基于Buckingham模型和Biot-Stoll模型的南沙海域沉積物聲速分布特征

王景強, 郭常升, 劉保華, 陳文景, 侯正瑜, 韓國忠

1)國家海洋局第一海洋研究所, 海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國家海洋局重點實驗室, 山東青島 266061; 2)中國科學院海洋研究所, 中國科學院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室, 山東青島 266071; 3)國家深?；毓芾碇行? 山東青島 266061; 4)青島海洋科學與技術(shù)國家實驗室, 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室, 山東青島 266061; 5)中國科學院大學, 北京 100049

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基于Buckingham模型和Biot-Stoll模型的南沙海域沉積物聲速分布特征

王景強1, 4), 郭常升2, 4)*, 劉保華3, 4), 陳文景2, 5), 侯正瑜2, 5), 韓國忠1, 4)

1)國家海洋局第一海洋研究所, 海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國家海洋局重點實驗室, 山東青島 266061; 2)中國科學院海洋研究所, 中國科學院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室, 山東青島 266071; 3)國家深海基地管理中心, 山東青島 266061; 4)青島海洋科學與技術(shù)國家實驗室, 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室, 山東青島 266061; 5)中國科學院大學, 北京 100049

摘 要:為了選擇合理的南海南部海底沉積物的聲速反演模型, 分別利用Wood方程、Buckingham模型、Biot-Stoll模型等聲波傳播理論模型計算了沉積物的縱波聲速, 結(jié)合沉積物實測聲速和物理參數(shù)等, 對比了模型計算聲速與實測聲速的變化特征。聲速實測值與模型計算值的對比表明, Buckingham模型計算值與實測值的平均偏差最小。研究區(qū)實測聲速比和模型計算聲速比的分布表明, 聲速的變化特征與沉積環(huán)境具有相關(guān)性, 聲速模型計算值與實測值具有相似的變化特征; 模型計算聲速與實測聲速的垂向變化規(guī)律不相同,模型計算聲速隨深度基本不變, 而實測聲速在陸架、陸坡和海槽等沉積環(huán)境中呈現(xiàn)出多種垂向分布特征。研究結(jié)果認為, 側(cè)重于沉積物孔隙性的Biot-Stoll理論僅適用于陸架區(qū)粗顆粒沉積物, 兼具流體和彈性固體雙重性質(zhì)的Buckingham理論具有更廣的適用范圍。該研究對獲取南海南部海域沉積物聲速分布特征有重要意義, 可為多波束測深或淺地層精細解釋等提供基礎(chǔ)資料。

關(guān)鍵詞:海底沉積物; Buckingham模型; Biot-Stoll模型; 聲速分布特征; 聲速比

本文由海洋公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費(編號: 201405032; 200905025)和國家自然科學基金重點項目(編號: 41330965)聯(lián)合資助。

海底松散沉積物通常被作為一種液固兩相介質(zhì), 主要由砂、粉砂、黏土和孔隙流體(海水)等物質(zhì)組成。海底表層沉積物構(gòu)成了海水的下邊界和沉積物的上邊界, 從海底表層到深層, 沉積物由未固結(jié)松散介質(zhì)變?yōu)榘牍探Y(jié), 乃至固結(jié)沉積物介質(zhì)(鄒大鵬等, 2012a)。相對于結(jié)構(gòu)密實的深層沉積物, 作為海水與深層沉積物分界面的表層松散沉積物(1 m埋深范圍內(nèi)的沉積層), 具有更復雜的聲學特性和獨特的聲學指示意義, 其聲速的分布特征是海域聲場環(huán)境的重要部分, 也是進行海洋多波束或淺地層精細解釋的基礎(chǔ)資料。目前獲取海底沉積物聲學參數(shù)的方法, 主要包括理論模型預測、經(jīng)驗方程預報和聲學參數(shù)測量等。許多研究學者利用取樣測量方法(Hamilton, 1985; Lu et al., 2010)和原位測量技術(shù)(Briggs and Richardson, 1997; Liu et al., 2013; Hou et al., 2014)進行了大量的海底沉積物聲學測量工作,建立了聲速與物理參數(shù)之間的經(jīng)驗公式, 探討了聲學性質(zhì)與物理性質(zhì)之間的關(guān)系, 這些聲學實測工作為驗證聲波傳播理論模型的有效性提供了基礎(chǔ)資料。目前建立的聲波傳播理論模型主要包括Biot-Stoll模型(Biot, 1956a, b; Stoll, 1989; Stoll and Bautista, 1998; Chotiros and Isakson, 2004; 朱祖揚等, 2013)、Wood方程(Jackson and Richardson, 2007) 和Buckingham模型(Buckingham, 1997, 1998)等。聲波傳播理論模型的有效性得到了聲學實測的分析和驗證, Williams等(2002)基于SAX99聲學試驗, 比較了理論模型預測值與海底沉積物聲學實測值, 結(jié)果表明Biot理論和等效流體近似理論能夠匹配聲速的頻散特征, 但不能準確表述衰減隨頻率的變化趨勢,而衰減和頻率的關(guān)系與Buckingham理論預測結(jié)果能夠?qū)崿F(xiàn)最佳擬合。Buckingham(2005)系統(tǒng)地比較了聲波速度和衰減的模型預測值與實測值, 認為高頻段時衰減與頻率之間具有近似的線性關(guān)系, 而低頻段的聲衰減與頻率呈近似平方關(guān)系。這些聲學測量和模型預測的對比基于實驗室沉積物模型, 對聲速和聲衰減頻散特征進行比較, 缺乏與沉積物所處海域的沉積環(huán)境相聯(lián)系。因此, 需要分析聲波傳播模型在復雜沉積環(huán)境聲學參數(shù)預測中的適用性, 從而為海底沉積物選擇更有效的聲學反演模型, 有利于實現(xiàn)快速反演復雜環(huán)境沉積物的聲學特性。

