中國近海主要表層沉積物類型的原位聲學特性

李官保, 王景強, 孟祥梅, 闞光明, 劉保華

(1.自然資源部第一海洋研究所 海洋地質與成礦作用部重點實驗室,山東 青島 266061; 2.嶗山實驗室,山東 青島 266237; 3.國家深?；毓芾碇行?山東 青島 266237)

海底表層沉積物的聲速和聲衰減系數等聲學特性參數對于海洋,特別是近海的聲傳播和聲探測至關重要[1-2]。為了獲取這些參數,通常采用海底取樣后的實驗室測試、海底原位測量以及海底反演等直接測量方法[3-8]。但相對于廣闊的海域,直接測量的結果仍非常稀少,因此也有學者通過建立統計關系模型或物理模型的方式來對未知區域進行預測[9-11],而模型所需的沉積物孔隙度、粒徑等基本物理參數仍需要通過海上實際測量才能獲得。

根據沉積物中所含的砂、粉砂、粘土等不同粒徑組分的比例關系,可以將其分為多種類型[12]。Hamilton[13-14]通過研究發現,同一類型沉積物的聲學特性和物理性質具有一定程度的相似性,而對于不同的沉積類型,這些性質則具有較明顯的差異。因此,他建立了沉積類型與聲學特性、物理性質之間的關系,提出了利用海洋基礎調查獲得的沉積物類型分布圖等資料來快速估算海底沉積物的聲學特性的方法[1,15],這對于缺少沉積物聲學特性實測資料的區域很有意義。中國的海底沉積物聲學研究開展較晚,雖然自20世紀90年代以來陸續在近海區域開展了一些調查[16-18],但調查和認識程度仍較低,不足以支撐我國近年來日趨頻繁的各種海洋活動對海底沉積物聲學特性方面的需求。同時也注意到,通過數十年的基礎海洋調查,已經基本摸清了近海海底沉積和水文環境方面的信息。在這種情況下,根據沉積類型預測聲學特性具有尤其重要的意義,也具備有利的條件。

建立沉積類型與聲學特性關系的前提之一是準確測量沉積物的聲學特性參數。Hamilton[1]建立的沉積類型-聲學特性關系主要基于傳統的取樣測試方法,與之相比,近年來蓬勃發展的原位測量技術,能夠更準確獲得海底沉積物原位狀態下的聲速和聲衰減系數等參數,因此在SAX99、SAX04、SW06、SBCEX等一系列實驗中得到廣泛應用[19-23]。我國的海底聲學原位測量技術在21世紀以來也得到了快速發展,其中液壓式原位測量系統[17](hydraulic-driven in-situ sediment acoustic measurement System,HISAMS)或壓載式原位測量系統[8,18,24](ballast in-situ sediment acoustic measurement system,BISAMS)等設備已經在近海各海區開展了調查應用,獲得了大量原位測量數據。本文基于這些數據,利用統計方法建立了中國近海的沉積類型-原位聲學特性關系,并與已有的研究結果進行了對比分析。研究結果有助于對近海沉積的聲學特性進行總體上的評估。

1 海底聲學特性數據來源

1.1 中國近海表層沉積物聲學特性原位測量數據

數據來自2009年以來先后在南黃海、東海和南海北部開展的10余個航次的原位聲學特性調查。航次中分別用HISAMS或BISAMS測量了1 m埋深以內沉積物的聲速和聲衰減系數,測量頻率為30 kHz左右。Kan等[25]和王景強等[24]分別對2種原位系統的結構組成、工作原理以及數據處理方法有詳細描述,這里不再重復。

將原位聲速和聲衰減系數分別轉換為聲速比和聲衰減因子。聲速比是相同溫、壓條件下沉積物聲速與海水聲速的比值[4]。將原位聲速除以近海底海水聲速得到原位聲速比,用以消除各站位溫度、水深差異的影響。用于聲速比計算的近底海水聲速,部分為原位測量時同步測得[18],部分則使用多年平均的底層海水聲速[11]。將原位聲衰減系數除以測量頻率得到聲衰減因子,Hamilton[14]認為利用聲衰減因子可以對不同測量頻率的原位聲衰減數據進行對比。

