俯冲带是地球上构造活动最复杂、最强烈的区域,也是地球物质循环系统的重要组成部分,对俯冲带的深入研究有助于加深我们对地球系统科学的认识。通过系统地梳理分析国内外相关文献,大洋岩石圈通过在汇聚板块边界的俯冲将大量水带入到地幔中,并对俯冲带地震的发生、地幔的熔融、岩浆的产生、陆壳的形成乃至矿产资源富集都起到了重要的控制作用。弧前隆起区的岩石圈地幔在顺断层渗透的深海水作用下发生强烈水化作用并形成水化地幔,是水富集在岩石圈的主要方式之一。随着俯冲板片深度的增加,在一定的温压条件下,水化地幔(蛇纹岩)发生脱水相变,引发俯冲带中源地震。脱出的水则由于运移的差异,既可以产生板内的水压致裂,也会影响俯冲界面的耦合,进而导致慢滑移地震区的形成。由此可见,俯冲带地区深海-岩石圈流体交换及其在深部的效应是一个包含化学反应-温度-流体流动-应力变形/破坏的多物理场耦合的复杂动力学系统。然而,目前的相关研究工作主要侧重于对其中某个因素、现象或者某个特定条件下具体过程的探索性观测分析研究。因此,我们需要从地球系统科学的角度出发,将流体运移、化学反应与传统的固体地球研究相结合,着眼于多学科交叉的多场耦合动力学综合研究,对俯冲带地区深海-岩石圈流体交换及其效应进行多时空尺度定量化表征和分析。

海底沉积物孔隙压力对海底地质灾害过程反应敏感,是表征海床稳定性的一个重要指标,通过海底沉积物的孔隙压力观测可以判断海床的稳定状态,对于海底地质灾害预测预警具有重要意义。海底沉积物孔隙压力观测存在(1)超高背景压力下的高精度测量;(2)贯入过程传感器超量程破坏;(3)系统长期供电及传感器漂移;(4)深海海底布放和回收等技术难点。国际上海底孔隙压力观测技术从20世纪60年代开始发展,逐渐形成了系列核心监测技术和成熟的商业化设备产品。挪威岩土工程研究所NGI与美国伊利诺伊大学共同研发的NGI-Illinois压差式孔隙压力观测系统,是已知最早的海底沉积物孔隙压力观测设备。此后,美国地质调查局USGS、美国桑迪亚国家实验室、英国牛津大学等相继研发了不同结构的观测设备,覆盖浅海到深海。其中,英国海洋科学研究所研发成功的深海孔隙压力原位长期观测设备PUPPI是一个重要的历史节点,该设备能够在6 000 m水深的环境中连续运行一年,成为当时最成功的海底孔隙压力观测设备,其现代化的设备结构和设计理念被后续的观测设备广为借鉴。21世纪以来,得益于海洋科学技术的整体进步,国际孔隙压力观测技术发展呈现加速趋势。法国海洋开发研究院IFREMER研发的Piezometer系列孔隙压力观测探杆,代表了当今世界的先进水平,可能是目前应用次数最多的海底孔隙压力观测设备。我国在深海探测、观测技术领域起步较晚,在深海沉积物孔隙压力原位长期观测技术方面几乎空白,发展很不成熟。其中,中国海洋大学、自然资源部第一海洋研究所等单位进行了较多的探索性研发工作。近年来,以港珠澳大桥建设、南海天然气水合物试采等为标志的大批国家级海洋建设项目如火如荼,深海油气矿产资源开发、深海天然气水合物开采利用等海洋新兴产业快速起步,深海孔隙压力原位长期监测关键核心技术等“卡脖子”问题仍然突出,严重制约了我国海洋工程产业发展的步伐。因此,迫切需要发展具有自主知识产权和关键核心技术的国产深海沉积物孔隙压力原位长期监测技术。本文回顾了国际、国内海底孔隙压力观测技术的相关研究进展,旨在分析总结孔隙压力观测技术及其应用中涉及的一些核心技术和亟待解决的关键问题,以期为我国该项技术的发展和应用提供借鉴。

