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跨大洋水声传播建模与绕射效应

地球物理学报 2024年第8期67卷 3253-3264页

作者：魏士俨杨燕明阮海林自然资源部第三海洋研究所福建厦门361005 福建省海洋物理与地质过程重点实验室福建厦门361005

跨大洋水声传播通常指传播距离超过一万公里、低频声波与深海海洋环境大尺度、连续相互作用的物理过程,是超远程水声探测的理论基础.水平绕射是指主要由水体声速变化引起的累积效应,是跨大洋水声传播中非常重要的物理现象.跨大洋水声传... 详细信息

跨大洋水声传播通常指传播距离超过一万公里、低频声波与深海海洋环境大尺度、连续相互作用的物理过程,是超远程水声探测的理论基础.水平绕射是指主要由水体声速变化引起的累积效应,是跨大洋水声传播中非常重要的物理现象.跨大洋水声传播水平绕射会引起声传播路径、到达信号方位角和声传播损失的巨大变化,导致因地形遮挡所产生的“声影区”变为“声照亮区”,有利于水声事件的跨大洋水声传播和信号的超远程检测.为了克服传统柱坐标系下水声传播模型空间分辨率逐渐变差的缺点,本文首先在直角坐标系下构建了一种跨大洋三维水下声传播模型,可实现近、远程声场空间分辨率不变的声场仿真.然后在美国声学学会标准斜坡地形等基准问题下,通过比较镜像解和仿真结果以验证该模型的精度.最后以2022年1月15日的汤加海底火山喷发为实例,开展了火山T波传播建模仿真,实现了从太平洋跨越到大西洋的水声场快速计算.声场计算范围超过16000 km.结果表明,太平洋火山所激发的T波在南美洲大陆的南端产生了绕射,能够经非大圆路径到达大西洋中部并为阿松森岛的水听器三联体H10N所探测到.通过对比不同波导条件下的声场模型仿真结果,发现在南极附近海域声速的变化是产生声水平绕射效应的主要原因.定量比较结果表明,当考虑水体声速变化的累积效应时,在水平距离10000~16500 km范围的垂直剖面内声传播损失降幅可达60 dB以上,在850 m深度的水平面内声传播损失降幅也达到60 dB以上.水体声速变化引起的绕射效应是水声观测系统能够接收到跨大洋传播声信号的根本原因.

关键词：跨大洋水声传播绕射效应汤加火山

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北极冰层反射系数与Lamb波频散的关系

声学学报 2024年第4期49卷 868-879页

作者：陈晟文洪涛周鸿涛杨燕明潘煜自然资源部第三海洋研究所厦门361005 福建省海洋物理与地质过程重点实验室厦门361005 极地海洋声学与技术应用教育部重点实验室哈尔滨150001

为获得北极冰层反射系数与Lamb波的关系,应用传递矩阵法分析了冰层反射系数实虚部、模值范围与冰层自由Lamb波、漏Lamb波频散的关系。获得了冰层自由Lamb波频散曲线与反射系数的对应关系;针对漏Lamb波相速度大于冰层纵波声速,振动模态... 详细信息

为获得北极冰层反射系数与Lamb波的关系,应用传递矩阵法分析了冰层反射系数实虚部、模值范围与冰层自由Lamb波、漏Lamb波频散的关系。获得了冰层自由Lamb波频散曲线与反射系数的对应关系;针对漏Lamb波相速度大于冰层纵波声速,振动模态无法识别的现象,通过调整冰−水界面耦合条件,得到改进后的漏Lamb波频散方程,获得小角度入射时冰层漏Lamb波振动模态与反射系数的关系,并结合北极跨冰层检波实验数据进行了验证。结果表明,反射系数小于1的频段声波激发了相应频段的冰层Lamb波。此外,根据改进的漏Lamb波频散方程进一步获得了多层冰层漏Lamb波频散曲线。

关键词：北极冰层反射系数漏Lamb波多层冰

水下沉船的高精度三维地形探测技术——以老牛礁沉船为例

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科技导报 2024年第14期42卷 91-98页

作者：刘伯然许江房旭东胡毅王立明自然资源部第三海洋研究所厦门361005 福建省海洋物理与地质过程重点实验室厦门361005

水下沉船是水下考古的重要组成部分。多波束声学遥测是实现水下沉船安全高效探测的有效手段。通过对老牛礁沉船开展的多方位角、不同参数的多波束声呐测量,获取了老牛礁沉船这一微小地形异常沉船遗址的地形和赋存情况。多波束探测显示... 详细信息

