西菲律宾海深水沉积物的声速结构特征

Characteristics of Sound Velocity Structure in Deep Water Sediments of West Philippine Sea

摘要

深海沉积物的声速是构建海洋环境声场的基础.对西菲律宾海4 818~6 630 m深水海域获取的海底沉积物柱状样的纵波波速、湿密度、孔隙度以及中值粒径等参数进行了测试与分析，阐明了研究海域海底沉积物声学与物理参数基本特征及垂向变化特征，探讨了物理参数对声速的影响，并对实测数据及经验方程预测值进行对比，提出了研究区海底沉积物四种典型声速结构.结果表明，沉积物纵波波速分布在1 455~1 674 m/s之间，孔隙度介于61.71%~69.63%之间，湿密度介于1.26~1.62 g/cm³之间，中值粒径介于7.75~8.42 Φ之间.研究区沉积物各参数随着埋深变化规律各有差异，密度对声速的影响要优于孔隙度和中值粒径.通过与底层海水声速、同层内声速剖面以及与上层海底沉积物下表面声速的比较，建立了研究区低声速表面‒低声速层‒声速减小类型（GMI1）、低声速表面‒高声速层‒声速增大类型（GMI2）、高声速表面‒低声速层‒声速减小类型（GMII1型）、高声速表面‒高声速层‒声速增大类型（GMII2）四种声速结构模型；中央裂谷带南部（A区）和北部（B区）两个区域沉积物的声学特性与声速梯度变化存在显著差异，其中A区可分为GMII1型和GMII1-GMI1型，而B区可划分为GMI2型和GMI1-GMII2型.

Abstract

The sound velocity of deep-sea sediments is fundamental for constructing the acoustic field of the marine environment. This article tests and analyzes parameters such as longitudinal wave velocity, wet density, porosity, and median particle size of sediment column samples obtained from the deep waters of 4 818-6 630 m in the West Philippine Sea. It elucidates the basic characteristics and vertical variations of acoustic and physical parameters of seabed sediments in the study area, explores the relationship between physical parameters and sound velocity, compares measured data with empirical equation predictions, and proposes four typical sound velocity structures of seabed sediments in the study area. The results show that the longitudinal wave velocity distribution of sediment ranges from 1 460 to 1 674 m/s, the porosity ranges from 62.07% to 69.54%, the wet density varies from 1.34 to 1.62 g/cm³, and the median particle size varies from 7.75 to 8.40 Φ. The sediment parameters in the study area vary with depth, and density has a better effect on sound velocity than porosity and median particle size. By comparing the sound velocity of the bottom seawater, the sound velocity profile within the same layer, and the sound velocity of the lower surface of the upper seabed sediment，four types of sound velocity structure models were established in the research area, involving low velocity surface-low velocity layer-sound velocity reduction type (GMI1), low velocity surface-high velocity layer-sound velocity increase type (GMI2), high velocity surface-low velocity layer-sound velocity rreduction type (GMII1), and high velocity surface-high velocity layer-sound velocity increase type (GMII2).There are significant differences in the acoustic characteristics and sound velocity gradient changes of sediments in the southern (Zone A) and northern (Zone B) regions of the Central Rift Valley. Zone A can be divided into GMII1 and GMII1-GMI1 types, while Zone B can be divided into GMI2 and GMI1-GMII2 types.

Graphical abstract

关键词

声速特征 / 声速结构 / 声速结构模型 / 物理参数 / 深海沉积物 / 西菲律宾海 / 海洋地质学.

Key words

sound velocity characteristic / sound velocity structure / geoacoustic model / physical parameter / deep⁃sea sediment / West Philippine Sea / marine geology

0 引言

海底表层沉积物通常被视为固液双相介质，代表海水和海底之间的分界面，是海洋声场环境的一个重要组成部分.海底沉积物的声学特性可用于海洋工程研究和资源勘探（阚光明等，2014；Yang et al.，2018；于盛齐等，2020；Tian et al.，2023）.声波在海底沉积物传播过程中会发生折射和能量耗散等现象，进而影响海底沉积物的声学特性（Potty et al.，2019；Li et al.，2021a）.因此，声速特征是深水海底沉积物结构的重要指示.

