陸琦，劉阿成，范代讀

（1.同濟大學海洋地質國家重點實驗室，上海 200092；2.國家海洋局東海信息中心，上海 200137）

舟山群島岱衢洋海床的活動性研究及其工程意義

陸琦1,2，劉阿成2，范代讀1

（1.同濟大學海洋地質國家重點實驗室，上海 200092；2.國家海洋局東海信息中心，上海 200137）

浙江舟山群島北部岱衢洋為一雙槽型峽道，由北部潮流沖刷槽、中部海底平原、南部潮流沙脊和沖刷槽等四個地貌單元構成。應用淺地層剖面、側掃聲吶、回聲測深、沉積物取樣等地質地球物理調(diào)查手段，對峽道內(nèi)海床活動性進行了綜合研究，結果表明近年來北部潮流沖刷槽無明顯變化，中南部海底平原沖刷溝微地貌進一步發(fā)育，南部潮流沙脊向陡翼一側移動并造成相鄰沖刷槽略微淤積。沖刷溝微地貌發(fā)育區(qū)與淺層氣淺埋/出露區(qū)基本重合，含氣地層淺埋（＜ 5m）或出露海底可能促進了沖刷溝微地貌的發(fā)育。在研究區(qū)內(nèi)曾發(fā)生因海床沖刷造成輸油管道懸空斷裂的溢油事故，可見，海底平原區(qū)并非是絕對安全區(qū)，今后應加強此類災害地質環(huán)境研究和工程后的長期監(jiān)測跟進。研究結果對舟山海域及其它類似海洋環(huán)境的工程設計、施工和維護都具有借鑒意義。

舟山群島；峽道；海底地貌；淺層氣；海洋工程災害

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

峽道是指兩陸地之間、陸地與島嶼之間或者兩島嶼之間連接開敞水域的水流通道。峽道內(nèi)受兩側地形制約和過水斷面縮窄的影響，產(chǎn)生特殊的水動力條件，泥沙運移與沉積地貌特征等，即所謂的峽道效應。1927年 Gregory[1]對多佛海峽形成年代及其與泰晤士河和萊茵河的關系研究開創(chuàng)了現(xiàn)代峽道研究的先例。自1967年Keller和Richards對馬六甲海峽的峽道沉積[2]進行研究以來，世界各地掀起了對峽道動力、泥沙、沉積、地貌等綜合研究的浪潮。

我國對峽道的研究主要集中在20世紀80年代后，如對渤海海峽[3-5]、瓊州海峽[6]、舟山群島峽道[7-12]、崎嶇列島峽道[13-17]、海壇海峽[18]等的動力地貌和動力沉積進行了深入分析，這些成果豐富和發(fā)展了河口海岸學理論。隨著我國各島嶼群海洋開發(fā)步伐不斷加快，深入開展峽道系統(tǒng)研究具有重要的現(xiàn)實意義。

研究海域位于舟山群島岱衢洋，是典型的雙槽型峽道。峽道南北兩側發(fā)育潮流沖刷槽，南部存在潮流沙脊，中南部發(fā)育密集沖刷溝微地貌；同時淺層氣比較發(fā)育，氣頂位置接近或出露海底。潮流沙脊與沖刷槽活動性大，易造成海洋工程因底床失穩(wěn)而引發(fā)工程災害，是陸架上常見的水動力—地貌災害類型的地質體；淺層氣屬于沉積—地層災害地質因素，在杭州灣、浙江近岸海域比較發(fā)育[19]。海床不穩(wěn)定性和災害地質因素不僅是近海災害地質研究的主要課題，也是目前海洋工程設計、施工和維護極為關注的要素。岱衢洋是舟山群島海域中海洋開發(fā)與使用程度相對較高的海域。該海域曾發(fā)生過因海底沖刷而造成海底輸油管道斷裂、原油泄漏的事故。因而，以岱衢洋為例研究峽道海底地貌的活動性，揭示其發(fā)生規(guī)律和影響因素，不僅可應用于對研究區(qū)已建成海底管線的維護，也可為今后類似海域的海洋開發(fā)、海洋工程設計施工等提供借鑒。

