白令海和楚科奇海表層沉積物的聲速特性

孫 蕾,王景強(qiáng),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(zhì)與成礦作用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266061；3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266235；4.國家深?；毓芾碇行?山東 青島266237)

海底是水下聲場的重要邊界,同時(shí)也是海洋聲學(xué)、海洋地質(zhì)學(xué)和海洋地球物理學(xué)等學(xué)科共同關(guān)注的對象[1]。海底沉積物聲學(xué)特性是影響聲波在海洋中傳播的重要因素,相關(guān)研究在軍事海洋環(huán)境保障、海底目標(biāo)物探測、海底資源勘探等領(lǐng)域均具有重要的應(yīng)用價(jià)值[2]。海底沉積物的聲學(xué)特性研究歷經(jīng)了半個(gè)多世紀(jì),取得了一系列理論進(jìn)展和實(shí)用成果,涉及理論機(jī)理研究[3-4]、預(yù)報(bào)模型[5-6]、測量技術(shù)[7-8]等多個(gè)方面。無論是經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)方程、理論模型還是反演計(jì)算,都需要大量的實(shí)測數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)資料。因此,海底沉積物聲學(xué)特性的直接精確測量是開展聲學(xué)特性研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)前,海底沉積物聲學(xué)調(diào)查廣泛采用的直接測量方法主要包括原位測量技術(shù)和取樣測量[2]。取樣測量由于具有儀器設(shè)備簡單、操作方便等優(yōu)點(diǎn),在缺乏原位測量條件的情況下是海底沉積物聲學(xué)調(diào)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(xué)特性,其聲學(xué)特性比海水和巖石等介質(zhì)的聲學(xué)性質(zhì)更為復(fù)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(xué)特性進(jìn)行建模。海底沉積物的聲學(xué)特性與沉積環(huán)境特征、沉積物結(jié)構(gòu)特征、物理力學(xué)性質(zhì)等密切相關(guān)[10]。基于海底沉積物聲學(xué)特性與物理性質(zhì)的相關(guān)性,構(gòu)建二者之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系模型是海底沉積物聲學(xué)特征研究的主要內(nèi)容之一[11-12]。Hamilton針對不同的海底沉積環(huán)境,利用實(shí)驗(yàn)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(xué)參數(shù)與物理性質(zhì)之間的Hamilton和Bachman經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚5](以下簡稱Hamilton模型)。該經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ǔ１挥糜谒暦抡婧统练e物聲速預(yù)測,但研究顯示該模型與近期實(shí)測數(shù)據(jù)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(shù)千組實(shí)驗(yàn)室測量數(shù)據(jù),構(gòu)建了沉積物聲學(xué)特性與物理性質(zhì)的Richardson和Briggs經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚13]。國內(nèi)學(xué)者也利用HISAMS原位測量技術(shù),在南黃海開展了大量調(diào)查工作,構(gòu)建了沉積物聲速-物理性質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚14],這些新模型均與Hamilton模型存在不同程度的差異。

北極是當(dāng)前海洋科學(xué)活動(dòng)的熱點(diǎn)區(qū)域,其中白令海和楚科奇海作為太平洋進(jìn)出北極海域的關(guān)鍵通道以其巨大的資源潛力尤其受到關(guān)注。由于獨(dú)特的水動(dòng)力環(huán)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(dú)特的地形地貌和海底沉積物。受調(diào)查條件所限,過去對該海區(qū)沉積物聲學(xué)特性的研究較為薄弱,第五次北極科學(xué)考察曾測量了7個(gè)站位沉積物的聲速,分析了其與沉積物微結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的關(guān)系,這也是我國首次在北極區(qū)域開展聲學(xué)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(xué)特性和物理性質(zhì),分析沉積物聲學(xué)特性與物理性質(zhì)之間的相關(guān)性,進(jìn)而探討現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯υ摵Ｓ虺练e物的適用性,以期為該海區(qū)水聲研究、資源勘探提供參考。

1 樣品及測試方法

1.1 區(qū)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(jìn)行物質(zhì)交換的重要海域,過往研究認(rèn)為該海域的沉積物以陸源搬運(yùn)物質(zhì)和生物源物質(zhì)為主,火山成因和風(fēng)塵物質(zhì)等影響較弱[16]。在第十次北極科學(xué)考察航次中,利用箱式取樣器采樣,然后進(jìn)行插管,采集了16個(gè)站位的海底表層沉積物柱狀樣品,進(jìn)行了沉積物聲學(xué)特性測試及物理性質(zhì)測試。

這16個(gè)站位分別位于白令海和楚科奇海的陸架淺水區(qū)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)?，F(xiàn)場判斷沉積物以灰色或灰黑色的砂質(zhì)粉砂或黏土質(zhì)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(xué)測試

