基于声学探测的渤海海峡海底灾害地质分析

冯 京， 赵铁虎， 孙运宝， 高小惠， 李攀峰

(1. 青岛海洋地质研究所 国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室,青岛 266071；2.海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室，青岛 266071)

基于声学探测的渤海海峡海底灾害地质分析

冯 京1，2， 赵铁虎1，2， 孙运宝1，2， 高小惠1，2， 李攀峰1，2

(1. 青岛海洋地质研究所 国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室,青岛 266071；2.海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室，青岛 266071)

根据高分辨率侧扫声图和高分辨率声地层剖面的解译结果，识别了渤海海峡通道海区海底灾害地质因素的声学特征及分布规律，发现研究区主要包括侵蚀陡坎、冲刷槽、潮流沙脊、活动沙波、沉船、岩礁、侵蚀洼地、浅滩、活动断层、浅埋基岩面、浅层气等灾害地质因素。探讨了灾害地质要素的成因及危害，绘制了灾害地质要素的平面分布图，可为今后该海区的海洋工程建设提供一些借鉴。

渤海海峡； 侧扫声图； 声地层剖面； 灾害地质

0 引言

灾害地质一般指对人类及环境能够或有可能造成危害的地质因素，它包括导致灾害发生的各种地质体、地质作用和地质条件[1]。随着海洋经济的高速发展，人类对海底油气资源、岛屿资源的开发进入全新的阶段，海底管线的铺设和岛屿间桥隧衔接的海洋工程建设日趋增多。因此识别和研究海底灾害地质因素的特征、空间分布规律和成因及危害已成为海洋工程建设中亟待解决的重要问题。

渤海海峡是黄渤海天然的分界线，海峡通道海区庙岛群岛横亘分布，居民常住岛多达10个，油气、水等资源海底管线铺设较多；另外渤海海峡通道区水道众多，老铁山水道和长山水道海运繁忙，据统计仅国内经过渤海海峡的航线就多达50余条，日往来船只量达200艘以上[2]，因此对渤海海峡灾害地质类型地研究十分必要。近年来国内不同学者对南黄海[3-4]、南海[5-6]等海域的海底灾害地质进行了较为详细地研究，相比之下渤海海峡海底灾害地质的研究较为少见，大量学者更多的是对渤海的地形和地貌动力特征进行了较为详细地研究[7-9]，近年对渤海海峡海域灾害地质的研究主要以浅地层剖面为主，且主要集中在辽东半岛附近海域[10]。2012年-2013年国土资源部青岛海洋地质研究所在渤海海峡及邻区海域，进行了大比例尺的海洋地质调查工作，获得了大量的高分辨率声图资料和声地层剖面，声学资料清晰地反映了研究区海底表层和海底以下100 m以浅地层内存在的灾害地质因素，通过分析其声学特征和分布规律，绘制了灾害地质平面分布图，探讨了其成因和潜在危害。

1 区域地质背景

研究区位于渤海海峡，北至老铁山水道，南至山东蓬莱角北部沿岸，范围为37°45′N～38°50′N，120°15′E～121°20′E。在地质构造背景中，研究区位于郯庐断裂的东部，胶辽隆褶带(中朝地块的南部)上，在距今6亿～8亿年前渤海海峡尚未出现，庙岛群岛做为一个整体与南北陆地连成一体，约1.4亿年前，在地质构造运动作用下庙岛群岛逐渐分离，渤海海峡雏形随之形成。海峡海域水深从南至北呈现阶梯下降的走势，水深在10 m～86 m，最深处位于老铁山水道海区。研究区内海底沉积物细粉砂质软泥、细砂、砾石均有分布，以细砂为主；砾石区主要分布在渤海海峡南部海区和老铁山水道附近；细粉砂质软泥主要分布在蓬莱角海区[14]。

