賈永剛， 王振豪， 劉曉磊，2， 楊忠年， 朱超祁， 王曉麗， 單紅仙

(1.山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點實驗室，中國海洋大學，山東 青島 266100；2.青島海洋科學與技術(shù)國家實驗室，海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室，山東 青島 266061；3.青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266033)

綜述

海底滑坡現(xiàn)場調(diào)查及原位觀測方法研究進展?

賈永剛1,2， 王振豪1， 劉曉磊1，2， 楊忠年3， 朱超祁1， 王曉麗1， 單紅仙1,2

(1.山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點實驗室，中國海洋大學，山東 青島 266100；2.青島海洋科學與技術(shù)國家實驗室，海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室，山東 青島 266061；3.青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266033)

海底滑坡是海洋中主要的一種地質(zhì)災(zāi)害，對其進行現(xiàn)場調(diào)查及原位觀測將為海底滑坡的特點、發(fā)生機制及發(fā)生過程的研究提供最直接的證據(jù)資料。介紹了海底滑坡的特點及觸發(fā)機制，簡述了歷年來國內(nèi)外有關(guān)于海底滑坡的現(xiàn)場調(diào)查典型案例(調(diào)查手段包括地球物理探測、鉆孔取樣、測定年代試驗等)及原位觀測方法(包括孔壓觀測、海床變形觀測等)的進展情況，分析了各種方法手段的優(yōu)勢與局限性，希望引起國內(nèi)海洋工作者的興趣和關(guān)注，共同推進調(diào)查手段及觀測方法的發(fā)展。

海底滑坡；現(xiàn)場調(diào)查；原位觀測；孔壓觀測；海床變形；研究進展

海底滑坡作為近海三角洲以及陸坡范圍常見的一種地質(zhì)過程，已成為對海洋工程結(jié)構(gòu)甚至人類生命安全威脅最大的海洋地質(zhì)災(zāi)害之一[1-3]，海底滑坡導(dǎo)致的海底不穩(wěn)定性日益引起人們的關(guān)注，海底滑坡所造成的鉆井平臺失穩(wěn)和深水工程的地質(zhì)風險已成為當前海洋地質(zhì)領(lǐng)域的研究熱點。1929 年，加拿大海域的Grand Banks滑坡最高速度達到70 km/h 左右，滑動了約850 km，并破壞了Newfoundland南部北美與歐洲之間的12 條海底通訊電纜[4-5]；1994年，Skagway發(fā)生的大型海底滑坡毀壞了正在重建的碼頭，碼頭隨著滑坡向下被移至水深21 m的位置，滑坡體積大約在760 000 m3[6]。因此，海底滑坡來不僅對附近或者塊體運移范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)物造成破壞，也可能會影響滑坡源區(qū)上部的結(jié)構(gòu)物。海底滑坡自身及其帶來的次生災(zāi)害(如海嘯[7]等)，對海底工程設(shè)施，特別是是油氣開發(fā)平臺、海底油氣管道、海底電纜等重要工程設(shè)施，帶來了巨大的危險和損失，而且破壞后的維修難度、維修費用均非常巨大[8-9]。因此研究海底滑坡，對于解決海洋工程基礎(chǔ)穩(wěn)定性問題、預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生等均具有重要意義。

但由于海底滑坡發(fā)生在水下，其形成機制及發(fā)展過程與陸地滑坡有很大的差異性，以及調(diào)查的困難程度和所需的投入資金問題，研究進展一直十分遲緩[10]，因此對其的研究和認知均存在很大的局限性。對于海底滑坡的調(diào)查最常用的是海洋地球物理探測技術(shù)，如高分辨率地震反射技術(shù)[11]，側(cè)掃聲納和淺地層剖面技術(shù)[12]，高分辨率多波束聲學測深技術(shù)[13]。利用這些手段可精確地獲得海底地形特征、沉積物地層分布特征、以及解釋滑坡空間范圍，以此來評估海底的不穩(wěn)定因素。但存在一定局限性，只能針對已發(fā)生的海底滑坡進行研究，對于海底滑坡的發(fā)生過程以及觸發(fā)因素只能通過推測得知?；麦w的滑移速率、發(fā)生機制以及災(zāi)害評定通常是通過海底管纜的斷裂情況及海洋構(gòu)筑物的毀壞程度來間接推斷[14]。近年來隨著海底天然氣水合物開采引發(fā)全世界研究熱潮，越來越多的原位觀測手段隨之興起，主要針對是水合物開采引發(fā)的海床沉降監(jiān)測問題。對于海床穩(wěn)定性的監(jiān)測可以更好地讓我們分析海底滑坡的發(fā)生機制，同時可以為海洋工程的安全提供更有效的預(yù)警方法，因此發(fā)展海底滑坡的原位觀測手段，并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查方法，對于預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生、保障海洋工程的穩(wěn)定性具有重要意義，也將是該研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。本文綜述了國內(nèi)外多種關(guān)于海底滑坡的現(xiàn)場調(diào)查以及原位觀測技術(shù)手段，希望能引起我國海洋工作者的關(guān)注和興趣，推動海底滑坡調(diào)查與原位觀測技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。

