近10年来南海孤立内波的研究进展

孤立内波是存在于海洋密度跃层中的非线性大振幅波动.综述了近10年来随着卫星遥感资料、现场观测资料的日益增多和数值模拟技术的发展,关于南海北部孤立内波的特征、形成的动力机制和传播演变规律及孤立内波在海洋工程中的载荷估算等方面所取得的研究成果,并讨论了未来南海孤立内波研究中值得关注的一些问题.     

南海北部孤立子内波的研究进展

孤立子内波是同内潮在特殊地形条件下所激发的存在于密度跃层中的大振幅波动，而在其传播过程中产生的扰动可导致海面水强烈辐聚和突性发性的辐强流（波致流），对海洋工程，石油钻井平台和海底石油管道会造成严惩的威胁，介绍了国际上研究海洋中孤立子内波的动态，描述了南海北部存在的孤立子内波现象，讨论了目前南海孤立子内波研究中存在的一些问题，进而提出了今后开展进一步研究的思路。     

海洋内波动力学

海洋内波的研究已有较长的历史。Stokes(1847)和Raleigh(1883)分别作了两层流体界面处的波动和连续层结流体中的内波理论研究。本世纪初(1902)Nansen第一次报告了有关海洋内波的观测结果。但由于观测技术限制和理论研究的困难,关于海洋内波的研究长期处于缓慢发展状态。 到了40年代,由于内波对潜艇活动和声纳功能的严重影响等原因促使人们重视海洋内波的观测与研究,而海洋调查仪器和资料分析方法的发展也使内波观测和分析快速发展起来。到了70年代初,在大量调查和研究的基础上,Garrett和Munk(1972,1975)提出大洋内波谱模型(在物理海洋学中被称为GM模型)。此模型假设大洋内波场可抽象成一平稳随机场,它具有水平均匀、水平各向同性、垂向对称性(即上传与下传波能相等)。内波可表示成在一定频率区间内各种频率、各种波数的自由传播的进行波之叠加。从当时所得观测资料看,此模型几乎普遍地适用于世界各大洋。     

近海陆架区内潮观测研究进展

内潮是近海陆架区内最常见的海洋内波,一般是由正压潮经过特殊地形或海况激发产生,内潮由此具有天文潮周期且出现频率相对稳定。频繁出现的内潮对人类海上活动的影响有弊也有利,它可引发强烈的海水混合或产生上升流,使深层营养盐提升从而形成丰富的渔场;而大振幅内潮或由其演变出的强孤立内波会干扰海洋工程作业,对建成的石油钻井平台和海底油气管道构成严重的威胁;内潮导致的水体扰动还会对海上舰船的行驶产生不利影响。所以对近海陆架区内潮的观测研究一直为人们所重视。对内潮的一些相关特点做了简要介绍,主要论述了国际上近海陆架区内潮观测研究的进展情况,以及近几年来观测方法的最新发展趋势;并着重分析了南海北部海区内潮研究现状,讨论了目前南海内潮观测研究中存在的一些问题,进而提出今后开展进一步观测研究的思路。     

潮汐作用下北黄海跃层波动的数值研究

跃层除有季节性的变化外 ,还时刻受到潮汐、风、降水等诸多因素扰动而引起波动与起伏。文章研究潮汐 (4大分潮M2 ,S2 ,K1,O1同时输入 )作用下渤海跃层起伏与波动的三维数值模型 (将海洋分为 3层 ,即上混和层 ,跃层和下混和层 ) ,揭示了整个海区跃层上下界面处跃层起伏的地理分布及叠加在起伏之上的潮周期波动的时空变化 ,模拟出跃层波动与实测基本一致。跃层波动既与潮汐运动有关 ,又与潮汐有很大区别。从波动位相、波高来看 ,两者均不相同 ,甚至周期有时也不同。跃层上下界面的波动周期、位相、波高在很多地区也不一致。中下层余流大小和方向几乎一致。大振幅的跃层波动均发生在近海地形突变之处。海水运动的激发与地形相互作用以及海岸海底摩擦可能是跃层波动与起伏的重要因素。     

