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热带海洋学报 >

2018 , Vol. 37 >Issue 4: 81 - 88

DOI: https://doi.org/10.11978/2017122

南海海底沉积物声学物理参数测定的温度和时间优化研究

  • 罗云 , 1, 2 ,
  • 侯正瑜 1 ,
  • 田雨杭 1, 2 ,
  • 许安涛 1, 2 ,
  • 陈忠 , 1
展开
  • 1. 中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室(南海海洋研究所), 广东 广州 510301
  • 2. 中国科学院大学, 北京 100049;
通讯作者: 陈忠(1970—), 男, 研究员, 博士生导师。E-mail: chzhsouth@scsio.ac.cn

作者简介：罗云(1992—), 男, 河南省信阳市人, 硕士研究生, 主要从事海底沉积物声学研究。E-mail:

收稿日期: 2017-11-12

  要求修回日期: 2017-12-18

  网络出版日期: 2018-07-16

基金资助

国家自然科学基金(41376057、41676056);国家科技支撑计划(2014BAB14B01)

收起

Optimization of temperature and time of acoustic physics parameters of seafloor sediment in the South China Sea

  • LUO Yun , 1, 2 ,
  • HOU Zhengyu 1 ,
  • TIAN Yuhang 1, 2 ,
  • XU Antao 1, 2 ,
  • CHEN Zhong , 1
Expand
  • 1. CAS Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Guangzhou 510301, China
  • 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Corresponding author: CHEN Zhong. E-mail:

Received date: 2017-11-12

  Request revised date: 2017-12-18

  Online published: 2018-07-16

Supported by

National Natural Science Foundation (41376057, 41676056);National Science and Technology Support Program (2014BAB14B01)

Copyright

热带海洋学报编辑部
Fold

摘要

海洋沉积物含水率、密度和孔隙度等物理参数是沉积物声学特性研究中的重要指标。由于南海沉积物类型多样、成分复杂, 特别是深海沉积物样品珍贵, 需精确测定沉积物声学及物理参数并无损害地保持沉积物化学性质。文章以黏土、粉砂和砂三种典型海底沉积物为研究对象, 使用环刀法和烘干法, 在不同温度条件下(60℃、80℃、100℃和120℃)测定和分析了这三种沉积物的含水率、密度、孔隙度随烘干时间的变化趋势及特征, 并进行了回归分析和综合研究。结果表明: 1) 对同类型沉积物, 温度越高, 完全失去孔隙水的时间越短, 且失水过程具有阶段性;2) 同一温度下, 三种典型沉积物完全失去孔隙水的时间为t砂<t粉砂<t黏土, 且不同时间段, 失去孔隙水的速率差异较大, 这主要与沉积物的颗粒大小、颗粒间的间隙大小以及烘干后期沉积物中所含的水分均已大部分流失有关;3) 建议声学沉积物样品的烘干温度以80℃左右为宜, 并给出三种沉积物完全烘干的参考时长和临界时间;4) 在温度为80℃时, 将临界时间处的物理参数带入经验方程进行声速预报是可行的。

关键词： 南海; 沉积物; 物理参数; 温度; 时间

本文引用格式

罗云 , 侯正瑜 , 田雨杭 , 许安涛 , 陈忠 . 南海海底沉积物声学物理参数测定的温度和时间优化研究[J]. 热带海洋学报, 2018 , 37(4) : 81 -88 . DOI: 10.11978/2017122

Abstract

Physical parameters such as water content, density and porosity of marine sediments are important for studying acoustic characteristics of sediments. Due to the complex and variety of the marine sediments in the South China Sea and precious deep-sea sediment samples, it is necessary to accurately determine the physical parameters of these sediment samples and make sure no damage to their chemical properties. However, the current measuring methods cannot meet the demands. In this study, we determined and analyzed the changing trends and characteristics of the water content, density, porosity of the clay, silt, and sand in three typical sediments with the drying time under different temperature (60, 80, 100, and 120℃) by using circular knives method and dryer method. The results are as follows. 1) The higher the temperature, the shorter the time of the total loss of pore water, and the periodic characteristics of the water loss process for the same type of sediment. 2) The times of typical sediments completely lose the pore water are in the order of tsand<tsilt<tclay; and at different time periods, the rate of pore water loss is quite different, which is mainly related to the particle size, the gap between particles and the loss of moisture contained in sediments in the later stage of drying. 3) The drying temperature of 80℃ is advisable, if the sediments is also needed for further comprehensive utilization and analysis, and the reference time and critical time are calculated for the complete drying of the three sediments. 4) Physics parameter of the critical time generation into the experience equation for velocity prediction is feasible at 80℃.

