南海珊瑚礁地貌模型研究

趙煥庭，王麗榮*，宋朝景

（1.中國科學院南海海洋研究所邊緣海地質(zhì)重點實驗室，廣東廣州 510301）

南海珊瑚礁地貌模型研究

趙煥庭1，王麗榮1*，宋朝景1

（1.中國科學院南海海洋研究所邊緣海地質(zhì)重點實驗室，廣東廣州 510301）

近200 a前Darwin于1832－1836年間環(huán)球考察熱帶海洋珊瑚礁后，首次建立了珊瑚礁地貌模型并論述其形成機制，該模型總體形態(tài)呈全部或部分被上截了頂部的錐形，本文簡稱為“上截錐型”。此后歷經(jīng)幾代學者的研究，都繼承了他的珊瑚礁地貌模型。對南海珊瑚礁地貌模型的研究，近年有研究描繪為另外一種模型，該模型的特點是礁外坡為內(nèi)凹形，礁體形態(tài)呈蘑菇狀，本文稱為“蘑菇型”。本文根據(jù)許多南海珊瑚礁地形實測資料和地貌學研究文獻，確認南海珊瑚礁地貌模型應為上截錐型，“蘑菇型”珊瑚礁地貌模型并不符合珊瑚礁形成演化規(guī)律，在自然界內(nèi)不存在。

珊瑚礁；地貌模型；南海

1 引言

珊瑚礁是淺水造礁石珊瑚和其他附礁生物的遺骸經(jīng)過各種堆積作用自然形成的，屬于海洋沉積巖類。巖石除了其本身特質(zhì)構(gòu)成固有的地貌外，還受到地殼內(nèi)營力和巖體外營力的各種地質(zhì)作用，經(jīng)歷一定的時間，在固有的地貌基礎上塑造出各樣侵蝕與堆積地貌形態(tài)。本文著重討論珊瑚礁體的基本地貌模型。

2 經(jīng)典珊瑚礁地貌模型

19世紀中葉，達爾文乘船環(huán)球熱帶海洋考察后，在1842年出版了珊瑚礁專著《珊瑚礁的構(gòu)造和分布》［1］，書中將珊瑚礁的基本地質(zhì)地貌類型劃分為環(huán)礁、堡礁和岸礁3類（見圖1），并分別論述了這3種珊瑚礁地貌類型。書中在進一步分析了這3種珊瑚礁地貌類型的發(fā)育過程時指出，最初珊瑚在熱帶海洋中的火山島的周圍淺海生長，形成岸礁，后來島嶼逐漸下沉，珊瑚為了維持自身的正常生活需要（陽光、餌料等），隨之不斷向上生長，形成珊瑚礁，礁頂面大致“平整”，稱礁坪，一般隱伏在海面下，使珊瑚礁體呈截頂錐形。由于珊瑚礁外圍的水動力與營養(yǎng)條件較好，使得礁邊緣水域的珊瑚生長茂盛，珊瑚礁增長較快，而靠近陸地一側(cè)水域的條件較次，珊瑚生長較慢，漸漸的就會在外緣的珊瑚礁和陸地之間形成潟湖，堡礁遂成。最后，火山島完全沉降入海，珊瑚仍向上生長，形成環(huán)繞潟湖的環(huán)礁。揭示了從岸礁變成堡礁，又從堡礁變成環(huán)礁的過程，這3種珊瑚礁地貌類型是珊瑚礁演化過程的3個階段，創(chuàng)立了珊瑚礁形成機制“地殼沉降”論。

圖1 珊瑚礁地貌類型［1］Fig.1 Geomorphic types of coral reef［1］

在上海國立暨南大學授課的葛綏成主要根據(jù)日本學者香川乾一著《地形學入門》編譯的《地形學》［2］（1936年出版），在書中127～129頁“珊瑚礁海岸”小節(jié)中介紹了達爾文珊瑚礁學說（見圖2）。

