海洋学研究 >

2024 , Vol. 42 >Issue 4: 100 - 113

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-909X.2024.04.009

研究论文

深水国际海缆的损害机制:海底地震

  • 张孟然 , 1, 2 ,
  • 谢安远 , 1, 3, * ,
  • 贺惠忠 1, 3 ,
  • 陆茸 1, 3 ,
  • 汤民强 1, 3
展开
  • 1.自然资源部海洋环境探测技术与应用重点实验室,广东 广州 510300
  • 2.华海通信技术有限公司,天津 300467
  • 3.自然资源部南海调查技术中心,广东 广州 510300
*谢安远(1992—),男,工程师,主要从事海洋地质与地球物理方面的调查与研究,E-mail: 。

张孟然(1992—),男,河北省保定市人,工程师,主要从事国际海底光缆路由规划、桌面研究、勘察管理和埋设施工方案设计等方面的工作,E-mail: 。

收稿日期: 2023-07-06

  修回日期: 2023-10-07

  网络出版日期: 2025-02-08

基金资助

自然资源部海洋环境探测技术与应用重点实验室自主课题(MESTA-2020-C002)

收起

Mechanism of deep-water international submarine cables damage: submarine earthquakes

  • ZHANG Mengran , 1, 2 ,
  • XIE Anyuan , 1, 3, * ,
  • HE Huizhong 1, 3 ,
  • LU Rong 1, 3 ,
  • TANG Minqiang 1, 3
Expand
  • 1. Key Laboratory of Marine Environmental Survey Technology and Application, MNR, Guangzhou 510300, China
  • 2. HMN Technologies Co., Ltd., Tianjin 300467, China
  • 3. South China Sea Marine Survey and Technology Center, MNR, Guangzhou 510300, China

Received date: 2023-07-06

  Revised date: 2023-10-07

  Online published: 2025-02-08

Fold

摘要

海底地震是损害深水国际海缆的主要因素之一,认识海缆震损过程和地震引发的海底浊流对海缆的损害机制,对维护国际海底通信安全具有重要意义。本文结合最新海底地形、地貌研究成果,利用国际海缆工程专业软件Makaiplan研究大浅滩和恒春震后海缆大规模震损过程,并厘清了海缆损害规律与震后海底浊流过程之间的关系,总结出海缆震损机制。结果表明,海缆断点集中分布在海底峡谷和海沟内,造成海缆损坏的海底峡谷和海沟浊流的运动时速可达数十公里至数百公里每小时。陆上河流和陆架河道为浊流发育提供物源输入,海底峡谷和海沟为浊流运动大面积破坏海缆提供通道。震后,被动陆缘上陆坡发育的峡谷浊流可破坏陆坡、陆隆和深海平原上海缆,浊流最快速度出现在陆坡并在深海平原自加速;主动陆缘陆坡不同位置可同时发育浊流,对峡谷和海沟内海缆造成多次冲击,浊流最快速度和自加速现象出现在海沟。海缆防震措施包括:尽量避免海缆路由在与陆上河流或陆架河道连通的海底峡谷及海沟处交越,难以避免的时候则使用带外铠装浅水型海缆,海缆稍悬浮于峡谷或海沟底部并加装Uraduct,改变深水海缆的横截面形状等。

关键词： 海底地震; 深水海缆; 海底峡谷; 海沟; 浊流; 自加速; 机制; 防震措施

本文引用格式

张孟然 , 谢安远 , 贺惠忠 , 陆茸 , 汤民强 . 深水国际海缆的损害机制:海底地震[J]. 海洋学研究, 2024 , 42(4) : 100 -113 . DOI: 10.3969/j.issn.1001-909X.2024.04.009

Abstract

Submarine earthquake is one of the most major factors causing deep-water international submarine cables damage. Understanding the process of submarine cables damage and the mechanism of submarine cables damage caused by turbidity currents after earthquake are of great significance to the security maintenance of international submarine communications. Combined with the lastest research result of global seabed topography and using professional international submarine cables engineering software Makaiplan, the process of plenty of submarine cables damage after Grand Banks Earthquake and Hengchun Earthquake were studied, then the relationship between the pattern of submarine cable damage and the developing process of turbidity currents after earthquake was found, and the mechanism of submarine cables damage caused by turbidity currents after earthquake was summarized. Study result shows that submarine cables break points are located intentively in submarine canyons and trenches. The movement speed of turbidity currents in submarine canyon and submarine trench, which caused submarine cable damage, can reach several ten kilometers to several hundred kilometres per hour. Terrestrial rivers and continental shelf undersea river channels provide materials transportation for the development of turbidity currents. Submarine canyons and trenchs are the pathes of turbidity currents movement then damage plenty of submarine cables. The turbidity currents that developed from upper continental slope in passive continental margin after earthquake can damage submarine cables laid on continental slope, continental rise and abyssal plain. This kind of turbidity currents achieves maximum speed on continental slope, then self-accelerate on abyssal plain. Multiple turbidity currents can develop at different positions of continental slope at the same time in active continental margin, then strike submarine cables which laid on canyons and trenches for multiple times. This kind of turbidity currents achieves maximum speed and self-accelerates in submarine trenches. There are several earthquake-resistance measures: submarine cable routes trying to avoid crossing submarine canyons and trenches which connected to terrestrial rivers or continental shelf channels; using shallow water type submarine cable which has outer armor protection when crossing inevitably; laying submarine cables suspended slightly on the bottom of canyons or trenches with Uraduct protection on them; changing the cross-section shape of submarine cable.

