（机械电子工程专业论文）南海海底沉积物声学特性的温度影响性研究.pdf

摘要 摘要 根据联合国海洋法公约和我国的主张，我国可管辖的南海海域面积达2 0 0 x 1 0 4 k m 2 。南海海底蕴藏着丰富的资源，尤其是海底石油和天然气。海底沉积物是水声的下 边界，承载着海洋资源、海洋地质和海洋历史，其声学性质和声传播理论模型的研究 在天然地震、油气资源的地质勘探和开发、防灾减灾环境治理等领域有很强的应用背 景。目前，南海海底沉积物的物理力学性质与声学特性关系的理论与实验、声传播理 论模型等方面的研究取得了一定的成果。但是，在南海海底沉积物的研究过程中，仍 有许多问题需要深入探讨。因此，我们需要更多的理论和实验研究，为南海资源的开 发提供强有力的理论和技术保障。 测量海底浅层沉积物声学参数( 声速、声衰减、声阻抗和声反射系数等) 是海洋 探测和海洋声场研究不可或缺的重要内容，也是海底勘测和海洋资源开发的关键。目 前，针对海底沉积物声学特性测量的方法主要有三种：一种是海底沉积物声学特性的 原位测量；一种是声学参数遥测法；另一种方法是采样后的实验室测量。由于沉积物 样品具有可以重复测量，精度相对较高，成本低廉等优点，国内一般采用实验室测量 方法。 运用同轴差距衰减测量法，实验室模拟南海海底沉积物不同的温度状态，研究了 海底沉积物声速与温度之间的关系，实验得出温度对南海海底沉积物声速的影响规律， 指出了南海沉积物存在三种声速一温度类型并探讨了原因。 本文介绍了三种不同的海底沉积物声波传播理论模型：b i o t - s t o l l 模型、等效密度 流体模型和f c f c m 模型并在相同参数条件下对环境温度影响下的三种理论模型进行 了数值分析，从理论上解释了海底沉积物压缩波声速随着温度的升高而上升的影响规 律并利用实验数据验证了三种模型解释南海海底沉积物声速的合理性。 本文采用m a t l a b g u i 软件设计与实现了一个海底沉积物声学系统，其直观形象 地表现了海底沉积物声学系统的功能，基本达到了设计要求。该系统的图形化用户界 面有效地处理了海底沉积物声学参数( 声速、幅值、声衰减) 实验数据，为我们提供 了一个方便有效的数据处理平台。同时，声学系统加强了m a t l a b 程序的模块化，提 高了用户与程序之间交互的方便性，得到了令人满意的结果。 广东工业大学硕士学住论文 关键词：海底沉积物；模型；温度；m a t l a b g u i a b s t r a c t a b s t r a c t a c c o r d i n gt o ”u n i t e dn a t i o n sc o n v e n t i o no nl a w o ft h es e a ”a n dc h i n a sc l a i m ，c h i n a m a y b eu n d e rt h ej u r i s d i c t i o no ft h es o u t h c h i n as e aa na r e ao f2 0 0 10 4 k m 2 s o u t hc h i n a s e ai sr i c hi nr e s o u r c e se s p e c i a l l yt h eo f f s h o r eo i la n dg a s t h es o u n do fs e d i m e n t su n d e rt h e w a t e rb o u n d a r yc a r r i e st h em a r i n er e s o u r c e s ，m a r i n eg e o l o g ya n dm a r i t i m eh i s t o r y t h e r e s e a r c ho fa c o u s t i cp r o p e r t i e sa n dt h e o r e t i c a lm o d e lo fs o u n dp r o p a g a t i o nh a sas t r o n g a p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d ，i nt h en a t u r a le a r t h q u a k e ，g e o l o g i c a le x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n t o fo i la n dg a sr e s o u r c e s d i s a s t e rp r e v e n t i o na n dm i t i g a t i o ne n v i r o n m e n t a l ，a n ds oo n t h e r e s e a r c ho b t a i n e dc e r t a i nr e s u l t si ns o u t hc h i n as e as e d i m e n t st h e o r ya n de x p e r i m e n to f c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a