摘 要

海底作为海洋及其资源的载体和支撑，一直是海洋研究中的难点和重点。近年来，我国海洋工程日益增多，海洋地质及其灾害问题越来越受到关注和重视。由于海水深度和地热的作用，海底沉积物承受着不同的压力和温度梯度，导致声波在海底沉积物中传播的性质相异，表现出声速、衰减、幅值、阻抗等改变。海底沉积物声学-温压特性研究是建立试验室间接测量技术和原位直接测量技术的连接纽带，解决采样测量脱离原位状态问题和系统研究同一种类型海底沉积物在不同海底的声速差异，是把试验室测量结果还原到海底原位状态的关键环节。

为研究原位温压条件下海底砂质沉积物的压缩波波速的变化规律，在GDS应力路径三轴试验系统的基础上改造出一套温控三轴试验系统，该系统可以有效的模拟海底温压状态，并且配备弯曲-伸展元测试系统，可实时测量波速。通过开展温度、压力条件下的饱和重塑砂样的声学试验，得到温压状态改变时的声速变化规律，用 Hamilton修正模型对试验结果进行检校，对从试验室到原位状态的声速还原方法做出评价。主要研究结果如下：

（1）在GDS应力路径三轴试验系统的基础上改造出一套温控三轴试验系统，该系统可以有效地模拟海底压力环境，持续稳定地施加温度荷载，配备弯曲-伸展元测试系统满足声速测量的要求。

（2）对试验仪器进行的调试和标定，确定声学试验的激发频率。制备沉积物饱和砂样，开展1℃~30℃温度范围、100~400 kPa压力条件下的声学试验，得到饱和砂质沉积物温压条件下的声速变化规律。

（3）对于Hamilton修正模型校正声速的原理和方法做出详细的说明，将试验室测得的声速比和Hamilton修正模型结果进行对比分析，发现两者吻合性较好，一方面检验了用改造的温控三轴试验系统测量声学数据的准确性，另一方面验证了用Hamilton修正模型进行原位声速校正的可行性。

关键词：海洋；海底沉积物；压缩波速；温度；压力；Hamilton修正模型

Abstract

As the carrier and support of the ocean and its resources, the seabed has always been a difficult point and focus in marine research. In recent years, an increasing number of China's marine engineering, marine geology and disaster have caused growing concern and attention.

Seafloor sediments bear different pressure and temperature gradients due to the depth of the sea and the effects of geothermal heat. Under different temperature gradients and pressures, the properties of sound waves propagating in seabed sediments are different, showing changes in acoustic properties such as sound velocity, attenuation, amplitude, and impedance. The acoustic-temperature characteristics of seabed sediments is the connection between laboratory indirect measurement technology and in-situ test. It solves the problem of sampling measurement separate from in-situ state and systematically studies the difference of sound velocity between the same type of seabed sediment on different seabeds. It is the key link to revert laboratory measurements to the in-situ state of the seabed.

In order to study the variation property of compression wave velocity in seabed sediments under in-situ temperature and pressure conditions, a temperature-controlled triaxial test system was developed based on the GDS stress path triaxial test system and bending-stretching test system, which can effectively simulate the seabed temperature and pressure state and measure the real-time wave speed. Through the acoustic test of the saturated remolded sand sample under temperature and pressure conditions, the change of sound velocity when the temperature and pressure state change was obtained. The Hamilton correction model was used to verify the test results, and the sound velocity reduction method from the laboratory to the in-situ state was evaluated. The main research contents are as follows:

(1) Based on the GDS stress path triaxial test system, a temperature control triaxial test system was processed, which can effectively simulate the seabed pressure environment and continuously and steadily exert temperature loads,and equipped with a bend-extension element test system to meet the requirements of sound velocity measurement.

(2) Adjust and calibrate the test instrument to determine the excitation frequency of the acoustic test. The sediment sand sample was prepared and the acoustic test was carried out under the temperature range of 1 °C~30 °C and pressure of 100~400 kPa. The variation of sound velocity under saturated temperature and pressure conditions was obtained.

(3) The principle and method of correcting the sound velocity of Hamilton correction model were described in detail. The sound velocity ratio measured by the laboratory and the Hamilton modified model result were compared and analyzed. It was found that the two have good agreement. On the one hand, the accuracy of measuring the acoustic data with the modified temperature-controlled triaxial test system was tested. On the other hand, the feasibility of using the Hamilton modified model for in-situ sound velocity correction was verified.

