海底沉積物聲學性質原位測量系統(tǒng)海上試驗研究

李艷華, 郭常升, 李會銀, 譚寶海

(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(huán)境重點實驗室, 山東 青島266071; 3. 中國科學院 研究生院, 北京 100049; 4. 中國石油大學 地球資源學院, 山東 東營 257061)

海底沉積物聲學性質原位測量系統(tǒng)海上試驗研究

李艷華1,2,3, 郭常升1,2, 李會銀4, 譚寶海4

(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(huán)境重點實驗室, 山東 青島266071; 3. 中國科學院 研究生院, 北京 100049; 4. 中國石油大學 地球資源學院, 山東 東營 257061)

提出了一種新的海底沉積物聲學性質原位測量方法, 介紹了新研制的海底沉積物聲學性質原位測量系統(tǒng)。在青島近海海域對該系統(tǒng)進行了海試, 獲得了各個站位的聲速數(shù)據(jù)。將測得的各站位的聲速與不同海域的沉積物聲速進行對比分析, 并對各個站位的聲速與沉積物的平均粒徑進行了相關性分析, 發(fā)現(xiàn)與以往研究結果一致, 沉積物聲速與沉積物類型相關, 不同類型的沉積物的聲速有明顯差異;聲速與平均粒徑相關性較好, 粒徑越大, 聲速越高。結果表明, 利用海底沉積物聲學性質原位測量系統(tǒng)測得的原位聲速是正確的, 它能快速準確地得到海底沉積物的聲速值。

海底沉積物; 原位測量; 聲速

海底沉積物的聲學特性研究隨著海洋科學、海洋沉積學、海洋地質學等學科的發(fā)展以及海洋工程和海洋開發(fā)的需要, 越來越受到廣泛的重視[1]。海底作為海洋的下界面, 在海洋工程、海洋聲場等研究中都需要了解海底沉積物的聲學特性。目前獲得海底沉積物聲學特性的測量方法主要有兩種： 原位測量和采樣后的實驗室測量[2]。實驗室測量是首先獲得沉積物樣品, 然后在實驗室測量得到沉積物的聲學性質。實驗室測量儀器設備簡單, 操作方便, 但是這種方法改變了沉積物原有的真實環(huán)境, 如海底沉積物所處的海水壓力以及溫度等都發(fā)生了變化, 而且取樣過程中也會不可避免地對沉積物產生擾動, 測得的海底沉積物聲學特性值與真實值有較大的差別。原位測量是將測量設備放在海底, 將聲學換能器插入海底沉積物中, 直接測量海底沉積物的聲學特性值, 這樣得到的數(shù)據(jù)是真實海底環(huán)境的聲學特性值,避免了取樣產生的擾動, 具有更高的精度和可靠性。尤其對于易受擾動的沉積物, 如稀軟的海底表層沉積物以及含有氣體的沉積物等, 原位測量更為重要。但是原位測量設備比較復雜, 技術要求高。

近年來, 國外已經開發(fā)出了幾種原位測量系統(tǒng),比較具有代表性的是美國海軍實驗室的沉積物聲學特性原位測量系統(tǒng)(ISSAMS)[3]、夏威夷大學的聲學長矛(Acoustic Lance)[4]和Geotek公司的沉積物聲學物理性質測量儀(SAPPA)。目前, 國內對沉積物聲學性質的研究主要還是取得沉積物樣品后進行實驗室測量, 還沒有成熟的海底沉積物聲學性質原位測量技術。本文提出了一種新的海底沉積物原位測量技術, 初步制作了海底沉積物聲學性質原位測量系統(tǒng),利用該系統(tǒng)在青島近海進行了原位測試得到了沉積物的聲速, 并對聲速與沉積物平均粒徑之間的關系作了分析研究, 獲得了初步成果。

1 海底沉積物聲學性質原位測量原理

本文研究的是海底30 cm以內的淺層沉積物,它具有較高的含水量, 甚至呈流體狀。海底淺層沉積物一般比較松軟, 可以將聲學換能器直接插入沉積物中進行測量, 測量原理如圖1所示。當聲學換能器插入沉積物中后, 發(fā)射換能器發(fā)射聲波信號, 兩個接收換能器接收穿過沉積物的聲波信號, 由聲波到達兩個接收換能器的時間差, 可以計算沉積物中的聲速。具體的計算公式如下：1

