基于微地貌特征的西太平洋菲律賓海海底穩(wěn)定性評價

劉婭楠，賈超，胡邦琦，劉森，宋維宇，楊霄

1. 山東大學海洋研究院，青島 266237

2. 中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，青島 266071

3. 青島海洋科學與技術(shù)國家試點實驗室海洋礦產(chǎn)資源評價與探測功能實驗室，青島 266071

21 世紀是海洋的世紀，建設海洋工程、發(fā)展海洋經(jīng)濟、開展海洋研究是推動強國戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。目前，我國海洋事業(yè)正逐步向深遠海邁進，在資源開發(fā)、工程建設和捍衛(wèi)海洋主權(quán)等方面已取得一定成果[1-3]。海底穩(wěn)定性是海洋開發(fā)建設的重要制約因素，海底地質(zhì)穩(wěn)定性差，制約程度高，開發(fā)風險高；海底地質(zhì)穩(wěn)定性好，制約程度低，開發(fā)風險低[4]。如何準確對深遠海海底穩(wěn)定性進行評價是開展深遠海開發(fā)利用的重點工作之一，由于影響海底穩(wěn)定性的因素具有復雜性和不確定性，因此，評價結(jié)果并不具有絕對含義[5]。

目前，涉及海底穩(wěn)定性的研究成果多集中于近海且常以單一地貌為研究對象，缺少對深遠海海底穩(wěn)定性的宏觀性評價。國外學者側(cè)重于海底邊坡、斜坡等單一地貌，常采用概率、數(shù)值模擬、半解析等數(shù)學方法進行分析[6-7]，對黑海高加索大陸架[8]、高緯度冰期斯瓦爾巴-巴倫支海[9]等區(qū)域的海底斜坡穩(wěn)定性進行了研究，探索了地震和沉積速率對海底斜坡穩(wěn)定性的影響[10]，海底沉積斜坡和增生楔的穩(wěn)定性[11]等問題，成果大多只聚焦于目標區(qū)的穩(wěn)定性分析，缺乏定量化的分區(qū)評價。我國學者除對海底斜坡進行了大量研究外[12]，近年來以地貌類型、地形坡度、地震數(shù)據(jù)、工程地質(zhì)參數(shù)等因素作為主要評價因子，利用GIS、層次分析和模糊綜合評價等方法進行海底穩(wěn)定性評價和分區(qū)，在南海北部陸坡[13]、南堡-曹妃甸海域[14]和萊州灣[15]等區(qū)域進行了小范圍的宏觀評價。然而，這些區(qū)域大多位于近海，深遠海海底穩(wěn)定性評價研究還存在較多空白。相較于近海，深遠海地質(zhì)環(huán)境復雜，具有勘查難度大、數(shù)據(jù)精度低和研究成果少等問題，如何基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料正確、全面地評價深遠海海底穩(wěn)定性，對于深遠海資源開發(fā)和工程建設具有深遠意義。

海底微地貌是影響深遠海海底穩(wěn)定性的重要因素，不僅其本身的起伏變化會對區(qū)域穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，而且常為海底滑坡、陡坎等致災因子的發(fā)育提供條件。基于研究團隊前期工作基礎，本文選取西太平洋菲律賓海中南部某區(qū)域為研究區(qū)，利用ArcGIS 平臺建立研究區(qū)DEM（數(shù)字高程模型，Digital Elevation Model），提取宏、微觀地貌因子（坡度、地形起伏度），結(jié)合海底地震、海底底質(zhì)類型、海底地質(zhì)災害等要素，通過模糊數(shù)學評價方法將以上要素數(shù)字化，綜合分析研究區(qū)海底穩(wěn)定性并進行分區(qū)，提出了基于微地貌特征的深遠海海底穩(wěn)定性評價方法。研究成果能夠為深遠海海底穩(wěn)定性評價提供技術(shù)方法參考，豐富深遠海海洋地質(zhì)研究。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處歐亞板塊、印度-澳大利亞和太平洋板塊交匯處，位于西太平洋菲律賓海中南部，橫跨西菲律賓海盆和帕里西維拉海盆，九州-帕勞海嶺從中間穿過，范圍為14.5°～17.0°N、132.5°～136.0°E（圖1），面積約為1.0×105km2，海底標高為-6712.8～-1692.2 m。

圖1 菲律賓海板塊海底地形地貌與研究區(qū)位置圖[22]底圖數(shù)據(jù)來源于全球水深數(shù)據(jù)。Fig.1 Seabed topography and geomorphology of the Philippine Sea plate and location of the study area [22]DEM are derived from global bathymetric data.

