舟山群岛岱衢洋海床的活动性研究及其工程意义

陆琦，刘阿成，范代读

（1.同济大学海洋地质国家重点实验室，上海 200092；2.国家海洋局东海信息中心，上海 200137）

舟山群岛岱衢洋海床的活动性研究及其工程意义

陆琦1,2，刘阿成2，范代读1

（1.同济大学海洋地质国家重点实验室，上海 200092；2.国家海洋局东海信息中心，上海 200137）

浙江舟山群岛北部岱衢洋为一双槽型峡道，由北部潮流冲刷槽、中部海底平原、南部潮流沙脊和冲刷槽等四个地貌单元构成。应用浅地层剖面、侧扫声呐、回声测深、沉积物取样等地质地球物理调查手段，对峡道内海床活动性进行了综合研究，结果表明近年来北部潮流冲刷槽无明显变化，中南部海底平原冲刷沟微地貌进一步发育，南部潮流沙脊向陡翼一侧移动并造成相邻冲刷槽略微淤积。冲刷沟微地貌发育区与浅层气浅埋/出露区基本重合，含气地层浅埋（＜ 5m）或出露海底可能促进了冲刷沟微地貌的发育。在研究区内曾发生因海床冲刷造成输油管道悬空断裂的溢油事故，可见，海底平原区并非是绝对安全区，今后应加强此类灾害地质环境研究和工程后的长期监测跟进。研究结果对舟山海域及其它类似海洋环境的工程设计、施工和维护都具有借鉴意义。

舟山群岛；峡道；海底地貌；浅层气；海洋工程灾害

Abstract: The Daiqu Sea,located in the northern part of the Zhoushan Archipelago,China,is a strait between two islands with tidal current scour troughs along the both banks.The seafloor can be subdivided into four morphologic units,including the North Tidal Current Scour Trough,Middle Plain,South Tidal Current Ridge and South Tidal Current Scour Trough.Just a few years ago a subsea buried oil pipeline across the sea was broken due to tidal souring and resulting in oil pollution.This paper studies on the sea bed activities of the study area,based on the data of sub-bottom profiling,side scan sonar,echo sounding and sea bottom sediment sampling.The results show that from 2003 to 2008,the North Tidal Current Scour Trough was relatively stable,tidal gullies in the Middle Plain were undergoing relatively rapid evolution,and the South Tidal Current Ridge migrated slightly southward.The tidal-gully developing area is just superposed with where the shallow buried gas is highly elevated or even leaked directly to the seafloor.The shallow buried gas,typically with a buried depth less than 5m,might have triggered the development of tidal gullies.The results are useful for strait engineering planning,implementation,and maintenance in the similar marine environments.

Keywords:Zhoushan Archipelago; strait; sea bottom; morphology; shallow gas; marine engineering hazards

峡道是指两陆地之间、陆地与岛屿之间或者两岛屿之间连接开敞水域的水流通道。峡道内受两侧地形制约和过水断面缩窄的影响，产生特殊的水动力条件，泥沙运移与沉积地貌特征等，即所谓的峡道效应。1927年 Gregory[1]对多佛海峡形成年代及其与泰晤士河和莱茵河的关系研究开创了现代峡道研究的先例。自1967年Keller和Richards对马六甲海峡的峡道沉积[2]进行研究以来，世界各地掀起了对峡道动力、泥沙、沉积、地貌等综合研究的浪潮。

我国对峡道的研究主要集中在20世纪80年代后，如对渤海海峡[3-5]、琼州海峡[6]、舟山群岛峡道[7-12]、崎岖列岛峡道[13-17]、海坛海峡[18]等的动力地貌和动力沉积进行了深入分析，这些成果丰富和发展了河口海岸学理论。随着我国各岛屿群海洋开发步伐不断加快，深入开展峡道系统研究具有重要的现实意义。

