海洋地质灾害原位监测技术研究进展

　　海洋地质灾害原位监测技术研究进展

　　    引言

　　    海洋蕴含着丰富的海洋矿物资源、海水化学资源和海洋生物资源等，发展潜力巨大。但是，由于沿海城市建设和海洋资源开发的不断扩大，导致海洋地质灾害的暴露度和脆弱性日益增加，对人类生命安全和海洋生态环境构成重大风险。

　　    在过去50年中，海洋地质灾害导致了一系列的破坏性事件，如：1977年，意大利最大的海港GioiaTauro港口发生的海底滑坡事件，滑坡体积约为5.5×l06m3，引起了Sm高的海啸，切断了海底电缆，破坏了港口基础设施；1979年，法国Nice海底滑坡事件造成附近机场巨大破坏，7名工人遇难，海水渗入内陆约150m；1994年，阿拉斯加Skagway发生的大型海底滑坡，滑坡体积约为7.6×l05m3，摧毁了275m的码头，码头滑移至水下21m，这些突发性海洋地质灾害事件导致严重的次生灾害和巨大的经济损失。然而，大多数人没有意识到再次发生这类破坏性事件的威胁。

　　    在过去20年中，海洋地质灾害引起了更多更广泛的关注，人们对此类大规模灾害的危险认识大大提高：2004年印度尼西亚苏门答腊岛附近海域发生里氏9级地震并引发海啸，遇难者总人数超29.2万人；2011年日本东北部太平洋海域的强烈地震引发的巨大海啸造成了毁灭性破坏，并导致福岛第一核电站核泄漏，造成重大的直接和间接经济损失；2022年南太平洋岛国汤加海底火山爆发引发海啸淹没了海岸城市，导致船只受损、供水污染以及通讯中断。最近对灾害流行病学研究中心(CRED)的灾害损失数据库和1998-2017年间联合国数据的分析表明，自然灾害造成的人类死亡大多是由于突发性、高风险的地质灾害事件。在过去20年中，地质灾害事件仅占总灾害的9%，但占所有与灾害有关死亡人数的59%，使其成为迄今为止最致命的灾难类型。

　　    海洋地质灾害的研究侧重于识别过去的灾害事件并评估其发生频率，以及监测当前可能演变成灾害的活跃海底地质过程。从识别和量化过去的灾害事件，到监测和预警当前活跃的灾害过程，这一进步改变了我们对海洋地质灾害的认知水平，但也面临诸多挑战。海洋地质灾害的识别很大程度上取决于海底地形地貌和地层结构探测成像技术的进步。通过高分辨率地震反射剖面（使用深拖仪器可达分米量级分辨率）、高分辨率多波束测深（使用自主水下航行器AUV可达厘米量级分辨率）来重建灾害事件，结合重力取样器、活塞取样器、钻孔取芯器等获得的沉积物样品分析，使用放射性碳测年、光释光测年、热释光测年技术以高精度测定灾害事件，使用古地磁地层学、氧同位素地层学、生物地层学的方法以低精度测定灾害事件。但是，海洋地质灾害的原位监测需要更加严苛的技术能力，特别是突发性海洋地质灾害的原位监测难度较大。

　　    迄今为止，海底发生的大多数地震灾害特征都可以被探测识别，但很难有效监测：海洋地质灾害的监测需要克服深海高压、复杂多变的环境限制，面临着高测量精度、耐压耐腐蚀、抗电磁干扰、长期电能供直等一系列挑战。

　　    文章首先总结了海洋地质灾害的类型特征及监测要素，重点阐述不同海洋地质灾害的监测技术装备应用情况，然后探讨海洋地质灾害的监测预警网络建设，最后展望了海洋地质灾害监测技术装备的发展方向。旨在分析总结海洋地质灾害的监测技术装备及其应用中涉及的一些核心技术和亟需解决的关键问题，以期为技术发展和应用提供借鉴。

