（海洋地质专业论文）海南东方岸外陆架底形变化特征及对海底管线状态的影响.pdf

海南东方岸外陆架底形变化特征及对 海底管线状态的影响 摘要 全新世以来陆架经历了大规模的海侵，裸露的陆架逐渐被海水淹没，潮流成 为浅海最重要和最活跃的海洋动力要素，对海底地貌和沉积的形成发育起了主导 作用。它塑造了不同规模的纵向和横向底形，其中冲刷深槽可能是陆架上最大的 地形起伏；它驱动了长长的沙流，形成了规模宏大的现代潮流堆积体潮流沙 脊和潮流沙席。研究表明近百年来全球海平面已上升了1 0 - 2 0 c m ，并且未来还要 加速上升，海平面的上升会使风暴潮强度加剧，而海南岛是我国受风暴潮影响最 为严重的地区之一。 海南东方1 - 1 气田位于北部湾东南部，我国海南省东方市岸外，水深约7 0 m 。 从气田通往海南岛的输气管线长约1 0 9 k i n ，路由区经过深水平坦区、沙波沙脊发 育区和浅水冲蚀区，海底底形异常复杂，是研究陆架底形变化的良好场所。 2 0 0 3 - 2 0 0 7 年中国海洋大学曾多次对管线安全进行调查，获得了丰富的多波束、 声纳和浅剖数据，对本文研究该区域的海底底形变化特征及对管线状态的影响提 供了翔实的调查资料。 根据海底地形地貌特征，将研究区分为浅水冲蚀区、沙波沙脊区和深水平坦 区三个部分。( 1 ) 浅水冲蚀区：受波浪和潮流的影响比较明显，由于海南岛植 被茂密，河流泥沙供应量较小，该区域以水动力冲蚀作用为主，同时表层沉积物 的运动较为活跃，水动力搬运的沉积物可能会对冲蚀坑或冲沟形成暂时性掩埋， 造成管线安全的假象；( 2 ) 沙波沙脊区：沙脊移动速度较小，沙波的迁移速度 为0 5 0 m a 。常态下沙波的分布、形态和迁移方向受当地潮流场控制。根据潮流 作用的不同，将沙波区分为东、中、西三区，东区：水深2 0 4 0m ，v 落 v 蠢，且 落潮流方向指向南，涨潮流向北。沙波迁移方向以s w 为主，同时受沙脊地形影 响，沙脊西侧沙波表现出向n e 迁移的趋势；中区：水深2 8 3 7r n ，沙波呈对称 形，相对稳定；西区：水深3 6 - - 5 2m ，v 涨 v 瘩，涨潮流为优势流，沙波迁移方向 为n e 向。在台风等引起的强水动力条件下，沙波沙脊区的海底底形将会发生较 大的变化，沙波沙脊区海底管线悬跨的产生，主要是海底地形、沙波的移动和区 域性冲沟的发育所造成的。虽然前期调查所发现的大部分悬跨段都集中在这个区 域，但从悬跨形成的机制、路由区地质演化机理上分析，管线整体状态是向好的 方向发展；( 3 ) 深水平坦区：海底沉积物以粘土和粉砂质粘土为主，应属于相 对稳定的环境。但是在管线周围出现了沉积物粗化和两侧水深加大的趋势，并在 管线下出现上百个冲蚀坑，严重威胁着管线安全。这主要是因为管线铺设后引起 周围水动力条件改变造成的。 本文从理想冲刷和微孔效应的角度分析了海底底形变化与海底管线的响应， 阐述了海底管线铺设对海底底形变化的影响。管线铺设后，由于其并未完全入泥， 凸起的海底管线改变了周围的水动力条件，形成了有利于冲蚀坑产生的流场，在 管线束流作用下造成了冲蚀坑的迅速扩大，严重影响海底管线的安全，这种现象 在深水平坦区尤为明显。 分析表明，研究区海底底形主要受潮流和风暴潮引起的强底流共同控制，而 管线铺设后对其周围的底形产生了较大的影响。 南海是个资源丰富的海域，在从陆地到海洋的能源战略转向的思维中，素有 “第二个波斯湾”之称的南中国海则被赋予了中国能源未来的希望之地被列 为国家十大油气战略选区之一。海底管道是海上油气田开发的重要组成部分，是 油、气外输的主要手段。因此对陆架底形变化的研究不仅具有十分重要的科学意 义，同时具有广泛的生产应用价值。 关键词：海南东方陆架底形理想冲刷微孔效应 t h es u b s e ab e d f o r m se v o l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c o nc o n t i n e n t a ls h e l fa n dt h ee f f e c tt ot h es e a f l o o r p i p e l i n e c o n d i t i o no f fd o n g f a n g ，h a i n a ni s l a n d a b s t r a c t s i n c et h eh o l o c e n ee p o c ht h ec o n t i n e n t a ls h e l fh a se x p e r i e n c e dt h el a r g e s c a l e i n g r e s s i o n ，m e a n w h i l et h ee x p o s e dc o n t i n e n t a ls h e l fh a sg r a d u a l l ys u b m e r g e db yt h e s e aw a t e r , a n dt h et i d a lc u r r e n t ，w h i c hl e a d i n gt ot h ef o r m a t i o no ft h es