吳振，李巖，王松濤，印萍，劉金慶

(1．山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濰坊 261021；2.山東省地礦局海岸帶地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261021；3.青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266071)

威海市位于山東半島東端，北、東、南三面瀕臨黃海，擁有山東省最長(zhǎng)的海岸線，長(zhǎng)達(dá)985.9km。近年來(lái)隨著海底和海岸經(jīng)濟(jì)意義日益變大，海洋地層結(jié)構(gòu)及災(zāi)害地質(zhì)的研究對(duì)海底工程、護(hù)岸工程都有重要意義，因此，海洋地層結(jié)構(gòu)及災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查工作越來(lái)越受到重視[1]。該文通過(guò)淺地層剖面測(cè)量、單波束水深測(cè)量等物探手段，對(duì)威海市近海海域進(jìn)行了淺部地層結(jié)構(gòu)及災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查工作。

1 研究區(qū)自然地理概況

1.1 氣候條件

威海市地處中緯度，屬于北溫帶季風(fēng)型大陸性氣候，四季變化和季風(fēng)進(jìn)退都較明顯，與同緯度的內(nèi)陸地區(qū)相比，具有雨水豐富、年溫適中、氣候溫和的特點(diǎn)，多年平均降水量766.16mm(1991—2013年)[2-3]。威海市位于東亞季風(fēng)區(qū)，風(fēng)向及風(fēng)速的季節(jié)變化特點(diǎn)明顯，夏季盛行南向風(fēng)，冬季盛行北北西和北向風(fēng)。威海市波浪是以風(fēng)浪為主的混合浪居多，又受到地理環(huán)境的影響，常浪向與岸線走向較為吻合，常浪向多與岸線走向垂直[4]。

1.2 地形地貌

1.2.1 海岸地貌

威海市海岸按物質(zhì)組成可分為砂質(zhì)海岸和基巖海岸，這2類海岸相間分布；以形態(tài)、成因及地貌的特征來(lái)劃分，砂質(zhì)海岸屬于沙壩—潟湖海岸，基巖海岸屬于基巖岬灣海岸[5]。由于人類活動(dòng)，較多海岸都脫離原始形態(tài)，被人工構(gòu)筑物所固定，如：港口、碼頭、養(yǎng)殖區(qū)等[6]。

1.2.2 海底地貌

威海市近海海域地貌類型主要包括水下淺灘和海底堆積平原2種。水下淺灘分布在自陸到10m等深線一帶，東部海域較深達(dá)20m，海底底質(zhì)自陸向海逐漸變細(xì)，依次是礫砂、粗砂、中細(xì)砂、粘土質(zhì)粉砂；海底堆積平原分布在水下淺灘之外，地形開闊平坦，底質(zhì)為粘土質(zhì)粉砂[5]。

圖1 研究區(qū)近海淺地層剖面測(cè)線示意圖

淺地層剖面測(cè)量與水深測(cè)量同時(shí)進(jìn)行，導(dǎo)航儀器采用美國(guó)Trimble技術(shù)公司生產(chǎn)的SPS351信標(biāo)接收機(jī)，定位準(zhǔn)確；導(dǎo)航軟件采用廣州南方公司的自由行水上工程軟件；淺地層剖面儀器采用英國(guó)AAE/SBP，采集軟件采用美國(guó)Chesapeake公司的sonarwiz5軟件；水深測(cè)量?jī)x器采用挪威KONGSBERG SIMRAD AS公司生產(chǎn)的EA 400雙變頻回聲測(cè)深儀。外業(yè)施工過(guò)程選擇了合適的天氣海況，并經(jīng)多次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，獲得的淺地層剖面圖像清晰，地層聲學(xué)層位明顯，剖面記錄量程為120ms，穿透深度均大于50m，部分測(cè)線達(dá)到80ms(約65m)。

2 淺地層結(jié)構(gòu)特征

為了計(jì)算淺地層剖面上各地震單元的厚度和界面埋深，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)與淺地層剖面的對(duì)比，海底以下各地震單元采用聲波通過(guò)地層的平均速率為1550m/s[7]。在對(duì)全部淺地層剖面進(jìn)行系統(tǒng)連片的解釋后，以200個(gè)炮點(diǎn)的間距(平均間距約500m)人工量取了所有地震反射界面的雙程反射時(shí)間，之后進(jìn)行了相對(duì)深度的轉(zhuǎn)換，獲得各界面的埋深(低于目前海平面的深度)，界面間的地層厚度通過(guò)界面相對(duì)深度的差值求得，潮位的影響通過(guò)收集的潮汐資料進(jìn)行了潮位改正。不同的聲學(xué)反射界面分別代表不同沉積環(huán)境和物質(zhì)成分的分界面[8]，這些界面在研究區(qū)為連續(xù)分布或被切削，被解釋為侵蝕面[7]。

