海洋岩土｜中电建华东勘测院：海底滑坡演化过程及其灾害效应的研究现状与未来研究方向 - 海底地质过程模拟工具

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【研究概况】

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海底滑坡是一种重要的海洋地质灾害，随着海洋工程的发展受到广泛关注。目前对海底滑坡的研究缺乏系统综述，因此，中国电建集团华东勘测设计研究院Zhigang Shan等回顾了近年来的技术和方法进展，从原位调查、物理模拟和数值模拟三个角度总结了海底滑坡演化过程及其灾害效应的研究现状，并提出了当前研究的不足和未来发展方向。

【海底滑坡的特征】

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海底滑坡在全球几乎所有海洋斜坡都有发生（图1），其触发因素多样，包括地震、高沉积速率和底辟作用等。根据统计和诱发机制分析，将海底滑坡的触发因素分为 15 类（图2），其中地震、高沉积速率和底辟作用是最常见的触发因素。

图1  海底滑坡主要发生区的区域分布

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图2.海底滑坡的特征(a) 海底滑坡的倾角；(b) 海底滑坡的触发因素

海底滑坡通常可分为滑动、倾倒、扩展、坠落和流动五类，一般来说，海底滑坡的演化过程分为三个阶段（图3）。在海底滑坡的初始阶段（第一阶段），海底边坡不稳定，海底塌陷，滑坡崩塌滑动。海底滑坡中期（二期），由于复杂的水土交换和长距离迁移，滑坡逐渐演化为均质泥石流。在海底滑坡的后期（第三阶段），滑坡的含水量不断增加。泥石流变成浊流，最终由于含水量增加而形成水流。

图3.海底滑坡演化阶段

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【海底滑坡原位调查的最新进展】

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与陆地工程监测相比，海洋工程地质环境监测有其独特性，依赖于海洋地球物理勘探方法。海底滑坡原位调查方法包括岩土工程监测、重复海底调查、水柱成像、声学多普勒海流剖面仪等（图4）。这些方法可揭示海底滑坡的规模和频率，但也面临一些挑战，如定位精度、数据分辨率等。目前最困难的问题是预测下一次海底滑坡的发生位置。

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图4 用于海底滑坡现场调查的传统和新兴地球物理工具

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【海底滑坡物理模拟方法的最新进展】

由于海底滑坡发生在复杂地质环境中，难以通过原位调查捕捉其全过程，因此采用实验室规模的物理模拟实验。作者介绍了多种实验装置和方法，如水槽实验、离心模型实验等，用于研究海底滑坡的力学过程、触发机制和运动演化等（图5）。这些实验为数值模拟提供了有价值的数据，但目前还没有模型实验能够模拟和阐明海底滑坡、重力流转变和沉积所需的条件。进一步开展模拟海底滑坡的大型水槽实验或滚筒离心模型实验是非常有必要的。

图5 水合物分解引起的海底滑坡。 (a) 实验装置示意图；(b) 水合物分解引起的海底滑坡模式图

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【海底滑坡数值模拟方法的最新进展】

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近年来，海底滑坡的数值模拟方法在稳定性分析、大变形模拟、流固耦合分析和海洋灾害分析等方面取得了许多进展（图6）。不确定性输入值使传统确定性方法不可靠，故采用增强的 Newmark 方法、高斯过程回归、蒙特卡罗模拟等分析稳定性。同时，大变形有限元建模技术可模拟海底滑坡的发展过程，但存在计算成本高的问题，为此建立了能量平衡运动学方法。此外，一些数值研究专注于复制滑坡的运动特征，还有研究建立了考虑阻力的数值方案以模拟整个演化过程。在海底滑坡对水下管道和电缆系统的影响模拟方面也取得丰富成果，而对海啸的模拟则需进一步研究。

图 6 现有海底滑坡灾害调查数值模拟方法

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【未来研究方向的讨论】

未来海底滑坡的研究方向包括开发长期服务和多参数协同观测的原位监测系统，结合高质量地质采样和钻探技术，以实现对海底沉积物各项指标的长期观测和准确识别海底滑坡灾害；开展大规模水槽实验或鼓式离心模型实验，研究海底滑坡运动中的水土耦合机制，揭示灾害预警因素；在数值模拟方面，考虑宏观 - 微观互连效应，开发多尺度耦合数值计算方法，并采用并行计算架构或 GPU 加速技术提高计算效率。

图7 海底滑坡的未来研究方向

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【结论】

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文章指出根据现场调查，超过50%的海底滑坡的倾斜角小于4°。地震、高沉降率和底辟作用是海底滑坡最常见的诱因，分别占总数的33.5%、17.6%和12.1%。迫切需要开发长期服务、多参数协同观测的海底滑坡现场监测系统和天地海一体化技术，实现海底滑坡各项指标的长期观测。海底沉积物应开展高质量的地质采样和钻探工作，以达到正确识别海底滑坡灾害的目的。海底滑坡演化机制，特别是水土耦合机制，需要通过物理模拟实验进一步研究。建议通过实验揭示海底滑坡演化过程中的振动响应、土壤孔隙压力、海水浊度等灾害预警因素。多尺度耦合数值计算方法应与并行计算架构或GPU加速技术相结合，实现海底滑坡运动整个演化过程的精细模拟。

该文章发表在 Journal of Marine Science and Engineering 上，详细内容见：Shan Z, Wu H, Ni W, et al. Recent technological and methodological advances for the investigation of submarine landslides[J]. Journal of Marine Science and Engineering, 2022, 10(11): 1728.

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原文链接：https://www.mdpi.com/2077-1312/10/11/1728

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