in situ measurement methods(圖片根據(jù)文獻(xiàn)[4]改繪。)(Figure was modified from reference[4].)

隨著海洋工程建設(shè)不斷發(fā)展,擴(kuò)大探測(cè)范圍的趨勢(shì)明顯,由此帶來(lái)的潛在沉積層不均勻性問(wèn)題對(duì)原位測(cè)量方式提出了新的挑戰(zhàn)。對(duì)此,本研究針對(duì)垂向百米和橫向十幾米甚至更遠(yuǎn)的雙重探測(cè)范圍內(nèi)極有可能出現(xiàn)淺層氣、孤石等地質(zhì)異常體的情況,提出一種基于海底沉積層不均勻性的斜向聲學(xué)原位縱波測(cè)量方法,并利用COMSOL軟件構(gòu)建沉積分層和含孤石地質(zhì)異常體兩種不均勻沉積層模型,對(duì)分布式斜向聲學(xué)原位測(cè)量方法進(jìn)行仿真研究,旨在解決斜向測(cè)量在獲取大范圍聲學(xué)特征時(shí)受識(shí)別地層不均勻性影響的問(wèn)題。同時(shí)針對(duì)斜向測(cè)量模式對(duì)垂向不均勻性識(shí)別效果較差的特點(diǎn),提出了基于等效偏移距校準(zhǔn)的聲速計(jì)算方法,以期有效識(shí)別沉積層不均勻性。

1 斜向聲學(xué)原位縱波測(cè)量方法

斜向聲學(xué)原位縱波測(cè)量方法可同時(shí)獲取百米深度內(nèi)沉積層垂向和橫向的不均勻性信息,其測(cè)量結(jié)果可通過(guò)聲速、聲衰減系數(shù)等表示。斜向聲學(xué)原位縱波測(cè)量系統(tǒng)包括甲板顯控單元與水下測(cè)量單元兩部分(圖2)。其中,甲板顯控單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與顯示,與水下測(cè)量單元通過(guò)電源線和信號(hào)傳輸線連接,可實(shí)時(shí)配置水下測(cè)量單元的工作參數(shù),并顯示存儲(chǔ)采集的聲波信號(hào)。水下測(cè)量單元包括放置于海底表面的聲學(xué)發(fā)射換能器TX與搭載于探桿上的聲學(xué)接收換能器RX陣列。測(cè)量時(shí),利用貫入裝置以預(yù)設(shè)速度v0貫入探桿,將接收換能器陣列全部剛好插入沉積物的時(shí)間標(biāo)記為零時(shí)刻。繼續(xù)貫入深度Δh,發(fā)射一次信號(hào)并采集數(shù)據(jù)。每貫入Δh,重復(fù)上述操作。Δh取值越小,探測(cè)精度越高。

圖2 斜向聲學(xué)原位縱波測(cè)量系統(tǒng)及工作原理示意圖Fig.2 Oblique acoustic in situ longitudinal wave measurement system and schematic diagram of working principle

該系統(tǒng)尚在研發(fā)階段,缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),因此基于海底原位測(cè)量相關(guān)文獻(xiàn)及工程勘探資料,構(gòu)建不同沉積層模型,對(duì)海底聲學(xué)原位測(cè)量時(shí)聲在不同沉積層結(jié)構(gòu)中的傳播過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真,并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行聲速反演,從而分析該方法對(duì)沉積層不均勻性的識(shí)別效果。

2 斜向聲學(xué)原位縱波測(cè)量的數(shù)值仿真

2.1 聲傳播特性仿真基礎(chǔ)

基于COMSOL Multiphysics壓力聲學(xué)模塊,使用有限元方法開展沉積物中聲傳播的仿真研究。利用微擾理論將聲學(xué)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性問(wèn)題,在脫離背景屬性的情況下進(jìn)行簡(jiǎn)化分析?；谀芰?、質(zhì)量和動(dòng)量守恒,假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)中的熱力學(xué)過(guò)程絕熱可逆,黏度和導(dǎo)熱系數(shù)忽略不計(jì),材料屬性數(shù)據(jù)為常數(shù)且無(wú)熱源,將聲場(chǎng)描述為由波動(dòng)方程控制的聲壓p,波動(dòng)方程[18]如下:

(1)

2.2 沉積層模型構(gòu)建

根據(jù)東海工程勘探資料構(gòu)建均勻型沉積層、分層型沉積層、含孤石型沉積層三種模型。為模擬聲波在海底半無(wú)限連續(xù)空間的傳播過(guò)程,模型主體采用 50 m×60 m的矩形,兩側(cè)和底部設(shè)置厚度L0為10 m的完美匹配層(perfectly matched layer,PML),以避免模型邊界處的反射對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生影響。沉積層中的聲波瞬態(tài)傳播過(guò)程與沉積物的聲阻抗(密度×速度)相關(guān)。

東海大陸架寬且沉積層厚[19],為使仿真更符合實(shí)際情況,搜集了東海某區(qū)域工程勘探中的140個(gè)土樣資料,其主要特征為:土質(zhì)類型以淤泥、淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主,少量為粉砂;干密度ρd為830～1 630 kg/m3;含水率ω為20%～80%。采用濕密度ρ作為仿真密度參數(shù),根據(jù)公式ρ=ρd(1+ω) 換算,取值1 600～1 800 kg/m3。參考以往東海沉積物的取樣測(cè)量及原位測(cè)試測(cè)量結(jié)果,聲速范圍設(shè)定為 1 500～1 700 m/s[1,6,20-21]。模型基本參數(shù)見表1。

表1 模型基本參數(shù)表Tab.1 Model basic parameter table

設(shè)計(jì)裝置測(cè)量環(huán)境為淺海,測(cè)量時(shí)間一般控制在幾小時(shí)內(nèi),假設(shè)工作區(qū)域變化不大,水深變化不大。為更好地刻化海底原位環(huán)境對(duì)聲傳播的影響,考慮壓強(qiáng)對(duì)于聲速的影響,引入背景壓強(qiáng)p1(單位:atm,1 atm=101 325 Pa)。假設(shè)測(cè)量點(diǎn)位處水深為20 m,自海底面(y=0)起,p1可用如下公式表達(dá):

(2)

式中:ρsediment為沉積物的密度,ρwater為上覆水層的密度,y對(duì)應(yīng)圖2中的縱坐標(biāo)。

為充分保證聲源發(fā)射的連續(xù)性,采用域聲源的方式來(lái)近似點(diǎn)聲源,其函數(shù)關(guān)系式定義為描述空間部分Gx,y與描述時(shí)間部分Gt的乘積形式。

Q=Gx,y·Gt

(3)

(4)

(5)

式中:Gx,y為二維平面上的高斯脈沖,Gt為雷克子波, dS表示聲源的范圍,x、y表示空間中任意點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo),x0、y0表示聲源位置的橫、縱坐標(biāo),f0為發(fā)射信號(hào)主頻,t表示時(shí)間。

模型采用笛卡爾坐標(biāo)系,起點(diǎn)坐標(biāo)為(0, 0),聲源位置坐標(biāo)為(35, 0);經(jīng)多次試驗(yàn),dS取2e-4仿真效果較好;根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際工作情況,頻率f0設(shè)為1 kHz。

2.3 網(wǎng)格剖分與求解

對(duì)均勻型與分層型沉積層模型形狀規(guī)則的物體,采用映射網(wǎng)格剖分比自由網(wǎng)格剖分質(zhì)量更好;含孤石型沉積層模型,由于幾何形狀不規(guī)則,選用自由網(wǎng)格剖分效果更為理想。為保證精度,控制沉積物區(qū)域最大單元格為波長(zhǎng)的1/10。PML區(qū)域形狀規(guī)則,對(duì)求解精度并無(wú)特殊要求,只需保證信號(hào)進(jìn)入該區(qū)域后迅速衰減,因此,采用映射網(wǎng)格剖分,沿PML拉伸方向設(shè)置固定單元數(shù)為25。