1 海底滑坡的特點及觸發(fā)因素

有關(guān)海底滑坡的文獻最早一篇是由Terzaghi于1956年撰寫的，Terzaghi[15]認為海底滑坡在陡坡和緩坡的情況下均易在短時間內(nèi)產(chǎn)生大規(guī)模的塊體運動。Hampton[16]、Locat和Lee[1]、朱超祁[17]等都對海底滑坡的相關(guān)研究進行了比較全面的文獻綜述，海底滑坡能夠在坡度小于1°的情況下發(fā)生，而滑動距離可高達數(shù)百公里，滑動體積量可能會高達上億立方米。世界上最著名的海底滑坡是8200年前發(fā)生在挪威的Storegga滑坡(見圖1)，該滑坡影響范圍達到90 000 km2，體積達到3 000 km3，而其平均坡度僅為0.6°～0.7°[18]。海底滑坡區(qū)別于陸地滑坡的特點可歸納為以下幾點：滑坡影響面積更廣；滑動距離更遠；可以在非常緩的坡度條件下發(fā)生。

圖1 Storegga滑坡[19]Fig.1 The Storegga landslide[19]

海底滑坡通常在極端海況或地質(zhì)活動等作用下發(fā)生，影響海底滑坡的因素眾多復(fù)雜，這些因素大致可分為兩類：第一類促使海床土體強度降低，減小斜坡抵抗外力的能力；第二類為促使斜坡直接滑動的外部應(yīng)力。兩類因素可同時存在，共同影響斜坡穩(wěn)定性。通過匯總世界各地海底滑坡的誘發(fā)因素，大致有15種之多，包括地震和構(gòu)造運動、沉積物快速沉積、孔隙氣體和天然氣水合物分解滲出、泥火山、波浪、潮流、侵蝕、巖漿火山、鹽底辟、洪水、蠕變、海嘯、海平面波動、人類活動和冰川作用[20]。Prior和Coleman[21]給出了引起海底斜坡失穩(wěn)的主要因素，建立了概念性的過程框圖(見圖2)。

(據(jù)Prior[21]修改。According to Prior[21].)圖2 海底滑坡誘因及其相互關(guān)系Fig.2 The triggers of submarine landslides

可見海底滑坡在規(guī)模上要遠大于陸上滑坡，觸發(fā)機制上也要比陸上滑坡復(fù)雜。傳統(tǒng)的陸上滑坡調(diào)查監(jiān)測方法目前都很成熟，但由于水下條件的限制以及所需的投入資金問題，不能直接應(yīng)用到海底滑坡的監(jiān)測領(lǐng)域，因此海底滑坡的調(diào)查與監(jiān)測需要另辟蹊徑，發(fā)展新的技術(shù)手段。

2 現(xiàn)場調(diào)查手段

2.1 技術(shù)分類及簡介

由于環(huán)境和技術(shù)條件的限制，目前還難以直接監(jiān)測到海底斜坡的破壞過程以及破壞后塊體長距離運移過程[22-23]。因此對于海底滑坡的研究，多從已發(fā)生的典型滑坡入手，研究海底斜坡破壞及其土體運移機制。認識海底滑坡最直接的手段就是運用海洋地球物理調(diào)查技術(shù)和鉆探取樣技術(shù)對典型海底滑坡的海底形態(tài)、沉積物變形、地層結(jié)構(gòu)開展調(diào)查。近幾十年以來，隨著科學技術(shù)的進步，尤其是聲學探測設(shè)備如高精度高分辨率的多波束測深系統(tǒng)、高分辨率的地層剖面儀系統(tǒng)、側(cè)掃聲納系統(tǒng)以及高分辨率的單道與多道地震技術(shù)的利用，使獲得準確的海底地形地貌和地層剖面資料成為可能[24-30]。

多波束測深技術(shù)可以針對海底典型的地形地貌進行精準測量，鑒別海底已發(fā)生的變形及失穩(wěn)地形。其空間分辨率受頻率以及水深影響，從淺海到深海其范圍大致為1×1 m2～100×100 m2。在海底管線調(diào)查中，要求有更高的分辨率，會采用AUV(自主式水下潛器)搭載測深系統(tǒng)進行更高精度的測量，分辨率可達0.1×0.1 m2[31]。

側(cè)掃聲納技術(shù)可以更直觀地提供海底形態(tài)的聲成像，相比于多波束測深技術(shù)其優(yōu)點是擁有更廣的探測范圍，但測量精度較低，兩者在探測海底目標時具有很好的互補性,同時應(yīng)用可以提高目標解譯的準確性。相比較于船載側(cè)掃聲納系統(tǒng)，搭載ROV(遙控水下機器人)或AUV(自主式水下潛器)等的探測系統(tǒng)擁有更高的空間分辨率[31]，因此通常后者應(yīng)用也比較多。

