海底沉積物聲學性質測量技術評述

孟祥梅，孫蕾

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海底沉積物聲學性質測量技術評述

孟祥梅1,2，孫蕾1,2

(1. 海洋沉積與環境地質國家海洋局重點實驗室，國家海洋局第一海洋研究所，山東青島 266061； 2. 青島海洋科學與技術國家實驗室海洋地質過程與環境功能實驗室，山東青島 266061)

由于資源勘探、軍事應用、巖土特性聲學調查和聲波傳播理論研究等的需要，多年來人們一直在進行海底沉積物聲學性質的測量。對海底沉積物聲學性質的取樣測量技術和原位測量技術進行了敘述，分別總結了兩種測量技術存在的問題，認為下一步有必要發展海底沉積物低頻聲學性質的直接測量技術，建議在原位測量海底沉積物聲學性質參數的同時測量其他性質參數以便于對比研究，并設法提高原位測量的工作效率。

海底沉積物；聲學性質；取樣測量；原位測量

0 引言

海底沉積物聲學性質參數，例如聲波在沉積物中傳播的速度和衰減，是沉積物聲波傳播理論的基本輸入參數。自從20世紀50年代以來，為了以下目的，聲波在松散沉積物中傳播的速度和衰減就已被測量[1-9]：(1) 約束低頻地球物理學數據的反演，特別是與油氣勘探有關的數據；(2) 為反潛戰提供地聲學模型；(3) 測定巖土特性與聲學特性之間的關系以支持聲學調查技術；(4) 研究聲波傳播理論公式的正確性；(5) 預測沉積物的巖土性能；(6) 為高頻散射和穿透模型提供必要的輸入參數。

海底沉積物聲學性質測量技術主要分三種，即取樣測量、反射/折射剖面遙測和原位測量。

取樣測量由于技術簡單，樣品的外界因素如壓力和溫度可控，很長時間內一直是海底沉積物聲學性質測量的主要方法。但由于在取樣、運輸、保存和測試過程中，海底沉積物樣品會受到未知程度的擾動，內部結構勢必發生變化，從而影響聲學性質的測量結果，而有限的典型樣品尺寸也會限制用于樣品測試的頻率。

大規模海底沉積物聲速調查在測量原理上主要有反射波法和折射波法兩種，它是利用人工地震波在地層中的傳播規律獲取地層信息的方法。測定不同水平距離上的直達波、反射波和首波的傳播時間，根據折射定律，計算底質中各層的聲速和厚度。由直達波和反射波的傳播路徑及聲能之差可決定各層沉積物的衰減系數。反射/折射剖面遙測技術為測量大體積表層和次表層沉積物的原位聲學性質提供了一個高效的方式。該技術的弊端是被聲穿透的沉積物體積存在一定程度的不確定性，而采用的數據處理技術需要確定的假設，這可能限制它們對某些沉積物類型的使用。

原位測量是介于取樣測量和反射/折射剖面遙測之間的一種折衷的技術，雖然其與遙測技術相比更具侵入性，但比取樣測量受擾動小。與原位聲波傳播試驗相關的試樣幾何形狀比實驗室技術受限制少，而且與遙測技術相比能更好地描述海底沉積物的聲學性質。

總的來說，反射/折射剖面遙測技術提供的是大體積地層的平均聲速和衰減系數的估計，屬于獲取海底沉積物聲學性質的間接方法，而取樣測量和原位測量屬于直接方法，本文僅對這兩種測量技術進行評述。

1 取樣測量

1.1 聲速和聲衰減測量

在實驗室中通常采用透射法測量沉積物的聲速，測量原理如圖1所示，發射換能器產生的聲波在海底取得的沉積物樣品中傳播，被另一端的接收換能器接收。在已知樣品長度的情況下，根據聲波儀記錄的接收信號計算出聲波穿透時間，由式(1)即可得聲速：