從達爾文所建的珊瑚礁地貌模型可見，其總體形態(tài)為上截了頂部的錐形，上小下大，本文中簡稱為“上截錐型”（見圖3）。

圖2 珊瑚礁的地貌類型模型［2］Fig.2 Models for geomorphic types of coral reef［2］

圖3 珊瑚礁“上截錐型”地貌模型Fig.3 Truncated taper type of coral reef geomorphic model

3 另一種新提出的珊瑚礁地貌模型

近年來亦有研究提出不同的珊瑚礁地貌模型，李決龍基于對南海珊瑚礁的調(diào)查研究，在其所寫作出版的成果專著［3］中，提出了南海珊瑚島礁地貌模型（圖4），該模型的外形特點是礁外坡整體為內(nèi)凹形（見該專著47頁圖2－3、95頁圖4－13、96頁圖4－14等），上下均大，中腰小。原著沒有對該模型的形態(tài)命名，為方便討論起見，筆者等就其形態(tài)特點稱為“蘑菇型”。這種“磨菇型”珊瑚礁地貌模型，不同于經(jīng)典的達爾文珊瑚礁地貌模型，由于原著未給出相關的實測數(shù)據(jù)或引述他人的資料來闡述其模型建立的依據(jù)，因而這種“蘑菇型”的珊瑚礁地貌模型是否符合南海珊瑚礁地貌實際令人生疑。照此模型，礁緣和外礁坪所處的部分礁體像“屋檐”一樣呈水平方向突入海水中，卻沒有“檐廊柱”礁巖支撐承壓，穩(wěn)定性必差。學界中有些朋友也征詢過筆者的意見。

4 南海珊瑚礁地貌模型

圖4 珊瑚島礁“蘑菇型”地貌模型［3］Fig.4 Mushroom-like type of coral reef geomorphic model［3］

20世紀70年代以來我國對南海諸島珊瑚礁開展了調(diào)查研究，不少地形實測資料顯示，南海珊瑚礁的地貌形態(tài)呈全部或部分被上截了頂部的錐形，同達爾文所觀察到的珊瑚礁地貌形態(tài)一致。這里僅選幾個例子，如南威島臺礁（見圖5）、禮樂灘水下大環(huán)礁（見圖6）［4］、永暑礁環(huán)礁（見圖7，另引同書43頁圖2－10從略）［5］、鄭和群礁大環(huán)礁（見圖8）［6］，以及由筆者策劃與實施的永暑礁、渚碧礁、南薰礁和東門礁等礁體外13條水深達2 000～3 000 m的礁外坡地形測線所繪制的剖面圖（見圖9）［7］和所附水深聲圖（請讀者參閱原著），這些圖清楚顯示礁體普遍為上截錐形，礁體外坡或緩或陡地向海底延伸，礁外坡上還有若干級地質(zhì)歷史時期形成的水下階地，卻無一呈內(nèi)凹形，甚至連一小段礁外坡內(nèi)凹曲線都不見。

圖5 南威島臺礁地形剖面圖Fig.5 Cross section for the platform reef in Nanwei Island

筆者等注意到，南海珊瑚礁受侵蝕產(chǎn)生的礁巖塊、礫石、卵石和生物骨殼碎屑物，部分被波浪拋擲或推送到礁頂礁坪上堆積和充填潟湖，在礁坪上次生堆積成潮間帶淺灘，并在風的作用下堆積成潮上帶沙洲和灰沙島，潮流在礁坪上侵蝕生成潮溝［8—10］，使珊瑚礁頂?shù)匦斡行└叩推鸱Ｄ虾Ｉ汉鹘福绕涫前l(fā)展到灰沙島時，礁頂上存在礁坪、淺灘、沙洲、灰沙島、潮溝、礁塘、潟湖、潮汐通道等次級地貌，礁坪高程約略相當于海平面，礁坪上的堆積地貌絕對高程一般為2～6 m，個別最高15.9 m（石島，為沙丘巖堆積），礁頂?shù)屯萏帲暫⒊毕ǖ溃┙^對水深最低一般不超過40 m，個別水深達約100 m。所以南海珊瑚礁礁頂不是絕對平整的平頂形，即在截面上具有局部突起與局部凹陷。礁外坡（或稱向海坡、礁前），都是以正幾度至幾十度傾角向海底或緩或陡地傾斜延伸，礁頂為一些由堆積和侵蝕引起的小起伏。筆者等在此等基礎上并結(jié)合在海南島（屬性系大陸島）所見珊瑚岸礁的地質(zhì)地貌情況［11—13］，遂構(gòu)建了南海珊瑚島礁地質(zhì)地貌模式圖（圖10）［14］。

5 討論與結(jié)論

5.1 礁外坡外動力作用

圖6 禮樂灘沉沒大環(huán)礁中部地形剖面圖［4］Fig.6 Cross section of the submerged great atoll in central Reed Bank［4］

圖7 永暑礁環(huán)礁東南礁前向海坡地形剖面圖［5］Fig.7 Cross section of seaward slope in the fore-reef part of southeast Yongshu Jiao Atoll［5］

