海底沉積物的基本地聲結構與地聲模型

鄒大鵬 ，伍智林，孫晗 ，劉偉 ，紀軒榮 ，肖體兵

(1. 廣東工業大學 機電工程學院，廣東 廣州 510006；2. 中國科學院聲學研究所 聲場聲信息國家重點實驗室，北京100190；3. 廣東工業大學 省部共建精密電子制造技術與裝備國家重點實驗室，廣東 廣州 510006)

1 引言

海底沉積物聲學特性空間結構分布是影響水下聲場的重要因素之一，所有海底聲學探測都與海底沉積物的聲學特性及其聲速剖面有關，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、聲衰減系數和分層特征等地聲屬性，在聲場預報、匹配場定位、地聲反演中十分重要[1-4]。通過聲學遙測[5-9]、理論分析[10-12]、實驗室聲學測量[13-19]和原位聲學測量[20-23]等方法，開展海底沉積物聲學與物理特性分析和地聲參數反演研究，嘗試建立適用于不同測量頻率、不同埋深的海底聲速剖面，為各種應用提供海底沉積物地聲模型[12-15]，越來越成為海洋聲學探測基礎研究的熱點和重點。

地聲反演和聲場預報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]，又根據不同需要把沉積物層等效分成深度不等的一至多層結構；對于各層聲速，既有采取等聲速結構[1,3-6]，也有采取不等聲速結構[2,8]。這種采取等效方法簡化建立的地聲模型，為聲場傳播分析和地聲反演帶來方便。李夢竹等[1]指出負躍層起伏環境下的高聲速海底的聲學反演，可以采取單層等聲速海底地聲模型代替兩層結構，與小于海底特征角的海底掠射聲場等效模型相似[7]。尚爾昌[8]指出，建立在假設地聲模型之上的反演得到的海底地聲參數并非介質本身的固有參數，海底衰減系數的頻率特性會發生嚴重的畸變。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構，也存在非等聲速層結構，同時指出海底溫度變化對表層聲速具有影響性。Buckingham[10]基于VGS模型計算兩層和3層海底的聲速剖面，得出即使物理參數不隨埋深變化，壓縮波速度和剪切波速度都隨著深度增大而增大。實際地聲模型復雜多樣，既有低聲速結構也有高聲速結構，抑或兩者交錯出現[12-15]。因此，水聲探測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題，即等效地聲模型與實際地聲模型的相互關系以及簡化依據問題，需要更為深入研究得以明確。

Hamilton[13-14]運用統計分析方法研究海底沉積物樣品的各物理參數之間的關系以及與聲速和聲阻抗的關系，建立大陸架、大陸坡、深海平原的聲學特性回歸模型，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東南沿海尤其是南海海底沉積物聲學特性，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海底、半固態海底和固態海底，在Hamilton地聲模型基礎上提出南海海域的3種海水-沉積物聲速結構。這些根據取樣測量獲得的聲速結構往往屬于海底表層、淺層聲速剖面，在各自海域具有直接指導性[13-19]。Li等[20]通過海底原位測量獲得南海海底1.4 m范圍內的低聲速層、等聲速結構，與實驗室測量的聲速剖面具有相似性。Kim等[21]比較原位和實驗室測量獲得海底沉積物聲速分布，指出溫度、壓力、頻率等不同導致聲速剖面存在差異，可以進行修正。基于海底原位測量表明，海底既有等聲速層結構[20-22]，也有隨著埋深增大的不等聲速層結構[22-23]。上述測量研究表明，沉積歷史和沉積過程變化導致海底聲速剖面非常復雜，也因為各種聲學測量技術存在尺度不同和方法差異，導致建立的地聲模型不一致。隨著海底聲學探測向著深遠海、海底深層、高精度、高效率的方向的不斷發展，如何為不同測量應用提供具有一致性解釋和相互借鑒的地聲模型，一直以來都是亟需探討解決的難點。

