第４４卷 第１期２０１４年０１月 吉林大学学报（地球科学版）Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
（Ｅａｒｔｈ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏｌ．４４ Ｎｏ．１
Ｊａｎ．２０１４ 阚光明，苏远峰，刘保华，等．南黄海中部海底沉积物声阻抗特性．吉林大学学报：地球科学版，２０１４，４４（１）：３８６－３９５．ｄｏｉ：１０．１３２７８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｊ ｕｅｓｅ．２０１４０１３０８．Ｋａｎ Ｇｕａｎｇｍｉｎｇ，Ｓｕ Ｙｕａｎｆｅｎｇ，Ｌｉｕ Ｂａｏｈｕａ，ｅｔ ａｌ．Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｏｆ Ｓｅａｆｌｏｏｒ Ｓｅｄｉｍｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ＭｉｄｄｌｅＡｒｅａ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｏｕｔｈｅｒｎ Ｙｅｌｌｏｗ Ｓｅａ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ：Ｅａｒｔｈ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ，２０１４，４４（１）：３８６－３９５．ｄｏｉ：１０．１３２７８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｊ
ｕｅｓｅ．２０１４０１３０８．南黄海中部海底沉积物声阻抗特性
初中英语词汇教学阚光明１，２，苏远峰１，２，刘保华３，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 ２６６０６１３．国家深海基地管理中心，山东青岛 ２６６０６１
摘要：基于在南黄海中部海域获得的大量海底沉积物样品及其测试数据，分析讨论了该区域海底浅表层沉积物声阻抗特性及其与沉积物物理力学性质参数的相关关系。研究表明：研究区浅表层沉积物声阻抗呈现出分区域分布的特征， 可分为西南部声阻抗高值区、东北部声阻抗低值区以及北西－东南向声阻抗梯度带３个区域。通过回归分析，
建立了声阻抗与沉积物物理力学参数的经验回归方程。结果表明：声阻抗与密度、含水率、孔隙比、孔隙度、液限、塑限、塑性指数、压缩系数等参数的相关性较好，判定系数Ｒ２
一般大于０．８，
而与砂粒含量、黏粒含量、中值粒径、抗剪强度等参数的相关性相对较差，判定系数Ｒ２
一般小于０．７。将声阻抗与物理力学性质的相关性和声速与物理力学性质的相关性进行了对比， 结果表明，声阻抗与上述参数的判定系数Ｒ２
均大于声速与上述参数的判定系数，从而表明声阻抗是一个能够更好地反映
声学特性与物理力学性质关系的沉积物声学特性参数。
关键词：沉积物；声阻抗；经验回归方程；物理力学性质；南黄海
ｄｏｉ：１０．１３２７８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｊ
ｕｅｓｅ．２０１４０１３０８ 中图分类号：Ｐ７３３．２３；Ｐ７３６．２１ 文献标志码：Ａ收稿日期：２０１３－０７－
１３基金项目：国家自然科学基金项目（４１１０６０６１）；国家海洋局青年基金项目（２０１２３１８）麦克斯韦关系式
；基本科研业务费专项资金项目（ＧＹ０２１３Ｇ２４
）作者简介：阚光明（１９８１－），男，助理研究员，博士，主要从事海底沉积声学研究，Ｅ－ｍ
ａｉｌ：ｋｇｍｉｎｇ１３５＠ｆｉｏ．ｏｒｇ
．ｃｎ。Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｉｍｐ
ｅｄａｎｃｅ ｏｆ Ｓｅａｆｌｏｏｒ Ｓｅｄｉｍｅｎｔｓｉｎ ｔｈｅ Ｍｉｄｄｌｅ Ａｒｅａ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｏｕｔｈｅｒｎ Ｙｅｌｌｏｗ
ＳｅａＫａｎ Ｇｕａｎｇｍｉｎｇ１，
