海底底质声学原位测量技术和声学特性研究

发布时间：2017-10-12 02:10

  本文关键词：海底底质声学原位测量技术和声学特性研究

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【摘要】：海底表层沉积物的声学参数是研究海洋声场环境的基础数据,其声学特性是分析海底声波传播损失、构建地声模型不可缺少的研究内容,为海底底质声学分类、海底声学环境评价、声学调查等提供基础资料和关键技术。论文的内容主要包括两部分,一是海底沉积物声学原位测量技术研究,研制出一种拖动式原位测量技术;二是从物理参数等微观角度和沉积环境等宏观角度,探讨了青岛近海和南海南部海域沉积物的声学特性。论文研制的测量技术、建立的青岛近海声学参数预测方程和南海南部声速结构模型等,为声学特性研究提供了有效的方法和手段,为今后更深入的研究提供了基础资料。论文依托海洋公益性行业项目“海底底质声学原位测量系统”,在前期863计划“海底底质声参数现场测量技术”的成果——站位式海底沉积物声学原位测量系统的基础上,研制出一种拖动式声学原位测量技术。主要介绍了测量系统的结构组成和技术指标、实验室水槽校正和海上测量试验等。利用该原位测量技术进行了青岛近海表层沉积物的声学特性研究,测量了45个站位沉积物的声学参数。基于声速、声衰减系数与颗粒粒径、颗粒组分含量等之间良好的相关性,建立了声速-粒径、声速-含砂量、声速-粘土含量、声速-砂泥比等经验公式,为沉积物的声速预测提供了有效的方法。论文还分析了该海域声速的分布特征与沉积环境的密切关系。较之南海北部海域已成为地质学、水声学等多学科的研究热点,南海南部海域海底沉积物的声学特性研究仍较为欠缺。该海域的沉积环境、水声环境非常典型,又具有重要的军事价值,因此该海域沉积物的声学特性理应得到重视。论文对该海域21站位沉积物柱状样进行声学测量和物理性质测试,系统分析了声学参数分布特征、沉积环境对声学特性的影响等内容。声学和物理参数分布呈有规律的区域变化:大陆架沉积物为颗粒较粗的砂质粉砂、低孔隙度、高密度、高声速和高声阻抗;海槽沉积物则呈现细颗粒、高含水量、高孔隙度、低密度、低声速和低声阻抗;陆坡沉积物介于两者之间,更接近于海槽沉积物。沉积物的声学分布特征在微观上受沉积物的孔隙性、矿物组成、微观结构、颗粒大小等因素的影响,宏观上与水动力条件和物源等沉积环境有密切的关系。选择位于海槽、陆坡和陆架的3个典型站位进行分析,声速的垂向分布特征存在明显的差异,呈现了3种分布模式:声速垂向增大模式存在于水深较深、水动力条件较弱、沉积物后期改造以固结和压实过程作用为主的深海区,如深海海槽的槽谷;声速垂向不变模式存在于水深较深、沉积速率快、沉积物埋藏后期改造作用较弱的海域,如宽广的陆坡;声速垂向复杂变化模式存在于水深较浅、水动力条件强、物源复杂、改造作用(如搬运、剥蚀等)较强的浅海区,如近海陆架。根据声速垂向分布特征、沉积物的分层结构等,建立了海槽、陆架和陆坡沉积物的声速结构模型。主要包括海槽-未分层模型和海槽-分层模型、陆坡-未分层模型和陆坡-分层模型、陆架-未分层模型和陆架-分层模型等类型。利用Biot-Stoll、Buckingham理论和Wood方程计算南海南部沉积物的声速,结果显示理论模型计算值与实测声速值具有相同的变化趋势。声速计算值与实测值的分布特征对比表明,实测值的分布特征更为复杂,局部变化更为明显。相较而言,侧重于孔隙性的Biot-Stoll理论适用于陆架粗颗粒沉积物,而兼具流体和弹性双重性质的Buckingham理论适用于陆坡和海槽细颗粒沉积物。
【关键词】：原位测量 海底沉积物 声学特性 南海南部 声速结构模型
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(海洋研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P733.2;P715
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 绪论13-36
• 1.1 选题依据及意义13-15
• 1.2 国内外研究现状15-33
• 1.2.1 海底沉积物声学原位测量研究进展15-25
• 1.2.2 海底沉积物声学特性研究进展25-33