高分辨率測深技術(shù)以及側(cè)掃聲納技術(shù)僅能鑒別近代發(fā)生的海底滑坡，因為年代久遠的海底滑坡地形會向越來越平緩、穩(wěn)定的趨勢發(fā)展演變，典型的滑坡地形特點在沉積物堆積及后續(xù)地形改造而不復(fù)存在[32]。而淺地層剖面技術(shù)及高分辨率地震技術(shù)可以提供地層剖面數(shù)據(jù)以鑒別分析上述情況的地質(zhì)歷史，提供已發(fā)生的海底滑坡及海底變形等地質(zhì)證據(jù)。

淺地層剖面技術(shù)是一種采用高頻聲波作為震源的地球物理探側(cè)方法，具有快速、分辨能力高的特點，但穿透力相對高分辨率地震技術(shù)較弱。而高分辨率地震技術(shù)則利用氣槍、電火花等提供高能量震源，穿透力強[26]，適于探測調(diào)查埋深較大的海底滑坡遺跡。

2.2 海底滑坡調(diào)查應(yīng)用實例

Coleman和Garrison[33]利用遠海淺水鉆探探測技術(shù)和試驗室分析設(shè)備，對密西西比河口海床不穩(wěn)定性進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了存在的地質(zhì)災(zāi)害。Coleman[33]進一步探討密西西比河口海底滑動特征，滑動發(fā)育在坡度很低的斜坡上(0.2°～1.5°)，這些滑動包括塌陷 洼地、瓶頸式滑坡、延伸型滑坡、坍塌、泥流溝和疊復(fù)泥流舌?；瑒与m然可分為垂直位移和旋轉(zhuǎn)位移兩類，但均近似于淺層碎屑塊體向斜坡下方的移動，移動距離每年可達幾百米。

Silva[7]聯(lián)合采用多種調(diào)查手段，包括淺地層剖面系統(tǒng)、側(cè)掃聲納(見圖3)、取樣測試和測定年代，調(diào)查墨西哥灣海底滑坡。使用多通道感應(yīng)記錄系統(tǒng)(Multi-Sensor Core Logger)和巖土工程分析手段，獲得穩(wěn)定區(qū)沉積物的性質(zhì)，然后與不穩(wěn)定區(qū)的比較。通過測試沉積物的應(yīng)力歷史、密度、古地磁和C14，辨別埋藏的滑動沉積物。指出滑坡年代的確定有助于認識滑坡機制，也有助于評估滑坡繼續(xù)發(fā)生的可能性。

Fisher[34]綜合利用地層學、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、聲學測深技術(shù)(見圖4)和地震高分辨率技術(shù)，分析南加利福尼亞圣誕芭芭拉海峽的大型海底滑坡群和4個較小滑坡的發(fā)生機制和時間。地震高分辨率資料顯示這些滑坡至少發(fā)生在200 ka以前，但是有些近期發(fā)生的約在8～10 ka前。并指出將來的滑坡很可能發(fā)生在三角洲東北部沉積物較厚的部分，其中地震是滑坡發(fā)生的主要原因，但也不排除海流和沉積物的快速沉積等因素。

圖3 Silva通過側(cè)掃聲吶及淺地層剖面等 手段調(diào)查墨西哥灣海底滑坡[7]Fig.3 Silva investigated the landslide in the gulf of Mexico by the side-scan sonar and sub-bottom profile[7]

圖4 多波束測深數(shù)據(jù)顯示的海底滑坡地形圖[34]Fig.4 The submarine landslides topographic map by multibeam bathymetric data[34]

Vanneste[35]在北冰洋的斯瓦爾巴特群島(挪威)北部發(fā)現(xiàn)了世界上最大規(guī)模之一的海底滑坡—Hinlopen滑坡(見圖5)?；瑒芋w積相對巨大，接近1 350 km3，滑動源區(qū)的后壁達到2 200 km2，高度達到1 400 m，滑動體中部達450 m高、5 000 m寬?；瑒釉磪^(qū)呈圓弧形，滑動面呈平面，推測該滑坡為平移、多階段后退破壞滑坡，如此巨大的滑坡很可能引發(fā)海嘯。并認為冰層融化、洋流、沉積物輸送和地震可能是導(dǎo)致滑坡發(fā)生的主要因素。

圖5 Hinlopen滑坡中選取的一條地震剖面測線[35]Fig.5 A seismic profile in Hinlopen submarine landslide[35]

Sultan[36]通過測深資料發(fā)現(xiàn)在尼日利亞河三角洲地層壓縮區(qū)域存在若干滑坡，發(fā)生的坡度較低(大約2°)，水深約為1 690～1 750 m，認為與斷裂壓縮地層有關(guān)。其后通過聯(lián)合利用三維地震高分辨率、側(cè)掃聲納、鉆孔和原位測試四種技術(shù)手段，揭示滑坡源區(qū)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和沉積物性質(zhì)等。通過基于塑性理論的上限定理，建立三維滑坡穩(wěn)定理論(SAMU-3D)分析滑坡機制，表明重力作用不足以引發(fā)滑坡；然后利用圓柱空心膨脹理論模擬壓縮地層的運動和估計上層沉積物的強度，論證了由這種變形引起的區(qū)域壓縮重力可以解釋滑坡發(fā)生的原因。

