摘要：本文通過對南海海底沉積物樣品的聲學物理參數和沉積粒度特征統計分析，發現了高、低含砂量沉積物的聲學物理特征存在明顯差異，建立了海底沉積物的含砂量與壓縮波速度、孔隙度、含水量和密度等經驗公式，分析了含砂量變化與沉積物的體積壓縮模量和密度變化的關系，從聲速理論基礎上闡明了含砂量變化引起沉積物壓縮波速度變化的內在原因是含砂量變化引起了體積壓縮模量和密度發生了變化，說明了含砂量增大引起沉積物壓縮波速度增大的內在原因是含砂量增大引起了體積壓縮模量變化量大于密度變化量，從而在數據統計和理論分析結合基礎上，論證了含砂量是影響海底沉積物壓縮波速度的重要因素之一。這一研究對聲學方法反演海底沉積物粒度參數和沉積物類型、地聲參數轉換模型的建立，以及對水聲反演海底和海底資源勘探等方面都具有重要理論意義和應用價值。

　　關鍵詞：海底沉積物;壓縮波速度;含砂量;體積壓縮模量;孔隙度

　　1引言

　　在進行海底沉積物聲學特性參數測量過程中，經常遇到手感粗糙、砂質感明顯的沉積物聲速較高，同時其十字板剪力儀和貫入儀的讀數也較高。這反映出海底沉積物的含砂量與其聲速和抗剪強度等聲學物理及工程性質存在一定相關性。

　　由于含砂量是海底沉積物的重要特征量之一，也是海底沉積物粒度分類命名的基本參數[1]，所以，研究含砂量與海底沉積物聲學物理等參數關系，以及探討含砂量影響海底沉積物聲速的理論原因，對于深入了解海洋水聲傳播與海底地聲環境的響應機制、建立海底地聲模型和提高海底聲學反演精度等方面[2-6]是十分必要的。本文在對南海海底沉積物樣品進行各項參數測量基礎上，分析了高、低含砂量海底沉積物的聲學物理參數特性差異，研究了含砂量與海底沉積物的壓縮波速度及其相關參數的關系，探討了海底沉積物含砂量變化引起聲速變化的內在原因，獲得了一些具有理論價值和應用意義的創新性結果。

　　2數據來源

　　近30年來，我們對包括南海陸架、陸坡、深海盆地和島礁陸架等在內的南海海底進行了廣泛的底質聲學調查，利用海底沉積物重力取樣器和箱式取樣器，獲得了大量的南海底質柱狀樣(長度一般為1.0～3.5m)和表層樣(0～0.4m)，對大多數樣品進行了粒度分析，并進行了壓縮波速度、密度和孔隙度等聲學物理參數測試。在南海北部近岸海底的現代陸源砂、南海北部外陸架淺海及外緣的(古濱海)殘留砂(水深20～400m)以及南海島礁陸架海底的珊瑚砂，是南海底質砂粒級沉積物分布的主要區域。南海北部陸架的韓江口外海底沉積物含砂量高達79%～89%，南海中央海盆(水深大于3500m)海底沉積物的含砂量一般在10%以下[7-9]。

　　一般講來，南海海底沉積物普遍含砂，而且具有海底沉積物含砂量離陸(或島)減少的分布特征，由此反映出大陸和島礁是南海海底沉積物砂粒級組分的主要物源。砂質沉積物在南海海底的廣泛分布，以及底質采樣測量獲得的大量海底沉積物顆粒度參數和聲學物理參數數據，為本文的含砂量影響海底沉積物壓縮波速度的分析研究提供了數據基礎。

　　3數據統計分析結果

　　海底沉積物中的含砂量是指直徑介于0.063～2mm之間顆粒重量的百分含量，直徑小于0.063mm的顆粒屬于粉砂或黏土，而直徑大于2mm的顆粒屬于礫。根據國家標準GB/T12763.8-2007《海洋調查規范第8部分海洋地質地球物理調查》[1]的海底沉積物顆粒命名原則，當含砂量大于75%時，可直接稱為砂;當含砂量介于50%～75%時，以砂為基本名，次要顆粒含量為修飾名;當砂含量介于10%～50%時，砂作為顆粒名稱的修飾語;而當砂含量小于10%時，砂就不參加沉積物的顆粒命名。

　　由此可見，從海底沉積物的顆粒名稱，可以直接知道其含砂量的區間范圍，這使得含砂量是有關海底沉積物的名稱分類、底質分布和聲學物理等方面的重要特征量。含砂量與沉積物壓縮波速度及其相關參數，包括孔隙度、含水量和密度等存在相關變化，這反映出含砂量變化引起沉積物的模量和密度變化，從而影響了沉積物壓縮波速度變化。

