收稿日期：2023-12-06
基金项目：福建省地震局科研专项基金（M202304）
作者简介：徐立（1989-），男，工程师，主要研究方向为海洋声学与重磁方向。E-mail：389218117@qq.com
基金项目：福建省地震局科研专项基金（M202304）
作者简介：徐立（1989-），男，工程师，主要研究方向为海洋声学与重磁方向。E-mail：389218117@qq.com
Geohazard Identification in Western Taiwan Strait Based on Sub-Bottom Profile
XU Li，ZHU Feiyang，ZHOU Hongwei，ZHANG Guoping，XUE Lei
Xiamen Institute of Marine Seismology ， CEA ， Xiamen 361100， China
Sub-bottom profile;Geohazards;Shallow gas;Paleochannel;Tidal sand ridge;Active fault
DOI: 10.13512/j.hndz.2024.03.09
备注
摘要
全文
图/表
参考文献
随着海洋经济建设的高速发展，特别是沿海建筑、桥梁、风电场等重大工程建设，降低海域灾害地质的风险迫在眉睫。通过以福建省地震风险普查专项在台湾海峡采集的最新高分辨率浅地层剖面数据为依据,结合研究区的历史资料和灾害地质概况，识别了浅层气、麻坑、古河道、潮流沙脊等潜在灾害地质因素，以此绘制了灾害地质平面分布图，同时探讨了在浅地层剖面中识别活动断层的可能性。结果表明：研究区北部的灾害地质因素主要是广泛分布的浅层气，中部主要是活动断层和埋藏古河道，南部主要是分布较广的潮流沙脊活动和频度较高的地震活动。
With the rapid development of marine economic construction， especially the construction of major projects such as buildings，bridges，and wind farms in coastal areas，it is urgent to reduce the risk of geohazards in marine areas. Based on the latest high-resolution sub-bottom profiler data collected in the Taiwan Strait area through the Fujian Province earthquake risk survey，combined with the historical data and geohazard information in the study area，this paper identified potential geohazard factors such as the shallow gas，pockmarks，paleochannels， tidal sand ridges，and so on. On this basis，the horizontal distribution map of geohazards was plotted. Meanwhile， the paper discussed the possibility of identifying active faults in the sub-bottom profile. The results show that the geohazard factors in the northern part of the study area are widely distributed shallow gas. In the middle part，there are mainly active faults and buried paleochannels， and in the southern part， there are mainly widely distributed tidal sand ridges and frequent seismic activities.
引言
