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Journal of Tropical Oceanography >

2025 , Vol. 44 >Issue 5: 12 - 21

DOI: https://doi.org/10.11978/YG2024002

Review

Construction and research prospect of an integrated geological hazards monitoring platform in southern coastal cities of Sri Lanka*

  • ZHAO Minghui , 1, 2 ,
  • SENANAYAKA Dasun 1, 2 ,
  • CHENG Jinhui , 1 ,
  • ZHOU Yong 1 ,
  • CAO Lingmin 1 ,
  • ZHAO Lei 4 ,
  • LUO Yao 3 ,
  • ZHANG Zhenqiu 3 ,
  • PAN Gang 3 ,
  • THALDENA Nilmini 5 ,
  • ZHANG Jiazheng 1, 2 ,
  • ZHANG Yayun 1 ,
  • XU Min 1, 2
Expand
  • 1. State Key Laboratory of Tropical Oceanography, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
  • 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 3. China-Sri Lanka Joint Center for Education & Research, Chinese Academy of Sciences, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 511458, China
  • 4. State Key Laboratory of Lithospheric Evolution, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
  • 5. Geological Survey & Mines Bureau, Colombo 10100, Sri Lanka
CHENG Jinhui. email:

Received date: 2024-11-14

  Revised date: 2024-12-20

  Online published: 2025-01-17

Supported by

National Natural Science Foundation of China(42476059)

International Partnership Program of Chinese Academy of Sciences(059GJHZ2023104MI)

Fold

Abstract

Sri Lanka, an island nation, holds strategic importance as a key node in the Indian Ocean shipping routes. This paper delves into the unique geological structure of Sri Lanka, characterized by steep terrain and frequent geological hazards, against a backdrop of limited preventive capabilities. Commencing with an analysis of these geological structure, we highlight the pressing livelihood and welfare challenges caused by recurrent geological hazards. Subsequently, we underscore the urgency and feasibility of establishing a comprehensive geological monitoring platform in coastal cities to address these challenges. We then elaborate on a three-phase deployment strategy for this early geological hazard monitoring platform, demonstrating its practical application. Furthermore, we identify two critical scientific issues requiring immediate attention: (1) the tectonic evolution mechanism of Sri Lanka, and (2) the stability of shallow geological structures in coastal cities. To this end, we emphasize the necessity of utilizing the latest seismic data to focus on studies of geological and velocity structures in Sri Lanka's coastal areas. Establishing standards for geological stability assessment and analyzing the temporal and spatial variation characteristics of geological hazards will provide scientific evidence for effective hazard prevention. More importantly, a more comprehensive model of geological structure evolution will be built through multidisciplinary approaches, integrating petrology, geochemistry, geophysics, and geological dating. This research aligns with the Belt and Road Initiative by prioritizing geological hazard prevention and advancing fundamental research on geological structures, carrying profound scientific and strategic implications.

Key words： geological hazards; geological hazards monitoring platform; tectonic evolution; shallow structure stability; Sri Lanka

Cite this article

ZHAO Minghui , SENANAYAKA Dasun , CHENG Jinhui , ZHOU Yong , CAO Lingmin , ZHAO Lei , LUO Yao , ZHANG Zhenqiu , PAN Gang , THALDENA Nilmini , ZHANG Jiazheng , ZHANG Yayun , XU Min . Construction and research prospect of an integrated geological hazards monitoring platform in southern coastal cities of Sri Lanka*[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2025 , 44(5) : 12 -21 . DOI: 10.11978/YG2024002