la n dr e l a t i o n s h i pb e t w e e na c o u s t i cp r o p e r t i e s ， t h e o r e t i c a lm o d e lo fs o u n dp r o p a g a t i o n ，a n ds oo n b u t ，d u r i n gt h er e s e a r c ho fs o u t hc h i n a s e as e d i m e n t , m a n yi s s u e sn e e dt ob ed i s c u s s e d s o ，w en e e dm o r et h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ht op r o v i d eas t r o n gt h e o r e t i c a la n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h es o u t h c h i n as e a sr e s o u r c ed e v e l o p m e n t a c o u s t i cp a r a m e t e r sm e a s u r e do fs u b - b o t t o ms e d i m e n t ( v e l o c i t y ，s o u n da t t e n u a t i o n ， a c o u s t i ci m p e d a n c ea n da c o u s t i cr e f l e c t i o nc o e f f i c i e n t , a n ds oo n ) a r ei n d i s p e n s a b l ec o n t e n t o fs o u n df i e l do fm a r i n er e s e a r c ha n do c e a ne x p l o r a t i o n a n da l s ot h ek e ys e a b e d e x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n to fm a r i n er e s o u r c e s n o wt h e r ea r et h r e em a j o rw a y sf o r m e a s u r i n gt h ea c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i c s o fs e d i m e n t s ：o n ei st h ea c o u s t i cp r o p e r t i e so f s e d i m e n t si ns i t um e a s u r e m e n t s ；o n ei st h et e l e m e t r yo fa c o u s t i cp a r a m e t e r s ；a n o t h e rm e t h o d i st om e a s u r ei nt h el a b o r a t o r ya f t e rs a m p l i n g b e c a u s es e d i m e n ts a m p l e sc a nb em e a s u r e d r e p e a t l y ，h i g ha c c u r a c yr e l a t i v e l y ，c o a t l o w a n ds oo n d o m e s t i cu s e dl a b o r a t o r y m e a s u r e m e n tc o m m o n l y u s i n ga t t e n u a t i o nm e a s u r e m e n t sc o a x i a lg a p ，l a b o r a t o r ys i m u l a t i o no f t h es o u t hc h i n a s e ab o t t o ms e d i m e n t so fd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n st os t u d ym a r i n es e d i m e n ts o u n d s p e e da n dt e m p e r a t u r eo ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es o u t hc h i n as e ab o t t o ms e d i m e n t s s o u n ds p e e dw ed r a wt h ef o l l o w i n gr u l ee x i s t s ：a st h et e m p e r a t u r er i s eh i g hs e d i m e n ts o u n d m 