2012, Vol. 55
2. 广东工业大学机电学院,广州 510090
2. Faculty of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510090, China
在18-23°N，112-122°E 区间内的南海北部海域，蕴藏着丰富的天然气水合物，是声学探测和研究的重要区域[1-2].天然气水合物通常存在于水深300~3000m 的海底，埋藏在海底表面至下300 m的海底沉积物中[3]，温度变化影响着其分布稳定带.由于海底水和地热的双重作用，海底沉积物存在着不同的表层温度和温度梯度，接近于大陆架表面的温度可以达到25 ℃左右，接近于1000 m 水深的温度约为2℃，从表面往下温度梯度平均为39℃/km[4].在不同的温度梯度和状态下，声波在海底沉积物中传播的性质相异，表现出声速、衰减、幅值、阻抗等发生改变.研究海底沉积物声学性质温度影响性，对于提高南海北部海域天然气水合物声学探测精度和准确度具有重要意义和应用价值.
海底沉积物是一种气液固三相介质，通常由于气体含量微少，简化为海水饱和固液两相介质考虑具有普遍性[5-6].从表层至深层，海底沉积物由未固结松散介质特性向着固结海底沉积物变化.表层海底沉积物作为水声的下边界和沉积物的上边界，其未固结特性使得其声学性质与海水具有紧密的联系.Carbó[7]应用比斯开湾(BiscayGulf)采集沉积物样品开展温度实验，得出沉积物的声速随着温度升高而升高，从5~25℃，沉积物声速升高了65m·s-1，与海水的温度升高幅度和趋势基本一致.Rajan 等[8]基于Biot等效模型计算表明，不同类型海底沉积物的声速随着温度升高呈近似线性增高，与海水变化性质相似，但是增高的幅度因类型差异而异.邹大鹏等[9]研究了南海海底沉积物样品的声速温度影响特性，理论分析表明海底沉积物声速和温度变化具有线性关系，解释了海底沉积物声速随温度升高呈现近似线性增高的趋势和规律理.
随着南海海底沉积物声学物理特性的深入研究，发现南海的声速除了随着温度升高而增大类型外，还存在着随着温度升高声速下降和声速波动两种类型，这两种类型的声学性质具有特殊性，使得应用海底沉积物与海水声速比进行沉积物声学性质校正方法受到了限制.本文着重研究南海北部海域海底沉积物的温度声学特性，为不同环境状态的海底沉积物声学探测校正和精度分析提供温度性质依据.
2 测量与方法固相孔隙介质骨架的存在使得海底沉积物能够传递剪切波，孔隙海水和固相孔隙介质骨架的相对运动使得海底沉积物压缩波具有不同的形式，因此海底沉积物中传播通常具有快慢两种压缩波和一种切变波[10].基于海水不能传播切变波，声波遥测海底较少应用切变波，同时慢波通常叠加在快波的波形中，测量和应用研究开展很少，本文着重研究温度对沉积物压缩波快波声速(以下简称声速，cp)的影响.
温度变化控制下的声学测量实验结构原理如图 1:在实验室温度状态下开始降温进行连续测量；制冷装置采用冰柜，调节至所需的恒定温度，控制降温速度；通过温度计测量温度调控室温度，保证降温过程平缓；通过测温仪测量沉积物样品温度，判断温度稳定在测定温度下，测温仪分辨率为1℃；运用湘潭天鸿电子研究所开发的DB4 型声波仪测量沉积物样品，换能器测量主频为37.1kHz, 频宽是977Hz；激发单脉冲发射信号，采样时间间隔为0.2μs, 由电子计算机记录沉积物声学测量波形图；沉积物样品长度采用游标卡尺进行测量，分辨率为0.02mm.
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图 1 温度控制声速测量系统结构示意图 Fig. 1 Structure sketch of acoustic measurement system with controlled temperature |
温度变化控制声学测量的样品取自于南海北部海底表层沉积物，分装于Φ75 mm 的PVC 管里，长度为200~500 mm 不等，分为原状样和重塑样两种.原状样是直接从海底采集到的保持原状态的样品，重塑样是参照卢博等[11]方法，将经过首轮测量后的原状样重新沉积制作而成的沉积物样品.重塑样与原状样因沉积条件差异，存在结构等不同，但是研究[9， 12]表明重塑样的声速、物理性质、表观与原状样比较符合，可以看作是沉积物多样性中的一类原状样.
海底沉积物温度控制声学测量完成后，按照土工试验方法标准[13]从样品中取出一定量沉积物进行物理性质测量.
3 温度变化下的三种声速类型 3.1 测量结果及分析海底沉积物的温度控制声学测量声速及物理参数测量结果如表 1.随着温度的变化，15个沉积物样品的声速变化产生了不同的趋势，表现出三种典型趋势:
(1) 声速温度正增长型(简称STPIK):随着温度升高，声速增大.