Key words： South China Sea; marine sediment; physical parameter; temperature; time

海洋沉积物的含水率、密度和孔隙度等物理参数是沉积物声学特性研究中的重要指标, 其与沉积物声学特性关系密切, 不仅可以用来证实海底地声模型的有效性和推导模型中的某些未知参数(Buckingham, 2005; Jackson et al, 2007), 而且可用来建立海底沉积物声学特性与物理性质之间的经验公式, 对预测沉积物的声学特性(如声速和声衰减等)和声速反演都至关重要(卢博, 1994、1995; 卢博 等, 1994; 邹大鹏 等, 2008; Kan et al, 2017)。海洋沉积物受物源、环境、水动力等因素的影响, 形成不同的沉积物类型, 在Shepard沉积物三角图分类方案中, 端元组分为砂、粉砂和黏土, 根据端元组分含量可再细分沉积物类型。由于深海沉积物获取困难, 样品极其珍贵, 要求在精确测定沉积物声学物理参数时, 无损害地保持沉积物化学性质, 以备矿物、地球化学研究使用, 因此对样品烘干的温度和时间需要精准控制。传统的测定方法(国家质量技术监督局 等, 1999)对样品烘干温度、烘干时间都不够精细, 制约和影响了海洋沉积物声学研究中的工作效率和对样品化学性质保存的完整性。
本文选取南海典型的砂、粉砂、黏土三种沉积物类型, 按沉积物声学测试要求测定含水率和湿密度, 在不同温度条件下(60℃、80℃、100℃和120℃), 分别测定和研究了砂、粉砂和黏土样品的含水率和湿密度变化, 给出了合适的烘干温度和时间, 分析了沉积物声学相关物理参数变化对不同声速预报方程的偏差, 研究结果可为估算沉积物样品的物理参数烘干时间提供参考, 同时可为海洋工程地质实践和岩土工程勘察等提供有价值数据。

1 样品与方法

本文使用的砂、粉砂、黏土三种典型沉积物为2017年利用箱式取样器在南海海域采集(图1), 其中站位A位于大陆架, 不含珊瑚砂, 站位B、C位于南海中央海盆, 水深均超过4000m, 属于深海沉积物。
Fig. 1 Sampling locations in the South China Sea

图1 取样站位图

1.1 粒度测试

取约1g样品, 放置在烘箱中于80℃, 烘干, 用蒸馏水浸泡并滴加0.05N六偏磷酸钠, 在烧杯中静置24h, 并用超声波振荡仪振荡15min, 然后上机测试。每个样品测试3次, 测试结果取平均值。测试仪器为英国马尔文公司Mastersizer 2000型激光衍射粒度分析仪, 测量范围0.02~2000μm, 相对误差小于2%。沉积物按照《海洋调查规范 第8部分海洋地质地球物理调查》(GB/T12763.8-2007)(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 等, 2008)规范命名。
A、B、C三站位的沉积物类型投图见图2, 为砂、粉砂、黏土的端元类型。
Fig. 2 Ternary diagrams for classification of the sediment

图2 砂、粉砂、黏土端元类型投影图

1.2 含水率和湿密度测试

烘干法和环刀法是测试海底浅表层沉积物含水率和湿密度的经典方法。实验用工具或设备为60cm3不锈钢环刀、DGX-9143B-1型电热烘箱、JA5003型电子分析天平。实验设置4组温度, 分别是60℃、80℃、100℃和120℃。
实验步骤如下:
1) 在实验开始前, 首先对实验所用工具或设备进行调试和校准, 确保实验精度。
2) 利用电子分析天平对实验所用的不锈钢环刀进行称重并记录, 然后利用不锈钢环刀对砂、粉砂和黏土样品进行分样, 切取砂、粉砂和黏土样品各3份, 并测定样品和环刀的质量。
3) 将烘箱温度调整至实验温度, 当温度恒定后, 将切取的样品放入到烘箱中并开始计时, 此后每隔0.5h将砂样品取出(粉砂和黏土样品的取出时间间隔为1h), 迅速称重后, 放回设定温度的烘箱中继续烘干。
4) 重复操作步骤3, 当样品重量变化小于0.01g, 可认为样品已烘干。
5) 计算沉积物样品的含水率、密度、孔隙度和失水率。
$\omega =\left( \frac{{{m}_{1}}-{{m}_{0}}}{{{m}_{2}}-{{m}_{0}}}-1 \right)\times 100$%
${{\rho }_{1}}=\frac{{{m}_{1}}-{{m}_{0}}}{v}$
${{\rho }_{2}}=\frac{{{m}_{2}}-{{m}_{0}}}{v}$
$n=\left( 1-\frac{{{\rho }_{2}}}{{{G}_{s}}} \right)\times 100$%
$a=\frac{\Delta }{({{m}_{2}}-{{m}_{1}})}\times 100$%
式中: ω为含水率; ρ1为湿密度(单位: g•cm-3); ρ2为干密度(单位: g•cm-3); n为孔隙度; α为失水率; m0为环刀的质量(单位: g); m1为切取的样品加环刀的质量(单位: g); m2为烘干后样品加环刀的质量(单位: g); Gs为颗粒比重; ∆为样品失水量(单位: g); V为环刀体积(单位: cm3)。
实验在中国科学院南海海洋研究所完成, 每种样品取3个试样, 测试结果取平均值, 相对误差小于2%。

