东海陆架典型海洋灾害地质因素及其声反射特征

刘杜娟，潘国富，叶银灿

（国家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012）

东海陆架典型海洋灾害地质因素及其声反射特征

刘杜娟，潘国富，叶银灿

（国家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012）

浅地层剖面探测、侧扫声纳探测、多波束测深等地球物理方法是识别海洋灾害地质因素的主要手段。根据多年来在东海陆架开展的多项海洋调查项目获得的资料，在东海陆架识别出多种海洋灾害地质因素，主要的有海底滑坡、浅层气、沙波、埋藏古河道、沙脊等，并对它们的声反射特征进行分析。各种灾害地质因素因其独特的成因机制，对海洋工程设施的影响也不同。

东海陆架；海洋灾害地质因素；声学反射特征

随着海洋油气勘探与开发的蓬勃发展，以及众多国际海底光缆的建设，海上工程设施日益增多，海洋灾害地质调查和研究也越来越受到有关部门和学者们的重视，并取得了一定的研究成果[1-6]。

不同的海区有不同的自然环境和地质背景，因而尽可能全部地识别出对各海区工程建设产生直接危害或潜在威胁的各种灾害地质因素至关重要。东海陆架上分布有平湖海底输油气管道、春晓气田群海底输气管道和多条重要国际光缆，这些“生命线工程”的安全非常重要。本文主要在上世纪九十年代以来在该区展开的多项海底光（电）缆、管道路由调查的基础上，结合前人研究成果，对东海陆架上几种典型的浅部海洋灾害地质因素进行识别，并对其内部声反射结构、外部形态、成因机制等方面进行深入的分析和研究。

1 东海陆架海洋灾害地质因素

在对单道地震、浅地层剖面测量、侧扫声纳探测、单波束和多波束测深等高分辨率地球物理方法获得的资料进行解释的基础上，通过地球物理探测记录上的声反射振幅、频率、内部反射结构，辅以外部几何形态、沉积组合、地貌部位等信息，对东海陆架海洋灾害地质因素进行识别。主要有：海底活动断层、海底滑坡、沙脊、沙波、浅层气、埋藏古河道等。将它们分为两类：活动性灾害地质因素和限制性地质条件[1]。前者具有活动性和破坏能力，如海底活动断层、海底滑坡、浅层气、沙波等；后者自身并不具有活动能力，但它们的存在会对某些海洋工程建设及安全起限制作用，包括埋藏古河道、沙脊等。

2 活动性海洋灾害地质因素及其声学反射特征

2.1 海底活动断层

从活动时间看，东海陆架既发育有基底断裂、盖层断裂，也发育有长期活动的继承性断裂。从断裂的走向看，发育有北东、北北东、北西、东西和南北向等几组断裂，其中以北东、北北东和北西向三组断裂最为重要（图 1）[7]。北东、北北东向基底断裂在新生代仍继续活动，但在陆架的不同部位，断裂的活动性并不相同。在陆架西部，基底断裂在新生代的活动性较弱，有的甚至不活动。陆架东部，断裂活动性较强。基底断裂在新生代的活动性有自西向东逐渐增强的趋势。

图 1 东海断裂分布图 [7]Fig. 1 Distribution diagram of factures in East China Sea [7]

在浅地层剖面记录上，可看到海底活动断层的迹象，这主要表现在连续性好的同相轴的系统性错断。在断层面两侧可见地层的错动、变形及层厚不均等现象。在海底表面有时可见到陡崖、陡坎地形[8]。有的表现为两盘厚度不一致，地层发生弯曲，有的则为反射层突然中断或减薄，还有的两侧反射特征不一样[6]。

浅表活动断层对海底构筑物的危害性显而易见，它所引起的地面错动及其附近伴生的地面沉降往往会直接损害跨断层修建或建于其邻近的构筑物。沿断层往往有埋藏古河道伴生，断层的不断活动会加大两侧的不均一性，从而造成极其不利的工程地质条件。

但从已有资料，构造原因产生的东海陆架浅表活动断层很少见，反映该区新构造运动不强烈。

2.2 海底滑坡

根据已有地形地貌和地质资料，东海海域滑坡主要发育在近岸港湾岛屿地区、陆坡区和陆架坡折带。滑坡在近岸港湾岛屿地区比较发育，几乎全为现代滑坡，主要发生在潮汐通道及潮流冲刷槽中，尤以整体性滑坡占绝对优势。滑坡主要由重力作用所致，水道中部与岸坡间强烈的冲淤反差是该区岸坡滑动不稳定因素积累的主要环境条件[9]。其规模虽然无法同陆坡和陆架坡折带上的其他滑坡相比拟，但是这样规模的滑坡现象也足以引起严重的灾害。

