中国近海主要表层沉积物类型的原位声学特性

李官保, 王景强, 孟祥梅, 阚光明, 刘保华

(1.自然资源部第一海洋研究所 海洋地质与成矿作用部重点实验室,山东 青岛 266061; 2.崂山实验室,山东 青岛 266237; 3.国家深海基地管理中心,山东 青岛 266237)

海底表层沉积物的声速和声衰减系数等声学特性参数对于海洋,特别是近海的声传播和声探测至关重要[1-2]。为了获取这些参数,通常采用海底取样后的实验室测试、海底原位测量以及海底反演等直接测量方法[3-8]。但相对于广阔的海域,直接测量的结果仍非常稀少,因此也有学者通过建立统计关系模型或物理模型的方式来对未知区域进行预测[9-11],而模型所需的沉积物孔隙度、粒径等基本物理参数仍需要通过海上实际测量才能获得。

根据沉积物中所含的砂、粉砂、粘土等不同粒径组分的比例关系,可以将其分为多种类型[12]。Hamilton[13-14]通过研究发现,同一类型沉积物的声学特性和物理性质具有一定程度的相似性,而对于不同的沉积类型,这些性质则具有较明显的差异。因此,他建立了沉积类型与声学特性、物理性质之间的关系,提出了利用海洋基础调查获得的沉积物类型分布图等资料来快速估算海底沉积物的声学特性的方法[1,15],这对于缺少沉积物声学特性实测资料的区域很有意义。中国的海底沉积物声学研究开展较晚,虽然自20世纪90年代以来陆续在近海区域开展了一些调查[16-18],但调查和认识程度仍较低,不足以支撑我国近年来日趋频繁的各种海洋活动对海底沉积物声学特性方面的需求。同时也注意到,通过数十年的基础海洋调查,已经基本摸清了近海海底沉积和水文环境方面的信息。在这种情况下,根据沉积类型预测声学特性具有尤其重要的意义,也具备有利的条件。

建立沉积类型与声学特性关系的前提之一是准确测量沉积物的声学特性参数。Hamilton[1]建立的沉积类型-声学特性关系主要基于传统的取样测试方法,与之相比,近年来蓬勃发展的原位测量技术,能够更准确获得海底沉积物原位状态下的声速和声衰减系数等参数,因此在SAX99、SAX04、SW06、SBCEX等一系列实验中得到广泛应用[19-23]。我国的海底声学原位测量技术在21世纪以来也得到了快速发展,其中液压式原位测量系统[17](hydraulic-driven in-situ sediment acoustic measurement System,HISAMS)或压载式原位测量系统[8,18,24](ballast in-situ sediment acoustic measurement system,BISAMS)等设备已经在近海各海区开展了调查应用,获得了大量原位测量数据。本文基于这些数据,利用统计方法建立了中国近海的沉积类型-原位声学特性关系,并与已有的研究结果进行了对比分析。研究结果有助于对近海沉积的声学特性进行总体上的评估。

1 海底声学特性数据来源

1.1 中国近海表层沉积物声学特性原位测量数据

数据来自2009年以来先后在南黄海、东海和南海北部开展的10余个航次的原位声学特性调查。航次中分别用HISAMS或BISAMS测量了1 m埋深以内沉积物的声速和声衰减系数,测量频率为30 kHz左右。Kan等[25]和王景强等[24]分别对2种原位系统的结构组成、工作原理以及数据处理方法有详细描述,这里不再重复。

将原位声速和声衰减系数分别转换为声速比和声衰减因子。声速比是相同温、压条件下沉积物声速与海水声速的比值[4]。将原位声速除以近海底海水声速得到原位声速比,用以消除各站位温度、水深差异的影响。用于声速比计算的近底海水声速,部分为原位测量时同步测得[18],部分则使用多年平均的底层海水声速[11]。将原位声衰减系数除以测量频率得到声衰减因子,Hamilton[14]认为利用声衰减因子可以对不同测量频率的原位声衰减数据进行对比。