Key words： submarine earthquake; deep-water cables; submarine canyon; submarine trench; turbidity currents; self-accelerate; mechanism; earthquake-resistance measures

0 引言

与卫星通信相比,海缆通信具有速度快、容量大、稳定性高、费用低廉等优势,世界上超过95%的国际通信信息经由国际和洲际通信海缆传输,全球已投产国际海缆总长度接近1.4×106 km[1]。国际通信海缆的安全与否对各国经济、文化和军事等方面的影响巨大。国际海缆保护委员会(International Cable Protection Committee, ICPC)统计的全球各海缆维护区海缆损坏和维修记录显示,全球海域每年发生数百起海缆断损事故,中国领海、毗连区和专属经济区每年发生海缆损坏事故近30次[1]。单次国际海缆损坏导致的后期修复费用高达数十万至上百万美元,水深越深,海缆的修复难度越大、耗时越长、成本越高。
小于200 m的浅水海域,海缆损坏主要由渔业活动和船舶抛锚等人为因素引起;大于1 000 m的深水海域,海缆损坏主要由地震等自然因素导致[2⇓⇓⇓-6]。关于人为因素对浅水海缆的损害机制,前人进行过许多较深入的研究,并提出了一些应对方法[7⇓⇓-10]。关于自然因素中海底地震对深水海缆的损害机制,叶银灿等[3]认为主要是地震产生的地震波剧烈搅动水体,使海缆产生反复弯曲、拉伸和扭转从而导致海缆断裂;其次是地震使得海底地层发生错动、地面变形、土体崩塌、滑坡、不均匀沉陷,这些地质灾害会直接破坏震源区海缆。刘爱文[11]认为主要是海底地震造成的滑塌、滑移和断层错位导致海缆损坏。在缺少现代海底地形数据的情况下,HEEZEN等[12]根据海缆断缆时间和位置推测,震后海底发育的浊流冲击造成了海缆损坏。PIPER等[13]和JAMES等[14]根据小范围的地形、测扫声呐图像、地层剖面和深水柱状样等资料,分别初步证实地震引发海底滑坡,并在上陆坡峡谷内发现了浊流痕迹,推测是浊流冲击造成震后大规模海缆损坏。
海底浊流是海底滑坡进一步发育后形成的密度流或重力流的一种,滑坡体朝深水运移过程中与周围水体混合形成浊流[15]。国内学者因缺少断缆区海缆精确路由和断点坐标、断缆时间等资料,仅靠推测得出震后滑坡等因素破坏海缆;国外学者局限于小范围的区域海底地形地貌和有限的断缆资料,虽证实了在震后断缆区峡谷有滑坡和浊流发育现象,认识到是海底浊流,而并非断层错动等因素损害海缆,但迄今为止对这类事件的完整过程做详细分析和类似事件对比的研究尚未见诸报道。本文针对历史上大浅滩和恒春两次震后海底浊流造成的大规模海缆震损事件,结合最新收集到的国际海缆断损和海底地形资料,利用最新的国际海缆工程专业软件,定性和定量相结合,分析震后海底浊流对海缆的损害过程和机制,提出海缆防震措施,为业界后续规划国际海缆提供参考。

1 海缆震损大事件与深水海缆

1.1 海缆震损大事件

国际海底通信史上存在两次因海底地震导致大面积国际海缆断损的著名事件(图1)。1929年11月18日,在北大西洋东侧大浅滩海域发生了7.2级地震,地震引发的海底浊流导致附近深水海域12条电报缆中断,造成美国西方联合电报公司、美国商业电报公司、法国电报公司、英国大东电报公司和德国大西洋电报公司等由美国至加拿大和由北美至欧洲的国际通信严重受阻,动用了大西洋海域全部8艘海缆船,耗时9个多月才完成全部断缆修复工作[12-13,16⇓⇓-19]。 2006年12月26日,在中国台湾岛南部屏东县恒春镇附近海域发生7.1级地震,地震引发的海底浊流导致附近深水海域9条海底光缆中断,造成中国电信、中国香港电信、中国台湾“中华电信”、菲律宾电信和新加坡电信等公司在东亚、东南亚地区间和通往北美的国际通信严重受阻,动用了东南亚-印度洋维护区、横滨维护区和亚太维护区8艘国际海缆船,耗时7周,才完成全部的震后断缆修复工作[20⇓⇓⇓⇓-25]。
图1 大浅滩地震和恒春地震断缆区位置

