海底沉积物压缩波声速比与物理特性的关系

海底沉积物因组成结构复杂导致声学特性复杂多样,多种理论解释模型存在参数较多且各具适用性现象·通过运用体积平均和等效参数的方法对海底沉积物声波传播机理进行研究,提出一种少参数的海底沉积物与底层海水的压缩波声速比通用模型(General Model of Sound Speed Ratio,GMSSR).GMSSR模型包含弹性结构分布因子、孔隙度、等效密度比、等效弹性模量比4个物理特性参数。分析海底沉积物两相介质结构的串联和并联两种极限情况分析,基于弹性结构分布因子和串并联结构的体积平均分布建立一般情况下海底沉积物的等效弹性模量表达式·应用GMSSR合理地分析各海域测量的海底沉积物声速比经验模型的共性和解释南海实测数据分散的范围,表明:(1)表层海底沉积物主要是以串联结构为主,接近于悬浮液状态或者体积分量很少的并联堆积状态;(2)等效弹性模量比的影响因素大于等效密度比,结构变化往往通过影响弹性结构分布因子而影响等效弹性模量比,从而引起声速比的变化;(3)不同研究海域的声速比-孔隙度经验关系具有相似性,可以通过GMSSR模型分析得出;(4)基于弹性结构分布因子的差异,可以合理解释南海海域测量表层海底沉积物声速比较大的分散性。      

海底沉积物声速与物理性质的理论关系

为建立海底沉积物声速与物理性质的关系,引入密度变化比和弹性模量变化比为参数描述海底沉积物声速。密度变化比是描述声速的一个复合参数,由孔隙率、固相密度和海水密度三个物理参数表示;弹性模量变化比是描述声速的另一个复合参数,由孔隙率、固相体积模量和海水体积模量三个物理参数表示;声速公式可展开为这两个复合参数的泰勒多项式。两个复合参数的变化构成声速曲面,声速曲面包含了声速特性与沉积物性质的完整信息;而单参数声速公式是声速曲面上的一条曲线。数值计算与测试结果对比表明:把孔隙率-声速经验公式变换为参考声速乘以一个调制函数的标准形式,各个海区的孔隙率-声速经验公式的调制函数是相当接近的。论文导出的声速公式与Wood声速公式的区别在于弹性模量的模型不同。      

海底沉积物声速与物理性质的理论关系

为建立海底沉积物声速与物理性质的关系,引入密度变化比和弹性模量变化比为参数描述海底沉积物声速。密度变化比是描述声速的一个复合参数,由孔隙率、固相密度和海水密度三个物理参数表示;弹性模量变化比是描述声速的另一个复合参数,由孔隙率、固相体积模量和海水体积模量三个物理参数表示;声速公式可展开为这两个复合参数的泰勒多项式。两个复合参数的变化构成声速曲面,声速曲面包含了声速特性与沉积物性质的完整信息;而单参数声速公式是声速曲面上的一条曲线。数值计算与测试结果对比表明:把孔隙率-声速经验公式变换为参考声速乘以一个调制函数的标准形式,各个海区的孔隙率-声速经验公式的调制函数是相当接近的。论文导出的声速公式与Wood声速公式的区别在于弹性模量的模型不同。     

基于等效密度流体近似反射模型反演海底参数

为了获取海底沉积物的物理和地声特性,根据等效密度流体近似反射模型得到的不同掠射角下的海底反射损失,利用差分进化算法和粒子群算法相结合的两级混合优化算法以及Bayesian反演方法对海底沉积物的孔隙度、平均颗粒粒度、颗粒质量密度以及颗粒体积弹性模量进行反演,再根据这4个物理参数的估计值进一步计算出海底地声参数,包括声速和衰减。通过反演结果与仿真真值的比较可以看出,除颗粒体积弹性模量外,得到的估计结果是令人满意的,特别是这种间接反演海底地声参数的方法对地声参数的估计具有较高的精确性和较强的稳健性,相对误差分别为0.092%和17%。最后,对实验室水池池底沙质沉积物的反射损失数据进行处理,给出了沙质沉积物各参数的估计值、不确定性和相关性,并通过反演结果与部分实测参数值的比较验证了反演方法的可行性。      

