厦门湾口外近岸陆架区海底沙波发育特征

孙美静，罗伟东，钟和贤，伊善堂，刘杰，郭丽华

1.广州海洋地质调查局，自然资源部海底矿产资源重点实验室，广州 510075

2.南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)，广州 511458

3.中国科学院广州能源研究所，中国科学院天然气水合物重点实验室，广州 510640

海底砂质沉积物在波浪、潮汐、底层流等多种水动力条件作用下，堆积形成高低起伏的丘状或新月状底床形态地貌，其波脊垂直于主水流方向，统称为沙波。沙波的发育非常普遍，如河口、陆架、陆坡，甚至到海盆区。我国沙波主要分布于近海陆架，如黄海[1-3]、扬子浅滩[4]、台湾浅滩[5-8]、南海北部陆架[9-12]和海南岛周缘陆架区[13-16]。其中台湾浅滩是我国近海沙波发育的典型区域，杜晓琴等[6]分析认为台湾浅滩底层水流单一，上层水流结构复杂，潮致沉积物输入量大于输出量，沙波迁移较快，可能是风暴事件影响；余威等[7]从海平面波动、沉积物源及区域动力角度分析了对沙波发育的影响；邱燕等[8]论述了沙波类型及发育特征。

在台湾海峡西部，广州海洋地质调查局2014——2017年采集了多波束测深、单道地震剖面、表层沉积物样品资料及海流监测数据等，并进行了资料处理和样品粒度测试。本文利用这些新资料，通过对厦门湾口外的陆架区地形地貌、单道地震剖面精细解译，从平面和剖面上识别沙波的形态特征、分布规律，分析沙波的沉积物特征，因水动力对沙波发育起绝对控制作用，因此着重论述本区水动力作用类型及潮流流速，讨论水动力作用对沙波形成及迁移的影响过程。

本文研究的沙波区处于台湾浅滩的北侧，是一个崭新区域，前人未有工作基础，是将台湾浅滩沙波研究区域向北扩大，并与此有着密切联系，可掌握台湾海峡区域更大范围沙波分布特征。同时本文特点是将地形剖面与单道地震剖面结合，来分析沙波形态参数特征，因而更准确，又拥有足够的沉积物样品数据，能够明确沙波区沉积物粒度、岩石类型的特征。对比前人研究[17-18]资料更详实，从点（多站位点的表层沉积物特征及潮流流速）——线（地形剖面和单道地震剖面测线）——面（地貌特征）相结合的研究思路，分析结果更加全面。沙波的形成受控于水动力环境的变化而改变，因发生改变而产生的不稳定因素，对浅水陆架区海底铺设电缆等施工建设产生影响，尤其台湾海峡是联接中国大陆与中国台湾之间最重要的通道，因此掌握海底沙波的分布规律、形态及底质特征，对海底工程建设有重要意义。

1 研究区概况

研究区位于台湾海峡西部，为厦门湾口外的近岸陆架区（图1）。台湾海峡正处于欧亚板块东缘，临近欧亚板块与菲律宾海板块的汇聚边界，其地质构造十分复杂，是欧亚板块与太平洋板块碰撞时所产生的台湾岛与大陆间的前陆盆地，其构造格局、地层展布和地形轮廓大都以NE向为主，与两岸一致。研究区水深范围约为10～60 m，坡度为0°～1°，等深线整体为NE向。

图1 研究区位置及海洋动力场示意图[7, 19]Fig.1 Location map of the study area and hydrodynamic fields[7,19]

台湾海峡属亚热带型季风气候，冬季由于受西伯利亚或蒙古冷气流的影响，盛行东北季风，平均风速大，常为大浪；夏季盛行西南季风，平均风速小，多为小浪——中浪。台湾海峡的潮流呈往复流，涨落潮流流向近NE-SW向，与水深等值线走向基本一致。本区受两股洋流影响，分别是浙闽沿岸流和台湾暖流。浙闽沿岸流沿福建省沿岸向西南流，其主要受冬季风的影响，在冬季最明显，春秋减弱，夏季几乎不存在，台湾海峡西侧的台湾暖流则常年存在。台湾暖流是黑潮的分支，自澎湖水道向北流。受云彰隆起地形的影响，台湾暖流分支，一支从云彰隆起上部穿过继续向北，另一支绕过云彰隆起，在台湾海峡中部向北流。浙闽沿岸流和台湾暖流控制着台湾海峡沉积物的来源和搬运，对台湾海峡现代沉积作用影响很大。