在原位測量過程中同步開展了沉積物樣品的采集,特制的小型取樣器搭載于原位系統上,確保了原位測量和樣品采集位置的精確一致。在實驗室測試了沉積物樣品的顆粒組成以及平均粒徑、密度、孔隙度等物理性質,相關測試方法見文獻[26]的介紹。計算原位聲速比和密度的乘積得到聲阻抗因子(index of acoustic impedance,IOI),該參數可以反映不依賴測試環境的海底聲阻抗特性[10],對于海底聲學探測有重要作用。根據謝帕德三角圖分類方法,以樣品中砂、粉砂、粘土的比例來確定其沉積類型[12]。圖1顯示了收集的總計100個海底原位測量站位的沉積物組分比例以及涵蓋的各種沉積類型的站位數。其中陰影區域指示本文涵蓋的沉積類型,包括砂(S)、粉砂(T)、粉砂質砂(TS)、砂質粉砂(ST)、粘土質砂(YS)、粘土質粉砂(YT)、粉砂質粘土(TY)和砂-粉砂-粘土(STY),其中砂主要為極細砂(VFS),括號中數字表示各類型沉積物的站位數量;小圓點表示各站位的組分比例測量值;菱形表示相同沉積類型各站位的顆粒組分比例平均值。在中國近海沉積類型圖[27]中所列的10種沉積類型中,本文包含了除粘土(Y)和砂質粘土(SY)之外的其他所有類型(圖1),具有良好的代表性。

圖1 中國近海100個原位聲學測站的沉積物砂-粉砂-粘土比例三角圖Fig.1 Ternary diagram of the ratio of sand,silt and clay for sediment at 100 in-situ measurement stations in offshore areas of China

分別計算了同屬一種類型的各站位的原位聲速比、聲衰減因子、平均粒徑、密度、孔隙度和聲阻抗因子6個參數的平均值,計算其標準差以反映各參數值的離散程度,參照Hamilton[1,14]將其以表格的形式呈現。為便于描述,以下將這種表格簡稱為“分類聲特性表”或CAPT(classified acoustic properties table),并將中國近?；谠粶y量技術建立的以及Hamilton建立的分類聲特性表分別稱為I-CAPT (in-situ classified acoustic properties table)和H-CAPT(Hamilton′s classified acoustic properties table),以示區分。H-CAPT中各沉積類型的顆粒組分比例平均值也標示在了圖1中(大圓點)。

1.2 文獻中公開的沉積物聲學特性原位測量數據

自20世紀50年代以來,國際上出現了多種類型的沉積聲學原位測量裝置[3-4,7,17,19,22,28-30],但僅有Hamilton[3-4,28]和Richardson[31]等公開報道了部分原位測量數據。

Hamilton先后研制了人工布放和以深潛器為載體的沉積物聲學特性原位測量裝置-速度-衰減探針(Velocity-attenuation probe),并在美國加利福尼亞州圣地亞哥附近海域開展了原位測量,得到了聲速和聲衰減系數,測量頻率包括14、25和100 kHz 3種;利用原位測站取得的沉積物樣品,測量了其顆粒組成以及平均粒徑、密度等物理性質[3-4,28],這些數據中與HISAMS和BISAMS測量頻率相近的14、25 kHz的原位聲學特性和對應的物理性質數據被用作本文的對比分析。

美國海軍實驗室研制的原位沉積聲學測量系統(in situ sediment acoustic measurement system,ISSAMS)歷經多次改進,在世界各地開展了原位測量工作,Richardson[31]公開了在美國、德國和意大利等地獲得的沉積物原位聲學特性和物理性質測量數據,其中原位測量頻率包括38、43和58 kHz 3種,均與HISAMS和BISAMS測量頻率相近,這里也用作對比分析。