广东工业大学硕士擘住论文 v e l o c i t yc h a n g ei ss l o w ，u pa n dd o w nt h em o r eo b v i o u s ，t h eo v e r a l lt r e n di su p w a r d t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h r e ed i f f e r e n ta c o u s t i cp r o p a g a t i o nm o d e lo fm a r i n es e d i m e n t , s u c ha sb i o t - s t o l lm o d e l ，t h ee q u i v a l e n td e n s i t yf l u i dm o d e la n df c f c mm o d e l u n d e rt h e s a m ep a r a m e t e r s ，o n l yc o n s i d e r i n gt h et e m p e r a t u r ef a c t o r s ，t h i sp a p e ra n a l y z e dn u m e r i c a l l y t h r e em o d e l si nd i f f e r e n tp o r o s i t ya n dd i f f e r e n tf r e q u e n c i e so fs o u n d p r o p a g a t i o np r o p e r t i e s r e s p e c t i v e l y t h i sp a p e rc o m p a r e dc o m p r e s s i o nw a v ev e l o c i t yo ft h r e em o d e l s ，a n a l y z e dt h e r u l e t h a t t h e o r e t i c a l l yc o m p r e s s i o nw a v ev e l o c i t y o fs e d i m e n t si n c r e a s e sw i t ht h e t e m p e r a t u r ei n c r e a s i n ga n dv a l i d a t e dr a t i o n a l i t yo ft h r e em o d e l su s i n ge x p e r i m e n t a ld a t a t h i sp a p e rd e s i g n e da c o u s t i cs y s t e mt h a tr e f l e c t e dt h ef u n c t i o no fs e a f l o o rs e d i m e n t s a c o u s t i cs y s t e mw h i c hm e tt h en e e db a s i c a l l yb yu s i n gm a t l a b g u is o f t w a r e t h e g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c eo ft h es y s t e mc a nd e a le f f e c t i v e l yw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t ao f b o t t o ms e d i m e n ta c o u s t i cp a r a m e t e r s ( v e l o c i t y ，a m p l i t u d e ，s o u n da t t e n u a t i o n ) a n dp r o v i d eu s ac o n v e n i e n tp l a t f o r mf o rd a t ap r o c e s s i n g a c o u s t i cs y s t e mh a ss t r e n g t h e n e dt h em a t l a b p r o g r a mm o d u l a r i t y ，i m p r o v e di n t e r a c t i o nb e t w e e nu s e r sa n dp r o g r a m sa n dg o t t e n s a t i s f a c t o r yr e s u l t s k e yw o r d s ：m a r i n es e d i m e n t ；m o d e l ；t e m p e r a t u r e ；m a t l a b g u i i v c o n t e n t s co n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ii i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) v