根據(jù)淺地層剖面解譯數(shù)據(jù)，研究區(qū)65m以淺(雙程反射時(shí)間約80ms之內(nèi))主要聲學(xué)反射界面共有5個(gè)，自上而下依次命名為D1,D2,D3,D4和R(基巖);對(duì)應(yīng)5個(gè)海底地層單元，自上而下依次劃分為U1,U2,U3,U4和U5。

2.1 構(gòu)成研究區(qū)楔狀泥質(zhì)沉積體的地震單元U1和D1界面

在山東半島近岸海區(qū)存在一個(gè)在近岸處厚度超過(guò)40m、向岸外變薄的楔形沉積體,被稱之為“山東泥楔”[9]。研究區(qū)EW向和SN向的淺地層剖面上均發(fā)現(xiàn)典型的楔狀沉積體。威海南部近海海域楔狀沉積體在地震剖面上對(duì)應(yīng)的是U1地層單元，該楔形沉積體向東延伸與環(huán)山東半島泥楔連為一體，楔形尾部變形，地層厚度急劇增大(圖2)，這就是所謂的環(huán)山東半島“Ω”型泥質(zhì)沉積體[10]；另一方向該沉積體向東南延伸至南黃海中部，與南黃海中部泥質(zhì)沉積體連為一體，在WH1、WH5、WH7測(cè)線南端也表現(xiàn)出楔形尾部變形的特征(圖3—圖5)。研究區(qū)楔形沉積體最厚處達(dá)27m，位于WH1、WH5、WH7測(cè)線的最南端，離威海南部的海岸垂直距離約40～50km。該泥質(zhì)沉積體從全新世早期開始形成,但主體部分是在8.2～8.4kaB.P.以來(lái)沉積的,主要物源來(lái)自黃河[10-11]。

U1為自海底向下至D1界面之間的地層，D1反射界面反射強(qiáng)度較高，界限清晰、平直，全區(qū)可連續(xù)追蹤,受水深地形影響埋深分布在10～80m之間，解釋為最大海泛面。U1內(nèi)部反射層層理清晰，為高頻弱振幅，局部地區(qū)為聲學(xué)半透明或透明層，呈低傾角(<0.5°)向海進(jìn)積、下超于底部侵蝕界面D1之上[12]。U1層為全新世高海平面以來(lái)的淺海相沉積，厚度一般在8～15m，總體看來(lái)，由威海南部近岸向南部外海呈逐漸變薄的趨勢(shì)；在研究區(qū)東南部，U1厚度減至10m左右后又開始向外海逐漸增厚，最大厚度可達(dá)27m。

2.2 U2地層單元和D2界面

U2為D1界面至D2界面之間的地層，其上、下2個(gè)界面均有不同程度的侵蝕現(xiàn)象，兩界面幾乎平行；底界面D2是大體水平但局部波狀起伏的侵蝕面，埋深分布在20～100m之間，近岸淺，遠(yuǎn)岸深，解釋為末盛期之后的海侵面。U2顯示為高振幅、近似水平的連續(xù)反射層，解釋為末次盛冰期以來(lái)的海侵濱海相沉積，主要分布在研究區(qū)的中部，沉積厚度一般小于3m，向兩側(cè)逐漸減小至零，其后缺失，形成一條厚約2～3m的條帶(圖2—圖5)。

2.3 U3地層單元和D3界面

U3是D2界面至D3界面之間的地層，其下界面D3為起伏較大(超過(guò)10m)的下切侵蝕面，多呈U或V型的河谷狀下切到下伏地層U4中[13-14]。U3內(nèi)部反射層結(jié)構(gòu)較為雜亂，埋深分布在20～120m之間，地層厚度一般在3～8m，局部地層厚度可達(dá)20m，主要取決于下切谷的寬度和深度，總體上U3近岸地層厚度小，離岸有逐漸加厚的趨勢(shì)(圖2—圖5)，推測(cè)U3為低海平面時(shí)期的陸相沉積或河道沉積。

2.4 U4，U5地層單元和D4界面

U4反射層振幅強(qiáng)、具有較好的連續(xù)性、呈緩波狀或近水平狀，其底界面D4不連續(xù)，局部被上覆U3地層下切沖蝕。U4的厚度較小，一般3～6m不等，總體呈由近岸向外海逐漸加厚的趨勢(shì)(圖2—圖5)，推測(cè)U4為MIS3時(shí)期的海相沉積。

U5地層單元位于D4界面之下，由于海底二次反射的覆蓋，并受淺地層剖面穿透深度的限制，該地層單元全區(qū)揭示不全，反射不夠清晰，底界面無(wú)法連續(xù)追蹤；從局部清晰地區(qū)淺地層剖面中可以看出，U5反射層與U4相似，振幅強(qiáng)、呈緩波狀或近水平狀(圖2—圖5)。

