南黄海中部海底沉积物声阻抗特性

阚光明，苏远峰，刘保华，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.国家深海基地管理中心，山东 青岛 266061

0 前言

海底是声波在海水中传播的重要边界，海底沉积物的声速、声衰减系数、声阻抗等声学特性参数与海底沉积物物理特性有着密切的关系。描述二者关系的海底地声模型是利用声学方法对海底沉积物物理力学及工程性质进行遥测、反演和评价的基础，在海底资源调查和开发、海洋工程勘察以及海底稳定性评价等方面具有重要的价值[1-3]。国内外研究人员对海底沉积物声学特性与物理力学性质的关系进行了大量研究：Hamilton[4-5]和 Anderson[6]建立了大陆架和大陆坡沉积物、深海丘陵沉积物、深海盆地沉积物物理力学性质与沉积物声速之间的关系，给出了声速与孔隙度、密度、平均粒度、黏土颗粒含量之间的回归方程；卢博等[7-8]、唐永禄[9]、邹大鹏等[10]、潘国富等[11]、程净净等[12]对我国南海北部陆架、台湾海峡、东海陆架以及南黄海中部等海区的海底沉积物声速与沉积物密度、含水量、孔隙度、孔隙比等物理力学参数关系进行了研究，建立了多个经验公式。但上述研究人员主要研究了沉积物声速、剪切波速等声学参数与沉积物物理参数之间的关系，而对作为沉积物重要声学参数之一的声阻抗特性则研究很少。

声阻抗是海底沉积物声学特性的主要参数之一，同时也是确定和计算海底反射和透射系数的主要参数。沉积物声阻抗与沉积物物理性质参数之间的经验回归方程常常被用来遥测和估算沉积物孔隙度、体密度、粒径等沉积物物理性质参数[13]。许多沉积物声学分类系统也是使用回波振幅来估算海底声阻抗，进而对海底沉积物类型进行遥测和分类[2-3]。笔者利用在南黄海中部海域获得的大量海底沉积物样品及其声学特性和物理力学性质测试数据，对该海域海底沉积物声阻抗特征进行分析和研究，揭示研究区海底沉积物声阻抗分布规律，建立声阻抗与物理力学参数的回归关系，并对声阻抗和声速与沉积物物理力学参数的相关性进行对比分析，以期能够为该海域海底沉积物声学特性预测或基于声学方法对海底沉积物性质进行探测或遥测提供理论依据。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区概况

研究区位于南黄海中西部（北纬33°46′26.4″-36°20′46.8″，东经121°30′51.0″-123°48′55.8″），水深为17～83m，近陆水深较浅，向海变深。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黏土和黏土质粉砂为主，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。

1.2 数据来源

国家海洋局第一海洋研究所分别于2009年6月和2010年6月在该南黄海中部海域使用重力取样器和箱式取样器开展了大规模海底沉积物取样。2个航次共完成沉积物取样287站位，获得沉积物柱状样品433.0m。重力取样管内衬为直径110.0 mm、壁厚约2mm的PVC衬管，取得样品后把PVC管连同沉积物一起从取样管中取出，两端封好，做好标记。箱式取样器采集到原状样品后，使用PVC管插入到箱式样中以获得短柱状样，采样同样方法将样品封装好。重力取样器获得的柱状样一般较长，最长达3.40m，箱式样取样深度一般为0.5～0.6m。航次结束后，上述样品从船上搬运到恒温恒湿样品库中，然后进行声学特性参数以及物理力学性质参数测试。

在实验室进行样品测试时，首先将样品按要求进行截取和分割，一般切割成30cm一段（根据实际情况切割长度有所调整）。然后将样品放置在柱状样品实验室测试平台上对样品声速进行测试。声速计算公式如下：

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为零声时修正值，μs。在自行研制的测量平台上使用WSD-3型数字声波仪采用透射法进行样品声速测量，平台的样品长度测量精度为0.1mm，数字声波仪的声时判读精度为±0.1μs，完全满足该实验测量精度的要求[16]。采用3种不同长度的有机玻璃棒对仪器测量精度进行了标定，结果显示测量误差小于1%，满足国家标准对海底沉积物声速测量准确度为±3%的要求。

测试完声速后将样品从PVC管中推出，然后进行物理力学性质测试，测试项目包括液限、塑限、颗粒成分、密度、含水量、无侧限抗压强度、压缩系数、贯入阻力、抗剪强度等。上述参数测量方法可参考文献[16]，实验仪器均在标定的有效期限内，测量精度符合国家标准的相关要求。

