灾害地质调查中海洋物探技术的作用范文

《防灾减灾学报》2016年第3期

摘要：

随着勘探技术的发展和海洋油气勘探开发工作的不断进行,对海底尤其是陆架地区灾害地质情况调查势在必行。本文介绍了以海南岛西南陆架区域为研究区，利用海洋物探技术对海底灾害地质做的调查和研究。

关键词：

海洋物探技术;灾害地质;海南岛西南陆架

0引言

海洋地球物理学是地球科学的主要学科，它利用物理的原理和探测方法研究海洋的现状和形成动力。近年来，随着海洋资源的开发，为了正确的认识海底的地层地貌，排查和预测可能存在的海洋地质灾害，以保证海底工程的建设，海洋地球物理探测技术正发挥着越来越重要的作用。侧扫声呐和浅地层剖面测量是目前常用的两种海洋物探技术，是本次海底灾害地质调查的主要手段。

1调查区概况

调查区位于海南岛西南海域，涉及乐东海域，东方海域和三亚海域（图1）。水深范围大约0~90m,海底坡度大约在0~1o,水深变化不大,水深等值线为NS走向、SE走向和EW走向。该海域有我国优良渔场和丰富海底矿产资源,具有十分重要的经济价值。该海域海底底质比较复杂，主要为泥砂、泥底,兼有少量砾、贝壳、岩石底;工区西部以泥、砂、泥砂底为主,并有珊瑚、贝壳、岩石出现。

2调查方法及数据处理

本次调查主要应用侧扫声呐技术和浅地层剖面测量技术，在调查区内以5km×10km的测网间距进行海底地貌和地层测量。侧扫声纳技术是一种工业标准的水底成像方法，和雷达的原理相似，只是用声波代替了电磁波，通过连接数字采集系统，能够实时进行水底物体的搜索和测量。侧扫声纳由内装有声纳换能器的声纳拖鱼、数据采集计算机和连接电缆构成。拖鱼的两侧按固定时间间隔向水底发射有一定音频能量的狭窄波束，从水底反射回的声波根据幅值大小构成海底地形的灰度图。本次调查侧扫设备使用美国EdgeTech公司生产的EdgeTech4200MP侧扫声呐系统，采用100kHz/400kHz双频同时工作。侧扫声呐数据用Sonarwiz软件进行处理，获得典型区域的声呐图像，处理后的图像反映了微地貌在平面上的形态。浅地层剖面测量工作原理和侧扫声呐相似，都是利用声学与地质学相关原理。他们的区别在于浅地层剖面系统发射频率较低，产生声波的电脉冲能量较大，具有较强的穿透力，能够有效的穿透海底几十米甚至几百米的地层[1]。由于不同的沉积物存在着密度差异，这种差异在声波反射上表现为波阻抗界面，差异越大，波阻抗界面就越明显。浅地层剖面仪发出的声波脉冲遇到波阻抗界面就会发生反射，反射声波被换能器接收并转换成为数字信号，最后输出能够反映地层声学特征的浅地层声学记录剖面。本次调查浅地层剖面仪采用测量设备为Edegetech3200-XS浅层剖面仪,工作频率为0.5kHz~10kHz。数据处理与解释软件采用GeoSuiteAllworks,该软件的处理功能比较简单,数据的处理流程包括原始资料输入、道检查、时变增益、带通滤波及道均衡等。对调查区浅地层剖面的解释，首先根据反射界面识别标志将其中一条反射结构清晰的剖面进行分层，然后通过联络剖面，对其它所有剖面进行对比分析，使全区测线上的所有界面闭合。

3调查区典型海底灾害地质分类

海洋灾害地质根据空间分布可以分为海底表层和海底以下浅层两种[2,3]。前者常见的有活动的水下沙波、潮流沙脊、强烈的海底侵蚀和堆积和沟谷地貌等；后者包括古河道、古湖泊、浅断层及浅层气等。通过对调查区进行海洋地球物理探测，我们发现该海域典型海底灾害地质主要有潮流沙脊及海底沙波、古河道和浅断层（图1）。

