劉世昊，豐愛(ài)平，李 平,2，杜 軍，胡維芬

(1. 國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061； 2.中國(guó)海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266001； 3. 中國(guó)科學(xué)院 南海海洋研究所，廣東 廣州 510301)

現(xiàn)今陸架中的埋藏古河道主要是晚更新世里斯、玉木冰期暴露于陸的古水文網(wǎng)系(河流、湖泊等)在隨后的海進(jìn)過(guò)程中，被沉積物充填而形成的一種限制性地質(zhì)因素。埋藏古河道是海洋工程地質(zhì)的主要研究課題之一，如在其之上進(jìn)行工程建設(shè)，容易引起地基不均勻沉降、沙土液化，甚至是滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，以致對(duì)工程建筑構(gòu)成威脅[1]。此外，它對(duì)于恢復(fù)地區(qū)古環(huán)境和構(gòu)筑區(qū)域海底地質(zhì)演化歷史的研究也有著重要的價(jià)值[2-4]，尤其在對(duì)河口地區(qū)三角洲的研究方面，為河口地區(qū)的沉積和侵蝕過(guò)程提供指示信息[5]。

黃河三角洲是世界上最為有特點(diǎn)的三角洲之一。它在歷史上經(jīng)歷多次改道，使得該區(qū)古河道、沖溝等限制性地質(zhì)因素叢生。勝利油田早期(1984-1988年)海上平臺(tái)鉆井曲折的過(guò)程被學(xué)者們認(rèn)為就與這類災(zāi)害有關(guān)[6]。本研究綜合利用多種調(diào)查手段，對(duì)研究區(qū)近300 km的淺地層剖面資料尤其是0～50 m的淺剖資料進(jìn)行分析，結(jié)合前人的鉆孔資料，揭示黃河水下三角洲區(qū)域埋藏古河道斷面形態(tài)、分布規(guī)律，研究古河道充填物的工程特性，并初步探究河道發(fā)育的第四紀(jì)環(huán)境。

1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)特征與地層

黃河三角洲位于濟(jì)陽(yáng)斷陷和程寧隆起之間，屬于渤海盆地這一沉積旋回體系。黃河三角洲在這一復(fù)式疊加型盆地的東部[7]，其形成與演化都與渤海盆地的演化過(guò)程息息相關(guān)。隨著1855年黃河北歸至東營(yíng)入海后，在套兒河與支脈之間形成了復(fù)雜的三角洲體系，其陸上面積約5 400 km2，水下三角洲可延伸至15 m水深[8]。本研究區(qū)域主體位于以東營(yíng)海港(38°5′10.44″N，118°57′21.57″E)為中心，南至現(xiàn)代黃河口近萊州灣地區(qū)(37°44′3.28″N，119°15′46.78″E)，北達(dá)近渤海灣地區(qū)(38°18′7.94″N，119°8′48.32″E)的海域。研究區(qū)所在的渤海灣南部，現(xiàn)代黃河口以北的海域50 m以淺地層中存在兩條侵蝕不整合界面，是沉積環(huán)境發(fā)生變化的標(biāo)志。

根據(jù)鉆井巖心資料和淺地層資料[7,9-10]，黃河三角洲全新世及晚更新世沉積序列自下而上為：陸相層、潮坪沉積、淺海沉積、三角洲沉積。其中，0～50 m主要為淺海沉積、潮坪沉積，上部為三角洲沉積。由南至北展布，水平層理顯著。根據(jù)沉積物物質(zhì)成分、微體古生物有孔蟲豐度及地層年代信息大致可將其劃分為6個(gè)亞層：0～13.97 m，13.97～17.21 m，17.21～20.79 m，20.79～29.66 m，29.66～40.45 m，40.45～53.87 m。這些亞層的厚度在局部地區(qū)可能由于沉積環(huán)境的差異而存在著誤差。