南海南部海域覆蓋大陸架、大陸坡及南海海槽等多種地貌單元, 其沉積物具有復雜的分層結(jié)構(gòu),從而影響了物理性質(zhì)和聲學特性的分布特征。因此,需要結(jié)合實際聲學測量分析復雜沉積環(huán)境對縱波聲速分布特征的影響, 從而選擇合理的聲速計算預測模型。張福生等(2001)根據(jù)沉積物聲速與底層海水聲速的比值(聲速比R)將該海域的表層沉積物分為高聲速和低聲速兩類, 但沒有分析聲速的空間分布特征。針對該研究區(qū)Biot-Stoll模型參數(shù)的選擇, 陳靜等(2012)分析了Stoll參數(shù)和Schock參數(shù)的模擬匹配效果, 但缺乏與其他理論模型的對比。本文將基于研究區(qū)沉積物的聲學測量資料, 分別利用Wood方程、Biot-Stoll模型和Buckingham模型等聲波傳播理論模型進行縱波聲速計算, 并與實際測量獲取的沉積物聲速值進行對比, 分析不同地貌單元中模型預測聲速的有效性。根據(jù)模型計算聲速比和實測聲速比的分布特征的對比, 探討理論模型對復雜沉積環(huán)境聲速分布特征的適用性。

1 海底沉積物聲波傳播理論

海底沉積物聲波傳播理論主要包括流體理論、彈性理論及多孔彈性理論三種類型, 分別把海底沉積物看成流體、彈性固體和多孔彈性介質(zhì)。上述三種類型的聲波傳播理論均可歸入“等效介質(zhì)”理論的范疇。由于聲波波長遠大于沉積物顆粒的尺寸,可以把海底沉積物看作連續(xù)介質(zhì), 該連續(xù)介質(zhì)的物理性質(zhì)參數(shù)可以通過求取一定范圍內(nèi)的不同的微觀測量值的平均值而獲得。如果聲波頻率很高, 聲波波長與顆粒的尺寸及孔隙的尺寸差不多時, 此時等效介質(zhì)理論不能正確地描述沉積物中的波動現(xiàn)象。

1.1流體理論

流體理論假定海底沉積物中聲波引起的應力可以用壓力場和相應的波動方程來描述, 其所需要的主要參數(shù)包括聲速、聲衰減及沉積物和海水的密度等。該理論將海底沉積物看成連續(xù)介質(zhì), 把一定體積內(nèi)包含許多沉積物顆粒的物理參數(shù)平均值作為沉積物物理參數(shù)的數(shù)值, 對一定體積的沉積物單元體的等效密度和等效體積模量建立方程, 并得到沉積物聲速的計算公式, 即Wood方程(Jackson and Richardson, 2007)。該方程忽略了沉積物顆粒間相互接觸產(chǎn)生的力, 也沒有考慮孔隙流體與介質(zhì)骨架間的相對運動, 即忽略了慣性力和黏滯力, 因此其具有很大的聲速預測誤差和應用的局限性, 其對不太注重沉積物顆粒接觸力和密度差異影響的實驗室模型測量可以做出合理的解釋。沉積物單元體的等效密度ρ0和體積模量Kb的表達式分別為:

式中, N為孔隙度, ρw為水密度, ρg為沉積物顆粒密度; Kw為水的體積模量, Kg為沉積物顆粒的體積模量。根據(jù)式(1)、(2)和(3)可得出沉積物聲速c0計算公式:

