宋曉帥，孫志文，朱超祁,2,3，范智涵，朱娜，賈永剛,2，于開寧

1. 中國海洋大學(xué)山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266100

2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，青島 266061

3. 海南省海洋地質(zhì)資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，?？?570206

4. 河北地質(zhì)大學(xué)河北省高校生態(tài)環(huán)境地質(zhì)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，石家莊 050031

近些年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和淺水區(qū)油氣資源的枯竭，開采活動不斷轉(zhuǎn)向深海，而深水區(qū)工程活動將面臨更多的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)[1-2]。如海底邊坡失穩(wěn)可導(dǎo)致海底滑坡、濁流和海嘯等一系列地質(zhì)災(zāi)害，從而影響油氣資源的安全開發(fā)和海洋工程的施工[3]（圖1）。因此，總結(jié)、歸納近年來關(guān)于深海滑坡及其穩(wěn)定性問題研究進(jìn)展對未來深水區(qū)工程活動和海洋地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性具有重要指示意義[4]。

圖1 深海資源開發(fā)誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害及監(jiān)測預(yù)警示意圖Fig.1 Schematic diagram of geological disasters and monitoring warnings in deep sea resource development

一般將水深大于1000 m 的海底滑坡稱為深?；隆Ｉ詈；率怯蓴y帶黏土、砂土的海底沉積物從陸架坡折帶向陸坡和深海盆地運(yùn)移的重要過程[5-6]，包括從蠕變、滑動、滑塌、碎屑流到濁流的轉(zhuǎn)化。與淺海海底滑坡相比，深海滑坡具有低角度（坡度小于2°）、高速度（35 m/s）、長距離（滑移距離可達(dá)數(shù)百千米）、大體量（滑動體積量可達(dá)幾億立方米）的滑移特征，是危害程度巨大的深水地質(zhì)災(zāi)害之一，同時(shí)對深海海底峽谷演化起到重要作用[7-9]。典型的白云海底滑坡位于南海北部陸緣，主要分布于水深400～3000 m 的深水區(qū)，滑坡面積約13000 km2，體積約1040 km3，最小坡度僅有2°。我國的深海滑坡等海洋地質(zhì)災(zāi)害研究始于20 世紀(jì)80 年代，研究主要針對海底滑坡要素的識別、分類、影響因素及其監(jiān)測預(yù)警等，均取得了重要研究進(jìn)展。

本文總結(jié)了國內(nèi)外深海滑坡的研究歷程，梳理深?；碌男螒B(tài)結(jié)構(gòu)及類型、深?；碌难芯糠椒?，討論地震與斷層活動、天然氣水合物分解對深海斜坡不穩(wěn)定性的影響，以期為海洋資源勘探開發(fā)過程中的海底穩(wěn)定性評價(jià)研究提供借鑒指導(dǎo)。

1 研究概況

國內(nèi)對于深海滑坡的研究僅處于起步階段，而對于深?；孪嚓P(guān)的海洋地質(zhì)災(zāi)害在國際上早有研究[10-11]。進(jìn)入20 世紀(jì)中后期，隨著深海資源的利用和工程建筑的興起，深?；乱l(fā)的災(zāi)害不斷發(fā)生，我國開始逐漸重視深?；碌难芯?。然而，由于科學(xué)技術(shù)的落后，主要集中于對深?；碌亩ㄐ悦枋龊头诸悾\統(tǒng)分析其誘因等研究[12]。直到1969 年，美國的卡米爾號颶風(fēng)引發(fā)了海底大規(guī)模斜坡體失穩(wěn)，導(dǎo)致4 座石油開采平臺破壞受損，我國相關(guān)學(xué)者才開始認(rèn)識到深?；卵芯康闹匾?。到20 世紀(jì)90 年代，伴隨海底三維數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的不斷提高，使得深海滑坡進(jìn)入較深入的研究階段。

近十年來，伴隨著深海油氣資源的勘探與開發(fā)，一些非常規(guī)的研究手段不斷涌現(xiàn)，從而也革新了深?；碌难芯?。高分辨率多波束、側(cè)掃聲納和三維地震等地球物理探測技術(shù)的發(fā)展，提高了對深水區(qū)淺層沉積物的識別能力；以深海運(yùn)載器為代表的高技術(shù)裝備高效精確探測、取樣等已成為研究深海滑坡不可或缺的方法手段，如無人自主潛水器（AUV）和纜控?zé)o人遙控潛水器（ROV）可以攜帶物探設(shè)備獲取分辨率優(yōu)于2 m 的海底數(shù)據(jù)，可為深?；卵芯刻峁┫鑼?shí)可靠的數(shù)據(jù)。

