海底沉积物的“声音密码”：打开深海世界的科学之眼

人类对海洋的探索正在从表层走向深海，而海底沉积物则像一部保存完整的“地质档案”，记录了地球的过去。研究沉积物的声学特性不仅能帮助我们了解海底地质构造，还在能源开发、海洋工程和水下通信等领域发挥重要作用。

举个例子，沉积物的声学特性可以揭示它们的密度、粒径和含水量等物理属性，这对于寻找海底油气资源或保护海洋生态至关重要。此外，声学探测方法比传统取样方式更高效且无损伤，广泛应用于深海探测、潜艇隐身技术和水下考古等领域。

声学与海底沉积物：一场声音与物质的对话

声波如何揭示沉积物的秘密？ 关键在于声波与沉积物之间的互动。沉积物的声学特性会直接影响声波的传播速度、能量损耗以及反射行为。以下几个要点是解读沉积物“声音密码”的核心。

声速：沉积物的密度和孔隙率决定了声波传播的快慢。密实的沙层声速较高，而松散的泥层声速较低。

声衰减：声波在沉积物中传播时会因摩擦、吸收和散射而逐渐减弱。这种衰减能揭示颗粒大小和成分信息。

声阻抗：声阻抗是沉积物密度和声速的乘积。当声波穿过不同类型的沉积物界面时，会发生反射或透射。通过分析反射强度，可以推测沉积物的组成和层次。

频率与分辨率：高频声波能提供更清晰的图像，但穿透能力较弱，适合研究浅层沉积物；低频声波穿透力强，却只能显示较粗略的结构。

沉积物声速与含水率和孔隙比的相关关系

是什么决定了海底沉积物的声学特性？

海底沉积物的声学特性受到多种因素的共同作用，主要包括物理、环境、化学和生物因素。

首先，物理因素在其中起着关键作用。沉积物的粒径大小直接影响声速，粗粒沉积物（如砂层）通常具有较高的声速，而细粒沉积物（如泥层）的声速较慢。此外，沉积物的孔隙率也是影响声学特性的一个重要因素。孔隙率越高，沉积物中的空隙越多，声波在传播过程中会遇到更多的阻力，导致声速降低，同时反射强度也会相应减弱。

其次，环境条件对声学特性也有显著影响。在深海高压环境中，声波传播速度通常较快，因为高压下水体密度增大，促使声波传播更迅速。此外，海水的温度和盐度变化也会对声速产生影响。温度升高通常会加快声速，而盐度的变化则可以通过改变水的密度来影响声波的传播特性。

最后，沉积物的化学成分和生物活动同样不可忽视。沉积物中碳酸盐含量的增加通常会提高声速，因为碳酸盐矿物的密度较大，能够提供更好的声波传导路径。生物活动（如海洋生物的挖掘和分泌物的生成）也会改变沉积物的结构，从而影响其声学特性。例如，某些生物的活动可能导致沉积物颗粒的重新排列，进而改变声波的传播路径和反射特性。

研究海底沉积物的“科学工具”

科学家通过多种方法获取沉积物的声学特性，每种方法都有独特的优势和适用场景：

原位测量：原位测量技术直接在海底展开，无需取样，因此能够保持沉积物的自然状态。国外技术比如Acoustic Lance、ISSAMS和ISSAP等设备，主要用于浅表层沉积物探测，频段范围集中在8-300 kHz，探测深度通常在1米以内。近年来，中国研发的系统不仅覆盖了更广的中高频范围（8-200 kHz），探测深度也可达8米，同时兼顾浅层和中深层沉积物的测量需求。

BISAMS:Ballast In-situ Sediment Acoustic-property Measurement System（图源@自然资源部第一海洋研究所）

实验室测量：在海洋科学研究中，海底沉积物样品的采集是了解海洋环境的重要步骤。这些样品通常会被送往实验室，通过精密仪器进行物理和声学参数的详细测量，从而帮助科研人员更好地理解沉积物的特性与变化。

声速测量是一项关键的实验手段。科学家通过特定仪器测定声波在沉积物中的传播速度，进而获得沉积物的声学特性。这些声学特性与沉积物的密度、孔隙率以及水饱和度密切相关，能够揭示沉积物的组成和状态，尤其在海洋探测和地质勘探中具有重要应用。

实验室一体化沉积物声学测试系统示意图

现场观测：在海洋科学领域，现场观测绘制海底地图通常依赖声呐技术，其中包括多种方法。反射法利用声波反射强度来描绘沉积物的分层结构；多波束声呐则通过精确的测深数据生成高分辨率的海底地貌图；而侧扫声呐擅长快速获取大范围沉积物表面的分布特征。这些技术协同工作，为海底地形和沉积物特性提供了全面而详细的描绘手段。

多波束侧扫南极海底图（图源@自然资源部第一海洋研究所）

数值模拟与理论反演：计算中的深海探索

声学探测获取的现场数据通常是复杂而庞大的，例如声波的传播时间、衰减程度、反射强度和频率特性等。这些数据为我们提供了沉积物内部信息的“线索”，但要真正解读这些线索，需要依赖数值模拟和理论反演的帮助。

科学家将现场采集的声学数据输入数学模型，通过一系列计算反推出沉积物的关键属性，如粒径分布、含水率、孔隙率甚至内部成分。这个过程的核心是解决“逆问题”：声波在传播过程中受到沉积物特性的影响，而反演计算则通过分析声波的传播特性（如声速变化或衰减模式）来推测这些特性背后的物理成因。

声音探测技术在深海研究中具有广泛的实际应用，涵盖多个重要领域。它能够用于资源探测，帮助发现天然气水合物和海底油气资源；在文化遗产保护方面，通过声学技术精准定位沉船和古遗址，揭示海洋深处的历史秘密；此外，在水下通信与军事领域，声音探测技术可用于分析沉积物对声波的影响，从而优化深海通信性能并提升潜艇隐身技术。海底沉积物声学研究，正逐步揭开深海世界的神秘面纱。这项科学不仅让我们看得更深、更远，也为人类未来与海洋的关系提供了新的可能性。探索还在继续，深海的秘密，也许就藏在下一束声波之中。