海洋地质▏海底滑坡分类及成因机制研究进展

朱超祁等溪流之海洋人生

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海洋面积约占地球总面积的71％，大陆坡面积约占地球总面积的10％～15％，沿岸地区集中了世界约60％的人口与2/3的大中城市，海底滑坡作为一种极具破坏力的海洋地质灾害，可以给沿海地区发展、人民生命财产安全带来不可估量的损失与无法预想的威胁。

海底滑坡可直接破坏油气开发平台、海底管线等设施。1969年，Camille飓风袭击密西西比河三角洲，诱发的海底滑坡造成平台破坏，经济损失达1亿美元；2006年，吕宋海峡海底滑坡造成海底光缆断裂，中断了中国与东南亚国家之间的通讯长达12小时。同时，海底滑坡可导致海啸，引发次生灾害：2004年，印尼苏门答腊沿海发生海啸，夺去20多万人的生命，此海啸起因被推断为地震和海底滑坡的共同作用。Ward对夏威夷群岛海底火山滑坡引起海啸的数值模拟结果表明，该海啸相当于4100兆吨TNT爆炸所产生的能量。

安培浚等利用Thomson Data Analyzer分析工具，对SCIE收录的1902～2010年间有关滑坡、泥石流的8503篇有效文献进行了分析，发现海底滑坡是近10年新出现的研究热点。随着国家海洋战略的提出与海产养殖、海洋资源、滩涂围垦、港口建设、海上运输等行业的迅速发展，海底滑坡受到的关注日益增多。加深对海底滑坡的认识，开展调查研究，探究成因机制，提高海底滑坡的预测、防灾和抗灾能力极其重要且迫在眉睫。海底滑坡作为地质灾害的新兴研究热点，方兴未艾。

本文对海底滑坡的范畴与分类进行了归纳与总结，对海底滑坡成因机制进行了分析与讨论，并指出了未来研究方向与重点，期望能够对下一步研究工作提供借鉴指导。

一、海底滑坡范畴与分类

海底滑坡作为一种海底沉积物沿斜坡的再运动形式，是沉积物运移的最重要地质过程之一。基于海域广、深度大、地形多样、构造条件与水动力条件复杂等原因，海底滑坡在形成环境、发育规模、发生机制、运动方式等方面独具一格，远非陆地滑坡所能比拟。类型划分对完善海底滑坡基础理论、正确把握海底岩土体失稳运动规律具有重要意义。然而对海底滑坡范畴及其类型划分，国内外学术界莫衷一是，尚无共识。

⒈ 范畴与分类

⑴国外研究进展

Dott最早对海底斜坡破坏进行划分，将其分为塌陷、滑动、块状流和浊流四种类型，并认为滑塌一词极不严谨，造成误用，建议滑塌专指旋转滑移。Pettijohn等提出了滑动、滑塌和蠕动的分类：滑动表示较大位移；滑塌一般只表示局部概念；蠕动则表示非常缓慢的顺坡运动。Moore（1977）假设海底运动所涉及的岩土体均饱和，根据Varnes（1958）陆地滑坡分类方案略作修正，删去浊流并根据物质组成成分将海底滑坡进一步划分为塌陷、滑动、流动三种类型。Nardin等从力学特性角度出发，将沉积物由陆坡向深海运移的块体运动过程分为三类：岩崩与滑动、块体流、粘性流。块体流进一步分为碎屑流、泥流与塑性颗粒流；粘性流细分为粘性颗粒流、液化流与浊流。

Prior和Coleman将海底滑坡术语的不一致性归因于地震剖面垂直放大造成的假象，结合深长比论述了“滑塌”的笼统性造成的术语误用，并修改了Skempton和Hutchinson提出的陆区滑坡分类方案，建立起海底滑坡分类方案，如图1所示。根据此分类方式，海底滑坡被粗略地从各类海底沉积物流中划分出来。但同时，随着滑坡体的不断运动与碎屑的逐步崩解，多数海底滑坡最终演变为沉积物流。

图1　海底滑坡术语与分类

Mulder等研究了超过100例全新世和更新世海洋块体运动，根据运动形式、结构特征、破坏面形状将其划分为3种主要类型：滑动／滑塌、塑性流、浊流，并强调整个运动过程中各种运动类型间的动态关系。