國內(nèi)針對海底地質(zhì)災(zāi)害問題，主要也運用海洋地球物理調(diào)查技術(shù)。馮文科等[37]發(fā)現(xiàn)南海北部113°～117°之間的陸架和陸坡轉(zhuǎn)折地帶，有大片海底滑坡分布。陳俊仁與楊木壯[38]根據(jù)1970—1995年間南海測深、旁側(cè)聲納、淺層剖面、單道地震、多道地震、柱狀取樣等多種地球物理調(diào)查資料，指明南海具有多種潛在的地質(zhì)災(zāi)害。劉保華等[25]根據(jù)單道地震資料和沉積物柱狀樣分析認為滑塌和重力流是沖繩海槽西部陸坡(東海陸坡)碎屑沉積物向海槽搬運的重要方式。孫運寶等[39]利用二維、三維地震資料，結(jié)合多波束水深測量，在南海北部白云凹陷發(fā)現(xiàn)大型海底滑坡，并分析了其幾何形態(tài)與變形特征。胡光海[40]利用多波束水深數(shù)據(jù)形成的三維海底形態(tài)，在東海中部陸坡識別出一百多處海底滑坡，并通過特征參數(shù)統(tǒng)計分析了海底滑坡的分布規(guī)律。吳時國等[41]根據(jù)南海北部陸坡海底地形地貌資料和地震資料，得到了該區(qū)塊體搬運沉積體系的識別特征并明確了其分布范圍。國家海洋局第一海洋研究所承擔的國家科技重大專項子課題“荔灣3-1氣田不良地質(zhì)的風險評價技術(shù)”，運用國家十一五“863”計劃最新技術(shù)成果，在荔灣3-1氣田開展高分別率淺層多道地震勘測，并結(jié)合多波束、側(cè)掃和淺剖以及重力取樣土工試驗數(shù)據(jù)，分析識別出了荔灣3-1氣田海底管道路由區(qū)上陸坡區(qū)到陸架外緣130～1 600 m水深范圍內(nèi)的不良地質(zhì)災(zāi)害[42]。

分析上述海底滑坡的現(xiàn)場調(diào)查，可以看出具有以下特點：調(diào)查一般結(jié)合多種調(diào)查儀器和手段同時開展；調(diào)查內(nèi)容包括水深、地貌及地層特征、滑坡規(guī)模和發(fā)生年代等；推測滑坡發(fā)生的原因，包括地震、沉積物快速沉積、冰期融化和地層壓縮等。

3 原位觀測方法

原位觀測是海底滑坡發(fā)生前，事先在海床內(nèi)埋設(shè)測量儀器(如孔壓探頭、三軸加速度傳感器、測斜儀等傳感器)，測量滑坡發(fā)生時土體動力響應(yīng)過程，但觀測難度較大，且花費較高，目前國內(nèi)外有關(guān)于海床穩(wěn)定性的監(jiān)測案例較少。

3.1 孔壓觀測

3.1.1 裝置與技術(shù)進展 在海床內(nèi)埋設(shè)孔壓探頭進行孔壓觀測，通過孔壓數(shù)據(jù)間接指示海床穩(wěn)定性演變過程，進而分析對滑坡的觸發(fā)機制。觀測裝置的應(yīng)用趨勢為由近海向深海、由單點孔壓探頭向多探頭，由短期觀測向長期觀測。

1986年，英國海洋科學研究所研制的自由落體貫入式孔壓觀測探桿PUPPI[43](見圖6)，可針對軟土海床進行原位觀測，觀測深度為4 m，最大采集頻率為0.5 Hz。桿端有一個孔隙水壓力探頭，可根據(jù)壓差傳感器數(shù)據(jù)計算超孔隙水壓力。搭載加速度傳感器、壓差傳感器、聲學測控單元及機械釋放器，可通過聲學釋放實現(xiàn)探桿遺棄，僅自主回收采集控制單元。

1987年中美加聯(lián)合調(diào)查中，Prior等[14]利用海底沉積動力記錄系統(tǒng)，紀錄黃河口海底土體在風暴潮期間的動態(tài)特性，其中將單點孔隙水壓力計埋設(shè)于海床內(nèi)部，埋深約1 m，觀測點水深5 m，數(shù)據(jù)采集頻率為1 Hz。

