西沙群島宣德環(huán)礁的精細(xì)水下地貌組合特征及其成因機(jī)制

何其江，劉剛*，王雪木，鄭志鋒，段軻，韓孝輝，沈愛斯

( 1.海南省海洋地質(zhì)資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 ?？?570206；2.海南省海洋地質(zhì)調(diào)查研究院，海南 ?？?570206；3.湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢 430034)

1 引言

海底地形地貌特征及分布類型對(duì)指示區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響、海平面升降、海洋水動(dòng)力有重要意義[1-6]。珊瑚礁對(duì)海洋環(huán)境及地質(zhì)環(huán)境的變化具有高敏感性，長期受到高度關(guān)注。珊瑚礁水下精細(xì)地形地貌是認(rèn)識(shí)珊瑚礁發(fā)育速率、發(fā)育過程等關(guān)鍵科學(xué)問題的基礎(chǔ)。此外，隨著我國南海珊瑚島礁開發(fā)及島礁工程建設(shè)，珊瑚礁精細(xì)水下地貌研究對(duì)認(rèn)識(shí)珊瑚島礁的穩(wěn)定性具有重要意義。

陳俊仁[7]和曾昭璇等[8-9]通過實(shí)地觀測(cè)、沉積物分析等手段，以灰砂島島礁地貌形態(tài)為主，總結(jié)了環(huán)礁的類型和地貌特征。余克服等[10]和趙煥庭等[11]對(duì)環(huán)礁水下地形、向海坡和水下階地的調(diào)查，劃分了南沙群島“腹地環(huán)礁”微地貌-沉積相。孫宗勛和趙煥庭[12]進(jìn)一步研究了風(fēng)、流和潮汐等動(dòng)力作用對(duì)珊瑚地貌發(fā)育的作用。前人的研究重點(diǎn)多為向海坡區(qū)域，礁內(nèi)潟湖區(qū)域研究不足[13-18]。隨著高分辨率遙感影像技術(shù)發(fā)展，推動(dòng)了島礁地形地貌研究的進(jìn)展，其地貌分類體系精細(xì)全面化[19-21]。左秀玲等[22]總結(jié)前人研究成果，提出了較全面的南海珊瑚礁高分辨率遙感地貌分類體系，但限于光波物理特性制約，光學(xué)遙感手段在最清澈水體穿透深度僅為25 m，無法探明水下暗沙、暗礁、沖刷槽等地貌單元，目前，上述地貌類型的研究尚少開展。側(cè)掃聲吶技術(shù)運(yùn)用海底地物對(duì)入射聲波反向散射的原理來探測(cè)海底形態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微地形地貌厘米級(jí)的高精度聲成像，從而對(duì)海底底質(zhì)沉積形態(tài)及類型、地形地貌特征進(jìn)行定性描述[23-27]。通過水深測(cè)量、側(cè)掃聲吶測(cè)量和海底沉積物樣品獲取的工作方法，有助于分析海底地形地貌特征和沉積物類型[28-31]。

西沙群島宣德環(huán)礁，位于海南島南偏東180海里處，由北部的大弧形礁盤七連嶼、東南部的永興-石島弧形礁盤及銀礫灘構(gòu)成（圖1），三沙市政府坐落在宣德環(huán)礁東南部的永興島上。宣德環(huán)礁的基底為碳酸鹽臺(tái)地，厚達(dá)1 257 m，不整合覆于前寒武變質(zhì)巖體上[32]，整體水深變化范圍為0～1 232 m，臺(tái)地之上水深小于65 m，臺(tái)地斜坡水深變化劇烈，深水盆地平原水深為800～1 232 m[33]。宣德環(huán)礁海區(qū)潮汐為不規(guī)則日潮，屬熱帶海洋季風(fēng)氣候，冬季盛行偏北季風(fēng)，夏季盛行偏南季風(fēng)；海浪以風(fēng)浪為主，潮流特征隨季風(fēng)變化[34-35]。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 The location of study area

本文通過分析宣德環(huán)礁的水下地形、側(cè)掃聲吶聲學(xué)探測(cè)結(jié)果和海底沉積物粒度分布特征，精確識(shí)別了宣德環(huán)礁水下微地貌特征，結(jié)合測(cè)深數(shù)據(jù)及表層沉積物，刻畫了宣德環(huán)礁礁前以深的水下地形地貌特征，劃分了宣德環(huán)礁水下精細(xì)地貌類型，并初步探討了其形成機(jī)制。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

