白令海和楚科奇海表层沉积物的声速特性

孙 蕾,王景强,3,李官保,3,孟祥梅,3,阚光明,3,刘保华

(1.自然资源部 第一海洋研究所,山东 青岛266061；2.自然资源部 海洋地质与成矿作用重点实验室,山东 青岛266061；3.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋地质过程与环境功能实验室,山东 青岛266235；4.国家深海基地管理中心,山东 青岛266237)

海底是水下声场的重要边界,同时也是海洋声学、海洋地质学和海洋地球物理学等学科共同关注的对象[1]。海底沉积物声学特性是影响声波在海洋中传播的重要因素,相关研究在军事海洋环境保障、海底目标物探测、海底资源勘探等领域均具有重要的应用价值[2]。海底沉积物的声学特性研究历经了半个多世纪,取得了一系列理论进展和实用成果,涉及理论机理研究[3-4]、预报模型[5-6]、测量技术[7-8]等多个方面。无论是经验预报方程、理论模型还是反演计算,都需要大量的实测数据作为基础资料。因此,海底沉积物声学特性的直接精确测量是开展声学特性研究的关键环节。当前,海底沉积物声学调查广泛采用的直接测量方法主要包括原位测量技术和取样测量[2]。取样测量由于具有仪器设备简单、操作方便等优点,在缺乏原位测量条件的情况下是海底沉积物声学调查的常用方法。

由于海底沉积物兼具颗粒骨架和孔隙流体的声学特性,其声学特性比海水和岩石等介质的声学性质更为复杂[9],Stoll基于多孔弹性理论建立的Biot-Stoll模型[3]、Buckingham基于弹性理论建立的Viscous Grain Shearing(VGS)模型等[4]试图从不同的角度对沉积物声学特性进行建模。海底沉积物的声学特性与沉积环境特征、沉积物结构特征、物理力学性质等密切相关[10]。基于海底沉积物声学特性与物理性质的相关性,构建二者之间的经验关系模型是海底沉积物声学特征研究的主要内容之一[11-12]。Hamilton针对不同的海底沉积环境,利用实验室测量方法,建立了大陆架和大陆坡、深海平原、深海丘陵沉积物的声学参数与物理性质之间的Hamilton和Bachman经验模型[5](以下简称Hamilton模型)。该经验模型通常被用于水声仿真和沉积物声速预测,但研究显示该模型与近期实测数据存在较大的偏差。此外,Richardson和Briggs基于全球多海域柱状沉积物样品的数千组实验室测量数据,构建了沉积物声学特性与物理性质的Richardson和Briggs经验模型[13]。国内学者也利用HISAMS原位测量技术,在南黄海开展了大量调查工作,构建了沉积物声速-物理性质的经验模型[14],这些新模型均与Hamilton模型存在不同程度的差异。

北极是当前海洋科学活动的热点区域,其中白令海和楚科奇海作为太平洋进出北极海域的关键通道以其巨大的资源潜力尤其受到关注。由于独特的水动力环境条件以及受古冰川作用的影响,在白令海和楚科奇海形成了独特的地形地貌和海底沉积物。受调查条件所限,过去对该海区沉积物声学特性的研究较为薄弱,第五次北极科学考察曾测量了7个站位沉积物的声速,分析了其与沉积物微结构和物理性质的关系,这也是我国首次在北极区域开展声学特性研究[15]。本研究将利用中国第十次北极考察在白令海和楚科奇海采集的更多类型沉积物样品,测量样品的声学特性和物理性质,分析沉积物声学特性与物理性质之间的相关性,进而探讨现有经验模型对该海域沉积物的适用性,以期为该海区水声研究、资源勘探提供参考。

1 样品及测试方法

1.1 区域概况与样品采集

白令海和楚科奇海是北太平洋和北冰洋进行物质交换的重要海域,过往研究认为该海域的沉积物以陆源搬运物质和生物源物质为主,火山成因和风尘物质等影响较弱[16]。在第十次北极科学考察航次中,利用箱式取样器采样,然后进行插管,采集了16个站位的海底表层沉积物柱状样品,进行了沉积物声学特性测试及物理性质测试。

这16个站位分别位于白令海和楚科奇海的陆架浅水区域,站位水深为41～134 m。其中,T1至T4站分布于白令海西北陆架,靠近楚科奇半岛,T5至T8站分布于白令海中部陆架至陆坡的交接带,T9至T16站位于楚科奇海中部陆架,且呈从南(白令海峡)向北(楚科奇海陆坡)的排布(图1)。现场判断沉积物以灰色或灰黑色的砂质粉砂或黏土质粉砂为主。

