渤海灣曹妃甸深槽海區(qū)地形地貌特征及控制因素

褚宏憲，史慧杰，宗　欣，高小惠，方中華，劉曉東

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渤海灣曹妃甸深槽海區(qū)地形地貌特征及控制因素

褚宏憲1，2，史慧杰1，2，宗欣3，高小惠1，2，方中華1，2，劉曉東1，2

（1.國土資源部油氣資源和環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266071； 2.海洋國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評價(jià)與探測技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266061 ； 3.大慶鉆探工程公司鉆井二公司，黑龍江 大慶163413）

摘要：通過研究淺層地震剖面、側(cè)掃聲納和水深地形等數(shù)據(jù)資料，得出，曹妃甸沙島的岬角地貌引起深槽海域局部潮流流速增大，甸頭前沿深槽區(qū)以沖刷為主，最大水深達(dá) 42 m，刷新了渤海灣最大水深記錄，深槽部位的侵蝕量最大，深槽南坡沖刷幅度大于北坡，工程建設(shè)后期深槽區(qū)侵蝕沖刷程度有變小變緩趨勢。早期深槽的形成是由于淺部斷層受深部構(gòu)造影響發(fā)生階梯狀錯斷沉陷，海底地層形成古凹槽，但深槽海底地層沉陷速率略大于沉積速率，使得深槽海域長期保持了渤海灣最大的水深環(huán)境。初步得出在歷史時期曹妃甸深槽經(jīng)過2萬a以上長期存在，深槽的走向經(jīng)歷了南北向-北東向-北西向的轉(zhuǎn)化過程。認(rèn)為地質(zhì)構(gòu)造、古灤河三角洲演變、海洋水動力作用和人類活動等內(nèi)外營力作用共同控制了曹妃甸海區(qū)地貌體系的發(fā)育與演化。達(dá)到了研究渤海灣曹妃甸深槽海區(qū)地形地貌控制因素和深槽的地質(zhì)演化的目的，為曹妃甸港的規(guī)劃、運(yùn)營期維護(hù)和未來發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：曹妃甸； 深槽； 潮流； 沉積； 沖刷

［Foundation： National Natural Science Foundation of China，No.41276060，Special Foundation for Chinese Marine Geology，GZH201200504，121201005000150004］

曹妃甸位于河北唐山市唐?？h南部海域，距海岸線約18 km，地理坐標(biāo)38°55′N，118°30′E。“面向大海有深槽，背靠大陸有淺灘”是曹妃甸典型的地理優(yōu)勢，島前南側(cè)水深較大，甸頭南側(cè)500 m海域即為曹妃甸深槽，近年來，大規(guī)模的吹沙造地、工業(yè)建設(shè)改變了灘海區(qū)原有的海洋動力邊界條件，勢必引起港區(qū)周圍海域潮流、地貌特征、沖淤過程、泥沙運(yùn)動的改變。曹妃甸礦石碼頭位于曹妃甸甸頭深槽邊緣，碼頭前沿水深 25 m，在風(fēng)暴潮或地震等外力觸發(fā)下極易發(fā)生海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，直接威脅礦石碼頭安全，對曹妃甸港造成巨大的安全隱患。

曹妃甸港在規(guī)劃、設(shè)計(jì)階段由南京大學(xué)、河海大學(xué)、南京水利科學(xué)研究院等多家單位采用調(diào)查分析、衛(wèi)星遙感、現(xiàn)場測量、數(shù)學(xué)模型和物理模型等多種手段，歷時 10 a多對曹妃甸地質(zhì)地貌、水文泥沙、波浪潮流等進(jìn)行了大量的研究工作。根據(jù)陸永軍等［1］研究，曹妃甸港主體工程建成后，甸頭前沿深槽以沖刷為主，工程施工結(jié)束2～3 a后海底沖淤將基本達(dá)到平衡，深槽部位最大沖深約2.1 m 。2008年青島海洋地質(zhì)研究所在曹妃甸南部海區(qū)進(jìn)行了1︰5萬淺地層剖面、水深測量和地質(zhì)鉆探等工作，調(diào)查發(fā)現(xiàn)海底斜坡坡度較陡，甸頭南側(cè)存在海底滑塌和泥流現(xiàn)象。趙鑫等［2］開展了圍填海工程對渤海灣風(fēng)浪場影響的研究，得出曹妃甸港口工程對海域波浪場的影響較大，有效波高減少值達(dá)0.19 m。

