東海陸架典型海洋災(zāi)害地質(zhì)因素及其聲反射特征

劉杜娟，潘國(guó)富，葉銀燦

（國(guó)家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012）

東海陸架典型海洋災(zāi)害地質(zhì)因素及其聲反射特征

劉杜娟，潘國(guó)富，葉銀燦

（國(guó)家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012）

淺地層剖面探測(cè)、側(cè)掃聲納探測(cè)、多波束測(cè)深等地球物理方法是識(shí)別海洋災(zāi)害地質(zhì)因素的主要手段。根據(jù)多年來(lái)在東海陸架開(kāi)展的多項(xiàng)海洋調(diào)查項(xiàng)目獲得的資料，在東海陸架識(shí)別出多種海洋災(zāi)害地質(zhì)因素，主要的有海底滑坡、淺層氣、沙波、埋藏古河道、沙脊等，并對(duì)它們的聲反射特征進(jìn)行分析。各種災(zāi)害地質(zhì)因素因其獨(dú)特的成因機(jī)制，對(duì)海洋工程設(shè)施的影響也不同。

東海陸架；海洋災(zāi)害地質(zhì)因素；聲學(xué)反射特征

隨著海洋油氣勘探與開(kāi)發(fā)的蓬勃發(fā)展，以及眾多國(guó)際海底光纜的建設(shè)，海上工程設(shè)施日益增多，海洋災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查和研究也越來(lái)越受到有關(guān)部門和學(xué)者們的重視，并取得了一定的研究成果[1-6]。

不同的海區(qū)有不同的自然環(huán)境和地質(zhì)背景，因而盡可能全部地識(shí)別出對(duì)各海區(qū)工程建設(shè)產(chǎn)生直接危害或潛在威脅的各種災(zāi)害地質(zhì)因素至關(guān)重要。東海陸架上分布有平湖海底輸油氣管道、春曉氣田群海底輸氣管道和多條重要國(guó)際光纜，這些“生命線工程”的安全非常重要。本文主要在上世紀(jì)九十年代以來(lái)在該區(qū)展開(kāi)的多項(xiàng)海底光（電）纜、管道路由調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合前人研究成果，對(duì)東海陸架上幾種典型的淺部海洋災(zāi)害地質(zhì)因素進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)其內(nèi)部聲反射結(jié)構(gòu)、外部形態(tài)、成因機(jī)制等方面進(jìn)行深入的分析和研究。

1 東海陸架海洋災(zāi)害地質(zhì)因素

在對(duì)單道地震、淺地層剖面測(cè)量、側(cè)掃聲納探測(cè)、單波束和多波束測(cè)深等高分辨率地球物理方法獲得的資料進(jìn)行解釋的基礎(chǔ)上，通過(guò)地球物理探測(cè)記錄上的聲反射振幅、頻率、內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)，輔以外部幾何形態(tài)、沉積組合、地貌部位等信息，對(duì)東海陸架海洋災(zāi)害地質(zhì)因素進(jìn)行識(shí)別。主要有：海底活動(dòng)斷層、海底滑坡、沙脊、沙波、淺層氣、埋藏古河道等。將它們分為兩類：活動(dòng)性災(zāi)害地質(zhì)因素和限制性地質(zhì)條件[1]。前者具有活動(dòng)性和破壞能力，如海底活動(dòng)斷層、海底滑坡、淺層氣、沙波等；后者自身并不具有活動(dòng)能力，但它們的存在會(huì)對(duì)某些海洋工程建設(shè)及安全起限制作用，包括埋藏古河道、沙脊等。

2 活動(dòng)性海洋災(zāi)害地質(zhì)因素及其聲學(xué)反射特征

2.1 海底活動(dòng)斷層

從活動(dòng)時(shí)間看，東海陸架既發(fā)育有基底斷裂、蓋層斷裂，也發(fā)育有長(zhǎng)期活動(dòng)的繼承性斷裂。從斷裂的走向看，發(fā)育有北東、北北東、北西、東西和南北向等幾組斷裂，其中以北東、北北東和北西向三組斷裂最為重要（圖 1）[7]。北東、北北東向基底斷裂在新生代仍繼續(xù)活動(dòng)，但在陸架的不同部位，斷裂的活動(dòng)性并不相同。在陸架西部，基底斷裂在新生代的活動(dòng)性較弱，有的甚至不活動(dòng)。陸架東部，斷裂活動(dòng)性較強(qiáng)。基底斷裂在新生代的活動(dòng)性有自西向東逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)。

