長(zhǎng)江口海岸帶地動(dòng)型海平面變化及定量計(jì)算

張建偉，胡　克，劉寶林，王　建，路忠誠(chéng)

(1.青島大學(xué)環(huán)境科學(xué)系，山東 青島 266071；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)海洋學(xué)院, 北京 100083；3.青島地質(zhì)工程勘察院，山東 青島 266100)

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長(zhǎng)江口海岸帶地動(dòng)型海平面變化及定量計(jì)算

張建偉1,2,3，胡克2，劉寶林2，王建2，路忠誠(chéng)3

(1.青島大學(xué)環(huán)境科學(xué)系，山東 青島 266071；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)海洋學(xué)院, 北京 100083；3.青島地質(zhì)工程勘察院，山東 青島 266100)

[摘要]面對(duì)影響全球的海平面變化問(wèn)題，專門研究地動(dòng)型海平面變化特征，其主要表現(xiàn)為垂直水平方向的大地水準(zhǔn)面變化，即三個(gè)主導(dǎo)因素為地面沉降、構(gòu)造作用、沉積作用，地動(dòng)型海平面的變化是該三因素共同作用的疊加結(jié)果。分析典型研究區(qū)長(zhǎng)江口海岸帶的地質(zhì)環(huán)境條件，利用三因素的關(guān)系模型和數(shù)據(jù)等值線，定量計(jì)算了1980～1995年、1996～2001年、2002～2006年的地動(dòng)型海平面變化量，結(jié)果表明：城市建設(shè)區(qū)的地動(dòng)型海平面變化量總體比非城區(qū)偏大，近海岸線區(qū)域地動(dòng)型海平面變化量比城市建設(shè)區(qū)偏低；1996～2001年是地動(dòng)型海平面變化量最大的時(shí)期。

[關(guān)鍵詞]地動(dòng)型海平面變化；定量計(jì)算；長(zhǎng)江口；主導(dǎo)因素

據(jù)2013年IPCC第5次評(píng)估報(bào)告的結(jié)論[1]，本世紀(jì)末，全球地表平均溫度將比工業(yè)化前高3.7℃～4.8℃；全球變暖引發(fā)的海平面變化，對(duì)沿海地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、自然環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)等有著不良影響或?yàn)?zāi)難性后果。在我國(guó)長(zhǎng)江口海岸帶，該問(wèn)題也非常顯著[2]。

區(qū)域海平面變化，從其變化的內(nèi)因、機(jī)理等進(jìn)行描述及開(kāi)展的相關(guān)研究來(lái)看，包含水動(dòng)型海平面變化與地動(dòng)型海平面變化兩個(gè)方面[3]。早在1906年，奧地利地質(zhì)學(xué)家E.修斯首先提出了全球性海面變動(dòng)的概念；1930年代，R.A.戴利發(fā)展了“冰川控制”概念；1960年代，板塊構(gòu)造說(shuō)認(rèn)為，板塊擴(kuò)張速率變動(dòng)可導(dǎo)致洋盆容積的變化，進(jìn)而控制海平面的升降；1974年，“國(guó)際地質(zhì)對(duì)比計(jì)劃”(IGCP)設(shè)立了海平面研究組織，加強(qiáng)全球海面變化的對(duì)比研究[4]。至今，海平面變化研究逐步取得重大進(jìn)展，不僅體現(xiàn)在全球?qū)Ρ群Ｆ矫孀兓€、海平面升降幅度的定量測(cè)定及模擬[5]、高頻海平面變化機(jī)制[6]等水動(dòng)型海平面變化出成果上，還在層序地層學(xué)與海平面變化、構(gòu)造及沉積作用的影響、活動(dòng)構(gòu)造背景下的海平面變化樣式等地動(dòng)型海平面變化研究方面獲得突破[7-9]。

1地動(dòng)型海平面變化

地動(dòng)型海平面變化是指由于自然及人類活動(dòng)等因素作用于固體地殼，而產(chǎn)生的海岸帶地殼相對(duì)高程的變化所引發(fā)的海平面上升(海進(jìn))或下降(海退)現(xiàn)象。地動(dòng)型海平面變化與水動(dòng)型海平面變化相互影響、共同作用，構(gòu)成了區(qū)域性海平面變化。

