南海东部几种典型海底地貌特征的研究与认识

在海洋油气勘探开发过程中，各种类型的工程物探调查始终伴随着油气开发的进程，目的是为各种海上油气勘探开发、平台安装选址、钻井平台安全就位作业、海底设施安全检测等提供工程物探基础资料和技术分析.常规工程物探调查一般可包括单波束和多波束测深、中浅地层剖面、侧扫声呐等技术手段，同时也可根据工程类型和实际需要组合磁测、高分辨数字地震、海底表层重力取样、海洋环境监测等技术进行调查 (中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会，2009；中国海洋石油总公司, 2012).

当水深超过500 m时，可以使用深水工程物探调查技术，目前国内深拖 (Deep-Tow)、AUV (Autonomous Underwater Vehicle)、ROV (Remote Operated Vehicle) 系统的工程应用已经开展多年，技术日趋成熟.这些深水工程物探技术将侧扫声呐、浅剖、多波束测深等设备组合安装在一条深水拖体上，通过将拖体沉放到预定深度来降低水体对仪器的影响，从而使采集到的原始资料具有更高分辨率，能更好地为专业技术人员准确研究和评价深水地质灾害提供基础资料 (金翔龙，2007；杨少坤等，2010)，使得困扰工程技术人员多年的深水资料分辨率的难题得到很好解决.经过数年的工程实践和技术研发，国内一些工程勘察单位已经完全能够提供技术咨询、工程设计、工程服务、科研研究等全方位的技术服务.

海洋工程物探是基于水声物理学而发展起来的，这些技术受水深和分辨率相互矛盾的制约.随着水深的增加，声信号在水层中的衰减也加快，因此在深水海区单纯靠提高发射功率并不能实现长距离声信号传播的目的.因此在深水区进行调查时，需要保证一定的调查精度和数据分辨率，使用高频侧扫声呐设备可以实现海底全覆盖调查.调查时可使用水下拖体搭载或铠装缆拖曳的作业方式进行，使侧扫声呐探头与海底基本保持在较小的稳定距离，大大降低了高频声呐信号在水层中的衰减，同时保证数据成像的稳定性，完全能够保证工程项目对于调查精度和数据分辨率的要求.

侧扫声呐技术非常广泛地应用于水下考古、抢险救灾、军事、渔业、海岸港口、海洋工程等领域，提高侧扫声呐数据的解释分析和海底灾害识别水平，对于相关领域的工程技术人员具有重要意义.

侧扫声呐探测实现海底全覆盖扫测，提供完整的海底声学图像，用于获得海底形态，并对海底物质的纹理特征进行定性的描述 (董庆亮等，2009).侧扫声呐图像中显示的信息包括目标物表面反射回波信号、目标物遮挡形成的阴影区及背景声图，在进行目标物识别时通常使用目标阴影进行特征提取，而对于浅埋目标物的识别，更多的是利用回波信号进行解释识别.

从浅水到深水区，侧扫声呐在海洋工程勘察领域是一项非常重要的分析和评价技术.侧扫声呐地貌资料对于识别沉积物类型、海底微地貌、海底障碍物、海底结构设施、沙波、等地貌特征，对于钻井平台井口就位和作业 (韦红术等，2013)、平台安装和海底管道路由施工的可行性评价、海底设施和结构物在位状态检查等非常实用，其在保证各类工程作业的安全顺利施工等方面具有不可替代的优势.本文正是基于通过对南海东部不同工区、不同类型地貌特征的研究和分析，以期提高对海底地貌特征的认识，分析其对于海底工程活动可能存在的潜在危害和影响，有效提升地貌资料研究评价的准确性和可靠性.

图 1为EP区300 m×300 m范围内的底质异常地貌图像，区域水深87~89 m，区域表层土质主要为砂质粘土并含少量贝壳碎屑.底质异常区地貌图像灰度变化大，为强反射地貌特征，表现为海底地表小凸起，由西向东呈团状和块状分布，海底分布面积约0.01 km2，异常区凸起高出海底面约0.8~1.9 m，分析认为主要是局部底质沉积变化引起的，可能会对钻井船抛锚就位、海底管道铺设产生影响.

