白令海和楚科奇海表層沉積物的聲速特性

孫 蕾,王景強,3,李官保,3,孟祥梅,3,闞光明,3,劉保華

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061；2.自然資源部 海洋地質與成礦作用重點實驗室,山東 青島266061；3.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋地質過程與環境功能實驗室,山東 青島266235；4.國家深海基地管理中心,山東 青島266237)

海底是水下聲場的重要邊界,同時也是海洋聲學、海洋地質學和海洋地球物理學等學科共同關注的對象[1]。海底沉積物聲學特性是影響聲波在海洋中傳播的重要因素,相關研究在軍事海洋環境保障、海底目標物探測、海底資源勘探等領域均具有重要的應用價值[2]。海底沉積物的聲學特性研究歷經了半個多世紀,取得了一系列理論進展和實用成果,涉及理論機理研究[3-4]、預報模型[5-6]、測量技術[7-8]等多個方面。無論是經驗預報方程、理論模型還是反演計算,都需要大量的實測數據作為基礎資料。因此,海底沉積物聲學特性的直接精確測量是開展聲學特性研究的關鍵環節。當前,海底沉積物聲學調查廣泛采用的直接測量方法主要包括原位測量技術和取樣測量[2]。取樣測量由于具有儀器設備簡單、操作方便等優點,在缺乏原位測量條件的情況下是海底沉積物聲學調查的常用方法。

由于海底沉積物兼具顆粒骨架和孔隙流體的聲學特性,其聲學特性比海水和巖石等介質的聲學性質更為復雜[9],Stoll基于多孔彈性理論建立的Biot-Stoll模型[3]、Buckingham基于彈性理論建立的Viscous Grain Shearing(VGS)模型等[4]試圖從不同的角度對沉積物聲學特性進行建模。海底沉積物的聲學特性與沉積環境特征、沉積物結構特征、物理力學性質等密切相關[10]。基于海底沉積物聲學特性與物理性質的相關性,構建二者之間的經驗關系模型是海底沉積物聲學特征研究的主要內容之一[11-12]。Hamilton針對不同的海底沉積環境,利用實驗室測量方法,建立了大陸架和大陸坡、深海平原、深海丘陵沉積物的聲學參數與物理性質之間的Hamilton和Bachman經驗模型[5](以下簡稱Hamilton模型)。該經驗模型通常被用于水聲仿真和沉積物聲速預測,但研究顯示該模型與近期實測數據存在較大的偏差。此外,Richardson和Briggs基于全球多海域柱狀沉積物樣品的數千組實驗室測量數據,構建了沉積物聲學特性與物理性質的Richardson和Briggs經驗模型[13]。國內學者也利用HISAMS原位測量技術,在南黃海開展了大量調查工作,構建了沉積物聲速-物理性質的經驗模型[14],這些新模型均與Hamilton模型存在不同程度的差異。

北極是當前海洋科學活動的熱點區域,其中白令海和楚科奇海作為太平洋進出北極海域的關鍵通道以其巨大的資源潛力尤其受到關注。由于獨特的水動力環境條件以及受古冰川作用的影響,在白令海和楚科奇海形成了獨特的地形地貌和海底沉積物。受調查條件所限,過去對該海區沉積物聲學特性的研究較為薄弱,第五次北極科學考察曾測量了7個站位沉積物的聲速,分析了其與沉積物微結構和物理性質的關系,這也是我國首次在北極區域開展聲學特性研究[15]。本研究將利用中國第十次北極考察在白令海和楚科奇海采集的更多類型沉積物樣品,測量樣品的聲學特性和物理性質,分析沉積物聲學特性與物理性質之間的相關性,進而探討現有經驗模型對該海域沉積物的適用性,以期為該海區水聲研究、資源勘探提供參考。

1 樣品及測試方法

1.1 區域概況與樣品采集

白令海和楚科奇海是北太平洋和北冰洋進行物質交換的重要海域,過往研究認為該海域的沉積物以陸源搬運物質和生物源物質為主,火山成因和風塵物質等影響較弱[16]。在第十次北極科學考察航次中,利用箱式取樣器采樣,然后進行插管,采集了16個站位的海底表層沉積物柱狀樣品,進行了沉積物聲學特性測試及物理性質測試。

這16個站位分別位于白令海和楚科奇海的陸架淺水區域,站位水深為41～134 m。其中,T1至T4站分布于白令海西北陸架,靠近楚科奇半島,T5至T8站分布于白令海中部陸架至陸坡的交接帶,T9至T16站位于楚科奇海中部陸架,且呈從南(白令海峽)向北(楚科奇海陸坡)的排布(圖1)。現場判斷沉積物以灰色或灰黑色的砂質粉砂或黏土質粉砂為主。