2015-2016 年，海南省海洋地質(zhì)調(diào)查研究院在宣德環(huán)礁水深為10～200 m的區(qū)域采集了側(cè)掃聲吶和單波束水深數(shù)據(jù)，并進(jìn)行海底表層沉積物取樣（圖2）。在該研究區(qū)內(nèi)實(shí)施了67條側(cè)掃聲吶測(cè)量測(cè)線，總長度約700 km，主測(cè)線40條和聯(lián)絡(luò)測(cè)線27條，NW-SE向主測(cè)線間距為1 km，NE-SW向聯(lián)絡(luò)測(cè)線間距為2 km。單波束測(cè)線按1∶10 000比例尺布設(shè)，測(cè)線間距100 m。調(diào)查過程使用不銹鋼蚌式抓斗取樣器采集105個(gè)海底表層沉積物，海上導(dǎo)航定位使用美國星火SF-3050型接收機(jī)，精度可以達(dá)到亞米級(jí)，測(cè)量使用WGS-84坐標(biāo)系、GMT時(shí)間、UTM投影、中央經(jīng)線 111°E。

圖2 研究區(qū)側(cè)掃聲吶測(cè)線位置Fig.2 The location of lines of side scan sonar in study area

將研究區(qū)采集的海底表層樣品，送至中國科學(xué)院南海海洋研究所進(jìn)行粒度測(cè)試分析，粒度分級(jí)采用尤登-溫德華氏等比制粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，沉積物分類采用福克分類法[36]。

2.2 側(cè)掃聲吶

研究區(qū)所采用的側(cè)掃聲吶系統(tǒng)為EdgeTech 4200 MP側(cè)掃聲吶系統(tǒng)，工作頻率為100 kHz或400 kHz，拖魚采取側(cè)拖拖曳方式，工作量程設(shè)定單邊為400 m，雙頻作業(yè)模式，自動(dòng)增益。通過對(duì)原始的側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航編輯、海底線精確跟蹤、斜距改正、速度校正、TVG 校正、NADIR校正，生成單條帶的側(cè)掃聲吶圖像，再經(jīng)過圖像拼接處理，鑲嵌形成研究區(qū)的大面積側(cè)掃聲吶圖像。

2.3 單波束水深測(cè)深儀

單波束回聲測(cè)深儀采用南方SDE-28S，工作頻率為200 kHz，水深20 m內(nèi)誤差優(yōu)于0.2 m，水深大于20 m時(shí)誤差優(yōu)于水深的1%。在水深測(cè)量期間，使用RBR virtuoso duo T.D|tide潮位儀進(jìn)行潮位校正，潮高基準(zhǔn)高程為三沙獨(dú)立高程。

3 結(jié)果

3.1 宣德環(huán)礁水下地形地貌特征

融合宣德環(huán)礁?jìng)?cè)掃聲吶數(shù)據(jù)及測(cè)深數(shù)據(jù)，形成宣德環(huán)礁三維地形圖（圖3）。宣德環(huán)礁為殘缺型環(huán)礁類型，中部為潟湖沉積，北部發(fā)育廣大弧形礁盤-七連嶼礁盤，東南部發(fā)育永興-石島弧形礁盤，西南部為銀礫灘淺灘，環(huán)礁西側(cè)與海相通，南側(cè)和東側(cè)則發(fā)育部分缺口，環(huán)礁碳酸鹽臺(tái)地至向海坡間發(fā)育環(huán)形凸起環(huán)礁邊緣。以往研究[37]認(rèn)為，切開宣德環(huán)礁的“門”有兩個(gè)，一個(gè)為石島與南沙洲之間的“紅草門”，深度為60～120 m，另一門為切開七連嶼的趙述島與北島之間的“石排海門”，深度為 4～10 m，為淺水海門[38]。我們的探測(cè)數(shù)據(jù)顯示，宣德環(huán)礁主要水體通道口門應(yīng)為水深60 m以上的深水口門，共有4處，分別為環(huán)礁西北端西沙洲口門、南沙洲-永興的“紅草門”、環(huán)礁西缺口和環(huán)礁南缺口。環(huán)礁內(nèi)外水體交換分為南北兩大區(qū)域，由銀礫灘和永興礁盤及其之間發(fā)育的潟湖砂沉積分隔，水體交換以北部為主。