图 2为EP区120 m×120 m范围内的麻坑地貌图像，区域水深88~89 m，区域表层主要为灰色软粘土，麻坑主要为圆形和椭圆形存在，坑深小于0.5 m.多数的海底麻坑是沉积地层中的流体向海底发生渗漏或喷发所形成，如海底浅层气溢出过程.麻坑处于不同地质条件下，其成因也不尽相同 (邸鹏飞等，2012).而在在深水区往往与海底天然气水合物分布和海底滑坡有关，另外一些生物群落活动、局部海底侵蚀等过程也会形成大小不等、形态各异的海底凹坑.

图 3为LF区1000 m×500 m范围内的地貌图像，区域水深144~149 m.区域内地貌资料色度变化明显，主要的地貌特征为海底沙波，主要的沙波脊线大致呈NE—SW方向延伸，波高1~2 m，波长60~80 m，最大可达100 m，其迎水坡向东南，背水坡向西北.

图 3中明显可见大致为WSW—ENE向斑棱状地形特征，声学反射强度变化大，但呈现规律性递变，产生这种地形地貌的原因是区内有两组不同时期发育的沙波交叉叠合，在沙波的波峰与波谷之间，还发育有大量微小的沙纹.相关研究发现，LF区沙波的发育和现代海底地形密切相关，总体上海底沙波脊线伸展的方向基本和等深线的延展方向一致 (栾锡武等，2010).

在该区域附近，2003年实测底层流速最大为0.4 kn，主流向为WNW—ESE，2003年夏季到2005年冬季，海底沙波发生了明显的变化，除有明显的沙波迁移，并有新的沙波生成.2011年在该区域附近的海底管道ROV检测中发现了8处比较大的管道悬空段，管道悬空高度0.1~0.4 m，悬跨长度24~39 m，由此可见LF区海底底流较强，对海底地形的改造能力强.在沙波迁移区，底流不断侵蚀改造海底地形的过程，就是对海底管道、锚系、平台桩腿等工程设施不断冲刷、掏蚀的过程，很容易造成管道裸露或悬空、锚固力降低或走锚、桩腿入泥深度变浅等危害，类似区域必须加强监测、缩短监测周期，保证各种海底设施在位状态的安全.

图 4为LH区200 m×100 m范围内的地貌图像，区域水深180~183 m.区域内海底主要为沙土覆盖，沙波有规律地呈条带状分布，宽度20~30 m，NNE—SSW西走向，沙波带长度超过1000 m，沙波波长约2~6 m、波高约0.2~0.4 m.在该区域附近，2011年实测底层流速最大为0.3 kn，主流向为NW—SE，对海底具有冲刷作用.

除了沙波，LH区域内还存在一些底质异常区，表现为较强反射地貌特征，根据重力取样和工程物探成果资料综合分析，底质异常为主要由贝壳、海底附着生物、珊瑚形成的胶结物或岩石，有些连片发育，有些呈零星分布，局部海底较硬，在相关海底工程作业施工时要避开.

海底光缆在近岸、陆架浅水区一般采用埋设方式，深水区采用敷设方式，侧扫声呐主要靠识别出露海底的光缆和光缆埋设沟痕确定光缆状况，对既不出露海底，又没有埋设沟痕的海底光缆其应用受到限制 (潘国富等，2004).

光缆调查一般采用配备水下声学定位系统的磁力设备进行，磁力探测方法对于海底缆线的探测具有很好的效果，磁力探测是海底缆线探测不可或缺的方法手段之一 (裴彦良等，2012).磁异常的幅值与光缆种类和磁力仪探头的深度有关，一般可达几十到上百nT (裴彦良等，2005).根据作者多年的作业经验，有些光缆产生的磁异常非常小，需要将磁力探头与目标光缆距离控制在10 m以内才能比较好地发挥磁力探测的优势，尤其是在深水区，使用磁力拖鱼查找光缆的难度成倍加大，但侧扫声呐可以在距离海底几十米的高度进行高分辨数据采集，作为光缆调查的重要手段之一，将侧扫声呐系统集成在装备水下声学定位系统的AUV、深拖等调查平台上 (金翔龙，2007)，可以实现远距离、超水深作业环境的光缆查找任务.

