海南東方近岸海底活動沙波的地球物理特征及其遷移機制

李勇航，牟澤霖，倪玉根，蘇明，潘冬陽，蔡鵬捷，陳志堅

1.中國地質調查局廣州海洋地質調查局，廣州510760

2.中山大學海洋科學學院，珠海519082

在海洋浪、潮、流等水動力作用下，波脊線垂直于主水流方向的一種韻律形的海床地貌形態稱為海底沙波[1-2]，由現代河流入海沉積或原地和鄰近海底較老沉積物形成。我國南海北部[3-4]、東海北部[5]和渤海東部[6]等近岸和淺海發育有大量海底沙波。海底沙波快速遷移可能造成航道淤積、海底管道的懸空或掩埋，更嚴重可能導致海底管道和光纜斷裂、海上平臺傾斜，給經濟和環境帶來巨大損失[7-8]。此外，海底沙波與古氣候、古環境、古岸線的重建與反演密切相關[9-11]。因此，研究沙波具有重要的應用價值和科學意義。國內外學者對海底沙波的形態特征[12-16]、穩定性[17]、遷移速率[18-20]和發育與形成條件[21]等進行了研究。受測量方法綜合性、資料分辨率、測量精度等不足所限，專門針對海底活動沙波地球物理特征的分析較少。本文利用多波束測深、側掃聲吶、淺地層剖面及單道地震資料對研究區海底沙波的分布、微地貌、外部形態和內部結構等進行了綜合分析，揭示其遷移方向、活動性及形態演變特征，為快速判定海底沙波遷移方向及其活動性強弱提供參考和借鑒意義。

1 區域背景

海南島西南近岸海域海底沙脊與海底沙波等地貌十分發育。沙脊分布范圍為近岸到岸坡邊緣水深35 m的區域，多數呈狹長條狀，走向以NW-SE為主，少數近岸沙脊呈不規則條狀，呈NE-SW走向（圖1a）。沙波是分布最廣泛的地貌類型，與沙脊普遍存在共生關系。研究區（圖1a所示紅色框）是海南島西南近岸海域典型的海底沙脊與沙波發育區域（圖1b），位于東方岸外海域，距離感恩角約20 km，面積3.5 km×6 km，屬于淺海半封閉性的陸架海，附近有羅帶河、感恩河等小型河流入海。鉆孔資料顯示海底沙脊上全新統厚度具有明顯的空間差異性，從幾米到幾十米不等；沙脊槽部遭受潮流、波浪的沖刷侵蝕，全新統厚度薄，甚至直接出露更新統。附近兩口鉆孔顯示MIS1期沉積速率分別為16.7和35.4 cm/ka。研究區地質構造上屬于鶯歌海盆地東緣。研究表明20～50 m水深的沙脊區在第四紀海侵前為陸地，海平面快速上升期間沿岸沉積被沒入海水中接受改造[22]。海底表層沉積物多是河流輸入、海流運輸及近岸侵蝕的混合沉積物[23]。近岸潮流主要為近南北向往復流，流向與岸線基本平行，近岸漲、落潮流分別為北向和南向[12]。研究區實測大潮漲潮最大底層流速68 cm/s，平均流速42 cm/s；落潮最大底層流速69 cm/s，平均流速40 cm/s。西北太平洋及南海生成的熱帶氣旋或臺風引起的風暴潮、臺風浪，對海岸形態及海底底形也產生較大影響。

圖1 海南西南近岸海域水下沙脊和調查測線分布（a）以及研究區地形和圖3—6所在位置（b）Fig.1 Distribution of submarine sand ridges and survey lines in coastal waters of southwestern Hainan （a）,and topographic map of study area and the location of Fig.3-6（b）

2 數據與方法

廣州海洋地質調查局2019年利用“奮斗四號”船在海南島西南海域進行了大范圍的淺地層剖面、單道地震、側掃聲吶調查（圖1a）。2020年又利用“奮斗五號”在選定區域（圖1b）進行了高精度多波束測深調查。聲速值使用1 520 m/s，導航定位使用SF3050 DGPS接收機，定位誤差小于0.5 m，多波束及淺剖使用Octans進行姿態校正，船只保持4～5 kn勻速直線行駛，使用的調查設備及采集參數見表1。多波束測深、側掃聲吶、淺地層剖面、單道地震數據處理分別使用Caris 11.2、SonarWiz 5.0、ISE 2.9.5及Geosuite Allworks 2.6軟件，圖表制作使用CorelDRAW X7、ArcMap10.5軟件。