2 结果与分析

2.1 沉积物声学物理参数

测定的砂、粉砂、黏土沉积物的湿密度分别为2.04g•cm-3、1.48g•cm-3和1.41g•cm-3, 其中砂的湿密度比南海其他海域的稍高(表1), 粉砂、黏土的湿密度在南海测定样品的范围内。砂、粉砂、黏土含水率分别为29.5%、132.3%、170.1%, 位于南海样品的变化范围内。根据测定的含水率、湿密度和颗粒比重, 计算了沉积物的干密度和孔隙度, 与前人测试结果接近(表1)。
Tab. 1 Determination of physical parameters of sediments

表1 测定的沉积物物理参数

沉积物类型 湿密度/(g•cm-3) 干密度/(g•cm-3) 含水率/% 比重 孔隙度
砂 本文 2.04 1.58 29.5 2.64 0.403
南海a 1.68~2.02 1.12~1.64 19.3~54.8 - 0.362~0.800
粉砂 本文 1.48 0.64 132.3 2.69 0.762
南海b 1.33~1.67 0.55~1.02 61.4~156.0 - 0.607~0.868
黏土 本文 1.41 0.52 170.1 2.72 0.808
南海 - - - - -

注: a表示文献数据来源于Chen et al, 1988; 潘国富, 2003; 卢博 等, 2005; 卢博 等, 2006b; 邹大鹏 等, 2007; 洪刚 等, 2011; 田雨杭, 2016; 田雨杭 等, 2016; b表示文献数据来源于潘国富, 2003; 卢博 等, 2006b; 邹大鹏 等, 2009、2012; Lu et al, 2010; Hou et al, 2015; 田雨杭 等, 2016; -表示数据缺省

2.2 烘干时间、温度制约关系

2.2.1 砂
砂粒径范围63~2000μm, 根据粒径不同, 可细分为细砂(63~250μm)、中砂(250~500μm)和粗砂(500~2000μm)。砂是海洋沉积物的重要组成部分, 可由岩石碎屑、生物骨骼、珊瑚碎屑、海底火山物质以及自生矿物组成。南海的砂主要分布在水深小于200m的沿岸、大陆架和部分岛礁附近(张富元 等, 2004; 邱燕 等, 2008; 陈泓君 等, 2014; 李亮 等, 2014; 中国地质调查局广州海洋地质调查局, 2015; 肖晓 等, 2016), 分布范围较广。
不同温度下, 砂失水率随烘干时间的变化很大, 如图3所示, 在120℃、100℃、80℃和60℃时, 砂完全失水的时间分别为7h、9h、11h和28h。另外在120℃、100℃、80℃和60℃时, 分别在0~3h、0~4h、0~8h和0~20h内, 曲线较陡, 砂失水速率极快, 随后曲线趋于平缓, 失水速率大大降低。温度越高失水速率越快, 且随着温度的升高, 失水率曲线呈从平滑到突变的趋势。
Fig. 3 Temporal change of water loss of sand sediment under different temperatures

图3 不同温度下, 砂沉积物失水率随烘干时间的变化

2.2.2 粉砂
粉砂粒径范围4~63μm, 还可细分为细粉砂(4~16μm)、中粉砂(16~32μm)和粗粉砂(32~63μm)。南海海域的粉砂主要分布在西沙的永兴岛和东岛附近、中央海盆西南部和中部部分海域以及南沙部分海域(中国地质调查局广州海洋地质调查局, 2015)。
对不同温度时的粉砂失水率随烘干时间的变化进行分析, 如图4所示, 在120℃、100℃、80℃和60℃时, 粉砂完全失水的时间分别为14h、26h、37h和81h。此外, 在120℃、100℃、80℃、60℃时, 分别在0~10h、0~16h、0~30h和0~56h内, 曲线较陡, 粉砂沉积物失水速率极快, 随后曲线趋于平缓, 失水速率大大降低。同时, 与砂相似, 温度越高失水速率越快, 但总体上粉砂的失水率曲线比砂的更为平滑, 无突变点, 说明失水速率平缓。
Fig. 4 Temporal change of water loss of silt sediment under different temperatures