研究海域位于舟山群岛岱衢洋，是典型的双槽型峡道。峡道南北两侧发育潮流冲刷槽，南部存在潮流沙脊，中南部发育密集冲刷沟微地貌；同时浅层气比较发育，气顶位置接近或出露海底。潮流沙脊与冲刷槽活动性大，易造成海洋工程因底床失稳而引发工程灾害，是陆架上常见的水动力—地貌灾害类型的地质体；浅层气属于沉积—地层灾害地质因素，在杭州湾、浙江近岸海域比较发育[19]。海床不稳定性和灾害地质因素不仅是近海灾害地质研究的主要课题，也是目前海洋工程设计、施工和维护极为关注的要素。岱衢洋是舟山群岛海域中海洋开发与使用程度相对较高的海域。该海域曾发生过因海底冲刷而造成海底输油管道断裂、原油泄漏的事故。因而，以岱衢洋为例研究峡道海底地貌的活动性，揭示其发生规律和影响因素，不仅可应用于对研究区已建成海底管线的维护，也可为今后类似海域的海洋开发、海洋工程设计施工等提供借鉴。

1 研究海域自然环境与工程概况

岱衢洋介于衢山岛与岱山岛之间，西连杭州湾水域，北邻崎岖列岛，距上海洋山深水港区20 km，东接东海，向南与岱山水道相连，属舟山群岛北部峡道中的一支。峡道水域受岛屿群轮廓线影响，呈NWW-SEE走向，南北宽12 ～ 15 km，东西长25 km。岱衢洋水动力和海底地形地貌具有明显的峡道特征，在南、北岛屿近岸段形成多个潮流冲刷深槽，最大水深为 54 m，而峡道中部水域凸起为海底平原，水深12 ～ 20 m，峡道东西两端开阔海域水深小于10 m（图1）。

图1 研究海域地理位置与水下地形图（据2006年海图改绘）Fig.1 Location of the study area and the seafloor topography

研究海域的潮汐属不规则半日浅海潮，落潮历时长于涨潮历时。据邻近岱山海洋站的长期观测资料，多年平均潮差为191 cm，最大潮差为373 cm，平均涨潮历时5 h 52 min，落潮历时6 h 34 min，历时差42 min。据2008年7月在该海域天文大潮期间的水文测验资料，潮流为往复流形式，涨潮流向NW，最大实测流速为164 cm/s，落潮流向SE，最大实测流速为140 cm/s，涨潮流速稍大于落潮流速。本区常浪向和强浪向均为偏北向。

研究海域已形成了比较集中的海底管线区，已建成多条重要的海底管线，包括某海底输气管道、输油管道、多条岱山至衢山110kV、35kV输电电缆、岱山至衢山海底光缆等（图2）。由此可见，岱衢洋是舟山群岛海洋开发与使用程度相对较高的海域。其中海底输油管道曾因海底冲刷而造成断裂溢油事故；早期的10kV海底输电电缆也因多次受损等原因最终退出营运。

2 资料来源与调查

研究资料来源于 2003－2008年的某项海洋工程勘测。现场调查范围位于岱衢洋中西部，从岱山岛北部至衢山岛西南部海域。项目包括底质采样、浅地层剖面探测、侧扫声呐探测和海底地形测量。底质采样使用蚌式采泥器与重力柱状取样器，样品在现场定性描述拍照记录后抛弃。浅地层剖面探测采用Geopulse高分辨率浅地震剖面仪，地层分辨率0.2 ～ 0.3 m，地层穿透厚度最大约80 m；声呐探测采用GeoAcoustics双频旁扫声呐，频率100/500 kHz可选，量程50 ～ 200 m可调；海底地形测量采用海鹰HY1600单频回声测深仪；定位均采用DGPS导航系统，定位点距50 m，精度优于3 m。浅地层剖面探测、侧扫声呐探测和海底地形测量同步进行，测线间距50 ～ 75 m，共30条，总长度310 km，覆盖海域宽度4 ～ 5 km（图3）。

图3 研究海域调查测线与A-A′典型剖面位置图Fig.3 Map showing survey lines and locations of A- A′profiles

3 结果与讨论

3.1 地貌分区

岱衢洋周边岛屿岸线曲折，水深介于 10 ～54 m，海底地形呈现南北两端低而中部高，坡度0 ～10°，分布着潮流冲刷槽、潮流沙脊和海底平原等3种海底地貌类型，水深大于20 m的潮流冲刷槽和小于20 m的海底平原分别占总面积的20%和75%（图4、图8）。

图4 研究海域地貌类型与分布Fig.4 Classification and distribution of seafloor morphology in the study area