2 深?；碌男螒B(tài)結(jié)構(gòu)及類型

2.1 形態(tài)結(jié)構(gòu)

深?；麦w形態(tài)結(jié)構(gòu)與陸地滑坡體、近岸淺海滑坡體形態(tài)結(jié)構(gòu)基本相似，均分為三大部分，即頭部拉張區(qū)、體部滑移區(qū)、趾部擠壓區(qū)（圖2）。Cruden 等[13]基于美國50 個(gè)州發(fā)生的山體滑坡，總結(jié)了滑坡體形態(tài)結(jié)構(gòu)的簡易模式，將其分為下滑區(qū)、滑動面相關(guān)區(qū)和沉積區(qū)。主要結(jié)構(gòu)單元有：滑坡體頭部、頭部拉張裂縫、滑坡后壁、滑坡主體、側(cè)壁陡崖、滑移面、滑坡體趾部、趾部斷裂面、橫向裂縫、橫向擠壓脊、豎向擠壓脊、滑坡堆積體等。隨后Hampton 等[14]又將Cruden 等[13]提出的下滑區(qū)細(xì)分為上部滑移區(qū)和中部滑移區(qū)。Bull 等[15]將滑坡體劃分為后壁區(qū)、輸送區(qū)和趾部區(qū)，組成滑坡體的形態(tài)結(jié)構(gòu)單元與Cruden 等[13]基本一致。

圖2 塊體搬運(yùn)體系的結(jié)構(gòu)示意圖[16]Fig.2 Structure diagram of MTDs[16]

2.2 類型

此前，對深?；碌姆诸愔饕梃b陸地山體滑坡和近淺?；碌姆诸惙桨?，按照分類的依據(jù)來劃分深?；骂愋汀．?dāng)然，不同的滑坡類型所對應(yīng)的滑坡體形態(tài)結(jié)構(gòu)也不盡相同。

Varnes[17]和Cruden 等[13]依據(jù)滑坡物質(zhì)的種類和搬運(yùn)方式將滑坡分為滑動型、崩落型、傾倒型、流動型、橫向擴(kuò)展型和復(fù)合體型6 類（表1）。其中，滑動型又可分為平移型滑動和旋轉(zhuǎn)型滑動或滑塌；而流動型又包括碎屑流、碎屑崩流、泥流、泥石流和蠕動等5 類。

表1 滑坡分類[17]Table 1 Classification of landslides[17]

Canals 等[18]考慮到海洋與陸地滑坡所處環(huán)境差異，根據(jù)海底斜坡變形破壞方式，重新歸納了Cruden 等[13]的分類方案，將滑坡分為蠕變、巖崩/碎屑崩落、平移滑坡/滑動、碎屑流和泥流5 種類型。其中海底蠕變是深海軟黏土在外動力作用下發(fā)生的斜坡體變形現(xiàn)象。蠕變可能演變?yōu)榇笠?guī)模斜坡體失穩(wěn)，是海底滑坡發(fā)生的征兆，在我國南海珠江口盆地的發(fā)育較為廣泛[19-20]。

國內(nèi)學(xué)者對深?；碌难芯科鸩捷^晚。陳自生[11]較早對海底滑坡進(jìn)行了分類，敘述了海底滑坡在分類學(xué)上的歸屬及研究意義，按滑動構(gòu)造和形態(tài)特征將海底滑坡劃分為液化型、崩塌型和溜席型。

賈永剛等[21]把海底滑坡分為3 種類型：流動、滑坡和坍塌。根據(jù)運(yùn)動方式及物質(zhì)組分特征流動可進(jìn)一步分為蠕流、液化流、顆粒流和濁流；坍塌大多發(fā)生在斜坡體傾角較大的區(qū)域；而滑坡一般發(fā)生在大陸架向大陸坡過渡的陸架坡折帶附近，影響因素復(fù)雜，通常受內(nèi)動力及外動力作用的雙重影響。

王大偉、吳時(shí)國等[22]學(xué)者將深?；路Q為“塊體搬運(yùn)沉積體系（MTDs）”，是沉積物向深遠(yuǎn)海輸運(yùn)的重要過程之一（圖2）。他們認(rèn)為MTDs 主要包括滑動、滑塌和碎屑流三種類型。這種分類方式與國外的“塊體搬運(yùn)復(fù)合體系”（MTCs）和“塊體搬運(yùn)體系”（MTD）分類方式角度不同，但內(nèi)涵類似[23-24]。

