综合物探方法在近海自然遗迹调查中的应用研究

洪少雄，胡 毅，房旭东，刘溢滂,4，刘伯然，李小璐，王立明

(1.福建深沪湾海底古森林遗迹自然保护区管理处,福建 泉州 362246；
2.自然资源部第三海洋研究所 海洋与海岸地质研究室，福建 厦门 361005；
3.福建省海洋物理与地质过程重点实验室,福建 厦门 361005;4.福州大学 先进制造学院，福建 泉州 362200)

深沪湾海底古森林遗迹自然保护区位于福建省晋江市深沪湾内，主要保护具有7 000多年历史的海底古森林遗迹和距今9 000至25 000多年的古牡蛎礁遗迹[1-5]。深沪湾海底古森林遗迹自然保护区在中国是独一无二的。这种陆上古森林与海上古牡蛎礁出现于同一海滩部位的现象对恢复其生长时期的古植被、古气候与古生态和重建其消亡以后的海平面变化、海陆变迁和地壳升降运动历史具有重要的科学意义[6-9]。

20世纪80至90年代以来，保护区管理机构为保护和管理海底古森林和牡蛎礁遗迹做了大量工作，但未有系统地开展海底古森林遗迹和古牡蛎礁遗迹的调查工作[10-12]。伴随深沪湾周边地区社会经济的快速发展和沿海大通道、港口、航道等基础设施建设，人类活动剧烈，而遗迹保存现状亟需重新得到认识[13-15]。福建深沪湾海底古森林遗迹自然保护区规范化管理面临系列亟待解决的问题：①早期调查的海底古森林遗迹和古牡蛎礁遗迹分布情况以潮间带调查为主，未涉及潮下带以下海域[16-18]；
②对深沪湾潮间带海底古森林及牡蛎礁的调查受到当时调查技术手段等方面的制约，未提供详细的坐标、范围等准确信息[19]。因此，急需开展自然保护区范围内海底古森林遗迹和古牡蛎礁遗迹的详细调查，为自然保护区总体规划编制、明确保护区边界范围提供科学依据。

2018年，通过采用先进的水下探测设备，对深沪湾海底古森林核心区和缓冲区海域进行了快速、全覆盖扫侧，获取了海区的整体地形、地貌状况，在此基础上对目标物体应用高频声纳、多波束动态聚集等手段开展了进一步调查，并选择特征点进行水下人工探摸验证，明确了研究区海底古森林遗迹分布状况。

本次调查以深沪湾海底古森林遗迹自然保护区核心区与缓冲区为主[13,20]。深沪湾保护区总面积为27平方公里。海域面积22平方公里，陆域面积为5平方公里。该区域分为核心区、缓冲区和实验区[19,21]。其中核心区的建设范围坐标为东经118°38′42″至118°40′07″，北纬24°37′33″至24°38′45″。缓冲区目的在于使核心区的重点保护区对象免遭外界不良因素的干扰，起着缓冲的作用。该处范围联结点的地理坐标范围为：东经118°38′27″至118°40′29″，北纬24°37′05″至24°39′05″(图1)。

图1 深沪湾海底古森林区划规划及海底地形Fig.1 Ancient submarine forest zoning planning of Shenhu Bay and submarine topographic map

深沪湾海岸地貌中的海蚀崖主要分布于基岩岬角和岛屿的突出部[10]。海蚀崖高3～4 m，海岸明显蚀退，崖前残积层成片裸露长达几百米，宽50～80 m。由于湾口没有岛屿屏障作用，台湾海峡涌浪可直接传入湾内，波浪作用强，导致深沪湾内大部分岸段发育沙滩。湾内西侧和西南侧潮间带较窄，西北部潮间带相对较宽。因海湾面积相对较小，而湾口宽度大，深沪湾内未发育潮流深槽，水下地貌为水下浅滩，水深约0～10 m，由近岸向湾口方向水深逐渐加深[22]。调查海域西侧分布有礁石区域，位于8～9 m等深线之间，浅点水深不到4 m。受该礁石区域影响，该段水深地形略为变陡。在测区东侧的等深线5～6 m之间，亦存在一片礁石区，浅点水深同样不到4 m。在核心保护区边界西侧同样存在数个浅点，使得2 m和3 m等深线往外凸，由侧扫声纳探测结果分析，可推断为沙波或者人工物干扰引起水深略有高差变化。9 m等深线往外地形较为平缓，10 m等深线呈NE走向。其中古森林与古牡蛎礁主要分布于核心区，虽然近岸区域有牡蛎礁、古森林等遗迹分布，但是高程变化不明显，在地形图上表现不突出。总体而言，除一些礁石和人工构筑物等对水深地形变化有影响外，其他牡蛎礁、古森林等对地形的影响也较小，该特征可从潮间带的地形变化特征分析得出。

本次调查的主要调查手段及方法如下(图2、图3)：

1)潮间带测量：在调查区潮间带范围内首先进行无人机探测，在影像图上获取可疑点特征，选择大潮低潮期间进行特征地物、古森林、古牡蛎礁遗迹的详细测量，获取影像、位置、范围。