圖3 宣德環(huán)礁水下三維地形圖Fig.3 Three-dimensional map of the study region

環(huán)礁中部為潟湖沉積地貌，發(fā)育水下沙壩及珊瑚礁，向海斜坡由礁盤向海深度陡然增加，坡度變化劇烈并發(fā)育多級(jí)水下階地。受動(dòng)力特征作用和礁盤空間位置劃分，宣德環(huán)礁水下地貌分為向海坡區(qū)和潟湖區(qū)地貌。

3.2 向海斜坡微地貌類型組合特征

向海斜坡指從礁坪外緣延伸向礁盤外海的斜坡，是珊瑚礁橫斷面中的主要地貌單元之一，其地貌形態(tài)反映了構(gòu)造作用、生物作用和水動(dòng)力作用，特別是其上部的淺水平臺(tái)、凸起脊-槽溝系統(tǒng)與造礁珊瑚群落的生長狀況、海平面升降和波浪作用密切相關(guān)[16]。通過對(duì)宣德環(huán)礁向海斜坡微地貌特征形態(tài)研究，探討宣德環(huán)礁珊瑚礁的發(fā)育過程、海平面的升降及水動(dòng)力作用具有重要的意義。

圖4為七連嶼礁前區(qū)向海斜坡（圖2中A-A′）側(cè)掃圖像及其水深剖面，圖像區(qū)域長為5.44 km，寬為800 m。其中I區(qū)為礁坪外珊瑚礁群，單礁及長垣礁組成團(tuán)簇狀群礁，礁體發(fā)育密集，近岸以長垣礁為主，礁體長約100 m，寬為20 m，礁體長軸為NW-SE向。II區(qū)為礁緣區(qū)突起脊-槽溝系統(tǒng)，槽溝帶長為1.2 km，溝寬為3～4 m，溝深為0.2 m，脊線最長為600 m，走向?yàn)镹W-SE向，近W-E向，垂直于岸線和等深線。III 區(qū)為礁緣外水下階地，有兩條坡度變化界線，分別對(duì)應(yīng)一級(jí)水下階地，上界線為礁緣線，水深為22 m，下界線為水深70 m處。IV 區(qū)為斜坡沙坡，水深為150 m，其波脊線走向?yàn)镹-S向，與等深線垂直，表明其受W-E向底流作用。

圖4 向海斜坡地貌帶側(cè)掃影像及其水深剖面（位置見圖2）Fig.4 The side scan image and depth profiles along the seashore slope (the location is shown in Fig.2)

3.3 潟湖區(qū)微地貌類型組合特征

圖5為宣德環(huán)礁西北側(cè)潟湖底邊緣至中央（圖2中B-B′）側(cè)掃圖像，圖像區(qū)域長為8.75 km，寬為800 m。I區(qū)為珊瑚礁塊影像，區(qū)域水深為55～60 m，沙波結(jié)構(gòu)貫穿礁體與底質(zhì)，NW-SE向、N-S向沙波脊線指示宣德環(huán)礁潟湖區(qū)底層為NE-SW向、W-E向底層流。該區(qū)域?yàn)樾颅h(huán)礁潟湖最深區(qū)域，沉積物以粉砂質(zhì)砂為主，體現(xiàn)水動(dòng)力強(qiáng)度隨水深變化減弱而使細(xì)粒沉積物沉積于礁體形成礁體-砂質(zhì)混合沉積結(jié)構(gòu)。

圖5 潟湖區(qū)地貌帶側(cè)掃影像及其水深剖面（位置見圖2）Fig.5 The side scan image and depth profiles in the lagoon lake (the location is shown in Fig.2)

II 區(qū)為砂質(zhì)沉積覆蓋于珊瑚格架上，以砂質(zhì)沉積物為主，僅體現(xiàn)部分礁體邊緣形態(tài)特征，深度范圍為51～55 m，形態(tài)及沉積結(jié)構(gòu)與Ⅰ區(qū)近似，但沉積物顆粒更大，應(yīng)為沉積物質(zhì)受潮流等較強(qiáng)動(dòng)力搬運(yùn)沉積，在潟湖深水區(qū)形成水下沙嘴狀沉積。I、II區(qū)域特征地貌可作為潟湖內(nèi)水體運(yùn)動(dòng)通道指示地貌，其對(duì)應(yīng)地形剖面圖也表明I區(qū)為下切水道，II區(qū)所示強(qiáng)動(dòng)力特征可作為潮汐流在潟湖內(nèi)沉積搬運(yùn)重要指示標(biāo)志。

