南海南部海域岛礁区海底珊瑚砂声速影响因素的初步研究

2014-04-17李赶先龙建军

海洋学报 2014年5期

李赶先，龙建军

（1.中国科学院南海海洋研究所，中国科学院边缘海地质重点实验室，广东广州 510301；2.中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室，北京 100190；3.广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006）

1 引言

珊瑚生长在热带海域0～40m水深，主要由浅水石珊瑚（Scleractinia）等造礁珊瑚形成珊瑚礁。珊瑚礁周围分为珊瑚生长带、重力堆积带和生物、细砂、粉砂沉积带。珊瑚生长带海底主要由造礁珊瑚构成礁岩坡，珊瑚生长覆盖面达80%，以块状、片状和粗短枝状珊瑚为主。重力堆积带水深40～300m，由生物砂屑和珊瑚砂组成，物质主要来源于其上的珊瑚生长带，亦有少部分本带原生生物骨壳。生物、细砂和粉砂沉积带水深大于300m，以浮游有孔虫壳占明显优势［1—2］。本文讨论的海底珊瑚砂，属于岛礁周围海底的重力堆积带，亦称塌积堆积带。

南海南部海域有近200座岛礁，除少数位于南海南部大陆架之外，绝大部分散布于南海南部水深200～4 000m的海底高原上［3］。岛礁周围的海底珊瑚砂，在物质成分、沉积结构和物理力学性质等方面与其他类型海底沉积物有着显著不同［4—5］。前人对南海北部陆架的陆源沉积物和半深海－深海钙质泥等沉积物声速及其影响因素关系已有较多研究［6—8］，但对于南海南部海域海底珊瑚砂声速及其影响因素关系尚未见报道。

本文在多次科学考察取得的样品测量数据基础上，对该海域海底珊瑚砂的孔隙度、含水量、中值粒径、湿密度和抗压强度等物理力学特性与纵波声速相关关系进行了研究，初步揭示出岛礁区海底珊瑚砂声速与相关因素的响应机制。由于南海南部岛礁区海域的特殊地理位置以及海底珊瑚砂特有的声学物理性质，使得本项研究对海底沉积声学与海洋军事国防具有重要理论意义和应用价值。

2 珊瑚砂声速及其影响因素基本特征

2.1 南海海底珊瑚砂沉积学特征

在岛礁周围海底的重力堆积带，文石质骨壳生物不宜生长，八射珊瑚和棘皮类等高镁方解石质生物占优势，所以，该带沉积物以高镁方解石含量最高，占50%以上。重力堆积带的海底珊瑚砂构成了岛礁区海底沉积物主体，它在物性结构和沉积动力环境等方面与水深较浅的珊瑚礁岩和水深较大的钙质泥有着显著不同［4—6］。由于岛礁周围近岸和海底的海浪作用和海流冲刷，使得珊瑚礁冲刷破碎后形成的细粒沉积物难以在水动力较强的岛礁周围海底停留。这造成了岛礁周围陆架海底沉积物主要是粒度较粗的浅海珊瑚砂，而粒度较细的钙质细砂、粉砂和钙质泥等（中值粒径多小于0.004mm），则分布在400～2 000 m 的半深海－深海海底［1—2］。

表1为18个站位底质样品数据分析得出的南海南部海域岛礁区海底珊瑚砂基本参数变化范围，可以看出，海底珊瑚砂的颗粒含量以砂粒级为主，粉砂次之，峰态一般，分选较差。

表1 南海南部海域岛礁区海底珊瑚砂基本参数变化范围

2.2 南海海底珊瑚砂声速与物理力学特性

海底沉积物声学与物理力学性质包括了许多内容，主要包括：纵波声速c、含水量ω、湿密度ρ、质量比G、孔隙比e、孔隙度n、抗压强度qu、液限WL、塑限Wp、液性指数IL、塑性指数Ip11项基本参数。表2给出了南海南部海域岛礁区18个站位海底珊瑚砂的声学物理和力学特性11项基本参数变化范围。对这些参数的分析测量是按照国家标准和有关规范进行的［9—10］。

表2 南海南部海域岛礁区海底珊瑚砂沉积物声学物理参数

从可以对比的参数数据来看，相比卢博报道过的南海北部粤东大陆架海底陆源性沉积物［11］，南海南部海域岛礁区海底珊瑚砂具有较高的孔隙度和孔隙比、较大的含水量，以及较小的湿密度。这是由于岛礁区海底珊瑚砂沉积物颗粒是孔隙较多的珊瑚碎屑造成的。与同为钙质成分的半深海－深海钙质泥参数数据相比［6］，岛礁区海底珊瑚砂沉积物具有较低的孔隙度和含水量、较低的抗压强度，以及较低的纵波速度。这些独特的声学与物理力学特性，显示出岛礁区海底珊瑚砂特有的声速与物理力学参数关系及其响应机制。