法國海洋開發(fā)研究院(INFREMER)在PUPPI的基礎(chǔ)上進行改進，利用壓力傳感器自主研發(fā)了一系列孔隙水壓力探桿Piezometer，該系列裝置最大觀測水深達3 484 m，軟土海床內(nèi)最大觀測深度12 m[44]，可應(yīng)用于深海觀測。其中較有代表性的為與德國不萊梅大學海洋環(huán)境科學研究中心(MARUM)的合作成果[45](見圖7)，于法國尼斯水下斜坡進行了長期原位觀測，旨在獲取海底滑坡過程中的孔隙水壓力演變過程。共研制有兩套探桿，桿長分別為4.5和6 m，探桿搭載5、6個孔隙水壓力探頭，按一定深度間隔分布，分辨率±0.2 kPa，數(shù)據(jù)采集間隔5 min，探桿布設(shè)方式為自由落體式貫入。

圖6 自由落體貫入式孔壓觀測探桿PUPPI示意圖[43]Fig.6 Schematic diagram of the PUPPI[43]

中國海洋大學山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點實驗室賈永剛團隊正在研發(fā)的復(fù)雜深海工程地質(zhì)原位長期觀測設(shè)備，搭載的深?？紫端畨毫μ綏U[46]是基于光纖光柵壓差式孔壓傳感器研制而成。桿長4 m，搭載4個孔壓傳感器，精度為±0.1 kPa，可直接觀測海床內(nèi)部超孔隙水壓力，采用靜力貫入方法布設(shè)。

3.1.2 孔壓觀測實例 Bennett[47]在密西西比河口粘性沉積物內(nèi)埋設(shè)孔壓測量系統(tǒng)，觀測波浪荷載作用下孔隙水壓力的變化，測量到較高的孔隙水壓力，認為并不只是風浪引起的短期超孔壓，還受到墨西哥灣Eloise颶風長時間的影響，監(jiān)測到的最大超孔壓約等于靜水壓力的一半。Suhayda和Prior[27]觀測到密西西比河口海床孔隙水壓力接近有效上覆應(yīng)力，并且可能是低角度斜坡破壞的一個主要原因。Hooper和Preslan[48]報道了在密西西比河的一次孔壓測量研究，孔壓測量系統(tǒng)采用電線連接的鉆孔孔壓儀?？讐簻y量處水深60 m，測量土體深度達72 m，上部的24 m為粉土，下部為砂土。

Okusa等[49]在水深1 m的砂質(zhì)海床中，觀測波浪引起的孔壓，隨深度明顯衰減，此現(xiàn)象略大于Madsen[50]和Yamamoto[51]的預(yù)測趨勢，認為滲透系數(shù)和海床變形對波浪壓力向海床孔壓的傳播起重要作用。Zen和Yamazaki[52]在日本Nazaki現(xiàn)場觀測波浪引起的孔壓和有效應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)隨著波浪的傳播，海床內(nèi)有效應(yīng)力隨波浪周期性傳播而波動，而且海床液化與波谷通過時向上的滲流密切相關(guān)。Hattori[53]在日本海對面的波浪觀測站觀測瞬時孔隙水壓力，指出液化程度與土體的滲透性有關(guān)。

圖7 孔隙水壓力探桿Piezometer實物圖[44]Fig.7 Picture of the Piezometer[44]

3.2 海床變形觀測

海底滑坡前期的海床變形是反映海床穩(wěn)定性的最直觀指標，該方面的觀測資料一方面可以幫助我們分析海底滑坡前期的變形特性，為研究滑坡機理提供有力證據(jù)，另一方面可以為海洋工程提供預(yù)警，保障工程及人員安全。當然，隨著觀測手段的發(fā)展與進步，海底滑坡過程中的海床滑移觀測也將得以實現(xiàn)，為海底滑坡研究提供更為直觀有力的數(shù)據(jù)資料，比如海底滑坡的速度、滑動模式、滑移距離等。

早在1980年代中美加聯(lián)合調(diào)查中，Prior等[14]利用海底沉積動力記錄系統(tǒng)，紀錄黃河口海底土體在風暴潮期間的動態(tài)特性，發(fā)現(xiàn)某些原來的滑坡會發(fā)生“復(fù)活”現(xiàn)象，且發(fā)生的位置幾乎不變，粉砂流滑坡的復(fù)活是擾動和沉積物強度降低造成的，該套動力記錄系統(tǒng)包含一個三軸加速度傳感器和一個傾角計，通過記錄加速度值以及傾角的變化來反映海床土體的動態(tài)特性。

(內(nèi)含三軸加速度傳感器。Containing triaxial accelerometer.)圖8 Saito等人設(shè)計的海床監(jiān)測裝置[54-55]Fig.8 Seabed monitoring unitdesigned by Saito[54-55]

