基于原位温压状态的南海海底沉积物声学特性研究

南海海底沉积物原位状态声学性质研究，在我国海洋资源勘探和国防领域中具有重要的应用价值。当前海底原位测量技术有限、实验室声学测量脱离原位温度和压力状态引入误差，亟需寻求新方法实现海底原位声学性质的分析、校正和补偿。本课题结合原位测量技术和模拟原位实验技术，运用机理分析方法，通过研究热作用对海底沉积物两相介质相互作用状态的影响机制和对声波传播特性的影响机理，分析温度变化过程中海底沉积物声学特性的差异及其实质；通过研究重力作用对海底沉积物两相介质相互作用状态的影响机制和对声波传播特性的影响机理，分析压力变化过程中海底沉积物声学特性的差异及其实质；综合研究压力和温度变化对海底沉积物声波传播特性的影响机制和程度，探寻不同原位环境状态和不同实验室测量条件下声学特性的比较方法和还原到原位状态声学特性的校正方法。基于原位状态的声学特性研究，将提高海底声学探测及应用精度，为我国经济、军事和科技战略服务。

为了解决当前海底原位测量技术应用及有限、实验室声学测量脱离原位温度和压力状态引入误差，本课题从理论模型分析、样品采集测量和模拟原位测量三方面开展了深入的分析和研究，寻求新方法实现海底沉积物原位声学性质的分析、校正和补偿。完成主要研究内容有：（1）分析了海底沉积物声波传播机理，研究了FCMCM模型、EDFM和Biot模型的特点和对实验测量数据解释的差异，确定了以FCMCM模型和EDFM两种少参数两相介质模型为主建立热作用和重力作用的热机耦合声波传播模型；（2）基于模型分析温度变化下的海底沉积物声学特性表明，温度变化影响孔隙海水的粘度、密度和弹性模量随着温度的变化而变化，是影响沉积物声学特性的主要原因；进行了海底沉积物的温度测量实验，验证了以上研究结论，同时发现了南海北部海底沉积物在温度变化中具有三种类型；（3）基于重力作用分析了海底沉积物在不同水深环境下的应力状态，应用理论模型分析海底沉积物的压力特性，解释海底沉积物声速随着压力增加变化特性；实验测量海底沉积物的声速与海水压力关系，表明海水是影响海底表层沉积物声速的主要原因；（4）基于以上研究，综合温度变化和海水压力变化对海底沉积物的声学特性影响特性和机制，扩展了Hamilton声速校正方法，提出采用底海底沉积物和孔隙海水声速比的方法进行校正不同原位温度和压力状态下的海底沉积物的声速。. 主要创新有：（1）发现通过分析孔隙海水在沉积物的孔隙中的运动和状态可以明晰海底表层沉积物的声学特性随着温度变化和海底深度变化下的机制。（2）发现了海底沉积物存在一个特征参数衰减转折渗透率，当在实际渗透率小于此值时，声衰减系数随着温度升高而升高，在这个数值附近，声衰减系数先升高而后下降，超过此值一定数值后，声衰减系数随着温度升高而减小。. 以上研究为实验室测量海底沉积物声学特性还原到海底原位状态声学特性提供了校正方法，为不同实验环境状态下测量海底沉积物声学特性比较提供了分析方法和依据。