海底沉积物纵波波速与物理-力学性质的理论关系和比较.pdf

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1、第３６卷第７期海洋学报Ｖｏ．ｌ３６，Ｎｏ．７２０１４年７月ＡＣＴＡＯＣＥＡＮＯＬＯＧＩＣＡＳＩＮＩＣＡＪｕｌｙ２０１４龙建军，李赶先，邹大鹏．海底沉积物纵波波速与物理-力学性质的理论关系和比较［Ｊ］．海洋学报，２０１４，３６（７）：１１１－１１７，ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３-４１９３．２０１４．０７．０１２ＬｏｎｇＪｉａｎｊｕｎ，ＬｉＧａｎｘｉａｎ，ＺｏｕＤａｐｅｎｇ．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｒｅｌａｔｉｏｎｓｏｆｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｗａｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｐｈｙｓｉｃａ-ｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｆｏｒｓｅａｆｌｏｏｒｓｅｄｉｍｅｎｔｓａｎ

2、ｄｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ［Ｊ］．ＡｃｔａＯｃｅａｎｏｌｏｇｉｃａＳｉｎｉｃａ（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ），２０１４，３６（７）：１１１－１１７，ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３-４１９３．２０１４．０７．０１２海底沉积物纵波波速与物理-力学性质的理论关系和比较龙建军１，２，李赶先３*，邹大鹏１（１．广东工业大学机电工程学院，广东广州５１０００６；２．中国科学院三亚深海科学与工程研究所，海南三亚５７２０００；３．中国科学院南海海洋研究所中国科学院边缘海地质重点实验室，广东广州５１０３０１）摘要：本文提出以密度变化比和等效弹性模量变化比为参数描述海底沉积物纵波波速，得到密度变化比是由

3、孔隙率、海水密度和海底沉积物固相密度构成的复合参数，建立了以复合参数和等效弹性模量变化比为变量的泰勒多项式海底沉积物纵波波速公式。基于单因素分析法得出纵波波速可表示为参考声速与调制函数的乘积，沉积物的参考声速由海底底质物理性质确定，建立了复合参数－声速的近似理论模型。对该理论模型与现有的主要纵波波速经验公式的分析结果表明，孔隙率－纵波波速经验公式只是参考声速不同，但调制函数是互相等效的，验证了本文海底沉积物纵波波速理论关系的有效性。关键词：海底沉积物；纵波波速；物理性质；多项式模型中图分类号：Ｐ７３６．２１文献标志码：Ａ文章编号：０２５３-４１９３（２０１４）０７-０１１１-０７起主导

4、作用，对建立海底沉积物纵波波速预报公式十１引言分重要。［１—３］［８—９］［１０］为获得海底沉积物的声速特性，Ｂｉｏｔ和Ｈａｍｉｌｔｏｎ和Ｂａｃｈｍａｎ及Ａｎｄｅｒｓｏｎ通过研［４—６］Ｓｔｏｌｌ在理论上建立了饱和多孔介质的声速公式，究世界大洋海底沉积物颗粒度和孔隙率等对纵波波但即使在实验室条件下，Ｂｉｏｔ和Ｓｔｏｌｌ的公式输入参速的影响，认为孔隙率是影响沉积物声速的主要因［１１］数都很难获得，应用这一理论产生海底地声模型的实素。汪德昭等认为，海底沉积物不论是湿样品还［７］是干样品，其颗粒大小都不会改变，因此，用颗粒大小用性一直备受质疑。采用海底沉积物物理性质与声速测量数据建立纵波波速

5、－孔隙率等的经验公式来预报纵波波速更为可靠。仍然是一种预报海底沉积物纵波波速特性的有效方不同学者提出了单参数纵波波速经验公式，分别［１２—１３］［８—１０，１３—１６］［９，１７］法。沉积物的主要物理性质有孔隙率、颗粒中值粒径选取含水量、孔隙率、中值粒径、［１８］［１７］和饱和度等，因此探讨哪些沉积物性质在声波传播中孔隙比、含砂量为参数。还有多个学者提出了收稿日期：２０１３-０８-３１；修订日期：２０１３-１１-１１。基金项目：国家自然科学基金（４１１７６０３４，１１１７４２９９）；中国科学院三亚深海科学与工程研究所知识创新工程领域前沿项目（ＳＩＤＳＳＥ－２０１２０８）；国家９７３项目

6、（６１３１８７０１０２）；广东省自然科学基金（１０１５１００９００１００００５２）。作者简介：龙建军（１９６０—），男，广西省玉林市人，博士，副教授，主要从事海洋沉积声学、声学测量技术研究。Ｅ-ｍａｉｌ：ｌｏｎｇｊｊ＠ｇｄｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ*通信作者：李赶先（１９６３—），男，山东省潍坊市人，副研究员，从事海底沉积物声学特性研究。Ｅ-ｍａｉｌ：ｄｊｔｌｇｘ＠１６３．ｃｏｍ１１２海洋学报３６卷双参数纵波波速经验公式，参数为孔隙率和无侧限抗度的变化量。［１９］［２０］［２１］压强度、密度和孔隙率、孔隙率和含水量。把式（４）代入式（３）可得：目前已有的海底沉积物纵波波速经验公式，主要１／２·

7、（１－Δρ／ρ）－１／２，（５）Vn＝Vｓ·（１－ΔM／Ms）ｓ通过回归方法得出纵波波速与沉积物物理参数的经式中，ΔM／M和Δ／分别称为等效弹性模量变化sρρｓ验关系。它们的变量所选用的物理参数有多个，对参比（简称为模量变化比）和密度变化比。数的选择缺少物理依据，海底沉积物的物理性质与纵孔隙率是指沉积物中孔隙体积与沉积物的总体波波速的经验公式缺少物理解释。积之比，即沉积物中孔隙的体积分数。假设海底沉积本文根据平面波理论，以密度变化比和等效弹性物