e a b e dl a n d f o r m a n dt h ed e p o s i t i o n ，b e c o m e st h em o s ti m p o r t a n ta n dt h em o s ta c t i v es e ap o w e r e s s e n t i a lf a c t o rt ot h ee p i c o n t i n e n t a ls e a i th a sm o l d e dt h ed i f f e r e n ts c a l el o n g i t u d i n a l a n dt r a n s v e r s ed i r e c t i o nb e d f o r m s ，e s p e c i a l l ys c o u r i n gd e e pg r o o v e sm a yb et h e l a r g e s th y p s o g r a p h y ；i th a sa l s od r i v e nl o n gs a n dd r i f ta n df o r m e dal a r g e s c a l e m o d e mt i d a lc u r r e n ta c c u m u l a t i o n - t i d a lc u r r e n ts a n dr i d g ea n dt i d a lc u r r e n ts a n d m a t r e s e a r c hi n d i c a t e st h a tt h ep a s tc e n t u r yg l o b a ls e al e v e lh a sr i s e n1 0t o2 0c l n ， a n di nt h ef u t u r ei tm u s ta c c e l e r a t et or i s e t h es e al e v e lr i s ew i l le x a c e r b a t es t o r m s u r g e ss t r e n g t h ，a n dh a i n a ni s l a n di sj u s tt h eo n eo fm o s ts e r i o u sr e g i o n sa f f e c t e db y t h es t o r mi no u rc o u n t r y h a i n a nd o n g f a n g1 - 1n a t u r a lg a sf i e l d sl o c a t e da tt h es o u t h e a s to fb e i b ug u l f , o u t s i d et h eb a n ko fd o n g f a n gc i t y , h a i n a np r o v i n c e ，w h e r et h ew a t e rd e p t h a p p r o x i m a t e l y7 0 m t h eg a sp i p e l i n ef r o mg a sf i e l d st oh a i n a ni s l a n di sa b o u t1 0 9 k m ，r o u t i n gt h ed e e pw a t e rs m o o t ha r e a ，t h es a n dw a v ea n ds a n dr i d g eg r o w t ha r e a a n dt h es h a l l o ww a t e re r o d i n ga r e a t h ee x c e p t i o n a l l yc o m p l e xs e a b e db o t t o ms h a p e i sag o o dp l a c et os t u d yt h ec o n t i n e n t a ls h e l fb o t t o ms h a p ec h a n g e f r o m2 0 0 3t o 2 0 0 7o c e a nu n i v e r s i t yo fc h i n ah a sr e p e a t e d l yc a r r i e do u tm a n yi n v e s t i g a t i o n so nt h e p i p e l i n es e c u r i t y ，a n d o b t a i n e daw e a l t ho fm u l t i b e a m ，s h a l l o ws o n a ra n d p o s t - m o r t e md a t a t h e s ei n v e s t i g a t i o n sp r o v i d ed e t a i l e ds u r v e yd a t af o rt h er e s e a r c ho ft h es e a b e d m b e d f o