沉积物声阻抗是声速与密度的乘积，其计算公式如下：

式中：Za为沉积物声阻抗，kg／（m2·s）或（Pa·s）／m；ρ为沉积物密度，kg／m3。

实验室测试过程中，采用6种不同频率（25，50，100，150，200，250kHz）的声学换能器对每段样品进行了声学性质参数测量。本文声阻抗特性讨论主要基于以下两点考虑，选用频率为100kHz的声速数据，共343组：1）虽然不同频率的声阻抗值有所不同，但其分布特征以及与沉积物物理力学性质的关系趋势基本相同；2）相对于其他频率的数据，处于中间频段的频率为100kHz的声阻抗数据量最多，更具有代表性。

2 研究区海底沉积物物理力学性质及波阻抗特征

2.1 沉积物物理力学性质

研究区沉积物主要包括粉砂质砂、砂质粉砂、粉砂、黏土质粉砂、粉砂质黏土等5种类型，主要物理力学性质指标见表1。本区沉积物呈现出分区域分布特征。研究区西南部，沉积物以粉砂质砂、粉砂、砂质粉砂为主，砂粒质量分数（ws）较高（粉砂质砂的ws最高，平均值为54.6%），黏粒质量分数（wc）较低（粉砂的wc最低，平均值为15.5%），平均粒径较大；在研究区东北部，沉积物以粉砂质黏土、黏土质粉砂为主，多呈流塑状态，ws较低（粉砂质黏土的ws最低，平均值仅为3.0%），wc较高（粉砂质黏土的wc高达66.0%），平均粒径较小。

表1 研究区沉积物物理力学性质参数与声学特性参数统计表Table1 Statistics of physical-mechanical and acoustic properties of the sediments in the study area

从表1中可以看出，不同类型沉积物的基本物理性质参数差别很大。其中：粉砂质砂的密度最大，而含水率和孔隙度最小；粉砂质黏土的密度最小，而含水率和孔隙度最大。其余3种类型沉积物的密度、含水率、孔隙度介于粉砂质砂和粉砂质黏土之间，按照砂质粉砂、粉砂、黏土质粉砂的顺序，密度依次较小，而含水率、孔隙度依次升高。由此，沉积物密度、含水率、孔隙度与粒径存在密切关系，随着粒径减小（即颗粒变细），密度减小，而含水率和孔隙度增大。本区所涉及的沉积物类型中，粉砂质黏土的液限、塑限、塑性指数最大，而粉砂质砂的液限、塑限、塑性指数最小，其余类型沉积物的液限、塑限、塑性指数介于二者之间。由此，海底沉积物可塑性的指标与颗粒粒径和黏粒质量分数密切相关，一般颗粒粒径小，黏粒质量分数高，则可塑性好，反之则差。在沉积物力学性质参数方面，本区粉砂质砂、砂质粉砂、粉砂的压缩系数均较低，属于低压缩性沉积物；而黏土质粉砂、粉砂质黏土的压缩系数较高。由此，沉积物的压缩性大小与其密度和结构等因素有关，压缩系数基本上随着密度的增大而减小，随着孔隙度的增大而增大。本区所涉及的沉积物类型中，粉砂的抗剪强度最大，粉砂质黏土的抗剪强度最小，其余类型沉积物的抗剪强度介于二者之间。由此，不同类型沉积物的抗剪强度未呈现出明显的变化规律，与其他物理力学参数的依赖关系也不明显。

2.2 沉积物声阻抗及其分布规律

声速测量过程中同步测量样品温度，其变化范围为12.2～25.1℃。需要说明的是，本文未考虑温度对沉积物声速的影响，声速数据均为测量时温度条件下的沉积物声速。本文所涉及的沉积物声速特性均是实验室常压下（约为一个大气压）测得的，因此可以认为是在相同压力环境下的数据。王琪等[17]根据不同压力环境下沉积物声速测量实验结果认为，在水深小于1000m（10MPa）时水深对海底沉积物声速的影响可以忽略。笔者认为，对于浅层海底沉积物，水深（压力）对沉积物声速的估算可以借鉴海水声速的计算公式。对于本研究区17～83m的水深变化范围，根据Mackenzie[18]公式计算得出的由水深（压力）导致的声速变化非常小（约为1.08m／s）。因此，本文的声速测量数据未进行压力因素的校正。