其中：V為樣品聲速(m/s)，為樣品長度(mm)，為聲波穿透時間(μs)，1為系統延時(μs)，0為聲時修正值(μs)。

圖1 聲速透射法測量原理圖

Fig.1 Schematic of transmission measurement of acoustic velocity

上述測量方法測量的是海底沉積物樣品垂直方向上的聲速。Richardson[10]發明的方法測量的是海底沉積物樣品徑向上的聲速和衰減系數：根據分別在沉積物巖芯中和充滿蒸餾水的相同巖芯管中傳播的頻率為400 kHz聲波信號(5~10個周期的正弦波)的傳播時間差(D)來測量聲速(，m/s)和衰減系數(，dB/m)

(3)

其中：w是蒸餾水的聲速(m/s)；是巖芯管的內徑(m)；w/s是沉積物蒸餾水中與樣品中透射聲波振幅的接收電壓的比值。另外，多傳感器跟蹤系統[11]及巖芯綜合測試系統[12-16]上帶的P波傳感器也可用來測量海底沉積物樣品徑向上的聲速，方法與Richardson的方法類似。

鄒大鵬等[17]提出了同軸差距衰減測量法(其原理圖如圖2所示)，并推導得出了衰減系數α的表達式：

其中：1、2分別為樣品長度為1、2時接收到的聲波信號的聲壓最大幅值。

圖2 同軸差距衰減測量法原理圖

Fig.2 Schematic of coaxial differential distance measurement of acoustic attenuation

1.2 剪切波速測量

在實驗室中，沉積物剪切波速的測量采用多種技術，包括共振柱、使用石英晶體傳感器的脈沖技術、壓電陶瓷剪切板或徑向膨脹傳感器、扭轉共振柱[18]、扭轉周期載荷及多種壓電陶瓷或彎曲元(見Bennell和Taylor-Smith[19]的回顧)。彎曲元可以被懸臂安裝，其中彎曲元的一端被夾緊，允許另一端振動[20-21]或將其自由地嵌入一種柔性材料中[22-23]。懸臂安裝對實驗室測量來說最合適，且自由嵌入對原位應用來說更好。

目前在實驗室中通常使用彎曲元法對沉積物的剪切波速進行測試(如圖3所示)。試驗時，彎曲元懸臂段被插入試樣中。當一端的彎曲元通電而產生彎曲運動時周圍的土體也被迫水平向左右運動。這種運動以波的形式通過土體這一介質傳播，到達另一端時，對端的彎曲元由于周圍土體的運動而產生彎曲變形，由于壓電材料的特殊性質，動能轉變為電能，該電信號被電荷放大器接收并放大。用示波器記錄激發和接收兩種信號。試樣中剪切波波速可用式(5)得出：

其中：V為剪切波速(m/s)；為修正后的試樣高度(mm)，即試樣的高度減去彎曲元插入試樣的高度，為剪切波傳播時間(ms)，即激發和接收信號的時間差。

圖3 彎曲元法測試沉積物剪切波速示意圖

Fig.3 Schematic of shear wave speed measurement using bending element method

1.3 目前取樣測量技術存在的問題

從海底取得沉積物樣品進行聲學性質測量改變了海底沉積物的賦存環境，雖然可以通過實驗手段恢復海底的壓力和溫度等，但是由于海底沉積物并非理想彈性體，其在取樣、運輸、保存和測試過程中產生的形變并不能完全恢復，這勢必影響聲學性質的測量結果(見圖4和圖5)。另外，前述聲衰減測量方法換能器與沉積物之間耦合欠佳引起的能量損失、分割樣品造成的擾動、邊界散射的干擾連同上述海底沉積物狀態的改變使得取樣測量得到的聲衰減系數遠遠大于原位測量的結果[24](見圖5)。同樣是取樣測量使用不同測量方法測得的剪切波速也不一樣(見表1)。從表1來看，使用超聲波換能器測得的剪切波速明顯偏大，而使用彎曲元和共振柱測得的剪切波速比較一致。

