南黃海中部海底沉積物聲阻抗特性

闞光明，蘇遠峰，劉保華，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境地質重點實驗室，山東 青島 266061

3.國家深海基地管理中心，山東 青島 266061

0 前言

海底是聲波在海水中傳播的重要邊界，海底沉積物的聲速、聲衰減系數、聲阻抗等聲學特性參數與海底沉積物物理特性有著密切的關系。描述二者關系的海底地聲模型是利用聲學方法對海底沉積物物理力學及工程性質進行遙測、反演和評價的基礎，在海底資源調查和開發、海洋工程勘察以及海底穩定性評價等方面具有重要的價值[1-3]。國內外研究人員對海底沉積物聲學特性與物理力學性質的關系進行了大量研究：Hamilton[4-5]和 Anderson[6]建立了大陸架和大陸坡沉積物、深海丘陵沉積物、深海盆地沉積物物理力學性質與沉積物聲速之間的關系，給出了聲速與孔隙度、密度、平均粒度、黏土顆粒含量之間的回歸方程；盧博等[7-8]、唐永祿[9]、鄒大鵬等[10]、潘國富等[11]、程凈凈等[12]對我國南海北部陸架、臺灣海峽、東海陸架以及南黃海中部等海區的海底沉積物聲速與沉積物密度、含水量、孔隙度、孔隙比等物理力學參數關系進行了研究，建立了多個經驗公式。但上述研究人員主要研究了沉積物聲速、剪切波速等聲學參數與沉積物物理參數之間的關系，而對作為沉積物重要聲學參數之一的聲阻抗特性則研究很少。

聲阻抗是海底沉積物聲學特性的主要參數之一，同時也是確定和計算海底反射和透射系數的主要參數。沉積物聲阻抗與沉積物物理性質參數之間的經驗回歸方程常常被用來遙測和估算沉積物孔隙度、體密度、粒徑等沉積物物理性質參數[13]。許多沉積物聲學分類系統也是使用回波振幅來估算海底聲阻抗，進而對海底沉積物類型進行遙測和分類[2-3]。筆者利用在南黃海中部海域獲得的大量海底沉積物樣品及其聲學特性和物理力學性質測試數據，對該海域海底沉積物聲阻抗特征進行分析和研究，揭示研究區海底沉積物聲阻抗分布規律，建立聲阻抗與物理力學參數的回歸關系，并對聲阻抗和聲速與沉積物物理力學參數的相關性進行對比分析，以期能夠為該海域海底沉積物聲學特性預測或基于聲學方法對海底沉積物性質進行探測或遙測提供理論依據。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區概況

研究區位于南黃海中西部（北緯33°46′26.4″-36°20′46.8″，東經121°30′51.0″-123°48′55.8″），水深為17～83m，近陸水深較淺，向海變深。研究區沉積環境比較復雜，沉積物物質來源豐富多樣，進入黃海中部的物質在風、浪、環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]。測區中部和東部底質以粉砂質黏土和黏土質粉砂為主，西南部靠近蘇北淺灘，以粉砂、細砂為主，西北部底質主要為粉砂質砂。

1.2 數據來源

國家海洋局第一海洋研究所分別于2009年6月和2010年6月在該南黃海中部海域使用重力取樣器和箱式取樣器開展了大規模海底沉積物取樣。2個航次共完成沉積物取樣287站位，獲得沉積物柱狀樣品433.0m。重力取樣管內襯為直徑110.0 mm、壁厚約2mm的PVC襯管，取得樣品后把PVC管連同沉積物一起從取樣管中取出，兩端封好，做好標記。箱式取樣器采集到原狀樣品后，使用PVC管插入到箱式樣中以獲得短柱狀樣，采樣同樣方法將樣品封裝好。重力取樣器獲得的柱狀樣一般較長，最長達3.40m，箱式樣取樣深度一般為0.5～0.6m。航次結束后，上述樣品從船上搬運到恒溫恒濕樣品庫中，然后進行聲學特性參數以及物理力學性質參數測試。