海域灾害地质根据空间分布可分为：存在于海底面或表层的，诸如各种活动的水下沙坡、潮流沙脊群、强烈的海底侵蚀与堆积、大面积的滑动和崩塌、各种沟谷地貌等；存在于海底以下浅层的，诸如古河道、古湖泊、浅断层及活动性断层、浅层气、泥丘、力学性质极不均衡的地质体等[1-2]。福建沿海及台湾海峡的灾害地质，主要为地震及浅部活动断裂、海岸侵蚀、海底滑坡、浅层气、礁石出露和潮流沙脊等，尤其滨海断裂带地震活动较为突出，其频次和强度都居华南较高水平。
浅地层剖面（简称浅剖）测量是一种基于声学原理的连续走航式探测水下浅部地层结构和构造的地球物理方法，主要利用声波在海水和海底沉积物中的传播和反射特性及规律，获得直观的海底浅部地层结构剖面[3]。
国内外许多学者利用浅地层剖面仪做过灾害地质的研究工作。李一保等[4]利用浅剖在南部海域识别到了第四纪小断层和古河道；王方旗[3]通过典型实例系统论述了浅剖在海洋灾害地质研究上的应用；孔祥淮[5]通过浅剖和地震剖面识别了南黄海西部滨浅海区浅层气、古河道和古三角洲、沙脊等多种灾害要素；冯京[6]利用渤海湾两千多公里的浅剖和侧扫声呐数据识别了潜在的灾害地质因素并绘制了平面分布图。在台湾海峡及周边海域， Liu[7]等通过浅剖手段揭示了存在于台湾海峡中部的约50m厚的三角洲楔状沉积，计算了该处斜坡沉积的体积及质量并判定其物源；许江等[8]利用浅剖探测划分了闽南海岸带浅层地震层序，识别到了埋藏古河道、礁石出露、地层错动等现象；胡毅等[9]利用浅剖和侧扫声纳分析了台湾海峡西侧古河道和古三角洲的位置和埋藏特征。
福建沿海及台湾海峡灾害地质研究方面，郑承忠[10]论述了福建沿海及台湾海峡主要灾害地质类型的分布特征、发育规律及危害情况；高天钧等[11]针对福建沿海与海域的海平面变化，讨论了海湾淤积、活动断层、海岸侵蚀与海域内潜在的灾害地质及其危害；Zhou[12]、胡毅等[13]都探讨了台湾浅滩沙波体系的形成演化和成因机制；武彬等[14]专门研究了福建宁德近岸海域的浅层气分布特征及成因。
前人对台湾海峡灾害地质的研究，更多的是对各种灾害地质的理论综述，或者侧重单一灾害地质因素（比如宁德近岸的浅层气或巨型沙波）；同时该区域的浅地层研究更多的是为了地震层序和某一特定地质体的分析研究，未有学者利用浅剖在台湾海峡西侧做较为全面的灾害地质识别和分布研究。本文利用浅剖测量的最新数据，分析了区内识别到的浅层气、地层错动、潮流沙脊等多种地质现象，结合地震局台站收集的历史地震资料，绘制了台湾海峡西侧的灾害地质平面分布图，探讨了浅剖剖面对活动断层判定的辅助作用，为今后开展更深入的台湾海峡灾害地质研究打下基础。本研究涉及海域灾害地质因素的圈定，可为沿海重大工程建设与设防等提供决策依据，具有经济和社会效益。
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1 研究区概况
1.1 大地构造台湾海峡是欧亚板块与太平洋板块俯冲碰撞时所产生的台湾岛与大陆间的前陆盆地，其构造格局、地层展布和地形轮廓大都以NE走向为主[15]。台湾海峡及其两岸自西向东依次为大陆边缘（福建—广东沿海）、大陆边缘裂陷（台湾海峡）、弧前增生楔—岛弧（台湾岛大部分）以及太平洋—菲律宾海板块（台湾岛海岸山脉及其以东海域）[16]。
研究区主要位于欧亚板块的华夏地块上，主要包括闽浙隆起区、乌丘屿凹陷、澎厦凹陷、东山凹陷等三级构造单元，区内主断裂是滨海断裂带（图1）。
1.2 地形与沉积环境台湾海峡的地形如图2所示，位于东南方向的澎湖水道（PHC）是海峡最深的地区，浅水区分布在澎湖水道西部的台湾浅滩和澎湖群岛（PHA），以及海峡中部的云彰隆起（CYR）之上。东北方向的观音盆地（KYD）和西部的乌丘盆地（WCD）是被云彰隆起分隔的两个主要盆地，这两个盆地占了台湾海峡的大部分面积[17]。
台湾海峡是东海和南海中间的通道，受到来自北部浙闽沿岸流、福建省沿岸入海河流（闽江、晋江、九龙江等）、南部广东沿岸流、台湾岛西部入海河流和台湾暖流的互相作用，沉积物物源复杂。台湾海峡西侧的沉积主要来自福建省沿岸河流，长江的部分沉积物在浙闽沿岸流的携带下沉积在浙闽沿岸，形成了东西宽约100 km，南北长近800 km，最大厚度达40 m的浙闽沿岸泥质区[18]，徐勇航等[19]利用X射线衍射仪发现福建沿海的黏土矿物主要是由福建河流提供，但在平潭岛周边海域的黏土矿物可能有长江物质的混合；台湾海峡东侧的沉积主要来自台湾岛西部入海河流和台湾暖流两股海流的相互作用，台湾河流的黏土矿物随台湾暖流沿澎湖水道向北，一股直接进入观音盆地，另一股受云彰隆起的阻挡，向西进入乌丘盆地然后北上进入观音盆地[19]。