圖1 沉積物站位分布Fig.1 Sampling locations for sediments in the study area

1.2 聲學測試

本研究采用軸向差距測量法進行聲學測試,測試系統主要包括PoDAS聲波發射和采集系統、功率放大器、換能器阻抗匹配器、發射和接收換能器、沉積物樣品測試平臺等(圖2)。測量時,首先將沉積物樣品分割成長度約15 cm的測試段；然后,將測試段水平放置在聲學測試平臺上,發射換能器T和接收換能器R分別安裝在沉積物樣品的軸向兩端,測試過程中,PoDAS聲學發射端產生聲波信號,經功率放大器放大后,驅動發射換能器激發出聲波信號,聲波信號穿過沉積物樣品后被接收換能器所接收,聲波信號再傳輸至PoDAS接收端,用以采集和存儲聲波信號；最后,根據采集到的聲波信號,利用人工判讀初至法,確定聲波穿透某一長度沉積物樣品的旅行時間,并結合沉積物樣品的長度,基于旅行時間法(time-of-flight,TOF)計算沉積物聲速Cp(單位為m/s),計算公式如下:

圖2 聲學測試系統Fig.2 The acoustic measurement system

式中:L為沉積物樣品長度,單位為mm；t為聲波信號旅行時間,單位為μs；t0為換能器零聲時修正值,單位為μs。沉積物樣品測試平臺的長度測量誤差范圍為-0.1～0.1 mm,采樣率設置為16 MHz,采樣時長為5 ms,聲速測量結果的誤差小于0.1%。本次測試采用了4組不同頻率的發射和接收換能器,其中心頻率分別為25、50、100和200 k Hz。

1.3 聲速比計算

沉積物的孔隙中富含孔隙水,而水的聲速值極易受溫度和壓力的變化影響,因此,沉積物的聲速也與溫度、壓力等環境因素相關。沉積物樣品從采樣前的原位狀態到搬運至實驗室,其所處的環境發生了較大的變化,尤其是溫度和壓力發生了變化,所以,需要將沉積物實驗室聲速值進行校正[17]。目前,常用的校正方法主要是聲速比校正方法,該方法的原理是:為了消除溫度和壓力變化對沉積物聲速的影響,將實驗室聲速轉換為聲速比(R),即沉積物聲速與同等溫度壓力條件下的水聲速的比值,該比值通常被認為是一個定值[18]。聲速比的計算公式為

式中,Cp為實驗室測試的沉積物聲速值,Cw為實驗室溫度和1個大氣壓下的水聲速值,Cpi為海底原位溫壓狀態的沉積物聲速,Cwi為海底原位溫壓條件下的水聲速值。本研究采用Wilson簡化公式[19]

計算水中的聲速,其中t為溫度(℃),z為水深(m),S為鹽度。海底沉積物從原位狀態到實驗室環境的過程中鹽度基本不會發生變化,而溫度和壓力較容易發生變化。為了將各站位的數據進行比較,對水聲速計算公式進行了簡化,海底沉積物的鹽度S統一取值為35。

1.4 物理性質測試

完成聲學測試后,依據GB/T 12763.8—2007《海洋調查規范:第8部分 海洋地質地球物理調查》[20]對樣品進行物理性質測試分析,以確定粒度組成(砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量)、平均粒徑、密度和孔隙度等,并對沉積物樣品進行定名。采用篩析法和沉析法分析沉積物粒度,之后繪制顆粒大小分布曲線；采用福克和沃德公式計算平均粒徑。采用環刀法測試沉積物樣品的密度(環刀內徑6 cm,高度2 cm)。采用比重瓶法測試顆粒密度。利用密度、顆粒密度和含水量計算沉積物的孔隙度,其中含水量采用烘干法測得。采用圖解法對沉積物樣品進行分類和命名。

2 結果分析

2.1 沉積物類型與物理性質

試驗結果顯示,白令海和楚科奇海海底沉積物類型較為復雜,包括砂-粉砂-黏土、粉砂質砂、砂質粉砂、黏土質粉砂和粉砂質黏土等多種類型。T1到T16站沉積物的具體物理性質參數的測試結果(表1)顯示:密度為1.41～1.84 g/cm3,平均值為1.63 g/cm3；孔隙度為0.482～0.734,平均值為0.615。粒度分析結果顯示,16個站位的海底沉積物基本不含礫石成分,砂粒質量分數為3.1%～60.5%,平均值為26.46%；粉粒質量分數為19.6%～52.9%,平均值為38.77%；黏粒質量分數為18.2%～60.6%,平均值為34.76%；平均粒徑(Φ值)為4.97～8.07,平均值為6.45。總體來說,分布于白令海的T1到T8站沉積物粒度相對較粗,而分布于楚科奇海的T12到T16站沉積物粒度相對較細；砂粒質量分數較高的站位主要在白令海以及靠近白令海峽的T9到T11站。位于白令海中部陸架與陸坡交接帶的T5至T8站砂粒質量分數較高,而位于白令海西北陸架的T1到T4站粉粒質量分數較高；楚科奇海沉積物的粒度明顯呈由南向北逐漸變細的特征,靠近楚科奇半島的站位沉積物顆粒較粗且砂粒質量分數較高,而遠離半島的站位顆粒較細,這與海流由南向北搬運的沉積環境有關,因為較細的顆粒更容易被搬運至較遠的陸坡區沉降[16]。