２，Ｓｕ Ｙｕａｎｆｅｎｇ１，
２，Ｌｉｕ Ｂａｏｈｕａ３，Ｌｉ Ｇｕａｎｂａｏ１，
２，Ｍｅｎｇ
Ｘｉａｎｇｍｅｉ １，
２
１．Ｆｉｒｓｔ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｃｅａｎｏｇｒａｐｈｙ，Ｓｔａｔｅ Ｏｃｅａｎｉｃ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６０６１，Ｓｈａｎｄｏｎｇ，Ｃ
ｈｉｎａ２．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍａｒｉｎｅ Ｓｅｄｉｍｅｎｔｏｌｏｇｙ
ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｇｅｏｌｏｇｙ，Ｓｔａｔｅ Ｏｃｅａｎｉｃ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ， Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６０６１，Ｓｈａｎｄｏｎｇ，青岛张韶军
Ｃｈｉｎａ３．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｅｅｐ Ｓｅａ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６０６１，Ｓｈａｎｄｏｎｇ，
ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｃｏｒｅｓ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ ａｒｅａ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｏｕｔｈｅｒｎ Ｙｅｌｌｏｗ Ｓｅａ
ａｎｄｔｈｅ ｃｏｒｅ ｄａｔａ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｏｆ ｓｈａｌｌｏｗ ｓｅａｆｌｏｏｒｓｅｄｉｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅｓｅｄｉｍｅｎｔｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｄａｔａ ａｎａｌｙｓｉｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｍｐ
ｅｄａｎｃｅ ｉｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｗｉｔｈａ ｚｏｎａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｐ
ａｔｔｅｒｎ，ａｎｄ ｉｔｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｒｅｅ ｓｕｂ－ｚｏｎｅｓ：ａ ｌｏｗ ａｃｏｕｓｔｉｃ
ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｓｕｂ－ｚｏｎｅ ｉｎ ｔｈｅ ｎｏｒｔｈｅａｓｔ，ａ ｈｉｇｈ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｓｕｂ－ｚｏｎｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ ａｎｄ ａｎａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｂａｎｄ ａｌｉｇｎｉｎｇ ｆｒｏｍ ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ ｔｏ ｓｏｕｔｈｅａｓｔ．Ｔｈｅ ｅｍｐｉｒｉｃａｌ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｄｉｍｅｎｔｓ ａｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｉｓ ｗｅｌｌｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｄｅｎｓｉｔｙ，ｐｅｒｃｅｎｔ ｍｏｉｓｔｕｒｅ，ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｒａｔｉｏ，ｐｅｒｃｅｎｔ ｐｏｒｏｓｉｔｙ，ｌｉｑｕｉｄｌｉｍｉｔ，ｐｌａｓｔｉｃ ｌｉｍｉｔ，ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ ｉｎｄｅｘ ａｎｄ
ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｒ２ ｗｈｉｃｈ ｉｓｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｌａｒｇｅｒ ｔｈａｎ ０．８，ｂｕｔ ｐｏｏｒ ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｓａｎｄ ｃｏｎｔｅｎｔ，ｃｌａｙ ｃｏｎｔｅｎｔ，ｍｅｄｉａｎ ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｒ２ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ０．７．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｏ ｔｈａｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｏｕｎｄ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅｆｏｒｍｅｒ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｒ２ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｌａｒｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｌａｔｔｅｒ ｏｎｅ．Ｔｈｉｓ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎｄｉｃａｔｓ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ａ ｂｅｔｔｅｒ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｔｈａｔ ｃａｎ ｒｅｆｌｅｃｔ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅａｃｏｕｓｔｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅａｆｌｏｏｒ ｓｅｄｉｍｅｎｔｓ．Ｋｅｙ ｗｏｒ
ｄｓ：ｓｅｄｉｍｅｎｔｓ；ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ；ｅｍｐｉｒｉｃａｌ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ｅｑｕａｔｉｏｎ；ｐｈｙｓｉｃａｌ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｔｈｅ Ｓｏｕｔｈｅｒｎ Ｙｅｌｌｏｗ Ｓｅａ
０ 前言
海底是声波在海水中传播的重要边界，海底沉积物的声速、声衰减系数、声阻抗等声学特性参数与海底沉积物物理特性有着密切的关系。描述二者关系的海底地声模型是利用声学方法对海底沉积物物理力学及工程性质进行遥测、反演和评价的基础，在海底资源调查和开发、海洋工程勘察以及海底稳定性评价等方面具有重要的价值［１－３］。国内外研究人员对海底沉积物声学特性与物理力学性质的关系进行了大量研究：Ｈａｍｉｌｔｏｎ［４－５］和Ａｎｄｅｒｓｏｎ［６］建立了大陆架和大陆坡沉积物、深海丘陵沉积物、深海盆地沉积物物理力学性质与沉积物声速之间的关系，给出了声速与孔隙度、密度、平均粒度、黏土颗粒含量之间的回归方程；卢博等［７－８］、唐永禄［９］、邹大鹏等［１０］、潘国富等［１１］、程净净等［１２］对我国南海北部陆架、台湾海峡、东海陆架以及南黄海中部等海区的海底沉积物声速与沉积物密度、含水量、孔隙度、孔隙比等物理力学参数关系进行了研究，建立了多个经验公式。但上述研究人员主要研究了沉积物声速、剪切波速等声学参数与沉积物物理参数之间的关系，而对作为沉积物重要声学参数之一的声阻抗特性则研究很少。