綜上所述，對于曹妃甸港甸頭南側(cè)海底斜坡及海底深槽的研究程度還不夠，深槽是曹妃甸港存在的先決條件，曹妃甸港建成后深槽的地形地貌演變、邊坡的穩(wěn)定性是關(guān)注的重點(diǎn)。本文基于研究區(qū)最新獲得的實(shí)測水深、全覆蓋側(cè)掃聲納等資料，研究曹妃甸深槽地貌獨(dú)特特征、海底淺部地層結(jié)構(gòu)，分析深槽的成因和演變及其地貌控制因素，以期為曹妃甸港的規(guī)劃、運(yùn)營期維護(hù)和未來發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1　資料及方法

資料主要來源于青島海洋地質(zhì)研究所 1990年、2008年實(shí)測高分辨率淺地層剖面同步水深測量共計(jì)2 050 km（圖1），以及2013年7月在曹妃甸甸頭南側(cè)深槽重點(diǎn)海域進(jìn)行的淺地層剖面、側(cè)掃聲納和水深測量的加密測量共計(jì) 300 km，并收集了2004年曹妃甸水深地形圖。海上導(dǎo)航定位采用美國Trimble公司DSM 132型差分GPS定位儀，定位精度小于 1 m； 水深測量采用走航式連續(xù)測量的方法，測量儀器采用加拿大生產(chǎn)的320M型數(shù)字測深儀，測量精度小于3‰； 為實(shí)現(xiàn)高精度測量，配置了涌浪濾波器用以消除海浪起伏引起的誤差［3］，并采用聲速儀準(zhǔn)確測定海水聲速，利用實(shí)測潮位站數(shù)據(jù)進(jìn)行潮汐改正，從而使最終水深測量的精度達(dá)到10 cm，滿足海底地形變化分析的高精度需要。水深基準(zhǔn)采用曹妃甸當(dāng)?shù)乩碚撋疃然鶞?zhǔn)面。本文利用上述獲得的水深地形和側(cè)掃聲納資料研究曹妃甸深槽區(qū)海底地形地貌特征，對獲得的高分辨率淺層地震剖面進(jìn)行了精細(xì)解釋，取得了一些新的地質(zhì)認(rèn)識。

圖1　研究區(qū)測線平面分布圖Fig.1　Existing data distribution

2　地形地貌特征及控制因素分析

2.1地形地貌特征和地形變化分析

2.1.1海底地形地貌

曹妃甸沙島位于渤海灣北部岸線轉(zhuǎn)折處，呈長條狀沿NE-SW方向延伸，沙島以北現(xiàn)為曹妃甸工業(yè)區(qū)（圖 2）。海底的地形和地貌較復(fù)雜，屬于現(xiàn)代海洋動力地貌，主要劃分為3個地貌體系單元，中間為曹妃甸深槽地貌體系，西側(cè)為南堡海岸地貌體系，東側(cè)為老龍溝瀉湖地貌體系。

曹妃甸深槽地貌由曹妃甸淺灘和甸頭前沿深槽組成，曹妃甸海岸段雙重岸線特征明顯，內(nèi)側(cè)大陸岸線為沿古灤河三角洲前沿發(fā)育的沖積海積平原，地勢低平，外側(cè)是曹妃甸、腰坨、蛤坨和東坑坨等沙島構(gòu)成的沙質(zhì)島嶼岸線，與大陸岸線走向基本一致［4］。曹妃甸工程建設(shè)前，島頂高程2～4 m，沙島長約8 km，寬 400～700 m； 沙島與大陸岸線之間為淺水瀉湖區(qū)，分布有大片淺灘．平均水深約1.5 m； 高潮時大部分灘面被潮水淹沒，僅中央沙堤出露。2003年曹妃甸開始大面積填海造陸，建設(shè)曹妃甸港口工業(yè)區(qū)，徹底改變了灘海地貌，形成前島后陸的格局，障壁島呈三角形突出于海中，對該區(qū)域的水動力、泥沙運(yùn)動及地貌發(fā)育起著重要的控制作用； 甸頭前沿即為渤海灣潮汐深槽水域，甸頭南側(cè)水下岸坡陡峻，30 m等深線距曹妃甸甸頭僅500 m左右。