圖8 鄭和群礁大環(huán)礁中部地形剖面圖［6］Fig.8 Cross section in the great atoll of central Zhenghe Reefs［6］

圖9 南沙群島珊瑚礁礁外坡地形剖面圖［7］Fig.9 Cross sections in outer slopes of coral reefs in the Nansha Islands［7］

圖10 南海珊瑚礁地質(zhì)地貌模式圖［8］Fig.10 The geological and geomorphic model for coral reefs in South China Sea［8］

波浪是否會將礁外坡沖蝕成內(nèi)凹形？眾所周知，海洋波浪對近岸海底的侵蝕一般在波浪的半波長尺度內(nèi)，通常可計算為水深約15 m。故海洋波浪的侵蝕基面一般定為水深約15 m，波浪可在水深0～15 m范圍之內(nèi)的海岸、礁緣向海坡上段實施不同力度的沖蝕。有研究按大波波高12.4 m，波長102 m，計算礁外坡上段，波浪打擊力達41.7 t／m2。如用波浪壓力經(jīng)驗公式計15 m深處波浪水平壓力，得628 kg／m2。這說明大波浪時15 m深處波浪仍有一定的沖蝕、磨蝕能力［15］。一般以水深0 m海面的向岸（礁緣）沖蝕力最強，往往能生成海蝕崖、海蝕洞（海蝕壁龕、浪蝕穴）和波切臺（海蝕平臺）等次級地貌。南海諸島有現(xiàn)代的海蝕崖（高程0 m以上，上限可超過5 m）、海蝕洞（高程一般0～2.5 m，縱深最大可超過1 m）和波切臺（高程0 m上下，寬度超過10 m）地貌組合。如西沙群島石島所見的數(shù)千年來冰后期海平面相對穩(wěn)定時期形成的海蝕崖及其下部的幾個海蝕洞，以及從洞口上方墜落在洞口外的巖塊（圖11和12，張會領博士提供），薄層漲潮海水淹沒了洞前的寬度超過10 m的波切臺。而波浪對水深15 m以下的岸坡（礁緣向海坡下段）則已無沖蝕能力了，故絕不可能對礁緣向海坡塑造內(nèi)凹形。南海的風場主要受季風制約，常風向與強風風向一致，以西南向為主，次為東北向。因此，較陡的礁前向海坡也大多分布在礁體南部，部分分布在礁體北部的礁前緣。也就是說，波浪對整個礁體周圍的礁前向海坡的侵蝕的效果不可能一樣，即不可能在整個礁體周圍的礁前向海坡形成一圈均一的負向的水下地形。如果按照“蘑菇型”模型行事，在礁緣或外礁坪鉆探，鉆頭勢必洞穿礁體上部外緣“屋檐”形“礁突”，帶鉆頭的鉆桿套管便懸吊在礁體腰部外的海水中了。我國在南海某些珊瑚礁的礁緣和外礁坪造港口航道、碼頭、機場跑道、燈塔等工程前曾開展的地形、地質(zhì)勘測工作，均未出現(xiàn)過這種“意外”情形。

圖11 石島海蝕崖和海蝕洞Fig.11 Sea cliff and sea caves in the Shidao Island

圖12 石島海蝕崖下的海蝕洞Fig.12 Sea cave at the sea cliff in the Shidao Island

5.2 礁外坡形態(tài)

珊瑚礁的地貌模型是“上截錐形”或是“蘑菇型”，關鍵是要看珊瑚礁的礁前外坡。通常礁前外坡是非常陡的，不同地方的傾斜度是不同的［15］。而大洋中珊瑚礁的外坡則自海底上來有數(shù)千米長［16］，如馬紹爾的比基尼（Bikini）環(huán)礁（11.35°N，165.20°E），礁前外坡向下延伸有3 600～4 500 m，最大和平均坡度分別為46°和36°［17］。馬紹爾的郎格里克（Rongerik）環(huán)礁（11.22°N，167.28°E）和埃尼威托克（Enewetak）環(huán)礁（11.30°N，162.15°E）也類似（圖13）。另外，礁前外坡的一個常見特征是，其上部的幾米會出現(xiàn)小的懸垂體和洞穴。枝狀和葉狀的活珊瑚常懸垂在坡外，說明了珊瑚向外即水平生長的積極態(tài)勢。

