海南東方西部海域沙波和沙脊分布特征

張先鋒，歐陽(yáng)義，劉 臻，程 榮，劉 雷，曹 瑞，張軍勇

（中國(guó)電建集團(tuán) 中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410014）

海底沙波是在海洋浪、潮、流等水動(dòng)力作用下形成波的脊線垂直于主水流方向的一種韻律分布的海床地貌形態(tài)，主要由現(xiàn)代河流入海沉積或原地和鄰近海底較老沉積物形成。海底沙波中存儲(chǔ)著氣候變化、岸線變遷、海平面升降等多種海洋環(huán)境信息，是研究海陸相互作用、區(qū)域及全球變化的理想載體。其研究不僅具有重要的科學(xué)意義，還有廣泛的生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值。如對(duì)海底沙脊的時(shí)空分布、成因機(jī)制及演化規(guī)律的研究，有利于準(zhǔn)確地建立古環(huán)境演變及其沉積模式；對(duì)沙脊穩(wěn)定性的研究在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防以及軍事科學(xué)研究中具有重要意義。

國(guó)外關(guān)于海底沙波的研究起源較早，主要集中于20 世紀(jì)初（Copnish, 1901; Gilbert, 1914），代表性的研究區(qū)域和研究成果集中在丹麥西海岸（Dennis et al, 2002）、意大利墨西拿海峽（Massimo, 2004）、荷蘭馬爾斯水道（Maarten et al, 2008）、大西洋的北海（Knaaoen, 2004, 2005, 2009）等。中國(guó)對(duì)于海底沙波研究起步相對(duì)較晚，研究區(qū)域主要集中在南海北部（馮文科等, 1994; 王尚毅, 1994）、東海北部（葉銀燦等, 1984）和渤海東部（劉振夏等, 1996）。夏東興等（2001）對(duì)海南東方岸外20～50 m 水深海底沙波形成的動(dòng)力環(huán)境、形態(tài)特征、剖面結(jié)構(gòu)及其分布特征進(jìn)行了描述和分析。王偉偉等（2007）利用2004—2006 年連續(xù)3 年的多波束海底地貌掃描數(shù)據(jù)研究了海南島西南海底沙波活動(dòng)及底床沖淤變化。李勇航等（2021）利用多波束測(cè)深、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面、單道地震資料綜合分析了海南島東方附近活動(dòng)沙波的地球物理特征，探討了沙波的分布特征、遷移機(jī)制、活動(dòng)性及形態(tài)演變特征。當(dāng)前研究多專注于沙波、沙脊形態(tài)描述及遷移趨勢(shì)分析，對(duì)沙波、沙脊的成因機(jī)制研究較少。本文基于海南東方外海沙波、沙脊典型發(fā)育區(qū)的高分辨率地球物理調(diào)查成果，分析了研究區(qū)內(nèi)不同規(guī)模沙波、沙脊的發(fā)育特征，進(jìn)而探討了沙波、沙脊成因機(jī)制，并定性評(píng)價(jià)了沙波、沙脊的活動(dòng)性。

1 研究數(shù)據(jù)

本文研究區(qū)域?yàn)楹Ｄ鲜|方市西南部海域，離岸最近距離約25 km，水深10～40 m，具體研究區(qū)域位置示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)位置Fig. 1 Location diagram of the study area

1.1 數(shù)據(jù)采集

2021 年11 月至2022 年3 月，依托海南海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)工程，中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司在海南東方外海開(kāi)展了多波束水深測(cè)量、側(cè)掃聲吶探測(cè)工作。多波束水深測(cè)量使用RESON Seabat 7125 型完成數(shù)據(jù)采集，換能器采用側(cè)舷安裝方式，配套姿態(tài)系統(tǒng)為POS-MV 型光纖姿態(tài)傳感器及HYDRINS 光纖羅經(jīng)系統(tǒng)，并輸出5 m×5 m 小網(wǎng)格水深數(shù)據(jù)。側(cè)掃聲吶探測(cè)使用EdgeTech 4200MP 雙頻側(cè)掃聲吶，采用尾拖方式作業(yè)，獲取了研究區(qū)高分辨率的海床聲學(xué)影像。