根据非线性贝叶斯理论的界面波频散曲线反演

通过时频分析法从海底环境噪声数据中提取界面波频散曲线,进而采用非线性贝叶斯反演方法估算海底沉积物厚度、剪切波速度、压缩波速度和密度等参数及其不确定性。参数的最大后验概率(MAP)估计值和边缘概率分布分别通过自适应单纯形模拟退火法和Metropolis-Hastings采样法在各参数先验区间内搜索获得,采用贝叶斯信息准则(BIC)从不同参数化模型中选择最优模型。界面波频散曲线反演结果表明:满足实测数据的最优海底模型结构为3层均匀分布剪切波速度剖面结构,海底深度的反演精度在800m以内,比起压缩波速度和密度,剪切波速度的不确定性更小,对界面波频散曲线更敏感。      

海底表层沉积物声速的环境因素影响特性

应用声速通用模型开展理论分析,结合温度-压力可控实验测量分析,研究地声反演、海底原位声学测量和采样样品声学测量3种主要的海底表层沉积物声学特性测量方法中,存在的环境因素影响机制和特性。理论计算与实验测量研究具有一致性,揭示温度和静水压力对海底表层沉积物的压缩波声速的影响机制主要是通过影响孔隙海水的密度、黏度、体积弹性模量体现的。在海底4000 m以内的表层海底沉积物通常存在的海底温度和静水压力范围内,发现声速比不为常数,随着温度升高和静水压力增大而呈现出细微减小趋势,理论计算海底沉积物与底层海水声速比波动度在2%以内,实验测量声速比波动度在2.73%以内。基于声速比不为常数,提出修正声速比校正模型,为减小温度和静水压力影响因素误差,更准确地实现不同原位、实验室环境状态下的海底沉积物声速的分析和比较提供了改进方法。      

基于等效密度流体模型的地声参数分析

目前的地声参数反演多采用液态海底模型,但是实际海底为多孔弹性海底。该文在等效密度流体模型基础上,通过计算液态海底和多孔弹性海底的反射系数及传播损失,给出了等效密度流体模型和液态海底模型的等效性分析。数值仿真结果表明在低频情况下,多孔弹性海底给出的快纵波声速与等效密度流体模型给出的声速以及等效密度流体的实部与真实的海底密度基本一致。将等效密度流体模型近似看作液态海底模型进行反射系数和传播损失计算,在小掠射角和远距离时,计算结果表明与多孔弹性海底计算结果具有较好一致性,从而以此为依据确定海底为液态,进行地声参数反演。     

非胶结含水合物沉积物修正等效介质速度模型及其地震波场特征研究

通过数值分析,发现对应于悬浮模式、颗粒接触模式的等效介质模型A,B预测的含水合物沉积物纵波速度、横波速度及泊松比存在物理认识上的缺陷,单独考虑水合物微观模式为悬浮模式或颗粒接触模式并不合理.认为非胶结水合物的微观模式与其饱和度存在关联,并运用拉格朗日插值方法建立了新的非胶结含水合物沉积物修正等效介质速度模型.该模型体现了水合物饱和度对于水合物微观模式的影响,数值分析结果表明新模型预测结果更合理.基于新模型对非胶结含水合物沉积物的地震波场进行了数值模拟,探讨了似海底反射及空白带的形成机理,对实际水合物地震勘 关键词： 水合物 等效介质模型 似海底反射 空白带     

变声速弹性沉积层下压缩波与剪切波的耦合影响

针对压缩波声速n²线性分布、剪切波声速平方线性分布的变参数弹性海底沉积层中声场建模问题,建立了关于压缩波与剪切波本征函数的偏微分耦合方程组,基于微扰法,通过逐次微分给出了本征函数的近似解析解.理论分析表明,只有剪切波声速平方的梯度不为零的情况下,沉积层中的压缩波才会与剪切波产生耦合.压缩波与剪切波耦合的影响会带来本征值的变化,其对近场声传播的影响较小,但远距离声传播损失的预报在考虑耦合后与实测数据符合得更好.此外,耦合还会导致沉积层中本征函数及其导数的变化,使得耦合与非耦合情况下沉积层中质点位移场不同.通过与商用声场软件COMSOL计算结果的对比分析检验了本文方法的正确性,且本文方法计算时间远小于COMSOL软件运行时间.     