3 深?；碌难芯糠椒?/h2>

深?；乱话惆l(fā)生在海底上千米，其影響因素和運(yùn)動過程與陸地滑坡和近岸滑坡均有很大的差異，研究方法與科技手段的局限性是一直制約深海滑坡研究進(jìn)展的重要因素[25]。目前，國內(nèi)外對于深?；碌难芯糠椒ù蠖疾捎矛F(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)模擬及原位長期觀測等方法來進(jìn)行深海滑坡的研究工作。通過這幾種方法的結(jié)合，可對沉積物強(qiáng)度、變形和流動特性以及孔隙水壓力狀況等進(jìn)行全面的分析。本文中，重點(diǎn)討論幾種常用的與深?；卵芯肯嚓P(guān)的方法手段。

3.1 現(xiàn)場調(diào)查技術(shù)

現(xiàn)場調(diào)查技術(shù)主要包括：① 單波束、多波束水深測量技術(shù)，② 側(cè)掃聲納測量技術(shù)，③ 淺地層剖面測量技術(shù)，④ 地震測量技術(shù)（單道地震、多道地震與小多道地震），⑤ 表層柱狀、箱式地質(zhì)取樣技術(shù)，⑥ 海底地質(zhì)鉆探技術(shù)等。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，利用這些現(xiàn)場調(diào)查技術(shù)來準(zhǔn)確獲取海底相關(guān)信息成為可能[26]。但是限于環(huán)境和技術(shù)條件的約束，實(shí)際中很難直接獲取到深?；麦w的滑動過程、滑移速率和觸發(fā)機(jī)制等信息，通常是根據(jù)海底管線、電纜的斷裂時(shí)間及損壞程度判斷滑坡發(fā)生的時(shí)間和體量[27]。因此，應(yīng)用地質(zhì)取樣和物探技術(shù)對于獲取深海滑坡的信息顯得尤為重要。

3.1.1 海洋地球物理調(diào)查技術(shù)

海洋地球物理調(diào)查技術(shù)是通過分析獲取的數(shù)據(jù)，了解海底地形地貌特征、地層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造等基本信息，初步探明深?；碌囊?guī)模及展布情況，同時(shí)也可為獲取滑坡區(qū)沉積物樣品提供精準(zhǔn)的取樣站位。

水深測量方法主要通過獲取海底地形、地貌圖像的變化來初步推斷是否有新的滑坡。相比單波束而言，多波束測深可準(zhǔn)確定位海底變形及失穩(wěn)區(qū)域，可以實(shí)現(xiàn)對滑坡區(qū)近乎全覆蓋測量的需求[26]。周慶杰[28]基于多波束地形數(shù)據(jù)，采用編制海底陡坡自動識別程序，在神狐峽谷區(qū)共識別出145 個(gè)海底滑坡。此外，McAdoo 等[29]、胡光海等[30]、王磊等[31]均利用多波束水深數(shù)據(jù)進(jìn)行了海底滑坡的精準(zhǔn)識別。

側(cè)掃聲納測量技術(shù)可輔助多波束測深技術(shù)同步使用。對于滑坡體邊界、水深變化劇烈以及多波束測深技術(shù)效果欠佳的位置，可通過側(cè)掃聲納測量獲取地形地貌，由此也常用來證實(shí)滑坡的存在。相比于多波束測深技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是擁有更廣的探測范圍，但測量精度較低。Harders 等[32]利用1300 km 的深拖側(cè)掃聲納圖像，發(fā)現(xiàn)了中美洲海溝大規(guī)模海底滑坡存在的證據(jù)（圖3）。近些年，側(cè)掃聲納設(shè)備也曾搭載AUV、ROV 和HOV 等水下載體，來近距離獲取深?；碌奶厥獾孛?，使得工作更加精細(xì)，測量精度更高。

圖3 通過側(cè)掃聲納技術(shù)獲取的海底滑坡圖[32]Fig.3 Submarine landslide image obtained by side-scan sonar technique[32]

淺地層剖面測量技術(shù)與地震測量技術(shù)均采用高能量震源，根據(jù)不同地層具有不同的聲波反射特征來獲取海底地層數(shù)據(jù)。通過研究沉積物地層的連續(xù)性和雜亂反射的結(jié)構(gòu)特性，來確定是否有海底滑坡的發(fā)生。淺地層剖面探測深度一般不超過海底面以下50 m，而地震測量可得到海底約2000 m范圍內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)信息，在深海滑坡研究中廣泛應(yīng)用。同時(shí)，通過地震剖面我們可以從中清晰獲取到斷層、淺層氣及其他復(fù)雜災(zāi)害地質(zhì)體的信息，為研究深?；麦w提供詳實(shí)可靠的依據(jù)。Chen 等[33]通過高分辨率三維地震測量技術(shù)，分析南海神狐峽谷區(qū)海底滑坡的地震特征、分布和成因（圖4）。

圖4 海底滑坡的地震反射特征[33]Fig.4 Seismic characteristics of a large slide[33]

