何 健，崔振昂，楊江平，滕德強(qiáng)

(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510075)

0 引言

海上工程項目(如平臺、港口、跨海大橋建設(shè)等)是高投入行業(yè)，導(dǎo)致海上工程活動產(chǎn)生嚴(yán)重危害的原因除了惡劣的天氣、颶風(fēng)、海嘯等海洋水文氣象因素之外，還有潛在的災(zāi)害地質(zhì)因素(蔻養(yǎng)琦等，1995)，即能夠致災(zāi)的地質(zhì)條件，既包括已經(jīng)發(fā)生過災(zāi)害的，也包括尚未發(fā)生災(zāi)害但存在潛在危險性的因素(葉銀燦，2012)，極易引起巨大的生命財產(chǎn)損失。因此，研究海域災(zāi)害地質(zhì)對于海洋工程具有非常重要的意義。

近十幾年來，針對近岸海洋地質(zhì)環(huán)境與災(zāi)害地質(zhì)因素陸續(xù)開展了一系列調(diào)查研究工作，在珠江三角洲重點經(jīng)濟(jì)區(qū)、北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)、雷州半島以及海南島開展近岸海洋地質(zhì)環(huán)境與災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查工作，取得了一系列重要成果(夏真等，1999)。通過南海北部灣全新世環(huán)境演變與人類活動影響研究，在2009年及2012年2個航次在北部灣東部海域獲得4 000余km淺地層剖面資料及近3 000 km單道地震資料，利用地震地層學(xué)的研究方法對研究區(qū)災(zāi)害地質(zhì)類型進(jìn)行識別與解釋，對各種災(zāi)害地質(zhì)類型的內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)、外部形態(tài)和成因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)存在埋藏古河道及古三角洲、淺部斷層、底辟，淺層氣，淺灘、槽溝等潛在災(zāi)害地質(zhì)因素，并討論了這些災(zāi)害地質(zhì)因素對海洋工程活動的影響。

1 北部灣的地質(zhì)背景

北部灣海域位于歐亞板塊、太平洋板塊和印度洋澳大利亞三大板塊交匯處，構(gòu)造應(yīng)力演化受三大板塊之間相互作用控制，是在古生代變質(zhì)巖基底、印支地塊型基底、華南地塊型基底以及部分中生代火山－侵入雜巖型基底之上發(fā)展起來的新生代內(nèi)裂谷盆地，具有與中國東部類似的明顯的雙層結(jié)構(gòu)(朱偉林等，2004)。古近紀(jì)晚期，斷陷結(jié)束，受南海運動影響區(qū)域發(fā)生抬升，至新近紀(jì)初轉(zhuǎn)為整體下沉，主要發(fā)育濱淺海相沉積，厚度較大。第四紀(jì)以來，北部灣構(gòu)造斷塊差異活動趨于減弱，僅瓊北和雷州半島局部地區(qū)構(gòu)造較為強(qiáng)烈，發(fā)育淺海相沉積，厚度較薄。前人的研究表明，研究區(qū)斷裂十分發(fā)育，有北西向、北北西、北東向及近南北向斷裂為主的斷裂格架。其中，北部灣東北部主要發(fā)育北東向斷裂，而西南部主要發(fā)育北西向斷裂(圖1)。紅河斷裂帶在海域的延伸對研究區(qū)構(gòu)造活動的影響最為顯著，它是一條大型的活動斷裂帶和地震帶，對沿岸海洋工程有重要的影響(詹文歡等，2004)。地震活動與新構(gòu)造運動密切相關(guān)，較大的地震主要發(fā)生在陸上，海域地震活動性較弱，以中小地震為主(李金臣等，2009)。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造背景及概況Fig.1 Map showing tectonic setting and overview of the study area

2 研究方法及設(shè)備

調(diào)查航次使用Hypack系統(tǒng)導(dǎo)航定位系統(tǒng)(美國Costal公司)，淺剖使用SES－96型淺層剖面系統(tǒng)(德國Innomar公司)，工作頻率為6 kHz，最大穿透深度50 m，分辨率5 cm，淺地層剖面資料經(jīng)過去噪聲以及自動增益處理后使用SES 2.9軟件進(jìn)行解釋。單道地震采用 Delph Seismi采集系統(tǒng)(美國Triton Elics公司)，激發(fā)能量為600 J，激發(fā)間隔為500 ms，數(shù)據(jù)記錄長度250 ms，單道地震資料進(jìn)行自動增益及帶通濾波處理使用Geosuite軟件。