r m sc h a n g ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ei n f l u e n c et ot h ep i p e l i n ec o n d i t i o no ft h i s r e g t o n t h e s t u d ya r e ai sd i v i d e di n t os h a l l o ww a t e ra r e a , s a n dw a v ea n ds a n dr i d g ea r e a a n dt h ed e e p w a t e ra r e aa c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n ts e a b e dt e r r a i n s ( 1 ) s h a l l o ww a t e r a r e a ：t h ei n f l u e n c eo fw a v e sa n dt i d a lc u r r e n ti sc o m p a r a t i v e l yo b v i o u s t h ef i v e rs i l t s u p p l yi ss m a l la sar e s u l to ft h eh a i n a ni s l a n dv e g e t a t i o nc o v e 7 t h eh y d r o d y n a m i c f o r c ee r o s i o np l a y st h em a i nr o l ei nt h i sr e g i o n ，a tt h es a n l et i m et h em o v e m e n to f s u r f a c es e d i m e n ti sc o m p a r a t i v e l ya c t i v e t h es e d i m e n tt r a n s p o r t i n gb yh y d r o d y n a m i c f o r c em a yt e m p o r a r i l yb u r yt h ee r o s i o np i to rd i t c h ，c o n s e q u e n t l yc a u s e st h ef a l s e a p p e a r a n c eo ft h es a f e t yo ft h ep i p e l i n e ( 2 ) s a n dw a v ea n ds a n dr i d g ea r e a ：t h e d i s p l a c e m e n tr a t eo fs a n dr i d g ei ss m a l la n dt h es a n dw a v em i g r a t i o nr a t ei s0 5 0 m a u n d e rt h en o r m a ls t a t e ，s a n dw a v ed i s t r i b u t i o n ，f o r ma n dm i g r a t i o nd i r e c t i o na r e c o n t r o l l e db yl o c a lt i d a lc u r r e n t a c c o r d i n gt od i f f e r e n tt i d a lc u r r e n tf u n c t i o n ，s a n d w a v ea r e ac a nb ed i v i d e di n t oe a s t ，m i d d l ea n dw e s tr e g i o n s e a s tr e g i o n ：w a t e r d e p t h2 0 - 4 0m ，v e b b v f l o o d ，a n dt h ee b bc u r r e n td i r e c t i o ni ss o u t h w h i l et h ef l o o dt i d e c u r r e n td i r e c t i o ni sn o r t h t h ep r i m a r i l ym i g r a t i o nd i r e c t i o no ft h es a n dw a v ei ss w , a tt h es a m et i m es a n dw a v ew h i c ha tt h ew e s to ft h es a n dr i d g er e c e i v e st h es a n dr i d g e t e r r a i ni n f l u e n c ea n ds h o w st h em i g r a t i o nt r e n dt ot h en e ；m i d d l er e g i o n ：w a t e rd e p t h 2 8 - 3 7 m ，t h es a n dw a v ea s s u m e st h es y m m e t r i c a lf i g u r ea n dr e l a t i v es t a b i l i z a t i o n ； w e s tr e g i o n ：w a t e rd e p t h3 6 - 5 2m ，v f l o o d v e b b 。