能源安全的海洋地質(zhì)災(zāi)害研究發(fā)展與展望

劉樂(lè)軍，修宗祥，周慶杰，高珊

（自然資源部第一海洋研究所,山東青島,266061）

能源是人類文明進(jìn)步的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和動(dòng)力，攸關(guān)國(guó)計(jì)民生和國(guó)家安全。隨著世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展和全球氣候變化，能源短缺問(wèn)題和“節(jié)能減排”需求日益突出。加快構(gòu)建現(xiàn)代能源體系，既是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的內(nèi)在要求，也是推動(dòng)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展、保障國(guó)家能源安全的重要支撐。

海洋蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源、天然氣水合物和海洋能（風(fēng)能、光能、波浪能、潮汐（流）能、溫差能和鹽差能等），是人類未來(lái)重要的能源基地[1]。

實(shí)施“堅(jiān)持陸海統(tǒng)籌，加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”“構(gòu)建海洋命運(yùn)共同體”和“2030碳達(dá)峰、2 060碳中和”等計(jì)劃，大力發(fā)展海上風(fēng)電、海上光伏、海洋能等“無(wú)碳”清潔能源，以及深水油氣和天然氣水合物等新型能源，是新時(shí)代優(yōu)化我國(guó)能源結(jié)構(gòu)、提升能源供應(yīng)安全能力、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要策略。

中國(guó)是世界上海洋地質(zhì)災(zāi)害十分嚴(yán)重的少數(shù)幾個(gè)國(guó)家之一[2]，海洋地質(zhì)災(zāi)害具有災(zāi)種類型多、發(fā)生頻率高、分布地域廣、災(zāi)害損失大的特點(diǎn)[3]。這一方面是我國(guó)沿海地處地球上2個(gè)最大的自然災(zāi)害帶——環(huán)太平洋帶和地中海—喜馬拉雅帶的交匯處；另一方面是每年平均約有7個(gè)臺(tái)風(fēng)在我國(guó)沿海地區(qū)登陸，每年因臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮等海洋災(zāi)害造成的損失達(dá)百億人民幣[4-5]。因而全面掌握我國(guó)海洋能源開(kāi)發(fā)區(qū)的災(zāi)害地質(zhì)類型和特征，包括分布位置、范圍、形態(tài)結(jié)構(gòu)和危害對(duì)象等，評(píng)價(jià)其可能造成的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)保障海洋能源開(kāi)發(fā)的安全可靠運(yùn)行具有重要意義。

1 海洋新能源開(kāi)發(fā)面臨的地質(zhì)災(zāi)害

已有研究表明[6-8]，我國(guó)海洋油氣資源區(qū)海底地形地貌復(fù)雜，地震、活動(dòng)斷裂、海底峽谷、滑坡、濁流、潮流沙脊、沙波（沙丘）、珊瑚礁、麻坑、埋藏古河道（古湖泊）、淺層氣和泥火山（底辟）等災(zāi)害地質(zhì)體發(fā)育；海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)海域廣泛存在海底滑坡、海底淺層氣、活動(dòng)沙丘沙波等各類海洋地質(zhì)災(zāi)害[9]。它們不僅影響海洋新能源開(kāi)發(fā)設(shè)施的建造，而且危害新能源工程項(xiàng)目的穩(wěn)定運(yùn)行，甚至對(duì)這些工程設(shè)施——水下井口、油氣管道、風(fēng)電基礎(chǔ)和海底輸油管道、輸電纜線等造成破壞甚至毀滅性傷害，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，引發(fā)難以評(píng)估的生態(tài)環(huán)境破壞。

1.1 深水能源開(kāi)發(fā)

幾乎已有深水油氣開(kāi)發(fā)工程都不同程度地受到地質(zhì)災(zāi)害的影響[10-11]。2010年墨西哥灣英國(guó)BP石油公司“深水地平線”鉆井平臺(tái)爆炸事件導(dǎo)致11人死亡，數(shù)百萬(wàn)桶原油流入墨西哥灣海域，引發(fā)被認(rèn)為是美國(guó)歷史上最嚴(yán)重的海洋災(zāi)難。

南海深水蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源。300 m以深海域，探明的石油地質(zhì)儲(chǔ)量約8.304×109t，天然氣地質(zhì)資源量約7.493×1012m3[12-13]。開(kāi)發(fā)南海深水油氣資源對(duì)減輕中國(guó)石油進(jìn)口壓力，提高經(jīng)濟(jì)安全系數(shù)有極為重要的意義。然而，南海深水環(huán)境惡劣：百年一遇的風(fēng)浪浪高達(dá)12.9 m，與墨西哥灣相當(dāng)，是西非海域的3倍；南海表面流速和風(fēng)速接近墨西哥灣的2倍；南海是世界上臺(tái)風(fēng)最頻繁的地區(qū)之一；內(nèi)波是中國(guó)南海所特有的、嚴(yán)重的、頻繁的海洋自然災(zāi)害[14-15]。同時(shí)，南海陸坡海底地質(zhì)條件復(fù)雜多變，淺層氣、泥火山、陡坎、沙波沙脊、海底滑坡、濁流和碎屑流等災(zāi)害發(fā)育，海底沙波沙脊的移動(dòng)速率可達(dá)300 cm/a。南海深水油氣開(kāi)發(fā)面臨遠(yuǎn)比近岸淺水海域更為嚴(yán)重的潛在危害[16-18]。荔灣3-1氣田和陵水17-3氣田成功開(kāi)采是克服海底峽谷崎嶇地形和海底滑坡風(fēng)險(xiǎn)后的結(jié)果（圖1和圖2）。

