杜 星，孫樹珩，宋玉鵬*，顏秉英，張旭升，董立峰，周其坤，宋丙輝

（1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島 266061；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室,山東 青島 266061；3.遼寧水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院有限公司,遼寧 大連 116037）

海岸帶是人類開發(fā)強度最大的地區(qū)之一，目前全世界約有1/2 的人口集中在距離海岸線50 km 的海岸帶范圍內(nèi)[1]。隨著我國海洋開發(fā)戰(zhàn)略的穩(wěn)步進行，各類沿岸工程的建設(shè)也日益增多，如何對海岸帶開展工程地質(zhì)特征綜合研究以及開發(fā)適宜性評價顯得尤為重要。近年來，學(xué)者們圍繞海岸帶工程地質(zhì)特征及開發(fā)利用開展了眾多研究工作。吳振等[2]基于萊州灣海岸帶工程地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)對工程地質(zhì)特征及特殊問題進行了分析，將研究區(qū)土層結(jié)構(gòu)劃分為9 層；宋曉帥等[3]考慮地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖土體類型及工程地質(zhì)特征，將萊州灣海岸帶劃分為3 大區(qū)域；黃聲春和許巧娟[4]闡述了汕頭地區(qū)海岸類型、分布及工程地質(zhì)特征，并闡述了綜合開發(fā)利用沿海灘涂資源的意義；龔旭東等[5]通過對側(cè)掃聲吶、淺地層剖面和海底取樣等實測資料的詳細(xì)分析,揭示了遼東灣北部淺海區(qū)的自然地質(zhì)狀況和復(fù)雜的海洋工程地質(zhì)特征。雖然對不同區(qū)域的海域工程地質(zhì)特征進行了研究和分區(qū)，但是采用的手段相對單一，例如數(shù)值分析方法[6-9]、底質(zhì)類型分析[10]、地球物理調(diào)查手段[11-12]等，使用多種勘測手段綜合調(diào)查分析的研究仍然較少。由于地質(zhì)領(lǐng)域的綜合評價問題具有多解性，因此單一的研究手段可能會突出某種影響因子的影響效果，進而導(dǎo)致整體評價的不準(zhǔn)確，而使用多種手段綜合分析可以增加綜合評價的準(zhǔn)確性和普適性。

遼東半島東部莊河附近海域分布有海上風(fēng)電、海底管道、海面筏式養(yǎng)殖和海底底播養(yǎng)殖區(qū)域等多種人類工程活動區(qū)，是海岸帶開發(fā)的重要區(qū)域，工程地質(zhì)特征和開發(fā)適宜性分析對該海域尤為重要。本文以遼東半島東部莊河海域為研究區(qū)，在搜集以往工程項目的鉆孔資料基礎(chǔ)上，使用高精度地球物理調(diào)查和海底沉積物取樣等方法對研究區(qū)進行工程地質(zhì)綜合研究，并結(jié)合地質(zhì)、水文、氣象因素探究研究區(qū)的開發(fā)適宜性。研究成果不僅對海岸帶工程地質(zhì)特征及開發(fā)利用的方法研究具有科學(xué)意義，還可以對遼東半島東部海岸帶工程建設(shè)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧大連莊河石城島西南側(cè)海域（圖1），距離岸邊12 km 左右，海域面積共計35 km2。研究區(qū)多年平均氣溫為8.9 ℃，其中8 月平均氣溫最高，為23.3 ℃，1 月最低，-8.1 ℃，累年極端最高氣溫為34.7 ℃（1979 年5 月20 日），最低氣溫為23.2 ℃（1983 年2 月21 日）[13]。研究區(qū)內(nèi)太古界地層為最古老的地層，其變質(zhì)年齡大約為25 億a，局部混合巖化作用強烈。下元古界分為下、上亞群，角度不整合于太古界地層之上。新生界地層中，研究區(qū)沿岸缺失第三紀(jì)，存在下、中、上更新統(tǒng)，全新統(tǒng)較為發(fā)育，沖積、洪積主要發(fā)育于大小河流主支流堆積階地的河漫灘上，而海積、沖海積主要分布于沿海地帶。研究區(qū)周邊斷裂構(gòu)造不甚發(fā)育，其中規(guī)模較大的主要為北東向的莊河斷裂。莊河斷裂在銀家窩進入海域，推測其走向為平行海岸線向西南方向延伸，總體上中生代活動強烈，新生代以來活動性減弱，第四紀(jì)以來無明顯活動①上?？睖y設(shè)計研究院有限公司.國家電投大連市花園口（400 MW）海上風(fēng)電場工程地質(zhì)勘察報告,2019.。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