III區(qū)為潟湖內(nèi)砂質(zhì)海底沉積特征，水深為55～60 m，沉積物質(zhì)為含礫砂至粉砂質(zhì)砂，代表宣德環(huán)礁潟湖區(qū)平均沉積強(qiáng)度環(huán)境沉積特征。

3.4 微地貌特征

3.4.1 砂底

圖6a為宣德環(huán)礁砂質(zhì)海底側(cè)掃影像，位于環(huán)礁中央?yún)^(qū)潟湖盆中砂質(zhì)沉積區(qū)，區(qū)域地形平坦，平均水深約為55 m，側(cè)掃影像上表現(xiàn)為光滑影像、色度均勻、無特殊反射特征，表層沉積物以礫、砂為主。永興島口門水深54.54 m處砂質(zhì)沉積物（圖6b），為含礫砂，礫級(jí)物質(zhì)為珊瑚碎塊及生物碎屑；圖6c為環(huán)礁潟湖中心水深55.31 m處含礫砂，礫級(jí)物質(zhì)為珊瑚碎塊及生物碎屑；圖6d點(diǎn)位于環(huán)礁潟湖西北角，水深為56.46 m，沉積物為粉砂質(zhì)砂。沉積物粒級(jí)組分統(tǒng)計(jì)見表1，統(tǒng)計(jì)分析研究區(qū)潟湖內(nèi)砂質(zhì)海底沉積粒徑介于-0.29Φ～6.58Φ，平均為 1.79Φ，反映該區(qū)域水動(dòng)力特征較強(qiáng)，平均粒徑與水深及分布位置存在一定相關(guān)性，由潟湖邊緣向潟湖中心，隨水深由淺及深，沉積物粒徑減小，平均粒徑反映沉積介質(zhì)平均動(dòng)能大小，反映潟湖區(qū)沉積動(dòng)能強(qiáng)度具有由淺及深，由邊緣向中心減弱的趨勢(shì)。

表1 砂質(zhì)海底沉積物粒級(jí)組分統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical of grain size composition of the sand seafloor

圖6 砂質(zhì)海底、沙波側(cè)掃影像及其表層沉積物（位置見圖2）Fig.6 Sand seafloor,side scan image of sand wave and surface sediments (the location is shown in Fig.2)

3.4.2 沙波

宣德環(huán)礁的海底沙波，發(fā)育于環(huán)礁內(nèi)潟湖盆及潟湖坡的砂質(zhì)沉積環(huán)境，側(cè)掃影像中與海底反射強(qiáng)度變化明顯，沙波脊線呈規(guī)律的S形。圖6f為宣德環(huán)礁北部潟湖盆沙波影像，影像區(qū)域水深為52～53 m，波長50～300 m，最大可達(dá)380 m，波寬為5 m，波脊線總體走向?yàn)閃-E，波高約0.1 m，沉積物為粉砂質(zhì)砂（圖6e），平均粒徑為2.99Φ。圖6g為環(huán)礁東側(cè)向海坡沙波影像，區(qū)域水深為113～123 m，沙波帶長度達(dá)3 km，波長最大可達(dá)600 m，波寬30～50 m，波脊線走向?yàn)镹W-SE，近N-S。波脊線延展方向與等深線基本一致。沙波地貌區(qū)域的沉積環(huán)境動(dòng)力比平滑的砂底區(qū)要強(qiáng)，其波脊線垂直方向反映所受動(dòng)力作用方向，受沉積動(dòng)力強(qiáng)度影響，規(guī)模和尺度有不同表現(xiàn)。