圖1 南海荔灣3-1氣田開(kāi)發(fā)區(qū)水下采集樹(shù)和輸運(yùn)管道路由區(qū)的海底峽谷和沙波等微地貌Fig.1 Micro-geomorphology (such as submarinecanyonsand sand waves)on the subsea wellhead and tree equipment &pipeline routing area of the Liwan 3-1 gasfield development zone,South China Sea

圖2 南海陵水17-3氣田所在的瓊東南陸坡地貌類型分布與典型地層結(jié)構(gòu)[18]Fig.2 Geomorphic typedistribution and typical stratigraphic structureof qiongdongnan continent slopein Lingshui 17-3 Gas Field,South China Sea

1.2 天然氣水合物開(kāi)發(fā)

天然氣水合物（俗稱“可燃冰”）被譽(yù)為21世紀(jì)具有商業(yè)開(kāi)發(fā)前景的戰(zhàn)略資源[19]。2次成功試采都佐證了我國(guó)南海北部蘊(yùn)藏豐富的天然氣水合物資源。然而，可燃冰分解將引起沉積物孔壓升高，有效應(yīng)力減小，抗剪強(qiáng)度下降，進(jìn)而引發(fā)海底滑坡[20]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究總結(jié)了世界范圍內(nèi)可燃冰分解引起的海底滑坡，以及可燃冰分解引起海底滑坡的機(jī)理、實(shí)例以及滑坡特征[21-23]。此外，可燃冰分解還可能導(dǎo)致一系列環(huán)境問(wèn)題，如進(jìn)入海水中的甲烷會(huì)影響海洋生態(tài)、加劇全球溫室效應(yīng)[24-26]。已有專項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)：南海北部陸水合物調(diào)查區(qū)存在滑坡/滑塌、斷層、底辟構(gòu)造、海底淺層氣、活動(dòng)沙坡沙丘和陸坡峽谷與沖蝕溝槽等海底地質(zhì)災(zāi)害[27-28]。其中神狐水合物區(qū)的海底滑坡/滑塌與天然氣水合物存在密切的關(guān)系（圖3），而海底淺層氣則與水合物的形成有密切的關(guān)系，斷層在深部氣體向淺層運(yùn)移方面起到了良好的通道作用。

圖3 神狐水合物區(qū)地震剖面揭示的滑坡體與似界面反射伴生關(guān)系Fig.3 Associated relationship between the landslide and the bottom simulating reflector revealed by theseismic profile in Shenhu gas hydrate area in South China Sea

1.3 海上風(fēng)電與海上光伏開(kāi)發(fā)

我國(guó)海域面積廣闊，海上風(fēng)能、光能資源豐富。5～25 m水深、50 m高度海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)潛力具備2億kW的開(kāi)發(fā)潛力，5～50 m水深、70 m高度具備5億kW的開(kāi)發(fā)潛力；另外近岸潮間帶、深遠(yuǎn)海也具備較為豐富的風(fēng)能資源。其中，領(lǐng)海線至專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)的可開(kāi)發(fā)海域面積約60多萬(wàn)km2，資源可開(kāi)發(fā)潛力約20億kW，約占我國(guó)海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)潛力的75%[29-31]。

我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)地質(zhì)背景復(fù)雜沉積環(huán)境多樣、水動(dòng)力條件多變，隨著海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)數(shù)量的增加，遭遇的工程地質(zhì)問(wèn)題隨之增多。主要有海域地震與活動(dòng)斷層、深厚高靈敏度黏土、特殊巖土體（含氣土、鈣質(zhì)砂、全風(fēng)化花崗巖）以及海洋地質(zhì)災(zāi)害（海洋淺層氣、海底滑坡、活動(dòng)沙丘沙波）四大類。我國(guó)黃河三角洲、杭州灣、舟山、廣西和海南等近海風(fēng)電開(kāi)發(fā)區(qū)海底滑坡發(fā)育，滑坡滑動(dòng)和堆積作用嚴(yán)重威脅海上風(fēng)電基礎(chǔ)、海底電纜等重要設(shè)施，對(duì)海上風(fēng)電工程的建設(shè)和運(yùn)行造成巨大威脅[9]。此外，海底淺層氣地層在內(nèi)應(yīng)力和外部應(yīng)力作用下，能產(chǎn)生不均勻沉降、觸發(fā)滑坡、誘發(fā)土體液化，從而導(dǎo)致海上風(fēng)電基礎(chǔ)沉陷、平臺(tái)傾覆、電纜斷裂等災(zāi)害事故[32]；海底淺層氣在海上鉆探、原位測(cè)試和基礎(chǔ)設(shè)施施工作業(yè)時(shí)易產(chǎn)生噴溢和火災(zāi)，嚴(yán)重威脅人員和設(shè)施的安全。在廣西壯族自治區(qū)規(guī)劃的海上風(fēng)電場(chǎng)址區(qū)中有賦存著沙坡沙丘、潮流沙脊、淺層氣、埋藏古河道、古三角洲、潮流三角洲等不利于海上風(fēng)電建設(shè)和施工運(yùn)維的地質(zhì)災(zāi)害（圖4）。海上風(fēng)電場(chǎng)長(zhǎng)期處于風(fēng)、波浪、潮流等海洋環(huán)境動(dòng)力的共同作用，基礎(chǔ)周圍容易發(fā)生局部沖刷，形成沖刷坑。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沖刷坑的形成不僅降低了海上風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定性，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效、倒塌，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且還可能引發(fā)一系列的衍生災(zāi)害，導(dǎo)致不良的社會(huì)影響（圖5）。

圖5 某海上風(fēng)電基礎(chǔ)掃測(cè)發(fā)現(xiàn)的沖刷現(xiàn)象Fig.5 An offshore wind power foundation with scouring depth up to 6.7m and a radiusabout 30.2 m Radius