1.3 Hamilton分類聲特性表(H-CAPT)

Hamilton[1,13]統計了大陸階地(陸架和陸坡)、深海平原和深海山地3種沉積環境中典型沉積類型的聲速比和物理性質(平均粒徑、密度和孔隙度)的平均值和變化范圍,并以表格形式呈現,本文直接引用了與中國近海沉積環境相似的大陸階地的統計數據,由于其中不包含各沉積類型的聲衰減系數,因此利用Hamilton[14]建立的聲衰減因子與孔隙度的統計關系方程,將各沉積類型的孔隙度平均值代入方程中,得到了各類型的聲衰減因子的均值和浮動范圍。此外,用各沉積類型的聲速比和密度直接相乘得到了聲阻抗指數。各沉積類型的聲速比、聲衰減因子、聲阻抗以及密度、孔隙度和平均粒徑聯立成表格,形成了本文所用的Hamilton分類聲特性表(H-CAPT),如表1所示。

表1 Hamilton分類聲特性表(H-CAPT)Table 1 Hamilton classified acoustic properties table (H-CAPT)

2 原位聲學特性分類統計結果與對比

2.1 各種類型沉積物的原位聲學特性

中國近海8種典型沉積類型(圖1)的聲學特性以及物理性質的統計結果見表2。

表2 中國近海原位分類聲學特性表(I-CAPT)Table 2 In-situ classified acoustic properties table of China offshore (I-CAPT)

以砂粒為主的沉積物類型(VFS、TS、YS)表現出高聲速、高衰減、高密度、高阻抗以及低平均粒徑φ值和低孔隙度特征;與之相對,以粘粒為主的沉積物(TY)表現為低聲速、低衰減、低密度、低阻抗以及高平均粒徑φ值和高孔隙度特征;以粉粒為主的沉積物以及砂-粉砂-粘土(STY)的各個參數則居于上述2種沉積物之間。

粉砂質粘土和粘土質粉砂的聲速比均小于1,即表層沉積物為這2種類型的海底聲速小于其上覆海水的聲速,為低聲速海底;另一種含粘土的類型砂-粉砂-粘土的聲速比也接近1,顯示粘土含量對沉積物聲速有重要的影響。

粉砂質砂和砂質粉砂2種類型的聲學特性和物理性質都比較接近。而粘土質粉砂和砂-粉砂-粘土的各個聲學特性和物理性質參數都顯示出較其他類型更大的離散度。

聲衰減因子較其他幾個參數表現出更為顯著的離散度,特別是對于以砂粒為主和以粉粒為主的沉積物而言。

2.2 I-CAPT與公開的原位測量數據的比較

圖2顯示了I-CAPT中各沉積類型的聲速比與密度、聲衰減因子與孔隙度的關系,同時疊加了中國近海的原位測量站位數據和文獻公開的2種原位測量站位數據?？梢钥闯?無論聲速比還是聲衰減因子,I-CAPT都與Hamilton以及ISSAMS的測量數據有很好的一致性,也基本符合Jackson等[10]的ISSAMS原位聲速比-密度、原位聲衰減因子-孔隙度經驗關系曲線(圖2)。這表明,中國近海的原位測量數據與公開的原位測量數據之間具有良好的可比性,由此也可證明I-CAPT具有較高的可信度。

圖2 I-CAPT與原位數據以及經驗方程的對比Fig.2 Comparison among I-CAPT and in-situ data and empirical equations

2.3 與Hamilton分類聲特性表(H-CAPT)的比較

圖3分別列出了I-CAPT與H-CAPT中各個參數隨沉積類型的變化以及對比情況,可以看出I-CAPT與H-CAPT間具有很多相似之處,如:各個參數從細粒沉積物到粗粒沉積物的變化趨勢是相同的;各個類型的平均粒徑和聲阻抗指數基本相當(圖3(e),圖3(f));以砂粒為主和以粉砂為主的沉積物,其聲衰減因子的離散度都比較大(圖3(b))。同時也注意到,I-CAPT與H-CAPT存在很多差異,其中最為顯著的是,對于相同類型的沉積物,H-CAPT的聲速比普遍偏高(圖3(a));而在以砂粒為主和以粉粒為主的沉積物中,H-CAPT的聲衰減因子大幅偏高(圖3(b)),密度偏低,孔隙度偏高,且偏離程度隨著沉積物變粗而趨于增大(圖3(c),圖3(d))。