該深槽是渤海灣最深的水域，深槽走向近東西，底部為侵蝕洼地，與障壁島形狀類似，洼地呈三角形條帶分布； 溝槽北陡南緩，北坡坡度為2°～4°，坡腳有海底滑塌分布，南坡坡度小于0.5°。槽底缺失全新世沉積地層，有侵蝕殘留脊分布；深槽區(qū)的海底沙波走向?yàn)榻媳毕?，與侵蝕洼地的延伸方向近于正交。海底沙波、沙脊在實(shí)測水深剖面、淺地層剖面和側(cè)掃聲吶圖像上均有較清晰的反應(yīng)（圖3）。

圖2　渤海灣曹妃甸海區(qū)水深地形及剖面位置圖Fig.2　Topographic map of Bohai Caofeidian sea area

圖3　深槽海域淺地層剖面顯示的海底沙脊Fig.3　Sand waves on sub-bottom profile

35 m等深線面積約3.8 km2，深槽最大水深2006年測量為41 m，據(jù)2008年調(diào)查發(fā)現(xiàn)，深槽最大水深為 42 m，刷新了渤海灣最大水深記錄，同時驗(yàn)證了曹妃甸深槽目前處于沖刷環(huán)境。深槽向東南方向延伸變淺，直通渤海海峽，其中30 m等深線長達(dá)26 km，寬約3～6 km。

2.1.2海底地形變化

通過對比曹妃甸海區(qū)2004、2008、2013年的實(shí)測水深資料，重點(diǎn)分析曹妃甸填海工程期間（2004年至今）甸頭深槽內(nèi)海底地形的變化情況。通過水深線的對比分析（圖 4），深槽海域等深線總體保持了原有形態(tài)，0～30 m等深線基本無變化，35、40 m等深線面積增加較大。2004～2013年近10 a，35 m等深線面積增加了27%，2013年其面積達(dá)4.15 km2，其中北側(cè)等深線變化不大，向南平均向外擴(kuò)大100 m； 2013年40 m等深線面積達(dá)0.14 km2，增加了1.3倍，表明深槽部位的侵蝕量最大。為了更好地對比海底地形變化，在深槽部位選取橫切甸頭深槽的 N-S向剖面，剖面位置見圖2。

該剖面長6 000 m，代表性點(diǎn)位的水深變化見表1。從表1和圖5可以看出，N-S剖面整體上以侵蝕沖刷為主，個別地方有輕微淤積。沖刷最劇烈的地方在距起點(diǎn)1 600 m處，近10 a沖刷了1.9 m，總體上在水深大于35 m區(qū)域沖刷的更為厲害。對比三期水深數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，水深最大值都在距起點(diǎn)900 m處，說明甸

頭深槽軸線在工程建設(shè)期間較穩(wěn)定，無明顯遷移趨勢，但水深值增大，南坡沖刷幅度大于北坡； 不同年份的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明侵蝕厚度有變化，2004～2008年沖淤速

率變化范圍-4～ -44 cm/a，平均值-14.9 cm/a，2008～2013年沖淤速率變化范圍-4～ -22 cm/a，平均值-7.2 cm/a，2004～2013年沖淤速率變化范圍-6～ -19 cm/a，平均值-11.1 cm/a，可以看出2004～2008年深槽區(qū)海底侵蝕沖刷的程度較大，2008～2013年海底侵蝕沖刷的程度變小變緩。

圖4　深槽侵蝕洼地海域水深等深線對比圖Fig.4　Depth contour comparison in deep-groove sea area

表1　N-S向地形剖面代表性點(diǎn)位水深變化Tab.1　Water depth change in N-S trending section

2.2沉積特征

圖5　N-S向地形剖面2004、2008與2013年的水深變化Fig.5　Water depth change in N-S trending section

通過對地震剖面的頻率、振幅和反射波特征等屬性進(jìn)行解釋，以及側(cè)掃聲納聲圖的判讀，結(jié)合地質(zhì)取樣工作，進(jìn)行海底表層沉積物的實(shí)驗(yàn)測試和沉積物分類，研究沉積物的空間分布特征和變化趨勢。

