A review on Coastal and Marine Geology Program of U.S. Geological Survey and some suggestions on coastal studies in China
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摘要:
美国地质调查局立足于地球系统科学专长，于1994年起领导并实施了国家海岸带和海洋地质计划（CMGP），旨在为海岸带繁荣提供地球科学信息和解决方案。CMGP统筹海陆，在实践中形成了"整合科学"的研究模式，以及"全国统筹规划，聚焦区域需求，湾区河口先导"的空间发展格局。CMGP结合问题导向和兴趣导向调整工作重点，聚焦五项科学需求：整合科学、全国统筹、地质过程、变化及灾害、生态服务，形成了相对稳定的四大研究方向。CMGP认为，海岸带问题的解决，需要向内陆扩展，向流域、山脉探寻地质作用根源，为此建立了"海岸省"的概念。借鉴美国地质调查局的经验，对中国海岸带地质研究提出四点建议：一是科学分区，二是湾区先导，三是技术创新，四是支撑修复。
Abstract:U.S.Geological Survey (USGS) occupies a unique niche by providing earth sciences expertise in coastal and marine researches.Since 1994, USGS has organized and implemented the National Coastal and Marine Geology Program (CMGP) by delivering geo-sciences information and solutions.For addressing the challenges, CMGP has coordinated the marine and the land, practiced integrated sciences, and forged a research pattern that aims at establishing the national framework, focusing on regional requirements, and initiating with pilot projects in bay areas and estuaries.Facing five major scientific problems, i.e., integrated sciences, national framework, geological processes, changes and hazards, and ecosystem services, in the coastal and marine research, CMGP has formed four research themes, which combine issues-driven and curiosity-driven researches.CMGP's philosophy for addressing the challenges on the air-sea-land interface is to build a concept of coastal and marine provinces by which researchers could expand the research area landward and could trace the geological processes forming drainage basin and mountains.Learned from successful operations of CMGP, the authors put forward some suggestions for coastal studies in China:considering the geological structure to divide the coastal zone, setting up pilot projects in bay and estuary areas, promoting investigation by using advanced technologies and supporting protection and restoration.
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表 1 CMGP技术方法体系
Table 1. Key technologies adopted by CMGP
类别 填图技术及服务 机载激光雷
达协作测量利用机载激光雷达协同开展工作，以实现USGS海岸带和海洋地质的目标，即通过技术、工具、数据和制图产品及合作机会来认识海岸带和海洋环境。已成功在佛罗里达、路易斯安那、北卡罗莱纳、德克萨斯、纽约等州和维京群岛实施海岸带地形测量，并在桑迪飓风、卡特里娜飓风过后对受灾地区进行了海岸带测量 用于沿海科
学的先进遥
感技术使用机载和水下仪器收集的数据来表征和分类海底地物的特征，成功的应用包括利用影像量化底栖生境的复杂性，模拟海底结构的复杂性，使用荧光签名对珊瑚礁栖息地进行分类 海底及岸线