菲律賓海四周被呈鏈狀的島弧、海溝包圍，中部寬闊，南北窄小，近菱形展布，具有典型的溝-弧-盆體系特征[16]?，F(xiàn)有的研究表明，菲律賓海板塊自61 Ma 開始擴張，期間經(jīng)歷多次旋轉(zhuǎn)、擴張，其形成與演化與太平洋板塊運動息息相關(guān)[17]。在43 Ma 左右，受太平洋板塊俯沖影響形成古伊豆-小笠原島弧[11]。其后，因四國-帕里西維拉海盆擴張影響，古伊豆-小笠原島弧裂解為九州-帕勞海嶺和伊豆-小笠原-馬里亞納弧[18-21]。

研究區(qū)受復雜而劇烈的地質(zhì)作用影響，微地貌單元廣泛分布，發(fā)育有海山、海丘、山間谷地等多種微地貌單元，其中海山主要發(fā)育在九州-帕勞海嶺及其西部海盆，海丘、山間谷地則集中分布在海嶺東側(cè)的帕里西維拉海盆。研究區(qū)能夠較為明顯地反映出菲律賓海海底地貌特征，利于對其海底穩(wěn)定性進行研究，具有一定的代表性。

2 數(shù)據(jù)來源和分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)主要來源于公共平臺公開的海底高程數(shù)據(jù)，主要有SRTM、ASTER 等。利用ArcGIS 平臺建立研究區(qū)海底DEM（DEM 即數(shù)字高程模型，是通過有限的地形高程數(shù)據(jù)實現(xiàn)對地面地形的數(shù)字化模擬，是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型），從微觀和宏觀兩個角度提取關(guān)鍵地貌因子；基于全球地震數(shù)據(jù)（https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/search/），運用Kriging 插值法對研究區(qū)地震區(qū)劃進行分析；海洋地質(zhì)災害分布和底質(zhì)類型數(shù)據(jù)來源于對公開數(shù)據(jù)的處理和識別。

2.2 典型地貌因子計算

坡度（微觀地貌因子）和地形起伏度（宏觀地貌因子）作為典型的地貌因子，能夠代表性地反映海底微地貌特征，參考已有研究成果，本文選擇坡度和地形起伏度兩個地貌因子進行海底穩(wěn)定性評價[23-24]。將研究區(qū)DEM 在ArcGIS 平臺中以“標準差”的形式進行分類，根據(jù)表1 中的計算方式，獲取研究區(qū)坡度和地形起伏度分布特征。

表1 典型地貌因子概念及算法[25-26]Table 1 Concept and algorithm of typical geomorphic factor [25-26]

2.3 模糊數(shù)學評價

由于影響海底穩(wěn)定性的因素復雜，穩(wěn)定性分級界限模糊，加之人們主觀上的差異，不易對海底穩(wěn)定性得出一致評價。因此，綜合前人的經(jīng)驗和相關(guān)的評價結(jié)果，采用模糊數(shù)學方法來進行海底穩(wěn)定性評價工作是可行的。

模糊數(shù)學評價是地質(zhì)評價中常用的一種數(shù)學評價方法，可以實現(xiàn)將相對復雜且不夠確定的影響因素數(shù)學化。研究區(qū)位于西太平洋菲律賓海中南部，受制于地理位置和技術(shù)條件，很難對其海底穩(wěn)定性進行精確評價，模糊數(shù)學評價法可以利用模糊數(shù)學的隸屬度和隸屬函數(shù)理論把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，從而對研究對象做出一個綜合的評價[27]。通過數(shù)字化評價指標，綜合評定評價指標等級，可以有效減少評價主體間的主觀評定誤差（圖2）。

