环境条件变化对海底沉积物实验室声速测量结果的影响＊

李官保，阚光明，孟祥梅，刘保华，韩国忠

（1.国家海洋局 第一海洋研究所，青岛266061；2.国家海洋局 海洋沉积与环境地质重点实验室，青岛266061）

海底沉积物声速是海底测量的重要参数之一，在海洋工程、海洋科研和海洋军事等领域都有重要的应用价值。获取海底沉积物声速的手段主要有原位测量和实验室测量两种。实验室测量的海底沉积物样品由于脱离了海底环境，其基本物理性质可能会发生不同程度的改变，从而引起声速测量值偏离真实声速，这也是原位测量技术受到关注的重要原因。我国原位声学测量技术在近年来有了很大的发展［1-3］，但由于原位测量设备不能广泛应用，开展大规模原位声学调查的设备条件尚未完全具备，因此实验室测量仍然是当前获取海底沉积物声速的主要手段。

在此情况下，研究实验室内沉积物样品相对于原位状态的改变及其对声速测量值的影响显得十分必要，两者之间关系的建立是基于实验室测量结果进行原位声速预测的依据。邹大鹏等［4］在实验室内通过改变测量温度环境的方式研究了温度变化对声速测量值的影响，但由于缺少了原位数据的对比，因此并未论及其他物理性质的变化情况。2009—2010年国家海洋局在南黄海完成了海底沉积声学调查，其间不仅进行了沉积物声学性质的原位测量和实验室测量，而且还在船上实验室和陆地室内实验室分别进行了沉积物物理性质的测量。根据上述实测数据，分析了沉积物样品从海底到实验室环境中物理性质的改变以及沉积物声速测量值的差异，并探讨了两者之间的相互关系。

1 数据来源与测量方法

1.1 数据来源

国家海洋局第一海洋研究所先后于2009-06和2010-06执行了2个海底沉积声学调查航次（SA2009和SA2010）。调查区位于南黄海中部海域（图1），水深15～80m，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，以细砂为主。2个航次共在303个站位进行了海底沉积物柱状取样，在其中的104个站位完成了原位声学测量。样品采集后，在有的站位直接将其密封保存，其他站位则首先截取一部分在船上实验室进行了声速、湿密度和含水率测量，然后将剩余部分密封保存。所有保存的样品在航次结束后搬运到中国大洋样品馆的常温实验室内存放，并在之后的半年内在室内实验室陆续完成了声学性质、物理性质、土力学性质等参数的测量。104个原位测站涵盖了从细砂到粘土等各种底质类型，原位系统超过25kN 的贯入力保证了可在几乎所有底质条件下正常工作。但是，海底重力取样受底质条件限制较大，因此并非所有站位均取得了足够长度的沉积物柱状样品用来进行实验室声速测量；而且由于海上作业量大，并非所有取得了柱状样品的站位都进行了船上实验室声速测量。经过整理，共有70个站位同时测量了原位和船上实验室声速，其中53个站位还在室内实验室测量了声速，而在船上和陆地实验室内同时测量了沉积物样品声速的站位有131个（图2）。图2中底图表示研究区底质类型［5］：FS：细砂；TS：粉砂质砂；ST：砂质粉砂；T：粉砂；YT：粘土质粉砂；TY：粉砂质粘土；S-T-Y：砂-粉砂-粘土。

图1 研究区地理位置（阴影区）Fig.1 Location of the study area（Shaded area）

图2 站位图Fig.2 Stations

1.2 测量方法

图3 实验室声学装置实物图Fig.3 Portrait of the laboratory sediment acoustic instrument

1）原位声速测量方法：沉积物声学特性的原位测量采用国家海洋局第一海洋研究所研制的基于液压驱动贯入的自容式海底沉积声学原位测量系统，系统原理与组成详见文献［6］。该原位测量系统与CTD 剖面仪比测海水声速的测量误差在0.5%以内。

