南海珊瑚礁地貌模型研究

赵焕庭，王丽荣*，宋朝景

（1.中国科学院南海海洋研究所边缘海地质重点实验室，广东广州 510301）

南海珊瑚礁地貌模型研究

赵焕庭1，王丽荣1*，宋朝景1

（1.中国科学院南海海洋研究所边缘海地质重点实验室，广东广州 510301）

近200 a前Darwin于1832－1836年间环球考察热带海洋珊瑚礁后，首次建立了珊瑚礁地貌模型并论述其形成机制，该模型总体形态呈全部或部分被上截了顶部的锥形，本文简称为“上截锥型”。此后历经几代学者的研究，都继承了他的珊瑚礁地貌模型。对南海珊瑚礁地貌模型的研究，近年有研究描绘为另外一种模型，该模型的特点是礁外坡为内凹形，礁体形态呈蘑菇状，本文称为“蘑菇型”。本文根据许多南海珊瑚礁地形实测资料和地貌学研究文献，确认南海珊瑚礁地貌模型应为上截锥型，“蘑菇型”珊瑚礁地貌模型并不符合珊瑚礁形成演化规律，在自然界内不存在。

珊瑚礁；地貌模型；南海

1 引言

珊瑚礁是浅水造礁石珊瑚和其他附礁生物的遗骸经过各种堆积作用自然形成的，属于海洋沉积岩类。岩石除了其本身特质构成固有的地貌外，还受到地壳内营力和岩体外营力的各种地质作用，经历一定的时间，在固有的地貌基础上塑造出各样侵蚀与堆积地貌形态。本文着重讨论珊瑚礁体的基本地貌模型。

2 经典珊瑚礁地貌模型

19世纪中叶，达尔文乘船环球热带海洋考察后，在1842年出版了珊瑚礁专著《珊瑚礁的构造和分布》［1］，书中将珊瑚礁的基本地质地貌类型划分为环礁、堡礁和岸礁3类（见图1），并分别论述了这3种珊瑚礁地貌类型。书中在进一步分析了这3种珊瑚礁地貌类型的发育过程时指出，最初珊瑚在热带海洋中的火山岛的周围浅海生长，形成岸礁，后来岛屿逐渐下沉，珊瑚为了维持自身的正常生活需要（阳光、饵料等），随之不断向上生长，形成珊瑚礁，礁顶面大致“平整”，称礁坪，一般隐伏在海面下，使珊瑚礁体呈截顶锥形。由于珊瑚礁外围的水动力与营养条件较好，使得礁边缘水域的珊瑚生长茂盛，珊瑚礁增长较快，而靠近陆地一侧水域的条件较次，珊瑚生长较慢，渐渐的就会在外缘的珊瑚礁和陆地之间形成潟湖，堡礁遂成。最后，火山岛完全沉降入海，珊瑚仍向上生长，形成环绕潟湖的环礁。揭示了从岸礁变成堡礁，又从堡礁变成环礁的过程，这3种珊瑚礁地貌类型是珊瑚礁演化过程的3个阶段，创立了珊瑚礁形成机制“地壳沉降”论。

图1 珊瑚礁地貌类型［1］Fig.1 Geomorphic types of coral reef［1］

在上海国立暨南大学授课的葛绥成主要根据日本学者香川乾一著《地形学入门》编译的《地形学》［2］（1936年出版），在书中127～129页“珊瑚礁海岸”小节中介绍了达尔文珊瑚礁学说（见图2）。