表1 不同取樣測量方法測得的海底沉積物剪切波速比較

* 表示該數據為平均值

2 原位測量

2.1 國內外原位測量系統

針對海底沉積物聲學性質參數的測量問題，國外研究者率先研制了各種原位測量系統，工作時系統被下放到海底，換能器插入沉積物中直接對聲學性質進行測量，獲取相應的聲學參數。聲速一般根據測量得到的聲波傳播時間和探針之間的距離來直接計算，或通過與聲波在海水中的傳播相對比而得到。聲衰減系數通常由不同距離探針間的聲波能量(波形振幅)損失與標準能量(如海水中的振幅)相對比得到。有的測量系統還安裝有剪切波換能器，與聲速和聲衰減的測量原理一致，通過接收到的信號的到達時間和振幅的變化，計算不同接收換能器之間沉積物的剪切波速度及其衰減。有的測量系統可以附在重力取樣器、活塞取樣器或專門設計的探針上，通過各個接收換能器接收到信號的到達時間和振幅差異，計算換能器之間的垂向剖面上沉積物的聲速和衰減系數。

最早用于海底沉積物聲學性質原位測量的是安裝有兩個鈦酸鋇傳感器的探針[28]，其由攜帶水中呼吸器的潛水員插入水下沉積物表層以下6 in (15.24 cm)，通過測量兩個傳感器之間聲能脈沖的傳播時間得到原位聲速，隨后又借助深潛器使儀器工作在1200 m水深海底[29]。Allman[30]制作了一種電纜控制水下載體，現場測量沉積物的聲速和聲衰減。Shirley和Anderson[31]制作了附加在普通取樣器上的聲速剖面儀，但取樣器插入海底的初速度約為5 m/s，表層樣品受擾動，換能器和沉積物相對運動較快，彼此耦合弱，降低了沉積物中的信號強度。

早期的工作通過一些原位設備的發展和使用得到了加強，這些原位測量系統主要包括美國海軍研制的ISSAMS[32]、夏威夷大學研制的進行沉積物垂直剖面聲學性質測量的Acoustic Lance[33]、新罕布什爾大學研制的ISSAP[34-35]及華盛頓大學設計的SAMS[36]等。

國內在海底沉積物聲學性質原位測量技術方面要滯后于國外，近些年各單位也開始研制相應的測量設備，如國家海洋局第二海洋研究所研制的實時監控多頻海底聲學原位測試系統[37]、中國科學院海洋研究所研制的海底沉積物聲學性質原位測量系統[38]、國家海洋局第一海洋研究所研制的基于液壓驅動貫入的自容式海底沉積物聲學原位測量系統[39]和便攜式海底沉積物聲學原位測量系統[40]等。

表2列出了見諸文獻的海底沉積物聲學性質原位測量系統的工作參數及應用情況等。從表2來看，大部分原位測量系統測量的是海底水平方向沉積物的聲學參數，最大測量深度為1.20 m；Acoustic Lance、SAMS和實時監控多頻海底聲學原位測試系統測量的是海底垂直方向沉積物的聲學參數，最大測量深度為8.00 m。表2中所列的12個原位測量系統均可測量海底沉積物的聲速及聲衰減系數，ISSAMS及SAPPA還可測量海底沉積物的剪切波速度，而ISSAMS也可測量剪切波的衰減系數。表2中各個原位測量系統測量聲速的工作頻率均在1 kHz以上，其中ISSAP、Attenuation Array、INSEA、海底沉積物聲學性質原位測量系統、基于液壓驅動貫入的自容式海底沉積物聲學原位測量系統和便攜式海底沉積物聲學原位測量系統的工作頻率均在20 kHz以上(超聲波)，Acoustic Lance的工作頻率均在20 kHz以下。表2中除SPADE外，用于海底水平方向沉積物聲學性質測量的原位測量系統測量聲速的傳感器收發距離最大為1.27 m，最小為0.10 m，用于海底垂直方向沉積物聲學性質測量的SAMS收發距離介于1.18 m至2.97 m之間。從應用情況來看，表2中的原位測量系統主要用于淺海環境中海底沉積物聲學性質的測量。國外原位測量系統中除SAPPA、SPADE和INSEA外其余均已用于海底沉積物聲學性質的野外調查。國內原位測量系統中基于液壓驅動貫入的自容式海底沉積物聲學原位測量系統，由于其通過液壓驅動貫入，減少了對沉積物的擾動，并可按照預設的工作參數在海底全自動工作，已用于海底沉積物聲學性質的野外調查。

