海底沉积环境对海底表层沉积物声学参数测量影响研究

李 琦，刘 颉，常 哲，杨 逍，李国富，黄 翠

（国家海洋技术中心，天津 300112）

海底表层沉积物是海水与海底的分界面，其地声属性能反映出沉积物组分、微观结构、现代沉积环境的状况，具有独特的声学研究意义。由于实际海底地质环境下沉积环境差异，因此对海底表层沉积物声学参数的测量存在差别，对此开展海底沉积环境对其测量的影响研究工作对于海底资源勘探与开发、海洋工程建设、海底监测等领域都具有重要的应用价值[1]。

多年以来，国内外学者对预测海洋沉积物声学特性的海底地声模型开展了持续研究，早期地球声学模型主要有20 世纪80 年代提出的Hamilton 的地声学模型 [2]和21 世纪初提出的 Jackson 和Richardson 的基于物理学的声学模型。沉积物声学模型主要可以分为3 类：流体模型、弹性体模型和多孔弹性（即孔隙弹性体）模型，主要有Biot 模型、Biot-Stoll 模型、CREB（Corrected and Reparametrized Extended Biot） 模型和等效密度流体近似模型（Effective Density Fluid Model，EDFM），以及近年的非固结海底沉积层结构模型（最新版本为VGS(λ)模型）[3-9]。同时，国内外也开展了海底沉积物声学经验公式和实际测量方法研究[10-12]。由于海底环境复杂多样，目前的声学模型以及经验公式[13-15]，尚无法完全解释海底沉积物的声学特性，总存在实际测量样本偏离理论计算或者预测的规律[16-18]。因此，需要开展针对海底沉积环境对海底表层沉积物声学参数测量影响相关研究。

本文在国内外相关研究的基础上，开展了海底沉积环境对海底表层沉积物声学参数测量影响研究，利用了正演模型比较 VGS(λ)、Biot-Stoll、CREB和EDFM 模型，分析了沉积环境的空间沉积特征与海底表层沉积物声学参数测量的关系，计算了不同掠射角下的单砂层、薄层状结构体等海底反射损失，并开展了基于超声检测技术（Ultrasonic Testing，UT）和原位测量技术的海底沉积物实际测量方法研究，建立了海底三维反射模型和对接收信号进行数值分析，开展了声反射损失测量实验，进而实现了反射模型预测与实测数据相匹配程度的评估。

1 原理与方法

结合 Hamilton 地声学模型和 Jackson 和Richardson 的基于物理学的声学模型，将Hamilton的地声模型中环境参数融合到基于物理学的声学模型中，建立了理论声速和平均宏观物理力学参数与沉积环境密切相关的新地声模型，如图1 所示。

图1 研究方法示意图

第一，海底表层沉积环境。海洋底部大部分表面覆盖着一层具有复杂结构特征的沉积物，该介质主要由松散泥沙、气泡、贝壳碎屑、水合物、有机质、营养盐等组成，并同时受物理化学作用和生物扰动影响。根据国内外相关研究，对于复杂沉积环境中的沉积物，其颗粒大小、物理力学性质（孔隙形状、堆垒方式和矿物成分）、组成元素以及微结构、空间特征（如层理）等因素都影响声波的传播特性[19-21]，本文将从在不同沉积环境单元下站位空间沉积特征方面，开展声学参数测量的影响研究。

第二，基于超声检测技术的原位测量方法。近年来，基于三维可视化成像的超声检测技术（Ultrasonic Testing，UT），可通过海底表层沉积物空间沉积特征分析声波在沉积物中的传播特性及其参数变化。常见的超声检测模式有A 扫描、B 扫描和C 扫描，其中，超声C 扫描检测技术可以直观地进行缺陷可视化检测与定量分析，特别适合于复合材料、海底沉积物等物体检测成像。而在沉积物内部层理结构的分形特征研究方面，由于海底表层沉积物具有种类（砂、粉砂、黏土等）、形态多样性（不规则的层理、粗糙的表面等）的特点，导致传统的依靠图像颜色和轮廓等特征进行分形的方法并不适用于海底环境，而纹理特征可避免直接检测超声图像模糊边界，对超声C 扫描图像分形能力增强有一定的有效性。本文基于纹理的图像分形方法的超声C 扫描检测技术，将该检测技术应用于海底沉积物声反射原位测量方法中，可获得海底沉积物环境信息和声反射损失数据[1]。