(2) 声速温度负增长型(简称STNIK):随着温度升高，声速减小.
(3) 声速温度波动型(简称STWK):随着温度升高，声速随温度变化不大或者波浪式变化趋势.
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表 1 海底沉积物样品的声速和物理参数 Table 1 Speeds and physical parameters of samples of seabed sediments |
声速温度正增长型样品有CJWCY02、CJWCY03、CJWCY04、CJWCY11Y、CJWCY14Y、CJWCY15Y.6个样品的声速平均增幅(单位，m·s-1/℃)依次为2.37、3.00、3.44、2.35、1.40、1.71.其中，原状样的增幅小于重塑样.这一类样品的含水量变化率达257.55%，变化范围宽；孔隙度变化率为54.98%，变化范围较大.
声速温度负增长型样品有CJWCY06、CJWCY07、CJWCY09、CJWCY10Y、CJWCY13Y.5个样品的声速平均减幅(单位，m ·s-1/℃)依次为-1.96、-1.32、-0.83、-2.09、-5.63.其中，原状样的减幅大于重塑样.除了CJWCY13Y样品外，其他样品的含水量接近；孔隙度变化率为17.23%，变化不大.
声速温度波动型样品有CJWCY01、CJWCY05、CJWCY08、CJWCY12Y.第三类样品在温度变化下声速处于一种交替变化的状态中，是前两类样品的过渡状态.
三类样品物理性质参数的平均值见表 2，分析可得:
(1) 声速温度负增长型样品的平均声速最高，远高于其他两类样品.
(2) 声速温度正增长型样品的平均砂含量最高.
(3) 声速温度波动型样品的平均含水量、中值粒径和粘土含量在三类样品中最高.
(4) 三类样品的平均密度和孔隙度相差不大.
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表 2 三类样品物理性质参数的平均值 Table 2 Average values of acoustic and physical parameters of three kinds of sediments samples |
孔隙度、密度、中值粒径被认为是影响海底沉积物声速的重要物理参数，但是三类样品的平均值差异不大，从其在温度控制测量中对声速的影响来看，很难解释三类样品的声速-温度性质的不同.沉积物的组成含量是以颗粒尺寸进行划分，三类样品都是粉砂为主，在砂含量和粘土含量上不同，体现了一定的差异性，但无法直接解释温度-声速的性质，因此可以推测这种差异来自于海底沉积物的结构以及孔隙海水和固相介质颗粒的相对运动状态等影响因素.
3.2 三种类型的声速-温度线性关系在温度变化过程中，三种类型沉积物声速变化呈现起伏不均匀的状态.基于相关系数显著性检验进行线性程度分析，绝大多数STPIK 和STNIK 类型沉积物样品的温度变化对声速影响具有十分显著的线性关系(见表 3).其中，原状样品的声速变化没有重塑样均匀，线性拟合精度整体低于后者，这是因为原状样沉积物在长期的沉积过程中具有分层特征，层层之间的热作用特性不同，此外原状样品中含有贝壳、砾等较大尺寸的杂质，其存在影响了沉积物的温度变化均匀性，而重塑样在重塑过程中挑除了部分杂质，并将各个沉积层的沉积物混合在一起，从而表现出重塑样品温度声速特性更为均匀.STWK类型的波动程度见表 3.三种类型海底沉积物典型样品的温度声速变化曲线如图 2.
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表 3 三种类型海底沉积物的声速一温度线性关系 Table 3 Correlations of speed and temperature of STPIK，STNIK and STWK |
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图 2 三种类型海底沉积物典型样品的声速-温度变化趋势标点为实测值，直线为线性拟合曲线 Fig. 2 Speed-temperature diagram of typical seafloor sediments samples of three kinds Points are the measured values and lines are the fitting curves |
图 2所示样品的声速cp(m·s-1)和温度t(℃)关系式如下:
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(1) |
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(2) |
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(3) |
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(4) |
海底沉积物的固液两相介质可以等效为一种非线性物质，忽略体力的情况下，其声波传播波动方程标准形式如下:
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(5) |
式中，ρ 为等效密度；k为等效波动弹性模量；F可以代表等效物质的压强、密度、质点速度、位移等量；$\ddot{F}$表示为时间的二次导数，Δ2 为拉普拉斯(Laplace)算子，
从等效模型中得出声波传播速度c表达式如下
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(6) |
当不考虑耗散时，等效密度和等效压缩模量都为实数，当考虑耗散时，等效密度和等效压缩模量都为复数.基于Biot模型的海底沉积物压缩波等效波动弹性模量k为[8， 14]
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(7) |
式中，Ks、Kw、Kdf、μdf 分别为海底沉积物的固相颗粒体积弹性模量、孔隙海水体积弹性模量、固相孔隙介质干骨架体积弹性模量和切变弹性模量.
