南黃海中部海底沉積物剪切波速度測量及其與物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的關(guān)系*1

闞光明，張一凡,蘇遠(yuǎn)峰，李官保，孟祥梅

(1. 國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061；2. 國家海洋局 海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061；3. 中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100)

南黃海中部海底沉積物剪切波速度測量及其與物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的關(guān)系*1

闞光明1,2，張一凡3,蘇遠(yuǎn)峰1,2，李官保1,2，孟祥梅1,2

(1. 國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061；2. 國家海洋局 海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061；3. 中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100)

采用彎曲元剪切波測試方法對在南黃海中部采集到的沉積物樣品進(jìn)行了剪切波速度測試，基于所獲得的剪切波速度數(shù)據(jù)，分析了研究區(qū)沉積物剪切波速度特性及分布規(guī)律。分析表明，沉積物剪切波速度為12.05～74.55 m/s，總體相對較低。淺表層沉積物剪切波速度呈現(xiàn)出分區(qū)域分布特征，可分為東北部低速區(qū)、西南部高速區(qū)、北西-南東向梯度帶以及測區(qū)東南部的低速背景上的串珠狀高速異常區(qū)四個區(qū)域。通過回歸分析，建立了剪切波速度與密度、含水率、孔隙比、孔隙度、液限、塑限、壓縮系數(shù)、抗剪強(qiáng)度等沉積物物理力學(xué)參數(shù)之間相互關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)回歸公式?；貧w分析結(jié)果表明，海底沉積物剪切波速度與上述物理力學(xué)參數(shù)之間均具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R均大于0.80。

海底沉積物；剪切波速度；彎曲元系統(tǒng)；經(jīng)驗(yàn)回歸公式；南黃海

沉積物剪切波速度是海底沉積物的聲學(xué)特性重要參數(shù)之一，剪切波速度的測量和分析在海洋聲場預(yù)測預(yù)報、海底地聲模型研究以及海洋工程勘察等方面均具有重要應(yīng)用[1-4]。在海洋聲學(xué)研究方面，海底淺表層沉積物剪切波傳播特性對于海洋水聲傳播實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋和聲場預(yù)報等應(yīng)用都具有重要意義[5]。在海底地聲模型研究方面，沉積物剪切波速度是建立完整的海底地聲模型不可缺少的特征參數(shù)[6]。在海洋工程應(yīng)用方面，沉積物剪切模量和剪切波速度實(shí)驗(yàn)室測量被廣泛應(yīng)用于地基承載力、地震導(dǎo)致的砂土液化以及固結(jié)行為研究等方面[7]。因此，研究海底沉積物剪切波速度空間變化規(guī)律以及剪切波速度與沉積物物理性質(zhì)參數(shù)的關(guān)系，對于沉積物剪切波速度及其分布特征的預(yù)測預(yù)報以及基于剪切波速度對海底沉積物物理和土工性質(zhì)進(jìn)行評價等具有重要意義。

海底沉積物聲速和聲衰減系數(shù)等聲波傳播特性及其與物理力學(xué)特性參數(shù)的關(guān)系已有廣泛研究[8-12]。相比較而言，海底沉積物剪切波速度測量和研究目前還處于初步階段。盧博等對我國沿海典型海域的剪切波速度進(jìn)行了初步分析，給出了剪切波速度與沉積物密度和液限兩個參數(shù)的回歸關(guān)系[5]。潘國富等對彎曲元法和共振柱法兩種剪切波測試方法進(jìn)行了對比分析，基于測量數(shù)據(jù)建立了剪切波速度與沉積物密度、含水率、孔隙度、液限、塑限以及剪切波速度與聲速的回歸關(guān)系[13]，但研究所涉及的剪切波樣品測試數(shù)據(jù)相對較少。對在我國南黃海中部海域采集到的大量沉積物樣品進(jìn)行了剪切波速度測試。基于這些測試數(shù)據(jù)，分析了研究區(qū)沉積物剪切波速度特性以及空間分布規(guī)律；通過回歸分析，建立了沉積物剪切波速度與密度、含水率、孔隙比、孔隙度、液限、塑限、壓縮系數(shù)、抗剪強(qiáng)度等多個物理力學(xué)參數(shù)之間相互關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)回歸公式，研究了剪切波速度與這些物理力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于南黃海中部海域(圖1)，水深15～80 m。研究區(qū)沉積環(huán)境比較復(fù)雜，沉積物物質(zhì)來源豐富多樣，進(jìn)入黃海中部的物質(zhì)在風(fēng)、浪、環(huán)流和潮流的共同作用下，形成了多種類型的海底沉積物[14-15]。測區(qū)中部和東部底質(zhì)以粉砂質(zhì)粘土和粘土質(zhì)粉砂為主，西南部靠近蘇北淺灘，以粉砂、細(xì)砂為主，西北部底質(zhì)主要為粉砂質(zhì)砂。

