海底沉積物聲學(xué)特性研究進(jìn)展與探討

于盛齊，王飛，鄭廣贏，黃益旺

(1.國(guó)家深海基地管理中心 自然資源部，山東 青島 266237； 2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088；3.聲吶技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310023；4.杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所，浙江 杭州 310023；5.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150001；6.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

海底沉積物的聲學(xué)特性與沉積物物理性質(zhì)、沉積結(jié)構(gòu)、地質(zhì)環(huán)境有密切聯(lián)系，可用于沉積物類(lèi)型、地層結(jié)構(gòu)、沉積環(huán)境信息獲取，以及沉積物物理力學(xué)性質(zhì)、海底承載力和穩(wěn)定性分析[1-2]，對(duì)海洋中的聲傳播和聲場(chǎng)空間分布有著重要的影響，是海洋地球物理學(xué)、海洋地質(zhì)學(xué)和海洋聲學(xué)共同關(guān)注的對(duì)象[3]。Biot理論[4-5]和Buckingham模型[6-7]等已建立多種聲速和衰減分析理論或數(shù)值模型。為了測(cè)試、驗(yàn)證和完善各種模型，學(xué)者開(kāi)展了包括原位測(cè)量、遙測(cè)和實(shí)驗(yàn)室樣品測(cè)量在內(nèi)的、測(cè)量頻率范圍廣泛的、測(cè)量系統(tǒng)和方法多樣的沉積物聲速和衰減測(cè)量工作。實(shí)際海洋環(huán)境中的沉積物是一種極其復(fù)雜的多相介質(zhì)，現(xiàn)有理論或模型仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證、修改或完善。

本文研究沉積物聲學(xué)特性為縱波聲速與衰減的頻率特性。從水飽和及含氣沉積物2個(gè)方面出發(fā)，歸納總結(jié)國(guó)內(nèi)外有關(guān)海底沉積物聲速頻散與衰減的研究進(jìn)展，探討沉積物聲學(xué)未來(lái)研究方向。

1 飽和沉積物聲學(xué)研究

1.1 聲速頻散與衰減理論研究

實(shí)際海洋環(huán)境中的沉積物由固體顆粒和孔隙流體組成，是一種頻散介質(zhì)。描述水飽和沉積物聲速和衰減的經(jīng)驗(yàn)公式或理論模型有Hamilton經(jīng)驗(yàn)公式、Biot理論和Buchingham模型等。

Hamilton等[8]給出了海底沉積物聲速和衰減與沉積物類(lèi)型和頻率的經(jīng)驗(yàn)公式，指出聲速頻散十分微弱，可以忽略；在幾赫茲至上兆赫茲頻率范圍內(nèi)，衰減與頻率近似成正比。Biot理論中，沉積物被視為固體顆粒和孔隙水組成的雙相系統(tǒng)。在聲波作用下，2者位移不同。沉積物顆粒作為彈性框架與孔隙水耦合，這種耦合使得孔隙水中的壓縮波、彈性框架中的壓縮波和剪切波作用在一起形成3種類(lèi)型的波場(chǎng)。Biot理論指出水飽和沉積物聲速頻散顯著頻段位于1～10 kHz；低頻段，衰減與頻率的平方成正比；高頻段，衰減與頻率的平方根成正比。Buckingham模型中，沉積物被視為非固結(jié)的固體彈性顆粒，聲速頻散和衰減源于無(wú)全局彈性勁度的顆粒框架中顆粒-顆粒接觸處的粘滑運(yùn)動(dòng)。Buckingham模型給出的聲速頻散十分微弱，近似與頻率成對(duì)數(shù)關(guān)系；每十倍頻程，聲速變化1%的量級(jí)；在幾十倍頻程內(nèi)，衰減與頻率近似成線(xiàn)性關(guān)系。