声阻抗是海底沉积物声学特性的主要参数之一，同时也是确定和计算海底反射和透射系数的主要参数。沉积物声阻抗与沉积物物理性质参数之间的经验回归方程常常被用来遥测和估算沉积物孔隙
度、体密度、粒径等沉积物物理性质参数［１３］。许多沉积物声学分类系统也是使用回波振幅来估算海底声阻抗，进而对海底沉积物类型进行遥测和分类［２－３］。笔者利用在南黄海中部海域获得的大量海底沉积物样品及其声学特性和物理力学性质测试数据，对该海域海底沉积物声阻抗特征进行分析和研究，揭示研究区海底沉积物声阻抗分布规律，建立声阻抗与物理力学参数的回归关系，并对声阻抗和声速与沉积物物理力学参数的相关性进行对比分析，以期能够为该海域海底沉积物声学特性预测或基于声学方法对海底沉积物性质进行探测或遥测提供理论依据。
１ 研究区域与数据来源
１．１ 研究区概况
研究区位于南黄海中西部（北纬３３°４６′２６．４″－３６°２０′４６．８″，东经１２１°３０′５１．０″－１２３°４８′５５．８″），水深为１７～８３ｍ，近陆水深较浅，向海变深。研究区沉积环境比较复杂，沉积物物质来源丰富多样，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［１４－１５］。测区中部和东部底质以粉砂质黏土和黏土质粉砂为主，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。
１．２ 数据来源
国家海洋局第一海洋研究所分别于２００９年６月和２０１０年６月在该南黄海中部海域使用重力取
７
８
３
第１期 阚光明，等：南黄海中部海底沉积物声阻抗特性
样器和箱式取样器开展了大规模海底沉积物取样。２个航次共完成沉积物取样２８７站位，获得沉积物柱状样品４３３．０ｍ。重力取样管内衬为直径１１０．０ｍｍ、壁厚约２ｍｍ的ＰＶＣ衬管，
取得样品后把ＰＶＣ管连同沉积物一起从取样管中取出，两端封好，做好标记。箱式取样器采集到原状样品后，使用ＰＶＣ管插入到箱式样中以获得短柱状样，
采样同样方法将样品封装好。重力取样器获得的柱状样一般
较长，最长达３．４０ｍ，箱式样取样深度一般为０．５～０．６ｍ。航次结束后，上述样品从船上
搬运到恒温恒湿样品库中，然后进行声学特性参数以及物理力学性质参数测试。
在实验室进行样品测试时，首先将样品按要求进行截取和分割，一般切割成３０ｃｍ一段（根据实际情况切割长度有所调整）南昌大学办公自动化系统
。然后将样品放置在柱状样品实验室测试平台上对样品声速进行测试。声速计算公式如下：
ｃ＝Ｌ／（１０３（ｔ－ｔ０）
）。（１）式中：ｃ为沉积物样品声速，ｍ／ｓ；Ｌ为柱状沉积物样
品长度，ｍｍ；ｔ为声波穿透时间，μ
ｓ；ｔ０为零声时修正值，μｓ。在自行研制的测量平台上使用ＷＳＤ－３型数字声波仪采用透射法进行样品声速测量，平台的样品长度测量精度为０．１ｍｍ，数字声波仪的声时判读精度为±０．１μｓ，完全满足该实验测量精度的要求［
１６］
。采用３种不同长度的有机玻璃棒对仪器测量精度进行了标定，结果显示测量误差小于１％，满足国家标准对海底沉积物声速测量准确度为±３％的要求。
测试完声速后将样品从ＰＶＣ管中推出，
然后进行物理力学性质测试，测试项目包括液限、塑限、颗粒成分、密度、含水量、无侧限抗压强度、压缩系数、贯入阻力、抗剪强度等。上述参数测量方法可参考
文献［１６］，实验仪器均在标定的有效期限内，测量精度符合国家标准的相关要求。沉积物声阻抗是声速与密度的乘积，其计算公式如下：
Ｚａ＝ρ
ｃ。（２）式中：Ｚａ为沉积物声阻抗，ｋｇ／（ｍ２
·ｓ）或（Ｐａ·ｓ）／ｍ；ρ为沉积物密度，
ｋｇ／ｍ３。实验室测试过程中，采用６种不同频率（２５，５０，
１００，１５０，２００，２５０ｋＨｚ