表1 主要調查設備及數據采集參數Table 1 Main parameters of the surveying systems

3 結果

地球物理數據綜合揭示了研究區沙波分布、大小、遷移方向、微地貌、外部形態和內部結構等特征。

3.1 多波束測深

多波束測深數據揭示研究區沙波分布、規模、形態及遷移方向具有顯著的空間差異性。按照波高不同，波高7.5～40 cm為小型沙波，40～75 cm為中型沙波，75～500 cm為大型沙波，波高大于500 cm的沙波稱巨型沙波[24]。

研究區在近南北走向的海底沙脊上（水深10～25 m）主要發育大中型沙波，巨型沙波也有出現（圖2a-S1、S2、S5），波高0.8～13.2 m，平均4.9 m，整體高于全區沙波平均值。沙波脊線彎曲，呈韻律的條帶狀；剖面呈“脊尖槽緩”的波狀排列，成群出現。沙脊側翼部發育小型沙波（圖2a-S3）。研究區西南部沙波不發育，地形較平坦（圖2a-S4和圖2b）。在海底沙脊東側沙波總體為向南（略偏西）遷移，西側總體為往北（略偏東）遷移（圖2b）。研究區北部海底坑槽（水深30～45 m）發育近對稱沙波，其遷移方向不明顯（圖2a-S6和圖2b）。

表2 為海南西南海域沙波形態參數的文獻對比統計，其中第一列為研究區202個主要沙波形態參數的統計結果，沙波脊線展布見圖2b。研究區沙波最大波高13.2 m，最大陡坡傾角25°，最大對稱指數12.8，與前人研究結果相比數值偏大，表現出強活動性的特征。

表2 海南島西南近岸海域海底沙波形態參數統計Table 2 Morphological parameters of submarine sand waves in the southwestern offshore area of Hainan

圖2 多波束測深揭示典型沙波分布與形態（a）及沙波遷移方向（b）Fig.2 Distribution,shape （a）,and migration direction （b）of typical sand waves revealed by multi-beam echo-sounding data

3.2 側掃聲吶

側掃聲吶是基于聲學反向散射原理的二維成像，可對小高差的微地貌單元（如小沙波、沙紋等）進行定量化的觀測（圖3a )。測線A-A’（位置見圖1b）經過海底沙波發育區，沙波脊槽相間，槽部有明顯小起伏，翼部較為平坦（圖3a）。圖3b海底線呈“竹節狀”變化同樣指示沙波脊槽相間的地形變化特征；沙波脊部對聲波的屏蔽導致脊線兩側回波強度差異大，甚至形成聲影區；槽部和翼部密集發育小沙波與沙紋。圖3c為圖3b的局部視圖，進一步揭示沙波上疊置的小沙波和沙紋的形態和分布特征。疊置小沙波和沙紋表現為尺寸細小、排列緊密，呈直線形或分叉狀，與其下伏沙波走向一致。從分布特征上看，沙紋似乎多在兩翼發育，而小沙波則在槽部發育。

圖3 側掃聲吶揭示的沙波剖面形態（a）與平面形態（b）及微地貌分布特征（c）Fig.3 Profile shape （a）, plane shape（b）,and micro-geomorphologic distribution characteristics（c）of sand waves revealed by side-scan sonar

3.3 淺地層剖面

淺地層剖面B-B’（測線位置見圖1b）顯示沙波呈波形不對稱的波狀排列。沙波緩坡面海底線連續清晰，淺部有一層厚約2 m的透明層；陡坡面反射散亂，下伏亞平行狀的遷移底界面（圖4a），指示沉積物從緩坡被侵蝕并在陡坡面堆積，沙波沿底床不斷前移。

圖4 淺地層剖面揭示活動沙波特征（a）和坑槽中對稱沙波特征（b）Fig.4 Characteristics of active sand waves （a）and symmetric sand waves in the pit （b）revealed by sub-bottom profile

