蘭恒星, 趙曉霞, 伍宇明, 李郎平, 蘇奮振

(1.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101；2.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院, 陜西 西安 710054；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

鈣質(zhì)島礁沉降變形過(guò)程分析?

蘭恒星1,2, 趙曉霞1,3, 伍宇明1, 李郎平1, 蘇奮振1

(1.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101；2.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院, 陜西 西安 710054；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

隨著海上絲綢之路戰(zhàn)略的推進(jìn)，中國(guó)在多個(gè)鈣質(zhì)島礁上開(kāi)展了工程建設(shè)。沉降變形是島礁建設(shè)所面臨的主要問(wèn)題之一。由于鈣質(zhì)砂工程性質(zhì)的特殊性，鈣質(zhì)島礁的沉降變形過(guò)程和機(jī)理具有一定的獨(dú)特性。然而，由于島礁位置通常遠(yuǎn)離內(nèi)陸，使用常規(guī)監(jiān)測(cè)方法不易于開(kāi)展島礁沉降研究，有關(guān)鈣質(zhì)島礁沉降變形的研究仍較少。本研究選取我國(guó)典型鈣質(zhì)島礁，利用永久散射體干涉測(cè)量技術(shù)(Permanent Scatterer Interferometry, PSI)，準(zhǔn)確反演了其沉降變形過(guò)程，并進(jìn)行數(shù)值模擬分析。 初步結(jié)果表明：鈣質(zhì)島礁的沉降變形存在明顯的時(shí)空分異特征，總體上，島礁邊緣沉降速率略大于其內(nèi)部沉降速率，工程擾動(dòng)區(qū)大于非擾動(dòng)區(qū)；與其他吹填材料的區(qū)域相比，鈣質(zhì)島礁沉降速率偏小，總體上穩(wěn)定。但是沉降過(guò)程在時(shí)間上表現(xiàn)出明顯的非線性波動(dòng)特征，受工程建設(shè)和海洋水動(dòng)力影響明顯?？紤]到鈣質(zhì)砂特殊的結(jié)構(gòu)特征和復(fù)雜的顆粒破碎機(jī)理，鈣質(zhì)島礁未來(lái)的沉降變形仍然存在一定的不確定性，需要進(jìn)一步的過(guò)程監(jiān)測(cè)和機(jī)理分析，以期為我國(guó)島礁的安全建設(shè)提供科學(xué)支撐。

鈣質(zhì)島礁；沉降變形；過(guò)程與機(jī)理；永久散射體干涉測(cè)量技術(shù)

隨著對(duì)海洋權(quán)益認(rèn)識(shí)的加深，各國(guó)紛紛在鈣質(zhì)島礁上進(jìn)行工程建設(shè)[1]。陸上大規(guī)模的工程建設(shè)已經(jīng)成為地表變形的重要誘因之一，并容易引發(fā)城市建筑物和工程管道破壞等多種災(zāi)害[2-4]。在特殊的海洋環(huán)境背景和強(qiáng)烈的人工活動(dòng)影響下，鈣質(zhì)島礁也面臨著更為復(fù)雜和難以預(yù)測(cè)的地表沉降和變形問(wèn)題。鈣質(zhì)島礁的主要組成物質(zhì)是鈣質(zhì)砂，與陸源的石英砂相比，鈣質(zhì)砂在成因、物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)特性上都存在著明顯的差異[5]，使得鈣質(zhì)島礁的沉降過(guò)程和機(jī)理都具有明顯的獨(dú)特性。然而，由于島礁遠(yuǎn)離內(nèi)陸，受設(shè)備、成本、氣象等因素的影響，常規(guī)的監(jiān)測(cè)方法不易用于開(kāi)展島礁沉降研究，因而目前有關(guān)鈣質(zhì)島礁沉降變形的研究較少甚至空白。