1.2彈性理論

聲波傳播彈性理論考慮了固體顆粒的彈性性質(zhì)和流體理論所未考慮的剪切力的效應。對于黏土、粉砂和砂質(zhì)沉積物, 剪切波傳播速度非常低, 遠低于海水的聲速。Gassmann方程(Berryman, 1999)基于彈性理論, 考慮了流體飽和多孔介質(zhì)的固體顆粒骨架的彈性性質(zhì), 但忽略了孔隙介質(zhì)的孔隙流體和介質(zhì)骨架間的相對運動, 不適于討論滲透系數(shù)較大的沉積物的聲波傳播特性。基于彈性理論和流體理論, Buckingham模型假定沉積物顆粒相互接觸但沒有膠結(jié), 顆粒間存在一種類似于黏滯作用的力, 因此該理論兼具流體和彈性固體的雙重性質(zhì)(Buckingham, 1997, 1998)。該模型以顆粒粒徑為主要參數(shù), 建立了單一頻率下近似流體沉積物的聲速cp預測方程:

式中, μ0為縱波摩擦剛性常數(shù), 取值為2×109Pa; ug為沉積物顆粒粒徑; u0為參照粒徑, 取值為1 000 μm; ρ0和c0與Wood方程相同。

1.3多孔彈性理論

Biot理論是一種經(jīng)典的多孔彈性理論(Biot, 1956a, b), 同時考慮介質(zhì)的孔隙性與彈性, 用來描述彈性波在固體和流體應力相互作用下的傳播特征。Stoll(1989)將Biot理論應用于海底沉積物介質(zhì)中的聲速和聲衰減計算, 建立了Biot-Stoll理論。該理論認為固體顆粒構(gòu)成了與孔隙流體相耦合的彈性骨架, 流體中的聲波與骨架中的縱波和剪切波混合在一起, 構(gòu)成了三種波: 快縱波、慢縱波和剪切波。該理論結(jié)合沉積物顆粒間膠結(jié)差、骨架模量低的特點, 認為骨架耗散是聲波能量衰減的重要原因, 骨架耗散的大小與頻率無關(guān), 而流體黏滯耗散則隨頻率的變化而變化。理論本構(gòu)方程涉及的13個參數(shù)通過測試或者曲線擬合的方法進行確定。Biot理論彈性模量、附加彈性模量、和復彈性模量可利用孔隙度N, 骨架體積模量, 骨架剪切模量孔隙流體體積模量Kw和顆粒體積模量Kg表示為:

式中, Kw, Kg為實數(shù)。和為復數(shù), = K0（1 + iδk） , = μ0（1 + i δμ） , δk為體積耗散系數(shù), δμ為剪切耗散系數(shù)。

根據(jù)Biot-Stoll模型理論, 頻率域的縱波傳播方程可以寫成公式:

式中, ρ為沉積物介質(zhì)密度, ρw為孔隙流體密度；t為復波數(shù), ?為黏滯系數(shù), κ為滲透系數(shù), ω為角頻率, m為有效密度, m=αρw/N, α為孔隙彎曲因子, F為高頻校正因子。其中, 復波數(shù)k=ω/ cb+ i α , 可以得到聲速cb的計算公式:

其中, Re(x)為復數(shù)x的實部。

2 試驗測量與理論計算

2.1區(qū)域概況及數(shù)據(jù)獲取

研究區(qū)域位于南海南部海域, 覆蓋了大陸架、南沙臺階和南沙海槽等多種海底地貌單元, 水深100～3 000 m(圖1)。陸架區(qū)沉積物一部分來源于現(xiàn)代淺海相沉積, 一部分屬于早期殘留沉積, 其沉積物組成既受到物源區(qū)沉積物自身特征的影響, 還受到后期改造作用的影響, 含量較多的粗顆粒物質(zhì)主要是高能環(huán)境中長期沉積的產(chǎn)物, 在冰后期海平面上升的過程中, 可能被細顆粒沉積物覆蓋(楊濤等, 2003), 呈現(xiàn)出粗顆粒與細顆粒沉積物相互交錯沉積的特征。水深大于1 000 m的陸坡主要為深水區(qū),地形和物源等環(huán)境因素更為復雜, 沉積物主要是細顆粒的黏土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)黏土, 物源以生物源碎屑和陸源風成黏土等為主(李傲仙等, 2005; Liu et al., 2013), 由于陸坡水深變化較大且沉積速率較快(付淑清等, 2008), 沉積搬運作用強烈, 加上東北島礁區(qū)覆蓋粗顆粒珊瑚砂, 使得整個陸坡沉積物物理性質(zhì)分布的局部變化特征更為突出(李趕先和龍建軍, 2014)。南沙海槽的槽谷較為平坦, 水動力條件較弱, 沉積物埋藏后期剝蝕和搬運作用較弱, 主要受壓實作用影響, 覆蓋有較厚的沉積物, 細顆粒物質(zhì)含量高, 以粉砂質(zhì)黏土和黏土質(zhì)粉砂為主。