本文通過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系，提出地聲模型的4種基本聲速結構，通過基本聲速結構的組合構建和解釋現有的地聲模型；通過分析頻散特性和環境溫度與壓力對聲速剖面的影響性，提出將實驗室測量法建立的地聲模型應用于不同測量方法時，進行修正和對比，得到地聲模型的解釋一致性，為海底聲學探測應用的各種地聲模型提供建立依據。

2 地聲模型的基本組成與基本結構

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交換、溫度交換和沉積形態變化的3個重要界面，也是海洋3個最主要的聲學特性傳播界面。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雜的分層特征，其特點主要有：各層既以無機質為主，又可能含有一定量的有機質；既包含硅質沉積物，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；還可能因為混合貝殼、油氣、可燃冰、多金屬結核等而成為多物質混合狀態。具體應用時，需根據以上組成成分、類型、混合狀態而劃分為更為細致的分層。以當前取樣測量[13-19, 29-31]和原位測量[20-23,32-34]為參考，海底沉積物通常可以分為表層（0～3 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千米[28]。

圖1 海底沉積物基本分層結構Fig. 1 Basic layered structure of seafloor sediments

海底沉積物的聲速、聲衰減系數、密度隨著海底埋深的分布結構，通常用地聲模型表征。考慮到海底探測需求，根據已有的海底聲速結構和地聲模型的研究，得到地聲模型的基本組成如下：

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

（2）密度結構-密度與埋深深度的關系，即密度剖面；表示成密度與埋深深度的梯度關系，即為密度梯度；

（3）空間結構-海底沉積物的埋深分層特征和水平分布范圍；

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

（5）剪切波速度結構-剪切波速度與埋深深度的關系，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系，即為剪切波速度梯度。

其中，前3項包含海底分層的聲速剖面和密度剖面，構成地聲結構，可以構建海底聲阻抗剖面，是一種基本地聲模型關系。增加后兩項可以構建擴展后的地聲模型。

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如彈性模量、剪切波衰減系數與埋深深度的關系等，更廣泛意義的地聲模型還包括沉積歷史、沉積環境等參數。但在具體建立地聲模型時，很難獲得如此多的資料和數據，實際的地聲模型具有多層狀態、三維結構、各向異性等特性，過于復雜，需要根據需求進行簡化。通過研究地聲模型的基本結構，在應用時結合少量測量數據以及預報方法，可以實現構建區域性的地聲模型。

2.2 地聲模型的4種基本地聲結構

考慮到水聲探測的普遍性應用，以下針對地聲模型最基本的3項組成，以壓縮波波速為主，研究地聲模型的基本結構，即地聲結構。在地聲結構研究中，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量聲波在海底傳播的能量、強度與距離，剪切波可以表征底質結構，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驗室中的測量精度都低于聲速測量，仍需深入研究不同測量方法在較寬聲波頻率范圍內精確性的關系才能建立更為準確的結構模型。

根據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，表達如式（1）；考慮到每層之間存在層間聲速差異，通過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，表達如式（2）；考慮到每一層內存在聲速變化狀態因素，根據每一層聲速梯度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i=1時對應著海底表層第1層，此時與底層海水c0的聲速進行比較。

基于以上對應關系，得出4種地聲模型的基本結構：（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種基本地聲結構，如果考慮層與層之間的過渡，還可以結合高聲速層和低聲速層進行細致劃分，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層內聲速處于增大類型。

基本地聲結構定義時未考慮密度剖面，是因為雖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，因此只采用聲速進行劃分可以簡化表達出海底沉積物的分層狀態和結構。

海底第1層地聲結構形成水聲的下邊界和地聲的上邊界，是水聲學、地聲學和沉積聲學都關注的最重要的地聲結構。表層海底沉積物的表面聲速與底層海水聲速c0相比較，當大于c0時，同時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，為低聲速表面海底和低聲速層海底，即低聲速海底。對于低聲速表面海底，如果屬于聲速緩慢變化類型時，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，當沉積物層埋深增長到一定深度時會大于底層海水聲速c0，由低聲速層過渡成高聲速層。實際海底，黏土質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。粉砂質海底沉積物根據黏土百分含量的高低而處于高聲速和低聲速的過渡中。