1 研究海域自然環(huán)境與工程概況

岱衢洋介于衢山島與岱山島之間，西連杭州灣水域，北鄰崎嶇列島，距上海洋山深水港區(qū)20 km，東接東海，向南與岱山水道相連，屬舟山群島北部峽道中的一支。峽道水域受島嶼群輪廓線影響，呈NWW-SEE走向，南北寬12 ～ 15 km，東西長25 km。岱衢洋水動力和海底地形地貌具有明顯的峽道特征，在南、北島嶼近岸段形成多個潮流沖刷深槽，最大水深為 54 m，而峽道中部水域凸起為海底平原，水深12 ～ 20 m，峽道東西兩端開闊海域水深小于10 m（圖1）。

圖1 研究海域地理位置與水下地形圖（據(jù)2006年海圖改繪）Fig.1 Location of the study area and the seafloor topography

研究海域的潮汐屬不規(guī)則半日淺海潮，落潮歷時長于漲潮歷時。據(jù)鄰近岱山海洋站的長期觀測資料，多年平均潮差為191 cm，最大潮差為373 cm，平均漲潮歷時5 h 52 min，落潮歷時6 h 34 min，歷時差42 min。據(jù)2008年7月在該海域天文大潮期間的水文測驗資料，潮流為往復流形式，漲潮流向NW，最大實測流速為164 cm/s，落潮流向SE，最大實測流速為140 cm/s，漲潮流速稍大于落潮流速。本區(qū)常浪向和強浪向均為偏北向。

研究海域已形成了比較集中的海底管線區(qū)，已建成多條重要的海底管線，包括某海底輸氣管道、輸油管道、多條岱山至衢山110kV、35kV輸電電纜、岱山至衢山海底光纜等（圖2）。由此可見，岱衢洋是舟山群島海洋開發(fā)與使用程度相對較高的海域。其中海底輸油管道曾因海底沖刷而造成斷裂溢油事故；早期的10kV海底輸電電纜也因多次受損等原因最終退出營運。

2 資料來源與調(diào)查

研究資料來源于 2003－2008年的某項海洋工程勘測。現(xiàn)場調(diào)查范圍位于岱衢洋中西部，從岱山島北部至衢山島西南部海域。項目包括底質采樣、淺地層剖面探測、側掃聲吶探測和海底地形測量。底質采樣使用蚌式采泥器與重力柱狀取樣器，樣品在現(xiàn)場定性描述拍照記錄后拋棄。淺地層剖面探測采用Geopulse高分辨率淺地震剖面儀，地層分辨率0.2 ～ 0.3 m，地層穿透厚度最大約80 m；聲吶探測采用GeoAcoustics雙頻旁掃聲吶，頻率100/500 kHz可選，量程50 ～ 200 m可調(diào)；海底地形測量采用海鷹HY1600單頻回聲測深儀；定位均采用DGPS導航系統(tǒng)，定位點距50 m，精度優(yōu)于3 m。淺地層剖面探測、側掃聲吶探測和海底地形測量同步進行，測線間距50 ～ 75 m，共30條，總長度310 km，覆蓋海域寬度4 ～ 5 km（圖3）。

圖3 研究海域調(diào)查測線與A-A′典型剖面位置圖Fig.3 Map showing survey lines and locations of A- A′profiles

3 結果與討論

3.1 地貌分區(qū)

岱衢洋周邊島嶼岸線曲折，水深介于 10 ～54 m，海底地形呈現(xiàn)南北兩端低而中部高，坡度0 ～10°，分布著潮流沖刷槽、潮流沙脊和海底平原等3種海底地貌類型，水深大于20 m的潮流沖刷槽和小于20 m的海底平原分別占總面積的20%和75%（圖4、圖8）。

圖4 研究海域地貌類型與分布Fig.4 Classification and distribution of seafloor morphology in the study area

3.1.1 潮流沖刷槽 潮流沖刷槽也稱為潮流槽，按相對沖刷深度又可以進一步分為潮流深槽和淺槽。該類地貌單元發(fā)育于研究海域南北島嶼附近。

北部深槽受衢山島西南部岬角海岸影響略呈弧形，自琵琶欄島向東南延伸，深槽全長約12 km，平均寬度約3 km，由西北向東南漸展寬。深槽水深一般20 ～ 50 m，最大水深54 m；橫斷面呈不對稱“U”形，北坡窄而較陡，最大坡度約15°，寬0.3 ～1 km；槽底寬300 ～ 600 m，略有起伏；南坡較寬緩，寬2 ～ 2.4 km，坡度1～2°，總體表現(xiàn)為上緩下陡。槽底沉積物為粘土，強粘性、含水量較低。深槽向南逐漸過渡為平坦的海底。