流体饱和砂岩中弹性波速度的一种动力学计算模型

本文在怀利(Wyllie)平均时间公式的基础上,结合声速测井的条件,引入固体骨架和孔隙流体的平均等效长度等三个假设,采用普通弹性波动力学的方法,导出流体饱和砂岩地层中弹性波传播方程,得到纵、横波速度的计算公式,从而将怀利的计算纵波速度的运动学模型,发展成计算纵、横波速度的动力学模型。本文结果与Raymer等人1980年提出的经验公式十分接近,也与Wyllie等人测定的空气饱和砂岩的声速数据相吻合。     

含少量气泡流体饱和孔隙介质中的弹性波

考虑孔隙流体中含有少量气泡,且气泡在声波作用下线性振动,研究声波在这种孔隙介质中的传播特性.本文先由流体质量守恒方程和孔隙度微分与流体压力微分的关系推导出了含有气泡形式的渗流连续性方程;在处理渗流连续性方程中的气体体积分数时间导数时,应用Commander气泡线性振动理论导出气体体积分数时间导数与流体压强时间导数的关系,进而得到了修正的Biot形式的渗流连续性方程;最后结合Biot动力学方程求得了含气泡形式的位移场方程,便可得到两类纵波及一类横波的声学特性.通过对快、慢纵波的频散、衰减及两类波引起的流体位移与固体位移关系的考察,发现少量气泡的存在对快纵波和慢纵波的传播特性影响较大.     

Shear and compressional wave speeds in Hertzian granular media

It is shown that the shear wave speed in a granular medium is less than that in an elastic solid of the same shear modulus-to-density ratio. Shear and compressional wave speeds are derived for granular media using a conservation of energy approach. The grains are assumed to be spherical with elastic Hertzian contacts of constant stiffness. The affine approximation is used to determine the relative displacements of grain centers, and it is also assumed that the grains are small compared to a wavelength, consistent with the effective medium approximation. Potential and kinetic energies associated with linear motion are the same as those in an elastic solid, but it is found that shear wave propagation in a granular medium involves additional energies associated with grain rotation. The partition of energies results in a reduction in the shear wave speed, relative to an elastic solid of the same shear modulus-to-density ratio. It is shown that the reduction is an inherent property of granular media, independent of any departure from the affine approximation or fluctuations in coordination number or contact stiffness. The predicted wave speed ratios are consistent with published measurements.     

Fast compressional wave attenuation and dispersion due to conversion scattering into slow shear waves in randomly heterogeneous porous media

Within the viscosity-extended Biot framework of wave propagation in porous media, the existence of a slow shear wave mode with non-vanishing velocity is predicted. It is a highly diffusive shear mode wherein the two constituent phases essentially undergo out-of-phase shear motions (slow shear wave). In order to elucidate the interaction of this wave mode with propagating wave fields in an inhomogeneous medium the process of conversion scattering from fast compressional waves into slow shear waves is analyzed using the method of statistical smoothing in randomly heterogeneous poroelastic media. The result is a complex wave number of a coherent plane compressional wave propagating in a dynamic-equivalent homogeneous medium. Analysis of the results shows that the conversion scattering process draws energy from the propagating wave and therefore leads to attenuation and phase velocity dispersion. Attenuation and dispersion characteristics are typical for a relaxation process, in this case shear stress relaxation. The mechanism of conversion scattering into the slow shear wave is associated with the development of viscous boundary layers in the transition from the viscosity-dominated to inertial regime in a macroscopically homogeneous poroelastic solid.     

