南沙群岛道明群礁库归沙洲脊槽地貌定量研究

梁 鹏 ，张永战 *

1. 海岸与海岛开发教育部重点实验室，南京大学 地理与海洋科学学院，南京 210023；2. 中国南海研究协同创新中心，南京 210093

1 引言

脊槽地貌（Spur and Groove）在现代珊瑚礁礁坪和礁前广泛发育，由平行分布的线状珊瑚礁脊和槽谷相间组成，槽谷中多有珊瑚碎屑等堆积，在礁坪上形成独特的规则“梳齿”状韵律地貌（Wood and Oppenheimer, 2000）。现代珊瑚礁脊槽规模变化较大，宽度介于8～65 m，脊高和脊长可达10 m和70 m，最大发育水深达25 m（Roberts et al., 1977）。珊瑚礁脊槽地貌受水动力和珊瑚礁生长的控制，是礁缘和礁坪变化活跃的地貌单元，对其发育特征的理解是揭示珊瑚礁发育和演化过程的重要基础（Shinn, 1963）。受调查手段等多种因素限制，目前对珊瑚礁脊槽地貌形态特征和成因机制仍缺乏深入的认识，现有研究大多集中于岸礁礁前（Storlazzi et al., 2003）和堡礁上礁坡（Duce et al., 2016）等区域，对于环礁脊槽地貌的研究仍有待加强。

中国南海环礁发育，南沙群岛北部NE-SW向雁行式排列的珊瑚礁区，更是集中分布了双子、中业、道明、郑和、九章等几大环礁（王颖, 2012）。其中，道明群礁是面积较大的准封闭型环礁，其主礁区东北侧的库归沙洲礁坪平均水深17 m，外海海水通过礁坪和口门与潟湖交换，向海侧波浪动力活跃，而潟湖侧生物建造作用较强，礁坪区脊槽形态多样。其南侧邻近分布的九章环礁暗礁上也发育了与之相似的深水脊槽，成为连通潟湖和外海的礁坪上的重要地貌（王黎和张永战， 2018）。上述环礁脊槽地貌特征与典型的岸礁或堡礁礁前发育的脊槽地貌差异显著（Storlazzi et al., 2003；Duce et al.,2016）。因此，对其脊槽地貌形态和分布规律的研究，有助于完善对环礁、岸礁、堡礁脊槽地貌的认识，丰富珊瑚礁地貌发育理论。

随多波束测深技术的快速发展，对较深海底的观测日益便利，并能够获得高精度的水深数据高程模型（DEM）（刘经南和赵建虎，2002），这使得空间上水深变化迅速的脊槽地貌的定量研究成为可能。因此，本文以南沙群岛北部道明群礁东北侧库归沙洲南部珊瑚礁为研究区，基于多波束测深数据，利用小波分析和过零点分析等方法，定量提取脊槽地貌形态参数，分析脊槽地貌形态在库归沙洲礁坪主要地貌带的空间分异，进而探讨南海乃至全球典型珊瑚礁区脊槽地貌的形态特征。

2 研究区概况

道明群礁是南沙群岛北部雁行式排列的环礁之一（曾昭璇等, 1997），其北侧为中业群礁和北子岛，南侧为郑和群礁。道明群礁NE-SW向延伸，由主体环礁和东北部延伸的长滩礁组成，长约76 km，其中主体环礁长约40 km，宽12 km。东南部发育南玥岛，西南部发育双黄沙洲，东部发育杨信沙洲（赵焕庭等, 1995）。主体环礁东北部，杨信沙洲东北3海里多发育两个南北排列的珊瑚暗礁，形似裤裆，我国渔民称之为裤归（广东地名委员会, 1987），后称库归礁。2017年8～9月实地科考时发现，库归礁已发育沙洲，故本文称其为库归沙洲。

道明群礁常年受热带天气系统影响，季风特征显著，冬季盛行NE风，夏季盛行SW风（周胜男等, 2019）。波浪以季风浪为主，11月至翌年3月东北季风期，波浪以NE、N-ENE向为主，平均波高1.46 m；6～9月西南季风期，波浪以SW、S-WSW向为主，平均波高1.30 m（李文波&赵军，2010）。海区内潮汐为不正规全日潮，潮流流向受礁体地形控制，以往复流为主（朱良生等, 2005），全年平均潮差0.98 m（李维锋, 2014）。

3 材料与方法

3.1 多波束测深数据采集与预处理

2017年9月在南沙群岛道明群礁库归沙洲海域进行多波束测深工作。探测采用R2 Sonic 2024浅水多波束测深仪，配套使用Trimble SPS 351信标差分GPS、OCTANS光纤罗经和运动传感器、AML表面声速仪和声速剖面仪提供实时定位与秒脉冲、运动姿态和声速剖面，使用Qinsy软件进行数据采集。