本研究采用軸向差距測量法進(jìn)行聲學(xué)測試,測試系統(tǒng)主要包括PoDAS聲波發(fā)射和采集系統(tǒng)、功率放大器、換能器阻抗匹配器、發(fā)射和接收換能器、沉積物樣品測試平臺等(圖2)。測量時(shí),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(xué)測試平臺上,發(fā)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(xué)發(fā)射端產(chǎn)生聲波信號,經(jīng)功率放大器放大后,驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器激發(fā)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(chǔ)聲波信號；最后,根據(jù)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(shí)間,并結(jié)合沉積物樣品的長度,基于旅行時(shí)間法(time-of-flight,TOF)計(jì)算沉積物聲速Cp(單位為m/s),計(jì)算公式如下:

圖2 聲學(xué)測試系統(tǒng)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(shí)間,單位為μs；t0為換能器零聲時(shí)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(shè)置為16 MHz,采樣時(shí)長為5 ms,聲速測量結(jié)果的誤差小于0.1%。本次測試采用了4組不同頻率的發(fā)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(jì)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(huán)境因素相關(guān)。沉積物樣品從采樣前的原位狀態(tài)到搬運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室,其所處的環(huán)境發(fā)生了較大的變化,尤其是溫度和壓力發(fā)生了變化,所以,需要將沉積物實(shí)驗(yàn)室聲速值進(jìn)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(shí)驗(yàn)室聲速轉(zhuǎn)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(rèn)為是一個(gè)定值[18]。聲速比的計(jì)算公式為

式中,Cp為實(shí)驗(yàn)室測試的沉積物聲速值,Cw為實(shí)驗(yàn)室溫度和1個(gè)大氣壓下的水聲速值,Cpi為海底原位溫壓狀態(tài)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(jì)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(tài)到實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的過程中鹽度基本不會(huì)發(fā)生變化,而溫度和壓力較容易發(fā)生變化。為了將各站位的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,對水聲速計(jì)算公式進(jìn)行了簡化,海底沉積物的鹽度S統(tǒng)一取值為35。

1.4 物理性質(zhì)測試

完成聲學(xué)測試后,依據(jù)GB/T 12763.8—2007《海洋調(diào)查規(guī)范:第8部分 海洋地質(zhì)地球物理調(diào)查》[20]對樣品進(jìn)行物理性質(zhì)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(jìn)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?？撕臀值鹿接?jì)算平均粒徑。采用環(huán)刀法測試沉積物樣品的密度(環(huán)刀內(nèi)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(jì)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(jìn)行分類和命名。

2 結(jié)果分析

2.1 沉積物類型與物理性質(zhì)

試驗(yàn)結(jié)果顯示,白令海和楚科奇海海底沉積物類型較為復(fù)雜,包括砂-粉砂-黏土、粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂、黏土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)黏土等多種類型。T1到T16站沉積物的具體物理性質(zhì)參數(shù)的測試結(jié)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(jié)果顯示,16個(gè)站位的海底沉積物基本不含礫石成分,砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.1%～60.5%,平均值為26.46%；粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.6%～52.9%,平均值為38.77%；黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)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?？傮w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(xì)；砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,而位于白令海西北陸架的T1到T4站粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高；楚科奇海沉積物的粒度明顯呈由南向北逐漸變細(xì)的特征,靠近楚科奇半島的站位沉積物顆粒較粗且砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,而遠(yuǎn)離半島的站位顆粒較細(xì),這與海流由南向北搬運(yùn)的沉積環(huán)境有關(guān),因?yàn)檩^細(xì)的顆粒更容易被搬運(yùn)至較遠(yuǎn)的陸坡區(qū)沉降[16]。

表1 白令海和楚科奇海表層沉積物物理性質(zhì)測試結(jié)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(jié)果

結(jié)合沉積物類型,統(tǒng)計(jì)分析聲速測量數(shù)據(jù),結(jié)果(表2)顯示,在25～200 k Hz的測量頻率范圍內(nèi),研究區(qū)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(zhì)砂或砂質(zhì)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(zhì)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(zhì)黏土的聲速值最低,變化范圍為1 485.20～1 518.84 m/s,各個(gè)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(jié)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(zhì)的相關(guān)性

海底沉積物的聲速與物理性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系一直是海底沉積物聲學(xué)研究的重要內(nèi)容,對聲速和物理性質(zhì)參數(shù)進(jìn)行回歸分析并建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?可以為聲速預(yù)報(bào)和海底參數(shù)反演提供有效手段。20世紀(jì)80年代,Hamilton和Bachman通過大量沉積物取樣并進(jìn)行聲學(xué)測量,同時(shí)結(jié)合以往獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,根據(jù)沉積物所處的沉積環(huán)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(zhì)之間的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚5](通常稱為Hamilton模型),其中大陸臺階對應(yīng)的沉積物聲速比和物理性質(zhì)之間的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿缦?