图4 不同温度下, 粉砂沉积物失水率随烘干时间的变化

2.2.3 黏土
黏土粒径范围0~4μm, 还可细分为细黏土(0~1μm)和粗黏土(1~4μm)。南海海域的黏土主要分布于中央海盆中部、南部海域以及黄岩岛附近及其南部海域(中国地质调查局广州海洋地质调查局, 2015)。
不同温度下, 黏土失水率随烘干时间的变化很大, 如图5所示, 在120℃、100℃、80℃和60℃时, 黏土完全失水的时间分别为15h、28h、39h和84h。此外, 在120℃、100℃、80℃、60℃时, 分别在0~11h、0~18h、0~34h和0~68h内曲线较陡, 黏土失水速率相对较快, 随后曲线趋于平缓, 失水速率较慢。
Fig. 5 Temporal change of water loss of clay sediment under different temperatures

图5 不同温度下, 黏土沉积物失水率随烘干时间的变化

2.2.4 时间、温度相互制约关系分析
海底沉积物是一种固体颗粒与粒间流体组成的水饱和多孔介质(卢博 等, 2007)。海底沉积物经过堆积后, 其颗粒大小一般不会随着环境而改变, 砂、粉砂、黏土组分的含量以及沉积物颗粒间的间隙大小决定着密度和孔隙度, 从而影响沉积物声学特性及其潜在工程应用。海底沉积物类型较为复杂, 主要是受沉积物来源和水动力作用影响, 不同沉积物类型的密度和孔隙度不同。
如图6所示, 在同一温度下, 三种沉积物完全失去孔隙水所需要的烘干时间均是t砂<t粉砂<t黏土, 即失水速率v砂>v粉砂>v黏土, 这主要与砂、粉砂、黏土的颗粒大小与颗粒间的间隙大小逐渐减小有关。随着烘干温度的逐渐升高, 砂的失水率曲线越来越陡峭, 失水速率越来越大, 与粉砂和黏土沉积物相比, 失水速率差别也越来越明显。而粉砂和黏土的失水率曲线较为相似, 随着烘干温度的逐渐升高, 两者之间并没有明显的差别, 这可能与粉砂和黏土的孔隙度差别不大有关。另外, 在120℃、100℃、80℃和60℃时, 分别在9h、10h、14h和40h时, 粉砂和黏土的失水率开始趋于相同, 可能有两方面的原因, 一是粉砂和黏土的颗粒大小与颗粒间的间隙大小相差不大, 二是此时二者中所含的水分均已大部分被烘干流失。
Fig. 6 Temporal changes of water loss of three sediments under different temperatures

图6 不同温度下, 三种沉积物失水率随时间的变化
a. 60℃; b. 80℃; c. 100℃; d.120℃

南海海底沉积物类型多样、成分复杂, 特别是深海沉积物样品珍贵, 海底沉积物中各种元素和矿物的含量、组合、分布可以反映沉积物的来源、搬运形式、沉积的物理化学乃至气候环境、沉积机理等多个方面信息(林学辉 等, 2015)。因此, 需精确测定沉积物声学物理参数并无损害地保持沉积物化学和矿物学性质, 以便进行后续的其他学科领域的测试研究, 高效地利用海底沉积物样品。然而, 高温(如120℃、100℃)时会导致沉积物的化学性质发生变化, 影响样品多用途利用, 而温度太低(如60℃)则所需烘干时间太久, 效率较低。因此, 综合考虑, 在对海底沉积物声学相关的物理参数进行测试时, 建议烘干温度在80℃左右为宜。