圖1 研究區(qū)位置圖(圖中陰影區(qū))Fig.1 Location map of the study area, indicated by shaded square

1.2 材料與方法

2009-06和2010-06在該區(qū)域使用重力取樣器和箱式取樣器開展了海底沉積物取樣。2個航次共完成沉積物取樣303站位，獲得沉積物柱狀樣品433.0 m。航次結(jié)束后，將樣品放入恒溫恒濕樣品庫，然后進(jìn)行包括剪切波速度在內(nèi)的聲學(xué)特性參數(shù)以及物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)測試。

使用英國GDS儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的彎曲元剪切波測試系統(tǒng)對樣品進(jìn)行測試，該系統(tǒng)采用2個壓電陶瓷彎曲元換能器發(fā)射和接收剪切波，進(jìn)而測量剪切波速度，其測量原理如圖2所示。每個彎曲元換能器安裝有由緊密粘結(jié)的2片或多片壓電陶瓷晶片組成的彎曲元晶片，彎曲元晶片一端固定，另一端可自由振動，形成懸臂結(jié)構(gòu)。當(dāng)彎曲元晶片通電后，懸臂端產(chǎn)生彎曲變形；反之，當(dāng)彎曲元晶片受力發(fā)生彎曲時，將產(chǎn)生電流，從而發(fā)射和接收剪切波信號(圖2a)。在實(shí)驗(yàn)室剪切波速度測量時，將彎曲元換能器固定于樣品兩端，彎曲元晶片的懸臂端被插入沉積物中并確保與沉積物試樣良好耦合，一端發(fā)射剪切波，另一端接收。根據(jù)接收到的剪切波信號的初至?xí)r間和測試樣品試樣長度，采用下列公式計算樣品剪切波速度：

CS=L/(T2-T1)

(1)

式中,CS為沉積物樣品剪切波速度(m/s)；L為試樣上下兩端之間的距離(m)；T1和T2分別為發(fā)射剪切波和接收剪切波的初至?xí)r間(s)。

圖2 沉積物剪切波速彎曲元測試系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.2 Sketch of work principle of bender element system used for measurement of shear wave speeds

在進(jìn)行樣品測試時，首先將樣品按要求進(jìn)行截取和分割。將用于剪切波速度測試的樣品制備成直徑3.91 cm，高8 cm的圓柱試樣。將樣品放置在專用的測試平臺上，將彎曲元換能器分別固定在樣品兩端，如圖2b所示。測量時，保證彎曲元換能器與樣品良好耦合，且發(fā)射換能器的發(fā)射晶片與接收換能器的接收晶片同向平行，二者不能交叉垂直。使用千分之一游標(biāo)卡尺測量樣品長度，保證樣品長度測量精度不低于0.1 mm。剪切波聲速測量頻率一般為2～5 kHz，含水率較大的淤泥質(zhì)樣品測量頻率可設(shè)置為2 kHz，硬度較大的砂質(zhì)樣品設(shè)置為5 kHz。對于截取的每段樣品，制備成3份測量試樣，分別測量每個試樣的剪切波速度，然后求取平均值即為該段樣品的剪切波速度。截取剩余的其余樣品進(jìn)行了聲速和聲衰減系數(shù)等聲學(xué)特性測量以及密度、含水率、孔隙度、液限、塑限、壓縮系數(shù)、抗剪強(qiáng)度、貫入阻力等物理參數(shù)力學(xué)參數(shù)的測試。