2003年在HZ调查区域内，从地貌资料上发现的地貌特征有三条光缆、岩石或硬质海底、沙波、沙丘、拖痕、锚缆痕等，海底表层土质主要为松散至中密实的细~粗砂.图 5为HZ区380 m×100 m范围内的地貌图像，区域水深112~114 m，光缆C1延伸方向为NW—SE，其断续的线状强反射特征非常明显，黑色线状痕迹反映了C1裸露在海底.图 5中也存在一处面积约0.003 km2的底质异常区，强反射特征和分布界线较清晰，应该是硬质砂砾堆积或者露出海底的岩块.

图 6为2003年在LF调查区域300 m×80 m范围内的地貌图像，区域水深183~185 m，在侧扫声呐图像中发现的光缆C2痕迹为一条大小均匀、延伸很好、灰色调比较重的细线状凹沟，凹沟深约0.2 m，光缆C2延伸方向为NW—SE，光缆C2凹沟应该是铺设光缆挖沟填埋或者光缆靠自重在自然状态下陷埋形成.海底表层土质主要为褐灰色含大量贝壳碎片的细-中砂，区域内基本被沙波覆盖，表明该区海底水动力较强，海底底流对光缆C2的在位状态存在冲刷作用.

在2009年PY调查区域内，发育较为平缓的沙坡，地貌图像色度不均匀，反映表层沉积不均匀，海底表层土质主要是浅黄色细到中砂，局部含呈现斑驳状分布的贝壳碎屑、砾石和珊瑚礁块.图 7为PY区300 m×100 m范围内的地貌图像，水深198~199 m.光缆C3延伸方向为NW—SE，与沙波脊线相交，长时间的水流冲刷和掏蚀改变了光缆周围的微地形，可能造成光缆曲线移位、陷埋或裸露.

在2010年XJ调查区域内，地貌图像色度显示较为均匀，表明海底基本平坦，海底表层土质主要是粉质粘土和细砂，海底存在很多深度很浅的线状锚痕、拖痕及杂乱的扰动特征.图 8为XJ区300 m×150 m范围内的地貌图像，区域水深95~96 m.图 8中显示了光缆C4在该区域内在浅埋状态下的特征，光缆C4延伸方向为NW—SE.在图 8中光缆位置反映为一个宽约5 m、深度约0.3 m的细线状浅沟，反射强度较弱，呈灰白色，线状弱反射特征是光缆在铺设挖沟或者自然状态下陷埋过程中遗留的痕迹.另外值得注意的是，该XJ区内与海洋渔业等人类相关的活动非常频繁，这对于埋藏很浅的光缆非常不利，需要加强监管，保证光缆的安全运营.

图 9为2005年LH调查区300 m×120 m范围内的地貌图像，区域水深188~191 m.区域内呈斑状和块状分布着较多的由贝壳碎屑和珊瑚等形成的钙质胶结物，这些胶结物形状各异、大小不等，出露海底的高度约为0.5~2 m，在海底分布面积约为0.01 km2，表现为强反射地貌特征，是南海东部典型的硬质海底特征之一.

图 10为2003年LF区300 m×300 m范围内的地貌图像，区域水深310~315 m；海底基本上都为基岩出露的地方，出露岩石以条带状产出，走向大致为W—E，海底表层重力取样证实底质都为坚硬岩石，而在出露岩石间的沉积物结构松散，为粗砂.

2003年7月调查船进行了2次锚张力试验，第一次试验锚缆长1050 m，发现两锚同时溜锚，偶尔有张力突然变化并伴有锚缆跳动现象，在整个试验过程中锚始终未能抓稳海底，起锚后发现锚缆损伤严重，锚有刮擦损伤并且有部分部件轻微变形.第二次试验，缆长1200 m，起锚后发现左前锚琵琶头损坏.由此可见半潜式钻井平台在该区域进行抛锚作业存在很大的难度及偶然性，极易出现锚点无法着力、脱锚等安全风险.