t h ef l o o dc u r r e n ti st h es u p e r i o r p o t e n t i a lf l o w , a n dt h es a n dw a v em i g r a t o r yd i r e c t i o ns h o u l db en e i nt h ec o n d i t i o n s o fs t r o n gh y d r o d y n a m i cf o r c ec a u s e db yt y p h o o n , s a n dw a v ea n ds a n dr i d g ea r e a s e a b e db o t t o ms h a p ew i l lh a v et h el a r g ec h a n g e s t h es e a b e dt e r r a i n ，s a n dw a v e m i g r a t i o na n dt h eg r o w t ho fr e g i o n a le r o s i o nd i t c hc r e a t es u b s e ap i p e l i n es u s p e n d e d s p a n a l t h o u g ht h eb i gs e c t i o no ft h es u s p e n d e ds p a nd i s c o v e r e db yp r e l i m i n a r y i n v e s t i g a t i o nc o n c e n t r a t e si nt h i sr e g i o n ，b u tt h eo v e r a l ls t a t eo ft h ep i p e l i n ed e v e l o p s t oag o o dd i r e c t i o na c c o r d i n gt ot h ef o r mo ft h es u s p e n d e ds p a na n dt h er o u t ea r e a g e o l o g ye v o l u t i o n ( 3 ) d e e p w a t e ra r e a ：t h em a i n l yc o m p o n e n t o fs e a f l o o rs e d i m e n ti s c l a ya n ds i l t yc l a y , a n di tb e l o n g st oar e l a t i v e l ys t a b l ee n v i r o n m e n t h o w e v e r , t h e d e p o s i tc o a r s e n i n ga n dt h eb o t hs i d e sw a t e rd e p t he n l a r g i n ga r o u n dt h ep i p e l i n e ，a n d i v h u n d r e d so fe r o s i o np i ts e r i o u s l yt h r e a tt h ep i p e l i n es a f e t y t h i si sm a i n l yb e c a u s et h e p i p e l i n el a y i n gc a u s e st h ec h a n g eo ft h eh y d r o d y n a m i cf o r c ec o n d i t i o n s t h i sa r t i c l eh a sa n a l y z e dt h es e a b e db o t t o ms h a p ec h a n g ea n dp i p e l i n er e s p o n s e f r o mt h ei d e a ls c o u ra n dt h ep o r ee f f e c t ，a n de l a b o r a t e dt h ei n f l u e n c eo fp i p e l i n e l a y i n gt ot h es e a b e db o t t o ms h a p ec h a n g e b e c a u s et h ep i p e l i n eh a sn o tc o m p l e t e l y e n t e r e dt h em u da f t e rl a y i n g ，t h eb u l g es u b s