Locat等未将海底滑坡与海底块体运动加以区分，而将两者视为同一主体，并在国际土力学与岩土工程学会技术委员会陆地滑坡划分方案基础上加以修改，建立起海底滑坡分类模式，如图2所示，该模式将海底滑坡分为5种基本类型：滑动、倾倒、扩张、坠落、流动。该分类方式较为简单，且基本覆盖了已观测到的海底滑坡类型，但没有深入反映海底滑坡类型之间的相互影响关系。

图2　海底滑坡分类

考虑到海洋环境与陆地环境的诸多不同，Canal等认为海底块体运动术语之间的混淆源于对Varnes陆地滑坡方案的继承，将海底块体运动划分为5种类型：蠕变、岩块/碎屑崩落、平移滑动/滑行、碎屑流、泥流，并总结了各类运动的力学行为、破坏特征以及滑面等基本特征。

Masson等在Mulder分类的基础之上进行了修改，提出了自己的海底滑坡分类模型，如图3。Masson等认为在各类破坏中，滑动、岩屑崩落、碎屑流、浊流是主要破坏类型，其中滑动、碎屑流、浊流是沉积物顺坡运移的主要重力驱动过程。

图3　海底滑坡分类

Weimert等用“块体搬运复合体系”（Masstransport Complexes，简称MTCs）来描述深水沉积物搬运机制。Moscardelli和Wood对MTCs进行分类，将其分为“板块搬运复合体”（Masstransport Complex，简称MTC）与浊流，并将MTC进一步划分为滑动、滑塌与碎屑流，如图4，且描述了各类主要特征与地震识别标志。

图4　MTCs分类图解

Kalligeris认为海底滑坡包括斜坡破坏的所有类型，很大程度上继承了Locat（2002）对海底滑坡的分类方式，并对每类破坏形式进行归纳总结，使各种海底滑坡类型易于区分辨别。同时，Kalligeris指出各种类型之间可以转化，如滑动可以形成碎屑流，进而演变为浊流。

Snanmugam指出滑坡包括滑动、滑塌、碎屑流、倾倒、蠕变、岩屑崩落等块体搬运体系（masstransport deposits，简称MTD）所有类型。

⑵国内研究进展

对海底滑坡的研究，国内学者起步较晚。根据目前公开并可查询的文献大致可以得出，“海底滑坡”一词最早出现在《工程地质勘察》（1981）一书，全书仅用两页篇幅简要介绍了海底滑坡有关内容，但未对其范畴及分类做相关探讨。

陈自生按滑动构造和形态特征将海底滑坡划分为三大类：溜席型、液化型、崩塌型。这是国内对海底滑坡分类的最早尝试。溜席型海底滑坡表现为滑坡体完整性好，呈片状向下溜滑；液化型海底滑坡指滑坡体启动后液化并转化为浊流的滑坡；崩塌型海底滑坡介于上述两类之间，表现为滑坡体启动之后随即解体，但未能发展为浊流即停积下来。

寇养琦为便于分析南海北部的海底滑坡，根据空间形态，并结合其成因，将其简单地划分为块状滑坡、层状滑坡和混合型滑坡三种类型。随之，寇养琦顾及南海北部陆架边缘滑坡发育的特殊地理位置、空间形态、尤其是滑坡体剪切面的形态，再次把区内海底滑坡划分为直移型滑坡、旋转型滑坡和崩塌，并认为崩塌是海底滑坡的极端类型。

林振宏等、杨作升等认为海底斜坡不稳定性的类型主要分海底坍塌、海底滑坡、流动三种。海底坍塌只限于局部的近于直立斜坡地区的岩石、泥和砂粒自由地塌落；海底滑坡是岩石和松软沉积物的滑动，是海底斜坡破坏的最普遍类型，包括瓶颈状滑坡、浅层板状滑坡（又称平移滑坡）、浅层旋转滑坡；流动进一步分为碎屑流、液化流、颗粒流、浊流四种。其中瓶颈状滑坡为最小型的海底滑坡类型，浅层板状滑坡为最常见的海底滑坡类型。

