大型河口三角洲地面沉降機(jī)制研究
——以黃河三角洲為例

付云霞,管 勇,王曉丹,王建收,尹 政,周曉雪,王 青,徐美君

(1.山東省地礦局 城市地質(zhì)與地下空間資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266100;2.青島地質(zhì)工程勘察院(青島地質(zhì)勘查開發(fā)局),山東 青島266100)

全球有約5億人口居住的河口三角洲區(qū)域是重要的糧食生產(chǎn)基地和工業(yè)發(fā)展中心[1],作為陸海相互強(qiáng)烈作用的地帶,三角洲對(duì)海平面變化響應(yīng)敏感[2-3]。研究表明,世界上大型河口三角洲(以下簡(jiǎn)稱大河三角洲)大都在發(fā)生不同程度的地面沉降,沉降速率甚至超過(guò)20世紀(jì)以來(lái)的平均海平面上升速率[4-14]。中國(guó)沿海地區(qū)發(fā)生地面沉降的城市多達(dá)32個(gè),京津冀和長(zhǎng)三角海岸帶地區(qū)累計(jì)地面沉降量大于2 000 mm的地區(qū)主要有天津、盤錦和上海等[15-16]。地面沉降和全球海平面上升疊加作用加劇了三角洲地區(qū)的海岸侵蝕、海水入侵、濕地退化以及洪澇災(zāi)害[17-18]。1998—2008年世界上主要大河三角洲被淹沒面積達(dá)26×104km2,21世紀(jì)易受洪水淹沒的面積將會(huì)增加約50%[14]。

關(guān)于三角洲地面沉降的研究文獻(xiàn)很多,但由于沉降原因復(fù)雜,對(duì)其成因的定量分析及不同成因貢獻(xiàn)比尚不甚清楚[19-20]。如美國(guó)密西西比河三角洲的沉降已有較多研究[10,21-25],但由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的不足以及監(jiān)測(cè)方法的不確定性,很難對(duì)每個(gè)沉降因素進(jìn)行定量評(píng)估,而且目前對(duì)地面沉降的評(píng)估仍然受限于監(jiān)測(cè)和計(jì)算方法,導(dǎo)致對(duì)地面沉降幅度的估計(jì)甚至相差多個(gè)數(shù)量級(jí)。

目前,地面沉降的監(jiān)測(cè)方法主要包括驗(yàn)潮站、GPS監(jiān)測(cè)站、水準(zhǔn)儀、合成孔徑干涉雷達(dá)等,這些監(jiān)測(cè)方法具有一定程度的局限性和誤差,導(dǎo)致對(duì)沉降速率的分析在偏差。此外,用潮位計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)反推構(gòu)造抬升或者沉降速率,但是構(gòu)造活動(dòng)往往是千年甚至更長(zhǎng)時(shí)間尺度的地質(zhì)過(guò)程,因此有限時(shí)間的潮位計(jì)記錄數(shù)據(jù)有可能是噪音,而并非是穩(wěn)定的地質(zhì)過(guò)程信號(hào)[26-27]。21世紀(jì)以來(lái),衛(wèi)星遙感方法——合成孔徑雷達(dá)(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)技術(shù)逐漸被廣泛應(yīng)用于大面積地表變形的監(jiān)測(cè)[28],傳統(tǒng)的合成孔徑干涉雷達(dá)(D-InSAR)技術(shù)受到植被覆蓋以及大氣延遲作用的干擾,很難達(dá)到毫米級(jí)的精度。為了解決傳統(tǒng)InSAR技術(shù)自身存在的缺陷,時(shí)序InSAR技術(shù)誕生并逐步取代了傳統(tǒng)的D-InSAR技術(shù),成為了目前可靠的地表形變反演方法。其中,較為常用的時(shí)序InSAR方法有永久散射體合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(PS-In-SAR)[29-30]和短基線子集干涉測(cè)量(Small Baseline Subset,SBAS)等技術(shù)方法[31-32]。但由于技術(shù)方面的簡(jiǎn)便和優(yōu)越性,雖然D-InSAR技術(shù)在毫米級(jí)地表變形測(cè)量上存在缺陷,但其目前的應(yīng)用范圍仍較廣[33-34]。

