黃河三角洲侵蝕性岸段水下岸坡地質(zhì)災(zāi)害及其空間分布

彭俊，陳沈良，陳一強(qiáng)，李谷祺

（1.鹽城師范學(xué)院 城市與資源環(huán)境學(xué)院，江蘇 鹽城 224051；2.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）

豐富的石油、天然氣和礦產(chǎn)資源儲藏，使得海洋成為全球經(jīng)濟(jì)資源開發(fā)的熱土。為保障輸油管道、采油平臺等海洋工程的良好運(yùn)作，海洋地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查和研究日益受到國內(nèi)外研究者的重視（Prior et al，1981；Martel，2004；劉 守 全 等，2000；胡剛等，2007）。勝利油田開發(fā)和黃河三角洲地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，推動了國內(nèi)學(xué)者對黃河水下三角洲地質(zhì)災(zāi)害的研究，從海底滑坡的發(fā)現(xiàn)到海底刺穿的確認(rèn)，人們對黃河水下三角洲地質(zhì)災(zāi)害的認(rèn)識不斷深入（楊作升等，1990；李廣雪等，1999；常瑞芳等，1995；周良勇等，2004；張琦等，1992）。以往研究成果更多集中在刁口河外水下三角洲（趙維霞等，2006；馮秀麗等，2004；李廣雪等，2008；李俊杰等，2007），以及室內(nèi)試驗(yàn)（李安龍等，2012），而對整個(gè)侵蝕性岸段水下三角洲，尤其是對神仙溝口外水下三角洲的地質(zhì)災(zāi)害及空間分布缺少較完整的認(rèn)識。因此，本文以刁口河口東側(cè)至孤東北側(cè)侵蝕性岸段水下三角洲為研究區(qū)域，利用精密的測深儀，高分辨率的淺地層剖面儀和側(cè)掃聲納等聲學(xué)探測設(shè)備同步聯(lián)合掃測所獲取的資料，解譯研究區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害類型，分析其空間分布特征，為該區(qū)域采油平臺和輸油管道等海洋工程布設(shè)和維護(hù)提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 黃河三角洲概況

1855年黃河于銅瓦廂決口，奪大清河注入渤海，距今150 多年歷史。黃河挾帶大量泥沙入海，在河口地區(qū)落淤，形成現(xiàn)代黃河三角洲。1855年以來，黃河尾閭共發(fā)生10 次大改道，每次改道形成新的三角洲葉瓣。1855-1953年黃河尾閭自然改道7 次，三角洲頂點(diǎn)在寧海附近。1953年以后，人工改道3 次，三角洲頂點(diǎn)下移至漁洼附近。其中1953-1964年從神仙溝流路入海，1964-1976年從刁口河流路入海，1976年至今從清水溝流路入海。河流改道后，廢棄河口由于缺少入海泥沙的補(bǔ)給，前期形成的三角洲葉瓣在海洋動力作用下發(fā)生侵蝕，其中以神仙溝流路和刁口河流路期間形成的三角洲葉瓣為甚。

2 研究方法和數(shù)據(jù)處理

定位儀器采用美國Trimble 公司生產(chǎn)的DGPS進(jìn)行定位，定位誤差小于1.0 m。淺地層剖面探測是揭示海底地質(zhì)現(xiàn)象的有效手段（李平等，2011）。這里采用Edgetech 公司生產(chǎn)的SB-216S“Chirp”高分辨率淺地層剖面儀進(jìn)行海底地層探測，垂直分辨率小于10 cm。采用Edgetech 公司生產(chǎn)的4200FS“Chirp”高分辨率側(cè)掃聲納進(jìn)行海底地形地貌探測，分辨率小于8 cm。采用加拿大Knudsen Engineering 公司生產(chǎn)的320 系列高精度雙頻測深儀進(jìn)行水深測量，分辨率為1 cm。在研究區(qū)布設(shè)了9 條測線（圖1），布測長度共計(jì)約180 km。5 條主測線（H1-H5） 垂直于岸線布設(shè)，水深從2 m 延伸到16 m 左右；4 條聯(lián)絡(luò)測線（L1-L4） 沿等深線布設(shè)，其中L1 和L3 沿6 m 等深線布設(shè)，L2 和L4 沿12 m 等深線布設(shè)。探測時(shí)間為2010年9月底至10月初，探測期間海況良好。利用Edgetech 公司提供的Discover 系列后處理軟件，對淺地層剖面儀和側(cè)掃聲納所獲取的圖像資料進(jìn)行處理，主要為聲速校正、斜距校正和“Gain”、“TVG”（時(shí)間變化增益） 等參數(shù)的調(diào)節(jié)，對處理后的圖像資料進(jìn)行解譯。