3.1.1 潮流冲刷槽 潮流冲刷槽也称为潮流槽，按相对冲刷深度又可以进一步分为潮流深槽和浅槽。该类地貌单元发育于研究海域南北岛屿附近。

北部深槽受衢山岛西南部岬角海岸影响略呈弧形，自琵琶栏岛向东南延伸，深槽全长约12 km，平均宽度约3 km，由西北向东南渐展宽。深槽水深一般20 ～ 50 m，最大水深54 m；横断面呈不对称“U”形，北坡窄而较陡，最大坡度约15°，宽0.3 ～1 km；槽底宽300 ～ 600 m，略有起伏；南坡较宽缓，宽2 ～ 2.4 km，坡度1～2°，总体表现为上缓下陡。槽底沉积物为粘土，强粘性、含水量较低。深槽向南逐渐过渡为平坦的海底。

南部深槽受岱山岛东北部岬角海岸影响，在稻蓬礁、燕窝岛等海岸附近发育成多个独立深槽区，其中稻蓬礁深槽位于研究海域范围内。该深槽发育自稻蓬礁西侧，近W-E走向，长约2.5 km，宽度约0.6 km，槽底水深20 ～ 30 m；深槽南北向横断面呈“V”型，南坡为岱山岛水下岸坡，坡度约8°，北坡邻接潮流沙脊，坡度约2°。燕窝岛深槽发育自燕窝岛北侧，呈W-E走向，深槽长约7.5 km，宽为2.5 km，槽底水深20 ～ 54 m。

3.1.2 潮流沙脊 潮流沙脊发育在岱山岛稻蓬礁深槽西北侧，形成槽脊相伴生现象。脊南北宽约1 km，向东、西延伸超出研究海域；脊顶水深9～14 m，高度4～8 m，脊线有起伏，呈现中间低，东、西两端高。沙脊南翼与潮流深槽的北坡相接，大体上可以20 m等深线为界：以深为冲刷槽北坡，以浅为沙脊南翼。沙脊的北翼延伸至18 m等深线。南翼坡度较陡，为2～4°，北翼较缓，为0.5～2°。沙脊西部叠加发育波痕，波幅约20 cm，波长约6 ～10 m，波痕大致平行，走向以SW-NE为主，与沙脊的走向近垂直，类似的伴生微地貌现象在其它海域也有见到[12]。沙脊形态完整且连续，一直处于活动中，物质组成以分选好的细砂为主，可以判断为现代潮流沙脊。

3.1.3 海底平原 海底平原从距离岱山岛约2.4 km向北，至距离衢山海岸约4 km，海域长度约7 km，水深一般12～20 m，海底平缓向南倾斜，底质以粘土质粉砂为主。在中南部海域与上述潮流脊相邻，受潮流冲刷作用比较明显，冲刷沟微地貌发育，相对深度0.5～2 m。冲刷沟横断面既有“U”型，也有“V”型的，宽度50～200 m（图5、图6）。

图5 回声测深记录中显示的中南部海底平原冲刷沟微地貌Fig.5 Rill mark shown in Echo Sounding Records at sea-bottom plain

图6 侧扫声呐记录显示中南部海底平原冲刷沟微地貌Fig.6 Scour rill on the flat seafloor geomorphic unit shown in Side Scan Sonar Records

3.2 沉积物类型与分布

岱衢洋海区实际上是长江口外水下前三角洲的延伸部分，沉积物主要来源于长江入海泥沙和当地岛屿风化产物。沉积物取样结果表明，研究区的底质类型主要有粘土质粉砂(YT)、细砂(S)、粘土(Y)，由南向北含砂量降低，含泥量增加（图 7）。粘土分布于北部潮流冲刷槽内，样品为灰色，软塑，含水量相对较低，属较早的沉积地层。粘土质粉砂分布于研究海域中部，泥样表层有厚约1～2 cm的灰黄色浮泥，下面为浅灰色泥，近流塑状，微粘性，粉砂含量60%以上，样品含水量高；细砂分布于南部海域，浅黄色，分选好，松散，与南部海域波浪作用较强有关。粘土质粉砂和细砂为现代海相沉积物。经柱状样现场土力学性质测试分析，由北向南，样品抗剪强度和贯入阻力逐步降低，与底质类型的分布特点是吻合的。

图7 研究海域表层沉积物分布YT：粘土质粉砂，S：细砂，Y：粘土Fig.7 Classification and distribution of surface sediment in the study area

