南黄海中部海底沉积物剪切波速度测量及其与物理力学性质参数的关系*1

2014-08-25阚光明张一凡苏远峰李官保孟祥梅

海洋科学进展 2014年3期

阚光明，张一凡,苏远峰，李官保，孟祥梅

(1. 国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛 266061；2. 国家海洋局海洋沉积与环境地质重点实验室，山东青岛 266061；3. 中国海洋大学海洋地球科学学院，山东青岛 266100)

阚光明1,2，张一凡3,苏远峰1,2，李官保1,2，孟祥梅1,2

采用弯曲元剪切波测试方法对在南黄海中部采集到的沉积物样品进行了剪切波速度测试，基于所获得的剪切波速度数据，分析了研究区沉积物剪切波速度特性及分布规律。分析表明，沉积物剪切波速度为12.05～74.55 m/s，总体相对较低。浅表层沉积物剪切波速度呈现出分区域分布特征，可分为东北部低速区、西南部高速区、北西-南东向梯度带以及测区东南部的低速背景上的串珠状高速异常区四个区域。通过回归分析，建立了剪切波速度与密度、含水率、孔隙比、孔隙度、液限、塑限、压缩系数、抗剪强度等沉积物物理力学参数之间相互关系的经验回归公式。回归分析结果表明，海底沉积物剪切波速度与上述物理力学参数之间均具有较好的相关性，相关系数R均大于0.80。

海底沉积物；剪切波速度；弯曲元系统；经验回归公式；南黄海

沉积物剪切波速度是海底沉积物的声学特性重要参数之一，剪切波速度的测量和分析在海洋声场预测预报、海底地声模型研究以及海洋工程勘察等方面均具有重要应用[1-4]。在海洋声学研究方面，海底浅表层沉积物剪切波传播特性对于海洋水声传播实验结果的解释和声场预报等应用都具有重要意义[5]。在海底地声模型研究方面，沉积物剪切波速度是建立完整的海底地声模型不可缺少的特征参数[6]。在海洋工程应用方面，沉积物剪切模量和剪切波速度实验室测量被广泛应用于地基承载力、地震导致的砂土液化以及固结行为研究等方面[7]。因此，研究海底沉积物剪切波速度空间变化规律以及剪切波速度与沉积物物理性质参数的关系，对于沉积物剪切波速度及其分布特征的预测预报以及基于剪切波速度对海底沉积物物理和土工性质进行评价等具有重要意义。

海底沉积物声速和声衰减系数等声波传播特性及其与物理力学特性参数的关系已有广泛研究[8-12]。相比较而言，海底沉积物剪切波速度测量和研究目前还处于初步阶段。卢博等对我国沿海典型海域的剪切波速度进行了初步分析，给出了剪切波速度与沉积物密度和液限两个参数的回归关系[5]。潘国富等对弯曲元法和共振柱法两种剪切波测试方法进行了对比分析，基于测量数据建立了剪切波速度与沉积物密度、含水率、孔隙度、液限、塑限以及剪切波速度与声速的回归关系[13]，但研究所涉及的剪切波样品测试数据相对较少。对在我国南黄海中部海域采集到的大量沉积物样品进行了剪切波速度测试。基于这些测试数据，分析了研究区沉积物剪切波速度特性以及空间分布规律；通过回归分析，建立了沉积物剪切波速度与密度、含水率、孔隙比、孔隙度、液限、塑限、压缩系数、抗剪强度等多个物理力学参数之间相互关系的经验回归公式，研究了剪切波速度与这些物理力学参数的相关性。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于南黄海中部海域(图1)，水深15～80 m。研究区沉积环境比较复杂，沉积物物质来源丰富多样，进入黄海中部的物质在风、浪、环流和潮流的共同作用下，形成了多种类型的海底沉积物[14-15]。测区中部和东部底质以粉砂质粘土和粘土质粉砂为主，西南部靠近苏北浅滩，以粉砂、细砂为主，西北部底质主要为粉砂质砂。

图1 研究区位置图(图中阴影区)Fig.1 Location map of the study area, indicated by shaded square

1.2 材料与方法

2009-06和2010-06在该区域使用重力取样器和箱式取样器开展了海底沉积物取样。2个航次共完成沉积物取样303站位，获得沉积物柱状样品433.0 m。航次结束后，将样品放入恒温恒湿样品库，然后进行包括剪切波速度在内的声学特性参数以及物理力学性质参数测试。

