廈門灣口外近岸陸架區海底沙波發育特征

孫美靜，羅偉東，鐘和賢，伊善堂，劉杰，郭麗華

1.廣州海洋地質調查局，自然資源部海底礦產資源重點實驗室，廣州 510075

2.南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州)，廣州 511458

3.中國科學院廣州能源研究所，中國科學院天然氣水合物重點實驗室，廣州 510640

海底砂質沉積物在波浪、潮汐、底層流等多種水動力條件作用下，堆積形成高低起伏的丘狀或新月狀底床形態地貌，其波脊垂直于主水流方向，統稱為沙波。沙波的發育非常普遍，如河口、陸架、陸坡，甚至到海盆區。我國沙波主要分布于近海陸架，如黃海[1-3]、揚子淺灘[4]、臺灣淺灘[5-8]、南海北部陸架[9-12]和海南島周緣陸架區[13-16]。其中臺灣淺灘是我國近海沙波發育的典型區域，杜曉琴等[6]分析認為臺灣淺灘底層水流單一，上層水流結構復雜，潮致沉積物輸入量大于輸出量，沙波遷移較快，可能是風暴事件影響；余威等[7]從海平面波動、沉積物源及區域動力角度分析了對沙波發育的影響；邱燕等[8]論述了沙波類型及發育特征。

在臺灣海峽西部，廣州海洋地質調查局2014——2017年采集了多波束測深、單道地震剖面、表層沉積物樣品資料及海流監測數據等，并進行了資料處理和樣品粒度測試。本文利用這些新資料，通過對廈門灣口外的陸架區地形地貌、單道地震剖面精細解譯，從平面和剖面上識別沙波的形態特征、分布規律，分析沙波的沉積物特征，因水動力對沙波發育起絕對控制作用，因此著重論述本區水動力作用類型及潮流流速，討論水動力作用對沙波形成及遷移的影響過程。

本文研究的沙波區處于臺灣淺灘的北側，是一個嶄新區域，前人未有工作基礎，是將臺灣淺灘沙波研究區域向北擴大，并與此有著密切聯系，可掌握臺灣海峽區域更大范圍沙波分布特征。同時本文特點是將地形剖面與單道地震剖面結合，來分析沙波形態參數特征，因而更準確，又擁有足夠的沉積物樣品數據，能夠明確沙波區沉積物粒度、巖石類型的特征。對比前人研究[17-18]資料更詳實，從點（多站位點的表層沉積物特征及潮流流速）——線（地形剖面和單道地震剖面測線）——面（地貌特征）相結合的研究思路，分析結果更加全面。沙波的形成受控于水動力環境的變化而改變，因發生改變而產生的不穩定因素，對淺水陸架區海底鋪設電纜等施工建設產生影響，尤其臺灣海峽是聯接中國大陸與中國臺灣之間最重要的通道，因此掌握海底沙波的分布規律、形態及底質特征，對海底工程建設有重要意義。

1 研究區概況

研究區位于臺灣海峽西部，為廈門灣口外的近岸陸架區（圖1）。臺灣海峽正處于歐亞板塊東緣，臨近歐亞板塊與菲律賓海板塊的匯聚邊界，其地質構造十分復雜，是歐亞板塊與太平洋板塊碰撞時所產生的臺灣島與大陸間的前陸盆地，其構造格局、地層展布和地形輪廓大都以NE向為主，與兩岸一致。研究區水深范圍約為10～60 m，坡度為0°～1°，等深線整體為NE向。

圖1 研究區位置及海洋動力場示意圖[7, 19]Fig.1 Location map of the study area and hydrodynamic fields[7,19]

臺灣海峽屬亞熱帶型季風氣候，冬季由于受西伯利亞或蒙古冷氣流的影響，盛行東北季風，平均風速大，常為大浪；夏季盛行西南季風，平均風速小，多為小浪——中浪。臺灣海峽的潮流呈往復流，漲落潮流流向近NE-SW向，與水深等值線走向基本一致。本區受兩股洋流影響，分別是浙閩沿岸流和臺灣暖流。浙閩沿岸流沿福建省沿岸向西南流，其主要受冬季風的影響，在冬季最明顯，春秋減弱，夏季幾乎不存在，臺灣海峽西側的臺灣暖流則常年存在。臺灣暖流是黑潮的分支，自澎湖水道向北流。受云彰隆起地形的影響，臺灣暖流分支，一支從云彰隆起上部穿過繼續向北，另一支繞過云彰隆起，在臺灣海峽中部向北流。浙閩沿岸流和臺灣暖流控制著臺灣海峽沉積物的來源和搬運，對臺灣海峽現代沉積作用影響很大。