2 数据采集

研究区覆盖单波束和多波束测深，为能够更清晰明确地显示出沙波特征，主要选取利用多波束测深数据构成的地貌图和地形剖面图。多波束水深测量采用EM710S多波束测深系统，工作频率为70～1 000 kHz，测深范围为 5～1 000 m，波束角 1°×2°，最大覆盖角度为150°，覆盖宽度可达水深的3.5～5倍（最大为2 000 m），测深精度优于水深的0.3%，本文选取多波束测深数据的处理后网格精度是50 m×50 m。

单道地震测量采集系统为英国AAE公司的CSP-6 000电火花系统，震源能量800 J，采样频率6 000 Hz，垂向分辨率2～5 m。海流测量数据是在2016年5月采集，采用美国RTI公司300/1 200 kHz双频直读式ADCP和300 KHz单频直读式ADCP，进行定点式实时测量模式。

表层沉积物样品采集时间是在2014年5月——7月，利用“天龙号”船只，使用50 cm×50 cm的大型蚌式抓斗完成。文中选取了401个站位样品进行沉积物岩性、粒度等分析。根据样品的不同特点，分别采用激光粒度仪法和综合法进行粒度分析。激光粒度仪测量范围为0.02～2 000 μm，综合法主要指对大于1 000 μm的颗粒用筛析法，小于1 000 μm的颗粒用Mastersizer 2000型激光衍射粒度分析仪进行测试，将两者的分析数据合并，计算出各级粒径颗粒的含量及相关参数。

3 结果

3.1 底形分布特征

台湾海峡盆地西部近岸的研究区属于近岸大陆架区，地形较平缓，坡度为0°～1°。水深总体为西浅东深，一般为10～60 m，等深线与沿岸走向近一致，呈SW-NE向（图1）。本区地形典型特征是发育了一系列NW-SE走向近乎平行排列的条带状坡地（图2a，图3a），波脊与波谷相间，大致呈NW-SE走向，与等深线方向近于垂直。利用多波束测深和单道地震资料，识别勾画出海底沙波范围，分布面积约为1 000 km2，沙波沉积厚度基本为6～7 m。沙波地貌单元上主要呈二维弯曲形、三维新月形两种类型特征。

在近岸Ⅰ和Ⅱ区（图2a），水深大致为30～60 m，沙波多为二维弯曲形，呈孤立的雁列式紧密排列，波长较短，波脊近于平行，走向总体一致，为NW-SE向，单个沙波规模相差无几，并分布有多组此类特征弯曲形沙波群。整体呈条带状顺延等深线方向发育，延伸距离超过20 km，分布于坡度近于0.1%的坡面上（图2b）。选取一条具有代表性的地形剖面（垂直于弯曲形沙波走向），如图3b，地形起伏在3 m以内，变化较小，波脊水深为55.5～58 m，波脊顶间距为150～500 m，波长分布在120～600 m之间，波高一般为0.2～2 m，独立一个沙波的西南与东北两侧坡度基本一致，多为对称沙波，个别显示东北侧坡度较西南侧稍缓，坡角范围一般为0.2°～0.8°。

在稍远岸的东南角Ⅲ区，如图2a和图3a的HH′向东南方向显示，水深大致为60～70 m，沙波地貌平面形态由一排孤立的较短弯曲形过渡到波长变长而连成长条状的新月形，沙波之间间距变大，较稀疏，总体亦属于平行排列，呈NW-SE走向，但较弯曲形沙波整齐度变差，沙波规模变大。地形很平坦，坡面的坡度小于0.1%。如图3c地形剖面（垂直于新月形沙波走向）上显示，沙波多呈复合形态，在大型沙波主体上，顶部分支出多个小型锯齿状沙波，是稳定沙波在原地经水流后期改造而形成的。地形起伏在5 m以内，较Ⅰ区沙波的地形起伏稍微变大，波脊水深分布于60～63 m，波脊顶间距为160～1 000 m，波长分布于150～800 m，波高一般为0.2～5 m，西南侧缓坡坡角为0.2°～0.7°，东北侧陡坡坡角为 0.3°～ 1.1°。

图2 海底沙波分布区地形地貌图a.地貌图，b.垂直沙波走向地形剖面图。Fig.2 Topographic and geomorphologic map of the submarine sand wave distribution area a.topography map, b.topography profile cutting through sand waves.