通過(guò)對(duì)研究區(qū)淺地層剖面資料反射結(jié)構(gòu)的分析，研究區(qū)50 m以淺地層自上而下可劃分為A、B、C三套地層，分別對(duì)應(yīng)三角洲相、濱海相以及濱海-潮坪相三種沉積相。3套地層之間存在著R1、R2兩個(gè)強(qiáng)反射界面，由南至北貫穿整個(gè)研究區(qū)。C層根據(jù)期間埋藏古河道、侵蝕殘留體等分布情況以及反射界面特征可進(jìn)一步細(xì)分為C1、C2、C3、C4四層，其分界界面為反射界面R3、R4、R5(圖1)。本研究所劃分的層序與成國(guó)棟等[9]1987年的地層資料吻合，從聲學(xué)地層的角度驗(yàn)證了前人的鉆孔資料。

圖1 研究區(qū)反射界面與層組Fig.1 The reflection interfaces and bed sets in the study area

研究區(qū)內(nèi)古河道大多發(fā)育于B、C1、C2層，其中B層淺海相沉積層由于層厚小，部分河道深切切至C1層。A層發(fā)育大量現(xiàn)代沖溝和潮流通道，其中大多數(shù)已被沉積物覆蓋。C3、C4層中零星發(fā)現(xiàn)古河道斷面。R1界面在多處表現(xiàn)為侵蝕不整合界面伴生軟弱夾層，或有侵蝕殘留體露頭至A層，界面上埋藏古河道、沖溝、潮流通道等限制性地質(zhì)因素最為發(fā)育。

2 埋藏古河道斷面分布規(guī)律及形態(tài)特征

2.1 埋藏古河道斷面分布規(guī)律

黃河三角洲上河汊散亂，廢棄河道密布。研究區(qū)50 m以淺的各沉積相地層中都發(fā)育著古河道。從地理位置上來(lái)看，它們屬于古黃河水系。根據(jù)沉積環(huán)境的差異，可將研究區(qū)內(nèi)埋藏古河道劃分為：三角洲相埋藏涌道、濱海相埋藏古河道、濱海-潮坪相埋藏古河道和潮坪相埋藏古河道，它們分別對(duì)應(yīng)淺地層剖面資料上的A層、B層、C1層以及C2～C4層。

圖2 各層古河道斷面分布及分區(qū)Fig.2 The section distribution and partition of the ancient channels in each stratum

研究區(qū)內(nèi)埋藏古河道集中于濱海相和潮坪相地層中，發(fā)育規(guī)模一般較小，多為“U”型或“V”型河槽斷面，在空間分布上存在顯著的分區(qū)特性(圖2b、c、d)：研究區(qū)中部及中部偏東南區(qū)域，古河道斷面多成“U”型，河道較寬(達(dá)200～400 m)，部分地區(qū)呈辮狀河斷面(圖5)；東南部及西北部區(qū)域，古河道斷面較為零星，多成“V”型，河道較窄(不足100 m)，并表現(xiàn)為侵蝕河谷斷面。A層中的沖溝和潮流通道離岸較遠(yuǎn)，延伸長(zhǎng)度較短，分布較為散亂(圖2a)。C3、C4層僅在現(xiàn)代黃河口附近發(fā)現(xiàn)零星古河道斷面(圖2e)。

2.2 埋藏古河道斷面形態(tài)特征

根據(jù)Leopold[11]的河流分類方法，古河道劃可分為順直型、彎曲型和辮狀型三類。與之相對(duì)應(yīng)的，在聲學(xué)地層的橫斷面上分別分為對(duì)稱型、不對(duì)稱型和復(fù)雜型三種古河道斷面[1]。在本研究區(qū)內(nèi)，上述3種古河道斷面均被發(fā)現(xiàn)，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了埋藏河流階地段面。

1)對(duì)稱性古河道：斷面邊界輪廓上河谷兩側(cè)邊坡坡度大致相等，河谷底部平緩或尖窄，斷面形狀多呈“U”型或“V”型。對(duì)應(yīng)Leopold的河流分類方法中的順直型河流，往往是古河系中的支流和汊流。反映河流剛剛進(jìn)入青年期，其小型分支河流在快速的海進(jìn)時(shí)期產(chǎn)生溯源堆積而形成。該類型古河道斷面在研究區(qū)內(nèi)最為常見，在各種沉積相的河道斷面中都占有較大比例。研究區(qū)內(nèi)順直型古河道規(guī)模一般較小，河寬不大于200 m，河深不超過(guò)10 m(圖3)。