）的声学换能器对每段样品进行了声学性质参数测量。本文声阻抗特性讨论主要基于以下两点考虑，选用频率为１００ｋＨｚ的声速数据，共３４３组：１）虽然不同频率的声阻抗值有所不同，但其分
布特征以及与沉积物物理力学性质的关系趋势基本相同；２）相对于其他频率的数据，处于中间频段的频率为１００ｋＨｚ的声阻抗数据量最多，更具有代表性。
２ 研究区海底沉积物物理力学性质及波阻
抗特征
２．１ 沉积物物理力学性质研究区沉积物主要包括粉砂质砂、砂质粉砂、粉砂、黏土质粉砂、粉砂质黏土等５种类型，主要物理力学性质指标见表１。本区沉积物呈现出分区域分布特征。研究区西南部，
沉积物以粉砂质砂、粉砂、砂质粉砂为主，砂粒质量分数（ｗｓ）较高（粉砂质砂的ｗｓ最高，平均值为５４．６％），黏粒质量分数（ｗｃ）较低（粉砂的ｗｃ最低，平均值为１５．５％），平均粒径较大；在研究区东北部，沉积物以粉砂质黏土、黏土质粉砂为主，多呈流塑状态，ｗｓ较低（
粉砂质黏土的ｗｓ最低，平均值仅为３．０％），ｗｃ较高（粉砂质黏土的ｗｃ高达６６．０％），平均粒径较小。表１ 研究区沉积物物理力学性质参数与声学特性参数统计表
Ｔａｂｌｅ １ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｈｙｓｉｃａｌ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｄｉｍｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈ
ｅ ｓｔｕｄｙ
ａｒｅａ沉积物类型ｗｓ／％
ｗｃ／％
ｄ５０／ｍｍ
ρ
／（ｇ
／ｃｍ３）ｗ／％ｎ／％ｗｌ／％
ｗｐ／％
Ｉｐ／％
αｖ／ＭＰａ
Ｓ／ｋＰａ
ｃ
／（ｍ／ｓ）Ｚａ
／（１０６ｋｇ／（
ｍ２·ｓ））粉砂质砂５４．６ １６．２ ０．０６７ ４ １．９５４ ３４．４ ４５．７ ２５．１ １６．６ ８．６ ０．４８ ６．３１ １ ６０９．９７ ３．０７４ ４砂质粉砂２７．６ １６．４ ０．０３２ ３ １．８７６ ３８．５ ４９．５ ２８．６ １８．５ １０．１ ０．６７ ６．９４ １ ５９２．６０ ３．００８ ８粉砂４．９ １５．５ ０．０２１ ６ １．８２５ ４４．５ ５２．５ ３２．５ ２０．２ １２．３ ０．７６ ７．１４ １ ５５５．６９ ２．８２７ ６黏土质粉砂１２．１ ３２．４ ０．０１８ ４ １．７４６ ５７．１ ５７．４ ３９．０ ２２．０ １７．０ １．１６ ６．４４ １ ５３７．２１ ２．６５６ ８粉砂质黏土
３．０ ６６．０ ０．００３ １ １．５１８ ９３．５
７０．８
５８．６ ２８．９ ２９．７ ２．１３ ４．４９ １ ４８７．１７
２．２３９
２ 注：ｄ５０为中值粒径；ｗ为含水率；ｎ为孔隙度；ｗｌ为液限；ｗｐ为塑限；Ｉｐ为塑性指数；
αｖ为压缩系数；Ｓ为抗剪强度。８
８３ 吉林大学学报（
地球科学版） 第４４卷
从表１中可以看出，不同类型沉积物的基本物理性质参数差别很大。其中：粉砂质砂的密度最大，而含水率和孔隙度最小；粉砂质黏土的密度最小，而含水率和孔隙度最大。其余３种类型沉积物的密度、含水率、孔隙度介于粉砂质砂和粉砂质黏土之间，按照砂质粉砂、粉砂、黏土质粉砂的顺序，密度依次较小，而含水率、孔隙度依次升高。由此，沉积物密度、含水率、孔隙度与粒径存在密切关系，随着粒径减小（即颗粒变细），密度减小，而含水率和孔隙度增大。本区所涉及的沉积物类型中，粉砂质黏土的液限、塑限、塑性指数最大，而粉砂质砂的液限、塑限、塑性指数最小，其余类型沉积物的液限、塑限、塑性指数介于二者之间。由此，海底沉积物可塑性的指标与颗粒粒径和黏粒质量分数密切相关，一般颗粒粒径小，黏粒质量分数高，则可塑性好，反之则差。在沉积物力学性质参
数方面，本区粉砂质砂、砂质粉砂、粉砂的压缩系数均较低，属于低压缩性沉积物；而黏土质粉砂、粉砂质黏土的压缩系数较高。由此，沉积物的压缩性大小与其密度和结构等因素有关，压缩系数基本上随着密度的增大而减小，随着孔隙度的增大而增大。本区所涉及的沉积物类型中，粉砂的抗剪强度最大，粉砂质黏土的抗剪强度最小，其余类型沉积物的抗剪强度介于二者之间。由此，不同类型沉积物的抗剪强度未呈现出明显的变化规律，与其他物理力学参数的依赖关系也不明显。
２．２ 沉积物声阻抗及其分布规律