3.1潮流沙脊及海底沙波

潮流沙脊（图2）和海底沙波（图3）是海底活动较强的砂质脊状堆积体，一般形成于往复流的潮流区，沙源供应充足的环境中[4]。沙脊、沙波的迁移运动会造成管道悬跨，使悬跨的管道在波流引起的水动力载荷及自重载荷的多重作用下发生振动，造成悬跨管道的疲劳损坏[5]。海底沙脊和沙波由海底月型沙丘演化而来。研究表明，水流方向和供沙量是改造沙丘形态的两个最为重要的参数。当底流速增大时，沙丘迎水坡和背水坡的宽度会逐渐增大，沙丘角会逐渐退缩，月型沙丘最终演化为沙脊：而当水流流速降低，供沙量增大时，沙丘的两角会逐渐伸直、伸长，迎水坡和背水坡的宽度逐渐变窄,月型沙丘最终演化为沙波[6]。根据侧扫声呐影像显示，调查区内的潮流沙脊发育于感恩角外海域10~45m水深之间海底，而40~50m水深区域仅有零星分布，小于15m和大于50m水深区域均未发现。沙脊在区内大部分呈NE向展布，延伸长度从18km到40km以上展布宽度一般在3~5km，最大可达8km；在东部分布的一小块呈EW向,延伸长度8km左右。感恩角外海域的沙波大多发育在两条沙脊间及其两侧脊坡上。波脊线或沙垄的延伸方向基本上呈EW或NEE向，延伸长度13~50km以上，展布宽度都在4km以上，最大可达20km；在莺歌咀至南山角岸外有一处大面积的沙波分布，面积约660km2，沙波脊线的延伸方向为NW，沙波间距较感恩角外海域沙波发育的大。

3.2古河道

由于第四纪期间海平面的巨大变动，海南岛陆架区多次裸露成陆地，其上发育不少河流。到了全新世初期，随着大规模的海侵运动，陆架上的河道逐渐地被海水所淹没，并且被埋藏在不同深度的海相沉积物层下，成为晚更新世的埋藏古河道。古河道充填沉积物具有复杂性和多变性，其粒度组分、分选程度、密度、剪切力等一系列物理物质和力学性质的差异，在几米或几十米的水平距离内可能发生很大变化，持力不均。在长期侵蚀、冲刷及上覆荷载下，容易发生局部塌陷，使地层原有结构破坏，造成构筑物基础不稳定，对海洋工程十分不利。利用浅地层剖面系统探测到调查区有古河道的存在（图4）。古河道的层间反射结构以强振幅、变频率的杂乱反射为主，常有不连续，有丘状凸起或槽型凹陷形态。古河道通常与连续—较连续的水平反射层呈不整合或假整合接触。

3.3浅部断层

我国大部分海域第四纪地层中的断层基本上都是活动断层，与地震活动关系密切，易触古河道古河道发海底滑坡、砂土液化、海底泥石流等灾害[1]。断层引起的海底区域性的错动、沉降及形变，造成海底基底失稳，可能会造成海底构筑物坍塌或海底管线折断。在浅地层剖面图上（图5），断层识别的标志为连续性好的反射波同相轴发生系统的错断、分叉、扭曲、强相位转换等。本次调查发现的浅断层只有三条，且规模不大，但只要发生在第四纪的活动构造，都是潜在的灾害地质因素。

4结论

侧扫声呐和浅地层剖面测量是探测海底地形地貌、海底浅地层结构、海底沉积特征的有效手段。它们的优点是操作方便、成本低，效率高、分辨率高及穿透深度大。随着海洋资源开发的兴起和海洋强国战略的实施，以这两种技术为代表的各种海洋物探手段在海洋工程建设和海洋科学研究中将会得到日益广泛的应用。

参考文献：

[1]王方旗,浅地层剖面仪的应用及资料解译研究[D].青岛：国家海洋局第一海洋研究所，2010.

[2]李西双，刘保华，郑彦鹏，等.黄东海灾害地质类型及声学反射特征[J].青岛海洋大学学报,2002.32(1):107-114.

[3]宋召军，张志珣，刘立.南黄海海底灾害地质因素的识别[J].海洋地质动态,2003.19(4):107-114.

[4]刘锡清.中国海洋环境地质学[M].北京:海洋出版社.2006.

[5]李泽文.南海北部外陆架灾害地质因素及其对海底管道的影响研究[D].青岛：中国科学院海洋研究所.2011.

[6]栾锡武，彭学超，王英民，等.南海北部陆架海底沙波基本特征及属性[J].地质学报,2010.84（2）:233-245.

作者:朱钰 靳程 陈飞 宋家伟 单位:海南省海洋地质调查研究院