地動(dòng)型海平面變化主要表現(xiàn)為垂直水平方向的大地水準(zhǔn)面變化，與地面沉降、區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地層沉積、海岸侵淤等因素有關(guān)[10，11]，即三個(gè)主導(dǎo)因素為地面沉降、構(gòu)造作用、沉積作用。

1.1地面沉降

地面沉降是地動(dòng)型海平面變化的一個(gè)關(guān)鍵因素，是沿海地區(qū)相對(duì)海平面上升的重要量值，其數(shù)值甚至可能超過(guò)全球海平面上升值的數(shù)十倍[12-14]。地面沉降按成因可分為自然沉降和人類活動(dòng)誘發(fā)沉降。

自然沉降一般發(fā)生于天然、巨厚的第四紀(jì)松散沉積物地層，這些沉積物含水量高、粘粒含量高、固結(jié)程度差，在達(dá)到完全固結(jié)之前，地層將持續(xù)自然沉降。人類活動(dòng)誘發(fā)的地面沉降多指長(zhǎng)期過(guò)量開(kāi)采地下流體，如地下淡水、石油、天然氣等，所導(dǎo)致的地面沉降；另外，高層建筑施工等因素也造成局部地段的地面沉降。

1.2構(gòu)造作用

我國(guó)海岸帶位于歐亞板塊邊緣，構(gòu)造活動(dòng)比較強(qiáng)烈，活動(dòng)斷層發(fā)育，區(qū)域穩(wěn)定性差。從地殼位移來(lái)看，大陸地殼從西向東水平位移的運(yùn)動(dòng)速率逐漸減小[15]；垂向升降變化也非常明顯，華北平原、蘇北平原和長(zhǎng)江三角洲地區(qū)屬地殼持續(xù)下降區(qū)，構(gòu)造沉降增大了地面沉降值[16]。

1.3沉積作用

海岸帶的持續(xù)沉降使眾多河流于此入海，河口海岸帶地區(qū)受泥沙淤積與海岸侵蝕的雙重影響，沉積主導(dǎo)作用明顯，控制了海岸的發(fā)育、第四紀(jì)地層的結(jié)構(gòu)及厚度、海岸平原和脆弱地區(qū)的不均勻分布等，反映了水動(dòng)力條件變化所引發(fā)的海岸帶侵蝕、淤積對(duì)地殼升降的補(bǔ)償-消去作用。

2長(zhǎng)江口海岸帶

2.1區(qū)域概述

長(zhǎng)江是亞洲第一大河，長(zhǎng)江口為中國(guó)最大河口，是一個(gè)豐水、多沙、中等潮汐強(qiáng)度的分汊河口。在徑流與潮流兩股強(qiáng)動(dòng)力作用下，長(zhǎng)江口段河床沖淤多變，主槽擺動(dòng)頻繁；蘇北海岸主要為沙質(zhì)海岸，海岸帶變遷主要受制約于新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、三角洲侵淤發(fā)展及人類活動(dòng)[17]。

2.2地面沉降概況

長(zhǎng)江口海岸帶地區(qū)人類活動(dòng)相對(duì)集中，第四紀(jì)沉積層厚約300 m，土質(zhì)松軟、含水豐富，當(dāng)?shù)叵滤苫虺鞘薪ㄔO(shè)施工時(shí)，土層中有效壓力加大，松散土層壓縮變形，導(dǎo)致地面高程逐漸下降，產(chǎn)生地面沉降現(xiàn)象[18]。

長(zhǎng)江口城市建設(shè)區(qū)地面沉降F4分層標(biāo)1964～2010年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：1964～1965年為快速沉降階段，控制因素按主次為地下水超采、土層自然壓縮；1966～1989年為緩慢沉降階段，控制因素按主次為土層自然壓縮；1990～2004年為加速沉降階段，控制因素按主次為地下水超采、城市建設(shè)、土層自然壓縮；2005～2010年為減緩沉降階段，控制因素按主次為地下水超采、土層自然壓縮、城市建設(shè)。

盡管各階段的控制因素都主要為地下水超采，但是所占百分比不同。如1992～1998年間，研究區(qū)城市建設(shè)導(dǎo)致的沉降量約占總沉降量的12%，城市建設(shè)所占比重較大，且工程施工引起的局部地面沉降累計(jì)可達(dá)100 mm之多；建筑物建成后，其荷重對(duì)下部壓縮性地層具有長(zhǎng)期的加載作用，局部沉降將延續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間[19]。

