海南東方西部海域沙波和沙脊分布特征

張先鋒，歐陽義，劉 臻，程 榮，劉 雷，曹 瑞，張軍勇

（中國電建集團 中南勘測設計研究院有限公司, 湖南 長沙 410014）

海底沙波是在海洋浪、潮、流等水動力作用下形成波的脊線垂直于主水流方向的一種韻律分布的海床地貌形態，主要由現代河流入海沉積或原地和鄰近海底較老沉積物形成。海底沙波中存儲著氣候變化、岸線變遷、海平面升降等多種海洋環境信息，是研究海陸相互作用、區域及全球變化的理想載體。其研究不僅具有重要的科學意義，還有廣泛的生產應用價值。如對海底沙脊的時空分布、成因機制及演化規律的研究，有利于準確地建立古環境演變及其沉積模式；對沙脊穩定性的研究在地質災害預防以及軍事科學研究中具有重要意義。

國外關于海底沙波的研究起源較早，主要集中于20 世紀初（Copnish, 1901; Gilbert, 1914），代表性的研究區域和研究成果集中在丹麥西海岸（Dennis et al, 2002）、意大利墨西拿海峽（Massimo, 2004）、荷蘭馬爾斯水道（Maarten et al, 2008）、大西洋的北海（Knaaoen, 2004, 2005, 2009）等。中國對于海底沙波研究起步相對較晚，研究區域主要集中在南海北部（馮文科等, 1994; 王尚毅, 1994）、東海北部（葉銀燦等, 1984）和渤海東部（劉振夏等, 1996）。夏東興等（2001）對海南東方岸外20～50 m 水深海底沙波形成的動力環境、形態特征、剖面結構及其分布特征進行了描述和分析。王偉偉等（2007）利用2004—2006 年連續3 年的多波束海底地貌掃描數據研究了海南島西南海底沙波活動及底床沖淤變化。李勇航等（2021）利用多波束測深、側掃聲吶、淺地層剖面、單道地震資料綜合分析了海南島東方附近活動沙波的地球物理特征，探討了沙波的分布特征、遷移機制、活動性及形態演變特征。當前研究多專注于沙波、沙脊形態描述及遷移趨勢分析，對沙波、沙脊的成因機制研究較少。本文基于海南東方外海沙波、沙脊典型發育區的高分辨率地球物理調查成果，分析了研究區內不同規模沙波、沙脊的發育特征，進而探討了沙波、沙脊成因機制，并定性評價了沙波、沙脊的活動性。

1 研究數據

本文研究區域為海南省東方市西南部海域，離岸最近距離約25 km，水深10～40 m，具體研究區域位置示意圖見圖1。

圖1 研究區位置Fig. 1 Location diagram of the study area

1.1 數據采集

2021 年11 月至2022 年3 月，依托海南海上風電開發工程，中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司在海南東方外海開展了多波束水深測量、側掃聲吶探測工作。多波束水深測量使用RESON Seabat 7125 型完成數據采集，換能器采用側舷安裝方式，配套姿態系統為POS-MV 型光纖姿態傳感器及HYDRINS 光纖羅經系統，并輸出5 m×5 m 小網格水深數據。側掃聲吶探測使用EdgeTech 4200MP 雙頻側掃聲吶，采用尾拖方式作業，獲取了研究區高分辨率的海床聲學影像。

1.2 數據處理

多波束數據使用CARIS HIPS/SIPS 系統完成處理。數據處理過程包括船型參數改正、吃水改正、聲速剖面改正等方面的校正，并采用軟件識別和人工判讀方式分別對導航定位數據、傳感器參數、數據的連續性、深度數據的置信度及噪聲方面進行處理。

側掃聲吶資料后處理與解釋使用TritonPerspective 后處理軟件。將各測線的聲吶影像數據導入軟件中，對其進行TVG 改正、斜距改正和速度改正，并將其鑲嵌成完整的海底聲吶影像圖。根據聲吶影像數據記錄的海底反射信號，判讀調查區的海底地貌特征，并結合水深地形測量和淺地層剖面資料分析海底微地貌單元的分類和特征，同時完成特殊地貌體和目標物的形態識別和參數量取。

2 沙波、沙脊分布特征

2.1 地形地貌

測量結果顯示，研究區域內沙波、沙脊十分發育。受沙波、沙脊等地貌單元的影響，研究區域內的水深多變化，地形條件復雜。多波束水深測量結果顯示，研究區域水深介于12～50 m，該區域發育一紡錘形沙脊，最深點位于研究區域西北角區域，總體呈由東向西以波狀形態緩慢加深的特征（圖2）。

圖2 研究區域水深及不同沙波類型分布Fig. 2 Bathometry and distribution of sand wave types in the study area