3 研究區(qū)發(fā)育的潛在災(zāi)害地質(zhì)因素

利用野外調(diào)查獲得的地球物理資料，對北部灣東部淺地層內(nèi)部聲學(xué)反射特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)發(fā)育多種潛在災(zāi)害地質(zhì)因素，遵循簡單實用的原則，采用馮志強(qiáng)等(1994)的劃分方案，將識別出的潛在災(zāi)害地質(zhì)因素分為2類：(1)指具有活動能力的破壞性災(zāi)害地質(zhì)因素，這類災(zāi)害地質(zhì)在內(nèi)、外營力的誘發(fā)、作用下，自身具有活動和破壞能力，研究區(qū)發(fā)育有淺層氣、泥底辟、淺部斷層等;(2)不具活動能力的限制性災(zāi)害地質(zhì)因素，但會對某些海洋工程建設(shè)起制約作用和引起隱患。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有埋藏古河道、埋藏古三角洲、潮流沙脊和槽溝等，各類潛在災(zāi)害地質(zhì)因素都有其獨特的聲學(xué)反射特征。

3.1 活動性災(zāi)害地質(zhì)類型

3.1.1 活動斷層 活動斷層是從事海上工程時需引起高度注意的災(zāi)害類型之一，根據(jù)地球物理資料以及研究區(qū)地質(zhì)背景，該區(qū)淺部斷層在第四紀(jì)仍有活動，屬于活動斷層，具有極大危害性。其一是斷層本身會對海上工程活動直接造成影響，如鉆井鉆遇斷層時可能會導(dǎo)致卡鉆、泥漿漏失等(馬勝中等，2008);其二斷層引發(fā)的地震活動、地層垮塌也是潛在的災(zāi)害地質(zhì)因素。在單道地震剖面上，斷層主要表現(xiàn)為同相軸錯斷、扭曲、斷層兩側(cè)反射波組內(nèi)部構(gòu)型及外部反射形態(tài)不同，有時可發(fā)現(xiàn)兩盤厚度不一致(圖2)。區(qū)內(nèi)發(fā)育的淺部斷層主要呈北東向及北西向，其中北西向斷層總體與紅河斷裂帶海域延伸方向一致。同時，斷層與泥底辟、含氣構(gòu)造有一定伴生關(guān)系，底辟兩側(cè)以及頂部都見有斷層發(fā)育。由于這些斷裂及裂隙可作為流體垂向疏導(dǎo)以及淺層氣向上運移的重要通道，斷層上方有時會有高壓淺層氣，因此在研究區(qū)從事海洋工程活動時應(yīng)特別注意淺部活動斷層的存在。

3.1.2 淺層氣 由于地層的含氣效應(yīng)會導(dǎo)致聲速迅速降低，因此，含氣地層與上覆及下伏地層存在明顯的波阻抗差異。淺層氣在單道地震剖面及淺地層剖面上表現(xiàn)為同相軸中斷、內(nèi)部弱反射甚至無反射現(xiàn)象，邊界清晰，表現(xiàn)為明顯的聲渾濁現(xiàn)象(圖3)。區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的淺層氣主要以氣囊、氣泡及氣柱的形式存在，其中含氣囊的地層表現(xiàn)為內(nèi)部反射較弱。淺層氣成因可能有兩方面：其一是河口帶來的富含有機(jī)質(zhì)的細(xì)粒物質(zhì)經(jīng)過生物作用生成;其二，可能是由于研究區(qū)東南部地處鶯歌海盆地，該盆地一大特色就是底辟帶以垂向斷裂和裂隙系統(tǒng)為主的熱流體幕式疏導(dǎo)體系(解習(xí)農(nóng)等，1999)，淺層氣可能是深部油氣經(jīng)斷層運移至淺部，在淺地層中賦存或向海底滲漏。淺層氣會導(dǎo)致沉積物的土力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致固結(jié)程度減弱、抗剪強(qiáng)度降低，同時淺層氣極易沿著斷層或滲透性較強(qiáng)的地層向上運移，或聚集在古河道、古湖泊等沉積物中，形成高壓氣。此外，前人根據(jù)海底旁側(cè)聲納掃描資料和電火花單道地震剖面記錄資料研究發(fā)現(xiàn)，瓊東南海底有氣柱存在。