圖4廣西海上風(fēng)電規(guī)劃區(qū)賦存的海底地質(zhì)分布Fig.4 Marinegeohazard distribution map of offshore wind power planning area in Guangxi

2 海洋地質(zhì)災(zāi)害研究發(fā)展與現(xiàn)狀

海洋地質(zhì)災(zāi)害的研究與沿海國(guó)家對(duì)海洋的開(kāi)發(fā)建設(shè)，特別是海洋油氣資源的勘探與開(kāi)采密切相關(guān)。

2.1 國(guó)外海洋地質(zhì)災(zāi)害研究發(fā)展與現(xiàn)狀

自20世紀(jì)40年代開(kāi)始，美國(guó)、歐洲等圍繞海上平臺(tái)場(chǎng)址的鉆井災(zāi)害進(jìn)行調(diào)查研究；70～80年代，海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)作業(yè)水深超過(guò)500 m，海洋地質(zhì)災(zāi)害研究也擴(kuò)展到陸坡，針對(duì)海底滑坡、砂土液化等評(píng)價(jià)方面取得顯著進(jìn)步；90年代海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)取得巨大進(jìn)步，作業(yè)水深不斷刷新，在2002年更是達(dá)到3000 m，作業(yè)范圍也從北海、墨西哥灣等傳統(tǒng)地區(qū)擴(kuò)展到西非、巴西，土體失穩(wěn)和天然氣水合物等地質(zhì)災(zāi)害因素成了研究重點(diǎn)[33]。

其中，針對(duì)挪威的第二大氣田Ormen Lange開(kāi)展的海洋地質(zhì)災(zāi)害研究應(yīng)該是最具代表性的（圖6），該氣田位于世界第一大滑坡Storegga的影響區(qū)[34-35]。

圖6 位于Storegga 滑坡區(qū)的挪威Ormen Lange 氣田Fig.6 Norway 's Ormen Lange gas field lies in the Storegga landslide area greater than 9°caused by thelandslide

為評(píng)估Ormen Lange氣田開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，挪威石油天然氣公司聯(lián)合國(guó)際多家高校和研究院所，由挪威巖土研究所（Norwegian Geotechnical Institute，NGI）牽頭組成地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)項(xiàng)目組，花費(fèi)10年時(shí)間，分區(qū)域勘查、機(jī)制分析、原位監(jiān)測(cè)、模型構(gòu)建和數(shù)值模擬等階段，確定了Storegga 滑坡的發(fā)生時(shí)間，恢復(fù)了滑坡發(fā)生前的地層結(jié)果，準(zhǔn)確測(cè)定了地層物理力學(xué)性質(zhì)，數(shù)值模擬了滑坡過(guò)程，預(yù)測(cè)了滑坡再次發(fā)生概率，制定了氣田開(kāi)發(fā)方案和輸送管道的路由（圖7）。這是國(guó)際深水油氣資源開(kāi)發(fā)與海洋地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查研究的集大成者和典范[36~41]。

圖7 挪威Ormen Lange氣田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)流程Fig.7 Technical flow chart of geological disaster risk assessment for the Ormen Lange gasfield development project in Norway

2.2 國(guó)內(nèi)海洋地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查研究發(fā)展與現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)海洋地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查研究也是隨著20世紀(jì)80年代海洋油氣的大規(guī)?？碧介_(kāi)采發(fā)展的，實(shí)施了油氣遠(yuǎn)景區(qū)的區(qū)域工程地質(zhì)調(diào)查以及平臺(tái)、管道等工程場(chǎng)址調(diào)查。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，中科院海洋所、上海海洋地質(zhì)調(diào)查局、原地礦部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局、原國(guó)家海洋局第一海洋研究所、中國(guó)海洋大學(xué)等單位先后開(kāi)展了“南海西部石油開(kāi)發(fā)區(qū)區(qū)域性工程地質(zhì)調(diào)查”“南海北部地質(zhì)災(zāi)害及海底工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)”“1∶20萬(wàn)東海陸架油氣勘探區(qū)區(qū)域工程地質(zhì)調(diào)查”“南黃海123°E以西的淺海及蘇北淺灘外緣區(qū)域工程地質(zhì)調(diào)查與評(píng)價(jià)”“遼東灣石油開(kāi)發(fā)區(qū)區(qū)域工程地質(zhì)調(diào)查”“南海珠江口盆地油氣開(kāi)發(fā)區(qū)1∶20萬(wàn)海洋工程地質(zhì)調(diào)查”和“鶯西、潿洲海域工程地質(zhì)區(qū)域性綜合調(diào)查”等區(qū)域性工程地質(zhì)與地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查研究，取得了一系列研究成果[42-47]。

其中，1986—1990年，在聯(lián)合國(guó)開(kāi)發(fā)計(jì)劃署的資助下，地礦部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局完成了9幅1∶20萬(wàn)珠江口盆地的海洋工程地質(zhì)調(diào)查[48]，首次采用了CPT（靜力觸探）方法開(kāi)展原位測(cè)試。1997—2002年，國(guó)家海洋局組織在實(shí)施“我國(guó)專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)和大陸架勘測(cè)”重大專項(xiàng)調(diào)查中，設(shè)置“災(zāi)害地質(zhì)環(huán)境調(diào)查和評(píng)價(jià)”專題，完成了除南海北部陸架珠江口盆地之外的其他油氣資源（開(kāi)發(fā)）區(qū)——南黃海油氣資源遠(yuǎn)景區(qū)、東海盆地、北部灣、鶯歌海和瓊東南的油氣資源（開(kāi)發(fā)）區(qū)等5個(gè)區(qū)塊的調(diào)查與評(píng)價(jià)。首次采用全覆蓋多波束測(cè)量和單道地震探測(cè)，編制了涵蓋整個(gè)黃海、東海和南海的1∶200萬(wàn)的黃東海和南海的災(zāi)害地質(zhì)圖、1∶100萬(wàn)的各油氣資源開(kāi)發(fā)區(qū)的海底災(zāi)害地質(zhì)圖[6-7,48-50]；基于上述調(diào)查與研究，Li等[43]、葉銀燦[8]、杜軍[51]等建立了我國(guó)海洋地質(zhì)災(zāi)害分類體系，提出了災(zāi)害地質(zhì)分區(qū)及海底穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)方法。