采用向后差分法對(duì)0.04 s時(shí)間內(nèi)聲波傳播過(guò)程進(jìn)行仿真,時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1×10-5s。

2.4 建模可靠性驗(yàn)證

沿右側(cè)PML拉伸方向提取橫截線聲壓圖像(圖3),可以看出進(jìn)入PML后,信號(hào)逐漸衰減,在到達(dá)壁面之前聲壓值已衰減為零,未產(chǎn)生反射信號(hào)。表明所采用的仿真模型能夠表征真實(shí)海底沉積層環(huán)境的半無(wú)限連續(xù)介質(zhì)聲波傳播特征。

圖3 右側(cè)完美匹配層橫截線聲壓Fig.3 Right perfect match layer transversal sound pressure

3 結(jié)果與討論

3.1 三種沉積層模型仿真結(jié)果

3.1.1 均勻型沉積層模型

從均勻型沉積層模型二維平面內(nèi)聲壓隨時(shí)間變化的圖像可以看出,自聲源發(fā)出脈沖信號(hào)后,以半球形不斷向外擴(kuò)展(圖4a),進(jìn)入PML后信號(hào)衰減劇烈(圖4b),傳播至邊界處無(wú)反射(圖4c),證明半無(wú)限連續(xù)的沉積層仿真可靠。

圖4 均勻沉積模型中的聲傳播Fig.4 Acoustic propagation in homogeneous sediments model

在對(duì)應(yīng)均勻型沉積層模型中,聲源下方10、20、30、40 m的垂向距離處提取仿真數(shù)據(jù),并繪制聲壓隨時(shí)間變化的圖像,作為接收換能器接收聲波信號(hào)的記錄(圖5)。

圖5 均勻沉積模型中聲源正下方接收器聲壓隨時(shí)間變化Fig.5 Receiver pressure directly below the acoustic source change with time in the homogeneous sediment model

3.1.2 分層型沉積層模型

在均勻型沉積層模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建分層型沉積層模型,上層厚20 m,下層厚40 m(圖6a)。根據(jù)勘探資料,通常淺層沉積物隨深度增加,密度和聲速呈增高趨勢(shì)。故模型上層設(shè)置為低速層,詳細(xì)材料參數(shù)取值參考沉積物Ⅰ(表1);下層為高速層,詳細(xì)材料參數(shù)取值參考沉積物Ⅱ(表1)。根據(jù)2.3節(jié)所述的網(wǎng)格剖分方法,采用映射網(wǎng)格對(duì)全部區(qū)域進(jìn)行剖分,得到如圖6b所示的由規(guī)則矩形構(gòu)成的疏密不一的網(wǎng)格。

圖6 分層型沉積層模型結(jié)構(gòu)(a)及映射網(wǎng)格剖分(b)Fig.6 Model structure (a) and mapping grid subdivision (b) of stratified sedimentary layer model

完成瞬態(tài)求解后,可以得到分層型沉積層模型二維平面內(nèi)聲壓時(shí)空分布規(guī)律,圖7分別表示在0.021、0.027、0.033 s三個(gè)時(shí)刻的瞬態(tài)聲壓分布。

圖7 分層型沉積層模型中的聲傳播Fig.7 Acoustic propagation in stratified sedimentary layer model

從圖7可以看出,區(qū)別于均勻介質(zhì),聲波傳播到低速層與高速層分界面時(shí),一部分能量在界面處被反射(圖7a),開始反向傳播(圖7b),并在海底界面處形成二次反射(圖7c)。這表明在測(cè)量過(guò)程中,如果接收器位置恰好處于分界面附近,收到的波形信號(hào)很可能是因存在反射波干擾而失真的。