圖2 單道地震剖面顯示淺層發(fā)育的斷層與底辟現(xiàn)象Fig.2 Shallow faults and diapir displayed in single-channel seismic section

圖3 單道地震剖面揭示的淺層氣屏蔽現(xiàn)象Fig.3 Shallow gas shielding phenomenon displayed in single-channel seismic section

3.1.3 泥底辟 泥底辟是異常壓力條件下，泥質(zhì)巖、或鹽巖等發(fā)生塑性流動，向上流動將上覆地層拱起、擠入甚至刺穿的現(xiàn)象(解習(xí)農(nóng)等，1999;何家雄等，2006，2008)。有學(xué)者通過分析瓊東南盆地多道地質(zhì)資料也發(fā)現(xiàn)存在底辟構(gòu)造(楊文達(dá)等，2001)。通過解譯地震資料，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)發(fā)育了類似的地質(zhì)構(gòu)造，在單道地震及淺地層剖面上表現(xiàn)為反射波組同相軸突然中斷向上拱起呈丘狀外形，內(nèi)部雜亂甚至無反射，兩側(cè)反射波組連續(xù)性較好，搭在“丘形”之上并出現(xiàn)拖曳現(xiàn)象，刺穿上覆部分地層，并使得頂部地層及海底表面凸起，但在研究區(qū)未發(fā)現(xiàn)泥火山現(xiàn)象，可能與底辟幕式活動能量減弱有關(guān)。單道地震剖面顯示底辟兩側(cè)存在“亮點”響應(yīng)(圖2)，指示底辟與含氣流體相關(guān)。淺地層剖面可見底辟發(fā)育深度較淺，最淺處約為3 m。由于底辟活動時周圍地層受到強(qiáng)烈的擠壓應(yīng)力，同時底辟頂部可受到拱張應(yīng)力，在單道地震剖面上可見底辟頂部及上覆地層斷裂較發(fā)育，地震反射同相軸連續(xù)性較差(圖4)。

圖4 淺地層剖面顯示發(fā)育的底辟現(xiàn)象Fig.4 Diapir displayed in shallow stratigraphic section

3.2 限制性災(zāi)害地質(zhì)

3.2.1 埋藏古河道 區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)眾多埋藏古河道，單道地震剖面及淺地層剖面上均可看到，埋藏古河道地震剖面上表現(xiàn)為“U”、“V”以及“W”型。淺地層剖面上河道內(nèi)部充填結(jié)構(gòu)清晰，可見明顯的側(cè)向加積層理。埋藏古河道底部發(fā)射為強(qiáng)振幅雜亂反射，與上覆地層及周圍地層呈強(qiáng)阻抗反射(圖5)，下切深度可達(dá)23 m，寬度達(dá)3 km。古河道縱向切割深度不同，海平面上升時河道被沉積充填，橫向沉積相變迅速，并擺動遷移，在近距離范圍以內(nèi)存在完全不同的力學(xué)支撐，諸如河床砂體和河漫灘泥質(zhì)沉積物，顯然具有不同的抗剪強(qiáng)度，軟的黏土沉積在不均勻壓實或受重力和地震力的作用下，極易產(chǎn)生蠕變，引起滑坡，導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害。海上工程如鉆探時鉆遇古河道時應(yīng)引起注意，另外插樁等工程應(yīng)盡量避開古河道所在區(qū)。

3.2.2 埋藏古三角洲 海南島西南部海域發(fā)育一套前積反射，為典型的三角洲地震響應(yīng)(圖6)，三角洲發(fā)育后期因海平面下降導(dǎo)致頂部被侵蝕，并形成侵蝕不整合面。從地震剖面上可以看到三角洲下部地震剖面上呈丘狀體反射，內(nèi)部呈中強(qiáng)振幅雜亂反射，連續(xù)性較差，推測為濁積扇。古三角洲由于沉積物高速堆積，粒度相對較大，孔隙發(fā)育，前三角洲近海相富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒物質(zhì)可作為生氣母源，古角洲是淺層氣的良好聚集區(qū)，且埋深較淺，與圍巖物性及土力學(xué)性質(zhì)有較大差異。因此，埋藏古三角洲是潛在災(zāi)害地質(zhì)因素之一，海上工程作業(yè)時應(yīng)引起注意。