3.4.3 珊瑚礁

宣德環(huán)礁區(qū)域珊瑚礁發(fā)育廣泛，礁體與底質(zhì)反射特征對(duì)比明顯，易于識(shí)別，在不同水深環(huán)境下，形態(tài)有不同表現(xiàn)。七連嶼礁前（潟湖側(cè)）水深13 m處珊瑚礁，主要由直徑約20 m單礁及長垣礁組成團(tuán)簇狀群礁（圖7a），個(gè)別礁體長軸可達(dá)100 m，礁體高為0.2 m，最高為0.5 m，表層取樣為活體珊瑚塊（圖7b）。圖7c為水深55 m處潟湖盆邊緣珊瑚礁影像，由反射亮度及回波強(qiáng)度特征可知，其為砂質(zhì)底質(zhì)，單形態(tài)上可見珊瑚礁群形成不規(guī)則狀礁塊，礁塊與砂底邊界清晰，單礁體基本不可見。沉積物為含礫中砂（圖7d），平均粒徑為1.10Φ，此區(qū)域?yàn)榻阁w-砂質(zhì)混合沉積。由于沙波結(jié)構(gòu)貫穿礁體與底質(zhì)，砂質(zhì)沉積物沉積填充珊瑚礁，使得單個(gè)礁體不可見，僅表現(xiàn)出礁群結(jié)構(gòu)。若僅依據(jù)側(cè)掃影像或單點(diǎn)沉積物取樣結(jié)果對(duì)底質(zhì)沉積類型進(jìn)行判斷，易形成錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。圖7e為宣德環(huán)礁潟湖區(qū)最深區(qū)域礁影像，水深為62 m。礁體成近圓形塊狀分布，直徑為30～90 m，表層沉積物為粉砂質(zhì)砂（圖7f），平均粒徑為 3.22Φ。

圖7 珊瑚礁?jìng)?cè)掃影像及其表層沉積物（位置見圖2）Fig.7 Side scan image of coral reef and surface sediments (the location is shown in Fig.2)

3.4.4 突起脊-槽溝

突起脊-槽溝系統(tǒng)，發(fā)育于礁坪前緣，可延伸至礁前深水沉積中，是珊瑚礁受海流沖刷形成的一系列凸起-溝槽結(jié)構(gòu)[39]。波浪的方向、能量以及水動(dòng)力作用方式是影響突起脊-槽溝系統(tǒng)形成的主要決定因素[40-41]。反射影像中與一般沉積物沖刷槽類似。珊瑚礁體為硬質(zhì)固結(jié)體，沖刷形成的溝壁陡立，故形成的溝面窄、淺，突起脊反射強(qiáng)，突起脊-槽溝結(jié)構(gòu)對(duì)比強(qiáng)烈。永興島東南向位于水深16～20 m處礁盤前緣至礁前區(qū)域（向海側(cè)）為典型的突起脊-槽溝地貌（圖8a）。槽溝帶長可達(dá)2.1 km，溝寬為3～8 m，最寬處為20 m，溝深0.2～0.6 m，最深處為1 m，脊線最長為800 m，走向?yàn)镹W-SE向，基本與岸線或礁坪前緣線垂直。圖8b為西沙永興島珊瑚礁坪前緣（礁脊）發(fā)育的槽溝水下拍攝影像[39]，槽溝代表海浪沖刷礁坪的作用方向，槽溝內(nèi)沉積物很少，主要為磨圓較好的珊瑚礁碎塊，幾乎沒有生物碎屑砂堆積，潮溝壁上也沒有活珊瑚生長[39]。

圖8 突起脊-槽溝側(cè)掃及水下影像（位置見圖2）Fig.8 Protruding ridge-groove side scan and underwater image (the location is shown in Fig.2)

3.4.5 斜坡帶水下階地

宣德環(huán)礁礁坪外緣坡折線向海一側(cè)礁前斜坡及礁坪內(nèi)緣至澙湖底的潟湖坡均有水下階地發(fā)育，平面影像在斜坡帶形成環(huán)帶結(jié)構(gòu)，且向海坡側(cè)發(fā)育明顯。圖9a為七連嶼東南角向海坡斜坡帶上水下階地側(cè)掃影像，圖片區(qū)域可見有1、2、3共3級(jí)階地結(jié)構(gòu)，分別在水深約28 m、71 m、106 m處形成環(huán)帶分界，表現(xiàn)出明顯的環(huán)形帶狀結(jié)構(gòu)。沉積物為含礫中砂，礫級(jí)物質(zhì)為珊瑚礁碎屑（圖9b），平均粒徑為1.51Φ，表明該區(qū)水動(dòng)力作用強(qiáng)勁。

圖9 向海坡水下階地側(cè)掃影像及其表層沉積物（位置見圖2）Fig.9 Side scan images of underwater terraces and surface sediments on the slope (the location is shown in Fig.2)