图1 研究区大地构造区划图Fig.1 Tectonic map of study area
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2 技术与方法
本文的浅地层剖面数据由中国地震局厦门海洋地震研究所利用“延平2号”船于2022年7～8月采集，约1100 km，基本覆盖台湾海峡西部（测线布置见图2）。采集系统为德国INNOMAR公司生产的SES-2000 Standard型浅地层剖面仪。其主要技术指标：基础频率为100 kHz；工作水深0.5～500 m；最大穿透深度50 m；地层分辨率最高可达5 cm。
野外采集作业时，换能器支架固定在船舷右侧，吃水深度约为1.5 m，低频频率设置6 kHz，低频脉冲数设置为2，同时根据台湾海峡不同水深合理调整设置。导航定位数据和Phins姿态数据实时输入系统主机，测量中船速控制在4~6 kn之间，并整体保持匀速。数据处理采用ISE2软件，完成带通滤波处理后获得了清晰的浅地层剖面，而后在剖面中进行层位解释和异常体识别，根据具体需求输出图件。
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3 潜在灾害地质类型与分析
本文通过研究浅地层剖面，结合研究区地质背景，对剖面内识别到的地质现象分类，发现海底面或表层的灾害地质因素主要是：陡坎、沟槽、潮流沙脊三种；海底面以下的灾害地质因素主要是：浅层气、麻坑、古河道、活动断层/地层错动四种。详细分析了研究区各类灾害地质的分布特征和潜在危害，主要结果如下。
![图2 台湾海峡地形和调查测线图[17] Fig.2 Topography of Taiwan Strait and locations of survey lines [17]](2024年03期/华南地震2024年第三期0009_figure_009_002.jpg)
图2 台湾海峡地形和调查测线图[17] Fig.2 Topography of Taiwan Strait and locations of survey lines [17]
3.1 海底面灾害地质因素3.1.1 侵蚀陡坎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[6]。Lewis[20]指出，陡坎的致灾因素主要在于其坡度，坡度在1°～4°的开阔海域的斜坡即可产生诱发性地层坍塌。陡坎若坡度较大，容易在强潮流动力或天然地震影响下诱发坍塌，从而对海底的工程建设带来较大的危害。图3为台湾海峡中部一处陡坎剖面图（RCA11测线，金门外海），图中陡坎垂直落差约25 m，水平距离600～700 m，坡度约为4°。统计发现，研究区落差10 m以上的侵蚀陡坎有两处，陡坎坡度范围在2°～4°，工程建设需要避让。
图3 RCA-11段识别的陡坎、沟槽、侵蚀洼地现象Fig.3 Identified seabed scarps，grooves，and erosional depressions in RCA-11 section
3.1.2 沟槽、侵蚀洼地海底沟槽在剖面图上表现为负向地貌单元，通常发育在侵蚀作用强烈的环境，往往与海底侵蚀洼地相连[21]。沟槽表现为明显的凹陷，侵蚀洼地与沟槽通常相伴相生，表现为平缓的下陷面，图3中可见明显的沟槽、侵蚀洼地等地质现象，图左侧沟槽落差达15 m，易发生塌陷事故。
3.1.3 潮流沙脊潮流沙脊是指潮流作用下的沙堆积体，是大量的来沙或原地沉积物在潮流的周期性作用下形成的大致平行于潮流方向的沙堆积体，根据潮流动力条件的不同，在横向上由弱到强可依次形成沙斑沙纹、沙波，在纵向上形成冲蚀坑、纵向沟、障碍痕、沙垄[3]。潮流沙脊是台湾海峡地形地貌的一个主要特征[9]。
图4为台湾海峡南部漳州外海的浅地层剖面（RCA-13），潮流沙脊广泛分布，沙脊高度约10 m，沙脊线间距范围在300～400 m，沙脊中间沟槽为潮流冲刷走向，沙脊的西南翼较东北翼陡，表明图中该处沙脊群有向西南方向运移的趋势。沙脊的发育会影响航道的通航能力，同时沙脊的运移会导致海底沉积物的变化，对光缆、管线、海上桩基等不利，破坏海上工程设施。在台风多发季节，大陆沿海暴雨天气引发更多的河流泥沙汇入海峡，同时在台风的影响下水动力运移加剧，有可能造成大范围的沉积物运移活动，造成更大的工程破坏。
