鄒大鵬，闞光明，龍建軍

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，廣東廣州 510006；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東青島 266061；3.國家海洋局海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)重點實驗室，山東青島 266061）

海底淺表層沉積物原位聲學(xué)測量方法探討

鄒大鵬1，闞光明2，3，龍建軍1

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，廣東廣州 510006；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東青島 266061；3.國家海洋局海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)重點實驗室，山東青島 266061）

研究透射式和折射式兩類海底沉積聲學(xué)原位測量方法，通過分析10種海底淺表層沉積物聲學(xué)原位測量儀器的特征，指出不同聲學(xué)原位測量技術(shù)對沉積物聲學(xué)特性測量結(jié)果的影響。比較黃海海底淺表層沉積聲學(xué)原位測量數(shù)據(jù)與實驗室測量結(jié)果的差異，分析原位聲學(xué)測量數(shù)據(jù)普遍小于實驗室測量數(shù)據(jù)的原因，指出原位測量的作用和重要性。探討指出海底淺表層沉積物原位聲學(xué)測量所需要配合發(fā)展的其他物理性質(zhì)原位測量技術(shù)。

原位測量；聲學(xué)；海底沉積物；壓縮波；切變波

1 引言

聲波在海底的反射、散射、透射以及在沉積物中的傳播特性，一直以來是水聲學(xué)和地聲學(xué)研究的焦點。海底淺表層沉積物的聲學(xué)特性則是這一系列研究的基礎(chǔ)和重點。海底淺表層沉積物是由各種礦物介質(zhì)顆粒堆積起來的松散（未固結(jié)）骨架和充滿在骨架孔隙中的底層海水而形成兩相介質(zhì)，或者因為氣體的存在而形成三相介質(zhì)。與上覆海水的聲學(xué)特性相比，海底淺表層沉積物的聲學(xué)特性更為復(fù)雜和多樣。而且因為水動力搬運、重力沉積、生物分解和擾動、地層運動變化等作用，海底沉積物尤其是淺表層的聲學(xué)特性處于地聲性質(zhì)和物理性質(zhì)的時間和空間的動態(tài)變化中，這既是研究其聲學(xué)特性的復(fù)雜性的原因所在，也一直是產(chǎn)生不同論斷且推動持久開展研究的動力所在。在海洋探測和海洋工程活動中，尤其是應(yīng)用高頻聲波（此處與地震頻率段聲波相比較），海底淺表層最初幾米的海底沉積物承擔(dān)著主要角色，是目前理論研究、采樣分析、聲學(xué)測量和實驗研究最為廣泛的海底沉積物區(qū)域［1］。

與傳統(tǒng)的沉積物樣品采集后開展實驗室聲學(xué)測量方法相比，原位聲學(xué)測量幾乎完整地保持了海底沉積物的物理性質(zhì)和環(huán)境狀態(tài)，從而獲得海底表層沉積物的更為真實的地聲特性（聲速、聲衰減和聲阻抗等）［2］。應(yīng)諸如海底監(jiān)控、海底測繪、海底沉積物分類、海底資源勘探、海底人類活動目標探測（諸如各種潛器和置底設(shè)備、海底沉船）等各種海洋活動的需求，開發(fā)了旁掃聲納、多波束、垂直入射聲吶等多種聲學(xué)設(shè)備，測量聲波頻率1～500 k Hz不等，穿入沉積物層的深度也從幾毫米到幾米不等，同時對應(yīng)發(fā)展了多種海底淺表層原位聲學(xué)測量儀器［3—16］。本文分析海底沉積聲學(xué)原位測量的特點和原理；通過研究不同類型的海底沉積聲學(xué)原位測量儀器的特征，著重探討沉積物原位聲學(xué)測量方法及其技術(shù)的特點，指出不同聲學(xué)原位測量技術(shù)對沉積物聲學(xué)特性測量結(jié)果的影響；通過分析黃海海底沉積聲學(xué)原位測量數(shù)據(jù)與實驗室測量結(jié)果的差異，指出原位測量的重要性，并探討指出海底沉積物原位聲學(xué)測量所需要配合發(fā)展的其他物理性質(zhì)原位測量技術(shù)。