巖心沉積物放射性14C測(cè)年方法經(jīng)常被用來(lái)計(jì)算三角洲的地面沉降速率,如密西西比河三角洲、尼羅河三角洲以及長(zhǎng)江三角洲[35-37],但是這些沉積物可能并不是原位的,導(dǎo)致對(duì)沉積速率的估計(jì)偏低[37]。這種現(xiàn)象已經(jīng)在路易斯安那州南部的地面沉降研究中普遍存在,基于水準(zhǔn)測(cè)量觀測(cè)到的沉降速率比數(shù)值模擬和14C測(cè)年估算的沉降速率高出一個(gè)數(shù)量級(jí)[24]。同時(shí),數(shù)值模擬方法被廣泛應(yīng)用于評(píng)估均衡作用和熱地幔對(duì)流對(duì)沉積沉降的貢獻(xiàn),但是數(shù)值模擬方法嚴(yán)重依賴于模型的假設(shè)[38]。因此,在三角洲地區(qū)重建冰期/間冰期的演化歷史具有相當(dāng)大的難度,而且地幔對(duì)冰蓋、水和沉積物的加載和卸載的響應(yīng)過(guò)程尚不清楚。此外,盡管固結(jié)壓實(shí)理論被用來(lái)預(yù)測(cè)沉積物的壓實(shí)趨勢(shì),然而在取樣過(guò)程中沉積物基本都受到不同程度的擾動(dòng),造成沉積物特性測(cè)量精度不高[39-40],給沉積物固結(jié)壓實(shí)的預(yù)測(cè)帶來(lái)了一定的難度。

前人研究認(rèn)為,大河三角洲的地面沉降不應(yīng)被簡(jiǎn)單視為淺層的全新世沉積物固結(jié)壓實(shí)。相反,深部的構(gòu)造活動(dòng)、均衡作用、板塊俯沖、熱地幔對(duì)流等均可以引起地面沉降。由于這些過(guò)程往往是緩慢的、長(zhǎng)時(shí)間尺度的地質(zhì)過(guò)程,因此很少被視為地面沉降的因素。本文基于前人研究結(jié)果,評(píng)估了誘發(fā)三角洲地面沉降的自然因素和人為因素,提出了地面沉降的概念模型。并以黃河三角洲為例,采用衛(wèi)星遙感技術(shù),快速獲取了大面積地面沉降信息,全面分析了可能的沉降因素,這些結(jié)果有助于三角洲地區(qū)制定應(yīng)對(duì)海平面上升和防災(zāi)減災(zāi)對(duì)策。

1 地面沉降自然因素

三角洲地面沉降自然因素包括淺層的沉積物固結(jié)壓實(shí)、深部的構(gòu)造活動(dòng)以及均衡調(diào)整等地質(zhì)過(guò)程。相對(duì)穩(wěn)定的海平面、低緩的受水盆地、大量的泥沙供應(yīng)是建造三角洲的三大有利條件。三角洲的形成是一個(gè)緩慢、復(fù)雜的過(guò)程,伴隨著沉積物的堆積、壓實(shí)、固結(jié)等過(guò)程。其中,沉積物壓實(shí)沉降伴隨著整個(gè)三角洲的發(fā)育演變過(guò)程,是三角洲的固有屬性之一?，F(xiàn)代河口三角洲多自中全新世(距今8 500～6 500 a)高海平面時(shí)開始發(fā)育,那時(shí)人類尚未規(guī)模化居住在三角洲區(qū)域,自然因素控制了三角洲的發(fā)育演化和地面沉降過(guò)程。例如,基于沉積物放射性14C定年計(jì)算的7 500 a以來(lái)尼羅河三角洲的沉降速率約為5 mm/a,沉降主要因?yàn)槌练e物荷載造成的均衡作用以及構(gòu)造活動(dòng)等自然因素[4,17]。

1.1 沉積物固結(jié)壓實(shí)

很多三角洲地區(qū)新近沉積的沉積物的固結(jié)壓實(shí)被認(rèn)為是發(fā)生地面沉降的主因[9-10,24,40-41]。這是因?yàn)楫?dāng)新的沉積物覆蓋在老沉積物之上,下伏的沉積物由于顆粒間的空隙被壓縮導(dǎo)致含水率降低并進(jìn)而引起地面沉降[20]?；?968—1977年基準(zhǔn)測(cè)量資料計(jì)算的美國(guó)新奧爾良地區(qū)中新世(距今2 300萬(wàn)年)至更新世(距今160萬(wàn)年)地層沉積物固結(jié)壓實(shí)造成的沉降速率達(dá)4.6 mm/a[42]。