4 討論

4.1 宣德環(huán)礁地貌分類

南沙群島珊瑚礁的地貌形態(tài)受海洋水動(dòng)力因素所控制，自礁坪外緣至潟湖波能衰減，形成不同強(qiáng)度的波能帶[12]。宣德環(huán)礁發(fā)育受到風(fēng)浪、潮流為主的動(dòng)力因素及珊瑚礁生長所需透光帶等生物作用因素的影響，使其所塑造的水下地貌類型分布總體呈同心環(huán)帶狀，據(jù)水深變化而套嵌，地貌變化界線與等深線大體重合（圖10）。在斜坡、水道等地形變化劇烈和動(dòng)力作用強(qiáng)勁的地區(qū)，側(cè)掃影像對(duì)特征地貌表現(xiàn)清晰、邊界清楚，在潟湖中地形平坦、動(dòng)力作用較弱的地區(qū)，側(cè)掃圖像上其地貌變化上不明顯，對(duì)邊界不易劃定。但環(huán)礁潟湖屬于低波能區(qū)，以沉積作用為主，水動(dòng)力強(qiáng)度隨水深增大而衰減，微地貌類型與海底水深吻合較好。

圖10 宣德環(huán)礁南部永興島周邊海域水下側(cè)掃影像（a）及其水深渲染圖（b）Fig.10 Underwater side scan image (a) and bathymetry rendering of the waters (b) around Yongxing Island in the south of Xuande atoll

根據(jù)環(huán)礁形態(tài)劃分一級(jí)地貌單元，以動(dòng)力特征和礁盤位置劃分二級(jí)地貌單元，三級(jí)地貌單元受動(dòng)力特征和水深控制，將宣德環(huán)礁水下地貌分為3個(gè)等級(jí)共11類地貌類型（表2）。第1等級(jí)：以環(huán)礁邊緣為界，上部為環(huán)礁頂，其下為環(huán)礁向海斜坡；第2等級(jí)：自礁坪前緣礁脊線向海至向海坡下坡，向潟湖至潟湖底，包含礁頂向海坡、潟湖、潮汐通道、向海坡上坡、向海坡下坡；第3等級(jí)：包含礁前（向海側(cè)）、礁盤前緣、礁盤斜坡、潟湖坡、礁前（向潟湖側(cè)）、潟湖底、水下沙壩、潮汐水體通道、潮汐通道深切區(qū)、淺水平臺(tái)、深水平臺(tái)共11類3級(jí)地貌單元（表2）。其中潟湖側(cè)礁前地貌一般分類屬于潟湖坡，但在側(cè)掃影像中礁前地貌表現(xiàn)為環(huán)形條帶狀，本文為使其完整性得以保持，將其劃為潟湖區(qū)三級(jí)地貌單元。水下沙壩地貌按空間位置劃分屬于潟湖底，但由于其為潟湖區(qū)潮汐通道搬運(yùn)碎屑沉積物侵入潟湖盆的重要地貌，具有指示潮汐動(dòng)力強(qiáng)動(dòng)能輸運(yùn)沉積區(qū)域的重要意義，故將其也劃為潟湖區(qū)三級(jí)地貌單元。研究區(qū)水深下限為200 m，屬向海坡上坡地貌單元，本文中采用左秀玲等[22]研究成果，取水深700 m處為宣德環(huán)礁向海坡上、下坡界線。

表2 宣德環(huán)礁海底側(cè)掃影像地貌分類Table 2 Classification of landforms from side scan images of Xuande atoll

側(cè)掃與測(cè)深數(shù)據(jù)反映出水下地貌“總體重合、局部互補(bǔ)”的特點(diǎn)，以側(cè)掃聲吶特征地貌為水下地貌類型主要識(shí)別依據(jù)，以水深數(shù)據(jù)為輔，劃定宣德環(huán)礁精細(xì)水下地貌界線（圖11a），應(yīng)用所構(gòu)建的3級(jí)11類地貌分類體系，繪制宣德環(huán)礁水下地貌類型圖（圖11b）。

圖11 宣德環(huán)礁?jìng)?cè)掃地貌（a）及水下地貌類型（b）Fig.11 Side scan geomorphologic (a) and underwater geomorphologic type (b) of Xuande atoll