海底沉积物的等效密度ρ 为
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(8) |
式中，ρs、ρw、n分别为固相介质颗粒密度、孔隙海水密度和孔隙度.
温度对海底沉积物的影响机制等效为对海底沉积物的等效波动弹性模量和等效密度的综合影响结果.温度变化下，固相颗粒的Ks 和ρs 几乎不变化，固相孔隙介质干骨架的Kdf 和μdf 变化与孔隙海水的Kw 变化相比很小，与此同时孔隙度变化较小，对小变化量进行忽略[8]，得出对沉积物声学性质影响的主要因素为孔隙海水的Kw 和ρw 变化.基于以上简化，运用式(6)、(7)和(8)Biot 等效模型计算STPIK 类型6 个样品的声速见图 3.CJWCY02、CJWCY03、CJWCY04、CJWCY11Y 四个样品的理论计算精度非常高，良好地解释了其声速测量值、声速增长趋势和变化量.CJWCY14Y 和CJWCY15Y样品的理论计算值和实测结果存在较大的常值误差，计算误差范围分别为-4.51% ~ -2.18% 和1.08%~3.24%，同其他样品的物理性质比较推测可能是这两个样品的孔隙度、尺寸测量存在误差较大所致，但理论计算同样能够解释这两个样品的声速-温度变化趋势.运用TCFCMCM 模型等效解同样解释了CJWCY02、CJWCY03、CJWCY04 样品的声速随着温度升高而增大的趋势，理论计算误差在-3.03%~0.04%之间[9].
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图 3 基于Biot理论等效模型计算与南海海底沉积物实验测量声速-温度变化比较 Fig. 3 Comparison diagram of theoretical calculation based on Biot equivalent model and experimental results of relation of speed and temperature of seabed sediments in SCS |
基于Biot等效模型，以STPIK 沉积物的实测物理参数计算海底沉积物与海水的声速比Rs/w随温度变化趋势如图 4所示，可以看出Rs/w随着温度升高几乎略微下降，几乎为常数，可以认为Rs/w只与沉积物物理参数及类型成份有关，在0~30 ℃范围内与温度无关.因此采用声速比Rs/w和原位海水声速结合将各种采集样品测量条件下声速校正回原位温度状态[15-17]，为海底沉积物的原位声学性质分析以及为各种不同温度测量数据比较提供了一种实用方法.STPIK 类型沉积物样品的声速比及其精度如表 4.
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图 4 基于STPIK类型物理参数运用Bot理论等效模型计算沉积物与海水声速比-温度关系曲线 Fig. 4 Relation diagram of speed-ratio of sediments to sea water with temperature based on Biot equivalent model applying with the physical parameters of STPIK sediments |
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表 4 温度变化下STPIK类型实测声速比均值及精度 Table 4 Average speed ratio and performance of measured value of STPIK in different temperature |
表层海底沉积物是一种海水饱和松散沉积物，通常孔隙度非常大，海水充填在孔隙中，可以产生流动，因此对沉积物的声学特性起着特殊作用.STPIK类型沉积物的理论分析和声速比Rs/w与温度无关可以表明:
(1) 在温度变化时，其声学性质主要受孔隙海水影响；
(2) 声速变化趋势与海水变化趋势相同，变化大小和程度与海水接近，与类型和孔隙度等物理参数有关.
3.4 STNIK 和STWK 类型分析STNIK 和STWK 两种类型在其他海域未见报道，这两种类型的声速随着温度升高与海水的变化截然不同，因此一定存在与孔隙海水作用相反的因素，使得沉积物的速度产生波动或者下降.从等效模型出发，在解释STPIK 类型中忽略了固相孔隙介质干骨架弹性模量和孔隙度的温度变化下的作用，初步推断是这两种因素之一或者组合变化造成沉积物声速的下降或者波动.采用搜索法，在温度变化下分别对固相孔隙介质干骨架弹性模量和孔隙度按不同的线性假设变化进行数值分析，发现孔隙度的变化不会引起声速下降；当固相孔隙介质干骨架弹性模量随着温度减小到负值时海底沉积物声速出现了下降，而且减小到负值程度不同对应着声速下降量不同，与实验趋势一致，但是这与自然常识相违背.因此，运用以上Biot等效模型和TCFCMCM 模型等效解无法解释南海海底沉积物这两种类型的现象，还有其他因素使然海底沉积物产生这种特性.气体进入或许是其中一个原因.此外，Eastwood[14]研究冰湖石油砂含沥青沉积物声速与温度特性，实验表明，温度升高时，石油砂干骨架弹性模量和沥青声速都会下降，前者下降小，后者下降大，综合导致沉积物的下降幅度与沥青相一致，相比沥青的有机质特性，海底沉积物富含有机质、具有复杂多样的结构特征、孔隙海水溶解了细微的颗粒形成溶液、多孔隙固相松散骨架受海水作用出现粘结现象等等，因此在有机质的变化特性下有可能存在如同沥青性质一样的声速温度负增长型.海底沉积物的复杂多样，对于STNIK 和STWK 两种类型的机理还需要从细观特性去研究.
