海洋论坛︱海洋地质灾害研究进展

以海洋石油勘探与开发为代表的海洋经济在近些年来迅速增长, 但是海洋地质灾害的存在在很大程度上限制了海洋经济的发展, 特别是对海上和海底工程(如海上石油平台、海底电缆和管线等)的影响。因此, 海洋地质灾害作为一种制约经济和社会发展的自然灾害正日益受到人们的关注。

一、海洋地质灾害与研究方法海洋地质灾害研究是一门新兴的边缘学科, 但在其兴起之前, 人们就已经开始关注各种灾害事件, 主要集中在海岸和近岸水域, 包括：海岸侵蚀、地震与断裂活动、海水入侵与倒灌、水土流失、港口与海湾淤积等。海洋地质灾害研究工作虽然起步较晚, 但在陆地资源逐渐匮乏的情况下海洋蕴藏的丰富能源和广阔空间显得尤为珍贵, 海洋将成为人类发展的未来。在这一前提下, 包括海洋地质灾害研究在内的海洋科学成为研究的热点。图1　主要海洋地质灾害示意图借助先进的探测和取样设备, 人们对海洋地质灾害及其机制已经有了新的认识, 图1 示意了几种主要海洋地质灾害及相互关系。海洋地质灾害在尺度上往往较大, 破坏力也更大, 如海底地震引发的海啸、海底斜坡块体运动、海底不均一持力层等。2004年12月26日印度尼西亚邻近海域发生里氏8.7级地震, 并引发海啸, 超过15万人遇难；1929年加拿大海域的Grand Banks滑坡发生滑移, 滑移的最高速度达到70km/h , 最终堆积区距离源区约为850km，夺走了27人生命,并严重破坏了海底通讯电缆；1969年卡米尔飓风(Hurricane Camille)诱发水下斜坡快体滑动, 造成3座钢平台被破坏, 其中1座平台翻倒并沿斜坡向下滑出30m , 造成1亿多美元的损失；海底不均一持力层也多次造成我国渤海和珠江口盆地钻井平台发生倾斜和位移, 给经济造成重大损失。因此, 海洋地质灾害研究, 特别是地质灾害评估和预警可有效的减小或防止人员的伤害和财产的损失。目前海洋地质灾害调查研究多采用海底地形地貌资料结合多波束水深和地震数据分析等手段, 主要涉及单波束测深系统、多波束测深系统、旁侧声纳系统、浅地层剖面系统、水下摄像系统及地震等传统仪器设备。近年来, 随着海洋高新技术的开发和应用, 海洋地质灾害调查手段有了很大提升, 并特别强调海底原位、实时、监测技术的应用, 发达国家和相关组织投入大量资源研发海底原位观测系统, 并实施了很多针对(或包含)地质灾害的海底观测计划, 如美国OOI(the Ocean Observato ries Initiat ive，海洋观测计划)、日本DONET (Development of Dense Ocean-floor Netw ork System for Earthquake and Tsunami，地震和海啸海底密集观测网络系统)、ESONET(the European Sea Observatory Network，欧洲海洋观测站网络系统)等。这些观测计划的实施可为地质建模提供大量的数据, 从而可以快捷、准确的对地质灾害进行量化, 为灾害评估和预警提供依据。