在原位测量过程中同步开展了沉积物样品的采集,特制的小型取样器搭载于原位系统上,确保了原位测量和样品采集位置的精确一致。在实验室测试了沉积物样品的颗粒组成以及平均粒径、密度、孔隙度等物理性质,相关测试方法见文献[26]的介绍。计算原位声速比和密度的乘积得到声阻抗因子(index of acoustic impedance,IOI),该参数可以反映不依赖测试环境的海底声阻抗特性[10],对于海底声学探测有重要作用。根据谢帕德三角图分类方法,以样品中砂、粉砂、粘土的比例来确定其沉积类型[12]。图1显示了收集的总计100个海底原位测量站位的沉积物组分比例以及涵盖的各种沉积类型的站位数。其中阴影区域指示本文涵盖的沉积类型,包括砂(S)、粉砂(T)、粉砂质砂(TS)、砂质粉砂(ST)、粘土质砂(YS)、粘土质粉砂(YT)、粉砂质粘土(TY)和砂-粉砂-粘土(STY),其中砂主要为极细砂(VFS),括号中数字表示各类型沉积物的站位数量;小圆点表示各站位的组分比例测量值;菱形表示相同沉积类型各站位的颗粒组分比例平均值。在中国近海沉积类型图[27]中所列的10种沉积类型中,本文包含了除粘土(Y)和砂质粘土(SY)之外的其他所有类型(图1),具有良好的代表性。

图1 中国近海100个原位声学测站的沉积物砂-粉砂-粘土比例三角图Fig.1 Ternary diagram of the ratio of sand,silt and clay for sediment at 100 in-situ measurement stations in offshore areas of China

分别计算了同属一种类型的各站位的原位声速比、声衰减因子、平均粒径、密度、孔隙度和声阻抗因子6个参数的平均值,计算其标准差以反映各参数值的离散程度,参照Hamilton[1,14]将其以表格的形式呈现。为便于描述,以下将这种表格简称为“分类声特性表”或CAPT(classified acoustic properties table),并将中国近海基于原位测量技术建立的以及Hamilton建立的分类声特性表分别称为I-CAPT (in-situ classified acoustic properties table)和H-CAPT(Hamilton′s classified acoustic properties table),以示区分。H-CAPT中各沉积类型的颗粒组分比例平均值也标示在了图1中(大圆点)。

1.2 文献中公开的沉积物声学特性原位测量数据

自20世纪50年代以来,国际上出现了多种类型的沉积声学原位测量装置[3-4,7,17,19,22,28-30],但仅有Hamilton[3-4,28]和Richardson[31]等公开报道了部分原位测量数据。

Hamilton先后研制了人工布放和以深潜器为载体的沉积物声学特性原位测量装置-速度-衰减探针(Velocity-attenuation probe),并在美国加利福尼亚州圣地亚哥附近海域开展了原位测量,得到了声速和声衰减系数,测量频率包括14、25和100 kHz 3种;利用原位测站取得的沉积物样品,测量了其颗粒组成以及平均粒径、密度等物理性质[3-4,28],这些数据中与HISAMS和BISAMS测量频率相近的14、25 kHz的原位声学特性和对应的物理性质数据被用作本文的对比分析。

美国海军实验室研制的原位沉积声学测量系统(in situ sediment acoustic measurement system,ISSAMS)历经多次改进,在世界各地开展了原位测量工作,Richardson[31]公开了在美国、德国和意大利等地获得的沉积物原位声学特性和物理性质测量数据,其中原位测量频率包括38、43和58 kHz 3种,均与HISAMS和BISAMS测量频率相近,这里也用作对比分析。