地表沉降變形監(jiān)測(cè)的傳統(tǒng)方法主要有全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)監(jiān)測(cè)、水準(zhǔn)測(cè)量和原位監(jiān)測(cè)等，但這些方法都需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，由于島礁抵近困難，一般情況下難以實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。同時(shí)傳統(tǒng)的方法只能得到密度較低的離散點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。近年來(lái)，基于合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(Synthetic Aperture Radar Interferometry, InSAR)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的長(zhǎng)時(shí)序InSAR技術(shù)，例如具有代表性的PSI技術(shù)，在地表形變監(jiān)測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用[6-9]。長(zhǎng)時(shí)序InSAR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)全天時(shí)全天候的面監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)精度可達(dá)毫米級(jí)[10]，且不需要與監(jiān)測(cè)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)際接觸，因此與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法相比更適用于鈣質(zhì)島礁沉降變形監(jiān)測(cè)。

為了更好地研究復(fù)雜工程和水動(dòng)力條件擾動(dòng)下鈣質(zhì)島礁的沉降變形特征，本研究選取我國(guó)典型鈣質(zhì)島礁為研究對(duì)象，采用PSI技術(shù)，反演了其地表的沉降變形過(guò)程。同時(shí)，根據(jù)研究區(qū)域的工程地質(zhì)條件，構(gòu)建了數(shù)值模型，模擬其沉降變形過(guò)程，進(jìn)行變形機(jī)理的初步分析。最終，對(duì)典型鈣質(zhì)島礁地表沉降變形的時(shí)空分布特征進(jìn)行了探討，初步揭示并分析了主要的影響因素。研究成果在一定程度上彌補(bǔ)了鈣質(zhì)島礁地表沉降變形研究的薄弱環(huán)節(jié)，并可以進(jìn)一步為我國(guó)島礁的安全建設(shè)提供初步的科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)

本研究中選取的某鈣質(zhì)島礁位于我國(guó)南沙群島中東部海域，由珊瑚生長(zhǎng)發(fā)育形成，為典型的鈣質(zhì)島礁。該島礁于2015年完成陸域吹填工程，其礁坪吹填材料主要為珊瑚砂。其中，重點(diǎn)研究區(qū)域上的主要工程建設(shè)是機(jī)場(chǎng)，于2016年上半年完成建設(shè)。研究區(qū)建設(shè)前后的對(duì)比如圖1所示。根據(jù)島礁上的工程建設(shè)時(shí)間和數(shù)據(jù)覆蓋情況，本研究選取COSMO-SkyMed雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)開(kāi)展研究，該衛(wèi)星星座由四顆X波段合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)衛(wèi)星組成，波長(zhǎng)為31.25 mm[11]。

圖1 研究區(qū)建設(shè)前后的對(duì)比圖Fig.1 The Study area before and after construction

研究區(qū)域機(jī)場(chǎng)的工程建設(shè)時(shí)間為2016年上半年，為了更好的反應(yīng)工程建設(shè)對(duì)島礁沉降變形的影響，并滿(mǎn)足時(shí)間上和空間上形變反演的需要，選擇數(shù)據(jù)的時(shí)間覆蓋范圍為2016年8月—2017年2月，時(shí)間間隔為199天，共12幅(見(jiàn)表1)，空間分辨率為3 m，極化方式為HH，軌道和觀測(cè)方向分別為降軌和右視。

表1 COSMO-SkyMed雷達(dá)衛(wèi)星影像成像時(shí)間Table 1 COSMO-SkyMed radar data acquisition time

2 研究方法

2.1 基于PSI技術(shù)的沉降反演

PSI技術(shù)是從多時(shí)相的SAR影像中選取人工建筑、巖石等保持高相干性的永久散射 (Permanent Scatterer, PS) 點(diǎn)，這些地物在長(zhǎng)時(shí)間序列的影像上能夠較好的保持相位和后向散射信息的穩(wěn)定性，受時(shí)間和空間去相干影響較小，從而利用這些PS點(diǎn)上的可靠相位信息，進(jìn)行地表變形的反演[12]。在支持PSI技術(shù)的多款軟件中，GAMMA是較為成熟的一種，并為眾多研究所采用[13-14]，本研究使用該軟件中的IPTA模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，基本處理流程如圖2所示。