从达尔文所建的珊瑚礁地貌模型可见，其总体形态为上截了顶部的锥形，上小下大，本文中简称为“上截锥型”（见图3）。

图2 珊瑚礁的地貌类型模型［2］Fig.2 Models for geomorphic types of coral reef［2］

图3 珊瑚礁“上截锥型”地貌模型Fig.3 Truncated taper type of coral reef geomorphic model

3 另一种新提出的珊瑚礁地貌模型

近年来亦有研究提出不同的珊瑚礁地貌模型，李决龙基于对南海珊瑚礁的调查研究，在其所写作出版的成果专著［3］中，提出了南海珊瑚岛礁地貌模型（图4），该模型的外形特点是礁外坡整体为内凹形（见该专著47页图2－3、95页图4－13、96页图4－14等），上下均大，中腰小。原著没有对该模型的形态命名，为方便讨论起见，笔者等就其形态特点称为“蘑菇型”。这种“磨菇型”珊瑚礁地貌模型，不同于经典的达尔文珊瑚礁地貌模型，由于原著未给出相关的实测数据或引述他人的资料来阐述其模型建立的依据，因而这种“蘑菇型”的珊瑚礁地貌模型是否符合南海珊瑚礁地貌实际令人生疑。照此模型，礁缘和外礁坪所处的部分礁体像“屋檐”一样呈水平方向突入海水中，却没有“檐廊柱”礁岩支撑承压，稳定性必差。学界中有些朋友也征询过笔者的意见。

4 南海珊瑚礁地貌模型

图4 珊瑚岛礁“蘑菇型”地貌模型［3］Fig.4 Mushroom-like type of coral reef geomorphic model［3］

20世纪70年代以来我国对南海诸岛珊瑚礁开展了调查研究，不少地形实测资料显示，南海珊瑚礁的地貌形态呈全部或部分被上截了顶部的锥形，同达尔文所观察到的珊瑚礁地貌形态一致。这里仅选几个例子，如南威岛台礁（见图5）、礼乐滩水下大环礁（见图6）［4］、永暑礁环礁（见图7，另引同书43页图2－10从略）［5］、郑和群礁大环礁（见图8）［6］，以及由笔者策划与实施的永暑礁、渚碧礁、南薰礁和东门礁等礁体外13条水深达2 000～3 000 m的礁外坡地形测线所绘制的剖面图（见图9）［7］和所附水深声图（请读者参阅原著），这些图清楚显示礁体普遍为上截锥形，礁体外坡或缓或陡地向海底延伸，礁外坡上还有若干级地质历史时期形成的水下阶地，却无一呈内凹形，甚至连一小段礁外坡内凹曲线都不见。

图5 南威岛台礁地形剖面图Fig.5 Cross section for the platform reef in Nanwei Island

笔者等注意到，南海珊瑚礁受侵蚀产生的礁岩块、砾石、卵石和生物骨壳碎屑物，部分被波浪抛掷或推送到礁顶礁坪上堆积和充填潟湖，在礁坪上次生堆积成潮间带浅滩，并在风的作用下堆积成潮上带沙洲和灰沙岛，潮流在礁坪上侵蚀生成潮沟［8—10］，使珊瑚礁顶地形有些高低起伏。南海珊瑚礁，尤其是发展到灰沙岛时，礁顶上存在礁坪、浅滩、沙洲、灰沙岛、潮沟、礁塘、潟湖、潮汐通道等次级地貌，礁坪高程约略相当于海平面，礁坪上的堆积地貌绝对高程一般为2～6 m，个别最高15.9 m（石岛，为沙丘岩堆积），礁顶低洼处（潟湖、潮汐通道）绝对水深最低一般不超过40 m，个别水深达约100 m。所以南海珊瑚礁礁顶不是绝对平整的平顶形，即在截面上具有局部突起与局部凹陷。礁外坡（或称向海坡、礁前），都是以正几度至几十度倾角向海底或缓或陡地倾斜延伸，礁顶为一些由堆积和侵蚀引起的小起伏。笔者等在此等基础上并结合在海南岛（属性系大陆岛）所见珊瑚岸礁的地质地貌情况［11—13］，遂构建了南海珊瑚岛礁地质地貌模式图（图10）［14］。

5 讨论与结论

5.1 礁外坡外动力作用

图6 礼乐滩沉没大环礁中部地形剖面图［4］Fig.6 Cross section of the submerged great atoll in central Reed Bank［4］

图7 永暑礁环礁东南礁前向海坡地形剖面图［5］Fig.7 Cross section of seaward slope in the fore-reef part of southeast Yongshu Jiao Atoll［5］

