張洪運, 莊麗華, 閻 軍, 馬小川

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南海北部東沙群島西部海域的海底沙波與內(nèi)波的研究進展

張洪運1, 3, 莊麗華1, 2, 閻 軍1, 2, 馬小川1, 2

(1. 中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室, 山東 青島 266071; 3. 中國科學院大學, 北京 100049)

南海北部外陸架和上陸坡分布著大量的各種類型的深水沙波, 經(jīng)過統(tǒng)計, 這些沙波的活動性十分迥異, 有著不同于淺水沙波的運移機制?；趪鴥?nèi)外對該地區(qū)沙波研究成果的總結(jié), 指出天文潮、風暴潮等因素均不可能造成海底沙波的持續(xù)運動。南海北部同時是世界上內(nèi)波活動最頻繁的區(qū)域, 與沙波活動區(qū)存在空間一致性。經(jīng)過本文的綜述分析, 南海北部頻發(fā)的內(nèi)波可以造成海底的強流, 是造成該海域海底沙波活動的主要原因, 未來應在此框架理論下, 進行相關(guān)證實研究。

南海北部; 東沙群島西部海域; 海底沙波; 內(nèi)波

沙波或水下沙丘是一種常見的脊線方向和流體方向垂直的水下微地貌形態(tài), 多見于潮流環(huán)境下[1]。根據(jù)沙波出現(xiàn)的位置可以將沙波分為河道沙波、河口沙波、海灘沙波、海底沙波等。海底沙波根據(jù)出現(xiàn)位置的水深, 可以分為淺水沙波(<50 m)、中水沙波(50~ 100 m)和深水沙波(水深>100 m)。中淺水海底沙波廣泛分布于全球不同海域, 如白令海[2]、北海[3-5]、西北大西洋[6-7]、地中海沿岸[8-9]、舊金山灣灣口[10]、Monterey水下峽谷[11]、法國布雷斯特西南的臺伯河口[12]等。我國渤海[13]、黃東海外陸架[14]、臺灣海峽[15-16]、南海北部[17-22]、北部灣[23-25]也均有大量沙波分布。

有關(guān)淺水沙波的形成過程和機制已研究得非常廣泛和細致, 形成了較為成熟的技術(shù)方法和理論基礎(chǔ), 現(xiàn)有研究討論了這些沙波的分布規(guī)律、形態(tài)特征和發(fā)育條件, 并對海底沙波的形態(tài)和遷移特征進行了對比分析。海底沙波能夠在20~100 cm/s的流速下發(fā)育并發(fā)生移動, 特別是在風暴潮等作用下會產(chǎn)生快速遷移[26-28]。南海北部東沙群島西部海域水深200 m左右的深水沙波處于現(xiàn)代非常規(guī)水動力環(huán)境條件下。海底沙波的遷移可導致海底地形地貌快速演化, 引起海底設施沖刷, 從而影響海底設施的穩(wěn)定性及安全[10, 27], 其形成機制具有特殊的動力過程, 探究其成因和活動規(guī)律, 對于了解南海北部陸架現(xiàn)代沉積過程、地貌演變和物質(zhì)輸運模式具有重要意義, 并對海底工程設施的安全運行和維護具有重要的指導意義, 也可以為該海域的油氣安全生產(chǎn)提供重要科學支持。

1 南海北部的沙波

1.1 沙波特征簡介

南海北部東沙群島西部海域, 水深100~250 m左右的陸架坡折和上陸坡地帶, 廣泛分布有淺灰色和灰黃色以細砂和中砂為主的砂質(zhì)沉積物, 普遍發(fā)育有各種類型的沙波、沙壟和沙丘等沙體地貌[17, 20, 22]。海底沙波總體上沿大陸架和大陸坡轉(zhuǎn)折線呈NE 或NEE向條帶狀延伸[17, 22], 并且沙波多為非對稱型的直線型沙波[17, 20, 22]。沙波區(qū)沙波波高從0.3到5.6 m不等, 波長從5~140 m不等, 基本涵蓋了從小型、中型、大型到巨型的沙波, 并且沙波的規(guī)模隨著水深的增大而增大, 并且不同水深處沙波的活動性差異較大[17]。這些大量的能夠遷移的海底沙波導致番禺30-1氣田海底管道頻繁發(fā)生懸跨, 且具有懸跨區(qū)段多、跨度大、變化快的特點(內(nèi)部資料, 圖1)。沙波主要分布于水深約100~210 m的上陸坡, 整體上看, 沙波發(fā)育具有空間差異性, 從北向南隨著水深的增大, 沙波波高增高, 波長增長, 陡坡和緩坡傾角增大, 沙波對稱性變差?？臻g上沙波的活動性情況也有所不同, 北部淺水區(qū)活動性較小, 中部大型沙波區(qū)活動最明顯, 而西南部復雜地形區(qū)陸坡的坡折線附近沙波活動性很強, 能夠發(fā)生移動, 小范圍內(nèi), 背景基本一致的沙波遷移方向相差很大、甚至方向相反, 主要表現(xiàn)為向陸和向海的兩個方向, 沙波的分布具有明顯的空間差異性。這種現(xiàn)象與Reeder 2011年在南海東沙島東北海域(圖1)的觀測結(jié)果相似, 用傳統(tǒng)的天文潮和風暴潮理論解釋是行不通的[29]。

