南沙海域深水區表層沉積物聲速與孔隙度相關關系

侯正瑜, 郭常升, 王景強

(1. 中國科學院 海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院 海洋地質與環境重點實驗室, 山東 青島266071; 3. 中國科學院大學, 北京 100049)

南沙海域是中國南疆的最南端, 位于南海南部,12°N以南, 海區面積廣闊。南沙海域的自然資源豐富, 其南部、東部和西部的外緣地區蘊藏油氣資源,是地球物理和海洋科學研究的熱點區域。海底沉積物聲學特性對海洋聲場有重要的影響, 與水聲通訊和探測密切相關, 通過海底沉積物聲學特性可以了解沉積物的物理性質, 為海底沉積物分類和海底工程條件評價等提供基礎資料, 因此研究分析沉積物的聲學物理參數相關關系具有重要的意義。目前獲得海底沉積物聲學參數的測量方法主要有兩種: 原位測量和取樣實驗室測量[1]。本文采用沉積物取樣甲板測量, 在測量海區利用重力式取樣器獲取海底沉積物柱狀樣品, 然后在甲板上直接用儀器進行聲學參數測量。甲板測量相對于陸地實驗室測量省略了樣品由測量海區搬運到實驗室的過程, 避免了樣品在搬運和保存過程中對沉積物造成的擾動, 減少了因擾動而造成的誤差。

海底沉積物的聲學性質與其物理性質密切相關,國內外的學者對兩者的相互關系進行了大量的研究,代表性的有 Hamilton[2]、Anderson[3]、Orsi和 Dunn[4]、盧博[5]、鄒大鵬[6]和周志愚[7]等, 他們都總結了一些海底沉積物聲速的預測方程。本文基于沉積物取樣甲板測量獲得的沉積物聲速以及實驗室測量得到的物理參數, 分析研究了聲速與孔隙度的相關關系,利用回歸的方法建立了孔隙度聲速預測方程, 并與國內外學者建立的預測方程進行了對比分析。

1 測量區域概況

南沙群島海域淺層沉積物主要是由 5 類沉積物類型所組成: (l)粉砂, (2)粉砂質砂, (3)砂質粉砂,(4)黏土質粉砂, (5)砂-粉砂質黏土, 基本上以粉砂粒級為主[8]。研究區域位于南沙群島海域, 分布在4°～8°N, 110°～116°E, 本次測量采集站位 21 個, 水深介于 100～3 000 m, 其中兩個站位水深小于 500 m,其他站位水深均大于 1 000 m(圖 1), 根據吳世敏對南沙海域構造單元的劃分[9], 采集的海底沉積物柱狀樣品主要來自于南沙地塊隆起區和南沙地塊前陸盆地區, 屬于深水區。

2 同軸差距測量法與聲速計算

沉積物聲速的測量采用同軸差距測量法, 測量原理圖如圖2所示。測量設備為WSD-3數字聲波儀,測量參數為: 測量柱狀樣最大長度 100 cm、測量間隔15 cm、測量頻率100 kHz、單道采樣長度1024、采樣間隔 1 μs。

圖1 采樣區域水深(m)圖Fig. 1 Sampling area depth (m)

圖2 同軸差距測量方法示意圖Fig. 2 Coaxial differential distance attenuation measurement

2.1 測量步驟

利用重力取樣器將海底沉積物柱狀樣品取上來以后, 在甲板實驗室將沉積物柱狀樣品固定在測量平臺上, 并將深度為0～100 cm的柱狀樣品用游標卡尺分為100, 85, 70, 55, 40, 25, 10 cm七段, 按照圖2所示, 測量之前在換能器表面涂薄層凡士林, 第一次測量時, 將接收換能器R1固定在柱狀樣品8 cm處(R1接收的聲波作為信號對比道, 用以計算沉積物聲衰減系數, 本文未涉及該系數), 發射換能器 T固定在底端, 接收換能器R2固定在頂端100 cm處, 接通電源, 開始測量后, 發射換能器T產生100 kHz的聲波在沉積物柱狀樣品中傳播, 聲信號首先到達接收換能器R1, 再經過時間Δt到達接收換能器R2, 測量過程由電腦控制并記錄信號。第二次測量時, 將柱狀樣品從頂端100 cm處切去15 cm, 樣品剩余85 cm,然后將接收換能器R2固定在頂端85cm處, 其他步驟與第一次測量相同, 進行聲波信號的第二次采集。一個沉積物柱狀樣品需要測量 7次, 每一次測量重復上述步驟, 最后樣品剩余10 cm。