圖5 單道地震剖面揭示的埋藏古河道Fig.5 Buried paleo-channel displayed in single-channel seismic section

圖6 單道地震揭示的埋藏古三角洲Fig.6 Buried paleo-delta displayed in single-channel seismic section

3.2.3 海底槽溝 海底槽溝在單道地震剖面上主要表現(xiàn)為海底反射波同相軸明顯扭曲，反射界面突然斷開或下陷，兩側(cè)對稱，與周圍地形差異較大，呈鋸齒狀凹凸相間，犬牙交錯的外形(圖7)，較易識別。主要分布在海南島西側(cè)近岸及瓊州海峽兩側(cè)區(qū)域，因潮流、波浪等強(qiáng)水動力往復(fù)沖刷作用而成。這些槽溝與凸起相間，高度和坡度變化較大，水深變化迅速，槽溝的發(fā)育受控于地形，陡峭的槽溝常伴生陡坎，可能產(chǎn)生滑坡。水下槽溝多且與不規(guī)則基巖相伴生，沿岸島嶼多，水動力作用強(qiáng)，易發(fā)育水下槽溝，是海底電纜、插樁及水下管線鋪設(shè)等海洋工程應(yīng)當(dāng)避讓或必需處理的地質(zhì)條件。

圖7 單道地震剖面顯示的海底槽溝Fig.7 Submarine trench displayed in single-channel seismic section

3.2.4 潮流沙脊 潮流沙脊在淺層剖面及單道地震剖面上表現(xiàn)為丘狀反射外形，內(nèi)部層理清晰，呈斜交前積反射結(jié)構(gòu)，下超在一個強(qiáng)反射界面之上，可見凹凸不平的侵蝕沖刷痕，為潮溝響應(yīng)(圖8)。其主要分布在瓊州海峽兩側(cè)及海南島西側(cè)，呈楔狀或席狀。潮流沙脊斜層理傾向指示其遷移方向，而長軸代表潮流主流向，在潮流作用下后部不斷被削蝕，前部不斷堆積。平面上潮流沙脊成指狀、條帶狀，沙脊之間為潮道，測深剖面表現(xiàn)為凸起與凹地相間，水深變化迅速。沙脊在水動力條件改變時，特別是在臺風(fēng)、風(fēng)暴潮的作用下，淺灘的形態(tài)和分布都可能會發(fā)生變化，甚至?xí)a(chǎn)生移動，潮流沙脊的遷移、活動和改造，不但直接影響錨泊，而且對其上的插樁和管線等海洋工程設(shè)施會造成極大的危害，并對其移動前方的工程空間，亦有掩埋、沖擊、拖曳等嚴(yán)重威脅。

圖8 淺層剖面顯示的潮流沙脊，內(nèi)部成斜交前積反射Fig.8 Tidal sand ridge displayed in shallow seismic section，with an inner oblique crossing progradational reflection

4 結(jié)論

北部灣由于位于三大板塊交匯處，構(gòu)造運動活躍，受紅河斷裂帶的影響較大，同時由于位于含油氣盆地中，深部熱流體活動活躍，這種地質(zhì)背景使得區(qū)內(nèi)發(fā)育多種潛在災(zāi)害地質(zhì)因素。

利用高分辨率地球物理資料可以較好地對該區(qū)災(zāi)害地質(zhì)因素進(jìn)行識別，對其內(nèi)部反射特征以及外部反射形態(tài)可以進(jìn)行詳細(xì)刻畫。通過解釋研究區(qū)的高分辨率地球物理資料，查明北部灣近岸海域存在埋藏古河道、埋藏古三角洲、淺部斷層、泥底辟、淺層氣、潮流沙脊、海底槽溝等，這些可分為具有活動能力的破壞性災(zāi)害地質(zhì)因素和限制性災(zāi)害地質(zhì)因素2類，它們對于海上工程活動是極大的威脅和隱患，應(yīng)引起高度重視。

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