Geoacoustic inversion of mid-frequency bottom-interacting signals in the southeast of Geoje Island

Abstract

In shallow water, sound propagation is influenced by two well-marked interfaces (sea surface and seafloor) that are distinct from a water column. Since the influence of these interfaces acts as a determinant of sound propagation characteristics in a specific propagation environment, it is very important to understand and predict the acoustic characteristics occurring at the interfaces.

In particular, sound-speed profiles in shallow water are often downward refracting and interactions with the seafloor occur continuously. In addition, the seafloor present irregular bathymetry, sub-bottom inclusion and variable materials. Thus, the seafloor is an inevitable boundary condition and acts as a major parameter for sound propagation. However, because the seafloor is not easily accessible and it is difficult to obtain sediment samples without specialized equipment, many studies of seafloor properties through acoustic experiments have been carried out.

In this paper, measurements of bottom-interacting signals over a frequency range of 4 to 12 kHz were made at two separate sites with different sedimentary properties in shallow water, and inversion of geoacoustic parameters was performed using bottom loss results at each experimental site. The measurements were performed at two sites approximately 19 km apart in a north-south direction located off the southeast coast of Geoje Island. The north side (Site A) had a muddy sediment and showed typical bottom loss curves, with an angle of intromission, where the sediment sound speed is less than the sound speed of the water column; the sub-bottom reflected signal was observed immediately after the bottom reflected signal at 4, 6 and 8 kHz. In contrast, the south side (Site B) had a sandy sediment and showed typical bottom loss curves and the critical angle, where the sediment sound speed is greater than the sound speed of the water column.

Geoacoustic parameters of the surficial sediment at each site were estimated using a simulated annealing method comparing the measured bottom loss results with the Rayleigh reflection model. In addition, the thickness of the surficial sediment at the north side (Site A) was inversely estimated using the difference in arrival time between the bottom reflected signal and the sub-bottom reflected signal. These geoacoustic inversion results are discussed in comparison with a bottom model and geoacoustic model constructed based on core samples and seismic data.|천해의 해양 환경에서 음파 전달은 수층과 뚜렷하게 구분되는 두 경계면(해수면, 해저면)의 많은 영향을 받으며 진행된다. 이러한 경계면의 영향은 특정 해역에서의 음파 전달 특성을 결정짓는 요소로 작용하므로, 경계면에서 발생하는 음향학적 특성을 이해하고 예측하는 것이 상당히 중요하다. 특히, 주로 하향 굴절의 음속구조를 갖는 천해에서는 해저면과의 상호작용이 지속적으로 발생하게 되고, 하부 퇴적층 및 해저면의 형상이 상당히 불규칙하다는 점에서 해저면은 음파 전달을 예측하는데 큰 변수로 작용한다. 그럼에도 불구하고, 해저면은 접근성이 용이하지 않고 전문적인 장비 없이는 퇴적물 샘플을 획득하기도 어렵기 때문에, 음향 실험을 통한 해저면 특성 연구가 수많은 과학자들에 의해 꾸준히 진행되어왔다.

본 논문에서는 서로 다른 퇴적층 물성을 갖는 두 실험 정점에서 4∼12 kHz 신호를 사용하여 해저면 수평입사각에 따른 반사 손실 측정 실험을 수행되었고, 이를 이용하여 각 실험 해역에서의 해저면 지음향 인자들을 역으로 추정하는 연구를 수행하였다. 반사 손실 측정 실험은 거제도 남동쪽 해역에서 남북 방향으로 약 19 km 떨어진 두 실험 정점에서 수행되었다. 니질 표층 퇴적층을 갖는 북쪽 정점(site A)에서는 표층 퇴적층의 음속이 수층에서의 음속보다 느린 경우에 나타나는 전형적인 반사 손실 곡선과 전투과각(angle of intromission)을 나타냈으며, 추가적으로 해저면 반사 신호 직후에 하부 퇴적층 반사 신호가 4, 6, 8 kHz 수신 신호에서 관찰되었다. 반대로 사질 표층 퇴적층을 갖는 남쪽 정점(site B)에서는 표층 퇴적층의 음속이 수층에서의 음속보다 빠른 경우에 나타나는 전형적인 반사 손실 곡선과 임계각(critical angle)이 나타났다.

측정된 반사 손실 결과는 레일리 반사 손실 모델과 비교함으로써 각 실험 해역의 표층 퇴적층 지음향 인자를 역으로 추정하였으며, 최적화 알고리즘은 시뮬레이티드 어닐링 기법을 사용하였다. 또한, 북쪽 정점(site A)에서 관측된 해저면 반사 신호와 하부 퇴적층 반사 신호의 도달 시간 차이를 이용하여 표층 퇴적층의 두께를 역으로 추정하였다. 최종적으로, 지음향 인자 역산 결과는 인근 해역의 지질 자료 및 코어 자료를 기반으로 구성된 퇴적층 모델 결과와 비교되었다.; the sub-bottom reflected signal was observed immediately after the bottom reflected signal at 4, 6 and 8 kHz. In contrast, the south side (Site B) had a sandy sediment and showed typical bottom loss curves and the critical angle, where the sediment sound speed is greater than the sound speed of the water column.

Geoacoustic parameters of the surficial sediment at each site were estimated using a simulated annealing method comparing the measured bottom loss results with the Rayleigh reflection model. In addition, the thickness of the surficial sediment at the north side (Site A) was inversely estimated using the difference in arrival time between the bottom reflected signal and the sub-bottom reflected signal. These geoacoustic inversion results are discussed in comparison with a bottom model and geoacoustic model constructed based on core samples and seismic data.