表2 國內外海底沉積物聲學性質原位測量系統

*“-”表示未查到該項數據。需要注意的是，國內外海底沉積物聲學性質原位測量系統可能會因國防需要資料不公開，表2中僅包含作者搜集到的公開中英文文獻中提到的設備。

2.2 目前原位測量技術存在的問題

原位測量與取樣測量相比不改變海底沉積物的賦存環境，海水是換能器與沉積物之間的天然耦合劑，測量時對沉積物的擾動也小，相比反射/折射剖面遙測更準確，因此國內外一直在競相研制原位測量系統。但是，目前的原位測量系統大多僅能進行海底沉積物聲學性質的測量，不能同時進行物理力學性質的測量，與取樣測量相比，不便于海底沉積物聲學性質與物理力學性質的對比研究。另外，除中國科學院海洋研究所研制的原位測量系統實現了拖行式連續測量[56-57]外，其余原位測量系統一次僅能測量一個站位海底沉積物的聲學性質，不便于進行大范圍海底沉積物聲學性質調查。目前國內的原位測量系統中除實時監控多頻海底聲學原位測試系統有多個工作頻率外，其余原位測量系統的工作頻率只有一個，不利于測量結果的應用。

3 總結

目前來看，無論是取樣測量技術還是原位測量技術，受樣品尺寸或原位測量系統尺寸限制，測試頻率一般都較高。由于聲波在海底沉積物中傳播衰減的非線性，取樣測量或原位測量測得的聲衰減數據無法應用于低頻的油氣勘探或地聲學模型，反射/折射剖面遙測技術的測試頻率雖然較低，但是屬于間接方法，有必要發展海底沉積物低頻聲學性質的直接測量技術。另外，為了促進海底沉積物聲學性質原位測量數據在巖土特性聲學調查中的應用，應在測量聲學性質參數的同時測量海底沉積物的其他性質參數進行對比研究，并進一步發展類似于拖行式連續測量的原位測量系統以提高測量效率。

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[57] 侯正瑜, 郭常升, 王景強, 等. 一種新型海底沉積物聲學原位測量系統的研制及應用[J]. 地球物理學報, 2015, 58(6): 1976-1984.

HOU Zhengyu, GUO Changsheng, WANG Jingqiang, et al. Development and application of a new type in-situ acoustic measurement system of seafloor sediments[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2015, 58(6): 1976-1984.

Measurement techniques of acoustic properties of marine sediments: a review

MENG Xiang-mei1,2, SUN Lei1,2

(1. Key Laboratory of Marine Sedimentology and Environmental Geology, First Institute of Oceanography, SOA, Qingdao 266061, Shandong,China;2. Laboratory for Marine Geology, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266061, Shandong, China)

Due to the needs of resources exploration, military application, acoustic survey of geotechnical characteristics, research on acoustic wave propagation theory etc, the measurements of acoustic properties of marine sediments have been conducted for years. The sampling measurement technique and in-situ measurement technique of acoustic properties of marine sediments are reviewed herein, and the problems of the two measurement techniques above are summarized respectively. It is considered that developing the direct measurement techniques for acoustic properties of marine sediments at low frequencies is necessary next. To facilitate the contrastive study of acoustic properties and other properties of marine sediments, it is suggested that the measurements of other properties as well as acoustic properties of marine sediments in situ should be conducted. The in-situ measurement’s efficiency should also be improved.

marine sediments; acoustic properties; sampling measurement; in-situ measurement

P714+.8

A

1000-3630(2016)-04-0281-08

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.04.001

2015-12-02;

2016-02-05

海洋公益性行業科研專項(201405032); 國家自然科學基金資助項目(41406073, 41527809)

孟祥梅(1981－), 女, 山東濟南人, 博士, 研究方向為海底沉積物聲學。

孟祥梅, E-mail: mxmeng@fio.org.cn