海底表层沉积物主要由砂、粉土、黏土和孔隙流体（海水）组成，通常表现出低骨架模量、高孔隙度和含水量，与固结成岩的沉积物不同，其声学特征与沉积环境特征、沉积物结构特征以及物理力学性质等密切相关（Bae et al.，2014；孙志文等，2018；Kim et al.，2019）.由于沉积物来源的多源性和沉积环境的复杂性，沉积物声学特征具有区域性特征（Kim et al.，2011；Hou et al.，2018a；孙志文等，2018；Wang et al.，2018）.同理，由于声学特征和沉积物特性具有区域特征，因此其经验方程的适用性有限，基于单一海域的经验方程并不适用于其他海域.在微观上，沉积物的物理性质往往与底质类型相关，不同的底质类型具有不同的物理力学性质（孔隙度、粒度、密度等）；在宏观上，不同的研究区域，由于物质来源、水动力条件的不同，往往底质类型也不尽相同.目前已有不少研究集中在了解不同海域海底沉积物的声速与物理性质之间的相关性（Hamilton，1970；Orsi and Dunn，1990；卢博，1994；邹大鹏等，2012；Wang et al.，2014； Kim et al.，2019；Tian et al.，2019；Li et al.，2021b；Dong et al.，2023；Zhou et al.，2023）.Meng et al.（2018）发现，由于海底沉积物物理和力学性质变化复杂，不同采样站和不同埋深的海底沉积物的声速存在显著差异.Kim et al.（2019）在对32个海底沉积物岩心样本的研究中发现，物理性质、测深和粒度分布具有很好的相关性，而粒度在物理性质的变化中起着重要作用.由于物理性质随埋深变化，声速结构也会发生变化，因此有必要确定关键区域的声速结构.

西菲律宾海（WPS）是菲律宾海板块的一部分，地形地貌复杂.它从陆源获得的输入沉积物较少，这有利于研究深海沉积物的声速结构.包括研究区在内的WPS的大多数研究都集中在地形地貌（张斌等，2014）、地质结构（Deschamps and Lallemand，2002；Okino and Fujioka，2003；董冬冬等，2017；李学杰等，2017）、沉积物地球化学（褚征等，2016；王晨等，2020；Zhou et al.，2022）、浅层沉积特征和灾害地质特征等（孙美静等，2020；方中华等，2022）.最近一项关于菲律宾海深海沉积物声学和物理性质之间相关性的研究（孙志文等，2018）表明，深海数据与浅海回归方程之间的相关性较差.而关于西菲律宾海沉积物声学调查较少、资料缺乏，属于空白区，因此有必要开展该海域沉积物的声学特性研究，深入调查不同海域沉积物的声学特性，才能更好地服务海洋工程和国家安全.

本文对WPS（水深大于4 800 m）中获得的深海沉积物进行了沉积物柱状样的声速及物理参数（包括孔隙度、密度和平均粒径）分析，同时还探讨了它们的垂向变化特征，并对比了实验室实测声速值和回归方程预测值之间的差异.最后，建立了研究区域的声速结构模型，以帮助解释声速结构随埋深的变化.

1 地质背景

西菲律宾海（WPS）位于菲律宾海西部，它是欧亚板块、澳大利亚板块与太平洋板块汇聚地带，板块之间的运动碰撞、俯冲等构造活动强烈，形成复杂的构造单元（李学杰等，2017），研究区位于西菲律宾海中部，如图1a.西菲律宾海盆水深达4 400~7 740 m，海盆中央被一条NW⁃SE向延伸的长条状的裂谷带分隔开，主要分为主盆地（本哈姆高原和乌尔达内塔高原以东）、西北次盆地、南次盆地（帛琉海盆），盆地内发育有一系列线状深海山、海槽（张斌等，2014）.

