Page 161 - 《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 421

一般情况下，海水的体积压缩模量 K w 可视为
固定不变的常数，所以，对于颗粒悬浮沉积物来 参 考 文 献
讲，因孔隙度 n 增大引起 nK w 增大和 ρ n 减小，就造
成纵波声速增大。由此造成在孔隙度大于其临界 [1] Zou D P, Wu B H, Lu B. Seafloor deposition state based
值的变化阶段，海底沉积物的纵波声速与孔隙度 geoacoustic model of the South China Sea[J]. Marine Geo-
resources and Geotechnology, 2011, 29(1): 61–75.
正相关。 [2] Liu Y T, Liu X W. Seafloor elastic parameters estimation
由以上分析可见，在孔隙度由小到大的变化 based on AVO inversion[J]. Marine Geophysical Research,
过程中，因孔隙度小于其临界值时的颗粒接触型 2015, 36(4): 335–342.
[3] Li C Z, Yang Y, Wang R, et al. Acoustic parameters in-
海底沉积物纵波声速趋向减小，而孔隙度大于其
version and sediment properties in the Yellow River reser-
临界值时的颗粒悬浮型海底沉积物纵波声速趋 voir[J]. Applied Geophysics, 2018, 15(1): 78–90.
向增大，就造成了在孔隙度临界值时出现海底沉 [4] 杨士莪. 准分层介质声场的近似算法 [J]. 哈尔滨工程大学学
报, 1997, 18(1): 1–9.
积物的纵波声速最小值。由此看出，对海底沉积
Yang Shi’e. Approximation algorithm for sound field of
物纵波声速随孔隙度变化的纵波声速最小值及其 quasi-layered medium[J]. Journal of Harbin Engineering
相关关系的非线性特征形成机制研究，有利于揭 University, 1997, 18(1): 1–9.
[5] Wu Z Y, Yang F L, Tang Y. Acoustic seafloor charac-
示海底沉积物纵波声速变化的物理机制，这对于
terization, in high-resolution seafloor survey and applica-
海底沉积物纵波声速的理论研究与实际应用具有 tions[M]. Singapore: Springer, 2021: 197–248.
重要意义。 [6] Qu Z G, Zou D P, Shan M G, et al. Measuring the
sound speed in deep-sea first sediment layer using a high-
frequency submersible sub-bottom profiler: Method and
5 结论 sea trial application[J]. Marine Georesources & Geotech-
nology, 2022, 40(12): 1424–1434.
本文在海底沉积物样品实测数据统计基础上， [7] Kan G M, Meng X M, Wang J Q, et al. Shear wave
通过对海底沉积物纵波声速与孔隙度相关关系曲 speed dispersion characteristics of seafloor sediments in
the Northern South China Sea[J]. Journal of Ocean Uni-
线特征的分析，发现了海底沉积物纵波声速随孔隙
versity of China, 2022, 21(1): 91–100.
度变化中存在纵波声速最小值的普遍规律，探讨了 [8] Zou D P, Ye G C, Liu W, et al. Effect of temperature on
海底沉积物纵波声速与孔隙度变化中出现纵波声 the acoustic reflection characteristics of seafloor surface
sediments[J]. Journal of Ocean University of China, 2022,
速最小值的物理机制，得到如下几点初步认识：
21(1): 62–68.
(1) 海底沉积物纵波声速随孔隙度变化中存在 [9] Li G B, Wang J Q, Meng X M, et al. Relationships
纵波声速最小值。海底沉积物的纵波声速最小值一 between the sound speed ratio and physical properties
of surface sediments in the South Yellow Sea[J]. Acta
般出现在沉积物的高孔隙度范围。
Oceanologica Sinica, 2021, 40(4): 65–73.
(2) 计算表明，不同学者得到的不同海区沉 [10] Biot M A. Theory of propagation of elastic waves in a
积物纵波声速随孔隙度变化的最小值变动范围在 fluid-saturated porous solid. I. Low-frequency range[J].
The Journal of the Acoustical Society of America, 1956,
1468.59 ∼ 1520.22 m/s 之间，相应的孔隙度临界值
28(2): 168–178.
变动范围在0.69 ∼ 0.88之间。 [11] Biot M A. Theory of propagation of elastic waves in a
(3) 海底沉积物纵波声速随孔隙度变化中出现 fluid-saturated porous solid. II. Higher frequency range[J].
最小值的物理机制，是在孔隙度增大引起含水量增 The Journal of the Acoustical Society of America, 1956,
28(2): 179–191.
大过程中，因沉积物的颗粒力学状态由颗粒之间相 [12] Biot M A. Generalized theory of acoustic propagation in
互耦合作用接触趋向在孔隙海水中的悬浮状态，引 porous dissipative media[J]. The Journal of the Acoustical
起沉积物发生弹性状态转变。 Society of America, 1962, 34(9A): 1254–1264.
[13] Stoll R D. Acoustic waves in saturated sediment, in
由上可见，海底沉积物孔隙度变化引起的含水 physics of sound in marine sediments[M]. L. Hampton,
量和密度等参数变化，造成颗粒接触类型和颗粒悬 Ed. New York: Plenum, 1974: 19–39.
浮状态改变，造成了海底沉积物纵波声速随孔隙度 [14] Stoll R D. Acoustic waves in ocean sediments[J]. Geo-
physics, 1977, 42(4): 715–725.
的非线性变化的阶段性差异，这项研究对于揭示海
[15] Stoll R D. Theoretical aspects of sound transmission in
底沉积物纵波声速变化的物理机制具有重要意义。 sediments[J]. The Journal of the Acoustical Society of