　　    1、海洋地质灾害的类型及其特征

　　海洋地质灾害是由海底地质过程产生的一类灾害，发育尺度有大有小，发生时间有长有短，形成过程有缓有急，极易诱发一连串次生灾害，形成灾害链。海底地形地貌及典型海洋地质灾害发育。由于不同海域存在不同的地质背景及环境条件，海洋地质灾害的位置、成因及危害等要素具有复杂性，因此海洋地质灾害的类型划分方法多样，迄今尚无统一的国际方案。考虑到海洋地质灾害原位监测技术的特殊性，以及从单一要素来划分灾害类型的局限性，综合灾害演化特征、致灾因素、成灾范围、危害程度等多要素，将海洋地质灾害划分为突发性海洋地质灾害和缓发性海洋地质灾害两类。

　　    突发性海洋地质灾害发生频率较低，当致灾因素变化超过一定强度时，就会在几天、几小时甚至几分钟、几秒钟的时间尺度内表现出灾害行为，灾害效应几乎是“突然出现的”。这类灾害有：海底滑坡、浊流、浅层气、活动断层、地震、海啸等。突发性海洋地质灾害具有发生的突然性和周期短、危害大等特征，因此极难进行监测预警。缓发性海洋地质灾害通常是致灾因素在长发展周期内，灾害效应逐渐累积显现成灾的，这类灾害通常需要几年或更长的时间尺度。缓发性海洋地质灾害的主要类型有侵蚀淤积、海床变形沉降、活动沙波、海水入侵等。缓发性海洋地质灾害强调灾害发生的渐变性，具有周期长的特征，因此相对容易进行监测预警。

　　    海洋地质灾害事件极易触发导致一系列破坏性灾害现象发生，表现出链式结构和放大效应。海洋地质灾害的链式结构，即灾害事件呈现在成因上相互关联，时间上前后相继，空间上彼此相依的连锁反应；海洋地质灾害的放大效应，即灾害链呈现在规模上逐级扩大，范围上辐射扩散，影响上累加倍增的放大趋势。海洋地质灾害的一个典型链式结构是地震-海底滑坡-海啸／浊流，海啸会危及海岸城市，而浊流会破坏海底管线。越来越多的证据表明，许多与地震相关的海啸不是由地震本身引起的，而是由地震导致的海底滑坡引发的。海洋地质灾害的链式结构可以是自然因素发生的，也可以是人类活动加剧的，例如2011年日本福岛核电站核泄漏事件（地震-海啸-核泄漏）。日本福岛核电站受到3·11日本地震（里氏9.0级）产生的14～15m高海啸的袭击，海水淹没了反应堆，导致应急发电机故障。

　　    最终引发核熔毁、氢气爆炸、放射性污染，以及将受放射性污染的水释放到太平洋等一连串灾害事件。海洋地质灾害的放大效应发生在一系列不同的灾害连锁反应下，其中初始原生灾害的触发需要多个致灾因素的相互作用，而形成的次生灾害—特别是末端次生灾害—往往会跨越海岸带边界，入侵人类的生存环境，引发更大的危机。随着越来越多的海底光缆、海底管线、深海网箱等海底工程设施的使用，海洋地质灾害链导致的灾害风险呈指数增长。如果将灾害放大效应考虑在内，那么即使是小规模的原生海洋地质灾害事件，也可能产生灾难性的后果，可能会导致灾害的风险水平增加一个数量级。例如：1908年，意大利墨西拿地震（里氏7.5级）发生10小时后，连接马耳他和希腊的l条海底电缆在震中以南190公里处被浊流破坏;2003年，海底地震（里氏6.8级）引发的巨大浊流，导致阿尔及利亚大陆边缘绵延150公里长的29条海底电缆断裂。与单一的海洋地质灾害事件相比，灾害链发生过程更为复杂，通常造成更大的影响和后果，导致人员伤亡和灾害损失的成倍增加。

　　    2、海洋地质灾害原位监测的主要要素

　　    海洋地质灾害的原位监测主要包括致灾因素、内部应力、外部变形以及灾前征兆等4方面要素。海洋地质灾害是海底岩土体在致灾因素作用下，所表现出的一种变形破坏过程以及引发的一系列灾害现象。其中，致灾因素既包括由地震作用、构造运动、岩浆作用等地球内部能量引发的内动力地质作用，还包括由流体动力作用、大气动力作用、沉积动力作用等发生在地球圈表层的外动力地质作用。致灾因素的监测应突出针对性，不同海域的监测手段应当依据地层构造、地质环境等有所区别，应重点监测影响海底稳定性的关键指标。