1.2 數(shù)據(jù)處理

多波束數(shù)據(jù)使用CARIS HIPS/SIPS 系統(tǒng)完成處理。數(shù)據(jù)處理過(guò)程包括船型參數(shù)改正、吃水改正、聲速剖面改正等方面的校正，并采用軟件識(shí)別和人工判讀方式分別對(duì)導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)、傳感器參數(shù)、數(shù)據(jù)的連續(xù)性、深度數(shù)據(jù)的置信度及噪聲方面進(jìn)行處理。

側(cè)掃聲吶資料后處理與解釋使用TritonPerspective 后處理軟件。將各測(cè)線的聲吶影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中，對(duì)其進(jìn)行TVG 改正、斜距改正和速度改正，并將其鑲嵌成完整的海底聲吶影像圖。根據(jù)聲吶影像數(shù)據(jù)記錄的海底反射信號(hào)，判讀調(diào)查區(qū)的海底地貌特征，并結(jié)合水深地形測(cè)量和淺地層剖面資料分析海底微地貌單元的分類和特征，同時(shí)完成特殊地貌體和目標(biāo)物的形態(tài)識(shí)別和參數(shù)量取。

2 沙波、沙脊分布特征

2.1 地形地貌

測(cè)量結(jié)果顯示，研究區(qū)域內(nèi)沙波、沙脊十分發(fā)育。受沙波、沙脊等地貌單元的影響，研究區(qū)域內(nèi)的水深多變化，地形條件復(fù)雜。多波束水深測(cè)量結(jié)果顯示，研究區(qū)域水深介于12～50 m，該區(qū)域發(fā)育一紡錘形沙脊，最深點(diǎn)位于研究區(qū)域西北角區(qū)域，總體呈由東向西以波狀形態(tài)緩慢加深的特征（圖2）。

圖2 研究區(qū)域水深及不同沙波類型分布Fig. 2 Bathometry and distribution of sand wave types in the study area

根據(jù)水深測(cè)量結(jié)果，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的大型地貌單元進(jìn)行了識(shí)別，識(shí)別出沙脊D（Sand ridges）及不同規(guī)模沙波。研究區(qū)內(nèi)的沙波以波高為主要?jiǎng)澐种笜?biāo)（單紅仙等, 2017），可劃分為巨型沙波G（Giant sand waves，波高大于5.00 m）、大型沙波L（Large sand waves，波高介于0.75～5.00 m）、中型沙波M（Medium sand waves，波高介于0.40～0.75 m）以及小型沙波S（Small sand waves，波高介于0.075～0.40 m）四個(gè)地貌類型。其中，根據(jù)沙波發(fā)育形態(tài)、規(guī)模等特征，巨型沙波、大型沙波又可細(xì)分為I、II 兩個(gè)子類型。研究區(qū)域沙脊及沙波類型分布如圖2 所示，具體特征如下。

1）沙脊（D）

研究區(qū)域內(nèi)共發(fā)育5 處沙脊，2 處（D1～D2）分布于研究區(qū)域中部偏西，3 處（D3～D5）分布于中東部。5 處沙脊長(zhǎng)軸均沿S—N 向，但平面形態(tài)又呈現(xiàn)明顯差異，其中中部偏西的兩處沙波橫向延伸更大，寬度可達(dá)4.0～5.0 km，沙脊斷面形態(tài)對(duì)稱性較好，總體坡度平緩（小于0.5°），并多伴生大型沙波；中東部的沙脊平面形態(tài)更為狹長(zhǎng)，寬度不足1.0 km，近似紡錘形，橫斷面形態(tài)呈典型的單峰狀或拋物線狀，兩側(cè)坡度稍大（介于1°～3°），脊面多呈平滑狀態(tài)，僅在末端可見(jiàn)沙波發(fā)育。