杨作升等人对与海底滑坡相关的分类做了较为系统的阐述，该分类方式把海底滑坡分为三类，将坍塌与海底滑坡分离，并将海底滑坡与重力流区别开来，与Prior和Coleman（1982）分类方式有所类似，这对国内（尤其集中在黄河三角洲以及渤海海域）的海底滑坡类型划分产生了较大影响。李广雪等，周良勇等，金仙梅，李海东等对该分类方式有较大继承。同时期，范时清也未将浊流纳入海底滑坡的范畴，但指出地震引起的海底滑坡是引起大规模海洋浊流的成因。吴时国等将海底滑坡、滑塌、浊流等并列为可对海洋油气资源开发造成灾难的地质灾害，由此可推断当时其亦未将滑塌、浊流等纳入海底滑坡范畴。

与此同时，甚至更早，海底滑坡的概念开始向更广义方向发展，逐步走向泛化。吴崇泽将崩坍归为海底滑坡范畴，认为海底滑坡是海底斜坡不稳定性最为普遍的表现形式，分为层滑、圆弧形滑坡和崩坍滑坡。贾永刚等把流动纳入海底滑坡范畴，海底滑坡包括坍塌、滑坡、流动，其中流动根据物质组分特征及运动方式分为蠕流、液化流、颗粒流、浊流。吴时国等认为海底滑坡作为一种常见陆坡沉积作用过程，包括滑塌和碎屑流等重力流作用过程；随后，吴时国等、王大伟等提出海底滑坡又称为块体搬运沉积体系（Mass transport deposits，简称MTDs），是外陆架/大陆坡的一种沉积物搬运机制，包括滑动、滑塌和碎屑流等重力流作用过程。这种分类方式与国外MTCs、MTD分类方式角度不同，内涵类似。

近年（2010）来，尽管仍有学者认为海底滑坡与沉积物重力流等属于不同范畴，如牛新生等，但泛化的海底滑坡概念逐渐成为当今主流，如李细兵等、刘锋、胡光海、李伟、马云、年永吉等。

⒉ 其他分类方式及总结

除与海底滑坡范畴相关的分类方式外，国内外学者还对海底滑坡进行了其他方面分类的尝试。

Andresen与Bjerrum等将液化性滑坡划分为渐退型流动滑动和自发液化滑动两类。Reineck与Singh将小型海底滑坡划分为半流态滑坡体和块体沉积。冯文科等从海底滑坡的体积、厚度以及地层与滑面的关系等角度，对海底滑坡进行类型划分，如表1。来向华等依据稳定状态理论，将海底滑坡分为破碎性破坏与整体性破坏两种类型。张丙坤、李三忠等根据天然气水合物成藏与海底滑坡发生的时序关系，将海底滑坡划分为前水合物滑坡、同水合物滑坡和后水合物滑坡。李磊、李志军等根据滑坡发育位置及滑块体运动方向将海底滑坡分为陆坡滑坡和水道壁滑坡。

表1　海底滑坡分类表

分类依据	分类	分类标准
滑体规模（体积/10⁴m³）	小型滑坡	小于3
	中型滑坡	3～50
	大型滑坡	50～300
	超大型滑坡	大于300
滑体厚度（厚度/m）	薄层滑坡	小于6
	中层滑坡	6～20
	后层滑坡	20～50
	巨厚层滑坡	大于50

尽管对海底滑坡的范畴与分类不尽相同，但内涵基本相似。狭义的海底滑坡通常指海底未固结的松软沉积物或存在软弱结构面的岩石，在重力作用下沿斜坡发生的快速滑动过程，包括平移滑坡、旋转滑坡；广义的海底滑坡一般涵盖海底沉积物搬运的各种过程，还包括蠕动、崩塌与重力流（碎屑流、颗粒流、液化流、浊流）现象。一般而言，海底滑坡是不同类型、不同时期滑坡的复合体，而且搬运过程中，其结构特征与力学性质具有时变性，伴随类型转变。目前利用间接的地球物理手段只能推断海底滑坡的运动过程与性质，海底滑坡的合理分类，有助于加深科学认识，加速研究进程，对海底滑坡的评估也大有裨益。