图1 沉积物站位分布Fig.1 Sampling locations for sediments in the study area

1.2 声学测试

本研究采用轴向差距测量法进行声学测试,测试系统主要包括PoDAS声波发射和采集系统、功率放大器、换能器阻抗匹配器、发射和接收换能器、沉积物样品测试平台等(图2)。测量时,首先将沉积物样品分割成长度约15 cm的测试段；然后,将测试段水平放置在声学测试平台上,发射换能器T和接收换能器R分别安装在沉积物样品的轴向两端,测试过程中,PoDAS声学发射端产生声波信号,经功率放大器放大后,驱动发射换能器激发出声波信号,声波信号穿过沉积物样品后被接收换能器所接收,声波信号再传输至PoDAS接收端,用以采集和存储声波信号；最后,根据采集到的声波信号,利用人工判读初至法,确定声波穿透某一长度沉积物样品的旅行时间,并结合沉积物样品的长度,基于旅行时间法(time-of-flight,TOF)计算沉积物声速Cp(单位为m/s),计算公式如下:

图2 声学测试系统Fig.2 The acoustic measurement system

式中:L为沉积物样品长度,单位为mm；t为声波信号旅行时间,单位为μs；t0为换能器零声时修正值,单位为μs。沉积物样品测试平台的长度测量误差范围为-0.1～0.1 mm,采样率设置为16 MHz,采样时长为5 ms,声速测量结果的误差小于0.1%。本次测试采用了4组不同频率的发射和接收换能器,其中心频率分别为25、50、100和200 k Hz。

1.3 声速比计算

沉积物的孔隙中富含孔隙水,而水的声速值极易受温度和压力的变化影响,因此,沉积物的声速也与温度、压力等环境因素相关。沉积物样品从采样前的原位状态到搬运至实验室,其所处的环境发生了较大的变化,尤其是温度和压力发生了变化,所以,需要将沉积物实验室声速值进行校正[17]。目前,常用的校正方法主要是声速比校正方法,该方法的原理是:为了消除温度和压力变化对沉积物声速的影响,将实验室声速转换为声速比(R),即沉积物声速与同等温度压力条件下的水声速的比值,该比值通常被认为是一个定值[18]。声速比的计算公式为

式中,Cp为实验室测试的沉积物声速值,Cw为实验室温度和1个大气压下的水声速值,Cpi为海底原位温压状态的沉积物声速,Cwi为海底原位温压条件下的水声速值。本研究采用Wilson简化公式[19]

计算水中的声速,其中t为温度(℃),z为水深(m),S为盐度。海底沉积物从原位状态到实验室环境的过程中盐度基本不会发生变化,而温度和压力较容易发生变化。为了将各站位的数据进行比较,对水声速计算公式进行了简化,海底沉积物的盐度S统一取值为35。

1.4 物理性质测试

完成声学测试后,依据GB/T 12763.8—2007《海洋调查规范:第8部分 海洋地质地球物理调查》[20]对样品进行物理性质测试分析,以确定粒度组成(砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量)、平均粒径、密度和孔隙度等,并对沉积物样品进行定名。采用筛析法和沉析法分析沉积物粒度,之后绘制颗粒大小分布曲线；采用福克和沃德公式计算平均粒径。采用环刀法测试沉积物样品的密度(环刀内径6 cm,高度2 cm)。采用比重瓶法测试颗粒密度。利用密度、颗粒密度和含水量计算沉积物的孔隙度,其中含水量采用烘干法测得。采用图解法对沉积物样品进行分类和命名。

