闞光明,趙月霞,李官保,韓國忠,孟祥梅

（1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 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，山東 青島 266061）

南黃海海底沉積物原位聲速測量與實(shí)驗(yàn)室聲速測量對比研究

闞光明1,2,趙月霞1,2,李官保1,2,韓國忠1,2,孟祥梅1,2

（1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 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，山東 青島 266061）

介紹了海底沉積物原位聲速測量方法和實(shí)驗(yàn)室聲速測量方法的工作原理以及在南黃海中部海底沉積聲學(xué)調(diào)查中的應(yīng)用情況，詳細(xì)對比分析了原位測量聲速和船舶甲板實(shí)驗(yàn)室測量聲速的差異，討論了溫度和壓力等環(huán)境因素變化對聲速的影響，研究成果對海底沉積物聲速測量和預(yù)報(bào)具有一定應(yīng)用價值。

南黃海；聲速；海底沉積物；原位測量

海底是水下聲場的重要邊界，海底淺表層沉積物的聲速是影響水下聲場空間結(jié)構(gòu)、水聲通訊、水下目標(biāo)探測、水聲設(shè)備使用性能的重要因素之一，海底沉積物聲速的測量與研究是軍事海洋學(xué)和軍事地球物理學(xué)的重要研究內(nèi)容[1-6]。聲速的精確測量是海底沉積物聲學(xué)特性研究的重要環(huán)節(jié)，目前，海底沉積物聲速測量主要包括實(shí)驗(yàn)室測量和海底原位測量兩種方法[2]。沉積物樣品實(shí)驗(yàn)室聲速測量方法首先在研究海區(qū)使用重力箱式取樣器獲得海底沉積物原狀樣品，然后，將樣品搬運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測量。其具有儀器設(shè)備簡單、操作方便等特點(diǎn)，但樣品由海底取樣和搬運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室，沉積物所處的溫度、壓力等周圍現(xiàn)場環(huán)境也發(fā)生了很大變化，這將引起較大的測量誤差。我國研究人員對海底沉積物的實(shí)驗(yàn)室聲速測量方法進(jìn)行了深入研究，提出了同軸差距測量和垂直軸差距測量等方法[7-9]。海底沉積物聲速原位測量是將聲學(xué)測量儀器放置海底，直接測量聲波在沉積物中的傳播速度，避免了沉積物所處的溫度、壓力等周圍環(huán)境變化引起的測量誤差，也避免了樣品取樣和搬運(yùn)對沉積物造成的擾動，測量結(jié)果較實(shí)驗(yàn)室測量更加準(zhǔn)確可靠[2]。近幾年，我國海底沉積物聲學(xué)特性參數(shù)原位測量技術(shù)發(fā)展迅速，相繼開發(fā)出多頻海底聲學(xué)原位測量系統(tǒng)、基于液壓驅(qū)動貫入的自容式海底沉積聲學(xué)原位測量系統(tǒng)、以及海底底質(zhì)聲學(xué)參數(shù)測量等多套海底沉積物聲學(xué)特性參數(shù)原位測量系統(tǒng)[10-12]。

1 海底沉積物聲速測量技術(shù)

1.1 原位聲速測量技術(shù)

由國家海洋局第一海洋研究所最新研制的基于液壓驅(qū)動貫入的自容式海底沉積聲學(xué)原位探測系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。系統(tǒng)通過由液壓驅(qū)動裝置、滑輪組、活動壓盤等組成的換能器組合貫入裝置將固定于活動壓盤上的4支聲學(xué)探桿貫入到海底以下指定深度，其中1個探桿安裝有發(fā)射換能器（R），另外 3 個安裝有接收換能器（T1，T2，T3）。 發(fā)射換能器R發(fā)射的聲波信號在沉積物中傳播，然后分別被3個接收換能器接收，采集電路對接收到的聲波信號進(jìn)行前置放大、初始濾波、自動增益控制和A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后存儲到系統(tǒng)存儲單元。系統(tǒng)在海底工作結(jié)束后，提升至甲板，導(dǎo)出數(shù)據(jù)，根據(jù)記錄到的三通道聲波信號的時差和幅度差計(jì)算海底沉積物聲速和聲衰減系數(shù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)室聲速測量技術(shù)