3.1.3 含孤石型沉積層模型

沉積層中出現(xiàn)與沉積物本身物理性質(zhì)存在較大差異的地質(zhì)體,會(huì)對(duì)聲傳播過(guò)程及其速度與衰減產(chǎn)生較大影響。為探明這種影響,構(gòu)建含孤石型沉積層模型,并將其與均勻型沉積層模型仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)東海某海域海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目工程地質(zhì)勘察資料,在風(fēng)電場(chǎng)區(qū)島嶼、暗礁等附近的殘積土、全風(fēng)化和散體狀強(qiáng)風(fēng)化巖體內(nèi)多見球狀風(fēng)化體(孤石)。孤石直徑一般在0.8～4.0 m。模型中以直徑4.0 m球狀中風(fēng)化花崗巖為例,取密度為2 600 kg/m3,聲速為3 200 m/s[22]。孤石中心位置坐標(biāo)設(shè)為(30, 20),即孤石設(shè)置在相距聲源水平距離5 m,垂向距離20 m處(圖8a)。孤石與沉積物接觸邊界的阻抗為8.32×106Pa·s·m-1。采用自由三角形網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行剖分,沉積物與孤石區(qū)域最大單元格為波長(zhǎng)的1/10(圖8b)。

圖8 含孤石型沉積層模型結(jié)構(gòu)(a)及自由網(wǎng)格剖分(b)Fig.8 Model structure (a) and free grid division (b) of a sedimentary layer model containing the boulder

對(duì)含孤石的沉積層模型求解后,在沿聲源發(fā)射水平距離10 m處的截線上,30、40 m深度處各取測(cè)點(diǎn),分別繪制測(cè)點(diǎn)聲壓隨時(shí)間變化的圖像(圖9)作為接收換能器的波形信號(hào)結(jié)果?？梢钥闯?相比均勻型沉積層模型,接收到的聲壓幅值有明顯衰減,且波形也發(fā)生了明顯畸變。

圖9 含孤石型沉積層模型接收器聲壓Fig.9 Receiver sound pressure in a model of a sedimentary layer containing the boulder

圖10表示在0.015、0.017、0.033 s三個(gè)時(shí)刻的含孤石型沉積層模型的聲壓分布特征。從圖中可以看到由于沉積物中存在孤石,聲信號(hào)在傳播過(guò)程中一部分會(huì)發(fā)生透射穿過(guò)孤石(圖10a),而另一部分在孤石與沉積物接觸面發(fā)生反射(圖10b),并且回波至海底再次反射(圖10c),這也是導(dǎo)致信號(hào)波形畸變的主要原因。

圖10 含孤石型沉積層模型中的聲傳播Fig.10 Acoustic propagation in a sedimentary layer modle containing the boulder

3.2 聲速計(jì)算結(jié)果與討論

由于孤石等地質(zhì)體與沉積層本身存在較大的物性差異,從聲學(xué)角度可將其視為沉積層中存在的物性不均勻結(jié)構(gòu)體。如果測(cè)點(diǎn)附近存在這種物性不均勻結(jié)構(gòu)體,聲學(xué)原位測(cè)量所得的聲速往往會(huì)與周圍沉積層存在顯著異常。另外,沉積層也存在垂向的分層物性分界面,可能也會(huì)使測(cè)量聲速結(jié)果異常。為了在貫入過(guò)程中實(shí)時(shí)觀測(cè)到這種異常,利用聲波的初至?xí)r刻直接計(jì)算得到地層聲速剖面。