2 數(shù)據(jù)和方法

收集研究區(qū)內(nèi)的歷史工程地質(zhì)數(shù)據(jù)，并開展高精度地球物理探測和表層沉積物取樣工作進行數(shù)據(jù)補充。綜合分析水文、氣象、工程地質(zhì)鉆探、地球物理探測等資料，對研究區(qū)工程地質(zhì)特征和開發(fā)適宜性進行研究。

2.1 數(shù)據(jù)

1）歷史工程地質(zhì)數(shù)據(jù)：重點收集了研究區(qū)內(nèi)已開展的相關(guān)項目的鉆孔資料①上海勘測設(shè)計研究院有限公司.國家電投大連市花園口（400 MW）海上風(fēng)電場工程地質(zhì)勘察報告,2019.，共收集到13 個鉆孔的資料，包括鉆孔經(jīng)緯度坐標(biāo)、鉆孔柱狀圖、各土層的土工試驗成果等。

2）高精度地球物理探測數(shù)據(jù)：包含了莊河海域的水深、側(cè)掃和地層剖面數(shù)據(jù)。地球物理探測數(shù)據(jù)于2020 年11 月由自然資源部第一海洋研究所（以下簡稱海洋一所）調(diào)查人員分別使用加拿大Knudsen 公司的KNUDSEN 320M 雙頻回聲測深儀（工作頻率：24～200 kHz；雙頻換能器測深范圍：高頻0.2～2 000 m、低頻0.5～5 000 m，發(fā)射功率：2 kW；聲速：1 400～1 600 m/s；可調(diào)測深精度：±0.1%；分辨率：1 cm）、美國Edgetech 公司的Edgetech4200MP 雙頻側(cè)掃聲吶系統(tǒng)（工作頻率：100～410 kHz；最大工作水深：1 000 m；最大單側(cè)掃寬：600 m）和荷蘭Geo Marine Survey 公司的GEO-SPARK 1 000 淺地層剖面探測系統(tǒng)獲取。

3）表層沉積物數(shù)據(jù)：共有30 組研究區(qū)海底表層沉積物樣品。表層樣品于2020 年11 月由海洋一所調(diào)查人員在莊河海域利用箱式取樣器采集和測試。測試儀器分別為國產(chǎn)液塑限聯(lián)合測定儀和德國新帕泰克快速濕法粒度儀HELOS-QUIXEL 激光粒度分析儀，測試的數(shù)據(jù)包括沉積物樣品的稠度指標(biāo)（液限、塑限）和顆粒組成情況。取樣站位見圖2。

圖2 研究區(qū)表層沉積物樣取樣站位Fig.2 Stations of the surface sediment sampling in the study area

2.2 方法

1）地球物理特征分析：利用測量得到的地球物理數(shù)據(jù)資料，對研究區(qū)水深、海底地貌、地層結(jié)構(gòu)特征和不良地質(zhì)作用等方面進行分析，繪制各類要素分布圖，進而開展研究區(qū)工程地質(zhì)特征分析和海底穩(wěn)定性評價。

2）海底地層層序劃分：利用收集到的鉆孔資料，結(jié)合地球物理調(diào)查的結(jié)果，對研究區(qū)海底地層層序進行詳細(xì)劃分。

3）表層沉積物分布劃分：基于研究區(qū)內(nèi)取樣獲得的表層樣物理力學(xué)特性測試情況，劃分研究區(qū)的表層沉積物類型，進而開展海底沉積物液化、震陷評估。

4）工程地質(zhì)特征及開發(fā)適宜性分析：結(jié)合地球物理探測資料、收集到的歷史鉆孔資料和表層沉積物測試結(jié)果，考慮研究區(qū)及其鄰近海域現(xiàn)有和將來擬建工程設(shè)施，對研究區(qū)工程地質(zhì)特征和開發(fā)適宜性進行綜合分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 水深、地形地貌