4.2 宣德環(huán)礁水下地貌成因機(jī)制

4.2.1 宣德環(huán)礁淺水區(qū)地貌成因機(jī)制

宣德環(huán)礁冬季盛行偏北季風(fēng),夏季盛行偏南季風(fēng)，海流隨風(fēng)向變遷。宣德環(huán)礁以水深20 m上下為界，波基面以上，礁坪前緣至礁緣區(qū)水下地貌由風(fēng)場(chǎng)和波浪場(chǎng)控制，受NW-SE向風(fēng)浪場(chǎng)及地形因素影響形成的W-E向往復(fù)流沖刷的作用。七連嶼向海坡（A-A′中 I區(qū)）及永興島（8a）發(fā)育突起脊-槽溝，溝脊走向?yàn)镹W-SE向，其中A-A′中I區(qū)近W-E向，近岸長垣礁礁體（A-A′中II區(qū)）平行于岸線，長軸發(fā)育為NW-SE向。水深大于20 m處，礁緣向外海斜坡處底層流則受地形傾向影響增強(qiáng)，向海坡沙波波脊線（圖6g）走向NW-SE向，近N-S向，所受水動(dòng)力為SW-NE向，近W-E向，該地貌成因機(jī)制認(rèn)識(shí)與前人在南海珊瑚礁淺水區(qū)海底地貌成因認(rèn)識(shí)一致[12]。

4.2.2 宣德環(huán)礁潟湖區(qū)動(dòng)力地貌成因機(jī)制

宣德環(huán)礁潟湖區(qū)屬于低波能帶，水動(dòng)力條件最弱，是生物碎屑物堆積的最終場(chǎng)所[12]。李亮等[34]研究認(rèn)為，潟湖區(qū)沉積是由礁盤外強(qiáng)烈的海流沖刷礁盤外沿，攜帶大量沉積物通過“海底通道”進(jìn)入礁盤。筆者發(fā)現(xiàn)環(huán)礁區(qū)存在4處深水口門，并形成4條主要潮汐水體（圖12），北部有3個(gè)口門：西沙洲、“紅草門”及環(huán)礁西缺口，形成3條主要潮汐通道：環(huán)礁西北端西沙洲處口門，水體入潟湖并分成兩支，一支向南與環(huán)礁西側(cè)口門相通，另一支沿七連嶼礁盤向東南入潟湖中央，強(qiáng)度逐漸減弱，主要走向?yàn)镹W-SE向。西沙洲口門強(qiáng)水動(dòng)力進(jìn)入潟湖，沿七連嶼搬運(yùn)礁盤物源，沉積物沉降填充于珊瑚礁格架中，形成礁體-砂質(zhì)混合沉積結(jié)構(gòu)（圖7c），深入潟湖中央后形成砂質(zhì)沉積地貌，為宣德環(huán)礁NW-SE向特征地貌的主要塑造因素。第3支為石島處由“紅草門”至環(huán)礁西側(cè)缺失處，水體進(jìn)入潟湖形成W-E向潮汐通道，為宣德環(huán)礁W-E向特征地貌的主要塑造因素。該水體與西沙洲口門-七連嶼水體交匯，形成隔斷潟湖南北水體的中央砂質(zhì)沉積區(qū)。環(huán)礁南側(cè)以南部缺口為口門，進(jìn)入潟湖后減弱，沖刷搬運(yùn)銀礫灘及永興礁盤物質(zhì)，受石島“紅草門”W-E向強(qiáng)勁水體截?cái)啵纬摄y礫灘-永興區(qū)間砂質(zhì)沉積區(qū)。宣德環(huán)礁口門動(dòng)力強(qiáng)度具有北強(qiáng)南弱、西強(qiáng)東弱的特征。

圖12 宣德環(huán)礁潮汐水體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)Fig.12 Tidal water movement trend of Xuande atoll