图3 多波束显示的沙波地貌图（a）与沙波区海底地形剖面图（b和c）Fig.3 Multi-beam map of sand waves on plane (a) and cross sections (b and c)

3.2 地震剖面显示形态特征

利用W-E向和SW-NE向的单道地震剖面，识别出沙波的地震反射特征及波高、波长、沙波指数等形态参数。

其中如图4a（W-E向单道地震剖面），靠近西部的①号位置，沙波形态呈锯齿状，为对称沙波特征，波长主要为120～390 m，波高分布于3.6～11.4 m，大多数处于4～6 m（表1）。两侧波面都较陡，迎流面与背流面区分不明显，总体表现为生长特征，其迁移特征不明显，由AB地震剖面测线①号位置，反映其东西方向的水动力条件基本平衡。该测线靠近东部②号位置为典型非对称性沙波形态，波长主要为300～465 m，波高分布于3～4.5 m。对于一个独立沙波，西侧坡度缓，是迎流面，东侧坡度陡，为背流面，通常沙纹处于沙波迎流面一侧，本区水动力条件相对稳定，根据沙波陡坡面、波纹与沙波所处位置，较容易判断出主水流是向东流动。②号位置沙波主要呈随水流方向迁移特征，而生长特征相对不明显。

如图4b是SW-NE向单道地震剖面，该剖面沙波特征与图4a②表现一致，均是非对称性沙波特征，表现出陡缓面，西南侧坡面较缓，东北侧坡面较陡，因此推测向东北方向流动的水流为主导，沙波不断随水流运动而迁移。

将近对称沙波与非对称性沙波作对比发现（表1），前者的波长短，波高较高，沙波指数（波长/波高）较小，后者非对称性沙波的波长较长，波高较小，沙波指数较大，同时非对称沙波沉积位置较对称沙波区水深要深，且粒度亦较粗，表明近对称沙波的波高较大，粗径砂体随水流搬运走，较难沉积留下，仅有细粒的砂岩沉积下来。非对称沙波的波形形态较宽缓，沉积物较粗，顺着主水流方向，迎流面多受到水流冲刷，越过波峰到较陡的背流面发生沉积。同时揭示出对称沙波一般形成于非对称性沙波的水流上游。

经过已有地形地貌和单道地震剖面两方面资料的相互印证，认为图1所画黑色图框研究区为海底沙波的分布区。

3.3 沉积物组成

台湾海峡西部近岸研究区有401个表层沉积物采样点，沉积物组成主要以砂为主，其次是粉砂，黏土（泥）含量较低，砾石较少。如图5所示，砂和粉砂含量之和均超过50%，主体大于70%，其中含量在90%～100%（包含100%）的样品有252个。

图4 单道地震剖面上沙波的形态特征Fig.4 Single-channel seismic profiles showing the morphological characteristics of sand waves

表1 研究区沙波形态参数特征统计Table 1 Statistical table of sand wave shape parameters in the study area

图5 砂百分含量统计图Fig.5 Statistical histogram of sand contents

其中研究区的砂（指粒径0.063～2 mm）百分含量如图6a所示，砂含量分布于5%～99%，普遍较高，具有从西北向东南方向增高的趋势特征。其中有197个站位点的砂含量超过80%，基本达到了一半的站位点，较集中分布在研究区的中部到东南部，地形较平坦；而向西北方向靠近岸边区砂含量降低，主要是小于30%。对应前面有多波束资料显示的沙波地貌区，该分布区砂含量主要为60%～99%，反映出从近岸向远岸陆架方向，砂含量明显增大，沙波发育区沉积物以砂为主，含量较高（一般大于60%），推测（无多波束资料区）向东部及东北方向依然有沙波的发育。