2 结果分析

2.1 沉积物类型与物理性质

试验结果显示,白令海和楚科奇海海底沉积物类型较为复杂,包括砂-粉砂-黏土、粉砂质砂、砂质粉砂、黏土质粉砂和粉砂质黏土等多种类型。T1到T16站沉积物的具体物理性质参数的测试结果(表1)显示:密度为1.41～1.84 g/cm3,平均值为1.63 g/cm3；孔隙度为0.482～0.734,平均值为0.615。粒度分析结果显示,16个站位的海底沉积物基本不含砾石成分,砂粒质量分数为3.1%～60.5%,平均值为26.46%；粉粒质量分数为19.6%～52.9%,平均值为38.77%；黏粒质量分数为18.2%～60.6%,平均值为34.76%；平均粒径(Φ值)为4.97～8.07,平均值为6.45。总体来说,分布于白令海的T1到T8站沉积物粒度相对较粗,而分布于楚科奇海的T12到T16站沉积物粒度相对较细；砂粒质量分数较高的站位主要在白令海以及靠近白令海峡的T9到T11站。位于白令海中部陆架与陆坡交接带的T5至T8站砂粒质量分数较高,而位于白令海西北陆架的T1到T4站粉粒质量分数较高；楚科奇海沉积物的粒度明显呈由南向北逐渐变细的特征,靠近楚科奇半岛的站位沉积物颗粒较粗且砂粒质量分数较高,而远离半岛的站位颗粒较细,这与海流由南向北搬运的沉积环境有关,因为较细的颗粒更容易被搬运至较远的陆坡区沉降[16]。

表1 白令海和楚科奇海表层沉积物物理性质测试结果Table 1 The measurement results of physical properties of surface sediments in the Bering Sea and the Chukchi Sea

2.2 沉积物声速测量结果

结合沉积物类型,统计分析声速测量数据,结果(表2)显示,在25～200 k Hz的测量频率范围内,研究区表层沉积物的声速变化范围为1 485.20～1 619.29 m/s,变化较大。按照不同的沉积物类型比较,粉砂质砂或砂质粉砂的声速值最高,变化范围为1 567.19～1 619.29 m/s,各频率的声速平均值为1 584.86～1 602.38 m/s；黏土质粉砂次之,声速变化范围为1 524.65～1 554.47 m/s,各频率的声速平均值为1 535.01～1 543.04 m/s；粉砂质黏土的声速值最低,变化范围为1 485.20～1 518.84 m/s,各个频率的声速平均值为1 501.48～1 507.71 m/s。

表2 白令海和楚科奇海表层沉积物声速测试结果Table 2 The measurement results of sound speed of surface sediments in the Bering Sea and the Chukchi Sea

3 讨 论

3.1 沉积物声速与物理性质的相关性

海底沉积物的声速与物理性质的相关关系一直是海底沉积物声学研究的重要内容,对声速和物理性质参数进行回归分析并建立经验模型,可以为声速预报和海底参数反演提供有效手段。20世纪80年代,Hamilton和Bachman通过大量沉积物取样并进行声学测量,同时结合以往获取的数据进行了统计分析,根据沉积物所处的沉积环境,分别建立了大陆台阶、深海平原和深海丘陵的沉积物声速和物理性质之间的经验模型[5](通常称为Hamilton模型),其中大陆台阶对应的沉积物声速比和物理性质之间的经验模型如下:

式中,ρ为密度,n为孔隙度,Mz为平均粒径(Φ值)。虽然Hamilton模型得到了广泛应用,但近期多个海域的实测数据和模型对比研究发现,该经验模型存在应用局限性[1,21-22]。Richardson和Briggs模型是通过总结全球多个海域数千组测量数据所建立的沉积物声速比与物理性质之间的相关关系模型[13],其经验关系式如下:

本研究结合研究区的实测数据(以100 k Hz为例),与Hamilton模型及Richardson和Briggs模型进行对比分析,探讨声速比与物理性质之间的关系,结果如图3所示。

由图3可见,部分站位沉积物的声速比小于1,属于低声速沉积物。分析认为:孔隙流体、矿物颗粒和矿物骨架的可压缩性和刚度决定了声速的传播速度,正是由于高含水量和高孔隙度的沉积物具有较低的刚度和较高的可压缩性[5],此时沉积物的体积模量接近于海水,而密度高于海水,从而声速低于海水声速,导致了沉积物低声速现象。

饱和的海底沉积物由颗粒和孔隙水组成,具有双相介质特征,密度和孔隙度代表了颗粒比重、孔隙水等所占比例以及密实程度。当声波穿过沉积物时,颗粒和孔隙水同时提供了声波传播的路径,因此沉积物声速与密度、孔隙度密切关联。由图3a和图3b可见,沉积物的声速比随着密度的增大呈增大趋势,随着孔隙度的增大呈减小趋势,相关性较好。实测数据与经验模型对比表明,研究区域沉积物声速比与Richardson和Briggs模型具有较好的一致性,而与Hamilton模型之间存在较大的差值,低于该模型的预测结果。研究也发现[1],Hamilton经验模型预测的声速比结果通常要高于实测值,这种差异性一方面归因于声学测量技术的不同,另一方面归因于物理性质测量技术存在差异的情况。Hamilton等[5]早期工作中测量技术和数据处理标准并不完善,可能会出现测量结果存在较大的误差,虽然通过近十几年的技术发展,基于新的数据会逐步完善Hamilton经验模型,但是Hamilton等提出构建经验模型的理念仍是十分重要的。