1.2 聲速和衰減實(shí)驗(yàn)研究

沉積物聲速和衰減實(shí)驗(yàn)研究頻段已覆蓋幾赫茲至上兆赫茲，包括原位測(cè)量、遙測(cè)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量。上世紀(jì)中期，美國(guó)開(kāi)始探索海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量，當(dāng)時(shí)需借助潛水員把專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的探針布放至海底[9-10]。到上世紀(jì)后期，國(guó)外已經(jīng)研制出多種類(lèi)型的原位測(cè)量裝置，并逐漸趨于成熟。1996年，美國(guó)夏威夷大學(xué)研制完成海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)[11]，探桿總長(zhǎng)3～5 m，系統(tǒng)中心頻率16 kHz，可測(cè)量沉積物垂直方向的平均聲速和衰減。1998年，英國(guó)國(guó)家海洋研究中心與英國(guó) Geotech公司聯(lián)合開(kāi)研制了沉積物聲學(xué)和物理性質(zhì)測(cè)量?jī)x[12]，工作頻率為10 kHz，測(cè)量深度約1 m，可測(cè)量沉積物中壓縮波、剪切波的聲速和衰減，以及錐尖阻力和滲透系數(shù)等土力學(xué)參數(shù)。20世紀(jì)90年代后期，美國(guó)海軍研究室牽頭研制了沉積物聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量深度0.3 m。在SAX99海上實(shí)驗(yàn)中，利用該系統(tǒng)獲取了125～400 kHz頻段內(nèi)砂質(zhì)沉積物的聲速和2.6～400 kHz頻段內(nèi)砂質(zhì)沉積物的衰減[13]。25～100 kHz頻段的聲速頻散較弱，與Biot理論吻合；衰減近似與頻率成線(xiàn)性關(guān)系，50 kHz以上偏離Biot理論。為獲得中低頻段的聲學(xué)參數(shù)，華盛頓大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研制了大深度原位測(cè)量系統(tǒng)[14]，目前已發(fā)展到第4代。發(fā)射換能器的工作頻段覆蓋2～10 kHz，最大貫入深度3 m。

21世紀(jì)初，我國(guó)開(kāi)始研究海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量技術(shù)。2006年，自然資源部第2海洋研究所研制完成多頻海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)[15]，測(cè)量深度4～8 m，測(cè)量頻率為8～120 kHz的12個(gè)頻點(diǎn)，最大工作水深300 m。2009年，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所研制出新型海底沉積聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)[16]。發(fā)射換能器工作頻率10～50 kHz，測(cè)量最大深度0.3 m，設(shè)計(jì)工作水深500 m。系統(tǒng)能夠在海底以拖曳方式進(jìn)行原位測(cè)量，連續(xù)獲得海底沉積物的聲學(xué)參數(shù)。2010年，自然資源部第一海洋研究所研制的雙向自容式海底沉積聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)[17]，測(cè)量頻率20～40 kHz，測(cè)量深度3～6 m，設(shè)計(jì)工作水深 3 000 m，升級(jí)換代后的測(cè)量頻率擴(kuò)展至8～200 kHz。在進(jìn)行聲學(xué)參數(shù)原位測(cè)量時(shí)，該系統(tǒng)可同時(shí)獲得沉積物柱狀樣品。

獲取海底沉積物低頻聲學(xué)參數(shù)通常采用聲學(xué)遙測(cè)方法。Zhou等[18]利用遠(yuǎn)距離傳播的聲信號(hào)反演沉積物低頻聲速和衰減，獲得了海底表層沉積物的等效聲學(xué)參數(shù)。50～600 Hz內(nèi)，聲速比為1.061±0.009；50～1 000 Hz內(nèi)，衰減為(0.37±0.01)f(1.80±0.02)dB/m。Holland等[19]利用海底反射系數(shù)確定全反射臨界角與頻率的關(guān)系來(lái)估計(jì)聲速。在100～10 kHz頻率內(nèi)，聲速頻散很弱，衰減與頻率近似成線(xiàn)性關(guān)系。Maguer等[20]根據(jù)海底全反射與正常反射聲波到達(dá)垂直陣的時(shí)間差來(lái)估計(jì)海底全反射臨界角，繼而獲得沉積物的等效聲速。臨界角估計(jì)誤差約1°，對(duì)應(yīng)聲速分辨率10 m/s。相比原位測(cè)量，聲學(xué)遙測(cè)誤差總體上大一些，并且多數(shù)情況下得到的是平均參數(shù)或等效參數(shù)。