3 珊瑚砂声速与其影响因素关系及原因分析

3.1 珊瑚砂声速与其影响因素相关关系

通过对样品测量获得的南海南部海域岛礁区海底珊瑚砂声速与孔隙度、含水量、中值粒径和湿密度等数据相关分析，得出各参数回归相关二维图、经验公式和相关系数。

海底珊瑚砂声速与孔隙度回归相关二维图，见图1。海底珊瑚砂声速与孔隙度关系经验公式：

3.2 海底珊瑚砂声速影响因素及其制约机制分析

海底沉积物是固体颗粒和孔隙海水组成的固、液二相体［12］，这决定了影响海底沉积物声速的基本因素可以分为两大类，即固相因素（固体颗粒因素）和液相因素（孔隙海水因素）。在不同频率情况下，海底沉积物的孔隙流体黏滞耗散与骨架耗散对声波速度的影响存在显著差异［13］，这显示出海底沉积物声速受到固体颗粒因素和孔隙海水因素的双重影响。在11项海底沉积物物理力学参数［14］中，固相组分的代表性参数是颗粒度，液相组分的代表性参数是孔隙度。颗粒度和孔隙度是海底沉积学以及土力学的两项重要参数，也是现代海洋沉积学研究的重要内容之一［12—15］。沉积物的颗粒度参数能够反映出海底沉积物的物质来源、沉积成因、沉积环境和沉积作用过程［7］，而沉积物的孔隙度影响其含水量、塑限和液限等物理性质。这两种海底沉积物固、液二相的代表性参数，对其他各项物理力学参数的深刻影响，使得沉积物各项参数基本可以分为固相颗粒因素和液相海水因素两个大类。正是这两大类因素及其之间的相互制约，对海底沉积物声速产生出颗粒组分影响和海水组分影响的综合效应。

Biot［16］最早从理论上阐明了海底沉积物声速受其骨架颗粒因素和孔隙海水因素的影响，其对松散饱和水沉积物声波传播速度（Vp）的经典描写是：

式中，P、Q和R是Biot系数，ρ是沉积物的整体密度或容重。

式中，μ＝沉积物刚性模量或切变模量，Ct＝沉积物整体骨架的体积压缩系数，Cs＝固体颗粒的压缩系数，Cp＝孔隙压缩系数，Cw＝饱和流体的压缩系数，n＝孔隙度（%），Ct＝nCp＋Cs。

可以看出，上述整个体系中的沉积物声速影响因素可以分解为固体部分和流体部分两个方面。正是基于Biot理论的这一内在含义，Wyllie提出了松散饱和水沉积物的“声时平均公式”及其物理模型［17］。

梁元博和卢博［18］认为，Wyllie的“声时平均理论”可以简洁地表达为海底沉积物声速取决于固体部分和流体部分体积所占的比例。

Wyllie声时的计算模型如图6。

图6 Wyllie声时平均理论物理意义解释图

Wyllie声时平均理论表达出两相物质（例固体颗粒和孔隙海水组成的海底沉积物）构成的多孔介质，其纵波传播速度可等效于两种介质按其体积比完全分离时的纵波传播速度。所以，通过孔隙度为n的复合介质声时（t），应等于通过固体部分的声时tms与通过流体部分的声时tj之和。对单位体积的复合介质来讲：

由此得出沉积物孔隙度n与声速c的关系为［17，19］：

又由于，cms＞cj，

得到，c＞cj，即，海底沉积物声速c大于孔隙海水声速cj。

综合得出，cj＜c＜cms，即由Wyllie声时平均理论可以推导出，海底沉积物声速c大于其孔隙海水声速cj且小于其固体颗粒声速cms。

由于海底沉积物是固、液两相组成的，其声速取决于固体颗粒声速和孔隙海水声速。在单位体积的海底沉积物中，固体颗粒占比增多必然对应着孔隙海水占比减少，且固体颗粒声速一般大于孔隙海水声速。所以，海底沉积物声速的增大主要是由固体颗粒因素增强引起声速较大的固相组分增多造成的；而海底沉积物声速的减小主要是由孔隙海水因素增强引起声速较小的液相组分增多造成的。对于本文探讨的岛礁陆架海底珊瑚砂来讲，组成其固体颗粒的珊瑚礁和礁灰岩的声速一般在2 000～4 000m/s之间［19］，而海水声速一般低于珊瑚礁和礁灰岩声速［19—20］，所以，海底珊瑚砂声速增大的主要原因是固相因素增强（相应于固相组分的骨架颗粒增多）造成的；而海底珊瑚砂声速减小的主要原因是液相因素增强（相应于孔隙海水增多）造成的。