圖1顯示了研究海域的位置, 站位深度136～2 843 m。沉積物柱狀樣品由科考船“科學一號”于2012年5月采用重力柱狀取樣器進行采集, 每根樣品長100 cm。樣品取回甲板后, 以15 cm為間距,采用WSD-3數(shù)字聲波儀和同軸差距法進行了聲學測量, 測量頻率為100 kHz。其中樣品長度測量精度為0.05 cm, 聲時測量精度為±0.1 μs。聲學測量完成后封存沉積物樣品, 后期在實驗室進行樣品的濕密度、孔隙度和粒度分析測量測試。其中, 沉積物的顆粒組成和粒徑利用Cilas 940L型激光粒度儀進行測試。圖2為聲學測量和物理參數(shù)測量的沉積物層位圖。通過聲學參數(shù)測量和物理參數(shù)測量, 獲得15 cm、30 cm、60 cm、75 cm、90 cm等6個埋深層位共計126組樣品的聲速和孔隙度、濕密度、粒徑、顆粒組分含量、顆粒密度等物理參數(shù)。

圖1　研究區(qū)域示意圖Fig. 1 The study area

由于甲板實驗室聲學測量時, 沉積物的溫度和壓力等環(huán)境參數(shù)會發(fā)生改變, 需要獲取沉積物原位的溫度壓力參數(shù)(Hamilton, 1971; 鄒大鵬等, 2012a),校正計算得到沉積物的原位聲速和近底上覆海水的聲速。根據(jù)CTD實測資料確定21個站位的底層海水溫度在1 . 5 ～ 1 6℃, 沉積物的測量溫度在12～18℃。通過海水聲速剖面、底層海水的溫度、深度和鹽度等參數(shù), 分別利用Hamilton校正法(Hamilton, 1971)和Wilson海水聲速公式(周豐年等, 2001), 精確計算校正了沉積物的聲速和近底上覆海水的聲速, 并根據(jù)校正的沉積物聲速和近底上覆海水聲速計算得到沉積物的聲速比, 其中聲速的范圍為1 402～1 627 m/s, 聲速比的范圍為0.94～1.07,該結(jié)果與張福生等(2001)在該海域測量結(jié)果的變化范圍相一致。

2.2海底沉積物的物理參數(shù)

由于理論模型均涉及較多的參數(shù), 參數(shù)的選取對計算結(jié)果有不同程度的影響, 所以針對研究區(qū)域選取合理的參數(shù)是必要的。Wood方程和Buckingham模型的主要參數(shù)為孔隙水密度、顆粒密度、孔隙度、粒徑、顆粒體積模量、孔隙水體積模量等。除上述參數(shù)外, Biot-Stoll模型還需要輸入更多的參數(shù), 包括滲透率、流體黏滯系數(shù)、骨架體積模量、骨架剪切模量、孔隙因子、高頻校正因子等。通過物理性質(zhì)測試獲取了顆粒密度、孔隙度、濕密度、粒徑等參數(shù), 其余參數(shù)均需要利用經(jīng)驗公式計算或從文獻資料中獲取。表1為本文詳細的參數(shù)取值, 其中滲透率、沉積物孔隙因子、顆粒體積模量和剪切模量、孔隙水體積模量等參數(shù)根據(jù)Stoll和Bautista(1998)、Buckingham(1998, 2005)模型和Jackson和Richardson(2007)的專著“High-Frequency Seafloor Acoustics”(高頻海底聲學)等文獻資料的參數(shù)變化范圍進行搜索優(yōu)化擬合確定或基于Schock(2004)公式利用實測物理參數(shù)計算得到。

3 結(jié)果與討論

3.1聲速實測值與聲速預測計算值比較

圖2　沉積物柱狀樣聲學測量層位Fig. 2 The acoustic measured horizons of sediment samples

表1　海底沉積物的物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of marine sediments

圖3　聲速實測值與聲速預測計算值比較Fig. 3 The comparison between the measured and the calculated sound speeds

為比較聲速預測值與實測值, 分析聲速預測模型的適用性, 分別采用Wood方程、Buckingham模型和Biot-Stoll模型聲速預測方程進行了聲速計算,計算所采用的參數(shù)見表1。圖3顯示了聲速實測值與計算值的比較結(jié)果: 三種模型計算聲速的變化曲線與實測聲速具有大體相同的變化趨勢, 陸架區(qū)沉積物的聲速明顯高于海槽和陸坡沉積物的聲速。