2.2.1沉積物類型

曹妃甸海域沉積物類型從淺水區(qū)到深水區(qū)，可劃分為潮灘相、淺海相、沙壩相 3個沉積相。潮灘相主要為粉砂和粉砂質(zhì)砂，沉積物粒徑較細(xì)； 淺海相沉積物以粉砂質(zhì)黏土和黏土質(zhì)粉砂為主，沉積物較細(xì)，在深水區(qū)沉積物粒徑最細(xì)； 沙壩相沉積物主要為細(xì)砂和中砂，粒徑較粗； 沙壩向陸側(cè)的瀉湖-潮灘相沉積物又變細(xì)，主要為粉砂和粉砂質(zhì)砂。從平面分布上，沉積物粒徑分布規(guī)律是由海向陸沉積物的變化為細(xì)—粗—細(xì)［5-6］。沉積物另一平面分布特征是東粗西細(xì)，曹妃甸以東沉積物粒徑比西側(cè)粗，反映出曹妃甸海域表層沉積物搬運(yùn)歷史應(yīng)為東側(cè)灤河口入海泥沙，自河口一直搬運(yùn)到南堡灘海附近，隨流速的降低細(xì)粒沉積物搬運(yùn)到曹妃甸西側(cè)。目前隨著灤河流量減少和沿岸水土保持治理，泥沙供給量總體呈減小趨勢。

底質(zhì)沉積物分布與海洋水動力環(huán)境條件具有較好的一致性，粉砂、細(xì)砂、粗粒沉積物分布于海底水動力條件較強(qiáng)的位置，淤泥質(zhì)粉土等細(xì)粒沉積物分布在水動力條件較弱的位置。

2.2.2沉積物運(yùn)移趨勢

2005年曹妃甸進(jìn)海路建成后，甸頭南側(cè)深槽區(qū)域潮流流速有所增大，港池內(nèi)潮流流速降低，甸頭前沿深槽內(nèi)以沖刷為主，港區(qū)和潮溝內(nèi)以淤積為主［7］。曹妃甸東北側(cè)老龍溝水道的潮流流速有所降低，老龍溝深槽寬度有減小趨勢，深槽有向西擺動趨勢［8］。進(jìn)海路的建成將曹妃甸以北淺灘的北部淤積區(qū)分成東、西兩部分，淤積強(qiáng)度也較進(jìn)海路建成前有所增加，部分淤積厚度達(dá)6 cm以上。曹妃甸東南側(cè)向東北綿延的淤積區(qū)以及蛤坨東側(cè)的海溝淤積量較建成前有所減少。南堡南側(cè)的沖刷區(qū)面積較進(jìn)海路建成前略有減小，沖刷區(qū)以南淤積區(qū)面積略有增加，南堡西側(cè)的順岸淤積帶略有加強(qiáng)，但變化量均較小。其他地區(qū)的沖淤趨勢及強(qiáng)度與進(jìn)海路建成前基本一致。

2.3地形地貌的控制因素

海底地貌的發(fā)育和演化受到了地球內(nèi)外營力的綜合作用，曹妃甸海岸地貌類型復(fù)雜多樣，地質(zhì)構(gòu)造形成的古地貌是控制區(qū)域海底地貌的基礎(chǔ)，曹妃甸海區(qū)經(jīng)歷了古灤河三角洲的演變，波浪和潮流等現(xiàn)代海洋水動力對海底的侵蝕和堆積作用是塑造曹妃甸海底地貌的重要因素。

2.3.1地質(zhì)構(gòu)造基礎(chǔ)

2.3.1.1區(qū)域構(gòu)造特征

渤海灣盆地為新生代裂陷盆地，其構(gòu)造演化經(jīng)歷了古近紀(jì)斷陷（裂陷）和新近紀(jì)以來拗陷（后裂陷）兩個階段，經(jīng)過古近紀(jì)斷陷階段后，新近紀(jì)以來整體沉降［9］。曹妃甸海區(qū)的構(gòu)造位置屬黃驊拗陷北部的南堡拗陷腹地，基底構(gòu)造活動強(qiáng)烈，燕山活動奠定了本區(qū)的主要構(gòu)造格局［10］。控制渤海灣盆地古近紀(jì)拗陷發(fā)育的斷陷主斷裂均屬盆地基底斷裂，渤海灣盆地總體伸展方向?yàn)镹W-SE向，其中北側(cè)黃驊拗陷總體呈NE向撒開而向SW向收斂，呈左階斜列分布，組成黃驊帚狀分布斷裂系［11］。

研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，位于 NW 向張家口—蓬萊地質(zhì)構(gòu)造帶和 NE向華北平原地質(zhì)構(gòu)造帶交匯區(qū)，周邊存在多條活動斷裂，歷史上發(fā)生多次強(qiáng)震，主要有1976年唐山7.8級地震，1969年渤海7.4級地震，1976年寧河6.9級地震等。研究區(qū)南即為渤中活動斷裂，地震烈度區(qū)劃為Ⅶ度，本區(qū)潛在震源區(qū)上限劃為6.5級，屬地殼不穩(wěn)定區(qū)。