2 沉积环境对声学参数测量的影响

2.1 声速与声衰减计算

本节采用 VGS (λ) 模型、Biot-Stoll 模型、CREB模型和EDFM 模型4 种海底声学模型，作为模型的正演模型。本文为了便于比较分析，参考Williams实验[7-8]的参数值，分析不同海底声学模型下声速、声衰减系数等声学模型预测值。另外，考虑上述实验测量是在实验室环境下进行的，孔隙水特性可以近似地认为与上覆淡水特性相同。一是不同声波频率参数取值下，计算了本节四种海底声学模型的压缩波和剪切波（切变波）的声速和声衰减系数，并以评估这些模型的预测结果与国内外文献中实测数据的匹配程度，如图2 所示；二是增加了温度和粒度因素的EDFM 模型，分析仿真了0°～30°温度范围下模型的声速和声衰减系数，如图3 所示。从理论上讲，由于砂质沉积物通常被认为是由海水渗透的固体砂粒组成的两相多孔介质，Biot-Stoll 和EDFM模型预测结果与国内外文献中实测数据分析结果的较为一致，VGS(λ)模型和CREB 模型可以充分拟合压缩波和剪切波（切变波）的以往实际测量波速和衰减数据。

2.2 空间沉积特征分析

由于海底沉积物类型和沉积环境复杂多样，国内外文献中拟合关系和理论关系都存在解释的多样性，得出的普遍结论是沉积物测量声速与测量状态（频率、环境）密切相关，理论声速与平均宏观物理力学参数（如孔隙度、密度、弹性模量等）选择密切相关[16-17]。近些年国内外学者从沉积学和工程地质学的角度，对海底的空间沉积特征及工程地质特性进行了较为全面的分析[19，22]。因此，需要结合实际海底沉积环境分析海底空间沉积特征，研究海底空间沉积特征对海底表层沉积物声学参数测量的影响。如图4 所示，本文利用基于纹理特征的海底表层沉积物分形方法，从沉积物空间沉积特征研究角度，分析了实际海底表层沉积物的层纹理和结构，该研究可为沉积物物理声学性质研究提供基础资料和技术支持。

图2 基于海底声学模型的压缩波和剪切波（切变波）的声速与声衰减系数预测仿真图

图3 基于EDFM 模型的压缩波声速与声衰减系数计算仿真图

图4 基于纹理特征的分形方法的实际海底表层沉积物的层纹理和结构分析图

2.3 声反射系数预测

根据Jackson 和Richardson 的研究，海底声反射常被用于推断水下声学特性和验证水声学理论试验，是浅水传播的重要组成部分，因此，从研究成效和影响作用的角度出发，声学模型准确预测海底水-沉积物界面声波反射系数能力的效用，仅次于其预测声速和声衰减系数能力的效用。海底表层沉积物的声反射是本文的研究重点，主要在单砂层和层状介质的情况下进行了声反射系数预测。其中，对于多孔弹性声学模型，海底沉积物的反射系数不能如流体声学模型和弹性地声模型反射系数的简单地表达，Stoll 专著详细介绍了计算多孔弹性平面波反射损失的分析方法，本文将来自沙半空间的平面波反射系数作为研究基础，主要利用Isakson 提供的一个更简单的公式计算在多孔弹性介质中传播的平面波反射系数，如图5 所示。

图5 沙半空间中基于多孔弹性模型的声波反射损失计算仿真图

第一，单砂层的声反射。单砂层反射系数的推导比沙半空间中介绍的情况要复杂得多，单砂层被视为一定厚度的多孔弹性介质层，被覆盖在砂半空间基质上，基质分别选取软泥、砂屑石灰岩和石灰岩3 种材质，这3 种材质的压缩和剪切速度分别小于、大于与小于和大于水中声速。对于基质每种材质情况，在1 cm 砂层厚，10 Hz～1 MHz 频率范围和0°～90°角度范围（掠射角是入射角的余角）条件下，分别使用Biot-Stoll 声学模型对砂层进行建模且计算底部反射损失，由于层厚大于半波长时底部损失明显增加，可能会稍微出现较小程度的扰动。如图6-a 由上至下所示，第一种情况，角度大于30°时反射损失明显增加，频率大于10 kHz 时在60°附近出现驼峰；第二种情况，在50°和5 kHz 附近反射损失略微增加，50°时到达基质临界角；第三种情况，5 kHz附近反射损失如第二情况同样略微增加，70°出现反射损失明显增加，70°时到达基质临界角。