沉積物取樣測(cè)量是原位測(cè)量或遙測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析與驗(yàn)證的必要環(huán)節(jié)。取樣測(cè)量雖然具有精度高的特點(diǎn)，但沉積物樣品易受到擾動(dòng)，測(cè)量結(jié)果與原位狀態(tài)的數(shù)值會(huì)存在一定偏差。

Wingham[21]在實(shí)驗(yàn)室水槽中根據(jù)接收信號(hào)頻譜測(cè)量樣品的聲速和衰減。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要不斷改變樣品厚度，修正波陣面擴(kuò)展，測(cè)量精度不高。He[22]提出改進(jìn)測(cè)量方法，無(wú)須測(cè)量樣品厚度。Sessarego等[23]在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測(cè)量了0.5～1.3 MHz頻段內(nèi)砂質(zhì)沉積物的聲速和衰減。衰減隨頻率非線(xiàn)性變化，聲速和衰減數(shù)據(jù)與Biot理論不一致，可能是由固體顆粒體積散射引起的。Holmes等[24]則評(píng)述了大量衰減數(shù)據(jù)，認(rèn)為砂質(zhì)沉積物的衰減隨頻率非線(xiàn)性變化。

于盛齊等[25]采用單聲源、單水聽(tīng)器的豎直透射測(cè)量方法，在實(shí)驗(yàn)室水箱中獲得了90～170 kHz頻段細(xì)砂的聲速和衰減。砂樣品的聲速頻散十分微弱，平均值在1 710～1 713 m/s，與Biot理論、等效密度流體模型和Buckingham模型吻合；衰減與f0.35近似成正比，但高于模型預(yù)報(bào)結(jié)果，且與Buckingham模型偏差更大(可能是沉積物樣品內(nèi)部不均勻性引起的附加聲衰減)，如圖1所示。該方法可精確測(cè)量砂樣品厚度，但由于采用豎直測(cè)量方式，測(cè)量結(jié)果僅代表砂樣品厚度方向的平均聲速和衰減，適用于高頻、小樣品測(cè)量。

圖1 砂質(zhì)沉積物高頻測(cè)量結(jié)果Fig.1 High frequency data of saturated sediment

1.3 聲速和衰減研究討論

大量原位測(cè)量數(shù)據(jù)表明：海底沉積物的聲速頻散顯著，可達(dá)到海水聲速的11%；低頻段衰減的增大速度比高頻段更快；原位聲學(xué)參數(shù)的頻率特性更接近于Biot理論，但聲速頻散比Biot理論預(yù)報(bào)的9%高2%，且低頻時(shí)的聲速和100 kHz以上的衰減與Biot理論相差較大。受海洋環(huán)境條件不可控的影響，數(shù)據(jù)與理論之間的差異至今尚未得到完全合理的解釋?zhuān)煽貤l件下的水飽和海底沉積物中低頻聲學(xué)特性是一個(gè)有待繼續(xù)研究的課題。