3.3 浅部地层剖面特征

3.3.1 地层划分 浅地层剖面探测是利用声波在不同介质中传播特性上的差异获得的地质信息记录，地层中不同的沉积物结构、岩性（物性）及层理类型等都因其声学差异而在浅地层剖面上得到反映，直观地显示出浅部地质信息。

研究海域的浅地层剖面自上而下可识别出2个主要反射界面，依次为QT0、。QT0即海底面，由于底质与海水两种介质之间的波阻抗较大，故显示出以高能量、高振幅、高连续性为特征。界面以强反射波为特征，连续性好，为物性差异较大的沉积界面。在北部海域该界面向北倾斜，其余海域为近水平微起伏。根据上述各反射界面特征，浅部地层自上而下划分为 I1、I2两个反射层组。I1层组位于 QT0与反射界面之间，为海底面下最新的沉积层，呈平行状反射结构，振幅较强，频率高，周期宽度相对均匀，连续性良好，研究区中部I1层组发育厚度约6～15 m。在北部潮流深槽的南坡可见其向北微倾斜至尖灭，在南部潮流槽内该层组缺失。I2层组位于反射界面下，未揭穿，呈层状展布，反射结构多为平行状，振幅强，频率中等，连续性尚好，在北部潮流深槽处已出露至海底面，中南部因浅层气抬升造成地层结构揭示不祥。舟山群岛海域的钻孔揭示，全新统海积层厚度一般为20～25 m[7]，结合研究海域上述浅地层剖面的反射波特征，判断I1与I2层组为海相沉积层，前者属上全新统，后者推断为中下全新统，两者之间未见明显的沉积中断现象（图8）。

3.3.2 埋藏浅层气 研究海域的浅层气相当发育，很多浅地层剖面中都记录到浅层气，但其发育程度和赋存方式在不同地貌单元之间差异较大。在北部潮流深槽，浅层气埋深15～20 m，可能与上部地层以粘土为主有关，浅层气不易穿越上升；在中部海底平原区气顶可突然上升至海底面下1～2 m，在冲刷较明显的冲刷沟内直至海底面，但未见气体逸出海底的记录特征；南部潮流沙脊区浅层气较弱，埋深增加至5～20 m，则可能与沙脊以粗颗粒沉积物为主有关，透气性好，浅层气不易在海底面下附近积聚（图8）。从含气层及声波屏蔽层的气顶埋深分析，极大部分浅层气产生于全新统，晚更新统较少，或者是由于全新统地层中浅层气的屏蔽作用掩盖了晚更新统含气层的显示（图9）。

3.4 海底地貌活动性及影响因素探讨

本文根据 2003年和 2008年两次实测水深资料，在Surfer软件支持下利用Kriging插值技术建立不同时期的DEM水深模型，选取A-A′剖面分析水下地形变化（图10）。

由图 10可见，北部深槽和海底平原区北部，即衢山岛至距岸5～6 km的海域，5年间水深变化不明显，海底地形基本稳定，如北部潮流冲刷深槽的最大水深维持在52 m左右，且深泓部位也无明显变化。在海底平原区南部，即冲刷沟微地貌发育的海域，水深增加1～2 m，年均冲刷20～40 cm，有些冲刷沟已扩展相连，形成低洼地。南部潮流沙脊向陡翼方向（向南）迁移，缓翼至脊顶冲刷2～3 m，年均冲刷40～60 cm，受南侧潮流槽的制约，潮流脊的移动受到限制（图10）。

图8 浅地层A-A′剖面显示地层结构和地貌特征Fig.8 Typical seismic profiles A-A′and topographical interpretation

北部海域的海底地貌稳定，可能既与底质类型有关，也与地貌性质有关。如深槽内底质为软塑性的粘土，沉积物形成年代较早，具有强粘性、含水量低等特点，不容易冲刷起动；同时槽底水深也是研究海域最深的，冲刷槽经过长期潮流动力作用已基本达到平衡。