沉積物聲速的實(shí)驗(yàn)室測量主要采用透射法，其測量原理如圖2（a）所示，發(fā)射換能器產(chǎn)生的高頻聲波在沉積物柱狀樣品中傳播，被另一端的接收換能器接收。在已知沉積物樣品長度的情況下，根據(jù)數(shù)字聲波儀記錄的接收信號計(jì)算出聲波穿透時間，由式（1）即可計(jì)算出樣品的聲速。

式中：C為沉積物樣品聲速（m/s）；L為柱狀沉積物樣品長度（mm）；t為聲波穿透時間（μs）；t0為零聲波時修正值（μs）。為解決由于沉積物對聲波的散射和吸收衰減作用以及表面波等因素的影響，使接收的聲波信號初跳時間拾取誤差較大的問題，同軸差距聲速測量則對同一樣品進(jìn)行不同長度的兩次測量（圖2（b）），分別獲得2個走時不同的聲波信號，對2個信號進(jìn)行互相關(guān)分析，精確求取兩信號互相關(guān)最大值時的走時差ts，此走時差即為聲波穿過樣品長度為Ld=L-Ls的聲波穿透時間，由式（2）即可求出長度為Ld的沉積物樣品的聲速。

圖1 沉積物聲學(xué)特性原位測量系統(tǒng)工作原理示意圖

圖2 透射法實(shí)驗(yàn)室聲速測量原理示意圖

式中：C 為聲速（m/s）；Ld為樣品長度（mm）；ts為聲波穿透時間（μs）。

2 南黃海中部海底沉積物原位聲速測量與實(shí)驗(yàn)室聲速測量對比分析

2.1 南黃海中部海底沉積物原位聲速測量

使用基于液壓驅(qū)動貫入的自容式海底沉積聲學(xué)原位測量系統(tǒng)在南黃海中部進(jìn)行了海底沉積物聲速的原位測量。系統(tǒng)工作水深為500 m，探測深度1 m，測量頻率30 kHz，采樣頻率10 MHz。在設(shè)備下水前，首先通過上位機(jī)軟件對系統(tǒng)水下中央控制單元和聲學(xué)單元的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，參數(shù)設(shè)置完畢后，斷開系統(tǒng)與甲板計(jì)算機(jī)相連接的通訊電纜，將設(shè)備吊裝入水。設(shè)備觸底后，在水下中央控制單元控制下，液壓驅(qū)動裝置將4根聲學(xué)探桿貫入海底沉積物某一指定深度，然后進(jìn)行聲波的發(fā)射和采集，并將記錄的聲波數(shù)據(jù)自容式存儲于系統(tǒng)存儲單元。上述工作完成后，將設(shè)備回收至甲板，連接通訊電纜和甲板計(jì)算機(jī)，導(dǎo)出存儲的聲波數(shù)據(jù)文件，據(jù)此計(jì)算沉積物聲速。

在粉砂質(zhì)粘土、粘土質(zhì)粉砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂、粉砂、細(xì)砂等不同類型沉積區(qū)域共獲得104個站位的海底沉積物聲速原位測量數(shù)據(jù)。接收到的典型聲波波形如圖3所示，據(jù)圖3所示的波形初步計(jì)算表明，粘土質(zhì)粉砂的聲速為 1 473.0 m/s，細(xì)砂的聲速為1 571.0 m/s。

在本航次調(diào)查過程中，使用目前比較成熟的海水聲速高精度測量CTD剖面儀對原位系統(tǒng)聲速測量進(jìn)行了標(biāo)定，相同水深條件下，原位測量系統(tǒng)測量的海水聲速與CTD測量聲速的相對誤差均小于0.5%，表明原位測量系統(tǒng)測量結(jié)果準(zhǔn)確、可靠[11]。