圖3 I-CAPT與H-CAPT各參數的比較Fig.3 Comparison of acoustic and physical property parameters between I-CAPT and H-CAPT

3 討論

H-CAPT中聲學特性與物理性質的關系與Hamilton等在20世紀七八十年代建立的一系列聲學特性與物理性質的回歸方程[14,32-34]大致吻合,例如圖2中所示的聲速比-密度關系和聲衰減因子-孔隙度關系。隨著20世紀90年代以來ISSAMS等新型原位測量技術的發展,利用原位測量數據也建立了聲學特性與物理性質的回歸方程[10]。大量研究發現,對應相同的物理性質,用Hamilton等的回歸方程較原位回歸方程會得到偏高的聲速比和聲衰減系數[10-11,35-37],這從圖2中H-CAPT和Hamilton/Bachman擬合曲線明顯高于I-CAPT和ISSAMS原位擬合曲線也可以得到證明?？紤]到H-CAPT和對應的經驗方程曾廣泛應用[2,38],因此很有必要探究其聲學特性高估的原因,以評估其適用性。

頻散現象是聲波在介質中傳播時聲速和衰減系數隨頻率差異而變化的現象。早期一般認為沉積物聲速的頻散不存在或微弱到可以忽略,聲衰減系數則隨頻率線性增加[14,28]。隨著SAX99、SAX04等試驗的開展,人們逐漸認識到沉積物中聲速也存在頻散,聲衰減系數也不是完全的隨頻率線性變化[5,21,30,39]。由于I-CAPT和ISSAMS原位回歸方程分別基于測量頻率為30 kHz和38～58 kHz的原位測量數據,而H-CAPT和Bachman/Hamilton回歸方程則主要基于200 kHz的沉積物樣品測試數據,需要首先確認兩者的差異是否由頻散引起。

為此,采用粘性顆粒剪切(viscous grain-shearing,VGS)理論[40-42]對3種代表性沉積類型(極細砂、粉砂和粉砂質粘土)的聲學特性隨頻率的變化進行了計算,以確認I-CAPT和H-CAPT是否符合理論的頻散關系。Biot-Stoll模型[43-45]和VGS模型是目前應用較廣的沉積物聲傳播理論模型,本文選擇VGS模型的原因主要是其已經被證明對于砂質沉積和泥質沉積都有較好的適用性,且其滿足因果律[22,41-42]。

在VGS理論中,壓縮波速cp和衰減αp與角頻率ω的關系表示為[40-42]:

(1)

(2)

式中:i2=-1,n為應變硬化指數;χ為顆粒剪切系數;T=1 s;c0為沉積物的Wood聲速;g(ω)為表示沉積物粒間孔隙水粘滯效應的方程。

Wood聲速c0為:

(3)

式中:κ0和ρ0為沉積物的體積模量和密度,分別與沉積物孔隙度N、顆粒和孔隙水的體積模量κg和κw、密度ρg和ρw有關。

g(ω)表示為:

(4)

式中τ為粘彈性時間常數,決定了聲衰減曲線的轉換頻率f0:

f0=1/2πτ

(5)

式(1)和(2)中除n和χ之外的其他參數均采用文獻中的經驗值,n和χ之則可根據聲速和聲衰減系數計算得到。角頻率為ω1的原位聲速cp(ω1)和聲衰減系數αp(ω1)與應變硬化指數n有:

(6)

式中:

X=cp(ω1)αp(ω1)/ω1

(7)

根據式(6)計算出n后,再將n和cp(w1)代入式(1),可以計算出χ。

根據上述方法,利用原位聲速比和聲衰減系數推算了模型參數(表3),然后利用模型計算200 kHz的聲學特性,并與對應的H-CAPT的聲學特性進行對比。由于孔隙度參數對VGS模型計算結果的重要控制作用,而I-CAPT和H-CAPT對應沉積類型的孔隙度存在差異,因此用于對比的200 kHz聲學特性是將I-CAPT中的孔隙度或密度代入Bachman/Hamilton經驗方程[32-34]得到的。此外,還利用Jackson等[10]建立的樣品聲學特性經驗方程(對應圖2中的J&R實驗室數據擬合曲線,其測試頻率為400 kHz)和3種類型的孔隙度或密度,計算了對應的400 kHz的聲學特性并與模型計算結果進行對比。