西菲律宾海盆周围被这些复杂的地形地貌环绕，陆源输入沉积物较少，沉积覆盖少.中央断裂带以西的海盆区沉积物是褐色的黏土沉积，以东的海盆区沉积物是褐色的远洋黏土，主要由陆源风尘物质、海底火山物质和自生组分组成（褚征等，2016；王薇等，2020）.海底高原（如本哈姆隆起）和临近海岭（如帛琉‒九州海脊）的火山岩风化产物对研究区碎屑沉积作用有着重要贡献，其影响程度依赖于海底风化作用的强度（鄢全树等，2007）.第四纪亚洲内陆风尘物质进入菲律宾海已在不同层面得到证明，包括半定量和定量层面（Wan et al.，2012；Jiang et al.，2013；徐兆凯等，2013；Yu et al.，2016；王薇等，2020）.太平洋北赤道流和黑潮等洋流（图1a）也会影响研究区域，从东向西流动的太平洋北赤道洋流将低营养水团带入菲律宾海.菲律宾海也位于东亚季风区，受到季风的严重影响（孙守勋和滕军，2003）.这些海洋地质作用影响着研究区沉积物物质的供应和迁移.

2 材料和方法

本研究中利用的样品为广州海洋地质调查局海洋调查船于2020年在西菲律宾海进行的深海地质调查中获取的，共4个柱状沉积物岩心样品（图1b），分别位于中央裂谷带南部（J53、J58）和北部（J43、J44）.取样设备为重力柱状取样器，器内设有有机玻璃硬管，沉积物岩心两端密封，有利于水份的保存和岩心的运输.样品主要位于西菲律宾海盆中部的深海盆地区域，水深为 4 818~6 630 m，主要为粉质黏土组成的典型深海沉积物.对柱状样品的顶部3 m沉积物以0.2 m的间隔分段测量，测定和计算了纵波速度、孔隙度、湿密度和中值粒径等几个主要参数.所有测试均由中国科学院南海海洋研究所完成.

在标准实验室条件（23 °C，大气压）下，使用便携式WSD⁃3数字声波仪测量了沉积物的声学参数.关于测量方法的细节描述参考Hou et al.（2018a，2018b）.声学换能器与沉积物岩心的顶部直接接触，并通过使用凡士林连接到底部的衬垫.发射波形由信号发生器产生，脉冲信号的中心频率为100 kHz，沉积物柱状样的长度测量精度为0.5 mm，传感器校准时间为t₀，信号采样间隔为0.1 μs.声速（v_p）计算如下：

v_{\mathrm{p}}=\frac{l}{t-t_{\mathrm{0}}}，（1）

其中l是沉积物样品的长度，t是通过样品的传播时间，t₀是传感器校准时间.

使用精度计算方法进行误差分析：

S_x =\sqrt[]{\Sigma (x_i–x)²/N}，（2）

方程（2）用于重复测量，声速测量的不确定度约为±5 m/s.S_x 是方差值，x_i 是沉积物声速的测量值，x是平均声速，N是声速测量的次数.

海水的声速（v_w ）可以表示为温度（T）、盐度（S）和埋深（Z）的函数.Wilson（1960）推导出海水速度的公式：

v_w=1 449.2+4.6T-0.055T²+(1.34-0.010T)(S-35)+0.016Z，(3)

在汉密尔顿支持的标准实验室条件下（23 °C、35 ppt和大气压）报告了海水的声速.这些条件对应于1 529.97 m/s的水声速和1 024 kg/m³的水密度（ρ_w）.

声速测试完成后，对粒度、孔隙度、湿密度等物理参数进行了测试和计算.其中，样品粒度采用激光粒度仪（Malvern Mastersizer 2000）分析粒度组分，根据 1/4Φ的间隔和矩法对分析结果进行计算，然后可以得到中值粒径（M_d）.湿密度（ρ）测试使用切割环法（61.8 mm，高度20 mm）.孔隙度（n）是由颗粒比重和含水量计算得出；通常假设孔隙水密度与上覆（海底）海水的密度相同，可以使用回归公式求解；如果假设沉积物中固体颗粒的密度为ρ_s，孔隙流体的密度为ρ_w，可以计算沉积物孔隙度（分数形式）：

n=1-ρ_s(1+w)/ρ_w. (4)