聲速梯度閾值gth0需要設定具體范圍值，通常聲場傳播中要求聲速測量精度在1%以內，以表層粉砂質海底沉積物聲速為1600 m/s計算，在16 m以淺的范圍內，聲速梯度閾值gth0如果設定為1 s-1，則在此16 m海底沉積物層內可以把整層海底沉積物聲速當成常值1600 m/s應用而滿足精度。當某海底沉積物層的gth0設定為1 s-1，此層聲速梯度平均值介于這個閾值范圍時，屬于聲速緩慢變化類型；當聲速梯度平均值大于閾值范圍時，屬于聲速增大類型。

實際測量數據分析表明，當聲速梯度較小時，海底沉積物的孔隙度基本不變或者緩慢變化，當聲速梯度較大時，海底沉積物孔隙度處于減小變化；同時，海底沉積物的孔隙度與聲速具有明確的一元二次相關性[13-19,29-31]，與密度呈現良好的線性相關。因此，引入孔隙度代替密度作為定義地聲結構類型的一個基本量，在地聲模型分析和實際應用中更為直觀和有效。

3 地聲模型和地聲結構的建立

3.1 地聲模型的建立方法

當前海底沉積物聲學測量方法[1-23,29-37]，可用于建立地聲模型的方法主要有4種：（1）遙測法[1-9]；（2）實驗室測量法[13-19,29-31,37]；（3）海底原位測量法[20-23,32-34]；（4）鉆探測量法[35-37]。如表1所示，不同方法建立地聲模型的測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

實驗室測量法通過重力柱狀取樣（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，在實驗室開展分段聲學和物理特性測量。實驗室測量法存在過程擾動，但可以得到海底沉積物樣品的分層信息以及聲學與物理特性分布結構。

海底原位測量法通過貫入式、壓入式海底原位測量設備，在海底原位環境狀態測量海底沉積物的聲學特性和聲學結構。如需要借助取樣進行樣品測量獲得海底沉積物物理特性，因此對海底沉積物的擾動小。

遙測法通過聲學反射和折射獲得海底聲波傳播的分層走時信息和傳播損失信息，結合海底沉積物的經驗關系式、理論模型、搜索函數、目標函數等，獲得海底沉積物的聲學與物理特性的分布結構。通常需要結合實驗室測量法或者海底原位測量法進行佐證。

鉆探測量法通過鉆探取樣測量、隨鉆測井、鉆孔測井等方式，測量深層海底沉積物的聲學與物理特性。屬于專有手段，能夠獲得實驗室測量法或海底原位測量法難以提供的海底深層聲速剖面特征，作為以上3種建立模型的驗證、補充和支持。

實驗室測量法和海底原位測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，遙測法和鉆探測量法可以獲得深層海底沉積物的聲速剖面分布特征。實驗室測量法、海底原位測量法和鉆探測量法都只能獲得測量點的聲速剖面分布，需要結合遙測法來構建區域性的地聲模型。

為實現這4種建立地聲模型方法的相互借鑒性和解釋統一性，需要解決的共性問題有：（1）實驗室測量法和原位測量法的測量頻率高于遙測法中的水聲測量和地聲反演的探測頻率，需建立有效解釋從10 Hz至1 MHz測量頻率范圍內的海底沉積物頻散特性對聲速剖面影響性分析的普遍方法；（2）實驗室測量法和原位測量法的測量深度遠低于遙測法中的水聲測量和地聲反演的探測深度，需建立有效解釋從表層到深層100 m深度范圍內的地聲模型建模的普遍方法；（3）實驗室測量法的測量環境有別于其他3種方法的海底原位測量環境狀態，需建立有效解釋從0℃至60℃的綜合溫度范圍內和從1.013×105Pa至60 MPa綜合壓力范圍內的海底沉積物聲速剖面校正的普遍方法。