1.3 Hamilton分类声特性表(H-CAPT)

Hamilton[1,13]统计了大陆阶地(陆架和陆坡)、深海平原和深海山地3种沉积环境中典型沉积类型的声速比和物理性质(平均粒径、密度和孔隙度)的平均值和变化范围,并以表格形式呈现,本文直接引用了与中国近海沉积环境相似的大陆阶地的统计数据,由于其中不包含各沉积类型的声衰减系数,因此利用Hamilton[14]建立的声衰减因子与孔隙度的统计关系方程,将各沉积类型的孔隙度平均值代入方程中,得到了各类型的声衰减因子的均值和浮动范围。此外,用各沉积类型的声速比和密度直接相乘得到了声阻抗指数。各沉积类型的声速比、声衰减因子、声阻抗以及密度、孔隙度和平均粒径联立成表格,形成了本文所用的Hamilton分类声特性表(H-CAPT),如表1所示。

表1 Hamilton分类声特性表(H-CAPT)Table 1 Hamilton classified acoustic properties table (H-CAPT)

2 原位声学特性分类统计结果与对比

2.1 各种类型沉积物的原位声学特性

中国近海8种典型沉积类型(图1)的声学特性以及物理性质的统计结果见表2。

表2 中国近海原位分类声学特性表(I-CAPT)Table 2 In-situ classified acoustic properties table of China offshore (I-CAPT)

以砂粒为主的沉积物类型(VFS、TS、YS)表现出高声速、高衰减、高密度、高阻抗以及低平均粒径φ值和低孔隙度特征;与之相对,以粘粒为主的沉积物(TY)表现为低声速、低衰减、低密度、低阻抗以及高平均粒径φ值和高孔隙度特征;以粉粒为主的沉积物以及砂-粉砂-粘土(STY)的各个参数则居于上述2种沉积物之间。

粉砂质粘土和粘土质粉砂的声速比均小于1,即表层沉积物为这2种类型的海底声速小于其上覆海水的声速,为低声速海底;另一种含粘土的类型砂-粉砂-粘土的声速比也接近1,显示粘土含量对沉积物声速有重要的影响。

粉砂质砂和砂质粉砂2种类型的声学特性和物理性质都比较接近。而粘土质粉砂和砂-粉砂-粘土的各个声学特性和物理性质参数都显示出较其他类型更大的离散度。

声衰减因子较其他几个参数表现出更为显著的离散度,特别是对于以砂粒为主和以粉粒为主的沉积物而言。

2.2 I-CAPT与公开的原位测量数据的比较

图2显示了I-CAPT中各沉积类型的声速比与密度、声衰减因子与孔隙度的关系,同时叠加了中国近海的原位测量站位数据和文献公开的2种原位测量站位数据。可以看出,无论声速比还是声衰减因子,I-CAPT都与Hamilton以及ISSAMS的测量数据有很好的一致性,也基本符合Jackson等[10]的ISSAMS原位声速比-密度、原位声衰减因子-孔隙度经验关系曲线(图2)。这表明,中国近海的原位测量数据与公开的原位测量数据之间具有良好的可比性,由此也可证明I-CAPT具有较高的可信度。

图2 I-CAPT与原位数据以及经验方程的对比Fig.2 Comparison among I-CAPT and in-situ data and empirical equations

2.3 与Hamilton分类声特性表(H-CAPT)的比较

图3分别列出了I-CAPT与H-CAPT中各个参数随沉积类型的变化以及对比情况,可以看出I-CAPT与H-CAPT间具有很多相似之处,如:各个参数从细粒沉积物到粗粒沉积物的变化趋势是相同的;各个类型的平均粒径和声阻抗指数基本相当(图3(e),图3(f));以砂粒为主和以粉砂为主的沉积物,其声衰减因子的离散度都比较大(图3(b))。同时也注意到,I-CAPT与H-CAPT存在很多差异,其中最为显著的是,对于相同类型的沉积物,H-CAPT的声速比普遍偏高(图3(a));而在以砂粒为主和以粉粒为主的沉积物中,H-CAPT的声衰减因子大幅偏高(图3(b)),密度偏低,孔隙度偏高,且偏离程度随着沉积物变粗而趋于增大(图3(c),图3(d))。