2.3構(gòu)造作用概況

長(zhǎng)江口地區(qū)大地構(gòu)造上位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)的東部邊緣，西北沿郯廬斷裂和膠南斷裂與華北地臺(tái)相接；東南以江山-紹興深斷裂為界與華南褶皺系相鄰。

長(zhǎng)江口地面沉降是在新近紀(jì)以來(lái)長(zhǎng)期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上持續(xù)發(fā)展的一種現(xiàn)象，具有繼承性運(yùn)動(dòng)特征，表現(xiàn)為空間不均勻沉降；而人類活動(dòng)造成的地面沉降疊加在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)之上[20]。由基巖標(biāo)測(cè)定的地面沉降是地面相對(duì)基巖處的沉降量，但從整體基底構(gòu)造上，由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的沉降是持續(xù)且不可逆轉(zhuǎn)的，就影響程度而言，構(gòu)造作用的影響范圍更大、時(shí)間更久。

觀測(cè)結(jié)果表明，現(xiàn)今華南地區(qū)地殼整體處于沉降運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[21]。上海天文臺(tái)利用1988～1996年基線干涉(VLBI)站與國(guó)際VLBI站基線長(zhǎng)度變化的測(cè)定結(jié)果，計(jì)算了上海VLBI站的形變速率，得到地殼垂直形變速率為-1.95 mm/a[22]。

2.4沉積作用概況

長(zhǎng)江口海岸帶地貌形態(tài)主要為平原地貌，而海岸線變遷主要受制約于長(zhǎng)江三角洲的發(fā)展。距今6000年以來(lái)，隨著長(zhǎng)江挾帶的大量泥沙沉積，長(zhǎng)江三角洲形成并擴(kuò)展，海岸線不斷東移；形成了一系列代表當(dāng)時(shí)岸線位置的貝殼沙堤，呈北西向大致平行排列，向南東方向年代依次變新。

海岸帶沉積物研究表明為典型的河流沉積物特征；在崇明東灘、南匯及金山采集的四個(gè)沉積柱樣品的沉積速率分別為1.57 cm/a、1.70 cm/a、1.67 cm/a、1.82 cm/a；金山和崇明東灘的沉積通量最大，而且基本接近，南匯的沉積通量相對(duì)較小。這說(shuō)明，長(zhǎng)江口沉積物的物質(zhì)來(lái)源主要為長(zhǎng)江下游沉積物，沉積作用與海岸侵淤共同影響地面高程和相對(duì)海平面的變化。

3定量計(jì)算

3.1定量關(guān)系

地動(dòng)型海平面變化的三個(gè)主導(dǎo)因素為地面沉降、構(gòu)造作用和沉積作用，與引發(fā)的地面高程變化量之間存在如下關(guān)系：

H=HA+HN+HS

其中，H為地動(dòng)型相對(duì)海平面變化量；HA為地面沉降量(指第四紀(jì)沉積蓋層沉降量)；HN為構(gòu)造升降作用引發(fā)的地殼高程變化(基巖沉降量)；HS為沉積作用量。

地動(dòng)型海平面的變化是上述三個(gè)因素所產(chǎn)生的地殼高程變化量的疊加結(jié)果；在實(shí)際應(yīng)用中，可將地面沉降等值線、海岸帶構(gòu)造升降等值線與沉積速率等值線疊加，得出區(qū)域地動(dòng)型相對(duì)海平面變化量H。

3.2計(jì)算過(guò)程

首先，對(duì)計(jì)算區(qū)的HA、HN和HS分別進(jìn)行量化賦值，利用已有數(shù)據(jù)，生成單因子等值線圖，使圖中所有的點(diǎn)成為帶屬性的數(shù)據(jù)點(diǎn)，則可確定計(jì)算區(qū)任意點(diǎn)處每個(gè)因子的數(shù)值。地面沉降量HA分三時(shí)段，即1980～1995年(16年)、1996～2001年(6年)、2002～2006年(5年)，將等值線的線文件增加沉降量屬性，字段類型為浮點(diǎn)型，離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化計(jì)算生成年平均沉降量等值線文件；構(gòu)造作用量HN值為-1.95 mm/a；沉積作用量HS為海岸線侵淤變化范圍內(nèi)的沉積數(shù)據(jù)等值線。