水下沉船是水下考古的重要组成部分。多波束声学遥测是实现水下沉船安全高效探测的有效手段。通过对老牛礁沉船开展的多方位角、不同参数的多波束声呐测量,获取了老牛礁沉船这一微小地形异常沉船遗址的地形和赋存情况。多波束探测显示老牛礁沉船遗址长约10.5 m、宽约3.6 m,沉船隔舱板5条,长度约1.8~3 m,高出海床仅约10~20 cm,与水下探摸结果相符。通过数据分析比对,给出实测中探头距离、船速、遮挡等因素对沉船分辨效果的影响。结合理论分析和海上调查实践经验,得出提高水下沉船探测精度的途径,具体为聚焦扫测开角,作业时减慢船速,设计多方位往复测线等。

关键词：水下沉船老牛礁沉船海洋考古多波束测深探测技术

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东山岛外海表层水温的亚潮频波动初步研究

应用海洋学学报 2024年第1期43卷 55-63页

作者：李凯贾村陈剑桥许金电蔡尚湛自然资源部第三海洋研究所福建厦门361005 福建省海洋物理与地质过程重点实验室福建厦门361005 福建省海洋预报台福建福州350003

本研究通过对东山岛外海浮标观测的表层水温(SST)数据进行分析,发现2016、2017年夏季东山岛外海表层水温均存在周期为5~8 d的亚潮频波动信号,最大振幅分别为3.1℃和2.1℃。结合卫星遥感SST数据以及风场数据,采用小波分析、交叉小波分析... 详细信息

本研究通过对东山岛外海浮标观测的表层水温(SST)数据进行分析,发现2016、2017年夏季东山岛外海表层水温均存在周期为5~8 d的亚潮频波动信号,最大振幅分别为3.1℃和2.1℃。结合卫星遥感SST数据以及风场数据,采用小波分析、交叉小波分析等方法对该现象进行研究分析,结果表明:2016年夏季表层水温中出现的亚潮频波动信号源自短波辐射,表层水温变化滞后短波辐射1天左右;2017年夏季的亚潮频波动源自沿岸风应力,表层水温变化滞后沿岸风应力2天左右。2016年和2017年表层水温出现的亚潮频波动均与台风有关,但信号的来源出现差异是因为2017年台风过境引起了较强的沿岸风松弛现象,在沿岸风中出现了亚潮频波动信号,沿岸风影响上升流变化,进而引起表层水温的变化;2016年由于台风过境引起的沿岸风松弛现象较弱,沿岸风中并未出现亚潮频波动信号,而表层水温中的亚潮频波动信号源自短波辐射,这可能与台风引起局地天气系统的变化有关。

关键词：海洋水文学表层水温亚潮频波动上升流东山岛

西太平洋卡罗琳海底高原裂解作用的岩浆过程响应

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岩石学报 2024年第8期40卷 2585-2600页

作者：吴增鄢全树张海桃袁龙李凤春刘振轩赵仁杰闫施帅自然资源部第一海洋研究所海洋地质与成矿作用重点实验室青岛266061 崂山实验室海洋地质过程与环境功能实验室青岛266061 山东省深海矿产资源开发重点实验室青岛266061 中国冶金地质总局山东局集团测试有限公司济南250014

海底高原形成及其后的裂解事件是大洋板内地质作用的产物,因此研究海底高原可为大洋板内地球动力学过程提供重要线索。索罗尔海槽是卡罗琳海底高原初始裂解的重要产物,但到目前为止,其裂解过程的动力学机制仍然存在争议。本研究对采自... 详细信息

海底高原形成及其后的裂解事件是大洋板内地质作用的产物,因此研究海底高原可为大洋板内地球动力学过程提供重要线索。索罗尔海槽是卡罗琳海底高原初始裂解的重要产物,但到目前为止,其裂解过程的动力学机制仍然存在争议。本研究对采自索罗尔海槽基底的火山岩样品(玄武岩、英安岩)开展系统的单矿物(斜长石)原位主、微量元素地球化学研究,结果表明:玄武岩样品中斜长石种属为钙长石、培长石和少量拉长石;斜长石斑晶富集轻稀土和大离子亲石元素,亏损高场强元素,存在明显的Eu正异常;相比于斜长石斑晶,斜长石微晶具有更高的不相容元素含量。英安岩中斜长石种属为中长石,较玄武岩斜长石斑晶更富集轻稀土和大离子亲石元素,具有更明显的Eu正异常。玄武岩和英安岩中斜长石结晶温度和压力分别为1110~1171℃和961~966℃、0.27~0.42GPa和0.16~0.29GPa,且同一种岩石类型中的斜长石斑晶与微晶结晶温度无明显差异。基于以上结果,并对照前人所总结的双峰式岩浆系统的成因特征,本文提出卡罗琳海底高原裂解期间的岩浆作用具双层岩浆房模型,即地幔岩石部分熔融形成原始岩浆,聚集在深部岩浆房内结晶形成基性斜长石斑晶,随后被岩浆裹挟上涌喷出地表形成玄武岩;同时部分岩浆继续进入浅部壳层岩浆房,并结晶形成中酸性斜长石斑晶,后被演化岩浆携带上升并喷出地表形成英安岩。