經(jīng)過差值計算, 實測值與Wood方程計算值的平均偏差為3.17%, 實測值與Biot-Stoll模型計算值的平均偏差為2.15%, 實測值與Buckingham模型計算值的平均偏差為0.87%。從圖3中可以看出, 相對于聲速實測值, Wood方程計算的聲速值偏小, Biot-Stoll模型計算的聲速值偏大。在陸坡和海槽區(qū), Biot-Stoll模型計算值為實測值值域的上限, Wood方程計算值為實測值值域的下限, Buckingham模型計算值介于二者之間。在陸架區(qū), Wood方程計算值低于實測值的值域范圍, Biot-Stoll和Buckingham模型的預測值與實測值更為接近。相對于低聲速段, Biot-Stoll模型在高聲速段的反演效果較好, 這與陳靜等(2012)在該海域的計算結(jié)果相一致。

相對于另外兩種模型, Wood方程對沉積物聲速的預測誤差較大, 這與過往研究的結(jié)果相一致(Hamilton and Bachman, 1982), 主要原因在于該模型忽略了海底沉積物中顆粒間相互接觸的力, 還未考慮孔隙流體和顆粒骨架相對運動的黏滯力, 而這兩種力是沉積物的高頻聲學測量需要著重考慮的內(nèi)容。海底沉積物作為一種彈性介質(zhì), 具有一定的剛性, 并不是純粹的流體, 其剛性與沉積物顆粒間的接觸作用有關(guān), 因而Wood方程適合于解釋不注重顆粒接觸力和密度差異影響的沉積物的聲學特性(Jackson and Richardson, 2007)。不同于Wood方程, Buckingham模型和Biot-Stoll模型既考慮了固體顆粒骨架的彈性性質(zhì), 還考慮了孔隙流體和骨架相對運動的黏滯力對聲波傳播產(chǎn)生的影響, 因而這兩種模型更適用于表達沉積物的聲波傳播特征。陸架區(qū)的砂質(zhì)沉積物作為多孔彈性介質(zhì), 陸坡和海槽的松軟泥質(zhì)沉積物作為流體飽和多孔介質(zhì), 單一模型還不能完全解釋和準確表達聲波在多類型沉積物中的傳播特征, 基于介質(zhì)的多孔彈性效應且側(cè)重孔隙性的Biot-Stoll理論僅適用于陸架區(qū)沉積物, 而兼具流體和彈性固體雙重性質(zhì)的Buckingham理論, 具有相對較廣的適用范圍。

3.2沉積物聲速變化特征

沉積物聲速的空間變化特征包括橫向和垂向兩部分, 是海底聲場結(jié)構(gòu)、海域地聲模型的重要組成部分。聲速的橫向變化特征指示聲速與沉積物物理性質(zhì)和沉積環(huán)境的關(guān)系, 而聲速垂向的變化規(guī)律是建立聲速結(jié)構(gòu)模型的重要依據(jù)。圖4、圖5和圖6分別顯示了實測聲速比、Buckingham模型計算聲速比和Biot-Stoll模型計算聲速比的變化規(guī)律, 可以分析出研究區(qū)沉積物聲速的橫向和垂向變化特征, 識別研究海域的高聲速區(qū)和低聲速區(qū); 還可以通過對比實測聲速與計算聲速的變化規(guī)律, 探討利用Buckingham模型和Biot-Stoll模型預測分析復雜環(huán)境沉積物聲速變化特征的適用性。

3.2.1沉積物聲速平面的變化規(guī)律

根據(jù)該海域沉積物實測聲速比變化特征圖(圖4)可以看出, 西南陸架區(qū)在15～45 cm深度范圍的聲速比小于1, 屬于低聲速區(qū); 在60～90 cm深度范圍的聲速比大于1, 屬于高聲速區(qū)。陸坡和海槽區(qū)的大部分聲速比低于1, 局部區(qū)域甚至低于0.95, 均屬于低聲速區(qū)。由此可知, 研究海域的高聲速沉積物主要分布于西南陸架和東北島礁區(qū), 而低聲速沉積物廣泛分布于陸坡和南沙海槽。