式中, Vp為聲波在沉積物中傳播的速度, d為接收換能器1和接收換能器2之間的距離, t1和t2為聲波分別到達接收換能器1和接收換能器2的時間。

圖1 海底沉積物聲學性質測量原理Fig. 1 Principle of velocity measurement

2 系統(tǒng)構成

海底沉積物聲學性質原位測量系統(tǒng)采用有纜方式作業(yè), 當聲學換能器插入沉積物后, 甲板的計算機對測量系統(tǒng)采用指令方式, 進行實時操作和監(jiān)控。測量系統(tǒng)有兩部分組成： 水上甲板控制部分和海底測量部分, 如圖2所示。水上甲板控制部分以計算機為中心, 對整個測量系統(tǒng)進行控制并進行人機對話,它可以完成對系統(tǒng)進行參數(shù)設置、發(fā)射接收控制、數(shù)據(jù)實時顯示等功能。電纜傳輸接口將水上設備對海底測量儀器的控制命令調制后, 通過電纜傳輸給海底測量儀器, 并對海底儀器上傳數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)處理模塊解調后, 通過 USB接口傳遞給計算機處理、記錄。供電模塊對整個系統(tǒng)進行供電, 使得系統(tǒng)在沒有電源供應的情況下也可以持續(xù)工作7～8 h。海底儀器由數(shù)據(jù)傳輸接口、聲系控制模塊、聲波波形數(shù)據(jù)采集模塊及聲系組成。聲系由一個發(fā)射換能器和兩個接收換能器組成。聲系控制模塊控制發(fā)射探頭激發(fā)聲波的時間及強度, 數(shù)據(jù)采集電路對來自接收探頭的聲波信號進行放大、濾波并完成模數(shù)轉換。數(shù)據(jù)傳輸接口接收來自水上的控制命令, 并將采集電路得到的測量數(shù)據(jù)調制后上傳。

圖2 海底沉積物聲學性質原位測量系統(tǒng)結構圖Fig. 2 Scheme of the system structure

由于海洋環(huán)境比較復雜, 為了保證系統(tǒng)能在較復雜的海洋環(huán)境中正常有效地工作, 設計合理的海底測量部分的結構成為技術的關鍵。我們設計的海底測量部分采用三角形框架, 如圖3所示。在框架的三個角上固定有加重鉛球, 使得框架在海底保持平衡, 而且, 在框架下放到海底后, 可以無需動力裝置, 僅靠自身重力就可以使探頭插入海底沉積物中。

3 海上試驗及數(shù)據(jù)分析

圖3 海底部分儀器構造Fig. 3 Structure of the underwater part

2009年10月, 在青島近海海域進行了海底沉積物聲學性質原位測量系統(tǒng)海上試驗, 試驗選擇一艘漁船, 實驗海區(qū)范圍為 35°40′～36°10′N, 120°10′～120°35′E。

3.1 試驗海區(qū)概況

青島近海海域沉積物受氣候、季節(jié), 尤其水動力(波浪、恒流、潮汐等)的影響較大, 沉積物來源比較復雜, 從而導致沉積物類型較多, 沉積較復雜。青島近海沉積物的總體分布是, 沿海岸顆粒較粗, 類型為砂、粉砂質砂, 向深處顆粒逐漸變細, 較深處的沉積物主要為粉砂、黏土, 局部為粉砂質黏土、黏土質粉砂。研究區(qū)位于青島膠州灣和附近濱岸區(qū)以及南部淺海沉積區(qū)。膠州灣和附近濱岸區(qū)屬于現(xiàn)代沉積區(qū)。濱岸區(qū)為高能海岸, 沉積物類型為砂、粉砂質砂,顆粒較粗。膠州灣則屬于潮汐作用為主的低能海岸,沉積物類型較多, 表層沉積物主要是黏土質粉砂和粉砂質黏土, 局部還有礫石、砂礫-礫砂、粗砂、砂、細砂、黏土粉砂質砂、粉砂黏土質砂、砂黏土質粉砂等[5]。南部淺海沉積區(qū)分為兩個沉積區(qū), 一個為20 m水深以內以及大公島附近的海域, 沉積物類型以砂-粉砂-黏土為主; 另一個為靈山島東北部水深大于20 m的海域, 為陸架沉積區(qū), 沉積物類型以砂-粉砂-黏土以及黏土質粉砂、粉砂質黏土為主, 分選較差[6]。

為了準確測得研究區(qū)海底沉積物的聲學特性值,我們首先在海水中對測量系統(tǒng)進行了校正, 精確測量了水聽器之間的距離, 然后選取了比較有代表性的 9個站位進行了海底沉積物聲速原位測試, 每個站位測量多次, 取其平均值作為該站位的聲速值,外業(yè)采集了海底沉積物樣品, 在室內按常規(guī)方法測試了樣品的平均粒徑。

3.2 原位測量系統(tǒng)海水中校正

由聲速計算公式可知, 兩個接收換能器之間的距離是計算聲速的重要參數(shù), 它的測量準確度直接影響聲速的計算精度。但是, 接收換能器是有一定體積的, 直接測量的方法不能準確測出聲波在兩個換能器之間的傳播距離。為此, 只能采用間接的方法進行測量, 即在海水中進行測量系統(tǒng)校正。