光催化降解技术[11]是指光催化剂吸收光能后产生自由基与有机物进行反应，并使有机物最终降解为无机物的一种技术。其主要处理对象为有机污染物。Rocha[11]等在实验室中，用多相光催化处理含油污泥，在光照降解96h后，油泥样品中多环芳烃的去除率达到100%。光催化降解技术优点在于绿色无毒，无二次污染，对表层污染土壤有着较好的修复效果，但受土壤透光性的影响，其对深层污染土壤的修复还有待于进一步研究。

滑坡在侧扫声纳、浅地层剖面和地震剖面上皆有显示，有时还可清晰显示出滑动面和地层界面关系及滑动体结构。东海陆架近岸港湾岛屿地区常见多级滑坡，滑动面上端部坡度较陡，下端部趋于平缓且常交汇于一起。滑动面为直线型的滑坡在本区内为数不多，均以断滑形式出现于遭受强烈切割侵蚀的地区[10]。

在声学剖面上，海底滑坡常表现为海底沉积物反射波的强相位突然变得不规则或断开，滑坡体多具不对称丘状外形、滑坡后壁处近代沉积物突然中止，声反射不连续，内部弱振幅，杂乱或无反射结构，后壁常表现为陡坎。滑坡体内常有倒倾层理出现，和滑坡床相接触的部位则常出现拖曳层理，滑坡体前缘一般都有隆起丘出现（图2）。

2.3 浅层气

图 2 浅地层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

海底浅层气主要分布于河口与陆架海区[11]。现代长江水下三角洲物源中含有丰富的有机质，堆积速度较快，浅部沉积物中发育有浅层气。浅层气形成后，经过地质时期的迁移与聚集，一般稳定地埋藏于海底之下。东海陆架浅层气的识别可以通过侧扫声纳图像上的麻坑群、高分辨率浅地层剖面记录上的“强反射”与“空白带”来实现，易于识别（图 3）。溢出海底的浅层气常在海底形成麻坑和小型凸起地形（图4）。未溢出海底的浅层气在浅地层剖面记录上呈云雾状，常见屏蔽现象，并伴有界面干扰和同相轴断开等现象（图3）。

地层含气会降低海底沉积物的抗剪强度，影响海洋工程的基础承载力。含浅层气的海底土层常常会给基础工程施工带来严重影响，危及工程结构的安全，甚至酿成事故[11]。浅层气是一种十分危险的潜在海洋灾害地质因素，尤其是当气体压力很高时，会造成井喷，引起火灾，甚至导致钻井平台等海上工程构筑物的烧毁。

图 3 浅地层剖面揭示的海底浅层气Fig. 3 Shallow gases revealed by sub-bottom profile

2.4 沙波

根据资料分析，估计东海陆架区沙波地貌分布面积达 3×104km2以上，主要分布在长江口毗邻陆架、冲绳海槽西北部陆架边缘、台湾浅滩三个区域。

沙波是一种水流塑造的地貌形态，其轴线方向基本上垂直于主水流方向，与现代水动力条件相一致。在回声测深及浅地层剖面记录中，沙波发育的海底面反射波呈连续锯齿状起伏，振幅强，并且由于声波在砂质沉积物中的快速衰减而使得其下地层被屏蔽而揭示不清。根据浅地层剖面、回声测深及侧扫声纳记录图像分析，该区沙波地貌可明显地分为大型波痕和沙波两类。

图 4 浅地层剖面 (a)、回声测深(b)和侧扫声纳(c)记录揭示的海底浅层气Fig. 4 Shallow gases revealed by sub-bottom profile, echo sounder,and side scan sonar

图 5 侧扫声纳 (a) 和浅地层剖面 (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中部陆架的残留砂区，波高一般小于1 m，波长数米至数十米不等（图5）。沙波的形体明显大于大型波痕，波高一般大于1 m，大的达数米，波长一般在数十米。沙波在平面上大多呈直线型，沿波峰方向波高稳定。由于沙波个体较大，又常以孤立的沙波群形式出现，所以在回声测深、侧扫声纳和浅地层剖面记录中易于识别（图6）。沙波具有两翼不对称特征，迎流面坡度缓，背流的一翼坡度陡，由此可判断主流方向[12]。有的沙波两翼发育有重叠的大型波痕。

图 6 侧扫声纳(a)和浅地层剖面(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，东海陆架沙波和大型波痕处于不断的迁移变化中，会带来底砂的掏蚀和堆积现象，这对于海底输油气管道的敷设、浅基础建筑物的施工是一个严重的威胁。在活动性沙波发育的海区，海底光缆或管道的埋设深度必须大于沙波的波高才能保证其不裸露在海床上。当水动力条件改变时，沙波的形态和分布亦会发生改变。