2 海底淺表層沉積物聲學(xué)原位測量方法

海底聲學(xué)測量的目標是通過高精度的聲學(xué)遙測，實現(xiàn)高效率地海底對象探測和監(jiān)控。針對海底淺表層沉積物的聲學(xué)測量，目前主要方法［17—18］有3種：（1）海底沉積物樣品聲學(xué)特性實驗室測量；（2）海底淺表層沉積聲學(xué)原位測量；（3）海底聲學(xué)遙測。海底淺表層沉積聲學(xué)原位測量和樣品聲學(xué)特性的實驗室測量都屬于點測量，測量效率低，但為目前處于發(fā)展階段的聲學(xué)遙測方法進行數(shù)據(jù)分析和解釋提供了必要的依據(jù)。

2.1 海底淺表層沉積聲學(xué)原位測量的特點

影響海底沉積物聲學(xué)特性的主要因素是沉積物的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和結(jié)構(gòu)組成，在具體描述上通常采用體積平均參數(shù)如孔隙度、體密度、滲透率、曲折度、孔隙大小、顆粒彈性模量等來解釋沉積物的聲學(xué)特性。在聲學(xué)測量過程中，如果結(jié)構(gòu)狀態(tài)和結(jié)構(gòu)組成任何一項發(fā)生變化，比如震動導(dǎo)致內(nèi)部重構(gòu)，空氣進入導(dǎo)致結(jié)構(gòu)組成變化等，由此導(dǎo)致物理參數(shù)發(fā)生變化，沉積物的聲學(xué)特性也往往隨之發(fā)生變化。此外，海底沉積物存在于一定壓力和一定溫度的半空間環(huán)境狀態(tài)中，這些環(huán)境狀態(tài)也通過影響海底沉積物的物理參數(shù)數(shù)值而影響這海底沉積物的聲學(xué)特性［19］。海底沉積物樣品聲學(xué)特性的實驗室測量，脫離了原位的環(huán)境狀態(tài)（溫度、壓力）和半空間狀態(tài)，同時引入了采樣和輸運過程的擾動，導(dǎo)致可能出現(xiàn)多種誤差。而海底淺表層沉積聲學(xué)原位測量基本保持了海底沉積物原位環(huán)境、半空間和結(jié)構(gòu)（含組成）3種狀態(tài)，與聲學(xué)遙測的原位狀態(tài)一致，因此對聲學(xué)遙測的解釋性最強。

2.2 海底淺表層沉積聲學(xué)原位測量的原理

海底淺表層沉積聲學(xué)原位測量原理以聲波通過沉積物傳播的方式不同分類為兩種：透射式和折射式。透射式的海底原位聲學(xué)測量是聲波直接傳播在收發(fā)換能器之間的海底沉積物中（圖1a）。折射式的海底原位聲學(xué)測量是聲波在海水和沉積物界面發(fā)生折射后傳播在收發(fā)換能器之間的海底沉積物中（圖1b）。兩種不同傳播方式的聲速和聲衰減系數(shù)（這里主要指壓縮波）通常可以通過以下表達式來計算［20］：

式中，cp和α分別是海底沉積物的聲速和聲衰減系數(shù)，cw是上覆海水的聲速，Δt為發(fā)射換能器和接收換能器在傳播距離上海水和沉積物的傳播時間差，d是傳播距離，Aw和As分別是同樣測量方式下在沉積物和在海水中的接收的聲波振動幅值或者頻譜幅值。

兩種測量原理采用相同的聲速和聲衰減系數(shù)計算公式，但是在具體的信號處理和數(shù)據(jù)分析中各有不同。在兩種測量原理中，引入在上覆海水中（或者某層海水中）測量數(shù)據(jù)進行分析的目的是：（1）通過兩者傳播時間求差，在聲速計算中去除聲學(xué)測量儀器的系統(tǒng)延時；（2）通過兩者衰減系數(shù)求差，去除擴散路徑、換能器不匹配等引起的衰減，獲得沉積物自身的衰減系數(shù)；（3）基于海水的非頻散特性，檢驗原位聲學(xué)測量儀器的性能和精度，以及校正收發(fā)換能器之間的尺寸。

圖1 透射式原位聲學(xué)測量原理（a）和折射式原位聲學(xué)測量原理（b）Fig.1 Principle of transmission based in-situ acoustic measurement（a）and principle of refraction based in-situ acoustic measurement（b）