圖13 馬紹爾3個環(huán)礁的礁外坡剖面圖［15—17］Fig.13 Cross sections in outer slopes of three atolls of Marshall Islands［15—17］

筆者認為，不排除礁外坡上某一局部地段曾遭受侵蝕、溶蝕、崩塌或滑坡等的作用而可能造成局部的內(nèi)凹形。我們曾佩戴著“水肺”在南海多處水深10多米范圍之內(nèi)的礁緣向海坡上部潛水觀察，見過不少大小不等的的淺穴，個別大的縱深超過1 m，構(gòu)成局部內(nèi)凹形，棲息著石首科、鸚嘴魚科和隆頭魚科的大魚、錦繡龍蝦、大海鰻、章魚等，或中小型魚群，但尚未在水下見過與波切臺組合的大海蝕洞。這些洞穴都是處于波浪侵蝕基面以上由波浪沖蝕生成的。由礁巖構(gòu)成檐狀形體懸在洞穴口的上方，它將會在以后某一個大浪中被擊毀墜落。這些礁前向海坡洞穴為負地形（凹入形）者，偶爾出現(xiàn)在強浪來向的礁前淺水破浪帶的局部地方，未見連續(xù)成片凹入，更無整個礁體外坡為凹入的情形。這從南海珊瑚礁區(qū)海圖（見圖5）的等深線走向也可作出礁前向海坡無負地形的判斷。可以肯定，即使礁外坡局部出現(xiàn)這樣一些小段的內(nèi)凹形，也不能以此夸大為整體的內(nèi)凹形。

5.3 礁外坡碎屑堆積物生成

當全球性氣候變化與地殼升降運動所造成的海平面相對穩(wěn)定時期，淺水造礁石珊瑚由于趨光需要主要垂直向上生長，到海面附近以后，轉(zhuǎn)而從礁緣完全向海洋水平方向發(fā)展，以致珊瑚礁同時也向水平方向發(fā)展。須知淺水造礁石珊瑚像任何生物一樣會生老病死。在海洋波浪的作用下，特別是在風暴大浪的沖擊下和受沖擊的物體之間的互相撞擊下，直徑多為1～3 cm的枝狀珊瑚科（鹿角珊瑚科Acropora）和質(zhì)脆易斷的葉狀和枝狀珊瑚屬（如薔薇珊瑚屬Monlipora、杯形珊瑚屬Pocillopora、排孔珊瑚屬Seriatopora、柱狀珊瑚屬Stylopora）等的物種、幼體珊瑚、病態(tài)珊瑚肢體等，紛紛被擊碎墜落在礁前向海坡的坡面上。至于球狀和塊狀的淺水造礁石珊瑚科（濱珊瑚科Porites、蜂房珊瑚科Faviidae等物種）抗沖性強，長成直徑可超過1 m的大型和巨型者，大都巍然屹立，那怕活過數(shù)百歲死后也不倒，原地堆積，保持生前態(tài)勢，構(gòu)成礁格架，再自然充填一些其他生物骨殼或碎屑，被珊瑚藻粘結(jié)在一起并固結(jié)為原生礁。此外，強大波浪沖擊礁緣，肢解礁巖，沖蝕溝槽，淘刷礫屑，帶到礁前向海坡坡面上堆積。還有，從礁坪、淺灘、洲島、礁塘和潟湖被波浪和潮流沖刷的碎屑物，通過鋸齒狀的礁緣壟脊－溝槽帶密布的潮溝和潟湖口潮汐通道帶到礁前向海坡坡面上堆積。上述各種散落在坡面上的松散物質(zhì)，都自然堆積。這些新加積在坡面上的物質(zhì)，構(gòu)成新的坡面，或會改變原來坡面的坡度的大小，但不會改變坡面的正向。因為坡面上滾動的物質(zhì)的休止角恒為正值，所生成的新坡面的角度也恒為正值，永遠不會出現(xiàn)負值，即不會出現(xiàn)內(nèi)凹形坡面。在海平面相對穩(wěn)定的條件下，珊瑚礁就是以這種進程不斷向水平方向擴張礁體。

