黄河三角洲侵蚀性岸段水下岸坡地质灾害及其空间分布

2014-03-20彭俊陈沈良陈一强李谷祺

海洋通报 2014年1期

彭俊，陈沈良，陈一强，李谷祺

（1.盐城师范学院城市与资源环境学院，江苏盐城 224051；2.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）

丰富的石油、天然气和矿产资源储藏，使得海洋成为全球经济资源开发的热土。为保障输油管道、采油平台等海洋工程的良好运作，海洋地质灾害的调查和研究日益受到国内外研究者的重视（Prior et al，1981；Martel，2004；刘守全等，2000；胡刚等，2007）。胜利油田开发和黄河三角洲地区经济发展的需求，推动了国内学者对黄河水下三角洲地质灾害的研究，从海底滑坡的发现到海底刺穿的确认，人们对黄河水下三角洲地质灾害的认识不断深入（杨作升等，1990；李广雪等，1999；常瑞芳等，1995；周良勇等，2004；张琦等，1992）。以往研究成果更多集中在刁口河外水下三角洲（赵维霞等，2006；冯秀丽等，2004；李广雪等，2008；李俊杰等，2007），以及室内试验（李安龙等，2012），而对整个侵蚀性岸段水下三角洲，尤其是对神仙沟口外水下三角洲的地质灾害及空间分布缺少较完整的认识。因此，本文以刁口河口东侧至孤东北侧侵蚀性岸段水下三角洲为研究区域，利用精密的测深仪，高分辨率的浅地层剖面仪和侧扫声纳等声学探测设备同步联合扫测所获取的资料，解译研究区内的地质灾害类型，分析其空间分布特征，为该区域采油平台和输油管道等海洋工程布设和维护提供科学的参考依据。

1 黄河三角洲概况

1855年黄河于铜瓦厢决口，夺大清河注入渤海，距今150 多年历史。黄河挟带大量泥沙入海，在河口地区落淤，形成现代黄河三角洲。1855年以来，黄河尾闾共发生10 次大改道，每次改道形成新的三角洲叶瓣。1855-1953年黄河尾闾自然改道7 次，三角洲顶点在宁海附近。1953年以后，人工改道3 次，三角洲顶点下移至渔洼附近。其中1953-1964年从神仙沟流路入海，1964-1976年从刁口河流路入海，1976年至今从清水沟流路入海。河流改道后，废弃河口由于缺少入海泥沙的补给，前期形成的三角洲叶瓣在海洋动力作用下发生侵蚀，其中以神仙沟流路和刁口河流路期间形成的三角洲叶瓣为甚。

2 研究方法和数据处理

定位仪器采用美国Trimble 公司生产的DGPS进行定位，定位误差小于1.0 m。浅地层剖面探测是揭示海底地质现象的有效手段（李平等，2011）。这里采用Edgetech 公司生产的SB-216S“Chirp”高分辨率浅地层剖面仪进行海底地层探测，垂直分辨率小于10 cm。采用Edgetech 公司生产的4200FS“Chirp”高分辨率侧扫声纳进行海底地形地貌探测，分辨率小于8 cm。采用加拿大Knudsen Engineering 公司生产的320 系列高精度双频测深仪进行水深测量，分辨率为1 cm。在研究区布设了9 条测线（图1），布测长度共计约180 km。5 条主测线（H1-H5）垂直于岸线布设，水深从2 m 延伸到16 m 左右；4 条联络测线（L1-L4）沿等深线布设，其中L1 和L3 沿6 m 等深线布设，L2 和L4 沿12 m 等深线布设。探测时间为2010年9月底至10月初，探测期间海况良好。利用Edgetech 公司提供的Discover 系列后处理软件，对浅地层剖面仪和侧扫声纳所获取的图像资料进行处理，主要为声速校正、斜距校正和“Gain”、“TVG”（时间变化增益）等参数的调节，对处理后的图像资料进行解译。

图1 研究区域与测线布设

3 结果与分析

3.1 地质灾害特征与分类

根据不同地质灾害现象的形态特征，综合高分辨率浅地层剖面仪和侧扫声纳所获取的图像资料，对黄河三角洲侵蚀性岸段水下岸坡的地质灾害进行解译和分类。研究区地质灾害有冲蚀构造、凹坑与洼地、海底滑坡、切蚀-填充构造、声学透明层、海底刺穿体、埋藏冲沟和古河道等。