图4 RCA-13段识别的潮流沙脊现象Fig.4 Identified tidal sand ridge in RCA-13 section
3.2 海底以下灾害地质因素3.2.1 浅层气前人的有机地球化学及实验地球化学分析研究表明，现代海底沉积物中浅层气的成因有两种类型，即与构造相关的热解成因浅层气和生物成因浅层气[14]。浅层气会破坏海底沉积层结构的稳定性，甚至引发井喷或燃烧事故，是海底以下常见的灾害地质因素。
浅层气在浅地层剖面中主要表现出声学空白状、声学幕、声学柱状扰动的特征[22]，根据该特征，识别到浅层气主要分布在福建东北部（宁德—福州）海域，主要表现为柱状空白和气囊状两种形式。图5剖面可见明显的淤泥沉积，浅层气发育在海底面下约18 m处，可能是由于淤泥层中大量的有机物质在缺氧还原环境下发育而成。据统计，区内共发现数十处浅层气通道和5处高压气囊。
3.2.2 埋藏麻坑麻坑是发育在海底软泥中的一种海底地貌，海底流体在向海底猛烈喷发或者缓慢渗漏的过程中，可能会剥蚀海底细粒沉积物，形成规模不等、形态各异的海底凹坑，称之为麻坑[23]。麻坑地貌是天然气水合物藏失稳释放大量气体的海底形貌的表征，在天然气水合物赋存区出现麻坑地貌的海底，是海底底床不稳定的潜在信号[24]。麻坑在浅地层剖面上表现为层状凹坑，跟浅层气通道的显示特征相似，同时麻坑与浅层气发育往往相伴相生，推测海底发育的部分麻坑有可能会随着时间发生破碎、塌陷，从而演变成浅层气通道。据统计，区内共发现麻坑7处，均集中在研究区北部，具有潜在风险。
3.2.3 埋藏古河道由于第四纪期间海平面的巨大变动，陆架区多次裸露成陆，其上发育许多河流，河流下切侵蚀。随着全新世初期大规模的海侵运动，海面抬升，陆架上的河道和湖泊被海水淹没，并且被埋藏在不同深度的海相沉积物层下，成为晚更新世的埋藏古河道或古河谷[3]。
图5 RCA-01段识别的浅层气现象Fig.5 Identified shallow gas in RCA-01 section
图6 RCA-02段识别的麻坑现象Fig.6 Identified pockmark in RCA-02 section
图7剖面上可以看出，古河道呈现槽形凹陷的结构形态，与下伏地层有明显的区别。图中识别的古河道为双“U”型古河道，左侧古河道底部宽约1.8 km，最深处低于现今海平面约92 m，河道深约12 m，填充物表现为上超型特征；右侧古河道底部宽约1 km，最深处低于现今海平面约90 m，河道深约16 m，填充物表现为发散型特征。因古河道上下界面的整合关系不同，沉积物种类不同，易产生沉降、塌陷，不适合工程建设。统计发现，区内共有6处古河道痕迹，主要分布在海峡中部。
图7 RCA-17段识别的埋藏古河道Fig.7 Identified buried paleochannel in RCA-17 section
3.2.4 活动断层/地层错动按照陆地GB/T 36072-2018《活动断层探测》规范，活动断层定义为距今12万年以来有过活动的断层，包括晚更新世断层和全新世断层，目前我国暂未正式制定海域活动断层的探测标准。活动断层容易发生突发性的错动，往往与地震相伴，导致不同规模的地表及地层破裂和位移；同时也存在缓慢错动即蠕变错动，一种长时间尺度、缓慢的应变积放，也会造成地层破裂和移动，引发工程建筑物灾难。故活动断层的探查识别，对海域工程建设和防震减灾具有重大意义。
活动断层在浅地层剖面上通常表现为一个或多个连续性好的反射波组自下而上发生系统的错移、弯曲或终止等现象，利用这些特有的现象可以准确识别活动断层，确定其运动性质、活动时代及断距大小[25]。浅地层剖面仪的穿透深度主要受底质影响，通常穿透深度不足以用来判断是否为活动断层，活动断层的判定更多的是靠穿透深度可达百米级的单道地震手段，但研究区北侧的浅剖穿透效果良好，穿透深度约30～40 m，具有一定的研究意义，本文根据识别到断层的单道地震剖面选取了研究区北侧的RCA-03测线。
图8是RCA-03测线的单道地震和浅剖剖面对比图，由图可见，两者虽具有不同尺度的分辨率，但对应效果良好，能判断出疑似断层穿插到的具体层位。图8的单道剖面根据广州海洋地质调查局在福州、宁德外海的浅钻FZDH1、FZDH2划分了R0（海底面）、R2（下全新统底界面）、Rg（下更新统底界面）三个界面，图8右侧断层已经穿插至R2界面之上，属于活动断层；图8左侧断层从单道剖面上很难判断活动性，但从上方对应的浅剖剖面中可以清晰看到错动，故属于活动断层的可能性很大；同时图8单道左侧灰色框的地层起伏在浅剖剖面中有较好对应；单道剖面右侧的断层、地层界面起伏在浅剖剖面中也均有较好展现。所以，浅剖剖面对活动断层有一定的指示作用，是用单道地震手段判定活动断层的有力补充。