海底天然氣水合物開采會引起海床沉降，海床穩(wěn)定性降低，最終可能會導(dǎo)致開采平臺破壞甚至引發(fā)海底滑坡，因此在水合物開采期間海底穩(wěn)定性尤其是海床的沉降觀測顯得尤為重要。Saito等人[54-55]也同樣利用了類似于Prior的觀測裝置(見圖8)，設(shè)計了海床位移監(jiān)測系統(tǒng)，為海底天然氣水合物開采過程中海床穩(wěn)定性提供監(jiān)測，通過放置在海床上的三分量加速度傳感器得到的加速度波形記錄來計算海床位移，計算方法是通過對加速度波形進行簡單的二重積分得到海床位移。此方法同樣在深海熱泉區(qū)的海床變形觀測有應(yīng)用案例[56-57](見圖9)，利用ROV(遙控水下機器人)將裝有三軸加速度傳感器及傾角計的設(shè)備OBT布放在巖石堆頂部，進行長期原位觀測。

圖9 利用ROV布放在深海熱泉區(qū)巖石 堆頂部的觀測設(shè)備OBT[56-57]Fig.9 The OBT in the Logatchev hydrothermal vent field ontop of a small rock pile[56-57]

另一種監(jiān)測海底天然氣水合物開采過程中海床穩(wěn)定性的方法是通過放置在海床表面的高精度壓力計觀測水壓的變化從而計算海床的沉降量。日本海底天然氣水合物開采MH21計劃，應(yīng)用地質(zhì)公司(OYO)聯(lián)合JOGMEC開發(fā)的監(jiān)測裝置(見圖10)，進行了深水試驗[58]。監(jiān)測裝置指標參數(shù)：1 400 m水深；地層沉降監(jiān)測精度達10 mm；地層傾角監(jiān)測精度為0.02°。所使用的壓力計為石英晶體諧振器，測得的水壓變化可反映海床沉降量；傾角計是通過裝置內(nèi)液態(tài)電解質(zhì)的導(dǎo)電性反映海床傾角變化。

通過高精度壓力計測量海床沉降量的方法適用于深海地區(qū)，可以避免波浪潮汐等較頻繁的水動力因素干擾。在北海地區(qū)，Stenvold等人也采用高精度水壓測量技術(shù)[59]進行海床沉降的監(jiān)測。該方法同樣在構(gòu)造運動范疇中多次應(yīng)用，Chadwick等[60]應(yīng)用該方法監(jiān)測海床隆起，并以此對海底火山的爆發(fā)時間進行預(yù)測。Wallace等[61]通過該方法監(jiān)測海床的隆起，使用分布于新西蘭離岸希庫朗伊俯沖邊緣的絕對壓力計網(wǎng)絡(luò)，成功捕捉到2014年9月至10月一次沿海俯沖帶俯沖構(gòu)造運動——慢速滑移。

目前利用石英晶體諧振器(水壓力計)來測量海床垂向變形是應(yīng)用較為成熟的方法，工作原理為水深的變化會引起水壓力計內(nèi)部的諧振器的震動，通過諧振器記錄的震動可計算出水深變化。該種方法的優(yōu)點為量程大(6 000 m水深)、精度高(毫米級)，且精度不受量程影響。但是該方法更適合測量較大、較快速的變形，分析特別緩慢的小變形具有難度，因為受測量環(huán)境、及壓力計自身的原因，其零點漂移大概為8 cm/a[62]。目前，已有自校準水壓測量系統(tǒng)研發(fā)成功，可減小儀器的漂移量，試驗中儀器放置于600 m水深，漂移量為1.3 cm /104 d[63]。

圖10 日本天然氣水合物開采過程中 海床沉降監(jiān)測設(shè)備及傳感器[58]Fig.10 Seabed monitoring unitand the sensors used in the project MH21[58]

目前，對于海床側(cè)向變形滑移的監(jiān)測方法尚不多見，中國海洋大學山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點實驗室賈永剛團隊正在研發(fā)的海底變形滑動原位實時自動觀測設(shè)備[64]，可搭載位移傳感器陣列SAA(ShapeAccelArray)對海床土體變形滑移進行實時監(jiān)測。如圖11，SAA傳感器是由一系列具有固定長度的剛性桿串聯(lián)組成，相鄰兩個剛性桿之間通萬向節(jié)連接，剛性桿可繞萬向節(jié)進行任意角度的彎曲，每節(jié)剛性桿中附帶一個三軸加速度傳感器，通過三軸加速度傳感器的姿態(tài)變化計算SAA的位移偏量。傳感器陣列總長度4 m，測量精度為0.5 mm。該設(shè)備已成功于2014年12月至2015年4月在黃河口三角洲埕島海域進行了為期129 d的原位觀測，設(shè)備布設(shè)方法為近海鉆孔垂直布放，數(shù)據(jù)采集時間間隔為30 min。期間成功捕捉到風暴引起的海床側(cè)向變形現(xiàn)象，在波高3.95 m的波浪作用下海床1.23 m深度處的土體發(fā)生了13 mm的滑移，為波浪引起海床變形滑移提供了直觀證據(jù)。