后续使用Caris HIPS & SIPS软件进行数据回放与预处理。首先进行多波束探头安装姿态和声速剖面校正。因研究区无验潮站，采用俄勒冈州立大学（OSU）地球与空间研究所（ESR）创建的MATLAB潮汐预测工具TMD（Tidal Model Driver），获得调查时间的潮汐数据进行潮位校正。进而通过自动和手动滤波结合的方式，对水深数据异常值进行过滤。随后，将水深DEM数据以ASCII格式导出。

3.2 脊槽DEM数据处理

3.2.1 脊槽形态参数定义

基于脊槽不同研究的需要，学者们提出了各自的形态参数指标，诸如脊槽波长（Roberts et al.,1977；Storlazzi et al., 2003）、脊槽振幅（Roberts et al., 1975）、脊槽密度（Blanchon and Jones, 1997；孙宗勋和赵焕庭，1996）等。另外，Munk和Sargent（1954）提出了脊槽的宽度和间距的概念，但主要进行定性描述。在此基础上，定义槽宽、槽谷宽、脊顶宽、脊深、槽深、脊槽高差、脊槽密度7个形态参数，以进行脊槽地貌定量分析（王黎&张永战，2018）（图2）。其中：槽宽GW：两相邻脊脊顶之间的水平距离，对区域内脊槽密度有一定指示意义，亦被称为间距（Munk and Sargent,1954）；槽谷宽GPW：横剖面上，槽两侧边坡坡折点间的水平距离；脊顶宽SRW：横剖面上，脊两侧边坡坡折点间的水平距离；脊深SD：脊槽脊顶的水深；槽深GD：脊槽槽谷的水深；脊槽高差SGH：绝对高度，脊槽槽深与脊深之差；脊槽密度D：脊线垂直方向每100 m所具有的脊个数。

图2 脊槽形态参数示意图（修改自王黎&张永战，2018）Fig. 2 Schematic diagram of SAG morphometric parameters

3.2.2 脊线提取

首先进行坐标旋转，将网格坐标转换为便于计算的距离坐标。经计算，本文以（235500，1189200）为中心点（图3红点）进行旋转，原始水深数据坐标由网格坐标转换为以该中心点为原点的距离坐标。其次，将呈月牙型的脊槽分布区进行旋转，以便于剖面测线与脊槽正交，确保剖面数据的精度：在翻转后的坐标系下，选取x从0～450 m，y从0～1500 m的区域作为典型研究区（图3黑框中）。然后，通过小波分析（Gutierrez et al., 2018）提取脊槽剖面的波长，并识别出规律的高频波动。脊槽剖面原始数据经过小波分析后，去除噪音和地势，脊峰与槽谷在零点线上下均匀分布。最后，对目标数据进行过零点分析处理（Mark et al., 2008），在相邻零点之间，最大的极值为此区域的脊峰，最小极值则为槽谷。

图3 坐标旋转示意图Fig. 3 Schematic diagram for coordinate rotation

通过上述方法提取到的研究区脊槽脊线如图4所示，提取的脊线与脊顶重合率超过95%，不重合区集中于水深超过25m的区域（图中西南角，主要受相对密集点礁地貌的影响），总体满足定量计算的需要。随后，使用小波分析和过零点分析方法分别计算和统计脊槽的形态参数。

4 库归沙洲脊槽形态特征

4.1 库归沙洲脊槽地貌特征

库归沙洲海域珊瑚礁整体呈月牙形，由NW-SE向逐渐转为近SN向，再转为NE-SW向。浅水区多有碎屑沉积物堆积，脊槽发育较差。两沙洲间的珊瑚礁区，脊槽地貌发育良好，其延伸方向与礁坪延伸方向近垂直。礁坪上水深12～20 m，总体变化不大。礁前斜坡发育若干阶地，潟湖坡发育了长1600 m，宽100 m，高10 m的条带状珊瑚礁垄。典型研究区中，在脊槽延伸方向和垂直于脊槽脊线方向脊槽地貌差异较大。在脊槽延伸方向，外礁坪和礁前斜坡脊槽延伸长度较小（20～50 m左右），发育水深较深在25 m左右；潟湖坡脊槽逐渐变大，最大延伸长度达300 m。垂直于脊槽脊线方向，东北部水深较浅，脊槽密度较小，400 m宽度仅发育5个脊；而在礁坪中部与东南部，脊槽较为密集，400 m宽度发育14个脊，且脊槽类型较为丰富（图4）。