图3 沉积物声速比与物理性质关系(以100 k Hz实测声速为例)Fig.3 The correlation between acoustic speed ratios and physical properties(the measured sound speed under 100 k Hz)

颗粒粒径在采样过程和测试过程中不会发生变化,因此也被作为预测沉积物声速的指标之一,并对底质分类等具有指导意义。由图3c可见,总体上沉积物声速比随着平均粒径Φ值的增大而减小,二者相关性较好。与经验模型比较表明,沉积物实测声速低于2种模型的预测结果(图3c),这种差异源自平均粒径本身的简化属性。由于物理、生物和地球化学等作用,自然状态下海底沉积物的颗粒组分包含从砾到黏粒等多种粒级成分,具有颗粒的空间非均匀性[23]。为了更好地构建声传播理论,通常将海底沉积物作为均匀介质进行简化,把一定粒径组分的平均值如平均粒径作为整个沉积物颗粒构成的参数。通过对比分选性较好的中砂、分选性较差的粉砂质黏土、黏土质粉砂以及分选极差的砂质泥混合物发现,平均粒径相同的黏土质粉砂和砂质泥混合沉积物,其声速差异很大[1,24]。在相同的压实状态下,作为球形颗粒均匀聚集体,颗粒分选程度不同的沉积物可能具有相同的平均粒径,然而声速并不相同。因此利用平均粒径预测沉积物声速,又具有一定的局限性。此外,由图3d和图3e可见,沉积物声速比随砂粒质量分数增大呈增大趋势,随黏粒质量分数增大呈减小趋势,相关性也较好。

3.2 沉积物声速频散特征

作为多孔双相介质,海底沉积物的固相和液相在声波的激励下具有不一样的振动特征,尤其当振动频率不同时,声波传播速度对频率具有明显的依赖性,即为沉积物声速的频散现象。海底沉积物声速对频率的依赖性,是沉积物的固有地声属性,不同海域、不同底质类型的沉积物存在明显的差异。本研究将研究海域沉积物分为三类,即砂质粉砂和粉砂质砂、粉砂质黏土和黏土质粉砂,分析不同类型沉积物声速频散特征的差异性。利用最小二乘法拟合沉积物声速与频率之间的关系(图4和表3)可知:沉积物声速和频率之间呈明显的正相关线性关系,即沉积物声速随频率的增大呈增大的趋势。

图4 不同类型沉积物声速的频散特征Fig.4 The frequency dependency of acoustic speed in different sediments

表3 不同类型沉积物声速与频率之间的关系Table 3 Relationships between the frequency and sound speed of the different sediments

3种类型沉积物的声速频散程度不同,分别为0.082 5、0.037 8和0.032 1(m·s-1)/k Hz。砂质粉砂和粉砂质砂的声速频散程度较为显著,黏土质粉砂和粉砂质黏土的声速频散相对较弱,这与部分研究结果相一致[25-26],表明粗颗粒沉积物声速对频率具有更强的依赖性。

4 结 论

通过测量白令海和楚科奇海表层沉积物的声速和物理性质参数,将实测数据与Hamilton模型、Richardson和Briggs经验模型进行对比,分析了不同类型沉积物的频散特征,主要结论如下:

①研究海域表层沉积物类型复杂,包括粉砂质砂、砂质粉砂、黏土质粉砂和粉砂质黏土等类型。整体上,粉砂质砂或砂质粉砂的声速值最高,黏土质粉砂的声速值次之,粉砂质黏土的声速值最低；沉积物声速与类型之间具有明显的相关性。

②沉积物声速比与密度、孔隙度、平均粒径、砂粒质量分数和黏粒质量分数等物理性质之间具有相关性。通过对比实测数据和模型预测结果发现,实测声速比与Richardson和Briggs密度模型、孔隙度模型的预测结果更为吻合,低于Hamilton模型的预测值。此外,实测声速比与2种基于平均粒径的经验模型预测结果存在差异。

③在25～200 k Hz的频率范围内,沉积物的声速随频率呈近似线性缓慢增加的趋势,粗颗粒沉积物的频散特征最为显著。利用线性拟合的方法可以表达沉积物的声速频散特征,拟合结果具有较高的相关性。