二、海底滑坡成因条件

海底滑坡实质上是海底岩土体能量集聚，一经触发，岩土体发生解离滑移、能量发生释放消散的过程。关于海底滑坡成因机制的研究，目前仍是海底滑坡领域的难点与重点。海底滑坡成因机制研究的深入程度直接影响我们对海底滑坡的认识深度，制约稳定性评价的可信度和预测的有效性。

海底滑坡形成的基本机制与陆地滑坡有相似之处，如当下滑力大于抗滑力，便发生滑坡；与此同时，海洋环境更为复杂，其成因机制又具特殊性，特殊性主要表现在触发因素方面。Masson等认为海底滑坡成因分为两类：一类与滑坡体的地质特征有关，一类与外部因素有关。

⒈ 海底滑坡形成的内在条件

海底滑坡的形成有其内在原因，这是导致滑坡的基本条件，包括沉积物的物理力学性质、海底地形条件、海底底质存在软弱层等。

⑴沉积物的物理力学性质

海底沉积物的物理力学性质与陆地岩土体存在明显差异。海相沉积物的孔隙比相当于陆地淤泥的3～5倍，含水量是陆地淤泥的2～4倍，这导致沉积物抗剪强度降低，灵敏度、液限和塑限增大：如大陆架沉积物抗剪强度仅为2～4KPa；海洋粉土十字板强度随超孔隙水压力升高而降低，超固结比和剪切围压受剪切应变速率影响较大，临界状态强度随超固结比和剪切围压增大而增大；深海能源易受扰动、土力学特性不稳定等。

⑵海底地形条件

对于低抗剪强度的海底沉积物而言，形成海底滑坡无需较大坡度，甚至不到1°的海底也可发生滑坡。Prior和Coleman指出多数海底滑坡发生在角度较小、长度较大的斜坡上。Hance统计了399例海底滑坡坡角，发现最频值为3°～4°，中值为4°，平均值为5.8°，其中85％的坡角小于10°。YeHe等对南海北部陆坡中部的海底滑坡进行统计，结果显示坡角均值为6.52°。Pinet等指出位于加拿大劳伦海峡的海底滑坡坡角也很小。海底滑坡既可以在大陆架/大陆坡发生，也可以在近似水平的平缓海底存在。与陆地滑坡相比，海底滑坡坡角明显偏小，但滑坡体启动后，可在小角度海底保持运动，甚至长达1500km。

⑶海底底质存在软弱层

地层或岩土体中存在的软弱层，既可以是潜在软弱层，也可以是已然存在着的软弱层。其为海底滑坡创造滑移条件，很有可能发展为海底滑坡的滑移面，是海底滑坡的发育地，包括断层面、沉积物界面、基岩面、层理面、不整合面、侵蚀面以及裂隙、裂缝等。软弱层分布受沉积模式的局部变化所控制，从更大尺度而言，受冰期与间冰期的气候变化所驱使。

另外，形成海底滑坡的内在条件还包括充足的沉积物物源供应以及由此导致的超压等，满足上述条件的海底环境并不少见，Hampton等，Lee等总结了5种海底滑坡的易发区域，包括峡湾、大陆边缘的活跃河口三角洲、海底峡谷沉积扇、开放型大陆坡、大洋火山岛和海脊。

⒉ 海底滑坡触发因素

海底滑坡形成的触发因素包括构造运动（如火山岩侵位）、水动力条件（如海底冲沟与水道中的水流作用、暴风浪作用下海底滑坡的复活）、全球气候变化及人为因素等。触发因素大致可分为两类：第一类因素，通过降低土体抗剪强度等，继而降低斜坡抗滑力，导致滑坡；第二类因素，通过增大斜坡下滑力，进而导致滑坡。然而两类因素并非完全孤立，即同一因素可同时影响抗滑力与下滑力。Milne列举了1616～1886年间的333次海底地震与火山活动，发现该类事件可破坏海底电缆，并认为海底地震可能触发海底滑坡。这是对触发因素的最早研究。

Locat和Lee对8种海底滑坡触发因素进行总结分类，如图5所示，并认为波浪与沉积作用比较重要，其中波浪作用、气体作用、底辟作用为海洋环境所独有，但其未对各类触发因素进行统计分析。