2.2 初至波讀取

在計算聲速之前, 首先要確定聲波信號初至點,確定信號到達接收換能器的時間t。為了準確地讀取初至波, 采用了小波變換模極大值法。

在聲波的傳播中, 當穿過沉積物柱狀樣品的聲波到達接收換能器時, 在這一時刻, 幅值發生突變,引起信號波形的變化, 幅值的突變處可以看作信號的到時。小波分析具有良好的局部分析功能, 可以方便地檢測到信號的突變點, 從而準確地得到聲波信號的到達時間。利用小波分析檢測信號突變點的一般方法是: 對信號進行多尺度分析, 在信號出現突變時, 其小波變換后的系數具有模極大值。如果能檢測出所有尺度上的小波變換模量極大值, 并形成一條平滑的模極大值線(不同尺度下對應的模極大值點的連線), 就可以檢測出信號的突變點[10-12]。

2.3 聲速計算

完成一個柱狀樣品的測量后, 獲得 100, 85, 70,55, 40, 25, 10 cm七段柱狀樣品的聲波信號(圖3所示), 利用小波變換模極大值法讀取每段信號的初至時間為t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7, 在已知沉積物樣品長度L的情況下, 由式(1)可以計算出沉積物聲速。

其中Vp是沉積物聲速。

圖3 接收換能器R2接收到的同一個沉積物樣品不同長度的聲波Fig. 3 Sound waves of different length of one sediment sample received by receiving transducer R2

3 聲速特性分析

本次對南沙海域海底沉積物聲速的調查采用甲板直接測量, 實驗條件為 1個標準大氣壓, 溫度為常溫,測量獲得海底表層沉積物的聲速變化范圍為 1 421～1 579 m/s, 將本海域的聲速范圍與其他一些海域聲速結果做比較, 發現本海域的聲速較低, 可能與沉積物的物理性質有關。

3.1 沉積物物理參數

在實驗室對海底沉積物柱狀樣品進行濕密度、含水量、孔隙度等物理參數測量計算, 共測量濕密度126個、含水量126個、孔隙度63個。分析表明, 研究區域的沉積物濕密度變化范圍為 1.1～1.83 g/cm3,平均值 1.26 g/cm3, 比渤海灣(1.5～2.05 g/cm3)[13]、黃海(1.2～1.95 g/cm3)[14]、東海(1.6～2.09 g/cm3)和南海北部大陸架(1.5～2.02 g/cm3)[15]以及南海西南部(1.58～1.96 g/cm3)[13]的濕密度低, 屬于低濕密度區域。含水量是沉積物實際含水多少的指標, 實驗測量結果表明含水量的范圍為 15.8%～68.74%?？紫抖缺硎境练e物中孔隙多少的程度, 孔隙度范圍為31.7%～85.9%。

3.2 沉積物聲速和孔隙度的回歸方程

孔隙度是沉積物中孔隙體積占總體積的百分比,它表征了飽和沉積物內固體顆粒與液體的兩相體積的大小關系, 沉積物可以看成是由沉積物孔隙所含流體與顆粒骨架組成的, 在聲波傳播中固相介質提供的是固體顆粒的聲速和聲波在固相中傳播路徑,液相介質提供的則是孔隙流體的聲速和聲波在液相中傳播的路徑, 由于沉積物孔隙所含流體與礦物骨架之間在聲學性質上具有明顯的差別, 所以沉積物的孔隙度是影響沉積物聲速的首要參數[16]。對于沉積物聲速和孔隙度之間的關系, Hamilton[2]和Anderson[3]做了大量的分析研究工作, 總結出聲速和孔隙度的回歸方程, 國內一些學者結合實際資料也開展了海底沉積物聲學性質與孔隙度的研究, 梁元博[17]、周志愚[18]、唐永祿[19]、盧博[5]等在不同海域采集樣品進行了實驗分析, 并總結了沉積物聲速-孔隙度回歸方程, 其中周志愚和唐永祿還在回歸方程中引入了海水聲速項。以上學者均認為孔隙度與海底沉積物聲速的相關性最為密切。但是上述研究主要局限于第一類(大陸架)海區, 半深海和深海的海底沉積物樣品采集和研究較少, 而此次研究的沉積物樣品主要來自半深海海區(圖1)。現將本文和國內外在大陸架海底沉積物中聲速與孔隙度關系回歸方程列出:

本文:

Anderson[3]:

Hamilton[2]:

梁元博和盧博[17]:

周志愚等[18]:

唐永祿[19]:

式中,CP為沉積物聲速,C0為海水聲速,n為沉積物的孔隙度。 其中本文建立的回歸方程的均方根誤差為15.38, 相關系數R=0.8036。

從圖 4可以看出, 測量數據與經驗公式擬合較好, 為了對比分析, 將Hamilton, Anderson以及盧博的經驗公式繪制于圖4。從圖4可以看出, 聲速是隨孔隙度變化的二次方程, 隨著孔隙度的增加, 海底沉積物聲速減小, 當孔隙度增加到一定值N(本文稱之為臨界孔隙度)之后, 聲速隨著孔隙度的增加而變大。對比發現各個經驗公式的N值均不相同, 各經驗公式的N值及其對應的聲速值見表1。當沉積物孔隙度大于臨界值時, 聲速隨著孔隙度增大而升高是由剪切模量的增大造成的。而剪切模量的增大是沉積物所含礦物在沉積時, 由水作用在礦物顆粒上的復雜的范德華力、庫侖力和膠結作用相互作用引起的[20]。再將三個經驗公式與本次測量數據進行比較發現, Hamilton測量的聲速比此次測量結果平均高100 m/s, Anderson的測量值也比本次測量值大, 盧博的測量值與此次測量值相差較小(圖4)。由此可以看出, 不同海域測量的聲速值不同, 其預測方程同樣具有區域局限性。

分析認為, 測量結果受海底沉積物取樣區域、海水深度、聲速的測量方法、實驗室環境及測量條件等影響。為了獲得更精確的測量結果, 應盡可能避免人為因素的影響, 最好的方法是采用原位測量技術獲取海底沉積物的聲速。

3.3 基于時間平均的聲速預測模型

Wyllie等[21-22]所建立的孔隙度與速度關系的時間平均方程是以固液雙相的巖石模型為基礎的, 將介質看作水平層狀的液相與固相兩部分, 聲波穿過介質的總時間等于聲波分別穿過液相和固相的時間之和, 以此來建立方程。假定其孔隙度為n, 固體骨架聲速為Cs, 孔隙流體聲速為Cl, 固液雙相平均聲速為Cp, 則時間平均方程為:

表1 各經驗公式N值與聲速Tab. 1 The experience formula N value and sound velocity

圖4 聲速與孔隙度關系圖Fig. 4 Sound velocity and porosity relationship diagram

從運動學的角度看, 建立時間平均方程所基于的最基本的原理是路程、速度和時間的關系, 而在聲傳播過程中決定這 3個物理量的則是固體顆粒、孔隙流體以及它們之間的對壘結構。從數學和物理的角度看,當固體顆粒和孔隙流體保持不變時, 即Cs和Cl保持不變, 聲速的倒數應和孔隙度n呈線性關系。將本次測量的數據進行線性回歸發現, 沉積物的孔隙度與聲速的倒數呈較好的線性關系(圖 5), 驗證了上述猜測, 也從反面證實了南沙海域海底沉積物中的固體顆粒與孔隙流體基本保持不變。

3.4 影響聲速的其他因素

聲波在沉積物中傳播時, 除了沉積物孔隙因素外, 顆粒間接觸、對壘和排列、流體含量和性質也會影響到聲波的傳播。在沉積物物理性質中, 這些影響表現為密度、中值粒徑、含水量等對聲速的影響。國內外的學者對此進行實驗研究表明, 密度以及中值粒徑與沉積物聲速呈正比相關關系; 含水量與沉積物聲速呈反比相關關系。

圖5 聲速的倒數與孔隙度關系圖Fig. 5 The reciprocal of Sound velocity and porosity relationship diagram

除了沉積物物理參數外, 還有其他影響沉積物聲速的因素。程凈凈[23]對沉積物中的流變性參數進行了相關研究, 她認為塑限、液限和塑性指數與壓縮波速成反比相關關系。闞光明[24]對溫度和靜水壓力進行了相關實驗, 研究表明隨著溫度增加, 聲速呈增大趨勢; 而靜水壓力對海底沉積物聲速的影響還未有較為一致的結論。

此外, 實驗室直接測量聲速時, 樣品由海底取樣并搬運至實驗室, 這種方法改變了沉積物所在的真實環境, 而且取樣過程中也會不可避免地對沉積物產生擾動, 使測得的海底沉積物聲學參數值與真實值有較大的誤差。為了得到高精度的海底沉積物聲學參數值, 應積極研究海底沉積物聲學原位測量技術[25-29]。海底沉積物聲學原位測量技術, 是利用原位測量儀器直接測量聲波在沉積物中的傳播, 避免了沉積物所處的溫度、壓力等周圍環境變化引起的測量誤差, 也避免了樣品取樣和搬運對沉積物造成的擾動, 測量結果較取樣測量更加準確可靠。

4 結論

本文通過對南沙海域表層沉積物聲速和孔隙度測量分析主要得到以下兩點結論: (1)海底沉積物聲速隨著孔隙度的增加而減小, 當孔隙度增加到臨界點N之后, 聲速隨著孔隙度的增加而變大。不同海域的臨界孔隙度不同, 本海域的臨界孔隙度值N為67.80%。(2)將建立的沉積物聲速和孔隙度預測方程與 Hamilton等學者建立的經驗公式進行對比, 發現其他學者建立的公式對于本文的實測數據相關性較差,說明預測方程之間存在差異, 各經驗公式具有區域局限性, 需針對不同的海區建立相應的經驗公式。

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