3 结果

结果如表1所示，菲律宾海中部深海沉积物的纵波波速分布在1 455~1 674 m/s之间，平均为 1 540 m/s；孔隙度介于61.71%~69.63%之间，平均为64.55%；湿密度介于1.26~1.62 g/cm³之间，平均为1.48 g/cm³；中值粒径介于7.75~8.42 Φ之间，平均为8.25 Φ；测试结果与世界大洋沉积物的声学性质相似.A区深海沉积物的声速在1 468~ 1 674 m/s之间，湿密度在1.26~1.58 g/cm³之间，孔隙度在63.30%~69.63%之间，中值粒径在8.13~8.42 Φ之间；在B区，声速在1 455~1 592 m/s之间，湿密度在1.35~1.62 g/cm³之间，孔隙度在61.71%~69.54%之间，中值粒径在7.75~8.29 Φ之间.A区沉积物的声速和平均粒径明显高于B区，密度略低于B区，孔隙度与B区相当，具有区域性特征.

4 讨论

4.1　A区和B区声速与物理性质关系的比较

沉积物由颗粒骨架和孔隙流体组成，深海沉积物的声速取决于其物理性质.研究区沉积物孔隙度介于61.71%~69.63%之间，属于高孔隙度，A区和B区的声速与孔隙度呈反比关系（图2a），随着孔隙度的增加而降低；但A区在孔隙度约为66%时出现拐点，深海沉积物的声速开始随着孔隙度的增加而增加，而B区孔隙度拐点在68%左右.研究区深海沉积物的湿密度主要是低密度沉积物，图3b显示了A区和B区深海沉积物的声速与湿密度之间的关系，呈强烈正相关关系.孔隙度和湿密度之间的负线性关系（图2c）表明孔隙度和湿密度呈反比关系.WPS的中值粒径范围为7.99~8.33 Φ（A区）和7.66~8.40 Φ（B区），变化范围较小，属于细粒沉积物；声速随着中值粒径的增加而增加（图2d），达到一定临界值后开始随着中值粒径的增加而减小，A区临界值为8.2 Φ左右，B区临界值为8.1 Φ左右.

沉积物的物理性质影响声波在沉积物中的传播（卢博等，2006；Long and Li，2015；Zou et al.，2021）.为了分析物理参数对声速的影响，图3绘制了声速和物理参数之间的相关性.相关性分析表明，声速与湿密度具有非常显著的正相关性，相关系数为0.61；而声速与孔隙度具有显著的负相关性，相关系数为-0.47；声速与中值粒径的相关性不大，相关系数为0.26；湿密度与孔隙度具有非常显著的负相关性，相关系数为-0.92.所以，密度对声速的影响要优于孔隙度和中值粒径，研究结论与Hou et al.（2018a）结论一致，密度对声学特性有相对重要影响（图3）.

4.2　声速和物理参数随埋深的变化特征

随着埋深的增加，松散沉积物逐渐固结，孔隙度和密度降低.在这些条件下，声速随埋深呈线性增加，表明沉积物正常固结（Ryang et al.，2013；Wang et al.，2014）.图4显示了J52、J53、J44和J43中声速随埋深的变化.WPS中声速的垂直变化很复杂，与沉积物的物理性质密切相关，其中声速随着孔隙度的增加而降低，随着湿密度的增加而增加.

J58的声速在0~120 cm之间相对较高，在120~300 cm之间相对较低；声速和密度的垂直变化相似，总体上随着埋深的增加而减小；而孔隙度总体上随着埋深的增加而增加，这与声速变化趋势相反；孔隙度、密度和埋深之间存在良好的线性关系.A区两个站位最大孔隙度（69.63%）和最小密度（1.26 g/cm³）位于J58站位的270 cm处.与J58相比，J53的声速变化更为复杂，声速在1 535~1 674 m/s的大范围内变化迅速，相差 139 m/s，最大声速（1 674 m/s）位于210 cm处.0~80 cm中值粒径逐渐增加，在80 cm以下的埋深中值粒径略有波动.除了中值粒径外，J53的其他物理性质变化较大.该站位整体声速随着孔隙度的增加和密度的降低而降低，反之亦然.