3 海底淺表層沉積聲學(xué)原位測量的主要方法和儀器

沉積聲學(xué)原位測量的主要方法因應(yīng)用于海底深度、測量尺度、測量頻率、測量聲波類型、是否同時采樣等不同而不同，從而操作方式和實現(xiàn)技術(shù)也存在差異。用于淺水（幾十米以淺）的沉積物測量，可以由潛水員潛水進行操作；用于深水（大陸坡及深海盆地）的沉積物測量，則需要采用絞車釋放能夠承受深水壓力的原位測量儀器進行水下自動測量。用于沉積物表層測量，儀器設(shè)備相對尺寸較小，通常要避免較大的沉積物壓入力擾動；用于深度長達幾米的沉積物測量則需采用一定的重力貫入（及增加活塞）或者鉆削式進入的方式實現(xiàn)。用于沉積物橫向測量，通常收發(fā)換能器的距離較近，采用透射式測量原理；而用于沉積物縱向測量，收發(fā)換能器相對距離較遠，采用折射式測量原理。用來測量沉積物切變波傳播，需要采用切變波發(fā)射換能器和接收換能器。有的在原位測量點開展原位測量后同時采集沉積物，有的在原位測量后再次投放采樣器進行沉積物采樣。以下按照透射式和折射式兩類原位聲學(xué)測量原理將測量方法和儀器也分為兩類。

3.1 透射式海底淺表層沉積聲學(xué)原位測量方法和儀器

縱斷面測繪儀（ARL／UT profilometer）［3］如圖2所示，儀器結(jié)合活塞采樣器，收發(fā)換能器安裝于活塞采樣器的頭部，一邊貫入海底沉積物中一邊測量海底沉積物的聲學(xué)特性。采用一發(fā)一收聲學(xué)換能器組，測量主頻為200 k Hz，測量橫向沉積物的壓縮波傳播?？梢杂糜诮咏? 000 m的海水深度測量。測量沉積物樣品深度可以達到海底表面以下12 m。采用重力加活塞方式將聲學(xué)換能器插入海底沉積物，可以直接實現(xiàn)原位聲學(xué)測量點的沉積物樣品采集，以用于進行實驗室進一步分析。

圖2 縱斷面測繪儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of ARL／UT profilometer

原位沉積物聲學(xué)測量系統(tǒng)（ISSAM）［4］如圖3所示，采用單發(fā)多收或者多發(fā)多收式聲學(xué)換能器陣列，可以測量橫向沉積物的壓縮波和切變波，壓縮波測量主頻為60 k Hz，切變波測量頻率范圍為250～1 500 Hz，測量沉積物深度為海底表面以下0.3 m。采用重力將聲學(xué)換能器插入海底沉積物。

圖3 原位沉積物聲學(xué)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of ISSAM

圖4 沉積物聲學(xué)物理性質(zhì)測量儀器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of SAPPA

沉積物聲學(xué)物理性質(zhì)測量儀器（SAPPA）［5］如圖4所示，該系統(tǒng)既可以測量沉積物中水平方向傳播的壓縮波，還可以測量水平極化和垂直極化的切變波。壓縮波測量采用單發(fā)單收的換能器，采用機械重錘錘擊的方式將安裝有發(fā)射和接收換能器的聲學(xué)探桿貫入到沉積物中，測量主頻為10 k Hz，測量深度為海底表面以下1 m。采用專門設(shè)計的機械裝置在沉積物中產(chǎn)生切變波，使用三分量地震檢波器來接收切變波，切變波測量主頻為120 Hz。

沉積物探針式聲學(xué)探測儀（SPADE）［6］（探針如圖5所示），采用一發(fā)一收式聲學(xué)換能器組，測量橫向沉積物的壓縮波，測量頻率為10～100 k Hz之間的任何頻率，可發(fā)射調(diào)制或者掃頻脈沖信號。測量沉積物深度為海底表面以下1 m。由潛水員將聲學(xué)換能器插入海底沉積物。

圖5 沉積物探針式聲學(xué)探測儀探針結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of SPADE

衰減陣列儀器（Attenuation array）［7］如圖6所示，采用兩發(fā)（不同頻率段）兩收式聲學(xué)換能器陣列，測量橫向沉積物壓縮波，測量頻率范圍是40～300 k Hz，間隔20 k Hz，測量沉積物深度為海底表面以下0.1 m。由潛水員潛入水下將聲學(xué)換能器壓入海底沉積物。

圖6 衰減陣列儀器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of Attenuation array