如图6b所示，粉砂（指粒径0.004～0.063 mm）百分含量分布于0～82%，具有从西北向东南方向降低的特征，与砂百分含量（图6a）有较好的负相关性。其中有230个站位点砂含量低于20%，超过了一半的站位点，较集中分布在研究区的中部到东南部；而向西北方向近岸边区粉砂含量增加，大部分高于45%。对应前面有多波束资料显示的沙波地貌区，该分布区砂百分含量大多小于30%。从近岸向远岸陆架方向，粉砂含量明显降低，反映出沉积物粒度变粗。

研究区沉积物类型以砂和粉砂质砂为主，其次是砂质粉砂、粉砂及砾质泥质砂，部分含砾砂、含砾泥质砂、砾质泥等。西部近岸区沉积物类型较多且复杂，分布有砂、粉砂质砂、砂质粉砂、砾质泥质砂、砾质泥、含砾砂等；东部沉积物类型较简单，分布有砂、粉砂质砂、砂质粉砂，局部夹有含砾砂团。

平均粒径代表粒径分布的总体趋势，反映了沉积物颗粒搬运的平均动能。如图6c是研究区沉积物颗粒的平均粒径分布情况，范围为0～8Φ，大部分为0～4Φ，只有西北部较小范围的平均粒径较大，一般为5～8Φ，向东南方向平均粒径变小，广泛区域分布在1～3Φ，主要为细砂——中砂，反映出西北部近岸局部区域受近岸河流输入影响较大，搬运砾、含砾砂等粗粒沉积物，并且呈粗细混杂状态，水动力条件不稳定；而向东南方向稍远岸区水动力逐渐趋于相对稳定的高能状态，一般是细砂－中砂沉积，粒度分布均匀。

图6中可以看出，砂百分含量与平均粒径分布规律明显，具有较好的负相关性。从近岸陆架向远岸陆架，沉积物的砂百分含量增高，粉砂百分含量降低，粒度明显变粗，平均粒径（Φ值）具有明显减小的趋势，在研究区中部——东南部的相对远岸陆架比西部近岸陆架的水动力能量强。

4 讨论

研究区紧邻厦门湾口，东北侧有陆地的九龙江直接汇入，携带大量泥沙沉积物入海，其次南部台湾浅滩砂质丰富，再者东侧为浊水溪，它们构成了本区表层沉积物的基本物源，为海底沙波底形的发育提供了物质基础。

前人研究认为，平坦开阔地形是海底沙波形成的基础与必不可少的条件[18]。在台湾海峡西部厦门湾口外的近岸陆架区，海底坡度一般为0°～1°，地形开阔平坦，起伏较小，发育了多个小范围沙波区。Stow等研究认为，海底底形的形成演化受底流类型、强度、水深等因素控制[8]。该区域底流活动活跃，对沙波的形成影响至关重要[20-24]。

图6 研究区沉积物分布特征a.砂百分含量平面分布图，b.粉砂百分含量平面分布图，c.平均粒径（Φ值）平面分布图。Fig.6 Distribution characteristics of sediments in the study area a.The spatial distribution of sands,b.the spatial distribution of silts, c.the spatial distribution of mean particle size (Φ).

海洋底流作用直接控制近岸陆架区泥沙运动与分布。台湾海峡内海流主要受浙闽沿岸流、南海表层流和黑潮分支的影响[7]（图1标示）。沿岸流与表层流随季节变化，受季风影响，夏季是西北季风，表层流波及台湾海峡；冬季是东北季风，沿岸流向南进入台湾海峡；向北的黑潮分支全年影响本区；底层海流流向稳定少变，终年向东北方向流动，持续稳定方向的底层流对海底沉积搬运起着重要作用。

台湾海峡内的潮流运动非常强烈，并且很复杂，一方面是因海峡外传入的两支太平洋潮流在海峡内传播相汇，形成强烈的潮流运动；另一方面是海峡内地形的复杂和岸线的曲折又使海峡内潮汐、潮流的分布很复杂[7]。

广州海洋地质调查局在研究区内布设有两个海流监测点（1号和2号测站），于2016年5月20日（农历四月十四）进行了大潮定点海流观测（图7），2016年5月29日（农历四月二十三）进行了小潮定点海流观测，利用实测的相关数据来分析沙波发育与潮流的关系。