圖4　沉積物的實測聲速比的變化特征Fig. 4 The distribution of the measured sound speed ratios

物理參數(shù)測量結(jié)果顯示, 陸坡和海槽沉積物類型以粉砂質(zhì)黏土和黏土質(zhì)粉砂為主, 其中粉砂含量為40%～60%, 粒徑范圍為3～5 μm, 濕密度范圍為1.1～1.4 g/cm3; 西南陸架的沉積物類型則以砂質(zhì)粉砂為主, 砂含量為20%～50%, 粒徑范圍為30～70 μm, 濕密度范圍為1.46～1.83 g/cm3。根據(jù)大陸架、陸坡和海槽沉積物實測物理參數(shù), 主要的物理性質(zhì)呈現(xiàn)有規(guī)律的變化: 大陸架沉積物表現(xiàn)為粗顆粒、低孔隙度、高密度; 陸坡和海槽沉積物則呈現(xiàn)細顆粒、高孔隙度、低密度。這表明聲速比的分布特征與物理性質(zhì)、沉積環(huán)境等因素具有相關(guān)性。究其原因, 沉積環(huán)境決定了沉積物的孔隙度、粒徑、密度等物理性質(zhì), 而物理性質(zhì)又是影響沉積物聲速的重要因素, 因此聲速的分布特征宏觀上受到沉積環(huán)境的控制。

圖5　Buckingham模型計算聲速比變化特征Fig. 5 The distribution of the calculated sound speed ratios based on Buckingham model

圖6　Biot-Stoll模型計算聲速比分布Fig. 6 The distribution of the calculated sound speed ratios based on Biot-Stoll model

3.2.2沉積物聲速垂向的變化規(guī)律

通常認為, 由于上覆沉積物載荷壓力的增加和固結(jié)作用導致沉積物結(jié)構(gòu)發(fā)生變化, 其密度、粒徑等具有增大的變化特征, 而孔隙度、含水量呈現(xiàn)減少的趨勢, 從而使得沉積物聲速呈現(xiàn)隨深度增大的變化特征。然而這種認識與實際聲學測量的研究結(jié)果不一致: Hamilton(1980)建立了淺海大陸架和深海丘陵、深海平原的地聲模型, Lu等(2003)提出了南海北部大陸架低聲速和高聲速海底的聲速結(jié)構(gòu)模式, 這些研究均認為沉積物聲速及物理性質(zhì)呈現(xiàn)多種垂向的變化模式。然而這些地聲模型基于多個海域數(shù)米乃至數(shù)十米埋深的沉積物, 采用的測量手段也不相同, 具有較大的聲學測量尺度, 是否能闡述表層松散沉積物的聲速分布特征有待驗證。

從研究區(qū)實測聲速比分布圖(圖4)可以看到,研究區(qū)沉積物聲速整體上隨深度呈現(xiàn)增大的趨勢,但在不同的沉積區(qū)域呈現(xiàn)出多種變化規(guī)律。西南部陸架區(qū)和東北島礁區(qū)沉積物的聲速在15～90 cm深度呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢, 這是由于陸架區(qū)主要為陸源碎屑沉積物, 粗顆粒成分在該區(qū)沉降下來,而細顆粒成分被搬運至深水區(qū), 先沉降沉積物受到后期沉積物載荷壓力的作用, 結(jié)構(gòu)密實且孔隙度相對較小, 而表層沉積物的結(jié)構(gòu)較為松散且具有較大的孔隙度。東北區(qū)島礁周圍覆蓋粗顆粒的淺海珊瑚砂, 與鈣質(zhì)成分的深海泥質(zhì)沉積物相比, 島礁區(qū)沉積物的孔隙度和抗壓強度相對較低(李趕先和龍建軍, 2014), 表層沉積物固結(jié)時間較短其結(jié)構(gòu)較為松散, 而隨著埋深增加, 沉積物結(jié)構(gòu)逐漸被壓實。由孔隙度和聲速的相關(guān)關(guān)系可知, 這兩個區(qū)域沉積物的聲速呈現(xiàn)出增大的垂向分布規(guī)律。陸坡和海槽沉積物的聲速隨深度的變化特征較為復雜: 部分區(qū)域的沉積物聲速呈基本不變的趨勢, 這是由于水深變化相對較小且沉積物來源單一, 后期改造作用較弱,沉積物的物理性質(zhì)隨深度的變化幅度較小; 而部分區(qū)域沉積物的聲速隨深度呈現(xiàn)增大的趨勢, 主要原因與陸架區(qū)相似, 受上覆沉積物載荷壓力的增加的影響。上述變化趨勢表明, 研究海區(qū)海底的聲速結(jié)構(gòu)模式既包括垂向增大模式, 還包括垂向不變和垂向復雜變化等多種模式, 這與過往的研究結(jié)果相一致(Lu et al., 2003; 鄒大鵬等, 2012b; Wang et al., 2014)。究其原因, 沉積物的聲速與物理性質(zhì)具有相關(guān)性, 而物理性質(zhì)受沉積環(huán)境和沉積結(jié)構(gòu)的分層性所影響, 物理性質(zhì)尤其是孔隙度易受壓實作用的影響, 隨深度呈現(xiàn)出多種變化趨勢, 從而決定了聲速隨深度變化的復雜特征。因此, 較之深層沉積物受到壓實和固結(jié)作用的影響從而具有較為密實的結(jié)構(gòu),表層沉積物的結(jié)構(gòu)相對較為松散, 其聲學性質(zhì)介于流體(海水等)和固體(密實的沉積物、巖石等)之間,不能利用單一聲波傳播理論描述聲波在表層沉積物中傳播的特征, 也不能用單一的聲速垂向增大模式描述所有海域沉積物的聲速結(jié)構(gòu)。

