1. 引言
铺前湾位于琼州海峡东侧入口南部，是海南岛最大的溺谷湾。由于琼州海峡构造运动强烈且水动力较强，导致其海底表层、浅部地层及深部地层均存在不稳定性情况。该区域地震活动性强；海峡南北两侧分布有陡坎，最大高差为70 m [1] ；峡底分布有沙脊、珊瑚礁、火山锥等微地貌；地形复杂，发育活动沙波、水下浅滩、陡坎及海底活动构造等多种地质灾害 [2] 。同时，根据杜军等人 [3] 的“我国近海海底稳定性区划图”，铺前湾及其相邻海域属于“中等稳定性”区域。因此，海底稳定性研究应该是该区域的主要研究方向。但是，现阶段关于铺前湾海底稳定性的内容，仅有琼州海峡工程地质方向研究中有部分涉及，且主要集中在海底表层的地质灾害以及构造地质活动等方面 [4] - [11] ，缺乏关于海底表层及浅部稳定性的研究。本研究利用侧扫声呐和单道地震仪对铺前湾及其相邻海域开展海底地形地貌和地海底地层深部结构调查，此类设备已经广泛应用于海上的各项工作 [1] [12] [13] [14] [15] [16] ，通过数据解译分析、图像判读，对该海域海底地质灾害类型及其潜在危害进行分析，可以为“琼州海峡海底稳定性研究”提供支撑，也能够为打造海南国际旅游岛，建设离岸人工岛提供基础资料。
2. 研究区地质概况
铺前湾位于海南岛北部，该港湾岸线西起海口新埠岛，东至文昌七星岭，是海南岛面积最大的溺谷湾(图1)。口门宽约19 km，外海海域约330平方公里，外海海域分布3个人工岛。
铺前湾及其相邻海域海底地形复杂。湾内地貌主要为浅海平原，但发育有浅滩、浅槽以及蚀余部分的隆起地形 [17] ；湾内水深绝大部分在10 m以浅，湾外水深一般在10~20 m之间，底质类型以淤泥质粉质粘土、中砂粗砂为主。外海面积较大，测区北侧(琼州海峡中央沟槽内)深度达100米。由于各级断层及陡崖的存在，且该处表层沉积除了沙砾、粗砂及细砂外，还发育砂质淤泥和粘土层，这些容易导致砂土液化及软土流滑 [17] 。研究区波浪以风浪为主，常浪和强浪向均为NEE向，次常浪和次强浪向均为NE向，年平均波高0.5 m。研究区潮汐属不规则半日潮，潮流运动形式以往复流运动为主 [5] 。
Figure 1. Bathymetry map of the Puqian Bay and its adjacent sea areas
图1. 铺前湾及其相邻海域水深图
研究区在大地构造上属于琼北新生代拗陷，受多条断裂控制，主要包括：近东西向的马袅–铺前断裂，北西向铺前–清澜断裂、海口–云龙断裂，北南向咸来–鸭塘断裂、铺前–博鳌断裂 [18] [19] (图2)。四级断裂明显有多期次活动特性，控制着新生代多次火山活动 [20] 。
Figure 2. Distribution of volcanoes, earthquake monitoring, and faults in Hainan Island [19] . F1 Wangwu-Wenjiao fault, F2 Changjiang-Qionghai fault, F5 Maniao-Puqian fault, F6 Puqian-Qionghai fault, F7 Haikou-Yunlong fault, F8 Changliu-Xiangou fault, F9 Lingao fault, F10 Puqian-Boao fault, F11 Qiongshan-Shihe fault
图2. 海南岛火山、地震监测及断层分布 [19] 。F1 王五–文教断裂，F2 昌江–琼海断裂，F5 马袅–铺前断裂，F6 铺前–琼海断裂，F7 海口–云龙断裂，F8 长流–仙沟断裂，F9 临高断裂，F10 铺前–博鳌断裂，F11 琼山–石合断裂
3. 设备与方法
3.1. L-3公司Klein3000双频侧扫声纳仪
海底地貌探测采用美国L-3公司Klein3000双频侧扫声纳仪，拖体采用侧拖方式。