海底滑坡、浊流等深海底地质灾害严重威胁海洋工程安全,是国家深海开发亟待解决的风险问题。为避免深海海底地质灾害对海底工程造成危害,解决深海海底地质灾害监测预警的难题,我们研发了一套复杂深海工程地质原位长期监测系统。该系统通过声学、电阻率、超孔隙水压力等方法监测深海海底沉积物的物理力学性质变化,实现了对深海海底地质灾害的监测和预警。该系统主要包括海床基搭载平台、监测系统、通信控制系统、供电系统等。其中监测系统主要通过原位长期监测海底沉积物的电阻率、声学、超孔隙水压力等的变化来获取海底沉积物的物理力学性质变化;通信控制系统可以实现海底到海面,再到陆地的双向通信和数据传输。其中供电系统通过独特设计的海水电池工艺,可以满足该系统在海底长期工作一年的电量需求。复杂深海工程地质原位长期监测系统已完成了近海测试,并搭载“海洋地质六号”“东方红三号” “张謇号”等科考船在南海进行了多次远海海试,获取了丰富的实测数据。电阻率监测系统采用温纳法滚动测量,测得的水土界面位置平均电阻率为0.207 Ω·m。超孔隙水压力监测系统采用开放式结构的压差式光纤光栅孔压测量方法,监测到孔压观测的4个标志性阶段:(1)贯入过程引起的超孔隙水压力累计,峰值为34.942 kPa,历时0.182 h;(2)贯入完成后累积的超孔隙水压力衰减,衰减到9.973 kPa,历时为0.810 h;(3)环境应力引起的超孔隙水压力实时响应,超孔隙水压力的变化范围为8.327~14.384 kPa;(4)残余孔隙水压力平均值为11.150 kPa。声学监测系统采用两个一发三收模式,测量的海水平均声速为1 533 m/s,测量的海底沉积物自上而下的平均声速依次为1 586、1 587、1 784、1 735、1 831 m/s。复杂深海工程地质原位长期监测系统的成功研制将显著提升目前海洋工程地质原位长期观测的技术能力,解决复杂深海工程地质评价及地质灾害监测预警的技术难题。

海啸作为五大海洋自然灾害之一,严重威胁着人类生命财产安全。近些年来,国内外学者对地震海啸进行了大量研究,主要针对海啸的生成、传播、爬高和淹没的数值模拟,以及古海啸沉积物进行研究,但是对于海啸地震震源机制的研究还比较欠缺,尤其是缺乏对震级小于6.5的海啸地震的研究。针对我国的地震海啸研究现状,强调震级小于6.5地震引发海啸的问题不容忽视。本文归纳整理了全球766次地震海啸,利用三角图分类基本法则对海啸地震震源机制解进行分类,并对其中341个发生在1976年后的海啸地震进行震源机制解分析,对其中633次海啸浪高进行统计学方法分析研究。本文认为逆冲型、正断型、走滑型和奇异型机制地震均能引发海啸,逆冲型地震引发的海啸占比最大,震级小于6.5级地震引发的海啸的浪高也有高达10 m的情况,也能产生巨大破坏性。逆冲型、正断型、奇异型地震可直接引起海底地形垂向变化,进而引发海啸,而走滑型地震引发海啸则可能有两种原因,一种是走滑型地震并非纯走滑型而是带有正断或逆冲分量从而引发海啸,另外一种是走滑型地震引发海底滑坡导致海底地形变化进而产生海啸。从海啸地震震源深度分析,能产生海啸的地震震源深度97%以上都是浅源地震,主要集中在30 km深度以内,但是也有中深源地震海啸。本文综合海啸地震的震源特点、我国地理位置以及以往海啸发生的情况,认为未来我国沿海地区威胁性的地震海啸主要集中在马尼拉海沟和台湾海峡区域,在今后海啸预警方面需要格外重视这些区域,通过建立完善海啸预警系统来减少损失。