5.6.1 海底沙波
波脊线垂直于陆架主水流方向的丘状或新月形底形称为沙波或水下沙丘,它是最常见的水下底形,如图5-11所示。凡陆架沙质海底,底流速超过20 cm/s的区域就容易发育大小不等的沙波,它的活动与海底工程的稳定性有密切关系。
1)沙波形态特征
陆架水下沙波与河道沙波的形态特征基本相似,但陆架水流包含周期性变向的潮流、定向的海流和偶发性的暴风浪流,远比河道里的定向持续水流复杂得多,两者所塑造的沙波在形态特征上也存在许多差异,分别表现于波高、波长、沙波指数、不对称指数、两坡坡度、脊线形态等方面。不同的形态结构反映海底动力和底沙差异。
图5-11 南海北部湾区域典型海底沙波(马小川,2013)
陆架水下沙波形态特征往往通过旁扫声呐、多波束探测仪和水下摄像等方法间接取得,波长小于20 cm的波痕往往显示不出来,所以水下沙波影像资料只反映中沙波、大沙波和巨沙波。
(1)波高和波长。
陆架水下沙波的外部形态特征通常围绕波脊线而展开,波峰与相邻波谷间的垂直高差称波高(H),相邻两波峰的间距称波长(L),波长波高之比为沙波指数L/H,它们均反映沙波的规模和动力环境。常见中、大型水下沙波波高0.5~2.0 m,然而就目前所知,陆架上有一些巨大沙波,如北海的沙波群中最大者波高9.1 m、波长1250 m。因为沙波的波高和波长是粒度和水流剪应力的函数,研究者们可通过沙波指数间接推断沙波的动态和沙源多寡。
(2)迎流坡和背流坡。
沙波坡面朝向水流的一侧称迎流坡,沙波坡面背向水流的一侧称为背流坡,通常迎流坡较缓,不过1°~3°,而背流坡较陡,大致10°~15°,最陡不会超过沙的休止角。河道沙波的水流,由于持续定向性较强,两坡角度之差较大;陆架水下沙波的水流方向多变,两坡坡度之差亦相对较小。迎流坡水平投影长度(L 1)与背流坡水平投影长度(L 2)之比(L 1/L 2)称为沙波的不对称指数,该指数值愈大,反映水流的剪应力愈强。
(3)波脊线的形态。
海底沙波波脊线的形态与水动力的变化息息相关。波脊线常垂直主水流方向延伸,若水动力横向变化不大,波脊线高度也不变化,就形成直线形沙波,即所谓的二维沙丘;若水动力横向扰动较大,沙脊线高度横向起伏多变,就发育弯曲状沙波,亦即三维沙波。它们的内部沉积层理亦有差异,前者为板状斜交层理,后者的前置纹层畸变成弯曲的束状纹层组。详细统计沙波两坡的坡度及倾向方位可以阐明主次流速的方向和相对大小,如格子状沙波就是不同向浪(或流)相交叉干扰的结果。
水槽试验的成果表明:随着流速的增加,沙波波脊线依次呈直线形、链形、舌形、新月形和菱形的顺序演变,成为沙波形态分类的基础。陆架水下沙波也不例外,通过描述沙波的形态可以解释其成因机制和动力环境。
2)沙波形成发育的环境条件
陆架水下沙波底形的发育需要有较平坦的海底、丰富的沙源和较强的水动力条件。
(1)水动力条件:陆架水下沙波在形态上有浪成和流成之别,这反映了陆架水动力的复杂性。陆架海底塑造沙波底形的动力要素包括定时变向的潮流、定向的海流(洋流)和具有偶然性的风暴浪流,前两者对海底作用频繁,后者作用强烈。
(2)底沙的作用:陆架底沙是水下沙波形成发育的物质基础,其中包含沙源多寡和沙粒成分两个参数。前者是输沙率大小的问题,输沙丰富的海区是沙波形成的先决条件。高输沙量的陆架区,多发育不对称沙波,沙波尺度大,前置纹层厚,爬高的幅度大,如东海陆架外缘和50 m等深线一带,海底沙丰富,也是现代水下沙波的活跃发育区;反之,沙源不足的海区,引起床沙粗化,已形成的沙波也被降低、变疏甚至消失。
(3)海底地形的作用:首先海底陡与缓影响底沙的运移效率,从而影响水下沙波的发育;其次海底坡度陡缓也直接影响水下沙波的生存,从而改变沙波的两坡形态。东海陆架大部分是冰期低海面时的古长江下游平原,地形平坦,适合于沙波的发育。海底粗糙度也影响底沙运移和水下沙丘的迁移,而已形成沙波的海底,也因沙波的存在,引起粗糙度增大而放缓了底沙运移的速率。