3.2.1 傳統(tǒng)井下地震試驗(yàn)聲速測(cè)量法

在斜向聲學(xué)原位測(cè)量方法中,聲速計(jì)算算法是決定測(cè)量精度的關(guān)鍵?，F(xiàn)有聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)貫入深度均較淺,忽略了沉積層不均勻性對(duì)聲速測(cè)量的影響。以美國(guó)華盛頓大學(xué)研制的沉積物聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)SAMS[17, 23]為例,其貫入深度為3 m,采用的聲速計(jì)算方法就是直接使用聲信號(hào)的傳播距離除以聲波的旅行時(shí)。對(duì)于大深度的聲學(xué)原位測(cè)量,由于未考慮沉積層的不均勻性,用該計(jì)算方法測(cè)量的結(jié)果準(zhǔn)確度較低。地震波靜力觸探(seismic cone penetration test, SCPT)是一種大深度的地質(zhì)勘探方法,它根據(jù)同一換能器兩次測(cè)量結(jié)果來(lái)進(jìn)行聲速計(jì)算。假定到達(dá)h1深度發(fā)射換能器TX發(fā)射聲學(xué)信號(hào),經(jīng)過(guò)t1時(shí)間后信號(hào)到達(dá)接收換能器RX1。繼續(xù)貫入Δh后,接收換能器RX1到達(dá)RX1′位置處,再次發(fā)射聲學(xué)信號(hào),經(jīng)過(guò)t′1時(shí)間后信號(hào)到達(dá)接收換能器RX1′位置處(圖2)。美國(guó)材料與試驗(yàn)學(xué)會(huì)(American Society of Testing Materials, ASTM)在井下地震試驗(yàn)SCPT的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法中使用的聲速計(jì)算公式[24]如下:

(6)

式中:cⅠ表示根據(jù)井下地震試驗(yàn)SCPT的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法計(jì)算得到的聲速,ΔL1是RX1下降前后兩次的測(cè)量過(guò)程中聲信號(hào)傳播直線距離之差,Δt1是前后兩次的測(cè)量聲波旅行時(shí)之差,L′1是后一次測(cè)量時(shí)接收換能器與發(fā)射換能器之間的直線距離,L1為前一次測(cè)量時(shí)接收換能器與發(fā)射換能器之間的直線距離,t′1為后一次信號(hào)發(fā)出到接收器接收所用時(shí)間,t1為前一次信號(hào)發(fā)出到接收器接收所用時(shí)間,x為聲源水平偏移距。

SCPT的聲速算法可應(yīng)用于海底不均勻性沉積層的大深度測(cè)量中:根據(jù)沉積層模型的仿真結(jié)果,在不同聲源水平偏移距下,按測(cè)點(diǎn)間距Δh=1 m提取數(shù)據(jù);參考李倩宇 等[25]提出的聲學(xué)原位信號(hào)自動(dòng)拾取方法,采用長(zhǎng)短時(shí)窗均值比(short term average/long term average, STA/LTA)結(jié)合峰值校正方法拾取聲波初至?xí)r刻;用公式(6)計(jì)算得到測(cè)點(diǎn)處聲速,并繪制聲速剖面圖像(圖11)。對(duì)于分層型沉積層模型:在x=0 m 的垂向測(cè)量時(shí),公式(6)的計(jì)算結(jié)果與假定值基本一致;但在x=20 m的斜向測(cè)量時(shí),在聲速假定值為1 700 m/s的沉積層中,聲速計(jì)算結(jié)果最高值為 1 934.4 m/s。由公式(6)計(jì)算得到的聲速結(jié)果在遇到沉積層分界面時(shí)異常偏高。對(duì)于含孤石型沉積層模型,在距離聲源0、10、20 m測(cè)量時(shí)均能明顯觀察到由于孤石存在導(dǎo)致的聲速曲線異常情況(圖11d～11f),分別在27、22、33 m處聲速開始出現(xiàn)異常。斜向測(cè)量聲速結(jié)果偏離假定值更大,更易識(shí)別。上述結(jié)果表明,斜向聲學(xué)原位縱波測(cè)量方法能識(shí)別到位于發(fā)射和接收范圍內(nèi)的孤石,相比垂向測(cè)量在識(shí)別水平不均勻性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖11 不同模型在不同水平偏移距時(shí)的聲速剖面Fig.11 Sound velocity profiles of different models at different horizontal offsets