3.2.3Buckingham模型計算聲速與實測聲速的變化特征對比

根據(jù)Buckingham模型計算聲速比變化特征圖(圖5), 西南陸架區(qū)沉積物聲速比大于1, 屬于高聲速區(qū)。陸坡和南沙海槽沉積物的聲速比普遍小于1,屬于低聲速區(qū)。與實測聲速比的分布特征相類似,計算聲速的平面分布特征與物理性質(zhì)、沉積環(huán)境具有相關(guān)性, 但較之實測聲速分布特征的復雜性和局部性, 計算聲速比的平面變化特征較為單一且缺乏突變的特點。從聲速比垂向的分布角度來看, 陸架區(qū)沉積物的聲速比垂向上呈現(xiàn)小幅度增大的趨勢,陸坡和海槽區(qū)沉積物的聲速比垂向上基本不變, 這與實測聲速比的垂向分布特征不一致。這表明, 利用Buckingham模型計算的聲速比可以匹配實測聲速比的橫向分布特征, 但不能體現(xiàn)實測聲速比分布的復雜性及變化幅度大等特點, 也不具備實測聲速比垂向分布規(guī)律的多樣性。

3.2.4Biot-Stoll模型計算聲速與實測聲速的變化特征對比

根據(jù)Biot-Stoll模型計算聲速比變化特征圖(圖6)分析, 與實測聲速比和Buckingham模型計算聲速比分布相似, 陸架區(qū)沉積物具有較高的聲速比, 陸坡和海槽沉積物的聲速比相對較低。大部分區(qū)域沉積物的聲速比大于1, 屬于高聲速區(qū), 僅陸坡和海槽局部區(qū)域的沉積物聲速比小于1, 屬于低聲速區(qū)。這表明Biot-Stoll模型計算聲速符合陸架區(qū)聲速的變化特征, 但不能匹配陸坡和海槽區(qū)聲速比的平面變化規(guī)律。計算聲速比垂向上呈現(xiàn)基本不變的特征,這與實測聲速比垂向的變化規(guī)律不一致。由上述分析可知, 與Buckingham模型相類似, Biot-Stoll模型計算聲速比能匹配實測聲速比的平面分布特征, 但不能體現(xiàn)實測聲速比垂向變化的復雜性及局部突變等特征。

綜合圖4至圖6進行分析, 雖然兩種模型計算聲速的分布均與實測聲速的分布特征具有相似性,但實測聲速的分布具有復雜性和局部性。這表明理論模型預測不能完全體現(xiàn)復雜沉積環(huán)境對聲速分布的影響。究其原因, 由于砂質(zhì)和泥質(zhì)等類型沉積物的物理性質(zhì)之間存在著較大的差異, 不同類型沉積物的聲速分布特征也不一致。即使沉積物的類型相同, 但沉積結(jié)構(gòu)受外部環(huán)境的影響, 也是造成沉積物聲速分布的復雜特征的重要因素, 因此不可能存在單一模型能夠廣泛適用于描述各種類型沉積物的聲速分布規(guī)律。另一方面, 模型參數(shù)的選擇多基于沉積物的孔隙性或者顆粒大小等物理因素, 而這些參數(shù)往往難以直接測量, 或無法測量, 部分參數(shù)甚至沒有明確的物理意義, 大部分參數(shù)由均勻各向同性介質(zhì)得到而又被運用到非均勻沉積物中。模型參數(shù)的選擇一般采用曲線擬合和混合優(yōu)化的方法; Stoll參數(shù)將模型參數(shù)分為砂質(zhì)和泥質(zhì)沉積物兩類,均采用單數(shù)值形式; Schock參數(shù)把滲透率、孔隙因子和骨架體積模量等分別看作是孔隙度、粒徑和有效壓力的函數(shù), 建立出這些未知參數(shù)的計算公式,這些模型參數(shù)選擇和確定方法均得到了驗證和應用。但對于復雜沉積環(huán)境中的沉積物, 其模型參數(shù)的選擇仍需要基于大量的沉積物物理性質(zhì)和聲速測試, 按照沉積物類型和沉積環(huán)境等進行更為精細的分類, 并且考慮沉積物的孔隙形狀、堆壘方式和礦物成分, 總結(jié)實測物理參數(shù)與無法測量的物理參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系, 代替利用單一數(shù)值表示整個區(qū)域沉積物的簡化方法, 建立更精確的參數(shù)選擇方法。