然后，利用軟件進(jìn)行各因子疊加計(jì)算，得出H值，數(shù)據(jù)采用Surfer軟件進(jìn)行處理，劃分H值等值線區(qū)域。

最后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MapGIS軟件中成圖，圖中所有的點(diǎn)均為帶屬性的數(shù)據(jù)點(diǎn)，可獲知任意點(diǎn)處H的數(shù)值，也可獲知全計(jì)算區(qū)或區(qū)內(nèi)任意范圍的H均值。

3.3計(jì)算結(jié)果

應(yīng)用上述公式，結(jié)合參考上海市地質(zhì)調(diào)查院實(shí)際測(cè)量的相關(guān)沉降數(shù)據(jù)，計(jì)算了長(zhǎng)江口海岸帶地動(dòng)型海平面變化量(圖1～圖3)。

可以看出，無(wú)論是在陸地還是海岸區(qū)域，由于地面沉降的影響，城市建設(shè)區(qū)的地動(dòng)型海平面變化量總體比非城區(qū)偏大；近海岸線區(qū)域由于沉積作用對(duì)地面的補(bǔ)償，使地動(dòng)型海平面變化量比城市建設(shè)區(qū)偏低。長(zhǎng)江口海岸帶地區(qū)1980～1995年地動(dòng)型海平面變化量平均為-2.93 mm/a(負(fù)值表示地面下降)；1996～2001年地動(dòng)型海平面變化量平均為-12.1 mm/a；2002～2006年地動(dòng)型海平面變化量平均為-9.37 mm/a； 1996～2001年期間是地動(dòng)型海平面變化量最大的時(shí)期。

圖1　長(zhǎng)江口海岸帶1980～1995年地動(dòng)型

圖2　長(zhǎng)江口海岸帶1996～2001年地動(dòng)型

圖3　長(zhǎng)江口海岸帶2002～2006年地動(dòng)型

4結(jié)語(yǔ)

(1)識(shí)別了長(zhǎng)江口海岸帶地區(qū)地動(dòng)型海平面變化的三個(gè)主導(dǎo)因素，即地面沉降(地下水超采、城市建設(shè)、土層自然壓縮等)、構(gòu)造作用(構(gòu)造升降、地殼垂直形變等)和沉積作用(海岸侵淤等)；地動(dòng)型海平面的變化是三個(gè)因素共同作用的疊加結(jié)果。

(2)定量計(jì)算了1980～1995年、1996～2001年、2002～2006年的地動(dòng)型海平面變化量，結(jié)果表明：城市建設(shè)區(qū)的地動(dòng)型海平面變化量總體比非城區(qū)偏大，近海岸線區(qū)域地動(dòng)型海平面變化量比城市建設(shè)區(qū)偏低；1996～2001年是地動(dòng)型海平面變化量最大的時(shí)期。

參考文獻(xiàn)

[1]IPCC. Climate Change 2013: The Physical Science Basis[C]. IPCC WGI Fifth Assessment Report, 2013.

[2]薛禹群, 張?jiān)? 葉淑君, 等. 我國(guó)地面沉降若干問(wèn)題研究[J]. 高校地質(zhì)學(xué)報(bào). 2006, 12(2): 153-160.

[3]Gambolati G, Teatini P, Tomasi L, et al. Coastline regression of the Romagna region, Italy, due to sea level rise and natural and anthropogenic land subsidence[J]. Water Resource Research, 1999, 35 (1): 163-184.

[4]吳濤, 康建成, 王芳等. 全球海平面變化研究新進(jìn)展[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展. 2006, 21(7): 730-737.

[5]Sahagian D L, Holland S M. Eustatic sea-level curve based on a stable frame of reference: preliminary results[J]. Geology, 1991, (19): 1209-1212.

[6]Osleger D, Read J F. Relation of eustasy to stacking patterns of meter scale carbonate cycles, Late Cambrian, USA [J]. Journal of Sedimentary Petrology, 1991, 61(7):1225-1252.

[7]P Teatini, M Ferronato,G Gambolati, et al. A century of land subsidence in Ravenna, Italy[J]. Environmental Geology, 2005, (47): 831-846.

[8]Liu H, Jwzek K C. Automated extraction of coastline from satellite imagery by integrating Canny edge detection and locally adaptive thresholding methods[J]. International Journal of Remote Sensing, 2004, 25(5): 937-958.

