海洋技术▏侧扫声纳在琼州海峡跨海通道地壳稳定性调查中的应用
“超级工程”琼州海峡跨海通道作为海南与内地连接的纽带，为南海开发提供更为强大的后勤保障，将极大巩固海南海防要塞、政治、军事、经济地位，被寄予社会经济快速发展重任。国内学者针对琼州海峡地质概况，对琼州海峡跨海通道工程地质条件、通道建设可行性、线路比选，乃至跨海通道隧道方案均开展了大量研究。然而，琼州海峡地处雷琼坳陷，构造运动强烈，地震活动性强；地形复杂，差异性较大，其区域地壳稳定性才是确定工程能否建设和合理选择工程线路的重要因素。区域地壳稳定性评价通常考虑以内动力地质作用为主要内容的构造稳定性、以岩土体工程地质特征为主要内容的岩土体稳定性和以崩塌、滑坡、泥石流、地裂缝等地质灾害为主要内容的地面稳定性，研究成果主要用于重大工程、城市建设等前期规划和选址，对于海域重大工程还未见应用。
为开展琼州海峡跨海通道地壳稳定性评价，需全面甄别控制琼州海峡区海底活动断裂的分布特征；全面了解海底地形地貌特征、浅地层结构、浅层气、海底表面活动沙丘、不稳定边坡、陡坎等潜在地质灾害因素。侧扫声纳仪器作为海洋地质调查、海洋资源开发利用必需的仪器已经在海洋测绘、海洋地质勘探、海底沉积物探测和海洋工程等多个方面得到了广泛的应用。前期卢胜周等人对Sonar Beam S-150D侧扫声纳系统结构、仪器参数，及在琼州海峡海域物探工程中的成功应用进行了简介。因此，利用Sonar Beam S-150D侧扫声纳系统在琼州海峡海底开展地形地貌调查，通过数据分析、图像判读，对海底地质灾害类型及其潜在危害进行分析，不仅可以为跨海通道工程地壳稳定性评价提供基础资料，也可以为工程规划线路优选、建设实施提供技术支撑。
一、工程区地质概况
琼州海峡属于我国的南海，位于广东省雷州半岛和海南岛之间，东连南海北部，西接北部湾，呈东西向延伸，长超80km，宽19.2～37.5km，南北平均宽度29.5km，最宽处33.5km，最窄处18km，面积2400km2，平均水深44m，最大深度160m(见图1) 。
图1 琼州海峡活动断裂与地震分布图
琼州海峡位于海南岛和雷州半岛断陷中部，自晚第三纪始的地块差异性运动导致雷琼之间地块下沉，形成地堑式凹陷。区域内构造运动强烈，地震活动强度大。自1400年以来，共记载了在区内发生的Ms4级以上地震48次(包括前余震)，最大为1605年琼山7.5级地震; 1970年以来共记录了大于ML2级的地震1324次，其中5.0～5.9级8次，6.4级地震2次。琼州海峡主要受近东西向琼州海峡断裂、光村—铺前断裂和北西向长流—仙沟断裂、海口—云龙断裂、铺前—清澜断裂所控制，这两组断裂为长期继承性活动断裂，新构造运动时期也有明显活动，是影响跨海通道建设的主要活动构造。陆上的构造线方向同区域一致，以断块差异性升降、第四纪基性岩浆岩活动频繁、活动断裂发育为特征(见图1)。
二、侧扫声纳成像原理
侧扫声纳内部安装有声电转换的换能器线阵，其内衬层由陶瓷组成。通过陶瓷的振动实现超声波和电信号相互转化，达到信号的传播和接收目的。换能器向两侧发出具有指向性宽垂直波束角、窄水平波束角的扇形声波波束，照射拖鱼两侧狭窄的海底，换能器接收经海底各点发射回波，按照声波传播时间进行各点定位，而回波声强幅度高低包含了对应海底的底质、地形起伏的信息。
侧扫声纳可以得到连续的有限宽度的海底地形地貌的二维声图，并可能做到全覆盖。具有分辨率高、海底图像连续性好、价格较低特点，所以，侧扫声纳出现以后很快得到广泛应用，现在已成为水下探测的主要设备之一。
装有换能器的声纳载体(拖鱼)被拖曳在海面下一定深度(见图2)，换能器在发射声脉冲后，记录发射脉冲时间，并立即开始收听回声。按照每个回声接收时间与脉冲发射时间差计算从拖曳载体到反射物体的距离。事实上发射脉冲也是一个非常强的信号，会在每个通道开始形成黑色标志。之后一小段时间内声纳脉冲通过水体并且没有产生任何回声。然后海底回声信号将依次到达，并在显示器上显示。