在實驗室進行樣品測試時，首先將樣品按要求進行截取和分割，一般切割成30cm一段（根據實際情況切割長度有所調整）。然后將樣品放置在柱狀樣品實驗室測試平臺上對樣品聲速進行測試。聲速計算公式如下：

式中：c為沉積物樣品聲速，m／s；L為柱狀沉積物樣品長度，mm；t為聲波穿透時間，μs；t0為零聲時修正值，μs。在自行研制的測量平臺上使用WSD-3型數字聲波儀采用透射法進行樣品聲速測量，平臺的樣品長度測量精度為0.1mm，數字聲波儀的聲時判讀精度為±0.1μs，完全滿足該實驗測量精度的要求[16]。采用3種不同長度的有機玻璃棒對儀器測量精度進行了標定，結果顯示測量誤差小于1%，滿足國家標準對海底沉積物聲速測量準確度為±3%的要求。

測試完聲速后將樣品從PVC管中推出，然后進行物理力學性質測試，測試項目包括液限、塑限、顆粒成分、密度、含水量、無側限抗壓強度、壓縮系數、貫入阻力、抗剪強度等。上述參數測量方法可參考文獻[16]，實驗儀器均在標定的有效期限內，測量精度符合國家標準的相關要求。

沉積物聲阻抗是聲速與密度的乘積，其計算公式如下：

式中：Za為沉積物聲阻抗，kg／（m2·s）或（Pa·s）／m；ρ為沉積物密度，kg／m3。

實驗室測試過程中，采用6種不同頻率（25，50，100，150，200，250kHz）的聲學換能器對每段樣品進行了聲學性質參數測量。本文聲阻抗特性討論主要基于以下兩點考慮，選用頻率為100kHz的聲速數據，共343組：1）雖然不同頻率的聲阻抗值有所不同，但其分布特征以及與沉積物物理力學性質的關系趨勢基本相同；2）相對于其他頻率的數據，處于中間頻段的頻率為100kHz的聲阻抗數據量最多，更具有代表性。

2 研究區海底沉積物物理力學性質及波阻抗特征

2.1 沉積物物理力學性質

研究區沉積物主要包括粉砂質砂、砂質粉砂、粉砂、黏土質粉砂、粉砂質黏土等5種類型，主要物理力學性質指標見表1。本區沉積物呈現出分區域分布特征。研究區西南部，沉積物以粉砂質砂、粉砂、砂質粉砂為主，砂粒質量分數（ws）較高（粉砂質砂的ws最高，平均值為54.6%），黏粒質量分數（wc）較低（粉砂的wc最低，平均值為15.5%），平均粒徑較大；在研究區東北部，沉積物以粉砂質黏土、黏土質粉砂為主，多呈流塑狀態，ws較低（粉砂質黏土的ws最低，平均值僅為3.0%），wc較高（粉砂質黏土的wc高達66.0%），平均粒徑較小。

表1 研究區沉積物物理力學性質參數與聲學特性參數統計表Table1 Statistics of physical-mechanical and acoustic properties of the sediments in the study area