法國海洋開發(fā)研究院(INFREMER)研制的傾角計探桿(見圖12)可觀測海底側(cè)向變形[45]，探桿長8 m，所謂的傾角計同為SAA傳感器，布設(shè)方式為自由落體式垂直貫入。該設(shè)備擬于法國尼斯水下斜坡進行長期原位觀測，旨在監(jiān)測海底斜坡穩(wěn)定性問題以及獲取海底滑坡過程中的海床滑移的速率，數(shù)據(jù)采集間隔5 min，觀測點水深40 m。然而到目前為止，未見有進一步的觀測相關(guān)描述及結(jié)果發(fā)表。

圖11 海底變形滑動觀測系統(tǒng)的組成部分Fig.11 The components of the seabed deformation observation system

圖12 INFREMER所研制的傾角計探桿[45]Fig.12 Tiltmeter array developed by the INFREMER[45]

2006年，美國加州大學斯克里普斯海洋研究所利用聲學測距法針對海底不穩(wěn)定性斜坡進行了長期觀測[65]。聲學測距法原理是測量布放在海床表面的多個聲應(yīng)答器它們相互之間的聲訊號傳播時間，或者測量單個發(fā)聲設(shè)備與多個聲應(yīng)答器之間的聲訊號傳播時間，以計算各個終端之間的距離。定期重復(fù)測量便可得出各終端之間的距離變化，從而反應(yīng)海床的橫向變形。此次觀測設(shè)備有4個聲應(yīng)答器、3個聲轉(zhuǎn)換節(jié)點，觀測地點為加州圣巴巴拉海盆的不穩(wěn)定斜坡，水深300～400 m，應(yīng)答器相距0.75～1 km，測量精度為3 mm，經(jīng)過兩年多的原位長期觀測，測得斜坡的滑移速率約為7 mm/a。

3.3 其他觀測手段

海底變形觀測可歸為海底測地學研究范疇，其針對的科學問題包括大洋構(gòu)造板塊的運動變形、俯沖帶地震循環(huán)形變、海底火山變形等構(gòu)造變形，以及海底滑坡、天然氣水合物及其他資源開發(fā)引發(fā)的海底變形等及非構(gòu)造變形。由于海底觀測對所涉及的設(shè)備技術(shù)、耗費成本要求很高，且海底滑坡的隨機性太強，難以捕捉相關(guān)數(shù)據(jù)，回報率過低，目前國內(nèi)外針對海底滑坡過程中海床變形的觀測手段可謂寥寥。因此發(fā)展海底滑坡變形觀測技術(shù)手段，應(yīng)當借鑒其他研究領(lǐng)域的方法，選擇適合的手段進一步地發(fā)展應(yīng)用。

1996年，美國加州大學斯克里普斯海洋研究所利用光纖傳感器觀測海底構(gòu)造應(yīng)變[66]，其觀測類似于陸域地裂縫觀測方法，將光纖平鋪于海床表面，兩端錨定，通過測量光纖拉伸長度反應(yīng)該區(qū)域海床的橫向變形量(見圖13)。測量精度可達毫米級，但由于光纖的抗拉伸程度有限，所以測量量程較小。

圖13 光纖傳感器海床布放示意圖[66]Fig.13 The seabed installationschematic diagram of the fiber optic sensor[66]

海洋重力場探測技術(shù)是地球物理探測方法之一。通過海洋重力儀(見圖14)測量與圍巖有密度差異的地質(zhì)體在其周圍引起的重力異常，以確定這些地質(zhì)體存在的空間位置﹑大小和形狀，從而對工作地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)分布情況作出判斷的一種地球物理探測方法。海底天然氣水合物或石油開采會導(dǎo)致海底地層密度的變化，可以根據(jù)重力變化反推出這一過程，為油氣開采提供數(shù)據(jù)支撐，這是海洋重力儀應(yīng)用的一方面。另一方面可根據(jù)重力變化推算海床垂向變形，但重力儀只能測量垂向變形，假若有橫向變形同時發(fā)生，重力儀測得的信號則是垂向變形與橫向變形的耦合數(shù)據(jù)，所以重力儀結(jié)合其它測量方法一同開展，更有利于分析變形過程[67]。

2009年8月，馬里亞納火山弧上的NW.Rota-1海底火山附近發(fā)生海底滑坡，主要觸發(fā)因素為火山爆發(fā)。在滑坡發(fā)生前，Chadwick等在2003—2009年期間不斷地對火山及其附近區(qū)域進行多波束聲納和水深的調(diào)查[68-69]，2009年初選擇四個監(jiān)測點，分別在頂部安置了水聽器和流體采樣器，在下坡的兩個監(jiān)測點處安置了測量濁度、溫度和流速的傳感器。水聽器的數(shù)據(jù)恰好記錄下了滑坡發(fā)生期間(8月13—17日)比較高的振幅脈沖，并且也發(fā)現(xiàn)了這一期間一次火山噴發(fā)所產(chǎn)生的巨大能量，該種方法具有一定的局限性，僅可由監(jiān)測到的數(shù)據(jù)確定滑坡發(fā)生的時間和滑坡的誘發(fā)因素[70]。

圖14 海洋重力儀[67]Fig.14 The marine gravitometer[67]