2009年2月我國(guó)在南海珠江口盆地白云凹陷“荔灣3-1-2”評(píng)價(jià)井發(fā)現(xiàn)了荔灣3-1天然氣田，開(kāi)啟了我國(guó)深水油氣勘探開(kāi)發(fā)的新篇章，揭開(kāi)了我國(guó)深海海洋災(zāi)害地質(zhì)研究的序幕。在國(guó)家重大科技專項(xiàng)的資助下，連續(xù)開(kāi)展了荔灣3-1氣田管道路由區(qū)和南海北部陸坡深水區(qū)（200～1 800 m）的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，綜合利用了船載和AUV（Autonomous Underwater Vehicle）平臺(tái)搭載多波速、淺地層和側(cè)掃聲吶系統(tǒng)，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別和圈定，對(duì)處于水深600～1 500 m陸坡的土體穩(wěn)定性進(jìn)行了重點(diǎn)研究，揭示海底峽谷與峽谷內(nèi)塊體運(yùn)動(dòng)—滑坡的相關(guān)機(jī)制，評(píng)估滑坡再發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[16,51-55]。

3 海洋新能源對(duì)海洋地質(zhì)災(zāi)害研究的新需求和挑戰(zhàn)

基于近30年的調(diào)查研究，我國(guó)已經(jīng)頒布實(shí)施了《海洋調(diào)查規(guī)范第11分冊(cè)海洋工程地質(zhì)》[56]《海底電纜管道路由勘察規(guī)范》[57]和《海上平臺(tái)場(chǎng)址工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[58]等標(biāo)準(zhǔn)，主要適用于近海石油平臺(tái)、海底管道和通信光纜等點(diǎn)狀或線狀的工程場(chǎng)址的勘察和地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)。然而，這些正在執(zhí)行或?qū)嵤┑囊?guī)范和標(biāo)準(zhǔn)已無(wú)法滿足深水油氣、天然氣水合物、海上風(fēng)電和海上光伏等新能源開(kāi)發(fā)的需要，急需新技術(shù)、新方法和新標(biāo)準(zhǔn)，以降低新能源開(kāi)發(fā)的海洋地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 深水油氣開(kāi)發(fā)的需求和挑戰(zhàn)

美國(guó)海洋能源管理局(The Bureau of Ocean Energy Management,BOEM)和美國(guó)安全與環(huán)境執(zhí)法局(the Bureau of Safety and Environmental Enforcement,BSEE)定義的“深水”，是指水深超過(guò)300 m（1 000英尺）的海域。深水區(qū)域特殊的自然環(huán)境和復(fù)雜的油氣儲(chǔ)藏條件決定了深水油氣勘探開(kāi)發(fā)具有高投入、高回報(bào)、高技術(shù)和高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)。

首先，深海是迄今為止人類知之最少的“科學(xué)盲區(qū)”。深水地形地貌、地質(zhì)環(huán)境、動(dòng)力特征和工程地質(zhì)條件復(fù)雜多變，海底滑坡、濁流、淺層氣和底辟等地質(zhì)災(zāi)害類型多、規(guī)模大；深水區(qū)等深流、潮成內(nèi)波、內(nèi)孤立波、中尺度渦旋等非線性動(dòng)力與劇烈變化的海底地形共同作用，不僅塑造了海底峽谷、沖蝕溝槽等地貌體，也擾亂了正常的沉積作用過(guò)程，使地層連續(xù)性差，沉積物物理力學(xué)性質(zhì)差異性高。這在上述挪威深水氣田和我國(guó)南海荔灣3-1氣田和陵水17-3氣田等開(kāi)發(fā)過(guò)程中已有明顯體現(xiàn)。隨著全球變暖、海面上升，臺(tái)風(fēng)、熱帶風(fēng)暴、內(nèi)孤立波和復(fù)雜洋流等災(zāi)害性事件發(fā)生頻率的逐漸增加和規(guī)模的逐漸增大，各種地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重影響著深水工程建設(shè)和運(yùn)維。2010年4月20日，“深水地平線”鉆井平臺(tái)在墨西哥灣的爆炸事件，使人們更加意識(shí)到開(kāi)發(fā)深水油氣資源的風(fēng)險(xiǎn)，以及對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生機(jī)制認(rèn)識(shí)和理解的重要性。

其次，深水地質(zhì)災(zāi)害機(jī)制更加復(fù)雜，涉及區(qū)域更大。海底地質(zhì)災(zāi)害致災(zāi)因子相互關(guān)聯(lián)，且可能是多種致災(zāi)因子疊加引起，甚至一種海底地質(zhì)災(zāi)害又常常伴隨一系列次生災(zāi)害的發(fā)生，形成一個(gè)連鎖性很強(qiáng)的災(zāi)害鏈。深水地質(zhì)災(zāi)害的規(guī)模和影響范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出陸地和近海，一次大型濁流的沉積物搬運(yùn)量甚至超過(guò)了全球所有河流一年入海沉積物的總和（表1）[59]。再次，深水區(qū)開(kāi)發(fā)工程采用張力腿平臺(tái)、水下生產(chǎn)系統(tǒng)、浮體錨固等新型深水基礎(chǔ)（圖8）。深水新型工程構(gòu)筑物基礎(chǔ)的改變，對(duì)工程勘察的勘察范圍、內(nèi)容和形式提出新的需求。

