21. 南黄海中部海底沉积物剪切波速度测量及其与物理力学性质参数的关系

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1、第３２卷第３期海洋科学进展Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．３２０１４年７月ＡＤＶＡＮＣＥＳＩＮＭＡＲＩＮＥＳＣＩＥＮＣＥＪｕｌｙ，２０１４南黄海中部海底沉积物剪切波速度测量及其与物理力学性质参数的关系＊阚光明１，２，张一凡３，苏远峰１，２，李官保１，２，孟祥梅１，２（１．国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛２６６０６１；２．国家海洋局海洋沉积与环境地质重点实验室，山东青岛２６６０６１；３．中国海洋大学海洋地球科学学院，山东青岛２６６１００）摘要：采用弯曲元剪切波测试方法对在南黄海中部采集到的沉积物样品进行了剪切波速度测试，基于

2、所获得的剪切波速度数据，分析了研究区沉积物剪切波速度特性及分布规律。分析表明，沉积物剪切波速度为１２．０５～７４．５５ｍ／ｓ，总体相对较低。浅表层沉积物剪切波速度呈现出分区域分布特征，可分为东北部低速区、西南部高速区、北西－南东向梯度带以及测区东南部的低速背景上的串珠状高速异常区四个区域。通过回归分析，建立了剪切波速度与密度、含水率、孔隙比、孔隙度、液限、塑限、压缩系数、抗剪强度等沉积物物理力学参数之间相互关系的经验回归公式。回归分析结果表明，海底沉积物剪切波速度与上述物理力学参数之间均具有较好的相关性，相关系

3、数Ｒ均大于０．８０。关键词：海底沉积物；剪切波速度；弯曲元系统；经验回归公式；南黄海中图分类号：Ｐ７３３．２３；Ｐ７３６．２１文献标识码：Ａ文章编号：１６７１－６６４７（２０１４）０３－０３３５－０８沉积物剪切波速度是海底沉积物的声学特性重要参数之一，剪切波速度的测量和分析在海洋声场预测［１－４］预报、海底地声模型研究以及海洋工程勘察等方面均具有重要应用。在海洋声学研究方面，海底浅表层［５］沉积物剪切波传播特性对于海洋水声传播实验结果的解释和声场预报等应用都具有重要意义。在海底地［６］声模型研究方面，沉积物剪切

4、波速度是建立完整的海底地声模型不可缺少的特征参数。在海洋工程应用方面，沉积物剪切模量和剪切波速度实验室测量被广泛应用于地基承载力、地震导致的砂土液化以及固结行［７］为研究等方面。因此，研究海底沉积物剪切波速度空间变化规律以及剪切波速度与沉积物物理性质参数的关系，对于沉积物剪切波速度及其分布特征的预测预报以及基于剪切波速度对海底沉积物物理和土工性质进行评价等具有重要意义。［８－１２］海底沉积物声速和声衰减系数等声波传播特性及其与物理力学特性参数的关系已有广泛研究。相比较而言，海底沉积物剪切波速度测量和研究目前还处

5、于初步阶段。卢博等对我国沿海典型海域的剪切波［５］速度进行了初步分析，给出了剪切波速度与沉积物密度和液限两个参数的回归关系。潘国富等对弯曲元法和共振柱法两种剪切波测试方法进行了对比分析，基于测量数据建立了剪切波速度与沉积物密度、含水［１３］率、孔隙度、液限、塑限以及剪切波速度与声速的回归关系，但研究所涉及的剪切波样品测试数据相对较少。对在我国南黄海中部海域采集到的大量沉积物样品进行了剪切波速度测试。基于这些测试数据，分析了研究区沉积物剪切波速度特性以及空间分布规律；通过回归分析，建立了沉积物剪切波速度与密度、含

6、水率、孔隙比、孔隙度、液限、塑限、压缩系数、抗剪强度等多个物理力学参数之间相互关系的经验回归公式，研＊收稿日期：２０１３－０８－３０资助项目：国家自然科学基金项目———南黄海中部海底沉积物声学特性及地声模型研究（４１１０６０６１）；国家海洋局青年基金项目———温度和压力变化对海底沉积物声学特性影响及校正方法（２０１２３１８）；国家海洋局第一海洋研究所基本科研业务费专项资金项目———南黄海中部海底原位地声模型研究（ＧＹ０２１３Ｇ２４）作者简介：阚光明（１９８１－），男，山东成武人，博士，助理研究员，主要从事海底沉

7、积声学方面研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｋｇｍｉｎｇ１３５＠ｆｉｏ．ｏｒｇ．ｃｎ（陈靖编辑）３３６海洋科学进展３２卷究了剪切波速度与这些物理力学参数的相关性。１材料与方法１．１研究区概况研究区位于南黄海中部海域（图１），水深１５～８０ｍ。研究区沉积环境比较复杂，沉积物物质来源丰富多［１４－１５］样，进入黄海中部的物质在风、浪、环流和潮流的共同作用下，形成了多种类型的海底沉积物。测区中部和东部底质以粉砂质粘土和粘土质粉砂为主，西南部靠近苏北浅滩，以粉砂、细砂为主，西北部底质主要为粉砂质砂。图１研究区位置图（图中阴影区）Ｆｉ

8、ｇ．１Ｌｏｃａｔｉｏｎｍａｐｏｆｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａ，ｉｎｄｉｃａｔｅｄｂｙｓｈａｄｅｄｓｑｕａｒｅ１．２材料与方法２００９－０６和２０１０－０６在该区域使用重力取样器和箱式取样器开展了海底沉积物取样。２个航次共完成沉积物取样３０３站位，获得沉积物柱状样品４３３．０ｍ。航次结束后，将样品放入恒温恒湿样品库，然后进行包括剪切波速度在内的声学特性参数以及物理力学性质参数测试。使用英国Ｇ