2.3.1.2深槽地質(zhì)構(gòu)造成因解釋

渤海地區(qū)所處的北華北盆地是中國東部一個規(guī)模較大的新生代裂陷盆地，其構(gòu)造演化經(jīng)歷了古近紀(jì)斷陷和新近紀(jì)以來拗陷兩個階段［12］，新近紀(jì)以來渤海灣盆地處于整體沉降階段，強(qiáng)烈的隆起和斷陷的構(gòu)造格局對渤海海底地貌發(fā)育的控制作用明顯。NE和 NNE為主的走滑斷裂構(gòu)造控制了海底地貌的基本格局［13］，堆積作用為主的渤海灣與新生代的拗陷相吻合，曹妃甸位于南堡拗陷的曹妃甸次拗，南堡拗陷是渤海灣盆地的一個中、新生代發(fā)育起來的小型拗陷，曹妃甸深槽也是沿?cái)嗔寻l(fā)育的，研究區(qū)內(nèi)斷裂十分發(fā)育，斷層走向以北東和北東東向?yàn)橹?，其次為北西向，研究區(qū)內(nèi)規(guī)模最大的北東向斷裂系為沙北斷裂帶，由一系列平行的北東向斷裂組成，該斷裂系發(fā)育于古近紀(jì)，新構(gòu)造期斷裂，是影響本區(qū)的主控?cái)嗔?。繼續(xù)活動斷裂構(gòu)造控制了海底地貌的基本格局和晚第四紀(jì)以來的沉積。通過淺地層剖面解釋成果，發(fā)現(xiàn)深槽海域斷層較發(fā)育，為階梯狀地塹斷層組合，且為高角度正斷層，上盤下降，下盤上升，下降盤沉積厚度大于上升盤。前文已提及曹妃甸深槽的總體走向?yàn)楸蔽?東南向，靠近曹妃甸沙島南側(cè)深槽走向?yàn)榻鼥|西向，向北東方向有一定延伸，因此淺部海底斷層走向與曹妃甸深槽走向具有較好的相關(guān)性。海底80 m深度以內(nèi)地層劃分了T0～T6共7個反射界面，深槽處的各層地層均未缺失。但因海底淺部斷層的存在，海底地層發(fā)生了明顯的錯斷現(xiàn)象，深槽部位T1～T4地層界面均發(fā)生明顯錯斷，且T4界面以上的地層在深槽部位均有地層厚度增厚的趨勢（圖6）。

圖6　曹妃甸深槽淺地層剖面及斷裂Fig.6　Sub-bottom profile of Caofeidian Channel

由此可見，曹妃甸深槽早期的形成是由于深部構(gòu)造作用，深部構(gòu)造處于緩慢沉陷過程中，淺部斷層受深部構(gòu)造影響發(fā)生階梯狀錯斷沉陷，海底地層形成古凹槽，上部地層逐漸沉積與沉陷具有較好的一致性，雖然深槽部位的地層沉積厚度大于其他部位，但地層沉陷速率略大于沉積速率，使得深槽海域長期保持了渤海灣最大的水深環(huán)境。

2.3.2古灤河三角洲演變

曹妃甸海區(qū)位于渤海灣北部，為古灤河三角洲發(fā)育區(qū)，各時期的三角洲發(fā)育厚度和軸線位置不同，渤海灣構(gòu)造格局對海底地貌的發(fā)育起著控制作用，不同時期三角洲厚度變化與各時期氣候變化和海平面變化、古河流、海洋浪潮流環(huán)境等有關(guān)，曹妃甸地區(qū)的古灤河三角洲發(fā)育于全新世中期。晚更新世早期，渤海開始海侵，海平面上升為穩(wěn)定的高海面時期。晚更新世晚期為晚大理盛冰期，氣候寒冷干燥，海平面下降劇烈，約為150～160 m，大規(guī)模的海退造成陸地的強(qiáng)烈侵蝕，渤海地區(qū)長時間出露成為陸地沉積環(huán)境，華北平原河流縱橫，發(fā)育了以河流相沉積為主的陸相層。當(dāng)時的曹妃甸深槽位置為古河谷或古河道。早全新世時期，氣候普遍轉(zhuǎn)暖，海平面回升，曹妃甸地區(qū)變?yōu)闉I岸淺海區(qū)，發(fā)育了濱海相沉積地層。全新世中期，出現(xiàn)了冰后期最高海平面，古灤河三角洲開始發(fā)育，灤河三角洲是多期三角洲的復(fù)合體，它的發(fā)育模式是三角洲扇形體從西向東遷移，遷移到復(fù)合體東端之后再回到西端，并向前加積，再重復(fù)從西向東的遷移過程。全新世晚期約800 aBP左右，海平面下降，海水退到現(xiàn)代海岸線位置［14-15］，灤河改道北遷，缺少泥沙供應(yīng)的三角洲停止發(fā)育，風(fēng)浪、潮流開始對三角洲起蝕退改造作用。由此可見，曹妃甸地區(qū)在全新世晚期以來處于廢棄的三角洲沉積環(huán)境，逐漸形成了現(xiàn)今的海岸地貌和深槽地貌［16］。