表1 世界主要海底滑坡分布統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of major submarine landslidesdistribution of the world

圖8 深水油氣開(kāi)發(fā)工程設(shè)施Fig.8 Deepwater oil and gas development engineering facilities

最后，隨著水深加深，淺水勘察方法失去了工程設(shè)計(jì)和地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)所需的（水平的和垂向的）分辨率。船載地球物理勘察設(shè)備，如船載多波束、表面拖曳式側(cè)掃聲吶、船載淺地層剖面等設(shè)備，隨著發(fā)射和接收聲波的距離增加能量衰減迅速，導(dǎo)致地形地貌的分辨率、精度和地層探測(cè)深度都大為降低，以至于無(wú)法滿足深水油氣構(gòu)筑物工程設(shè)計(jì)和施工的需要。因此，以AUV/ROV或深拖等作業(yè)平臺(tái)，搭載多波束、側(cè)掃聲吶和淺地層等設(shè)備在距離海床40～80 m的位置進(jìn)行海底地形地貌和淺地層的高分辨勘察（精度優(yōu)于1 m）成為深水工程勘察獨(dú)特的技術(shù)手段。

3.2 海上風(fēng)電與海上光伏開(kāi)發(fā)的新挑戰(zhàn)

海上風(fēng)電與海上光伏等新能源開(kāi)發(fā)采用的是集約連片式的區(qū)域性用海，與傳統(tǒng)的油氣平臺(tái)的點(diǎn)狀或海底管道纜線的線狀用海方式完全不同。對(duì)這種新型用海方式，海洋工程勘察相關(guān)的現(xiàn)行國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范尚無(wú)法覆蓋。

因海上風(fēng)電與海上光伏等工程場(chǎng)址區(qū)面積約為10 km2，甚至更大；遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于近海油氣平臺(tái)開(kāi)發(fā)場(chǎng)址的1 km2，所以需要勘察的范圍和遭遇不同地質(zhì)災(zāi)害類型的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。首先，場(chǎng)址區(qū)內(nèi)的地層承載力、底質(zhì)抗沖刷力和穩(wěn)定性的各向異性會(huì)隨著場(chǎng)址面積的增加而顯著增大；其次，場(chǎng)址區(qū)不同位置的動(dòng)力特征（風(fēng)、浪、流的方向和速率）也呈現(xiàn)出明顯的空間差異；再次，隨之場(chǎng)址面積的增大，遭遇不同類型不同因素地質(zhì)災(zāi)害——表層的沖淤災(zāi)害、海底地層中的淺層氣、古河道與古湖泊等地層不均一性等的風(fēng)險(xiǎn)也隨之加劇。此外，海洋風(fēng)電與海上光伏等采用的基礎(chǔ)方式有些類似海洋石油平臺(tái)的群樁效應(yīng)，是否引發(fā)區(qū)域性沖淤，還需要運(yùn)維期的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)來(lái)確定。目前還沒(méi)有成熟的方法，來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)場(chǎng)址區(qū)的沖淤狀態(tài)，以及隨后的次生災(zāi)害或衍生災(zāi)害。

因此，需要新的區(qū)域性調(diào)查、勘察或監(jiān)測(cè)的新方法，在時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本許可范圍內(nèi)，盡最大可能地、高效快速地獲取連片工程場(chǎng)址區(qū)的工程地質(zhì)參數(shù)、掌握地質(zhì)災(zāi)害類型分布位置與范圍、活動(dòng)特征和演化趨勢(shì)，建立足夠空間分辨率的綜合地質(zhì)模型（Ground Model），為工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)、地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、基礎(chǔ)沖淤評(píng)估提供足夠的參數(shù)和圖件支撐。

此外，海上風(fēng)電與海上光伏等采用的基礎(chǔ)方式有些類似群樁效應(yīng)，是否會(huì)發(fā)生區(qū)域性沖淤，需要隨著運(yùn)維期的監(jiān)測(cè)來(lái)確定，目前還沒(méi)有成熟的方法來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)場(chǎng)址區(qū)的沖淤狀態(tài)，以及隨后的次生或衍生災(zāi)害。

4 海洋地質(zhì)災(zāi)害研究的最新進(jìn)展

4.1 國(guó)際海洋地質(zhì)災(zāi)害計(jì)劃

世界各國(guó)新近制定的海洋戰(zhàn)略研究都將災(zāi)害研究列入“優(yōu)先領(lǐng)域”。美國(guó)2007年1月26日發(fā)布的“繪制美國(guó)未來(lái)十年海洋科學(xué)發(fā)展路線——海洋科學(xué)研究?jī)?yōu)先領(lǐng)域和實(shí)施戰(zhàn)略”報(bào)告中將“提高對(duì)自然災(zāi)害的恢復(fù)能力”列為研究主題和優(yōu)先研究領(lǐng)域，其內(nèi)容包括“了解自然災(zāi)害事件的發(fā)生、發(fā)展機(jī)理，提高預(yù)測(cè)危害災(zāi)害事件的能力；發(fā)展多種災(zāi)害評(píng)估，支持發(fā)展減輕災(zāi)害的模型、政策和戰(zhàn)略，等”。英國(guó)“2025海洋研究計(jì)劃（Oceans 2025）”中確定的10個(gè)主題的建設(shè)內(nèi)容中即包括“大陸邊緣和深海”“下一代海洋預(yù)測(cè)”，包含了海洋災(zāi)害預(yù)測(cè)。我國(guó)《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》（2006—2020年）中重要領(lǐng)域及其優(yōu)先主題的公共安全內(nèi)容包含了“重大自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)與防御”[60-61]。