5.4 礁外坡地貌分析

筆者根據(jù)石島所見的南海諸島現(xiàn)代的海蝕崖、海蝕洞和波切臺地貌組合，又設想，地質(zhì)歷史上某一海平面相對穩(wěn)定時期，0 m海面的海岸、礁緣可沖蝕生成海蝕崖、海蝕洞和波切臺地貌組合。海蝕洞的存在，使海岸陸坡接近海平面處呈一小段內(nèi)凹形，但它的尺度很小，高度和縱深一般小于1 m，個別最大不超過3 m，相比海岸陸坡和南海珊瑚礁水下岸坡至少數(shù)十米以上或動輒百千米長的長度，這一小段凹曲線不影響海岸陸坡和水下岸坡的走勢。永暑礁環(huán)礁東南礁前向海坡的Ⅰ～Ⅵ這6級水下階地，水深分別為25 m（階地面寬度超過100 m，據(jù)永暑礁“南永1井”井深17.3 m沉積間斷年齡和區(qū)域古海岸線對比，其年齡距今約8 ka），50 m（面寬223 m，區(qū)域古海岸線對比年齡距今約12 ka～11 ka），140 m（面寬62 m，據(jù)“南永1井”井深141.9 m沉積間斷年齡為距今約900 ka），250 m（面寬28 m），380 m（面寬30 m）和620 m（面寬40 m）（見圖7），這些階地的內(nèi)緣是否有古海蝕洞，乃至礁體內(nèi)水平方向的古地下喀斯特暗河（如有，它可能接通其上多個垂直方向的古溶洞水系）入海的河口？現(xiàn)尚未詳細調(diào)查不得而知。如有，則這些坡段存在一小段內(nèi)凹曲線。這當然也不影響海岸陸坡和水下岸坡的走勢。筆者認為，不排除礁外坡上某一局部地段在某段地質(zhì)歷史時間曾遭受種種侵蝕作用而可能造成小尺度的內(nèi)凹形。

5.5 結(jié)論

綜上所述，世界上的珊瑚礁有岸礁、礁丘、環(huán)礁、臺礁、堡礁、塔礁等類型，所有這些類型的礁外坡（或稱向海坡、礁前），都是以正的幾度至幾十度傾角向海底或緩或陡地傾斜延伸，礁頂為有些小的由次生堆積和侵蝕引起的起伏，不是絕對的平頂形，周圍礁外坡或緩或陡地向海底延伸，雖有些小尺度的由不大的海蝕洞構(gòu)成局部內(nèi)凹形，但珊瑚礁地貌模型總體上呈上截錐形。自然界不存在“磨菇型”珊瑚礁。因此，在外礁坪、礁緣和礁外坡實施鉆探和樁基等工程，無論縱深，只要根據(jù)有關勘測資料做好設計，工程是可行的。

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Geomorphological model of coral reefs in the South China Sea

Zhao Huanting1，Wang Lirong1，Song Chaojing1

（1.Key Laboratory of Marginal Sea Geology，South China Sea Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510301，China）

Darwin firstly developed the coral reef morphological type and discussed its genetic mechanism，after he performed a global survey for coral reefs in tropical oceans during 1832 to 1836.The overall morphology of coral reef in his model looks like a wholly or partly truncated cone-shape，which is called as“the truncated taper”type in this paper.Subsequent several-generation researchers accepted his model.In recent time some workers have put forward another type for coral reefs after studying on geomorphologic characteristics of coral reefs in the South China Sea（SCS）.In this new model，the outer reef slope takes on a concave curve and the reef's shape is mushroomlike，and the model is called as mushroom-like type in this paper.Based on the measured data and references in geomorphology，we confirmed that the morphological type of coral reefs in the SCS is not the mushroom-like type but the truncated cone-shape，because the former one didn't match the rules for the formation and evolution of coral reefs in nature.

coral reef；geomorphic model；South China Sea

P737.2

A

0253-4193（2014）09-0112-09

趙煥庭，王麗榮，宋朝景.南海珊瑚礁地貌模型研究［J］.海洋學報，2014，36（9）：112－120，

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.09.013

Zhao huanting，Wang Lirong，Song Chaojing.Geomorphological model of coral reefs in the South China Sea［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（9）：112－120，doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2014.09.013

2014-01-12；

2014-02-16。

國家重大科學研究計劃課題（2013CB956102）；中國科學院戰(zhàn)略先導科技專項課題（XDA05080300）；國家自然科學基金項目（41106075，41025007，41206097，41475038）；中國科學院知識創(chuàng)新工程青年人才領域前沿項目（SQ201112）。

趙煥庭（1937—），男，廣東省江門市人，研究員，從事海洋地質(zhì)研究。E-mail：gzzht＠qq.com

*通信作者：王麗榮，女，助理研究員，從事珊瑚礁生態(tài)研究。E-mail：wlrlwqyshq＠163.com