2010年在LW区侧扫声呐资料解释时，根据声呐反射强度进行岩性的划分和判断沉积物的类型.在部分区域海底显示出强反射，在上陆坡区的珊瑚礁和沙坡区之内，有明显的散射特征，珊瑚礁区的浅地层剖面声波穿透地层能力差，并伴有明显的声学屏蔽和绕射.图 11为LW区500 m×500 m范围内的地貌图像，水深360~375 m，图中珊瑚礁浅埋，部分露出海底，在海底主要以片状、斑状及带状分布，并有连片分布的沙波；图 12为LW区500 m×500 m范围内的地貌图像，区域水深290~310 m.图中的珊瑚礁在海底连片发育，形成珊瑚礁群，呈现为非常强的地貌反射特征，珊瑚礁的顶部不超过海底5 m；图 11~图 12中条带状沙波和珊瑚礁伴生，沙波局部存在胶结砂.在穿越粗糙不平的、不规则的海底时可能会造成管线悬空.

硬质海底是南海东部比较典型的一种地貌特征，主要类型有各类胶结砂、珊瑚礁群、礁石、基岩、硬质凸起等，主要分布在上陆坡以浅的区域.硬质海底对于海底结构设施和工程施工是一种潜在的海底灾害因素，不但可能对海底管道和电缆铺设、平台及相关设施安装、钻井船插桩、抛锚及钻井等工程作业造成严重影响，而且可能也会影响到相关海底结构设施的安全运营.由此可见，查清目标工区的硬质海底的类型和分布特征，分析评估其危害性，对于优选安全作业区具有非常重要的意义.

图 13为HZ区500 m×250 m范围内的地貌图像，区域水深102~120 m，海底坡度达5°~6°，斜坡地带主要呈现为强反射的片状和斑状地貌特征，岩礁和硬质海底区与周围区域地貌声图色差变化大.区域内的海底表层地层对中浅地层剖面频宽范围内的声波存在明显的衰减、吸收和散射作用，未能获得有效的地层声学反射信息，因此推断可能是局部底流长时间的冲刷造成基地岩礁和硬质海底的裸露.2016年在该区进行钻井作业时，在表层便遇到礁灰岩，礁灰岩地层对于钻井作业具有硬度高、可钻性差、钻具掉落风险高、钻进作业难度大等特点，复杂的地层岩性给钻井作业带来了钻具被卡、导管下入困难等诸多难题.

图 14为2012年LH调查区400 m×200 m范围内的地貌图像，区域水深800~870 m，为一处东西宽约10~45 m、南北长约330 m的狭长型深海沟，海沟地形坡度14°~22°.由于陡峭地形的遮挡和扫测方向的双重影响，侧扫声呐无法探测到海沟区域内部的声学反射，呈现为无特征的黑色背景图像，在深沟周围清晰可见宽约90~120 m、面积约0.038 km2的海底滑坡边界.

图 15为2015年BY调查区1000 m×500 m范围内的两幅地貌图像，图 15a区域水深580~780 m，水深变化幅度达200 m，海底坡度2°~21°.图 15b区域水深730~880 m，水深变化幅度达150 m，海底坡度2°~25°.区域内的崎岖地形、流速流向、调查船速、扫测方向等因素对深水侧扫声呐设备的海底跟踪造成一定影响，在陡坡区局部出现自动跟踪困难的问题，需要在资料后处理时进行盲区消除和补偿修正.图 15两幅地貌图像中，强烈的地形起伏区和非常软的粘土质海底是产生海底滑塌的诱发条件，海底滑坡表现为中强至非常强的声学反射特征，呈现为高对比度图像，而未发生滑坡区则表现为比较均匀、无特色的浅色图像.

图 16为2012年LH调查区350 m×500 m范围内的两幅地貌图像，区域水深分别为780~820 m和850~880 m，最大海底坡度约10°，图 16a地貌图像显示海底经历了多期滑塌过程，表现为断阶型陆坡地形，滑塌体呈台阶状分布；图 16b中显示一条南北向海底峡谷局部的地貌特征，峡谷带走向近N—S向，峡谷两侧海底陡峭，其发育受陆坡墚、滑坡、断阶型陆坡陡坎等地形地貌的综合影响.峡谷底部除了侵蚀作用外，还存在浊流堆积和海底蠕动，反射强度不均匀，反射强度和海底滑坡地形相关.