斯里兰卡是连接南亚、中东和非洲贸易往来关键航线的重要支点与贸易生命线, 是海上“一带一路”的必经之地(刘宁 等, 2015)(图1a)。斯里兰卡临近赤道 (图1b), 属热带气候, 受季节性温度与降雨量影响剧烈, 其年降水量为750~2000mm, 且地形高差大, 岛上河流短小湍急(Gunatilaka, 2007)。斯里兰卡地质构造复杂, 发育有大量松散沉积层, 加之降水强度大、地形起伏剧烈, 导致滑坡、泥石流等地质灾害频发(Vanacker et al, 2007; Houser et al, 2009)。斯里兰卡位于印度洋北部, 同时存在巨大的地震海啸风险。2004年苏门答腊岛大地震所引发的海啸, 造成斯里兰卡3万多人死亡, 50多万人流离失所(Gunatillake, 2007)。
图1 21世纪海上丝绸之路的航线(a)和斯里兰卡重要沿海城市(科伦坡、加勒、马特勒)(b)

该图基于审图号为GS(2016)1665号的标准世界地图制作, 底图无修改

Fig. 1 The maritime routes of the 21st Century Maritime Silk Road (a) and important coastal cities in Sri Lanka (Colombo, Galle, Matara) (b)

随着经济发展, 城市基础建设增多, 在修建过程中大量人为的挖掘、建筑等活动, 对地质稳定性造成影响, 进一步诱发地质灾害, 导致重大工程的灾害风险增加。据不完全统计, 在1922—2015年间, 斯里兰卡共发生94起地质灾害事件, 其发生频率呈现出不规则增长趋势, 远超“一带一路”沿线多数国家的平均水平, 每年平均有75人因地质灾害受伤, 292人不幸身亡(杨冬冬 等, 2020)。然而, 斯里兰卡的城市基础地质研究十分薄弱, 地质灾害监测平台几近空白, 因此亟需加强地震灾害的科学防控和提升地质灾害的防御能力。
近年来, 以“构建人类命运共同体”理念为指引, 践行“一带一路”倡议的国家战略, 积极呼应《斯里兰卡十年发展规划(2021—2030)》内容, 依托中国科学院中国-斯里兰卡联合科教中心(简称中-斯中心), 以中国科学院南海海洋研究所为代表的中国科研机构, 为促进中斯科技、教育与文化的广泛交流, 开始对印度洋进行定期、定点观测, 正在推进多领域、全方位合作。目前已与斯里兰卡合作, 共同建立了热带东印度洋观测系统, 开展海域风、浪、流场现场观测。尽管如此, 面对沿海地区的主要城市如科伦坡、加勒、马特勒等的地质灾害频发问题, 斯里兰卡的防灾减灾能力仍然不足, 亟须开展以地震、滑坡、海啸等海洋灾害为主的研究工作, 为沿海地区提供更新的地质结构稳态和风险评估, 提升斯里兰卡大中城市应对自然灾害的能力及在快速建设发展过程中的抗灾能力。
综上所述, 开展沿海城市浅层结构探测, 深入研究其浅层地质结构, 评估其潜在地质灾害, 不仅能够促进互联互通和互利共赢的海洋发展战略, 还能够在斯里兰卡建立一个稳固高效的战略支点, 同时提升中国在印度洋科学与海洋灾害研究领域的领导力和国际影响力。因此, 本文详细介绍了斯里兰卡的地质构造背景, 介绍了斯里兰卡综合地质灾害监测平台3个阶段的建设过程与重要进展, 并根据前人的研究成果提出了目前亟需解决的科学问题, 对斯里兰卡综合地质灾害监测平台建设的未来工作提出了设想。