海洋深拖地震技术优势分析

随着人类探索、开发和利用海洋逐渐走向深海,近海底探测技术也越来越受到重视,海洋深拖地震技术的应用便是其中之一。通过分析海水声速剖面、传播损失、环境噪声和海洋混响等海洋声学环境因素对声信号的影响,阐述了近海底观测的优越性。在此基础上,对深拖地震技术在提高地震资料质量方面的作用进行了分析,指出了深拖地震技术有利于提高地震资料的信噪比和分辨率。     

内波、内潮汐沉积形成过程中内波传播方向与沉积物搬运方向相反的定量解释

本文从海洋物理学角度出发,以内波波动理论为基础,通过建立两个不同密度的水层界面上的两层模型的波动方程对内波的传播特征进行定量解释。通过定量解释表达式可知：内波在两个不同密度的水层界面上传播时,两层内波流之水平速度方向相反,保持通过海底的整个截面的流通量为零。在密度界面之下,波谷处内波流的运动方向与内波前进方向相反,由于波谷相对于波峰更接近于海底,即波谷处截面积较小,故波谷下方的流速较波峰下方的流速大,容易形成与内波前进方向相反的单向优势流动,这种单向优势流动搬运沉积物的总趋势与内波的前进方向相反。     

地震海洋学研究进展

传统船舶调查获取海洋水体温盐资料的方法在水平方向上分辨率较低,而用反射地震探测海洋水体特性的方法--地震海洋学,能有效提高海水温盐资料在水平方向上的分辨率.概述了近5年来地震海洋学的发展过程,重点介绍了地震海洋学方法在海洋锋面观测、水团边界划分、海洋内波分析、中尺度涡旋等方面的研究成果,以及AVO、全波形反演等反射地震处理方法在海洋水体特性研究中的应用.比较了地震海洋学方法与声层析技术、高频声技术等声学方法应用于海洋水体特性研究的异同.并展望了下一步研究工作的重点:①有关地震反射剖面的各种参数与海洋水体温盐结构物理模型的联系及其定量分析;②以研究海洋水体特性为目标的地震反射剖面的处理方法;③海洋地震调查历史数据的应用.     

水体内部的沉积作用——内波、内潮汐沉积研究综述

介绍了内波的概念、沉积实例、沉积特征、沉积模式等;还对内波沉积作用机理作了深入分析。大多数海洋和湖泊中都有内波存在,其波幅可以是表面波的20～30倍,是海水混合和海底沉积物二次搬运的重要营力。内波形成的沉积物规模可以很大,沉积物中的砂岩成分成熟度和结构成熟度高。内波沉积研究对于油气勘探具有重要意义,特别是在海相油气勘探领域。目前对内波沉积物的成岩特征和含油气性方面的研究还比较薄弱;应从沉积特征、地球物理响应、测井响应等方面入手,逐步形成一套全面、系统、完整的识别标志;还应该与海洋学、水动力学等研究紧密结合,深入探讨内波的形成机理和控制因素。     

关于深水环境下内波、内潮汐沉积分类的探讨

深水环境下内波、内潮汐沉积从在地层记录中被发现已过去20年,在这20多年里虽然积累了不少资料,但至今未对内波、内潮汐沉积进行细分。本文以地层记录中已发现的内波、内潮汐沉积为基础,结合内波、内潮汐的破碎过程和海洋物理学中内波的研究现状,对深水内波、内潮汐沉积的分类进行了探索。将其分为3个层次下的9种类型,分别为：正压内潮汐沉积、斜压内潮汐沉积、正压短周期内波沉积、斜压短周期内波沉积、等深流叠加内波沉积、低密度浊流叠加内波沉积、长周期内波叠加沉积、驻波沉积和其他内波叠加沉积。地层记录中已发现的内波、内潮汐沉积分别归为：正压内潮汐沉积、正压短周期内波沉积和长周期内波叠加沉积3类,其余类型尚未被发现。这样的分类较合理地解释了为什么在现代海洋中内波、内潮汐无处不在,但地层记录中的内波、内潮汐沉积却少得可怜的现象,同时将内波、内潮汐沉积研究和海洋物理学中对内波的研究结合起来,并能将内波、内潮汐沉积研究置于更为广阔的研究背景之中,使之可以和大洋突发事件、天文旋回及大洋环流等联系起来。     