圖2 評價方法的技術(shù)路線Fig.2 The technical flowchart for evaluation methods

3 微地貌特征

3.1 微觀地貌因子——坡度

研究區(qū)坡度變化范圍為0°～58°，平均坡度6.9°，標準差為7.2°，坡度主要集中于0°～15°，表明研究區(qū)坡度變化較大，但大部分區(qū)域坡度較為平緩。坡度的低值主要集中在研究區(qū)的中北部，該區(qū)域地形較為平坦，坡度變化較??；研究區(qū)東部和西南部地形相對復雜，海山、海丘等地貌單元發(fā)育，坡度較高且變化頻繁；坡度最大值分布在九州-帕勞海嶺，該區(qū)域具有較高的高程差，地形起伏大，坡度較高。

3.2 宏觀地貌因子——地形起伏度

研究區(qū)地形起伏度相對較小，主要集中在44.6 m以下，平均值為31.9 m，最大值僅為344.6 m。低值主要集中在研究區(qū)中北部，該區(qū)域地形較為平坦，地貌單元類型相對單一；高值集中在九州-帕勞海嶺和海山等區(qū)域。

3.3 海底底質(zhì)類型

研究區(qū)內(nèi)底質(zhì)類型豐富，除常見的遠洋黏土外，區(qū)域內(nèi)廣泛發(fā)育了基巖、鐵錳結(jié)核和硅藻軟泥?；鶐r硬度相對較高，分布的區(qū)域通常具有較大的土體承載力；硅藻軟泥則相反，其相對較軟，對土體承載力會產(chǎn)生完全不同的影響。

4 潛在地質(zhì)災害分布特征

4.1 海底滑坡

海底滑坡在主、被動大陸邊緣廣泛發(fā)育，可以將失穩(wěn)的沉積物帶到深海盆地[28-33]。九州-帕勞海嶺邊緣地帶不僅有較高的坡度，而且具有很大的高程差，極易發(fā)生海底滑坡。研究區(qū)中北部地形較為平坦，西部海盆區(qū)雖然坡度也比較大，但是高程差相對較低，地貌起伏變化不大，為海底滑坡的低易發(fā)區(qū)。

4.2 陡坎

陡坎是研究區(qū)內(nèi)一種常見且分布廣泛的致災因子，是指與海底斜坡地形走向平行或近于平行且坡度較大的海底陡坡[34]。受九州-帕勞海嶺和大型地貌單元影響，陡坎主要發(fā)育在研究區(qū)中部和大規(guī)模海山、海丘群處，這些區(qū)域都具有比較高的高程差和坡度。

4.3 崩塌

崩塌是海底較陡斜坡上的巖土體突然受力而脫離崩落的地質(zhì)現(xiàn)象，具有較大的破壞性。研究區(qū)地形起伏較大，陡坡廣泛發(fā)育，為崩塌的產(chǎn)生提供了有利條件。區(qū)域內(nèi)大規(guī)模海山、山間盆地以及九州-帕勞海嶺附近往往都具有較大的地形起伏度和坡度，是崩塌的易發(fā)區(qū)域。

5 海底穩(wěn)定性評價

本文采用模糊數(shù)學原理，建立由多種影響因素組成的評價因素集A，構(gòu)建與影響因素集相匹配的模糊評語集X。通過模糊信息化確定各單一因素對評審等級的歸屬程度，建立評價因素集A到評語集X的模糊評價矩陣R。利用模糊權(quán)值矩陣計算各因素在評價目標中的權(quán)重值W，最后運用模糊運算矩陣計算出定量解。

5.1 評價指標

評價指標主要由孕災背景和潛在地質(zhì)災害兩個指標組成，其中孕災背景指標又包括地震區(qū)劃、微觀地貌因子、宏觀地貌因子和底質(zhì)類型四種指標[5]。研究區(qū)位于菲律賓海盆中南部，水深為-6712.8～-1692.2 m，區(qū)域內(nèi)無大型地震，受熱帶氣旋影響不大，基于以上特點，綜合考慮各個指標特性，將5 類指標劃分為5 個等級，建立海底穩(wěn)定性評價指標體系（表2）。數(shù)據(jù)來源于海底地震烈度區(qū)劃圖、海底地質(zhì)災害分布圖、微觀與宏觀地貌因子分布圖（通過對坡度、坡度變率、坡向、坡向變率、曲率5 種微觀地貌因子和地表粗糙度、地形起伏度、高程變異系數(shù)、地表切割深度4 種宏觀地貌因子進行綜合分析，參考已有研究成果，分別選擇坡度和地形起伏度作為微觀與宏觀地貌因子的指標）以及底質(zhì)類型分布圖。