圖 1 東海斷裂分布圖 [7]Fig. 1 Distribution diagram of factures in East China Sea [7]

在淺地層剖面記錄上，可看到海底活動(dòng)斷層的跡象，這主要表現(xiàn)在連續(xù)性好的同相軸的系統(tǒng)性錯(cuò)斷。在斷層面兩側(cè)可見(jiàn)地層的錯(cuò)動(dòng)、變形及層厚不均等現(xiàn)象。在海底表面有時(shí)可見(jiàn)到陡崖、陡坎地形[8]。有的表現(xiàn)為兩盤厚度不一致，地層發(fā)生彎曲，有的則為反射層突然中斷或減薄，還有的兩側(cè)反射特征不一樣[6]。

淺表活動(dòng)斷層對(duì)海底構(gòu)筑物的危害性顯而易見(jiàn)，它所引起的地面錯(cuò)動(dòng)及其附近伴生的地面沉降往往會(huì)直接損害跨斷層修建或建于其鄰近的構(gòu)筑物。沿?cái)鄬油新癫毓藕拥腊樯瑪鄬拥牟粩嗷顒?dòng)會(huì)加大兩側(cè)的不均一性，從而造成極其不利的工程地質(zhì)條件。

但從已有資料，構(gòu)造原因產(chǎn)生的東海陸架淺表活動(dòng)斷層很少見(jiàn)，反映該區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不強(qiáng)烈。

2.2 海底滑坡

根據(jù)已有地形地貌和地質(zhì)資料，東海海域滑坡主要發(fā)育在近岸港灣島嶼地區(qū)、陸坡區(qū)和陸架坡折帶。滑坡在近岸港灣島嶼地區(qū)比較發(fā)育，幾乎全為現(xiàn)代滑坡，主要發(fā)生在潮汐通道及潮流沖刷槽中，尤以整體性滑坡占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。滑坡主要由重力作用所致，水道中部與岸坡間強(qiáng)烈的沖淤反差是該區(qū)岸坡滑動(dòng)不穩(wěn)定因素積累的主要環(huán)境條件[9]。其規(guī)模雖然無(wú)法同陸坡和陸架坡折帶上的其他滑坡相比擬，但是這樣規(guī)模的滑坡現(xiàn)象也足以引起嚴(yán)重的災(zāi)害。

光催化降解技術(shù)[11]是指光催化劑吸收光能后產(chǎn)生自由基與有機(jī)物進(jìn)行反應(yīng)，并使有機(jī)物最終降解為無(wú)機(jī)物的一種技術(shù)。其主要處理對(duì)象為有機(jī)污染物。Rocha[11]等在實(shí)驗(yàn)室中，用多相光催化處理含油污泥，在光照降解96h后，油泥樣品中多環(huán)芳烴的去除率達(dá)到100%。光催化降解技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于綠色無(wú)毒，無(wú)二次污染，對(duì)表層污染土壤有著較好的修復(fù)效果，但受土壤透光性的影響，其對(duì)深層污染土壤的修復(fù)還有待于進(jìn)一步研究。

滑坡在側(cè)掃聲納、淺地層剖面和地震剖面上皆有顯示，有時(shí)還可清晰顯示出滑動(dòng)面和地層界面關(guān)系及滑動(dòng)體結(jié)構(gòu)。東海陸架近岸港灣島嶼地區(qū)常見(jiàn)多級(jí)滑坡，滑動(dòng)面上端部坡度較陡，下端部趨于平緩且常交匯于一起。滑動(dòng)面為直線型的滑坡在本區(qū)內(nèi)為數(shù)不多，均以斷滑形式出現(xiàn)于遭受強(qiáng)烈切割侵蝕的地區(qū)[10]。