圖1 研究區(qū)域與測線布設(shè)

3 結(jié)果與分析

3.1 地質(zhì)災(zāi)害特征與分類

根據(jù)不同地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象的形態(tài)特征，綜合高分辨率淺地層剖面儀和側(cè)掃聲納所獲取的圖像資料，對黃河三角洲侵蝕性岸段水下岸坡的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行解譯和分類。研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害有沖蝕構(gòu)造、凹坑與洼地、海底滑坡、切蝕-填充構(gòu)造、聲學(xué)透明層、海底刺穿體、埋藏沖溝和古河道等。

3.1.1 沖蝕構(gòu)造

沖蝕構(gòu)造包括沖溝和蝕余構(gòu)造（圖2a，b）。海底沖溝主要分布在三角洲斜坡上，規(guī)模大小不一，較大的長度可達(dá)數(shù)千米，寬度可達(dá)百米，沖蝕深度可達(dá)數(shù)米。沖溝之間常發(fā)育表面平坦，邊界清晰，且保持原層序的蝕余構(gòu)造，也稱侵蝕殘留體。本次探測在H2 測線上發(fā)現(xiàn)的沖蝕構(gòu)造，沖溝、邊緣陡坎和蝕余構(gòu)造相間分布，沖溝多呈“U”形寬淺狀（圖2b）。沖溝發(fā)育與近岸波浪掀沙和潮流輸沙作用有關(guān)（常瑞芳等，1995）。河口行水時(shí)，大量入海泥沙迅速沉降，形成河口攔門沙和水下沙壩等地貌體。河口廢棄后，河流泥沙來源斷絕，在波浪作用下，易被起動的表層沉積物隨潮流輸移后，海底在順流方向上形成小型沖溝。隨著波浪和潮流的不斷作用，沖溝內(nèi)水流攜帶著泥沙由底部沿兩側(cè)邊緣向上部運(yùn)動匯入主流，加強(qiáng)了對沖溝底床和邊緣的侵蝕，而處于湍流狀態(tài)的水流也為懸浮泥沙運(yùn)動提供了足夠的動力。沖溝逐漸增寬、蝕深，當(dāng)沖溝寬深比達(dá)到一定限度時(shí)，水流攜沙對邊壁的侵蝕力減小，沖溝演變成具有穩(wěn)定性的“U”形寬淺狀溝槽，而不易被波浪起動的沉積物則發(fā)育成高出周圍海底的蝕余構(gòu)造。

圖2 H2 測線記錄的沖蝕構(gòu)造

3.1.2 凹坑與洼地

凹坑與洼地是一種以負(fù)地形出現(xiàn)的微地貌。凹坑規(guī)模較小，直徑數(shù)米至數(shù)十米不等，多呈近圓形或橢圓形，洼地由數(shù)個(gè)凹坑交匯而成，寬度可達(dá)百米以上，形態(tài)不規(guī)則。根據(jù)側(cè)掃聲納獲取的圖像資料，研究區(qū)內(nèi)凹坑呈橢圓形（圖3a） 或不規(guī)則圓形（圖3b），直徑不超過10 m，洼地表現(xiàn)為拉長鞋狀（圖3c），長度約20 m。在L4 測線上發(fā)現(xiàn)大范圍的凹坑與洼地，在海底表面密集分布，形成麻坑構(gòu)造（圖3d），破壞深度不超過1 m。黃河尾閭的頻繁擺動和河流來沙的“洪水式排放”，使入海泥沙的空間分布不均勻且壓實(shí)強(qiáng)度不同，沉積物在自身不均衡壓實(shí)或水動力渦旋作用下，強(qiáng)度相對較弱的部位容易發(fā)生液化塌陷，形成凹坑等微地貌。