基于液壓驅(qū)動貫入的自容式海底沉積聲學(xué)原位測量系統(tǒng)［8］如圖7所示。該系統(tǒng)采用一發(fā)三收聲學(xué)換能器組來測量測量在水平方向傳播的聲速和聲衰減系數(shù)。系統(tǒng)測量頻率為30 k Hz，可發(fā)射矩形脈沖和正弦信號波，測量沉積物深度為海底表面以下1 m，最大工作水深為500 m。系統(tǒng)采用組合式液壓驅(qū)動裝置將安裝有聲學(xué)換能器的聲學(xué)探桿勻速貫入海底沉積物中，減少了對沉積物的擾動。

圖7 自容式原位沉積物聲學(xué)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of self-contained in-situ sediment acoustic measurement system

3.2 折射式淺表層海底原位聲學(xué)測量方法和儀器

聲學(xué)長矛（Acoustic Lance）［9］如圖8所示，采用一發(fā)多收換能器陣列，測量主頻為8 k Hz，測量縱向沉積物的壓縮波特性。測量沉積物樣品深度可以達到海底表面以下5 m。工作深度可以達到6 000 m水深。采用重力或者加活塞方式將聲學(xué)換能器插入海底沉積物，可以實現(xiàn)原位測量點沉積物樣品直接采集，進行實驗室進一步分析。

圖8 聲學(xué)長矛結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of Acoustic Lance

遙感操作潛器（ROV）控制聲發(fā)射和埋入聲學(xué)接收陣列［10］如圖9，采用一發(fā)多收換能器陣列，測量主頻范圍是10～100 k Hz，測量縱向沉積物的壓縮波特性。接收聲學(xué)換能器陣列由潛水員埋入海底沉積物中。測量沉積物深度可達海底表面以下0.8 m。除可以研究聲傳播，同時可以研究折射和散射。

圖9 遙感操作潛器控制聲發(fā)射和埋入聲學(xué)接收陣列結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic diagram of sound projector controlled by ROV and buried acoustic receiving array

迷你聲發(fā)射系統(tǒng)（mini-boomer）［11］如圖10，采用一發(fā)多收陣列，測量主頻范圍是0.2～1.5 k Hz，測量沉積物縱向壓縮波聲學(xué)特性。測量沉積物深度為海底表面以下0.5 m。接收聲學(xué)換能器陣列由潛水員埋入海底沉積物中，可以用于研究沉積物折射特性。

圖10 迷你聲發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Schematic diagram of mini-boomer acoustic system

沉積物聲速測量系統(tǒng)（SAMS）［12］如圖11所示，采用多發(fā)一收陣列，接收換能器通過振動進入不同深度的海底沉積物中，多個發(fā)射換能器安裝在支架及其伸出梁上，在海水中發(fā)射信號透過海水沉積物界面?zhèn)鞑?。測量主頻范圍2～35 k Hz，測量沉積物縱向壓縮波聲學(xué)特性。測量沉積物深度為可達到海底表面以下3 m。采用鉆削或者液壓水射流技術(shù)將接收換能器插入到海底沉積物中。

圖11 沉積物聲速測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.11 Schematic diagram of SAMS

除以上典型海底沉積聲學(xué)原位測量儀外，還有多頻聲學(xué)長矛［13］、帶有海底攝像頭和測高計的原位聲速和衰減探針（ISSAP）［14］、便攜式沉積物原位聲學(xué)測量系統(tǒng)［15］等各種改進型和簡化型原位測量儀。

3.3 海底淺表層沉積聲學(xué)原位測量方法和技術(shù)的特點和比較

由于沉積歷史和當(dāng)前的各種各樣因素的存在（見節(jié)1和2.1所述），使得海底沉積物在空間分布上是非均勻性、非各項同性的，同時在時間上是處于變化過程中的。沉積聲學(xué)原位測量的目的之一是發(fā)現(xiàn)這種不均勻性、描述這種不均勻性以及研究得出引起這種不均勻性的原因，從而充分認識海底沉積物的特征和監(jiān)測這種變化。因研究目的不同，沉積聲學(xué)原位測量方法也采用了不同的測量技術(shù)和測量儀器，以獲得不同尺度上沉積物的平均聲學(xué)特性。頻率越高，分辨率就越高，研究的沉積物尺度就越小，而對應(yīng)的沉積物測量距離相應(yīng)越小。頻率越低，分辨率就越低，研究的沉積物尺度就越大，而對應(yīng)的沉積物測量距離相應(yīng)越大。低頻率原位聲學(xué)測量的極致應(yīng)用是海底地震儀（OBS）。