淺地層剖面C-C’（測線位置見圖1b）經過研究區北部坑槽區，同樣可見陡坡海底界面呈模糊反射，剖面中段近對稱沙波發育，其兩側沙波遷移方向相反（圖4b）。

3.4 單道地震

單道地震揭示了海底沙波的外部及內部形態結構。測線XCL8單道剖面（圖5a）經過沙脊區（測線位置見圖1b），可見沙波呈波形不對稱波狀排列，成群出現，波脊尖銳。圖5b為圖5a的局部視圖，緩坡面表層反射為連續強振幅，陡坡面反射模糊，沙波內部可見呈斷續丘狀弱振幅反射的斜交前積結構（黑線），表明該處沉積物從緩坡侵蝕，并向陡坡不斷堆積遷移。下伏地層呈連續中振幅亞平行反射（藍色和綠色虛線），其中最上層與沙波槽部相切，為沙波遷移的底界面（藍線）。未見埋藏（消亡）的多期次沙波或沙脊結構。

圖5 單道地震剖面揭示測線XCL8沙波群形態（a）及沙波結構特征（b）Fig.5 Shape of sand wave group of line XCL8（a）and structure characteristics of sand waves（b）revealed by single-channel seismic profile

測線XCL7單道剖面（圖6a）經過研究區北部的坑槽區（測線位置見圖1b），剖面北段顯示為平坦地形，沙波不發育，中段坑槽區的對稱沙波發育，南段發育呈北向遷移沙波群。圖6b為圖6a的局部視圖，左側與右側的沙波對比，其內部斜交前積結構以及反射模糊的陡坡面，朝向皆相反，指示底流在此處達到平衡或方向發生轉換。越靠近對稱沙波區，沙波波高越高。表層強振幅、下部連續中振幅亞平行反射，與圖5b所顯示的類似，分別表征了未壓實的沉積物和遷移底界面。

圖6 單道地震剖面揭示測線XCL7沙波群形態（a）及坑槽中對稱沙波內部結構特征（b）Fig.6 Shape of sand wave group of line XCL7（a）and structure characteristics of symmetric sand waves in the pit （b）revealed by single-channel seismic profile

4 討論

4.1 沙波分布特征和遷移機制

海南島東方岸外沙波的形成和發育主要受潮流場控制，熱帶風暴對其有改造作用[7]。研究區海底沙波分布廣泛，大中型沙波主要發育于沙脊上以及沙脊兩側，沙脊西南部沙波不發育，坑槽發育近對稱沙波（圖2a），不同部位沙波規模和形態具有明顯空間差異。這種差異與沙波受水動力、地形、可供沉積物多少的控制有關。

在潮控陸架上，利用沙波波形不對稱可判斷沉積物的遷移方向。研究區沙波形態參數統計結果（表2）表明，研究區沙波對稱指數為1.0～12.8，平均為4.5，具有明顯的不對稱性。利用這種不對稱性識別了研究區沙波遷移方向（圖2b）。如前所述，研究區海底沙脊西側沙波主要呈向北（略偏東），東側沙波主要呈向南（略偏西）兩個方向遷移（圖2b）。研究區潮流為正規全日潮型的往復流，漲潮時潮流主體向北運動，在科氏力影響下流動向右偏轉，水體能量在沙脊西側相對聚集，使得沙脊西側的沉積物向北（略偏東）遷移；退潮時潮流主體向南運動，在科氏力影響下水流向右偏轉，水體能量在沙脊的東側相對聚集，使得沙脊東側的沉積物向南（略偏西）遷移。因此，研究區沙脊兩側沙波的遷移特征是潮流與科氏力綜合作用的結果。

受控于地形這一主要因素，研究區北部坑槽區發育近對稱性沙波（圖2a-S6）。朝向相反的陡坡面及斜交前積結構（圖4b和圖6b）一方面反映了沉積物從坑槽外向坑槽內匯聚，另一方面反映了漲、落潮流在此達到平衡，其遷移可能停止或方向發生改變。

4.2 沙波活動性特征

在現代水動力條件下形成的沙波大多是活動的，其形態隨水動力條件變化而改變[27]。陸架水下沙波的穩定性標志表現在海底狀況、外部形態、粒度結構、水動力和遷移速率等方面[17]。前人統計不同沙波發育區的水動力大小，認為20～100 cm/s的底流速度是形成陸架沙波的動力條件，底流速度大于50 cm/s是 強 活 動 沙 波 形 成 的 特 征 標 志 之 一[17,21]。研究區實測大潮期漲、落潮最大底流速度分別為68和69 cm/s，這一結果滿足強活動沙波形成的底流條件。雖然僅憑沙波的形態特征和參數尚難以定量計算沙波遷移速率，但可定性地評估沙波活動性強弱及遷移方向。