圖3 不同類型沉積物的聲波波形

2.2 南黃海中部海底沉積物聲速實(shí)驗(yàn)室測量

在原位聲速測量站位進(jìn)行沉積物柱狀取樣，并選擇典型

站位采用上述透射法實(shí)驗(yàn)室聲速測量技術(shù)在船上實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了沉積物樣品聲速的實(shí)驗(yàn)室測量，南黃海中部海底沉積物柱狀樣品聲學(xué)性質(zhì)測量典型聲波波形如圖4所示。由圖4所示的測量波形數(shù)據(jù)計(jì)算可得，30 kHz的沉積物聲速為1 598.3 m/s，50 kHz的沉積物聲速為1 604.5 m/s。

2.3 原位測量聲速與實(shí)驗(yàn)室測量聲速對比分析

圖4 沉積物柱狀樣品測試不同頻率聲波波形

在南黃海海底沉積物聲速調(diào)查過程中，首先使用原位探測系統(tǒng)對海底沉積物進(jìn)行了原位測量，測量頻率為30 kHz，測量深度一般為50 cm。在同一站位，原位設(shè)備回收至甲板后，隨后進(jìn)行海底沉積物柱狀取樣，對獲得的沉積物柱狀樣品首先截取頂部50～70 cm采用上述透射法實(shí)驗(yàn)室聲速測量技術(shù)在船上實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了聲速測量，測量頻率包括30 kHz，50 kHz，100 kHz，250 kHz。實(shí)驗(yàn)室聲速測量過程中實(shí)時測量沉積物的溫度變化，聲速測量完畢后隨后進(jìn)行密度、含水量、抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等沉積物物理力學(xué)指標(biāo)的測量。所剩樣品進(jìn)行封裝保存，航次結(jié)束后搬運(yùn)至陸地實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行聲學(xué)性質(zhì)和物理力學(xué)性質(zhì)的綜合測量。

典型站位原位測量聲速和實(shí)驗(yàn)室測量聲速見表1，表中二者測量頻率均為30 kHz。表1所列數(shù)據(jù)顯示，原位測量聲速最低為1 438.0 m/s，最高為 1 598.5 m/s，平均聲速1 486.4 m/s，柱狀樣品實(shí)驗(yàn)室測量聲速最低為1 451.7 m/s，最高為1 652.4 m/s，平均聲速1 508.6 m/s。原位測量聲速和實(shí)驗(yàn)室測量聲速對比分析顯示，所有站位實(shí)驗(yàn)室測量聲速均高于原位測量聲速，兩者最大相差57.2 m/s，最小相差3.4 m/s。

表1 原位測量聲速與實(shí)驗(yàn)室測量聲速對比表

3 分析討論

本航次在沉積物取樣后立即開展沉積物聲速實(shí)驗(yàn)室測量，因此，樣品搬運(yùn)等對沉積物擾動降至最低，而且，未經(jīng)過長時間存放，對沉積物聲速影響較大的含水量指標(biāo)變化很小。實(shí)驗(yàn)室聲速測量與原位聲速測量相比，變化較為明顯的2個環(huán)境參數(shù)為溫度和壓力。本次調(diào)查時間為夏季，海上氣溫較高，沉積物樣品從海底取至甲板后，溫度迅速升高，沉積物所受的靜水壓力減小。

3.1 沉積物分層和壓實(shí)對聲速影響

本文所述的海底沉積聲學(xué)原位測量系統(tǒng)所測量的聲速為海底某一深度聲波在水平方向上傳播的速度，而樣品實(shí)驗(yàn)室聲速測量則為一定距離內(nèi)聲波垂直方向的傳播速度，由于沉積物分層和壓實(shí)等影響，二者聲速可能有所差異。但根據(jù)樣品分析顯示，該區(qū)域沉積物樣品頂部淺表層（0～70 cm）分層結(jié)構(gòu)并不明顯。在部分站位，使用原位設(shè)備在同一站位進(jìn)行了不同下插深度多次測量，結(jié)果顯示在0～80 cm深度內(nèi)，垂直方向的聲速變化很小。因此，作者認(rèn)為在本調(diào)查區(qū)域沉積物分層和壓實(shí)對聲速影響相對較小，不足以引起表1所示的差異。