使用英国GDS仪器设备有限公司生产的弯曲元剪切波测试系统对样品进行测试，该系统采用2个压电陶瓷弯曲元换能器发射和接收剪切波，进而测量剪切波速度，其测量原理如图2所示。每个弯曲元换能器安装有由紧密粘结的2片或多片压电陶瓷晶片组成的弯曲元晶片，弯曲元晶片一端固定，另一端可自由振动，形成悬臂结构。当弯曲元晶片通电后，悬臂端产生弯曲变形；反之，当弯曲元晶片受力发生弯曲时，将产生电流，从而发射和接收剪切波信号(图2a)。在实验室剪切波速度测量时，将弯曲元换能器固定于样品两端，弯曲元晶片的悬臂端被插入沉积物中并确保与沉积物试样良好耦合，一端发射剪切波，另一端接收。根据接收到的剪切波信号的初至时间和测试样品试样长度，采用下列公式计算样品剪切波速度：

CS=L/(T2-T1)

(1)

式中,CS为沉积物样品剪切波速度(m/s)；L为试样上下两端之间的距离(m)；T1和T2分别为发射剪切波和接收剪切波的初至时间(s)。

图2 沉积物剪切波速弯曲元测试系统工作原理示意图Fig.2 Sketch of work principle of bender element system used for measurement of shear wave speeds

在进行样品测试时，首先将样品按要求进行截取和分割。将用于剪切波速度测试的样品制备成直径3.91 cm，高8 cm的圆柱试样。将样品放置在专用的测试平台上，将弯曲元换能器分别固定在样品两端，如图2b所示。测量时，保证弯曲元换能器与样品良好耦合，且发射换能器的发射晶片与接收换能器的接收晶片同向平行，二者不能交叉垂直。使用千分之一游标卡尺测量样品长度，保证样品长度测量精度不低于0.1 mm。剪切波声速测量频率一般为2～5 kHz，含水率较大的淤泥质样品测量频率可设置为2 kHz，硬度较大的砂质样品设置为5 kHz。对于截取的每段样品，制备成3份测量试样，分别测量每个试样的剪切波速度，然后求取平均值即为该段样品的剪切波速度。截取剩余的其余样品进行了声速和声衰减系数等声学特性测量以及密度、含水率、孔隙度、液限、塑限、压缩系数、抗剪强度、贯入阻力等物理参数力学参数的测试。

采用上述测量技术和方法，采用2种频率对研究区沉积物样品的剪切波速度进行了测试，获得了不同沉积物类型和不同深度的沉积物剪切波速度数据。

2 研究区剪切波速度特性及分布规律

2.1 研究区剪切波速度特性

研究区剪切波速度介于12.05～74.55 m/s，不同类型沉积物的平均剪切波速度见表1。其中，最小剪切波速度(12.05 m/s)出现在含水率较高的粉砂质粘土沉积物中。波罗的海EckernfÖrde湾的高孔隙度沉积物剪切波速度约为7.7 m/s[7]，这与本文12.05 m/s的最小剪切波速度基本一致。测量得到的最高剪切波速度(74.55 m/s)的沉积物类型为含水率相对较低的粉砂质砂。潘国富等认为近海较细颗粒沉积物粉砂的剪切波速度约为100 m/s，细颗粒沉积物的剪切波速度在100 m/s以下[13]，这与本研究中的最大剪切波速度基本一致。从表1所列沉积物粒径数据可知，研究区内沉积物均为颗粒较细的粉砂或粘土质沉积物，剪切波速度相对较低。通过上述的对比可知，我们测量所获得剪切波速度是合理有效的。

表1知，粉砂质砂的剪切波速度最高，平均为31.300 m/s；粉砂质粘土的剪切波速度最低，平均为21.855 m/s；砂质粉砂、粉砂、粘土质粉砂的剪切波速度平均值处于二者之间，且剪切波速度依次减小，平均值分别为29.695,28.706和25.612 m/s。剪切波速度与密度、含水率、孔隙度等沉积物物理力学性质参数具有很好的相关性，一般随密度增大而增大，随含水率、孔隙度的增大而减小。

表1 研究区沉积物物理力学性质参数与剪切波速统计表Table 1 List of physical-mechanical parameters and shear wave speeds from the sediments in the study area