在聲學(xué)剖面上，海底滑坡常表現(xiàn)為海底沉積物反射波的強(qiáng)相位突然變得不規(guī)則或斷開(kāi)，滑坡體多具不對(duì)稱丘狀外形、滑坡后壁處近代沉積物突然中止，聲反射不連續(xù)，內(nèi)部弱振幅，雜亂或無(wú)反射結(jié)構(gòu)，后壁常表現(xiàn)為陡坎。滑坡體內(nèi)常有倒傾層理出現(xiàn)，和滑坡床相接觸的部位則常出現(xiàn)拖曳層理，滑坡體前緣一般都有隆起丘出現(xiàn)（圖2）。

2.3 淺層氣

圖 2 淺地層剖面揭示的舟山海域水下滑坡Fig. 2 Slide revealed by sub-bottom profile in the sea area of Zhoushan islands

海底淺層氣主要分布于河口與陸架海區(qū)[11]。現(xiàn)代長(zhǎng)江水下三角洲物源中含有豐富的有機(jī)質(zhì)，堆積速度較快，淺部沉積物中發(fā)育有淺層氣。淺層氣形成后，經(jīng)過(guò)地質(zhì)時(shí)期的遷移與聚集，一般穩(wěn)定地埋藏于海底之下。東海陸架淺層氣的識(shí)別可以通過(guò)側(cè)掃聲納圖像上的麻坑群、高分辨率淺地層剖面記錄上的“強(qiáng)反射”與“空白帶”來(lái)實(shí)現(xiàn)，易于識(shí)別（圖 3）。溢出海底的淺層氣常在海底形成麻坑和小型凸起地形（圖4）。未溢出海底的淺層氣在淺地層剖面記錄上呈云霧狀，常見(jiàn)屏蔽現(xiàn)象，并伴有界面干擾和同相軸斷開(kāi)等現(xiàn)象（圖3）。

地層含氣會(huì)降低海底沉積物的抗剪強(qiáng)度，影響海洋工程的基礎(chǔ)承載力。含淺層氣的海底土層常常會(huì)給基礎(chǔ)工程施工帶來(lái)嚴(yán)重影響，危及工程結(jié)構(gòu)的安全，甚至釀成事故[11]。淺層氣是一種十分危險(xiǎn)的潛在海洋災(zāi)害地質(zhì)因素，尤其是當(dāng)氣體壓力很高時(shí)，會(huì)造成井噴，引起火災(zāi)，甚至導(dǎo)致鉆井平臺(tái)等海上工程構(gòu)筑物的燒毀。

圖 3 淺地層剖面揭示的海底淺層氣Fig. 3 Shallow gases revealed by sub-bottom profile

2.4 沙波

根據(jù)資料分析，估計(jì)東海陸架區(qū)沙波地貌分布面積達(dá) 3×104km2以上，主要分布在長(zhǎng)江口毗鄰陸架、沖繩海槽西北部陸架邊緣、臺(tái)灣淺灘三個(gè)區(qū)域。

沙波是一種水流塑造的地貌形態(tài)，其軸線方向基本上垂直于主水流方向，與現(xiàn)代水動(dòng)力條件相一致。在回聲測(cè)深及淺地層剖面記錄中，沙波發(fā)育的海底面反射波呈連續(xù)鋸齒狀起伏，振幅強(qiáng)，并且由于聲波在砂質(zhì)沉積物中的快速衰減而使得其下地層被屏蔽而揭示不清。根據(jù)淺地層剖面、回聲測(cè)深及側(cè)掃聲納記錄圖像分析，該區(qū)沙波地貌可明顯地分為大型波痕和沙波兩類。

圖 4 淺地層剖面 (a)、回聲測(cè)深(b)和側(cè)掃聲納(c)記錄揭示的海底淺層氣Fig. 4 Shallow gases revealed by sub-bottom profile, echo sounder,and side scan sonar

圖 5 側(cè)掃聲納 (a) 和淺地層剖面 (b) 揭示的海底大型波痕Fig. 5 Sub-bottom profile and side scan sonar data showing megaripples