2 數據采集

研究區覆蓋單波束和多波束測深，為能夠更清晰明確地顯示出沙波特征，主要選取利用多波束測深數據構成的地貌圖和地形剖面圖。多波束水深測量采用EM710S多波束測深系統，工作頻率為70～1 000 kHz，測深范圍為 5～1 000 m，波束角 1°×2°，最大覆蓋角度為150°，覆蓋寬度可達水深的3.5～5倍（最大為2 000 m），測深精度優于水深的0.3%，本文選取多波束測深數據的處理后網格精度是50 m×50 m。

單道地震測量采集系統為英國AAE公司的CSP-6 000電火花系統，震源能量800 J，采樣頻率6 000 Hz，垂向分辨率2～5 m。海流測量數據是在2016年5月采集，采用美國RTI公司300/1 200 kHz雙頻直讀式ADCP和300 KHz單頻直讀式ADCP，進行定點式實時測量模式。

表層沉積物樣品采集時間是在2014年5月——7月，利用“天龍號”船只，使用50 cm×50 cm的大型蚌式抓斗完成。文中選取了401個站位樣品進行沉積物巖性、粒度等分析。根據樣品的不同特點，分別采用激光粒度儀法和綜合法進行粒度分析。激光粒度儀測量范圍為0.02～2 000 μm，綜合法主要指對大于1 000 μm的顆粒用篩析法，小于1 000 μm的顆粒用Mastersizer 2000型激光衍射粒度分析儀進行測試，將兩者的分析數據合并，計算出各級粒徑顆粒的含量及相關參數。

3 結果

3.1 底形分布特征

臺灣海峽盆地西部近岸的研究區屬于近岸大陸架區，地形較平緩，坡度為0°～1°。水深總體為西淺東深，一般為10～60 m，等深線與沿岸走向近一致，呈SW-NE向（圖1）。本區地形典型特征是發育了一系列NW-SE走向近乎平行排列的條帶狀坡地（圖2a，圖3a），波脊與波谷相間，大致呈NW-SE走向，與等深線方向近于垂直。利用多波束測深和單道地震資料，識別勾畫出海底沙波范圍，分布面積約為1 000 km2，沙波沉積厚度基本為6～7 m。沙波地貌單元上主要呈二維彎曲形、三維新月形兩種類型特征。

在近岸Ⅰ和Ⅱ區（圖2a），水深大致為30～60 m，沙波多為二維彎曲形，呈孤立的雁列式緊密排列，波長較短，波脊近于平行，走向總體一致，為NW-SE向，單個沙波規模相差無幾，并分布有多組此類特征彎曲形沙波群。整體呈條帶狀順延等深線方向發育，延伸距離超過20 km，分布于坡度近于0.1%的坡面上（圖2b）。選取一條具有代表性的地形剖面（垂直于彎曲形沙波走向），如圖3b，地形起伏在3 m以內，變化較小，波脊水深為55.5～58 m，波脊頂間距為150～500 m，波長分布在120～600 m之間，波高一般為0.2～2 m，獨立一個沙波的西南與東北兩側坡度基本一致，多為對稱沙波，個別顯示東北側坡度較西南側稍緩，坡角范圍一般為0.2°～0.8°。

在稍遠岸的東南角Ⅲ區，如圖2a和圖3a的HH′向東南方向顯示，水深大致為60～70 m，沙波地貌平面形態由一排孤立的較短彎曲形過渡到波長變長而連成長條狀的新月形，沙波之間間距變大，較稀疏，總體亦屬于平行排列，呈NW-SE走向，但較彎曲形沙波整齊度變差，沙波規模變大。地形很平坦，坡面的坡度小于0.1%。如圖3c地形剖面（垂直于新月形沙波走向）上顯示，沙波多呈復合形態，在大型沙波主體上，頂部分支出多個小型鋸齒狀沙波，是穩定沙波在原地經水流后期改造而形成的。地形起伏在5 m以內，較Ⅰ區沙波的地形起伏稍微變大，波脊水深分布于60～63 m，波脊頂間距為160～1 000 m，波長分布于150～800 m，波高一般為0.2～5 m，西南側緩坡坡角為0.2°～0.7°，東北側陡坡坡角為 0.3°～ 1.1°。

圖2 海底沙波分布區地形地貌圖a.地貌圖，b.垂直沙波走向地形剖面圖。Fig.2 Topographic and geomorphologic map of the submarine sand wave distribution area a.topography map, b.topography profile cutting through sand waves.