表3 擬合3種沉積類型聲學特性頻散的VGS模型參數Table 3 Parameter values used in VGS theory for dispersion modelling of three types of sediment

圖4顯示了3種沉積類型的聲學特性的理論頻散曲線及其與原位和樣品測試數據統計值的對比情況,其中3條實線分別為極細砂(VFS)、粉砂(T)和粉砂質粘土(TY)的模型計算曲線,三角形為原位數據,圓形和菱形分別為200 kHz和400 kHz的測試數據。由于使用了原位數據進行模型參數計算,因此原位聲速和聲衰減系數均與理論曲線吻合。在圖4(a)中,從極細砂到粉砂再到粉砂質粘土,聲速比隨頻率的變化梯度逐漸降低。400 kHz的測試數據與理論曲線大致吻合或略微偏高,而200 kHz的測試數據則較理論曲線顯著偏高。

圖4 利用VGS模型計算的3種沉積類型的聲學特性與統計值的對比Fig.4 Dispersion curves for three types of sediment and comparison to point frequency data

在圖4(b)中,3種沉積類型的聲衰減系數均大致隨頻率呈線性變化,而200 kHz和400 kHz的測試數據均不同程度地偏離理論曲線,其中極細砂的測試數據偏高,粉砂的偏低,而粉砂質粘土的2種數據則分別位于理論曲線兩側,顯示了聲衰減系數預測的復雜性,也與聲衰減系數測量相對較高的不確定程度有關,這也是H-CAPT與I-CAPT的聲衰減因子都顯示較高離散度的原因。

通過上述對比可以看出,H-CAPT中較I-CAPT偏高的聲速比無法用頻散現象來解釋,而聲衰減因子也并不完全符合頻率的線性關系。Jackson等[10]認為沉積物組成的不同以及沉積物的擾動都是可能造成偏離的原因。但從圖1和圖2中可以看出,H-CAPT與I-CAPT的各類型沉積物中顆粒組分占比的平均值、平均粒徑都比較接近,而且這些參數均不會在取樣和后期測試過程中發生顯著改變,因此聲學特性的差異可能還歸咎于因取樣、搬運等過程中發生擾動而導致的水分、結構相對于海底原位狀態下不同程度的改變[24,47]。無論如何,H-CAPT對聲學特性-特別是聲速比的高估是客觀存在的,因此在涉及海底聲學特性預測時,建議優先使用I-CAPT或者相關的原位經驗方程。

也應注意到,無論I-CAPT還是H-CAPT,其聲衰減因子的離散度都較高。事實上,相對于聲速比,沉積物聲衰減的預測更為困難,現有的經驗方程相對較低的確定度,影響了其用于衰減預測的效果,因此在實際應用中采用實測值更有意義。而考慮到取樣過程中失水以及樣品結構變化(粗粒沉積物更容易發生)可能對衰減測量結果的影響,利用原位測量技術獲得的聲衰減值比樣品在實驗室中的測量值更為可信。

4 結論

1)中國近海的原位聲學特性與前人利用各種原位測量設備得到的數據基本一致,也符合相關的原位聲學特性經驗方程;

2)早期Hamilton按照沉積類型統計的聲學特性顯著高于中國近海的原位聲學特性統計結果,基于VGS理論的模擬計算結果顯示這種偏高并非完全由聲學特性的頻散效應引起;

3)由于Hamilton統計結果對聲學特性的高估,所以當對缺少直接測量數據的海域進行沉積物聲學特性預測時,建議優先使用原位聲學特性統計結果。

需要提及的是,中國近海分類原位聲特性表中的聲速和聲衰減都是基于單一頻率(30 kHz)的原位測量數據。由于聲速和聲衰減均存在頻散效應,而且各種類型的沉積物的頻散程度也不同,因此在使用時應特別注意頻率的差異。此外,目前用于統計的原位測量數據仍比較少,導致聲衰減因子等參數的不確定度較高,因此建議僅在缺乏實測數據時做輔助性使用。