c o n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i n g i f i c a n c eo f r e s e a r c h 1 1 2m a r i n es e d i m e n tm o d e lo fs o u n dp r o p a g a t i o na n da c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i c s 3 1 2 1t h es o u n dp r o p a g a t i o nm o d e lo f m a r i n es e d i m e n t 3 1 2 2r e s e a r c ho f a c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i c s 5 1 2 3t h el a c ko f r e s e a r c hi ns o u t h c h i n as e a 6 1 3r e s e a r c ht h e m ea n dc o n t e n t s 7 1 4s u m m a r yo f t h ec h a p e r 9 c h a p t e r 2t h e s t u d yo nt e m p e r a t u r ee f f e c t so nt h es o u n ds p e e do fm a r i n es e d i m e n t s 2 1t h e e x p e r i m e n to ns o u n ds p e e du n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 1 1 2 1 1e x p e r i m e n t a ld e v i c ea n ds a m p l e s 11 2 1 2p r i n c i p l ea n dm e t h o d so f m e a s u r e m e n t 11 2 1 3e x p e r i m e n t a lp r o c e d u r e s 1 2 2 2d a t ap r o c e s s i n g 13 2 2 1s a m p l ec s y llt e m p e r a t u r ee x p e r i m e n t 1 3 2 2 2s a m p l ec s y l 3t e m p e r a t u r ee x p e r i m e n t 1 4 2 2 3s a m p l ec s y llt e m p e r a t u r ee x p e r i m e n t 16 2 2 4s a m p l ec j w c y 0 2 c j w c y 0 3 c j w c y 0 4t e m p e r a t u r ee x p e r i m e n t 1 7 2 2 5s a m p l el 1 2 3 l 2 3 l 3t e m p e r a t u r ee 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t l a b g u id e s i g ns t e p 4 6 4 2d e s i g no f a c o u s t i cs y s t e m 4 8 4 2 1t a r g e td e s i g n 4 8 4 2 2f u n c t i o no ft h es y s t e md e s i g n 4 9 4 2 3m a i ng r a p h i c a li n t e r f a c eo f t h es y s t e m 5 0 4 2 4d e s i g no fc u r v ef i t t i n ga n a l y s i si na c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i c s 51 4 2 5d e s i g no fs o u n dp r o p a g a t i o nm o d e la n a l y s i s 5 7 4 3s u m m a r yo f t h ec h a p e r 6 2 c o n c l u s i o na n dp e r s p e c t i v e r e f e f e n c e s 6 5 p a p e r sd u r i n gm a s t e rc a n d i d a t e 6 9 o r i g i n a lc r e a t i o nd e c l a r a t i o n a c k n o w l e g e m e n t 7 3 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 2 l 世纪是海洋世纪。随着全球能源短缺形势的日益严峻，人类开发利用 海洋中丰富的资源，已是历史发展的必然趋势。