圖3 多波束顯示的沙波地貌圖（a）與沙波區海底地形剖面圖（b和c）Fig.3 Multi-beam map of sand waves on plane (a) and cross sections (b and c)

3.2 地震剖面顯示形態特征

利用W-E向和SW-NE向的單道地震剖面，識別出沙波的地震反射特征及波高、波長、沙波指數等形態參數。

其中如圖4a（W-E向單道地震剖面），靠近西部的①號位置，沙波形態呈鋸齒狀，為對稱沙波特征，波長主要為120～390 m，波高分布于3.6～11.4 m，大多數處于4～6 m（表1）。兩側波面都較陡，迎流面與背流面區分不明顯，總體表現為生長特征，其遷移特征不明顯，由AB地震剖面測線①號位置，反映其東西方向的水動力條件基本平衡。該測線靠近東部②號位置為典型非對稱性沙波形態，波長主要為300～465 m，波高分布于3～4.5 m。對于一個獨立沙波，西側坡度緩，是迎流面，東側坡度陡，為背流面，通常沙紋處于沙波迎流面一側，本區水動力條件相對穩定，根據沙波陡坡面、波紋與沙波所處位置，較容易判斷出主水流是向東流動。②號位置沙波主要呈隨水流方向遷移特征，而生長特征相對不明顯。

如圖4b是SW-NE向單道地震剖面，該剖面沙波特征與圖4a②表現一致，均是非對稱性沙波特征，表現出陡緩面，西南側坡面較緩，東北側坡面較陡，因此推測向東北方向流動的水流為主導，沙波不斷隨水流運動而遷移。

將近對稱沙波與非對稱性沙波作對比發現（表1），前者的波長短，波高較高，沙波指數（波長/波高）較小，后者非對稱性沙波的波長較長，波高較小，沙波指數較大，同時非對稱沙波沉積位置較對稱沙波區水深要深，且粒度亦較粗，表明近對稱沙波的波高較大，粗徑砂體隨水流搬運走，較難沉積留下，僅有細粒的砂巖沉積下來。非對稱沙波的波形形態較寬緩，沉積物較粗，順著主水流方向，迎流面多受到水流沖刷，越過波峰到較陡的背流面發生沉積。同時揭示出對稱沙波一般形成于非對稱性沙波的水流上游。

經過已有地形地貌和單道地震剖面兩方面資料的相互印證，認為圖1所畫黑色圖框研究區為海底沙波的分布區。

3.3 沉積物組成

臺灣海峽西部近岸研究區有401個表層沉積物采樣點，沉積物組成主要以砂為主，其次是粉砂，黏土（泥）含量較低，礫石較少。如圖5所示，砂和粉砂含量之和均超過50%，主體大于70%，其中含量在90%～100%（包含100%）的樣品有252個。

圖4 單道地震剖面上沙波的形態特征Fig.4 Single-channel seismic profiles showing the morphological characteristics of sand waves

表1 研究區沙波形態參數特征統計Table 1 Statistical table of sand wave shape parameters in the study area

圖5 砂百分含量統計圖Fig.5 Statistical histogram of sand contents

其中研究區的砂（指粒徑0.063～2 mm）百分含量如圖6a所示，砂含量分布于5%～99%，普遍較高，具有從西北向東南方向增高的趨勢特征。其中有197個站位點的砂含量超過80%，基本達到了一半的站位點，較集中分布在研究區的中部到東南部，地形較平坦；而向西北方向靠近岸邊區砂含量降低，主要是小于30%。對應前面有多波束資料顯示的沙波地貌區，該分布區砂含量主要為60%～99%，反映出從近岸向遠岸陸架方向，砂含量明顯增大，沙波發育區沉積物以砂為主，含量較高（一般大于60%），推測（無多波束資料區）向東部及東北方向依然有沙波的發育。