图 17为2012年LW调查区1000 m×2000 m范围内的地貌图像，区域水深1260~1318 m，海底坡度1°~22°.图 17中反映了2处较大规模历史滑坡区域，分别位于调查区域中部及西部，在东西向上发生滑坡的宽度300~500 m，最宽处可达850 m，滑坡主要发生在峡谷两侧谷坡区域，在海底峡谷内地形破碎，崎岖不平，还发育有很多小的沟痕，峡谷底部坡度约2°~5°.在峡谷西侧为陡坡地形，地形坡度可达8°~22°，存在进一步发生滑塌的可能.

近年来工程物探发现的崎岖地形地貌特征主要集中出现在水深大于300 m的深水陆坡区域，深水区块海底滑坡特征要素主要有历史峡谷、断阶型滑坡、浊流沉积、碎屑流沉积、陡坎和陡坡、侵蚀沟等 (王大伟等，2009；吴时国和秦蕴珊，2009).海底峡谷谷坡上的滑坡和滑塌活动对钻井船就位及钻探作业往往具有较为严重的影响.

南海北部陆坡区一般具有较大的坡度，构造运动、海平面变化、台风、潮汐等因素都可能引起滑坡.可能对钻井作业和海洋环境造成巨大影响，危害深水油气平台、管线、海底电缆等海底设施 (吴时国等，2007；杨文达等，2011).

2012~2015年间，作者在资料解释评价和钻井风险识别过程中，曾经在BY、LH和LW深水区几次遇到预定井位位于海底坡度介于10°~25°的滑坡带上，海底历史滑塌特征非常明显，对钻井平台抛锚就位、井位稳定性和钻井作业具有严重影响，类似区域应引起高度重视.以技术资料作为依据，提出科学合理的技术建议，基于此对作业方案进行优化或调整，规避深水区钻探作业风险，使整个钻探作业能够安全顺利完成.

图 18分别为400 m×400 m范围内的两幅地貌图像，图 18a为2012年LH调查区，区域水深1307~1332 m；图 18b为2015年BY调查区，区域水深1326~1336 m.分别显示了断层F1和F2断通到海底的地貌特征，断层附近海底坡度变化约1°~2.5°.图 18中断层线清晰，其地貌声学反射强度与周围泥面有明显差异.

图 18a中，断层F1形成的海底坡带宽15~20 m、海底表层断距2~4 m，海底表层沉积物主要为非常软的粉质粘土和粘土，表层土质具有高含水量 (90 %~130 %)、低抗剪强度 (3~6 kPa) 的特点，表层土多处于流塑状态，这是断层周围海底不稳定的潜在因素，如果在重力流、台风、地震、断层活动等作用下容易产生海底蠕动或滑动，可能对于管道、电缆、水下井口等海底设施存在不利影响.

在南海东部调查海区，从浅水至深水区，海底地貌特征分布广泛、种类众多.侧扫声呐探测到比较多见的各类海底底质异常、沙波、光缆及海底设施、硬质海底、崎岖地形与滑坡、断层等地貌特征.如果出现在目标工区，这些地貌特征往往会对钻井船作业及相关海底工程施工带来影响.

目前，在解释地貌特征的分布特征、细部变化、提取其相关参数等方面，侧扫声呐资料具有明显优势且不能够被其它技术完全替代.在实际技术应用和解释评价过程中，应注重结合多波束水深、浅地层剖面、海底表层土质、海洋环境及区域地质背景资料综合分析，以提高识别各类有意义的地貌特征的准确性和可靠性.

在不稳定海底区 (如强流侵蚀、沙波移动、滑坡等)，地貌特征具有时变性.对于高风险区域，尤其是存在平台、管道等海底设施的海区，应善于利用分析不同时间地貌声图，更新地形地貌变化和相关设施的在位状态数据.

查清目标工区的各类海底地貌特征，评价其对于相关海底设施及工程施工可能存在的潜在危害，为各类工程施工及钻井作业的安全可行性评价提供技术支持，有利于降低工程风险.