2）实验室声速和物理性质测量方法：沉积物声学特性的实验室测量采用自制的样品声学测量装置，该装置由数字声波仪、测量平台和多组换能器组成，基于透射法测量样品的声学特性参数（图3）。按照30cm 把样品分割成段，分别测量其声速，采用最表层段的声速用以对比。发射换能器产生的高频声波沿每段样品的轴向传播，被另一端的接收换能器接收，测量平台上的滑动标尺可以测定样品长度，根据声波走时、幅度和样品长度来计算声速。声速测量主要参数：（1）发射波形：脉冲波；（2）换能器主频：25kHz；（3）采样率：5 MHz；（4）记录长度：2k（采样点）；（5）重复测量次数：2次。在物理性质参数中，含水率测量采用烘干法，湿密度测量采用环刀法。以下为便于描述，对于在船上实验室和室内实验室测量的声速和物理性质参数分别对应地称为甲板声速、含水率、湿密度和室内声速、含水率和湿密度。

2 原位和实验室环境下测量的声速和物理性质的比较

2.1 沉积物声速

图4a和图4b分别显示了沉积物甲板声速与原位声速、室内声速与甲板声速的对比情况。由图可知，从原位声速、甲板声速到室内声速，总体上是逐渐增大的；并且在沉积物声速较高的站位，3种声速测量值相互之间的差值大于声速较低的站位。

图4 原位与实验室测量的沉积物声速比较Fig.4 Comparison of the sediment acoustic velocities measured in situ and onshore methods

2.2 沉积物物理性质

调查中未直接测量原位状态下沉积物的物理性质。沉积物取样后直接在船上实验室测量，由于调查区水深小，而且样品搬运距离和时间均较短，因此测得的物理性质可以近似为原位物理性质。甲板湿密度和含水率与室内湿密度和含水率的对比（图5）可知，从甲板到室内，沉积物的物理性质发生了较明显的改变，室内的湿密度较甲板湿密度总体上有增大的趋势，而室内含水率较甲板含水率则总体上有减小的趋势，这与通常认为的沉积物在搬运和长期保存过程中会发生水分流失、不断压实的现象相符。根据样品平均粒径的分类统计表明，颗粒较粗的沉积物其物理性质的改变程度超过颗粒较细的沉积物。

图5 甲板和室内测量的沉积物物理性质比较Fig.5 Comparison of the sediment wet density and water content measured shipboard and in onshore laboratory

2.3 沉积物温度

沉积物样品温度实验室温度环境的影响，与海底环境下的温度有明显差异。图6a记录了几个站位的沉积物从原位到船上实验室的温度变化过程，其中原位温度采用CTD 剖面仪记录的底层海水的温度，可以看到温度总体上是逐渐升高的，幅度最大近8 ℃。图6b是甲板声速测量和室内声速测量时的温度对比，也可以看出两者有明显的不同，由于室内测量主要在夏秋两季进行，室内温度多数较甲板温度为高。

图6 沉积物从原位到实验室的温度变化Fig.6 Changes of sediment temperature from the in-situ state to the shipboard and onshore laboratories

3 讨 论

3.1 沉积物温度改变对实验室声速的影响

图7 甲板声速比与原位声速比的比较Fig.7 Comparison between the shipboard-measured and in-situ-measured acoustic velocity ratios

温度是影响沉积物声速的重要因素，Hamilton［7-8］认为沉积物中孔隙水的声学特性对于温度的变化最为敏感，也是控制沉积物声学特性随温度变化的主要因素。他发现标准测量环境（23 ℃、1个标准大气压）下的沉积物声速和海水声速之比（声速比）近似等于海底原位状态下的声速比。邹大鹏等［4］则根据实验结果对该认识加以推广，提出任意温度下测量的沉积物声速比均近似等于原位声速比。因此声速比可近似认为是不随温度变化的常量，据此可以进行试验室声速的温度校正。