　　    在灾害演化过程中，力的变化是驱使变形破坏及灾害效应产生的内在原因和根本动力，包括海底岩土体受到的重力，还包括由内、外动力地质作用对岩土体产生的正应力、剪应力、孔隙压力等，以及岩土体与海洋工程结构物之间的相互作用力，这些力的变化可通过一些应力、应变传感器进行监测。在整个灾害过程中，伴随着力的变化，将会表现出一系列的外部宏观变形破坏现象，这些外部的变形破坏可通过光纤传感技术等一些技术手段监测海底表面及海床内部的相对和绝对位移进行量化。此外，在灾害发生前可能会出现一些灾前征兆，如孔隙压力不断累积、外部变形急剧增加等，灾前征兆往往被视作预报预警和灾害防控的重要依据。

　　    3、海洋地质灾害的监测技术装备

　　    海洋地质灾害的原位监测是认识灾害触发机制及演变过程的最直接渠道，创新的原位监测技术装备是满足这一需求的唯一途径。本章重点阐述海洋地质灾害监测装备的核心技术及其应用情况，侧重于涉及海底岩土体地质变动的原生海洋地质灾害的原位监测技术，不涉及海岸侵蚀、海水入侵等缓发性海岸地质灾害监测，以及与风暴潮、海啸等大气扰动和水体扰动相关的灾害监测。

　　    3.1海底地震监测技术装备

　　    海底地震容易诱发海啸、海底滑坡等突发性灾害，是重要的海洋地质灾害致灾因素，海底地震灾害的监测技术更加注重准确性与时效性。海底地震仪(OceanBottomSeismogragh，OBS)是部署在海底，使用水听器和地震检波器来监测自然或人为地震事件的监测仪器。OBS在国内外应用十分广泛，监测数据可以获取深部板块速度结构，构建震源空间分布模型，探测浅层低频地震震颤以及确定地震群分布等。德匡GeoPro公司研制的OBS具有很高的市场占有率，最大工作水深6700m，能够部署在大多数海洋区域，可以在海底连续监测6个月。OBS还被开发用于海啸实时监测预警，作为海底观测网的一部分，不断将监测数据实时传输到陆地，例如日本高密度地震—淘啸实时观测网(DONET)和日本海沟海底地震海啸观测网(S-net)。国内中科院地质与地球物理研究所自2003年开始OBS相关技术的研究工作，所研制的线缕式海底地震观测台（网）实现了长期连续观测地球内苛过程，具备较好的应用效果，成为海洋监测预警研究能创新型研究平台，对海洋地震的监测预警具有重大意义。此外，中科院半导体研究所研制的以光纤作为地震检波器敏感元件的光纤海底地震仪，具有良好的频响和环境适应性。

　　    最近，光纤传感技术被应用于海底地震的监测，以提供更高的时间和空间分辨率。这一突破来自于检测到地震对海底通信光缆中激光稳定性的影响，将海底通信光缆转换为致密的海底地震监测阵列。分布式声学传感技术(DistributedAcousticSensing，DAS)利用由光纤纤维的不规则光散射特性，实现高空间分辨率的高频应变测量，相当于每隔几米放置一个OBS。该技术已被证实可用于监测100km外海底的区域微地震活动(Mwl.9)，其监测效果可与海岸地震台站相媲美。未来，科学监测和可靠通讯计划(ScienceMonitoringandReliableTelecommunications，SMART)将整合海底基础设施，创建一个全球海洋观测网络，使海底光缆能够感知环境，可能会将地震的探测时间缩短约20%。

　　    3.2海底孔隙压力监测技术装备

　　    海底孔隙压力与海底岩土体的地质变动密切相关，是海底地质灾害发育过程的关键参量，海底孔隙压力监测可以判断海床稳定状态，对于灾害预警具有重要意义。孔隙压力监测探针(Piezometerprobes)是通过孔隙压力传感器和温度传感器记录海底沉积物内部孔隙压力和温度变化的监测装备。海底孔隙压力可以表征海底岩土体外部应力和内部应变，同时反映孔隙流体的运动；海底的温度变化是表征热量输运和孔隙流体运动的重要指标。孔隙压力监测探针经过近50年的发展，已被广泛用于海底滑坡、海底麻坑、海底浅层气逸散、天然气水合物分解等海底地质变动的研究。在科学研究领域，法国海洋开发研究院(FrenchResearchInstituteforExploitationoftheSea,IFREMER)设计研发的Piezometer系列孔隙压力监测探针应用最为广泛；在海洋工程领域，挪威岩土工程研究所(NorwegianGeotechnicalInstitute,NGI)在TrollA深海天然气平台、OrmenLange海洋油气田等工程监测中积累了丰富的经验。