二、海洋地质灾害研究进展国外海洋地质研究工作起步较早，欧洲、美国及加拿大等发达国家的小比例尺、近海海底调查已基本结束, 特别是威胁海上石油平台的近海海底斜坡调查研究, 从当前这些国家开展的海洋地质灾害研究项目可以看出, 其工作重点已经转向针对特定地区(多为海上油气田、海底滑坡与地震多发带等)和深海、半深海的高分辨率成图、建模与定量解释、风险评估与灾害预警等。欧洲国家在较早之前就联合完成了针对陆架滑坡稳定性的研究, 即COSTA (Continental Slope Stability)计划。该计划由挪威的特罗姆瑟(Tromsoe)大学、贝尔根大学和奥斯陆大学岩土研究所、法国的IFREMERBrest研究所、英国南安普敦海洋中心、英国地质调查局(BGS)、意大利海洋地质研究所、西班牙巴塞罗那大学等机构联合完成。他们选取了欧洲10个典型区域进行研究, 建立了已经发生或可能再次发生滑坡的地区海底沉积物物理力学性质数据库, 并对大陆边缘、河口三角洲和海湾在自然和人类活动作用下的海底斜坡稳定性进行了评价。加拿大也参加了欧洲COSTA计划, 以期对加拿大陆坡稳定性进行分区；查明天然气水合物及浅层气分布范围, 为海底电缆、输油管线和海上钻井作业等浅海工程提供保障；了解陆架边缘海底断裂作用机制；建立陆架滑坡评估工具和方法。目前欧洲和加拿大的COSTA计划均已结束。位于挪威的地质灾害国际研究中心(ICG), 则在过去几年里整合各方面有利资源(包括欧洲和美国的科研院所与石油工程公司), 开展了海洋地质灾害研究项目, 主要以挪威海域为主。因为该海域包括滑坡、浅层气、地震以及引发的海啸等地质灾害较为显著, 如巨大的Storegga复合滑坡体(9万km²)的滑坡搬运量达到了3000万m³ , 加之Ormen Lange气田正位于此海域, 因此,对该区的海洋地质灾害研究就显得颇为重要。研究的主要内容包括海底斜坡稳定性评价、大陆边缘海底斜坡潜在触发机制、浅层气与天然气水合物作用机制、地球物理探测方法及数据处理与成像等。为此实施了若干相应的研究项目, 如Oremen Lange、SPACOMA、GANS、SIP-8、ASSEM以及天然气渗漏机制与监测项目等, 并取得了很好的研究进展和大量研究成果。Oremen Lange研究项目发现, 影响Storegga滑坡的因素包括泥沙运移、地震以及气体水合物中气体逸出等。SPACOMA(欧洲大陆边缘—欧洲被动大陆边缘的斜坡稳定性)项目是在欧洲科学基金会(ESF)的组织与支持下开展的。该项目主要目标是探讨欧洲陆缘不同的地质背景下斜坡稳定性, 范围从大西洋南欧陆缘河流作用沉积体系和地中海, 一直到北冰洋斯瓦尔巴群岛以北的高纬度冰川作用陆缘。主要内容包括海底地形和地貌图绘制、地质和岩土参数的相关性以及天然气水合物对地质特性的次要影响等内容。为进行深入的综合研究, ICG汇集了一个专门从事地质、地貌、滑坡和海啸模拟等领域的专家小组, 发现了两个特征截然不同的地质灾害区。首先是位于斯瓦尔巴德群岛北部边缘的Hinlopen滑坡。这个滑坡的特点是最高滑移落差超过1400m，滑移部分比其他地区的滑坡要大几个数量级, 因而对其流动性和滑坡机制问题研究是该项目的关键。第二个灾害区位于挪威海峡北海FAN区, 毗邻Storegga滑坡。这个区域末次盛冰期沉积物快速堆积导致了孔隙压力过大, 这会降低地层的剪切摩擦力从而易导致滑坡, 考虑到这一地区在挪威海上活动的重要性, 对其监测就显得尤为重要。GANS(水合物分解对海底稳定性的影响)研究项目发现, 天然气水合物中有机碳富集在全球碳循环中起着重要作用。据统计,目前地球上已勘察到的天然气水合物区中气水合物所含有机碳是地球上所有煤、天然气及石油储量总和所含有机碳的2倍。同时天然气水合物也是斜坡失稳的影响因素之一。因此, 对其开展研究意义重大。水合物稳定赋存需要一定的低温、高压条件, 但是在大陆边缘地带水合物处于亚稳定状态, 易受气候及水温的影响。而当其分解时就会对斜坡稳定产生破坏。GANS的主要研究目标便是调查及量化天然气水合物及其分解对斜坡稳定机制的影响。SIP-8项目则侧重于对深水取芯设备和技术的研究, 这对准确的认识和评估海洋地质灾害有重要意义, 特别是对碎屑流、液化、海底物质特征以及海底不稳定机制等的直观认识。ASSEM(海底地质灾害长期监测传感器阵列), 其主要目的是发展海底和海底表层观测设备以及对海底属性(如孔隙压力,气体含量等)的长期监测, 挪威地质技术研究所(NGI)在该项目中负责传感器技术和海底观测系统以及野外试验, 为该项目的顺利实施做出了重要贡献。地质灾害评估需要在明确若干重要参数的前提下进行, 如剪切强度用以对地层结构稳定性进行评价(包括薄弱层、过压层、天然气水合物和浅层自由气逃逸层及富集机制等)。同样, 如果有钻井数据, 就可以对地震数据和岩土参数进行相关性分析。但在一个地区, 往往仅有几口钻井, 更多的只有地震数据。因此, 可以用对区域地质演化的认识来弥补地层和地层岩石物理参数资料的缺失,特别是在上覆松散沉积物的浅部地层。Maarten Vanneste总结了地质学、地球物理学和土力学间的综合关系, 有助于改善地震资料的定量解释, 提高海洋地质灾害评估水平, 并明确了新技术应用的重要性。图2中示意了在海底灾害研究中, 不同学科的研究内容与相互关系, 箭头示数据及处理流程,特别指出的是阴影方框为加入新技术获取横波数据后, 提高了分析与解释质量(虚线箭头示含横波数据的处理流程)。这对今后的地质灾害评估具有重要的指导意义。图2 　地质学, 地球物理学, 岩石物理模型和土力学综合流程图值得说明的是, 近年来我国的海洋地质灾害研究也取得了一定进展, 主要包括1985～1986年中美黄河口联合调查, 发现黄河三角洲广泛发育海底滑坡, 工程软弱层及海底刺穿等灾害现象；南海北部灾害地质及海底工程地质条件评价；编制了1：200万南海地质灾害图；进行了南海珠江口盆地油气开发区1：20万海洋工程地质调查, 发现了位于陆架和陆架坡折区, 面积达1000km²的海底滑坡区；编制了1:200万中国海岸带灾害地质图, 对今后的海洋平台搭建和海底管线铺设有重要意义。目前, 我国海洋地质灾害研究主要集中在油气富集区域,如黄河三角洲、南黄海、东海、南海北部陆架区等。对其它海域, 特别是半深海、深海地质灾害的研究程度尚不高。总体来看, 我国海底灾害研究, 无论在研究规划、内容、现场观测手段技术等方面均与国外有一定差距, 至今没有制定和开展大型而系统的海底灾害研究计划。

三、结语我国拥有绵长的海岸线和辽阔的海洋国土, 海洋地质情况复杂, 灾害类型较多。在当前形势下, 应依据我国国情和各地区实际状况将海洋地质灾害研究集中在对该地区海上活动有较大影响的几种地质灾害, 如海底滑坡、地震、工程软弱层等, 特别是海上油气田区。同时要充分认清与发达国家在研究理论水平和方法手段等方面的差距, 借鉴其成功经验, 制定相应政策, 并采取有效措施, 包括开发多种调查、采样及监测设备, 积极寻求国际合作, 使我国的海洋地质灾害研究工作尽快达到国际先进水平。

■本文来自《海洋湖沼通报》，作者赵广涛 谭肖杰 李德平。第一作者赵广涛，1964年出生，教授，中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室，长期从事海洋地质学、海洋地球化学的教学与科研工作。用于学习与交流，版权归作者所有。

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