2.2 研究区剪切波速度平面分布规律

在平面分布上，本区沉积物剪切波速呈现出分区域分布的特征。根据剪切波速度研究区可分为东北部低速区、西南部高速区、北西-南东向梯度带以及测区东南部的低速背景上的串珠状高速异常区等4个区域。东北部的低速区剪切波速度为12.0～20.0 m/s，西南部高速区剪切波速度约为36.0～70.0 m/s。测区的东南部存在一低速背景上的高速串珠状高速异常，背景剪切波速度约为18.0～20.0 m/s，局部的高速异常剪切波速度为40.0 m/s。在低速区和高速区之间存在一北西-南东走向的剪切波速度梯度带，其剪切波速度值约为20.0～36.0 m/s。测区西南部，在高速背景速度基础上，存在3个局部的低剪切波速度异常，剪切波速度约为30.0～36.0 m/s。

3 研究区剪切波速度与物理力学性质参数的关系

为了分析研究区沉积物剪切波速度与沉积物物理力学参数之间的关系，绘制了密度、含水率、孔隙比、孔隙度、液限、塑限等物理性质参数以及压缩系数、抗剪强度等力学参数与剪切波速度的二维相关图解，如图3～图10所示。对沉积物剪切波速度数据和物理参数分别进行回归分析，将沉积物剪切波速度作为因变量，密度、含水率、孔隙比、孔隙度、液限、塑限、压缩系数、抗剪强度等物理力学参数作为自变量，采用最小二乘法分别得出了沉积物剪切波速度与密度、含水率、孔隙比、孔隙度、液限、塑限的回归公式，建立了剪切波速度单参数预测方程，见表2。

表2 剪切波速预测公式Table 2 Predicting formula of shear wave speeds

图3～图10表明，沉积物剪切波速度与密度、含水率、孔隙比、孔隙度、液限、塑限、压缩系数、抗剪强度等物理力学参数之间均具有较好的相关性，相关系数R均大于0.80。从图3可以看出，剪切波速度与密度呈正相关关系，随着密度增大，剪切波速度呈指数形式增大，二者相关系数R=0.88(表2)。密度是指海底浅表层沉积物在一定单位体积内的颗粒总重与总体积之比，在一定体积内颗粒总重越大表明介质中颗粒所占的重量比例越大，这从另一方面也解释了沉积物密度越大则剪切波速度也越大的现象。

图3 剪切波速度与密度统计相关图Fig.3 Diagrams for the correlation between theshear wave speeds and the density of the sediments

图4 剪切波速度与含水率统计相关图Fig.4 Diagrams for the correlation between the shearwave speeds and the percent moisture of the sediments

图5 剪切波速度与孔隙比统计相关图Fig.5 Diagrams for the correlation between the shear wave speeds and the porosity ratio of the sediments

图6 剪切波速度与孔隙度统计相关图Fig.6 Diagrams for the correlation between the shear wave speeds and the percent porosity of the sediments

图7 剪切波速度与液限统计相关图Fig.7 Diagrams for the correlation between the shear wave speeds and the liquid limit of the sediments

图8 剪切波速度与塑限统计相关图Fig.8 Diagrams for the correlation between the shear wave speeds and the plastic limit of the sediments

图9 剪切波速与压缩系数Fig.9 Diagrams for the correlation between the shear wave speed and the compression coefficient

图10 剪切波速与抗剪强度Fig.10 Diagrams for the correlation between the shear wave speed

图4～图6表明，剪切波速度与含水率、孔隙比、孔隙度三参数呈负相关关系，即随着含水率、孔隙比、孔隙度的增大，剪切波速度减小。采用二次多项式对剪切波速度与含水率和孔隙比的相关性进行拟合，二者相关系数分别为0.87和0.86；而剪切波速度与孔隙度则呈现出明显的指数关系，指数拟合的相关系数为0.87。含水率、孔隙比、孔隙度等参数表述的是沉积物的两相特征，即海底沉积物是由固体骨架和骨架间孔隙中充填的流体组成。含水率高、孔隙度大的沉积物表现出更大的流体性质，而低含水率、低孔隙度的沉积物则表现出更多的弹性性质。因此，在低含水率、低孔隙度的沉积物中，剪切波速度一般较高。相关测试数据表明，同为粒度大小基本相同的粘土，近岸低含水率、低孔隙度的硬粘土的剪切波速度可超过200 m/s，而近海高含水率、高孔隙度的粘土的剪切波速度却非常低，常小于50 m/s，甚至小于20 m/s。这与本研究中剪切波速度的测试结果以及剪切波速度与含水率、孔隙比和孔隙度的关系相一致。