Fig.1 Locations of cable broken areas after Grand Banks Earthquake and Hengchun Earthquake

1.2 深水海缆

从19世纪50年代的海底电报缆(图2a)发展到20世纪90年代至今的海底光缆(图2b),除内部的信号传输介质从铜演变为光纤,外部绝缘层由古塔胶演变为聚乙烯树脂外,通信海缆整体物理结构变化不大[26]。为增强应对浅水渔业活动和船舶抛锚等危害的防护性能,浅水海缆除内部铠装钢丝外,外部有双层铠装钢丝保护;深水海缆受海缆船艉A型门吊拉力、拖曳绞车拉力和打捞浮球浮力等施工和维修设备性能限制,超过1 000 m水深的海缆仅有外部单层铠装钢丝保护,超过2 000 m水深的海缆无任何外部铠装钢丝保护。深水海缆的直径、重量和极限断裂张力均远小于浅水海缆,一旦受外力作用极易完全断裂。大浅滩地震断损的海缆均为深水电报缆,恒春地震断损的海底光缆除一条单层外铠装中浅水型(single armor, SA)海缆外,其余均为无外层铠装的深水型海缆(special protected armor, SPA和light weight, LW)。
图2 典型海底电报缆(a)和海底光缆(b)[27-28]

Fig.2 Typical submarine telegraph cables (a) and submarine fiber optic cables (b) [27-28]

2 数据来源和研究方法

地震断缆区域地形数据源自GEBCO 2022NetCDF栅格水深数据(https://download.gebco.net/)[29]。本文利用Global Mapper软件截取、转换GEBCO 2022原始水深文件,并生成海底坡度图,以揭示断缆区域的水下河道、海底峡谷和海沟等精细海底地形单元。
断缆区海缆名称、路由走向、断点位置来自国际海缆工程业界通用的海缆数据库,断缆时间来自前人文献资料中相关数据记录和国际海缆保护委员会(International Cable Protection Committee, ICPC)部分内部共享资料。震后同一海缆短时间内可能产生多个断点,各断点的产生时间可通过海缆登陆站内电压监控设备监控;断点位置坐标可通过结合电压变化的数值计算获得,还可通过光时域反射仪(optical time domain reflectometer, OTDR)或相干光时域反射仪(coherent optical time domain reflectometer, COTDR)设备检测后计算得到[12,30⇓-32]。
将水深、海底地形、海缆路由和海缆断点位置数据矢量化处理后加载到国际海缆工程路由设计软件Makaiplan中,用以研究震后海缆断点在不同海底地貌中的空间位置和分布特征,分析浊流的分布范围;并结合断点产生的时间和顺序,分析是否属于相同浊流系统;再定量计算震后破坏海缆的浊流速度,从而根据浊流速度变化模拟震后海缆的损坏过程。

3 海缆震损过程

3.1 大浅滩地震电报缆震损过程

在加拿大纽芬兰岛南部大浅滩附近海域,当地时间1929年11月18日16:32发生了7.2级海底地震,震中位于水深约1 500 m的陆坡。根据维修公司和各电报缆业主记录:震后附近浅水陆架上的电报缆均完好无损;附近深海的12条海底电报缆全部中断,并产生了28个断点(图3)。距震中最近的3条电报缆在震后1 min内中断;有3条电报缆没有准确的断缆时间记录;剩余6条电报缆在震后十几分钟到十几小时之间陆续中断,最后1条电报缆中断发生在震后13 h 17 min,其断点位于距震中607 km、水深超过5 000 m的北大西洋深海平原[12,18]。
图3 大浅滩地震断缆区海底地形及海底电报缆断点分布

(图件据文献[18]修改。)

Fig.3 Submarine topography of Grand Banks Earthquake cables broken area and the distribution of submarine telegraph cables broken points

(Figure is modified from the reference [18].)