图2 深沪湾古森林调查区作业Fig.2 Survey line of ancient submarine forest in Shenhu bay

图3 调查技术路线Fig.3 Technology route

2)海底研究区的全覆盖扫测研究：采用侧扫声纳按一定比例尺布设测线，对研究海域进行快速、全覆盖扫侧，获取海区的整体分布状况，同步进行单波束测量，初步辨别可疑物体及其特征，获取海区的地形地貌特征。

3)目标物体的声学高密度覆盖：在前期侧扫声纳大范围扫侧的基础上，针对可疑目标物体，应用高频声纳等新型设备展开声学高密度覆盖，其分辨率高于传统的侧扫声纳，能达到分米级，近端能达到厘米级，可为确认目标物和初步排查古森林和古牡蛎礁提供基础资料，并进行不同方位调查，为可疑物的识别奠定基础。

4)对侧扫声纳的图谱进行初步判读研究，通过潮间带古森林、古牡蛎礁遗迹的分布形态、大小，与水下可疑特征物进行对比。

5)综合立体技术手段的探测：通过多波束、浅地层剖面等针对侧扫声纳确定的可疑物体进行进一步的探测研究。

6)海洋声学图像的综合解译：在潮间带古森林、古牡蛎礁调查中，往往某一种地球物理手段探测信息的差异很不明显或不存在，而另外一种地球物理手段显示的信息差异却很显著。由于水下环境的复杂性，通过单一探测手段通常不能区分目标物体的细致特征。因此综合运用地球物理勘探技术中的多种方法，如不同探测手段的结合研究，可以提取多种地球物理特征信息，对不同目标物体的测量结果进行多参数解释研究，细致区分可疑目标物等参数，获得分布的局部细节。

7)水下探摸等手段验证：由于声学等方法虽然能得到一些图像，但都属于遥测方法，并不能直接验证所分辨的物体属性。因此，有必要通过水下探摸、水下机器人等手段进行调查。但该种方法由于水下视角的开角较小，以及水下浑浊度的影响，会对工作效率、最终辨别的可认识度等产生一定的影响。

8)综合分析：在声学手段探测以及水下探摸等实地验证的基础上，综合对比相关研究成果，获得海底古森林与牡蛎礁的分布范围。

4.1 典型地貌特征

通过侧扫声纳、多波束探测以及现场野外踏勘，调查海域海底地貌特征较为复杂，人类活动剧烈，主要存在海底礁石、沙波、人工构筑物、沙脊、拖痕、围网等地貌。

4.1.1 海底礁石识别

调查区内的礁石可以通过不同手段发现，如调查中发现的一处可疑礁石(图4)。该可疑礁石规模较大，在扫宽较宽的侧扫声纳中得到了完整的体现，在扫宽较窄的多波束中只得到部分的揭示，侧扫声纳和多波束中礁石形态一致。通过调查得知,海底礁石主要存在于调查海域的中部西北侧和中部东侧，此两处礁石块较大，并改变了局部的水深地形。这两处礁石分别位于93版核心区边界的东西两侧，形成了该核心区的天然边界。由浅地层剖面调查结果来看，由浅地层剖面系统能识别出地层结构，还可对海底礁石进行精确的定位成像(图5),也能在侧扫声纳上得到较为详细的影像资料(图6)。

图4 礁石分别在侧扫声纳、多波束和水下探摸的成像Fig.4 Reef image of side scan sonar, multi beam and underwater exploration

图5 礁石浅剖成像Fig.5 Reef image of sub-bottom profile

图6 礁石侧扫成像Fig.6 Reef image of side scan sonar

4.1.2 沙波识别

沙波在海底呈现波状起伏特征，图7所示为研究区西北部的一处可疑沙波。该处沙波大片出现，沙波中有可疑的突起物，突起物在侧扫声纳和多波束图像中均能观察到，并且沙波形态对应也较好，在沙波区发现了部分零散疑似礁石状物体，与侧扫声纳有较好的对应效果。本调查海域揭示的沙波区主要分布于两个区域，其中一处位于调查海域的北侧，水深9 m以深，沙波呈长条状分布，走向近NW—SE向，其上的沙波呈曲状分布。另外一处沙波区位于5～8 m水深之间，近NS向成片分布，两片沙波区并不相连。其中以南侧揭示的沙波区面积较大，面积约为3.5 km2。

图7 沙波分别在侧扫声纳、多波束和水下探摸的成像Fig.7 Sand wave image of side scan sonar, multi-beam and underwater exploration

4.1.3 人工构筑物识别

区域内人工干扰物体较多，在侧扫声纳中则可以观察到形态规则的条带状异常，多波束没有对成片的异常得到完整的揭示。经调查分析，人工构筑物主要位于港口码头附近以及缓冲区的东侧，在侧扫声纳图谱上表现为规则的物体，人工堤则表现为碎石依堤岸而立，内侧由于高差较大而呈现巨大阴影。废料袋在侧扫声纳图谱上表现为依序排列的规则物体，呈长条状分布，有一定高差(图8)。

