气泡对沉积物声学特性的影响及其机制研究

利用沉积物多频原位声学测量系统在原始沉积环境中获取8kHz至100kHz多频纵波声速和衰减数据，结合取样与样品实验室CT扫描、土工、物理力学测试，分析沉积物气泡含量与尺寸分布、物理力学参数及与频率有关的声学特性的相关关系，比对饱和水与不同气泡含量和尺寸分布情况下沉积物的声学特性差异，研究气泡对沉积物声学特性的影响机制；建立含气沉积物声学参数与气泡参数的经验公式模型，并以BISQ模型为研究重点，建立简洁实用的含气沉积物声学理论模型；建立目标函数，采用小生境遗传算法进行参数反演研究，探讨沉积物气泡含量及尺寸分布的声学反演方法。课题组前期积累了丰富的沉积物原位声学测量数据，同时海洋公益性行业科研专项经费项目"中国海典型海域底质声学模型研究与示范"可为本课题提供广泛的数据支持。本项研究对通过声学方法研究海底油气勘探开发、工程施工、环境与地质灾害、地球科学等科学和工业问题都具有重要的应用价值和意义。

海底广泛分布着含气沉积物，尤其是甲烷气。随着海底油气勘探与开发、海底工程建设及海洋环境与地质灾害防治等各项事业的发展，含气沉积物的研究对于科学及工业界具有越来越重要的意义和价值。声学方法一直是进行海底沉积物特性研究的最主要和有效的方法。在含气沉积物中声波速度、衰减特征都与饱和水沉积物中的声学特性存在很大的差异。因此，对含气沉积物的声学特性进行研究具有重要的科学意义和广阔的应用前景。如何获取沉积物气泡信息？气泡与沉积物声学特性的相关关系如何建立？如何通过声学资料反演沉积物中的气泡信息？这些问题都尚未完全解决。. 本项目通过多相介质模型研究、反演方法研究、数值分析、沉积物多频声学测量、CT扫描、土力学测试等综合研究手段，研究气泡含量、物理力学参数及与频率有关的声学特性的相关关系，建立含气沉积物声学参数与气泡参数的经验关系，分析气泡对沉积物声学特性的影响，以BISQ模型为研究重点，建立简洁实用的含气沉积物声学理论模型，采用小生境遗传算法进行参数反演研究，探讨沉积物气泡含量的声学估计方法，从而为定量化的对相关科学及应用问题进行研究提供技术支撑。. 通过课题组三年来的不懈努力，基于项目任务书的指导，对本项目研究内容开展了深入研究。研究成果主要为：建立了沉积物CT扫描与信息提取方法、声学测试与参数计算方法，对沉积物样品进行了CT扫描、声波测试、土工测量，获取了沉积物气泡含量、波速、衰减及土工参数信息；对沉积物气泡体积含量、声波波速、声波衰减与土工参数进行了回归分析，得到了气泡含量对沉积物声学特性及其频散的影响规律，建立了相关回归方程；结合多相介质模型、Batzle-Wang方法、Wood方程以及等效介质理论等，建立更加简洁实用的含气沉积物声学理论模型，并基于该模型正演分析了气泡含量对沉积物声速与衰减的影响；在传统的遗传算法基础上添加插入了全局保优机制、生存机制、小生境之DC漂移技术和群体灾变等方法与技术，使改进组合的遗传算法能在高维参数与多峰值的反问题中搜索得到全局最优解，建立了基于BISQ模型的气泡含量等参数的反演方法。. 在本项目资助下，出版专著1部，发表学术论文8篇，会议论文1篇，其中SCI检索3篇，中文核心期刊4篇。另外，已另有4篇文章收录待刊。获得江西省高校科技成果奖三等奖1项，资助硕士毕业论文4篇。