海底沉积物声衰减研究现状及展望

海底沉积物声衰减研究现状及展望

刘　强,卢　博

(中国科学院边缘海地质重点实验室,广东广州　510301)

摘　要:根据近年来海底沉积物声学物理研究发展的态势,介绍了与研究声衰减有关的海底沉积物样品采集装置和海洋沉积物声速结构模式,综合解析多种对海底沉积物声衰减等声学特性研究方法,并做出较为详细地比较和讨论,提出对海底沉积物声衰减研究在满足科研要求的同时也应符合国家标准和要求。同时,指出了研究海洋沉积物声衰减的必要性和重要性,强调了对海底沉积物声衰减研究的科学意义和应用意义。

关键词:海底沉积物声学;取样装置;声速结构模式;声衰减

中图分类号:P733.2 文献标识码:A 文章编号:1003-2029(2006)02-0063-05

引言

水声学主要研究声波在水下的产生、辐射、传播和接收的理论,主要用以解决与水下目标探测、识别以及信息传输过程有关的声学问题。其研究内容丰富,但其中很多科研都涉及到海底沉积物的声学特性,涉及到海底表层沉积物的声速问题,沉积物的声衰减问题及其声阻抗问题等等,这些都联系着海底沉积物声学和水声学。

在所有的浅海环境和深水条件下,海底是影响声传播的重要因素之一,研究海底界面的声学性质是海底声学和地球物理学的共同兴趣所在。在海底沉积物表层几米范围内,其物理和声学性质有较大的梯度变化。在海底沉积物声学物理研究中涉及到许多物理参数,其中,沉积物声速和声衰减参数等一直是重要的海底地声参数,直接决定着海底声波和地震过程的作用影响。

1　样品采集仪器和设备

海底沉积物声学特性尤其是声衰减特性的研究,在目前首先是要获得海底沉积物样品来进行分析研究,因此,完整的、具有一定科研价值的海底沉积层样品是非常重要的。在这里有必要介绍海底沉积物样品的采集装置。尽管可以用海上钻机钻取很深很长的柱状样品,但目前比较广泛使用的绝大部分仍依靠各种重力式采样器。

收稿日期:2005-11-12

基金项目:国家自然科学基金资助项目(40476020)

作者简介:刘强(1980-),男,河北人,中国科学院南海海洋研究所硕士研究生,从事海底沉积物声学等研究。1.1　蛤壳式取样器

一种早期使用的设备,也称为“抓斗”。这是用一对咬合的钢瓣,在很重的取样器放下海里去时保持张开,然后在触及海底时,由弹簧或其他类型的释放装置把钢瓣闭合。这一类取样器,从容积较小的袖珍型到可以挖取大约1m3物质的巨型挖泥器都有。针对这类装置作了改进,目前在一些海底取样当中仍在使用,缺点就是对海底沉积物的完整性有较大的损害以及不能确定取样深度。

1.2　箱式取样管

箱的口径为24cm×30cm或更大一些,高度大小不一。一般依靠设备自身重力沉入海底表层沉积物中,这样大口径的取样管是为了确保获得沉积物表层样品,在回收时利用一个铲子自动转到管口下面,把管口严密封闭。这种采样设备可以获得较好的表层沉积物,对海底沉积物的扰动较小,完整性破坏较小,往往还可能取到岩石碎块。在箱体内沉积物样品的顶部,常常可以见到保存良好的海底动物迹印和波痕,这是很有价值的,但其采集深度有限。取样后需要在已有沉积物的箱体里插入一根塑料管进行二次取样。现在使用较多的是多管采样器,属于盒式采样器的一种变形,不锈钢制造,取样管为4根或8根有机玻璃管,长度60cm,口径10cm。