采用上述測量技術(shù)和方法，采用2種頻率對研究區(qū)沉積物樣品的剪切波速度進(jìn)行了測試，獲得了不同沉積物類型和不同深度的沉積物剪切波速度數(shù)據(jù)。

2 研究區(qū)剪切波速度特性及分布規(guī)律

2.1 研究區(qū)剪切波速度特性

研究區(qū)剪切波速度介于12.05～74.55 m/s，不同類型沉積物的平均剪切波速度見表1。其中，最小剪切波速度(12.05 m/s)出現(xiàn)在含水率較高的粉砂質(zhì)粘土沉積物中。波羅的海Eckernf?rde灣的高孔隙度沉積物剪切波速度約為7.7 m/s[7]，這與本文12.05 m/s的最小剪切波速度基本一致。測量得到的最高剪切波速度(74.55 m/s)的沉積物類型為含水率相對較低的粉砂質(zhì)砂。潘國富等認(rèn)為近海較細(xì)顆粒沉積物粉砂的剪切波速度約為100 m/s，細(xì)顆粒沉積物的剪切波速度在100 m/s以下[13]，這與本研究中的最大剪切波速度基本一致。從表1所列沉積物粒徑數(shù)據(jù)可知，研究區(qū)內(nèi)沉積物均為顆粒較細(xì)的粉砂或粘土質(zhì)沉積物，剪切波速度相對較低。通過上述的對比可知，我們測量所獲得剪切波速度是合理有效的。

表1知，粉砂質(zhì)砂的剪切波速度最高，平均為31.300 m/s；粉砂質(zhì)粘土的剪切波速度最低，平均為21.855 m/s；砂質(zhì)粉砂、粉砂、粘土質(zhì)粉砂的剪切波速度平均值處于二者之間，且剪切波速度依次減小，平均值分別為29.695,28.706和25.612 m/s。剪切波速度與密度、含水率、孔隙度等沉積物物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)具有很好的相關(guān)性，一般隨密度增大而增大，隨含水率、孔隙度的增大而減小。

表1 研究區(qū)沉積物物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)與剪切波速統(tǒng)計表Table 1 List of physical-mechanical parameters and shear wave speeds from the sediments in the study area

2.2 研究區(qū)剪切波速度平面分布規(guī)律

在平面分布上，本區(qū)沉積物剪切波速呈現(xiàn)出分區(qū)域分布的特征。根據(jù)剪切波速度研究區(qū)可分為東北部低速區(qū)、西南部高速區(qū)、北西-南東向梯度帶以及測區(qū)東南部的低速背景上的串珠狀高速異常區(qū)等4個區(qū)域。東北部的低速區(qū)剪切波速度為12.0～20.0 m/s，西南部高速區(qū)剪切波速度約為36.0～70.0 m/s。測區(qū)的東南部存在一低速背景上的高速串珠狀高速異常，背景剪切波速度約為18.0～20.0 m/s，局部的高速異常剪切波速度為40.0 m/s。在低速區(qū)和高速區(qū)之間存在一北西-南東走向的剪切波速度梯度帶，其剪切波速度值約為20.0～36.0 m/s。測區(qū)西南部，在高速背景速度基礎(chǔ)上，存在3個局部的低剪切波速度異常，剪切波速度約為30.0～36.0 m/s。

3 研究區(qū)剪切波速度與物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的關(guān)系

為了分析研究區(qū)沉積物剪切波速度與沉積物物理力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，繪制了密度、含水率、孔隙比、孔隙度、液限、塑限等物理性質(zhì)參數(shù)以及壓縮系數(shù)、抗剪強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)與剪切波速度的二維相關(guān)圖解，如圖3～圖10所示。對沉積物剪切波速度數(shù)據(jù)和物理參數(shù)分別進(jìn)行回歸分析，將沉積物剪切波速度作為因變量，密度、含水率、孔隙比、孔隙度、液限、塑限、壓縮系數(shù)、抗剪強(qiáng)度等物理力學(xué)參數(shù)作為自變量，采用最小二乘法分別得出了沉積物剪切波速度與密度、含水率、孔隙比、孔隙度、液限、塑限的回歸公式，建立了剪切波速度單參數(shù)預(yù)測方程，見表2。