　　    目前，海底孔隙压力监测探针面临大测量深度、长监测周期的挑战。法国IFREMER将Penfeld静力触探仪升级改造为孔隙压力监测探针的贯入装置，可以实现海底面以下50m深度的原位监测。法国IFREMER研发的TIPS（温度、倾角和孔隙压力传感器）精度高、功耗低，可以满足1～2a的长期监测需求，最大工作水深6000m。国内，中国海洋大学研发的复杂深海工程地质原位长期观测设备(In-situSurveyingEquipmentofEngineeringGeologyinComplexDeepSea，SEEGeo)，能够同步监测海底面以下3m深度的孔隙压力及温度变化，以及沉积物的电阻率和声学特性，能够在水深1500m的海底实现连续12个月的原位长期监测。陈天等对过去几十年中的孔隙压力监测技术装备设计进行了综述。未来，海底孔隙压力监测技术将进一步提高贯入装置的海底贯入能力，实现更大深度的原位监测，并且与海底观测网的有缆观测系统结合，实现更长的监测周期和更广泛的监测范围。

　　    3.3海底变形滑动监测技术装备

　　    海底变形滑动监测可以获取海底岩土体的变形速度、滑动模式、滑移距离等重要参量，是反映岩土体地质变动的最直观指标，有助于深入分析灾害阶段特性，还可以作为灾害预报预警的重要参考。海底垂向变形监测通常利用高精度压力传感器测量水压力变化反算海床沉降量，利用倾角计监测海床倾角变化，如日本应用地质公司(OYO)联合JOGMEC研发的监测装置，工作水深达1400m，地层沉降测量精度达10mm。该方法也被应用于监测海床隆起，以此预测海底火山的爆发。国内中国海洋大学研发的海底垂向变形原位长期自动观测装备，集成石英晶体谐振水压力传感器，工作水深达2000m，测量精度可达毫米级。

　　    海底侧向变形监测技术装备尚不多见，美国加州大学曾利用光纤传感器观测海底构造应变，通过测量光纤拉伸长度反映海床变形量，精度可达毫米级，但量程较小。法国IFREMER设计研发的IFREMERSAAF-Tiltmeter倾角计探针，使用多个刚性杆串联，杆间为万向节连接，连接处集成三轴加速度传感器测量位移，总长度为8m，曾用于法国尼斯海底滑坡监测。

　　    国内中国海洋大学研发的海底变形滑动原位实时自动观测装备，可搭载位移传感器阵列SAA(ShapeAccelArray)，传感器阵列总长度4m,测量精度为0.5mm，目前已在黄河水下三角洲埕岛海域开展了多次原位监测工作。海底变形滑动监测通常使用加速度传感器和倾角计，通过记录加速度以及倾角的变化来反映海床变形滑动的动态过程，对加速度值进行积分即可得到海床位移量，目前已有较多的应用案例。

　　    最近，海底大地测量技术(SeafloorGeodeticTechniques)被应用于海底大范围变形滑动监测，通过部署多个海底声学应答器节点，测量多节点间的相对或绝对位置信息，监测海底毫米级微小变形，这些节点可以自主工作10年。该方法结合海底压力传感器、应变传感器、重力计及倾角计等，被应用于监测构造断层运动、海底滑坡、海底火山等灾害现象。海底大地测量技术需要精确的海底定位、位移、应力、应变和重力测量等技术支持，还面临建设成本、节点维护等一系列挑战。未来有望提高测量精度，并减小体积、降低成本。海底天然气水合物开采和其他海底资源开发相关的非构造变形监测，是海底大地测量技术进一步的重要应用目标。