表1 白令海和楚科奇海表層沉積物物理性質測試結果Table 1 The measurement results of physical properties of surface sediments in the Bering Sea and the Chukchi Sea

2.2 沉積物聲速測量結果

結合沉積物類型,統計分析聲速測量數據,結果(表2)顯示,在25～200 k Hz的測量頻率范圍內,研究區表層沉積物的聲速變化范圍為1 485.20～1 619.29 m/s,變化較大。按照不同的沉積物類型比較,粉砂質砂或砂質粉砂的聲速值最高,變化范圍為1 567.19～1 619.29 m/s,各頻率的聲速平均值為1 584.86～1 602.38 m/s；黏土質粉砂次之,聲速變化范圍為1 524.65～1 554.47 m/s,各頻率的聲速平均值為1 535.01～1 543.04 m/s；粉砂質黏土的聲速值最低,變化范圍為1 485.20～1 518.84 m/s,各個頻率的聲速平均值為1 501.48～1 507.71 m/s。

表2 白令海和楚科奇海表層沉積物聲速測試結果Table 2 The measurement results of sound speed of surface sediments in the Bering Sea and the Chukchi Sea

3 討 論

3.1 沉積物聲速與物理性質的相關性

海底沉積物的聲速與物理性質的相關關系一直是海底沉積物聲學研究的重要內容,對聲速和物理性質參數進行回歸分析并建立經驗模型,可以為聲速預報和海底參數反演提供有效手段。20世紀80年代,Hamilton和Bachman通過大量沉積物取樣并進行聲學測量,同時結合以往獲取的數據進行了統計分析,根據沉積物所處的沉積環境,分別建立了大陸臺階、深海平原和深海丘陵的沉積物聲速和物理性質之間的經驗模型[5](通常稱為Hamilton模型),其中大陸臺階對應的沉積物聲速比和物理性質之間的經驗模型如下:

式中,ρ為密度,n為孔隙度,Mz為平均粒徑(Φ值)。雖然Hamilton模型得到了廣泛應用,但近期多個海域的實測數據和模型對比研究發現,該經驗模型存在應用局限性[1,21-22]。Richardson和Briggs模型是通過總結全球多個海域數千組測量數據所建立的沉積物聲速比與物理性質之間的相關關系模型[13],其經驗關系式如下:

本研究結合研究區的實測數據(以100 k Hz為例),與Hamilton模型及Richardson和Briggs模型進行對比分析,探討聲速比與物理性質之間的關系,結果如圖3所示。

由圖3可見,部分站位沉積物的聲速比小于1,屬于低聲速沉積物。分析認為:孔隙流體、礦物顆粒和礦物骨架的可壓縮性和剛度決定了聲速的傳播速度,正是由于高含水量和高孔隙度的沉積物具有較低的剛度和較高的可壓縮性[5],此時沉積物的體積模量接近于海水,而密度高于海水,從而聲速低于海水聲速,導致了沉積物低聲速現象。

飽和的海底沉積物由顆粒和孔隙水組成,具有雙相介質特征,密度和孔隙度代表了顆粒比重、孔隙水等所占比例以及密實程度。當聲波穿過沉積物時,顆粒和孔隙水同時提供了聲波傳播的路徑,因此沉積物聲速與密度、孔隙度密切關聯。由圖3a和圖3b可見,沉積物的聲速比隨著密度的增大呈增大趨勢,隨著孔隙度的增大呈減小趨勢,相關性較好。實測數據與經驗模型對比表明,研究區域沉積物聲速比與Richardson和Briggs模型具有較好的一致性,而與Hamilton模型之間存在較大的差值,低于該模型的預測結果。研究也發現[1],Hamilton經驗模型預測的聲速比結果通常要高于實測值,這種差異性一方面歸因于聲學測量技術的不同,另一方面歸因于物理性質測量技術存在差異的情況。Hamilton等[5]早期工作中測量技術和數據處理標準并不完善,可能會出現測量結果存在較大的誤差,雖然通過近十幾年的技術發展,基于新的數據會逐步完善Hamilton經驗模型,但是Hamilton等提出構建經驗模型的理念仍是十分重要的。