表2 剪切波速預(yù)測公式Table 2 Predicting formula of shear wave speeds

圖3～圖10表明，沉積物剪切波速度與密度、含水率、孔隙比、孔隙度、液限、塑限、壓縮系數(shù)、抗剪強(qiáng)度等物理力學(xué)參數(shù)之間均具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R均大于0.80。從圖3可以看出，剪切波速度與密度呈正相關(guān)關(guān)系，隨著密度增大，剪切波速度呈指數(shù)形式增大，二者相關(guān)系數(shù)R=0.88(表2)。密度是指海底淺表層沉積物在一定單位體積內(nèi)的顆?？傊嘏c總體積之比，在一定體積內(nèi)顆?？傊卦酱蟊砻鹘橘|(zhì)中顆粒所占的重量比例越大，這從另一方面也解釋了沉積物密度越大則剪切波速度也越大的現(xiàn)象。

圖3 剪切波速度與密度統(tǒng)計相關(guān)圖Fig.3 Diagrams for the correlation between theshear wave speeds and the density of the sediments

圖4 剪切波速度與含水率統(tǒng)計相關(guān)圖Fig.4 Diagrams for the correlation between the shearwave speeds and the percent moisture of the sediments

圖5 剪切波速度與孔隙比統(tǒng)計相關(guān)圖Fig.5 Diagrams for the correlation between the shear wave speeds and the porosity ratio of the sediments

圖6 剪切波速度與孔隙度統(tǒng)計相關(guān)圖Fig.6 Diagrams for the correlation between the shear wave speeds and the percent porosity of the sediments

圖7 剪切波速度與液限統(tǒng)計相關(guān)圖Fig.7 Diagrams for the correlation between the shear wave speeds and the liquid limit of the sediments

圖8 剪切波速度與塑限統(tǒng)計相關(guān)圖Fig.8 Diagrams for the correlation between the shear wave speeds and the plastic limit of the sediments

圖9 剪切波速與壓縮系數(shù)Fig.9 Diagrams for the correlation between the shear wave speed and the compression coefficient

圖10 剪切波速與抗剪強(qiáng)度Fig.10 Diagrams for the correlation between the shear wave speed

圖4～圖6表明，剪切波速度與含水率、孔隙比、孔隙度三參數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著含水率、孔隙比、孔隙度的增大，剪切波速度減小。采用二次多項式對剪切波速度與含水率和孔隙比的相關(guān)性進(jìn)行擬合，二者相關(guān)系數(shù)分別為0.87和0.86；而剪切波速度與孔隙度則呈現(xiàn)出明顯的指數(shù)關(guān)系，指數(shù)擬合的相關(guān)系數(shù)為0.87。含水率、孔隙比、孔隙度等參數(shù)表述的是沉積物的兩相特征，即海底沉積物是由固體骨架和骨架間孔隙中充填的流體組成。含水率高、孔隙度大的沉積物表現(xiàn)出更大的流體性質(zhì)，而低含水率、低孔隙度的沉積物則表現(xiàn)出更多的彈性性質(zhì)。因此，在低含水率、低孔隙度的沉積物中，剪切波速度一般較高。相關(guān)測試數(shù)據(jù)表明，同為粒度大小基本相同的粘土，近岸低含水率、低孔隙度的硬粘土的剪切波速度可超過200 m/s，而近海高含水率、高孔隙度的粘土的剪切波速度卻非常低，常小于50 m/s，甚至小于20 m/s。這與本研究中剪切波速度的測試結(jié)果以及剪切波速度與含水率、孔隙比和孔隙度的關(guān)系相一致。

由圖7、圖8可知，剪切波速度與沉積物液限、塑限呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著液、塑限的增大，沉積物剪切波速度呈明顯的減小趨勢。剪切波速度與沉積物液限和塑限之間的相關(guān)性可采用二次多項式進(jìn)行很好擬合，二者相關(guān)系數(shù)分別為0.87和0.82。沉積物液限和塑限值高在一定程度上表明粘粒含量高，顆粒細(xì)，孔隙多，因而剪切波速度小。