Key Words：sea；seafloor sediment；compressed wave velocity；temperature；pressure； Hamilton correction model

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1海底沉积物声学特性研究进展 2

1.2.2饱和沉积物声速测量的温度影响性 3

1.2.3饱和沉积物声速测量的压力影响性 4

1.2.4饱和沉积物声速测量的修正 5

1.3研究内容和技术路线 6

1.3.1研究内容 6

1.3.2技术路线 7

第二章 试验装置改造及实现 8

2.1 引言 8

2.2试验装置介绍 8

2.2.1 GDS应力路径三轴试验系统 8

2.2.2温控三轴系统 9

2.2.3弯曲-伸展元测试技术 17

2.3小结 31

第三章 饱和砂质沉积物的声速试验 33

3.1引言 33

3.2Hamilton修正模型 33

3.2.1Hamilton修正模型介绍 33

3.2.2Hamilton修正模型的声速校正方法 35

3.3试样制备 35

3.3.1试验土样 35

3.3.2制样和安装 36

3.3.3试样饱和与固结 38

3.4压力影响性试验 39

3.4.1试验方案 39

3.4.2试验步骤 39

3.4.3信号采集与解释 40

3.3.4数据处理与描述 41

3.3.5Hamilton修正模型验证 42

3.5温度影响性试验 43

3.5.1试验方案 43

3.5.2试验步骤 44

3.5.3数据处理与描述 44

3.5.4 Hamilton修正模型验证 45

3.6小结 46

第四章 结论与展望 48

4.1结论 48

4.2展望 48

参考文献 49

致 谢 53

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

海底作为海洋及其资源的载体和支撑，一直是海洋研究中的难点和重点。声速是重要声学参数，海底声速测量是评价海底地质灾害以及油气资源勘探的重要手段，海底沉积物声学研究在国防军事、海洋工程建设等方面具有重大意义。原位测量、甲板测量和试验室测量是获取海底沉积物声速的主要方法。沉积物原位声速测试即使用侧扫声呐、声学长矛等声学设备，基于不同的测量频率，探测海底原位状态下几十厘米至几十米厚度沉积物土层的声速值。该方法可以有效的避免对测试对象的扰动，较好的保持海底沉积物的原位状态，获得声学参数具有更好的保真性和准确性。甲板测量和试验室测量均属于取样测试的范围，为了尽可能地保持原位状态，国内外学者相继提出了各种保真取样技术，但是在搬运、储存的过程中依然不可避免的对沉积物样品产生扰动，其压力和温度条件以及沉积结构均会遭到一定程度的破坏。甲板测试即在甲板上对采集的沉积物样品进行现场试验，和试验室测量相比可有效地规避时间因素引起的沉积物在运输过程中状态的改变。甲板试验和试验室声学测量可以连续多次的开展测量试验，和原位测量相比具有成本低、技术简单、实现难度低等优势。但是由于原位测量设备技术要求高，且费用高昂，开展大规模原位声学调查的设备条件尚未完全具备，因此试验室测量仍然是当前获取海底沉积物声速的主要手段。

由于海水深度和地热的作用，海底沉积物承受着不同的压力和温度梯度。在接近于大陆架表面的温度可以达到25℃左右，压力只有几个大气压，而1000m水深的温度约为2℃，压力可达1MPa，从表面往下温度梯度平均为39℃／km，而压力梯度平均为10kPa/m。在不同的温度梯度和压力状态下，声波在海底沉积物中传播的性质相异，表现出声速、衰减、幅值、阻抗等改变。海底沉积物声学-温压特性研究是建立试验室间接测量技术和原位直接测量技术的连接纽带，解决采样测量脱离原位状态问题和系统研究同一种类型海底沉积物在不同海底的声速差异，是把试验室测量结果还原到海底原位状态的关键环节。

21 世纪是海洋资源开发利用的新世纪。加快探索和开发海洋资源，由浅海走向深海，是我国从海洋大国迈向海洋强国的必经之路。当前，我国海洋工程日益增多，海洋地质及其灾害问题越来越受到关注和重视。我国海域范围内，沉积物分布较广泛，开展海底沉积物声学-温压性质研究不仅有助于海域油气资源的地质勘探和开发，而且对于海洋工程的减灾防灾具有重要的意义。

1.2国内外研究现状

1.2.1海底沉积物声学特性研究进展

表征海底沉积物的声学特性的参数主要包括：压缩波和剪切波波速、声衰减和声阻抗等，海底沉积物声学特性的研究即围绕这些声学参数展开。海底沉积物的声学参数的影响因素很多，可以从以下方面进行归类：

（1）沉积物的基本物理性质，如孔隙度、密度、体积模量、饱和度等；

（2）海底环境参数，如海底温度T，海水盐度S和沉积物受到的压力P。

（3）海底沉积物的沉积环境，如沉积物分层、海底底质构造、地貌单元以及河流泥沙的搬运作用等。

（4）声学测量手段，如激发频率的选取、声波信号的分析等。

海底沉积物的声学特性研究即从这些角度入手，建立海底沉积物中的声波传播理论，研究声学性质随沉积物的物理参数、海底沉积环境的变化规律，建立海底沉积物声学预测方程，构建不同海域的海底地声模型。