南部深槽受岱山島東北部岬角海岸影響，在稻蓬礁、燕窩島等海岸附近發(fā)育成多個獨立深槽區(qū)，其中稻蓬礁深槽位于研究海域范圍內(nèi)。該深槽發(fā)育自稻蓬礁西側，近W-E走向，長約2.5 km，寬度約0.6 km，槽底水深20 ～ 30 m；深槽南北向橫斷面呈“V”型，南坡為岱山島水下岸坡，坡度約8°，北坡鄰接潮流沙脊，坡度約2°。燕窩島深槽發(fā)育自燕窩島北側，呈W-E走向，深槽長約7.5 km，寬為2.5 km，槽底水深20 ～ 54 m。

3.1.2 潮流沙脊 潮流沙脊發(fā)育在岱山島稻蓬礁深槽西北側，形成槽脊相伴生現(xiàn)象。脊南北寬約1 km，向東、西延伸超出研究海域；脊頂水深9～14 m，高度4～8 m，脊線有起伏，呈現(xiàn)中間低，東、西兩端高。沙脊南翼與潮流深槽的北坡相接，大體上可以20 m等深線為界：以深為沖刷槽北坡，以淺為沙脊南翼。沙脊的北翼延伸至18 m等深線。南翼坡度較陡，為2～4°，北翼較緩，為0.5～2°。沙脊西部疊加發(fā)育波痕，波幅約20 cm，波長約6 ～10 m，波痕大致平行，走向以SW-NE為主，與沙脊的走向近垂直，類似的伴生微地貌現(xiàn)象在其它海域也有見到[12]。沙脊形態(tài)完整且連續(xù)，一直處于活動中，物質組成以分選好的細砂為主，可以判斷為現(xiàn)代潮流沙脊。

3.1.3 海底平原 海底平原從距離岱山島約2.4 km向北，至距離衢山海岸約4 km，海域長度約7 km，水深一般12～20 m，海底平緩向南傾斜，底質以粘土質粉砂為主。在中南部海域與上述潮流脊相鄰，受潮流沖刷作用比較明顯，沖刷溝微地貌發(fā)育，相對深度0.5～2 m。沖刷溝橫斷面既有“U”型，也有“V”型的，寬度50～200 m（圖5、圖6）。

圖5 回聲測深記錄中顯示的中南部海底平原沖刷溝微地貌Fig.5 Rill mark shown in Echo Sounding Records at sea-bottom plain

圖6 側掃聲吶記錄顯示中南部海底平原沖刷溝微地貌Fig.6 Scour rill on the flat seafloor geomorphic unit shown in Side Scan Sonar Records

3.2 沉積物類型與分布

岱衢洋海區(qū)實際上是長江口外水下前三角洲的延伸部分，沉積物主要來源于長江入海泥沙和當?shù)貚u嶼風化產(chǎn)物。沉積物取樣結果表明，研究區(qū)的底質類型主要有粘土質粉砂(YT)、細砂(S)、粘土(Y)，由南向北含砂量降低，含泥量增加（圖 7）。粘土分布于北部潮流沖刷槽內(nèi)，樣品為灰色，軟塑，含水量相對較低，屬較早的沉積地層。粘土質粉砂分布于研究海域中部，泥樣表層有厚約1～2 cm的灰黃色浮泥，下面為淺灰色泥，近流塑狀，微粘性，粉砂含量60%以上，樣品含水量高；細砂分布于南部海域，淺黃色，分選好，松散，與南部海域波浪作用較強有關。粘土質粉砂和細砂為現(xiàn)代海相沉積物。經(jīng)柱狀樣現(xiàn)場土力學性質測試分析，由北向南，樣品抗剪強度和貫入阻力逐步降低，與底質類型的分布特點是吻合的。

圖7 研究海域表層沉積物分布YT：粘土質粉砂，S：細砂，Y：粘土Fig.7 Classification and distribution of surface sediment in the study area

3.3 淺部地層剖面特征

3.3.1 地層劃分 淺地層剖面探測是利用聲波在不同介質中傳播特性上的差異獲得的地質信息記錄，地層中不同的沉積物結構、巖性（物性）及層理類型等都因其聲學差異而在淺地層剖面上得到反映，直觀地顯示出淺部地質信息。

