Page 154 - 《应用声学》2025年第2期

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derived from acoustic theory. Research has shown that the formation of the minimum value of longitudinal wave
sound velocity with porosity variation in seafloor sediment is due to the coupling effect of sediment particles
on longitudinal wave propagation. This further reveals the physical mechanism by which factors such as the
contact or suspension state of seafloor sediment particles in seawater and changes in elastic strain affect the
variation of longitudinal wave sound velocity.
Keywords: Seabed sediments; Longitudinal wave velocity; Minimum value; Porosity; Particle suspension

沉积物纵波声速与孔隙度相关变化中存在纵波声
0 引言 速的统计最小值，并引用Hamilton [17] 、Anderson [18]
等得到的海底沉积物纵波声速与孔隙度经验公式，
海底沉积物纵波声速是海底地声模型建立 [1] 、
论证了不同海区海底沉积物纵波声速与孔隙度相
海底声学反演 [2−3] 和海洋声场分析 [4] 等方面需要
关变化中存在纵波声速最小值的普遍性，探讨了海
的重要参数。海底沉积物纵波声速与相关参数关系
底沉积物纵波声速与孔隙度相关变化的非线性特
研究与应用是海底沉积声学领域的研究热点 [5−9] 。
征及其形成机制。这对于深入研究海底沉积物纵
在海底沉积物纵波声速理论研究方面，Biot [10−12]
波声速变化的物理机制，提高海底沉积物纵波声速
和 Stoll [13−15] 建立了海底沉积物等孔隙介质的经
经验公式估算精度，以及对于实现海底沉积物纵波
典声速理论。但是，由于 Biot和Stoll 等声速理论公
声速理论研究与实际应用的联系和统一具有重要
式的输入参数数据难以获得，这些理论的实用性一
意义。
直备受质疑 [16] 。在海底沉积物纵波声速与相关参
数经验公式方面，许多学者依据不同海区海底沉积
1 样品采集与实验测试
物参数数据，建立了海底沉积物纵波声速与孔隙度、
含水量、中值粒径等参数经验公式 [17−20] 。这些经 20多年来，在国家自然科学基金等项目资助下，
验公式表明，影响海底沉积物纵波声速的首要参数 对南中国海海域诸多海区实施了多个航次的底质
是孔隙度。海底沉积物纵波声速与孔隙度的经验公 柱状采样，并对柱状样进行了分段样品的声学物理
式在海底石油测井 [21] 、海底水合物勘探及其储量估 和土力学参数测量。用于本文实验测试的沉积物样
算 [22] 等方面得到应用。但是，孔隙度不是影响海底 品采样海区包括大陆架、大陆坡和深海海盆，以求
沉积物纵波声速的唯一参数 [23−24] ，特别是海底沉 反映不同海区海底沉积物声学物理参数整体特征
积物纵波声速受到颗粒堆垒结构 [25] 、颗粒耦合作 及其关系规律。
用 [26] 等因素的影响，造成孔隙度对海底沉积物纵 海上底质采样执行国家标准 GB/T12763.8–
波声速的经验公式估算产生较大误差 [25] 。 2007《海洋调查规范第 8 部分海洋地质地球物理调
目前，海底沉积物纵波声速理论与应用存在的 查》 。用于海底底质采样的主要设备是重力式柱
[27]
关键问题是，海底沉积物纵波声速的理论公式与经 状采样管，管内衬有直径 69 mm 的 PVC 硬质塑料
验公式之间缺乏物理机制和数理逻辑上的联系。这 管。采样管可连接长度4 ∼ 5 m、总质量约为800 kg、
不仅造成海底沉积物纵波声速与相关参数经验公 一般在海底能取到1.5 ∼ 3.5 m的底质柱状样。对采
式得不到合理的物理机制解释，而且造成不能在声 集的底质柱状样进行编号、记录和密封。在运回实
速理论指导下选择合适参数和合理数学模型来提 验室次日，开始对柱状样进行切割分段和参数测试。
高海底沉积物纵波声速的估算精度。所以，如何取 基于长期的底质柱状样参数测量经验，在实验
得研究突破以建立海底沉积物纵波声速理论公式 室中，首先将柱状样切割为 20 ∼ 30 cm 分段，再依
与经验公式之间的联系，实现海底沉积物声速理论 次进行样品声学参数测量、土力学参数测试和颗粒
研究与实际应用的物理机制和数理逻辑的统一，是 度分析。
揭示海底沉积物纵波声速变化机制和提高纵波声 样品声学参数采用实验室 “直接法” 测量 [28] ，
速估算精度的关键所在。 该实验室测量法因能够获得较为全面的海底沉
本文在实测参数数据统计建立的海底沉积物 积物声学物理参数实测数据而被广泛采用。声学
纵波声速与相关参数经验公式基础上，发现了海底 测量是在实验室标准条件 (23 C、1 atm) 下，使
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