图8 郑和群礁大环礁中部地形剖面图［6］Fig.8 Cross section in the great atoll of central Zhenghe Reefs［6］

图9 南沙群岛珊瑚礁礁外坡地形剖面图［7］Fig.9 Cross sections in outer slopes of coral reefs in the Nansha Islands［7］

图10 南海珊瑚礁地质地貌模式图［8］Fig.10 The geological and geomorphic model for coral reefs in South China Sea［8］

波浪是否会将礁外坡冲蚀成内凹形？众所周知，海洋波浪对近岸海底的侵蚀一般在波浪的半波长尺度内，通常可计算为水深约15 m。故海洋波浪的侵蚀基面一般定为水深约15 m，波浪可在水深0～15 m范围之内的海岸、礁缘向海坡上段实施不同力度的冲蚀。有研究按大波波高12.4 m，波长102 m，计算礁外坡上段，波浪打击力达41.7 t／m2。如用波浪压力经验公式计15 m深处波浪水平压力，得628 kg／m2。这说明大波浪时15 m深处波浪仍有一定的冲蚀、磨蚀能力［15］。一般以水深0 m海面的向岸（礁缘）冲蚀力最强，往往能生成海蚀崖、海蚀洞（海蚀壁龛、浪蚀穴）和波切台（海蚀平台）等次级地貌。南海诸岛有现代的海蚀崖（高程0 m以上，上限可超过5 m）、海蚀洞（高程一般0～2.5 m，纵深最大可超过1 m）和波切台（高程0 m上下，宽度超过10 m）地貌组合。如西沙群岛石岛所见的数千年来冰后期海平面相对稳定时期形成的海蚀崖及其下部的几个海蚀洞，以及从洞口上方坠落在洞口外的岩块（图11和12，张会领博士提供），薄层涨潮海水淹没了洞前的宽度超过10 m的波切台。而波浪对水深15 m以下的岸坡（礁缘向海坡下段）则已无冲蚀能力了，故绝不可能对礁缘向海坡塑造内凹形。南海的风场主要受季风制约，常风向与强风风向一致，以西南向为主，次为东北向。因此，较陡的礁前向海坡也大多分布在礁体南部，部分分布在礁体北部的礁前缘。也就是说，波浪对整个礁体周围的礁前向海坡的侵蚀的效果不可能一样，即不可能在整个礁体周围的礁前向海坡形成一圈均一的负向的水下地形。如果按照“蘑菇型”模型行事，在礁缘或外礁坪钻探，钻头势必洞穿礁体上部外缘“屋檐”形“礁突”，带钻头的钻杆套管便悬吊在礁体腰部外的海水中了。我国在南海某些珊瑚礁的礁缘和外礁坪造港口航道、码头、机场跑道、灯塔等工程前曾开展的地形、地质勘测工作，均未出现过这种“意外”情形。

图11 石岛海蚀崖和海蚀洞Fig.11 Sea cliff and sea caves in the Shidao Island

图12 石岛海蚀崖下的海蚀洞Fig.12 Sea cave at the sea cliff in the Shidao Island

5.2 礁外坡形态

珊瑚礁的地貌模型是“上截锥形”或是“蘑菇型”，关键是要看珊瑚礁的礁前外坡。通常礁前外坡是非常陡的，不同地方的倾斜度是不同的［15］。而大洋中珊瑚礁的外坡则自海底上来有数千米长［16］，如马绍尔的比基尼（Bikini）环礁（11.35°N，165.20°E），礁前外坡向下延伸有3 600～4 500 m，最大和平均坡度分别为46°和36°［17］。马绍尔的郎格里克（Rongerik）环礁（11.22°N，167.28°E）和埃尼威托克（Enewetak）环礁（11.30°N，162.15°E）也类似（图13）。另外，礁前外坡的一个常见特征是，其上部的几米会出现小的悬垂体和洞穴。枝状和叶状的活珊瑚常悬垂在坡外，说明了珊瑚向外即水平生长的积极态势。