確定沉積物的固結(jié)壓實(shí)速率需要知道詳盡的沉積物特性和沉積時(shí)間,而這2個(gè)參數(shù)卻難以精確獲取。紀(jì)洪磊等發(fā)現(xiàn)處于黃河泛濫沖積平原區(qū)的魯北平原地面沉降的主要貢獻(xiàn)層為中更新統(tǒng)多層承壓含水層和中高壓縮性的黏性土層,其中濱州地區(qū)140～320 m地層沉降量約占總沉降量的62%,沉降速率為20～27 mm/a,而140 m以上地層的沉降速率基本一致,約為58 mm/a,被視為整體下沉[43]。利用蒙特卡洛(Monte Carlo)方法模擬的密西西比河三角洲沉積物固結(jié)壓實(shí)作用結(jié)果顯示,壓實(shí)速率的變化差別達(dá)3個(gè)數(shù)量級(jí),壓實(shí)速率最高的沉積物主要是泥炭和沙壩的沙,而前三角洲相的泥壓實(shí)速率最低[40,42]。

沉積物的固結(jié)壓實(shí)速率應(yīng)該與沉積物的厚度和年齡相關(guān),有隨時(shí)間呈非線性衰減趨勢(shì)。Shi等研究發(fā)現(xiàn)黏土層的固結(jié)壓實(shí)是廢棄的黃河三角洲葉瓣地面沉降主要原因,其14和20 m厚的黏土層的總固結(jié)壓實(shí)幅度分別為1.44和1.52 m,沉降速率分別需要40和57 a的時(shí)間下降到5 mm/a[7]。同樣,密西西比河三角洲全新世沉積物的固結(jié)壓實(shí)速率從過(guò)去1 500 a的約5 mm/a下降到目前1.5～2.5 mm/a[10,22]。

1.2 構(gòu)造活動(dòng)

構(gòu)造活動(dòng)是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間尺度的地質(zhì)過(guò)程,其控制了沉積盆地的演化[44-48]。由于地質(zhì)構(gòu)造差異,構(gòu)造活動(dòng)對(duì)三角洲地層垂向運(yùn)動(dòng)的影響亦不相同。通常構(gòu)造活動(dòng)導(dǎo)致的沉降較小,但長(zhǎng)期的累計(jì)沉降量仍不容忽視。

長(zhǎng)江三角洲平原和孟加拉盆地第三紀(jì)沉積物的厚度表現(xiàn)出顯著的空間差異性,反映了復(fù)雜的沉積和構(gòu)造沉降過(guò)程。中新世以來(lái),長(zhǎng)江三角洲和孟加拉三角洲的沉積中心均持續(xù)向南移動(dòng),沉積物厚度向南逐漸增大[49-50]。與此相反,歐洲的多瑙河三角洲正在經(jīng)歷構(gòu)造抬升作用,因此海平面上升對(duì)該區(qū)域影響不大[51]。而亞得里亞板塊向亞平寧板塊俯沖造成意大利波河三角洲發(fā)生0.7～1.0 mm/a的沉降[52]。密西西比河三角洲地面沉降原因復(fù)雜,其中構(gòu)造活動(dòng)影響較大,特別是局部的斷層活動(dòng)對(duì)沉降影響更顯著[22]。

1.3 均衡作用

均衡作用是指地球的地殼荷載變化而發(fā)生垂直方向的緩慢形變[53]。密西西比河三角洲地區(qū)冰后期沉積物荷載變化造成巖石圈變形,結(jié)合實(shí)測(cè)資料對(duì)比,認(rèn)為該均衡作用是重要沉降因素[54]。地質(zhì)時(shí)期密西西比河河谷下段的下切以及沉積物填充帶來(lái)的加載和卸載效應(yīng),產(chǎn)生了均衡抬升和沉降[23,55]。尼羅河三角洲北部斷層活動(dòng)和沉積物加載導(dǎo)致的均衡凹陷造成顯著的差異沉降,可能是其東部地區(qū)全新世沉積物的厚度為西部厚度5倍之多的原因[5]。

