Page 155 - 《应用声学》2025年第2期

第 44 卷 第 2 期 李赶先等： 海底沉积物纵波声速随孔隙度变化的物理机制 415

用 100 kHz 纵波换能器进行的，测量仪器是湖南 了海底沉积物的纵波声速 (C p )、声衰减系数 (α)、湿
湘潭天鸿电子研究所生产的 DB-4D 型多功能声波 密度 (ρ)、含水量 (w)、孔隙度 (n)、平均粒径 Mz、中
仪。该声波仪具有 1 ∼ 4 通道工作模式以及波形 值粒径 Md 等参数数据。这为本文关于海底沉积物
显示和时间读取等功能，被测声波传播时间范围 纵波声速随孔隙度变化最小值的发现及其形成机
0.05 µs∼163.84 s，仪器测量误差0.5%∼1%。 制研究奠定了实测数据基础。
在声学参数测量之后，对柱状分段样品进行土
力学和粒度分析的取样测量。土力学参数测试执行 2 数据结果与统计分析
GB/T 50123–1999《土工试验方法标准》 ，包括密
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度试验、含水量试验、土粒比重试验以及孔隙比、孔 通过对采集的海底沉积物柱状分段样品测量
隙度和饱和度等参数计算。粒度测试仪器为英国马 分析，得到了南中国海大陆架、大陆坡和深海盆地
尔文公司 Mastersizer2000G 型激光衍射粒度分析 沉积物纵波声速与相关参数数据 (表 1)。对这些参
仪，测量范围0.02 ∼ 2000 µm，相对误差小于2%。 数数据进行统计分析，有助于了解海底沉积物纵波
通过对底质柱状样的声学物理参数测试，获得 声速与物理参数相关变化规律及其响应机制。

表 1 海底沉积物声学物理参数最大值、最小值和平均值数据
Table 1 Maximum, minimum and average data table of acoustic physical parameters
of seafloor sediments

海区 大陆架 (98 个样) 大陆坡 (93 个样) 深海盆地 (85 个样)
数据类型 最大值 最小值 平均值 最大值 最小值 平均值 最大值 最小值 平均值
纵波声速 C p/(m·s −1 ) 1711.4 1439.1 1554.3 1639.12 1362.1 1469.63 1631.69 1409.9 1493.67
密度 ρ/(g·cm −3 ) 2.04 1.51 1.78 1.68 1.14 1.42 1.76 1.21 1.33
含水量 w/% 83.46 24.49 44.18 167.36 55.02 117.82 217.65 48.8 160.83
孔隙度 n 0.6895 0.4008 0.5291 0.8113 0.6021 0.7464 0.8519 0.5554 0.8019
平均粒径 Mz/mm 0.1167 0.0068 0.029 0.0458 0.0038 0.0087 0.0178 0.0031 0.0068
中值粒径 Md/mm 0.2554 0.0069 0.043 0.0437 0.0042 0.009 0.0214 0.0028 0.0067

由表 1 看出，从海底沉积物声学物理参数平均 相关系数R = −0.7348，相关图见图1。
值对比来讲，大陆架、大陆坡到深海盆地随着海底
深度增加，沉积物的平均粒径和中值粒径依次减小， 1700
密度依次减小，孔隙度和含水量依次增大，沉积物纵 1650
波声速由大陆架到大陆坡降低，再向深海盆地转为 1600
增大。这体现出，随着海底深度增大，沉积物的物理 1550
力学性质具有颗粒变细、孔隙度和含水量增大、密 ጫฉᤴܦ/(mSs -1 )
度减小的基本特征。另外，由表 1 看出，海底沉积物 1500
纵波声速在相对低孔隙度阶段随着孔隙度增大，纵 1450
波声速减小；而在沉积物相对高孔隙度阶段随着孔 1400
隙度增大，纵波声速增大。这是值得关注和研究的 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
海底沉积物纵波声速随孔隙度变化的显著特征。 ߘᬩए
实测参数数据统计分析得到的南中国海大陆 图 1 南中国海大陆架和大陆坡海底沉积物纵波声
架和大陆坡海底沉积物 (191 个样) 纵波声速 (C p ， 速与孔隙度关系
m·s −1 )与孔隙度(n)经验公式为 Fig. 1 Longitudinal wave sound velocity and
porosity relationship between seafloor sediments
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C p = 2211.4007 − 19.3128 × 10 n + 0.1256 × 10 n
on the continental shelf and continental slope of
(大陆架、大陆坡), (1) the South China Sea