從表1中可以看出，不同類型沉積物的基本物理性質參數差別很大。其中：粉砂質砂的密度最大，而含水率和孔隙度最小；粉砂質黏土的密度最小，而含水率和孔隙度最大。其余3種類型沉積物的密度、含水率、孔隙度介于粉砂質砂和粉砂質黏土之間，按照砂質粉砂、粉砂、黏土質粉砂的順序，密度依次較小，而含水率、孔隙度依次升高。由此，沉積物密度、含水率、孔隙度與粒徑存在密切關系，隨著粒徑減小（即顆粒變細），密度減小，而含水率和孔隙度增大。本區所涉及的沉積物類型中，粉砂質黏土的液限、塑限、塑性指數最大，而粉砂質砂的液限、塑限、塑性指數最小，其余類型沉積物的液限、塑限、塑性指數介于二者之間。由此，海底沉積物可塑性的指標與顆粒粒徑和黏粒質量分數密切相關，一般顆粒粒徑小，黏粒質量分數高，則可塑性好，反之則差。在沉積物力學性質參數方面，本區粉砂質砂、砂質粉砂、粉砂的壓縮系數均較低，屬于低壓縮性沉積物；而黏土質粉砂、粉砂質黏土的壓縮系數較高。由此，沉積物的壓縮性大小與其密度和結構等因素有關，壓縮系數基本上隨著密度的增大而減小，隨著孔隙度的增大而增大。本區所涉及的沉積物類型中，粉砂的抗剪強度最大，粉砂質黏土的抗剪強度最小，其余類型沉積物的抗剪強度介于二者之間。由此，不同類型沉積物的抗剪強度未呈現出明顯的變化規律，與其他物理力學參數的依賴關系也不明顯。

2.2 沉積物聲阻抗及其分布規律

聲速測量過程中同步測量樣品溫度，其變化范圍為12.2～25.1℃。需要說明的是，本文未考慮溫度對沉積物聲速的影響，聲速數據均為測量時溫度條件下的沉積物聲速。本文所涉及的沉積物聲速特性均是實驗室常壓下（約為一個大氣壓）測得的，因此可以認為是在相同壓力環境下的數據。王琪等[17]根據不同壓力環境下沉積物聲速測量實驗結果認為，在水深小于1000m（10MPa）時水深對海底沉積物聲速的影響可以忽略。筆者認為，對于淺層海底沉積物，水深（壓力）對沉積物聲速的估算可以借鑒海水聲速的計算公式。對于本研究區17～83m的水深變化范圍，根據Mackenzie[18]公式計算得出的由水深（壓力）導致的聲速變化非常小（約為1.08m／s）。因此，本文的聲速測量數據未進行壓力因素的校正。

本區聲阻抗值為（2.0651～3.4567）×106kg／（m2·s），與唐永祿[19]報道的我國近海海底沉積物聲阻抗值相當。不同類型沉積物之間聲阻抗變化規律與聲速變化規律相同。其中：粉砂質砂的聲阻抗最大，為（2.5617～3.4567）×106kg／（m2·s），平均值為3.0744×106kg／（m2·s）；而粉砂質黏土的聲阻抗最小，為（2.0651～2.7029）×106kg／（m2·s），平均值為2.2392×106kg／（m2·s）；砂質粉砂、粉砂、黏土質粉砂的聲阻抗介于粉砂質砂和粉砂質黏土之間，平均值分別為3.0088×106kg／（m2·s）、2.8276×106kg／（m2·s）、2.6568×106kg／（m2·s）。

在平面分布上，本區沉積物聲阻抗呈現出分區域分布的特征。研究區西南部為聲阻抗高值區，其值為（2.8～3.4）×106kg／（m2·s）；研究區東北部的聲阻抗較低，其值一般小于2.3×106kg／（m2·s）。在聲阻抗高值區與低值區之間，存在一走向為北西-東南向的聲阻抗梯度帶，其值為（2.3～2.8）×106kg／（m2·s）。需要指出的是，雖然本區的水深也呈現出西南淺而東北深的分布特征，但沉積物聲阻抗的分區域分布特征與水深并未有直接的關系，原因在于：1）聲速一般隨水深（壓力）增大而增大，與聲速具有密切對應關系的聲阻抗也應遵循同樣的規律，而本區水深大的區域聲阻抗反而小，因此，二者不存在明顯的對應關系；2）從本文估算的水深對沉積物聲速的影響來看，對于本區17～83m的水深變化范圍，不會引起如此明顯的聲阻抗分布差異。筆者認為，不同水深以及其他因素引起的不同沉積環境，造成海底沉積物類型的分區域分布特性，這是引起聲阻抗分區域分布的主要因素。聲阻抗這種分區域分布的特征與本區沉積物聲速等聲學特性以及沉積物類型、密度、含水率等物理性質的分區域分布具有明顯的對應關系。研究區東北部的沉積物聲速和密度較低，其值大都在1480.0m／s和1.6g／cm3以下，而含水率較大，一般高于70%；而在研究區西南部，沉積物和密度均較高，其值大都在1560.0m／s和1.8g／cm3以上，而含水率一般小于40%。本區海底沉積物聲阻抗在區域分布特征上與沉積物密度、含水率等物理參數的相似性從另一方面也證明了二者之間存在明顯的相關性。