Rs—侧扫声纳拖鱼至目标物阴影最远点距离；Hf—拖鱼至海底高度
图2 侧扫声纳成像原理图
凸出海底面物体将阻挡声波，并遮挡一定距离的海底。这样在最终的记录上显示为声学阴影区。运用测量的方法在声纳记录上量出参数，根据系例几何关系大致的计算出目标的高度(见图3)。
图3 海底物体高度计算原理图
基于侧扫声纳上述特点，对琼州海峡地区开展海底地形地貌调查，可辨别获取琼州海峡跨海通道区域海底地形地貌特征的分布变化规律，以及各种地形地貌形态、结构。重点捕获沙丘、沙垄、沙脊、海丘及沙波等活动性微地貌、不稳定边坡(陡坎、滑坡等) 微地貌单元、软土地层浅部不良地质土层分布情况、海底火山锥、活动断裂发育程度及空间分布特征等信息，为这一区域的地质灾害评价、海底火山分布、构造稳定性分析、沉积速率分析等研究提供基础支持；为进一步开展海域地质钻探、OBS微地震观测、工程施工奠定基础；为跨海通道建设论证提供海底基础资料。
三、SonarBeamS-150D侧扫声纳
Sonar Beam S-150D完整的数字双频侧扫声纳系统由主机、拖鱼及连接线缆组成(见图4)。拖体(拖鱼)的两侧附有两个超声换能器阵列，向海底发射并接受超声波，并通过拖曳水中拖体(拖鱼)来实现海床实况探测与分析。该系统具有分辨率高，扩展性强的特点。
甲板主机设备通过线缆接收、处理并存储海底反射声纳信号、拖鱼状况信息以及所有拖鱼携带的传感器所属输出的信号(高度计、深度传感器和运动＜姿态＞传感器)，并利用RealScan软件实现信息在显示器上的显示。除此之外，甲板主机设备和GPS协同工作将位置信息添加到图像上，作为导航和制图器提供帮助。
确定连接好所有缆线以后， 打开电源、RealScan软件启动，遵循显示器上出现的信息设置通用信息(换能器频率、扫测量程、存储位置、存储方式、安全深度、自动增益等)、侧扫声纳(拖鱼类型、串口选择)、GPS(GPS的类型，通讯端口以及波特率)、深度传感器、高度计(超声探测器)、后拖长度及勘测等参数，即可施测。
四、数据分析方法
侧扫声纳数据分析采用PostScan后期处理软件开展，PostScan的功能包含例如图形局部放大、目标测量、GPS坐标修正检验、倾斜幅度校正、镶嵌、高度校正等功能(见图5)。该侧扫声纳系统调查获取通用的XTF格式文件，文件开始是XTFILEHEADER结构，文件大小最少为1024KB，它包括声纳通道和测深通道信息等。后面是不同的数据包，目前主要有声纳、测深、姿态和注释4种类型。载入*．XTF文件以后，可以看到文件的扫测量程、操作频率、采样频率以及文件大小等信息。
图5 PostScan后期处理软件窗口信息
可通过鼠标对目标物体进行量测，先将鼠标指针移到目标上并点击右键，然后将鼠标指针移至阴影末端并再次点击右键即可得到目标物体的长度、宽度、高度等形状信息。
五、琼州海峡海底地质灾害类型分析
琼州海峡在往复潮汐作用下，形成东西两端潮流三角洲、中部峡谷、两岸强烈侵蚀台地及海陆交互相滨海平原的地貌格架。海底地形较复杂，差异较大。东、西部峡口水深较浅，东、西峡口为冲刷槽与浅滩相间，东部峡口呈“朵状”分布、西部峡口呈“指状”分布; 中部深水槽谷水深大于50m，长约70km、宽约10km，槽谷中轴线水深80～120m。南北两侧分布有陡坎，最大高差为70m。峡底还分布有珊瑚礁、沙坡、沙垄、海丘、火山锥等微地貌(见图6)。发育活动沙波、软土、古河道、侵蚀沟槽、海釜、水下浅滩、陡坎及海底活动构造等多种地质灾害。软土区侧扫声纳调查时，超声波大部分被软土层吸收，仅少量被反射、接收，影像图像表现为均一灰黑色。调查显示软土主要分布于海峡水下岸坡，由水下岸坡向谷坡方向逐渐变薄以至消失尖灭，部分地区谷坡上部亦有分布。在南部岸坡中部( 玄武岩区) 缺失。软土层是在缓慢流水环境中的全新世沉积，天然含水量大于液限，天然孔隙比大于1.0。软土层具有孔隙比大、天然含水量高、压缩性高、抗剪强度低、透水性低和流变性等性质。修建在软土上的建筑物在地震载荷作用下，可能出现突发性沉陷以及不均匀沉降，从而导致建筑物永久性变形破坏。1605年，琼山地震中琼山、澄迈、临高、文昌大片陆地沉陷成海可能就是软土震陷造成。为此，软土地层是跨海通道工程不得不防的地质灾害类型之一(见图7)。