[9]Rignot E, Rivera A, Casassa G. Contribution of the Patagonia ice fields of South America to sea level rise [J]. Science, 2003, (302): 434-437.

[10]嚴(yán)禮川. 我國(guó)城市地面沉降概況[J]. 上海地質(zhì). 1992, (1): 40-48.

[11]鄭銑鑫, 武強(qiáng), 侯艷聲, 等. 城市地面沉降研究進(jìn)展及其發(fā)展趨勢(shì)[J]. 地質(zhì)評(píng)論. 2002, 48(6): 612-618.

[12]張阿根, 魏子新. 上海地面沉降研究的過(guò)去、現(xiàn)在與未來(lái)[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì). 2002, 29(5): 72-75.

[13]白晉斌, 牛修俊. 天津新生界固結(jié)特征與地面沉降[J]. 中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào). 2010, 21(1): 42-46.

[14]王媛媛, 孫強(qiáng), 譚儒蛟. 沿海地區(qū)地面沉降的地質(zhì)分析[J]. 中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào). 2009, 20(4): 86-94.

[15]郭良遷, 李延興, 楊國(guó)華, 等. 中國(guó)大陸現(xiàn)今應(yīng)變場(chǎng)動(dòng)態(tài)[J]. 地震學(xué)報(bào). 2008, 30(6): 560-569.

[16]劉經(jīng)南, 姚宜斌, 施闖, 等. 中國(guó)大陸現(xiàn)今垂直形變特征的初步探討[J]. 大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué). 2002, 22(3): 1-5.

[17]林承坤. 長(zhǎng)江口及其鄰近海域黏性泥沙的數(shù)量與輸移[J]. 地理學(xué)報(bào). 1992, 47(2): 108-117.

[18]張?jiān)? 薛禹群, 李勤奮. 上海現(xiàn)階段主要沉降層及其變形特征分析[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì). 2003, 30(5): 6-11.

[19]葉淑君, 薛禹群, 張?jiān)? 等. 上海區(qū)域地面沉降模型中土層變形特征研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào). 2005, 27(2): 140-147.

[20]邱金波, 李曉. 上海市第四紀(jì)地層與沉積環(huán)境[M]. 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社. 2007.

[21]張靜華, 李延興, 郭良遷, 等. 華南塊體的現(xiàn)今構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與內(nèi)部形變[J]. 大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué). 2005, 25(3): 57-62.

[22]楊志根, 朱文耀, 程宗頤. 上海VLBI 站相對(duì)于歐亞板塊運(yùn)動(dòng)的測(cè)定與討論[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào). 2001, 30(1): 10-15.

Coastal Diastrophico-eustasy and Its Quantitative Calculation in the Yangtze River Estuary

ZHANG Jian-wei1,2,3，HUKe2，LIU Bao-lin2，WANGJian2，LU Zhong-cheng3

(1.Department of Environmental Sciences, Qingdao University, Qingdao 266071, Shandong；2. School of Ocean Sciences, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China；3. Geo-Engineering Investigation Institute of Qingdao, Qingdao 266100, Shandong)

Abstract:Facing the problem of global sea level changes, the main performance of the diastrophico-eustasy is the geoid changes at the vertical and horizontal direction, namely the three dominant factors for land subsidence, tectonics and sedimentation. The diastrophico-eustasy is the result of three factors acted. Based on the Yangtze River Estuary coastal zone geological conditions, using the data of the three factors, that calculated quantitatively the diastrophico- eustasy variation in 1980～1995, 1996～2001, and 2002～2006. The results show that: the diastrophico-eustasy variation of city area in general larger than other area. 1996～2001 is the maximum amount time of the diastrophico-eustasy.

Key words:Diastrophico-eustasy；quantitative calculation；Yangtze River estuary and main factor

[收稿日期]2015-10-28

[基金項(xiàng)目]國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201011019-05)；國(guó)家自然科學(xué)基金(41202175)

[作者簡(jiǎn)介]張建偉(1980-)，男，山東高密人，高級(jí)工程師，主要從事海岸帶地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等工作。[通訊作者]胡克(1957-)，男，教授，研究方向：海岸帶地質(zhì)、第四紀(jì)地質(zhì)等。

[中圖分類號(hào)]P714

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)01-0111-03