图5　触发因素分类

Hance对534例海底滑坡进行统计分析，总结出14种触发因素：地震与断层作用、沉积作用、气体水合物分解、波浪、潮汐、人类活动、侵蚀、岩浆火山、泥火山、盐底辟、洪水、蠕变、海啸、海平面波动。统计结果显示，225例滑坡归因于地震和断层作用，约占42％，这表明地震和断层作用是最主要的触发因素；快速沉积（25％）、气体水合物分解（11％）、侵蚀（9％）、底辟、泥火山、波浪等依次降低。这些触发因素并非相互割裂，如高沉积速率可导致孔隙压力上升，气候变化影响沉积速率等。

Urgeles和Camerlenghi对地中海的海底滑坡进行统计分析，总结出15种相关因素（图6）：火山发展（VD）、地震（EQ）、构造削峭（TS）、削峭作用（ST）、侵蚀（ER）、差异压实（DC）、底辟（DI）、火山隆升（VU）、人类活动（AN）、高沉积速率（HS）、流体流动（FF）、孔隙压力（PP）、气体水合物（GH）、气体（GA）、海平面（SL）。其数据局限于地中海区域，故统计结果与Hance（2003）存在一定差异，但两者都显示地震与沉积物的快速沉积等是海底滑坡的主要触发因素。

HS以左主要增大下滑力，HS以后主要减小抗滑力；HS对两者均显著影响。

图6　触发因素分布图

从时间尺度划分，触发因素既包括分秒尺度的突发事件（如地震），又包括持续几万至几十万年的长期作用（如气候变化）。后者为海底滑坡的形成累积能量，前者作为触发滑坡的最终推力。如果没有沉积物的快速累积，地震可能不会导致海底滑坡；即使经推算满足滑坡条件，最终仍需地震触发。海底滑坡的最终形成是在一定内在条件下，多种触发因素共同作用的结果，这导致其成因机制异常复杂。

三、海底滑坡触发机制研究热点

目前，国内外关于海底滑坡的触发机制研究主要集中在水动力触发机制以及天然气水合物分解引起海底滑坡等方面。

⒈ 水动力触发机制

与水动力触发机制相关的内容包括洪水、潮流、潮汐、海啸、风暴浪、内波、长重力波等，以风暴浪研究较为深入。

波浪作用简化为正弦，如图7a，其对海底作用的压力Ｐ可用公式⑴表示，压力曲线如图7b：

图7　波致滑坡机理示意图

式中：P0为压力振幅，λ为波数，ω为角频率，t为时间，γ_ω为海水重度，H为波高，d为水深。如图7c所示，平面应变状态分析中，波浪作用下波峰和波谷对应的土体单元仅受附加正应力，波峰波谷之间对应的土体单元受附加正应力和剪应力，波节对应的土体单元具有最大剪应力。波行进过程中，附加应力不断变化，将其视作循环荷载。循环正应力与剪应力共同作用，导致塑性变形；孔隙水未及排出，导致孔压累积。最终造成土体发生液化、剪切和顺坡运移。风暴浪甚至可以搬运200t的巨石，其影响程度受纬度影响，且起作用的最大水深一般不超过150～300m。

除风暴浪触发海底滑坡外，洪水可导致沉积物快速沉积，产生超孔隙水压力，进而导致海底滑坡；洪水也可能侵蚀河口三角洲，导致浊流。潮流是作用于海床的水平力，可导致侵蚀淤积，从而影响有效上覆压力。土体未及排水，水位便因海啸与潮汐作用而骤降，这导致渗透力增加，外水提供给斜坡的抗滑力减小，造成潮间带及近邻区域的松软沉积物产生滑坡，这类似于水库水位降低引起的滑坡；其次海啸还可以对海底土体产生水动力应力而触发海底滑坡；同时海底滑坡又可能触发海啸。在深水区，低频内波可沿大陆坡运移沉积物，继而影响海底稳定性。基于周期长、波长大等特点，长重力波也可对斜坡稳定性造成一定影响，其影响程度取决于波高。