岸礁可分为礁前缘、礁脊、礁顶、礁后等地貌带（Yamano et al., 2003），脊槽一般发育于礁前缘与礁脊带。环礁可分为礁前斜坡、外礁坪、内礁坪、潟湖坡等地貌带（余克服，2018），库归沙洲脊槽地貌显著发育于上述各地貌带。基于脊槽发育部位、水深和形态差异，在典型研究区分别选择三个代表性地貌带，包括礁前斜坡、内礁坪和潟湖坡（图4中红框），对比脊槽地貌的空间分异。

图4 典型研究区脊槽脊线提取结果及不同地貌带典型剖面Fig. 4 SAG extraction in representative area and typical profiles in different geomorphologic zones

4.2 典型研究区脊槽形态的空间分异

4.2.1 剖面形态

Gischler（2010）对太平洋、印度洋和加勒比海脊槽地貌形态进行了总结，并根据剖面形态将全球脊槽分为太平洋“V”型脊槽和大西洋“U”型脊槽。与之对比，库归沙洲各地貌带脊槽呈现不同的剖面形态。礁前斜坡以“V”型脊槽为主，尤其在16～19 m水深，槽谷宽小于脊顶宽；水深15～17m，“V”型脊槽的左边坡缓于右边坡（面向脊槽延伸向海方向，左手为左，右手为右，下同），槽谷呈左倾；水深13～15 m，槽谷宽增大，稍大于脊顶宽，且出现“W”型脊槽。显然，这可能与强水动力及其在浅水区的变化有关。内礁坪水动力相对礁前斜坡较弱，“V”型和“U”型脊槽均有发育，但以“U”型为主；槽谷在横向上存在左倾或右倾，且在槽坡和槽谷均有小的凸起点分布，这可能是珊瑚礁生长所致。潟湖坡主体为“U”型脊槽，与礁前斜坡脊槽槽谷倾斜方向相反，总体呈右倾。可能由于槽谷内珊瑚点礁的发育，使得槽谷中有些许凸起分布。此外，在脊顶与内礁坪均发育有次一级的脊槽地貌，其剖面形态为“V”型和“U”型共存（图5）。

图5 库归沙洲不同地貌带典型脊槽剖面形态（位置见图4红框中黄线）Fig. 5 Typical profiles of SAG in different geomorphologic zones at Kugui Sandbank (See Fig. 4 for locations)

4.2.2 形态参数

库归沙洲脊槽地貌发育于水深11.94～24.40 m的范围（表1）。脊槽发育的终止水深即脊深，各地貌带相差不大，最大值在18～19 m，最小值在12～13 m，平均终止水深均在16 m左右。而在脊槽发育的起始水深即槽深，其各地貌带相差较大。脊槽发育的最大水深在礁前斜坡为24.40 m，在内礁坪为16.30 m，相差达8 m；最小水深相差不大在13.45～15.14 m，平均发育水深最大值出现在礁前斜坡为16.65 m，最小值在内礁坪为14.92 m。表明各地貌带脊槽发育最大起始水深相差较大，而最小发育水深相差不大，平均发育起始水深为15～16 m，主要为深水脊槽；脊槽发育终止水深相近，平均终止水深均在16 m左右。

表1 库归沙洲脊槽水深统计Table 1 Statistics of water depth parameters of SAG in Kugui Sandbank

脊槽高差在礁前斜坡和内礁坪为2.15 m左右，在潟湖坡仅为1.24 m（表2）。平均槽宽在礁前斜坡为47.30 m，在潟湖坡达54.92 m，表明礁前斜坡脊槽发育相对密集且高差大，潟湖坡脊槽发育相对稀疏且高差小。脊顶宽在礁前斜坡与内礁坪为6～7 m，变化不大，在潟湖坡则增大到11 m；槽谷宽由礁前斜坡到内礁坪再到潟湖坡，从9 m增大到16 m，再增加至26 m，迅速加大。礁前斜坡脊顶宽为7 m，与槽谷宽9 m相差不大，而内礁坪和潟湖坡脊顶相较于槽谷窄10 m以上。显然，库归沙洲脊槽的脊顶宽均小于槽谷宽，同时，礁前斜坡脊窄槽窄，内礁坪脊窄槽宽，潟湖坡脊宽槽更宽。此外，脊坡坡度在礁前斜坡为7°，内礁坪为8°，潟湖坡达10°，呈逐渐增大的趋势，表明自礁前斜坡至潟湖坡脊槽边坡逐渐变得悬垂。