第二，层状介质的声反射。该问题描述为近似薄层状多相介质。实际的海底沉积物可以近似看作不同叠合方式下薄层复合结构的多相介质，即含非均匀多相介质薄层状结构，由于海底形成原因复杂且涉及地球科学研究领域广泛，故仅研究相对简单的具有明显层理的薄层状结构海底沉积物。本文利用声反射数据和传递矩阵方法，分析介质物理参数、叠合层数、层厚度等参数对海底沉积物声反射损失测量的影响，选取了物理性质差别较大的砂（海底细沙）、石灰岩、石英砂等介质作为研究对象，构建了以石英砂为基底的由砂和石灰岩组成的双层结构介质（自上而下由水、细沙、石灰石和石英砂介质叠加而成，石灰石层层厚为1 cm，细沙层层厚为1 cm），并计算了该层状介质的声反射系数（百分比），如图 6-b 所示。

图6 海底表层层状结构介质的声反射损失预测图

3 声反射损失测量实验

声反射损失测量实验如图7-a 所示，水池底部铺设有一层的海砂，水池上方是搭建高频声学测量平台，将换能器和水听器垂直挂设于铝合金支撑框架上方横梁上（换能器中心频率为100 kHz），通过从声学测量平台数据采集器的连续记录中提取单砂层结构和泥层砂层双层结构介质（海砂平均粒径约0.8 mm 和泥质石英砂平均粒径约0.06 mm）的声反射信号，计算从时间窗接收声学信号的能量值，对水池实验的声反射数据开展信号分析，计算接收信号功率，通过针对泥沙的反射信号进行判断和提取，计算反射信号的时频域的能量分布，如图7-b所示。

图7 实验室声反射实验数据分析图

4 结论

海底表层沉积物由于其存在多样性导致其声学参数测量可能具有较大差异，这与海区海底地质和沉积环境有关，因此本文开展海底沉积环境对海底表层沉积物声学参数测量影响研究，通过对水池底部层状介质进行声学测量试验和利用声波传播理论进行声速计算，对比了测量试验与理论模型的结果，得到以下结论：

（1）通过模型参数及其选择、模型与数据比较和数值实验研究了VGS (λ) 模型、Biot-Stoll 模型、CREB 模型和EDFM 模型四种声学模型。第一，EDFM 模型通过假定框架模量相对于颗粒和流体的模量相比可忽略不计，从而避免了框架处理的困难，将Biot-Stoll 模型的孔隙介质简化为了由等效密度描述的流体介质，从某种意义上说，忽略框架使得EDFM 比Biot-Stoll 模型在物理上更加精确，其缺点是忽略了在砂质沉积物中可测量的剪切波；CREB 模型通过结合颗粒间喷射流和粘性阻力机制，扩展了Biot-Stoll 模型，但只是表面现象的描述。第二，通过数值仿真分析，没有模型能够同时匹配Kimura 测量数据集中包含的压缩波速、压缩波衰减、剪切波（切变波）速度和剪切波（切变波）衰减的数据。

（2）基于Biot-Stoll 模型，研究了覆盖在各种基质上的单砂层和双砂层的声反射。第一，开展单砂层结构的砂质沉积物的声反射问题的研究，获得了不同掠射角和不同基质情况下，层厚1 cm 的单砂层的声反射损失。第二，通过对单砂层的声反射仿真结果分析可知，在正常入射条件下，当层厚度等于二分之一或四分之一波长时，会引起反射损失起伏。第三，基于传递矩阵方法研究了薄层状结构介质的声反射问题，计算了不同掠射角度下双砂层的反射系数。研究发现，该仿真结果可能存在由于不同薄层状结构导致介质反射系数具有较大差异的情况，说明物理性质、层数、层厚度等参数对海底沉积物声反射损失测量存在直接影响，本研究更接近实际海底环境的状况，可为进一步揭示海底声波传播机制和影响声学测量的环境因素提供了技术和方法。

（3）开展了实验室高频声反射损失测量实验。实验数据分析表明：第一，参照实际海底沉积环境，开展垂直入射方式的单层（砂层）和双层（泥层砂层）结构的沉积物声反射实验，并对反射波进行了信号提取和功率计算，该分析通过实测数据对沉积物声学特性进行更为精细研究，其结果使本研究方法更具环境适用性。第二，将实验中反射实测数据，与模型预测结果和国内外文献中原位测量数据集进行了分析和对比，结果表明，本实验实测值与原位测量值差值（原位测量点海底界面粗糙）基本符合国内外文献报道资料，与声学模型声反射预测值基本一致。