由于研究區(qū)域的SAR影像中覆蓋有大面積的海域，海浪和往來(lái)船舶等移動(dòng)物體給影像帶入大量噪聲，嚴(yán)重影響影像的配準(zhǔn)精度。為確保目標(biāo)信息的有效提取，首先，本研究通過(guò)圖像識(shí)別的方法抑制噪聲，增強(qiáng)有效信號(hào)，并設(shè)置合理的初始偏移量進(jìn)行配準(zhǔn)，獲取配準(zhǔn)精度符合要求(小于0.2個(gè)像元)的影像數(shù)據(jù)堆。另外，需要準(zhǔn)備一個(gè)數(shù)字高程模型，由于研究區(qū)域沒(méi)有SRTM高程數(shù)據(jù)覆蓋，本次研究采用的高程數(shù)據(jù)由D-InSAR生成。然后，從配準(zhǔn)好的影像中提取出時(shí)序上的PS點(diǎn)，本研究中初始候選PS點(diǎn)的數(shù)量超過(guò)500個(gè)，經(jīng)過(guò)候選點(diǎn)的質(zhì)量評(píng)估及去除質(zhì)量差的點(diǎn)后，剩余PS點(diǎn)的數(shù)量超過(guò)240個(gè)(見(jiàn)圖3(a))，監(jiān)測(cè)點(diǎn)密度約為135個(gè)/km2，符合PSI技術(shù)要求。最后，對(duì)PS點(diǎn)處的影像進(jìn)行差分干涉處理、回歸分析、去大氣效應(yīng)等后期處理，得到高質(zhì)量PS點(diǎn)處的形變速率和歷史形變曲線。

圖2 PSI數(shù)據(jù)處理流程圖(IPTA)Fig.2 PSI processing flow using IPTA

2.2 模型構(gòu)建及沉降模擬

為了進(jìn)一步分析鈣質(zhì)島礁的沉降過(guò)程和機(jī)理，本研究依托Rocsettle的Settle3D軟件構(gòu)建了數(shù)值模型，模擬鈣質(zhì)島礁上機(jī)場(chǎng)建設(shè)區(qū)域的沉降變形過(guò)程。

Settle3D是一款用于分析地基、堤岸和地面載荷下的垂直固結(jié)和沉降的三維軟件，該軟件將一維分析的簡(jiǎn)單性與更復(fù)雜的三維程序的功能和可視化功能相結(jié)合。該軟件把沉降分為三個(gè)主要部分：瞬時(shí)沉降、固結(jié)造成的沉降和二次固結(jié)造成的沉降(蠕變)。由于本研究沒(méi)有考慮二次固結(jié)過(guò)程，所以研究中的沉降主要由初始沉降和固結(jié)沉降兩部分組成。

2.2.1 初始沉降 對(duì)于砂土的初始總應(yīng)力計(jì)算公式為：

σ'=σ-u。

(1)

式中：σi=∑γH為土重的總和，孔隙水壓力u的計(jì)算公式為

(2)

根據(jù)上述公式，可以計(jì)算土壤在沒(méi)有受到外力的情況下的應(yīng)力狀況。

2.2.2 固結(jié)沉降 對(duì)于固結(jié)造成的應(yīng)力變化，該軟件主要分兩種過(guò)程進(jìn)行計(jì)算：

對(duì)于超固結(jié)土垂直應(yīng)力變化，其計(jì)算公式為：

(3)

對(duì)于正常固結(jié)的土壤垂直應(yīng)力變化，公式則變?yōu)椋?/p>

(4)

式中：Cc為固結(jié)指數(shù)，Cr為再次固結(jié)系數(shù)，e0為初始空隙比，Pc為先期固結(jié)壓力，σi為初始有效應(yīng)力，σf為最后有效應(yīng)力。