橫向測量沿沉積物的水平方向開展，能夠研究處于同一沉積時期的測量距離內(nèi)的沉積物平均聲學(xué)特性，而縱向測量沿沉積物的縱深方向開展，研究一段深度內(nèi)不同沉積時期的沉積物的平均聲學(xué)特性。橫向測量往往采用透射式測量原理，縱向測量往往采用折射式測量原理，有些折射式原位測量儀可以用于研究沉積物的折射特性。橫向測量的尺度往往小于縱向測量，對應(yīng)著沉積物特性分辨率相應(yīng)高于縱向測量。通常而言，這兩種測量方式在實驗室沉積物樣品測量中也存在。由于兩者測量的尺度和方向性不同，所以也是引起很多聲學(xué)測量結(jié)果相互比較而存在一定差異的原因之一。

單發(fā)單收聲學(xué)換能器陣列通常采用具有一定帶寬的特定主頻進行測量，也可以采用寬帶換能器通過激發(fā)信號的頻帶調(diào)制實現(xiàn)多個主頻的測量。多發(fā)多收換能器陣列通常是采用寬帶換能器實現(xiàn)多個主頻帶的聲學(xué)測量。多發(fā)多收換能器可以參考單發(fā)單收換能器計算一對收發(fā)換能器測量路徑上的海底沉積物聲學(xué)特性，由此可以研究多對收發(fā)換能器之間的空間路徑上海底沉積物的沉積差異。但也通常是基于整個儀器測量區(qū)域內(nèi)的海底沉積物是均勻的假設(shè)前提，利用多個收發(fā)信號的比較和求差獲得區(qū)域內(nèi)的平均聲學(xué)特性。采用區(qū)域平均聲學(xué)特性和單一路徑的平均聲學(xué)特性是原位聲學(xué)測量結(jié)果互相比較存在差異的一個原因所在。

采用重力（或者加上活塞）貫入或者鉆削進入將聲學(xué)換能器插入海底沉積物中的原位聲學(xué)測量儀器往往對海底沉積物擾動相對大一些，而采用液壓勻速壓入式以及潛水員緩慢壓入式對海底沉積物的擾動最小，甚至可以忽略。但是也因為壓入力有限的原因，后者操作的深度往往有限，前者極致情況下是大洋鉆探中實施的測井技術(shù)，可以測量到鉆探可以達到深度的沉積物層的聲學(xué)特性。擾動對沉積物的聲學(xué)特性影響程度的大小，一直以來難以準確評價，如同實驗室聲學(xué)測量的樣品還存在的輸運和分割過程的擾動事實，這些因素都會產(chǎn)生海底沉積物的原位實際聲學(xué)特性的誤差。但是研究人員都盡量通過各種減小擾動的方法或者技術(shù)，期望獲得更真實狀態(tài)的沉積物聲學(xué)特性。這是海底沉積聲學(xué)原位測量在這個方面優(yōu)于實驗室聲學(xué)測量的一個先決條件。

考慮到多數(shù)影響聲學(xué)特性的物理參數(shù)無法開展原位測量，因此沉積聲學(xué)原位測量過程中，或者同時采集測量點的樣品如縱斷面測繪儀、聲學(xué)長矛，或者原位測量后釋放采樣器在同一點采集沉積物樣品后在實驗室分析沉積物的物理性質(zhì)。同一測量點上的樣品采集具有為沉積聲學(xué)原位測量數(shù)據(jù)的解釋和分析提供直接依據(jù)的突出優(yōu)點，而沉積聲學(xué)原位測量與海底沉積物采樣分次操作的方式，會因為水流運動出現(xiàn)原位測量點和采樣點偏離的現(xiàn)象，在一定程度上是雖為同一站位采集樣品但實驗室聲學(xué)測量和原位測量聲學(xué)測量比較，在結(jié)果上存在差異的一個原因，尤其是海底沉積物存在著較大的不均勻性時。

沉積物的切變波在描述沉積物的土工學(xué)特性和辨識沉積物中儲藏的資源非常重要。以折射式測量原理的原位測量方法因海水阻隔無法直接實現(xiàn)海底沉積物的切變波的測量，而在透射式測量原理中的原位測量方法通過增加專用的切變波測量聲學(xué)換能器獲得較高信噪比的切變波測量。