由于海底沉积物中孔隙海水的增多对应着孔隙度增高和含水量增大，所以，孔隙度和含水量属于海底沉积物的液相因素参数。正是由于海底珊瑚砂的孔隙度和含水量增大对应的低声速成分的孔隙海水增多，造成了海底珊瑚砂声速的降低，使得海底珊瑚砂声速与其孔隙度和含水量呈显著负相关关系。另一方面，由于海底沉积物中的固体颗粒密度一般大于孔隙海水密度，海底沉积物的中值粒径和湿密度增大对应着固体颗粒组分的增多，所以，中值粒径和湿密度属于海底沉积物的固相因素参数。海底珊瑚砂的中值粒径和湿密度增大对应的高声速成分的固体颗粒增多，造成了海底珊瑚砂声速增大，使得海底珊瑚砂声速与其中值粒径和湿密度呈显著正相关关系。这就清楚地解释了单一类型沉积物——海底珊瑚砂声速与其孔隙度、含水量、中值粒径和湿密度等参数的关系特征。

4 比较与讨论

对海底沉积物声速与其物理力学参数的关系，已有不同学者进行了各方面研究。一般认为，影响海底沉积物声速的主要因素是孔隙度［21—24］。孔隙度可以用于求海底地层的弹性模量进而求取声波速度、识别水合物以及估计水合物储量等［25］。海底沉积物声速与孔隙度具有较好相关性，声速对孔隙度存在强烈响应。这方面的代表性经验公式包括：

Hamilton［21—22］公式：

Anderson［23］公式：

汪德昭和尚尔昌［24］引用的公式：

汪德昭和尚尔昌［24］认为，海底沉积物不论是湿样品还是干样品，其颗粒大小都不会改变，因此，用颗粒大小来预报声速更为可靠。有学者提出海底沉积物声速与含水量、含砂量，甚至孔隙比有关，并得出一些有意义的经验公式：

卢博等［26］海底沉积物声速与含水量（ω）的经验公式：

Chen等［27］海底沉积物声速与含砂量（S）的经验公式：

钱正明［28］海底沉积物声速与孔隙比（e）的经验公式：

梁元博等［29］研究认为，Wyllie理论模型表述的是一种近乎理想的各项同性状态的沉积物情况，而对于实际的海底沉积物来讲，通常存在层理、微层理，或孔隙长轴统计上的优势趋向，这造成了海底沉积物的声波传播速度出现各向异性。对于孔隙度n为一定的海底沉积物，常存在垂向声速cv与水平声速ch的不同。这种海底沉积物声速异向性产生的原因，是海底沉积物的孔隙结构特征和颗粒耦合状态等结构因素造成的，并且找到表达结构因素的参数是抗压强度。

梁元博和卢博［18］得出的声速c、孔隙度n和抗压强度qu三参数经验公式为：

为了验证各种海底沉积物声速与孔隙度经验公式对估算海底珊瑚砂声速的适用性，以及为了验证海底珊瑚砂的抗压强度对孔隙度估算声速的精度影响情况，我们利用实测获得的海底珊瑚砂站位样品数据，对上述Hamilton公式、Anderson公式、汪德昭引用公式、梁元博公式、以及本文研究得到的式（1）和式（6），进行了海底珊瑚砂声速估算精度的对比检验，结果见表3。

表3 各经验公式计算海底珊瑚砂声速的相对误差

由表3的计算声速相对误差平均值看出，在上述一系列海底沉积物声速经验公式中，本文研究得到的单一类型沉积物（海底珊瑚砂）声速经验公式，对海底珊瑚砂声速的估算精度是最高的，而且，以珊瑚砂的抗压强度qu作为孔隙度n估算声速c的补充项，对珊瑚砂声速的估算精度有所提高。前人研究获得的混合各种沉积物类型的声速经验公式，在估算单一类型沉积物声速（例海底珊瑚砂声速）时出现较大误差。这些经验公式之间的声速估算精度差异，需要从经验公式的建立依据和建立模式上寻找原因，以揭示出海底沉积物声速与相关因素的响应机制。

目前，海底沉积物声速影响因素研究的基本状况，是各个学者依据其研究海区数据资料得出了各自结论。这种状况综合反映出有关海底沉积物声速影响因素和机制研究尚没有定论，甚至处于无序和混乱之中。笔者认为，这种沉积物声速研究出现混乱状况的原因，是研究者将不同类型沉积物数据混合在一起进行统计分析造成的。前人的海底沉积物声速与相关参数经验公式，都是以大陆架、大陆坡或某一海域等不同海区样品数据为基础的。这种“海区式”海底声速经验公式，混淆了不同类型海底沉积物的物理力学因素对声速影响的差异，因而难以辨别出各种因素影响声速的效应和机制，由此带来了这类“海区式”声速经验公式在估算单一类型沉积物声速时的误差。