声速测量过程中同步测量样品温度，其变化范围为１２．２～２５．１℃。需要说明的是，本文未考虑温度对沉积物声速的影响，声速数据均为测量时温度条件下的沉积物声速。本文所涉及的沉积物声速特性均是实验室常压下（约为一个大气压）测得的，因此可以认为是在相同压力环境下的数据。王琪等［１７］根据不同压力环境下沉积物声速测量实验结果认为，在水深小于１ ０００ｍ（１０ＭＰａ）时水深对海底沉积物声速的影响可以忽略。笔者认为，对于浅层海底沉积物，水深（压力）对沉积物声速的估算可以借鉴海水声速的计算公式。对于本研究区１７～８３ｍ的水深变化范围，根据Ｍａｃｋｅｎｚｉｅ［１８］公式计算得出的由水深（压力）导致的声速变化非常小（约为１．０８ｍ／ｓ）。因此，本文的声速测量数据未进行压力因素的校正。
本区声阻抗值为（２．０６５ １～３．４５６ ７）×１０６ ｋｇ／（ｍ２·ｓ），与唐永禄［１９］报道的我国近海海底沉积物
声阻抗值相当。不同类型沉积物之间声阻抗变化规律与声速变化规律相同。其中：粉砂质砂的声阻抗最大，为（２．５６１ ７～３．４５６ ７）×１０６ ｋｇ／（ｍ２·ｓ），平均值为３．０７４ ４×１０６ ｋｇ／（ｍ２·ｓ）；而粉砂质黏土的声阻抗最小，为（２．０６５ １～２．７０２ ９）×１０６ ｋｇ／（ｍ２·ｓ），平均值为２．２３９ ２×１０６ ｋｇ／（ｍ２·ｓ）；砂质粉砂、粉砂、黏土质粉砂的声阻抗介于粉砂质砂和粉砂质黏土之间，平均值分别为３．００８ ８×１０６ ｋｇ／（ｍ２·ｓ）、２．８２７ ６×１０６ ｋｇ／（ｍ２·ｓ）、２．６５６ ８×１０６ ｋｇ／（ｍ２·ｓ）。
在平面分布上，本区沉积物声阻抗呈现出分区域分布的特征。研究区西南部为声阻抗高值区，其值为（２．８～３．４）×１０６ ｋｇ／（ｍ２·ｓ）；研究区东北部的声阻抗较低，其值一般小于２．３×１０６ ｋｇ／（ｍ２·ｓ）。在声阻抗高值区与低值区之间，存在一走向为北西－东南向的声阻抗梯度带，其值为（２．３～２．８）×１０６ ｋｇ／（ｍ２·ｓ）。需要指出的是，虽然本区的水深也呈现出西南浅而东北深的分布特征，但沉积物声阻抗的分区域分布特征与水深并未有直接的关系，原因在于：１）声速一般随水深（压力）增大而增大，与声速具有密切对应关系的声阻抗也应遵循同样的规律，而本区水深大的区域声阻抗反而小，因此，二者不存在明显的对应关系；２）从本文估算的水深对沉积物声速的影响来看，对于本区１７～８３ｍ的水深变化范围，不会引起如此明显的声阻抗分布差异。笔者认为，不同水深以及其他因素引起的不同沉积环境，造成海底沉积物类型的分
区域分布特性，这是引起声阻抗分区域分布的主要因素。声阻抗这种分区域分布的特征与本区沉积物声速等声学特性以及沉积物类型、密度、含水率等物理性质的分区域分布具有明显的对应关系。研究区东北部的沉积物声速和密度较低，其值大都在１ ４８０．０ｍ／ｓ和１．６ｇ／ｃｍ３以下，而含水率较大，一般高于７０％；而在研究区西南部，沉积物和密度均较高，其值大都在１ ５６０．０ｍ／ｓ和１．８ｇ／ｃｍ３以上，而含水率一般小于４０％。本区海底沉积物声阻抗在区域分布特征上与沉积物密度、含水率等物理参数的相似性从另一方面也证明了二者之间存在明显的相关性。
３ 声阻抗指数与物理力学参数的关系
为了分析研究区沉积物声阻抗与物理性质之间的关系，笔者对声阻抗和密度、含水率、孔隙比（ｅ）、孔隙度、液限、塑限、塑性指数、砂粒质量分数、黏粒
９
８
３
第１期 阚光明，等：南黄海中部海底沉积物声阻抗特性
质量分数、中值粒径、压缩系数、抗剪强度等参数分别进行回归分析，将沉积物声阻抗作为因变量，上述物理参数作为自变量，采用最小二乘法分别得出了声阻抗与上述物理参数的经验回归方程（
表２）。同时，
绘制了沉积物各物理力学参数与声阻抗的二维相关图解，如图１－图４所示
。
ａ．密度；ｂ．含水率；ｃ．孔隙比；ｄ．
孔隙度。图１ 沉积物基本物理参数与声阻抗的相关关系
Ｆｉｇ．１ Ｄｉａｇｒａｍｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｍｐ
ｅｄａｎｃｅ ｏｆ ｓｅｄｉｍｅｎｔｓ３．１ 沉积物基本物理参数与声阻抗的相关关系
