含砂量变化影响海底沉积物压缩波速度的分析研究

　　摘要：本文通过对南海海底沉积物样品的声学物理参数和沉积粒度特征统计分析，发现了高、低含砂量沉积物的声学物理特征存在明显差异，建立了海底沉积物的含砂量与压缩波速度、孔隙度、含水量和密度等经验公式，分析了含砂量变化与沉积物的体积压缩模量和密度变化的关系，从声速理论基础上阐明了含砂量变化引起沉积物压缩波速度变化的内在原因是含砂量变化引起了体积压缩模量和密度发生了变化，说明了含砂量增大引起沉积物压缩波速度增大的内在原因是含砂量增大引起了体积压缩模量变化量大于密度变化量，从而在数据统计和理论分析结合基础上，论证了含砂量是影响海底沉积物压缩波速度的重要因素之一。这一研究对声学方法反演海底沉积物粒度参数和沉积物类型、地声参数转换模型的建立，以及对水声反演海底和海底资源勘探等方面都具有重要理论意义和应用价值。

　　关键词：海底沉积物;压缩波速度;含砂量;体积压缩模量;孔隙度

　　1引言

　　在进行海底沉积物声学特性参数测量过程中，经常遇到手感粗糙、砂质感明显的沉积物声速较高，同时其十字板剪力仪和贯入仪的读数也较高。这反映出海底沉积物的含砂量与其声速和抗剪强度等声学物理及工程性质存在一定相关性。

　　由于含砂量是海底沉积物的重要特征量之一，也是海底沉积物粒度分类命名的基本参数[1]，所以，研究含砂量与海底沉积物声学物理等参数关系，以及探讨含砂量影响海底沉积物声速的理论原因，对于深入了解海洋水声传播与海底地声环境的响应机制、建立海底地声模型和提高海底声学反演精度等方面[2-6]是十分必要的。本文在对南海海底沉积物样品进行各项参数测量基础上，分析了高、低含砂量海底沉积物的声学物理参数特性差异，研究了含砂量与海底沉积物的压缩波速度及其相关参数的关系，探讨了海底沉积物含砂量变化引起声速变化的内在原因，获得了一些具有理论价值和应用意义的创新性结果。

　　2数据来源

　　近30年来，我们对包括南海陆架、陆坡、深海盆地和岛礁陆架等在内的南海海底进行了广泛的底质声学调查，利用海底沉积物重力取样器和箱式取样器，获得了大量的南海底质柱状样(长度一般为1.0～3.5m)和表层样(0～0.4m)，对大多数样品进行了粒度分析，并进行了压缩波速度、密度和孔隙度等声学物理参数测试。在南海北部近岸海底的现代陆源砂、南海北部外陆架浅海及外缘的(古滨海)残留砂(水深20～400m)以及南海岛礁陆架海底的珊瑚砂，是南海底质砂粒级沉积物分布的主要区域。南海北部陆架的韩江口外海底沉积物含砂量高达79%～89%，南海中央海盆(水深大于3500m)海底沉积物的含砂量一般在10%以下[7-9]。

　　一般讲来，南海海底沉积物普遍含砂，而且具有海底沉积物含砂量离陆(或岛)减少的分布特征，由此反映出大陆和岛礁是南海海底沉积物砂粒级组分的主要物源。砂质沉积物在南海海底的广泛分布，以及底质采样测量获得的大量海底沉积物颗粒度参数和声学物理参数数据，为本文的含砂量影响海底沉积物压缩波速度的分析研究提供了数据基础。

　　3数据统计分析结果

　　海底沉积物中的含砂量是指直径介于0.063～2mm之间颗粒重量的百分含量，直径小于0.063mm的颗粒属于粉砂或黏土，而直径大于2mm的颗粒属于砾。根据国家标准GB/T12763.8-2007《海洋调查规范第8部分海洋地质地球物理调查》[1]的海底沉积物颗粒命名原则，当含砂量大于75%时，可直接称为砂;当含砂量介于50%～75%时，以砂为基本名，次要颗粒含量为修饰名;当砂含量介于10%～50%时，砂作为颗粒名称的修饰语;而当砂含量小于10%时，砂就不参加沉积物的颗粒命名。

　　由此可见，从海底沉积物的颗粒名称，可以直接知道其含砂量的区间范围，这使得含砂量是有关海底沉积物的名称分类、底质分布和声学物理等方面的重要特征量。含砂量与沉积物压缩波速度及其相关参数，包括孔隙度、含水量和密度等存在相关变化，这反映出含砂量变化引起沉积物的模量和密度变化，从而影响了沉积物压缩波速度变化。