2）巨型沙波（G）

巨型沙波I 型（G-I）主要以塊狀分布于研究區(qū)域中心區(qū)域以及呈不規(guī)則帶狀分布于研究區(qū)域東部。平面形態(tài)上，該類型沙波脊線平直，沙波近平行排列，脊線間距100～150 m 不等，脊線延伸方向以E—W 向?yàn)橹?，局部沿NW—SE 方向，脊線長(zhǎng)0.6～1.2 km 不等；該類型沙波高度較大，整體介于8.0～10.0 m，個(gè)別高度甚至超過(guò)12.0 m，沙波斷面形態(tài)規(guī)則，呈對(duì)稱或近對(duì)稱形態(tài)，坡度較大，傾角普遍超過(guò)12°，最大近15°。巨型沙波I 型（G-I）的典型聲學(xué)影像如圖3 所示。

圖3 巨型沙波I 型（G-I）典型聲學(xué)影像Fig. 3 Typical acoustic image of giant sand wave type I (G-I)

巨型沙波II 型（G-II）在研究區(qū)域內(nèi)分布最為廣泛，且發(fā)育范圍較大。相較巨型沙波I 型發(fā)育特征而言，該型沙波在平面上更為稀疏，即沙波間距離更大，波長(zhǎng)介于200～1 000 m。微觀特征上，該型沙波由波長(zhǎng)幾百米不等的次級(jí)沙波以犬牙交錯(cuò)狀組合為綿延數(shù)千米的“沙波組”，沙波脊線整體沿近E—W 向延伸，局部可見(jiàn)兩組沙波匯聚的現(xiàn)象，這一特征在研究區(qū)域中部、兩組沙脊中間的海域最為典型。該類型沙波典型聲學(xué)影像如圖4 所示。

圖4 巨型沙波II 型（G-II）典型聲學(xué)影像Fig. 4 Typical acoustic image of giant sand wave type II (G-II)

G-II 型沙波高度較大，整體介于4.0～10.0 m，個(gè)別高度甚至超過(guò)12.0 m，沙波斷面呈明顯不對(duì)稱形態(tài)，迎流面坡度約為2°，背流面坡度顯著增大，一般大于12°。這一特征表明，此類沙波具有較高的活動(dòng)性，根據(jù)沙波不對(duì)稱特征分布可以初步判斷，東部、中部的沙波具有由南向北遷移的趨勢(shì)，而研究區(qū)域西側(cè)的此類沙波則呈現(xiàn)出由北向南遷移的趨勢(shì)。圖5 為P1 斷面的這一類型沙波的分布形態(tài)。

圖5 巨型沙波II 型（G-II）典型斷面形態(tài)（P1 斷面）Fig. 5 Typical section of of giant sand wave type II (G-II) (Section P1)

3）大型沙波（L）

大型沙波I 型（L-I）（典型聲學(xué)影像見(jiàn)圖6）在研究區(qū)域內(nèi)分布較廣泛，主要發(fā)育于沙脊頂面、側(cè)緣以及巨型沙波的邊緣地帶。平面形態(tài)上，此類沙波脊線順直或平滑，脊線延伸長(zhǎng)度幾百米至數(shù)千米不等，沙波多以平行或近平行的形式排布，脊線間距變化幅度不大，總體介于100～200 m。斷面形態(tài)上，沙波橫斷面多呈對(duì)稱的單峰形態(tài)，兩側(cè)坡度相近，且較小，介于2°～5°。

圖6 大型沙波I 型（L-I）典型聲學(xué)影像Fig. 6 Typical acoustic image of large sand wave type I (L-I)

大型沙波II 型（L-II）（典型聲學(xué)影像見(jiàn)圖7）主要分布于研究區(qū)域東北角。平面形態(tài)上，多以新月形的孤立沙波單體為主，脊線長(zhǎng)度介于200～400 m，平面分布上疏密不一。沙波橫斷面多呈不對(duì)稱形態(tài)，如圖8 所示的P2 斷面的迎流面為2°左右，背流面為12°左右，這一特征表明沙波的活動(dòng)性較強(qiáng)。