在美國墨西哥灣，殼牌公司的Kock等[71]利用伽馬射線監(jiān)測了石油儲層濁積巖的壓實作用。在地層中按一定垂向間距布放放射性(RA)標記，使用多個伽馬射線探測器確定放射性標記之間的距離，從而測量地層的壓實過程。該方法可以應(yīng)用到海床變形測量，但是由于測量技術(shù)的實施難度，在觀測時間間隔方面具有一定的局限性。

4 總結(jié)與展望

縱觀國內(nèi)外海底滑坡現(xiàn)場調(diào)查與原位觀測手段的發(fā)展，可總結(jié)其規(guī)律與發(fā)展趨勢如下：

(1) 現(xiàn)場調(diào)查手段包括地球物理探測、鉆孔取樣、測定年代試驗等適用于鑒別大尺度海底滑坡的規(guī)模(垂向深度及水平向范圍)、發(fā)生年代，推斷滑坡的模式及發(fā)生機制，為我們對海底滑坡的認識與研究提供最直觀的證據(jù)資料，并且在判定海底工程地質(zhì)條件方面也有很大優(yōu)勢。但現(xiàn)場調(diào)查手段僅適用于已經(jīng)發(fā)生的海底滑坡，存在一定時滯性與局限性。

(2)原位觀測技術(shù)可針對海底滑坡發(fā)生前及發(fā)生過程中的海床沉積物的動態(tài)變化給出具有時效性的數(shù)據(jù)，更有利于我們研究海底滑坡的發(fā)生機理以及滑動過程，但是海底滑坡發(fā)生的概率性，捕捉滑坡過程具有一定難度，所以原位觀測手段更多的是為海底滑坡的預(yù)測預(yù)警方面提供數(shù)據(jù)支撐。

(3)對于海底滑坡的研究應(yīng)更多的為海洋工程服務(wù)，發(fā)展現(xiàn)場調(diào)查與原位觀測相結(jié)合的手段(現(xiàn)場調(diào)查針對大時空尺度，原位觀測針對小時空尺度)。通過現(xiàn)場調(diào)查判定海底工程地質(zhì)條件，提供海底滑坡的預(yù)測與評估，并且發(fā)展有針對性的原位觀測手段，建設(shè)工程預(yù)警平臺，為海洋工程提供安全保障。

在原位觀測方面，由于其實施的難度以及投入資金問題，尤其是在深海地區(qū)，各種監(jiān)測手段發(fā)展還有待進一步的推進，國內(nèi)在該方面的研究仍處于起步階段，在這方面仍存在著巨大潛力，希望在國內(nèi)海洋工作者的共同努力下推進相關(guān)技術(shù)手段的應(yīng)用與發(fā)展。

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Abstract: The submarine landslide is an important geological disaster, field investigation and in-situ observation will provide the most intuitive evidence for the research of the submarine landslide features, triggering mechanisms and processes. This paper introduces the features and triggering mechanism of the submarine landslide, briefly introduces the typical cases of the submarine landslide at home and abroad over the years (including geophysical exploration, borehole sampling, age test, etc.) and the development of in-situ observation methods (including pore pressure observation, seabed deformation observation, etc.), the advantages and limitations of various methods are analyzed. Hope to arouse the interest and concern of domestic marine workers, and jointly promote the development of investigation and observation methods.

Key words: submarine landslide; field investigation;in-situ observation; pore pressure observation; seabed deformation; research progress

責任編輯 徐 環(huán)

The Research Progress of Field Investigation and In-Situ Observation Methods for Submarine Landslide

JIA Yong-Gang1, 2, WANG Zhen-Hao1, LIU Xiao-Lei1, 2, YANG Zhong-Nian3, ZHU Chao-Qi1, WANG Xiao-Li1, SHAN Hong-Xian1, 2

(1. Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Environment and Geological Engineering, Ocean University of China, Qingdao, Shandong, 266100, China; 2. Laboratory for Marine Geology, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao, 266061, China;3. School of Civil Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao, 266033, China)

P736.1

A

1672-5174(2017)10-061-12

10.16441/j.cnki.hdxb.20160482

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山東省重點研發(fā)計劃(重大關(guān)鍵技術(shù))項目(2016ZDJS09A03)；青島海洋科學與技術(shù)國家實驗室開放基金項目(QNLM2016ORP0110)；國家自然科學基金委員會-山東省人民政府海洋科學研究中心聯(lián)合資助項目(U1606401)；國家重點研發(fā)計劃資助項目(2016YFC0802301)資助 Supported bytheKey Research and Development Program of Shandong province, China (2016ZDJS09A03);Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology (QNLM2016ORP0110); the NSFC-Shandong Joint Fund for Marine Science Research Centers (U1606401); the National Key Research and Development Plan of China (2016YFC0802301)

2017-05-10；

2017-07-20

賈永剛(1965-)，男，教授，博導(dǎo)。主要從事海洋地質(zhì)工程的研究。E-mail：yonggang@ouc.edu.cn