图１为沉积物基本物理参数与声阻抗的相关关系曲线。从图１和表２中可以看出，声阻抗与密度、含水率、孔隙比和孔隙度等沉积物基本物理参数具有非常好的相关性，其判定系数Ｒ２均大于０．９５。其中：密度与声阻抗呈现正相关关系，密度越大，声阻抗越大；而含水率、孔隙比和孔隙度与声阻抗呈负相关关系，随着含水率、孔隙比和孔隙度的增大，声阻抗减小。沉积物声阻抗为声速与密度的乘积，而沉积物声速在很大程度上与沉积物的可压缩性有关，密度越大，孔隙度越小，则沉积物越密实，其可压缩性越小，声速和声阻抗则越大。含水率、孔隙比、孔隙度等参数表述的是沉积物的两相特征，即海底
表２ 研究区沉积物声阻抗与物理力学性质经验回归方程Ｔａｂｌｅ ２ Ｌｉｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｅｍｐｉｒｉｃａｌ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ｅｑ
ｕａｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｄｉｍｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ
ａｒｅａ相关参数
预测公式
胡银波Ｒ
２ρＺａ＝４１３ ０８２ρ２＋５６５ ２８０ρ＋４
４９ ８３９ ０．９９１ｗ Ｚａ＝
１２７．４ ｗ２－３０ １９１ ｗ＋３ ９２６ ５００ ０．９５２ｅ Ｚａ＝
１７７ ８２３ｅ２－１ １２０ ２００ｅ＋３ ９０４ １００ ０．９８３ｎ Ｚａ＝
１５９．９４ｎ２－５２ ９９４ｎ＋５ ２０１ ３００ ０．９８６ｗｌＺａ＝４５８．８６ ｗ２ｌ－６５ ２０１ ｗｌ＋
４ ４６９ ９００ ０．９１５ｗｐＺａ＝２ ８２５．７ ｗ２ｐ－
２００ ３４７ ｗｐ＋６ ０００ ０００ ０．８３６ＩｐＺａ＝１ ０６７．７Ｉ２ｐ－８０ ７９０Ｉｐ＋
４ ０００ ０００ ０．８９６ｗｓＺａ＝－６０５．８２ ｗ２ｓ＋４１ ６００ ｗｓ＋２ ２８８ ８００ ０．４６９ｗｃＺａ＝２０１．８４ ｗ２ｃ－
３２ ４６４ ｗｃ＋３ ４７６ ３００ ０．７４５ｄ５０ Ｚａ＝（－５８０．０９５ｄ２５０＋４
７．８１９ｄ５０＋２．１４２ ２）×１０６ ０．７２９αｖＺａ＝１０４ ３１４α２ｖ－７４６ ９６６αｖ＋
３３８７ ０００ ０．９００Ｓ
Ｚａ＝－
２ ３４２．２Ｓ＋１２２ １５２Ｓ＋１ ８９０ ４００ ０．３８２
沉积物是由固体骨架和骨架间孔隙中充填的流体组
０
９３ 吉林大学学报（
地球科学版） 第４４卷
成。基于双相介质弹性波传播理论的数值计算结果表明，沉积物快纵波速度（即沉积物声速）随着孔隙度的增加而减小。因此，作为声速与密度乘积的声阻抗，
具有与沉积物声速基本相同的变化趋势
。ａ．液限；ｂ．塑限；ｃ．
塑性指数。图２ 沉积物可塑性参数与声阻抗的相关关系Ｆｉｇ．２ Ｄｉａｇ
ｒａｍｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｍｐ
ｅｄａｎｃｅ ｏｆ ｓｅｄｉｍｅｎｔｓ３．２ 沉积物可塑性指标与声阻抗的相关关系
图２为沉积物可塑性指标参数与声阻抗的相关关系曲线。从表２中可以看出，液限、
塑限和塑性指
ａ．砂粒质量分数；ｂ．黏粒质量分数；ｃ．
中值粒径。图３ 沉积物粒度成分参数与声阻抗之间的相关关系Ｆｉｇ．３ Ｄｉａｇｒａｍｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｇ
汪文勤
ｒａｉｎ ｓｉｚｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｍｐ
ｅｄａｎｃｅ ｏｆ ｓｅｄｉｍｅｎｔｓ数与声阻抗经验回归公式的判定系数Ｒ２均在０．８以上，表明沉积物上述可塑性指标参数均与声阻抗具有良好的相关性。从图２可以看出，
声阻抗呈现出与液限、塑限和塑性指数负相关的关系，即随着液限、
塑限和塑性指数的增大，声阻抗减小。沉积物塑性指数是沉积物液限与塑限之差，指的是沉积物由一种状态转变到另一种状态时的界限含水率，
主要１
９３ 第１期 阚光明，
等：南黄海中部海底沉积物声阻抗特性
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