南黃海海底沉積物原位聲速測量與實驗室聲速測量對比研究

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 海洋沉積與環境地質重點實驗室，山東 青島 266061）

南黃海海底沉積物原位聲速測量與實驗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 海洋沉積與環境地質重點實驗室，山東 青島 266061）

介紹了海底沉積物原位聲速測量方法和實驗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調查中的應用情況，詳細對比分析了原位測量聲速和船舶甲板實驗室測量聲速的差異，討論了溫度和壓力等環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報具有一定應用價值。

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構、水聲通訊、水下目標探測、水聲設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和軍事地球物理學的重要研究內容[1-6]。聲速的精確測量是海底沉積物聲學特性研究的重要環節，目前，海底沉積物聲速測量主要包括實驗室測量和海底原位測量兩種方法[2]。沉積物樣品實驗室聲速測量方法首先在研究海區使用重力箱式取樣器獲得海底沉積物原狀樣品，然后，將樣品搬運到實驗室中進行測量。其具有儀器設備簡單、操作方便等特點，但樣品由海底取樣和搬運至實驗室，沉積物所處的溫度、壓力等周圍現場環境也發生了很大變化，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驗室聲速測量方法進行了深入研究，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、壓力等周圍環境變化引起的測量誤差，也避免了樣品取樣和搬運對沉積物造成的擾動，測量結果較實驗室測量更加準確可靠[2]。近幾年，我國海底沉積物聲學特性參數原位測量技術發展迅速，相繼開發出多頻海底聲學原位測量系統、基于液壓驅動貫入的自容式海底沉積聲學原位測量系統、以及海底底質聲學參數測量等多套海底沉積物聲學特性參數原位測量系統[10-12]。

1 海底沉積物聲速測量技術

1.1 原位聲速測量技術

由國家海洋局第一海洋研究所最新研制的基于液壓驅動貫入的自容式海底沉積聲學原位探測系統的工作原理如圖1所示。系統通過由液壓驅動裝置、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支聲學探桿貫入到海底以下指定深度，其中1個探桿安裝有發射換能器（R），另外 3 個安裝有接收換能器（T1，T2，T3）。 發射換能器R發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行前置放大、初始濾波、自動增益控制和A/D轉換，轉換成數字信號后存儲到系統存儲單元。系統在海底工作結束后，提升至甲板，導出數據，根據記錄到的三通道聲波信號的時差和幅度差計算海底沉積物聲速和聲衰減系數。

1.2 實驗室聲速測量技術

沉積物聲速的實驗室測量主要采用透射法，其測量原理如圖2（a）所示，發射換能器產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，根據數字聲波儀記錄的接收信號計算出聲波穿透時間，由式（1）即可計算出樣品的聲速。

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個信號進行互相關分析，精確求取兩信號互相關最大值時的走時差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 沉積物聲學特性原位測量系統工作原理示意圖

圖2 透射法實驗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驗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

使用基于液壓驅動貫入的自容式海底沉積聲學原位測量系統在南黃海中部進行了海底沉積物聲速的原位測量。系統工作水深為500 m，探測深度1 m，測量頻率30 kHz，采樣頻率10 MHz。在設備下水前，首先通過上位機軟件對系統水下中央控制單元和聲學單元的工作參數進行設置，參數設置完畢后，斷開系統與甲板計算機相連接的通訊電纜，將設備吊裝入水。設備觸底后，在水下中央控制單元控制下，液壓驅動裝置將4根聲學探桿貫入海底沉積物某一指定深度，然后進行聲波的發射和采集，并將記錄的聲波數據自容式存儲于系統存儲單元。上述工作完成后，將設備回收至甲板，連接通訊電纜和甲板計算機，導出存儲的聲波數據文件，據此計算沉積物聲速。

在粉砂質粘土、粘土質粉砂、砂質粉砂、粉砂質砂、粉砂、細砂等不同類型沉積區域共獲得104個站位的海底沉積物聲速原位測量數據。接收到的典型聲波波形如圖3所示，據圖3所示的波形初步計算表明，粘土質粉砂的聲速為 1 473.0 m/s，細砂的聲速為1 571.0 m/s。