U1—地層單元；D2—反射界面圖2 近海淺地層主要地震地層和界面(測(cè)線B)

U1—地層單元；D2—反射界面圖3 近海淺地層主要地震地層和界面(測(cè)線WH5)

U1—地層單元；D2—反射界面圖4 近海淺地層主要地震地層和界面(測(cè)線WH1)

U1—地層單元；D2—反射界面圖5 近海淺地層主要地震地層和界面(測(cè)線WH7)

3 主要災(zāi)害地質(zhì)特征

災(zāi)害地質(zhì)，是指對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)可能造成危害的地質(zhì)因素，也就是產(chǎn)生直接危害或潛在影響的地質(zhì)條件或地質(zhì)現(xiàn)象；其研究對(duì)象是地質(zhì)類因素及其發(fā)生、發(fā)展機(jī)制、分布規(guī)律等[15-16]。研究區(qū)近海海域存在的災(zāi)害地質(zhì)因素主要包括埋藏下切谷、淺部斷層、淺層氣、海底沙波沙脊和淺埋起伏基巖等[3](圖6)，在其淺地層探測(cè)剖面上均有清晰的表現(xiàn)。

圖6 威海市近海海域?yàn)?zāi)害地質(zhì)因素分布圖

3.1 埋藏下切谷

埋藏下切谷主要分布在研究區(qū)南部海域U3地層單元中(圖2、圖4、圖5)，推測(cè)為末次冰期低海面時(shí)河流或潮流侵蝕形成，下切谷可能是古河道，也可能是潮汐汊道，按其斷面形態(tài)特征可分為對(duì)稱型、不對(duì)稱型、U型、V型等類型[15]。從淺地震剖面上看，埋藏下切谷的深度和寬度變化范圍較大，大的主干下切谷一般15～20m深(最大深度27m)、3～5km寬，中小規(guī)模的下切谷一般8～15m深、寬約300～1500m。不管哪種類型的埋藏下切谷，其中的充填沉積物都具有沉積構(gòu)造復(fù)雜、結(jié)構(gòu)多變的性質(zhì)，因而土層的物理力學(xué)性質(zhì)也具有復(fù)雜多變的特征，為不良工程地質(zhì)因素，給海岸和海洋工程的樁基穩(wěn)定帶來(lái)不穩(wěn)定性，處理不當(dāng)有可能造成巨大損失[15]。

3.2 淺部斷層

在聲學(xué)淺地層剖面上識(shí)別斷層存在的最重要的標(biāo)志是地層有規(guī)律錯(cuò)斷和變形現(xiàn)象，斷層兩側(cè)的反射特征表現(xiàn)為多個(gè)連續(xù)性好的反射波組自上而下發(fā)生系統(tǒng)地錯(cuò)移、彎曲或終止[17]。研究區(qū)斷層主要分布在南部海域，從淺地層剖面中可以看出，斷點(diǎn)都比較清晰，斷層形態(tài)大多表現(xiàn)為地層受牽引而產(chǎn)生的彎曲、下拉或褶皺變形，且都表現(xiàn)出正斷活動(dòng)的特點(diǎn)，斷距小的約1～2m，斷距大的可達(dá)5～10m(圖4、圖7)，與馮京[18]基于高分辨率聲學(xué)探測(cè)的渤海海峽地貌及災(zāi)害地質(zhì)研究基本一致。該次研究區(qū)淺部斷層活動(dòng)時(shí)間為晚更新世至全新世，圖4中斷層斷至U3層且切割下伏基巖，推測(cè)活動(dòng)時(shí)間為晚更新世；圖7左邊斷層切至U1層，推測(cè)活動(dòng)時(shí)間為全新世。

圖7 近海淺地層剖面揭示的淺部斷層(測(cè)線B)

3.3 淺層氣

研究區(qū)淺層氣主要分布在北部海域，東部和南部海域面積較小(圖6)。從淺地層剖面上看，研究區(qū)發(fā)現(xiàn)的淺層氣埋深多位于D2界面之下，載氣地層透明，地震相單元兩側(cè)邊界近直立，豎向穿過(guò)并屏蔽了下部地層連續(xù)層理，與林曼曼[19]所做的臨近區(qū)域青島近海海域淺層氣特征基本一致。根據(jù)含氣地層埋深和分布情況來(lái)看，它們不是由斷層活動(dòng)引起的，其形成原因推測(cè)可能是末次冰期古河谷發(fā)育，河谷中富含大量的陸源碎屑沉積物，埋藏生物體分解而成的沼氣形成。這種含氣沉積物具有過(guò)量的孔隙水，土體強(qiáng)度大減，是海底土體潛在的不穩(wěn)定性因素，不宜做平臺(tái)樁基的持力層[3，20]。

