南黄海海底沉积物原位声速测量与实验室声速测量对比研究

阚光明,赵月霞,李官保,韩国忠,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）

南黄海海底沉积物原位声速测量与实验室声速测量对比研究

阚光明1,2,赵月霞1,2,李官保1,2,韩国忠1,2,孟祥梅1,2

（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）

介绍了海底沉积物原位声速测量方法和实验室声速测量方法的工作原理以及在南黄海中部海底沉积声学调查中的应用情况，详细对比分析了原位测量声速和船舶甲板实验室测量声速的差异，讨论了温度和压力等环境因素变化对声速的影响，研究成果对海底沉积物声速测量和预报具有一定应用价值。

南黄海；声速；海底沉积物；原位测量

海底是水下声场的重要边界，海底浅表层沉积物的声速是影响水下声场空间结构、水声通讯、水下目标探测、水声设备使用性能的重要因素之一，海底沉积物声速的测量与研究是军事海洋学和军事地球物理学的重要研究内容[1-6]。声速的精确测量是海底沉积物声学特性研究的重要环节，目前，海底沉积物声速测量主要包括实验室测量和海底原位测量两种方法[2]。沉积物样品实验室声速测量方法首先在研究海区使用重力箱式取样器获得海底沉积物原状样品，然后，将样品搬运到实验室中进行测量。其具有仪器设备简单、操作方便等特点，但样品由海底取样和搬运至实验室，沉积物所处的温度、压力等周围现场环境也发生了很大变化，这将引起较大的测量误差。我国研究人员对海底沉积物的实验室声速测量方法进行了深入研究，提出了同轴差距测量和垂直轴差距测量等方法[7-9]。海底沉积物声速原位测量是将声学测量仪器放置海底，直接测量声波在沉积物中的传播速度，避免了沉积物所处的温度、压力等周围环境变化引起的测量误差，也避免了样品取样和搬运对沉积物造成的扰动，测量结果较实验室测量更加准确可靠[2]。近几年，我国海底沉积物声学特性参数原位测量技术发展迅速，相继开发出多频海底声学原位测量系统、基于液压驱动贯入的自容式海底沉积声学原位测量系统、以及海底底质声学参数测量等多套海底沉积物声学特性参数原位测量系统[10-12]。

1 海底沉积物声速测量技术

1.1 原位声速测量技术

由国家海洋局第一海洋研究所最新研制的基于液压驱动贯入的自容式海底沉积声学原位探测系统的工作原理如图1所示。系统通过由液压驱动装置、滑轮组、活动压盘等组成的换能器组合贯入装置将固定于活动压盘上的4支声学探杆贯入到海底以下指定深度，其中1个探杆安装有发射换能器（R），另外 3 个安装有接收换能器（T1，T2，T3）。 发射换能器R发射的声波信号在沉积物中传播，然后分别被3个接收换能器接收，采集电路对接收到的声波信号进行前置放大、初始滤波、自动增益控制和A/D转换，转换成数字信号后存储到系统存储单元。系统在海底工作结束后，提升至甲板，导出数据，根据记录到的三通道声波信号的时差和幅度差计算海底沉积物声速和声衰减系数。

1.2 实验室声速测量技术

沉积物声速的实验室测量主要采用透射法，其测量原理如图2（a）所示，发射换能器产生的高频声波在沉积物柱状样品中传播，被另一端的接收换能器接收。在已知沉积物样品长度的情况下，根据数字声波仪记录的接收信号计算出声波穿透时间，由式（1）即可计算出样品的声速。

式中：C为沉积物样品声速（m/s）；L为柱状沉积物样品长度（mm）；t为声波穿透时间（μs）；t0为零声波时修正值（μs）。为解决由于沉积物对声波的散射和吸收衰减作用以及表面波等因素的影响，使接收的声波信号初跳时间拾取误差较大的问题，同轴差距声速测量则对同一样品进行不同长度的两次测量（图2（b）），分别获得2个走时不同的声波信号，对2个信号进行互相关分析，精确求取两信号互相关最大值时的走时差ts，此走时差即为声波穿过样品长度为Ld=L-Ls的声波穿透时间，由式（2）即可求出长度为Ld的沉积物样品的声速。