表2 库归沙洲脊槽形态参数统计Table 2 Statistics of morphological parameters of SAG in Kugui Sandbank

5 讨论

5.1 南海地区脊槽形态特征

道明群礁脊槽地貌集中分布于双黄沙洲、蒙自礁和库归沙洲等礁坪区，其中库归沙洲发育的脊槽界线清晰，平行排列，是道明群礁脊槽地貌的典型分布区之一（图1库归沙洲遥感影像）。其与南海其它环礁发育的脊槽地貌具有一定的相似性。同在南沙群岛北部的九章环礁，其牛轭礁与染青东礁之间的暗礁上发育延伸方向垂直于向海侧边缘的脊槽，且脊槽发育水深较大（平均值13.9 m），亦属于深水脊槽（王黎和张永战，2018）。九章环礁礁前斜坡发育“U”型脊槽，而道明群礁礁前斜坡发育“V”型脊槽，可能后者礁前斜坡水动力作用更加强烈。由潟湖坡到礁前斜坡，九章环礁脊槽的脊深变化不大，槽深逐渐增大，这与道明群礁的脊槽特点相同。然而，前者脊槽高差4 m，后者仅2 m；前者槽宽24 m，后者达40 m以上。同时，九章环礁和道明群礁礁前斜坡脊槽槽谷均存在倾斜，这可能系脊槽延伸方向与波浪或海流运动方向存在交角所致（Munk et al., 1954）。永暑礁东北和西南礁缘10～15 m水深亦发育“V”型深水脊槽（于红兵和孙宗勋，1999）。在西沙海域，永兴岛不仅礁前斜坡水深10～20 m发育深水脊槽，还在西北部礁前和礁脊水深3～10 m发育浅水脊槽，平均高差1.5 m左右（Shen et al., 2018），与道明群礁相近，远小于九章环礁。显然，西沙海域，尤其是岛屿浅水区发育有一定的浅水脊槽。此外，由于波浪侵蚀和生物建造过程的相互作用（Duce et al., 2016），使得永兴岛的脊槽剖面由“V”型向“U”型转换（王国忠等，1986）。

图1 中国南海南沙群岛道明群礁及其邻近海域水下地形与构造及库归沙洲遥感影像Fig. 1 Brief topography and main faults in Daoming Reefs and its adjacent area in Nansha Islands, the South China Sea and remote sensing image of Kugui Sandbank

显然，南海珊瑚礁区“V”型脊槽和“U”型脊槽均有发育，且同一珊瑚礁区存在“V”型向“U”型脊槽的转换。两类脊槽的脊顶宽均小于槽谷宽，尤以道明群礁潟湖坡脊槽的脊顶宽和槽谷宽相差最大（达15 m），可能与大量海水越过礁脊涌入潟湖有关。此外，除西沙永兴岛在水深3～10 m发育浅水脊槽外，其他海域脊槽均发育于水深10 m以上地带。

5.2 南海与全球其他区域脊槽形态对比

Gischler（2010）建立的脊槽地貌形态分类体系认为：太平洋“V”型脊槽受波浪侵蚀作用（底蚀和侧蚀）主控，具有宽平的脊顶和狭窄的槽谷，而大西洋“U”型脊槽受生物建造作用（珊瑚生长和胶结）主控，槽谷宽阔平坦，脊顶略窄陡。南海环礁发育的脊槽剖面形态与之差异较大，库归沙洲礁前斜坡发育“V”型脊槽，但脊槽脊顶和槽谷宽相差不大，且脊顶平均坡度较槽谷大，这可能系环礁礁前斜坡波浪作用影响较大所致（Munk and Sargent, 1954）。同时，库归沙洲潟湖坡发育“U”型脊槽，虽脊顶略陡于槽谷，但脊顶和槽谷宽度均很大，且槽谷右倾，亦与大西洋“U”型剖面差异显著。

为进一步对南海与全球代表性珊瑚礁脊槽形态进行对比，对全球波浪控制型（北太平洋与南太平洋“V”型）和生物控制型（印度洋和加勒比海“U”型）的槽宽和延伸长度分别进行拟合，结果表明二者间存在显著的线性正相关（图6）。其中，波浪侵蚀作用主控的脊槽，其槽宽和延伸长度拟合直线的斜率为1.43，R2为0.84。其中，脊槽延伸长度和槽宽最大的为摩洛凯岛深水脊槽，其延伸长度为195 m，槽宽达103 m（Storlazzi et al., 2003）。生物建造作用主控的脊槽，其槽宽和延伸长度拟合直线的斜率为1.34，R2为0.82。其中，脊槽延伸长度和槽宽最小的为印度洋Alphonse脊槽（Hamylton and Spencer, 2011），其延伸长度为29 m，槽宽为6 m。然而，九章环礁和库归沙洲内礁坪脊槽处于波浪侵蚀作用主控的拟合线上，而库归沙洲潟湖坡脊槽处于生物建造作用主控的拟合线上。

