深海声道

存在于一定水深中的声波波导

深海声道广泛地存在于地球各大洋中。根据定义，深海声道是存在于一定水深中的声波波导。由于受温度、压力以及其他因素的影响，深海中的声波速度随深度的变化曲线呈一个具有极小点的二次曲线的形状，其声速极小值所处的深度称为声道轴。在轴的上方声速增大的主要原因是海洋表面温度的升高，而在轴的下方声速增大的主要原因是海水静压力的增大。

释义

主要特点

海水下声速基本上由温度和海水压力控制：温度越低，声速愈慢；海水压力越大，声速愈快。大洋中海水温度是由太阳照射造成，因此温度随深度增加而降低，但是海水压力却在增加。所以由海面向下观察就会发现，声速先是随深度增加、温度降低而变慢，当达到最低值时，温度不再改变，这时声速就会随海水压力增大而变快.于是声波传播速度在整个大洋变成上下两层，两层交界处就形成了特殊的声道轴，由于声波在传播时总向声速慢的界面弯曲，因此声道轴上下方的声音都会折回声道轴；于是乎，声能被限制在声道轴上下一定深度范围内传播不接触海面与海底，这就像在声道轴上下各放一块反射声特别好的挡声墙，声音总是在两块挡声墙之间反射，能量不受损失，可以传播很远。这就形成了“深海声道”。

实例

第二次世界大战期间，美国和苏联的科学家分别发现，在大洋深处有一些深海声道可以让声波传得很远。在深海声道中，声音可以传播到数千公里以外而没有减弱的迹象。后来的科学家还为此做过一次实验，他们在澳洲南部海中投下深水炸弹，爆炸产生的声波顺着深海声道绕过了好望角，又折向赤道，横穿大西洋，经过3小时43分钟后，竟然被北美洲百慕大群岛的测听站收听到了。计算起来，这颗炸弹爆炸后的声波一共“定”了1.92万公里，在海洋中绕地球达半圈。

Munk公式

如果将声源置于声道轴上或声道轴附近，一部分声能量被持续束缚于声道内，这部分能量在传播过程中将不会触及海底和海面，因而也不会造成两个边界的散射和吸收，也就是说传播到海底岩层的能量就会相应地减少。Munk给出了深海声道“三层结构”的数学表示式：

v（z）=v0{1+ε[e-η－（1－η）]}（1）

式中：η=2（z－z0）/B，z为海水深度，z0为声速极小值的深度，B为波导宽度；ε=0.57×10-2为偏移极小值的位置；v0为速度极小值。

Munk给出的典型数据为：B=1000m，z0=1000m，v0=1500m/s，ε=0.57×10-2。在大西洋中部，声道轴位于1100～1400m深度范围，在地中海、黑海和日本海以及温带太平洋中，声道轴位于100～300m深度范围。即纬度越高，上部水温受热小，声道轴随之上升。南海的声道轴深度也接近1000m。根据式（1），取南海深海声道轴深度为1000m，建立了深海典型声速剖面，该声速剖面由温度垂直分布的“三层结构”构成：在声道上方，海水表面受到阳光照射时，水温较高，因此声速v较大；在声道下方的深海内部，水温较低而且稳定，但海水静压力增大，声速v随海水深度增加，呈现声速v随深度增加而单调增大。

由于深海声道的存在造成海水速度呈层状结构分布，因此造成波场传播中射线路径、走时以及振幅的变化。即当波场能量进入深海声道时，大部分能量主要沿着声道轴进行传播，必然会造成透射和反射能量减少，从而使反射能量在很大区域形成盲区（只有部分能量反射上来），因此必然会影响地震偏移剖面的成像质量。下面具体分析深海声道对射线路径、走时和振幅的影响。

深海声道模型的建立及对能量传播的影响

研究者根据Munk公式建立了深海声道模型，并在深海声道模型和海水速度v取常数值（1500m/s）的模型上分别应用波前构建法计算地震波走时、射线路径以及振幅。通过对比这两种模型的计算结果、偏移成像结果了解深海声道对波场传播的影响。

深海声道对射线路径的影响

由于深海声道的存在造成海水速度呈层状结构分布，引起波场传播中射线路径、走时以及振幅的变化，进而影响偏移成像的质量。取震源位置位于（5000m，8m）处，在深海声道模型和海水速度v取常数（1500m/s）的速度模型上分别计算射线路径。计算结果表明，对于不同的射线初始角度，两种模型的射线路径的差异程度是不同的，在0°～60°之间随着射线初始角度的不断增大，两种模型的射线路径的差异也不断增大，即若传播距离更远或射线初始角度更大，两者的射线路径差异会更大。可见由于深海声道的存在对射线路径造成的影响在海洋地震资料处理时是不可忽略的。

深海声道对地震波走时的影响

为了说明深海声道对地震波走时的影响，分别在深海声道模型和海水速度v取常数（1500m/s）的速度模型上进行地震波走时计算。计算结果表明，除了在海水表面两种模型的地震波走时差异较大以外，在其余位置差异都非常小，这是由于深海声道模型的速度分层结构致使海水表面速度比取常数（1500m/s）时大，随着深度的增加，速度逐渐减小，与常数（1500m/s）速度模型的速度差异逐渐减小，造成两者的地震波走时差异也逐渐减小。为了说明海底声道存在造成的地震波走时变化，分别计算海水表面（z=10m）、声道轴深度z0=1000m处x方向所有点的走时及差异。计算结果表明，在海水表面（z=10m），地震波走时相对误差最大不到2.4%，在声道轴处，地震波走时相对误差最大值为0.64%，说明声道轴对走时的影响很小。其原因在于声道轴上面和下面的速度都比声道处要大一些，因此在深水地震资料处理时可以忽略深海声道对地震波走时的影响。

深海声道对振幅的影响

由于深海声道的存在致使海水速度结构发生变化，进而影响地震波振幅。为了说明深海声道对振幅的影响，取震源位置位于（5000m，8m）处，分别在深海声道模型和海水速度v取常数（1500m/s）的速度模型上应用波前构建法计算声道轴深度z0=1000，3000m处、x方向所有点的振幅及相对误差。计算结果表明，在声道轴深度z0=1000m附近振幅最大误差为45%，在声道轴深度z0=3000m附近振幅最大误差最大值约为13%，可见深海声道对振幅的影响非常强烈。因此在地震资料处理时，如果不考虑深海声道的影响，必然带来很大的振幅误差，从而影响偏移剖面的能量显示。

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