環(huán)境條件變化對海底沉積物實(shí)驗(yàn)室聲速測量結(jié)果的影響＊

李官保，闞光明，孟祥梅，劉保華，韓國忠

（1.國家海洋局 第一海洋研究所，青島266061；2.國家海洋局 海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島266061）

海底沉積物聲速是海底測量的重要參數(shù)之一，在海洋工程、海洋科研和海洋軍事等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用價(jià)值。獲取海底沉積物聲速的手段主要有原位測量和實(shí)驗(yàn)室測量兩種。實(shí)驗(yàn)室測量的海底沉積物樣品由于脫離了海底環(huán)境，其基本物理性質(zhì)可能會(huì)發(fā)生不同程度的改變，從而引起聲速測量值偏離真實(shí)聲速，這也是原位測量技術(shù)受到關(guān)注的重要原因。我國原位聲學(xué)測量技術(shù)在近年來有了很大的發(fā)展［1-3］，但由于原位測量設(shè)備不能廣泛應(yīng)用，開展大規(guī)模原位聲學(xué)調(diào)查的設(shè)備條件尚未完全具備，因此實(shí)驗(yàn)室測量仍然是當(dāng)前獲取海底沉積物聲速的主要手段。

在此情況下，研究實(shí)驗(yàn)室內(nèi)沉積物樣品相對于原位狀態(tài)的改變及其對聲速測量值的影響顯得十分必要，兩者之間關(guān)系的建立是基于實(shí)驗(yàn)室測量結(jié)果進(jìn)行原位聲速預(yù)測的依據(jù)。鄒大鵬等［4］在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過改變測量溫度環(huán)境的方式研究了溫度變化對聲速測量值的影響，但由于缺少了原位數(shù)據(jù)的對比，因此并未論及其他物理性質(zhì)的變化情況。2009—2010年國家海洋局在南黃海完成了海底沉積聲學(xué)調(diào)查，其間不僅進(jìn)行了沉積物聲學(xué)性質(zhì)的原位測量和實(shí)驗(yàn)室測量，而且還在船上實(shí)驗(yàn)室和陸地室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室分別進(jìn)行了沉積物物理性質(zhì)的測量。根據(jù)上述實(shí)測數(shù)據(jù)，分析了沉積物樣品從海底到實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中物理性質(zhì)的改變以及沉積物聲速測量值的差異，并探討了兩者之間的相互關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)來源與測量方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

國家海洋局第一海洋研究所先后于2009-06和2010-06執(zhí)行了2個(gè)海底沉積聲學(xué)調(diào)查航次（SA2009和SA2010）。調(diào)查區(qū)位于南黃海中部海域（圖1），水深15～80m，底質(zhì)以粉砂質(zhì)粘土和粘土質(zhì)粉砂為主，西南部靠近蘇北淺灘，以細(xì)砂為主。2個(gè)航次共在303個(gè)站位進(jìn)行了海底沉積物柱狀取樣，在其中的104個(gè)站位完成了原位聲學(xué)測量。樣品采集后，在有的站位直接將其密封保存，其他站位則首先截取一部分在船上實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了聲速、濕密度和含水率測量，然后將剩余部分密封保存。所有保存的樣品在航次結(jié)束后搬運(yùn)到中國大洋樣品館的常溫實(shí)驗(yàn)室內(nèi)存放，并在之后的半年內(nèi)在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室陸續(xù)完成了聲學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)、土力學(xué)性質(zhì)等參數(shù)的測量。104個(gè)原位測站涵蓋了從細(xì)砂到粘土等各種底質(zhì)類型，原位系統(tǒng)超過25kN 的貫入力保證了可在幾乎所有底質(zhì)條件下正常工作。但是，海底重力取樣受底質(zhì)條件限制較大，因此并非所有站位均取得了足夠長度的沉積物柱狀樣品用來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室聲速測量；而且由于海上作業(yè)量大，并非所有取得了柱狀樣品的站位都進(jìn)行了船上實(shí)驗(yàn)室聲速測量。經(jīng)過整理，共有70個(gè)站位同時(shí)測量了原位和船上實(shí)驗(yàn)室聲速，其中53個(gè)站位還在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室測量了聲速，而在船上和陸地實(shí)驗(yàn)室內(nèi)同時(shí)測量了沉積物樣品聲速的站位有131個(gè)（圖2）。圖2中底圖表示研究區(qū)底質(zhì)類型［5］：FS：細(xì)砂；TS：粉砂質(zhì)砂；ST：砂質(zhì)粉砂；T：粉砂；YT：粘土質(zhì)粉砂；TY：粉砂質(zhì)粘土；S-T-Y：砂-粉砂-粘土。