圖3 對(duì)稱型古河道Fig.3 Symmetrical ancient channels

2)不對(duì)稱型古河道：古河道斷面邊界輪廓表現(xiàn)為一邊較緩，一邊較陡，河谷底部有一定坡度。反映河流長(zhǎng)期處于橫向擺動(dòng)狀態(tài)，標(biāo)志著河流已經(jīng)發(fā)育成熟。根據(jù)河流動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論，河谷陡坡一側(cè)為侵蝕岸，緩坡一側(cè)為堆積岸，靠近邊灘淤積區(qū)，也是河流點(diǎn)壩側(cè)向加漫灘發(fā)育岸。研究區(qū)內(nèi)不對(duì)稱古河道發(fā)育較少，主要發(fā)育于研究區(qū)中部河流相沉積層中，斷面規(guī)模普遍大于對(duì)稱性古河道，河寬多達(dá)200～400 m，河深一般超過(guò)10 m，但本區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)超過(guò)20 m的深切河流(圖4)。在本區(qū)該類型河流構(gòu)成其他支、汊流的干流。

圖4 不對(duì)稱古河道Fig.4 Asymmetric ancient channels

3)復(fù)雜型古河道：古河道斷面邊界輪廓呈強(qiáng)反射，由2個(gè)或是多個(gè)河槽斷面組成，往往是河流分汊成辮狀河而形成，也可能是曲流河發(fā)育多槽或多期河道而形成。在一定程度上可以揭示河流的多期沉積性質(zhì)。本區(qū)復(fù)雜型古河道多個(gè)河槽斷面往往大小不一，由侵蝕作用形成，河流下切程度不一，河槽斷面整體上較對(duì)稱性古河道斷面小，河寬一般不超過(guò)150 m，少部分可達(dá)200 m，河深一般不超過(guò)10 m(圖5)。復(fù)雜型古河道幾乎都位于研究區(qū)中部，屬于不穩(wěn)定的平原辮狀河。

圖5 復(fù)雜型古河道Fig.5 Complex ancient channels

4)埋藏河流階地?cái)嗝妫汉恿麟A地是在河流下切和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)隆升下共同作用形成的呈階梯狀的地貌形態(tài)。研究區(qū)38°0′36.0″N、119°2′24.0″E(圖2)濱海-潮坪相C2地層內(nèi)發(fā)現(xiàn)一個(gè)規(guī)模較小的三級(jí)河流階地?cái)嗝?，其二?jí)階地高出一級(jí)階地5 m，二級(jí)階段寬約180 m，三級(jí)階地高出二級(jí)階地3 m(圖6)。河流階地是在河流下切作用下形成的，并且河流階地具有由上至下，地層越新，對(duì)應(yīng)于之上的河道形成越晚的性質(zhì)。

圖6 埋藏三級(jí)河流階地Fig.6 Buried three-level river terrace

3 古河道沉積特征及其第四紀(jì)環(huán)境分析

3.1 古河道沉積特征及其工程意義

盡管埋藏古河道斷面形態(tài)特征和空間分布規(guī)律反映了古河道的橫向展布、下切深度、發(fā)育階段以及環(huán)境條件，但是想要揭示古河道的工程性質(zhì)和災(zāi)害地質(zhì)意義，還得分析河槽內(nèi)充填物的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)古河道充填物聲學(xué)結(jié)構(gòu)的不同，古河道充填物聲學(xué)反射特征分為雜亂型反射、前積型反射、發(fā)散型反射或上超型反射四個(gè)類型[12]。結(jié)合鉆孔資料，可初步判斷埋藏古河道災(zāi)害的工程性質(zhì)。