圖3 形態(tài)多樣的海底凹坑與洼地

3.1.3 海底滑坡

在H2 測線上約9 m 水深處發(fā)現(xiàn)滑坡體，長約60 m，寬約30 m（圖4）。滑坡源區(qū)頂部為陡壁后緣，邊界清晰，可見明顯滑動跡象。在源區(qū)內(nèi)可見一列平行于后緣的陡壁，陡壁之間相距約3～4 m，是滑坡向上端方向逆行留下的痕跡（圖4）。從源區(qū)塌陷的沉積物順坡流動，切蝕海底形成沖溝，在沖溝末端切蝕深度達(dá)4 m（圖4）。滑坡沉積物除堆積在沖溝內(nèi)，形成切蝕-充填構(gòu)造地層外，部分堆積在沖溝末端外海底上，形成舌狀堆積。

圖4 側(cè)掃聲納記錄的海底滑坡

黃河三角洲海底滑坡的發(fā)育主要是由其特殊的沉積環(huán)境決定的：（1） 三角洲快速堆積造成沉積體松散，高含水量、高孔隙率的沉積層在外力作用下容易發(fā)生液化流動；（2） 前三角洲相軟弱層為上覆三角洲前緣相沉積體的滑動提供了條件；（3） 水下三角洲沉積體呈楔狀向海尖滅，這種不均勻沉積分布能夠產(chǎn)生側(cè)向壓力，使沉積體不穩(wěn)定。黃河三角洲海底滑坡等底坡不穩(wěn)定性對泥沙的橫向輸運(yùn)也起著重要作用（楊作升等，1994）。黃河三角洲海域存在無潮點(diǎn)，沿岸潮流強(qiáng)勁，泥沙僅僅依靠懸移方式輸運(yùn)是難以逾越的。由于流速在底邊界層最小，以粉砂為主的底坡沉積物容易發(fā)生液化流動，產(chǎn)生的重力流可以克服底邊界層流，將沉積在河口附近的泥沙向海輸運(yùn)，實(shí)現(xiàn)水下岸坡平衡剖面的形成。

3.1.4 不均勻地層

不均勻地層主要包括切割-充填構(gòu)造和聲學(xué)透明層。切割-充填構(gòu)造是早期的沖溝、凹坑與洼地、海底滑坡等下蝕地貌被后期的沉積物全部或部分充填而形成的。聲學(xué)透明層是早期形成的細(xì)粒沉積物被后期沉積的粗粒沉積物覆蓋，因粗顆粒沉積物和下伏的細(xì)顆粒沉積物在聲學(xué)反射上存在強(qiáng)烈的反差，在淺地層剖面圖像上會形成反射很強(qiáng)的粗顆粒沉積物覆蓋在幾乎無聲學(xué)反射的細(xì)顆粒沉積物之上的構(gòu)造。聲學(xué)透明層是黃河水下三角洲一種典型的不穩(wěn)定性地質(zhì)現(xiàn)象，容易發(fā)育成海底刺穿，或成為海底滑坡發(fā)生的基礎(chǔ)。本次探測首次在神仙溝口外水下三角洲葉瓣上（L3 測線B-C 段） 發(fā)現(xiàn)大面積的聲學(xué)透明層（圖5a，b），上部粗顆粒沉積層是1953-1964年形成的三角洲前緣相，下伏細(xì)顆粒沉積層可能是前期三角洲葉瓣發(fā)育過程中形成的前三角洲相或側(cè)緣沉積相（圖5b）。