對(duì)比測(cè)點(diǎn)間距Δh=1 m時(shí),不同聲源水平偏移距下根據(jù)分層型沉積層模型的仿真數(shù)據(jù)得到的聲速計(jì)算結(jié)果,隨著聲源水平偏移距增大,按照公式(6)計(jì)算得到的聲速結(jié)果在遇到沉積層分界面時(shí)的異常偏高愈明顯。原因是該公式忽略了復(fù)雜地質(zhì)情況導(dǎo)致的聲線彎曲,將從聲源發(fā)射到接收點(diǎn)處的聲傳播路徑近似為直線。以本文提出的分層模型為例,聲源距接收器存在一定水平偏移距,根據(jù)斯涅爾定律,聲波從聲速小的介質(zhì)進(jìn)入聲速大的介質(zhì)時(shí),折射角大于入射角。此時(shí),真實(shí)的聲傳播路徑與公式(6)表示的路徑長(zhǎng)度不符,故依據(jù)有限元仿真結(jié)果代入公式(6)得到的計(jì)算聲速與假定聲速存在較大偏差。

3.2.2 基于水平偏移距校準(zhǔn)的原位聲速測(cè)量法

在沉積層情況未知的條件下,為獲取更貼近真實(shí)情況的實(shí)時(shí)聲速剖面,在公式(6)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),引入權(quán)重系數(shù)α,以降低聲源水平偏移距增大加劇聲線彎曲帶來(lái)的測(cè)量結(jié)果異常突變效應(yīng)。優(yōu)化后的聲速計(jì)算公式如下:

(7)

式中:cⅡ表示優(yōu)化后的聲速計(jì)算公式計(jì)算得到的聲速;α是權(quán)重系數(shù),取值范圍為0～1,與聲源水平偏移距大小有關(guān)。通過(guò)多次仿真發(fā)現(xiàn),聲源水平偏移距離為20 m,α取值為0.5時(shí),聲速計(jì)算效果最優(yōu)。

為進(jìn)一步明確原位聲速測(cè)量的影響因素,通過(guò)調(diào)整每次下降的深度,得到不同測(cè)點(diǎn)間距Δh下的聲速剖面結(jié)構(gòu),并驗(yàn)證公式(7)的計(jì)算效果(圖12)。對(duì)于分層型沉積層模型,在聲源水平偏移距x=20 m,Δh為2、1、0.5和0.2 m時(shí),根據(jù)公式(7)計(jì)算的聲速范圍分別為1 494.8～1 722.9、1 480.8～1 720.8、1 430.6～1 767.3 和1 332.9～1 925.0 m/s,公式(7)的計(jì)算結(jié)果比公式(6)更貼近于假定沉積層聲速結(jié)構(gòu)(圖12a～12d)。結(jié)果表明,不同Δh下,分層界面位置也隨之變化,Δh越大,沉積層分界面識(shí)別滯后的效應(yīng)越明顯。

圖12 不同模型在不同測(cè)點(diǎn)間距時(shí)的聲速剖面Fig.12 Acoustic velocity profiles of different models at different measuring point spacing

上述規(guī)律不僅適用于分層型沉積層模型,對(duì)含孤石型沉積層模型同樣適用。對(duì)于在距聲源水平距離5 m、垂向距離20 m處存在孤石異常體的沉積層模型,當(dāng)聲源水平偏移距x=20 m,Δh為2、1、0.5和0.2 m時(shí),根據(jù)公式(7)計(jì)算的聲速范圍分別為 1 491.2～1 665.9、1 465.9～1 690.1、1 455.7～1 696.5 和 1 279.0～1 843.7 m/s(圖12e～12h)。聲速在約32 m深度處開始出現(xiàn)異常升高,這與孤石所在20 m深度相比是滯后的。說(shuō)明斜向原位縱波測(cè)量方法能識(shí)別沉積層水平方向上的不均勻性,但當(dāng)異常地質(zhì)情況與測(cè)點(diǎn)水平距離較大時(shí),識(shí)別結(jié)果呈現(xiàn)一定的滯后性,后期可以通過(guò)數(shù)據(jù)處理反演孤石真實(shí)層位。