研究海域的淺地層剖面自上而下可識別出2個主要反射界面，依次為QT0、。QT0即海底面，由于底質與海水兩種介質之間的波阻抗較大，故顯示出以高能量、高振幅、高連續(xù)性為特征。界面以強反射波為特征，連續(xù)性好，為物性差異較大的沉積界面。在北部海域該界面向北傾斜，其余海域為近水平微起伏。根據(jù)上述各反射界面特征，淺部地層自上而下劃分為 I1、I2兩個反射層組。I1層組位于 QT0與反射界面之間，為海底面下最新的沉積層，呈平行狀反射結構，振幅較強，頻率高，周期寬度相對均勻，連續(xù)性良好，研究區(qū)中部I1層組發(fā)育厚度約6～15 m。在北部潮流深槽的南坡可見其向北微傾斜至尖滅，在南部潮流槽內(nèi)該層組缺失。I2層組位于反射界面下，未揭穿，呈層狀展布，反射結構多為平行狀，振幅強，頻率中等，連續(xù)性尚好，在北部潮流深槽處已出露至海底面，中南部因淺層氣抬升造成地層結構揭示不祥。舟山群島海域的鉆孔揭示，全新統(tǒng)海積層厚度一般為20～25 m[7]，結合研究海域上述淺地層剖面的反射波特征，判斷I1與I2層組為海相沉積層，前者屬上全新統(tǒng)，后者推斷為中下全新統(tǒng)，兩者之間未見明顯的沉積中斷現(xiàn)象（圖8）。

3.3.2 埋藏淺層氣 研究海域的淺層氣相當發(fā)育，很多淺地層剖面中都記錄到淺層氣，但其發(fā)育程度和賦存方式在不同地貌單元之間差異較大。在北部潮流深槽，淺層氣埋深15～20 m，可能與上部地層以粘土為主有關，淺層氣不易穿越上升；在中部海底平原區(qū)氣頂可突然上升至海底面下1～2 m，在沖刷較明顯的沖刷溝內(nèi)直至海底面，但未見氣體逸出海底的記錄特征；南部潮流沙脊區(qū)淺層氣較弱，埋深增加至5～20 m，則可能與沙脊以粗顆粒沉積物為主有關，透氣性好，淺層氣不易在海底面下附近積聚（圖8）。從含氣層及聲波屏蔽層的氣頂埋深分析，極大部分淺層氣產(chǎn)生于全新統(tǒng)，晚更新統(tǒng)較少，或者是由于全新統(tǒng)地層中淺層氣的屏蔽作用掩蓋了晚更新統(tǒng)含氣層的顯示（圖9）。

3.4 海底地貌活動性及影響因素探討

本文根據(jù) 2003年和 2008年兩次實測水深資料，在Surfer軟件支持下利用Kriging插值技術建立不同時期的DEM水深模型，選取A-A′剖面分析水下地形變化（圖10）。

由圖 10可見，北部深槽和海底平原區(qū)北部，即衢山島至距岸5～6 km的海域，5年間水深變化不明顯，海底地形基本穩(wěn)定，如北部潮流沖刷深槽的最大水深維持在52 m左右，且深泓部位也無明顯變化。在海底平原區(qū)南部，即沖刷溝微地貌發(fā)育的海域，水深增加1～2 m，年均沖刷20～40 cm，有些沖刷溝已擴展相連，形成低洼地。南部潮流沙脊向陡翼方向（向南）遷移，緩翼至脊頂沖刷2～3 m，年均沖刷40～60 cm，受南側潮流槽的制約，潮流脊的移動受到限制（圖10）。

圖8 淺地層A-A′剖面顯示地層結構和地貌特征Fig.8 Typical seismic profiles A-A′and topographical interpretation

北部海域的海底地貌穩(wěn)定，可能既與底質類型有關，也與地貌性質有關。如深槽內(nèi)底質為軟塑性的粘土，沉積物形成年代較早，具有強粘性、含水量低等特點，不容易沖刷起動；同時槽底水深也是研究海域最深的，沖刷槽經(jīng)過長期潮流動力作用已基本達到平衡。