圖5 神仙溝口外L3 測線B-C 段密集分布的不均勻地層

3.1.5 海底刺穿

黃河三角洲前三角洲沉積相一般為粉砂質(zhì)粘土或細(xì)粉砂，沉積過程中含大量水分，被上覆以粉砂或粗粉砂為主的三角洲前緣沉積相保留在沉積層中。這種高含水量、高孔隙率的沉積層在不均衡自重壓力或卸荷作用下，容易發(fā)生變形，形成海底刺穿。因此，前三角洲相是一種不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的軟弱層，海底刺穿是這種軟弱層的變形構(gòu)造，是水下三角洲不穩(wěn)定性塊體運(yùn)動的重要類型之一，出露后的刺穿對座底式平臺和海底管線等會構(gòu)成災(zāi)難性威脅。李廣雪等（2000；2008） 通過對高分辨率淺地層剖面圖像和鉆孔資料的聯(lián)合解譯，在黃河三角洲東北部刁口河流路期間形成的水下三角洲葉瓣上發(fā)現(xiàn)海底刺穿。本次探測過程中，在L1 測線上東營港附近發(fā)現(xiàn)已經(jīng)出露海底的刺穿（圖6a，b）。神仙溝流路期間形成的水下三角洲葉瓣，前三角洲相或側(cè)緣沉積相軟弱層在上覆沉積層的荷載作用下，形成密度倒轉(zhuǎn)的垂向?qū)有蚝蛙浫鯇觾?nèi)的超高壓。三角洲葉瓣廢棄后，海底在侵蝕作用和海底剖面重塑過程中，加載在軟弱層之上的三角洲前緣相沉積層減薄，軟弱層便會在荷載力最薄弱的地方慢慢隆起，最后沖破上覆沉積層形成刺穿。

圖6 L1 測線記錄的海底刺穿體（（a） 側(cè)掃聲納圖像；（b） 淺地層剖面圖像）

3.1.6 埋藏沖溝和古河道 埋藏沖溝和古河道是一種埋藏在海底淺地層中的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，統(tǒng)稱為埋藏負(fù)地貌，寬度一般數(shù)百米，埋藏深度數(shù)米到數(shù)十米，在淺地層剖面記錄中往往表現(xiàn)為強(qiáng)反射的“V”形或“U”形。埋藏沖溝和古河道的后期充填物具有松散、高含水量、高壓縮和低強(qiáng)度的特點(diǎn)，屬軟弱地層，在橫向上形成的不均勻持力層，易引起海底不均勻沉降。這種地質(zhì)災(zāi)害曾造成鶯歌海2 號鉆井平臺發(fā)生傾斜。本次探測在H3 測線上15～16 m 水深處的海底淺地層中發(fā)現(xiàn)不同剖面形狀和長短的埋藏負(fù)地貌，頂板埋深在10 m以內(nèi)。呈“U”形的寬度近千米，下切深度約5 m（圖7a），呈“V”形的寬度僅數(shù)十米，最大下切深度約11 m（圖7b）。

圖7 H3 測線淺地層剖面反映的埋藏負(fù)地貌

3.2 地質(zhì)災(zāi)害的空間分布

黃河三角洲侵蝕性岸段水下岸坡地質(zhì)災(zāi)害主要是黃河攜帶的高濃度泥沙快速沉積形成水下三角洲，經(jīng)過波浪、潮流和風(fēng)暴潮等外力載荷反復(fù)作用后的結(jié)果。通過分析H1-H5 和L1-L4 測線上地質(zhì)災(zāi)害的類別和發(fā)育程度，發(fā)現(xiàn)這些地質(zhì)災(zāi)害在空間上呈現(xiàn)平行岸線的帶狀分布，依據(jù)水深大致可劃分為三個(gè)區(qū)域。

3.2.1 6 m 以淺區(qū)域

該區(qū)域發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害主要為沖蝕構(gòu)造。沖溝、邊緣陡坎和蝕余構(gòu)造大量存在，聲納圖像上呈現(xiàn)強(qiáng)弱相間的聲學(xué)反射特征。在H2 測線上約5 m 水深處，沖蝕構(gòu)造分布密度最大，發(fā)育程度最高（圖2）。沖溝走向基本與潮流方向平行，最寬的可達(dá)300 多m。蝕余構(gòu)造高度一般超過1 m，最高的超過2 m。沖溝、邊緣陡坎和蝕余構(gòu)造在空間上呈現(xiàn)相間分布，造成地形起伏劇烈。其他測線發(fā)育的沖溝寬度較小，但分布密集，蝕余構(gòu)造表現(xiàn)為破碎體，高度一般在0.3 m 左右，基本不超過1 m。6 m 水深以外海域，雖然潮流流速大，但海底未見明顯的沖蝕構(gòu)造，主要原因在于波浪作用有限，對海底的沖蝕作用不足以起動底沙。

