Page 160 - 《应用声学》2025年第2期
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以，深入研究海底沉积物的颗粒堆垒结构类型及其 阶段，颗粒接触型海底沉积物的孔隙度增大引起含
弹性应变共性特征，有利于揭示海底沉积物纵波声 水量增多，颗粒相互接触面减小，引起颗粒耦合作用
速随孔隙度变化的趋势转折及其最小值的形成机 减弱，导致海底沉积物纵波声速减小。由此造成在
制。卢博等 [40] 对包括大陆架、大陆坡和深海盆地等 孔隙度小于其临界值的变化阶段，海底沉积物的纵
不同海区沉积物的颗粒结构特征全面研究发现，从 波声速与孔隙度负相关。
颗粒与海水相互耦合作用状态以及固体颗粒在孔 当孔隙度由小增大到其临界值时，含水量相应
隙海水中的悬浮与否状态来看，海底沉积物的颗粒 增大到颗粒在孔隙海水中达到悬浮状态的含水量
结构可以分为两大类：颗粒之间相互接触型和颗粒 临界值，导致海底沉积物由颗粒接触型变为颗粒悬
在孔隙海水中悬浮型。一般来讲，颗粒之间接触型 浮型，引起颗粒之间直接传递弹性应变的颗粒耦合
沉积物的孔隙度较低、含水量较小和粒度较粗，而 作用消失，造成海底沉积物纵波声速降低到最小值。
颗粒在孔隙海水中悬浮型沉积物的孔隙度较高、含 这就造成了海底沉积物纵波声速随孔隙度变化中
水量较大和粒度较细 [40] 。 出现纵波声速的最小值。
卢博等 [40] 研究发现海底沉积物存在两种基本 在孔隙度增大到其临界值之后，由于颗粒悬浮
颗粒状态模型 (见图 6)，当海底沉积物含水量大于 型海底沉积物的弹性性质及其纵波传播机制与颗
一定临界时，可以看成是沉积物的相互分离的固体 粒接触型的完全不同，造成颗粒悬浮型海底沉积物
颗粒 “悬浮” 在海水中 (图 6(a))；而当海底沉积物含 纵波声速与孔隙度相关关系发生变化。
从声学理论可知 [36] ，孔隙度为n的水饱和海底
水量小于一定临界时，可以看成是沉积物的相互接
沉积物纵波声速可以表示为
触的颗粒之间“充填”了海水(图6(b))。
1/2
V P n = (M n /ρ n ) , (17)
3
式 (17) 中，M n (Pa) 和 ρ n (kg/m ) 为纵波声速 V P n
(m/s)对应的等效模量和密度。
等效弹性模量M n 表示为
4
M n = K n + µ n , (18)
3
式 (18) 中，K n 为孔隙度为 n 的海底沉积物体积模
量，µ n 为孔隙度为n的海底沉积物剪切模量。
(a) ᄱ̉Ѭሏ (b) ᄱ̉ଌᝏ
理论推导可得 [36]
图 6 两种海底沉积物颗粒状态模型 [40]
K n = nK w + (1 − n)K s , (19)
Fig. 6 Model on the two seafloor sediment gran-
ular status [40] 式(19)中，K s 为海底沉积物固相体积压缩模量，K w
为海底沉积物液相体积压缩模量。
本文实测数据统计分析表明，海底沉积物的孔 海底沉积物的固相颗粒处于在海水中的悬浮
隙度与含水量之间具有较高正相关性。这是由海底 状态时，固体颗粒之间没有接触，所以没有形成骨
沉积物的含水量主要是其颗粒之间的孔隙含水造 架，固体颗粒处于离散状态，而不是连续状态，固
成的。所以，卢博等 [40] 研究得到的当海底沉积物的 体颗粒之间没有传递应变 (包括压缩应变和剪切应
含水量大于一定临界时，沉积物的颗粒结构就从颗 变)。另外，由于海水不传递剪切应变和海水没有剪
粒相互接触型转变为颗粒在海水中悬浮型的认识， 切模量，所以，颗粒悬浮的海底沉积物等效模量为
本质说明当海底沉积物的孔隙度由小变大到越过
M n = nK w , (20)
一定孔隙度临界值时，沉积物的颗粒与海水相互耦
式 (20) 中，K w 为海底沉积物液相海水的体积压缩
合作用状态，就从颗粒相互接触的应变传递状态转
模量，n为孔隙度。
变为颗粒在海水中的悬浮状态。
孔隙度为n的颗粒悬浮海底沉积物纵波声速为
研究表明，含水量增大引起海底沉积物纵波声
速减小 [33] ；颗粒耦合作用减弱引起海底沉积物纵波 V P n = (nK w /ρ n ) 1/2 , (21)
声速减小 [36] 。所以，在孔隙度小于其临界值的变化 式(21)中，ρ n 为孔隙度为n的海底沉积物密度。