　　因為，從聲速理論公式來講[20]，模量和密度是影響沉積物聲速的不可或缺的兩個基本因素，任何沉積物的顆粒度參數和物理力學參數影響聲速變化的內在原因，都是因為影響到沉積物的模量和密度變化而影響了聲速。那么，含砂量變化是如何影響沉積物的模量和密度變化而影響聲速變化呢，這是一個需要深入探討的問題。

　　4討論

　　雖然許多研究者認為孔隙度是影響海底沉積物壓縮波速度的主要因素[21-23]，但也有學者看到了顆粒度參數等固體顆粒因素對沉積物壓縮波速度的影響。汪德昭和尚爾昌[24]認為，海底沉積物不論是濕樣品還是干樣品，其顆粒大小都不會改變，所以，用顆粒參數來預報沉積物壓縮波速度更為可靠。

　　盧博等[25]認為，顆粒度參數是沉積物中較為穩定的參數，它們深刻地影響到海底沉積物的物理力學性質和聲學特質。海底沉積物顆粒對聲波傳播產生一系列的散射、吸收以及馳豫效應等作用，若沉積物存在粒度分層結構，還引起聲反射作用與聲衰減效應等。海底沉積物的聲傳播，會使其中顆粒產生散射波和黏滯波，這些波傳到其他顆粒周圍又會產生二次散射波和二次黏滯波，依次繼續下去，直到遭到介質衰減而終止[25]。

　　所以，海底沉積物的壓縮波速度及其衰減等聲學特性與固體顆粒特性密切相關，因而與表述顆粒大小和粒級配比的含砂量存在相關。一般來講，海底沉積物主要是由海水和固體顆粒組成的，影響其壓縮波速度的主要因素必然歸屬于這兩大組分。由于海底沉積物的孔隙充填有海水，所以，孔隙度和含水量本質上代表著影響海底沉積物壓縮波速度的液相因素;另一方面，以含砂量、平均粒徑等代表的顆粒度參數是影響海底沉積物壓縮波速度的固相因素。

　　Biot[26-27]提出的松散飽和水沉積物聲波傳播理論說明，海底沉積物聲速影響因素本質分為固體顆粒和海水流體兩個方面。在不同頻率情況下，海底沉積物的孔隙流體黏滯耗散與骨架耗散對聲波速度的影響存在顯著差異[28]，由此顯示出固體顆粒因素、液相海水因素對沉積物壓縮波速度存在著不同的影響作用。

　　所以，海底沉積物壓縮波速度除了受到孔隙度和含水量等液相因素影響之外，也受到固體顆粒因素的影響。相對于平均粒徑和中值粒徑等代表顆粒特征平均情況來講，含砂量與沉積物整體骨架體積壓縮系數、固體顆粒壓縮系數和體積壓縮模量等影響壓縮波速度的固體顆粒因素密切相關，而且含砂量是海底沉積物粒度分類和定名的重要特征量，具有更為廣泛的沉積動力學和海底地形地貌內涵。

　　所以，對海底沉積物含砂量與壓縮波速度響應機制的探討，有利于對海洋水聲傳播的海底制約機制和海底地聲模型的深入研究。陸源性海底沉積物具有環陸分布和離陸變細的特征，這主要因為陸源物質向海洋搬運過程中，較粗顆粒搬運距離較近，而較細顆粒搬運距離較遠造成的。一般講來，海洋的生物、化學或火山灰等沉積物顆粒較細，多為黏土質粉砂或粉砂質黏土[29]，所以，海底沉積物中較粗的砂顆粒主要來源于陸源物質，也就是說，海底沉積物的含砂量越高，其陸源砂顆粒就越多。

　　研究表明，陸源石英顆粒是海底沉積物中砂顆粒的主要礦物成分，石英砂顆粒在南海海底沉積物中分布廣泛，含量較高，一般占砂質沉積物重量的60%～80%，而且沉積物的砂含量越高，其石英含量越高[12，30]。

　　5結論

　　本文通過對南海海底沉積物含砂量與壓縮波速度及相關參數的數據統計和理論分析，得到如下幾點認識：

　　(1)含砂量是影響海底沉積物壓縮波速度變化的一個重要因素。相對于低含砂量沉積物來講，高含砂量沉積物具有較高壓縮波速度、較大密度，而其含水量和孔隙度相對較低。高含砂量沉積物具有較高的體積壓縮模量，同時又具有較大的抗壓強度。

　　(2)含砂量作為影響海底沉積物壓縮波速度變化的一個因素，它代表著沉積物中固體顆粒因素對沉積物壓縮波速度的影響。含砂量增大對應著孔隙度減小和壓縮波速度增大。

　　(3)實測數據統計和聲學理論分析表明，含砂量增大引起海底沉積物壓縮波速度增大的內在原因是含砂量增大引起沉積物的體積壓縮模量變化比大于密度變化比。與前人數據統計得到的孔隙度增大則壓縮波速度減小的結論一致，本質對應著沉積物的體積壓縮模量變化比小于密度變化比，這與含砂量減小引起孔隙度增大的聲速影響效應是一致的。

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