3.1.2 海洋地質(zhì)取樣分析技術(shù)

海洋地質(zhì)取樣主要目的是對所取樣品的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測量，通過現(xiàn)場試驗(yàn)測試（如十字板剪切、含水率測定、貫入阻力測定等）和室內(nèi)測試分析（如液塑限、三軸試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)等），獲得海底沉積物土力學(xué)性質(zhì)以及地質(zhì)現(xiàn)象等信息，為分析研究滑坡體的穩(wěn)定性提供必要參數(shù)[34]。

常用的深海表層地質(zhì)取樣按取樣設(shè)備可分為抓斗、箱式和多管等[35-37]（圖5）。抓斗式取樣器（圖5a）可獲取水深約5000 m 的海底表層40 cm 深度的深海沉積物樣品；箱式取樣器（圖5b）主要用于采取不受擾動的海底表層沉積樣品，為滑坡研究提供真實(shí)的原狀土樣，適用于各種復(fù)雜底質(zhì)類型及地形海區(qū)的取樣工作；多管取樣器是一種新型取樣設(shè)備（圖5c），主要用于類似深海蠕變區(qū)等海底軟黏土沉積物的取樣工作，具有采集樣品量大、質(zhì)量高、原始保持性好、采樣穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 深海表層地質(zhì)取樣設(shè)備Fig.5 Deepwater surface geological sampling equipment

深?；卵芯康闹鶢畹刭|(zhì)取樣主要應(yīng)用重力取樣器。重力取樣器一般可在4000 m 水深獲取沉積物樣品，長度約6～8 m，可基本保持表層沉積物的原狀地層結(jié)構(gòu)。深海地質(zhì)鉆探（淺鉆）也是另外一種獲取海底柱狀樣的方法，但該技術(shù)的使用成本較高，消耗的人力物力較大，所獲取的柱狀樣主要用于了解滑坡區(qū)底層沉積物類型及分布特征、地層結(jié)構(gòu)和沉積環(huán)境等信息。如Yenes 等[38]利用加的斯灣大陸坡獲取的表層沉積物樣品進(jìn)行物理成分、力學(xué)特性、X 射線衍射等試驗(yàn)，研究超固結(jié)特性與深海斜坡體穩(wěn)定性的關(guān)系。

3.2 原位觀測技術(shù)

原位觀測方法主要通過貫入海床土體中的孔隙水壓力探桿、三軸加速度傳感器、測斜儀等觀測設(shè)備來進(jìn)行孔隙水壓力和海床變形滑動觀測。通過分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化，反演海床土體動力響應(yīng)過程，可有效預(yù)測、預(yù)警深海斜坡體的變形滑動。由于深?；略挥^測的難度較大，花費(fèi)較高，世界上很少有成功監(jiān)測海床失穩(wěn)的案例，我國對于深?；略挥^測技術(shù)研究也正處于初級階段。

3.2.1 孔隙水壓力觀測

在20 世紀(jì)中后期，國外早已開始有關(guān)孔隙水壓力監(jiān)測的研究應(yīng)用。伊利諾伊大學(xué)和挪威巖土工程研究所共同研發(fā)的NGI-UI 傳感器，可用于測量500 m 水深孔壓[39]；Bennett[40]在密西西比三角洲地區(qū)利用孔壓設(shè)備進(jìn)行了風(fēng)暴期間為期8 個(gè)月的觀測，觀測參數(shù)包括孔隙水壓力和靜水壓力，分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)暴潮引起的波浪作用對海床孔壓具有顯著影響；法國海洋開發(fā)研究所研制出6000 m 深海沉積物孔壓觀測設(shè)備，該設(shè)備利用壓差式原理的Hastelloy 壓力傳感器對超孔壓進(jìn)行觀測，精度約±0.5 kPa，是國內(nèi)外較先進(jìn)的孔壓觀測設(shè)備，近些年來已取得很多較好的試驗(yàn)成果[4-5,41-42]。

國內(nèi)關(guān)于海底孔隙水壓力的原位觀測技術(shù)研究起步較晚。目前，具有代表性的是中國海洋大學(xué)賈永剛團(tuán)隊(duì)研發(fā)的深海沉積物孔壓監(jiān)測設(shè)備。孔壓測量傳感器采用壓差式光纖光柵傳感器，測量精度0.1% F.S.，量程±0.5 MPa，可在2000 m 水深連續(xù)觀測7 天。