e ap i p e l i n ec h a n g e dt h es u r r o u n d i n g h y d r o d y n a m i cf o r c ec o n d i t i o na n df o r m e df l o wf i e l dw h i c hw a sp r o p i t i o u st os c o u l t h ep i p e l i n eb e a mf l u xf u n c t i o nc r e a t e dt h er a p i de x p a n s i o no fe r o s i o np i t ，w h i c h s e r i o u s l yi n f l u e n c et h ep i p e l i n es e c u r i t y t h i sp h e n o m e n o ni se s p e c i a l l yo b v i o u si n t h ed e e p w a t e ra r e a a n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h es t u d ya r e as e a b e db o t t o ms h a p ei sm a i n l yc o n t r o l l e db y t h et i d a lc u r r e n ta n dt h es t r o n gb o t t o mc u l t e n tw h i c hc a u s e db yt h es t o r m , a n dt h e p i p e l i n el a y i n gc r e a t e sab i gi n f l u e n c et ot h es u r r o u n d i n gb o t t o ms h a p e t h es o u t hc h i n as e ai sar e s o u r c e r i c hs e aa r e a i ti sk n o w na s “t h es e c o n d p e r s i a ng u l f ，i th a sb e e ng i v e nt h e f u t u r eh o p eo ft h es o u r c e si nt h et h o u g h to f e n e r g ys t r a t e g yc h a n g e sf r o mt h el a n dt ot h es e aa n dl i s t e da so n eo ft h et o p - t e n c o u n t r yo i lg a ss t r a t e g ye l e c t o r a ld i s t r i c t t h es e a b e dp i p e l i n e i sai m p o r t a n t c o m p o n e n to fs u b s e ao i la n dg a sf i e l d ，i ti sa l s ot h e t h ep r i m a r ym e a n s 。o f t r a n s m i s s i o n t h e r e f o r et h er e s e a r c ho fc o n t i n e n t a ls h e l fb o t t o ms h a p ec h a n g en o t o n l yh a st h ev e r yv i t a ls c i e n t i f i cs i g n i f i c a n c e ，b u ta l s oh a st h ew i d e s p r e a dp r o d u c t i o n a p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d s ：h a i n a nd o n g f a n gc o n t i n e n t a ls h e l fb o t t o ms h a p ei d e a ls c o u r p o r ee 骶c t v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含未获得 ( 洼；垫遗直墓丝噩噩挂别岂瞪笪：奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：南中 签字日期：刎年乡月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 面中 导师签 签字日期：雳年乡月7e t 签字日 海南东方岸外陆架底形变化特征及对海底管线状态的影响 0 引言 o 1 研究意义 全新世以来陆架经历了大规模的海侵，裸露的陆架逐渐被海水淹没，潮流成为 浅海最重要和最活跃的海洋动力要素，对海底地貌和沉积的形成发育起了主导作 用。