在本航次調查過程中，使用目前比較成熟的海水聲速高精度測量CTD剖面儀對原位系統聲速測量進行了標定，相同水深條件下，原位測量系統測量的海水聲速與CTD測量聲速的相對誤差均小于0.5%，表明原位測量系統測量結果準確、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驗室測量

在原位聲速測量站位進行沉積物柱狀取樣，并選擇典型

站位采用上述透射法實驗室聲速測量技術在船上實驗室進行了沉積物樣品聲速的實驗室測量，南黃海中部海底沉積物柱狀樣品聲學性質測量典型聲波波形如圖4所示。由圖4所示的測量波形數據計算可得，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 原位測量聲速與實驗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查過程中，首先使用原位探測系統對海底沉積物進行了原位測量，測量頻率為30 kHz，測量深度一般為50 cm。在同一站位，原位設備回收至甲板后，隨后進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采用上述透射法實驗室聲速測量技術在船上實驗室進行了聲速測量，測量頻率包括30 kHz，50 kHz，100 kHz，250 kHz。實驗室聲速測量過程中實時測量沉積物的溫度變化，聲速測量完畢后隨后進行密度、含水量、抗壓強度和抗剪強度等沉積物物理力學指標的測量。所剩樣品進行封裝保存，航次結束后搬運至陸地實驗室進行聲學性質和物理力學性質的綜合測量。

典型站位原位測量聲速和實驗室測量聲速見表1，表中二者測量頻率均為30 kHz。表1所列數據顯示，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，柱狀樣品實驗室測量聲速最低為1 451.7 m/s，最高為1 652.4 m/s，平均聲速1 508.6 m/s。原位測量聲速和實驗室測量聲速對比分析顯示，所有站位實驗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 原位測量聲速與實驗室測量聲速對比表

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驗室測量，因此，樣品搬運等對沉積物擾動降至最低，而且，未經過長時間存放，對沉積物聲速影響較大的含水量指標變化很小。實驗室聲速測量與原位聲速測量相比，變化較為明顯的2個環境參數為溫度和壓力。本次調查時間為夏季，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 沉積物分層和壓實對聲速影響

本文所述的海底沉積聲學原位測量系統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，而樣品實驗室聲速測量則為一定距離內聲波垂直方向的傳播速度，由于沉積物分層和壓實等影響，二者聲速可能有所差異。但根據樣品分析顯示，該區域沉積物樣品頂部淺表層（0～70 cm）分層結構并不明顯。在部分站位，使用原位設備在同一站位進行了不同下插深度多次測量，結果顯示在0～80 cm深度內，垂直方向的聲速變化很小。因此，作者認為在本調查區域沉積物分層和壓實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，然后進行分割，搬運至調查船實驗室進行聲速測量時，樣品溫度已升至15～20℃（見表1）。研究區海底沉積物原位測量聲速與實驗室測量聲速差與溫度變化的關系如圖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果基本相同[13]。

圖5 聲速差與溫度變化的關系圖

3.3靜水壓力對海底沉積物聲速影響

本次調查使用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論，王琪等人認為在水深小于1 000 m（10 MPa）時水深對海底沉積物聲速的影響可以忽略[14]。作者認為，根據Biot雙相介質理論，未固結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，隨著深度和靜水壓力增加，孔隙流體的體壓縮系數將會發生變化，從而導致海底沉積物這種雙相介質的體壓縮系數發生變化，進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一步綜合的理論和實驗研究。

4 結語

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

在南黃海中部開展的海底沉積物聲學特性調查結果表明，海底沉積物原位測量聲速和船舶甲板實驗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驗室測量聲速，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驗室測量聲速差異及其影響因素分析，建立海底沉積物實驗室聲速測量的校正方法，為更準確的海底沉積物聲速預報提供科學依據。

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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

海洋公益性行業科研專項經費資助項目(200805008)；國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助項目(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研究。E-mail:kgming135@163.com