Assessment of the major hazard potential of interfacial solitary waves moving over a trapezoidal obstacle on a horizontal plateau

Over the last few decades, a lot of attention has been concentrated on the consequences of marine impacts, especially those caused by the tsunami wave train. Internal solitary waves are similar to the surface waves that commonly occur in the waters of the ocean or large lakes and can have significant effects on oceanic mixing, climate change, the movement of submerged plankton, and the weathering of geological structures. This motion can be severe enough to create natural hazards such as submarine tsunamis in the ocean. These could also even occur in large lakes. The present work aims to contribute to this knowledge base by studying internal wave propagation on a shallow continental shelf following a particular marine impact. A series of laboratory experiments were conducted in order to clarify the movement of an interfacial solitary wave across a uniform slope and a horizontal plateau forming a slope-shelf topography. The results obtained from test runs indicate that the wave maintains its strength, having a direct impact on the natural ecology of the local oceanic environment. Comparison with different seabed topographies is also presented to demonstrate the propagation of an internal wave over a trapezoidal barrier. A better fitting and more appropriate model is employed to examine the relationship between the physical parameters for better predicting the evolution of an internal solitary wave as it moves over a trapezoidal obstacle on a horizontal plateau.     

北太平洋Rossby波研究进展

系统地阐述了北太平洋Rossby波在卫星观测、理论扩展及模型应用3个方面的研究成果.随着卫星观测技术的发展,明显地探测到海表面信号的Rossby波特征,且观测到波速在热带外大于自由Rossby波理论值.为解释这个波动加速现象,在自由Rossby渡理论的基础上,考虑了大气强迫、非静止基流及海底地形等因子的作用,使得Rossby波的波动理论得到了扩展.而关于风应力强迫Rossby波的线性理论模型主要有3类:一阶斜压Rossby波模型、局地Ekman抽吸模型和Svetdrup平衡模型.这些模型被广泛地应用到北太平洋海表面高度和温度/密度跃层深度等要素变化的机理研究中,得到了不同的模型在大洋的不同区域有不同的作用等结论.最后,对线性Rossby波研究存在的问题进行了初步探讨,提出了需要进一步解决的新课题.     

内波单独作用形成的深水沉积物波

深水沉积物波是一种海底普遍发育、规模较大的波状沉积体,大多数学者将它们解释为等深流沉积或浊流沉积。本文结合内波理论的研究进展，考虑内波沉积作用的水动力学特征，探讨了深水沉积物波的内波成因机制。得出以下几点认识：①海底流动单独作用无法满足沉积物波形成所需的流动层厚度及流动速度，较难解释沉积物波的迁移方向及规则的内部及外部形态。②内波可以引起海底流动，内波比表面波更容易形成更大规模范围内的沉积床形。③内波可以形成大型沉积物波，用内波可以较合理地解释内波的对称波形单元、非对称波形单元及上攀波形单元的成因。波动面离海底距离较大的行进内波及内驻波可以形成对称波形的沉积物波；波动面离海底距离较近的行进内波及内孤立波可以形成非对称波形的沉积物波；内波引起的海底流动进一步增强时，可形成上攀波形沉积物波。④行进内波可以形成向内波传播相反方向迁移的沉积物波，向海盆内部传播的内波可以形成向上坡方向迁移的沉积物波。     