1)雜亂型反射。在研究區(qū)內(nèi)發(fā)育于對(duì)稱型古河道底部，是汛期洪水帶來(lái)的滯留沉積，呈雜亂堆積(圖7a)。研究區(qū)內(nèi)充填該類型沉積物的河槽斷面較少，分布較為散亂，多發(fā)現(xiàn)與C1、C2層淺海-潮坪相和部分的河流相地層中。充填物分選差，物質(zhì)成分粗至漂石、卵石、礫石、粗砂，細(xì)至粘土。該類型充填物一般較為密實(shí)，承載力較好，可用作一些工程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的持力層。但在研究區(qū)內(nèi)，該類型充填物分布不均勻，又與周邊地層有著顯著的差異，對(duì)海洋工程的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)會(huì)帶來(lái)不小的麻煩，也是需要考慮的災(zāi)害因素之一。

2)前積型反射。在研究區(qū)內(nèi)發(fā)育于不對(duì)稱古河道斷面較緩一側(cè)的邊坡上，即邊灘或河漫灘堆積，構(gòu)成脊槽相間的弧形堆積體系(圖7b)。研究區(qū)內(nèi)充填該類型沉積物的河槽斷面較少，多見于C2層河流相沉積地層中的不對(duì)稱古河道斷面上。充填物比較復(fù)雜，主要為砂土，同時(shí)也會(huì)包含礫石層，上部往往發(fā)育較細(xì)的砂或粉砂夾粘土層，下粗上細(xì)，發(fā)育槽狀交錯(cuò)層理。河流階地堆積也表現(xiàn)為這種反射類型。物質(zhì)成分主要為細(xì)砂、砂質(zhì)粘土和粉土。其工程性質(zhì)：邊灘、河漫灘堆積雖然分選較差，但是密實(shí)程度較好，承載力高，地層結(jié)構(gòu)面一般水平或微傾，不易誘發(fā)隨層面錯(cuò)動(dòng)的地質(zhì)災(zāi)害，可用作持力層。河流階地堆積平面分布平穩(wěn)，基底往往為河漫灘相，因而工程性質(zhì)較好，可用作持力層。因此，在工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，往往忽略其對(duì)工程基礎(chǔ)的影響。

3)發(fā)散型反射或上超型反射。上超型反射又稱作平行或亞平行反射，在研究區(qū)內(nèi)多見于對(duì)稱性河道斷面和復(fù)雜型古河道斷面(圖7c、圖7d)。本區(qū)約80%以上的河道斷面表現(xiàn)為發(fā)散型或是上超型的反射特征，廣泛分布于濱海相和潮坪相地層中，沉積物主要為分選型較好的細(xì)砂和粉砂，屬于河口溯源堆積類型?？梢姳緟^(qū)在海進(jìn)過(guò)程中，處于古河道河口地段。由于溯源堆積孔隙度大，易產(chǎn)生沙土液化，屬于不良工程地質(zhì)條件，因此在本區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，應(yīng)避免使用該類型充填層作為工程建筑物的地基使用。

圖7 古河道填充物聲學(xué)反射特征Fig.7 The acoustic reflection characteristics of the fillings in the ancient channels

埋藏古河道根據(jù)其充填沉積物的種類、孔隙大小、填充方式、上下界面的整合關(guān)系的不同，易產(chǎn)生不均勻沉降、局部塌陷、沙土液化等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)生活生產(chǎn)造成威脅。本區(qū)埋藏古河道大部分由河口溯源堆積充填，工程地質(zhì)條件差，易產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)盡量避免在古河道上進(jìn)行施工建設(shè)。

3.2 古河道第四紀(jì)環(huán)境分析

河口三角洲地區(qū)屬于海陸過(guò)渡帶，受控于海陸交互作用，對(duì)環(huán)境變化極其敏感。從末次冰期以來(lái)一直至全新世，氣候變化導(dǎo)致的海平面升降交替。在埋藏古河道的研究方面，地層界面的侵蝕不整合關(guān)系以及大批汊流古河道的發(fā)育可以揭示海退作用，古河道充填沉積物的發(fā)散反射或上超反射所指示的河口溯源堆積可以揭示快速的海進(jìn)作用。