1.4 地震誘發(fā)的地面沉降

地震是事件性、低頻率的地質(zhì)事件,可造成厘米級(jí)甚至是數(shù)米的斷層位移,如2011-03-11發(fā)生的東日本里氏9級(jí)強(qiáng)烈地震,位于震中西北部的宮城縣牡鹿半島向震中所在的東南方向移動(dòng)了約5.3 m,同時(shí)下沉了約1.2 m,這是日本有觀測(cè)史以來(lái)最大的地殼變動(dòng)記錄[56]。因此,對(duì)于位于地震活躍區(qū)的大河三角洲而言,地震引發(fā)的地面沉降是完全有可能的,如黃河三角洲、尼羅河三角洲以及弗雷爾三角洲等。2010-01-12海地7.0級(jí)大地震造成斷層沿線劇烈的地表變形,包括北部扇形三角洲60 cm的抬升以及南部山脈40 cm的沉降[57]。地震導(dǎo)致砂土液化從而造成沉降,這種沉降是不可逆的,對(duì)建筑物和其他基礎(chǔ)設(shè)施有很大的危害。對(duì)于三角洲沉積物來(lái)說(shuō),特別是最新沉積的砂質(zhì)或者粉砂質(zhì)沉積物很容易在地震和波浪等荷載的作用下發(fā)生液化,從而產(chǎn)生沉降。

2 人為誘發(fā)型地面沉降

地下資源開采、建筑荷載以及砂土液化均可引發(fā)三角洲的地面沉降,也稱之為誘發(fā)型地面沉降。這種沉降不規(guī)律、不規(guī)則,但其速率遠(yuǎn)大于自然因素造成的沉降。

2.1 地下流體資源開采

世界諸多大型河口三角洲越來(lái)越多地受到人類活動(dòng)的影響,特別是居住人口數(shù)量較大的幾個(gè)三角洲。地下水、石油、天然氣等資源的開采導(dǎo)致沉積物孔隙壓力的減小從而發(fā)生壓實(shí),形成了漏斗狀的地面沉降[58]。位于長(zhǎng)江三角洲的上海以及位于泰國(guó)湄南河三角洲的曼谷均因?yàn)榈叵滤稍斐擅黠@的地面沉降(圖1)[59-61]。20世紀(jì)中期至2002年,上海地區(qū)地面沉降累積達(dá)到2.63 m[11];1978年以來(lái),曼谷累積地面沉降量已高達(dá)數(shù)米(圖1b)。

圖1 地下水開采與地面沉降的關(guān)系Fig.1 Relationship between the land subsidence and the underground water mining

地下水開采引起的沉降可以發(fā)生在砂質(zhì)(或粉砂質(zhì))含水層以及黏土質(zhì)的弱含水層,往往形成錐狀沉降等值線。其中,含水層變形引起的沉降是彈性的,當(dāng)水位恢復(fù)的時(shí)候地面沉降亦得以部分恢復(fù)[62],但弱含水層的變形是不可逆的。因此,地下水開采導(dǎo)致的地面沉降可以通過(guò)地下水回灌來(lái)控制,當(dāng)?shù)叵滤换謴?fù)到最初狀態(tài)的時(shí)候,彈性變形的絕大部分可以被恢復(fù)。例如,長(zhǎng)江三角洲、意大利波河三角洲、泰國(guó)湄南河三角洲由地下水開采引起的地面沉降均通過(guò)控制地下水開采量、改變開采的含水層以及人工回灌等措施得以控制[11,59,63]。

地下油氣資源開采造成的地面沉降是由于巖石儲(chǔ)層內(nèi)的應(yīng)力消耗,這種沉降的時(shí)空分布與開采深度和巖石儲(chǔ)層的性質(zhì)關(guān)系很大[64]。通常,砂巖儲(chǔ)層比泥巖儲(chǔ)層壓縮性更高。油氣開采能夠引起每年數(shù)厘米的地面沉降,其累積沉降可達(dá)數(shù)米[65]。意大利的波河三角洲在20世紀(jì)已經(jīng)累積沉降了3.7 m,其中80%的沉降是由于20世紀(jì)六七十年代甲烷氣的開采造成。尼羅河三角洲由于地下碳?xì)浠衔镩_采造成的沉降速率高達(dá)25～123 mm/a[66]。

地下流體資源開采造成的地面沉降與開采深度、流體儲(chǔ)層的性質(zhì)、開采量等多個(gè)地質(zhì)因素有關(guān)。因難以測(cè)量位于地下深部沉積物或者巖石的相關(guān)參數(shù),所以對(duì)地面沉降趨勢(shì)的直接預(yù)測(cè)很難實(shí)現(xiàn),目前多依賴于數(shù)值模擬方法[67-68]。

2.2 建筑荷載

在人口密度較大的三角洲地區(qū),大量建筑荷載加速了沉積物固結(jié)沉降,如密西西比河三角洲地區(qū)的新奧爾良[69]、加拿大的弗雷澤三角洲[13]以及長(zhǎng)江三角洲的上海[60]。