本区声阻抗值为（2.0651～3.4567）×106kg／（m2·s），与唐永禄[19]报道的我国近海海底沉积物声阻抗值相当。不同类型沉积物之间声阻抗变化规律与声速变化规律相同。其中：粉砂质砂的声阻抗最大，为（2.5617～3.4567）×106kg／（m2·s），平均值为3.0744×106kg／（m2·s）；而粉砂质黏土的声阻抗最小，为（2.0651～2.7029）×106kg／（m2·s），平均值为2.2392×106kg／（m2·s）；砂质粉砂、粉砂、黏土质粉砂的声阻抗介于粉砂质砂和粉砂质黏土之间，平均值分别为3.0088×106kg／（m2·s）、2.8276×106kg／（m2·s）、2.6568×106kg／（m2·s）。

在平面分布上，本区沉积物声阻抗呈现出分区域分布的特征。研究区西南部为声阻抗高值区，其值为（2.8～3.4）×106kg／（m2·s）；研究区东北部的声阻抗较低，其值一般小于2.3×106kg／（m2·s）。在声阻抗高值区与低值区之间，存在一走向为北西-东南向的声阻抗梯度带，其值为（2.3～2.8）×106kg／（m2·s）。需要指出的是，虽然本区的水深也呈现出西南浅而东北深的分布特征，但沉积物声阻抗的分区域分布特征与水深并未有直接的关系，原因在于：1）声速一般随水深（压力）增大而增大，与声速具有密切对应关系的声阻抗也应遵循同样的规律，而本区水深大的区域声阻抗反而小，因此，二者不存在明显的对应关系；2）从本文估算的水深对沉积物声速的影响来看，对于本区17～83m的水深变化范围，不会引起如此明显的声阻抗分布差异。笔者认为，不同水深以及其他因素引起的不同沉积环境，造成海底沉积物类型的分区域分布特性，这是引起声阻抗分区域分布的主要因素。声阻抗这种分区域分布的特征与本区沉积物声速等声学特性以及沉积物类型、密度、含水率等物理性质的分区域分布具有明显的对应关系。研究区东北部的沉积物声速和密度较低，其值大都在1480.0m／s和1.6g／cm3以下，而含水率较大，一般高于70%；而在研究区西南部，沉积物和密度均较高，其值大都在1560.0m／s和1.8g／cm3以上，而含水率一般小于40%。本区海底沉积物声阻抗在区域分布特征上与沉积物密度、含水率等物理参数的相似性从另一方面也证明了二者之间存在明显的相关性。

3 声阻抗指数与物理力学参数的关系

为了分析研究区沉积物声阻抗与物理性质之间的关系，笔者对声阻抗和密度、含水率、孔隙比（e）、孔隙度、液限、塑限、塑性指数、砂粒质量分数、黏粒质量分数、中值粒径、压缩系数、抗剪强度等参数分别进行回归分析，将沉积物声阻抗作为因变量，上述物理参数作为自变量，采用最小二乘法分别得出了声阻抗与上述物理参数的经验回归方程（表2）。同时，绘制了沉积物各物理力学参数与声阻抗的二维相关图解，如图1-图4所示。

3.1 沉积物基本物理参数与声阻抗的相关关系

图1为沉积物基本物理参数与声阻抗的相关关系曲线。从图1和表2中可以看出，声阻抗与密度、含水率、孔隙比和孔隙度等沉积物基本物理参数具有非常好的相关性，其判定系数R2均大于0.95。其中：密度与声阻抗呈现正相关关系，密度越大，声阻抗越大；而含水率、孔隙比和孔隙度与声阻抗呈负相关关系，随着含水率、孔隙比和孔隙度的增大，声阻抗减小。沉积物声阻抗为声速与密度的乘积，而沉积物声速在很大程度上与沉积物的可压缩性有关，密度越大，孔隙度越小，则沉积物越密实，其可压缩性越小，声速和声阻抗则越大。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。基于双相介质弹性波传播理论的数值计算结果表明，沉积物快纵波速度（即沉积物声速）随着孔隙度的增加而减小。因此，作为声速与密度乘积的声阻抗，具有与沉积物声速基本相同的变化趋势。

表2 研究区沉积物声阻抗与物理力学性质经验回归方程Table2 List of the empirical regression equations between the acoustic impedance and the physical-mechanical parameters of the sediments in the study area