校正時, 首先將原位測量系統(tǒng)放入海水中進行測量, 海水中接收到的聲信號如圖 4, 根據(jù)兩道聲波的到時, 可以計算出聲波到達兩個接收換能器的時間差。為了提高測量精度, 重復測量6次, 計算平均值, 得到的時間差為95.6μs。利用CTD測得海水的聲速為1 516 m/s, 由d=vt, 可以計算出兩個接收換能器之間的距離為14.493cm。

3.3 海底沉積物物理參數(shù)和聲速分析

國內學者主要是通過沉積物取樣進行室內測量得到聲速值。唐永祿[7]分析了南海3個海區(qū)的沉積物物理性質和聲速范圍, 沉積物類型從黏土質粉砂到砂, 聲速范圍為1 492～1 633 m/s。盧博等[8,9]在中國東南近海以及海南島東南外海等海域進行取樣, 測得了海底沉積物的聲速。他指出臺灣東南臺東外海的砂質沉積物聲速為 1 610 m/s以上,泥質沉積物聲速為1 500～1 650 m/s; 南海北部沉積物取樣以粗顆粒為主, 聲速范圍為1 420～1 880 m/s; 東海海底沉積物取樣以細砂為主, 聲速范圍為1 396～1 760 m/s;海南島東南外海分為高聲速區(qū)和低聲速區(qū), 低聲速區(qū)主要是黏土質粉砂或粉砂質黏土, 聲速范圍為1 514～1 523 m/s, 高聲速區(qū)主要是細砂以及粗砂-礫-珊瑚碎屑, 聲速范圍是1 586～1 673 m/s。原位測試方面, 只有陶春輝等[10,11]利用聲學長矛獲得了杭州灣的原位聲速值?？梢? 不同海域、不同類型的海底沉積物聲速的變化范圍較大, 但是, 整體上來看, 沉積物聲速與沉積物類型密切相關, 沉積物顆粒越粗, 聲速越大。

表1為我們測得的9個站位的海底沉積物的聲速和平均粒徑的測試分析結果。試樣均為淺層沉積物原狀樣, 其中1站位位于膠州灣內部, 為砂質粉砂沉積物; 2～3站位分別位于團島附近淺海區(qū)和海水浴場, 為砂質沉積物, 代表了近岸較粗顆粒的沉積物;4～6站位位于離海岸較遠的海域, 顆粒較細, 代表了含有黏土較多的松軟沉積物; 7～9站位為黏土質粉砂, 或含砂的黏土質粉砂, 代表了細顆粒的粉砂質沉積物。

從表 1的分析結果可見, 沉積物聲速與沉積物類型密切相關, 不同類型的海底沉積物的聲速有較大差異,聲速一般隨著沉積物顆粒變粗而增大。較粗的砂沉積物的聲速最大, 為1 675.4 m/s; 細顆粒的黏土質粉砂沉積物的聲速在1 550 m/s左右; 較松軟的粉砂質黏土沉積物的聲速都在1550 m/s以下。與其他海域的沉積物聲速相比, 我們測得的沉積物的聲速是合理的。

表1 各站位海底淺層沉積物測試結果Tab. 1 Measurements of marine sediments

4 海底沉積物物理參數(shù)對聲速的影響

海底沉積物物理參數(shù)對聲速影響的研究, 國內外很多學者在理論模型和相關性經驗方程方面都進行過研究。在海底沉積物的理論模型方面, 最具代表性的是 Biot模型[12,13], 將海底沉積物看作是一個充滿流體的多孔介質。此模型可以得到一組描述聲波在多孔介質中的傳播方程, 但是方程引入的參量很多, 有些不容易測定, 實用價值不大。經驗方程方面研究的較多, 但是適用范圍有一定的局部性。Hamilton[14]將海底沉積物分為大陸階地、深海丘陵和深海平原 3個類型, 每個類型都給出了沉積物聲速與孔隙度、密度、平均粒徑、黏土含量等某些物理參數(shù)的回歸方程。Anderson[15]則是將海底沉積物按深度分為4類, 每一類給出了聲速與包括孔隙度、孔隙比、平均粒徑等物理參數(shù)的回歸方程。國內周志愚[16]、唐永祿[1]分別總結了南海海底沉積物聲學物理參數(shù)的回歸方程, 他們都在方程中含有海水聲速項,并認為孔隙度與海底沉積物聲速的相關性最好。盧博等[8,17]在中國東南沿海海域對海底沉積物做了統(tǒng)計分析, 得出了聲速與孔隙度、含水量、塑限、液限等的統(tǒng)計相關公式。羅忠輝、盧博[18]又提出利用多參數(shù)方程來預報聲速, 它是利用主元分析技術, 在眾多影響聲速的物理參數(shù)中, 從理論上選出相互獨立、對聲速影響顯著的物理參數(shù)來建立聲速相關方程。但是, 不同研究海區(qū)的沉積物類型和沉積物結構特性不同, 而各個經驗公式都是根據(jù)各自的研究區(qū)內的海底沉積物的聲學物理數(shù)據(jù)來得到的, 有一定的適用范圍和條件。