1 斯里兰卡地质构造背景

斯里兰卡是一个岛屿国家, 位于印度半岛东南部, 与印度南端通过保克海峡隔海相望, 其南北最长434km, 东西最宽225km, 全国面积约65610km2 (图1b)(吴良士 等, 2014)。斯里兰卡虽然构造轮廓较简单, 但其地质演化历史较长, 大部分基底岩石形成于前寒武纪时期(Kröner et al, 1987; Zhao et al, 2023)。斯里兰卡地质演化的显著特征是东、西冈瓦纳大陆的碰撞拼贴诱发的高温-超高温麻粒岩相变质作用, 这与南印度、马达加斯加和坦桑尼亚的喀拉拉孔兹岩带(Kerala Khondalite Belt, KKB)相似(Athauda et al, 2024)。斯里兰卡是东冈瓦纳大陆(印度、南极洲、马达加斯加和澳大利亚)的一部分, 位于东非和南极洲块体之间, 是两者之间的桥梁(Wang et al, 2019), 在冈瓦纳大陆时期处于核心构造部位(Mathavan et al, 1999; 赵磊 等, 2021)。在冈瓦纳大陆解体过程中, 印度和斯里兰卡一同经历了拉张作用, 导致斯里兰卡在冈瓦纳大陆期间与印度一起向北漂移张裂运动, 随后发生了随着印度板块向北移动并与欧亚大陆欧亚板块发生碰撞(Sumanarathna, 2018)。
根据岩石变质程度和同位素特征, 斯里兰卡前寒武纪基底被划分为4个地质体(图2a): 万宁杂岩(Wanni complex, WC)、卡杜甘纳沃杂岩(Kadugannawa complex, KC)、高地杂岩(highland complex, HC) 和维贾延杂岩(Vijayan complex, VC)。这些地质单元共同经历了新元古代-寒武纪麻粒岩相(局部角闪岩相)变质改造过程(Milisenda et al, 1988; Cooray, 1994; Mathavan et al, 1999)(图2)。Milisenda 等(1994)推测斯里兰卡的杂岩地体(complex)具有互不同的前寒武纪地质演化过程, 它们在新元古代冈瓦纳大陆碰撞汇聚期拼贴到一起(图2b)。然而, 前寒武纪多个杂岩地体在岩石成分、时代和变质级别等方面存在明显差异, 不同地体之间不具有亲缘性, 但不存在明显的地体界线, 导致几个地体之间的划分边界存在分歧(Hölzl et al, 1994; Kehelpannala, 2004; Wickramasinghe et al, 2024)。
图2 斯里兰卡4个主要构造单元(a)和斯里兰卡多地体增生的构造演化模式图(b)[根据Kehelpannala (2004)修改]

图a 基于审图号为GS(2016)1665号的标准世界地图制作, 底图无修改。图b中的绿色实线表示俯冲板片; 绿色虚线表示俯冲残留板片; 灰色箭头表示俯冲方向; 红色楔形表示岩浆活动。WC表示万宁杂岩, KC表示卡杜甘纳沃杂岩, HC表示高地杂岩, VC表示维贾延杂岩

Fig. 2 The four major tectonic units of Sri Lanka (a) and the tectonic evolution model of multi-complex accretion in Sri Lanka (b). [modified from Kehelpannala (2004)]

斯里兰卡随印度板块一起从冈瓦纳古陆向北漂移的过程中一直处于隆升状态, 经历了长期的风化剥蚀作用(Milisenda et al, 1994)。直至中生代中期冈瓦纳古陆边缘发生破裂, 使其基底发生仰冲, 在盖层出现小规模坳陷, 接受了少量的侏罗纪和新近纪的沉积, 因而造就了现今区域性地势差(图2a): 中央为山地与高原, 沿海地区为丘陵与平原的地貌景观(Sumanarathna, 2018)。现今全岛90%的地表出露的是前寒武纪沉积-变质岩系, 而其四周为中、新生界盖层, 沿海地区发育更新世—全新世沉积地层(Kröner et al, 1991; Amalan et al, 2018)。第四纪更新世的沉积物主要分布在西部及西北部, 主要为以砂砾层; 而在西南部则主要为少量的红土层, 这些红土层属于残积堆积层, 覆盖在中新统与前寒武纪地层之上(Dushyantha et al, 2019)。全新世的沉积物主要分布于主干河流的河谷两侧, 由冲积作用形成, 包括砂、粉砂和黏土, 东部拜蒂克洛和西部普塔勒姆至科伦坡之间的沿海区域, 则广泛分布着由冲积和潟湖作用形成的黏土、粉砂和砂(吴良士 等, 2014)。