图9 中部海底平原浅层气特征Fig.9 Shallow buried gas in the flat seafloor geomorphic unit

海底平原南部与潮流脊相邻，冲刷沟发育，微地貌变化比较明显，一是海底向下侵蚀，二是冲刷沟扩展合并形成低洼坑。浅地层剖面、侧扫声呐和回深测深记录显示，冲刷沟密集发育的海域浅层气普遍接近海底面，而在浅层气埋藏深度较大的海域未发现类似现象。本区的浅层气主要赋存于全新世和晚更新世地层中，属典型的未受重大次生作用影响的原生甲烷型生物成因气[20]。含浅层气的地层往往是不良地基[21]，Whelan等对海底淤泥中所含甲烷浓度与沉积物抗剪强度之间的关系进行了研究，结果表明自重作用下的固结作用使海底松散沉积物的抗剪强度随深度增大，而含气层中这种增长率明显减小[22]。武汉力学研究所对杭州湾大桥断面海底浅层气的研究表明，对于含浅层气的砂土，不管是粉砂还是细砂，其抗剪强度均随着浅层气气压上升而有所降低[23]。由此可见，浅层气的存在可使土质的抗剪强度降低，从而增强了潮流对海床的冲刷掏蚀作用，研究海域浅层气浅埋区（埋深＜5 m）与冲刷沟微地貌发育区的对应出现可能是该相互作用关系的具体表现。

现代潮流沙脊通常以不对称为多，陡翼高，缓翼低。Houbolt[24]认为沉积物从缓翼的底部斜交地向脊顶运移，然后在陡翼上沉积下来，即陡翼倾斜方向可以指示潮流脊的发育方向。研究海域南部潮流沙脊北翼缓、南翼陡，呈现明显的不对称性，在2003年与 2008年的水下地形对比研究中，明显观测到沙脊向陡翼方向有侧向迁移的现象（图10）。

图10 典型剖面A-A′2003年与2008年水下地形冲淤变化Fig.10 Morphologic change by comparing two different year charts of 2003 and 2008 along A-A′profile

4 工程指示意义

综上所述，浅层气、密集冲刷沟和潮流沙脊是研究海域主要的灾害地质因素，其存在增加了海床地貌的活动性，不仅可能造成埋设于海底土中的管线裸露、悬空和断裂，也为其它威胁海底管线的因素，如不规范抛锚等对管线的损坏创造了条件。

在一般的海底管线工程施工中，比较多地关注潮流冲刷槽等不良地貌类型。冲刷槽由强潮流冲刷而成，流急水深，海底地形起伏较大，底质条件较差，施工难度大，由此成为海洋工程勘测与施工关注的重点。对于管线在相对平缓的海底平原可能遭遇潜在威胁的研究比较少，但在研究海域的海底平原区中，因冲刷沟微地貌发育和浅层气浅埋/出露区使海床活动性增大，作为海底不稳定因子，构成的潜在威胁不容忽视，尤其是研究区附近曾发生某海底油管因海床掏蚀、悬空而断裂的事故。

为尽可能避免管线损坏事故的发生，可采取如下的防治方法与措施。首先是应尽可能避开上述不良地貌/地质现象；其次是在无法避开时，加大管线埋深是最有效的防护措施；最后是建成后实施定期监测，如发现海底管线出露海底等问题，及时采取补救措施。

5 结 语

根据以上研究，可以得出以下结论：

a)研究海域为一双槽型峡道，由北向南依次划分为北部潮流冲刷槽、中部海底平原、南部潮流沙脊与冲刷槽四个地貌单元。

b)北部潮流冲刷深槽海床基本稳定；南部潮流沙脊和冲刷槽都一直在活动，沙脊向陡翼一侧迁移，活动性强的海底地貌一直是海洋工程关注的潜在地质灾害类型。

c)海底平原南部的浅层气浅埋/出露区与冲刷沟微地貌发育区基本一致，表明浅层气与冲刷微地貌的发育及其活动性存在一定关系，也是海底管线工程的潜在地质灾害，应该引起足够重视。

致谢：上海东海海洋工程勘察设计研究院张杰、张树海、王百顺、吴巍、唐建忠、万天鹏等参加了野外调查，在此谨致谢忱。

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A study on sea bed activity and its engineering implications at the Daiqu Sea in Zhoushan Archipelago

LU Qi1,2,LIU A-cheng2,FAN Dai-du1
(1.State Key Laboratory of Marine Geology,Tongji University,Shanghai 20092,China;2.East Sea Information Centre,SOA,Shanghai 200137,China)

P737.2; P751

A

1001-6932(2010)04-0385-07

2010-02-03；

2010-03-17

中国自然科学基金 (40876021 )

陆琦（1981—），男，上海人，工程师，硕士研究生。主要从事海洋地质研究和海洋工程勘测，电子邮件：13661586452@139.com