現(xiàn)有獲取海底沉積物聲速和衰減數(shù)據(jù)的手段多種多樣，已獲取數(shù)據(jù)覆蓋頻率范圍非常寬，但針對(duì)沉積物聲學(xué)理論或模型適用性驗(yàn)證而言，已有數(shù)據(jù)仍是不夠的。受水飽和沉積物樣品尺寸限制，實(shí)驗(yàn)室測(cè)量和取樣測(cè)量的頻段偏高，而且保濕保壓無(wú)擾的取樣測(cè)量難度非常大；遙測(cè)手段獲取的等效數(shù)據(jù)難以應(yīng)用；雖然原位測(cè)量將研究頻段降低，但海洋環(huán)境條件的不可控性降低了數(shù)據(jù)的可靠性。在實(shí)驗(yàn)室條件下開(kāi)展水飽和海底沉積物低頻聲學(xué)特性研究或許是解決上述瓶頸問(wèn)題的有效方法。聲速頻散特性實(shí)驗(yàn)測(cè)量要求聲波在沉積物中的傳播距離至少達(dá)到3倍波長(zhǎng)，對(duì)于低頻段的上限頻率1 kHz，則要求沉積物樣品某一方向的尺度至少達(dá)到4.5 m，人工制備如此大尺度的水飽和沉積物樣品將是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。

2 含氣沉積物聲學(xué)研究

由于有機(jī)物降解、巖漿或火成巖脫氣和冷卻、底棲微藻呼吸、潮汐和波浪破碎等，含氣沉積物普遍存在于世界各地的海洋中。Fleischer等[26]等統(tǒng)計(jì)了全球范圍內(nèi)含氣沉積物的研究成果。典型的杭州灣地區(qū)有許多超淺層氣藏[27]。海底沉積物內(nèi)部氣體改變了沉積物的可壓縮性，引入了附加的聲波衰減機(jī)制，使得沉積物往往呈現(xiàn)低聲速、高衰減特性。

2.1 含氣沉積物模型研究進(jìn)展

自20世紀(jì)80年代起，學(xué)者對(duì)含氣沉積物的理論與實(shí)驗(yàn)研究，A&H模型[28-30]被頻繁引用。基于含氣泡水中的聲學(xué)理論，A&H模型考慮了剪切模量對(duì)氣泡共振的影響、氣泡在沉積物中振動(dòng)以及沉積物在水中振動(dòng)之間阻尼項(xiàng)的差異，認(rèn)為氣泡共振頻率是氣泡尺寸、沉積物密度、沉積物體積和剪切模量、氣體比熱比和氣泡周?chē)o水壓力的函數(shù)，為應(yīng)用聲學(xué)方法探測(cè)淺層氣奠定了理論基礎(chǔ)。然而，A&H模型的聲速表示式存在正負(fù)號(hào)，導(dǎo)致逆問(wèn)題求解發(fā)生歧義。

基于修正Biot理論[4-5]，一些模型通過(guò)改變孔隙流體的聲學(xué)參數(shù)來(lái)考慮氣泡的影響[31-34]，適用類(lèi)型I氣泡，因此氣泡尺寸受限，如Bedford等[31]導(dǎo)出的含少量氣泡的沉積物聲學(xué)模型，給出了氣泡共振頻率附近聲速和衰減的變化規(guī)律。

Brandt[32]考慮了不同尺寸球形顆粒的堆積，給出一種含類(lèi)型II氣泡沉積物聲速的計(jì)算方法。Lee[33]改進(jìn)了Biot-Gassmann理論[34]，可分別預(yù)報(bào)含類(lèi)型I和類(lèi)型II氣泡沉積物的聲速和衰減。