　　    3.4海底侵蚀淤积监测技术装备

　　    海底侵蚀淤积是海洋动力作用下底层海水与浅层沉积物相互作用的结果，是海底边界层结构变化和塑造海底地形地貌的重要物理过程，对海洋工程建设影响重大。海底侵蚀淤积监测包括确定悬浮物浓度的动态变化和海床界面的动态变化，悬浮物浓度的动态变化通常采用现场常规水体采样抽滤、光学后向散射技术、现场激光粒度仪和声学测量技术反演等4种方法；海床界面的动态变化通常使用声学、光学仪器直接获得海床界面的高程变化，如光电感应探杆(PEEP)、声学蚀积仪、图像声纳等，相关的应用十分广泛。其中，海底图像声纳基于声学原理持续扫描海底地形地貌的变化过程，但扫描范围有限，该设备已被应用于海底沙波迁移过程的监测。

　　    国内中国海洋大学采用电阻率测量海底边界层的方法，研发了海底边界层综合观测系统和高密度电阻率探针，实现了悬浮物浓度动态变化过程和海床界面动态变化过程的同步测量，并进一步发展了自然电位测量探针，电极测量过程中无需供电，稳定性高，更适用于海底原位长期观测，未来该监测技术将推进到海水、沉积物、浅层气体三项介质的同步观测，进一步应用于海底沙波迁移、浅层气体逸散等灾害过程的监测。

　　    3.5海底浅层气体监测技术装备

　　    海底浅层气体是在海底面以下聚集的浅层有机气体，主要分布于河口与陆架海区，人类工程活动容易诱发沉积层中的高压气体逸出而形成麻坑破坏，影响工程安全。海底浅层气体的监测可以通过跟踪气体内烃类气体和其他地球化学指标的异常效应，利用传感器监测指标变化来实现对气体喷发状态的量化，如甲烷传感器等。此外，中国海洋大学研发了点状电极和环状电极两种形式的电阻率探针，通过海洋电阻率法对气体运移过程进行监测，并在浙江舟山海域进行了初步应用。总体而言，海底浅层气体的监测预警技术与手段受限于海底监测环境的恶劣，装备的可靠性、准确度及稳定性需要进一步发展改进。

　　    3.6海底长期钻孔监测技术装备

　　    海底长期钻孔监测技术装备(Long-TermBoreholeMonitoringSystems，LTBMS)也被称为CORK(CirculationObviationRetrofitKit)，可以对海底深层地质过程进行原位长期监测。Solomon等已经对过去几十年中的CORK设计进行了综述。最近，日本研发了一种非常复杂的海底长期钻孔监测技术装备，监测深度达100m，包括一系列旨在监测缓慢地壳变动和海底沉积物变形的传感器，具体包括压力传感器、应变传感器、海底地震仪、倾角计、加速度传感器、温度传感器阵列等。该装备可以独立在海底运行，也可以作为海底观测网的一部分进行联合监测，用于海底地质灾害的监测预警。

　　    4、海洋地质灾害的监测预警网络

　　    对于大多数海洋地质灾害，阻止灾害发生是不可能的，因为自然现象不可能避免，但是对海洋地质灾害开展有效的风险评估和预报预警，有助于减少灾害暴露的威胁、降低灾害引发的不利影响。海洋地质灾害原位监测是风险评估和预报预警的基础及先决条件。建立健全海洋地质灾害监测预警网络，联通灾害预警信息共享体系，是海洋地质灾害防控的关键环节。目前，陆地地质灾害监测预警网络建设相对成熟，而海洋地质灾害监测预警网络建设还很不完善。

　　    海洋地质灾害的预报预警需求，导致灾害原位监测技术体系的复杂性大大提高，一方面要求具有更长的在位监测周期，另一方面要求具备更快的数据传输速度，此外还需要耦合监测数据研发精准的灾害预报预测技术方法。近年来，基于现场监测数据的海洋地质灾害识别、海洋岩土工程探测以及地质年代学测定的数学模型发展迅速，不仅用于了解海洋地质灾害的形成机制以及开展风险评估，还可以用于开发灾害预报预警系统。