测图系统使用测深和声学后向散射技术(多波束和干涉)，描绘海底地形，增进地质框架研究, 并有助于绘制海底沉积相。使用侧扫声纳影像，以获得表层沉积物分布。通过地震反射系统，获得海底及海岸带地质结构，以满足广泛的科学目标；通过各种测量、影像平台进行海岸线制图，理解海岸线动态变化过程。这些技术已在加州海底测绘计划、西海岸和阿拉斯加海洋地质灾害项目、海洋地貌学项目、旧金山湾海底项目中成功应用 路易斯安那
州沉积和环
境数据库该数据库作为美国地调局、州政府和其他科研机构合作的成果，整合了路易斯安那州的海量数据。内容如沉积物样品记录和分析数据、地球物理测井、光栅化成果图件、原始记录等，具备在线浏览和基于地理信息系统的空间数据处理和可视化功能 网络图件服
务器通过门户网站发布基于地理信息系统的海洋和陆域环境数据和图件。已形成三大海岸的多个基础数据集和各类专题数据集 类别 实验室分析测试手段 水中碳参数
定量化测定利用先进的设备和方法测量液相样品中的碳系统参数，主要是总碱度和总碳分析。使用Ocean Optics USB 2000光谱仪测定总碱度，使用UIC Model CM5014二氧化碳库仑流量计测定淡水和海水中的总含碳量 岩心分析和
描述装备有针对沉积物岩心和其他海洋样品的分裂、描述、拍摄和分样的多种设备。可测定多项简单物理特性，如颜色、沉积物类型、视觉颗粒尺寸、含水量和强度；可利用岩心劈开机分切岩心；通过X射线扫描确定精细尺度的生物和物理结构；可以通过制作涂片进行显微镜分析以确定沉积物成分；利用转动轻敲振动筛进行干燥粒度分析 天然气水合
物钻探分析利用乔迪斯·决心号大洋钻探船和陆上冻土钻探平台对天然气水合物进行采样，并直接调查其形成的环境。在钻井现场，可在压力环境下进行测试，以减少回收导致的样品改变；可通过保压或液氮运输，在专门实验室测量无法在井下获得的属性；也可通过实验室制造天然气水合物样品进行模拟研究。重要的实验分析技术有保压保温技术、声波速度测定、热性能测定、溶解度测定、沉积物测量、低温扫描电子显微镜、X-射线计算机断层扫描(CT)等 岩土力学
分析专门开展海洋、河口、湖泊和陆地沉积物的力学性质研究，包括对固结性、渗透率和剪切强度特性的全自动化计算机控制测试，以及利用全岩心测试采集系统对沉积层段进行非破坏性分析，特别是在海洋沉积物和地震断层的研究中更为有效 沉积物实验
室分析装备有测试海洋沉积物基本属性的多种设备。可通过库伦计和CHN分析仪进行有机碳、无机碳和总碳分析。可通过地球化学分析，开展毒性测试、汞浓度测定、有孔虫鉴定、花粉计数、氮同位素分析，以及有机和无机污染物浓度测定。可测量干燥沉积物样品的伽玛辐射衰减，确定样品年龄和沉积速率，也可通过放射性同位素测量(如Pb-210和Cs-137)估算沉积速率或对重金属污染的时间变化进行建模。通过生物硅分析，可研究生物硅通量，推演生态系统生产力 X射线衍射
分析研究晶体结构的特征及确定细粒沉积物的矿物组成 类别 现场调查仪器设备 地质雷达
(GPR)利用电磁波探测地下内部结构特征，通过多层土壤波阻抗差异得到反射剖面，可用于海岸带滑坡体结构探测、大峡谷沙坝的内部结构检测等应用 多传感器整
岩心测试采
集系统
(MSCL)提供全套海洋沉积物岩心或样本不同阶段的管理，以及物理化学指标的分析。包括冷冻、D形切割、存储，自动纵波速度测量、磁化率测量、电阻率和伽马密度测量、标准颜色分配、有机物分析等 沉积物运输
观测设施CMGP拥有多种仪器，用于长期测量海洋学参数(几天到一年)，包括与沉积物运输和沿海环流研究有关的各种参数，如流速、方向、温度、盐度、波浪、叶绿素、浊度、压力、沉积物浓度等几十项指标，以支持海洋、沿海和河口的研究 地面三维激
光扫描三维激光扫描可对研究现场进行高精度三维建模，提供大量点云数据以支持研究、建模、操作等，以及观察研究区域细微变化。可用于海岸线变化监测、地震引起的位移、形变等 面波谱分析
(SASW)测量地震时地面的震动程度，并确定地面是否可能发生液化。已开发出探测土壤沉积物刚度特征的地震勘查设备Velociraptor 类别 数据模拟和可视化 海岸变化灾
害门户网以在线、可视化的形式展示全美国关于亚热带风暴、极端风暴、海岸变迁和海平面上升的数据和知识 视频和照片
门户网门户网站整合并公开了数千部(幅)加利福尼亚州和马萨诸塞州沿海的海底视频和照片，以及沿墨西哥湾和大西洋中部海岸线的航拍影像 海岸和海洋
模拟由伍兹霍尔科学中心提供基于NetCDF数据和MATLAB建模工具的波浪、海流、沉积物、赤潮等的模拟、可视化和时间序列分析 海岸风暴模
拟系统
(COSMOS)可提前3天对风暴产生的水位、浪高、海岸侵蚀和洪泛灾害做出实时预测，并模拟一些历史风暴和假设场景 海-气-浪-
沉积物输送
耦合模拟系统
(COAWST)该系统提供了一个多模型耦合的工具包，在模型间交换数据，研究海岸带变化。集成的模型有：海洋模型ROMS、大气模型WRF、波浪模型SWAN，以及开发的“社区泥沙输送模型”。系统己用于北卡罗莱纳海岸变化过程项目 我们的海岸
我们的未来
项目(OCOF)一个用户导向的合作项目，为加利福尼亚州的管理、规划人员提供在线地图和工具，以帮助理解、可视化和预测海平面上升的影响和在风暴中的脆弱性。数据产品包括：2m分辨率的DEM、海岸风暴模拟系统、40种不同的海平面上升和风暴情景、旧金山湾的潮汐情景、交互式洪水制图等 海岸与海洋
地球科学数
据系统
(GMGDS)以网页的形式提供公开数据服务，在OGC标准体系框架下提供数据共享。通过数据整合、可视化和分析及元数据目录数据挖掘，以Geomapapp、Virtual Ocean等2D或3D地图浏览工具提供相关数据的服务，包含地震、侧扫声纳、水深、重力、磁力、激光雷达等数据 
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