4 黃海開展的原位聲學(xué)測量分析

在我國黃海海域南部，應(yīng)用基于液壓驅(qū)動的自容式原位沉積物聲學(xué)測量系統(tǒng)［15］（見圖6）測量黃海大陸架海底沉積物，并通過重力柱狀采樣器或者箱式采樣器獲得相同站位的樣品進行物理性質(zhì)參數(shù)測量和實驗室聲學(xué)特性測量。原位聲學(xué)測量與實驗室聲學(xué)測量結(jié)果比較如圖12所示，實驗室測量的聲速普遍高于原位測量的聲速。

考慮到測量區(qū)域海水深度一般不超過70 m，投放時間較快，原位測量和采樣點的偏離差距較小。采用液壓勻速壓入，對沉積物的擾動較為均勻而小，而且采樣擾動和輸運振動對海底沉積物因類型（如砂質(zhì)粗糙堅硬、粉砂質(zhì)精細而致密、黏土質(zhì)膠粘而柔軟）差異而影響性不同，具有一定的隨機性，通常不具有系統(tǒng)性的誤差和趨勢。鑒于水深較淺，原位壓力（小于7 atm，1 atm為101 325 Pa）和實驗室壓力（1 atm）變化較小，對沉積物物理性質(zhì)影響可以忽略。樣品實驗室聲學(xué)測量屬于縱向測量（樣品長度約為0.3～0.7 m，0.1 m直徑內(nèi)的海底沉積物），原位聲學(xué)測量屬于橫向測量（海底表面以下0.5 m的1 m2區(qū)域內(nèi)的海底沉積物），從普遍的沉積規(guī)律來說沉積物隨著深度增加而存在壓實特性，根據(jù)孔隙度、密度、彈性模量等物理性質(zhì)與深度的相關(guān)性以及與聲速的相關(guān)性分析，應(yīng)該存在原位測量聲速高于實驗室測量聲速的系統(tǒng)特性。但本區(qū)域的沉積物樣品的分層和壓實作用并不明顯［16］，所以這種系統(tǒng)性特性應(yīng)該不存在。以上因素分析表明，沉積物的原位聲學(xué)測量和實驗室聲學(xué)測量應(yīng)該為一種隨機性的對應(yīng)分布。圖12顯示實驗室測量聲速值普遍高于原位測量聲速值，呈現(xiàn)出系統(tǒng)性的規(guī)律。根據(jù)比較兩種方法的測量狀態(tài)的溫度，可以發(fā)現(xiàn)隨著測量溫度增大，這種聲速差和溫度呈現(xiàn)出了正相關(guān)如圖13。這與溫度對海底沉積物聲速正相關(guān)的影響結(jié)果的研究相趨同［21］。以上原位聲學(xué)測量結(jié)果和實驗室聲學(xué)測量結(jié)果比較表現(xiàn)出明顯的差異，應(yīng)用實驗室聲學(xué)測量結(jié)果表述原位聲學(xué)測量結(jié)果必須進行一定的校正如采用Hamilton校正方法［19］，但是這種方法也只能夠校正滿足一定規(guī)律的溫度影響性，而對其他的諸多存在的影響因素?zé)o法校正。

圖12 黃海淺表層沉積物原位聲學(xué)測量結(jié)果和采樣樣品實驗室測量結(jié)果比較Fig.12 Comparison of in-situ measurement results with laboratorial measurement results of surface sediments in the Yellow Sea

5 討論和結(jié)論

海底原位聲學(xué)測量技術(shù)和儀器雖然多樣，但是其測量結(jié)果通常都具有如下特點：（1）對應(yīng)測量距離內(nèi)海底沉積物的平均聲學(xué)特性；（2）對應(yīng)為海底沉積物存在原位環(huán)境狀態(tài)的綜合聲學(xué)特性。以上兩個特點存在，使得各個測量點的原位聲學(xué)測量結(jié)果所揭示的是局部區(qū)域的、測量當(dāng)前狀態(tài)下的海底沉積物聲學(xué)特性，當(dāng)應(yīng)用原位聲學(xué)測量數(shù)據(jù)時尤其是采用各個區(qū)域、不同研究者得出聲學(xué)特性與其他影響參數(shù)的經(jīng)驗關(guān)系式時，應(yīng)該清楚其存在著如同應(yīng)用實驗室聲學(xué)測量數(shù)據(jù)得出的經(jīng)驗關(guān)系一樣具有一定的局限性。但即使如此，相比實驗室聲學(xué)測量數(shù)據(jù)所揭示海底沉積物，原位聲學(xué)測量數(shù)據(jù)的誤差更小、更準確、更真實。當(dāng)應(yīng)用多種原位聲學(xué)測量聲學(xué)儀器時，如前所述，因測量儀器精度、測量技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法的差異而得到的沉積物聲學(xué)特性結(jié)果必然存在一定的差異，但是這種差異與沉積物整體聲學(xué)性質(zhì)上并不違背，而是在整體聲學(xué)特性趨勢線上體現(xiàn)出了一定誤差范圍內(nèi)的波動性。