图1 沉积物声学特性原位测量系统工作原理示意图

图2 透射法实验室声速测量原理示意图

式中：C 为声速（m/s）；Ld为样品长度（mm）；ts为声波穿透时间（μs）。

2 南黄海中部海底沉积物原位声速测量与实验室声速测量对比分析

2.1 南黄海中部海底沉积物原位声速测量

使用基于液压驱动贯入的自容式海底沉积声学原位测量系统在南黄海中部进行了海底沉积物声速的原位测量。系统工作水深为500 m，探测深度1 m，测量频率30 kHz，采样频率10 MHz。在设备下水前，首先通过上位机软件对系统水下中央控制单元和声学单元的工作参数进行设置，参数设置完毕后，断开系统与甲板计算机相连接的通讯电缆，将设备吊装入水。设备触底后，在水下中央控制单元控制下，液压驱动装置将4根声学探杆贯入海底沉积物某一指定深度，然后进行声波的发射和采集，并将记录的声波数据自容式存储于系统存储单元。上述工作完成后，将设备回收至甲板，连接通讯电缆和甲板计算机，导出存储的声波数据文件，据此计算沉积物声速。

在粉砂质粘土、粘土质粉砂、砂质粉砂、粉砂质砂、粉砂、细砂等不同类型沉积区域共获得104个站位的海底沉积物声速原位测量数据。接收到的典型声波波形如图3所示，据图3所示的波形初步计算表明，粘土质粉砂的声速为 1 473.0 m/s，细砂的声速为1 571.0 m/s。

在本航次调查过程中，使用目前比较成熟的海水声速高精度测量CTD剖面仪对原位系统声速测量进行了标定，相同水深条件下，原位测量系统测量的海水声速与CTD测量声速的相对误差均小于0.5%，表明原位测量系统测量结果准确、可靠[11]。

图3 不同类型沉积物的声波波形

2.2 南黄海中部海底沉积物声速实验室测量

在原位声速测量站位进行沉积物柱状取样，并选择典型

站位采用上述透射法实验室声速测量技术在船上实验室进行了沉积物样品声速的实验室测量，南黄海中部海底沉积物柱状样品声学性质测量典型声波波形如图4所示。由图4所示的测量波形数据计算可得，30 kHz的沉积物声速为1 598.3 m/s，50 kHz的沉积物声速为1 604.5 m/s。

2.3 原位测量声速与实验室测量声速对比分析

图4 沉积物柱状样品测试不同频率声波波形

在南黄海海底沉积物声速调查过程中，首先使用原位探测系统对海底沉积物进行了原位测量，测量频率为30 kHz，测量深度一般为50 cm。在同一站位，原位设备回收至甲板后，随后进行海底沉积物柱状取样，对获得的沉积物柱状样品首先截取顶部50～70 cm采用上述透射法实验室声速测量技术在船上实验室进行了声速测量，测量频率包括30 kHz，50 kHz，100 kHz，250 kHz。实验室声速测量过程中实时测量沉积物的温度变化，声速测量完毕后随后进行密度、含水量、抗压强度和抗剪强度等沉积物物理力学指标的测量。所剩样品进行封装保存，航次结束后搬运至陆地实验室进行声学性质和物理力学性质的综合测量。

典型站位原位测量声速和实验室测量声速见表1，表中二者测量频率均为30 kHz。表1所列数据显示，原位测量声速最低为1 438.0 m/s，最高为 1 598.5 m/s，平均声速1 486.4 m/s，柱状样品实验室测量声速最低为1 451.7 m/s，最高为1 652.4 m/s，平均声速1 508.6 m/s。原位测量声速和实验室测量声速对比分析显示，所有站位实验室测量声速均高于原位测量声速，两者最大相差57.2 m/s，最小相差3.4 m/s。

表1 原位测量声速与实验室测量声速对比表

3 分析讨论

本航次在沉积物取样后立即开展沉积物声速实验室测量，因此，样品搬运等对沉积物扰动降至最低，而且，未经过长时间存放，对沉积物声速影响较大的含水量指标变化很小。实验室声速测量与原位声速测量相比，变化较为明显的2个环境参数为温度和压力。本次调查时间为夏季，海上气温较高，沉积物样品从海底取至甲板后，温度迅速升高，沉积物所受的静水压力减小。