大型波痕多分布在水深40 ～ 50 m中部陸架的殘留砂區(qū)，波高一般小于1 m，波長(zhǎng)數(shù)米至數(shù)十米不等（圖5）。沙波的形體明顯大于大型波痕，波高一般大于1 m，大的達(dá)數(shù)米，波長(zhǎng)一般在數(shù)十米。沙波在平面上大多呈直線型，沿波峰方向波高穩(wěn)定。由于沙波個(gè)體較大，又常以孤立的沙波群形式出現(xiàn)，所以在回聲測(cè)深、側(cè)掃聲納和淺地層剖面記錄中易于識(shí)別（圖6）。沙波具有兩翼不對(duì)稱特征，迎流面坡度緩，背流的一翼坡度陡，由此可判斷主流方向[12]。有的沙波兩翼發(fā)育有重疊的大型波痕。

圖 6 側(cè)掃聲納(a)和淺地層剖面(b)揭示的海底沙波Fig. 6 Sub-bottom profile and side scan sonar data showing sand waves

在底流的作用下，東海陸架沙波和大型波痕處于不斷的遷移變化中，會(huì)帶來(lái)底砂的掏蝕和堆積現(xiàn)象，這對(duì)于海底輸油氣管道的敷設(shè)、淺基礎(chǔ)建筑物的施工是一個(gè)嚴(yán)重的威脅。在活動(dòng)性沙波發(fā)育的海區(qū)，海底光纜或管道的埋設(shè)深度必須大于沙波的波高才能保證其不裸露在海床上。當(dāng)水動(dòng)力條件改變時(shí)，沙波的形態(tài)和分布亦會(huì)發(fā)生改變。

3 限制性海洋地質(zhì)條件及其聲學(xué)反射特征

3.1 埋藏古河道

東海大陸架上分布有數(shù)量可觀的埋藏古河道，它們有其獨(dú)特的沉積環(huán)境、獨(dú)有的形態(tài)與特征。由于其形態(tài)、邊界、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)的不均一性，可能對(duì)海洋工程建筑物（構(gòu)筑物）造成諸如地基不均勻沉降、順層滑坡、砂性土液化等危害。

使用淺地層剖面儀在測(cè)線橫切或斜切古河道走向時(shí)，方能比較明顯地揭示古河道的形態(tài)特征，據(jù)此可清楚地辨別出古河道的寬窄、深淺、充填物的沉積結(jié)構(gòu)等。埋藏古河道在橫斷面上的聲反射特征主要有：①在淺地層剖面中，古河道的河床橫斷面邊界輪廓反射振幅較強(qiáng)，邊界輪廓線明顯，具有明顯的河谷橫斷面形態(tài)特征，多呈不對(duì)稱的“U”型或“V”字型，反射界面常呈波狀起伏（圖7）。②古河道內(nèi)沉積物與其周圍地層沉積物的聲學(xué)反射結(jié)構(gòu)特征有明顯區(qū)別，兩者呈不整合接觸。③埋藏古河道上覆地層往往為中振幅、中頻率、連續(xù)-較連續(xù)的水平反射層，區(qū)域上與古河道沉積地層呈不整合接觸。④古河道內(nèi)充填的沉積物其聲學(xué)反射結(jié)構(gòu)特征以強(qiáng)振幅、變頻率的雜亂反射為主，同相軸短，且有丘狀突起或槽形凹陷的結(jié)構(gòu)形態(tài)。⑤有的古河道河段斷面復(fù)雜，雖然在聲學(xué)剖面中古河道斷面邊界輪廓呈強(qiáng)反射，顯示清晰，但往往在一個(gè)大河谷中有兩個(gè)或者多個(gè)河槽地形發(fā)育（圖8）。沉積物的聲學(xué)反射特征以強(qiáng)振幅為主，有變頻率雜亂反射、平行或亞平行低角度層間反射、波狀或交錯(cuò)狀層間反射等。

圖 7 淺地層剖面上清晰可見(jiàn)的埋藏古河道Fig. 7 Sub-bottom profile showing a buried palaeochannel

圖 8 淺地層剖面揭示埋藏古河道中有多個(gè)河槽地形發(fā)育Fig. 8 Several channels developed in the buried palaeochannel

3.2 沙脊

在水深60 ～ 120 m的東海陸架上，分布有大面積的古沙脊群，它們表現(xiàn)為槽脊相間、線狀延伸的特殊海底地形，是東海外陸架最典型的動(dòng)力地貌單元。沙脊群的主體在北緯31°以南，呈NW-SE向延伸，向東南輻射，分布面積達(dá)到14 × 104km2[13,14]。