圖1 研究區(qū)地理位置（陰影區(qū)）Fig.1 Location of the study area（Shaded area）

圖2 站位圖Fig.2 Stations

1.2 測量方法

圖3 實(shí)驗(yàn)室聲學(xué)裝置實(shí)物圖Fig.3 Portrait of the laboratory sediment acoustic instrument

1）原位聲速測量方法：沉積物聲學(xué)特性的原位測量采用國家海洋局第一海洋研究所研制的基于液壓驅(qū)動(dòng)貫入的自容式海底沉積聲學(xué)原位測量系統(tǒng)，系統(tǒng)原理與組成詳見文獻(xiàn)［6］。該原位測量系統(tǒng)與CTD 剖面儀比測海水聲速的測量誤差在0.5%以內(nèi)。

2）實(shí)驗(yàn)室聲速和物理性質(zhì)測量方法：沉積物聲學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)室測量采用自制的樣品聲學(xué)測量裝置，該裝置由數(shù)字聲波儀、測量平臺(tái)和多組換能器組成，基于透射法測量樣品的聲學(xué)特性參數(shù)（圖3）。按照30cm 把樣品分割成段，分別測量其聲速，采用最表層段的聲速用以對比。發(fā)射換能器產(chǎn)生的高頻聲波沿每段樣品的軸向傳播，被另一端的接收換能器接收，測量平臺(tái)上的滑動(dòng)標(biāo)尺可以測定樣品長度，根據(jù)聲波走時(shí)、幅度和樣品長度來計(jì)算聲速。聲速測量主要參數(shù)：（1）發(fā)射波形：脈沖波；（2）換能器主頻：25kHz；（3）采樣率：5 MHz；（4）記錄長度：2k（采樣點(diǎn)）；（5）重復(fù)測量次數(shù)：2次。在物理性質(zhì)參數(shù)中，含水率測量采用烘干法，濕密度測量采用環(huán)刀法。以下為便于描述，對于在船上實(shí)驗(yàn)室和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室測量的聲速和物理性質(zhì)參數(shù)分別對應(yīng)地稱為甲板聲速、含水率、濕密度和室內(nèi)聲速、含水率和濕密度。

2 原位和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測量的聲速和物理性質(zhì)的比較

2.1 沉積物聲速

圖4a和圖4b分別顯示了沉積物甲板聲速與原位聲速、室內(nèi)聲速與甲板聲速的對比情況。由圖可知，從原位聲速、甲板聲速到室內(nèi)聲速，總體上是逐漸增大的；并且在沉積物聲速較高的站位，3種聲速測量值相互之間的差值大于聲速較低的站位。

圖4 原位與實(shí)驗(yàn)室測量的沉積物聲速比較Fig.4 Comparison of the sediment acoustic velocities measured in situ and onshore methods

2.2 沉積物物理性質(zhì)

調(diào)查中未直接測量原位狀態(tài)下沉積物的物理性質(zhì)。沉積物取樣后直接在船上實(shí)驗(yàn)室測量，由于調(diào)查區(qū)水深小，而且樣品搬運(yùn)距離和時(shí)間均較短，因此測得的物理性質(zhì)可以近似為原位物理性質(zhì)。甲板濕密度和含水率與室內(nèi)濕密度和含水率的對比（圖5）可知，從甲板到室內(nèi)，沉積物的物理性質(zhì)發(fā)生了較明顯的改變，室內(nèi)的濕密度較甲板濕密度總體上有增大的趨勢，而室內(nèi)含水率較甲板含水率則總體上有減小的趨勢，這與通常認(rèn)為的沉積物在搬運(yùn)和長期保存過程中會(huì)發(fā)生水分流失、不斷壓實(shí)的現(xiàn)象相符。根據(jù)樣品平均粒徑的分類統(tǒng)計(jì)表明，顆粒較粗的沉積物其物理性質(zhì)的改變程度超過顆粒較細(xì)的沉積物。