由图7、图8可知，剪切波速度与沉积物液限、塑限呈负相关关系，随着液、塑限的增大，沉积物剪切波速度呈明显的减小趋势。剪切波速度与沉积物液限和塑限之间的相关性可采用二次多项式进行很好拟合，二者相关系数分别为0.87和0.82。沉积物液限和塑限值高在一定程度上表明粘粒含量高，颗粒细，孔隙多，因而剪切波速度小。

由图9、图10可知，剪切波速度与沉积物压缩系数呈负相关关系，而与抗剪强度呈正相关关系。剪切波速度与沉积物压缩系数和抗剪强度之间的相关性可采用二次多项式进行很好拟合，二者相关系数分别为0.80和0.81。压缩系数指的是单位压力变化时引起的介质单位体积的变化，其倒数为体积模量，反映沉积物的可压缩性。沉积物压缩波速一般与体积模量呈正相关，与压缩系数呈负相关，而沉积物剪切波速度与压缩波速度一般呈线性正相关。这也从另一方面解释了剪切波速度与沉积物压缩系数的负相关关系。抗剪强度是沉积物主要的力学特性参数之一，指的是沉积物抵抗剪切破坏的极限能力。沉积物抗剪强度反映了沉积物承载剪切应力的能力，抗剪强度大说明承载剪切应力能力强，也就越利于剪切波的传播。反之，如果沉积物的抗剪强度非常小，则说明其不支持剪切波传播，即剪切波速度非常小或为零。图10所示的统计相关性图解以及表1中给出的剪切波速度与抗剪强度关系的经验回归公式也说明了剪切波速度与抗剪强度的这种正相关关系。

4 结语

对南黄海海底沉积物剪切波速度实测数据的分析表明，研究区剪切波速度可分为东北部低速区、西南部高速区、北西-南东向梯度带以及测区东南部的低速背景上的串珠状高速异常区四个区域。沉积物剪切波速与密度、含水率、孔隙比、孔隙度、液限、塑限、压缩系数、抗剪强度等物理力学参数具有良好的相关性，建立的剪切波速度预测方程可以用于研究区综合地声模型的研究以及研究区工程地质参数的反演和评价。

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ShearWaveSpeedsMeasuredforSedimentsFromtheMiddleoftheSouthernYellowSeaandTheirCorrelationsWithPhysical-mechanicalParameters

KAN Guang-ming1,2, ZHANG Yi-fan3, SU Yuan-feng1,2, LI Guan-bao1,2, MENG Xiang-mei1,2

(1.TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061, China;2.KeyLaboratoryofMarineSedimentologyandEnvironmentalGeologyofSOA, Qingdao 266061, China; 3.CollegeofMarineGeosciences,OceanUniversityofChina, Qingdao 266061, China)

The shear wave speeds of core samples collected from the middle of the Southern Yellow Sea are measured using bender elements method, and then the properties of shear wave speeds and its spatial distribution are analyzed based on the measured data of shear wave speeds. It is demonstrated that the shear wave speeds of the study area are relatively low, ranging form 12.05 m/s to 74.55 m/s. The zonal distribution of shear wave speeds are divided into four sub-zones: low speed sub-zone in the northeast; high speed sub-zone in the southwest; speed gradient band aligning from northwest to southeast; and high-speed beaded anomaly in the low speed background in the southeast. The empirical equations with good coefficients (R>0.80) between shear wave speeds and physical-mechanical parameters, such as density, percent moisture, porosity ratio, percent porosity, liquid limit, plastic limit, compression coefficient, shear strength of seafloor sediments, were built up by means of regression analysis.

seafloor sediment; shear wave speed; bender elements system; empirical equation; Southern Yellow Sea

August 30, 2013

2013-08-30

国家自然科学基金项目——南黄海中部海底沉积物声学特性及地声模型研究(41106061)；国家海洋局青年基金项目——温度和压力变化对海底沉积物声学特性影响及校正方法(2012318)；国家海洋局第一海洋研究所基本科研业务费专项资金项目——南黄海中部海底原位地声模型研究(GY0213G24)

阚光明(1981-)，男，山东成武人，博士，助理研究员，主要从事海底沉积声学方面研究.E-mail：kgming135@fio.org.cn

(陈靖编辑)

P733.23；P736.21

1671-6647(2014)03-0335-08