圖1 研究區(qū)域位置示意圖

1.2 沙波的遷移及其研究方法

海底沙波的遷移與其波高、波長等形態(tài)參數(shù)有關(guān)[30-31], 沙波最初被定義為對稱和不對稱的, 沙波向陡坡方向運移, 其遷移方向與最強潮流方向一致[5, 32],陡坡越陡, 遷移速度越大[23]。目前常用側(cè)掃聲吶和精密水深剖面測量的方法定性或半定量研究沙波的幾何特征[4-5, 7], 也有研究者利用水動力和已有沙波遷移公式對沙波遷移速率進行定量估算和分析[22], 模擬顯示南海北部海底沙波每年以0.155~0.534 m的距離向海(SE)移動, 速度非常緩慢, 受海底地形及其他因素的復雜影響, 數(shù)值模擬的方法具有局限性, 仍需要通過實測數(shù)據(jù)證實。更為直接和可靠的方法是在較高定位精度的基礎(chǔ)上, 通過重復水深測量, 通過剖面對比和平面對比直觀識別海底沙波活動性和演化特征[3, 6, 24, 33], 或利用空間互相關(guān)分析技術(shù)重現(xiàn)海底沙波的二維遷移向量[34-35]。由于大量實測數(shù)據(jù)提供了可靠依據(jù)而使結(jié)果更加可信, 進而使現(xiàn)場觀測及數(shù)據(jù)對比成為研究海底沙波現(xiàn)代活動性、形態(tài)演化和遷移規(guī)律的有效手段。Duffy and Hughes- Clarkes[35]2005年首次利用空間互相關(guān)技術(shù)通過計算不同時刻沙波坡度圖像(對升沉和潮汐誤差不敏感)的互相關(guān)性, 利用質(zhì)心來計算沙波的遷移向量。而Buijsman and Ridderinkhof[34]則在荷蘭 Marsdiep 灣利用 ADCP 數(shù)據(jù)獲得底形 DTM, 然后利用空間互相關(guān)技術(shù), 根據(jù)不同時刻波高(底床高差減平均底床高程)圖像的互相關(guān)最大值成功計算了沙波水平遷移向量和遷移速度。相比沙波特定位置的剖面和平面對比, 這種新的技術(shù)依據(jù)實測數(shù)據(jù), 獲得的遷移向量分布更可靠和全面。因此進一步結(jié)合平面剖面對比方法將能更好地了解海底沙波的活動規(guī)律。

1.3 研究現(xiàn)狀

許多研究者對該地區(qū)的沙波進行了大量的研究工作, 總結(jié)如下(表1), 從形態(tài)結(jié)構(gòu)、遷移規(guī)律、形成和演化等方面, 也發(fā)表了許多高質(zhì)量論文, 但其中存在很多不足, 主要體現(xiàn)在沙波的成因, 以及遷移演化方面, 尤其在沙波運移的水動力機制方面爭論較多。有研究者[18-19, 36-37]認為海底的沙波是今生的, 海底表層沉積物為晚更新世地層受到?jīng)_刷改造的再沉積, 在現(xiàn)今的潮流控制下, 向SE和NW兩個方向移動。也有研究者認為[38]該處沙波是殘留的沙波, 在冰后期由于氣候變暖, 海平面迅速上升, 使該區(qū)的海底沙波地貌未經(jīng)大的改造而保留下來, 并且在現(xiàn)在的潮流環(huán)境下是穩(wěn)定的, 不發(fā)生遷移。也有觀點認為[22], 雖然研究區(qū)的沙波是殘留沙波, 但是在潮流作用下, 向深海發(fā)生遷移。對沙波的遷移動力來源, 主要有以下幾種認識, 潮流, 風暴潮, 風暴潮和潮流的耦合, 該區(qū)域頻發(fā)的海洋內(nèi)波等[17-18, 22, 37, 39-40]。