新奧爾良人工海岸大堤已累積下沉超過(guò)1 m[69],黃河三角洲近岸海堤自重引起每年幾厘米的地面沉降[70],沉降造成海堤在強(qiáng)風(fēng)暴潮作用下易于被破壞。加拿大弗雷澤三角洲淺層全新世沉積物固結(jié)壓實(shí)造成1～2 mm/a的緩慢沉降,而建筑荷載造成的沉降速率達(dá)3～8 mm/a。荷載造成的沉降速率往往表現(xiàn)出20 a以內(nèi)的指數(shù)性衰減,這與沉積物固結(jié)壓實(shí)理論相符[13]。

2.3 其他因素

三角洲沉積物中多富含泥炭,泥炭氧化造成有機(jī)質(zhì)含量的降低,也可引發(fā)地面沉降。在過(guò)去150 a間,美國(guó)薩克拉門托-圣華金河三角洲由于泥炭氧化造成局部沉降速率可達(dá)2～5 cm/a,遠(yuǎn)高于其他自然因素造成的沉降[71]。近幾十年來(lái)氣候變暖加速了永久凍土的融化,由此引發(fā)北半球高緯度地區(qū)地面沉降[72]。位于西伯利亞北極地區(qū)的勒拿河三角洲(Lena River Delta)也正處于這種沉降的風(fēng)險(xiǎn)中[73]。北美北極地區(qū),凍土融化造成的沉降可能會(huì)加劇麥肯齊三角洲(Mackenzie Delta)的洪災(zāi)[74]。

3 大河三角洲地面沉降誘因分析

綜上所述,大河三角洲地區(qū)地面沉降的誘因包括自然過(guò)程和人類活動(dòng)因素,主要包括沉積物固結(jié)壓實(shí)、構(gòu)造活動(dòng)、板塊俯沖、均衡作用、凍土融化、泥炭氧化、地下流體資源開采、建筑荷載等?；谶@些地質(zhì)過(guò)程發(fā)生的空間范圍,歸納提出了地面沉降的概念模型(圖2)。由圖2可知,沉降過(guò)程不僅僅是淺層的沉積物固結(jié)壓實(shí),也可能包含了地球深部的多個(gè)地質(zhì)過(guò)程。

圖2 三角洲地面沉降概念模型Fig.2 Conceptual model for land subsidence in mega-river deltas

在世界范圍內(nèi),不同三角洲的地面沉降速率以及沉降誘因差異很大。對(duì)于大部分三角洲而言,地面沉降是多個(gè)地質(zhì)過(guò)程綜合作用的結(jié)果。自然因素造成的沉降往往是緩慢的、長(zhǎng)時(shí)間尺度的過(guò)程,其速率往往是毫米每年量級(jí)。而人為誘發(fā)性的沉降往往作用時(shí)間較短,但是速率遠(yuǎn)超自然因素帶來(lái)的沉降。因此,就快速沉降的三角洲而言,其沉降主因往往是人類活動(dòng)。基于前人研究成果,分析了世界上主要三角洲的沉降要素(表1)。

表1 主要大河三角洲沉降誘因Table 1 Statistics on the factors inducing the land subsidence in the major mega-river deltas in the world

4 黃河三角洲地面沉降分析

現(xiàn)代黃河三角洲地區(qū)是我國(guó)成陸時(shí)間最短的河口三角洲,隨著三角洲的發(fā)育演化以及城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展,該地區(qū)地面沉降現(xiàn)象較為顯著。黃河三角洲北部是地面沉降較為嚴(yán)重的沉降區(qū)之一,多年來(lái)大規(guī)模的石油開采及中淺層鹵水開采導(dǎo)致該地區(qū)的沉降速率和范圍顯著增大[78-80]。自20世紀(jì)80年代開始對(duì)黃河三角洲地面沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè),并不斷進(jìn)行完善,河口區(qū)內(nèi)各地市都建立了地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。為了分析黃河三角洲北部河口區(qū)地面沉降的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),原山東省地礦局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)于2002年8月建立了東營(yíng)市城區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng),2016—2017年的測(cè)量數(shù)據(jù)顯示,現(xiàn)代黃河三角洲河口地區(qū)普遍存在地面沉降現(xiàn)象,東部地面沉降量普遍大于西部,平均沉降量為37.0 mm,在東營(yíng)市仙河鎮(zhèn)北存在1個(gè)沉降量接近80 mm的沉降中心[81]。近年來(lái),現(xiàn)代黃河三角洲地面沉降監(jiān)測(cè)、形成機(jī)理、防治、預(yù)警等方面的大量研究工作取得了一定的成果,但由于復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造背景、獨(dú)特的沉積特征及人類開發(fā)活動(dòng)程度差異等因素,使得該區(qū)地面沉降機(jī)理較復(fù)雜。