问题的关键是，虽然不同类型沉积物有相同的物理力学参数，但不同类型沉积物的物理力学参数对声速的影响机制却是不同的。例，海底钙质泥的颗粒主要是有孔虫壳，其颗粒内部是空心的，颗粒内部含有海水，而海底陆源砂的颗粒主要是石英，其颗粒内部是实心的、不含海水。这就造成了海底钙质泥的颗粒度和含水量对其声速的影响效应机制与海底陆源砂是不同的。这也造成了将这些不同类型沉积物的参数数据，不加区分地混在一起进行相关分析，难以分辨出各种因素对沉积物声速的影响效应和机制，以至于出现了不同学者的研究结论无法对比和难以统一的状况。此外，海底生物性沉积物的微结构与陆源性沉积物的微结构显著不同［6］，这就造成了这两类沉积物的微结构相关参数对声速影响的效应机制存在差异。全面分析就会发现，只有同一类型海底沉积物的声速与影响因素响应机制是相同的。这正是本文致力于研究单一类型海底沉积物（例海底珊瑚砂）声速与物理力学参数关系的原因。

由海底珊瑚砂声速与物理力学参数数据建立起来的声速经验公式，是以估算海底珊瑚砂声速和研究其声速－因素响应机制为目的，它表达出具有相同声速影响因素和效应机制的海底珊瑚砂声速与相关参数的关系，因而具有较高的海底珊瑚砂声速估算精度。这里显示出建立单一类型海底沉积物声速经验公式的必要性。因为，全球海洋的不同海区有很多，以各个海区（例大陆架、大陆坡或某一海域等）实测数据建立的声速经验公式会有很多，而且这种“海区式”海底声速经验公式之间，无法进行与沉积环境相关的理论分析和因素对比。相比讲来，全球海底基本沉积物类型只有10多种（例南海主要有7种海底沉积物类型，而且这些沉积物类型，诸如：半深海－深海钙质泥、深海硅质泥和深海红黏土等，广泛分布于世界各大洋洋底），以各种类型海底沉积物的实测数据建立的声速经验公式也不会很多。特别是，这种“沉积物类型式”海底声速经验公式之间，可以进行与沉积环境相关的（诸如：海底沉积动力环境、生物生产力、底质类型和孔隙结构等方面的）理论分析和因素对比。例南海分布在3 000～4 000m海水深度的硅质泥声速经验公式，可以与太平洋、大西洋相同深度范围分布的硅质泥声速经验公式进行对比。全球海底的硅质泥沉积物具有相同的分布深度、生物生产力、沉积动力环境和形成原因与机制，从而具有相同的固体颗粒结构（颗粒形状特征和堆垒方式等）与孔隙海水特征（孔隙形状、分布和海水特性等），以及具有相同的声速影响因素和声速响应机制。同样，全球海底的珊瑚砂沉积物，也具有相同的沉积环境相关因素，因而具有相同的声速影响因素和声速响应机制。这种同类海底沉积物具有的沉积环境、结构特征、声学与物理力学因素响应机制等方面的共性，正是在理论分析和实践应用上有必要建立单一类型海底沉积物声速经验公式的依据所在；也是单一类型海底珊瑚砂声速经验公式具有较高声速估算精度的原因。

5 结语

通过上述分析，得出如下几点认识：

（1）相比南海北部粤东大陆架海底陆源性沉积物，南海南部海域岛礁区海底珊瑚砂具有较高的孔隙度和孔隙比、较大的含水量，以及较小的湿密度。

（2）统计结果表明，南海南部海域岛礁区海底珊瑚砂声速随孔隙度、含水量增大而减小，又随中值粒径、湿密度增大而增大。

（3）海底沉积物声速变化是固体颗粒因素和孔隙海水因素变化引起的。海底珊瑚砂声速增大的主要原因是固相因素增强相应的骨架颗粒增多造成的；而其声速减小的主要原因是液相因素增强相应的孔隙海水增多造成的。抗压强度代表的层理和胶结等结构性因素对海底珊瑚砂声速的影响较小。

（4）在各种海底沉积物声速经验公式中，本文建立的单一沉积物类型的海底珊瑚砂声速经验公式，对南海南部海域岛礁区海底珊瑚砂声速的估算精度最高。这一结果显示出，有必要建立单一类型海底沉积物的声速经验公式，以便深入探讨与沉积物类型相关的沉积动力环境、生物生产力和沉积物微结构等因素对沉积物声速的影响。

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