B区的垂直声速在1 455~1 592 m/s之间变化，最大差异为137 m/s.浅层声速较低，通常小于 1 500 m/s，这个时候孔隙度相对较高，超过了62%，形成了低声速层.J43站0~100 cm的声速较低，平均声速为1 487 m/s；其声速在100~150 cm之间增加，在150 cm处达到最大值1 592 m/s，这也是B区两个站位的最大声速；在150~300 cm之间整体声速平均为1 562 m/s.B区相对较高的孔隙度和低密度值位于J43站10 cm和70 cm的埋深.J44的声速在1 455~1 532 m/s之间，相差77 m/s，其整体声速要远低于A区的声速.可能原因是，西菲律宾海中央裂谷西南部的沉积物主要来自九州‒帕劳海脊和马里亚纳海脊周围火山物质的蚀变，这些火山物质被向西流动的北赤道流带到这里（葛淑兰等，2007）.吕宋岛火山碎屑的风化产物可能以悬浮形式运输到这里，亚洲粉尘也可能运输到该地区（Shu et al.，2015）.中央裂谷东北部的沉积物主要来自陆地灰尘和附近的火山物质，含有少量的海洋自养成分（王晨等，2020）.陆地沙尘物质主要是干旱内陆地区东亚冬季风携带的碎屑沉积物（Jiang et al.，2013；徐兆凯等，2013；Yu et al.，2016）.

笔者认为，声速的垂直变化在一定程度上受到海山、深海丘陵的影响，这些多个来源的输入会影响海底沉积物的物理性质，与沉积物源和盛行洋流的距离可能会影响表层沉积物的分布，从而影响声速的分布.

4.3　实测声速与预测声速的比较

根据上述研究，密度是影响本研究区域声速的主要因素.在沉积物物理参数中，准确的密度参数值不仅可以为沉积物物理声学经验公式提供验证基础，也可以为海洋地声模型的建立和地球物理声学多参数反演提供参考数据依据.本文使用Hamilton（1980）、Liu et al.（2013）和Orsi and Dunn（1990）给出的声速和密度之间关系的经验公式，计算了研究区的声速，以验证这些经验公式的适用性.国内外沉积物声速（Vp）与密度（ρ）回归方程如下所示：

Hamilton: Vp＝2 234.4-1 129.3ρ＋448.1ρ²，(5)

Orsi and Dunn: Vp＝2 855.7-1 885.9ρ＋652.1ρ²，(6)

Liu et al.: Vp＝1 872.6-670.03ρ+256.3ρ²，(7)

其中ρ是密度，单位为g/cm³.

在图5中，将西菲律宾海的实测声速与经验公式（5）、（6）、（7）中预测的声速值进行了比较，发现它们有一定的差异.其中J53站位实测声速与预测值之间存在显著差异（绝对差值一般在60~165 m/s，最大可达220 m/s），且实测值普遍高于预测值.J58站在0~100 cm埋深处的实测声速高于预测值，而在100~300 cm埋深处实测的声速与Orsi and Dunn（1990）的经验公式预测值符合度较高（绝对差值平均为23.78 m/s）.J43站在0~100 cm埋深处的实测值与Orsi and Dunn（1990）的经验值符合度较高（绝对差值平均为12.67 m/s），而在100~300 cm埋深处则与Hamilton（1980）的经验公式声速预测值符合度高（绝对差值平均为13.69 m/s）.总体而言，声速实测值与Liu et al.（2013）预测值符合度较差，可能是Liu的数据多来自浅海大陆架或大陆坡，而本文中的数据来自深海.浅海区主要由陆源碎屑颗粒组成，残余沉积的粗颗粒沉积物较多，细颗粒沉积物较少，沉积物颗粒大小不一，孔隙度小，密度大.而深海盆地沉积物以内源沉积为主，沉积物质多以生物沉积为主，沉积物颗粒细，大小相对均一，孔隙度大，密度小.因而浅海与深海的海底沉积环境、沉积物来源、沉积条件和沉积作用过程等有较大差别（Wang et al.，2014）.这些结果表明，经验方程的应用范围是有限的，基于单一海域的经验方程不适用于该海域，同一个区域不同埋深范围应参考多个经验方程.