3 聲阻抗指數與物理力學參數的關系

為了分析研究區沉積物聲阻抗與物理性質之間的關系，筆者對聲阻抗和密度、含水率、孔隙比（e）、孔隙度、液限、塑限、塑性指數、砂粒質量分數、黏粒質量分數、中值粒徑、壓縮系數、抗剪強度等參數分別進行回歸分析，將沉積物聲阻抗作為因變量，上述物理參數作為自變量，采用最小二乘法分別得出了聲阻抗與上述物理參數的經驗回歸方程（表2）。同時，繪制了沉積物各物理力學參數與聲阻抗的二維相關圖解，如圖1-圖4所示。

3.1 沉積物基本物理參數與聲阻抗的相關關系

圖1為沉積物基本物理參數與聲阻抗的相關關系曲線。從圖1和表2中可以看出，聲阻抗與密度、含水率、孔隙比和孔隙度等沉積物基本物理參數具有非常好的相關性，其判定系數R2均大于0.95。其中：密度與聲阻抗呈現正相關關系，密度越大，聲阻抗越大；而含水率、孔隙比和孔隙度與聲阻抗呈負相關關系，隨著含水率、孔隙比和孔隙度的增大，聲阻抗減小。沉積物聲阻抗為聲速與密度的乘積，而沉積物聲速在很大程度上與沉積物的可壓縮性有關，密度越大，孔隙度越小，則沉積物越密實，其可壓縮性越小，聲速和聲阻抗則越大。含水率、孔隙比、孔隙度等參數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。基于雙相介質彈性波傳播理論的數值計算結果表明，沉積物快縱波速度（即沉積物聲速）隨著孔隙度的增加而減小。因此，作為聲速與密度乘積的聲阻抗，具有與沉積物聲速基本相同的變化趨勢。

表2 研究區沉積物聲阻抗與物理力學性質經驗回歸方程Table2 List of the empirical regression equations between the acoustic impedance and the physical-mechanical parameters of the sediments in the study area

圖1 沉積物基本物理參數與聲阻抗的相關關系Fig.1 Diagrams for the correction between the basic physical properties and the acoustic impedance of sediments

圖2 沉積物可塑性參數與聲阻抗的相關關系Fig.2 Diagrams for the correction between the plasticity properties and the acoustic impedance of sediments

3.2 沉積物可塑性指標與聲阻抗的相關關系

圖3 沉積物粒度成分參數與聲阻抗之間的相關關系Fig.3 Diagrams for the correction between the grain size parameters of the acoustic impedance of sediments

圖2為沉積物可塑性指標參數與聲阻抗的相關關系曲線。從表2中可以看出，液限、塑限和塑性指數與聲阻抗經驗回歸公式的判定系數R2均在0.8以上，表明沉積物上述可塑性指標參數均與聲阻抗具有良好的相關性。從圖2可以看出，聲阻抗呈現出與液限、塑限和塑性指數負相關的關系，即隨著液限、塑限和塑性指數的增大，聲阻抗減小。沉積物塑性指數是沉積物液限與塑限之差，指的是沉積物由一種狀態轉變到另一種狀態時的界限含水率，主要反映了沉積物可塑性的強弱。塑性指數主要取決于沉積物中黏粒含量以及黏粒礦物的親水性，沉積物中黏粒礦物含量及其親水性越高，其塑性指數越大，則其聲速和聲阻抗越小。沉積物可塑性指標與聲阻抗的相關關系和含水率與聲阻抗相關關系類似，但同時受到黏粒礦物含量及其親水性的影響。