大浅滩地震震中附近海域海底从西向东分布着多条形态清晰的海底峡谷,主要有加里峡谷、肖特兰峡谷、哈尔迪曼德峡谷、西峡谷、中峡谷、东峡谷、圣皮埃尔峡谷和大浅滩峡谷,震中位置靠近东峡谷头部。这些峡谷头部均发源于陆架坡折带处,除大浅滩峡谷外大部分峡谷谷轴沿SSE向延伸;中峡谷和东峡谷谷轴在靠近陆隆向深海平原过渡位置转为SW向后又转回SE向,并在深海平原延伸较长距离后尖没(本文把海底峡谷在深海平原的延伸也归为是海底峡谷)。12条电报缆的28个断点均分布在海底峡谷内:中峡谷和大浅滩峡谷内断点数量最多,从陆坡、陆隆到深海平原均有断点分布;西峡谷内断点仅分布在陆坡上;加里峡谷内断点仅分布在陆隆上;肖特兰峡谷和哈尔迪曼德峡谷内无断点。
PIPER等[13]通过研究东峡谷和圣皮埃尔峡谷头部附近海底高分辨侧扫声呐、浅地层剖面、反射地震剖面和深海柱状样等资料,发现650 m以深的上陆坡沉积物在1929年大浅滩地震后发生了失稳,失稳后的沉积物流动侵蚀痕迹仅出现在峡谷内,震后沉积物失稳滑塌后沿峡谷在陆坡转变为海底峡谷浊流,推测峡谷浊流沿谷道向前推进造成1929年海底电报缆损坏。震后1 min中断的哈利法克斯-格雷斯港海缆等3条电报缆的断点位置在水深1 000 m左右的上陆坡,也说明陆坡沉积物失稳和浊流发育从上陆坡开始。结合断点在各峡谷内分布情况,可推测震后加里峡谷、西峡谷、中峡谷、东峡谷、圣皮埃尔峡谷和大浅滩峡谷内均存在海底浊流。
选取中峡谷统计各电报缆在峡谷内的断点位置、断缆时间、断点水深和断点海底坡度等信息(表1)。从断点位置和断缆时间判断,各电报缆以震中为中心,由近及远、由浅及深依次断开,损害中峡谷内海缆的浊流应属同一浊流系统;从断点水深和海底坡度看,3个断点位于海底坡度大于1°的陆坡,3个断点位于海底坡度为0.16°~0.56°的陆隆,3个断点位于海底坡度小于0.1°的深海平原。
表1 大浅滩地震后中峡谷内海底电报缆损坏情况统计[12]

Tab.1 Statistics of submarine telegraph cables broken in Middle Canyon after the Grand Banks Earthquake[12]

海缆名称 断点位置 震后断缆时间 距震中距离/km 断点水深/m 断点海底坡度/(°)
科德角-圣皮埃尔海缆 44°20'N,56°40'W 14 min 60 1 900 5.89
纽约-圣约翰斯2号海缆 44°00'N,56°33'W 92 2 900 2.52
纽约-圣约翰斯1号海缆 43°48'N,56°33'W 114 3 350 1.50
哈梅尔-贝罗伯茨1号海缆 43°21'N,56°23'W 153 3 850 0.56
哈梅尔-贝罗伯茨2号海缆 43°15'N,56°07'W 59 min 165 4 000 0.49
科德角-布雷斯特海缆 42°05'N,55°30'W 3 h 3 min 297 4 600 0.16
纽约-法亚尔海缆 40°30'N,55°55'W 9 h 1 min 468 5 150 0.09
哈利法克斯-法亚尔海缆 40°00'N,55°20'W 10 h 18 min 530 5 250 0.08
纽约-奥尔塔海缆 39°29'N,53°47'W 13 h 17 min 607 5 250 0.07

注:表中空白表示无数据。

根据中峡谷轴向和水深要素,应用Makaiplan软件生成中峡谷轴向剖面图(图4)。根据相邻两条电报缆断点间距和断点出现的时间间隔,可计算出峡谷浊流在相邻两个断点位置之间的平均流速,由浊流速度变化可模拟震后中峡谷海底浊流对谷内海底电报缆的破坏过程。
图4 中峡谷轴向地形剖面上海底电报缆断点位置及浊流流速变化

Fig.4 Locations of broken points of submarine telegraph cables and the velocity change of turbidity current along the topographic profile of the Middle Canyon axis

浊流沿中峡谷在上陆坡发育后,首先切断了位于陆坡上的科德角-圣皮埃尔海缆,然后继续向前切断了陆坡上的纽约-圣约翰斯2号海缆、纽约-圣约翰斯1号海缆和位于上陆隆的哈梅尔-贝罗伯茨1号海缆、哈梅尔-贝罗伯茨2号海缆,浊流在陆坡和上陆隆的流速高达172 km/h;浊流继续向前推进,切断中陆隆的科德角-布雷斯特海缆时速度减至51 km/h;浊流越过下陆隆后继续向前,切断深海平原上的纽约-法亚尔海缆时,速度进一步减至37 km/h;浊流在深海平原上继续向前,切断哈利法克斯-法亚尔海缆时,速度增至61 km/h;浊流切断深海平原上最远的纽约-奥尔塔海缆时,速度减至48 km/h。
从中峡谷电报缆的破坏过程看,海底峡谷浊流从上陆坡经陆隆最后直抵深海平原,又继续向前在深海平原上移动了至少300 km,从科德角-圣皮埃尔海缆断点位置起算,中峡谷海底浊流的总移动距离超过750 km。中峡谷海底浊流流速大体上随移动距离增加和海底坡度的变缓而逐渐减慢,在陆坡和上陆隆流速最快,到下陆隆段不断减慢,进入深海平原后流速异常增加后再次减慢,但深海平原上浊流流速高于下陆隆。