圖5 甲板和室內(nèi)測量的沉積物物理性質(zhì)比較Fig.5 Comparison of the sediment wet density and water content measured shipboard and in onshore laboratory

2.3 沉積物溫度

沉積物樣品溫度實(shí)驗(yàn)室溫度環(huán)境的影響，與海底環(huán)境下的溫度有明顯差異。圖6a記錄了幾個(gè)站位的沉積物從原位到船上實(shí)驗(yàn)室的溫度變化過程，其中原位溫度采用CTD 剖面儀記錄的底層海水的溫度，可以看到溫度總體上是逐漸升高的，幅度最大近8 ℃。圖6b是甲板聲速測量和室內(nèi)聲速測量時(shí)的溫度對比，也可以看出兩者有明顯的不同，由于室內(nèi)測量主要在夏秋兩季進(jìn)行，室內(nèi)溫度多數(shù)較甲板溫度為高。

圖6 沉積物從原位到實(shí)驗(yàn)室的溫度變化Fig.6 Changes of sediment temperature from the in-situ state to the shipboard and onshore laboratories

3 討 論

3.1 沉積物溫度改變對實(shí)驗(yàn)室聲速的影響

圖7 甲板聲速比與原位聲速比的比較Fig.7 Comparison between the shipboard-measured and in-situ-measured acoustic velocity ratios

溫度是影響沉積物聲速的重要因素，Hamilton［7-8］認(rèn)為沉積物中孔隙水的聲學(xué)特性對于溫度的變化最為敏感，也是控制沉積物聲學(xué)特性隨溫度變化的主要因素。他發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)測量環(huán)境（23 ℃、1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）下的沉積物聲速和海水聲速之比（聲速比）近似等于海底原位狀態(tài)下的聲速比。鄒大鵬等［4］則根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對該認(rèn)識(shí)加以推廣，提出任意溫度下測量的沉積物聲速比均近似等于原位聲速比。因此聲速比可近似認(rèn)為是不隨溫度變化的常量，據(jù)此可以進(jìn)行試驗(yàn)室聲速的溫度校正。

調(diào)查中有4個(gè)站位同時(shí)測量了水深、CTD 底層水聲速和溫度、沉積物原位聲速、樣品甲板聲速以及測量時(shí)的溫度，因此可以計(jì)算出甲板聲速比（甲板聲速與對應(yīng)海水聲速的比值）和原位聲速比，計(jì)算中甲板聲速對應(yīng)的海水聲速的計(jì)算基于甲板聲速的對應(yīng)測量溫度和Mackenzie公式［9］。計(jì)算結(jié)果表明這4 個(gè)站位的甲板聲速比和原位聲速比非常接近（表1，圖7）。為了彌補(bǔ)調(diào)查中CTD 剖面測量站位較少，多數(shù)原位測站中未獲得底層海水的聲速的缺憾，采用了一種替代性方法，即根據(jù)南黃海夏季底層水溫等值線分布圖［10］來插值推算各原位測站對應(yīng)位置上的底層水溫，然后根據(jù)Mackenzie公式計(jì)算底層海水聲速，用來計(jì)算各站位的原位聲速比。各站位的甲板聲速比與原位聲速比的對比見圖7，兩者有較好的吻合，表明甲板聲速比與原位聲速比之間的關(guān)系符合Hamilton模型，甲板聲速與原位聲速之間的差異可以歸因?yàn)闇囟鹊母淖?，通過對甲板聲速進(jìn)行溫度校正可以較好地預(yù)測原位聲速。