3.3 沉積物粒度成分與聲阻抗之間的相關關系

圖3為沉積物粒度成分參數與聲阻抗的相關關系。由圖3及表2可以看出：和沉積物基本物理參數及可塑性參數與聲阻抗相關性相比，沉積物粒度成分參數（砂粒質量分數、黏粒質量分數、中值粒徑）與聲阻抗的相關性較差，判定系數R2均小于0.75。其中，沉積物砂粒質量分數與聲阻抗的判定系數最小，主要原因可能在于測試樣品主要為黏土質沉積物，沉積物砂粒質量分數較小，砂粒質量分數較高的沉積物樣品較少，代表性較差。測試樣品的黏粒質量分數較高，樣品數量較多，因此，數據的相關性較好。對比圖3b和圖2c可以看出，黏粒質量分數和塑性指數與聲阻抗的相關性趨勢基本相同；從而也證明了沉積物黏粒礦物質量分數越高，其塑性指數越大，而聲速和聲阻抗越小。圖3c所示的中值粒徑與聲阻抗相關關系的判定系數R2為0.729，總體上較低。沉積物聲阻抗除受沉積物粒徑的影響外，還會受到粒度分選性、顆粒形狀、顆粒排列狀況和沉積礦物類型等因素的影響。因此，即使粒徑相同的沉積物，其聲阻抗可能相差很大。而且，對于某一給定粒徑的泥質沉積物，固結（排水）實驗可以在不改變沉積物平均粒徑的情況下降低孔隙度，增加沉積物密度，從而使得聲阻抗增大。

3.4 沉積物力學性質與聲阻抗之間的相關關系

圖4為沉積物力學性質參數與聲阻抗的關系。由圖4和表2可以看出：沉積物壓縮系數與聲阻抗具有良好的相關性，判定系數R2為0.90；而抗剪強度與聲阻抗的相關性較差，判定系數R2只有0.38。壓縮系數是體積彈性模型的倒數，反映了沉積物的壓縮性和膨脹性。盧博等[7]認為，沉積物只有存在可壓縮性和膨脹性，才有可能使得聲波在沉積物中傳播，在某種意義上，沉積物的壓縮性決定了聲速的變化。因此，壓縮系數同樣也決定著聲阻抗的變化，二者有著密切的相關關系。抗剪強度反映了沉積物的剛性，此參數與沉積物聲速和聲阻抗的相關性不強。因此，利用抗剪強度進行沉積物聲速和聲阻抗的預測或者采用聲阻抗來遙測沉積物抗剪強度，將會帶來較大誤差。

圖4 沉積物力學性質參數與聲阻抗相關關系Fig.4 Diagrams for the correction between the mechanical parameters and the acoustic impedance of sediments

4 分析與討論

4.1 聲阻抗預測公式與聲速預測公式對比分析

沉積物聲阻抗是沉積物聲速與密度的乘積，其與聲速之間關系密切。圖5所示為聲阻抗與聲速的相關關系，二者呈現出線性正相關關系，判定系數R2為0.90，說明聲阻抗與聲速相關性較高。但聲阻抗和聲速是2個物理含義完全不同的沉積物聲學特性參數，聲速反映的是聲波在沉積物中傳播的快慢，而聲阻抗則反映的是沉積物阻止聲波在其中傳播的特性。因此，聲阻抗與沉積物物理力學性質的相關關系與聲速與沉積物物理力學性質的相關關系之間存在差異。

圖5 聲阻抗與聲速的相關關系Fig.5 Diagrams for the correction between the acoustic impedance and the sound speed