4 結(jié)論

通過對南海南部表層沉積物進行聲學測量試驗和利用聲波傳播理論進行聲速計算, 對比了測量試驗與三種理論模型的結(jié)果, 分析了該海域的聲速空間變化特征, 得到以下認識:

(1)實測聲速值與模型聲速計算值的對比分析表明, Wood方程計算值與實測值的相對偏差較大, Biot-Stoll模型適合于陸架高聲速區(qū)沉積物的聲速預測, Buckingham模型適合于更廣范圍海域沉積物聲速的計算。模型計算聲速不能體現(xiàn)實測聲速分布的復雜性和局部性。相比側(cè)重于沉積物孔隙性的Biot-Stoll模型, 兼具流體和彈性固體雙重性質(zhì)的Buckingham模型更適用于解釋該海域沉積物的聲波傳播特征。

(2)通過分析聲速平面和垂向的變化特征, 表明沉積物實測聲速的空間變化特征與沉積環(huán)境和物理性質(zhì)具有相關(guān)性。由于壓實作用而造成的聲速垂向增大模式, 不能代表所有海域淺表層沉積物的聲速結(jié)構(gòu)。

(3)在確定模型的參數(shù)時, 由于模型涉及參數(shù)較多, 一些參數(shù)還僅依靠文獻資料和值域范圍進行優(yōu)化擬合確定, 因此需要針對不同類型的海洋沉積物進行大量的物理性質(zhì)和聲速測試, 建立實測參數(shù)和未知參數(shù)的函數(shù)關(guān)系, 從而更精確的選擇模型參數(shù)。Acknowledgements:

This study was supported by the Public Science and Technology Research Funds Projects of Ocean (Nos. 201405032 and 200905025), and the National Natural Science Foundation of China (No. 41330965).

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Sound Speed Distribution of Seafloor Sediments in Nansha Islands Sea Based on Buckingham Model and Biot-Stoll Model

WANG Jing-qiang1, 4), GUO Chang-sheng2, 4)*, LIU Bao-hua3, 4), CHEN Wen-jing2, 5), HOU Zheng-yu2, 5), HAN Guo-zhong1, 4)
1) Key Laboratory of Marine Sedimentology and Environment Geology, First Institute of Oceanography,
State Oceanic Administration, Qingdao, Shandong 266061; 2) Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao, Shandong 266071; 3) National Deep Sea Center, State Oceanic Administration, Qingdao, Shandong 266061; 4) Laboratory for Marine Geology, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao, Shandong 266061; 5) University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049

Abstract:In order to analyze the application of the speed theoretical models to predicting the sound speed of sediments in the southern South China Sea, the authors calculated the sound speed by using Wood equation, Buckingham model, and Biot-Stoll model respectively. The comparison between the calculated and the measured sound speeds shows that the average deviation between the calculated sound speeds with Buckingham model and the measured sound speeds is smaller than the calculated values with Wood equation and Biot-Stoll model. The comparison of the sound speed ratio distributions indicate that the calculated sound speed ratios with Buckingham model and Biot-Stoll model have the similar horizontal distributions with the measured sound speed ratios. Thesound speeds have different horizontal distributions in different sedimentary environments and are closely related to the physical properties and the deposition of sediments. The calculated sound speed ratios are invariant with the depth, while the measured values have different vertical distributions in several different geomorphic units. According to the comparison results, the Biot-Stoll model is only suitable for the coarse sediments in the continental shelf, and the Buckingham model is more applicable to predicating the sound speed of sediments in the study area. The research is significant in obtaining the sound speed distribution of the sediments in the southern South China Sea, and can provide reference for the multi-beam echo sounding and the sub-bottom survey.

Key words:seafloor sediment; Buckingham model; Biot-Stoll model; sound speed distribution; sound speed ratio

中圖分類號:O422.1; O424

文獻標志碼:A

doi:10.3975/cagsb.2016.03.13

收稿日期:2016-02-19; 改回日期: 2016-03-25。責任編輯: 魏樂軍。

第一作者簡介:王景強, 男, 1989年生。博士后。主要從事海洋沉積聲學研究。E-mail: wang_jingqiang@aliyun.com。

*通訊作者:郭常升, 男, 1964年生。研究員。主要從事海洋地質(zhì)聲學和海洋地球物理研究。E-mail: guochine@qdio.ac.cn。