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4 灾害地质分布图
浅地层剖面仪在福建沿海北部（宁德—福州外海）的测线穿透深度约30～40 m，穿透效果良好；海岸线中部（莆田—泉州外海）测线，穿透深度约20～30 m；南部段（厦门—漳州外海）测线受底质影响，穿透深度约5～15 m。根据台湾海峡西侧约1 100 km的浅地层剖面识别到的灾害地质因素、福建广东两省地震台站接收的历史地震信号和台湾海峡的断裂展布[26]，绘制了研究区的灾害地质平面分布图（图9）。
4.1 研究区北部（宁德—福州外海）此区域浅剖穿透效果良好，剖面可见明显的淤泥层，判断以泥质、泥砂质沉积为主，主要来源为浙闽沿岸泥质浑水向南运移及闽江等河流输泥沙供应。该区域识别到大量浅层气通道、古麻坑、气囊等地质现象，地震活动较少，主要灾害地质因素为浅层气。
浅层气成因可分为热解成因浅层气和生物成因浅层气两种，热解成因浅层气通常与构造活动有关，沿断层或裂隙通道运移至浅部形成，但该区域几乎无地震活动，因此浅层气为生物成因的可能性更大。该区域经历了第四纪多次海侵与海退事件，晚更新世以来本海域共发生过3次较大的海侵，形成了地层具有海相地层与陆相地层交替出现的沉积特征[27]，加上浙江沿岸流和闽江等大量陆源有机物质流入，淤泥层广泛发育，被掩埋的有
机质在长期高压还原的环境下生成了大量浅层气。
图8 RCA-03段浅地层剖面与单道地震剖面对比图Fig.8 Comparison between sub-bottom profile and single channel seismic profile of RCA-03 section
图9 研究区灾害地质分布图Fig.9 Geohazard distribution map of study area
4.2 研究区中部（莆田—泉州外海）此区域识别到了地层错动、古河道等地质现象，历史地震活动也较北部有所增加，主要集中在泉州外海，1604年在泉州东北海域发生的7.5级地震更是东南沿海历史最大地震。剖面中识别的地层错动可能是活动断裂的在浅部的延展或者是海域地震活动在沉积层中的反映，故该区域的灾害地质因素主要是活动断层和古河道。
4.3 研究区南部（厦门—漳州外海）此区域识别到了潮流沙脊、地层错动等地质现象，潮流带来的较强的水动力加上北部闽江、晋江泥质浑水向南运移及九龙江等河流输送的足够泥沙，促成了该种地貌特征的广泛发育。根据沙脊两翼的坡度反映潮流的方向，沙脊间沟槽的冲刷深度反映潮流的大小，本文推断了该区的两股潮流流向。同时该区地震活动较多，主要受控于滨海断裂带，尤其漳州与广东交界处的南澳震群，地震频发。故该区域的主要灾害地质因素是活动断层、潮流沙脊和地震活动。
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5 结语
通过对台湾海峡西侧浅地层探测数据的处理成图，识别分析了区内灾害地质的类型、成因、分布特征和潜在危害，获得以下认识：
（1）浅剖受海底底质影响，穿透效果由北到南衰减明显。研究区北部的沉积物更多的是泥质、泥砂质沉积物，南部总体是砂质沉积物。识别到的海域灾害地质因素主要有：侵蚀陡坎、沟槽、麻坑、浅层气通道和高压气囊、错动地层（疑似活动断裂）、潮流沙波和沙脊、埋藏古河道等。
（2）绘制了研究区灾害地质分布图。研究区北部的灾害地质因素主要是广泛分布的生物成因浅层气，中部主要是活动断层和埋藏古河道，南部主要是活动断层、分布较广的潮流沙脊活动和频度较高的地震活动。
（3）浅剖手段，特别是在穿透效果良好的目标区域，对活动断层有一定的指示作用，是用单道地震手段判定活动断层的有力补充。
鉴于目前本文开展的海域灾害地质研究工作还相对薄弱，后续开展以下工作是很有必要的：灾害地质分布图中的灾害点局限在点和线的阶段，后续可通过多波束和侧扫声纳等资料，由点、线到面，产出更丰富更准确的灾害地质分布图；浅剖手段对活动断层的指示作用，需要更多的单道、浅剖对比案例，建立由浅到深的断裂空间体系，做出更科学的评价。
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