研究區(qū)內(nèi)主要的侵蝕不整合界面出現(xiàn)于聲學(xué)地層的R1、R2界面，根據(jù)同位素AMS14C測(cè)年資料[7]，它們分別對(duì)應(yīng)著地層年齡的1 220±40 aBP和4 740±40 aBP。其中R1界面侵蝕不整合和侵蝕殘留體較普遍，R2界面侵蝕不整合主要出現(xiàn)于本區(qū)近陸的少部分地區(qū)。R3界面古河道叢生，正好對(duì)應(yīng)地層年齡14 510±50 aBP，屬于玉木冰期。古河道大多發(fā)育于B、C1、C2層，并且都在不同程度上發(fā)育的河口溯源堆積。A層表層發(fā)育較多沖溝和潮流通道，多數(shù)已淤積。

綜上可推測(cè)本區(qū)自約38 kaBP至今，共發(fā)生3次海退和3次海侵，對(duì)本區(qū)古河道的形成、廢棄和掩埋造成影響，具體過(guò)程如下：1)約38 kaBP至晚更新世，處于獻(xiàn)縣海侵時(shí)期，本研究區(qū)被海水覆蓋，僅發(fā)育少年潮溝。末次盛冰期(10～15 kaBP)時(shí)，發(fā)生第1次大規(guī)模海退，世界海平面較現(xiàn)代低130～150 m，時(shí)值渤海陸架區(qū)完全暴露并伴隨著荒漠化[15-17]，黃河解體[5]，本區(qū)鮮有古河道形成。到達(dá)全新世初期，盛冰期的冰蓋開始消融，第1次大規(guī)模海侵(黃驊海侵)形成，但直到8.5 kaBP海水才到達(dá)本區(qū)[19]，在這段冰消期內(nèi)，大量大規(guī)模古河道在本區(qū)發(fā)育。直到全新世中期，黃驊海侵到達(dá)高海面，冰消期古河道被此次海侵埋藏，此后海面平進(jìn)入震蕩期[21-22]。2)在約4 740±40 aBP，海平面有所下降，形成第2次海退，但此次海退規(guī)模較小，僅使研究區(qū)西南部暴露，發(fā)育少量小規(guī)模古河道。隨后，海平面的波動(dòng)形成第2次海侵，覆蓋了原本暴露的地區(qū)。3)至1 220±40 aBP海水逐漸退去，形成第3次海退本區(qū)大部分地區(qū)暴露于陸，受陸域?qū)傩燥L(fēng)化嚴(yán)重，并發(fā)育三角洲汊流；隨后，發(fā)生晚更新世以來(lái)第3次快速海進(jìn)，造成溯源堆積。之后至今，本區(qū)被海水淹沒(méi)。

4 結(jié) 論

研究區(qū)內(nèi)古河道多發(fā)育于B、C1、C2層，R1、R2界面部分地區(qū)呈現(xiàn)出侵蝕不整合界面。研究區(qū)內(nèi)古河道屬于古黃河水系，斷面多呈對(duì)稱性型，各層位古河道斷面在空間上分布具有分區(qū)性。河道充填物多為河流溯源堆積，呈發(fā)散或上超型反射，工程地質(zhì)條件差，易造成不均勻沉降、局部塌陷、砂土液化等地質(zhì)災(zāi)害。研究區(qū)從約38 kaBP至今共發(fā)生3次海退和3次海進(jìn)：1)約38 kaBP至更新世末期，本區(qū)被海水淹沒(méi)；玉木冰期(10～15 kaBP)時(shí)，發(fā)生大規(guī)模海退；全新世初期發(fā)生快速海侵。2)至4 740±40 aBP，海平面有所下降，研究區(qū)內(nèi)東北部分出露；4 740±40 aBP發(fā)生了一次海進(jìn)，東北部被淹沒(méi)。3)至1 220±40 aBP海水逐漸退去，本研究區(qū)大部分地區(qū)暴露于陸；約1 220±40 aBP，發(fā)生全新世以來(lái)第3次快速海進(jìn)。隨后，本區(qū)一直被海水淹沒(méi)。

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