3.2 基于實驗室測量法的地聲結構建立

以重力柱狀取樣（含活塞取樣）獲得海底沉積物樣品，按照可觀測的分層或者定長分割分段，采用PVC管或有機玻璃管存放分段樣品，在實驗室測量得到海底沉積物的聲學特性和物理特性。其中，砂質海底沉積物顆粒尺寸大、堆積密實、難于插入而取樣長度有限，一般為1 m左右；黏土質海底沉積物因為剪切強度低而容易取得較長樣品，可以達到4～8 m。海底沉積物的聲速深受測量環境影響[21,38-40]，因此參照23℃、1.013×105Pa的實驗室標準測量環境，采用此環境狀態下的鹽度為34.5的海水所對應的1529.3 m/s作為底層海水實驗室標準聲速，用于計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構類型

海底沉積物樣品NH1534取自于南海3100 m水深海底[16]，長度為3.95 m，以黏土質類型為主，分成9段測量，聲學測量主頻為400 kHz。9段樣品測量孔隙度為0.819±0.021，密度為（1.32±0.03） g/cm3，測量聲速為（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。實驗室測量海底沉積物聲速整體小于底層海水聲速1529.3 m/s，因此樣品所在區域對應著低聲速表面-聲速緩慢變化類型的聲速剖面，表層地聲結構比較均勻單一。

海底沉積物樣品NHB21取自南海2843 m水深海底[17]，長度為0.9 m，以粉砂質黏土類型為主，粉砂含量高，聲學測量主頻為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，低于底層海水實驗室標準聲速，但隨著埋深增大，聲速增長，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始超過底層海水實驗室標準聲速。

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對應的地聲結構表示成聲速（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）的擬合關系式分別如下：

式中，R為相關系數，表示兩個量之間的相關特性及程度。

式（5）至式（7）建立的地聲結構直接適用范圍為取樣海區一定水平區域的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用以及向其他海區拓展應用，存在預報誤差，需要進行修正和驗證。

3.2.2 高聲速表面的地聲結構類型

海底沉積物樣品NH54取自于南海1600 m水深海底，長度為1.5 m，以黏土質粉砂類型為主，分成10段測量，聲學測量主頻為100 kHz。10段樣品測量孔隙度為0.611±0.029，密度為（1.68±0.05） g/cm3，測量聲速為（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，大于底層海水實驗室標準聲速1529.3 m/s，因此樣品所在區域對應著高聲速表面-聲速緩慢變化類型，表層地聲結構相對均勻單一。

海底沉積物樣品NH06取自于南海北部大陸架附近，長度為2.2 m，以砂質粉砂類型為主，分成7段測量，聲學測量主頻為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，大于底層海水實驗室標準聲速，因此樣品所在區域對應著高聲速表面-聲速增長類型。

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對應的地聲結構表示成聲速、密度、孔隙度與海底埋深的擬合關系式為

式（5）建立的地聲結構適用范圍為取樣海區一定水平區域的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 基于鉆探測量法的地聲結構建立

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，采取遙測法中的地震測量和鉆探測量法取樣測量相互結合。高頻地震剖面表明兩個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。通過鉆探取樣獲得約43 m長的樣品HB101和約30 m長的樣品HB102，在實驗室開展聲學和物理特性測量，測量頻率為600 kHz。鉆探測量和地震測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，基于取樣樣品的實驗室測量聲速和物理特性表明海底地聲結構既有單一狀態，也因為沉積歷史復雜和洋流運動而出現交錯的復合狀態。樣品HB101和HB102在實驗室標準環境狀態下測量表層表面聲速均小于底層海水實驗室標準聲速，都屬于低聲速表層類型。Pre-LGM作為最底層，因為歷史沉積事件影響，組成成分復雜變化，與其他層相比出現砂質含量和礫含量的混合交錯劇增，聲速剖面相對異常復雜，在此不做討論。