如圖6b所示，粉砂（指粒徑0.004～0.063 mm）百分含量分布于0～82%，具有從西北向東南方向降低的特征，與砂百分含量（圖6a）有較好的負相關性。其中有230個站位點砂含量低于20%，超過了一半的站位點，較集中分布在研究區的中部到東南部；而向西北方向近岸邊區粉砂含量增加，大部分高于45%。對應前面有多波束資料顯示的沙波地貌區，該分布區砂百分含量大多小于30%。從近岸向遠岸陸架方向，粉砂含量明顯降低，反映出沉積物粒度變粗。

研究區沉積物類型以砂和粉砂質砂為主，其次是砂質粉砂、粉砂及礫質泥質砂，部分含礫砂、含礫泥質砂、礫質泥等。西部近岸區沉積物類型較多且復雜，分布有砂、粉砂質砂、砂質粉砂、礫質泥質砂、礫質泥、含礫砂等；東部沉積物類型較簡單，分布有砂、粉砂質砂、砂質粉砂，局部夾有含礫砂團。

平均粒徑代表粒徑分布的總體趨勢，反映了沉積物顆粒搬運的平均動能。如圖6c是研究區沉積物顆粒的平均粒徑分布情況，范圍為0～8Φ，大部分為0～4Φ，只有西北部較小范圍的平均粒徑較大，一般為5～8Φ，向東南方向平均粒徑變小，廣泛區域分布在1～3Φ，主要為細砂——中砂，反映出西北部近岸局部區域受近岸河流輸入影響較大，搬運礫、含礫砂等粗粒沉積物，并且呈粗細混雜狀態，水動力條件不穩定；而向東南方向稍遠岸區水動力逐漸趨于相對穩定的高能狀態，一般是細砂－中砂沉積，粒度分布均勻。

圖6中可以看出，砂百分含量與平均粒徑分布規律明顯，具有較好的負相關性。從近岸陸架向遠岸陸架，沉積物的砂百分含量增高，粉砂百分含量降低，粒度明顯變粗，平均粒徑（Φ值）具有明顯減小的趨勢，在研究區中部——東南部的相對遠岸陸架比西部近岸陸架的水動力能量強。

4 討論

研究區緊鄰廈門灣口，東北側有陸地的九龍江直接匯入，攜帶大量泥沙沉積物入海，其次南部臺灣淺灘砂質豐富，再者東側為濁水溪，它們構成了本區表層沉積物的基本物源，為海底沙波底形的發育提供了物質基礎。

前人研究認為，平坦開闊地形是海底沙波形成的基礎與必不可少的條件[18]。在臺灣海峽西部廈門灣口外的近岸陸架區，海底坡度一般為0°～1°，地形開闊平坦，起伏較小，發育了多個小范圍沙波區。Stow等研究認為，海底底形的形成演化受底流類型、強度、水深等因素控制[8]。該區域底流活動活躍，對沙波的形成影響至關重要[20-24]。

圖6 研究區沉積物分布特征a.砂百分含量平面分布圖，b.粉砂百分含量平面分布圖，c.平均粒徑（Φ值）平面分布圖。Fig.6 Distribution characteristics of sediments in the study area a.The spatial distribution of sands,b.the spatial distribution of silts, c.the spatial distribution of mean particle size (Φ).

海洋底流作用直接控制近岸陸架區泥沙運動與分布。臺灣海峽內海流主要受浙閩沿岸流、南海表層流和黑潮分支的影響[7]（圖1標示）。沿岸流與表層流隨季節變化，受季風影響，夏季是西北季風，表層流波及臺灣海峽；冬季是東北季風，沿岸流向南進入臺灣海峽；向北的黑潮分支全年影響本區；底層海流流向穩定少變，終年向東北方向流動，持續穩定方向的底層流對海底沉積搬運起著重要作用。

臺灣海峽內的潮流運動非常強烈，并且很復雜，一方面是因海峽外傳入的兩支太平洋潮流在海峽內傳播相匯，形成強烈的潮流運動；另一方面是海峽內地形的復雜和岸線的曲折又使海峽內潮汐、潮流的分布很復雜[7]。