同理，分別計(jì)算了各站位沉積物甲板聲速和室內(nèi)聲速的聲速比，兩者比較發(fā)現(xiàn)（圖8a）。圖8中，Φ 為平均粒徑。室內(nèi)聲速比與甲板聲速比有較大差異，總體上前者大于后者。這表明，樣品溫度的改變不足以解釋室內(nèi)聲速和原位聲速之間的差異，直接根據(jù)Hamilton模型對室內(nèi)聲速進(jìn)行溫度校正不能很好地預(yù)測原位聲速。

圖8 甲板聲速比和室內(nèi)聲速比的比較Fig.8 Comparison between the shipboard-measured and laboratory-measured acoustic velocity ratios

表1 4個(gè)站位預(yù)測和實(shí)測的原位聲速Table 1 The in-situ acoustic velocities predicted and measured at four stations

3.2 沉積物物理性質(zhì)改變對實(shí)驗(yàn)室聲速的影響

海底沉積物是一種含流體的孔隙介質(zhì)，聲波在其中的傳播受到沉積物的結(jié)構(gòu)和組成等性質(zhì)的影響。對大量實(shí)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析表明，沉積物聲速與其物理性質(zhì)有很好的相關(guān)關(guān)系［11-12］。就濕密度和含水率而言，表現(xiàn)為，隨著沉積物密度的增大、孔隙度的減小，聲速相應(yīng)地會(huì)增大。實(shí)際測量的室內(nèi)密度和含水率分別較甲板濕密度和含水率有增大和減小的趨勢，而室內(nèi)聲速也較甲板聲速總體上增大，即便對消除了溫度的影響的聲速比相比較，室內(nèi)聲速比也多較甲板聲速比為大，這與前人的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相吻合，也說明在根據(jù)室內(nèi)聲速進(jìn)行原位聲速預(yù)測時(shí)，應(yīng)該考慮樣品物理性質(zhì)相對于原位狀態(tài)改變的影響。

Jackson &Richardson［12］根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)建立了聲速比分別與密度、孔隙度和中值粒徑等參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。由于密度和含水量等均有變化，因此嘗試?yán)米钚《朔ń⒘耸覂?nèi)聲速比與室內(nèi)密度和含水量的雙參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，VpR 為室內(nèi)聲速比；ρ為室內(nèi)密度；ω 為含水量。

將實(shí)測甲板密度和含水量代入公式（1）可以計(jì)算出校正的室內(nèi)聲速比，與實(shí)測甲板聲速比相比較（圖8b）可知，經(jīng)過濕密度和含水率校正后的室內(nèi)聲速比與甲板聲速比的對應(yīng)關(guān)系較圖中有了明顯改善，印證了濕密度和含水率的改變是造成室內(nèi)聲速偏離原位聲速的重要因素。

同時(shí)也應(yīng)注意到，校正的室內(nèi)聲速比與甲板聲速比線性關(guān)系的離散性仍較強(qiáng)，這可能與沉積物的顆粒組成有關(guān)，圖8b中顯示中值粒徑大的沉積物的聲速比離散性更大，表明細(xì)粒沉積物的狀態(tài)較原位狀態(tài)保持的較好，而顆粒較粗的沉積物，其水分和結(jié)構(gòu)容易因外部過程而發(fā)生不同程度的改變。

4 結(jié) 語

對南黃海沉積聲學(xué)調(diào)查的實(shí)測數(shù)據(jù)的分析表明，沉積物在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室測量時(shí)往往較原位狀態(tài)發(fā)生了較大的改變，不僅是溫度，還包括濕密度、含水率等基本的物理性質(zhì)，從而影響到聲速的測量結(jié)果，難以僅僅通過溫度校正來恢復(fù)原位聲速，而是應(yīng)該同時(shí)考慮物理性質(zhì)改變的影響；相對而言，沉積物取樣后直接在船上實(shí)驗(yàn)室測量聲速，可以很好地根據(jù)Hamilton模型通過溫度校正來預(yù)測原位聲速。因此對于獲取的沉積物樣品立即在船上實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行聲速測量更有利于恢復(fù)原位聲速。

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