它塑造了不同规模的纵向和横向底形，其中冲刷深槽可能是陆架上最大的地形 起伏；它驱动了长长的沙流，形成了规模宏大的现代潮流堆积体潮流沙脊和潮 流沙席，它们是陆架上全新世沉积较厚、沉速较快的海区。中国陆架海域宽浅，潮 流作用强盛；海底松散沉积物丰富，具备发育潮流沉积和地貌的有利条件。因此， 发育了丰富多样的潮流沉积和地貌。从其规模大小、形态多样和典型程度，可称是 陆架潮流沉积地貌的博物馆，与潮流作用较强、，潮流沉积地貌发育的北海地区相比， 规模更大，类型更丰富。 内陆架浅海的近岸海底存在多种海底地貌，其中包括潮流沙脊、沙波和潮流侵 蚀沟槽等特殊的形态。潮流沙脊是一种潮流成因的线状沙体，其延伸的方向与潮流 流向一致，呈平行排列或指状伸展，它们沟脊相间，形态奇特。潮流脊在世界上分 布相当广泛，它对航运、捕捞、水下工程、军事设施以及地下水和油气田的开发利 用都具有重要意义。我国具有漫长的海岸线，东临广阔的陆架浅海，是世界上潮汐 作用较强的地区之一，沙脊分布广泛，较大的有北黄海西朝鲜湾潮流脊、辽东浅滩 潮流脊、江苏指状潮流脊、台湾浅滩潮流脊、琼州海峡东西口潮流脊、长江口北支 潮流脊以及六股河口、伶仃洋、胶州湾等小型潮流脊( 刘振夏、夏东兴，1 9 8 3 ) ，以 及海南东方岸外的潮流沙脊( 冯文科、黎维峰1 9 9 4 ，王尚毅，1 9 9 4 ，夏东兴等，2 0 0 3 ， 刘昭蜀、赵焕庭等2 0 0 2 ) 。垂直于主水流方向的丘状底形称为水下沙丘或者沙波，沙 波是砂质海底最常见的地形地貌，它的迁移和运动可以掏空或掩埋海底管线，导致 建筑物基础失稳，同时它也可以标志海洋环境的变化，所以引起很多学者的重视。 而潮流侵蚀沟槽属于侵蚀型陆架地貌，系较大流速的潮流冲刷海底形成的侵蚀性地 貌，如冲蚀坑、冲刷槽等，容易造成海底管线的悬跨，对海底油气管线的安全造成 极大的威胁。潮流对全新世以来中国陆架的现代沉积和地貌产生了、并在继续产生 着深刻的影响。此外，海洋气候环境风云变幻，尤其是南海地区是个台风多发区域， 突发事件如台风、海啸等对海底底形变化也有着十分重要的影响。 南海是个资源丰富的海域，在从陆地到海洋的能源战略转向的思维中，素有“第 海南东方岸外陆架底形变化特征及对海底管线状态的影响 二个波斯湾”之称的南中国海则被赋予了中国能源未来的希望之地被列为国家 十大油气战略选区之一。南海的油气资源有多少? 目前数据显示，南海有含油气构 造2 0 0 多个，油气田1 8 0 个。仅在曾母盆地、沙巴盆地、万安盆地的石油总储量就将 近2 0 0 亿吨，是世界上尚待开发的大型油藏之一，其中一半以上的储量分布在应划归 中国管辖的海域。整个南海的石油地质储量大致在2 3 0 亿至3 0 0 亿吨之间，约占中国 石油资源总量的1 3 。海底管道是海上油气田开发的重要组成部分，是油、气外输的 主要手段。据统计，从1 9 8 5 年我国第一条海底输油管道建成至2 0 0 5 年，在我国海域 累计已铺设海底管道6 0 多条，总长度超过3 0 0 0k m 。然而，根据海上工程勘察，海 底管道因沙波沙脊和冲刷等原因造成的悬空非常普遍，露管后，不但导致输油热损 失增大，而且严重影响管道的安全运行。如东海平湖油气田登陆岱山的输油管线就 曾在2 0 0 0 年1 0 月的一次台风中断裂，修复这段管线历时1 年，且花费60 0 0 多万人民 币( 喻国良，陈琴琴等，2 0 0 7 ) 。所以海底油气管道的安全与否直接影响着海洋石油 工业的发展和海洋环境的保护。因此对陆架底形变化的研究不仅具有十分重要的科 学意义，同时具有广泛的生产应用价值。 0 2 研究现状 j o h n s o n ( 1 9 1 9 ) 提出，现代陆架沉积物分布表现为随着水深的增加，动力作用 减弱，沉积物粒径变细的观点。后来的海洋地质学家发现，全球外陆架上的大部分 沉积物的分布并非如此，沉积物分布与现代水动力环境并不匹配( d a n g e a r d ，1 9 2 5 ； s h e p a r d ，1 9 3 2 ) ，尤其是许多学者发现波浪和底速流达不到物质起动流速的( 或推 测达不到) 地区有粗粒砂质沉积物存在。据此，e m e r y ( 1 9 6 8 ) 提出了覆盖大部分 现代陆架的沙体是低海平面时的残留沉积的概念。s w i f t 等( 1 9 7 1 ) 认为虽然陆架砂 很粗，现在动力过程不能将其搬运，但经过了现代潮流和波浪的改造和分选，并将 其称为“变余沉积”。2 0 世纪9 0 年代，f i e l d 和t r i n c a r d i ( 1 9 9 1 ) 从大量地震资料判识 得出第四纪海退沉积物很有可能在低海面滨外地区保留下来，而内滨的沉积物却由 于海侵侵蚀的原因，一般被破坏和改造的结论。s w i f t 和t h o m e ( 1 9 9 1 ) 提出了平衡 陆架的概念，将陆架海底看成在地质时间尺度内动力平衡的界面。 浅海潮流沉积地貌的研究，起始于西北欧的潮汐海，潮流沙脊的特殊底形首先 引起海洋学家的注意，对它的研究是近5 眸来浅海地质学的一个重要进展。早在1 9 2 海南东方岸外陆架底形交他特征及对海底管线状态的影响 世纪，b e c h e ( 1 8 5 1 ) 、l y r e l l ( 1 8 5 3 ) 和r c a d e ( 1 8 8 8 ) 等就指出潮流是沉积物搬运 的一种营力。