2 沿海城市地质灾害监测平台建设及重要进展

为了满足浅层地质结构研究的需求, 通常需要采用观测成本相对较低、布置灵活、可以密集的短周期流动的地震台阵进行观测, 这类观测周期的持续时间一般需要20d至1个月。相比之下, 布设宽频带地震台阵, 台站间距通常大于10km, 观测周期一般需要周期长达1~2a, 而且宽频带地震仪一般价格较为昂贵, 高经济成本和耗时的客观条件, 限制了宽频带地震台阵观测的广泛应用。近年来, 小型化低功耗的一体化便携式数字地震仪得到了快速且广泛的应用, 单台价格仅相一台宽频带地震仪的二十分之一。仪器成本的大幅度降低, 使得高密度地震台站的观测部署成为可能, 台间距可减少至1km, 并且观测时间周期缩短至1个月左右(彭朝勇 等, 2014)。这种密集短周期地震观测技术既保证了浅层地质结构探测精度, 又兼顾了成本效益(Picozzi et al, 2009), 已经在城市及灾害区域结构研究中广泛应用。如: 利用水平垂直向谱比法(horizontal-to-vertical spectral ratio, HVSR)的H/V值对地层稳定性进行评估(Parolai et al, 2002; Fäh et al, 2003); 利用HVSR法的微震测量(Mascandola et al, 2017; 宗健业 等, 2020); 利用密集台阵背景噪声成像获得城市浅层三维精细S波速度结构(Li et al, 2016)等。这些技术的应用为城市地质灾害风险评估与安全建设提供了宝贵的科学依据, 发挥了重要作用。
针对斯里兰卡复杂的地质构造环境和薄弱的抗灾减灾能力, 在中-斯中心资助与支持下, 2020年中国科学院南海海洋研究所成立了“地质结构探测与地质灾害团队”, 装备了14台短周期地震仪及2台宽频带长周期地震仪, 采用密集短周期台阵与宽频带地震台站相结合的布设方法, 不断完善综合地质灾害监测平台。
综合地质灾害监测平台建设主要分为3个阶段:
第一阶段: 零散分布试验测试阶段。2020—2022年期间, 研究团队在马特勒卢胡纳大学农学院校区内共布设4台短周期地震仪(图3), 短周期地震仪型号为UGL-3C短周期4G地震仪, 由合肥国为电子有限公司研发, 频带宽度为0.15~1600Hz, 采样率100Hz。该款地震仪数据可借助4G网络实现数据实时传回, 试验期间累计记录到马特勒地区180d连续的背景噪声信息。图3c为试验期间记录到的两台站背景噪声信号, 两台站均记录到来自同一噪声源的信号, 波形基本一致, 为有效的背景噪声信号, 可为未来的背景噪声成像工作提供数据基础。
图3 综合地质灾害监测平台第一次布台试验及台站记录的背景噪声信号

a. 卢胡纳大学农学院校区卫星图与4个台站(215—218)位置; b. 台站布设现场; c. 216、217台站记录的同一噪声源波形

Fig. 3 The first deployment experiment of the integrated geological hazards monitoring platform and the background noise signals recorded by the stations. (a) Satellite image of the Faculty of Agriculture campus, University of Ruhuna, with the locations of the four stations (215—218); (b) on-site station deployment; (c) waveforms of the same noise source recorded by stations 216 and 217

第二阶段: 沿二维剖面的台阵监测阶段。研究团队在前期试验的基础上, 2023年5月在斯里兰卡沿海城市马特勒开展了连续地震观测试验。该次试验布设了9台短周期地震仪, 组成了一条二维测线(图4)。短周期地震仪型号为磐龙地震仪, 由深圳核幔海洋科技有限公司研发, 频带宽度为4.5~500Hz, 采样率100Hz, 台站间隔为0.5~8.5km, 地震观测区域为马特勒主城区南北向干道, 由于城市土地所有权等原因, 部分台站位置略有偏移。该次地震试验观测时间为30d, 记录到多个天然地震数据及连续背景噪声波形数据。图5展示了04台站记录的里氏4.4级(ML=4.4)地震的地震波形, 该地震发生在2023年4月24日19:15 (世界标准时间), 震中位于汉班托特南部海域, 即图4中左上角区域图中的五角星位置, 是近十年来发生在斯里兰卡的最大地震(Sassa et al, 2023)。
图4 沿海城市马特勒附近二维地震台站观测阵列(a)和地震位置与观测阵列位置(b)