4.2 地質(zhì)災(zāi)害勘察研究新技術(shù)

海洋新能源開(kāi)發(fā)及地質(zhì)災(zāi)害研究的發(fā)展帶動(dòng)了幾乎全新的現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)工具或手段，如三維勘探地震反演、自動(dòng)潛水器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）/遙控潛水器（Remotely Operated Vehicle,ROV）/深拖、原位探測(cè)、深水鉆探取樣等技術(shù)、方法和儀器設(shè)備的研發(fā)和創(chuàng)新。同時(shí)，提出了基于“面向過(guò)程”和“概率風(fēng)險(xiǎn)”等新方法和新理論。隨著新技術(shù)、新理論的發(fā)展，提供了認(rèn)識(shí)地質(zhì)災(zāi)害特征、揭示其破壞模式、預(yù)測(cè)其破壞結(jié)果和它們發(fā)生的可能性（風(fēng)險(xiǎn)）的工具和手段，證明人類有能力克服復(fù)雜的深水地質(zhì)環(huán)境，準(zhǔn)確評(píng)估地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，保證了深水油氣資源開(kāi)發(fā)投資的實(shí)現(xiàn)。

1）數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的發(fā)展。隨著AUV和ROV等近海底作業(yè)平臺(tái)的發(fā)展，將側(cè)掃聲吶、多波束、淺地層等聲學(xué)探測(cè)設(shè)備和光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)部署在近3 000 m的海底，從而獲得空間分辨率優(yōu)于2 m的海底數(shù)據(jù)集；新型高分辨率多波束聲吶和短距離偏移三維地震技術(shù)可高效得到幾乎全覆蓋整個(gè)海床和淺表層的形態(tài)數(shù)據(jù)，水平分辨率優(yōu)于5 m，垂直分辨率以米為單位或更?。蝗S勘探地震數(shù)據(jù)、多波束后向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)等的再處理，不僅高效而經(jīng)濟(jì)地獲得了區(qū)域高分辨率和甚高分辨率水深地形信息，還解決了深水地質(zhì)災(zāi)害影響時(shí)空尺度范圍大的難題。

2）數(shù)據(jù)處理可視化技術(shù)。上述新技術(shù)產(chǎn)生的以TB計(jì)的數(shù)據(jù)集對(duì)數(shù)據(jù)建模和可視化提出需求，F(xiàn)ledermaus等交互式三維可視化工具，可利用這些高分辨率的海量數(shù)據(jù)集，以人類視覺(jué)系統(tǒng)的方式量化區(qū)域形態(tài)和微細(xì)地貌特征，為識(shí)別各類地質(zhì)災(zāi)害，定量評(píng)估地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，從而降低深水地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)，為成功開(kāi)發(fā)深水油氣資源樹(shù)立信息。這種新型數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，將各種海量的、多源多期多類型數(shù)據(jù)——不同比例尺、制造年期、類型（網(wǎng)格化矢量或者柵格圖像文件）、不同品質(zhì)和多分量空間數(shù)據(jù)集，在保持每個(gè)數(shù)據(jù)集各自固有分辨率等級(jí)的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)融合或整合；再通過(guò)彩色繪制、覆蓋、紋理映射和太陽(yáng)照明，以自然外觀和易于解釋量化的三維圖像展示。帶有cm-mm標(biāo)度分辨率的視頻圖像，可以嵌合和紋理映射到米級(jí)分辨率或更低低的水深地形數(shù)據(jù)上，以便以極高分辨率查看在區(qū)域形態(tài)環(huán)境內(nèi)的局部場(chǎng)地特征；多波束的背向散射數(shù)據(jù)（Back Scan）或勘探地震首波振幅強(qiáng)度數(shù)據(jù)也可以覆蓋在水深地形數(shù)據(jù)上，使得海底表層沉積物屬性與其形態(tài)特征可以直接進(jìn)行整合應(yīng)用，從而可使用背向散射角關(guān)系來(lái)確定淺表層沉積物中的氣體含量；地層數(shù)據(jù)也可包含在三維場(chǎng)景中，從而使地質(zhì)專家以簡(jiǎn)單直覺(jué)(但定量)的方式認(rèn)識(shí)場(chǎng)址區(qū)地層結(jié)構(gòu)和屬性同海床形態(tài)特征之間的關(guān)系?；谶@些新型數(shù)據(jù)可視化軟件提供的功能——數(shù)據(jù)查詢、地物面積與體積量算、地形坡度或梯度參數(shù)輸出，可準(zhǔn)確圈定各類地質(zhì)災(zāi)害因素分布位置、范圍，全面掌握其內(nèi)部形狀和接觸關(guān)系，既把地質(zhì)災(zāi)害機(jī)制研究和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)向前推進(jìn)一大步，又為成功實(shí)施深水工程安裝就位提供支撐。