圖9 中部海底平原淺層氣特征Fig.9 Shallow buried gas in the flat seafloor geomorphic unit

海底平原南部與潮流脊相鄰，沖刷溝發(fā)育，微地貌變化比較明顯，一是海底向下侵蝕，二是沖刷溝擴展合并形成低洼坑。淺地層剖面、側掃聲吶和回深測深記錄顯示，沖刷溝密集發(fā)育的海域淺層氣普遍接近海底面，而在淺層氣埋藏深度較大的海域未發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。本區(qū)的淺層氣主要賦存于全新世和晚更新世地層中，屬典型的未受重大次生作用影響的原生甲烷型生物成因氣[20]。含淺層氣的地層往往是不良地基[21]，Whelan等對海底淤泥中所含甲烷濃度與沉積物抗剪強度之間的關系進行了研究，結果表明自重作用下的固結作用使海底松散沉積物的抗剪強度隨深度增大，而含氣層中這種增長率明顯減小[22]。武漢力學研究所對杭州灣大橋斷面海底淺層氣的研究表明，對于含淺層氣的砂土，不管是粉砂還是細砂，其抗剪強度均隨著淺層氣氣壓上升而有所降低[23]。由此可見，淺層氣的存在可使土質的抗剪強度降低，從而增強了潮流對海床的沖刷掏蝕作用，研究海域淺層氣淺埋區(qū)（埋深＜5 m）與沖刷溝微地貌發(fā)育區(qū)的對應出現(xiàn)可能是該相互作用關系的具體表現(xiàn)。

現(xiàn)代潮流沙脊通常以不對稱為多，陡翼高，緩翼低。Houbolt[24]認為沉積物從緩翼的底部斜交地向脊頂運移，然后在陡翼上沉積下來，即陡翼傾斜方向可以指示潮流脊的發(fā)育方向。研究海域南部潮流沙脊北翼緩、南翼陡，呈現(xiàn)明顯的不對稱性，在2003年與 2008年的水下地形對比研究中，明顯觀測到沙脊向陡翼方向有側向遷移的現(xiàn)象（圖10）。

圖10 典型剖面A-A′2003年與2008年水下地形沖淤變化Fig.10 Morphologic change by comparing two different year charts of 2003 and 2008 along A-A′profile

4 工程指示意義

綜上所述，淺層氣、密集沖刷溝和潮流沙脊是研究海域主要的災害地質因素，其存在增加了海床地貌的活動性，不僅可能造成埋設于海底土中的管線裸露、懸空和斷裂，也為其它威脅海底管線的因素，如不規(guī)范拋錨等對管線的損壞創(chuàng)造了條件。

在一般的海底管線工程施工中，比較多地關注潮流沖刷槽等不良地貌類型。沖刷槽由強潮流沖刷而成，流急水深，海底地形起伏較大，底質條件較差，施工難度大，由此成為海洋工程勘測與施工關注的重點。對于管線在相對平緩的海底平原可能遭遇潛在威脅的研究比較少，但在研究海域的海底平原區(qū)中，因沖刷溝微地貌發(fā)育和淺層氣淺埋/出露區(qū)使海床活動性增大，作為海底不穩(wěn)定因子，構成的潛在威脅不容忽視，尤其是研究區(qū)附近曾發(fā)生某海底油管因海床掏蝕、懸空而斷裂的事故。

為盡可能避免管線損壞事故的發(fā)生，可采取如下的防治方法與措施。首先是應盡可能避開上述不良地貌/地質現(xiàn)象；其次是在無法避開時，加大管線埋深是最有效的防護措施；最后是建成后實施定期監(jiān)測，如發(fā)現(xiàn)海底管線出露海底等問題，及時采取補救措施。

5 結 語

根據(jù)以上研究，可以得出以下結論：

a)研究海域為一雙槽型峽道，由北向南依次劃分為北部潮流沖刷槽、中部海底平原、南部潮流沙脊與沖刷槽四個地貌單元。

b)北部潮流沖刷深槽海床基本穩(wěn)定；南部潮流沙脊和沖刷槽都一直在活動，沙脊向陡翼一側遷移，活動性強的海底地貌一直是海洋工程關注的潛在地質災害類型。

c)海底平原南部的淺層氣淺埋/出露區(qū)與沖刷溝微地貌發(fā)育區(qū)基本一致，表明淺層氣與沖刷微地貌的發(fā)育及其活動性存在一定關系，也是海底管線工程的潛在地質災害，應該引起足夠重視。

致謝：上海東海海洋工程勘察設計研究院張杰、張樹海、王百順、吳巍、唐建忠、萬天鵬等參加了野外調(diào)查，在此謹致謝忱。

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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

中國自然科學基金 (40876021 )

陸琦（1981—），男，上海人，工程師，碩士研究生。主要從事海洋地質研究和海洋工程勘測，電子郵件：13661586452@139.com