雙頻回聲測深儀和雙頻側(cè)掃聲吶現(xiàn)場探測結(jié)果顯示（圖3），研究區(qū)地勢總體上為西北高、東南低，水深等深線大致與海岸線平行。整個研究區(qū)地勢平坦，水深（11.5～15.6 m）變化較小，海底平均坡度約為0.08%（坡度角約0.05°），最大坡度不足0.2%（坡度角約0.11°）。研究區(qū)表層沉積物以粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂和砂質(zhì)泥為主，海底未見潮流沙脊、沙波、沖刷槽等四級地貌類型。

圖3 研究區(qū)水深及海底地貌Fig.3 Bathymetry and seafloor geomorphology in the study area

在研究區(qū)內(nèi)，對海底地貌影響較大的是海底底播養(yǎng)殖。受海底存在多個底播養(yǎng)殖區(qū)域的影響，研究區(qū)海底存在大范圍的斑塊狀海底地貌和條紋狀海底地貌，其中條紋的方向與養(yǎng)殖區(qū)邊界平行，斑塊狀海底地貌和條紋狀海底地貌在各個養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)的存在具有較大的隨機性，未發(fā)現(xiàn)明顯的分布規(guī)律，應(yīng)與底播養(yǎng)殖的類型有關(guān)。

3.2 淺地層結(jié)構(gòu)

根據(jù)對聲學(xué)地層剖面的分析和解譯（相位、波形特征、振幅和連續(xù)性等對比），結(jié)合收集到的研究區(qū)工程地質(zhì)鉆探資料，在研究區(qū)海底面以下至聲學(xué)剖面記錄的有效范圍內(nèi)共確定了4 個連續(xù)聲學(xué)反射界面（圖4），分別代表不同沉積環(huán)境和物質(zhì)成分的分界面（標(biāo)記為R0、R1、R2、R3）。依據(jù)這4 個反射界面可將淺地層剖面劃分為4 個主層序（層序I、層序II、層序III、層序IV）。

圖4 研究區(qū)典型淺地層剖面Fig.4 A profile of typical shallow stratigraphy in the study area

層序I：反射界面R0 和R1 之間的地層，為高海面時期形成的沉積體，層內(nèi)反射較弱、平行層理或無層理。收集到的工程地質(zhì)鉆探資料和本次調(diào)查的表層沉積物資料研究顯示，本層以淤泥質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂和砂質(zhì)泥為主。層序I 在整個研究區(qū)廣泛發(fā)育，厚度為8～10 m，大致呈由岸向海逐漸變薄的趨勢。

層序II：反射界面R1 和R2 之間的地層。根據(jù)沉積層的沉積特征以及收集到的工程地質(zhì)鉆孔資料分析可知，該層沉積物以粉質(zhì)黏土為主，偶有粉砂或中砂夾層，層序內(nèi)部復(fù)雜，呈水平反射結(jié)構(gòu)、斜層理反射結(jié)構(gòu)和雜亂發(fā)射結(jié)構(gòu)。推測R2 界面為末次冰期低海面時期形成的侵蝕界面，下切洼地和溝谷為河流或潮流作用形成。層序II 地層為低海面時期的河流充填或湖泊相沉積物，或者為冰后期海平面上升時形成的充填沉積物。由于長期受陸相河流作用或海平面上升過程中的海岸高能環(huán)境影響，沉積層物質(zhì)混雜，淺地層反射信號雜亂。

層序III：反射界面R2 和R3 之間的地層。根據(jù)收集到的工程地質(zhì)鉆探資料，研究區(qū)內(nèi)層序III 地層的巖性以粉砂、中砂、粗砂為主，偶有粉質(zhì)黏土夾層。推測本層為陸相層，以基巖風(fēng)化為物源的殘積物、坡積物為主。

層序IV：反射界面R3 以下的地層，為基巖。對研究區(qū)R3 反射界面，即基巖頂面深度進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示：與覆蓋層相對應(yīng)，R3 界面標(biāo)高變化較大，在55～102 m 埋深層（低于目前海平面），總體上呈現(xiàn)由西南、東北兩側(cè)向測區(qū)中部，尤其是測區(qū)中部偏北方向逐漸變深的趨勢。