3）現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試和監(jiān)測(cè)技術(shù)。以細(xì)粒欠固結(jié)的軟黏土沉積為主，且具有低強(qiáng)度、高含水量、高觸變、高靈敏度和應(yīng)變軟化等特性。CPTU（Cone Penetration Testing Piezocones）、PROD和Mebo200等原位測(cè)試和取樣設(shè)備，配合適用于深水軟黏土T-bar、Ball-bar等原位測(cè)試探頭，避免了對(duì)樣品的擾動(dòng)，可準(zhǔn)確測(cè)試深水淺表層土的物理力學(xué)性質(zhì)，為地質(zhì)災(zāi)害力學(xué)計(jì)算和數(shù)值模擬計(jì)算提供所需的土質(zhì)參數(shù)；安裝在1 000 m水深100 m地層中的孔隙水壓力原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)1 a的連續(xù)監(jiān)測(cè)，為評(píng)估地震、淺層氣或天然氣水合物釋放造成地層中孔隙水壓力變化提供了實(shí)用工具。此外，鉆孔地球物理錄井是對(duì)海面拖帶地震技術(shù)的一個(gè)必要補(bǔ)充，它能獲得直接的地質(zhì)災(zāi)害證據(jù)，例如對(duì)于天然氣水合物的中子/伽馬密度測(cè)井、對(duì)于大塊巖石區(qū)的聲波測(cè)試和對(duì)于鑒別淺層流體的電導(dǎo)率測(cè)試等。鉆孔的地球物理錄井（特別是密度和聲波錄井）為地震剖面資料和鉆孔資料的準(zhǔn)確結(jié)合提供了方法。

4）數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)?；谌S地震的海底峰值振幅與MSCL（Multi-Sensor Core Logginger）測(cè)量的巖芯阻抗之間的關(guān)系加上鉆探取樣/原位測(cè)試數(shù)據(jù)共同搭起了地層物理力學(xué)測(cè)試點(diǎn)的橋梁，可以推測(cè)出區(qū)域不同土層土體強(qiáng)度參數(shù)，進(jìn)而將多波束海底坡度、三維地震資料和土體強(qiáng)度數(shù)據(jù)輸入無(wú)限邊坡穩(wěn)定分析中，又可以確定陡坡松軟沉積物的潛在不穩(wěn)定區(qū)域。

5）三維地質(zhì)模型構(gòu)建技術(shù)發(fā)展。隨著與上述技術(shù)發(fā)展同時(shí)發(fā)生的計(jì)算機(jī)處理能力的進(jìn)步，推動(dòng)了三維可視化地質(zhì)模型構(gòu)建工具的持續(xù)發(fā)展。將多源各類參數(shù)、多比例數(shù)據(jù)集以大地坐標(biāo)系為參照系，進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，構(gòu)建三維可視化地質(zhì)模型；使得海底地形地貌、地層結(jié)構(gòu)等形態(tài)和屬性數(shù)據(jù)以自然、直觀的方式展示出來(lái)。還可利用其提供的一系列分析工具，進(jìn)行深水地質(zhì)地質(zhì)過(guò)程分析和定量評(píng)估地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性和風(fēng)險(xiǎn)。

5 我國(guó)海洋地質(zhì)災(zāi)害研究展望

隨著2013年南海北部陸坡荔灣LW3-1氣田（水深1 580 m）的成功開(kāi)發(fā)和天然氣水合物的2次試采成功，我國(guó)深水工程勘察也取得了令人矚目的進(jìn)步[62-64]，不僅極大地推動(dòng)了我國(guó)深水探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，在深海保真采樣系統(tǒng)、深?？梢暡蓸酉到y(tǒng)、原位探測(cè)技術(shù)等方面均得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。然而，還是應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到，我國(guó)深水地質(zhì)勘察技術(shù)和研究與國(guó)際先進(jìn)水平相比還有不小的差距。

我國(guó)深水鉆探取樣和現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試等技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平的差距較大。尤其在坐底式靜力觸探設(shè)備和測(cè)試探頭等方面；在＞400 m的深水原位測(cè)試作業(yè)，幾乎都委托國(guó)外執(zhí)行；與我國(guó)大面積的深水區(qū)相比，當(dāng)前積累的深水沉積物物理力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)是非常有限的。這極大地限制了我國(guó)深水工程地質(zhì)探測(cè)能力，進(jìn)而阻礙了深水地質(zhì)災(zāi)害成因機(jī)制的研究水平，如深水地震振幅強(qiáng)度—沉積物波阻抗—沉積物物理力學(xué)指標(biāo)的相關(guān)性、靜力觸探結(jié)果與室內(nèi)測(cè)試結(jié)果的相互對(duì)比等。

深水工程勘探是伴隨著油氣、天然氣水合物、鐵錳結(jié)核與熱液硫化物等礦產(chǎn)資源、生物和空間等深水資源的勘探開(kāi)發(fā)而發(fā)展起來(lái)的。隨著開(kāi)發(fā)深水資源成為國(guó)家海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)的重要戰(zhàn)略，開(kāi)展深水工程勘察與地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等也必須同步發(fā)展，為深水資源勘探和開(kāi)發(fā)保駕護(hù)航。

遵照“夯實(shí)基礎(chǔ)、構(gòu)建能力、重點(diǎn)突破”的原則，按照“問(wèn)題引導(dǎo)、需求導(dǎo)向“，基于”“面向過(guò)程”理論，開(kāi)展深水地質(zhì)災(zāi)害研究，從而逐步提升我國(guó)深水工程勘察技術(shù)和理論水平。

1）首先是打好研究地質(zhì)和環(huán)境等的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。我國(guó)已實(shí)施過(guò)多次海域綜合調(diào)查，累積了大量不同時(shí)代、不同分辨率、不同類型——地形、地貌、沉積物、重力、工程地質(zhì)和構(gòu)造等的數(shù)據(jù)集；整合和同化這些數(shù)據(jù)，構(gòu)建國(guó)家海洋多源多期數(shù)據(jù)集；在區(qū)域性多波束數(shù)據(jù)和三維地震首波時(shí)程等數(shù)據(jù)支持下，編制區(qū)域新能源開(kāi)發(fā)區(qū)及其鄰近海域的高分辨海底形態(tài)圖，以此為基礎(chǔ)識(shí)別地質(zhì)災(zāi)害，甄選海底滑坡、濁流多發(fā)區(qū)域，摸清深水地質(zhì)災(zāi)害的類型和分布，編制地質(zhì)災(zāi)害圖，顯示新能源開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)的各類海底地質(zhì)災(zāi)害分布位置與范圍，以及與危險(xiǎn)性事件重現(xiàn)有關(guān)的時(shí)間間隔和危害性等級(jí)；建立海底滑坡編錄，為開(kāi)展深入研究奠定基礎(chǔ)。