侧扫声纳数据采用Sonar Wiz6软件进行后处理，软件处理时先建立一个新的工程区域，设置该区域的中央子午线、坐标系统及投影方式等信息，经软件读取采集声纳文件后得到原始记录实际位置的地形地貌。将所有文件导入后，并自动拼接成一整幅海底地形地貌图。对镶嵌的地貌图进行分析判读，最后通过人机交换方式在镶嵌图上用线条圈出拖痕、海底起伏不平的凸显及凹坑、声纳障碍物等特殊地貌物体轮廓，并作出相应标记，最终通过该软件输出AUTOCAD文件，绘制成海底地形地貌图。
3.2. Geo公司2KJ电火花单道系统
海底地层深部结构探测采用荷兰Geo公司的2KJ电火花单道系统，仪器激发和接受系统分别后拖在船体两侧，位于船尾后20米处，以便避开尾流的干扰。
单道资料处理采用GeoSuiteAllWorks软件，将获取的原始文件导入，对测线分别进行原始资料品质分析及处理。基于原始数据特征，对数据进行处理：通过异常振幅压制、频率空间域相干噪音压制等技术进行干扰波分析，采用SRME处理技术压制多次波，带通滤波，增益处理等。
通过对原始资料进行处理，地震数据的低频背景噪声、电缆噪声、临船干扰噪音、异常振幅等干扰波被去除；海底一阶的多次波已经基本去除，基底以上多次波大部分被消除；深部地层较弱的有效反射信号得到加强。
4. 海底稳定性分析
4.1. 海底表层稳定性分析
铺前湾及其相邻海域海底表层的稳定性主要是受海底地貌控制，由于受到琼州海峡往复流的影响，该地区海底地貌复杂，有沙波、沙脊、陡坎、侵蚀沟槽等微地貌单元，同时由于人类活动，可见集装箱、沉船等人工痕迹。将研究区侧扫声纳图像拼接，得到该海域海底地貌镶嵌融合图(图3)，显示铺前湾及其相邻海域广见沙席、沙波、沙脊，为典型的砂质潮流沉积，该体系多见于陆架浅海地区 [21] 。
Figure 3. Mosaic fusion map of seabed landforms in the Puqian Bay and its adjacent sea areas
图3. 铺前湾及其相邻海域海底地貌镶嵌融合图
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” [1] 。研究区以如意岛为线，向北地形起伏变大，由沙波、沙脊过渡为浅槽陡坎(图4(a)~(c))，显示靠近约靠近琼州海峡中部，水动力越强，其对海底的影响越大，海底稳定性也由于沙脊等在水动力环境中的不断迁移而降低。如意岛东南的广大区域水动力较弱，海底平坦。沙波沙丘在潮流、海流及风暴潮作用下的移动和伴随的侵蚀与淤积会对跨海管线、海缆和海底建筑物的稳定性产生威胁 [22] ，因此沙波沙丘导致的海底不稳定应该成为该区域的海上施工建设的首要考虑因素。
(a) 
(b) 
(c) 
(d)
Figure 4. Side-scan sonar typical geomorphological image. (a) Barchan; (b) Sand ridge; (c) Erosion trenches; (d) Duspected container
图4. 侧扫声纳典型地貌影像。(a) 沙波；(b) 沙脊；(c) 侵蚀沟槽；(d) 疑似集装箱
调查显示，仅在铺前湾西侧与海口湾相邻海域海底，从15 m水深至40 m水深处发现数条海底侵蚀沟槽。侵蚀沟槽由海底表层沉积物遭受侵蚀冲刷而成，沟槽首先是地形起伏，成为工程地质障碍性因素；其次有的沟槽标志着海底的侵蚀作用仍在进行，侵蚀作用改变海底地形结构，可能使海底管线造成位移、架空甚至断裂 [22] 。
图像显示，硬质物地貌分布较广，主要位于研究区东侧，妈祖岛与景观岛的北侧。硬质物地貌主要为海底强反射区，可能为石块或裸露基岩。由于其主要存在与正在建设的两个人工岛妈祖岛与景观岛的北侧，因此石块的主要来源可能是人工填岛填岛时掉落或从人工岛护坡冲刷。石块的掉落及滑动亦为该区域海底不稳定因素之一，可能导致海底电缆及支撑物的破坏。