　　因为，从声速理论公式来讲[20]，模量和密度是影响沉积物声速的不可或缺的两个基本因素，任何沉积物的颗粒度参数和物理力学参数影响声速变化的内在原因，都是因为影响到沉积物的模量和密度变化而影响了声速。那么，含砂量变化是如何影响沉积物的模量和密度变化而影响声速变化呢，这是一个需要深入探讨的问题。

　　4讨论

　　虽然许多研究者认为孔隙度是影响海底沉积物压缩波速度的主要因素[21-23]，但也有学者看到了颗粒度参数等固体颗粒因素对沉积物压缩波速度的影响。汪德昭和尚尔昌[24]认为，海底沉积物不论是湿样品还是干样品，其颗粒大小都不会改变，所以，用颗粒参数来预报沉积物压缩波速度更为可靠。

　　卢博等[25]认为，颗粒度参数是沉积物中较为稳定的参数，它们深刻地影响到海底沉积物的物理力学性质和声学特质。海底沉积物颗粒对声波传播产生一系列的散射、吸收以及驰豫效应等作用，若沉积物存在粒度分层结构，还引起声反射作用与声衰减效应等。海底沉积物的声传播，会使其中颗粒产生散射波和黏滞波，这些波传到其他颗粒周围又会产生二次散射波和二次黏滞波，依次继续下去，直到遭到介质衰减而终止[25]。

　　所以，海底沉积物的压缩波速度及其衰减等声学特性与固体颗粒特性密切相关，因而与表述颗粒大小和粒级配比的含砂量存在相关。一般来讲，海底沉积物主要是由海水和固体颗粒组成的，影响其压缩波速度的主要因素必然归属于这两大组分。由于海底沉积物的孔隙充填有海水，所以，孔隙度和含水量本质上代表着影响海底沉积物压缩波速度的液相因素;另一方面，以含砂量、平均粒径等代表的颗粒度参数是影响海底沉积物压缩波速度的固相因素。

　　Biot[26-27]提出的松散饱和水沉积物声波传播理论说明，海底沉积物声速影响因素本质分为固体颗粒和海水流体两个方面。在不同频率情况下，海底沉积物的孔隙流体黏滞耗散与骨架耗散对声波速度的影响存在显著差异[28]，由此显示出固体颗粒因素、液相海水因素对沉积物压缩波速度存在着不同的影响作用。

　　所以，海底沉积物压缩波速度除了受到孔隙度和含水量等液相因素影响之外，也受到固体颗粒因素的影响。相对于平均粒径和中值粒径等代表颗粒特征平均情况来讲，含砂量与沉积物整体骨架体积压缩系数、固体颗粒压缩系数和体积压缩模量等影响压缩波速度的固体颗粒因素密切相关，而且含砂量是海底沉积物粒度分类和定名的重要特征量，具有更为广泛的沉积动力学和海底地形地貌内涵。

　　所以，对海底沉积物含砂量与压缩波速度响应机制的探讨，有利于对海洋水声传播的海底制约机制和海底地声模型的深入研究。陆源性海底沉积物具有环陆分布和离陆变细的特征，这主要因为陆源物质向海洋搬运过程中，较粗颗粒搬运距离较近，而较细颗粒搬运距离较远造成的。一般讲来，海洋的生物、化学或火山灰等沉积物颗粒较细，多为黏土质粉砂或粉砂质黏土[29]，所以，海底沉积物中较粗的砂颗粒主要来源于陆源物质，也就是说，海底沉积物的含砂量越高，其陆源砂颗粒就越多。

　　研究表明，陆源石英颗粒是海底沉积物中砂颗粒的主要矿物成分，石英砂颗粒在南海海底沉积物中分布广泛，含量较高，一般占砂质沉积物重量的60%～80%，而且沉积物的砂含量越高，其石英含量越高[12，30]。

　　5结论

　　本文通过对南海海底沉积物含砂量与压缩波速度及相关参数的数据统计和理论分析，得到如下几点认识：

　　(1)含砂量是影响海底沉积物压缩波速度变化的一个重要因素。相对于低含砂量沉积物来讲，高含砂量沉积物具有较高压缩波速度、较大密度，而其含水量和孔隙度相对较低。高含砂量沉积物具有较高的体积压缩模量，同时又具有较大的抗压强度。

　　(2)含砂量作为影响海底沉积物压缩波速度变化的一个因素，它代表着沉积物中固体颗粒因素对沉积物压缩波速度的影响。含砂量增大对应着孔隙度减小和压缩波速度增大。

　　(3)实测数据统计和声学理论分析表明，含砂量增大引起海底沉积物压缩波速度增大的内在原因是含砂量增大引起沉积物的体积压缩模量变化比大于密度变化比。与前人数据统计得到的孔隙度增大则压缩波速度减小的结论一致，本质对应着沉积物的体积压缩模量变化比小于密度变化比，这与含砂量减小引起孔隙度增大的声速影响效应是一致的。

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