图8 人工构筑物在侧扫声纳的成像和照相Fig.8 Imaging and photo of artificial structures in image of side scan sonar

4.1.4 牡蛎壳识别

该特征点位于核心区的中部，形态上呈长条形零散分布(图9)，分布面积不等，声学图像上表现为强反射与弱反射相间排列，该海域人工扰动较少，该特征点与古牡蛎礁声学特征较为吻合；
经过水下探摸发现，该海域底质主要为砂，特征点为带状的牡蛎壳，长约5～6 m不等，宽约80 cm，呈三排排列，与声纳图谱反应一致。其他区域也可见类似的牡蛎壳分布(图10)，表明人工活动较为强烈。

图9 核心区牡蛎壳的侧扫声纳和水下探摸成像Fig.9 Oyster shell image of side scan sonar and underwater exploration in the core area

图10 其他区域牡蛎壳的侧扫声纳和水下探摸成像Fig.10 Oyster shell image of side scan sonar and underwater exploration in other area

4.2 古森林分布特征

本次调查可揭示的出露古森林主要位于核心保护区的边界东侧，具体地理位置可见表1。在本次调查期间由于潮间带水深较浅，且退潮期间可以通过人工勘查和无人机勘探，并未获取十分有效的声学影像数据。在管委会的保护区里面可以看到已经放置于保护箱中的数根古树桩遗迹(图11)，表明以往发现的部分古树桩已经脱离了最初发现的原始位置。

表1 古树桩遗迹位置

图11 保存的古森林树桩Fig.11 Ancient submarine forest preserved

潮间带的古森林遗迹分布较为集中，位于核心保护区的边界西侧，距界线近处约为30 m，远处约130 m。距观景平台直线距离近者约为120 m，远者约220 m。残留的古树桩遗迹近者相距不足30 m。在实际调查期间，古树桩出露高度5～30 cm不等，有的古树桩表面及折断面均已不同程度地炭化，并附生了贝壳等现代海相生物，上部孔洞发育。古树桩大部分直立，个别呈横躺状(图12)。此外在近岸1 m等深线以上可见古树桩中间成片分布一部分低洼地，据管理处相关人员介绍，该区域为古树桩的堆集地，部分古树桩出露于地表。

图12 2018年3月7日揭示的古树桩遗迹(农历二十，小潮退潮)Fig.12 Image of ancient submarine forest relics, photoed on March 7, 2018 (lunar calendar 20, neap tide ebb)

4.3 牡蛎礁分布特征

本次调查期间潮间带的牡蛎礁主要分布于核心区边界的东侧，出露的区域除个别区域成片分布外，大多数呈个体呈现，成片出现的牡蛎礁范围约1 500 m2，而小的牡蛎礁出露范围小者不足1 m2，大者可能有2～3 m2。呈单个出现的牡蛎礁主要位于大片牡蛎礁的北侧，水深接近2 m等深线，分布范围呈NE-SW走向。由于此次调查虽然为大潮期间，但泥质沉积物也相当多，与古树桩遗迹对应的部分牡蛎礁可能覆盖于沉积物之下而难以发现。这些单个出露的牡蛎礁有可能在某些特定季节而更大规模地出露，或者连接成片(图13)。

图13 潮间带成片出现的牡蛎礁及潮间带单独出现的牡蛎礁Fig.13 Large areas of ancient oyster reefs in the intertidal zone and single oyster reefs in the intertidal zone

1)通过各种探测数据分析比较，高频侧扫声纳对海底面状况及可疑目标物的揭示较好。多波束受调查海域地形较浅及人类活动剧烈的影响，未进行大范围的全区域覆盖，多波束对大的物体识别度较高，但小目标物易受周边的物体干扰；
浅地层剖面对于细小物体的识别受声学波束是否经过目标物上方的影响，此外，浅层多次波反射也影响了目标物的识别。

2)通过本次潮间带的调查工作，在潮间带明确定位并发现了19株古森林遗迹，标记了详细坐标，这是自20世纪90年代以来首次对潮间带的古森林遗迹进行高精度定位和比对，为福建深沪湾海底古森林遗迹自然保护区管理处的管理工作奠定了坚实的基础。通过本次潮间带的调查工作，在潮间带明确定位并发现了一处成片的古牡蛎礁遗迹分布区，面积约可达1 500 m2，并详细记录了坐标位置，此外发现若干出露约为1～2 m2的零散牡蛎礁分布。

3)通过本次研究以及历史调查资料的分析可知，随着进行调查的季节不同，揭示的古森林遗迹颗数存在较大差异。此外，潮间带古森林及古牡蛎礁遗迹的出露状况受季节、风暴、潮水、洪枯季节等影响较为明显，受调查经费及调查时间所限，潮间带调查仅进行了一次，因此，本次调查成果仅代表了当时调查情况下的出露情况，是否存在随季节及环境的变动尚未可知，更为完整的揭示需要进一步的工作。

致谢

感谢参与过 “深沪湾海底古森林遗迹保护区现状调查 ”项目的成员。