图3 I-CAPT与H-CAPT各参数的比较Fig.3 Comparison of acoustic and physical property parameters between I-CAPT and H-CAPT

3 讨论

H-CAPT中声学特性与物理性质的关系与Hamilton等在20世纪七八十年代建立的一系列声学特性与物理性质的回归方程[14,32-34]大致吻合,例如图2中所示的声速比-密度关系和声衰减因子-孔隙度关系。随着20世纪90年代以来ISSAMS等新型原位测量技术的发展,利用原位测量数据也建立了声学特性与物理性质的回归方程[10]。大量研究发现,对应相同的物理性质,用Hamilton等的回归方程较原位回归方程会得到偏高的声速比和声衰减系数[10-11,35-37],这从图2中H-CAPT和Hamilton/Bachman拟合曲线明显高于I-CAPT和ISSAMS原位拟合曲线也可以得到证明。考虑到H-CAPT和对应的经验方程曾广泛应用[2,38],因此很有必要探究其声学特性高估的原因,以评估其适用性。

频散现象是声波在介质中传播时声速和衰减系数随频率差异而变化的现象。早期一般认为沉积物声速的频散不存在或微弱到可以忽略,声衰减系数则随频率线性增加[14,28]。随着SAX99、SAX04等试验的开展,人们逐渐认识到沉积物中声速也存在频散,声衰减系数也不是完全的随频率线性变化[5,21,30,39]。由于I-CAPT和ISSAMS原位回归方程分别基于测量频率为30 kHz和38～58 kHz的原位测量数据,而H-CAPT和Bachman/Hamilton回归方程则主要基于200 kHz的沉积物样品测试数据,需要首先确认两者的差异是否由频散引起。

为此,采用粘性颗粒剪切(viscous grain-shearing,VGS)理论[40-42]对3种代表性沉积类型(极细砂、粉砂和粉砂质粘土)的声学特性随频率的变化进行了计算,以确认I-CAPT和H-CAPT是否符合理论的频散关系。Biot-Stoll模型[43-45]和VGS模型是目前应用较广的沉积物声传播理论模型,本文选择VGS模型的原因主要是其已经被证明对于砂质沉积和泥质沉积都有较好的适用性,且其满足因果律[22,41-42]。

在VGS理论中,压缩波速cp和衰减αp与角频率ω的关系表示为[40-42]:

(1)

(2)

式中:i2=-1,n为应变硬化指数;χ为颗粒剪切系数;T=1 s;c0为沉积物的Wood声速;g(ω)为表示沉积物粒间孔隙水粘滞效应的方程。

Wood声速c0为:

(3)

式中:κ0和ρ0为沉积物的体积模量和密度,分别与沉积物孔隙度N、颗粒和孔隙水的体积模量κg和κw、密度ρg和ρw有关。

g(ω)表示为:

(4)

式中τ为粘弹性时间常数,决定了声衰减曲线的转换频率f0:

f0=1/2πτ

(5)

式(1)和(2)中除n和χ之外的其他参数均采用文献中的经验值,n和χ之则可根据声速和声衰减系数计算得到。角频率为ω1的原位声速cp(ω1)和声衰减系数αp(ω1)与应变硬化指数n有:

(6)

式中:

X=cp(ω1)αp(ω1)/ω1

(7)

根据式(6)计算出n后,再将n和cp(w1)代入式(1),可以计算出χ。

根据上述方法,利用原位声速比和声衰减系数推算了模型参数(表3),然后利用模型计算200 kHz的声学特性,并与对应的H-CAPT的声学特性进行对比。由于孔隙度参数对VGS模型计算结果的重要控制作用,而I-CAPT和H-CAPT对应沉积类型的孔隙度存在差异,因此用于对比的200 kHz声学特性是将I-CAPT中的孔隙度或密度代入Bachman/Hamilton经验方程[32-34]得到的。此外,还利用Jackson等[10]建立的样品声学特性经验方程(对应图2中的J&R实验室数据拟合曲线,其测试频率为400 kHz)和3种类型的孔隙度或密度,计算了对应的400 kHz的声学特性并与模型计算结果进行对比。