　　    此外，为了减少海洋地质灾害的链式结构和放大效应导致的灾害风险增长，必须采取多灾种联合风险评估和预报预警的方法，而不是对受灾害影响的海洋工程设施进行单独监测和评估，孤立地处理海洋地质灾害事件。多灾种联合风险评估和预报预警可以通过建立多圈层、多维度、多灾种协同监测的海洋地质灾害监测链来实觋。但是，从单一海洋地质灾害到灾害链的过渡显著增加了原位监测过程的系统性、复杂性，不仅需要深入融合考虑不同地理区域的具体海洋地质条件、海洋动力条件等因素，而且必须从“以灾害为中心”的监测理念转变为“以领土为中心”的监测理念。

　　    5、结论与展望

　　    海洋地质灾害的原位监测涉及灾害链中各灾害事件之间相互影响的关系，涉及岩石圈、水圈、大气圈、生物圈之间相互作用的关系，涉及海洋地质过程、物理过程、化学过程、生物过程之间交织耦合的关系。显然，单一要素的灾害原位监测技术难以覆盖灾害链中各灾害事件之间的复杂连锁反应。因此，对于同一地区的不同类型的海洋地质灾害的原位监测，既要关注监测要素的个性问题，也要注重潜在灾害链的共性问题。目前，缓发性海洋地质灾害的原位监测技术已经展现出比较好的应用效果，但是突发性海洋地质灾害的突然性、爆发性给灾害原位监测带来巨大挑战。因此，迫切需要发展新的监测技术装备来查明和量化突发性海洋地质灾害的演化过程，为灾害风险的有效评估提供技术支撑。此外，尽快完善海洋地质灾害链的预警预报理论和评价技术方法体系，建立覆盖多灾种协同监测的海洋地质灾害监测链，是未来海洋地质灾害监测科学的重大研究方向之一。

　　    由于海洋地质灾害的不可避免和持续存在性，海洋地质灾害的防控措施应侧重于降低灾害风险的暴露度和脆弱性，以及提高承受灾害冲击的能力。所有的灾害防控措施都必须建立在对灾害事件的发育规模、发生频率、时间和空间尺度的科学认知基础之上，是海洋地质灾害原位监测的意义所在。为此，建议从以下几个方面开展深入研究：

　　    (1)针对不同类型海洋地质灾害的特征，加强突发性海洋地质灾害原位监测技术的研究和应用。需要突破传统原位监测方法的桎梏，识别和量化海底地质过程与海洋地质灾害之间的变化关系，建立综合多物理场、多物理量的海洋地质灾害立体监测体系，更加准确地监测预警突发性海洋地质灾害过程，提升对灾害机制的科学认知。

　　    (2)针对不同海洋地质灾害的监测要素，深入研究重大海洋地质灾害事件爆发征兆的监测和识别。海洋地质灾害监测技术研究的一个关键方面是提高预见性，打好提前量，有效提前预警时间以及提高预报质量。因此，需要基于多学科交叉的新兴方法，结合人工智能、数字孪生、智能传感器等创新技术，有效监测和识别重大海洋地质灾害事件的发生前兆，提高预警网络的可靠性、完整性，扩大覆盖范围。

　　    (3)针对不同海洋地质灾害的监测装备，建立覆盖多圈层的海洋地质灾害立体监测体系。重复的海底地形地貌和地层结构探测成像和单一监测要素的海洋地质灾害监测装备，难以有效反映海底灾害过程的复杂多维度变化。因此，需要建立覆盖岩石圈、水圈、大气圈等多圈层的多尺度、多方法、多要素的永久性海底监测站，将单一的海洋地质灾害监测系统扩大到覆盖整个海洋地质灾害链的协同监测体系，更好地防控灾害风险。

　　    (4)针对不同海洋地质灾害的监测评估，开展活跃海洋地质灾害动力学过程及潜在灾害链式结构的评估预报。海洋地质灾害与地球气候变化之间存在着千丝万缕的潜在联系，全球气候变化加剧会增强海洋内外动力地质作用的灾害效应，导致潜在海洋地质灾害发生频率的增加，引起复杂灾害连锁反应。因此，需要深入研究海洋地质灾害与地球气候变化之间关系的识别和量化，建立基于原位监测数据的活跃海洋地质灾害动力学过程及潜在灾害链式结构的多灾种风险评估技术方法，从而更好地开展灾害预报预警。

　　                       摘自：《中国地质灾害与防治学报》2022年第3期