海洋作为人类生存和发展的摇 篮，其开发晚于陆地，是具有巨大潜力的新兴开发领域。中国是世界上人口最 多的国家，随着经济的持续高速发展，国内对资源的消费需求量不断增加，在 开发利用陆地资源的同时，我们必须重视开发海洋资源，将这种资源优势转化 为经济优势，促进国民经济的可持续发展和人们生活水平的提高。 中国南海位于3 0 3 0 - 2 3 0 4 0 q q 、1 0 4 0 1 2 1 0 e ，处于欧亚、太平洋和印度洋三大板 块的交汇处，是世界第三大边缘海，也是中国最大的外海，南北长1 8 0 0 k m ，东西长 9 0 0 k m ，面积约为3 5 0 万平方千米，等于我国的渤海、黄海和东海总面积的2 8 倍( 分 布如图1 1 ) n 1 。南海北边及东北至广东、广西、福建和台湾及台湾海峡，西边至菲律 宾群岛，西南至越南与马来半岛，通过巴士海峡、苏禄海和马六甲海峡连接太平洋和 印度洋。海底地貌呈环状分布，四周较浅，中间深陷，平均深度约1 2 1 2 米，最深处达 5 5 6 7 米盥1 。南海海域岛屿众多，约1 8 0 0 个岛屿，面积大于5 0 0 平方米，大陆岸线5 7 9 2 公里，除具有独特的热带、亚热带气候资源和生物等特色资源外，海底蕴藏着丰富的 油气资源，尤其是海底石油和天然气。据地质学家初步估计，整个南海的石油地质储 量介于2 0 x 1 0 8 - - - 1 5 0 x 1 0 8t 之间，约占全国总资源量的三分之一，被誉为“第二个波斯 湾 口1 。近些年来，我国学者对南海海域的大量研究表明：南海海域天然气水合物蕴藏 总量达6 4 3 5 x1 0 8 - - 一7 7 2 2 x1 0 8 t 油当量，占我国海上已探明天然气总储量的7 4 ；已建成 天然气生产能力6 0 x 1 0 8m 3 以上，占目前海上天然气总产量的8 8 h 3 。因此，南海将是 我国海上最大的石油、天然气生产基地，开发潜力巨大，是我国经济与社会可持续发 展的强大经济支持和保障。然而，我国南海资源开发利用面临许多的问题。2 0 世纪中 期以后，我国南海海洋权益受到侵犯，许多岛礁被越南、菲律宾、马来西亚等周边国 家侵占，油气和其他矿产资源被疯狂地掠夺，海域划界矛盾突出瞄1 。此外，南海自然环 境条件恶劣，勘探开发所需要的资金短缺，成本高，技术手段和装备相对落后等也阻 广东工业大学硕士学位论文 碍了南海资源开发的进度。针对南海资源的开发，中国政府从维护地区和平稳定的大 局出发，倡导“搁置争议，共同开发”争议海域的海洋资源，为和平解决南海争端开 辟了一条新的道路。此外，根据国家对能源的发展规划，加大南海资源的勘探和开发， 深化深海油气资源开发技术的研究，创新管理机制，以期利用南海丰富的各种资源促 进国民经济的快速、有序、健康的发展。 图1 1 南海诸岛示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h es o u t hc h i n as e ai s l a n d s 随着现代科技的迅速发展，海洋开发技术日新月异，加速勘探和开发南中国海 资源，维护国家海洋权益已迫在眉睫。南海资源的开发，需要获取大范围、精确的海 洋环境数据，需要进行海底勘探、水下施工跨海大桥、海岛及堤围建造等，要完成 上述任务，需要一系列的海洋开发支撑技术，包括深海探测、深潜、海洋遥感、海洋 导航等。作为海洋重要的组成部分一海底沉积物，承载着海洋资源、海洋矿产、海洋 地质和海洋历史，通过对海底沉积物进行结构分析、成分分析以及年代测试等，从中 可获取有关海底矿产资源、生物、海洋工程地质等海底资源信息以及进行有关地球科 学的研究。因此，在很大程度上，我们迫切需要了解南海海底沉积物的声学性质、 物理力学性质、结构特性等，满足海洋开发建设和海洋工程地质上的要求，为 第一章绪论 我们开发南海资源提供强有力的信息技术保证。 在海洋调查中，海底沉积物一般是指海底浅层沉积物。其常见的物理参数m 1 有含 水量( w ，) 、孔隙度( 门，) 、土粒比重( g ，g c m 3 ) 、饱和度( s ，) 、湿密度( p ，g c m 3 ) 、 平均颗粒度( m 。) 等，这些参量互有相关性，他们的相关性质是随着沉积物的沉积环境 和沉积条件的不同而不同的；土力学参数包括液限( 形，) 、塑限( 吻，) 、塑性指数 ( ，) 、抗压强度( g ，坛m 2 ) 等；声学参数包括声速( 匕，r e s ) 、声衰减系数 ，d b m ) 、 声阻抗( z ，g c m 2 s ) 、声反射系数彳和损失( b l ，d b ) 等。海底浅层沉积物声学和物理参 数直接影响到海洋声学环境、海底面、海底浅表层沉积物及其下伏地质体和人工构筑 物的声波探测效果。同时，通过海底沉积物声学特性进而了解海底沉积物的其它特性， 为海底声学分类、沉积学研究、海洋土工学研究和海底工程环境条件评价等提供专业 基础资料。因此，声学特性是研究海底沉积物的一项重要基本参数，深入分析海底沉 积物声学性质与物理力学性质之间的关系，具有重大的研究价值。而且海底沉积物的 整体记录了地质历史的发展演化过程和重大地质事件，对它的全面研究为人类认识地 球，特别是海洋的发展演变有重要意义。另外，海底沉积物声学物理性质的研究在天 然地震、油气资源的地质勘探和开发、防灾减灾环境治理等领域有很强的应用背景， 海底沉积物的研究越来越受到海洋地质学家的重视。 