通過對T0～T6反射界面解釋成果分析，深槽位置T0～T5反射界面形態(tài)與海底深槽地形均具有較好的一致性，各反射界面最深點(diǎn)位置與現(xiàn)在海底地形基本一致。T0反射界面為目前的海底，T1、T2反射界面顯示，西側(cè)深槽走向?yàn)楸蔽飨?，東側(cè)深槽走向?yàn)楸睎|向。T1、T2反射界面之間為三角洲相沉積，沉積厚度5～30 m，中部與西部分別有兩個南北方向厚度最大的區(qū)域（圖 7a），與三角洲扇狀體的軸線大體一致。該層有發(fā)育于古灤河三角洲之上的古河谷，為河流相沉積亞層，切割三角洲形成古河道，這是埋藏于海底的第一個古河道帶［17］，具有交叉網(wǎng)狀特點(diǎn)，其中河流沉積物最大厚度達(dá)15 m（圖7b）； 古河道在全新世海侵海平面上升的過程中，被泥沙沉積逐漸掩埋稱為埋藏河谷，在現(xiàn)代海水潮流的侵蝕作用下逐漸形成侵蝕洼地地貌。T3反射界面顯示，曹妃甸深槽走向?yàn)楸北睎|向。T14反射界面顯示，曹妃甸深槽走向?yàn)槟媳毕?，同時在調(diào)查區(qū)的西南角發(fā)育一個近南北向的深槽。T4、T5反射界面顯示，曹妃甸深槽開始發(fā)育時期，深槽的范圍較大，其最深點(diǎn)位置與現(xiàn)在地形一致，走向近南北向。T5反射界面在海底下60 m左右，而據(jù)曹妃甸深槽區(qū)96-24孔地質(zhì)資料，孔深42 m地層對應(yīng)地質(zhì)年代為18 595 aBP±680 aBP與21 663 aBP± 750 aBP之間［14］，因此T4、T5反射界面為早、中更新世陸相沉積層侵蝕界面，年代更為久遠(yuǎn)。由此可以保守得出在歷史時期，曹妃甸深槽是經(jīng)過2萬a以上長期存在，深槽區(qū)為多期古河道發(fā)育區(qū)，深槽的走向經(jīng)歷了南北向—北東向—北西向的轉(zhuǎn)化過程，在曹妃甸港口的百年設(shè)計(jì)使用期內(nèi)是有利的。

圖7　T1～T2三角洲厚度及古河道沉積厚度圖Fig.7　Map of delta thickness T1～T2and ancient river distribution

a.三角洲； b.古河道

a.delta； b.ancient river

2.3.3海洋水動力作用

曹妃甸近岸海區(qū)無大河注入，流入本海區(qū)的主要有大清河、小清河、青龍河等小型河流，上游來水來沙量極小，徑流影響基本可以忽略。因此，現(xiàn)代海洋水動力條件是塑造曹妃甸海岸地形地貌的主導(dǎo)因素，現(xiàn)代水動力條件主要包括波浪和潮流。

2.3.3.1波浪作用

波浪作用對曹妃甸沙島及岸灘影響較為明顯，特別是大風(fēng)天氣造成的大浪、中浪對含沙量和岸灘形態(tài)塑造有重要作用。在小浪或無浪氣象條件下曹妃甸海域含沙量不大，隨著風(fēng)浪增大，海域含沙量劇增，五級風(fēng)浪海域含沙量是二級風(fēng)浪的40倍以上；當(dāng)發(fā)生風(fēng)暴潮時，海底沖刷變化較大，使人工島等設(shè)施周圍沖刷侵蝕加大［18］。