3.2.2 海床變形滑動觀測

海床變形滑動是海底斜坡體失穩(wěn)最為直接的表現(xiàn)。若能有效獲取深海海床變形滑動原位觀測數(shù)據(jù)，無疑是研究深?；聠?、滑動過程、致災(zāi)機(jī)理及預(yù)測預(yù)警的絕佳證據(jù)。但是深海環(huán)境復(fù)雜，原位觀測實(shí)施難度大，觀測設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)要求較高，海底變形滑動事件隨機(jī)性強(qiáng)，需要長期觀測才可捕捉到海床的微小變形。目前，國內(nèi)外對于海床變形滑動原位觀測仍處于探索階段，且多數(shù)海床變形滑動設(shè)備用于近岸淺海的滑坡變形觀測。

Fabian 等[43]利用ROV 將裝有三軸加速度傳感器和傾斜儀（OBT）布放在大西洋海脊的Logatchev熱液噴口的巖石堆頂部（圖6），進(jìn)行384 天的長期觀測，記錄海底沉積物變形和地震活動。Yokoyama等[44]在2013 年研發(fā)了一套海底變形觀測系統(tǒng)，成功應(yīng)用于日本南海海槽監(jiān)測水合物開采引起的海底變形。該系統(tǒng)通過測量海床面處海水壓力變化來監(jiān)測海底沉降，采用液體電解質(zhì)傾角計(jì)監(jiān)測海床坡度變化，測量范圍為±30°，分辨率0.001°，精度0.02°。在北海海域，Stenvold[45]采用高精度水壓測量技術(shù)進(jìn)行海床沉降變形的監(jiān)測。該方法在構(gòu)造運(yùn)動、海床隆起中也曾多次使用。Wallace 等[46]也使用該方法在2014 年9 月和10 月的一次近海慢滑事件（SSE）期間進(jìn)行了海底形變觀測，數(shù)據(jù)顯示了SSE 期間海底垂直形變的分布，并提供了SSE 發(fā)生在海溝附近（海底2 km 以內(nèi)）的直接證據(jù)。

圖6 觀測海底沉積物變形和地震活動的OBT 設(shè)備及模型[43]Fig.6 OBT equipment and models for observing sediment deformation and seismic activity on the seafloor[43]

國內(nèi)對于深海海床變形滑動的原位監(jiān)測相對較少。目前，中國海洋大學(xué)賈永剛團(tuán)隊(duì)對相關(guān)設(shè)備探索研發(fā)了應(yīng)用[47]，該設(shè)備可搭載位移傳感器陣列SAA（shape accel array）（圖7），通過實(shí)時(shí)觀測海底沉積物側(cè)向及垂向的動態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)對海底滑坡災(zāi)害孕育發(fā)生過程的原位觀測[26]。該系統(tǒng)主要由陣列式位移傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)和供電系統(tǒng)構(gòu)成，具有整機(jī)功耗低、觀測周期長、傳感器精度高且穩(wěn)定、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸控制等特點(diǎn)，既可監(jiān)測海床橫向滑動變形，又可監(jiān)測海底面縱向塌陷或隆起變形，但該設(shè)備的最大工作水深僅100 m，還不能應(yīng)用于深?；碌淖冃位瑒釉挥^測。

圖7 海底變形滑動觀測系統(tǒng)及組成部分[47]Fig.7 The components of the seabed deformation observation system[47]

近些年，雖然在該方面做了部分工作，但我國起步相對較晚，經(jīng)驗(yàn)不足。再者，相關(guān)技術(shù)落后，工作量較大，但是獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量整體不高。想要突破深海原位觀測技術(shù)領(lǐng)域的瓶頸，我們還需研制耐高壓、耐腐蝕、低耗能的原位觀測儀器，發(fā)展適用于深海觀測環(huán)境（如高壓、高溫、高鹽等）的傳感器和儀器；發(fā)展適于深海原位觀測的固定和移動平臺，提高原位觀測系統(tǒng)的供電時(shí)間、數(shù)據(jù)傳輸能力，建立長期、穩(wěn)定的海底原位觀測網(wǎng)，是深?；略挥^測技術(shù)發(fā)展的基本趨勢。

3.3 物理模擬試驗(yàn)

深?；掳l(fā)生于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中，通過現(xiàn)場調(diào)查和原位觀測幾乎不可能捕捉到斜坡體蠕變-滑移-滑塌-碎屑流-濁流的全過程及伴隨的再沉積作用。因此，通過室內(nèi)物理模型試驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)特征物理現(xiàn)象，同時(shí)也為數(shù)值模擬提供有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。深?；卵芯康奈锢砟Ｐ蛯?shí)驗(yàn)主要包括常規(guī)水槽實(shí)驗(yàn)和離心實(shí)驗(yàn)兩種。常規(guī)實(shí)驗(yàn)主要在自身重力條件下開展研究，而離心實(shí)驗(yàn)則通過離心機(jī)補(bǔ)償損失的自重應(yīng)力，使模型與原型具有相同的應(yīng)力水平[48]。