2）構(gòu)建能力，即構(gòu)建新能源開(kāi)發(fā)所需要的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查研究能力。雖然我國(guó)在海洋勘察技術(shù)和工具已經(jīng)取得不錯(cuò)的進(jìn)步。但需加快步伐去改善，以減少地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估的不確定性。這些能力包括以下幾個(gè)部分。

觸發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的內(nèi)動(dòng)力與外動(dòng)力的監(jiān)測(cè)：基于海底地震儀（Ocean Bottom Seismometer，OBS）、海底水動(dòng)力觀測(cè)潛標(biāo)、地層中壓力/應(yīng)變監(jiān)測(cè)傳感器、新型海水電池、水下接駁器和光纖傳輸?shù)燃夹g(shù)，研制適用于深水可長(zhǎng)期布放于海底的觀測(cè)系統(tǒng)和觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，攻克高精度網(wǎng)絡(luò)化綜合觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)布設(shè)的技術(shù)堡壘，搭建起海底地震（海嘯）監(jiān)測(cè)網(wǎng)、深水環(huán)境動(dòng)力監(jiān)測(cè)網(wǎng)，獲取海洋基本要素變化的觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析時(shí)空動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及影響因素，挖掘出地震動(dòng)和底層水動(dòng)力等內(nèi)外動(dòng)力，與沉積物運(yùn)移、地層沉降和地層內(nèi)孔隙水壓力變化等過(guò)程或指標(biāo)之間的作用機(jī)制，為構(gòu)建區(qū)域地質(zhì)模型和地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)模擬提供數(shù)據(jù)支撐。

深水地球物理勘察能力：AUV已在國(guó)際深水油氣開(kāi)發(fā)工程，以及馬航MH370航班搜救事件中得到廣泛應(yīng)用，成為深水地質(zhì)災(zāi)害和工程勘察的必備和首選工具。我國(guó)在“863”和“國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)”等項(xiàng)目資助下，開(kāi)展了AUV技術(shù)攻關(guān)和研制，在系統(tǒng)集成、控制和水下聲學(xué)定位等方面取得了成功，仍需加快技術(shù)攻關(guān)的步伐，自主建造深水作業(yè)級(jí)AUV，使之在我國(guó)管轄深水海域和國(guó)際深水工程區(qū)大顯身手。使多波束相干聲吶、合成孔徑聲吶以及相控參量陣聲吶等海底聲學(xué)探測(cè)系統(tǒng)設(shè)備和技術(shù)在精度、穩(wěn)定性等方面具備國(guó)際先進(jìn)水平。

地質(zhì)取樣和巖土工程原位測(cè)試能力：深水鉆探/原位探測(cè)（in-situ tesing）作業(yè)船、鉆機(jī)與鉆具和原位探測(cè)系統(tǒng)與探頭、地球物理測(cè)井等能力是深水巖土性質(zhì)勘察和獲取測(cè)試用長(zhǎng)巖芯樣品的關(guān)鍵。我國(guó)自主建造的海洋石油708船已完成1710 m水深的100 m巖芯鉆探取樣，開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)深水地質(zhì)鉆探取樣的先河。引進(jìn)的“坐底式”靜力觸探設(shè)備能夠完成3 000 m以淺水域40 m深度的原位測(cè)試，但是測(cè)試用探頭的標(biāo)定和檢驗(yàn)等技術(shù)亟待攻克。原位測(cè)試結(jié)果、地球物理測(cè)井結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的相關(guān)性和一致性等研究急需開(kāi)展。

海量數(shù)據(jù)三維可視化能力：開(kāi)發(fā)高效處理和顯示三維數(shù)據(jù)的軟件系統(tǒng)，以新的海底形態(tài)學(xué)透視方法展示區(qū)域地形、地層和地質(zhì)災(zāi)害的分布與微觀結(jié)構(gòu)，以及地層物質(zhì)組成和物理力學(xué)指標(biāo)等。以此為基礎(chǔ)編制質(zhì)地質(zhì)災(zāi)害圖，顯示新能源開(kāi)發(fā)區(qū)域中地質(zhì)災(zāi)害分布特征，并且描繪地質(zhì)災(zāi)害重現(xiàn)期及危害量級(jí)。

3）重點(diǎn)突破，即針對(duì)我國(guó)新能源開(kāi)發(fā)重點(diǎn)區(qū)塊，重點(diǎn)開(kāi)展危害性嚴(yán)重的滑坡、重力流和底流沖蝕等災(zāi)害的研究。我國(guó)深水油氣重點(diǎn)開(kāi)采區(qū)塊——荔灣、流花和陵水等皆位于南海北部陸坡區(qū)，而該區(qū)域海底峽谷、沙波沙波紋和侵蝕溝槽等地貌發(fā)育，且峽谷區(qū)地形坡降大，南海北部頻繁的地震活動(dòng)是激發(fā)滑坡，引發(fā)濁流的主要因素。同時(shí)，系統(tǒng)研究南?；隆⒅亓α骱偷琢鳑_蝕等的形成地質(zhì)過(guò)程和沉積結(jié)果，也有助于深水沉積環(huán)境、沉積物“源—匯”以及海面變化等氣候環(huán)境研究。