4.1 數(shù)據(jù)處理與分析

目前,歐空局的ERS-1和ERS-2衛(wèi)星以及世界其他發(fā)達(dá)國(guó)家的衛(wèi)星可提供C波段的SAR圖像,而日本ALOS衛(wèi)星提供的PALSAR影像是L波段,在植被覆蓋率較高的地區(qū),有一定的穿透力,可以克服或者減弱失相干的影響,因此L波段的PALSAR影像比C波段的SAR影像更能準(zhǔn)確反映地表的高程信息。由于黃河入?？趨^(qū)域?yàn)闆_積平原,植被覆蓋率較高,傳統(tǒng)的C波段ERS或者ENVISAT的影像在該區(qū)域失相干非常嚴(yán)重,很難得到可靠的數(shù)據(jù)。

因此本研究收集了10景L波段的ALOS/PALSAR雷達(dá)影像,取其中4對(duì)空間基線較好(軌道和大氣延遲相對(duì)較小)的影像進(jìn)行差分干涉(D-InSAR)數(shù)據(jù)處理,影像獲取時(shí)間分別是2006-10-12,2007-02-27,2007-11-30和2010-01-20。用GAMMA軟件將雷達(dá)影像進(jìn)行二軌D-InSAR處理;先經(jīng)過(guò)圖像的配準(zhǔn)、重采樣,生成干涉圖,去除平地和地形相位,以及濾波和相位解纏后獲得影像的地表形變圖,再通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換把雷達(dá)影像從雷達(dá)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到了地圖坐標(biāo)系,最終得到地表形變圖。

2006-10-12和2007-02-27兩景影像時(shí)間相差大約5個(gè)月,地表形變圖像的相干性良好(圖3)。影像覆蓋區(qū)域內(nèi)地形整體形變較小,主要表現(xiàn)為局部的快速沉降,特別是三角洲北部近刁口鄉(xiāng)區(qū)域(紫色區(qū)域),出現(xiàn)明顯的沉降漏斗,最大達(dá)到40 mm。另外,黃河現(xiàn)行流路以南東營(yíng)城區(qū)(紫色區(qū)域)也有較大范圍的整體沉降。黃河現(xiàn)行流路及其周圍(黃色區(qū)域)表現(xiàn)出微弱的抬升,可能與濕地的自然加積以及人類工程活動(dòng)有關(guān)。2007-11-30和2010-01-20兩景影像時(shí)間基線相差大于2 a,地表形變圖像的相干性較差,特別是海邊區(qū)域由于海水的侵蝕,已經(jīng)基本失相干,只有局部區(qū)域保持相干。由圖3可知,整個(gè)三角洲整體沉降不明顯,主要表現(xiàn)為局部沉降,特別是三角洲北部,出現(xiàn)很明顯的沉降漏斗,并且累計(jì)沉降達(dá)到80 mm,年沉降速率約為20～30 mm/a。其他區(qū)域沉降相對(duì)緩慢,累計(jì)沉降小于30 mm,大部分區(qū)域年平均沉降速率小于10 mm/a。

圖3 2006-10-12—2007-02-27黃河三角洲地表形變Fig.3 The surface deformation of the Yellow River Delta obtained from Oct.12th,2006 to Feb.27th,2007

黃河水利委員會(huì)于20世紀(jì)八九十年代以來(lái)在黃河三角洲完成的水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果顯示,黃河廢棄入?？谥恋罂诤恿髀费匕丁ⅫS河現(xiàn)行流路沿岸和現(xiàn)代黃河三角洲東南區(qū)域的平均沉降速率分別為26.7,22.6和21.0 mm/a[82]。山東省地礦局魯北地質(zhì)工程勘察院地面沉降水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果顯示,2002年12月至2008年6月,東營(yíng)區(qū)西部沉降量大于東部,整體呈現(xiàn)不均勻的分布特點(diǎn)。東營(yíng)區(qū)沉降量大于150 mm的區(qū)域面積為15 km2,沉降速率為28.2 mm/a[82]。ERS1和ERS2 SAR數(shù)據(jù)顯示,1992—2000年?yáng)|營(yíng)市區(qū)最大地面沉降速率可達(dá)33.2 mm/a,河口油田(刁口鄉(xiāng)附近)和孤島油田(仙河鎮(zhèn)附近)平均地面沉降速率分別為8.8和5.8 mm/a,最大分別為15.6和12.2 mm/a[83]。