Wang 等[49]利用巧妙設(shè)計(jì)的一套試驗(yàn)裝置，模擬海底滑坡與海底通信電纜之間的相對運(yùn)動，研究海底滑坡對海底電纜的沖擊特性。該試驗(yàn)裝置主要部分是鋼鐵材料制成的環(huán)形水槽，水槽的外徑0.9 m，內(nèi)徑0.6 m，寬度0.4 m。通過正面透明的有機(jī)玻璃觀察水槽內(nèi)沉積物和水的混合物在水槽旋轉(zhuǎn)過程中對纜繩的沖擊（圖8）。Liu 等[50]利用坡度可調(diào)的水槽、氣體加壓系統(tǒng)、數(shù)據(jù)和圖像采集系統(tǒng)構(gòu)成物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，對低滲透粉砂層施加氣體，模擬水合物分解產(chǎn)生的超孔壓對上覆海床破壞的物理過程。Fan 等[51]通過精心設(shè)計(jì)的水槽試驗(yàn)系統(tǒng)，研究深?；逻\(yùn)動過程中的水土交換作用。試驗(yàn)采用不同含水量（112% 和157%）的高嶺土作為土樣，對不同流速（1.16～2.05 m/s）下海底滑動土的土-水界面平均傳質(zhì)通量進(jìn)行了研究。

圖8 模擬海底滑坡的試驗(yàn)設(shè)備[49]Fig.8 Test equipment to simulate submarine landslide[49]

目前，對深?；码x心實(shí)驗(yàn)?zāi)M的相關(guān)研究相對較少。胡光海等[30]利用土工離心模型試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行了海底斜坡含氣土體的穩(wěn)定性研究，揭示了海底滑坡破壞模式和失穩(wěn)機(jī)制。Gue 等[52]利用迷你滾筒離心機(jī)試驗(yàn)，模擬了坡度較小的海底滑坡發(fā)生后的沉積物流動問題。斜坡上安裝了微型傳感器，用來測量水流下的孔隙壓力，還包括一系列數(shù)碼相機(jī)用來捕捉沉積物的流動狀態(tài)。孫柏濤[53]利用土工鼓式離心機(jī)以及自主開發(fā)的滑坡裝置、注漿裝置、攝像裝置和燈光布置，在改變離心加速度和土體含水率的條件下進(jìn)行了一系列的海底滑坡離心模型實(shí)驗(yàn)。

3.4 數(shù)值模擬試驗(yàn)

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的迅速發(fā)展和巖土力學(xué)理論的不斷提高，數(shù)值模擬作為一種快速有效的方法技術(shù)，近年來已被廣泛采用。數(shù)值模擬試驗(yàn)主要用來研究斜坡的變形及不穩(wěn)定性，分析斜坡體的內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變特征，主要包括有限差分法、離散元法、邊界元法、有限元法等[54-56]。

Gue[52]采用DAMPM 方法模擬了海底滑坡過程等大變形問題，并進(jìn)行了離心機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果有很好的一致性。馬林偉等[57]根據(jù)物態(tài)變化和搬運(yùn)機(jī)制將滑坡劃分為3 個(gè)不同階段進(jìn)行模擬：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析階段、雙向流固耦合的碎屑流滑動分析階段、濁流的流體分析階段。Mi 等[58]基于循環(huán)彈塑性本構(gòu)模型和改進(jìn)的拉格朗日技術(shù)，提出了一種研究地震荷載作用下海底軟黏土邊坡動態(tài)滑動過程的數(shù)值模擬方法。通過與前人研究結(jié)果的對比，驗(yàn)證了所提數(shù)值模擬方法的適用性。

利用物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法來研究深?；碌幕瑒舆^程和發(fā)展趨勢，極大提高了對深?；碌膯?、滑動和結(jié)束整個(gè)過程的理解。

4 深海斜坡體穩(wěn)定性分析

海底斜坡失穩(wěn)的機(jī)理相對復(fù)雜，一般來說，海底滑坡的產(chǎn)生通常是由海床內(nèi)部作用（地震與斷層、天然氣水合物分解、巖漿火山、泥火山等）和外部作用（風(fēng)暴浪、潮汐、人類活動、海嘯、海平面波動等）共同耦合所引起[59-60]。

Prior[61]梳理了海底滑坡多種觸發(fā)因素之間的關(guān)系，并建立了海底斜坡失穩(wěn)過程框架圖（圖9）。Hance[60]統(tǒng)計(jì)分析了534 個(gè)海底滑坡，有366 個(gè)海底滑坡涉及到多個(gè)觸發(fā)因素，而不是特定的單個(gè)因素觸發(fā)（圖10）。其中觸發(fā)因素中排前三的分別是地震和斷層活動、快速沉積作用和天然氣水合物分解作用，所占比例分別為42%、25%和11%；海洋風(fēng)暴浪、潮汐、洪水和人類活動所占比例均不足5%。然而，深?；乱话愣及l(fā)生在上千米水深，可以判斷，地震和斷層活動、天然氣水合物分解作用是觸發(fā)深海海底滑坡發(fā)生的兩個(gè)最重要因素。