3.2.2 6～14 m 區(qū)域

該區(qū)域發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害主要為海底滑坡、海底刺穿、聲學(xué)透明層、凹坑與洼地。海底滑坡基本分布在這一水深范圍內(nèi)，有時(shí)可見幾個(gè)滑坡相鄰出現(xiàn)。在L1 測線南側(cè)靠近東營港附近發(fā)現(xiàn)的海底刺穿體（圖6），發(fā)育水深在10 m 左右，突出海底約5 m，在聲納圖像中的一側(cè)出現(xiàn)因刺穿體高出海底而形成的聲學(xué)陰影區(qū)（圖6a）。整個(gè)刺穿體寬度約50 m，由于刺穿體的發(fā)育，其周圍海底被明顯拉陷。在L3 測線上聲學(xué)透明層廣泛分布，厚度一般為1～3 m，最厚可達(dá)7 m，發(fā)育最密集地帶在神仙溝口外，寬度約5 km（圖5c）。在L2 測線上發(fā)現(xiàn)的聲學(xué)透明層，程度和規(guī)模明顯不及L3 測線上的。在L4 測線上發(fā)現(xiàn)其他測線上都沒有觀測到的密集分布的凹坑與洼地（圖3d），單個(gè)直徑幾米到幾十米，在海底形成麻坑構(gòu)造。按形狀和個(gè)體直徑分為兩種，一種多呈不規(guī)則圓形，規(guī)模較大，另一種多呈橢圓形和長鞋形，個(gè)體較小，長短軸比值在2～10 之間，長軸走向近NW-SE，與潮流方向基本一致。雖然12 m 水深處的波致海底切應(yīng)力不是最大的，但潮流速度卻很強(qiáng)，并呈往復(fù)流性質(zhì)，因此推測凹坑的形成是強(qiáng)勁的潮流作用造成海底液化塌陷或局部侵蝕的結(jié)果。

3.2.3 14 m 以深區(qū)域

該區(qū)域地勢平坦，坡度平緩，坡降小于0.5‰，聲納圖像上顯示表面較光滑，海底表面覆蓋的現(xiàn)代沉積厚度較小。由于水深較大，波浪對海底表層沉積物的擾動作用較小，海底比較穩(wěn)定，未見各種底坡不穩(wěn)定性運(yùn)動造成的地質(zhì)災(zāi)害。但從淺地層剖面圖像上發(fā)現(xiàn)海底淺部地層中存在埋藏沖溝和古河道，其形成與海平面上升有關(guān)。在末次冰期冰盛期，海平面處于低位，此區(qū)域發(fā)育湖泊和河流沉積。隨后氣候變化，氣溫上升，導(dǎo)致海平面上升，先期發(fā)育的湖泊和河流沉積被海相沉積物覆蓋，形成了這種埋藏在海底淺層中的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。這一成因從附近獲取的鉆孔沉積物粒度資料中得以證明（李俊杰等，2007），其上覆蓋的沉積層為海相沉積。

4 結(jié)論

（1） 黃河三角洲侵蝕性岸段水下岸坡地質(zhì)災(zāi)害類型多樣。沖蝕構(gòu)造、凹坑與洼地、海底滑坡、切蝕-填充構(gòu)造、聲學(xué)透明層、海底刺穿體、埋藏沖溝和古河道均有發(fā)現(xiàn)。

（2） 黃河三角洲侵蝕性岸段水下岸坡地質(zhì)災(zāi)害呈現(xiàn)平行岸線的帶狀分布，按水深大致可劃分為三個(gè)區(qū)域：6 m 以淺區(qū)域，沖蝕構(gòu)造發(fā)育，沖溝、邊緣陡坎和蝕余構(gòu)造呈相間分布。6～14 m 區(qū)域，發(fā)育有凹坑與洼地、海底滑坡、海底刺穿體和廣泛分布的聲學(xué)透明層，地質(zhì)災(zāi)害呈現(xiàn)類型多樣化，分布廣泛化特點(diǎn)，14 m 以深區(qū)域，主要發(fā)育埋藏沖溝和古河道。

（3） 鑒于研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，在具體施工海洋工程前應(yīng)針對工程設(shè)計(jì)預(yù)定位置進(jìn)行全面的地質(zhì)調(diào)查，查明工程預(yù)設(shè)位置周邊的地質(zhì)災(zāi)害類型，并采取必要的防護(hù)措施，在迫不得已的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)采取避開措施。

致謝：華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張文祥、張國安、周永東參加野外調(diào)查工作，在此一并致謝。

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