⒉ 天然气水合物分解触发机制

天然气水合物是高压低温条件下形成的笼型化合物，2007年5月，我国在神狐海域首次成功钻获水合物实物样品，此后关于天然气水合物分解导致海底滑坡的机制成为国内研究热点。

天然气水合物相界与水热梯度曲线、地热梯度曲线共同确定了天然气水合物稳定存在的上界和底界，如图8a所示。沉积物中的天然气水合物主要分布在一定水深的水合物稳定带（图8深蓝色区域）中，水合物稳定带低温高压、甲烷供应充足。

海平面下降导致作用在海底的压力减小，引起天然气水合物分解。由于大部分海洋土体渗透性较低，天然气水合物分解时便以气泡形式释放，从而导致沉积物中产生超孔隙气压力μ′_a和超孔隙水压力μ′_ω。沉积物中有效应力σ′可用公式⑵表示：

σ′＝σ－μ＝σ－μ_ａ＋μ′_ａ＋μ_ω＋μ′_ω） ⑵

故天然气水合物分解导致沉积物有效应力减小，其减小值Δσ′可用公式⑶表示：

式中：M为土体侧限压缩模量，n为孔隙率，S_r为饱和度，T_eq为气体水合物的稳定温度（卡尔文温度），atm为标准大气压，P_eq为标准大气压下，气体水合物的稳定压力。公式⑶成立的假设为水体不可压缩，气体遵循波义耳定律。前提条件为标准状况下，1体积水合物分解产生164.6体积甲烷气体和0.87体积水。

天然气水合物分解不仅导致沉积物有效应力减小，而且为软弱层的形成创造有利条件，导致沉积物抗剪强度降低，从而造成海底滑坡。天然气水合物分解可能与其他触发因素相互关联，共同导致海底滑坡：天然气水合物常在泥火山中心部位形成。全球变暖会导致天然气水合物分解。全球变暖或洋流模式改变导致海底温度上升，进而造成天然气水合物分解，而分解产生的甲烷加剧全球变暖，造成全球变暖连锁反应与海底滑坡频发。

图8　天然气水合物压力—温度相图与近海斜坡图解

四、总结与展望

本文着眼于海底滑坡的严重危害，从国内与国际两方面综合分析了海底滑坡的范畴，归纳了海底滑坡的类型划分；并从内因与外因两种视角剖析了海底滑坡的成因机制，且着重分析了水动力触发机制与天然气水合物分解触发机制。已有的研究表明，海底滑坡分类是就概念和端元情况而言的，真正的运动存在于这些端元之间的连续过程之中，海底滑坡内涵逐步深化、类型逐步细化、范畴逐步泛化；海底滑坡的最终形成是在一定内在条件下，多种触发因素共同作用的结果，成因机制异常复杂。

为深入研究海底滑坡成因机制，建立海底滑坡预警系统，综合分析，认为应该在完善现有工作的基础上重点开展以下工作：

⑴发展原位实时监测技术

目前，海底滑坡难以直接观测，对海底滑坡的研究局限于事后，借助声学、电法等调查设备，依据海底地形学等加以分析。针对海底滑坡的原位监测技术，正处于起步阶段。要加强规划、积累经验、实现动态监测、实时反馈。

⑵建立海底滑坡资料数据库

随着声学探测设备、三维地震勘探设备的广泛应用和取样技术的发展，积累了大量地球物理数据和样品资料。建立海底滑坡数据库，有利于综合分析与避免重复勘测。

⑶完善物理－数值模型

通过物理模型试验与数值模拟，可以解释观察现象和预测滑坡发生及发展过程。物理模型的尺度效应难以避免，数值模型的参数选取与真值存在较大差异，都是目前亟需解决的问题。数值分析方法不应局限于有限元，可考虑离散元、流体力学等方法及其相互之间的耦合分析。

【作者简介】本文作者/朱超祁贾永刚刘晓磊张红文明征黄萌单红仙，来自中国海洋大学环境科学与工程学院和山东省海洋环境地质工程重点实验室；第一作者朱超祁，1990年出生，男，硕士，中国海洋大学环境科学与工程学院，主要从事海洋工程地质与岩土工程研究；文章来自《海洋地质与第四纪地质》（2015年第6期），参考文献略，用于学习与交流，版权归出版社与作者共同拥有。