樣品HB101的SubunitⅡ層沉積相對穩定，如圖4A所示，在埋深38 m內整體呈現聲速正增長的地聲結構規律性，雖然在地震剖面上分為SubunitⅡ-a和SubunitⅡ-b兩個子層。整個層都以粉砂質類型為主，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的地聲結構（參照文獻[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沉積相對穩定，都以粉砂質類型為主。如圖4B所示，SubunitⅡ層分成SubunitⅡ-a和SubunitⅡ-b兩個子層，地聲結構存在明顯差異，SubunitⅡ-a層在海底表層至7 m埋深內呈現聲速正增長，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內呈現聲速緩慢變化，孔隙度、密度、聲速分別圍繞均值0.619、1.65 g/cm3、1525 m/s波動，中間存在砂質薄層而出現聲速偏大值，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內呈現聲速緩慢變化，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 地聲結構的組合與地聲模型

海底沉積物樣品HB101和HB102的大深度鉆探測量表明[37]，在沉積歷史復雜的海底沉積物中，存在著交錯的多層結構，無法采用單一的地聲模型進行描述和代替，但基于以上4種基本地聲結構進行劃分和組合，可以將區域性復雜的地聲模型描述出來。

對于同一類型海底沉積物，地聲結構主要與埋深范圍內存在的溫度梯度和壓力梯度作用有關，影響海底沉積物的物理特性參數進而影響到聲學特性。鄒大鵬等[12]基于FCMCM模型分析海底埋深的影響作用計算典型地聲模型，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]總結的南海地聲模型。本文提出的4種基本地聲結構與這4類典型地聲模型具有對應性為：（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種基本地聲結構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），樣品HB101的地聲模型為GMI1型（0～7 m埋深范圍內）+GMI2型（7～21 m埋深范圍內）。這種基于鉆探取樣在實驗室測量建立地聲結構組合而成的地聲模型，與基于地震測量法獲得的海底分層具有較好的一致對應性[37]，表明可以基于實驗室測量法建立海底沉積物的基本地聲結構，通過組合構建海底不同尺度的地聲模型。

對于實驗室測量法和原位測量法測量集中在表層，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），樣品NHB21為GMI2型（0～1 m埋深范圍內），樣品NH54為GMII1型（0～1.5 m埋深范圍內），樣品NHB21為GMII2型（0～2.2 m埋深范圍內）。這種地聲模型劃分可以作為中高頻海底探測聲波傳播的地聲模型參考，雖然無法直接作為低頻海底探測聲波傳播的地聲模型，但可以結合低頻探測得到的海底分層及聲波傳播走時剖面進行預報。

4 討論

4.1 頻散對地聲模型建立的影響

海底沉積物聲波傳播過程具有頻散特性，在實驗室測量法中，采用高頻段（30～1000 kHz），高于聲學遙測法的中頻和低頻段（0.01～15 kHz），在如此寬頻帶范圍內存在較為明顯的頻散性[29-31]；而聲學遙測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，較為關注聲衰減與頻率的關系[1-2,5,7]。當基于實驗室測量法建立的地聲結構和地聲模型，被應用于實際水聲測量和地聲測量的低頻率段時，應需考慮頻散特性的影響性。當前基于Biot理論構建的一系列模型[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律方面并不一致，也無法全部有效解釋聲學遙測、原位測量、實驗測量發現的頻散性，但提供了一種基于理論模型計算預報及校正不同測量頻率下的聲速特性的方法。

應用Biot理論的EDFM簡化模型[43]計算樣品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粒海底沉積物（如樣品NH1534）的規律性。兩類樣品的頻散性變化轉折點的差異較大，其原因根據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密切有關，直接導致轉折頻率前后范圍內的聲速變化特性差異較大，這種影響關系涉及海底沉積物的多個物理參數，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構在應用于低頻時存在如下特性：（1）對于樣品NH06，在中頻應用時影響較小，仍屬于高聲速表面類型，但對于低頻和甚低頻測量借鑒應用時的影響較大，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）對于樣品NH1534，在整個頻率區域內，因為頻散特性變化很小，可以忽略頻散特性對聲速剖面和地聲模型的影響；（3）當實際海底同時出現這兩類樣品分層時，基于高頻建立的地聲模型可以借鑒用于中頻測量，但是在用于低頻和甚低頻測量時誤差較大。即使如此，基于實驗室測量法建立的高頻地聲模型仍能體現出聲速剖面的差異，在很寬泛的頻率段內可以借鑒使用。