對(duì)于孔隙水造成的應(yīng)力變化，該軟件采用太沙基一維固結(jié)理論，其計(jì)算公式為：

(5)

綜合上述應(yīng)力變化，并以彈性形變過(guò)程計(jì)算沉降量，珊瑚砂的沉降量為：

(6)

式中：Δσ為垂直總應(yīng)力的變化量；Es為壓縮模量；h為土壤厚度。

本研究中，由于假設(shè)該土壤為正常固結(jié)土，因此OCR值為1。模型中的其他參數(shù)則是根據(jù)珊瑚砂蠕變實(shí)驗(yàn)獲取，試驗(yàn)材料為研究區(qū)域吹填時(shí)使用的珊瑚砂，具體的參數(shù)取值見(jiàn)表2。模型中機(jī)場(chǎng)的幾何形狀從高精度的遙感影像中獲取。數(shù)值模型中其他參數(shù)的設(shè)置也與實(shí)際情況一致。

表2 模型力學(xué)參數(shù)Table 2 The model parameters

3 結(jié)果與分析

3.1 鈣質(zhì)島礁沉降過(guò)程PSI監(jiān)測(cè)結(jié)果

研究區(qū)PSI反演形變的結(jié)果如圖3(a)所示，由于受鈣質(zhì)島礁西側(cè)和北側(cè)建設(shè)的影響，相應(yīng)區(qū)域提取到的高質(zhì)量的PS點(diǎn)相對(duì)較少，其余區(qū)域有足夠的PS點(diǎn)較好地覆蓋。從研究結(jié)果中可以看出，研究區(qū)的沉降相對(duì)穩(wěn)定，最大沉降率小于32 mm/a，且鈣質(zhì)島礁邊緣沉降率大于鈣質(zhì)島礁內(nèi)部沉降率。本研究中島礁的內(nèi)部和邊緣是相對(duì)概念，邊緣指吹填完成后的邊緣，內(nèi)部指距離吹填完成后的邊緣較遠(yuǎn)的靠近中心的區(qū)域。

本研究從鈣質(zhì)島礁的邊緣和內(nèi)部區(qū)域，分別選取能夠代表沉降變形特征的10個(gè)典型永久散射點(diǎn)(PS點(diǎn))進(jìn)行重點(diǎn)分析。其點(diǎn)號(hào)和位置分布如圖3(b)所示，監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)沉降過(guò)程曲線如圖4、5所示，年平均沉降率如表3所示。

用可辨識(shí)矩陣法對(duì)表4進(jìn)行知識(shí)約簡(jiǎn)，根據(jù)公式(5)和公式(6)可先后得出表4的可辨識(shí)矩陣和可辨識(shí)函數(shù)分別為：

圖3 PSI監(jiān)測(cè)結(jié)果及典型PS點(diǎn)分布Fig.3 The PSI monitoring results and the kepreseritative PS points distribution in the study area

圖4 鈣質(zhì)島礁內(nèi)部典型PS點(diǎn)沉降過(guò)程曲線Fig.4 The settlement curve of the representative PS points in the inner regions of study area

3.2鈣質(zhì)島礁沉降空間分布特征

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，研究區(qū)域鈣質(zhì)島礁在監(jiān)測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)的最大年沉降量小于32 mm，符合我國(guó)關(guān)于民用機(jī)場(chǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)[15]的相關(guān)要求，鈣質(zhì)島礁沉降處于基本穩(wěn)定的狀態(tài)。然而，鈣質(zhì)島礁的沉降特征存在明顯的空間分異性。從區(qū)域差異上看，研究區(qū)域鈣質(zhì)島礁邊緣沉降率大于內(nèi)部沉降率。鈣質(zhì)島礁內(nèi)部選取的10個(gè)PS點(diǎn)的年沉降量均小于20 mm，最大年沉降量為18.65 mm，年平均沉降量為16.25 mm。而邊緣區(qū)域選取的10個(gè)PS點(diǎn)的年沉降量均大于22 mm，最大年沉降量為26.96 mm，年平均沉降量為24.52 mm。與內(nèi)部相比，島礁邊緣的沉降量略大，邊緣年平均沉降量比內(nèi)部大8.27 mm。從島礁內(nèi)部的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，受工程擾動(dòng)直接影響的區(qū)域(如3382)的沉降率略大于其他地區(qū)。