表2 海底穩(wěn)定性評價指標體系Table 2 Evaluation index system for seabed stability

根據(jù)選取的5 類評價指標，可以得到穩(wěn)定性評價因素集A（式1）。

a1—地震區(qū)劃指標，a2—災害地質(zhì)指標，a3—微觀地貌因子指標，a4—宏觀地貌因子指標，a5—底質(zhì)類型指標。

5.2 海底穩(wěn)定程度分級

邏輯信息分類法和特征分類法是常用的分級方法，通常將級別劃分為3 級和5 級[35]。考慮到研究區(qū)具體情況，本文選擇五級分類體系，分為不穩(wěn)定、較不穩(wěn)定、中等穩(wěn)定、較穩(wěn)定和基本穩(wěn)定5 個等級區(qū)，得到模糊評語集X。

v1—基本穩(wěn)定，v2—較穩(wěn)定，v3—中等穩(wěn)定，v4—較不穩(wěn)定性，v5—不穩(wěn)定。

5.3 確定評價因子歸屬度

評價因子歸屬度反映了評價因子隸屬于評語集的程度，通常由隸屬函數(shù)確定。由于研究區(qū)位于深海，難以用具有連續(xù)變化特點的函數(shù)對其進行模糊信息化，因此選取具有正態(tài)分布特點的“0，0.2，0.5，0.8，1.0，0.8，0.5，0.2，0”作為隸屬度函數(shù)，對海底穩(wěn)定性評價因子的影響程度進行表示（表3）。通過例證法、正太型函數(shù)分布規(guī)律以及專家經(jīng)驗法得到隸屬度值，各評價因子的隸屬程度應基本相等[23,36]。

表3 海底穩(wěn)定性評價指標隸屬度值Table 3 Membership value of evaluation index of seabed stability

5.4 構(gòu)建模糊評價矩陣

利用獲取的評價指標隸屬度值對各評價指標進行量化，得到穩(wěn)定性評價因素集A到模糊評語集X的模糊評價矩陣R。

v1，v2，v3，v4，v5—各評價因子的隸屬度值；r1—地震區(qū)劃指標；r2—災害地質(zhì)指標；r3—微觀地貌因子指標；r4—宏觀地貌因子指標；r5—底質(zhì)類型指標。

5.5 確定指標權(quán)重

評價指標的權(quán)重值反映了評價因子間的相對重要性，對海底穩(wěn)定性評價具有重要意義。本文采用專家評判與層次分析決策相結(jié)合的方法確定海底穩(wěn)定性評價指標的權(quán)重值[37]。首先通過專家對各指標的相對重要性進行判斷，然后利用層次分析過程建立權(quán)重值判別表，得到權(quán)重值判別矩陣，最終計算出各評價指標的權(quán)重值分配集W（表4）。

表4 評價指標權(quán)重值Table 4 The weight value of the evaluation index

5.6 計算結(jié)果

通過建立的模糊關(guān)系矩陣R和權(quán)值分配集W，以3'×3'大小的網(wǎng)格單元對研究區(qū)海底穩(wěn)定性進行評價，利用模糊運算矩陣得到綜合評價結(jié)果B。

W—權(quán)重值分配集，R—模糊評價矩陣，*—模糊變換算子。

評價結(jié)果B是基于評價因素集A的綜合評價結(jié)果，根據(jù)模糊數(shù)學的最大隸屬度原則，取隸屬度最大者所對應的等級作為評價單元海底穩(wěn)定性等級。