除活动的沙波等微地形外，在研究区海域发现大量人工痕迹，包括船锚等造成的海底擦痕、养殖浮球锚体，以及沉船、集装箱(图4(d))等。这些都可能对海底稳定性产生一定的影响。
4.2. 海底浅部地层稳定性分析
单道地震图像显示，研究区的海底地层深部结构主要为浅海相沉积，其内共识别五类地质异常体：浅层气、不规则浅埋基岩、裸露基岩、潮流沙脊、海底陡坎(图5)。其中浅层气广泛分布在研究区东南部大部分海域，西部、北部零星分布；海底陡坎分布在研究区最北部；浅埋基岩及裸露基岩分布在东北部海域，分布较为零散；潮流沙脊零星分布在整个研究区北部，多连续出现但规模较小。
Figure 5. Distribution of geological anomalies and stability zoning. (I) Shallow gas area on the south side of Ruyi Island, (II) Barchan area on the north side of Ruyi Island, (III) Bedrock area on the east side of Ruyi Island
图5. 地质异常体分布及稳定性区域划分。(I) 如意岛南侧浅层气区，(II) 如意岛北侧沙波区，(III) 如意岛东侧基岩区
浅层气一般指聚集在海底以下1000 m以浅的有机气体，通常呈现出层状、高压气囊状、团状和气底劈等四种形态，一般是由被掩盖的生物有机质经过长期封闭环境的热演化而形成，主要分布在河口和陆架海区的海底地层中，通常不需要长距离运移，极易被水下河道砂体或三角洲砂体等储集层近源捕获。在声学地层剖面中浅层气主要表现出洼坑、气道、声学空白状、声学幕、声学柱状扰动等的特征(图6)。浅层气在末次冰期古河道较为发育，富含陆源碎屑沉积物。由于浅层气的活动，导致其富集区沉积物孔隙水含量较高，沉积物不能固结，土体受力强度小，因此浅层气埋藏区不易进行工程建设。研究区浅层气分布广泛，特别是河口近岸区域(东部及东南部，人工岛周围零星分布)。特别的，海南岛是华南的强震区之一，该区域有地震史 [2] ，地震的发生更易导致浅层气的释放，发生灾害。
Figure 6. Characteristics of shallow gas profile (the white line is the shallow gas limit)
图6. 浅层气剖面特征(白线为浅层气界限)
不规则浅部埋藏基岩面在海底地层剖面上以中–低频、强振幅、低连续性为主，反射形态以随机性高低起伏为主，内部反射杂乱模糊，无层理，对两侧地层无明显扰动，上覆少量沉积物或直接出露海底(图7)。研究区不规则基岩面主要分布在东北部，分布较为零星。本区浅埋基岩埋藏深度一般小于15 m，其顶界面在地层剖面上以中–高频、强振幅、较连续反射为主，其内部反射则模糊杂乱，无层理，并且对两侧地层有明显扰动，上覆第四系沉积物。浅埋基岩由于与围岩的岩性不均一，产生承载力的差异，不利于持力层的选择，不利于工程构筑的稳定性，对于海上平台、输油管线铺设等海上工程的实施产生潜在的危害。
裸露基岩主要位于研究区东侧，其顶界面在地层剖面上以中–高频、强振幅、较连续反射为主，其内部反射则模糊杂乱，无层理，并且对两侧地层有明显扰动(图8)。其由于岩性均一且硬度大，不利于持力层的选择，不利于船舶抛锚，且对于海上平台、输油管线铺设等海上工程的实施产生潜在的危害。
Figure 7. Shallow buried bedrock profile characteristics (red line is bedrock face boundary)
图7. 浅埋基岩剖面特征(红线为基岩面界限)
Figure 8. Bare bedrock profile features (red line is bedrock face boundary)
图8. 裸露基岩剖面特征(红线为基岩面界限)