3.2 溫度對海底沉積物聲速影響

沉積物樣品從海底取至甲板后，溫度迅速升高，樣品取至甲板時的溫度約為10℃，從取樣管中取出樣品，然后進(jìn)行分割，搬運(yùn)至調(diào)查船實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行聲速測量時，樣品溫度已升至15～20℃（見表1）。研究區(qū)海底沉積物原位測量聲速與實(shí)驗(yàn)室測量聲速差與溫度變化的關(guān)系如圖5所示，從圖5可以看出，隨著溫度增加，二者差異呈增大趨勢，這與鄒大鵬等人的研究結(jié)果基本相同[13]。

圖5 聲速差與溫度變化的關(guān)系圖

3.3靜水壓力對海底沉積物聲速影響

本次調(diào)查使用CTD測量的海水聲速隨著靜水壓力增加（即水深增加）而降低，一般從海面的1 520.0 m/s降至近海底的1 495.0 m/s。靜水壓力對海底沉積物聲速的影響目前還未有一個較為一致的結(jié)論，王琪等人認(rèn)為在水深小于1 000 m（10 MPa）時水深對海底沉積物聲速的影響可以忽略[14]。作者認(rèn)為，根據(jù)Biot雙相介質(zhì)理論，未固結(jié)海底沉積物為由固體骨架和骨架孔隙中的流體組成的雙相介質(zhì)，隨著深度和靜水壓力增加，孔隙流體的體壓縮系數(shù)將會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致海底沉積物這種雙相介質(zhì)的體壓縮系數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而影響海底沉積物的聲速。靜水壓力對海底沉積物聲速的影響仍需進(jìn)一步綜合的理論和實(shí)驗(yàn)研究。

4 結(jié)語

海底沉積聲學(xué)原位測量方法避免了樣品取樣和搬運(yùn)對沉積物的擾動以及測量環(huán)境變化等因素對沉積物聲學(xué)特性測量的影響，使得測量結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，該方法將逐步成為海底沉積物聲學(xué)特性測量的發(fā)展趨勢。

在南黃海中部開展的海底沉積物聲學(xué)特性調(diào)查結(jié)果表明，海底沉積物原位測量聲速和船舶甲板實(shí)驗(yàn)室測量聲速存在較大差異，相同測量站位的原位測量聲速均高于甲板實(shí)驗(yàn)室測量聲速，溫度和海水深度（即靜水壓力）變化將影響海底沉積物聲速。通過對原位測量聲速和船舶甲板實(shí)驗(yàn)室測量聲速差異及其影響因素分析，建立海底沉積物實(shí)驗(yàn)室聲速測量的校正方法，為更準(zhǔn)確的海底沉積物聲速預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)。

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Abstract：Two kinds of methods for measuring sound speed of seafloor sediments which are in-situ measurement technique and laboratorial measurement technique are introduced at first.Secondly,the sound speeds measured by in-situ equipment and by laboratorial technique in the middle area of the Southern Yellow Sea are compared in detail.The result indicates that there are large differences between in-situ and laboratorial sound speeds.Based on the differences,the influence of sediment temperature and hydrostatic pressure on the sound speeds is discussed.The conclusion is instructive and practicable for the measurement and prediction of sound speed of seafloor sediments.

Key words：southern Yellow Sea;sound speed;seafloor sediments;in-situ measurement

Comparison on the Sound Speeds of Seafloor Sediments Measured by In-situ and Laboratorial Technique in Southern Yellow Sea

KAN Guang-ming1,2,ZHAO Yue-xia1,2,LI Guan-bao1,2,HAN Guo-zhong1,2,MENG Xiang-mei1,2
（1.First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao Shandong 266061,China;2.Key Laboratory of Marine Sedimentology and Environmental Geology of State Oceanic Administration,Qingdao Shandong 266061,China）

P733.23，P736.21

A

1003-2029（2011）01-0052-05

2010-10-26

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(200805008)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目(2008AA09Z301)

闞光明（1981-），男，山東省成武縣人，助理研究員，博士，主要從事海底沉積聲學(xué)研究。E-mail:kgming135@163.com