3.4 海底沙波沙脊

從單波束測(cè)深及淺地層剖面上看，沙波表現(xiàn)為海底面反射波呈連續(xù)鋸齒狀起伏，強(qiáng)振幅、砂質(zhì)結(jié)構(gòu)的海底對(duì)其下形成反射屏蔽[21]。研究區(qū)海底沙波沙脊主要分布在威海榮成成山頭外海海域，為強(qiáng)潮流改造作用的結(jié)果。沙波波高約5～8m，波長(zhǎng)100～500m，屬巨型沙丘。當(dāng)水動(dòng)力條件改變時(shí)，特別是在風(fēng)暴潮的作用下，沙波的形態(tài)和分布都會(huì)發(fā)生變化，對(duì)海洋石油平臺(tái)建設(shè)、管線敷設(shè)等工程的進(jìn)行和維修等都會(huì)帶來(lái)一定的威脅[22]。在淺地層剖面上，潮流沙脊呈丘形，內(nèi)部平行或斜交層理，高頻弱振幅(圖8)。沙脊的高低起伏也給海洋工程帶來(lái)較多障礙，沙脊處泥沙的群體運(yùn)動(dòng)和沙脊的遷移將會(huì)給工程帶來(lái)更大的威脅[3，23]。

圖8 淺地層剖面揭示的海底潮流沙脊(測(cè)線B4)

3.5 淺埋起伏基巖

淺部埋藏不規(guī)則基巖面在淺地層聲學(xué)探測(cè)剖面上以中—低頻、強(qiáng)振幅、低連續(xù)性為主，內(nèi)部反射雜亂模糊，無(wú)層理，對(duì)兩側(cè)地層無(wú)明顯擾動(dòng)，上覆少量沉積物或直接出露海底[18]。陸架淺埋基巖多出現(xiàn)在距基巖海岸、島嶼較近的地方，或者在陸架邊緣隆起帶上[24]。研究區(qū)淺埋起伏基巖屬于距基巖海岸和島嶼較近的海域(圖2、圖4、圖5)。對(duì)于工程建設(shè)，基巖是很好的承力層，但若基巖起伏不平，可能造成海底構(gòu)筑物基礎(chǔ)持力不均的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致構(gòu)筑物歪斜，甚至傾倒；另外，表面起伏較為劇烈的淺埋藏基巖面有可能和滑坡、斷層等相伴生，可能導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生[19，24-26]。故出露于海底的基巖和淺埋藏的基巖對(duì)海上工程建設(shè)項(xiàng)目有限制性的作用或有不利的因素，在工程建設(shè)中必須謹(jǐn)慎對(duì)待[27-28]。

4 結(jié)論

(1)威海市近海海域65m以淺共分為5個(gè)地層單元，第一層為全新世泥質(zhì)楔形體，為全新世高海平面以來(lái)的淺海相沉積，厚度一般在8～15m；第二層為末次盛冰期以來(lái)的海侵層，主要分布在研究區(qū)的中部，沉積厚度一般小于3m，向兩側(cè)逐漸減小至零；第三層為MIS2期的陸相沉積層，地層厚度一般在3～8m，為低海平面時(shí)期的陸相沉積或河道沉積；第四層為MIS3期的海相沉積層，厚度較小，一般3～6m不等，總體呈由近岸向外海逐漸加厚的趨勢(shì)；第五層未完全揭示。

(2)近海海域?yàn)?zāi)害地質(zhì)因素主要為埋藏下切谷、淺部斷層、淺層氣、海底沙波沙脊、淺埋起伏基巖等；埋藏下切谷主要分布在南部海域U3地層單元中，推測(cè)為末次冰期低海面時(shí)河流或潮流侵蝕形成；淺部斷層主要分布在南部海域水深大于20m的海底堆積平原，且均為正斷層，活動(dòng)時(shí)期為晚更新世—全新世；淺層氣主要分布在北部海域，東部和南部海域面積較小，多位于D2界面之下常與埋藏古河道相伴生。海底沙波沙脊主要分布在榮成成山頭外海海域，為強(qiáng)潮流改造作用的結(jié)果；淺埋起伏基巖主要分布在基巖海岸和島嶼較近的海域。

(3)通過(guò)淺地層剖面資料，對(duì)照分析威海近海海域的災(zāi)害地質(zhì)類型及特征，可以充分認(rèn)識(shí)這些災(zāi)害地質(zhì)因素，在港口建設(shè)及海洋工程基礎(chǔ)施工等過(guò)程中可以有效避免地質(zhì)災(zāi)害帶來(lái)的危害。