1.3　重力式取样管和活塞重力式取样管

这两种采样器比较广泛应用在目前海底沉积物的海上取样工作,两者的取样基本原理差不多,取样管长度1～10 m,可调节长度;取样管口径由50～100mm不等;管的顶部是配重和定向尾翼,管口是带有花瓣爪,以保护样品不会在取样后掉出管外,管内都配有相应口径大小的塑料管作为内管,方便取出样品和保护样品以后的运输和分割。不同的是活塞重力式取样管在内管里有活塞,当取样管下沉到海底时活塞通过预先放置的一根钢丝绳的拉动,完成一个

第25卷　第2期2006年6月

海　洋　技　术

OCEAN TECHNOLOGY

V ol.25,No.2

June,2006

活塞活动,把海水抽出管外,海底沉积物就更容易进入这个半真空状态的管内,取得样品长度比一般重力式取样管取得的样品更长。这两种取样管的优点是工作起来比较方便,操作简单,适应于多种船只,甚至在渔船上也能使用。1.4　具有声学测量功能的重力式取样管

水声设备的研究人员和专家都倾向于采用“现场”或称为“原位”测量数据。因为在船上得到的海底沉积物样品的外部压力、温度、含气量以及其他参数的数值都与海底实际数值有很大的差别。

这种采样器整合了海底沉积物样品采集和现场声速测量设备,是一种综合的现代采集器。将声换能器装在取样管上的声速测量仪,借助重力作用,自由下落进入海底,在取样管所能达到的深度内,能在实际条件下连续测量声速等声学参数,这是它的固有特点。仪器的管嘴靠同轴电缆与船舷设备相连实现数据传递或者将数据记录在安装于容器内的自动记录仪上。吴家仁等[1]第一次在重力采样器箱体底部安装了电换能器,测量声脉冲通过箱体中沉积物的传播时间,获得声速值和观察到沉积物的声衰减系数。

还有一种类似的取样装置。在样品采集过程中可以获得海底沉积层压缩波声速和声波衰减剖面。该装置采样管壁上平均分布着独立的声波接受器,借助这些仪器,在采样时依靠自身重力,自由下落进入底质,记录在采样过程中波形。傅顺声等人[2]已使用了该仪器,效果良好(如图1、图2)

。

图1　接收换能器安置结构

目前,随着海洋沉积物声学物理研究工作的不断深入发展,海底沉积物采集设备也在不断地发展。在未来的几年里,有可能研制能取样更深(必要时可调至10m 以上),取样瞬间能同步测量海水声速、沉积物压缩波速、切变波速和声衰减等多参数的现场沉积物声学测量和取样系统,卢博等提出了这种具有声学测量功能的重力式取样管的想法和

设计思路[3]

。

图2　采样管配置结构示意图

2　声衰减研究进展

针对海洋沉积物声衰减研究,国内外同行做了不少工作,研究方法也不尽相同。但是很少有人注意到海洋沉积物声速结构对研究海底沉积物声衰减等声学特性的影响。2.1　海底沉积物声速结构模式

海洋沉积物是由沉积物颗粒与海水双相介质组成的,而沉积物中声波传播(特别是压缩波分量的传递)在很大程度上是由双相介质的可压缩性来决定的。沉积物由于其孔隙度、密度及颗粒度的差异,有可能形成高声速层或低声速层,Hamilton [4]归纳了众多的沉积物模型以后,总结出两种较为常见的浅海大陆架沉积物声速结构模型,即高声速模型和低声速模型,C p >C o 为高声速海底;C p

当含水量超过50%,或孔隙度超过55%,沉积物有可能形成低声速层即沉积物声速低于底层海水声速。Hamil-to n 指出在深海大洋区域,低声速沉积物普遍存在,而在大陆架上沉积物一般为高声速。然而只靠Hamilto n 模型不能真实地描述我国沿岸海底。在我国沿海大陆架区域上,并不只有这两种。卢博等[5]已经通过对我国大量海底沉积物声速资料的总结,初步建立了三种主要的声速结构模式,代表了我国东南沿海浅海的海水-沉积物声速结构模式的基本特征。

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