该图基于审图号为GS(2016)1665号的标准世界地图制作, 底图无修改。图b中的黑色方框表示图a范围

Fig. 4 The two-dimensional seismic observation array near the coastal city of Matara (a); locations of the earthquake and observation array (b)

图5 04台站记录的地震(ML=4.4)三分量波形信号

该地震发生在2023年4月24日19:15 (世界标准时间), 震中位于汉班托特南部海域。04台站位置及地震位置见图4。S表示地震横波到时; P表示地震纵波到时

Fig. 5 Three-component waveform signals of the earthquake (ML=4.4) recorded at station 04. The earthquake occurred on April 24, 2023, at 19:15 (UTC), with its epicenter located in the sea south of Hambantota. The locations of station 04 and the earthquake are shown in Fig. 4

第三阶段: 密集短周期台阵与宽频带台站共同监测阶段。2024年7月, 研究团队基于前期短周期监测基础, 在中-斯中心的室外位置搭建了完备的太阳能供电系统, 布设了1台长期观测的宽频带地震台站CSL_CER_01 (图6), 且已实现长期观测。宽频带地震仪的型号为Trillium Horizon120, 频带宽度为120s—50Hz, 可用于近震和远震研究, 相较于前两个阶段布设的短周期地震台站, 宽频带地震仪记录的数据质量更高, 地震信号更加丰富全面。并拟与斯里兰卡地质调查矿产调查局合作, 争取再将1台宽频带地震仪建设成为固定台站(CSL_CER_02), 纳入国际地震平台, 数据拟向全球科学界开放共享。由此, 斯里兰卡全域固定地震台站将由原来4台(HALK、BULK、MALK、PALK)(图6b), 后期拟增加到6台。
图6 CSL-CER_01宽频带地震仪现场布设情况(a)和斯里兰卡固定地震台位置(b)

该图基于审图号为GS(2016)1665号的标准世界地图制作, 底图无修改

Fig. 6 Field deployment of the CSL-CER_01 broadband seismometer (a) and locations of fixed seismic stations in Sri Lanka (b)

截至目前, 沿海城市综合地质灾害监测平台已经取得初步试验成果, 正在不断地完善中, 已获得了大量地震波形与背景噪声数据, 为研究区浅层地质结构研究提供了台站建设经验和数据基础, 有望解决研究区浅层地质结构与地质灾害相关的重大民生问题, 同时为沿海城市的工程建设和防灾减灾提供科学依据。

3 未来迫切需要解决的科学问题

3.1 斯里兰卡地块的构造演化机制是什么?

斯里兰卡是全球板块运动和地壳活动最为强烈的区域之一, 其复杂的地质构造演变历史经历了由多个前寒武纪杂岩地体相互碰撞拼贴的过程。斯方曾与德国科学家合作(Dreiling et al, 2020), 利用环境噪声互相关和接收函数的瑞利波相位弥散曲线联合反演方法, 观测结果认为, 斯里兰卡下方莫霍面深度在30~40km, 构造单元高地杂岩下方的地壳最厚(38~40km), 在西海岸发现最薄的地壳(30~35km), 该处地壳变薄与马纳尔盆地(Mannar basin)形成有关。地震波纵横波速比为1.60~1.82, 主要以长英质到中等的地壳成分, 且岩石中二氧化硅含量很高。高地杂岩中心的低速带可能是由推进过程产生的流体涌入引起的(Dreiling et al, 2020)。
地震各向异性是指地震波在传播过程中, 其速度或其他特性在不同方向上表现出差异的现象, 其形成与地球内部的矿物排列、裂隙分布、应力场等密切相关。获取地震各向异性已成为研究上地幔结构和与地壳的耦合的一种有效手段(Cao et al, 2024)。开展地震各向异性研究, 将能进一步明确斯里兰卡下方是否存在双层各向异性。此外, 基于快速极化方向, 也将为开展冈瓦纳大陆裂解研究提供地震学依据, 并为斯里兰卡与冈瓦纳大陆、与欧亚板块之间的构造演化关系提供证据。这些属于迫切解决的科学前沿问题。