圖5 基于EDFM模型計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用于其他頻率時，并不改變海底的實際地聲結構特性和物理特征分層特性，只是可能會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沉積物物理性質差異不大、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，并不影響地聲結構類型和地聲模型的推廣和借鑒。因此，基于實驗室測量法建立的海底沉積物物理性質變化不大的同一沉積物層內的地聲結構，可以直接作為建立實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各層表面的聲學特性描述和定義；在基本物理參數已知，或者可以借鑒參考，或者可以反演得到的前提下，借助于理論模型計算，可以預測和修正得到不同測量頻率下所需要的地聲結構。

4.2 環境溫度和壓力對建立地聲模型的影響

實驗室測量法脫離海底原位環境，產生溫度變化和壓力變化，直接引起測量聲速的變化，需要校正。環境影響因素研究[38-40]表明，表層海底沉積物與孔隙海水的變化規律相似，在一定精度下可以采用聲速比進行聲速校正，得到原位測量環境狀態的聲速剖面。應用EDFM模型[40,43]分析對比樣品NH1534和NH06的溫度和靜水壓力變化對聲速的影響性，如圖6所示。當缺乏聲速比隨環境變化的計算條件下，可以直接采用Hamilton固定聲速比的校正法[46]進行聲速，與基于EDFM模型的考慮聲速比變化的校正速度趨勢一致，有差異但較小。海底原位測量法和聲學遙測法對應著海底原位環境的地聲模型，而實驗室測量法對應著實驗室環境的地聲模型，因此基于聲速比校正法提供一種不同環境下建立地聲模型進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，深海基本處于常溫狀態，而壓力影響作用隨著海水深度的增加而呈現近似于線性增大。當海底沉積物樣品采集到實驗室，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校正溫度和壓力的影響性。對于淺層海底沉積物，可以參考表層海底沉積物的校正方法進行校正；但是深層海底沉積物因為額外受到地熱溫度和埋深壓力的影響作用，更為復雜，需開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特性受到環境溫度和壓力的影響作用相似，兩者聲速比隨著環境狀態變化較小，基于實驗室測量法獲得的地聲結構和建立的地聲模型，可以作為其他方法的海底聲速剖面和地聲模型的應用參考，將不同環境建立的聲速剖面校正到實際應用的海底原位環境下，建立海底原位地聲模型。

5 結論

地聲模型因為海底沉積過程和沉積歷史復雜而具有海底分層特性，同層內因為沉積環境影響因素具有溫度和壓力差異而存在地聲梯度，還因為建立方法不同而存在頻散性和環境差異性等引入的聲速剖面差異等，通過研究地聲模型的基本地聲結構組成及其影響因素，得到如下結論：

（1）具有4種典型的基本地聲結構：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，分別對應著單一結構的地聲模型；

（2）地聲模型可以歸結為4種基本地聲結構的組合，通過與底層海水聲速、同層內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際分層的地聲模型；

（3）不同測量環境狀態下的聲速剖面具有差異性，基于實驗室測量法建立的地聲模型作為參考地聲模型，通過考慮海底實際環境的溫度和壓力梯度，應用聲速比校正法實現不同海底原位環境狀態下的表層和淺層海底沉積物聲速剖面的修正；

（4）不同測量頻率下的聲速剖面具有差異性，基于實驗室測量法建立的地聲模型作為參考地聲模型，通過考慮頻散性和基于理論計算相結合的基礎上，修正得到不同測量頻率下的聲速剖面。

由于海底沉積物的沉積狀態和特性復雜、聲學測量方法具有多種性，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海底沉積物的頻散性、深層海底沉積物的聲學和物理特性以及分層特性、全頻域范圍內的海底沉積物的聲衰減特性、寬頻率范圍內海底沉積物的剪切波波速特性。

致謝：感謝中國科學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副研究員對課題研究提供的支持和交流討論。