根據水深測量結果，對研究區域內的大型地貌單元進行了識別，識別出沙脊D（Sand ridges）及不同規模沙波。研究區內的沙波以波高為主要劃分指標（單紅仙等, 2017），可劃分為巨型沙波G（Giant sand waves，波高大于5.00 m）、大型沙波L（Large sand waves，波高介于0.75～5.00 m）、中型沙波M（Medium sand waves，波高介于0.40～0.75 m）以及小型沙波S（Small sand waves，波高介于0.075～0.40 m）四個地貌類型。其中，根據沙波發育形態、規模等特征，巨型沙波、大型沙波又可細分為I、II 兩個子類型。研究區域沙脊及沙波類型分布如圖2 所示，具體特征如下。

1）沙脊（D）

研究區域內共發育5 處沙脊，2 處（D1～D2）分布于研究區域中部偏西，3 處（D3～D5）分布于中東部。5 處沙脊長軸均沿S—N 向，但平面形態又呈現明顯差異，其中中部偏西的兩處沙波橫向延伸更大，寬度可達4.0～5.0 km，沙脊斷面形態對稱性較好，總體坡度平緩（小于0.5°），并多伴生大型沙波；中東部的沙脊平面形態更為狹長，寬度不足1.0 km，近似紡錘形，橫斷面形態呈典型的單峰狀或拋物線狀，兩側坡度稍大（介于1°～3°），脊面多呈平滑狀態，僅在末端可見沙波發育。

2）巨型沙波（G）

巨型沙波I 型（G-I）主要以塊狀分布于研究區域中心區域以及呈不規則帶狀分布于研究區域東部。平面形態上，該類型沙波脊線平直，沙波近平行排列，脊線間距100～150 m 不等，脊線延伸方向以E—W 向為主，局部沿NW—SE 方向，脊線長0.6～1.2 km 不等；該類型沙波高度較大，整體介于8.0～10.0 m，個別高度甚至超過12.0 m，沙波斷面形態規則，呈對稱或近對稱形態，坡度較大，傾角普遍超過12°，最大近15°。巨型沙波I 型（G-I）的典型聲學影像如圖3 所示。

圖3 巨型沙波I 型（G-I）典型聲學影像Fig. 3 Typical acoustic image of giant sand wave type I (G-I)

巨型沙波II 型（G-II）在研究區域內分布最為廣泛，且發育范圍較大。相較巨型沙波I 型發育特征而言，該型沙波在平面上更為稀疏，即沙波間距離更大，波長介于200～1 000 m。微觀特征上，該型沙波由波長幾百米不等的次級沙波以犬牙交錯狀組合為綿延數千米的“沙波組”，沙波脊線整體沿近E—W 向延伸，局部可見兩組沙波匯聚的現象，這一特征在研究區域中部、兩組沙脊中間的海域最為典型。該類型沙波典型聲學影像如圖4 所示。

圖4 巨型沙波II 型（G-II）典型聲學影像Fig. 4 Typical acoustic image of giant sand wave type II (G-II)

G-II 型沙波高度較大，整體介于4.0～10.0 m，個別高度甚至超過12.0 m，沙波斷面呈明顯不對稱形態，迎流面坡度約為2°，背流面坡度顯著增大，一般大于12°。這一特征表明，此類沙波具有較高的活動性，根據沙波不對稱特征分布可以初步判斷，東部、中部的沙波具有由南向北遷移的趨勢，而研究區域西側的此類沙波則呈現出由北向南遷移的趨勢。圖5 為P1 斷面的這一類型沙波的分布形態。

圖5 巨型沙波II 型（G-II）典型斷面形態（P1 斷面）Fig. 5 Typical section of of giant sand wave type II (G-II) (Section P1)

3）大型沙波（L）

大型沙波I 型（L-I）（典型聲學影像見圖6）在研究區域內分布較廣泛，主要發育于沙脊頂面、側緣以及巨型沙波的邊緣地帶。平面形態上，此類沙波脊線順直或平滑，脊線延伸長度幾百米至數千米不等，沙波多以平行或近平行的形式排布，脊線間距變化幅度不大，總體介于100～200 m。斷面形態上，沙波橫斷面多呈對稱的單峰形態，兩側坡度相近，且較小，介于2°～5°。

圖6 大型沙波I 型（L-I）典型聲學影像Fig. 6 Typical acoustic image of large sand wave type I (L-I)

大型沙波II 型（L-II）（典型聲學影像見圖7）主要分布于研究區域東北角。平面形態上，多以新月形的孤立沙波單體為主，脊線長度介于200～400 m，平面分布上疏密不一。沙波橫斷面多呈不對稱形態，如圖8 所示的P2 斷面的迎流面為2°左右，背流面為12°左右，這一特征表明沙波的活動性較強。

圖7 大型沙波II 型（L-II）典型聲學影像Fig. 7 Typical acoustic image of large sand wave type II (L-II)

圖8 大型沙波II 型（L-II）典型斷面形態（P2 斷面）Fig. 8 Typical section of of large sand wave type II (L-II) (Section P2)

4）中型沙波（M）

中型沙波（典型聲學影像見圖9）僅在研究區域西南角區域獨立成規模出現。平面上，此類沙波脊線較平滑，軸向延伸長，波長75 m 左右。斷面形態上均呈典型的對稱單峰狀態，坡度約為2°，沙波高度一致性好，均值在0.5 m 左右，變化范圍較小。