圖9 海底滑坡誘因及其相互關(guān)系[61]Fig.9 The causes of submarine landslides [61]

圖10 海底滑坡觸發(fā)因素[61]Fig.10 Triggering factors of submarine landslides[61]

4.1 地震與斷層活動

斷層活動可引起下伏地殼板塊的活動，板塊之間的活動可直接促使海底斜坡體傾角增大，也可將能量由下伏基巖傳遞給海床表層沉積物，不但增加了斜坡體的剪切力，而且振動液化使得土體強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致斜坡體失穩(wěn)。同時(shí)，斷層也是重要的氣體通道，深層氣體可沿?cái)鄬用嫦驕\部運(yùn)移，促使?jié)撛诨泼娴男纬蒣62-63]。南海北部白云海底滑坡底部發(fā)育有大量的大型活動斷層，垂向延伸數(shù)千米。地層地震反射特征呈現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)和高振幅異常，并分布于斷層面兩側(cè)或斷層頂部，這可能是斷層內(nèi)存在流體或氣體運(yùn)移（圖11）。

圖11 白云滑坡體部滑移區(qū)斷層作為流體運(yùn)移通道的地震特征[64]Fig.11 Seismological characteristics of slip zone faults in Baiyun landslide body as fluid migration channels[64]

地震作用既可直接導(dǎo)致斜坡體失穩(wěn)，還可引發(fā)海嘯，巨大的海嘯波浪作用可再次引起斜坡體失穩(wěn)。1929 年的Grand Banks 地震，是產(chǎn)生海底滑坡的主要因素[10]。1946 年4 月1 日發(fā)生了里氏7.1 級的Aleutian 地震，在Alaskan 近岸引發(fā)巨大海嘯，造成167 人死亡。Fryer 等[65]研究表明，這次大地震造成Ugamak 海底滑坡的發(fā)生，從而引發(fā)海嘯。2011 年3 月11 日，由于北美板塊和太平洋板塊邊界的擠壓造成日本海溝發(fā)生震級Mw 9.0 的地震[66]，地 震 期 間 逆 沖 斷 層 的 滑 動 錯 位 為60 ～80 m[67]。Nian 等[68]提出了地震荷載作用下海底邊坡失穩(wěn)的區(qū)域評價(jià)方法，建立了多土層邊坡穩(wěn)定性評價(jià)公式，對南海東北部深?；逻M(jìn)行了區(qū)域地震不穩(wěn)定性評價(jià)，并對影響海底滑坡的各種因素進(jìn)行了簡要討論。但是也有學(xué)者研究表明，地震作用一定程度上可以增加斜坡體的穩(wěn)定性。Chigira[69]的研究工作表明地震作用可能會增大海底沉積物的強(qiáng)度。在地震過程中，沉積物顆粒之間的孔隙水能夠及時(shí)排出，孔隙水壓力隨之降低，土體顆粒之間的有效應(yīng)力增加，沉積物強(qiáng)度增大。持此種觀點(diǎn)的學(xué)者較少，確鑿證據(jù)還待進(jìn)一步研究。

4.2 天然氣水合物分解

天然氣水合物（natural gas hydrate，簡稱NGH）是低溫高壓條件下形成的籠型化合物[70]。在自然條件下，一些外部因素（海平面變化、潮汐和地震）的干擾，會誘發(fā)天然氣水合物的分解，并導(dǎo)致水合物儲層流體上升，從而打破沉積物的原始狀態(tài)[71]。天然氣水合物是沉積物顆粒之間的有效膠結(jié)劑，水合物的分解可導(dǎo)致局部剪切應(yīng)力的變化和海底邊坡失穩(wěn)[72]。另外，在標(biāo)準(zhǔn)的溫壓條件下，1 m3的水合物分解會釋放出約164 m3的甲烷氣（遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氣體在水中的溶解度）和0.8 m3的水[73]。這可能會導(dǎo)致低滲透層的體積膨脹，多余的水和氣體來不及排出，產(chǎn)生超壓流體[74]。超壓將降低海相沉積物有效應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致海底滑坡的發(fā)生[75]。