图1 沉积物基本物理参数与声阻抗的相关关系Fig.1 Diagrams for the correction between the basic physical properties and the acoustic impedance of sediments

图2 沉积物可塑性参数与声阻抗的相关关系Fig.2 Diagrams for the correction between the plasticity properties and the acoustic impedance of sediments

3.2 沉积物可塑性指标与声阻抗的相关关系

图3 沉积物粒度成分参数与声阻抗之间的相关关系Fig.3 Diagrams for the correction between the grain size parameters of the acoustic impedance of sediments

图2为沉积物可塑性指标参数与声阻抗的相关关系曲线。从表2中可以看出，液限、塑限和塑性指数与声阻抗经验回归公式的判定系数R2均在0.8以上，表明沉积物上述可塑性指标参数均与声阻抗具有良好的相关性。从图2可以看出，声阻抗呈现出与液限、塑限和塑性指数负相关的关系，即随着液限、塑限和塑性指数的增大，声阻抗减小。沉积物塑性指数是沉积物液限与塑限之差，指的是沉积物由一种状态转变到另一种状态时的界限含水率，主要反映了沉积物可塑性的强弱。塑性指数主要取决于沉积物中黏粒含量以及黏粒矿物的亲水性，沉积物中黏粒矿物含量及其亲水性越高，其塑性指数越大，则其声速和声阻抗越小。沉积物可塑性指标与声阻抗的相关关系和含水率与声阻抗相关关系类似，但同时受到黏粒矿物含量及其亲水性的影响。

3.3 沉积物粒度成分与声阻抗之间的相关关系

图3为沉积物粒度成分参数与声阻抗的相关关系。由图3及表2可以看出：和沉积物基本物理参数及可塑性参数与声阻抗相关性相比，沉积物粒度成分参数（砂粒质量分数、黏粒质量分数、中值粒径）与声阻抗的相关性较差，判定系数R2均小于0.75。其中，沉积物砂粒质量分数与声阻抗的判定系数最小，主要原因可能在于测试样品主要为黏土质沉积物，沉积物砂粒质量分数较小，砂粒质量分数较高的沉积物样品较少，代表性较差。测试样品的黏粒质量分数较高，样品数量较多，因此，数据的相关性较好。对比图3b和图2c可以看出，黏粒质量分数和塑性指数与声阻抗的相关性趋势基本相同；从而也证明了沉积物黏粒矿物质量分数越高，其塑性指数越大，而声速和声阻抗越小。图3c所示的中值粒径与声阻抗相关关系的判定系数R2为0.729，总体上较低。沉积物声阻抗除受沉积物粒径的影响外，还会受到粒度分选性、颗粒形状、颗粒排列状况和沉积矿物类型等因素的影响。因此，即使粒径相同的沉积物，其声阻抗可能相差很大。而且，对于某一给定粒径的泥质沉积物，固结（排水）实验可以在不改变沉积物平均粒径的情况下降低孔隙度，增加沉积物密度，从而使得声阻抗增大。

3.4 沉积物力学性质与声阻抗之间的相关关系

图4为沉积物力学性质参数与声阻抗的关系。由图4和表2可以看出：沉积物压缩系数与声阻抗具有良好的相关性，判定系数R2为0.90；而抗剪强度与声阻抗的相关性较差，判定系数R2只有0.38。压缩系数是体积弹性模型的倒数，反映了沉积物的压缩性和膨胀性。卢博等[7]认为，沉积物只有存在可压缩性和膨胀性，才有可能使得声波在沉积物中传播，在某种意义上，沉积物的压缩性决定了声速的变化。因此，压缩系数同样也决定着声阻抗的变化，二者有着密切的相关关系。抗剪强度反映了沉积物的刚性，此参数与沉积物声速和声阻抗的相关性不强。因此，利用抗剪强度进行沉积物声速和声阻抗的预测或者采用声阻抗来遥测沉积物抗剪强度，将会带来较大误差。

图4 沉积物力学性质参数与声阻抗相关关系Fig.4 Diagrams for the correction between the mechanical parameters and the acoustic impedance of sediments