图13 马绍尔3个环礁的礁外坡剖面图［15—17］Fig.13 Cross sections in outer slopes of three atolls of Marshall Islands［15—17］

笔者认为，不排除礁外坡上某一局部地段曾遭受侵蚀、溶蚀、崩塌或滑坡等的作用而可能造成局部的内凹形。我们曾佩戴着“水肺”在南海多处水深10多米范围之内的礁缘向海坡上部潜水观察，见过不少大小不等的的浅穴，个别大的纵深超过1 m，构成局部内凹形，栖息着石首科、鹦嘴鱼科和隆头鱼科的大鱼、锦绣龙虾、大海鳗、章鱼等，或中小型鱼群，但尚未在水下见过与波切台组合的大海蚀洞。这些洞穴都是处于波浪侵蚀基面以上由波浪冲蚀生成的。由礁岩构成檐状形体悬在洞穴口的上方，它将会在以后某一个大浪中被击毁坠落。这些礁前向海坡洞穴为负地形（凹入形）者，偶尔出现在强浪来向的礁前浅水破浪带的局部地方，未见连续成片凹入，更无整个礁体外坡为凹入的情形。这从南海珊瑚礁区海图（见图5）的等深线走向也可作出礁前向海坡无负地形的判断。可以肯定，即使礁外坡局部出现这样一些小段的内凹形，也不能以此夸大为整体的内凹形。

5.3 礁外坡碎屑堆积物生成

当全球性气候变化与地壳升降运动所造成的海平面相对稳定时期，浅水造礁石珊瑚由于趋光需要主要垂直向上生长，到海面附近以后，转而从礁缘完全向海洋水平方向发展，以致珊瑚礁同时也向水平方向发展。须知浅水造礁石珊瑚像任何生物一样会生老病死。在海洋波浪的作用下，特别是在风暴大浪的冲击下和受冲击的物体之间的互相撞击下，直径多为1～3 cm的枝状珊瑚科（鹿角珊瑚科Acropora）和质脆易断的叶状和枝状珊瑚属（如蔷薇珊瑚属Monlipora、杯形珊瑚属Pocillopora、排孔珊瑚属Seriatopora、柱状珊瑚属Stylopora）等的物种、幼体珊瑚、病态珊瑚肢体等，纷纷被击碎坠落在礁前向海坡的坡面上。至于球状和块状的浅水造礁石珊瑚科（滨珊瑚科Porites、蜂房珊瑚科Faviidae等物种）抗冲性强，长成直径可超过1 m的大型和巨型者，大都巍然屹立，那怕活过数百岁死后也不倒，原地堆积，保持生前态势，构成礁格架，再自然充填一些其他生物骨壳或碎屑，被珊瑚藻粘结在一起并固结为原生礁。此外，强大波浪冲击礁缘，肢解礁岩，冲蚀沟槽，淘刷砾屑，带到礁前向海坡坡面上堆积。还有，从礁坪、浅滩、洲岛、礁塘和潟湖被波浪和潮流冲刷的碎屑物，通过锯齿状的礁缘垄脊－沟槽带密布的潮沟和潟湖口潮汐通道带到礁前向海坡坡面上堆积。上述各种散落在坡面上的松散物质，都自然堆积。这些新加积在坡面上的物质，构成新的坡面，或会改变原来坡面的坡度的大小，但不会改变坡面的正向。因为坡面上滚动的物质的休止角恒为正值，所生成的新坡面的角度也恒为正值，永远不会出现负值，即不会出现内凹形坡面。在海平面相对稳定的条件下，珊瑚礁就是以这种进程不断向水平方向扩张礁体。