關(guān)于東海陸架沙脊的成因，多認(rèn)為潮流是沙脊形成的主導(dǎo)因素，因而也常被稱之為潮流沙脊[14]。但也有人對(duì)此有不同看法，認(rèn)為東海陸架海底沙脊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不具有潮流沙脊的結(jié)構(gòu)和環(huán)境特點(diǎn)，其成因與現(xiàn)代長(zhǎng)江三角洲的形成機(jī)制和結(jié)構(gòu)形態(tài)類似，東海沙脊不能稱之為潮流沙脊[15]。

沙脊寬度一般為3 ～ 15 km，坡度平緩，高差一般為2 ～ 26 m，長(zhǎng)度常逾百米。典型的海底沙脊見(jiàn)圖 9，兩翼不對(duì)稱，脊頂渾圓，無(wú)明顯脊線。在淺地層剖面上，沙脊表現(xiàn)為兩翼不對(duì)稱的丘狀地形，內(nèi)部發(fā)育斜層理，傾向指向沙脊遷移的方向。反射振幅中等偏弱，頻率中到高，微層理清晰。沙脊上部結(jié)構(gòu)多呈S 形及切線形斜交前積結(jié)構(gòu)，多見(jiàn)上部發(fā)散、下部收斂特點(diǎn)，局部為低角度坡?tīng)睿瓬?zhǔn)平行狀反射結(jié)構(gòu)。

根據(jù)多次調(diào)查獲得的地球物理探測(cè)和鉆探資料，東海陸架沙脊形成后，雖然表面曾受海洋動(dòng)力改造，但均未發(fā)現(xiàn)沙脊遷移和活動(dòng)的跡象。

圖 9 Geopulse淺地層剖面所揭示的海底沙脊Fig. 9 Sand ridge revealed by Geopulse sub-bottom profiler

4 結(jié) 論

（1）在識(shí)別和判斷海洋災(zāi)害地質(zhì)因素時(shí)，將淺地層剖面探測(cè)與回聲測(cè)深及側(cè)掃聲納探測(cè)相結(jié)合不失為一種非常有效的手段，可以相互比對(duì)，相互驗(yàn)證。

（2）各海洋災(zāi)害地質(zhì)因素在地球物理探測(cè)記錄上的表現(xiàn)和特征各不相同，可據(jù)此予以識(shí)別。本文認(rèn)為，淺層氣、埋藏古河道、沙波是東海陸架最常見(jiàn)的海洋災(zāi)害地質(zhì)因素。

（3）潮流作用下海底淺部沉積物的活動(dòng)性是引起東海陸架海洋工程設(shè)施安全隱患的主要因素。

（4）東海陸架上分布有平湖輸油管道和春曉氣田群輸氣管道，以及多條國(guó)際光纜系統(tǒng)，為了已有及未來(lái)將要建設(shè)的海洋工程設(shè)施的安全，對(duì)該區(qū)海洋災(zāi)害地質(zhì)因素進(jìn)行研究意義重大。

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Types and acoustic reflection characteristics of geological hazard factors in the shelf of East China Sea

LIU Du-juan, PAN Guo-fu, YE Yin-can

（Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou 310012, China）

If we want to fully recognize marine geological hazard factors, sub-bottom profiling, side scan sonar detecting, together with multi-beam bathymetry are the main choices. Because different marine geological hazard factors have different acoustic reflection characteristics, these factors can be identified richly. Based on survey data in the shelf of East China Sea for years, several important marine geological hazard factors were identified by us,including landslide, shallow gas, sand waves, buried palaeochannels, sand ridges, and erosional channels, et al. With different and special genesis mechanism, every kind of marine geological hazard factor has different influence on marine engineering facilities.

shelf of East China Sea; marine geological hazard factors; acoustic reflection characteristics

P738

A

1001-6932(2010)06-0664-05

2009-12-09；收修改稿日期：2010-03-25

國(guó)家海洋局第二海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（JG0906）

劉杜娟（1973－），女，高級(jí)工程師，碩士，主要從事海洋地質(zhì)學(xué)與海洋環(huán)境綜合評(píng)價(jià)等研究。電子郵箱：Liucuckoo@126.com。