1 2 海底沉积物声传播理论模型和声学特性研究进展 海底沉积物属于水饱和多孔隙介质颗粒的两相混合物，其理论直接建立在 水饱和多孔隙介质颗粒的两相混合物传播声波的理论之上。国内外学者在这一 方面做了长期的理论和实验研究，相继提出了诸多理想化的沉积物声传播理论 模型，以接近真实海底情况。同样，许多科学工作者进行了大量的海底沉积物 声学特性的研究，主要通过理论和实验及两者的统一对声波声速、声衰减系数、 声反射系数等声学参数的进行测量，以揭示沉积物声学性质和物理性质、力学 性质的关系，研究物理声学经验公式，建立地声模型，成功地进行海底世界的初步探 索。 广东工业大学硕士学位论文 1 2 1 海底沉积物声传播理论模型 声传播理论模型是描述海洋沉积物中声波传播的基本规律。它是利用大量的实验 数据，通过拟合海底沉积物物理力学性质与声学特性等基本参数之间的关系建立起的 针对海底沉积物这一多孔隙介质的理论模型。同时我们可以通过经验公式和声传播理 论模型反演海底沉积物的地声参数，获得海底沉积物的声学性质，从而进一步获取海 底沉积物的地质构造和地质属性。经过长期的不懈努力，人们提出了一系列的海底沉 积物声传播物理模型，比较典型的声传播理论模型有b i o t 理论模型、h a m i l t o n 粘弹模 型、b i o t s t o l l 模型、b u c k i n g h a m 模型、e d f m 模型和b i c s q s 模型。具体如下： 在十九世纪中叶，b i o t 阳。1 ( 1 9 5 6 ) 从饱和水岩石类流体饱和多孔隙介质出发，考虑 固体和流体之间的相对运动以及流体对波的吸收衰减，建立了各向同性流体饱和多孔 隙介质的声波波动模型，于1 9 5 6 年逐渐建立了流体饱和孔隙介质弹性波的动力学分析 理论，即b i o t 理论模型，该理论模型成为目前流体饱和多孔隙介质的声传播机理研究 的主要理论基础。 h a m i l t o n 建立了一个线弹性孔隙模型，即h a m i l t o n 粘弹模型。它将海底沉积物 简化为液态介质或线性粘弹性介质，介质的声波( 含压缩波和剪切波) 速度、品质因子 和对数衰减都与频率无关，纵波衰减系数与频率的一次方成近似正比。 s t o l l ( 1 9 8 1 ) n 2 。1 钔将b i o t 孔隙介质理论应用到了海底沉积物的情况，并引入了由于 颗粒间接触引起的骨架损耗，进一步解释和分析了声波速度和衰减随频率的变化，也 成功地解释了如压缩波衰减系数随微孔尺寸变化关系的实验结果。这个模型被称为 b i o t s t o l l 模型( 简称为b s m ) ，s t o l l 将b i o t 模型中的四个系数用弹性模量清晰地表达 出来。 w i l l i a m s ( 2 0 0 1 ) n 司将b i o t s t o l l 模型的孔隙介质简化为由等效体积弹性模量和等效 密度描述的流体介质，该模型常被称为等效密度流体模型( 简记为e d f m 模型) 。它所 需要的参数比b i o t - s t o l l 模型要少，而且应用到海底沉积物中声散射、声传播和反射规 律中。 b u c k i n g h a m 1 e - 1 7 ( 2 0 0 0 ) 也认为海底沉积物是粘性流体，属于非固结多孔隙介质，不 能形成宏观的弹性骨架结构并且颗粒间可以产生相对作用，根据声波通过时接触颗粒 间产生的横向剪切和径向剪切现象，推导出了描述饱和未固结颗粒介质的纵波和横波 负速度。b u c k i n g h a m ( 2 0 0 2 2 0 0 4 ) 简化了b i o t 模型得到了m v f ( m o d i f i e dv i c i o u sf l u i d ) 4 第一章绪论 模型，得到更具有简化的形式和表现意义的物理模型。 c h o t i r o s n 劬( 2 0 0 4 ) 考虑到未胶结颗粒间的物理性质，扩展了b i o t 介质模型，提出 了用附加颗粒间喷射及剪切流机制模拟压缩和剪切弛豫过程的b i o t 模型，简记为 b i c s q s 模型。该模型是b i o t s t o l l 模型的简化和改进，将b i o t s t o l l 模型中的复骨架模 量用四个新独立参数骨架模量来表示，并没有引入更多的模型参数。 在我国，门福录n 蝴3 ( 1 9 6 5 1 9 8 1 ) 运用渗透作用和准微观连续性条件将两相介质 的相互作用统一起来，从而建立了参数明确的两相介质波动方程，即门福录模型。 陈7 崃( 1 9 8 7 ) 等在门福录模型的基础上，考虑了液相与固相的耦合作用，将液相 运动分为独立运动和相对运动两部分，并且基于等效概念，提出了沉积物等效侧限弹 性模量，推断出可以解释饱和土层声速的波动方程，这里称为门一陈模型( m e n c h e n m o d e l ，m c m ) 。 此外，m a v k o 乜2 1 于1 9 7 9 年提出了喷射流机制模型。d v o r k i n 和n u r 提出了将b i o t 流动和喷射流动两种机制的统一的b i s q 模型，并将其理论预测结果和实验数据进行比 较，获得了比b i o t 更准确的结果。 