潮流沙脊在地层剖面上，因与测线相交的角度不同而形态各异，总体形态为丘状，具有高频弱反射特征，内部层理大多清晰，有的呈现半透明层，整体多为斜交前积反射结构，沙脊的底部界面呈下超接触(图9)。其主要分布在研究区的西、北边，与侧扫声纳图像一致，地层剖面上可见沙脊呈丘状，高约2~3 m，零星分布但规模都很小。其表面常伴有一些波状起伏的活动沙丘，潮流地貌的凹凸不平及其活动性，对海底管线、钻井平台等海上工程都有一定的威胁。由于潮流冲刷槽所处的地貌部位海洋动力作用很强，侵蚀过程伴随沉积物的群体运动，造成凹凸不平的侵蚀地形，给海底管线的敷设平台建设造成很大的潜在危害，其不稳定性对海底管线和桩柱的破坏作用巨大。
Figure 9. Trendy sand ridge profile characteristics (yellow line is the tidal ridge boundary)
图9. 潮流沙脊剖面特征(黄线为潮流沙脊界限)
侵蚀陡坎主要发育在海底地形变化较大和强水动力的环境，地貌形态表现为坡度急剧变化，水深起伏剧烈，因此陡坎常与侵蚀沟槽相伴而生。陡坎的致灾因素主要在于坡度，坡度在1~4度的开阔海域的斜坡即可产生诱发性坍塌，研究区内陡坎坡度在1~6度(图10)，在强潮流动力或天然地震因素影响下极有可能诱发坍塌，从而对海底的工程建设带来较大的潜在危害，因此在工程建设选址时应注意避让。研究区陡坎主要分布在北、西部。
Figure 10. Characteristics of the steep profile of the seabed (the purple line is the boundary of the seabed)
图10. 海底陡坎剖面特征(紫线为海底面界限)
4.3. 稳定性区域划分
综合归纳铺前湾及其相邻海域地质条件，可以根据海底地形地貌及海底地层异常结构分布，将该区域大致划分为3个不同的海底稳定性区(图9)：
I) 如意岛南侧浅层气区，该区域范围为如意岛南侧大部分区域，海底地形平坦，主要为沙席区，少见沙波、沙脊，水深变化不大；有大量埋深在50 m以浅的浅层气发育，集中分布在靠近如意岛区域，东寨港口门处未见发育。
II) 如意岛北侧沙波区，该区域范围为如意岛北侧全部区域，海底地形起伏变化加大，从如意岛向北地形变化为沙脊区–浅槽陡坎区，水深向西北侧逐渐增加，在研究区西北侧边缘坡度突然加大，靠近如意岛的位置存在一地形相对平坦的沙波区，可能是由于如意岛的建设导致该处水动力减弱形成；该区域浅层气少见，东侧出现浅埋基岩。
III) 如意岛东侧基岩区，该区域范围为如意岛东侧，海底主要为沙席区，向北地形起伏变大，该区域可见部分礁石及淤泥；该区域可见浅埋及裸露基岩，根据钻探资料显示，该处地层整体为北西倾向，上覆沉积物西北厚东部薄，东南侧沉积物厚度的增加可能是由于口门出水动力环境瞬间减弱导致，因此仅该区域可见大量基岩。
5. 结论
1) 铺前湾及其相邻海域海底表层的稳定性主要是受海底地貌控制，微地貌单元包括沙席、沙波、沙脊、陡坎、侵蚀沟槽、淤泥，以及集装箱、沉船等人工痕迹。这些都会导致海底表层的不稳定，对其上的工程建设造成一定程度的危害。
2) 研究区浅部地层发现五类地质异常体：浅层气、不规则浅埋基岩、裸露基岩、潮流沙脊、海底陡坎。异常体发育位置都存在相关地质灾害发生的可能性，海上工程建设选址应做好相应规避，将危害程度降至最低。
3) 依据获取的海底地形及海底浅部地层异常结构，将铺前湾及其相邻海域大致划分为3个不同的海底稳定性区：I) 如意岛南侧浅层气区；II) 如意岛北侧沙波区；III) 如意岛东侧基岩区。
致谢
本研究由中国地质调查局武汉地质调查中心资助，特别感谢！
基金项目
珠江口地层特征指示的沉积环境研究(项目编号ZX2023-C2)；海口江东新区综合地质调查海域综合物探项目；海口江东新区综合地质调查近岸海域物探项目。
NOTES
*通讯作者。