兩種模型在不同Δh下的聲速計(jì)算結(jié)果均表明:隨著Δh的減小,計(jì)算聲速數(shù)據(jù)波動(dòng)加劇,計(jì)算結(jié)果誤差明顯增大。推測(cè)這是由于Δh越小,聲信號(hào)到達(dá)接收點(diǎn)處的時(shí)間差越小,精度要求過(guò)高導(dǎo)致聲速計(jì)算結(jié)果誤差增大。這說(shuō)明在實(shí)際工程測(cè)量中,若時(shí)間精度不能保證,加密測(cè)量反而可能會(huì)放大誤差。為優(yōu)化上述結(jié)果,保證空間采樣率,同時(shí)降低計(jì)算誤差,自上而下每隔Δh依次取間隔1 m的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù),根據(jù)公式(7)計(jì)算得到相應(yīng)聲速結(jié)果(圖13):分層型沉積層模型測(cè)點(diǎn)間距為0.5 和0.2 m,計(jì)算聲速范圍分別為 1 462.5～1 734.5 和1 456.6～1 770.6 m/s;含孤石型沉積層模型測(cè)點(diǎn)間距為0.5 和0.2 m,計(jì)算聲速范圍分別為1 469.0～1 679.5 和1 461.5～1 693.8 m/s。與優(yōu)化前相比,計(jì)算誤差明顯降低,曲線更平滑。將圖 13 與圖 12b和圖 12f對(duì)比,發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)間距小的聲速結(jié)構(gòu)更精細(xì),這是由于在相同長(zhǎng)度上的測(cè)點(diǎn)間距越小,測(cè)點(diǎn)數(shù)量越多,降低了數(shù)據(jù)隨機(jī)誤差。

圖13 優(yōu)化后的不同模型在不同測(cè)點(diǎn)間距時(shí)的聲速剖面Fig.13 Optimized acoustic velocity profiles of different models at different measuring point spacing

4 結(jié)論與展望

本文提出一種針對(duì)海底沉積不均勻性的斜向聲學(xué)原位縱波測(cè)量方法,通過(guò)仿真海底沉積層聲波傳播的瞬態(tài)過(guò)程,對(duì)分層和含孤石兩類典型的沉積層不均勻性結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真,探究發(fā)射換能器與接收換能器水平距離、測(cè)點(diǎn)間距對(duì)于聲學(xué)原位測(cè)量結(jié)果的影響,結(jié)論如下。

1)沉積層空間結(jié)構(gòu)的不均勻性導(dǎo)致信號(hào)異常衰減甚至波形變化,進(jìn)而對(duì)聲學(xué)特性測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。測(cè)點(diǎn)間距Δh越小,獲取的沉積層聲速剖面結(jié)構(gòu)越精細(xì),但時(shí)間精度不夠會(huì)導(dǎo)致誤差放大,增大計(jì)算所用測(cè)點(diǎn)間隔并對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的結(jié)果進(jìn)行重新計(jì)算,可有效減少由于時(shí)間測(cè)量精度不夠帶來(lái)的誤差。

2)斜向測(cè)量聲源水平偏移距越大,沉積層垂向不均勻性造成的聲線彎曲越嚴(yán)重,增大了準(zhǔn)確獲取沉積層聲速剖面的難度,改進(jìn)后的聲速計(jì)算公式在一定程度上彌補(bǔ)了斜向測(cè)量在準(zhǔn)確識(shí)別垂向不均勻性方面的不足,后續(xù)可考慮進(jìn)行迭代反演獲取沉積層真實(shí)聲速結(jié)構(gòu)。

3)斜向原位聲學(xué)探測(cè)方法對(duì)于沉積空間不均勻性具有良好的識(shí)別效果,可廣泛應(yīng)用于海洋工程勘察,服務(wù)于海洋工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì),有望在天然氣水合物探測(cè)及大洋礦產(chǎn)資源調(diào)查等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)拓展應(yīng)用。