3.3 不良地質(zhì)作用

研究區(qū)除因海底貝類養(yǎng)殖造成的斑塊狀地貌和條紋狀地貌外，大部分海區(qū)為平坦海底，海底表面未發(fā)現(xiàn)活動沙丘、沙波、潮流沙脊群、滑坡、崩塌、溝谷等不良地質(zhì)作用類型，在淺地層剖面探測資料中也未發(fā)現(xiàn)拋泥區(qū)、淺層氣、泥底辟等不良地質(zhì)作用（圖5）。研究區(qū)的不良地質(zhì)作用類型主要包括軟弱土層、埋藏古洼地和埋藏古河道、沖刷侵蝕導(dǎo)致的出露基巖等。

圖5 研究區(qū)不良地質(zhì)作用分布Fig.5 Distribution of the adverse geological factors in the study area

軟弱土層即本次研究區(qū)的層序I，在研究區(qū)內(nèi)該層下底面界面分布在現(xiàn)有海平面以下21～26 m 處，平均深度23 m，該層厚度為8～10 m。根據(jù)收集到的工程地質(zhì)鉆孔資料和本次調(diào)查取得的表層沉積物樣品測試結(jié)果，本層沉積物以淤泥質(zhì)粉砂、淤泥質(zhì)粉砂質(zhì)砂、淤泥質(zhì)砂質(zhì)粉砂為主，屬高壓縮性土。層序I 在海底表層面以下3.5 m 范圍內(nèi)，鉆具自沉現(xiàn)象極其明顯，土體強度極低，屬于軟弱土層。在海洋工程建設(shè)中，如果選為持力層則極易造成海底構(gòu)筑物的下沉破壞，具有較大的災(zāi)害隱患。

埋藏古洼地主要分布在研究區(qū)的層序II 地層中。研究區(qū)的東南部為末次冰期低海面時期形成的侵蝕洼地，后被河流或湖泊相沉積物充填，內(nèi)部沉積物呈斜層理反射。在該埋藏古洼地附近，存在多條埋藏古河道，其斷面大致呈U 字型或V 字型下切至下伏地層中。無論是埋藏古洼地還是埋藏古河道，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)，與周邊土層在物理力學(xué)性質(zhì)方面存在較大的差異，為不良工程地質(zhì)因素，可能給工程建設(shè)帶來巨大隱患。尤其是選擇該層作為樁基礎(chǔ)持力層時，應(yīng)該進行不良地基處理。

3.4 淺表層沉積物性質(zhì)

對研究區(qū)表層沉積物使用Folk 定名法[14]進行了沉積物定名，樣品粒度測試結(jié)果（圖6）顯示：海底表層沉積物主要包括粉砂質(zhì)砂（zS）、砂質(zhì)粉砂（sZ）和砂質(zhì)泥（sM）3 種類型。粉砂質(zhì)砂是本研究區(qū)分布最廣泛的沉積物類型，約占沉積物面積的70%以上；砂質(zhì)粉砂分布面積次之，約占總面積的20%；砂質(zhì)泥分布最少，僅占總面積的8%左右。

圖6 研究區(qū)海底表層沉積物類型平面分布Fig.6 Horizontal distribution of surface sediment types on the seafloor of the study area

為進一步探究研究區(qū)海底沉積物物理力學(xué)性質(zhì)，利用室內(nèi)液塑限聯(lián)合測定儀對30 個取樣站位（圖2）的海底表層土開展了液塑限性質(zhì)測試，測試結(jié)果如表1 所示。

結(jié)合沉積物粒度分析與液塑限測試結(jié)果，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）[15]進行了沉積物工程分類。結(jié)果顯示海底表層土多屬粉土和粉質(zhì)黏土。據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）[15]，當(dāng)?shù)卣鹆叶确謩e為7 度、8 度和9 度時，飽和粉土的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別不小于10%、13%和16%時，可判為不液化土。由表1 可知，研究區(qū)ZH-01～ZH-10、ZH-18、ZH-23、ZH-25 以及ZH-30 取樣站位處海底表層沉積物中黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10%，具有一定的液化潛在可能，后續(xù)尚需進一步評估海底土的液化可能性。另外，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）[15]規(guī)定地震烈度為8 度和9 度時，塑性指數(shù)小于15 以及天然含水量大于0.9 倍液限且液性指數(shù)大于0.75 的飽和粉質(zhì)黏土可判為震陷性軟土，由于研究區(qū)對應(yīng)地震烈度不高于8 度，因此不用考慮軟土的震陷問題。

