声学与海洋沉积学交叉领域的研究

第24卷第3期2006年7月

海洋科学进展

ADVANCES IN M ARINE SCIENCE

V ol.24N o.3

July,2006声学与海洋沉积学交叉领域的研究*

杜德文1,2,王宁3,周兴华1,2

(1.国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266061; 2.海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室,

山东青岛266061;3.中国海洋大学,山东青岛266003)

摘要:声学与海洋沉积学交叉领域研究可分为/沉积层声学特性的研究0、/海底高频声散射或低频声反射与底质类型之间关系的研究0、/回声参数反演海底类型技术0和/海底回声图象识别海底沉积类型技术04个方面的研究,

较详细论述了4个方面的国内外研究现状,最后提出了该领域进一步研究的战略思路。

关键词:海底沉积物;声学参数;底质分类

中图分类号:P733.23文献标识码:A文章编号:1671-6647(2006)03-0392-05

声学与海洋沉积学交叉领域的研究,至少可在下列领域获得应用:海上钻井井位和海底管线路由调查、渔业资源管理、海洋生物习性评估、海洋环境监测、海岸带管理、航道疏浚和码头港口建设、扫雷、布雷和潜艇航行等军事应用以及河道、内陆湖泊的相关工程应用。例如,传统海底沉积类型调查办法是利用机械装置进行海底表层取样或柱状取样,它的效率较低,成本高,而利用现代声纳技术在获得测深数据的同时有可能获得海底沉积类型的估计结果,使调查效率提高,成本降低。这些领域的研究工作可能带来技术革新,所以正掀起国内外学者的研究高潮。

归纳起来,声学与海洋沉积学相关的领域的研究可分为4个方面。第1方面,沉积层声学特性的研究,由此带来的应用技术构成第2方面,回声参数反演海底类型技术;第3方面,海底高频声散射或低频声反射与底质类型之间关系的研究,与之对应的技术研究构成第4方面,海底回声图象识别海底沉积类型技术。下面分别论述各方面的研究进展,最后探讨该领域进一步研究的战略思路。

1沉积层声学特性的研究

海底沉积层的声学特性研究由来已久。早在20世纪50)60年代,Liberm ann和M ackenzie用脉冲声源和水下炸弹对不同类型海底的垂直反射损失进行实测。之后,H amilton,Anderso n及Robin等在这方面的工作尤为突出。其中关于密度与声速,P波速度与横波速度比的研究非常有意义。他们总结了大量实验结果,给出经验公式。表1和表2分别给出了大陆架与大陆坡及声阻抗反射系数和深海平原沉积物声学特性之间的关系参数。

H am ilto n通过大量实验数据分析与统计得到声速与孔隙率、孔隙率与平均密度以及密度与孔隙率之间的经验公式[1,2]:

c=2475.5-21.764n p+0.123n2p(1)

n p=34.84+5.028m U(2)

Q=2.6-1.6n p(3)

*收稿日期:2005-12-10

基金项目:国家高技术发展研究计划项目)))海底底质分类的多参数识别技术(2001AA613040)

作者简介:杜德文(1966-),男,安徽寿县人,研究员,博士生导师,主要从事海洋地质、数学地质、海底探测及信息技术研究工作。E-mail: dw du@

(杜素兰编辑)

表1 浅海沉积物声学特性参数

T able 1 A coust ic physical propert ies of sha llo w sea sediments

类型密度/g #cm -3

孔隙率/%波速/m #s -1

吸收系数/dB #mk Hz -1阻抗/@106N #s #m -3

穿透深度/m 反射系数/dB #mk Hz -1

粗砂 2.02338.6 1.2010.47 2.4300.6380.417细砂 1.95745.6 1.1450.51 2.2410.5880.381极细砂 1.86650.0 1.1150.68 2.0810.4410.351粉砂砂 1.80655.3 1.0780.69 1.9470.4350.321砂质粉砂 1.78754.1 1.0800.76 1.9300.3950.317粉砂

1.76756.3 1.0570.68 1.8700.4410.303砂-粉砂-粘土 1.58366.3 1.0330.11 1.635

2.7300.241粘土质粉砂 1.46971.6 1.0140.08 1.490

3.7500.197粉砂质粘土

1.421

75.9

0.994

0.07

1.413

4.286

0.171

表2 深海平原沉积物声学特性参数

T able 2 Aco ustic pro per ties of deep sea plain sediments

类型密度/g #cm -3

孔隙率/%波速/m #s -1

吸收系数/dB #mkH z -1

粉砂质砂 1.80655.3 1.0780.69砂质粉砂 1.78754.1 1.0800.76粉砂 1.76756.3 1.0570.68砂-粉砂-粘土 1.58366.3 1.0330.11粘土质粉砂 1.45474.20.9990.08粉砂质粘土

1.34870.50.9910.07粘土

1.352

80.5

0.983

0.007

受H amilton 工作的启发,20世纪70年代后大量实验与理论工作集中在多孔介质的弹性模量研究上,试图从理论上确定声速等参数同沉积层成分、粒度、孔隙度等的关系。典型的模型有Gassmann 模型[3],Bio t 模型[4,5]等。如在Gassmann 模型中:

Q =(1-U )Q S +U [S Q l +(1-S)Q g ](4)式中,U 为孔隙度;S 为液体饱和度;Q s ,Q l ,Q g 分

别为构成固体、液体和气体的密度。

以上研究说明利用声学方法估计沉积层底质类型是可行的。通过声速、阻抗和声吸收系数等参数的测量可以估计海底浅层底质类型。

2 回声参数反演海底类型技术

在石油和天然气工业中已普遍应用的地震AVO 方法可认为是阻抗剖面反演的原型。然而地震探测主要是利用频率较低、波长较大的声波对地层进行探测,根据测不准原理,它只能探测较大尺度的地层结构。声阻抗剖面反演利用频率大、高波长短(毫米级)的声波,探测浅层地层微结构或表层沉积类型。20世纪70年代始,地球物理界和声学界开始研究阻抗剖面反演方法。根据所使用声源频率(几百赫兹到几千赫兹)和测量设置的不同可以实现几米到百米海底以下的地层剖面参数反演。直接离散求逆法最早由Go upillaud [6]

提出,并由许多学者进一步发展,该方法是根据层状介质系统的响应逐层求反射系数,再由反射系数计算出各层的阻抗。Gjevikk 等[7]提出了频域的连续迭代法,该方法的基本思想与直接离散求逆法一致,只是在推导过程中使用的是连续函数,Nilson 和Gjv eik

[8]

将该方法推广至含衰减、近似垂直传播的情形。Gr ay

[9]

则

分析了Go upillaud 方法和Gjveik 等的连续迭代法之间的关系,Ursin 等[10]

比较了5种典型的离散与连续反

演方法。War e 和Aki 基于Marchenko 积分方程法研究了层状声介质的声阻抗的反演问题[11]。Ber ryman 和Gr eene [12]研究表明,Ware 等的离散反散射方法与Goupillaud 和Kunetz 的直接离散方法是等价的。Symes [13,14],Santosa 等[15]进一步研究了G-L 方法在声阻抗重建中的理论问题和数值求解方法。反散射方法在理论研究上颇有特色,线性积分方程的数值求解方法稳定性也较好,但计算量大且对未知参数的光滑性

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3期杜德文,等:声学与海洋沉积学交叉领域的研究