3.1.1 冲蚀构造

冲蚀构造包括冲沟和蚀余构造（图2a，b）。海底冲沟主要分布在三角洲斜坡上，规模大小不一，较大的长度可达数千米，宽度可达百米，冲蚀深度可达数米。冲沟之间常发育表面平坦，边界清晰，且保持原层序的蚀余构造，也称侵蚀残留体。本次探测在H2 测线上发现的冲蚀构造，冲沟、边缘陡坎和蚀余构造相间分布，冲沟多呈“U”形宽浅状（图2b）。冲沟发育与近岸波浪掀沙和潮流输沙作用有关（常瑞芳等，1995）。河口行水时，大量入海泥沙迅速沉降，形成河口拦门沙和水下沙坝等地貌体。河口废弃后，河流泥沙来源断绝，在波浪作用下，易被起动的表层沉积物随潮流输移后，海底在顺流方向上形成小型冲沟。随着波浪和潮流的不断作用，冲沟内水流携带着泥沙由底部沿两侧边缘向上部运动汇入主流，加强了对冲沟底床和边缘的侵蚀，而处于湍流状态的水流也为悬浮泥沙运动提供了足够的动力。冲沟逐渐增宽、蚀深，当冲沟宽深比达到一定限度时，水流携沙对边壁的侵蚀力减小，冲沟演变成具有稳定性的“U”形宽浅状沟槽，而不易被波浪起动的沉积物则发育成高出周围海底的蚀余构造。

图2 H2 测线记录的冲蚀构造

3.1.2 凹坑与洼地

凹坑与洼地是一种以负地形出现的微地貌。凹坑规模较小，直径数米至数十米不等，多呈近圆形或椭圆形，洼地由数个凹坑交汇而成，宽度可达百米以上，形态不规则。根据侧扫声纳获取的图像资料，研究区内凹坑呈椭圆形（图3a）或不规则圆形（图3b），直径不超过10 m，洼地表现为拉长鞋状（图3c），长度约20 m。在L4 测线上发现大范围的凹坑与洼地，在海底表面密集分布，形成麻坑构造（图3d），破坏深度不超过1 m。黄河尾闾的频繁摆动和河流来沙的“洪水式排放”，使入海泥沙的空间分布不均匀且压实强度不同，沉积物在自身不均衡压实或水动力涡旋作用下，强度相对较弱的部位容易发生液化塌陷，形成凹坑等微地貌。

图3 形态多样的海底凹坑与洼地

3.1.3 海底滑坡

在H2 测线上约9 m 水深处发现滑坡体，长约60 m，宽约30 m（图4）。滑坡源区顶部为陡壁后缘，边界清晰，可见明显滑动迹象。在源区内可见一列平行于后缘的陡壁，陡壁之间相距约3～4 m，是滑坡向上端方向逆行留下的痕迹（图4）。从源区塌陷的沉积物顺坡流动，切蚀海底形成冲沟，在冲沟末端切蚀深度达4 m（图4）。滑坡沉积物除堆积在冲沟内，形成切蚀-充填构造地层外，部分堆积在冲沟末端外海底上，形成舌状堆积。

图4 侧扫声纳记录的海底滑坡

黄河三角洲海底滑坡的发育主要是由其特殊的沉积环境决定的：（1）三角洲快速堆积造成沉积体松散，高含水量、高孔隙率的沉积层在外力作用下容易发生液化流动；（2）前三角洲相软弱层为上覆三角洲前缘相沉积体的滑动提供了条件；（3）水下三角洲沉积体呈楔状向海尖灭，这种不均匀沉积分布能够产生侧向压力，使沉积体不稳定。黄河三角洲海底滑坡等底坡不稳定性对泥沙的横向输运也起着重要作用（杨作升等，1994）。黄河三角洲海域存在无潮点，沿岸潮流强劲，泥沙仅仅依靠悬移方式输运是难以逾越的。由于流速在底边界层最小，以粉砂为主的底坡沉积物容易发生液化流动，产生的重力流可以克服底边界层流，将沉积在河口附近的泥沙向海输运，实现水下岸坡平衡剖面的形成。