4.2.3 宣德環(huán)礁水下階地成因初探

由礁緣向海，地形陡然下降，坡度顯著增大，根據(jù)側(cè)掃圖像影像界線并結(jié)合地形數(shù)據(jù)，在宣德環(huán)礁東南角向海坡，劃出1～6共6級(jí)水下階地，水深分別為22 m、70 m、108 m、138 m、154 m、181 m（圖13a）。趙煥庭等[18]曾總結(jié)永暑礁環(huán)礁東南礁前向海坡的I～VI 6級(jí)水下階地，水深分別為25 m（年齡距今約8 ka）、50 m（12～11 ka）、140 m（年齡距今約 900 ka）、250 m、380 m和620 m。張江勇等[14]在西沙甘泉海臺(tái)水深小于850 m的范圍內(nèi)識(shí)別出多達(dá)5級(jí)的水下階地，三級(jí)礁頂階梯狀地形，其成因很可能是全球海平面變化和地殼沉降（尤其是熱沉降）共同作用的結(jié)果。永暑礁和甘泉海臺(tái)多級(jí)水下階地及其他典型的南海珊瑚礁外坡地形（圖13d）反映出，對(duì)于整個(gè)南海而言，無論全球海平面變化，還是地殼熱沉降，都是全海域發(fā)生的。微觀結(jié)構(gòu)上，宣德環(huán)礁水下階地可見向海側(cè)強(qiáng)反射，其后為陰影區(qū)，尤以一、二級(jí)階地反映明顯，表現(xiàn)出階地處發(fā)育、向海側(cè)隆起、后部凹陷結(jié)構(gòu)。筆者認(rèn)為，其可能形成的原因可對(duì)比礁坪前緣礁脊發(fā)育成因，礁脊由于波浪破碎應(yīng)力產(chǎn)生的珊瑚碎屑及沉積物，受波浪和往復(fù)流作用影響，在礁坪前緣堆積并膠結(jié)形成隆起脊（礁脊）。一級(jí)階地為礁盤邊緣，在斜坡處受潮流往復(fù)沖刷，在隆起脊其后產(chǎn)生下切侵蝕形成凹陷，這種凸起-凹陷結(jié)構(gòu)的發(fā)育應(yīng)為海流搬運(yùn)-堆積-侵蝕作用造成，受海平面變化或地殼沉降運(yùn)動(dòng)的影響，階地沉降海底，潮流動(dòng)力減弱，發(fā)育停止，其上部重新發(fā)育新階地。階地凸起-凹陷結(jié)構(gòu)發(fā)育的規(guī)模大小或反映當(dāng)時(shí)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期長短及規(guī)模，尚待進(jìn)一步研究論證。

圖13 七連嶼向海坡水下階地側(cè)掃影像及地形剖面Fig.13 Side scan image and topographic profile of underwater terraces on the seawall slope of Qilianyu Island

5 結(jié)論

（1）宣德環(huán)礁為殘缺型環(huán)礁類型，中部為潟湖沉積，北部發(fā)育廣大弧形礁盤—七連嶼礁盤，東南部發(fā)育永興-石島弧形礁盤，西南部為銀礫灘淺灘，環(huán)礁西側(cè)與海相通，南側(cè)和東側(cè)則發(fā)育部分缺口，環(huán)礁碳酸鹽臺(tái)地至向海坡間發(fā)育環(huán)形凸起環(huán)礁邊緣。各礁盤之間形成口門，分別為西北端的西沙洲口門，南沙洲-永興的“紅草門”、環(huán)礁西側(cè)缺口、環(huán)礁南側(cè)缺口，四處水深60 m以上的深水口門，首次識(shí)別了西沙洲口門。

（2）研究區(qū)礁前以深水下地貌分類可分為3等級(jí)11類：第1等級(jí)包含環(huán)礁頂、環(huán)礁向海斜坡；第2等級(jí)包含礁頂向海坡、潟湖、潮汐通道、向海坡上坡、向海坡下坡；第3等級(jí)包含礁前（向海側(cè)）、礁盤前緣、礁盤斜坡、潟湖坡、礁前（向潟湖側(cè)）、潟湖底、水下沙壩、潮汐水體通道、潮汐通道深切區(qū)、淺水平臺(tái)、深水平臺(tái)。識(shí)別出宣德環(huán)礁水深分別為22 m、70 m、108 m、138 m、154 m、181 m的6級(jí)水下階地。

（3）宣德環(huán)礁淺層水下地貌由盛行季風(fēng)和波浪場(chǎng)控制。深水口門形成的潮汐通道水體為塑造宣德環(huán)礁潟湖區(qū)動(dòng)力地貌的主要因素。通過對(duì)比南海珊瑚礁階地特征，宣德環(huán)礁向海坡階地成因很可能是全球海平面變化和地殼沉降共同作用。