綜上所述,由遙感資料分析得到的黃河三角洲不同區(qū)域的沉降速率與水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果處于同一個(gè)數(shù)量級(jí),比較相近。但是,在黃河三角洲不同區(qū)域、不同時(shí)期其沉降速率是不同的,沉降趨勢(shì)亦有不同,在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量有限以及各種誤差因素的制約下,三角洲的地面沉降時(shí)空分布依然沒有呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。

4.2 地面沉降因素分析

目前,黃河三角洲的地面沉降機(jī)制尚未得到統(tǒng)一認(rèn)識(shí),分析可能的沉降因素為:

1)沉積物壓實(shí)

作為黃河三角洲沉積主體的三角洲平原相和前緣相沉積物粒度組成以粉砂為主,前三角洲相則以黏土為主。其中,前三角洲相及海相的黏土層累計(jì)厚度達(dá)14 m,該黏土層的固結(jié)壓實(shí)在初期的40 a內(nèi)將累計(jì)壓縮1.4 m(壓實(shí)速率平均可達(dá)35 mm/a),之后速率將降低到5 mm/a左右[7]。1855年以來(lái),黃河攜帶巨量的泥沙迅速在渤海堆積造陸,新堆積的沉積體含水率高,建造時(shí)間短,因此固結(jié)壓實(shí)過(guò)程不可避免。圖3和圖4所示沉降較為明顯的刁口鄉(xiāng)便位于1964—1976年黃河行河入海區(qū)域,1976年河道改道廢棄后泥沙供應(yīng)斷絕,松散沉積層的固結(jié)壓實(shí)可能是其沉降較為明顯的主要因素之一。

圖4 2007-10-30—2010-01-20黃河三角洲地表形變Fig.4 The surface deformation of the Yellow River Delta obtained from Nov.30th,2007 to Jan.20th,2010

2)地下流體資源開采

黃河三角洲地下水多為鹵水和咸水,淡水資源主要分布在小清河以南區(qū)域。小清河以北區(qū)域地下水開采量有限,主要是工業(yè)用水。而小清河以南區(qū)域的淡水資源過(guò)度開采嚴(yán)重,地下水位嚴(yán)重下降。2005—2019年,濱州地區(qū)(黃河三角洲地面沉降典型地段)的6期地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和水文地質(zhì)條件分析結(jié)果顯示,該地區(qū)石油開采加劇了部分區(qū)域的沉降趨勢(shì),但區(qū)內(nèi)地面沉降產(chǎn)生的主要因素是過(guò)量開采深層地下水和新近沉積地層壓縮,并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了地面沉降預(yù)測(cè)模型[84]。

石油開采是否已造成黃河三角洲的地面沉降尚無(wú)定論,而且從各種監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看,也沒有發(fā)現(xiàn)明顯的沉降漏斗。分析認(rèn)為,黃河三角洲的儲(chǔ)油層深度往往超過(guò)千米,儲(chǔ)油層在采油以后的應(yīng)力調(diào)整往往需要一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間,考慮到石油開采沉降的滯后效應(yīng)以及黃河三角洲石油儲(chǔ)層的性質(zhì),石油開采極有可能引發(fā)地面沉降,而且一旦發(fā)生,其沉降速率和沉降幅度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)自然因素造成的沉降,勝利油田石油開采區(qū)地面沉降速率有可能會(huì)達(dá)到10 mm/a左右[85]。因此,石油開采是今后黃河三角洲地面沉降研究需要特別關(guān)注的因子。

圖3 所示黃河現(xiàn)行河道兩側(cè)刁口和東營(yíng)市區(qū)較為明顯的沉降背后,地下流體資源的開采起到了不可忽視的作用,如刁口區(qū)域制鹽業(yè)發(fā)達(dá)對(duì)地下鹵水的需求、東營(yíng)市區(qū)對(duì)地下淡水資源的需求都非常大。