3.1.4 不均匀地层

不均匀地层主要包括切割-充填构造和声学透明层。切割-充填构造是早期的冲沟、凹坑与洼地、海底滑坡等下蚀地貌被后期的沉积物全部或部分充填而形成的。声学透明层是早期形成的细粒沉积物被后期沉积的粗粒沉积物覆盖，因粗颗粒沉积物和下伏的细颗粒沉积物在声学反射上存在强烈的反差，在浅地层剖面图像上会形成反射很强的粗颗粒沉积物覆盖在几乎无声学反射的细颗粒沉积物之上的构造。声学透明层是黄河水下三角洲一种典型的不稳定性地质现象，容易发育成海底刺穿，或成为海底滑坡发生的基础。本次探测首次在神仙沟口外水下三角洲叶瓣上（L3 测线B-C 段）发现大面积的声学透明层（图5a，b），上部粗颗粒沉积层是1953-1964年形成的三角洲前缘相，下伏细颗粒沉积层可能是前期三角洲叶瓣发育过程中形成的前三角洲相或侧缘沉积相（图5b）。

图5 神仙沟口外L3 测线B-C 段密集分布的不均匀地层

3.1.5 海底刺穿

黄河三角洲前三角洲沉积相一般为粉砂质粘土或细粉砂，沉积过程中含大量水分，被上覆以粉砂或粗粉砂为主的三角洲前缘沉积相保留在沉积层中。这种高含水量、高孔隙率的沉积层在不均衡自重压力或卸荷作用下，容易发生变形，形成海底刺穿。因此，前三角洲相是一种不稳定结构的软弱层，海底刺穿是这种软弱层的变形构造，是水下三角洲不稳定性块体运动的重要类型之一，出露后的刺穿对座底式平台和海底管线等会构成灾难性威胁。李广雪等（2000；2008）通过对高分辨率浅地层剖面图像和钻孔资料的联合解译，在黄河三角洲东北部刁口河流路期间形成的水下三角洲叶瓣上发现海底刺穿。本次探测过程中，在L1 测线上东营港附近发现已经出露海底的刺穿（图6a，b）。神仙沟流路期间形成的水下三角洲叶瓣，前三角洲相或侧缘沉积相软弱层在上覆沉积层的荷载作用下，形成密度倒转的垂向层序和软弱层内的超高压。三角洲叶瓣废弃后，海底在侵蚀作用和海底剖面重塑过程中，加载在软弱层之上的三角洲前缘相沉积层减薄，软弱层便会在荷载力最薄弱的地方慢慢隆起，最后冲破上覆沉积层形成刺穿。

图6 L1 测线记录的海底刺穿体（（a）侧扫声纳图像；（b）浅地层剖面图像）

3.1.6 埋藏冲沟和古河道埋藏冲沟和古河道是一种埋藏在海底浅地层中的地质灾害现象，统称为埋藏负地貌，宽度一般数百米，埋藏深度数米到数十米，在浅地层剖面记录中往往表现为强反射的“V”形或“U”形。埋藏冲沟和古河道的后期充填物具有松散、高含水量、高压缩和低强度的特点，属软弱地层，在横向上形成的不均匀持力层，易引起海底不均匀沉降。这种地质灾害曾造成莺歌海2 号钻井平台发生倾斜。本次探测在H3 测线上15～16 m 水深处的海底浅地层中发现不同剖面形状和长短的埋藏负地貌，顶板埋深在10 m以内。呈“U”形的宽度近千米，下切深度约5 m（图7a），呈“V”形的宽度仅数十米，最大下切深度约11 m（图7b）。

图7 H3 测线浅地层剖面反映的埋藏负地貌

3.2 地质灾害的空间分布

黄河三角洲侵蚀性岸段水下岸坡地质灾害主要是黄河携带的高浓度泥沙快速沉积形成水下三角洲，经过波浪、潮流和风暴潮等外力载荷反复作用后的结果。通过分析H1-H5 和L1-L4 测线上地质灾害的类别和发育程度，发现这些地质灾害在空间上呈现平行岸线的带状分布，依据水深大致可划分为三个区域。