塔中地区中晚奥陶世内波、内潮汐沉积

现代海底普遍发育由内波、内潮汐引起的深水牵引流,内波、内潮汐不仅可形成各种厘米级的深水牵引流沉积构造,还可建造千米级的大型沉积物波。这种大型沉积物波既可沿斜坡向下迁移,也可沿斜坡向上迁移。在古代地层记录中已发现各种厘米级的内波、内潮汐沉积单元,但尚未发现内波成因的大型沉积物波。塔中地区中上奥陶统碎屑岩段内发育内波及内潮汐形成的各种牵引流沉积构造单元。通过详细的岩心观察,识别出 4种内波、内潮汐沉积微相类型及 5种基本垂向沉积层序。此外,通过地震剖面分析,在研究区中上奥陶统陆坡相中识别出顺坡向上迁移的大型沉积物波,该沉积物波的特征与现代海底发育的沉积物波的特征类似,运用内波理论可对其成因进行合理的解释。     

Review of the Seabed Sediment Resuspension by Internal Solitary Wave

Internal Solitary Waves (ISWs) are nonlinear, large amplitude motions of the interface between two fluids with different densities in the stratified ocean. Because of their strong vertical and horizontal current velocity, and the vortex, turbulent mixing caused by breaking, they affect marine environment, seabed sediment and man-made structures in the ocean. In the paper, we systematically analyzed and summarized the ISW-induced shoaling break mechanisms, models of suspension, and seabed dynamical response. Then, we discussed the ISW-induced sediment resuspension criteria, forming bottom and intermediate nepheloid layer and the capacity to suspend sediments in the seabed, and further put forward the unsolved problems based on the conducted work and related achievements. In shallow seas with complex terrain variations, shoaling can cause ISWs to deform, break, and split. Studies on the propagation of ISWs of depression over sloping topography have shown that an adverse pressure gradient causes the rotation of the flow separation, which produces vortices, and this results in global instability of the boundary layer and ISW burst. The separation vortices increase the bottom shear stress, vertical velocity, and near-bottom Reynolds stress, which leads to sediment resuspension and transport in the flow and vortex core. Although episodic, ISW-induced resuspension is hypothesized to be important enough to shape the topography. Shoaling ISWs may erode, resuspend and transport mud-like sediments, first towards shore by boluses, and subsequently offshore through the generation of intermediate nepheloid layers. Shoaling ISWs might be an important mechanism of muddy sediment dispersal along continental shelves. Furthermore, recent hypotheses suggest that sediment mobilization and transport caused by internal waves in general, and ISWs in particular, may be at the origin of some sedimentary structures found in the sedimentary rock record and also the hummocky-cross stratification. Observed on-shelf propagating frontal ISW most likely interacts with the sand waves, sediment waves or sand dunes. ISWs contribute to their generation, as they are trailed by considerable shear-induced turbulence and high-frequency internal waves close to the buoyancy frequency. This work is of great value for further understanding the process of ISW-induced sediment resuspension, transportation, and the capacity to suspend sediments in the seabed. It helps further study of the dynamic process of marine ecological environment dynamic process by ISW and the deep sea sedimentation process.     

Geochemical clues to elucidate the tectonic environment of the Chamoli Volcanics, Lesser Himalayas, Uttar Pradesh, India

Geochemical data on the Chamoli Volcanics of the Garhwal Group suggest their strong affinity with oceanic tholeiites. However, the field relations and other geological information do not support this conclusion and indicate an epicontinental rather than eugeosynclinal environment of eruption. The lack of correlation of chemical data with geological setting precludes the possibility that these basalts are true ocean floor basalts. It is inferred that the Chamoli Volcanics with an oceanic tholeiite affinity were probably erupted as a result of initial rifting in the Proto-Tethys, which at that time was an intercontinental sea. The rifting was started during the depositional regimes of this intercontinental sea in which shallow water sediments were being deposited. Ocean type tholeiitic magma, guided by the rift zone, disrupted the cycle of sedimentation and gave rise to the development of the quartzite-lava sequence of the Chamoli Formation.