2.3 80℃时, 烘干时间对沉积物声速预测的影响

沉积物的声学特性与其物理性质如孔隙度、密度等密切相关, 国内外的学者对二者的相互关系进行了大量的研究, 提出了声学特性与其物理性质间的经验公式和声学传播理论。以经验方程为例, 代表性成果有Anderson (1974)、Hamilton (1980)、Orsi 等(1990)、周志愚等(1983)、卢博(1994)、卢博等(2006a)、唐永禄(1998)、邹大鹏等(2007)和侯正瑜等(2013)等, 他们都总结了海底沉积物声学的预测方程, 沉积物中声速与含水率以及与孔隙度关系的代表性经验方程有:
(1) 声速与含水率关系经验方程
卢博公式(卢博, 1994):
vp=1809.7-11.17ω+0.08ω2
(2) 声速与孔隙度关系经验方程
Anderson公式(Anderson, 1974):
vp=2506-27.58n+0.1868n2
Hamilton公式(Hamilton, 1980):
vp=2455.9-21.71n+0.126n2
Orsi和Dunn公式(Orsi et al, 1990):
vp=2527.4-27.132n+0.1782n2
周志愚等公式(周志愚 等, 1983):
vp=962+co-27.58n+0.186n2
唐永禄公式(唐永禄, 1998):
vp=942+co-25.02n+0.156n2
卢博等公式(卢博 等, 2006a):
vp=2369.07-25.53n+0.185n2
侯正瑜等公式(侯正瑜 等, 2013):
vp=1841-11.75n+0.08665n2
(3) 声速与孔隙度和含水率双参数关系经验方程
邹大鹏等公式(邹大鹏 等, 2007):
vp=1793.333-7.9462n+0.473939ω
式中: vp为沉积物纵波声速(单位: m•s-1)
从图6b中可知, 砂、粉砂、黏土三种海底沉积物在80℃进行烘干时, 分别在0~8h、0~30h和0~34h内失水速率极快, 而后失水速率很慢。经计算, 在80℃下烘干8h、30h和34h时, 对应的砂、粉砂、黏土沉积物的失水率均已超过99%。若将此时的时间记作临界时间, 认为此时沉积物已经烘干, 并将数值带入经验方程进行声速估算, 则产生的偏差如表2。使用公式(1)~(9)对临界时间的物理参数进行声速预报, 与使用完全烘干后测得的物理参数进行声速预报值相比, 得到的偏差最大值为0.29%, 最小值为0, 其中砂的声速偏差范围为0.12%~0.29%, 粉砂为-1.74%~0.13%, 黏土为-0.02%~0.68% (表2)。因此, 在温度为80℃时, 将临界时间处的物理参数带入经验方程进行声速预报是可行的。估算了砂、粉砂、黏土三种沉积物在4种实验温度下的临界烘干时间(表3), 经验证, 临界时间处计算得到的失水率和孔隙度偏差均小于1%。
Tab. 2 The sound velocity prediction deviation of critical time and total drying at 80℃

表2 80℃下, 临界时间与完全烘干的声速预报偏差

沉积物
类型		 失水率/% 含水率
偏差/%		 孔隙度
偏差/%		 公式(1)偏差/% 公式(2)偏差/% 公式(3)偏差/% 公式(4)偏差/% 公式(5)偏差/% 公式(6)偏差/% 公式(7)偏差/% 公式(8)偏差/% 公式(9)偏差/%
砂 99.12 1.02 0.97 0.13 0.29 0.25 0.29 0.29 0.29 0.26 0.12 0.18
粉砂 99.29 2.34 0.55 -1.74 -0.02 0.07 0.00 -0.02 0.04 -0.07 -0.04 0.13
黏土 99.30 -0.55 -0.12 0.68 0.02 -0.01 0.01 0.02 0.00 0.03 0.02 -0.02
Tab. 3 The critical time of three types of sediments under four different experimental temperatures

表3 三类沉积物在4种实验温度下的临界时间(单位: h)

沉积物类型 120℃ 100℃ 80℃ 60℃
砂 3 4 9 18
粉砂 9 16 30 60
黏土 10 18 34 72

3 结论

1) 南海典型沉积物类型砂、粉砂和黏土含水率分别为29.5%、132.3%和170.1%; 湿密度分别为2.04 g·cm-3、1.48 g·cm-3和1.41 g·cm-3;孔隙度分别为0.40、0.76和0.81,均与测定的南海沉积物的结果相似。
2) 温度越高, 沉积物完全失去孔隙水的时间越短。同一温度下,沉积物失去孔隙水的时间为t砂<t粉砂<t黏土; 不同时间段, 失去孔隙水的速率差异较大, 主要与沉积物的颗粒粒径、颗粒间的间隙大小有关。
3) 估算了三种沉积物完全烘干的参考时长和临界时间, 建议声学沉积物样品的烘干温度以80℃左右为宜。且在温度为80℃时, 将临界时间处的物理参数带入经验方程进行声速预报是可行的。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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