圖7 大型沙波II 型（L-II）典型聲學(xué)影像Fig. 7 Typical acoustic image of large sand wave type II (L-II)

圖8 大型沙波II 型（L-II）典型斷面形態(tài)（P2 斷面）Fig. 8 Typical section of of large sand wave type II (L-II) (Section P2)

4）中型沙波（M）

中型沙波（典型聲學(xué)影像見(jiàn)圖9）僅在研究區(qū)域西南角區(qū)域獨(dú)立成規(guī)模出現(xiàn)。平面上，此類沙波脊線較平滑，軸向延伸長(zhǎng)，波長(zhǎng)75 m 左右。斷面形態(tài)上均呈典型的對(duì)稱單峰狀態(tài)，坡度約為2°，沙波高度一致性好，均值在0.5 m 左右，變化范圍較小。

圖9 中型沙波典型聲學(xué)影像Fig. 9 Typical acoustic image of middle sand wave

5）小型沙波（S）

小型沙波主要發(fā)育于大型沙波邊緣，為大型沙波向小型沙波過(guò)渡的區(qū)域，主要位于研究區(qū)域西南部的有限范圍內(nèi)。該型沙波波高較小，一般介于0.2～0.4 m，斷面形態(tài)上多呈對(duì)稱狀，坡度整體在1°左右。

2.2 微地貌（沙紋）

對(duì)于多波束可識(shí)別的目標(biāo)，側(cè)掃聲吶探測(cè)結(jié)果與其基本一致。但是受限于多波束的分辨率，側(cè)掃聲吶仍是海底微地貌調(diào)查不可或缺的補(bǔ)充手段。通過(guò)對(duì)海床進(jìn)行側(cè)掃聲吶掃測(cè)，進(jìn)一步探明了多波束未能揭露的微地貌特征。除上文所述沙波、沙脊外，側(cè)掃聲吶還揭示了沙紋等微地貌單元。

受沙波、沙脊等大型地貌單元的控制，沙紋在研究區(qū)域內(nèi)廣泛發(fā)育，僅在研究區(qū)域西側(cè)1.5～2.0 km 范圍內(nèi)未發(fā)育，該區(qū)域水深較深，約為35 m，地形平坦。

沙紋高度較小，在側(cè)掃聲吶上未見(jiàn)聲學(xué)陰影顯示，脊線多呈波狀連續(xù)，走向與潮流方向近垂直，韻律性佳，因發(fā)育區(qū)域差異，波長(zhǎng)介于5.0～12.5 m。

沙波、沙脊發(fā)育區(qū)內(nèi)，沙紋（典型聲學(xué)影像見(jiàn)圖10）多發(fā)育于沙波迎流面，背流面及其沿潮流延伸方向一定范圍內(nèi)的海床多呈平滑狀態(tài)。這一特征是沙波遷移的典型指示，表明區(qū)域內(nèi)的沙波具有較強(qiáng)的活動(dòng)性，這一現(xiàn)象以大型、巨型沙波區(qū)最為顯著。

圖10 伴生于沙波迎流面的沙紋典型聲學(xué)影像Fig. 10 Typical acoustic image of sand ripples associated with upstream side of the sand wave

研究區(qū)域西側(cè)的沙波沙脊區(qū)向平滑海底過(guò)渡區(qū)域發(fā)育沙紋（典型聲學(xué)影像見(jiàn)圖11），該區(qū)域內(nèi)地形平緩，一般較少見(jiàn)沙波發(fā)育，沙紋發(fā)育特征一致性佳，指示了較穩(wěn)定的水動(dòng)力條件。此類沙紋一般分布于距沙波沙脊區(qū)西側(cè)3.0～5.0 km 的范圍內(nèi)。

圖11 研究區(qū)西部海底沙紋典型聲學(xué)影像Fig. 11 Typical acoustic image of seabed sand ripples in the western part of the study area