3.2 沿海城市浅层地质结构的稳定性如何?

斯里兰卡地形起伏剧烈, 浅层结构松散, 导致其沿海区域地质灾害频发。在前期地震探测试验工作的基础上, 将来继续依托中斯中心, 构建斯里兰卡沿海综合地质灾害监测平台, 包括短周期密集台阵观测和长周期宽频带地震平台监测(图7)。布设50台次短周期监测台站, 间距约1~2km, 每个台站获取有效的连续记录时间不少于20d, 同时努力将长周期宽频带地震台站(CSL_CER_01和CSL_CER_02)加入世界地震台网, 发挥更大的数据共享作用。处理分析环境背景噪声和地震事件信息, 从而探明斯里兰卡南部沿海城市的场地效应、速度结构特征和沉积层分布情况, 为城市整体工程扩建和防灾减灾工作提供基本科学依据, 并开展地质结构的稳定性评估与城市脆弱性评价, 指导港口等基础设施建设。
图7 斯里兰卡沿海城市综合地质灾害监测平台设想图

红色点为沿海重要城市, 黄色椭圆点为地震仪, 蓝色五角星为岩石样品采样位置

Fig. 7 Conceptual diagram of the integrated geological hazards monitoring platform for coastal cities in Sri Lanka

综合地质灾害监测平台还可以加强外海域的海底声学探测, 以及重点区域岩石样品的地球化学分析(图7), 评估斯里兰卡外海域是否存在地质滑坡、重力流等地质灾害的可能性, 阐明外海域地质结构稳定性。通过对重点区域的浅层地质结构研究、样品的地球化学测试及定年分析, 评估地形高差与气候变化引发泥石流的影响范围, 填补斯里兰卡地质灾害监测功能, 为斯里兰卡基础设施建设及地震、滑坡等地质灾害预防提供科学依据。

4 结论与展望

斯里兰卡独特的地质条件导致其地质灾害频繁发生。由于其薄弱的防灾减灾能力, 即使是常见的地质灾害往往导致严重的人员伤亡。因此, 本文提出了在其沿海城市建设综合地质灾害监测平台的可行性, 做了初步尝试, 获得了一些初步认识和对未来研究的设想。
1) 研究团队通过逐步推进的3个阶段的地震台站布设工作, 积累了野外工作经验, 获得了丰富的天然地震数据与研究区背景噪声数据。这些数据验证了构建斯里兰卡综合地质灾害监测平台的可行性。
2) 沿海地区地质结构稳定性评估至关重要。基于采集的第一手数据, 未来将聚焦研究斯里兰卡海域地质构造与速度结构, 提出沿海地区地质结构稳定性评估标准, 分析总结地质灾害的时空变化特征, 提出科学减灾措施, 为区域地质灾害和风险防范提供直接科学证据。
3) 发挥中国科学院科技创新的重要力量, 利用岩石学、地球化学、地球物理、地质定年等多学科交叉手段, 构建更为全面的斯里兰卡地质构造演化模型。这将有助于深入理解该地区的地质演化过程, 为地质灾害的预测和防治提供理论支持。
4) 促进两国中斯战略合作。通过项目合作不仅可以为斯里兰卡培养高端技术人才, 树立国际合作的良好范例。这将进一步增强两国在科技、教育和文化交流方面的合作, 推动双方在地质灾害研究和防灾减灾领域的共同发展。

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