5.4 礁外坡地貌分析

笔者根据石岛所见的南海诸岛现代的海蚀崖、海蚀洞和波切台地貌组合，又设想，地质历史上某一海平面相对稳定时期，0 m海面的海岸、礁缘可冲蚀生成海蚀崖、海蚀洞和波切台地貌组合。海蚀洞的存在，使海岸陆坡接近海平面处呈一小段内凹形，但它的尺度很小，高度和纵深一般小于1 m，个别最大不超过3 m，相比海岸陆坡和南海珊瑚礁水下岸坡至少数十米以上或动辄百千米长的长度，这一小段凹曲线不影响海岸陆坡和水下岸坡的走势。永暑礁环礁东南礁前向海坡的Ⅰ～Ⅵ这6级水下阶地，水深分别为25 m（阶地面宽度超过100 m，据永暑礁“南永1井”井深17.3 m沉积间断年龄和区域古海岸线对比，其年龄距今约8 ka），50 m（面宽223 m，区域古海岸线对比年龄距今约12 ka～11 ka），140 m（面宽62 m，据“南永1井”井深141.9 m沉积间断年龄为距今约900 ka），250 m（面宽28 m），380 m（面宽30 m）和620 m（面宽40 m）（见图7），这些阶地的内缘是否有古海蚀洞，乃至礁体内水平方向的古地下喀斯特暗河（如有，它可能接通其上多个垂直方向的古溶洞水系）入海的河口？现尚未详细调查不得而知。如有，则这些坡段存在一小段内凹曲线。这当然也不影响海岸陆坡和水下岸坡的走势。笔者认为，不排除礁外坡上某一局部地段在某段地质历史时间曾遭受种种侵蚀作用而可能造成小尺度的内凹形。

5.5 结论

综上所述，世界上的珊瑚礁有岸礁、礁丘、环礁、台礁、堡礁、塔礁等类型，所有这些类型的礁外坡（或称向海坡、礁前），都是以正的几度至几十度倾角向海底或缓或陡地倾斜延伸，礁顶为有些小的由次生堆积和侵蚀引起的起伏，不是绝对的平顶形，周围礁外坡或缓或陡地向海底延伸，虽有些小尺度的由不大的海蚀洞构成局部内凹形，但珊瑚礁地貌模型总体上呈上截锥形。自然界不存在“磨菇型”珊瑚礁。因此，在外礁坪、礁缘和礁外坡实施钻探和桩基等工程，无论纵深，只要根据有关勘测资料做好设计，工程是可行的。

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Geomorphological model of coral reefs in the South China Sea

Zhao Huanting1，Wang Lirong1，Song Chaojing1

（1.Key Laboratory of Marginal Sea Geology，South China Sea Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510301，China）

Darwin firstly developed the coral reef morphological type and discussed its genetic mechanism，after he performed a global survey for coral reefs in tropical oceans during 1832 to 1836.The overall morphology of coral reef in his model looks like a wholly or partly truncated cone-shape，which is called as“the truncated taper”type in this paper.Subsequent several-generation researchers accepted his model.In recent time some workers have put forward another type for coral reefs after studying on geomorphologic characteristics of coral reefs in the South China Sea（SCS）.In this new model，the outer reef slope takes on a concave curve and the reef's shape is mushroomlike，and the model is called as mushroom-like type in this paper.Based on the measured data and references in geomorphology，we confirmed that the morphological type of coral reefs in the SCS is not the mushroom-like type but the truncated cone-shape，because the former one didn't match the rules for the formation and evolution of coral reefs in nature.

coral reef；geomorphic model；South China Sea

P737.2

A

0253-4193（2014）09-0112-09

赵焕庭，王丽荣，宋朝景.南海珊瑚礁地貌模型研究［J］.海洋学报，2014，36（9）：112－120，

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.09.013

Zhao huanting，Wang Lirong，Song Chaojing.Geomorphological model of coral reefs in the South China Sea［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（9）：112－120，doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2014.09.013

2014-01-12；

2014-02-16。

国家重大科学研究计划课题（2013CB956102）；中国科学院战略先导科技专项课题（XDA05080300）；国家自然科学基金项目（41106075，41025007，41206097，41475038）；中国科学院知识创新工程青年人才领域前沿项目（SQ201112）。

赵焕庭（1937—），男，广东省江门市人，研究员，从事海洋地质研究。E-mail：gzzht＠qq.com

*通信作者：王丽荣，女，助理研究员，从事珊瑚礁生态研究。E-mail：wlrlwqyshq＠163.com