近年來(lái)，南安普頓大學(xué)聲學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在含氣沉積物聲學(xué)理論方面開(kāi)展了大量研究工作[35-39]。Leighton等[35-36]提出了海底沉積物中氣泡振動(dòng)的非平穩(wěn)非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)理論，在考慮流體壓縮性、熱阻尼影響和滿(mǎn)足線(xiàn)性化條件的情況下，將氣泡非線(xiàn)性振動(dòng)方程簡(jiǎn)化為線(xiàn)性方程，得到了氣泡在海底沉積物中振動(dòng)的阻尼系數(shù)、散射截面、聲速和衰減的表達(dá)式，并與A&H模型進(jìn)行了對(duì)比。重要的是，基于氣泡內(nèi)部壓力的非線(xiàn)性模型，Dogan等[37]、Leighton等[38]對(duì)含氣沉積物的描述實(shí)現(xiàn)了能量守恒，避免了聲速表述的歧義性。Mantouka等[39]結(jié)合粘彈性介質(zhì)中氣泡的振動(dòng)[40]和Commander等[41]預(yù)報(bào)含氣泡水中相速度和衰減的方法，將飽和沉積物視為粘彈性介質(zhì)，提出了預(yù)報(bào)含氣沉積物聲速和衰減的方法。

上述研究均基于一定的假設(shè)，即飽和沉積物包裹氣泡的假設(shè)，或孔隙水與氣泡混合成為孔隙流體的假設(shè)，本質(zhì)上依舊是雙相介質(zhì)模型。在認(rèn)為小氣泡存在于孔隙水中的假設(shè)條件下，鄭廣贏等[42]將氣泡體積振動(dòng)微分引入多孔介質(zhì)滲流連續(xù)性方程，推導(dǎo)得出三相介質(zhì)波動(dòng)方程，建立了修正的Biot模型；繼而對(duì)框架模量進(jìn)行了簡(jiǎn)化，建立了修正的等效密度流體近似模型(effective density fluid model, EDFM)[43]；預(yù)報(bào)了含氣沉積物的聲學(xué)特性(圖2)。在此基礎(chǔ)上，鄭廣贏等[44-45]將含類(lèi)型I氣泡沉積物聲學(xué)模型推廣至含類(lèi)型III氣泡沉積物聲學(xué)模型，建立了含氣沉積物的統(tǒng)一聲學(xué)模型。統(tǒng)一模型可同時(shí)預(yù)報(bào)壓縮波和剪切波的聲速和衰減，既引入了氣泡振動(dòng)的頻散機(jī)制，又考慮了多孔介質(zhì)固有的孔隙水相對(duì)于固體框架運(yùn)動(dòng)的頻散機(jī)制，可用于基于聲速和衰減數(shù)據(jù)的反演。

圖2 含氣沉積物的聲學(xué)響應(yīng)Fig.2 The acoustic response of gassy sediments

2.2 含氣沉積物模型驗(yàn)證

盡管含氣沉積物聲學(xué)模型的物理機(jī)制研究越來(lái)越完善，并且越來(lái)越多的含氣沉積物中由氣泡導(dǎo)致的聲學(xué)現(xiàn)象被觀測(cè)到[45-51]，但含氣聲學(xué)模型的驗(yàn)證將是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。然而，目前尚未系統(tǒng)地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)量，直接獲取到一個(gè)足夠?qū)掝l帶內(nèi)的聲速和衰減數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，如圖3所示。

2.2.1 中頻沉積物聲學(xué)模型驗(yàn)證

Best等[46]為了研究靜水壓力對(duì)含氣沉積物聲學(xué)特性的影響，設(shè)計(jì)了超過(guò)24 h的聲學(xué)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，得到了0.6～3 kHz頻段內(nèi)的聲速和衰減。在原位測(cè)量中觀測(cè)到5個(gè)由氣泡共振引起的衰減峰值，但未觀測(cè)到對(duì)應(yīng)的聲速峰值。與A&H模型相比，衰減吻合得較好，但聲速差別很大。

鄭廣贏等[43]在實(shí)驗(yàn)室水池中獲取了0.5～3 kHz頻段內(nèi)的衰減，觀測(cè)到4個(gè)由氣泡共振引起的衰減峰值，結(jié)合修正的EDFM反演得到了沉積物內(nèi)的氣泡半徑分布。僅采用衰減數(shù)據(jù)并不能驗(yàn)證模型的合理性，但氣泡共振頻率附近高含氣量沉積物的聲速獲取極其困難。