图7 研究区海流观测大潮流速过程和流向曲线图注：1号站位对应a图大潮流速过程及b图大潮流向；2号站位对应c图大潮流速过程及d图大潮流向。Fig.7 Current velocity and direction curve of a spring tide form the study area

本区潮流性质为不正规半日潮流，一般实测最大流速为大潮＞小潮，实测最大涨潮流速大于落潮流速。大潮期间：1号站实测涨潮最大流速为51.1 cm/s，流向为NE向，最大落潮流速为48.6 cm/s，流向为S向；2号站实测涨潮最大流速为71.2 cm/s，流向为NNE向，最大落潮流速为57.7 cm/s，流向为S向。小潮期间：1号站实测涨潮最大流速为53.7 cm/s，流向为NNE向，最大落潮流速为34.4 cm/s，流向为S向；2号站实测涨潮最大流速为66.5 cm/s，流向为N向，最大落潮流速为30.2 cm/s，流向为SE向。潮流实测资料显示，无论大潮还是小潮期，涨潮的流向以NNE向为主，并伴有NE向和N向；落潮的流向以S向为主，亦有SE向，此与沙脊走向（大约SE向）近于垂直。1号和2号测站的涨潮和落潮的大潮、小潮流速总体均以2号站位的速度较大（2号站位相对1号离岸稍远）。结合该区沉积物粒度的分析，总体是离厦门湾口外远的2号站位砂百分含量高于1号，即2号站流速大、粒度粗，反映出2号站水动力条件强于1号站。

Berne认为一般小于40 cm/s的底流流速形成沙痕，40～75 cm/s的底流流速形成直线形沙波，而新月形沙波则是由75～100 cm/s的底流流速形成的。因此，本区的海底定向流为形成直线形沙波提供了适宜的水动力条件[25]。

学者分析认为[8]，一般沉积物粒度为0.2～2.1 mm且供应充足，水流流速为0.4～0.9 m/s，则易形成海底沙波。厦门湾口外的近岸陆架区具有复杂的水动力环境，携带的沉积物以细砂－中砂为主，粒度主要分布在0.125～0.5 mm，实测潮流流速为0.3～0.7 m/s，方向呈NNE向，潮流推动砂质沉积物向NE方向堆积，形成高低起伏的波状底形。同时随着涨潮、落潮等水流旋回波动，沙波发生改造作用，如西部发育的对称性沙波特征，向东部逐渐改造为非对称性沙波特征，亦有形成两者的叠合沙波。因此，根据已有易形成海底沙波因素的研究认识，结合本区潮流流速的实际观测结果，潮流作用可能是沙波分布区的主控动力。

5 结论

（1）厦门湾口外的近岸陆架区，水深约30～70 m，发育一系列条带状坡地。地貌单元上主要为二维弯曲形、三维新月形，波脊与波谷呈NW-SE走向，相间排列，波脊轴线为SW-NE走向。

（2）地震剖面显示波形形态主要有三类：近对称性沙波、非对称性沙波及叠合沙波。波长一般为120～800 m，波高一般为2～12 m，沙波指数较大（＞30）。近对称性沙波的波高较大，沙波指数小，非对称性沙波的波长较长，沙波指数大；稳定沙波经后期水流“改造、激活”形成叠合沙波。

（3）沙波区沉积物含砂量高，总体大于60%，以砂、粉砂质砂及砂质粉砂为主，平均粒径主要为1～3Φ，以细砂——中砂为主。稍远岸的东部与西部比较，砂含量增加，粉砂较少，粒度相对变粗。

（4）海洋水动力作用直接控制近岸陆架区泥沙运动与分布，影响沙波的发育。本区水动力条件活跃，主要受浙闽沿岸流、南海表层流和黑潮分支的影响。潮流复杂，流速较大，一般为0.3～0.7 m/s，涨潮的流向以NNE向为主，并伴有NE向和N向；落潮的流向以S向为主，亦有SE向。水流主方向与沙波的轴线走向（大约NE向）近于一致，利于水动力推动砂质沉积物推积沙波形成及不断发生改造作用。