关键词：海底高原初始裂解斜长石矿物化学岩浆过程

台湾海峡西侧海湾-岛屿系统影响下的流场年季变化——以南日水道为例

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应用海洋学学报 2024年第1期43卷 33-44页

作者：陈宇林于渟束芳芳蔡鸿泰李云海池文琦何佳陈智杰郑斌鑫中电投广西核电有限公司广西防城港538000 自然资源部第三海洋研究所福建厦门361005 福建省海洋物理与地质过程重点实验室福建厦门361005

台湾海峡地理位置独特,西侧海域海湾-岛屿系统普遍发育,显著影响了海域流场分布。同时,海峡西岸经济区的快速发展对区域海洋动力环境背景场及其变化的精细认识提出了更高的要求。福建莆田南日岛西侧南日水道是连通兴化湾与平海湾的主要... 详细信息

台湾海峡地理位置独特,西侧海域海湾-岛屿系统普遍发育,显著影响了海域流场分布。同时,海峡西岸经济区的快速发展对区域海洋动力环境背景场及其变化的精细认识提出了更高的要求。福建莆田南日岛西侧南日水道是连通兴化湾与平海湾的主要水道,是区域海洋动力环境的“咽喉”所在,在区域海洋环境保护与科学开发利用中居于至关重要的位置。为了全面认识台湾海峡西侧海湾-岛屿系统影响下区域海洋动力环境背景场的年季变化,本研究利用布放在南日水道的座底观测系统获得的周年海流资料,结合同期气象风场资料,通过数据统计分析、调和分析、滤波处理和小波变化等手段,研究了南日水道内海流的季节变化规律和驱动余流的动力要素,初步探讨了热带气旋等对海洋动力演化过程的影响。研究结果表明,研究海域潮流为不正规半日浅海潮流,并具有明显的半月周期,涨潮流大于落潮流,涨潮流主方向为WNW向,落潮流主方向为SE—ESE向。旋转谱结果表明,研究海域以半日潮为主,逆时针能量强于顺时针,惯性周期无明显的谱峰。潮流强度的季节变化特征为冬季最强,秋季、春季次之,夏季最弱。夏、秋季的余流流速较其他季节明显偏大,表层余流有明显的季节特征,底层余流全年为北向流。观测点余流主要由风引起,二者有很好的相关性,但频率统计结果显示二者方向不一致,表明余流在地形的作用下发生了转向,其中潮致余流对表层余流贡献较小。小波能量图表明,双台风(热带气旋)期间风和余流均存在1 d及6 d左右的周期信号,二者密切相关。本研究成果对于区域海洋环保以及海域科学开发与应用具有重要的现实意义。

关键词：海洋水文学潮流余流年季变化海湾-岛屿系统热带气旋南日水道

闽江河口水下三角洲及周边海域现代沉积环境演化及其对人类活动的响应

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沉积学报 2024年第2期42卷 558-574页

作者：谢津剑王爱军叶翔陶舒琴蔡枫福州大学土木工程学院福州350108 自然资源部第三海洋研究所海洋与海岸地质研究室福建厦门361005 福建省海洋物理与地质过程重点实验室福建厦门361005

【目的】河口三角洲是陆海相互作用的敏感地带,也是人类活动最为频繁的地区,研究人类活动对河口三角洲演化的影响,一直以来都是国际沉积学的研究重点和热点。【方法】以福建闽江河口水下三角洲为研究对象,通过水动力模拟和表层沉积物粒... 详细信息

