黃河三角洲地區(qū)地面沉降驅動因素研究

劉桂衛(wèi), 黃海軍, 杜廷芹, 別 君, 陳紀濤

(1. 中國科學院 海洋地質與環(huán)境重點實驗室, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院 海洋研究所, 山東 青島266071; 3. 中國科學院 研究生院, 北京 100039; 4. 山東省環(huán)境保護科學研究設計院, 山東 濟南 250013; 5.黃河水利委員會山東水文水資源局, 山東 濟南 250010)

黃河三角洲地區(qū)地面沉降驅動因素研究

劉桂衛(wèi)1,2,3, 黃海軍1,2, 杜廷芹4, 別 君2, 陳紀濤5

(1. 中國科學院 海洋地質與環(huán)境重點實驗室, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院 海洋研究所, 山東 青島266071; 3. 中國科學院 研究生院, 北京 100039; 4. 山東省環(huán)境保護科學研究設計院, 山東 濟南 250013; 5.黃河水利委員會山東水文水資源局, 山東 濟南 250010)

黃河三角洲地區(qū)地勢低平、生態(tài)脆弱, 地面沉降使得海水入侵和風暴潮災害加劇。弄清該區(qū)域地面沉降驅動因素, 對油田安全生產和濕地生態(tài)保護都有積極的意義。以20 m地層為界, 將地面沉降驅動因素分為淺地層和深地層因素。分析了地表荷載增加、地下水和油氣開采、沉積物固結壓實、新構造運動等對該區(qū)地面沉降的驅動作用。此外, 探討了海平面上升和地震災害對該區(qū)地面沉降的影響。結果表明: 該區(qū)地面沉降驅動因素主要為沉積物固結和地下水開采, 但控制范圍存在區(qū)域性差異;1969年地震使該區(qū)產生明顯地面沉降, 海平面上升使該區(qū)地面沉降形勢更加嚴峻。

地面沉降; 地下水開采; 固結壓實; 黃河三角洲

地面沉降是在自然和人為因素作用下, 由于地殼表層土體壓縮而導致區(qū)域性地面標高降低的一種環(huán)境地質現象, 是一種不可補償的永久性環(huán)境和資源損失[1]。由于各種自然和人為因素所驅動的地面沉降在深度、時間和范圍等方面的不同, 海岸帶運動特征有其復雜的區(qū)域模式。構造的、第四紀湖泊或淺海沉積的欠固結沉積物的固結作用, 新近沉積物的壓實固結、地下水的流失等, 都會產生地面沉降[2]。只有綜合考慮地質、地貌、水文和人類活動等作用,才能完全清晰地解釋地面沉降產生的原因及主要驅動因素, 采取有效的解決手段[3]。

由于現代黃河三角洲地區(qū)復雜的地質構造背景、獨特的沉積特征及不同的人類開發(fā)活動等, 使得該區(qū)地面沉降的影響因素較多, 沉降機理復雜。幾十年來, 人們從各自研究的領域對黃河三角洲地面沉降進行了分析。提出新構造運動、沉積物固結壓實和人類活動(包括油氣及地下水開采等)等為黃河三角洲地面沉降的影響因素[4-5]。然而, 三角洲地面沉降的主控因素及各要素的影響程度研究還有待深入,尤其是海平面上升和地震等災害對該區(qū)地面沉降的影響還不明確。本文在綜合考慮自然因素和人類活動的基礎上, 根據黃河三角洲沉積特征對地面沉降驅動因素進行分層研究, 探討各沉降因素的影響權重, 以弄清該區(qū)地面沉降驅動因素。為以后該區(qū)地面沉降機理及預測研究打下基礎, 為油田安全開采提供參考。

