南海珊瑚礁及其灰沙岛区沉积物地声模型及频散特性研究

Coral reefs and lime-sand islets are important bases and guarantees for marine resource development and national security. Their acoustic parameters and sound field are important parameters of marine engineering construction and national defense. Coral reef sediments are special carbonate sediments and they are formed by reconstruction of biological skeletal. The material composition and sediment structure of coral reefs are unique, so the coral reef sediments and siliceous clastic sediments are very different in terms of geoacoustic properties. The project focuses on the scientific issues of the acoustic properties of coral reef sediment at different frequencies and geoacoustic models. Focusing on the relatively few studied coral reef sediments, samples were early collected in the Nansha sea area and processed by vacuum-water saturation method.The acoustic properties, physical and mechanical properties were measured and sediment structure was observed, to be obtained: 1）Establish the acoustic empirical relationship of the coral reef sediments; 2）Revealing the dispersion characteristics of coral reef sediments; 3） Discussed the influence of coral reef sediment structure on its acoustic properties; 4）Establish a geoacoustic model for coral reef sediments in the South China Sea. Because of the unique geographical position of the South China Sea and the unique acoustic properties of coral reefs, this study has important theoretical and practical values in the field of marine sedimentary acoustic and national defense security.

珊瑚礁及其灰沙岛是海洋资源开发和国家安全的重要基地和保障，其声学参数和声场是海洋工程建设和国防安全的重要参数。珊瑚礁沉积物是造礁生物骨骸沉积形成的，是一种特殊的碳酸盐沉积物，无论是物质组成还是沉积物结构都具有独特性，因此珊瑚礁沉积物和硅质碎屑沉积物的地声属性差异非常大。本项目紧紧围绕珊瑚礁沉积物在不同频率下的声学特性和地声模型这两个科学问题。聚焦研究相对较少的珊瑚礁沉积物，利用前期在南沙海域取得的珊瑚礁沉积物样品，采用真空水饱和法对样品进行处理，然后进行声学测量、物理力学性质测量和沉积物结构观测，拟获得：1）建立珊瑚礁沉积物声学经验关系式；2）揭示珊瑚礁沉积物的频散特性；3）探讨珊瑚礁沉积物结构对其声学特性的影响；4）建立适用于南海珊瑚礁沉积物的地声模型。由于南海的独特地理位置以及珊瑚礁特有的声学特性，使得本研究在海洋沉积声学与国防安全领域均具有重要的理论意义与现实应用价值。

对南沙海域采集到的珊瑚礁岩芯进行了声学测量实验，结果表明珊瑚礁的纵横波声速明显大于硅质碎屑沉积物，分析认为珊瑚礁颗粒接触的胶结作用会增加沉积物的刚度，从而导致高的剪切波和压缩波速度。随后对部分珊瑚海岩芯样品进行了CT三维结构扫描，研究结果表明珊瑚礁的声学特性与珊瑚礁结构特征、珊瑚礁的物理力学性质等密切联系，明显受生物组分、非均匀性、孔隙类型及溶洞、裂隙发育的影响和控制。在数据分析的基础上，建立了滨珊瑚岩芯的声速经验方程，并基于不同频率下的声传播实验，揭示了珊瑚礁岩芯的频散特性，与硅质碎屑沉积物类似，珊瑚礁的纵波和横波声速均随着频率的增加而增加。纵波声速变化较慢，其频散度在1.07%-7.44%之间，而横波声速在0.5-2 kHz之间时变化较大，其频散度在6.49%-10.26%之间。在以上研究结果的基础上，对珊瑚礁岩芯的声学响应机制进行了分析，由于珊瑚礁是珊瑚死后在海底经过漫长的地质作用而沉积下来的沉积物，岩芯已经固结，与硅质碎屑沉积物的结构特征差异较大，研究表明，珊瑚礁埋藏后的压实作用和重结晶作用，对珊瑚礁孔隙度、结构等都会产生影响，从而改变珊瑚礁岩芯的声学特性，因此珊瑚礁岩芯的声学特性与埋藏深度、结构特征、孔隙类型等密切相关，具体情况需要具体分析。在地声模型方面，珊瑚礁岩芯声速远大于海底海水声速，而且埋藏在下部的岩芯声速明显大于上部岩芯声速（排除孔洞，溶蚀的影响），南沙海域的珊瑚礁岩芯声速随着埋藏深度有逐渐增大的趋势，因此南沙海域珊瑚礁岩芯地声模型属于高声速地声模型。.综上所述，本项目已完成项目预期目标，后续会继续收集相关样品，进行更深层次的分析研究。