3.2.1 6 m 以浅区域

该区域发育的地质灾害主要为冲蚀构造。冲沟、边缘陡坎和蚀余构造大量存在，声纳图像上呈现强弱相间的声学反射特征。在H2 测线上约5 m 水深处，冲蚀构造分布密度最大，发育程度最高（图2）。冲沟走向基本与潮流方向平行，最宽的可达300 多m。蚀余构造高度一般超过1 m，最高的超过2 m。冲沟、边缘陡坎和蚀余构造在空间上呈现相间分布，造成地形起伏剧烈。其他测线发育的冲沟宽度较小，但分布密集，蚀余构造表现为破碎体，高度一般在0.3 m 左右，基本不超过1 m。6 m 水深以外海域，虽然潮流流速大，但海底未见明显的冲蚀构造，主要原因在于波浪作用有限，对海底的冲蚀作用不足以起动底沙。

3.2.2 6～14 m 区域

该区域发育的地质灾害主要为海底滑坡、海底刺穿、声学透明层、凹坑与洼地。海底滑坡基本分布在这一水深范围内，有时可见几个滑坡相邻出现。在L1 测线南侧靠近东营港附近发现的海底刺穿体（图6），发育水深在10 m 左右，突出海底约5 m，在声纳图像中的一侧出现因刺穿体高出海底而形成的声学阴影区（图6a）。整个刺穿体宽度约50 m，由于刺穿体的发育，其周围海底被明显拉陷。在L3 测线上声学透明层广泛分布，厚度一般为1～3 m，最厚可达7 m，发育最密集地带在神仙沟口外，宽度约5 km（图5c）。在L2 测线上发现的声学透明层，程度和规模明显不及L3 测线上的。在L4 测线上发现其他测线上都没有观测到的密集分布的凹坑与洼地（图3d），单个直径几米到几十米，在海底形成麻坑构造。按形状和个体直径分为两种，一种多呈不规则圆形，规模较大，另一种多呈椭圆形和长鞋形，个体较小，长短轴比值在2～10 之间，长轴走向近NW-SE，与潮流方向基本一致。虽然12 m 水深处的波致海底切应力不是最大的，但潮流速度却很强，并呈往复流性质，因此推测凹坑的形成是强劲的潮流作用造成海底液化塌陷或局部侵蚀的结果。

3.2.3 14 m 以深区域

该区域地势平坦，坡度平缓，坡降小于0.5‰，声纳图像上显示表面较光滑，海底表面覆盖的现代沉积厚度较小。由于水深较大，波浪对海底表层沉积物的扰动作用较小，海底比较稳定，未见各种底坡不稳定性运动造成的地质灾害。但从浅地层剖面图像上发现海底浅部地层中存在埋藏冲沟和古河道，其形成与海平面上升有关。在末次冰期冰盛期，海平面处于低位，此区域发育湖泊和河流沉积。随后气候变化，气温上升，导致海平面上升，先期发育的湖泊和河流沉积被海相沉积物覆盖，形成了这种埋藏在海底浅层中的地质灾害现象。这一成因从附近获取的钻孔沉积物粒度资料中得以证明（李俊杰等，2007），其上覆盖的沉积层为海相沉积。

4 结论

（1）黄河三角洲侵蚀性岸段水下岸坡地质灾害类型多样。冲蚀构造、凹坑与洼地、海底滑坡、切蚀-填充构造、声学透明层、海底刺穿体、埋藏冲沟和古河道均有发现。

（2）黄河三角洲侵蚀性岸段水下岸坡地质灾害呈现平行岸线的带状分布，按水深大致可划分为三个区域：6 m 以浅区域，冲蚀构造发育，冲沟、边缘陡坎和蚀余构造呈相间分布。6～14 m 区域，发育有凹坑与洼地、海底滑坡、海底刺穿体和广泛分布的声学透明层，地质灾害呈现类型多样化，分布广泛化特点，14 m 以深区域，主要发育埋藏冲沟和古河道。

（3）鉴于研究区地质灾害发育，在具体施工海洋工程前应针对工程设计预定位置进行全面的地质调查，查明工程预设位置周边的地质灾害类型，并采取必要的防护措施，在迫不得已的时候，应当采取避开措施。

致谢：华东师范大学河口海岸学国家重点实验室张文祥、张国安、周永东参加野外调查工作，在此一并致谢。

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