3)構(gòu)造沉降

整個(gè)現(xiàn)代黃河三角洲地處渤海南部,郯廬斷裂帶以西,其北部位于萊州灣坳陷帶以內(nèi),而南部則位于濟(jì)陽(yáng)坳陷帶內(nèi),基底構(gòu)造格局表現(xiàn)為由斷層帶控制的凸起和凹陷所組成。該區(qū)第三紀(jì)開始出現(xiàn)整體地殼沉降,第四紀(jì)以來(lái)表現(xiàn)為繼承性區(qū)域性緩慢下沉[86],地殼下沉速率為1～2 mm/a[87]。由1955—1988年的地面垂直形變數(shù)據(jù)可知,在30多年內(nèi),黃河三角洲仍以下降為主,東營(yíng)河口地區(qū)地面沉降速率為3～4 mm/a[81]?？梢?構(gòu)造沉降因素在現(xiàn)代黃河三角洲地區(qū)地面沉降過(guò)程中的貢獻(xiàn)率不高。

4)地震

對(duì)地面沉降的影響,地震可造成厘米級(jí)甚至是數(shù)米的斷層位移,還可導(dǎo)致砂土及粉土的液化。砂土及粉土在震動(dòng)荷載(如波浪、地震等)的作用下易于液化,從而造成土體強(qiáng)度失效并產(chǎn)生沉降。粉土廣泛分布于黃河三角洲平原及水下三角洲沉積物中,在地震的作用下易于液化。1969年渤海7.4級(jí)地震造成了研究區(qū)黃河大壩裂縫、沉陷,系與粉土的液化有關(guān)。黃河三角洲周邊分布深大斷裂構(gòu)造,在歷史上強(qiáng)震時(shí)有發(fā)生。此外,地震過(guò)程中可造成地下流體孔隙壓力的改變,造成流體層的變形或者坍塌。黃河三角洲大規(guī)模的石油開采已大大改變了地下流體的原始應(yīng)力狀態(tài),雖然采取了人工注水等措施,但在強(qiáng)烈地震的作用下,地下儲(chǔ)油層的應(yīng)力狀態(tài)可能發(fā)生突發(fā)性的改變,造成儲(chǔ)油層的體積減小而發(fā)生沉降。而且,這種應(yīng)力的改變也可能誘發(fā)斷層的再次活動(dòng),造成一定程度上的二次沉降。

5)人類工程活動(dòng)

在采油區(qū)周圍,龐大的采油工程設(shè)施易導(dǎo)致地面沉降。在近海,防波堤自重產(chǎn)生的沉降累計(jì)已超過(guò)1 m,如黃河海港周圍大壩在10 a內(nèi)沉降超過(guò)1 m,沉降速率＞10 cm/a[70]。因此,在開發(fā)黃河三角洲的過(guò)程中,應(yīng)充分考慮建筑物自重荷載導(dǎo)致軟土地基產(chǎn)生沉降的問(wèn)題。

5 結(jié) 語(yǔ)

三角洲地面沉降是一個(gè)復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象,包含了人類活動(dòng)和自然因素作用下不同時(shí)間和空間尺度的地質(zhì)過(guò)程,從淺層沉積物固結(jié)壓實(shí)到地球深度的地幔對(duì)流。自然因素造成的地面沉降是緩慢的、不可控的,作用的時(shí)間尺度至少是數(shù)十甚至是數(shù)千年乃至百萬(wàn)年,其每年沉降量大致小于厘米級(jí)。而誘發(fā)性地面沉降是短時(shí)間的,其沉降速率遠(yuǎn)超過(guò)自然因素造成的沉降,并且往往表現(xiàn)出明顯的時(shí)間滯后以及隨時(shí)間的衰減。充分了解三角洲的沉降因素對(duì)于了解其沉降機(jī)制至關(guān)重要,也為制定全球海平面上升應(yīng)對(duì)措施提供了科學(xué)依據(jù)。

黃河三角洲地區(qū)地面沉降機(jī)制較為復(fù)雜,深層地下水開采和新近沉積地層壓縮是最為重要的誘因,但石油開采和人工荷載帶來(lái)的影響也不容忽視。目前,我們對(duì)大河三角洲地面沉降的認(rèn)識(shí)仍存在很多不足,掌握其地面沉降機(jī)制需要長(zhǎng)時(shí)間序列、包含地表和地下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的支持,也需要包括衛(wèi)星遙感、水準(zhǔn)測(cè)量、鉆孔伸縮計(jì)等多種監(jiān)測(cè)、觀測(cè)方法的相互驗(yàn)證。