表1 南海北部海底沙波研究概況表

2 南海北部陸架陸坡區(qū)的內(nèi)波

內(nèi)波是海洋中穩(wěn)定的層化海水中產(chǎn)生的一種內(nèi)部波動, 是海洋中普遍存在的一種現(xiàn)象[41]。依照海洋內(nèi)波的生成機制、內(nèi)波頻率或波長等的不同, 內(nèi)波可劃分為小尺度高頻隨機內(nèi)波、中/小尺度內(nèi)孤立波、內(nèi)潮波、近慣性內(nèi)波等[42]。而內(nèi)潮波在傳播過程中發(fā)生裂變等則會產(chǎn)生內(nèi)孤立波[41]。內(nèi)波的生成源既可以位于海洋的上、下邊界也可以位于海洋內(nèi)部[41], 如: 近海大陸架、大陸坡、海脊等海區(qū)[43-44], 其特征寬度從幾百米至幾百公里不等, 周期則為10~30 min, 而孤立內(nèi)波能夠產(chǎn)生強烈的海流脈動, 產(chǎn)生異常的突發(fā)性強流, 并在其傳播過程中導致局地海面海水強烈輻聚[45], 對懸浮顆粒和沉積物跨大陸架的交換與輸送有較大作用[46]

南海北部普遍存在內(nèi)波現(xiàn)象, 是世界上公認的內(nèi)波頻發(fā)區(qū)[47], 尤其在春夏季節(jié)和季風方向轉(zhuǎn)換, 海水更容易層化, 更易發(fā)生內(nèi)波現(xiàn)象[48], 因而夏季內(nèi)波比冬季更為發(fā)育[49]。南海北部具有顯著的海水垂直層化季節(jié)變化及劇烈變化的海底地形特征, 是孤立內(nèi)波活動的多發(fā)區(qū)[50], 許多學者[51-53]通過利用多源衛(wèi)星遙感圖像(如 ERS-1/2、ENV ISAT、SPOT 和 NOAA AVHRR)對南海北部海洋內(nèi)波的空間分布特征進行了統(tǒng)計, 結(jié)果表明孤立內(nèi)波主要分布在呂宋海峽、東沙群島和海南島以東, 其中東沙群島附近孤立內(nèi)波活動最為頻繁。另外, 南海北部陸架陸坡海域的非隨機內(nèi)波不僅存在孤立波的形式, 還存在內(nèi)潮波的形式, 但是目前還不能用遙感手段直接對內(nèi)潮波進行觀測來證實存在[47]。

對于南海北部陸架陸坡區(qū)內(nèi)波的來源, 目前有兩種認識, 第一種觀點認為其來源于呂宋海峽, 由于呂宋海峽處地形變化比較劇烈, 當來自太平洋的潮波或海流穿過海峽進入南海時, 潮流或海流受海峽內(nèi)外的地形劇烈變化的影響會在原本層化的海水中激發(fā)出內(nèi)潮波或內(nèi)孤立波。內(nèi)潮波或內(nèi)孤立波向西北傳播, 穿過南海海盆, 到達陸架陸坡的海底, 對海底沙波造成影響。另一種觀點認為南海北部陸架陸坡區(qū)地形變化劇烈, 并且該海域海水常年存在海水的分層現(xiàn)象, 根據(jù)內(nèi)波的形成機制, 海底地形的劇烈變化會對層化的海水產(chǎn)生壓迫, 并造成擾動, 進而產(chǎn)生內(nèi)波[47]。

3 海底沙波和內(nèi)波的關(guān)系探討

海底沙波的遷移演化與水動力直接相關(guān), 中淺水沙波的形成一般歸因于潮流[16]、河流[12, 54]、波浪[55]、中尺度流[8]、風驅(qū)海流[16, 56]、流經(jīng)陡變陸架坡折的潮汐背風波[57]、內(nèi)波[56, 58]以及陸架坡折處經(jīng)過地形放大的內(nèi)波致高速海流[59], 浪、流的耦合效應會加速沙波的形成和移動[33, 60-61]。