廣州海洋地質調查局在研究區內布設有兩個海流監測點（1號和2號測站），于2016年5月20日（農歷四月十四）進行了大潮定點海流觀測（圖7），2016年5月29日（農歷四月二十三）進行了小潮定點海流觀測，利用實測的相關數據來分析沙波發育與潮流的關系。

圖7 研究區海流觀測大潮流速過程和流向曲線圖注：1號站位對應a圖大潮流速過程及b圖大潮流向；2號站位對應c圖大潮流速過程及d圖大潮流向。Fig.7 Current velocity and direction curve of a spring tide form the study area

本區潮流性質為不正規半日潮流，一般實測最大流速為大潮＞小潮，實測最大漲潮流速大于落潮流速。大潮期間：1號站實測漲潮最大流速為51.1 cm/s，流向為NE向，最大落潮流速為48.6 cm/s，流向為S向；2號站實測漲潮最大流速為71.2 cm/s，流向為NNE向，最大落潮流速為57.7 cm/s，流向為S向。小潮期間：1號站實測漲潮最大流速為53.7 cm/s，流向為NNE向，最大落潮流速為34.4 cm/s，流向為S向；2號站實測漲潮最大流速為66.5 cm/s，流向為N向，最大落潮流速為30.2 cm/s，流向為SE向。潮流實測資料顯示，無論大潮還是小潮期，漲潮的流向以NNE向為主，并伴有NE向和N向；落潮的流向以S向為主，亦有SE向，此與沙脊走向（大約SE向）近于垂直。1號和2號測站的漲潮和落潮的大潮、小潮流速總體均以2號站位的速度較大（2號站位相對1號離岸稍遠）。結合該區沉積物粒度的分析，總體是離廈門灣口外遠的2號站位砂百分含量高于1號，即2號站流速大、粒度粗，反映出2號站水動力條件強于1號站。

Berne認為一般小于40 cm/s的底流流速形成沙痕，40～75 cm/s的底流流速形成直線形沙波，而新月形沙波則是由75～100 cm/s的底流流速形成的。因此，本區的海底定向流為形成直線形沙波提供了適宜的水動力條件[25]。

學者分析認為[8]，一般沉積物粒度為0.2～2.1 mm且供應充足，水流流速為0.4～0.9 m/s，則易形成海底沙波。廈門灣口外的近岸陸架區具有復雜的水動力環境，攜帶的沉積物以細砂－中砂為主，粒度主要分布在0.125～0.5 mm，實測潮流流速為0.3～0.7 m/s，方向呈NNE向，潮流推動砂質沉積物向NE方向堆積，形成高低起伏的波狀底形。同時隨著漲潮、落潮等水流旋回波動，沙波發生改造作用，如西部發育的對稱性沙波特征，向東部逐漸改造為非對稱性沙波特征，亦有形成兩者的疊合沙波。因此，根據已有易形成海底沙波因素的研究認識，結合本區潮流流速的實際觀測結果，潮流作用可能是沙波分布區的主控動力。

5 結論

（1）廈門灣口外的近岸陸架區，水深約30～70 m，發育一系列條帶狀坡地。地貌單元上主要為二維彎曲形、三維新月形，波脊與波谷呈NW-SE走向，相間排列，波脊軸線為SW-NE走向。

（2）地震剖面顯示波形形態主要有三類：近對稱性沙波、非對稱性沙波及疊合沙波。波長一般為120～800 m，波高一般為2～12 m，沙波指數較大（＞30）。近對稱性沙波的波高較大，沙波指數小，非對稱性沙波的波長較長，沙波指數大；穩定沙波經后期水流“改造、激活”形成疊合沙波。

（3）沙波區沉積物含砂量高，總體大于60%，以砂、粉砂質砂及砂質粉砂為主，平均粒徑主要為1～3Φ，以細砂——中砂為主。稍遠岸的東部與西部比較，砂含量增加，粉砂較少，粒度相對變粗。

（4）海洋水動力作用直接控制近岸陸架區泥沙運動與分布，影響沙波的發育。本區水動力條件活躍，主要受浙閩沿岸流、南海表層流和黑潮分支的影響。潮流復雜，流速較大，一般為0.3～0.7 m/s，漲潮的流向以NNE向為主，并伴有NE向和N向；落潮的流向以S向為主，亦有SE向。水流主方向與沙波的軸線走向（大約NE向）近于一致，利于水動力推動砂質沉積物推積沙波形成及不斷發生改造作用。