表1 海底表層土液塑限測試結(jié)果Table 1 Results of the liquid-plastic limit tests of the seafloor surface sediment in the study area

續(xù)表

3.5 開發(fā)適宜性探討

研究區(qū)水深范圍為11.5～15.6 m，地勢比較平坦，平均坡度約為0.08%，海底分布大量底播養(yǎng)殖，存在較大范圍的海底斑塊狀微地貌和波紋狀微地貌，高度約0.3 m。雖然底播養(yǎng)殖會對海底地形地貌造成一定影響，但由于范圍較小不會對后續(xù)工程開展造成較大影響。研究區(qū)淺地層探測資料顯示未發(fā)現(xiàn)區(qū)域斷裂通過，未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模沖刷溝、淺層氣、海底塌陷、滑坡、底辟等不良地質(zhì)作用，淺地層結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，適宜海上風(fēng)電、海底管道電纜等海洋工程建設(shè)。

需要注意的是研究區(qū)海底淺表層存在厚度約8～10 m 的軟弱土層，以淤泥質(zhì)粉砂質(zhì)砂等高壓縮性土為主，土體強度低，不宜作為海上風(fēng)電及其附屬結(jié)構(gòu)設(shè)施的天然地基持力層，相應(yīng)地可采用樁基穿越該軟弱土層以實現(xiàn)開發(fā)利用目的?？紤]到人工魚礁對海底硬質(zhì)底質(zhì)的要求，在研究區(qū)也不適于建設(shè)人工魚礁型海洋牧場，宜于采用底播養(yǎng)殖方式開展有關(guān)生產(chǎn)經(jīng)營活動。海底軟弱土層中進行海底管道電纜建設(shè)時需著重評估其下沉或上浮的可能性，有針對性地開展防范措施。

另外，研究區(qū)內(nèi)分布的軟弱土層結(jié)構(gòu)性較差，抗沖刷能力較弱，而相關(guān)海洋工程建設(shè)將可能改變原有海洋環(huán)境的水動力條件，使得海工基礎(chǔ)周圍可能存在嚴(yán)重的沖刷現(xiàn)象，對基礎(chǔ)穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。因此，工程設(shè)計階段需對海床沖刷可能性及沖刷深度進行研究，提出相應(yīng)的防護措施和建議。

研究區(qū)東南部分區(qū)域存在埋藏古洼地和多條埋藏古河道，主要分布在海底第II 層序地層中。其中的充填沉積物具有沉積構(gòu)造復(fù)雜、結(jié)構(gòu)多變的性質(zhì)，與周邊土層在物理力學(xué)性質(zhì)方面存在較大的差異，為不良工程地質(zhì)因素。埋藏古洼地和埋藏古河道可能給海上風(fēng)電等海洋工程建設(shè)帶來隱患，尤其是選擇作為持力層時，應(yīng)防止出現(xiàn)樁基穿刺或傾斜，必要時應(yīng)進行適當(dāng)?shù)鼗幚恚源_保風(fēng)電樁基穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文利用歷史鉆孔資料分析、高精度地球物理探測、表層沉積物取樣等方法對遼東半島東部莊河海域工程地質(zhì)特征及開發(fā)利用對策進行了研究。綜合考慮海底沉積物類型、結(jié)構(gòu)、海域不良地質(zhì)因素等方面，分析了研究區(qū)工程地質(zhì)特征，并探討了開發(fā)利用對策。結(jié)果表明，研究區(qū)海底沉積物以粉砂質(zhì)砂為主，地勢較為平坦，較為適宜進行工程開發(fā)活動，但仍存在埋藏古河道、古洼地等不良地質(zhì)現(xiàn)象；研究區(qū)總體工程地質(zhì)條件較好，開展海洋開發(fā)活動時，宜根據(jù)具體工程設(shè)施建設(shè)情況，規(guī)避不良地質(zhì)作用，選擇適宜的基礎(chǔ)形式及埋設(shè)深度，預(yù)防潛在風(fēng)暴潮、海冰等水動力災(zāi)害影響。