2 声测资料的采集和解释

2012年-2013年在我国渤海海峡及邻区海域开展了高分辨率侧扫声纳和高分辨率声地层剖面测量工作，共获得高分辨率侧扫声图及同步水深测量2 070 km，高分辨率声地层剖面和同步水深测量2 200 km(图1、表1)。海上调查采用拖曳式作业方式，侧扫声纳采用美国EdgeTech 4200FS双频采集系统，单侧100 m时，纵向分辨率达0.5 m；浅剖采用英国CODA公司DA500采集系统，垂向分辨率优于0.5 m；水深测量采用加拿大320M测深仪，精度优于0.01 m；定位采用美国Trimble公司产DMS132型DGPS接收机，定位中误差小于1 m；导航采用广州中海达导航定位系统，作业前对采集参数进行了试验。

表1 实际采集参数Tab.1 Acqusition parameter

图1 研究区范围及实测航迹图Fig.1 Range and real-time tracking map of study areas

通过判读侧扫声图，结合水深剖面声学反射特征，识别了研究区内海底表层灾害地质因素及分布特征。根据研究区邻区的四个历史地质钻孔Bc-1[11]、CD5[12]、NYS-102[13]和DLC70-1，结合地震反射界面的识别标志(如上超、下超、削截和顶超等)，对研究区的浅地层声剖面进行了解译，利用灾害地质因素在声地层剖面中的声学反射特征，识别了它们在地层中的空间分布规律，最终绘制了研究区海底面和海底以下100 m内地层中的灾害地质分布图。

3 灾害地质类型划分

根据Willian R.Brynant[15]和李培英[16]对海洋灾害地质类型划分的原则，结合研究区实际调查情况，将研究区的海洋灾害地质按照空间分布和成因的划分原则进行了详细分类(表2)。

4 海底灾害地质的声学特征、分布规律与成因分析害

4.1 侵蚀陡坎

侵蚀陡坎在声学剖面上表现为海底高度剧烈起伏，坡度急剧变化，水深陡增(陡降)，因此陡坎常与冲刷沟槽相伴而生。结合实测声学剖面，发现研究区陡坎主要分布于庙岛群岛各水道中，以老铁山水道居多。研究区水道海域潮流动力强烈，冲刷侵蚀作用力控制着现代海底地貌的演化，也是侵蚀陡坎形成的主要动力因素。Lewis[17]曾指出，陡坎的致灾因素主要在于其坡度，坡度在1°～4°的开阔海域的斜坡即可产生诱发性地层坍塌，研究区内陡坎坡度大多都在1°～6°，最陡的约29°(图2)，在强潮流动力影响下极有可能诱发坍塌，从而对海底的工程建设如海底管线的铺设带来较大潜在危害，因此在工程建设选址时应注意避让。

表2 灾害地质因素分类表Tab.2 Types of geo-hazard factors

图2 海底陡坎声地层剖面Fig.2 The Sub-bottom profile of seabed scarps

4.2 沟槽、侵蚀洼地

海底沟槽和侵蚀洼地在声图上表现为负向地貌单元，沟槽往往与海底侵蚀洼地相连，通常发育在侵蚀作用强烈的环境，如岛屿之间的海域，研究区内岛屿众多，岛屿之间分布有大小不一的水道，潮流动力强烈，因此沟槽地貌广为发育，图3为沟槽在侧扫声图及水深剖面图上的表现形态，图4为声地层剖面上显示的老铁山水道南侧发育的沟槽及侵蚀洼地地貌声图。它们的存在对海底工程建设带来隐患，对岛屿间的海底物资管线铺设及维护带来困难。

图3 沟槽区水深剖面Fig.3 Depth profile of erosion grooves

图4 沟槽及侵蚀洼地声地层剖面Fig.4 Sub-bottom profile of grooves and erosion depressions

4.3 岩礁

岩礁在侧扫声图中表现为声图灰度剧烈变化，沿声波发射方向，岩礁凸起区声图颜色较深，凸起的礁石区身后会形成空白声学反射带。结合实测声图，发现研究区岩礁主要分布在岛屿周边或冲刷槽底，凸起的岩礁往往形成大小不一的海底带状或岛礁状礁石群，大小数十米至数百米不等。北隍城岛水道东部海域附近，水深约56 m，声图判读为大型海底礁石群出露图5(a)；庙岛海峡南部水道区，水深约20 m，声图表现为阴影区不明显图5(b)，表明礁石凸起高度较小，但具有明显的礁石声图特征。它们的形成多为海底基岩出露的结果，拖曳式海底地质调查及渔业生产带来安全隐患。