v a nv e e n ( 1 9 3 5 ) 注意到北海南部海底大量浅滩( s a n d s 和b a n k ) 的 ； 长轴几乎平行于最强的潮流，并伴有横向沙波存在。他认为，受较强的北向落潮流 的影响，沙波正在向北移动。1 9 3 9 年，北美洲中大西洋陆架上的沙脊首先在图上出 现，s h e p a r d 曾认为某些斜向延伸的浅滩是被淹没的海岸沙丘。总的来看，2 0 世纪5 0 年代以前的研究是局部而零星的，对成因的分析存在各种不同的推测。 2 0 世纪5 0 年代以后，随着世界浅海测深技术的提高和测流工作的广泛开展， 以及旁侧声纳和浅地层剖面仪的应用，使人们对海底的认识逐渐立体化、形象化。 调查规模的扩大和深入，使研究从定性到定量，从对沉积物单纯的描述向沉积过程 的研究发展( 刘振夏，夏东兴，2 0 0 4 ) 。1 9 6 3 年o f f 首先提出了潮流沙脊的概念( t i d a l c u r r e n tr i d g e s ) ，他认为潮汐塑造了海底这种脊槽相间排列的水下地形，并讨论了世 界范围内潮流沙脊的分布与大潮差之间的关系。s t r i d e ( 1 9 6 3 ) 用回声测深仪和旁侧声 纳扫描对不列颠岛南部海底的潮流地貌并进行了早期研究，以后又对整个西北欧潮 汐海进行了全面的研究。他们与欧洲其它学者的杰出工作奠定了世界浅海潮流地貌 和沉积学的基础。1 9 6 5 年以来，美国学者s w i f t 等人对北美中大西洋从长岛至佛罗 里达陆架上近2 0 0 余个水下沙脊进行了长期的观察研究，确定它们是风暴流成因的 沙脊，形成于全新世以来。继后在欧洲北海陆架( h o u b o l t ，1 9 6 8 ) 和北美中大西洋陆 架( s w i f t ，1 9 7 2 ) 都进行了较为详尽的研究，得到结论是水下沙脊的存在是内陆架沉 积物对现代海洋动力条件的响应。无论是潮流沙脊，还是风暴流脊，均由线性水流 所形成。 沙波是一种垂直于主水流方向的丘状底形，与沙脊的走向在与潮流流向上是有 本质区别的，有时可以与水下沙脊相伴而生，多发育在沙脊的侧翼部位，在上世 纪6 0 年代，地质学家就已经可以通过水槽实验塑造出各种尺度的沙波，在沙波分 类上许多学者提出了不同的意见，7 0 年代的s w i f t 、8 0 年代a l i e n 、h a r m s ( 1 9 8 2 ) 和s t r i d e ( 1 9 7 8 ，1 9 8 2 ) 都曾对沙波进行过研究，s w i f t 等的工作很好地证明了水下 沙脊是内陆架沉积物适应现代海洋动力条件而达到平衡的产物，1 9 8 2 年s t r i d e 编著 的滨外潮流浅滩的沉积和过程一书，是对浅海潮流沉积地貌全面而系统的总结 ( 刘振夏，夏东兴，2 0 0 4 ) 。近年许多的科学家对世界各地的沙波的形态特征以及 环境参数都进行了比较详细的研究，法国岸外沙波( a l l e n ，j l r ，1 9 8 2 ) 、北海南 3 海南东方岸外陆架底形变化特征及对海底管线状态的影响 部沙波( t e r w i n d ，j h r ，1 9 7 1 ) 、丹麦北岸外斯卡格拉克海峡沙波( k u i j p e r ，a ， j r u m o h r ，1 9 9 3 ) 、美国长岛海峡东侧沙波( f e n s t e r ne ta l ，1 9 9 0 ) 等等，这些研究 给人们进行沙波形成环境对比提供了较好的资料。 我国对陆架底形的研究起步较晚，并且在上个世纪8 0 年代以前，中国陆架的海 洋地质研究受一些大国理论思想的影响比较严重。现在在国家的大力支持之下，我 国的海洋学者对潮流、地形地貌和沉积等进行了多学科的综合研究，得出了一些全 新的认识和结论，对丰富和发展中国陆架底形研究具有十分重要的意义。在8 0 年代， 刘振夏、夏东兴等对潮流沙脊进行了初步的研究，并且探讨了潮流脊的形成机制和 发育条件，以后进a 9 0 年代刘振夏( 1 9 9 5 ) 、冯文科( 1 9 9 3 ) 和王尚毅( 1 9 9 4 ) 等对中国 陆架沙波的分布形态及计算方法进行了研究，我国的沙波主要分布在东海( 叶银灿， 2 0 0 4 ) 和南海，如珠江口外陆架区、海南岛西部和东北部近岸带、雷州湾、伶仃洋、 台湾浅滩、广东沿岸区和扬子浅滩等海域。北方海域分布较少，主要见于渤中浅滩、 辽东浅滩( 刘振夏，1 9 9 4 ；王颖，1 9 9 8 ；朱玉荣，1 9 9 8 ) 和海州湾平山岛附近。另外 在近岸潮流三角洲上也有沙波的分布，如乳山湾、丁字湾、水东港、铁山港、钦州 湾等湾外潮流三角洲。这些都为本文提供了良好的思想基础。 目前已经有不少研究学者对东方岸外的潮流沙脊沙波进行了研究，对该处潮流 沙脊的形成原因以及物质来源进行了分析( 王文介，2 0 0 0 ) ，以及沙波的分布特征 和在常态下沙波移动的研究( 夏东兴等，2 0 0 3 ) 但是这些研究主要集中在海南东方 岸外陆架沙脊沙波区( 水深2 0 5 0 m ) 的形态和活动性的研究上，很少涉及到水深2 0 m 以浅的浅水冲蚀区和水深大于5 0 m 的深水平坦区海底的底形变化，所以本文在立足 前人研究的基础上，不仅对沙脊沙波区的海底底形变化进行了研究，而且对浅水冲 蚀区和深水平坦区的海底底形变化特征和影响因素进行了讨论，从整体上探讨了该 海域的海底地形变化特征，以及对海底输气管线安全状态的影响。 