大量的深?；卤蛔C實(shí)是水合物分解、氣體遷移至淺層導(dǎo)致。Elger 等[76]通過分析北冰洋地區(qū)獲取的地震剖面數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)水合物賦存可有效降低沉積物的滲透率，并在天然氣水合物穩(wěn)定帶底部形成超壓。水力壓裂形成管道結(jié)構(gòu)成為超壓流體向上流動的通道。當(dāng)這些管道結(jié)構(gòu)到達(dá)上覆弱透水層時(shí)，超壓便會橫向發(fā)展，從而破壞斜坡的穩(wěn)定性（圖12）。Nian 等[77]對天然氣水合物分解過程中超壓流體釋放誘發(fā)的海底邊坡失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究，對不同條件下土體的孔壓、土體表層位移和內(nèi)部變形進(jìn)行了測量和比較，分析了不同參數(shù)值對土體的孔壓、地表位移和內(nèi)部變形的影響。

圖12 水合物分解導(dǎo)致海底滑坡模式圖[76]Fig.12 Model diagram of submarine landslide caused by hydrate decomposition[76]

最為著名的挪威北海Storegga 滑坡，滑坡面積約 為35000 km2，體 積 高 達(dá)3500 km3，滑 移 距 離約500 km，引發(fā)海嘯涌入蘇格蘭島80 km，爬高80 m（圖13）?；聟^(qū)地震剖面資料顯示，存在有明顯的BSR（似海底反射面），可說明天然氣水合物分解作用是該滑坡發(fā)生的重要原因。該滑坡共分為3 個(gè)滑動階段：第一階段發(fā)生于約40 ka 前，滑坡體積量約為3900 km3；第二、第三階段發(fā)生于距今6～8 ka，滑坡體積量約為1700 km3。后經(jīng)多位學(xué)者的證實(shí)，其中至少第二階段滑坡體失穩(wěn)是由天然氣水合物的長期分解所導(dǎo)致[78-79]。

圖13 Storegga 滑坡位置及誘發(fā)海嘯圖[80]Fig.13 Storegga landslide location and run-up of tsunami deposits[80]

隨著我國南海珠江口盆地天然氣水合物資源勘探工作的開展，水合物試采區(qū)海底面穩(wěn)定性研究取得了長足進(jìn)步。從20 世紀(jì)90 年代至今，在該區(qū)域識別出了大量的海底滑坡。馮文科等[81]通過對南海北部約7×104km2的海洋工程地質(zhì)調(diào)查資料研究，發(fā)現(xiàn)珠江口盆地有大量海底滑坡分布，面積達(dá)1000 km2。孫運(yùn)寶等[82]發(fā)現(xiàn)了大型白云海底滑坡，初步估算滑坡面積約為13000 km2。吳時(shí)國等[83]分析了白云海底滑坡的結(jié)構(gòu)特征、地震響應(yīng)與成因機(jī)制。王磊等[84]通過對珠江口盆地陸架坡折帶位置一處海底滑坡（圖14 黃色虛線）地震資料分析，認(rèn)為相對海平面變化和流體活動綜合作用是導(dǎo)致該區(qū)海底不穩(wěn)定的主要因素。Zhu 等[85]圈定了南海北部陸坡珠江口盆地海底巨型滑坡的區(qū)域范圍（圖14 白色虛線）。雖然，我國南海水合物試采區(qū)的海底面穩(wěn)定性調(diào)查已經(jīng)取得了顯著成果，但對海底失穩(wěn)的機(jī)制揭示還有待深入研究。

圖14 南海北部陸坡滑坡[85]Fig.14 Landslide in the northern part of the South China Sea [85]

5 結(jié)論

（1）從20 世紀(jì)80 年代至今，我國關(guān)于深?；碌难芯恳恢碧幱诔醪缴仙A段，近十年來，一些新方法的不斷涌現(xiàn)，革新了深?；碌难芯?。目前，研究熱點(diǎn)已由深海滑坡的形態(tài)結(jié)構(gòu)及分類等轉(zhuǎn)移到深?；碌挠|發(fā)機(jī)制、滑動過程原位觀測等方面。

（2）現(xiàn)場調(diào)查技術(shù)、物理模擬試驗(yàn)和數(shù)值模擬試驗(yàn)仍是深?；卵芯康闹饕椒ㄊ侄危琑OV/HOV 等非常規(guī)技術(shù)也在逐步應(yīng)用于深?；碌难芯恐?。原位觀測技術(shù)主要集中于淺海的孔隙水壓力觀測和海床變形滑動觀測，對于深海滑坡觀測成功的案例還較少。

（3）深海滑坡的產(chǎn)生通常是由海床內(nèi)部地質(zhì)作用和外部水動力作用共同引起，多種觸發(fā)機(jī)制對深海滑坡的耦合作用及新觸發(fā)機(jī)制對深?；碌挠绊懭允俏磥硌芯康闹攸c(diǎn)。