1 2 2 海底沉积物声学测量方法和实验研究 本文重点研究的是南海大陆架和大陆坡的表层和浅层的海底沉积物。对于海底沉 积物声学物理性质的研究，传统的海底取样方法是通过放置在海底表面的仪器直接测 量沉积物声学参数及部分物理力学参数，优点在于能直接测量实际海底浅层沉积物， 测量数据最为准确，能够实现对海底底质的精确分类。但现场测量方法对仪器设备要 求很高，技术难度大，且直接测量的参数有限。因此已逐渐被间接探测方法所取代。 在各种间接探测方法中，海底声学遥测方法乜3 1 是采用声反射方法控制入射角，采集反射 或折射信号进行分析，得出海底沉积物的物理力学性质和类型，此方法有较高准确度， 具有工作高效、经济的特点，结合一定的传统取样，为海底沉积物分类提供了一种迅速 而可靠的方法。目前海底沉积物声学特性的测试普遍采用实验室模拟海底环境探测方 法，建立模拟实验室，模拟海底现实环境以及沉积层地状态，在尽可能真实的情 况下获得海底信息。 海底沉积物物理模型是利用大量的实验数据通过拟合地质和物理力学性质与声学 特性之间的关系而建立的。为此，许多的科学工作者对海底沉积物声学物理参数进行 广东工业大学硕士学位论文 了大量的实验测量，主要实验如下： h a m i l t o n 堙们( 1 9 7 0 - 1 9 8 2 ) 进行了重要而丰富的海底沉积物声学物理测量研究，提出 了运用声学参数和物理参数计算沉积物的力学弹性参数；总结了沉积物的压缩波声衰 减与频率成近似正比关系；同时给出了衰减常数与中值粒径、孔隙度的关系和范围： 并对现场和实验室测试值之间的差异及如何改正进行了系统研究，建立了现场声学性 质预报的方法。 a n d e r s o n 瞳朝等人对于海底表层沉积物进行了详细的研究，通过大量的实验数据分 析与统计的到了声速与孔隙度、声速与中值粒径存在着较强的相关关系，并且得出它 们的经验公式。 b a c h m a n 乜引( 1 9 8 5 1 9 8 9 ) 对沉积物回归方法的应用进行了阐明，给出了孔隙度等物 理参数与声速正演和反演问题回归分析的误差，肯定了回归分析方法的作用，并且论 证了h a m i l t o n 校正声速模型的可行性。 r o b b 瞳7 1 ( 2 0 0 5 2 0 0 6 ) 基于现场测量技术和回归分析方法，研究了潮间带的海底沉积 物的声学性质与物理参数的关系，首次给出了潮间地带的测量分析结果。 相比之下，国内海底沉积物的声学测量研究起步较晚，但也取得了一些研究成果， 并且在理论和实验研究方面做了许多尝试。比较典型的有如下学者的研究工作： 梁元博口8 1 ( 1 9 8 4 1 9 9 4 ) 基于测量了南海海底浅层沉积物具有切变刚度预测了切变 波的传播性并测量得到了切变波；研究了南海几个区域的海底声速纵深方向分布，给 出了典型的声速结构，提出并运用了切变波与压缩波声速比来划分南海海底沉积物区 的固结程度。 卢博3 ( 1 9 8 4 - 2 0 0 6 ) 基于声速比的研究和测量首次总结得出了南海大陆架浅层 沉积物的三个典型的地声模型，研究了微观结构状态及应力应变状态下的颗粒变形和 声速变化，测量计算了南海海底沉积物与海底水的声速比与h a m i l t o n 的结果非常接近， 验证了h a m i l t o n 声速校正模型的可行性。 潘国富b ( 2 0 0 6 ) 研究了沉积物切变波与物理性质的关系，指出剪切波速与沉积物的 类型密切相关，也与海域不同存在着差异。 邹大鹏口2 删等( 2 0 0 7 ) 研究了物理意义明确的南海沉积物孔隙度和含水量双参数线 性声速回归方程以及对重要参数孔隙度的误差研究和声学反演。 王琪等口钔实验室模拟了海水深度( 压力) 对海底沉积物声速、声衰减系数的作用，揭 示了海底沉积物受外界环境因素的影响规律。 6 第一章绪论 1 2 3 南海海底沉积物研究现状与不足 我国研究者尤其是中国科学院南海海洋研究所在南海海域展开了大量的沉积物声 学、物理力学测量、实验研究和理论分析工作，取得了丰富的南海海底沉积物物理力 学性质和声学参数的测量数据，有利于两者之间的相互反演，为深入研究南海海底沉 积物提供了基础的实测资料。但是，在南海海底沉积物的研究过程中仍然有许多方面 的不足： 1 南海海底沉积物声传播研究缺乏有效的理论支持和解释； 2 物理性质和声学参数的温度、压力和盐度等影响性研究开展较少； 3 南海海底沉积物的研究缺乏有效地原位测量数据，无法从理论模型上 验证其声学物理力学性质关系； 4 海底沉积物的横波和表面波的特性研究同样缺乏足够的实验数据支持 和模型理论的论证； 5 海底沉积物测量对实验室仪器设备提出了很高的要求，需要更精密的仪 器测量以获得更高精度的实验数据，且缺乏一个有效的沉积物实验室测量规范 标准。 1 3 研究题目和主要内容 基于以上背景需求和国内外研究现状调查，确定课题研究题目为“南海海 底沉积物声学特性的温度影响性研究”。 课题来源于国家自然科学基金项目：深海沉积物声学物理与土工学特性研 究( 批准号：4 0 8 7 6 0 1 8 ) 、中国科学院声场声信息国家重点实验室资助项目：海底沉 积物声学测量原位模拟方法研究( 批准号：s k l o a 2 0 1 0 0 3 ) 和国家海洋局海底科学重 点实验室开放基金课题：南海海底沉积物声谱特性的研究(