初步分析認(rèn)為，上述鈣質(zhì)島礁的沉降變形特征主要受島礁基底、吹填厚度和海洋水動(dòng)力等因素的影響。與島礁內(nèi)部區(qū)域相比，邊緣區(qū)域的珊瑚礁基底地勢(shì)較低，吹填厚度較大。而內(nèi)部區(qū)域地勢(shì)較高，吹填厚度較小。在不考慮原始珊瑚礁基底沉降的條件下，吹填厚度較大的邊緣區(qū)域，沉降量相對(duì)較大，吹填厚度較小的內(nèi)部區(qū)域，沉降量相對(duì)較小。此外，與島礁內(nèi)部區(qū)域相比，邊緣區(qū)域受海洋水動(dòng)力條件的影響更為顯著，導(dǎo)致靠近島礁邊緣的區(qū)域表現(xiàn)更為明顯的沉降變形特征。

3.3鈣質(zhì)島礁沉降變形時(shí)間序列特征

從時(shí)間序列來(lái)看，鈣質(zhì)島礁上所有PS點(diǎn)的沉降過(guò)程均表現(xiàn)出顯著的非線性波動(dòng)特征，且存在明顯的空間分異特性。受工程擾動(dòng)影響較大的內(nèi)部PS點(diǎn)(如2630，3021)，與受海洋水動(dòng)力影響較大的邊緣PS點(diǎn)的沉降曲線明顯不同。受海洋水動(dòng)力影響較大的邊緣PS點(diǎn)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性波動(dòng)特征，并具有明顯的周期性。有些PS點(diǎn)具有典型的臺(tái)階狀時(shí)程變形過(guò)程(如3553，3552)，這些特征與運(yùn)行期的三峽庫(kù)區(qū)的邊坡位移時(shí)程曲線有某種程度的相似性[16]，進(jìn)一步表明了海洋水動(dòng)力環(huán)境對(duì)鈣質(zhì)島礁沉降變形的影響。受工程擾動(dòng)影響較大的靠近島礁內(nèi)部PS點(diǎn)的沉降時(shí)程曲線的波動(dòng)性較弱，周期性不明顯，線性沉降特征較強(qiáng)。

圖5 鈣質(zhì)島礁邊緣典型PS點(diǎn)沉降過(guò)程曲線Fig.5 The settlement curve of the representative PS points in the boundary area of island-reef

分析認(rèn)為工程建設(shè)擾動(dòng)和海洋水動(dòng)力擾動(dòng)是影響鈣質(zhì)島礁沉降變形的主要因素。受不同因素影響的PS點(diǎn)的沉降過(guò)程曲線特征明顯不同。本研究中SAR數(shù)據(jù)的覆蓋期(2016年8月—2017年2月)內(nèi)的鈣質(zhì)島礁沉降變形曲線的波動(dòng)性很可能受海洋水動(dòng)力環(huán)境周期性變動(dòng)影響，但是具體的沉降變形波動(dòng)規(guī)律需要結(jié)合當(dāng)?shù)睾Ｑ髣?dòng)力資料做進(jìn)一步分析，結(jié)合關(guān)于中國(guó)南海洋流模式的已有研究[17]，分析研究區(qū)域沉降的波動(dòng)特性。此外，島礁邊緣區(qū)域與內(nèi)部區(qū)域沉降波動(dòng)性大小的差異，也受島礁基底、吹填厚度的影響。