王飛等[51]制備了低含氣量沉積物，在實(shí)驗(yàn)室水池中直接測(cè)量獲得了10～120 kHz頻段內(nèi)的聲速和衰減，觀測(cè)到4個(gè)對(duì)應(yīng)的聲速峰值和衰減峰值，如圖3所示。在非常寬的頻帶內(nèi)，聲速和衰減數(shù)據(jù)與修正的EDFM均吻合，由此反演得到了沉積物中的最優(yōu)氣泡半徑分布。

2.2.2 低頻沉積物聲學(xué)模型驗(yàn)證

沉積物中的氣泡無(wú)論以何種類(lèi)型存在，對(duì)海底沉積物聲學(xué)特性都將產(chǎn)生顯著影響。Wilson等[52]在實(shí)驗(yàn)室中利用聲諧振腔技術(shù)對(duì)100～400 Hz頻段內(nèi)沉積物的聲速頻散特性進(jìn)行了研究，測(cè)得的聲速約為114 m/s，且?guī)缀醪浑S頻率變化。Tóth等[53]利用海洋地震數(shù)據(jù)獲得了含氣海底淤泥的聲速，最小值低至200 m/s的量級(jí)，氣體體積含量高達(dá)3.4%。Katsnelson等[54]給出了以色列加利利湖湖底的等效聲速，大約為200 m/s，最深處180 m/s左右。分別采用直接測(cè)量和聲學(xué)反演方法，王飛等[55]在實(shí)驗(yàn)室水池中獲得了300～3 kHz頻段內(nèi)含氣細(xì)砂的聲速，約100 m/s的量級(jí)，且表現(xiàn)出沉積物的不均勻性。利用聲速數(shù)據(jù)反演得到氣泡體積含量從1.07%變化到2.81%。

注： “PP”為根據(jù)信號(hào)峰-峰值計(jì)算結(jié)果；“Mean”為根據(jù)信號(hào)平均值計(jì)算結(jié)果；“FT”為頻域計(jì)算結(jié)果；“EDFM”表示等效密度流體模型圖3 聲速和衰減的測(cè)量結(jié)果和模型預(yù)報(bào)結(jié)果的對(duì)比Fig.3 Comparison of the measured sound speed and attenuation with the predicted results

3 結(jié)論

1)總體上，大量飽和沉積物原位測(cè)量數(shù)據(jù)與Biot理論相符，但在某些頻段內(nèi)仍存在不可接受的差異。由于缺少可靠的、頻帶足夠?qū)挼膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用Biot理論描述海底沉積物聲學(xué)特性的可行性仍需做進(jìn)一步的研究。在實(shí)驗(yàn)室可控條件下開(kāi)展飽和沉積物低頻聲學(xué)特性研究將是沉積物聲學(xué)的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。

2)描述含氣沉積物的最新理論或模型主要有修正的Biot理論和修正的EDFM，目前仍缺少足夠?qū)掝l帶內(nèi)的聲速和衰減數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)性驗(yàn)證。

3)對(duì)于含氣沉積物，其聲速和衰減隨頻率變化更為復(fù)雜。低于氣泡共振頻率時(shí)，其聲速低于飽和沉積物的聲速，這是由于沉積物中的氣體導(dǎo)致孔隙流體的可壓縮性增大。在氣泡共振頻率附近存在一個(gè)過(guò)渡區(qū)，聲速急劇增大，且遠(yuǎn)高于飽和沉積物的聲速，這是振動(dòng)系統(tǒng)中起作用的氣泡物理性質(zhì)發(fā)生變化引起的，而這種現(xiàn)象尚未在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到；而衰減明顯高于飽和沉積物的衰減。氣泡共振頻率附近高含氣量沉積物聲速頻散特性將是沉積物聲學(xué)的也是重要研究?jī)?nèi)容。