在声波传播理论方面，研究方向可以分为流体理论、弹性理论和多孔弹性理论三个方面。流体理论即连续介质理论，对沉积物的等效密度和等效体积模量建立方程描述波动方程，得到沉积物声速的公式，即Wood^[1]方程；弹性理论假定沉积物为理想弹性体，考虑固体颗粒间的剪切力，具有代表的为Gassman^[2]方程；Buckingha^[3]在流体理论和弹性理论的基础上，假定沉积物颗粒间存在粘滞作用，提出了更为完善的Buckingham模型；20世纪年代 Biot^[5]建立了适用于弹性多孔介质的Biot理论，可用于海底表层沉积物的声传播机理研究；Stoll等人在Biot理论的基础上加以完善，提出了Stoll-Biot理论^[6-10]。

在沉积物声学性质与物理参数之间的相关关系研究方面，国外Hamilton^[11-13]、Anderson^[14]等人对海底沉积物的取样样品开展了一系列的试验测量，获取大量的声学参数，建立了多个海域声学性质与沉积物物理参数之间的相关关系，并且通过对大量实测数据的统计拟合，建立了沉积物在不同沉积环境下的声速和物理性质之间的回归方程；Richardson^[15]通过自主研制的原位测试系统，在多个近海海域开展测量试验，描述海底沉积物的声学变化规律。国内方面，卢博^[16-18]、阚光明^[19-21]等根据我国南海北部、东海、黄海等大陆架近海海域声学资料，建立了相关海域的声速与物理参数之间的公式。

地声模型是实际海底模型，主要用于测量、反演、预估和水声学、地球物理声传播方面有关的声学数据。Hamilton^[22]根据不同地貌单元沉积物声速随深度的变化特征，提出了浅海大陆架的典型地声模型和深海丘陵、深海平原的地声模型；韩国学者Kim^[23-25]等人对韩国南部海域的沉积物声学参数分布特征进行系统的研究，建立了陆架、陆坡和深水区的地声模型，对沉积环境的影响作用进行评估。国内卢博^[26]等人对南海北部大陆架海区的声学特征进行研究，提出了3种主要的声速结构模型。潘国富^[27]根据南海北部沉积物声速的垂直向变化特征，建立了陆架区、陆坡-深海盆区的简单地声模型。

1.2.2饱和沉积物声速测量的温度影响性

温度的变化对土的工程性质有很大的影响。在工程建设领域，由温度引起的岩土体的物理力学性质的改变受到国内外学者越来越高程度的关注。相关报道大都集中在粘性土的温度荷载影响性研究，对于松散颗粒的粘性土及砂性土介质在温度作用下的力学、声学特性的研究不是很常见。温度对于粘性土的性质影响尤为显著，在高温以及冷热循环的温度荷载作用下，会引起的地层变形以及强度降低。国内外学者对于粘性土的温度影响性研究集中体现在热固结、黏土介质的渗透性影响、热传导规律和阻抗特性等方面。

不同沉积环境的海底沉积物，其组成成分有着明显的差异，在以砂性土为主的陆架陆坡海域，温度对于沉积物的力学性质影响性较小，在以粘性土为主的海底平原地区，温度变化会对沉积物的力学性质产生显著的影响。声速方面，由固液两相组成的海底沉积物声速变化主要受制于海水声速的变化。当温度改变时，不论何种类型的沉积物都会产生较为明显的声速变化。对于海底沉积物而言，影响温度变化的因素主要体现在两个方面：由于地热效应引起的海底温度变化和沉积物的人为开采过程中由于搬运、封存和运输引起的温度变化。其中，地热作用引起的温度变化是海底沉积物原位声学探测的重要考虑因素。对于采样试验，由于受到搬运过程中的温度作用，需要对试验结果进行温度影响性修正。开展沉积物样品试验室研究的难点在于缺少能够准确、稳定地施加温度荷载的试验仪器，因此无法对海底的低温环境以及试样采集过程中的温度变化进行准确的模拟。对于饱和沉积物乃至含气沉积物的室内试验结果的温度影响性修正仍缺少具体准确的理论修正模型。

由于海洋学过程引起的底部海水运动、来自地热源的热量传递等过程，沉积物具有3-D温度分布。水平方向，温度可以在沉积物浅部上每天发生区域变化。竖直方向，最上层的沉积物的温度梯度为3-4 ℃ / km，从地表到深层沉积物约39 ℃ / km^[28]。沉积物的温度取决于海底海水的温度，海水温度会随季节的变化而改变，浅层水的正弦变化值（峰值之间）为15℃，导致45m/s的声速变化^[29]。在深水中，温度很低，温度变化也很小。因此，在试验室沉积物声速测量中，需要进行严格的温度控制。

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