3.4鈣質(zhì)島礁沉降機(jī)理初步分析

表3 典型PS點(diǎn)年沉降率Table 3 The representive PS points Settlement rate per year

Note：①Average settlement rate

數(shù)值模型模擬得到的驗(yàn)證點(diǎn)處的沉降歷史曲線呈負(fù)指數(shù)下降的趨勢(shì)，與PSI監(jiān)測(cè)的結(jié)果有明顯的差異性，這可能主要是由于時(shí)間跨度的問(wèn)題造成。PSI監(jiān)測(cè)的周期較短，并沒(méi)有很好地反映出長(zhǎng)時(shí)間序列的沉降過(guò)程特征。從長(zhǎng)時(shí)間序列的沉降過(guò)程來(lái)看，鈣質(zhì)島礁的沉降應(yīng)該表現(xiàn)出與傳統(tǒng)巖土材料的沉降特征相似的負(fù)指數(shù)下降沉降趨勢(shì)，但在沉降過(guò)程的局部形變量和形變特征會(huì)表現(xiàn)出明顯的差異性。

與其他材料的吹填區(qū)相比[18]，鈣質(zhì)島礁的沉降量較小，并且較穩(wěn)定，該特性與已有研究的結(jié)果一致[5, 19]。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是鈣質(zhì)砂具有較高的變形模量，同時(shí)在模型模擬中，并沒(méi)有考慮到鈣質(zhì)砂顆粒受壓破碎對(duì)沉降的影響。然而由于鈣質(zhì)砂具有獨(dú)特骨架結(jié)構(gòu)和特殊的二次固結(jié)壓實(shí)特征，珊瑚鈣質(zhì)砂的顆粒破碎現(xiàn)象與特性有別于石英砂等其他材料[20-22]，珊瑚鈣質(zhì)砂的破碎機(jī)理變形較為復(fù)雜，并不能排除在外部動(dòng)力條件影響下沉降加劇甚至突變的可能，尚需進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

圖6 模型模擬結(jié)果Fig.6 The simulating resultsusing Settle3D

圖7 機(jī)場(chǎng)跑道某點(diǎn)處模型模擬結(jié)果與PSI反演結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison between modeling results and PSI monitoring at representative region in the island airport

4 結(jié)論

本研究選取我國(guó)某南海典型鈣質(zhì)島礁，并以機(jī)場(chǎng)建設(shè)區(qū)域?yàn)榫唧w監(jiān)測(cè)分析對(duì)象，利用PSI技術(shù)對(duì)其地表沉降變形過(guò)程進(jìn)行了反演，并結(jié)合數(shù)值模型對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析。得到如下的主要結(jié)論：

(1)PSI技術(shù)應(yīng)用到鈣質(zhì)島礁地表沉降變形監(jiān)測(cè)中，能夠快速得到大面積沉降變化趨勢(shì)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法點(diǎn)監(jiān)測(cè)的不足。雖然該技術(shù)在應(yīng)用到海洋區(qū)域尚有不足，易受大氣濕度、海浪等因素的干擾，但是該技術(shù)為快速獲取島礁沉降變形趨勢(shì)提供了一種可能，在有實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)校正的情況下，監(jiān)測(cè)結(jié)果將更可靠。

(2)在監(jiān)測(cè)期內(nèi)，典型鈣質(zhì)島礁的年均沉降率基本控制在30 mm 以?xún)?nèi)，與其他吹填材料的區(qū)域相比，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

(3)鈣質(zhì)島礁沉降變形表現(xiàn)出明顯的空間分異特征，從區(qū)域差異上看，研究區(qū)域鈣質(zhì)島礁邊緣沉降速率大于島內(nèi)內(nèi)部沉降速率。從島礁的沉降過(guò)程的時(shí)間序列來(lái)看，所有的監(jiān)測(cè)點(diǎn)均表現(xiàn)出顯著的非線性波動(dòng)特征，同時(shí)具有明顯的空間分異特征，反映了不同影響因素對(duì)島礁沉降變形作用機(jī)理的不同。