图5 出露岩礁Fig.5 Exposed rocks(a)北隍城岛水道东部海域附近； (b)庙岛海峡南部水道区

4.4 活动沙波

沙波在声图中一般表现为以波纹状排列，声图灰度深浅相间，较为规律，通常发育在水动力较强和底砂(砾)较为丰富的区域[18]。研究区内局部地区沙波较为发育，主要分布在庙岛海峡(图6(a))，砣矶岛南侧附近海域(图6(b))，对比图6(a)和图6(b),庙岛海峡发育的沙波形态较为细小，海底底质以泥质为主；砣矶岛南侧海底底质以砂质为主，沙波发育的同时并伴有小型沙脊出现，靠近砣矶岛一侧沙波间距较大，远离岛的一侧沙波间距较小。研究区沙波仅在局部潮流动力强劲的海域出现连续分布，范围较小，推测多为现代潮流动力冲刷所致，其对海底平台建设及电缆、管线铺设有潜在的危害。

图6 海底沙波Fig.6 Seabed sandwaves(a)庙岛海峡；(b)砣矶岛南侧附近海域

4.5 水下浅滩

水下浅滩定义为一种非常松散的高速堆积砂体或泥质沉积物，声地层剖面呈楔形或丘形，向海倾斜，内部为S型或斜交前积反射结构，层理清晰，厚度变化大[4]，侧扫声图中浅滩表现为海底声学反射线收窄，声图灰度变浅。研究区水下浅滩主要分布在砣矶岛、高山岛、大竹山岛等岛屿周围(图7)。从图7中可以发现，在高山岛东侧和砣矶岛西侧各存在一个水下浅滩。砣矶岛南侧和北长山岛北侧海域(图8)，浅滩与沟槽连接处水深急剧变化，因此浅滩的存在对工程建设如海底管线铺设和船舶航行安全，存在较大的安全隐患。

图7 浅滩侧扫声图Fig.7 Sidescan profile of shoal

图8 浅滩声地层剖面Fig.8 Sub-bottom profile of shoal

4.6 沉船

高分辨率侧扫声纳声图显示研究区内存在一处历史沉船(图9)，沉船位置在38°01.56′N，120°35.73′E，水深22.3 m，船长约45 m，宽约15 m，高约5 m，疑似铁质渔船，目前沉船状态为斜坐海底，周围有明显冲刷痕迹，无明显移动痕迹，状态较稳定，但对大型过往船舶和拖网作业渔船仍存在潜在的危险性，应采取绕道避让的航行方式。

图9 沉船侧扫声图Fig.9 Sidescan profile of wreck

4.7 活动断层

在声地层剖面上，活动断层往往表现为一个或多个连续性好的反射波组自下而上发生系统的的错移、弯曲或终止等现象[19]，根据这些现象在研究区共发现断点100余处，断层形态大多表现为地层受牵引而产生的弯曲、下拉或褶皱变形等形态特征(图10)，少数断层因地层错断形成一定断距，断距较小，多在1 m～2 m，极少数断距可达5 m～10 m(图11)。根据各断点在声地层剖面上的空间分布、产状和相互关系，结合前人对研究区内断裂分布和性质及活动特征等研究成果，对断点进行综合比对和连接，确定了组成断裂带的各条次级断裂(图14)，发现研究区以NE向和NW向断裂为主，其中NE向断裂主要为郯庐断裂带在海峡的延伸，NW向断裂主要为张家口-蓬莱断裂带，它以长岛为分界线，分为东西两段，这些断裂带对未来在渤海海峡开建的海洋工程有较大的影响，因此应引起足够重视。