0 3 资料来源 东方1 1 气田位于海南省东方市岸外，水深7 0 余米。由于海管途经沙波沙脊极为 发育的海底区，海底底形的变化不断造成海底管线新悬跨的产生，严重威胁着海管 的安全生产。中国海洋大学工程开发院东方海底管线检测课题组，认真组织人员和 设备，分别于2 0 0 3 年8 月、2 0 0 4 年1 月、2 0 0 4 年1 0 月和2 0 0 7 年1 月对复杂海底区的管线 4 海南东方岸外陆架底形变化特征及对海底管线状态的影响 实施了四次检测工作，及时发现了海管的新悬跨，并配合实施了随后的悬跨处理工 作，确保了海管的安全，实现了中国海洋石油工程股份有限公司( c o o z c ) 的管线检 测目的。本文所用资料主要来自于这四次勘测的多波束勘测资料。 0 4 本文所进行的研究 东方1 - 1 海底管线自2 0 0 3 年7 月敷设完成至今已历时3 年半的时间。通过2 0 0 3 年8 月到2 0 0 7 年1 月的四次实地勘测资料，获得了丰富的多波束、浅剖和声纳资 料。 ( 1 ) 通过对所获得资料的处理解释，对比各阶段的多波束资料，详细地阐明 了研究区陆架底形的变化特征，并初步掌握了该海域海底底形变化的规律及其影响 因素。 ( 2 ) 通过对海底管线安全状态的评估，分析了管线周围的水动力变化，了解 海底底形变化与海底管线的响应。调查资料的对比分析表明：造成管线悬跨的主要 原因，已从2 0 0 4 年1 月以前的地形起伏、2 0 0 4 年5 月以前的沙波移动，最终转化 为2 0 0 4 年1 0 月以后的水动力侵蚀。 5 海南东方岸外陆架底形变化特征及对海底管线状态的影响 1 研究区概况 1 1 区域地质概况 南海是太平洋西部边缘海之一，幅员辽阔，面积约3 5 0 万k m 2 ，约为渤海、黄 海和东海总面积的3 5 倍，经济和地理位置十分重要。南海的周边被大陆和岛屿环 抱，北部毗邻华南大陆；南至苏门答腊岛、邦加岛、勿里洞岛和加里曼丹岛；西起 中南半岛和马来半岛：东至台湾岛、吕宋岛、民都洛岛和巴拉望岛。南海外形似菱 形，长轴为n e s w 向，长约3 1 0 0 k m ，横宽( n w ) 约1 2 0 0 k m ，平均水深1 2 1 2 m ， 最深点位于马尼拉海沟东南端，深度达5 3 7 7 m 。南海从周边向中央倾斜，依次分布 着大陆架和岛架、大陆坡和岛坡、海盆等。其中大陆架和岛架面积占4 8 1 4 ，大 陆坡和岛坡面积占3 6 1 2 ，海盆面积占1 5 7 4 。南海的大陆架按照地理位置和成 因类型不同，可以分为两组，南北陆架宽缓，属堆积型陆架，主要是指华南陆缘粤、 桂、琼3 省大陆架而言，特征为地形平坦，水深变化稳定，具有大型的水下三角洲 系如珠江三角洲等，东部陆架是南海外缘岛弧内侧的岛架，由台湾岛、吕宋岛、民 都洛岛和巴拉望岛等岛架组成；西陆架由北部湾口起至湄公河三角洲止，即中南半 岛东海岸外的陆架。南海的陆坡是南海海底起伏高差最大的一个斜坡，按该斜坡的 地形剖面形态特征可划分为上陆坡、中陆坡和下陆坡三部分。南海的中央海盆为扁 菱形，盆底地势由西北微向东南倾斜，到马尼拉海沟一带倾没的最深。整个深海盆 西缘水深由北部的3 2 0 0 3 5 0 0 m 开始往南增至4 2 0 0 m ，深海盆的主要地形形态有坦 荡无际的平原，正向地形有雄伟的高山、海山链和起伏不大的海丘和海底丘陵带； 负向的地形有深邃的海沟、海槽和低陷的海盆洼地以及具有v 形的海谷( 刘昭蜀， 赵焕庭，2 0 0 2 ) 。 根据南海的地形地貌、地壳类型和沉积、构造及地球物理特征，可把南海陆缘 地堑系统划分为5 个二级构造单元：南海北部陆架陆坡拉张地堑系，南海西部陆坡断 阶带，南海南部陆坡断阶带，南海中央海盆断扩拗陷区，南沙海槽挤压拗陷带。研 究区的所在位置如图所示1 8 0 2 0 一1 9 0 1 0 n ，1 0 8 0 2 0 - 1 0 8 。5 0 e ，在地貌分区中属于北 部陆缘地貌区，此区位于北部湾地堑和海南地堑，在二级单位上属于南海北部陆架 陆坡拉张地堑系。 东方1 - 1 气田位于北部湾东南部，具体位置在我国海南省东方市岸外( 图1 1 ) ， 水深约7 0 m 。从气田通往海南岛的输气管线长约1 0 9 1 a n ，管线路由坐标 6 海南东方岸外陆架底形变化特征及对海底管线状态的影响 1 8 。3 6 3 6 1 7 ”1 9 。0 8 1 8 0 0 ”n ，1 0 7 0 4 3 4 9 3 9 ”1 0 8 。3 8 0 0 ”e 。 图1 - 1 研究区( 即管线路由区) 区域位置 北部湾为三面受陆地包围的浅水海湾，面积为1 2 8 万k m 2 ，湾内海底地形平坦， 自西北向东南倾斜，倾斜度为2 。左右，大部分水深在2 0 6 0 m ，最大水深为8 0 1 0 0 m ， 等深线走向基本上与岸线走向一致，属于浅海半封闭性大陆海域( 奉仰崇，1