表3 拟合3种沉积类型声学特性频散的VGS模型参数Table 3 Parameter values used in VGS theory for dispersion modelling of three types of sediment

图4显示了3种沉积类型的声学特性的理论频散曲线及其与原位和样品测试数据统计值的对比情况,其中3条实线分别为极细砂(VFS)、粉砂(T)和粉砂质粘土(TY)的模型计算曲线,三角形为原位数据,圆形和菱形分别为200 kHz和400 kHz的测试数据。由于使用了原位数据进行模型参数计算,因此原位声速和声衰减系数均与理论曲线吻合。在图4(a)中,从极细砂到粉砂再到粉砂质粘土,声速比随频率的变化梯度逐渐降低。400 kHz的测试数据与理论曲线大致吻合或略微偏高,而200 kHz的测试数据则较理论曲线显著偏高。

图4 利用VGS模型计算的3种沉积类型的声学特性与统计值的对比Fig.4 Dispersion curves for three types of sediment and comparison to point frequency data

在图4(b)中,3种沉积类型的声衰减系数均大致随频率呈线性变化,而200 kHz和400 kHz的测试数据均不同程度地偏离理论曲线,其中极细砂的测试数据偏高,粉砂的偏低,而粉砂质粘土的2种数据则分别位于理论曲线两侧,显示了声衰减系数预测的复杂性,也与声衰减系数测量相对较高的不确定程度有关,这也是H-CAPT与I-CAPT的声衰减因子都显示较高离散度的原因。

通过上述对比可以看出,H-CAPT中较I-CAPT偏高的声速比无法用频散现象来解释,而声衰减因子也并不完全符合频率的线性关系。Jackson等[10]认为沉积物组成的不同以及沉积物的扰动都是可能造成偏离的原因。但从图1和图2中可以看出,H-CAPT与I-CAPT的各类型沉积物中颗粒组分占比的平均值、平均粒径都比较接近,而且这些参数均不会在取样和后期测试过程中发生显著改变,因此声学特性的差异可能还归咎于因取样、搬运等过程中发生扰动而导致的水分、结构相对于海底原位状态下不同程度的改变[24,47]。无论如何,H-CAPT对声学特性-特别是声速比的高估是客观存在的,因此在涉及海底声学特性预测时,建议优先使用I-CAPT或者相关的原位经验方程。

也应注意到,无论I-CAPT还是H-CAPT,其声衰减因子的离散度都较高。事实上,相对于声速比,沉积物声衰减的预测更为困难,现有的经验方程相对较低的确定度,影响了其用于衰减预测的效果,因此在实际应用中采用实测值更有意义。而考虑到取样过程中失水以及样品结构变化(粗粒沉积物更容易发生)可能对衰减测量结果的影响,利用原位测量技术获得的声衰减值比样品在实验室中的测量值更为可信。

4 结论

1)中国近海的原位声学特性与前人利用各种原位测量设备得到的数据基本一致,也符合相关的原位声学特性经验方程;

2)早期Hamilton按照沉积类型统计的声学特性显著高于中国近海的原位声学特性统计结果,基于VGS理论的模拟计算结果显示这种偏高并非完全由声学特性的频散效应引起;

3)由于Hamilton统计结果对声学特性的高估,所以当对缺少直接测量数据的海域进行沉积物声学特性预测时,建议优先使用原位声学特性统计结果。

需要提及的是,中国近海分类原位声特性表中的声速和声衰减都是基于单一频率(30 kHz)的原位测量数据。由于声速和声衰减均存在频散效应,而且各种类型的沉积物的频散程度也不同,因此在使用时应特别注意频率的差异。此外,目前用于统计的原位测量数据仍比较少,导致声衰减因子等参数的不确定度较高,因此建议仅在缺乏实测数据时做辅助性使用。