正常海況條件下南海北部80 m以深海底的流速一般不超過20 cm/s, 不足以起動底質(zhì)砂體, 更不會形成沙波[39]。數(shù)值模擬顯示, 極端天氣情況下, 強臺風過境時, 底流最大流速達到了20 cm/s, 可以引起海底泥沙的擾動, 然而臺風是移動的, 并且每次強臺風的移動路徑不相同, 在海底造成的強流時間相對不會持續(xù)很久, 因此也不足以導致該海域沙波的定向持續(xù)性移動[39]。風暴潮形成的風海流與潮流疊加形成的海流最大底流流速可超過30 cm/s, 但這種流速仍不足以導致沙波的形成和大規(guī)模移動[19], 臺風與潮流耦合作用下也難以起動海底泥沙[38]。因此臺風不能作為南海北部100~200 m水深海域海底沙波的大規(guī)模定向移動的主要動力來源。東沙群島西部海域番禺氣田附近100~200 m水深的海域的海底沙波似乎應該是相對穩(wěn)定的, 但是近幾年調(diào)查數(shù)據(jù)表明情況并非如此[17-18, 36, 39], 沙波具有活動性, 能夠發(fā)生遷移運動。最新調(diào)查[17, 39]顯示, 在大型沙波區(qū)內(nèi), 有向東南運移的趨勢, 幅度為數(shù)十厘米到米級; 在交錯沙波區(qū), 西北淺水段沙波向近岸運動, 東南深水段沙波向深水方向移動; 也有淺水區(qū)的沙波在調(diào)查期間運移趨勢不明顯。

實地觀測發(fā)現(xiàn)東沙群島西南番禺氣田附近海域底流流速大, 底層最大水平海流可達到1.16 m/s, 最大剪切流近2 m/s, 躍層附近最大流速甚至出現(xiàn)高達5.8 m/s的極值[39], 遠超正常潮流流速量級。底層強流有獨特時空分布特征, 總體上來說研究范圍內(nèi)水深越大, 底流越強, 這與傳統(tǒng)認識有很大差異。近幾年研究發(fā)現(xiàn)該海域出現(xiàn)的突發(fā)強流與南海北部內(nèi)波活動有關(guān)[40, 48, 62]。南海北部的孤立內(nèi)波大部分可能是形成于呂宋海峽具有陡峭海檻底地形的海底山脊或峽道中[45, 50], 由于海底地形的突變, 內(nèi)波傳播方向在東沙群島附近變?yōu)槲飨蚣拔鞅毕? 在從深海向陸架傳播時與南海北部陸緣變淺的海底地形發(fā)生相互作用, 能量發(fā)生耗散[49, 63]甚至反射, 而剩余能量將繼續(xù)向陸架傳播。在南海北部東沙群島附近, 做基于 X 波段雷達的內(nèi)波觀測, 曾經(jīng)觀察到一次內(nèi)孤立波的傳播速度為3.04 m/s, 傳播方向約為 297°, 振幅大于 100 m[64]。

番禺氣田海域海底沙波發(fā)育區(qū)與內(nèi)波活動區(qū)二者有很強的一致性, 說明它們之間極可能存在內(nèi)在聯(lián)系, 在該海域發(fā)現(xiàn)的嚴重的海底沖刷和沙波底型遷移除了受到臺風和熱帶風暴的影響外, 內(nèi)波致強流極有可能是導致南海北部陸架坡折區(qū)和上陸坡底層流速驟增的主要原因, 沙波空間分布和活動性差異也可能與穿過研究海域的大振幅孤立內(nèi)波作用密切相關(guān)。最新研究表明[65], 從遙感衛(wèi)星圖像上可觀測到內(nèi)孤立波的傳播過程, 由于東沙群島的阻隔作用, 內(nèi)孤立波發(fā)生繞射, 一部分與等深線呈一定角度向西北方向的陸架傳播, 傳播路徑上的錨系浮標系統(tǒng)和近底流速計的記錄中提取到的信息顯示, 內(nèi)孤立波在近海底引起超過80 cm/s的強流。分布在130~ 150 m水深范圍內(nèi)、以粗砂為主的海底沙波, 有相對平行的脊線, 垂直于內(nèi)孤立波的傳播路徑, 可能受內(nèi)孤立波控制, 導致向上陸坡方向遷移; 而分布在相對陡的海底, 沙波脊線平行于等深線的海底沙波, 可能受到內(nèi)潮控制而向深水方向運移。

同樣, 在東沙群島東北部海域調(diào)查中[29]也觀測到大振幅孤立內(nèi)波對海底沙波的沖刷效應, 內(nèi)波可以造成海底泥沙的擾動和海底的沖刷, Reeder利用回聲測深儀首次記錄到了內(nèi)波導致海底沙波區(qū)泥沙起動的過程, 其影響深度超過600 m水深, 圖2顯示的是利用回聲測深記錄到的內(nèi)波導致該海域海底沙波區(qū)泥沙起動和再懸浮的過程。