5.7 海底穩(wěn)定性區(qū)劃

以3'×3'大小的網(wǎng)格為評價單元，依據(jù)模糊數(shù)學原理構(gòu)建的模糊綜合評價系統(tǒng)進行計算，采用優(yōu)勢合并方法，將優(yōu)勢的等級值作為該區(qū)的穩(wěn)定性等級，得到研究區(qū)海底穩(wěn)定性區(qū)劃圖（圖3）。

圖3 海底穩(wěn)定性區(qū)劃圖Fig.3 Division map of submarine stability

（1）基本穩(wěn)定區(qū)

研究區(qū)基本穩(wěn)定區(qū)主要分布在中北部。該區(qū)域地形地貌相對平坦，缺乏大規(guī)模地貌單元發(fā)育，受宏觀、微觀地貌因子影響較小。此外，由于構(gòu)造、巖漿熱液等地質(zhì)運動相對匱乏，災害地質(zhì)因子并不發(fā)育，僅有局部地區(qū)分布少量海底火山，因此具有較高的穩(wěn)定性。

（2）較穩(wěn)定區(qū)

較穩(wěn)定區(qū)廣泛分布在各地貌單元過渡區(qū)。該區(qū)地形地貌的坡度和地形起伏度通常不大，底質(zhì)類型多為基巖和鐵錳結(jié)核，一般受地質(zhì)災害影響較小，較為穩(wěn)定。

（3）中等穩(wěn)定區(qū)

中等穩(wěn)定區(qū)在研究區(qū)各個范圍內(nèi)都有發(fā)育。該區(qū)通常具有一定的坡度和地形起伏度，多位于大規(guī)模地貌的過渡區(qū)或較為陡峭的微地貌單元處。受地形起伏變化和底質(zhì)類型影響，局部可能發(fā)育海底滑坡等較嚴重的地質(zhì)災害，但總體還是比較穩(wěn)定。

（4）較不穩(wěn)定區(qū)

較不穩(wěn)定區(qū)零散分布在研究區(qū)內(nèi)。該分區(qū)主要位于地形地貌變化較大的區(qū)域，可能受海底滑坡、陡坎等地質(zhì)災害影響。此外，局部地區(qū)的不穩(wěn)定也可能與硅藻軟泥的分布有關(guān)。

（5）不穩(wěn)定區(qū)

不穩(wěn)定區(qū)大多位于海山、山間盆地等地形地貌起伏變化較大、坡度較陡的區(qū)域。該分區(qū)通常受災害地質(zhì)因子影響較大，是海底滑坡、陡坎、崩塌等地質(zhì)災害的易發(fā)區(qū)域。這些區(qū)域的底質(zhì)類型多為遠洋黏土和硅藻軟泥，穩(wěn)定性相對較低。

6 結(jié)論和建議

（1）西太平洋菲律賓海微地貌單元發(fā)育，其海底穩(wěn)定性與地形地貌變化密切相關(guān)。穩(wěn)定區(qū)通常較為平坦，缺乏地貌單元和災害地質(zhì)干擾；不穩(wěn)定區(qū)主要集中在九州-帕勞海嶺及其西部的海山、山間盆地等大規(guī)模地貌單元發(fā)育區(qū)；較穩(wěn)定、中等穩(wěn)定、較不穩(wěn)定區(qū)廣泛分布在各地貌單元及地貌單元間的過渡地帶。

（2）基于研究區(qū)自身特點，選取地震區(qū)劃、災害地質(zhì)、微觀地貌因子、宏觀地貌因子和底質(zhì)類型作為評價因子，運用模糊數(shù)學原理構(gòu)建穩(wěn)定性評價模型，建立了5 類5 級評價指標體系。評價結(jié)果能較為合理地顯示研究區(qū)海底穩(wěn)定性，與實際情況基本吻合。

（3）深遠海海底穩(wěn)定性評價對于我國未來的海洋資源開發(fā)、海洋經(jīng)濟發(fā)展具有重要指導意義。然而，該領(lǐng)域目前還存在很大空白，技術(shù)規(guī)程有待完善，研究成果也大多集中在近海。建議規(guī)范深遠海海底穩(wěn)定性評價體系，為進一步建設深遠海海洋工程奠定基礎。