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(yīng)用,但近期多個(gè)海域的實(shí)測數(shù)據(jù)和模型對比研究發(fā)現(xiàn),該經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛嬖趹?yīng)用局限性[1,21-22]。Richardson和Briggs模型是通過總結(jié)全球多個(gè)海域數(shù)千組測量數(shù)據(jù)所建立的沉積物聲速比與物理性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系模型[13],其經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式如下:

本研究結(jié)合研究區(qū)的實(shí)測數(shù)據(jù)(以100 k Hz為例),與Hamilton模型及Richardson和Briggs模型進(jìn)行對比分析,探討聲速比與物理性質(zhì)之間的關(guān)系,結(jié)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(rèn)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(shí)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(dǎo)致了沉積物低聲速現(xiàn)象。

飽和的海底沉積物由顆粒和孔隙水組成,具有雙相介質(zhì)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(shí)程度。當(dāng)聲波穿過沉積物時(shí),顆粒和孔隙水同時(shí)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(guān)聯(lián)。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(guān)性較好。實(shí)測數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯Ρ缺砻?研究區(qū)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(yù)測結(jié)果。研究也發(fā)現(xiàn)[1],Hamilton經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測的聲速比結(jié)果通常要高于實(shí)測值,這種差異性一方面歸因于聲學(xué)測量技術(shù)的不同,另一方面歸因于物理性質(zhì)測量技術(shù)存在差異的情況。Hamilton等[5]早期工作中測量技術(shù)和數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)并不完善,可能會(huì)出現(xiàn)測量結(jié)果存在較大的誤差,雖然通過近十幾年的技術(shù)發(fā)展,基于新的數(shù)據(jù)會(huì)逐步完善Hamilton經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?但是Hamilton等提出構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷睦砟钊允鞘种匾摹?/p>

圖3 沉積物聲速比與物理性質(zhì)關(guān)系(以100 k Hz實(shí)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(huì)發(fā)生變化,因此也被作為預(yù)測沉積物聲速的指標(biāo)之一,并對底質(zhì)分類等具有指導(dǎo)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(guān)性較好。與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅容^表明,沉積物實(shí)測聲速低于2種模型的預(yù)測結(jié)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(xué)等作用,自然狀態(tài)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(gòu)建聲傳播理論,通常將海底沉積物作為均勻介質(zhì)進(jìn)行簡化,把一定粒徑組分的平均值如平均粒徑作為整個(gè)沉積物顆粒構(gòu)成的參數(shù)。通過對比分選性較好的中砂、分選性較差的粉砂質(zhì)黏土、黏土質(zhì)粉砂以及分選極差的砂質(zhì)泥混合物發(fā)現(xiàn),平均粒徑相同的黏土質(zhì)粉砂和砂質(zhì)泥混合沉積物,其聲速差異很大[1,24]。在相同的壓實(shí)狀態(tài)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(yù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)增大呈增大趨勢,隨黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大呈減小趨勢,相關(guān)性也較好。

3.2 沉積物聲速頻散特征

作為多孔雙相介質(zhì),海底沉積物的固相和液相在聲波的激勵(lì)下具有不一樣的振動(dòng)特征,尤其當(dāng)振動(dòng)頻率不同時(shí),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(xiàn)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(zhì)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(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)砂、粉砂質(zhì)黏土和黏土質(zhì)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(guān)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(guān)線性關(guān)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(guān)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(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)砂的聲速頻散程度較為顯著,黏土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)黏土的聲速頻散相對較弱,這與部分研究結(jié)果相一致[25-26],表明粗顆粒沉積物聲速對頻率具有更強(qiáng)的依賴性。

4 結(jié) 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(zhì)參數(shù),將實(shí)測數(shù)據(jù)與Hamilton模型、Richardson和Briggs經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行對比,分析了不同類型沉積物的頻散特征,主要結(jié)論如下:

①研究海域表層沉積物類型復(fù)雜,包括粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂、黏土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)黏土等類型。整體上,粉砂質(zhì)砂或砂質(zhì)粉砂的聲速值最高,黏土質(zhì)粉砂的聲速值次之,粉砂質(zhì)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(guān)性。

②沉積物聲速比與密度、孔隙度、平均粒徑、砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)和黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)等物理性質(zhì)之間具有相關(guān)性。通過對比實(shí)測數(shù)據(jù)和模型預(yù)測結(jié)果發(fā)現(xiàn),實(shí)測聲速比與Richardson和Briggs密度模型、孔隙度模型的預(yù)測結(jié)果更為吻合,低于Hamilton模型的預(yù)測值。此外,實(shí)測聲速比與2種基于平均粒徑的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測結(jié)果存在差異。

③在25～200 k Hz的頻率范圍內(nèi),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(dá)沉積物的聲速頻散特征,擬合結(jié)果具有較高的相關(guān)性。