2.3.3.2潮流作用

曹妃甸海域位于渤海灣口北側(cè)，主要受渤海潮波系統(tǒng)控制，潮汐性質(zhì)屬于不規(guī)則半日潮。潮流基本呈往復(fù)流形式，漲潮流向西，落潮流向東； 漲、落潮水流受地形控制作用明顯，近岸淺灘海區(qū)潮流主流流向有順岸或沿等深線方向運(yùn)動的特點(diǎn)。曹妃甸深槽海區(qū)潮流動力為渤海灣最強(qiáng)，存在潮流流速局部增大區(qū)，且分布形態(tài)與海底地形分布相似，潮流流速自甸頭向外海隨著岬角效應(yīng)的減弱而逐漸減?。?1-22］。古灤河入海泥沙經(jīng)動力較強(qiáng)的波浪與潮流共同搬運(yùn)作用，經(jīng)橫向堆積形成了曹妃甸離岸沙壩，沙壩形成的岬角地貌構(gòu)成了深槽的邊界條件，也是深槽形成與維持的重要海洋動力條件。獨(dú)特地形條件引起局部潮流增大，海底沖刷能力強(qiáng)，使深槽呈輕微沖刷態(tài)勢。

2.3.4人類活動作用

自2003年建設(shè)連接曹妃甸沙島與大陸的長18 km通道公路以來，曹妃甸港區(qū)開發(fā)強(qiáng)度日益增大，25萬t礦石碼頭等工程相繼建成，日益增強(qiáng)的人類活動在很大程度上改變了曹妃甸海區(qū)的水動力條件和地貌演變趨勢，在局部岸段人類活動已經(jīng)成為影響灘槽沖淤演變趨勢的主導(dǎo)因素。

曹妃甸進(jìn)海路的建設(shè)將南堡海域劃分為東部和西部兩個海域，東、西部海域漲落潮流不能進(jìn)行交換，各自形成了獨(dú)立的封閉體系，因此在泥沙運(yùn)移時形成了各自的淤積區(qū)。在青林路大堤兩側(cè)的淤積區(qū)，從衛(wèi)星遙感圖片上也可以清晰的看出，水深逐漸變淺，泥沙沉積逐漸形成。

另外，根據(jù)陸永軍等對曹妃甸港工程效應(yīng)的研究，由于曹妃甸港區(qū)大面積回填施工改變了海洋動力邊界條件，深槽區(qū)域潮流流速增大，港區(qū)以北潮流速降低，使得近工程區(qū)海域含沙量減小。工程建設(shè)初期，曹妃甸深槽區(qū)以沖刷為主，曹妃甸港北側(cè)港池和淺灘以淤積為主，施工后3 a內(nèi)曹妃甸深槽海域海底沖淤基本達(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài)［23］。根據(jù)水深監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，2004～2008年深槽區(qū)海底侵蝕沖刷的程度較大，2008～2013年海底侵蝕沖刷的程度變小變緩，海底侵蝕程度的變化與2003年開工建設(shè)的曹妃甸工程有較大的關(guān)系，工程建設(shè)初期，深槽區(qū)域潮流流速變化大，海底侵蝕沖刷加劇，2008年以后為工程建設(shè)后期，大面積的回填改造早已完成，地面工程的建設(shè)對海洋環(huán)境動力邊界條件基本沒有影響，曹妃甸深槽海域海底沖淤逐漸達(dá)到動態(tài)平衡，以輕微沖刷為主。

3　結(jié)論

1）曹妃甸海岸地貌具有雙重岸線特征，以曹妃甸沙島呈岬角為界，內(nèi)側(cè)大陸岸線原為沿古灤河三角洲前沿發(fā)育的沖積海積平原，現(xiàn)吹填造陸為曹妃甸工業(yè)區(qū)，形成前島后陸的格局。曹妃甸甸頭前沿500 m即為潮汐通道深槽，為渤海灣最深處，最大水深達(dá) 42 m，形成沙島與深槽相伴的獨(dú)特曹妃甸深槽地貌。曹妃甸深槽的總體走向?yàn)楸蔽鳌獤|南向，靠近曹妃甸沙島南側(cè)深槽走向?yàn)榻鼥|西向，向北東方向有一定延伸。

2）通過2004、2008和2013年的水深資料對比分析，深槽海域等深線總體保持了原有形態(tài)，深槽軸線位置沒有明顯移動，深槽洼地區(qū)處于輕微沖刷，近10 a，35 m等深線向南移動約100 m，40 m等深線面積增加1.3倍，深槽最大沖淤速率-19 cm/a。表明深槽海區(qū)為沖刷環(huán)境，深槽部位的侵蝕量最大，深槽南坡沖刷幅度大于北坡，2008年以后深槽區(qū)侵蝕沖刷程度有變小變緩趨勢。