3.2 恒春地震海底光缆震损过程

在我国台湾岛恒春镇西南附近海域,当地时间2006年12月26日20:26发生了7.1级海底地震,震中位于水深约600 m的陆坡。根据当时各海底光缆业主和维修公司记录,震后台湾岛以南的吕宋海峡内的15条海底光缆全部中断并产生了17个断点(图5)。距离我国台湾岛陆地最近的1条海底光缆在震后1 min内中断,其余14条海底光缆在震后十几分钟到十几小时之间陆续中断。最后1条海底光缆中断发生在震后13 h 38 min,最远的海底光缆断点位于距震中204 km、水深超过4 000 m的马尼拉海沟内[22-23]。
图5 恒春地震断缆区海底地形及海底光缆断点分布

(图件据文献[22]修改。)

Fig.5 Submarine topography of Hengchun Earthquake cables broken area and the distribution of submarine fiber optic cables broken points

(Figure is modified from the reference [22].)

恒春地震震中附近海域海底从西到东分布着台湾峡谷、澎湖峡谷、高屏峡谷和枋寮峡谷等多条形态清晰的海底峡谷和马尼拉海沟,震中位置靠近枋寮峡谷东侧。台湾峡谷和澎湖峡谷头部发源于南海东北陆架坡折带处,台湾峡谷谷轴在下陆坡由SE向转为E向延伸,再与马尼拉海沟相连。澎湖峡谷谷轴在下陆坡由SSW向转为SSE向延伸,再与马尼拉海沟相连。高屏峡谷头部发源于高屏溪和东港溪的入海口,谷轴在中陆坡由SW向转为SE向,在下陆坡由SE向转回SW向,最后与马尼拉海沟相连。枋寮峡谷头部发源于台湾岛南部率芒溪入海口附近陆架,谷轴沿SW方向延伸后在上陆坡尖没。马尼拉海沟轴向在吕宋海峡中部位置由SSE向转为SSW向。15条海底光缆的17个断点均分布在海底峡谷和马尼拉海沟内,高屏峡谷和马尼拉海沟内断点数量最多,枋寮峡谷内断点数量较少,台湾峡谷和澎湖峡谷内无断点。
JAMES等[14]通过回收震前投放在上陆坡高屏峡谷底部的两个锚系沉积物捕获器,并对比地震前后上陆坡高屏峡谷和枋寮峡谷的多波束、侧扫声呐和浅地层剖面资料,发现峡谷内和侧壁沉积物滑塌后在峡谷内转变成了浊流,推测是浊流造成海底光缆损坏。枋寮峡谷内的中美海缆 W2段在震后1 min内产生断点,说明枋寮峡谷内的沉积物失稳和浊流形成发育从上陆坡开始。结合其余断点分布情况,可推测震后高屏峡谷上、中、下陆坡段,枋寮峡谷和马尼拉海沟内均存在海底浊流。
选取高屏峡谷和马尼拉海沟统计各海底光缆的断点位置、断缆时间、断点水深和断点海底坡度等信息(表2)。从断点位置和断缆时间判断,多数海底光缆以震中为中心由近及远、由浅及深依次断开。城市间海缆 2B段断点与亚欧3号海缆 1.7段断点相距较远但断缆时间却十分相近,这2条海底光缆应分别由两个不同的浊流系统破坏。中美海缆 W1段断点靠近下陆坡底部高屏峡谷和马尼拉海沟连接处,却晚于马尼拉海沟内海缆中断,推测造成大部分海底光缆中断的浊流系统未能完全破坏中美海缆 W1段,另外一个浊流系统在震后13 h 38 min到达该光缆位置造成进一步破坏,使该光缆中断。从断点水深和海底坡度看,有8个断点位于海底坡度为0.39°~2.82°的陆坡,7个断点位于海底坡度为0.16°~1.34°的海沟。
表2 恒春地震后高屏峡谷和马尼拉海沟内海底光缆损坏情况统计[22⇓-24]

Tab.2 Statistics of submarine fiber optic cables broken in Gaoping Canyon and Manila Trench after Hengchun Earthquake[22⇓-24]

海缆名称 断点位置 震后断缆时间 距震中距离/km 断点水深/m 断点海底坡度/(°)
中美海缆W2段 22°01'N,120°07'E 1 min 46 1 850 0.39
城市间海缆2B段 21°58'N,120°10'E 11 min 40 2 000 1.28
亚欧3号海缆1.8段 21°45'N,120°16'E 36 2 500 2.82
亚欧3号海缆1.7段 21°30'N,120°12'E 15 min 58 2 950 0.71
环球北亚环形海缆E段 21°19'N,120°13'E 1 h 13 min 73 3 100 1.38
城市间海缆2C段 21°19'N,120°09'E 2 h 32 min 77 3 150 0.52
亚太2号海缆7段 21°07'N,120°08'E 3 h 40 min 97 3 350 0.63
亚太2号海缆3段 20°53'N,120°02'E 5 h 34 min 125 3 700 0.18
亚太海缆B17段 20°48'N,120°05'E 5 h 49 min 131 3 750 0.53
中美海缆S1段 20°39'N,120°09'E 6 h 36 min 144 3 850 0.16
环球北亚环形海缆DC段 20°28'N,120°14'E 8 h 16 min 161 3 950 0.52
亚太海缆B5段 20°19'N,120°18'E 8 h 29 min 176 4 000 0.16
环球海缆P1段 20°17'N,120°18'E 8 h 30 min 181 4 050 0.17
中美海缆W1段 21°02'N,120°06'E 13 h 38 min 107 3 450 1.52
城市间海缆5段 19°45'N,120°15'E 240 4 100 1.34