研究區海底沙波“脊尖槽緩”波狀排列（圖2），波高、陡坡傾角、對稱指數等形態參數數值較大（表2），沙波上疊加發育與其遷移方向相同的小沙波、沙紋微地貌單元（圖3c），表征了沙波具有較強的活動性。沙波的活動性與淺地層剖面特征密切相關[12-13]。單道地震剖面緩坡表層的強振幅反射（淺地層剖面表現為一層透明層）指示尚未被壓實的沉積物。陡坡呈反射模糊特征（圖4、圖5），以及表現為斷續丘狀弱振幅反射的斜交前積內部結構（圖5b、圖6b），反映從緩坡侵蝕的沉積物在陡坡處堆積，并不斷向前遷移。沙波陡坡越陡則其活動性越強，遷移速度越快。坑槽區的對稱沙波對稱指數小，反映漲、落潮流流速相近，沙波比較穩定。對活動沙波的水深、形態結構、微地貌分布、剖面反射特征等綜合分析（圖2—6），其特征歸納見表3。

表3 研究區海底活動沙波地球物理特征Table 3 Geophysical characteristics of active submarine sand waves in the study area

4.3 沙波活動性與形態演變

通常平坦寬闊的海底地形及充足的沉積物供應是海底沙波形成的主要內因，而潮汐、海浪、波浪、內波等水動力條件則是主要外因。海底沙波、沙紋以及沙脊、沙帶等不同（底形）地貌單元，隨著條件的改變可發生互相轉化、共存和疊置。海底沙波形態特征反映海底動力、底沙豐寡、沙波尺度大小及運動的相對強弱[17]。研究區沙波活動性與其形態密切相關。主要考慮水動力條件及沉積物供應因素，將研究區沙波活動性強弱與形態特征進行耦合，分為弱運動、強運動、不運動3個主要階段。

第一階段沙波處于弱運動（圖7a）。在平坦開闊的海底，隨著潮流動力逐漸增強，對原地或鄰近海底沉積物的侵蝕能力增強，但由于沉積物供應缺乏，這一階段中小型沙波稀疏發育，波高較小，初步表現出活動性和定向遷移特征。第二階段沙波處于強運動（圖7b）。隨著沉積物供應增多及潮流動力增強，侵蝕和堆積作用同時進行，且以堆積作用為主。大中型沙波密集發育，波高與坡度大，波脊尖銳，沙波活動性強，可快速遷移。第三階段沙波變得逐漸不運動（圖7c）。沉積物供應減少，潮流動力減弱或極大增強，沙波形態難以維持，波脊呈圓頂的龜背狀，兩坡交切圓渾，坡度較小，沙波持續退化，活動性減弱，沙波難以遷移。

圖7 海底活動沙波形態演變階段一（a），階段二（b）和階段三（c）的特征Fig.7 The characteristics of stage 1（a）,stage 2（b）,and stage 3（c）of the morphologic evolution of active submarine sand waves

5 結論

（1）研究區沙波分布和規模具有空間差異特征，大中型沙波主要發育于沙脊上，小型沙波主要發育于沙脊兩側，西南部沙波不發育，坑槽區發育近對稱沙波。受潮流場與科氏力制約，在沙脊西側的沙波趨于向北（略偏東）遷移，東側的沙波趨于向南（略偏西）遷移。中部坑槽區內的近對稱性沙波，遷移可能停止或方向發生改變。

（2）研究區沙波的形態參數特征與地球物理特征共同表征了沙波的強活動性。沙波平均波高4.7 m，平均陡坡傾角10.7°，平均對稱指數4.5，與前人研究結果相比偏大?；顒犹卣鞅憩F為“脊尖槽緩”的波狀排列，疊置發育小沙波與沙紋，淺部含透明層，遷移活動底界面清楚，內部為斜交前積結構。

（3）研究區沙波形態與其活動性密切相關，對應弱運動、強運動、不運動3個主要演變階段。弱運動階段沙波發育稀疏，初步表現出活動和定向遷移特征。強運動階段沙波發育密集，波脊尖銳，活動性強，沙波可快速遷移。不運動階段波脊渾圓，坡度較小，沙波開始退化，活動性弱。