圖3 沉積物聲速比與物理性質關系(以100 k Hz實測聲速為例)Fig.3 The correlation between acoustic speed ratios and physical properties(the measured sound speed under 100 k Hz)

顆粒粒徑在采樣過程和測試過程中不會發生變化,因此也被作為預測沉積物聲速的指標之一,并對底質分類等具有指導意義。由圖3c可見,總體上沉積物聲速比隨著平均粒徑Φ值的增大而減小,二者相關性較好。與經驗模型比較表明,沉積物實測聲速低于2種模型的預測結果(圖3c),這種差異源自平均粒徑本身的簡化屬性。由于物理、生物和地球化學等作用,自然狀態下海底沉積物的顆粒組分包含從礫到黏粒等多種粒級成分,具有顆粒的空間非均勻性[23]。為了更好地構建聲傳播理論,通常將海底沉積物作為均勻介質進行簡化,把一定粒徑組分的平均值如平均粒徑作為整個沉積物顆粒構成的參數。通過對比分選性較好的中砂、分選性較差的粉砂質黏土、黏土質粉砂以及分選極差的砂質泥混合物發現,平均粒徑相同的黏土質粉砂和砂質泥混合沉積物,其聲速差異很大[1,24]。在相同的壓實狀態下,作為球形顆粒均勻聚集體,顆粒分選程度不同的沉積物可能具有相同的平均粒徑,然而聲速并不相同。因此利用平均粒徑預測沉積物聲速,又具有一定的局限性。此外,由圖3d和圖3e可見,沉積物聲速比隨砂粒質量分數增大呈增大趨勢,隨黏粒質量分數增大呈減小趨勢,相關性也較好。

3.2 沉積物聲速頻散特征

作為多孔雙相介質,海底沉積物的固相和液相在聲波的激勵下具有不一樣的振動特征,尤其當振動頻率不同時,聲波傳播速度對頻率具有明顯的依賴性,即為沉積物聲速的頻散現象。海底沉積物聲速對頻率的依賴性,是沉積物的固有地聲屬性,不同海域、不同底質類型的沉積物存在明顯的差異。本研究將研究海域沉積物分為三類,即砂質粉砂和粉砂質砂、粉砂質黏土和黏土質粉砂,分析不同類型沉積物聲速頻散特征的差異性。利用最小二乘法擬合沉積物聲速與頻率之間的關系(圖4和表3)可知:沉積物聲速和頻率之間呈明顯的正相關線性關系,即沉積物聲速隨頻率的增大呈增大的趨勢。

圖4 不同類型沉積物聲速的頻散特征Fig.4 The frequency dependency of acoustic speed in different sediments

表3 不同類型沉積物聲速與頻率之間的關系Table 3 Relationships between the frequency and sound speed of the different sediments

3種類型沉積物的聲速頻散程度不同,分別為0.082 5、0.037 8和0.032 1(m·s-1)/k Hz。砂質粉砂和粉砂質砂的聲速頻散程度較為顯著,黏土質粉砂和粉砂質黏土的聲速頻散相對較弱,這與部分研究結果相一致[25-26],表明粗顆粒沉積物聲速對頻率具有更強的依賴性。

4 結 論

通過測量白令海和楚科奇海表層沉積物的聲速和物理性質參數,將實測數據與Hamilton模型、Richardson和Briggs經驗模型進行對比,分析了不同類型沉積物的頻散特征,主要結論如下:

①研究海域表層沉積物類型復雜,包括粉砂質砂、砂質粉砂、黏土質粉砂和粉砂質黏土等類型。整體上,粉砂質砂或砂質粉砂的聲速值最高,黏土質粉砂的聲速值次之,粉砂質黏土的聲速值最低；沉積物聲速與類型之間具有明顯的相關性。

②沉積物聲速比與密度、孔隙度、平均粒徑、砂粒質量分數和黏粒質量分數等物理性質之間具有相關性。通過對比實測數據和模型預測結果發現,實測聲速比與Richardson和Briggs密度模型、孔隙度模型的預測結果更為吻合,低于Hamilton模型的預測值。此外,實測聲速比與2種基于平均粒徑的經驗模型預測結果存在差異。

③在25～200 k Hz的頻率范圍內,沉積物的聲速隨頻率呈近似線性緩慢增加的趨勢,粗顆粒沉積物的頻散特征最為顯著。利用線性擬合的方法可以表達沉積物的聲速頻散特征,擬合結果具有較高的相關性。