本文根據(jù)海底沉積物聲學性質原位測試系統(tǒng)得到的原位聲速與相應的沉積物的平均粒徑等數(shù)據(jù),研究了青島近海海域原位聲速與沉積物平均粒徑的相關性。平均粒徑是沉積物的一個重要參數(shù), 它是在樣品中長期保持不變的參數(shù)。圖 5是原位測量得到的聲速與沉積物平均粒徑的統(tǒng)計相關圖, 計算得到聲速與沉積物平均粒徑的相關系數(shù)為 0.867 0, 相關性較好。聲速隨著沉積物平均粒徑的增大而增大, 這與以往的研究結果[13,14]是一致的。這是因為海底沉積物的聲傳播(壓縮波)在很大程度上是由沉積物的彈性性質[7]決定的。海底沉積物是由固體礦物顆粒經長時間沉積堆積形成孔隙骨架, 在骨架間的空隙中充滿流體的雙相介質。海底沉積物的固體骨架與流體彈性性質差別很大。沉積物的固體骨架具有較高的體積模量和剪切強度, 聲速較高; 而流體體積模量較低, 剪切模量為0或很小, 聲速較低。聲波在海底沉積物中傳播時, 會通過聲速較高的固體顆粒, 也會通過聲速較低的液體海水, 因此, 兩者的相對含量會對聲速產生很大的影響。海底沉積物的平均粒徑對其流體的相對含量, 即孔隙度, 有很大的影響,整體趨勢是顆粒越粗, 固體顆粒含量越高, 相應的孔隙度越小, 聲速也就越高。

圖5 海底沉積物平均粒徑與聲速的統(tǒng)計相關圖Fig. 5 Mean grain size versus acoustic velocity

5 結論

本文提出了一種新的海底沉積物聲速原位測量方法, 自行研制了海底沉積物聲學性質原位測量系統(tǒng), 在青島近海進行了海上試驗。海試過程中, 系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定, 利用該系統(tǒng)獲得了海底沉積物的原位聲速。測試得到的海底沉積物聲速范圍為 1 505～1 675.4 m/s, 沉積物類型較多, 包括黏土質粉砂、砂、砂質粉砂、粉砂質黏土、粉砂質砂和砂-粉砂-黏土等。較粗的砂質沉積物的聲速最大, 為1 675.4 m/s; 細顆粒的黏土質粉砂沉積物的聲速在1 550 m/s左右; 較松軟的粉砂質黏土沉積物的聲速都在 1 550 m/s以下。同時, 沉積物的聲速與平均粒徑相關數(shù)為0.867 0,相關性較好, 聲速與平均粒徑成正相關, 粒徑越大,聲速越高。這些結論與以往的研究結果是一致的, 證明利用海底沉積物聲學性質原位測量系統(tǒng)測得的聲速是正確的, 它能快速準確地得到海底沉積物的聲速值。但是, 必須認識到, 我們的試驗海區(qū)只是在近海海域, 測試站位也較少, 對于系統(tǒng)在較深海域的工作情況, 還需要進一步的研究和改進。

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waveform for calibration in the sea water

Test of an in situ measurement system of marine sediments

LI Yan-hua1,2,3, GUO Chang-sheng1,2, LI Hui-yin4, TAN Bao-hai4
(1. Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Key Laboratory of Marine Geology and Environment, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 3. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4. Georesources College, China Petroleum University,Dongying 257061, China)

Jan., 22, 2010

marine sediments; in situ measurement; acoustic velocity

In this paper, we put forward a new method of measuring the in situ velocity of marine sediments and introduced the in situ measurement system of marine sediments. The system was tested in Qingdao offshore area. We compared the velocity of different sea sediments and analyzed the correlation between mean grain size and velocity by regression analysis. The results indicated that the different sediments had different velocities and the sediments with coarser grains had higher velocity. The results were accurate by contrast with previous research. The research in this paper verifies that the measurement system can measure the velocity quickly and accurately.

TB565.1

A

1000-3096(2010)09-0055-05

2010-01-22;

2010-07-04

國家863計劃項目(2006AA09Z116)

李艷華(1985-), 女, 山東聊城人, 碩士研究生, 研究方向為海洋地質聲學, 電話： 15910306217, E-mail： lyhlyh1985@126.com

(本文編輯： 劉珊珊)