4 结论与讨论南海北部海底沉积物在低温下测量声速范围1416~1806m·s-1(见表 1)，而天然气水合物的声速通常在2000~4000m·s-1 [18]，两者在声速上能够区分开来，因此在海底沉积物存在声速异常[19]往往可能存在天然气水合物.随着温度的升高，天然气水合物失去相平衡稳定会产生天然气逸出，声速会下降，与海底沉积物的声速开始相近，此时运用声学方法测量分辨水合物的精度会极大降低.当分解完全，含气沉积物的声速会下降到低于1000m·s-1，与海水饱和沉积物和天然气水合物的声速区分开来，往往是形成BSR 的条件[20].本文测量低于1500m·s-1以下的海底沉积物声速有可能是空气进入使然，常发生在沉积物样品中采集、输运以及实验室测量过程中.
海底沉积物具有不同的声速比Rs/w (见表 4)，对于高声速海底(Rs/w≥1)，界面对于小掠角入射波有充分的“阻挡"作用，使得沉积物内层的分层结构作用不明显，在一定的频率范围内，小掠角的反射特性退化为由表层参数所表征的瑞利反射系数.而对于低声速海底(Rs/w ＜1)，界面对于小掠角入射波只有部分的"阻挡"作用，这时沉积层的内部分层结构将起作用.此外，在温度变化下，海底沉积物的声阻抗和反射波的幅度会产生变化[7].因此，对于三种类型的声速比和声学性质变化不同，将对应用AVO技术探测天然气水合物的精度起到影响作用.
通过温度控制声学测量研究温度变化状态下南海海底沉积物声速性质，得出以下结论:
(1) 南海北部海底沉积物在温度变化中具有声速温度正增长、声速温度负增长和声速温度波动三种类型，后两种类型在世界范围内海域未见报道.
(2) 声速温度正增长类型和声速温度负增长类型沉积物的温度变化对声速影响都具有十分显著的线性关系，但是原状样品由于组成不均匀性，增大了声速变化的非线性.
(3) 南海北部海底沉积物的孔隙度、密度、中值粒径等主要物理参数的差异难以直接解释三类样品的温度-声速性质的不同.
(4) 对于STPIK 类型沉积物，理论分析和实验结果具有统一性，表明孔隙海水的物理性质变化是沉积物声学性质变化的主要影响因素，可以运用海底沉积物与海水的声速比Rs/w进行校正不同温度状态下的海底沉积物声速.
(5) 对于STNIK 和STWK 类型沉积物，需要深入研究，从理论和实验角度揭开其机理和成因.
如果考虑气体含量因素，海底沉积物作为一种多松散骨架状态的孔隙固液气三相混合物.其中，固相孔隙介质因为颗粒大小、颗粒成份、沉积状态等不同，形成了不同结构的骨架状态，宏观上物理参数差异不大的沉积物往往在微观结构上差异显著，Hamilton[21]总结了六种微观结构，而Lu等[22]研究南海北部海底沉积物的微结构更丰富，微结构的差异导致声速的多样性.孔隙海水的结构性质比较单一，但是孔隙海水可以溶合极细微的固相介质而变成一种溶液，增加了孔隙海水的复杂性.气体在海底沉积物中通常含量较低，但是气体对沉积物的声学特性影响通常较大.当温度作用时，引起孔隙海水、气体和固相孔隙介质的运动度发生改变，从而导致声速变化复杂，出现了三种类型.同时，海底沉积物具有的松散骨架结构，在振动和温度变化的热机耦合作用下，增加了声速变化的非线性，表现出每种类型中存在的波动，在STWK 类型中尤其突出.此外沉积物沉积的分层特性和存在着较大颗粒的杂质增加了温度作下原状样品的声速变化的非线性程度.对于STNIK 和STWK 类型沉积物的温度声学特性，未有明确的理论解释，通过深入地分析研究海底沉积物的微结构特征和分类性质，将会揭示出海底沉积物在温度升高时声速变化的物理机制.
致谢本文前期研究获得了国家自然科学基金项目(40876018)和国家海洋局海底科学重点实验室研究课题(KLSG0906)的支持，特此表示感谢!
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