圖9 中型沙波典型聲學影像Fig. 9 Typical acoustic image of middle sand wave

5）小型沙波（S）

小型沙波主要發育于大型沙波邊緣，為大型沙波向小型沙波過渡的區域，主要位于研究區域西南部的有限范圍內。該型沙波波高較小，一般介于0.2～0.4 m，斷面形態上多呈對稱狀，坡度整體在1°左右。

2.2 微地貌（沙紋）

對于多波束可識別的目標，側掃聲吶探測結果與其基本一致。但是受限于多波束的分辨率，側掃聲吶仍是海底微地貌調查不可或缺的補充手段。通過對海床進行側掃聲吶掃測，進一步探明了多波束未能揭露的微地貌特征。除上文所述沙波、沙脊外，側掃聲吶還揭示了沙紋等微地貌單元。

受沙波、沙脊等大型地貌單元的控制，沙紋在研究區域內廣泛發育，僅在研究區域西側1.5～2.0 km 范圍內未發育，該區域水深較深，約為35 m，地形平坦。

沙紋高度較小，在側掃聲吶上未見聲學陰影顯示，脊線多呈波狀連續，走向與潮流方向近垂直，韻律性佳，因發育區域差異，波長介于5.0～12.5 m。

沙波、沙脊發育區內，沙紋（典型聲學影像見圖10）多發育于沙波迎流面，背流面及其沿潮流延伸方向一定范圍內的海床多呈平滑狀態。這一特征是沙波遷移的典型指示，表明區域內的沙波具有較強的活動性，這一現象以大型、巨型沙波區最為顯著。

圖10 伴生于沙波迎流面的沙紋典型聲學影像Fig. 10 Typical acoustic image of sand ripples associated with upstream side of the sand wave

研究區域西側的沙波沙脊區向平滑海底過渡區域發育沙紋（典型聲學影像見圖11），該區域內地形平緩，一般較少見沙波發育，沙紋發育特征一致性佳，指示了較穩定的水動力條件。此類沙紋一般分布于距沙波沙脊區西側3.0～5.0 km 的范圍內。

圖11 研究區西部海底沙紋典型聲學影像Fig. 11 Typical acoustic image of seabed sand ripples in the western part of the study area

2.3 沙波沙脊發育機制分析

研究區內的調查結果顯示，由東向西方向沙波沙脊發育規模整體呈現減弱的趨勢，其中以研究區中西部南北向兩個形態不甚典型的沙脊為明顯界線，界線東側海域不同規模、形態的沙波密集發育，沙脊形態典型；界線以西沙波則僅發育于水深超過于40 m 的局部區域，且沙波多以相對孤立的新月形沙波為主。需要注意的是，研究區中西部3 處典型沙脊的界面（水深小于26 m）上則未見沙波發育，沙脊末端水深介于26～30 m 的區域則發育大量的巨型、大型沙波。根據這一分布規律推測，研究區內的沙波沉積物主要來源于沙脊沉積體以及周邊海床的近源沉積物。沙脊末端即兩側坡面根部，由于局部地形的變化，對底層流的水平及垂直兩個方向的流向、流速均產生明顯的約束，從而導致沙脊末端、沙脊坡面根部流速增大，對沙脊產生沖刷、再造，沉積物中的細粒組分隨潮流搬運，粗粒組分在原地聚集，從而發育一系列大規模的沙波區。在沙脊之間以及沙脊西側海域的開闊海底，沙波類型多為孤立的新月形沙波或由其沙波組，這一特征符合新月形沙波沉積物供應不充足的發育特點。

綜合上述分析推測，研究區內的沙脊發育于低海面時期的淺水高能環境，在當前的沉積動力環境下處于基本穩定的狀態，活動性較弱，沙波則主要形成于末次海侵以來高海面低能環境中，當前仍處于發育過程中。定量判斷研究區內沙波沙脊活動性、遷移速率，進而評價沙波沙脊活動性的工程影響，仍需古沉積環境等方面的研究工作支撐，這也是后期需要進一步開展的工作重點。

3 結 語

通過對研究區內不同規模沙波、沙脊發育特征的研究，分析了沙波沙脊空間分布特征及不同類型沙波的組合關系，對沙波沙脊成因機制進行了探討。本次調查研究主要得出以下結論。

1）海南西部海域為典型沙波、沙脊發育區，區域內地形復雜，廣泛發育沙脊及規模不等各型沙波等。平面上，沙波、沙脊主要發育于水深26～30 m 海域，水深大于40 m 的區域沙波規模相對較小。

2）不同規模、特征的沙波沙脊空間組合伴生關系表明，研究區域內的沙脊發育于低海面時期的淺水高能環境，活動性較弱，沙波則主要形成于末次海侵以來高海面低能環境中，持續演化的可能性較大。

3）研究區域內沙波沙脊的發育演化受海平面變化及潮流等因素控制。根據當前的研究基礎，尚無法定量評價沙波的活動強度，仍需進一步收集調查資料對區域內的沙波、沙脊的活動性進行深入研究。