图6 琼州海峡跨海通道工程区地质灾害分布图
图7 海底软土区地貌影像图
沙波为广布于海底表面的波状微地貌，泥沙颗粒在潮流、波浪作用下沿海底移动中形成。呈垂直于潮流、波浪水流方向条状分布。按照波高、波长，分为沙纹、沙脊、沙丘、沙垄等类型。侧扫声纳超声波受到沙波坡体影响，坡体一侧反射声波表现为“亮区”；另一侧受波体遮挡，表现为反射空白的“暗区”。调查显示沙波主要分布于峡谷两端的谷坡和谷底上。由两端至海峡中部最窄处，沙垄、沙丘呈逐渐发育趋势，海峡越窄，沙垄、沙丘的波长、波高值越大。各种规模水下沙坡，在波浪、潮流驱动下，具有强烈的侵蚀和堆积作用，严重影响了海洋工程施工及运营的安全。
图8 各种规模沙波影像图
以海底侵蚀为例，自升式平台和固定式平台的桩腿直插海底，桩腿迎流一侧的底部泥沙易被水流携走造成侵蚀。长时间的侵蚀会导致一侧桩腿的地基基础减弱，从而产生不均匀沉降，平台可能发生倾斜，甚至翻倒。因此，海底活动沙波地貌是跨海通道工程必须考虑的地质灾害类型之一(见图8)。
在工程区内发现疑似火山口、断层等活动构造，由于地壳活动和沉积作用引起地层错动及其伴生的海底表面变形，将造成跨断层修建的构筑物发生差异沉降，而对海洋工程产生极大危害。项目组通过野外海上作业、室内数据分析，获得2处疑似火山口的影像，均分布在L5测线上。火山(H1)地理坐标为20°03.3768'N、110°05.6312'E，火山口中心处于L5测线与Z24测线交汇处东约500m处。火山锥底部直径约400m，火山口直径100m，坡高24m，锥体坡降0.24(见图9a)。火山(H2)地理坐标为20°03.1712'N、110°04.0505'E，火山口中心处于L5测线与Z25测线交汇处东约1200m处。火山锥底部直径约300m，火山口直径120m，坡高25m，锥体坡降0.28(见图9b)。
（a)
(b)
图9 H1、H2海底火山影像图
另外，琼州海峡峡谷谷坡、谷底发育大量洼地、陡坎等次一级地貌，成为琼州海峡跨海通道工程建设和运行期间长期遭受的地质灾害类型之一。在海峡中部陡坎、洼地发育，如上所述陡坎比比皆是，海峡中部是水下岸坡失稳重点防治区域。
六、结论
⑴通过在琼州海峡进行侧扫声纳调查应用，得到了连续的有一定宽度的二维海底地形地貌的声图，据此辨别获取了琼州海峡跨海通道区域海底地形地貌特征的分布变化规律，分析了地质灾害类型及其可能的危害。
⑵在琼州海峡海底发现软土、活动沙波、岸坡及活动构造等微地貌单元，跨海通道工程施工、运行阶段都将遭受相关地质灾害的危害，跨海通道工程选址应做好相应规避，将危害程度降至最低。
⑶侧扫声纳所得的信息和数据分析为跨海通道工程地壳稳定性评价提供了基础资料，为工程规划线路优选、建设实施提供了技术支撑。研究表明侧扫声纳技术可应用于海底地壳稳定性调查与评价工作中。
【作者简介】文/李振 彭华 姜景捷 孙尧，均来自中国地质科学院地质力学研究所；第一作者李振，1984年出生，男，助理研究员，从事海洋地球物理、地应力、地应力测量与监测、岩石力学等方面的研究工作；本文为基金项目，海洋基础性公益性地质调查项目(DD20160149)；文章来自《地质力学学报》（2018年第2期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。
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