调查中有4个站位同时测量了水深、CTD 底层水声速和温度、沉积物原位声速、样品甲板声速以及测量时的温度，因此可以计算出甲板声速比（甲板声速与对应海水声速的比值）和原位声速比，计算中甲板声速对应的海水声速的计算基于甲板声速的对应测量温度和Mackenzie公式［9］。计算结果表明这4 个站位的甲板声速比和原位声速比非常接近（表1，图7）。为了弥补调查中CTD 剖面测量站位较少，多数原位测站中未获得底层海水的声速的缺憾，采用了一种替代性方法，即根据南黄海夏季底层水温等值线分布图［10］来插值推算各原位测站对应位置上的底层水温，然后根据Mackenzie公式计算底层海水声速，用来计算各站位的原位声速比。各站位的甲板声速比与原位声速比的对比见图7，两者有较好的吻合，表明甲板声速比与原位声速比之间的关系符合Hamilton模型，甲板声速与原位声速之间的差异可以归因为温度的改变，通过对甲板声速进行温度校正可以较好地预测原位声速。

同理，分别计算了各站位沉积物甲板声速和室内声速的声速比，两者比较发现（图8a）。图8中，Φ 为平均粒径。室内声速比与甲板声速比有较大差异，总体上前者大于后者。这表明，样品温度的改变不足以解释室内声速和原位声速之间的差异，直接根据Hamilton模型对室内声速进行温度校正不能很好地预测原位声速。

图8 甲板声速比和室内声速比的比较Fig.8 Comparison between the shipboard-measured and laboratory-measured acoustic velocity ratios

表1 4个站位预测和实测的原位声速Table 1 The in-situ acoustic velocities predicted and measured at four stations

3.2 沉积物物理性质改变对实验室声速的影响

海底沉积物是一种含流体的孔隙介质，声波在其中的传播受到沉积物的结构和组成等性质的影响。对大量实测数据的统计分析表明，沉积物声速与其物理性质有很好的相关关系［11-12］。就湿密度和含水率而言，表现为，随着沉积物密度的增大、孔隙度的减小，声速相应地会增大。实际测量的室内密度和含水率分别较甲板湿密度和含水率有增大和减小的趋势，而室内声速也较甲板声速总体上增大，即便对消除了温度的影响的声速比相比较，室内声速比也多较甲板声速比为大，这与前人的统计结果相吻合，也说明在根据室内声速进行原位声速预测时，应该考虑样品物理性质相对于原位状态改变的影响。

Jackson &Richardson［12］根据实测数据建立了声速比分别与密度、孔隙度和中值粒径等参数的经验公式。由于密度和含水量等均有变化，因此尝试利用最小二乘法建立了室内声速比与室内密度和含水量的双参数经验公式：

式中，VpR 为室内声速比；ρ为室内密度；ω 为含水量。

将实测甲板密度和含水量代入公式（1）可以计算出校正的室内声速比，与实测甲板声速比相比较（图8b）可知，经过湿密度和含水率校正后的室内声速比与甲板声速比的对应关系较图中有了明显改善，印证了湿密度和含水率的改变是造成室内声速偏离原位声速的重要因素。

同时也应注意到，校正的室内声速比与甲板声速比线性关系的离散性仍较强，这可能与沉积物的颗粒组成有关，图8b中显示中值粒径大的沉积物的声速比离散性更大，表明细粒沉积物的状态较原位状态保持的较好，而颗粒较粗的沉积物，其水分和结构容易因外部过程而发生不同程度的改变。

4 结 语

对南黄海沉积声学调查的实测数据的分析表明，沉积物在室内实验室测量时往往较原位状态发生了较大的改变，不仅是温度，还包括湿密度、含水率等基本的物理性质，从而影响到声速的测量结果，难以仅仅通过温度校正来恢复原位声速，而是应该同时考虑物理性质改变的影响；相对而言，沉积物取样后直接在船上实验室测量声速，可以很好地根据Hamilton模型通过温度校正来预测原位声速。因此对于获取的沉积物样品立即在船上实验室进行声速测量更有利于恢复原位声速。

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