• 1.3 本文主要研究内容33-35
• 1.3.1 研究方法和技术路线34-35
• 1.3.2 主要创新点35
• 1.4 本章小结35-36
• 第二章 沉积物声学物理参数测量及样品采集36-49
• 2.1 声学原位测量系统研制及测量试验36-42
• 2.1.1 原位测量技术原理36-37
• 2.1.2 测量系统仪器组成和技术指标37-40
• 2.1.3 系统测量试验情况40-42
• 2.2 南海南部沉积物样品采集与数据测量42-46
• 2.2.1 测量试验站位分布和样品采集42-43
• 2.2.2 沉积物样品声学甲板测量43-46
• 2.3 沉积物的物理性质测试46-47
• 2.3.1 湿密度测试——环刀法46-47
• 2.3.3 粒度分析、颗粒密度、含水量等测试47
• 2.4 本文实验工作量情况47-48
• 2.5 本章小结48-49
• 第三章 基于原位测量的青岛近海底质声学特性研究49-80
• 3.1 试验海区概况49-50
• 3.2 数据处理方法50-55
• 3.3 声学原位测量与物理性质测试结果55-57
• 3.4 测量试验结果及声学特性分析57-79
• 3.4.1 胶州湾测量试验结果分析58-61
• 3.4.2 青岛近海沉积物声学性质与物理参数相关关系61-73
• 3.4.3 青岛近海沉积物声速和物理参数分布特征73-77
• 3.4.4 基于声速经验方程分析声速分布特征77-79
• 3.5 本章小结79-80
• 第四章 南海南部海域概况及声学物理参数测量结果80-87
• 4.1 海底地形地貌及沉积分布特征80-83
• 4.2 测量试验结果分析83-86
• 4.3 本章小结86-87
• 第五章 南海南部沉积物声学参数分布规律及其影响因素87-109
• 5.1 沉积物声速和声阻抗的区域分布特征87-89
• 5.2 表层沉积物的声学参数和物理参数分布特征89-97
• 5.2.1 表层沉积物物理参数的分布特征90-93
• 5.2.2 表层沉积物声学参数的分布特征93-94
• 5.2.3 基于经验方程的表层沉积物声速的分布特征94-97
• 5.3 沉积物声速和物理参数垂向变化97-106
• 5.3.1 典型站位声学物理参数垂向分布98-101
• 5.3.2 沉积物声速垂向分布的影响因素101
• 5.3.3 建立沉积物声速结构模型101-105
• 5.3.4 陆坡和海槽沉积物声速物理参数对比105-106
• 5.4 沉积物声学参数和物理参数空间分布特征106-108
• 5.5 本章小结108-109
• 第六章 基于声波传播理论的南海南部沉积物声学特性分析109-118
• 6.1 海底沉积物声波传播理论109-112
• 6.1.1 流体理论109-110
• 6.1.2 弹性理论110-111
• 6.1.3 多孔弹性理论111-112
• 6.2 海底沉积物物理参数测量和选取112
• 6.3 声速实测值与声速预测计算值比较112-117
• 6.3.1 Buckingham模型计算声速与实测声速分布对比115-116
• 6.3.2 Biot-Stoll模型计算声速与实测声速分布对比116-117
• 6.4 本章小结117-118
• 第七章 结论118-121
• 参考文献121-135
• 作者简历、攻读学位期间发表的学术论文135

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 卢博,李赶先,黄韶健,张福生;中国黄海、东海和南海北部海底浅层沉积物声学物理性质之比较[J];海洋技术;2005年02期

2 卢博,梁元博;海洋沉积物声速与物理参数的关系[J];海洋科学;1993年06期

3 卢博;刘强;;海底沉积物声学响应中的颗粒与孔隙因素[J];热带海洋学报;2008年03期

4 邹大鹏;吴百海;卢博;;海底沉积物声速经验方程的分析和研究[J];海洋学报(中文版);2007年04期

5 阚光明;苏元峰;李官保;刘保华;孟祥梅;;南黄海中部海底沉积物原位声速与物理性质相关关系[J];海洋学报(中文版);2013年03期

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本文编号：1016051