事實上, 在過去數(shù)十年中, 內(nèi)波活動已經(jīng)被證實能夠在沉積物再懸浮輸運及海底地貌的形成演化中扮演重要角色, 特別是在上陸坡和外陸架邊緣區(qū)域。內(nèi)波能夠與陸架或陸坡海底碰撞并在等溫層與底床交界處產(chǎn)生垂直于陸架的底流[66], 有時, 一些很大振幅的內(nèi)波將產(chǎn)生周期性的強底流并使底床沉積物發(fā)生運動[67-71]。在較大的尺度上, 內(nèi)波甚至可能沖刷陸坡和陸架外緣并決定其坡度[69, 72-73]。而在較小的尺度上, 內(nèi)波產(chǎn)生的底流也可能使海底沉積物形成波形地貌并形成不同的沉積構(gòu)造。一些發(fā)育在陸坡或陸架邊緣的沙波被認為與內(nèi)波有關(guān)[29, 56, 59], 而且研究者嘗試通過露頭識別出可能存在的內(nèi)波沉積[74-76], 但由于缺少地層剖面及鉆孔數(shù)據(jù), 仍沒有現(xiàn)今直接證據(jù)能夠予以證實[77], 而對內(nèi)波引起的沉積動力過程, 目前的研究很少且亟需進一步深入探討。

圖2 內(nèi)孤立波的水體結(jié)構(gòu)(改自文獻[29])

4 討論與展望

南海北部東沙群島西部番禺氣田海域的沙波有區(qū)別于其他任何地方的特殊的水動力學機制。對于海底沙波的遷移速度地研究, 需要有高分辨率的海底地形地貌數(shù)據(jù), 并且需要長期重復進行測量, 同時也應該改進研究方法, 比如: 采用空間互相關(guān)技術(shù)等來定量的研究海底沙波的運移方向和距離。

正常情況下南海北部沙波區(qū)的底流速度并不足以造成沙波的運動, 但是實測的大量調(diào)查發(fā)現(xiàn), 南海北部的沙波具有活動性, 并且活動性迥異, 有向陸和向海兩個方向。傳統(tǒng)的天文潮、風暴潮理論并不能解釋這種現(xiàn)象。另外, 南海北部是一個內(nèi)波高發(fā)區(qū)。我們發(fā)現(xiàn), 海底沙波的活動區(qū)恰好處于內(nèi)波的活動區(qū), 二者之間必然存在某些內(nèi)在聯(lián)系。通過各種觀測手段確實觀測到內(nèi)波引發(fā)的強流, 并且這種強流也足以造成沙波的移動, 但是內(nèi)波活動具體怎樣造成沙波差異化分布和運動的機制仍有待于研究。

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(本文編輯: 劉珊珊)

Progress of sand waves and internal waves research in sea area west of the Dongsha Islands in the northern South China Sea

ZHANG Hong-yun1, 3, ZHUANG Li-hua1, 2, YAN Jun1, 2, MA Xiao-chuan1, 2

(1. Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Key Laboratory of Marine Geology and Environment, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, Chian; 3. University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

There are many types of deepwater sand waves on the continental shelf and upper slope of the northern South China Sea. Statistical analyses indicate that these sand waves have a different migration mechanism than shallow-water sand waves. Based on a summary of domestic and international research on sand waves in this region, we found that factors such as the astronomical tide and storm surge cannot cause the sustained movement of sand waves. The northern South China Sea is also the world’s most frequent internal-wave activity area, and there is spatial consistency in the sand-wave activity areas. The frequently occurring internal wave in the northern South China Sea can cause strong flow in the seabed, which is the main reason for the seabed sand-wave activity. In the future, relevant research should be performed to verify this theory.

the northern South China Sea; western sea of the Dongsha Islands; sand waves; internal waves

Jan. 9, 2017

P737.2

A

1000-3096(2017)10-0149-09

10.11759/hykx20170109002

2017-01-09;

2017-02-23

國家自然科學基金項目(41576056)

[National Natural Science Foundation of China, No. 41576056]

張洪運(1991-), 男, 山東臨沂人, 在讀博士, 主要從事海底地形地貌方面的研究工作, E-mail: hongyun_zhang@qq.com; 莊麗華(1974-), 通信作者, 女, 山東招遠人, 高級工程師, 博士, 主要從事海洋沉積、海洋工程地質(zhì)與災害地質(zhì)工作, 電話: 0532-82898669, E-mail: lhzhuang@qdio.ac.cn