4.4　WPS深海沉积物的声速结构特征

沉积物的声速结构是影响水下声场的重要因素之一，声学测量与海底沉积物的声学特性和声速剖面有关.在声学反演和声场预测中，声速剖面通常分为沉积层和基底层.沉积层也相当于一层或多层（Belcourt et al.，2020）.这种等效方法简化了声速结构，为声场分析和反演带来了便利.

卢博（1995）基于实测的沉积物声速与海水声速的比值，研究了海底沉积物的声学特性，提出了南海存在三种声速结构，当沉积物的声速（v_p）大于海水的声速（v_w）时，沉积层被定义为高声速海底（HSV），当沉积物的声速低于海水的声速时，沉积层被定义为低声速海底（LSV）.邹大鹏等（2022）在此基础上增加了层间声速差异和声速梯度，提出了低声速表面‒声速缓慢变化类型、低声速表面‒声速增大类型、高声速表面‒声速缓慢变化类型和高声速表面‒声速增大类型4 种典型地声结构.根据以上定义，本文在其基础上完善了声速结构类型，增加了声速减小类型，其定义参考公式（邹大鹏等，2022）如下：

高声速表面：v_pis> v_w，低声速表面：v_pis ⩽ v_w，（8）

高声速层：v_pis > v_pjb，低声速层：v_pis ⩽ v_pjb， （9） 声速梯度：g_vpi =（v_pjb -v_pis）/h_i，（10）

具有正声速梯度时：g_vpi > g_th0为声速增大类型，g_vpi ⩽ g_th0为声速缓慢增大变化类型，（11）

具有负声速梯度时：g_vpi > g_th0为声速减小类型，g_vpi ⩽ g_th0为声速缓慢减小变化类型，（12）

式中，v_p 为声速（即压缩波波速，单位：m/s）； g_vpi 为声速梯度（即压缩波波速梯度，单位：s^-1）；h为沉积物层厚度（单位：m），下标s、b、i、j、th0 分别表示表层、底层、第i层、第i-1层、阈值，其中i≥2.当 i=1时对应着海底表层第1层，此时与底层海水v_w的声速进行比较.本文声速梯度阈值g_th0设定为 1 s^-1.由于现场海水声速未知，本研究中的声速比（r）被定义为标准实验室条件下沉积物声速与海水声速的比值.因此，在标准实验室条件下 （23 °C、35 ppt和大气压），海水声速为1 529.97 m/s.

基于以上对应关系，分别建立了A区和B区深海沉积物的声速结构模型如图6所示，建立了研究区四种地声结构模型：（1）GMI1——低声速表面‒低声速层‒声速减小类型；（2）GMI2——低声速表面‒高声速层‒声速增大变化类型；（3）GMII1 型——高声速表面‒低声速层‒声速减小类型；（4）GMII2——高声速表面‒高声速层‒声速增大类型.在A区的J53和J58站位，表层海底沉积物的声速分别为1 639 m/s和1 587 m/s，大于底层海水实验室标准声速，都为高声速表面，3 m埋深内海底沉积物的声速随着埋深的增加而降低，形成声速逐渐较小的声速剖面，属于低声速层.虽然J53站位的沉积物的声速随埋深的增加继续降低，但仍高于海水的声速，测量声速为（1 610±75） m/s，声速变化较大，且具有负声速结构梯度，平均声速梯度为43.38 s^-1，因此样品所在区域对应着高声速表面‒低声速层‒声速减小类型（GMII1型）.与J53不同，当埋深超过110 cm时，J58沉积物的声速开始小于底层海水实验室标准声速，形成低声速表面（1 504 m/s）.根据声速的垂直变化，A区的声速结构可分为GMII1型（J53）和GMII1⁃GMI1型（J58）.