4 分析与讨论

4.1 声阻抗预测公式与声速预测公式对比分析

沉积物声阻抗是沉积物声速与密度的乘积，其与声速之间关系密切。图5所示为声阻抗与声速的相关关系，二者呈现出线性正相关关系，判定系数R2为0.90，说明声阻抗与声速相关性较高。但声阻抗和声速是2个物理含义完全不同的沉积物声学特性参数，声速反映的是声波在沉积物中传播的快慢，而声阻抗则反映的是沉积物阻止声波在其中传播的特性。因此，声阻抗与沉积物物理力学性质的相关关系与声速与沉积物物理力学性质的相关关系之间存在差异。

图5 声阻抗与声速的相关关系Fig.5 Diagrams for the correction between the acoustic impedance and the sound speed

图6为沉积物密度、液限、压缩系数与声速的相关关系图解，表3为主要物理力学参数与声速的相关关系经验回归方程及其判定系数。分别对比图1a和图6a、图2a和图6b、图4a和图6c可以看出，相对于密度、液限、压缩系数与声阻抗的相关关系，其与声速的相关关系呈现出更大的离散型，其判定系数R2分别为0.847、0.860、0.815，均小于密度、液限、压缩系数与声阻抗的判定系数，其他物理力学参数与声速的相关性也呈现出相同的规律性。对比表2和表3可以看出：表中所列的主要物理力学参数与声阻抗的相关系数均大于与声速的相关系数，说明这些参数与声阻抗具有更好的相关性，从而也说明声阻抗是一个能够更好地反映声学特性与物理力学性质关系的沉积物声学特性参数。所以，在很多应用方面，研究人员将声阻抗作为对沉积物物理力学参数进行声学遥测的重要声学参数之一。

表3 研究区沉积物声速与物理力学性质关系经验回归方程Table3 List of the empirical regression equations between the sound speed and the physical-mechanical parameters of the sediments in the study area

图6 沉积物物理力学性质参数与声速的相关关系Fig.6 Diagrams for the correction between the physical and mechanical properties and sound speed of sediments

4.2 测量频率对声阻抗的影响

声波在沉积物中传播时具有一定的频散现象，声速一般随着频率的增大而增大[16]。图7为不同类型沉积物声阻抗与频率（f）的关系，图中，声阻抗最大的为粉砂质砂，最小的为黏土质粉砂，砂质粉砂介于二者之间。对于同一类沉积物，每个频率点（25，50，100，150，200，250kHz）对应的声阻抗为该测量频率的所有样品声阻抗的平均值。从图中可以看出，不同频率的声阻抗不同，说明声阻抗存在一定的频散性。而且，与声速的频散规律相类似，声阻抗一般随着频率的增大而增大。在上述测量频段，黏土质粉砂的声阻抗频散值为39.207×103kg／（m2·s），粉砂质砂和砂质粉砂的声阻抗频散值分别为58.457×103kg／（m2·s）和54.500×103kg／（m2·s），相比较而言，黏土质粉砂的声阻抗频散性略小于粉砂质砂和砂质粉砂的声阻抗的频散性。

图7 声阻抗与频率的关系Fig.7 Diagrams for the correction between the acoustic impedance and the frequency

5 结论

1）作为海底沉积物声学特性主要参数之一的声阻抗与沉积物物理力学性质之间存在密切的相关性。通过回归分析，建立了声阻抗与沉积物主要物理力学参数的经验回归方程，给出了判定系数R2的数值。本文的研究成果将能够为该海域海底沉积物声学特性预测或基于声学方法对海底沉积物性质进行探测或遥测提供理论依据。虽然沉积物声阻抗与声速之间存在密切的相关性，但二者与沉积物物理力学性质的相关性并不完全相同。声阻抗与物理力学性质的相关性优于声速与物理力学性质的相关性，这也是人们往往将声阻抗作为对沉积物物理力学参数进行声学遥测的重要声学参数的原因所在。

2）与沉积物声速的频散规律类似，沉积物声阻抗存在一定的频散特性。不同类型沉积物声阻抗的频散性不同，粉砂质砂和砂质粉砂较大，而黏土质粉砂较小。因此，可以看出，颗粒较粗、砂粒质量分数较高的沉积物声阻抗的频散性越大，这与沉积物的双相介质特性有关。声阻抗的频散性表明，当基于某一测量频率的数据建立的声阻抗拓展应用于其他频率时要谨慎，预测方程的泛化推广需要进一步研究。另外，本文仅讨论了测量频率对声阻抗的影响，而未考虑测量时样品温度的变化对声阻抗的影响，温度对声阻抗的影响需要进一步的实验和理论研究。

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