图6 全球代表性珊瑚礁脊槽槽宽和延伸长度相关性对比分析Fig. 6 Comparative analysis for the correlation between space and extension length of the global representative spur and groove

对南海地区的脊槽单独进行拟合分析，表明槽宽和延伸长度亦成正相关，拟合直线斜率为0.90，处于波浪侵蚀作用和生物建造作用主控的拟合线之下，但R2仅为0.23，置信度较低。表明南海区域，脊槽可能受波浪侵蚀和生物建造作用共同控制，且不同地貌带两者的相对强弱不同。南海地区，热带风暴频发（王同美和邹小明，1996），风暴潮搅动的水深较深，可对珊瑚礁造成强力破坏，故东门礁（孙宗勋和赵焕庭，1996）、永暑岛（于红兵和孙宗勋，1999）和库归沙洲等珊瑚礁礁前的脊槽剖面虽呈“V”型，但发育不完善，不符合波浪侵蚀作用主控脊槽的拟合线。在环礁内礁坪潮流易形成拉格朗日环流（Rogers et al., 2015），在其作用下脊槽一方面受侵蚀，另一方面底层剪切力冲刷掉珊瑚碎屑，而沉降流带来丰富营养物质有利于珊瑚的发育，使得脊槽剖面“V”型和“U”型并存。在潟湖坡，由于水动力条件较弱，活珊瑚最发育（余克服，2018），脊槽形态可能受生物建造作用主控。如库归沙洲潟湖坡，其脊槽延伸长度和槽宽处于生物建造作用主控脊槽的拟合线上。

6 结论

基于多波束测深数据，对南沙群岛北部道明群礁库归沙洲珊瑚礁脊槽地貌形态参数的定量统计，及与南海其它珊瑚礁和太平洋与大西洋地区典型珊瑚礁分布区脊槽地貌的对比分析表明：

（1）库归沙洲各地貌带脊槽发育平均起始水深为15～16 m，主要为深水脊槽，最大起始水深相差较大（达8 m），而脊槽发育终止水深相近，平均终止水深均在16 m左右。脊槽高差在礁前斜坡和内礁坪为2.15 m左右，在潟湖坡仅为1.24 m。平均槽宽在礁前斜坡为47.30 m，在潟湖坡达54.92 m。显然，礁前斜坡发育高差大、间隔小相对密集的脊槽，在潟湖坡发育高差小、间隔大相对稀疏的脊槽。脊顶宽均小于槽谷宽，同时，礁前斜坡脊窄槽窄，内礁坪脊窄槽宽，潟湖坡脊宽槽更宽。

（2）库归沙洲珊瑚礁脊槽自外海至潟湖坡坡度逐渐增大，剖面形态由“V”型向“U”型转变。礁前斜坡脊槽以“V”型为主，出现“W”型，部分槽谷左倾；内礁坪“U”型和“V”型脊槽并存，以“U”型为主，部分槽谷左倾或右倾；潟湖坡脊槽主体呈“U”型，槽谷右倾。内礁坪和潟湖坡可能由于点礁的发育，槽谷中多有凸起点分布。同时，内礁坪和潟湖坡均发育有次一级的脊槽地貌，其剖面形态为“V”型和“U”型共存。

（3）南海地区多发育深水脊槽，环礁脊槽发育水深多在12 m以深。全球生物建造作用主控的脊槽，其槽宽与延伸长度拟合直线的斜率为1.34（R2为0.82），波浪侵蚀作用主控脊槽拟合直线的斜率为1.43（R2为0.84）。南海地区部分脊槽形态符合上述拟合直线，但总体脊槽槽宽与延伸长度虽亦成正相关，但R2仅为0.23，置信度较低，表明南海脊槽可能受波浪侵蚀和生物建造作用共同控制，且不同地貌带两者的相对强弱不同。同时，这一地区，频繁的热带风暴对珊瑚礁地貌的破坏作用可能也是一个重要原因。

致谢：本文研究数据来自中国科学院学部咨询项目“南海海域、岛礁开发与海疆权益”（2016ZWH005A-005）与中国南海研究协同创新中心支持的2017年8～9月南京大学南沙考察；南京大学王黎、胡心迪等南海考察团成员协助进行了多波束野外数据采集；审稿专家和编辑部老师对论文提出了有益而详细的修改意见，谨致谢忱。