注:表中空白表示无数据。

根据高屏峡谷轴向、马尼拉海沟轴向和水深要素,应用Makaiplan软件生成高屏峡谷和马尼拉海沟轴向剖面图(图6)。根据相邻两条海缆断点间距和断点出现的时间间隔,可计算同一浊流系统在相邻两个断点位置之间的平均流速,由浊流速度变化可模拟震后峡谷和海沟浊流对谷内及沟内海缆的破坏过程。
图6 高屏峡谷和马尼拉海沟轴向地形剖面上海底光缆断点位置及浊流流速变化

Fig.6 Locations of broken points of submarine fiber optic cables and the velocity change of turbidity currents along the topographic profile of the Gaoping Canyon and Manila Trench axes

由图6可知,沿高屏峡谷和马尼拉海沟轴向共形成两个浊流系统。在中陆坡形成发育的第一个峡谷浊流系统在迅速切断了中陆坡上的中美海缆 W2段后,继续向前切断了中陆坡上的城市间海缆 2B段和亚欧3号海缆 1.8段,最后抵达近下陆坡坡底位置切断中美海缆 W1段。峡谷浊流在中陆坡初始速度为48 km/h。与中陆坡形成发育第一个峡谷浊流系统的同一时刻,在下陆坡形成发育了第二个峡谷浊流系统,依次切断了下陆坡从亚欧3号海缆 1.7段到亚太2号海缆 7段的4条海缆,浊流速度从36 km/h减至6 km/h后又增至26 km/h;下陆坡发育的第二个峡谷浊流系统抵达近下陆坡底位置的中美海缆 W1段时未能完全破坏该缆,随后进入马尼拉海沟转为海沟浊流,继续沿沟轴向南部深海移动;海沟浊流切断沟内首条缆(亚太2号海缆 3段)时,速度减至20 km/h;切断沟内第二条缆(亚太海缆 B17段)时,速度增至39 km/h;继续向南切断中美海缆 S1段和环球北亚环形海缆 DC段时速度一直减至14 km/h;海沟浊流进入吕宋海峡南段后加速明显,切断亚太海缆 B5段和环球海缆 P1段时速度分别增至82 km/h和282 km/h;随后继续向前切断城市间海缆 5段。
从浊流对海底光缆的破坏过程看,第二个海底峡谷浊流系统在下陆坡形成后沿高屏峡谷直达马尼拉海沟并转变为海沟浊流系统,再沿沟轴继续向南流动了至少150 km,在高屏峡谷和马尼拉海沟内的总移动距离超过240 km。中陆坡发育的第一个峡谷浊流系统在高屏峡谷内总移动距离超过150 km,也极有可能进入了马尼拉海沟转变为了第二个海沟浊流系统。随着移动距离增加和海底坡度变缓,浊流大体上呈减缓趋势,在下陆坡峡谷轴向转折处速度最慢,峡谷浊流转变为海沟浊流后先加速再减速,在吕宋海峡南段剧烈加速,速度达到最快。马尼拉海沟浊流平均流速明显高于陆坡高屏峡谷浊流平均流速。

4 震后海底浊流损害海缆机制

大浅滩地震海底电报缆震损区位于大西洋西北的北美板块内部的由陆架、陆坡和陆隆组成的典型被动大陆边缘,陆架宽阔、陆坡较窄、地震活动较少。恒春地震海底光缆震损区处于南海东北缘菲律宾海板块和亚欧板块交界的俯冲挤压带,南海岩石圈沿马尼拉海沟向东俯冲隐没到台湾-菲律宾岛弧下的地幔深处,为典型的海沟-岛弧型主动大陆边缘,陆架狭窄、陆坡较宽、地震活动频发。不仅频繁的地震会在主动大陆边缘引发海底浊流,损害陆坡和海沟内铺设的海缆,偶然发生的地震也会在被动大陆边缘引发海底浊流,损害陆坡、陆隆和深海平原上的海缆(图7)。
图7 被动陆缘(a)和主动陆缘(b)震后海底浊流损害海缆模式

Fig.7 The model of submarine turbidity current damaging submarine cables after earthquake in passive continental margin (a) and active continental margin (b)