3.1 沉积物分层和压实对声速影响

本文所述的海底沉积声学原位测量系统所测量的声速为海底某一深度声波在水平方向上传播的速度，而样品实验室声速测量则为一定距离内声波垂直方向的传播速度，由于沉积物分层和压实等影响，二者声速可能有所差异。但根据样品分析显示，该区域沉积物样品顶部浅表层（0～70 cm）分层结构并不明显。在部分站位，使用原位设备在同一站位进行了不同下插深度多次测量，结果显示在0～80 cm深度内，垂直方向的声速变化很小。因此，作者认为在本调查区域沉积物分层和压实对声速影响相对较小，不足以引起表1所示的差异。

3.2 温度对海底沉积物声速影响

沉积物样品从海底取至甲板后，温度迅速升高，样品取至甲板时的温度约为10℃，从取样管中取出样品，然后进行分割，搬运至调查船实验室进行声速测量时，样品温度已升至15～20℃（见表1）。研究区海底沉积物原位测量声速与实验室测量声速差与温度变化的关系如图5所示，从图5可以看出，随着温度增加，二者差异呈增大趋势，这与邹大鹏等人的研究结果基本相同[13]。

图5 声速差与温度变化的关系图

3.3静水压力对海底沉积物声速影响

本次调查使用CTD测量的海水声速随着静水压力增加（即水深增加）而降低，一般从海面的1 520.0 m/s降至近海底的1 495.0 m/s。静水压力对海底沉积物声速的影响目前还未有一个较为一致的结论，王琪等人认为在水深小于1 000 m（10 MPa）时水深对海底沉积物声速的影响可以忽略[14]。作者认为，根据Biot双相介质理论，未固结海底沉积物为由固体骨架和骨架孔隙中的流体组成的双相介质，随着深度和静水压力增加，孔隙流体的体压缩系数将会发生变化，从而导致海底沉积物这种双相介质的体压缩系数发生变化，进而影响海底沉积物的声速。静水压力对海底沉积物声速的影响仍需进一步综合的理论和实验研究。

4 结语

海底沉积声学原位测量方法避免了样品取样和搬运对沉积物的扰动以及测量环境变化等因素对沉积物声学特性测量的影响，使得测量结果更加准确可靠，该方法将逐步成为海底沉积物声学特性测量的发展趋势。

在南黄海中部开展的海底沉积物声学特性调查结果表明，海底沉积物原位测量声速和船舶甲板实验室测量声速存在较大差异，相同测量站位的原位测量声速均高于甲板实验室测量声速，温度和海水深度（即静水压力）变化将影响海底沉积物声速。通过对原位测量声速和船舶甲板实验室测量声速差异及其影响因素分析，建立海底沉积物实验室声速测量的校正方法，为更准确的海底沉积物声速预报提供科学依据。

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Abstract：Two kinds of methods for measuring sound speed of seafloor sediments which are in-situ measurement technique and laboratorial measurement technique are introduced at first.Secondly,the sound speeds measured by in-situ equipment and by laboratorial technique in the middle area of the Southern Yellow Sea are compared in detail.The result indicates that there are large differences between in-situ and laboratorial sound speeds.Based on the differences,the influence of sediment temperature and hydrostatic pressure on the sound speeds is discussed.The conclusion is instructive and practicable for the measurement and prediction of sound speed of seafloor sediments.

Key words：southern Yellow Sea;sound speed;seafloor sediments;in-situ measurement

Comparison on the Sound Speeds of Seafloor Sediments Measured by In-situ and Laboratorial Technique in Southern Yellow Sea

KAN Guang-ming1,2,ZHAO Yue-xia1,2,LI Guan-bao1,2,HAN Guo-zhong1,2,MENG Xiang-mei1,2
（1.First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao Shandong 266061,China;2.Key Laboratory of Marine Sedimentology and Environmental Geology of State Oceanic Administration,Qingdao Shandong 266061,China）

P733.23，P736.21

A

1003-2029（2011）01-0052-05

2010-10-26

海洋公益性行业科研专项经费资助项目(200805008)；国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目(2008AA09Z301)

阚光明（1981-），男，山东省成武县人，助理研究员，博士，主要从事海底沉积声学研究。E-mail:kgming135@163.com