由圖9、圖10可知，剪切波速度與沉積物壓縮系數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與抗剪強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系。剪切波速度與沉積物壓縮系數(shù)和抗剪強(qiáng)度之間的相關(guān)性可采用二次多項式進(jìn)行很好擬合，二者相關(guān)系數(shù)分別為0.80和0.81。壓縮系數(shù)指的是單位壓力變化時引起的介質(zhì)單位體積的變化，其倒數(shù)為體積模量，反映沉積物的可壓縮性。沉積物壓縮波速一般與體積模量呈正相關(guān)，與壓縮系數(shù)呈負(fù)相關(guān)，而沉積物剪切波速度與壓縮波速度一般呈線性正相關(guān)。這也從另一方面解釋了剪切波速度與沉積物壓縮系數(shù)的負(fù)相關(guān)關(guān)系?？辜魪?qiáng)度是沉積物主要的力學(xué)特性參數(shù)之一，指的是沉積物抵抗剪切破壞的極限能力。沉積物抗剪強(qiáng)度反映了沉積物承載剪切應(yīng)力的能力，抗剪強(qiáng)度大說明承載剪切應(yīng)力能力強(qiáng)，也就越利于剪切波的傳播。反之，如果沉積物的抗剪強(qiáng)度非常小，則說明其不支持剪切波傳播，即剪切波速度非常小或?yàn)榱恪D10所示的統(tǒng)計相關(guān)性圖解以及表1中給出的剪切波速度與抗剪強(qiáng)度關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)回歸公式也說明了剪切波速度與抗剪強(qiáng)度的這種正相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié) 語

對南黃海海底沉積物剪切波速度實(shí)測數(shù)據(jù)的分析表明，研究區(qū)剪切波速度可分為東北部低速區(qū)、西南部高速區(qū)、北西-南東向梯度帶以及測區(qū)東南部的低速背景上的串珠狀高速異常區(qū)四個區(qū)域。沉積物剪切波速與密度、含水率、孔隙比、孔隙度、液限、塑限、壓縮系數(shù)、抗剪強(qiáng)度等物理力學(xué)參數(shù)具有良好的相關(guān)性，建立的剪切波速度預(yù)測方程可以用于研究區(qū)綜合地聲模型的研究以及研究區(qū)工程地質(zhì)參數(shù)的反演和評價。

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ShearWaveSpeedsMeasuredforSedimentsFromtheMiddleoftheSouthernYellowSeaandTheirCorrelationsWithPhysical-mechanicalParameters

KAN Guang-ming1,2, ZHANG Yi-fan3, SU Yuan-feng1,2, LI Guan-bao1,2, MENG Xiang-mei1,2

(1.TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061, China;2.KeyLaboratoryofMarineSedimentologyandEnvironmentalGeologyofSOA, Qingdao 266061, China; 3.CollegeofMarineGeosciences,OceanUniversityofChina, Qingdao 266061, China)

The shear wave speeds of core samples collected from the middle of the Southern Yellow Sea are measured using bender elements method, and then the properties of shear wave speeds and its spatial distribution are analyzed based on the measured data of shear wave speeds. It is demonstrated that the shear wave speeds of the study area are relatively low, ranging form 12.05 m/s to 74.55 m/s. The zonal distribution of shear wave speeds are divided into four sub-zones: low speed sub-zone in the northeast; high speed sub-zone in the southwest; speed gradient band aligning from northwest to southeast; and high-speed beaded anomaly in the low speed background in the southeast. The empirical equations with good coefficients (R>0.80) between shear wave speeds and physical-mechanical parameters, such as density, percent moisture, porosity ratio, percent porosity, liquid limit, plastic limit, compression coefficient, shear strength of seafloor sediments, were built up by means of regression analysis.

seafloor sediment; shear wave speed; bender elements system; empirical equation; Southern Yellow Sea

August 30, 2013

2013-08-30

國家自然科學(xué)基金項目——南黃海中部海底沉積物聲學(xué)特性及地聲模型研究(41106061)；國家海洋局青年基金項目——溫度和壓力變化對海底沉積物聲學(xué)特性影響及校正方法(2012318)；國家海洋局第一海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金項目——南黃海中部海底原位地聲模型研究(GY0213G24)

闞光明(1981-)，男，山東成武人，博士，助理研究員，主要從事海底沉積聲學(xué)方面研究.E-mail：kgming135@fio.org.cn

(陳 靖 編輯)

P733.23；P736.21

A

1671-6647(2014)03-0335-08