图10 典型褶皱型断层Fig.10 Typical folded fault

图11 大断距断层Fig.11 Large fault throw

4.8 浅层气

浅层气一般指聚集在海底以下1 000 m以浅的有机气体，一般是由被掩盖的生物有机质经过长期封闭环境的热演化而形成，主要分布在河口和陆架海区的海底地层中[20]。在声地层剖面中浅层气主要表现出声学幕[21]、空白状、声学柱状扰动的特征[22]，根据浅层气在声地层剖面上的声学特征，发现研究区内浅层气多以声学幕的形态分布在研究区中西部地区(图12)，埋深一般都超过10 m，分析其成因主要包括两个方面：①浅层气富集区在末次冰期古河道较为发育，富含陆源碎屑沉积物，经细菌腐化转化为甲烷或沼气，聚集在地层中；②浅层气富集区区域构造活动频繁，第四系活动断层较为发育，浅层气沿断层或沉积物孔隙、裂隙向上运移至浅部形成。由于浅层气的活动，导致其富集区沉积物孔隙水含量较高，沉积物不能固结，土体受力强度小，因此浅层气埋藏区不易进行工程建设(如海上平台等)。

图12 浅层气声地层剖面Fig.12 Sub-bottom profile of shallow gases

4.9 不规则浅埋基岩

浅部埋藏不规则基岩面在声地层剖面上以中-低连续性、中-低频、强振幅为主，反射形态以随机性高低起伏为主，内部反射杂乱模糊，无层理，对两侧地层无明显扰动，凸起的基岩面往往表现为圆锥状或尖峰状，上覆少量沉积物或直接出露海底[23]。

研究区不规则浅埋基岩面(图13)主要分布在渤海海峡庙岛群岛以及山东半岛北部近岸海域(图14)，多为基岩海岸和岛屿在海中的延伸。不规则浅埋基岩面往往起伏不平，工程承载力差异性大，不利于工程构筑的稳定性，尤其对海上插桩、平台建设、油气管线铺设等工程建设带来较大安全隐患。

图13 浅埋基岩面声地层剖面Fig.13 Sub-bottom profile of shallow bedrock surface

图14 灾害地质分布图Fig.14 Distribution of Geo-hazard

5 结论

1)通过对侧扫声图、声地层剖面的解译，详细划分了研究区海洋灾害地质类型，主要包括侵蚀陡坎、沟槽、侵蚀洼地、岩礁、活动沙波、水下浅滩、沉船、活动断层、浅层气和浅埋基岩面等；描述了声学反射特征及分布规律，绘制了海洋灾害地质分布图(图14)。

2)探讨了各类海洋灾害地质的成因及危害，为今后在该海域进行海洋工程建设和海洋地质调查提供了一些借鉴，可有效减少或避免事故的发生。

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Analysis on acoustic dtection of geo-hazard factors in Bohai srait

FENG Jing1，2，ZHAO Tiehu1，2， SUN Yunbao1，2， GAO Xiaohui1，2， LI Panfeng1，2

(1.Key Laboratory of Marine Hydrocarbon Resources and Environmental Geology，Ministry of Land and Resources，Qingdao Institute of Marine Geology，Qingdao 266071，China；2.Laboratory for Marine Mineral Resources，Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology，Qingdao 266071，China)

According to the interpretation of high-resolution sub-bottom-profile and high-resolution sidescan acoustic profile, the acoustic characteristics and distribution of geo-hazard factors in the Bohai strait were identified. The different types of factors which may cause geo-hazards in the study area were found, such as erosion scarps, erosion grooves, tidal sand ridges, active sand waves, wrecks, rocks, erosion depressions, shoal, active faults, shallow bedrock surface, shallow gases, and so on. The causes and risk of the geo-hazards factors were discussed. Meanwhile, the geo-hazard map of the study area has been completed. The scientific information incurred could be used for engineering construction.

Bohai strait； side-scan profile； sub-bottom profile； geo-hazard factor

2016-01-04 改回日期：2016-08-06

国家自然科学基金(41276060)；海洋地质保障工程项目(GZH201200504)

冯京(1983-)， 男，硕士，工程师，主要从事海洋地球物理调查与研究工作， E-mail：fengjing200272@163.com。

孙运宝(1983-)，男，博士，助理研究员，主要从事海洋地质与地球物理研究，E-mail：yunbaos@sina.com。

1001-1749(2017)01-0096-07

P 631.5

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.01.14