3 限制性海洋地质条件及其声学反射特征

3.1 埋藏古河道

东海大陆架上分布有数量可观的埋藏古河道，它们有其独特的沉积环境、独有的形态与特征。由于其形态、边界、内部结构及物理力学性质的不均一性，可能对海洋工程建筑物（构筑物）造成诸如地基不均匀沉降、顺层滑坡、砂性土液化等危害。

使用浅地层剖面仪在测线横切或斜切古河道走向时，方能比较明显地揭示古河道的形态特征，据此可清楚地辨别出古河道的宽窄、深浅、充填物的沉积结构等。埋藏古河道在横断面上的声反射特征主要有：①在浅地层剖面中，古河道的河床横断面边界轮廓反射振幅较强，边界轮廓线明显，具有明显的河谷横断面形态特征，多呈不对称的“U”型或“V”字型，反射界面常呈波状起伏（图7）。②古河道内沉积物与其周围地层沉积物的声学反射结构特征有明显区别，两者呈不整合接触。③埋藏古河道上覆地层往往为中振幅、中频率、连续-较连续的水平反射层，区域上与古河道沉积地层呈不整合接触。④古河道内充填的沉积物其声学反射结构特征以强振幅、变频率的杂乱反射为主，同相轴短，且有丘状突起或槽形凹陷的结构形态。⑤有的古河道河段断面复杂，虽然在声学剖面中古河道断面边界轮廓呈强反射，显示清晰，但往往在一个大河谷中有两个或者多个河槽地形发育（图8）。沉积物的声学反射特征以强振幅为主，有变频率杂乱反射、平行或亚平行低角度层间反射、波状或交错状层间反射等。

图 7 浅地层剖面上清晰可见的埋藏古河道Fig. 7 Sub-bottom profile showing a buried palaeochannel

图 8 浅地层剖面揭示埋藏古河道中有多个河槽地形发育Fig. 8 Several channels developed in the buried palaeochannel

3.2 沙脊

在水深60 ～ 120 m的东海陆架上，分布有大面积的古沙脊群，它们表现为槽脊相间、线状延伸的特殊海底地形，是东海外陆架最典型的动力地貌单元。沙脊群的主体在北纬31°以南，呈NW-SE向延伸，向东南辐射，分布面积达到14 × 104km2[13,14]。

关于东海陆架沙脊的成因，多认为潮流是沙脊形成的主导因素，因而也常被称之为潮流沙脊[14]。但也有人对此有不同看法，认为东海陆架海底沙脊的内部结构不具有潮流沙脊的结构和环境特点，其成因与现代长江三角洲的形成机制和结构形态类似，东海沙脊不能称之为潮流沙脊[15]。

沙脊宽度一般为3 ～ 15 km，坡度平缓，高差一般为2 ～ 26 m，长度常逾百米。典型的海底沙脊见图 9，两翼不对称，脊顶浑圆，无明显脊线。在浅地层剖面上，沙脊表现为两翼不对称的丘状地形，内部发育斜层理，倾向指向沙脊迁移的方向。反射振幅中等偏弱，频率中到高，微层理清晰。沙脊上部结构多呈S 形及切线形斜交前积结构，多见上部发散、下部收敛特点，局部为低角度坡状－准平行状反射结构。

根据多次调查获得的地球物理探测和钻探资料，东海陆架沙脊形成后，虽然表面曾受海洋动力改造，但均未发现沙脊迁移和活动的迹象。

图 9 Geopulse浅地层剖面所揭示的海底沙脊Fig. 9 Sand ridge revealed by Geopulse sub-bottom profiler

4 结 论

（1）在识别和判断海洋灾害地质因素时，将浅地层剖面探测与回声测深及侧扫声纳探测相结合不失为一种非常有效的手段，可以相互比对，相互验证。

（2）各海洋灾害地质因素在地球物理探测记录上的表现和特征各不相同，可据此予以识别。本文认为，浅层气、埋藏古河道、沙波是东海陆架最常见的海洋灾害地质因素。

（3）潮流作用下海底浅部沉积物的活动性是引起东海陆架海洋工程设施安全隐患的主要因素。

（4）东海陆架上分布有平湖输油管道和春晓气田群输气管道，以及多条国际光缆系统，为了已有及未来将要建设的海洋工程设施的安全，对该区海洋灾害地质因素进行研究意义重大。

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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

国家海洋局第二海洋研究所基本科研业务费专项资金项目（JG0906）

刘杜娟（1973－），女，高级工程师，硕士，主要从事海洋地质学与海洋环境综合评价等研究。电子邮箱：Liucuckoo@126.com。