2.3 沙波沙脊發(fā)育機(jī)制分析

研究區(qū)內(nèi)的調(diào)查結(jié)果顯示，由東向西方向沙波沙脊發(fā)育規(guī)模整體呈現(xiàn)減弱的趨勢(shì)，其中以研究區(qū)中西部南北向兩個(gè)形態(tài)不甚典型的沙脊為明顯界線，界線東側(cè)海域不同規(guī)模、形態(tài)的沙波密集發(fā)育，沙脊形態(tài)典型；界線以西沙波則僅發(fā)育于水深超過(guò)于40 m 的局部區(qū)域，且沙波多以相對(duì)孤立的新月形沙波為主。需要注意的是，研究區(qū)中西部3 處典型沙脊的界面（水深小于26 m）上則未見(jiàn)沙波發(fā)育，沙脊末端水深介于26～30 m 的區(qū)域則發(fā)育大量的巨型、大型沙波。根據(jù)這一分布規(guī)律推測(cè)，研究區(qū)內(nèi)的沙波沉積物主要來(lái)源于沙脊沉積體以及周邊海床的近源沉積物。沙脊末端即兩側(cè)坡面根部，由于局部地形的變化，對(duì)底層流的水平及垂直兩個(gè)方向的流向、流速均產(chǎn)生明顯的約束，從而導(dǎo)致沙脊末端、沙脊坡面根部流速增大，對(duì)沙脊產(chǎn)生沖刷、再造，沉積物中的細(xì)粒組分隨潮流搬運(yùn)，粗粒組分在原地聚集，從而發(fā)育一系列大規(guī)模的沙波區(qū)。在沙脊之間以及沙脊西側(cè)海域的開(kāi)闊海底，沙波類型多為孤立的新月形沙波或由其沙波組，這一特征符合新月形沙波沉積物供應(yīng)不充足的發(fā)育特點(diǎn)。

綜合上述分析推測(cè)，研究區(qū)內(nèi)的沙脊發(fā)育于低海面時(shí)期的淺水高能環(huán)境，在當(dāng)前的沉積動(dòng)力環(huán)境下處于基本穩(wěn)定的狀態(tài)，活動(dòng)性較弱，沙波則主要形成于末次海侵以來(lái)高海面低能環(huán)境中，當(dāng)前仍處于發(fā)育過(guò)程中。定量判斷研究區(qū)內(nèi)沙波沙脊活動(dòng)性、遷移速率，進(jìn)而評(píng)價(jià)沙波沙脊活動(dòng)性的工程影響，仍需古沉積環(huán)境等方面的研究工作支撐，這也是后期需要進(jìn)一步開(kāi)展的工作重點(diǎn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)研究區(qū)內(nèi)不同規(guī)模沙波、沙脊發(fā)育特征的研究，分析了沙波沙脊空間分布特征及不同類型沙波的組合關(guān)系，對(duì)沙波沙脊成因機(jī)制進(jìn)行了探討。本次調(diào)查研究主要得出以下結(jié)論。

1）海南西部海域?yàn)榈湫蜕巢ā⑸臣拱l(fā)育區(qū)，區(qū)域內(nèi)地形復(fù)雜，廣泛發(fā)育沙脊及規(guī)模不等各型沙波等。平面上，沙波、沙脊主要發(fā)育于水深26～30 m 海域，水深大于40 m 的區(qū)域沙波規(guī)模相對(duì)較小。

2）不同規(guī)模、特征的沙波沙脊空間組合伴生關(guān)系表明，研究區(qū)域內(nèi)的沙脊發(fā)育于低海面時(shí)期的淺水高能環(huán)境，活動(dòng)性較弱，沙波則主要形成于末次海侵以來(lái)高海面低能環(huán)境中，持續(xù)演化的可能性較大。

3）研究區(qū)域內(nèi)沙波沙脊的發(fā)育演化受海平面變化及潮流等因素控制。根據(jù)當(dāng)前的研究基礎(chǔ)，尚無(wú)法定量評(píng)價(jià)沙波的活動(dòng)強(qiáng)度，仍需進(jìn)一步收集調(diào)查資料對(duì)區(qū)域內(nèi)的沙波、沙脊的活動(dòng)性進(jìn)行深入研究。