【目的】河口三角洲是陆海相互作用的敏感地带,也是人类活动最为频繁的地区,研究人类活动对河口三角洲演化的影响,一直以来都是国际沉积学的研究重点和热点。【方法】以福建闽江河口水下三角洲为研究对象,通过水动力模拟和表层沉积物粒度分析,探讨了闽江河口水下三角洲及周边海域现代沉积环境演化。【结果与结论】研究区河口内潮流以往复流为主,在口外海域逐渐转变为旋转流,水下三角洲地区流速大,外海流速较小;沉积物类型以砂、粉砂和砂质粉砂为主,平均粒径平均值分别为1.57Φ、6.78Φ和5.62Φ,并且由河口向口外陆架方向沉积物粗颗粒组分含量逐渐减少,细颗粒组分含量逐渐增大;沉积物输运趋势显示,在闽江河口水下三角洲内,沉积物输运呈现向东、东南和东北方向,在口外海域沉积物呈现朝东南和东北离岸方向,以及向西北朝岸方向输运;基于粒度组成、粒度参数及站位水深多元统计分析,综合地理位置、沉积物源和水动力条件,将研究区现代沉积环境划分为4个沉积区;通过探讨不同控制因素下的河口水下三角洲沉积环境差异,揭示了不同沉积区的沉积环境对人类活动的响应。该研究结果可为河口资源开发和生态环境保护提供科学依据。

关键词：水下三角洲闽江河口粒度参数沉积物输运趋势沉积环境

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岩石磁学方法在海洋样品研究中的多解性讨论

地球物理学报 2024年第5期67卷 1891-1912页

作者：张强刘双迟刘建兴刘传周李金华刘青松中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室北京100029 自然资源部第一海洋研究所海洋地质与成矿作用重点实验室青岛266061 中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室北京100029 南方科技大学海洋科学与工程系深圳518055

岩石磁学是研究自然以及人工合成磁性矿物性质变化的应用型学科.海底岩石和海洋沉积物等海洋样品中含有不同成因及来源的磁性矿物.这些磁性矿物蕴含了全球气候变化、微生物矿化、地球动力学演化等关键地质信息.岩石磁学可以快速解析这... 详细信息

岩石磁学是研究自然以及人工合成磁性矿物性质变化的应用型学科.海底岩石和海洋沉积物等海洋样品中含有不同成因及来源的磁性矿物.这些磁性矿物蕴含了全球气候变化、微生物矿化、地球动力学演化等关键地质信息.岩石磁学可以快速解析这些海洋样品中磁性矿物种类、含量、磁畴等特征的变化,为提取相关地质演化信息提供丰富的指标记录.然而,由于磁性矿物循环和海洋内部过程的固有复杂性,岩石磁学参数解译在海洋样品研究中存在多解性,在一定程度上制约了相关地质信息的深入解读.解决这一问题的关键在于对样品中载磁矿物的准确识别和量化.为此,本文首先简述了海洋样品中主要的磁性矿物类型,随后系统论述了应用岩石磁学方法评估海洋样品磁性矿物种类、含量以及磁畴状态等方面的多解性和注意事项.本文同时对岩石磁学的局限性、新兴技术和未来研究思路进行了展望.

关键词：岩石磁学磁性矿物海洋地质海洋科学参数多解性

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太平洋富稀土深海沉积物标准物质研制

岩矿测试 2024年第1期43卷 189-199页

作者：朱爱美石学法刘季花汪虹敏王小静白亚之崔菁菁自然资源部第一海洋研究所山东青岛266061 自然资源部海洋地质与成矿作用重点实验室山东青岛266061 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室山东青岛266237 山东省深海矿产资源开发重点实验室山东青岛266061

深海稀土被认为是继多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物之后发现的第四种深海矿产资源,以富含中-重稀土元素为显著特征。中国目前深海沉积物标准物质数量较少,不成系列,而且现有海洋沉积物标准物质中稀土元素总量最高为475.9μg/g,远... 详细信息

深海稀土被认为是继多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物之后发现的第四种深海矿产资源,以富含中-重稀土元素为显著特征。中国目前深海沉积物标准物质数量较少,不成系列,而且现有海洋沉积物标准物质中稀土元素总量最高为475.9μg/g,远未达到富稀土深海沉积物中的稀土元素总量(>1000μg/g)。目前国内外尚未有富稀土深海沉积物成分分析标准物质,为满足深海稀土资源勘查需要,本文报道了国家一级标准物质太平洋富稀土深海沉积物(GBW07590)研制过程。该标准物质候选物实物样品采集自4300m东南太平洋海底,经过自然风干、粉碎、混匀和灭活加工制备后,对沉积物成分进行均匀性和稳定性检验,各成分统计结果显示样品具有良好的均匀性和稳定性。国内外11家实验室采用多种分析方法对该标准物质的62种成分进行定值,确定各项成分的标准值和不确定度,稀土总量达到2103μg/g。该标准物质的研制进一步丰富了国内外深海沉积物标准物质品类,为科学研究、深海资源开发评价和地球化学分析测试等提供科技支撑。

关键词：富稀土深海沉积物标准物质定值不确定度