Three-dimensional numerical modeling of geoacoustic scattering from seafloor topography

A three-dimensional (3-D), second-order finite-difference method was used to create synthetic seismograms for wave propagation in heterogeneous media in order to investigate the scattering of elastic and acoustic energy due to topography on the seafloor. The method uses a fully staggered grid in Cartesian coordinates as developed by Virieux [Geophysics 51, 889-901 (1986)]. Numerical results were generated for two models: a linear fault scarp on the seafloor, and a flat seafloor containing a rectangular channel. Wave-front snapshots allow the scattering and focusing of different wave modes with direction to be visualized. Compressional and shear wave backscattering from the sides of the features can be seen together with the trapped compressional wave energy propagating inside the channel. The results illustrate the effects of out of the plane scattering due to simple seafloor topographic features.     

Compressional and shear wave properties of marine sediments: comparisons between theory and data

According to a recently developed theory of wave propagation in marine sediments, the dispersion relationships for the phase speed and attenuation of the compressional and the shear wave depend on only three macroscopic physical variables: porosity, grain size, and depth in the sediment. The dispersion relations also involve three (real) parameters, assigned fixed values, representing microscopic processes occurring at grain contacts. The dispersion relationships are compared with extensive data sets, taken from the literature, covering the four wave properties as functions of all three physical variables. With no adjustable parameters available, the theory matches accurately the trends of all the data sets. This agreement extends to the compressional and shear attenuations, in that the theory accurately traces out the lower bound to the widely distributed measured attenuations: the theory predicts the intrinsic attenuation, arising from the irreversible conversion of wave energy into heat, whereas the measurements return the effective attenuation, which includes the intrinsic attenuation plus additional sources of loss such as scattering from shell fragments and other inhomogeneities in the medium. Provided one wave or physical property is known, say the compressional speed or the porosity, all the remaining sediment properties may be reliably estimated from the theory.     

孔隙地层井壁上的声波首波及其诱导电磁场的原因

声波测井时孔隙地层中的声波首波平行于井轴沿井壁传播，它既有轴向位移分量，又有垂直于井壁的位移分量.这种以快纵波速度传播的波, 不仅含有由快、慢纵波势给出的梯度场,而且还含有由横波势给出的旋度场.慢纵波势的梯度是渗流位移首波的主要构成成分, 也是声电效应测井响应中存在伴随声波首波电场的主要原因.首波包含有旋度位移场，是存在伴随声波首波磁场的原因. 关键词： 孔隙介质 声波首波 诱导电磁场 测井     

玻璃-橡胶混合颗粒体系的弹性行为研究

废旧橡胶制品颗粒与砂土颗粒混合物作为建筑填充材料具有环保、轻质、减震效果好等特点.软硬组分的混合比例可以调制体系力学性能从而实现兼顾材料柔韧性与强度的需求,但细观层面上材料性能改变的原因尚不明确.本文主要研究玻璃-橡胶混合颗粒体系的弹性行为及其微观机制.利用飞行时间法测量混合材料等效动弹性模量,发现随着橡胶颗粒增加,体系逐渐从类玻璃刚性行为转变为类橡胶柔性行为.离散元模拟结果与实验结果类似.此外,模拟显示低橡胶颗粒占比样品内主要由玻璃颗粒构成主力链结构,而橡胶颗粒基本不参与强力链的构成.当橡胶颗粒占比较大时,玻璃颗粒和橡胶颗粒共同构成主力链网络结构,但颗粒间法向接触力分布相对更为均匀,可视为玻璃颗粒悬浮于橡胶颗粒中.基于上述结果,提出了改进的等效介质理论,用于描述混合颗粒体系的弹性行为.研究认为:橡胶颗粒占比较小时内部颗粒的变形相对均匀,材料近似满足等应变假设,视为并联弹簧模型;橡胶颗粒占比较大时混合材料近似满足等应力假设,视为串联弹簧模型.两种模型得到的结果与模拟结果一致.上述结果有利于从微观角度揭示混合颗粒材料弹性行为的变化机制.