大浅滩地震海缆震损区的西峡谷、中峡谷和东峡谷头部与圣劳伦斯海底河道相连,该河道是圣劳伦斯河在陆架上的延伸。圣劳伦斯河连通北美五大湖和大西洋,是北美东部长度最长、流域面积最广的河流,年平均输沙量超过650×104 t,常年输送陆地沉积物到陆坡堆积。从北美威斯康星冰期开始,圣劳伦斯海底河道虽存在漫长冰期,但陆地沉积物依然可通过陆架河道冰下洪水输送到陆坡堆积[33⇓⇓-36]。大浅滩峡谷头部和比目鱼海底河道相连,纽芬兰岛陆地沉积物通过该河道输送到陆坡堆积[37]。恒春地震海缆震损区的高屏峡谷头部与高屏溪入海口直接相连。高屏溪是台湾岛长度第二、流域面积第一的河流,年平均输沙量超过3 000×104t,巨量泥沙沉积物常年从高屏溪直接汇入高屏峡谷,并在陆坡堆积。马尼拉海沟北部表层沉积物碎屑锆石U-Pb测年结果显示沟内沉积物大部分来源于高屏溪[38]。枋寮峡谷头部靠近率芒溪入海口,可近距离接收河流带入陆架的泥沙沉积物。陆上沉积物通过河流或陆架海底河道不断输送到陆坡,为浊流在陆坡形成发育提供了丰富的物质来源。
大浅滩和恒春地震海缆震损过程中,地震引发的浊流形成后,在海底峡谷或与峡谷相连的海沟内运移,海底峡谷和海沟既是浊流向深海运移的良好通道,同时又保证不会因运移距离的增加导致浊流体内悬浮物质分散,使浊流破坏力减弱。被动大陆边缘海底峡谷距离较长,偶然地震作用在上陆坡峡谷内引发的海底浊流运移距离也更长,会对更大范围海域的海缆造成损害(图7a)。主动大陆边缘海底峡谷距离较短,但陆坡较宽,峡谷轴向在陆坡多次转向,震后在转向位置可同时形成发育多个浊流系统,多个浊流系统会对海缆造成多次冲击损害。受海沟沟道限制,浊流从峡谷进入海沟后仅能沿海沟移动,速度可能增大,破坏沟内海缆,但无法破坏深海平原上的海缆(图7b)。
海底浊流等重力流随运移距离增加而自加速的现象,已在河口被发现并多次被水槽实验证实[39⇓-41]。本文中两次地震海缆震损过程中都出现了自加速现象。被动大陆边缘陆坡较窄,浊流在陆坡形成发育后快速沿峡谷进入陆隆,从陆隆进入深海平原后出现自加速,但浊流的最快速度依然是在陆坡上;主动大陆边缘陆坡较宽,浊流在陆坡形成发育后,经历较长移动距离和时间后进入海沟,并在海沟内出现自加速现象,同时浊流的最快速度也出现在海沟内。
关于震后海底浊流对海缆损害机制的研究,除上述海底浊流的发育位置、物源输入、流动分布范围和流速变化等方面外,浊流冲击力也是业界研究的重点和难点。根据海缆受力分析,可推导得到如下浊流对海缆的冲击力公式:
F=ρ×S×V2
式中:F为浊流对海缆的冲击力,ρ为浊流密度,S为海缆的单位受力面积,V为浊流速度。
从式(1)可看出,浊流对海缆的冲击力和浊流密度、海缆的受力面积以及浊流速度的平方成正比。因此,无论是被动大陆边缘还是主动大陆边缘的震后海底浊流的自加速都会造成距离震源很远的海缆损伤。研究震后海底浊流冲击力的最直接方式,是在经常发生海缆震损或可能发生海缆震损的峡谷和海沟内,提前布放带有浊度仪和ADCP等装置的锚系设备,主动观察震后海底浊流的垂向高度、密度和速度等参数,为深水国际海缆保护提供详细的震后浊流数据。

5 海缆防震措施讨论

5.1 避免海缆路由交越海底峡谷及海沟

按照国际海缆工程业界防御海缆震损的传统要求,在桌面研究阶段,收集分析路由区域地震频率和历史海缆震损位置等信息,使新建海缆路由绕开地震频繁和历史海缆震损区,这是主动防止海缆震损最有效的措施。但如受各国海事边界和海底空间限制,或者海缆登陆日本、中国台湾和新几内亚等西太平洋地震带的国家或地区,海缆路由必须穿越地震频繁或历史海缆震损区时,就需考虑其它方式来防御海缆震损。通过对文中两个典型例子的研究发现,海缆震损点集中位于与陆上河流或陆架海底河道相连的海底峡谷或海沟内,因此减少海缆震损的另外一个重要措施,就是避免海缆路由交越与陆上河流或陆架海底河道相连接的海底峡谷及海沟。