与A区的J53和J58不同，B区表层海底沉积物的声速分别为1 486 m/s和1 459 m/s，都低于底层海水实验室标准声速，为低声速表面.从图4中J44可以看出，除了220 cm层位的声速略高于海水的声速外，其他所有层的声速都小于海水的声速，深海沉积物的声速随着埋深的增加而增加，柱状样测量声速为（1 490±42）m/s，平均声速梯度为10.63 s^-1，具有正声速梯度结构，因此样品所在区域对应着低声速表面‒高声速层‒声速增大类型（GMI2型）.然而，J43站沉积物的声速特征很复杂，在0~90 cm的埋深范围内整体低于底层海水实验室标准声速，测量声速为（1 491±14）m/s，平均声速梯度为 10.46 s^-1，但声速随着深度的增加而减小，具有负声速结构梯度，所以样品所在区域埋深0~90 cm范围，对应着低声速表面‒低声速层‒声速减小类型（GMI1）；在90~320 cm的埋深范围高于海水的声速，测量声速为（1 564±28）m/s，平均声速梯度为49.73 s^-1，且声速随着埋深增加而增大，具有正声速结构梯度，样品所在区域埋深90~300 cm范围，对应着高声速表面‒高声速层‒声速增大类型（GMII2）.因此，B区的声速结构可分为两种类型——GMI2（J44）和GMI1⁃GMII2（J43）.

最近的研究表明，沉积物的声速会受到沉积物来源和洋流的影响（Hou et al.，2018a）.A区的深海沉积物含有火山碎屑，这是火山喷发的产物（Savov et al.，2006）.相比之下，B区的沉积物主要含有钙质和硅质生物，菲律宾岛弧的一定量的碎屑可以通过洋流输送到B区（鄢全树等，2007）.与B区相比，A区的沉积物来源更复杂，颗粒更粗.因此，A区沉积物的声速高于B区.

如图6所示，A区表层海底沉积物的声速属于HSV.然而，J58中沉积物的声速随着埋深的增加而降低，由HSV转变为LSV，沉积历史和沉积过程的变化会导致海底声速剖面非常复杂，火山碎屑可能对表层沉积物声速的影响很强，而且这种影响随着埋深的增加而减弱.B区表层海底沉积物的声速被归类为LSV，可能是由于表层沉积物未完全固结，属于松散地层，在90 cm以上的埋深，J43中沉积物的声速高于底层海水实验室标准声速，这意味着LSV开始转变为HSV，J43中沉积物的湿密度随着埋深的增加而增加，这意味着海底沉积物变得越来越紧密，导致声速增加.物理性质是影响B区海底沉积物声速结构的主要因素.

5 结论

本研究分析了WPS中声速与深海沉积物物理性质之间的关系.它为WPS中的深海沉积物建立了初步的声速结构模型.结论如下：

（1）A区沉积物的声速高于B区，密度略低，孔隙度相当.在WPS中，声速的垂直变化是复杂的.它与沉积物的物理性质密切相关，其中声速随着孔隙度的增加而降低，随着湿密度的增加而增加.

（2）密度对声速的影响大于孔隙度和平均粒径.声速实测值与经验值的比较表明，经验公式在一定程度上反映了沉积物声学特征的变化，但不能完全适用于研究区域.

（3）通过与底层海水声速、同层内声速剖面以及与上层海底沉积物下表面声速的比较，建立了研究区低声速表面‒低声速层‒声速减小类型（GMI1）、低声速表面‒高声速层‒声速增大类型（GMI2）、高声速表面‒低声速层‒声速减小类型（GMII1型）、高声速表面‒高声速层‒声速增大类型（GMII2）四种声速结构模型，其中A区的声速结构可分为GMII1型和GMII1⁃GMI1型，B区的声速结构可分为GMI2和GMI1⁃GMII2.

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基金资助

中国地质调查局项目(DD20240090)

中国地质调查局项目(DD20221712)

中国地质调查局项目(DD20230642)

中国地质调查局项目(DD20190209)

中国地质调查局项目(DD20230066)

中国地质调查局项目(DD20242659)

国家自然科学基金项目(42302319)