深海聲道

深海聲道廣泛地存在於地球各大洋中。根據定義，深海聲道是存在於一定水深中的聲波波導。由於受溫度、 壓力以及其他因素的影響，深海中的聲波速度隨深度的變化曲線呈一個具有極小點的二次曲線的形狀，其聲速極小值所處的深度稱為聲道軸。在軸的上方聲速增大的主要原因是海洋表面溫度的升高，而在軸的下方聲速增大的主要原因是海水靜壓力的增大。

基本介紹

• 中文名：深海聲道
• 外文名：deep ocean sound channel
• 釋義：一定水深中的聲波波導
• 發現時間：第二次世界大戰

釋義

深海聲道廣泛地存在於地球各大洋中。根據定義，深海聲道是存在於一定水深中的聲波波導。由於受溫度、 壓力以及其他因素的影響，深海中的聲波速度隨深度的變化曲線呈一個具有極小點的二次曲線的形狀，其聲速極小值所處的深度稱為聲道軸。在軸的上方聲速增大的主要原因是海洋表面溫度的升高，而在軸的下方聲速增大的主要原因是海水靜壓力的增大。

主要特點

海水下聲速基本上由溫度和海水壓力控制：溫度越低，聲速愈慢；海水壓力越大，聲速愈快。大洋中海水溫度是由太陽照射造成，因此溫度隨深度增加而降低，但是海水壓力卻在增加。所以由海面向下觀察就會發現，聲速先是隨深度增加、溫度降低而變慢，當達到最低值時，溫度不再改變，這時聲速就會隨海水壓力增大而變快.於是聲波傳播速度在整個大洋變成上下兩層，兩層交界處就形成了特殊的聲道軸，由於聲波在傳播時總向聲速慢的界面彎曲，因此聲道軸上下方的聲音都會折回聲道軸；於是乎，聲能被限制在聲道軸上下一定深度範圍內傳播不接觸海面與海底，這就像在聲道軸上下各放一塊反射聲特別好的擋聲牆，聲音總是在兩塊擋聲牆之間反射，能量不受損失，可以傳播很遠。這就形成了“深海聲道”。

實例

第二次世界大戰期間，美國和蘇聯的科學家分別發現，在大洋深處有一些深海聲道可以讓聲波傳得很遠。在深海聲道中，聲音可以傳播到數千公里以外而沒有減弱的跡象。後來的科學家還為此做過一次實驗，他們在澳洲南部海中投下深水炸彈，爆炸產生的聲波順著深海聲道繞過了好望角，又折向赤道，橫穿大西洋，經過3小時43分鐘後，竟然被北美洲百慕達群島的測聽站收聽到了。計算起來，這顆炸彈爆炸後的聲波一共“定”了1.92萬公里，在海洋中繞地球達半圈。

Munk公式

如果將聲源置於聲道軸上或聲道軸附近，一部分聲能量被持續束縛於聲道內，這部分能量在傳播過程中將不會觸及海底和海面，因而也不會造成兩個邊界的散射和吸收，也就是說傳播到海底岩層的能量就會相應地減少。Munk給出了深海聲道“三層結構”的數學表示式：

v（z）=v₀{1+ε[e^-η－（1－η）]}（1）

式中：η=2（z－z₀）/B，z為海水深度，z₀為聲速極小值的深度，B為波導寬度；ε=0.57×10^-2為偏移極小值的位置；v₀為速度極小值。

Munk給出的典型數據為：B=1000m，z₀=1000m，v₀=1500m/s，ε=0.57×10^-2。在大西洋中部，聲道軸位於1100～1400m深度範圍，在地中海、黑海和日本海以及溫帶太平洋中，聲道軸位於100～300m深度範圍。即緯度越高，上部水溫受熱小，聲道軸隨之上升。中國南海的聲道軸深度也接近1000m。根據式（1），取中國南海深海聲道軸深度為1000m，建立了深海典型聲速剖面，該聲速剖面由溫度垂直分布的“三層結構”構成：在聲道上方，海水表面受到陽光照射時，水溫較高，因此聲速v較大；在聲道下方的深海內部，水溫較低而且穩定，但海水靜壓力增大，聲速v隨海水深度增加，呈現聲速v隨深度增加而單調增大。

由於深海聲道的存在造成海水速度呈層狀結構分布，因此造成波場傳播中射線路徑、走時以及振幅的變化。即當波場能量進入深海聲道時，大部分能量主要沿著聲道軸進行傳播，必然會造成透射和反射能量減少，從而使反射能量在很大區域形成盲區（只有部分能量反射上來），因此必然會影響地震偏移剖面的成像質量。下面具體分析深海聲道對射線路徑、走時和振幅的影響。

深海聲道模型的建立及對能量傳播的影響

研究者根據Munk公式建立了深海聲道模型，並在深海聲道模型和海水速度v取常數值（1500m/s）的模型上分別套用波前構建法計算地震波走時、射線路徑以及振幅。通過對比這兩種模型的計算結果、偏移成像結果了解深海聲道對波場傳播的影響。

深海聲道對射線路徑的影響

由於深海聲道的存在造成海水速度呈層狀結構分布，引起波場傳播中射線路徑、走時以及振幅的變化，進而影響偏移成像的質量。取震源位置位於（5000m，8m）處，在深海聲道模型和海水速度v取常數（1500m/s）的速度模型上分別計算射線路徑。計算結果表明，對於不同的射線初始角度，兩種模型的射線路徑的差異程度是不同的，在0°～60°之間隨著射線初始角度的不斷增大，兩種模型的射線路徑的差異也不斷增大，即若傳播距離更遠或射線初始角度更大，兩者的射線路徑差異會更大。可見由於深海聲道的存在對射線路徑造成的影響在海洋地震資料處理時是不可忽略的。

深海聲道對地震波走時的影響

為了說明深海聲道對地震波走時的影響，分別在深海聲道模型和海水速度v取常數（1500m/s）的速度模型上進行地震波走時計算。計算結果表明，除了在海水表面兩種模型的地震波走時差異較大以外，在其餘位置差異都非常小，這是由於深海聲道模型的速度分層結構致使海水表面速度比取常數（1500m/s）時大，隨著深度的增加，速度逐漸減小，與常數（1500m/s）速度模型的速度差異逐漸減小，造成兩者的地震波走時差異也逐漸減小。為了說明海底聲道存在造成的地震波走時變化，分別計算海水表面（z=10m）、聲道軸深度z0=1000m處x方向所有點的走時及差異。計算結果表明，在海水表面（z=10m），地震波走時相對誤差最大不到2.4%，在聲道軸處，地震波走時相對誤差最大值為0.64%，說明聲道軸對走時的影響很小。其原因在於聲道軸上面和下面的速度都比聲道處要大一些，因此在深水地震資料處理時可以忽略深海聲道對地震波走時的影響。

深海聲道對振幅的影響

由於深海聲道的存在致使海水速度結構發生變化，進而影響地震波振幅。為了說明深海聲道對振幅的影響，取震源位置位於（5000m，8m）處，分別在深海聲道模型和海水速度v取常數（1500m/s）的速度模型上套用波前構建法計算聲道軸深度z₀=1000，3000m處、x方向所有點的振幅及相對誤差。計算結果表明，在聲道軸深度z₀=1000m附近振幅最大誤差為45%，在聲道軸深度z₀=3000m附近振幅最大誤差最大值約為13%，可見深海聲道對振幅的影響非常強烈。因此在地震資料處理時，如果不考慮深海聲道的影響，必然帶來很大的振幅誤差，從而影響偏移剖面的能量顯示。