圖6為沉積物密度、液限、壓縮系數與聲速的相關關系圖解，表3為主要物理力學參數與聲速的相關關系經驗回歸方程及其判定系數。分別對比圖1a和圖6a、圖2a和圖6b、圖4a和圖6c可以看出，相對于密度、液限、壓縮系數與聲阻抗的相關關系，其與聲速的相關關系呈現出更大的離散型，其判定系數R2分別為0.847、0.860、0.815，均小于密度、液限、壓縮系數與聲阻抗的判定系數，其他物理力學參數與聲速的相關性也呈現出相同的規律性。對比表2和表3可以看出：表中所列的主要物理力學參數與聲阻抗的相關系數均大于與聲速的相關系數，說明這些參數與聲阻抗具有更好的相關性，從而也說明聲阻抗是一個能夠更好地反映聲學特性與物理力學性質關系的沉積物聲學特性參數。所以，在很多應用方面，研究人員將聲阻抗作為對沉積物物理力學參數進行聲學遙測的重要聲學參數之一。

表3 研究區沉積物聲速與物理力學性質關系經驗回歸方程Table3 List of the empirical regression equations between the sound speed and the physical-mechanical parameters of the sediments in the study area

圖6 沉積物物理力學性質參數與聲速的相關關系Fig.6 Diagrams for the correction between the physical and mechanical properties and sound speed of sediments

4.2 測量頻率對聲阻抗的影響

聲波在沉積物中傳播時具有一定的頻散現象，聲速一般隨著頻率的增大而增大[16]。圖7為不同類型沉積物聲阻抗與頻率（f）的關系，圖中，聲阻抗最大的為粉砂質砂，最小的為黏土質粉砂，砂質粉砂介于二者之間。對于同一類沉積物，每個頻率點（25，50，100，150，200，250kHz）對應的聲阻抗為該測量頻率的所有樣品聲阻抗的平均值。從圖中可以看出，不同頻率的聲阻抗不同，說明聲阻抗存在一定的頻散性。而且，與聲速的頻散規律相類似，聲阻抗一般隨著頻率的增大而增大。在上述測量頻段，黏土質粉砂的聲阻抗頻散值為39.207×103kg／（m2·s），粉砂質砂和砂質粉砂的聲阻抗頻散值分別為58.457×103kg／（m2·s）和54.500×103kg／（m2·s），相比較而言，黏土質粉砂的聲阻抗頻散性略小于粉砂質砂和砂質粉砂的聲阻抗的頻散性。

圖7 聲阻抗與頻率的關系Fig.7 Diagrams for the correction between the acoustic impedance and the frequency

5 結論

1）作為海底沉積物聲學特性主要參數之一的聲阻抗與沉積物物理力學性質之間存在密切的相關性。通過回歸分析，建立了聲阻抗與沉積物主要物理力學參數的經驗回歸方程，給出了判定系數R2的數值。本文的研究成果將能夠為該海域海底沉積物聲學特性預測或基于聲學方法對海底沉積物性質進行探測或遙測提供理論依據。雖然沉積物聲阻抗與聲速之間存在密切的相關性，但二者與沉積物物理力學性質的相關性并不完全相同。聲阻抗與物理力學性質的相關性優于聲速與物理力學性質的相關性，這也是人們往往將聲阻抗作為對沉積物物理力學參數進行聲學遙測的重要聲學參數的原因所在。

2）與沉積物聲速的頻散規律類似，沉積物聲阻抗存在一定的頻散特性。不同類型沉積物聲阻抗的頻散性不同，粉砂質砂和砂質粉砂較大，而黏土質粉砂較小。因此，可以看出，顆粒較粗、砂粒質量分數較高的沉積物聲阻抗的頻散性越大，這與沉積物的雙相介質特性有關。聲阻抗的頻散性表明，當基于某一測量頻率的數據建立的聲阻抗拓展應用于其他頻率時要謹慎，預測方程的泛化推廣需要進一步研究。另外，本文僅討論了測量頻率對聲阻抗的影響，而未考慮測量時樣品溫度的變化對聲阻抗的影響，溫度對聲阻抗的影響需要進一步的實驗和理論研究。

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