(4)鈣質(zhì)島礁的沉降變形特征與珊瑚礁基底地勢(shì)、吹填厚度、工程擾動(dòng)和海洋水動(dòng)力條件等因素有關(guān)。工程建設(shè)擾動(dòng)和海洋水動(dòng)力擾動(dòng)是兩個(gè)重要的外動(dòng)力因素，鈣質(zhì)島礁沉降變形曲線的強(qiáng)烈的波動(dòng)性很可能受海洋水動(dòng)力條件周期性變動(dòng)影響。

(5)雖然總體上來(lái)說(shuō)研究區(qū)內(nèi)典型鈣質(zhì)島礁目前較為穩(wěn)定，但考慮到珊瑚鈣質(zhì)砂獨(dú)特的骨架結(jié)構(gòu)和特殊的二次固結(jié)壓實(shí)特征及其復(fù)雜的顆粒破碎機(jī)理，并不能排除在外部動(dòng)力條件影響下鈣質(zhì)島礁沉降加劇甚至突變的可能，其未來(lái)的沉降變形趨勢(shì)仍存在較強(qiáng)的不確定性，需要進(jìn)一步的過(guò)程監(jiān)測(cè)和機(jī)理分析。另外，由于研究區(qū)域特殊性，海浪、潮汐數(shù)據(jù)難以獲取，在今后的研究借助相關(guān)數(shù)據(jù)和成果進(jìn)行比對(duì)研究，以期為我國(guó)島礁的安全建設(shè)提供科學(xué)支撐。

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Abstract: A large number of constructions have been carried out on calcareous islands and reefs in China with the advancing of national policy of Maritime Silk Road. Due to the special engineering properties of calcareous sands, the calcareous islands and reefs exhibit distinct characteristics of subsidence and deformation processes compared with other regions with different materials. Traditional techniques are difficult employed in the remote maritime islands and reefs. A remote sensing approach, Permanent Scatter Interferometry (PSI), is used to measure the subsidence processes of typical calcareous island-reefs. Further numerical analysis is carried out to analyze the characteristics of their settlement and deformation. Spatio-temporal variation of subsidence has been observed. In general, the subsidence rate along the boundary of island-reef is larger than that in the center. The disturbance of engineering construction plays an important role on the accelerating the ground deformation of island-reef. The coral calcareous island within the monitoring period is stable as shown from the smaller subsidence rate compared with other regions with different materials. The non-linear fluctuated subsidence processes are observed showing the close effects of engineering construction and marine hydrodynamics. The large of uncertainty of calcareous island deformation process is still a concern due to the special engineering properties of calcareous sands, such as the skeleton grain breakage behavior. Further monitoring and analyzing are necessary to facilitate the safety of engineering construction on the coral calcareous islands and reefs.

Key words: calcareous island-reef; settlement and deformation; process and mechanism; Permanent Scatterer Interferometry (PSI)

責(zé)任編輯 徐 環(huán)

Settlement and Deformation Characteristics of Calcareous Island-reef

LAN Heng-Xing1，2, ZHAO Xiao-Xia1，3, WU Yu-Ming1, LI Lang-Ping1,SU Fen-Zhen1

(1. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101，China; 2. School of Geology Engineering and Geomatics, Chang’an University, Xi’an 710054，China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049，China)

TU195

A

1672-5174(2017)10-001-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20160483

蘭恒星, 趙曉霞, 伍宇明， 等. 鈣質(zhì)島礁沉降變形過(guò)程分析[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017, 47(10): 1-8.

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國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)家杰出青年基金項(xiàng)目(41525010)；中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目(QYZDY-SSW-DQC019)資助 Supported by the National Science Fund for Distinguished Young Scholars of China (41525010)； Key Pioneering Project of Chinese Academy of Sciences(QYZDY-SSW-DQC019)

2017-05-20；

2017-07-18

蘭恒星(1972-)，博士，研究員，從事工程地質(zhì)與地質(zhì)災(zāi)害方面研究。E-mail：Lanhx@igsnrr.ac.cn