5.2 使用高强度浅水型海缆

受某些国家和地区国际海缆登陆站位置影响,有些海缆路由不可避免需交越与陆上河流或陆架海底河道相连接的海底峡谷或海沟,海缆在深海不可避免要遭受海底浊流的冲击。深水型海缆相对有外铠钢丝保护的浅水型海缆而言,自身极限断裂张力过小。以现今国际上最广泛应用的美国SubCom公司SL-17系列跨洋海底光缆为例,深水型(SPA和LW)海缆极限断裂张力仅79 kN,浅水型DA-HS海缆极限断裂张力超过600 kN[28]。在不影响海缆船深水施工和后续维修可行性的情况下,可考虑仅把横穿海底峡谷或海沟的小段深水型海缆替换为浅水型铠装海缆,以有效增强海缆对抗震后浊流的冲击。如果后续此段峡谷或海沟内海缆被更强浊流等外力损坏,可直接弃置此段海缆于峡谷或海沟内,从两端分别切断打捞峡谷或海沟外的深水型海缆,用新的浅水型铠装缆接续维修。

5.3 海缆悬浮并加装Uraduct或改变海缆横截面形状

TALLING等[42-43]通过布放在刚果海底峡谷陆坡到陆隆1 560~4 370 m水深不同位置的11台锚系ADCP数据,揭示了刚果河洪水过后的海底峡谷内浊流现象,发现峡谷底部海床的浊流速度最快、密度最高,海床之上数十米高度的海水层浊流速度和密度逐渐趋近于零。在铺设穿越海底峡谷或海沟段的海缆时,假如能使海缆悬空于峡谷谷底或海沟沟底一定高度,可有效避免浊流对海缆的冲击破坏。
现代海缆船在深水铺缆时使用Makailay或Winfrog等精确施工控制软件,根据海底地形、缆重、中继器/分支器重量、风速和流速等数据,通过协调船速和船尾布缆机的海缆释放速度,可保证适当海缆余量释放,海缆触底后可精确落到设计坐标位置并贴合崎岖不平的海床[44⇓⇓-47]。假设海缆船铺设穿越峡谷段海缆时适当减少海缆余量释放,便可使海缆稍悬浮于谷底或沟底之上一定高度。在陡坡上深水海缆悬空时易受海水底流影响,悬空海缆两端不断与海床岩石摩擦,可导致外部聚乙烯保护层磨损,海水进入海缆内部接触通电铜导体,导致海缆系统短路故障[48]。由高密度聚氨酯构成的Uraduct保护套管常用于与油气管道交越的海缆,既可保护油气管道不被海缆磨损,又可有效增强海缆的抗磨损性[49],还可大大增强海缆的抗疲劳损伤性能[50]。因此,在海缆船上提前把悬空段海缆加装Uraduct保护套管,可有效防止与海床接触的悬空海缆两端的磨损和产生的疲劳损伤,保证国际通信海缆25年使用寿命。
改变深水型海缆的横截面形状也是一种减轻震后海底浊流冲击力的有效方法,相关海缆厂商近年也开始研发椭圆形截面海缆[51],但非正圆形截面海缆是否适合深水铺设施工,还需业界从施工技术角度加以详细论证。

6 结论

本文基于收集到的国际海缆断损和海底地形资料,用最新的国际海缆工程专业软件Makaiplan对历史上被动陆缘区大浅滩和主动陆缘区恒春两次震后海底浊流损害海缆事件过程分别进行模拟,再进行对比研究后总结了海底浊流对海缆的损害机制,并讨论了海缆防震措施,得到主要结论如下。
1)海缆断点集中分布在峡谷或海沟底部,地震在峡谷或海沟底部诱发海底浊流,浊流时速可高达数十公里至数百公里每小时,高速运动的海底浊流在峡谷或海沟内造成海缆中断。
2)海底浊流在陆坡形成,陆上沉积物通过河流或陆架海底河道输送到陆坡,为浊流在陆坡形成发育提供物质来源;海底峡谷和海沟为浊流运动提供通道并限制浊流扩散。被动陆缘震后,陆坡峡谷内形成的峡谷海底浊流因峡谷距离较长造成运移距离较长,陆坡、陆隆和深海平原峡谷内海缆均会被破坏;浊流最快速度出现在陆坡,从陆隆进入深海平原后浊流会自加速。主动陆缘震后,陆坡峡谷内形成的峡谷海底浊流可进入海沟转变为海沟海底浊流继续向前运动,峡谷在陆坡的不同位置可同时形成多个海底浊流系统多次冲击海缆;浊流在海沟内会自加速并达到最快速度。浊流对海缆的冲击力和浊流密度、海缆的受力面积以及浊流速度的平方成正比。
3)防御海缆震损需避免海缆路由交越与陆上河流或陆架海底河道相连接的海底峡谷及海沟,否则需将横穿海底峡谷或海沟的小段深水型海缆替换为抗断裂张力更强的带外铠装浅水型海缆。减少峡谷或海沟上海缆余量使海缆适当悬浮于谷底或沟底上可有效避免底部浊流冲击,并在悬空段海缆加装Uraduct保护套管能防止悬空造成的海缆磨损和疲劳损伤。采用非正圆形截面的深水缆型也是可能的防震损措施。

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