圖13 實驗室測量結(jié)果與原位測量結(jié)果聲速差與實驗室測量溫度關(guān)系Fig.13 The differences in sound speed between insitu measurement results and laboratorial measurement results and its relationship with measured temperatures

日益廣泛開展的聲學(xué)遙測更加需要原位聲學(xué)測量結(jié)合，在SAX99［10］和SAX04［22］這些規(guī)模較大的海底聲學(xué)集成實驗中，都將原位聲學(xué)測量與聲學(xué)遙測結(jié)合在一起深入探尋海底沉積物的真實狀態(tài)的聲學(xué)特性。與此同時，開展海底沉積物原位科學(xué)研究也要求并催生結(jié)合使用并發(fā)展聲學(xué)特性以外的其他參量的原位測量儀器：

（1）測量原位底層海水的溫度、壓力和鹽度等的溫鹽深測量儀器（如CTD）；

（2）測量沉積物的孔隙度、密度、壓縮系數(shù)和滲透率等的物理參數(shù)原位測量儀；

（3）測量沉積物的抗剪力和抗壓強度等的土工力學(xué)參數(shù)原位測量儀；

（4）測量原位測量儀器運動狀態(tài)、傾斜程度、與底質(zhì)接觸情況等的原位狀態(tài)檢測儀。

為了進一步清晰海底沉積物的聲學(xué)特性，盡可能的實現(xiàn)海底原位聲學(xué)測量和沉積物采樣同時進行，以及采用海底可視技術(shù)監(jiān)控原位測量過程等。

致謝：本文研究得到了美國華盛頓大學(xué)應(yīng)用物理實驗室（APL）聲學(xué)系提供的資料和Jie Yang博士提供的SAMS圖片，在此表示感謝！

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Methods of in-situ acoustic measurement of seafloor surface sediment

Zou Dapeng1，Kan Guangming2，3，Long Jianjun1
（1.School of Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China；2.First Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Qingdao 266061，China；3.Key Laboratory of Marine Sedimentology and Environmental Geology of State Oceanic Administration，Qingdao 266061，China）

In this paper we studied on two methods of seafloor deposition in-situ acoustic detection，i.e.，the transmission measurement and the refraction measurement，analyzed characteristics of 10 kinds of in-situ instruments of seafloor surface sediment acoustic measurement，and discussed the influence of different measurement techniques on the acoustic properties of seafloor sediment.Then，we compared the differences in obtained results between in-situ measurement and laboratorial measurement on the seafloor sediment of the Yellow Sea，analyzed the reason why the in-situ measurement data are generally smaller than laboratorial measurement results.Finally，we suggested that in-situ acoustic measurement is of importance on studying seafloor sediment，and the in-situ measurement techniques for other physical properties need to be improved to match the requirements of in-situ acoustic measurement of seafloor sediment.

in-situ measurement；acoustics；seafloor sediment；compressional wave；shear wave

P733.23

A

0253-4193（2014）11-0111-09

2013-12-18；

2014-03-08。

國家自然科學(xué)基金項目（41106030，11174299）；國家973項目資助（6131870102）；國家海洋局青年基金項目（2012318）；基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目（GY0213G24）。

鄒大鵬（1977—），黑龍江省德都縣人，副教授，主要從事沉積聲學(xué)、海洋工程、機電液工程的研究。E-mail：anthonyzou＠126.com

鄒大鵬，闞光明，龍建軍.海底淺表層沉積物原位聲學(xué)測量方法探討［J］.海洋學(xué)報，2014，36（11）：111—119，doi.10.3969／j.issn.0253-4193.2014.11.013

Zou Dapeng，Kan Guangming，Long Jianjun.Methods of in-situ acoustic measurement of seafloor surface sediment［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（11）：111—119，doi.10.3969／j.issn.0235-4193.2014.11.013