3）曹妃甸深槽區(qū)斷層較發(fā)育，為階梯狀地塹斷層組合，有多期古河道發(fā)育，古河道具有交叉網(wǎng)狀特點(diǎn)，初步得出在歷史時期曹妃甸深槽是經(jīng)過2萬a以上長期存在，深槽的走向經(jīng)歷了由南北—北東—北西向的轉(zhuǎn)化過程。

4）沉積物從沿岸到深水區(qū)粒徑由粗到細(xì)變化，曹妃甸沙島近岸淺灘主要為細(xì)砂，深水區(qū)底質(zhì)主要為粉砂質(zhì)粘土。總體上呈近岸淺灘區(qū)沉積物粒徑粗，深水區(qū)沉積物粒徑細(xì)的分布規(guī)律。

5）曹妃甸深槽海區(qū)地形地貌的發(fā)育受到了地質(zhì)構(gòu)造、古灤河三角洲演變、海洋水動力和人類活動等內(nèi)外營力的共同控制作用。海底深部構(gòu)造的沉陷是形成曹妃甸深槽海區(qū)地形地貌的基礎(chǔ)，深槽海底地層因淺部斷層沉陷作用形成海底凹槽； 在海洋水動力作用下古灤河廢棄三角洲演變形成了曹妃甸岬角地貌和深槽地貌，曹妃甸工程建設(shè)對潮灘的淤積作用明顯增強(qiáng)，并使深槽區(qū)處于沖刷環(huán)境。

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Studies on the controlling factors of the sea topography and the geological evolution of the deep grooves of the Bohai Bay and Caofeidian deep trench are significant to establish a scientific basis for the planning，operation，port maintenance，and future development of Caofeidian.

（本文編輯： 劉珊珊）

Characteristic geomorphology and controlling factors of Caofeidian Channel in the Bohai Bay

CHU Hong-xian1，2，SHI Hui-jie1，2，ZONG Xin1，2，GAO Xiao-hui1，2，
Fang Zhong-hua1，2，LIU Xiao-dong1，2
（1.Key Laboratory of Marine Hydrocarbon Resources and Environmental Geology，Ministry of Land Resources，Qingdao Institute of Marine Geology，Qingdao 266071，China，2.Laboratory for Marine Mineral Resources，Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology，Qingdao 266061，China，3.Daqing Drilling & Exploration Engineering Corporation No.2 Drilling Company，Daqing 163413，China）

Received: May 15，2014

Key words:Caofeidian； channel； tide； deposit； wash Abstract: In this study，using the shallow seismic detection，side-scan sonar，and bathymetric survey data of multiple historical periods，we outline geomorphic features and characteristics of the bottom sediments of the Caofeidian Channel.Results indicate that unique terrain conditions cause the local enhancement of the tidal current.The channel at the front end is dominated by erosion，and the maximum water depth reaches 42 m，which sets the highest record for water depth in the Bohai Bay.The greatest amount of erosion is at the channel，and the scouring magnitude on the south slope is greater than that on the north slope.The scouring degree of seabed erosion was smaller in the project construction period.We can preliminarily conclude that the formation of the early channel occurred because of shallow step-fault subsidence due to the influence of the deep structure.However，the subsidence rate of the deep structure is slightly less than the deposition rate of the upper strata，and thus，the channel sea area maintains the maximum depth of the Bohai Bay.The Caofeidian Channel has existed for more than 20 000 years.The directional trending of the channel has experienced a transition from NS to NE and then to NW.We conclude that endogenic and exogenic processes，such as those of the geological structure，the evolution of the ancient Luanhe River Delta，marine hydrodynamics，and human activity have jointly controlled the development and evolution of the geographic system in the Caofeidian sea area.

中圖分類號：P737.23

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-3096（2016）03-0128-10

doi：10.11759/hykx20140515002

收稿日期：2014-05-15； 修回日期： 2014-12-03

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41276060）； 國家海洋地質(zhì)專項(xiàng)（GZH201200504，121201005000150004）

作者簡介：褚宏憲（1973-），男，山東棗莊人，教授級高級工程師，碩士，主要從事地球物理調(diào)查研究，電話： 13583252258 ，E-mail：chx-8@163.com