1 黃河三角洲地面沉降驅動因素分析

黃河三角洲地區(qū)晚侏羅紀以來沉積特征為: 晚侏羅紀-白堊紀, 在濟陽坳陷盆地內堆積了厚1 300～4 800 m的河湖及濱海相砂巖、泥巖夾油頁巖及生物碎屑巖; 中新世—上新世, 區(qū)內沉積了 750～1 700 m的陸相河流砂巖和泥巖; 第四紀沉積了厚約350 m的碎屑巖層; 全新世地層厚度一般在26 m左右, 主要是第三次海侵后形成的海向層和黃河三角洲沉積層[6]; 而 1855年以來形成的現代黃河三角洲沉積厚度一般小于20 m。新近沉積的松散沉積物仍未完成壓實作用, 而年代較久的沉積物已基本完成固結壓實過程。由此, 本文以20 m地層為界, 將研究區(qū)地面沉降分為淺地層沉降(一般在20 m以內)和深地層沉降(20 m至幾千米)。淺地層沉降影響因素主要有1855年以來新近沉積物的固結壓實沉降、地表荷載增加及地下水開采等; 深地層沉降影響因素主要有新構造運動、石油開采等。

1.1 淺地層沉降影響因素

影響淺地層地面沉降的影響因素包括地表荷載的增加、地下水開采、沉積物固結壓實、土壤表層有機質氧化等。黃河三角洲表層土壤以潮土、鹽土為主, 其次是褐土, 少量砂姜黑土和水稻土。土壤缺乏有機質, 普遍缺氮, 嚴重缺磷, 氮磷比例失調。有機質氧化對該區(qū)地面沉降的影響可以忽略。

1.1.1 地表荷載增加對該區(qū)地面沉降的影響

該區(qū)地表荷載的增加主要為城鎮(zhèn)化和大型工廠的建設。根據黃河三角洲地區(qū)1967, 1980和1995年三個時期1: 50 000地形圖得到數據分析看, 1967～1995年將近30a間黃河三角洲地區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速,城鎮(zhèn)面積大幅增加。黃河三角洲淺地層沉積物主要由細粒泥砂組成, 下部為黏土質粉砂, 黏土質粉砂軟弱易變, 具有很大壓縮性, 城鎮(zhèn)樓宇的建設必然帶來局部的地基下沉, 產生地面沉降。但從城鎮(zhèn)分布與該區(qū)地表高程變化看, 二者并無明顯對應關系,這種地面沉降只是短期的局部的。

1.1.2 地下水開采對該區(qū)地面沉降的影響

黃河三角洲地區(qū)地下水質分布, 僅在小清河以南廣饒縣境內的井灌區(qū) 342 km2范圍內有淺層淡水,地下水水質較好, 是當地的重要水源。而除井灌區(qū)外,其余的廣大地區(qū)均屬咸淡水混合區(qū)和咸水區(qū), 淺層地下水礦化度較高, 均在5～20 g/L范圍內, 不宜采用, 灌溉形式主要為引黃、引河灌溉。黃河三角洲地區(qū)地下水開采主要集中在廣饒縣小清河以南的井灌區(qū)。1975年以后, 由于連年干旱, 同時對開采地下水缺乏統(tǒng)一的控制管理, 致使該區(qū)地下水超量開采,尤其是部分相對富水區(qū), 工農、城鄉(xiāng)競相開采, 井的密度和深度不斷加大, 地下水位大幅度下降。到2001年已形成以大王鎮(zhèn)政府駐地、稻莊鎮(zhèn)政府駐地、縣城規(guī)劃區(qū)、石村鎮(zhèn)辛橋為中心的 4個地下水漏斗區(qū), 其中以大王鎮(zhèn)漏斗區(qū)中心地下水位最低, 為-18.40 m。從收集的大王鎮(zhèn)西營和陳官(位置見圖1)地下水資料看(表1), 地下水位從20世紀70年代平均14.86 m和11.97 m, 下降到近幾年(2000年以后)的-7.73 m和-13.99 m。平均地下水位分別下降22.59 m和 25.96 m, 下降速率分別為 0.98 m/a和1.13 m/a。通過該區(qū)2007～2008年D-InSAR沉降監(jiān)測結果對比分析可見(圖1), 小清河以北僅有零星地面沉降區(qū), 且沉降幅度較小; 沉降主要發(fā)生在小清河以南地區(qū), 尤其在大王鎮(zhèn)周圍地區(qū), 沉降速率在15 mm/a以上, 呈塊狀連續(xù)分布, 面積約為105 km2。由以上分析可見, 小清河以南地下水開采漏斗中心區(qū)已發(fā)生明顯的地面沉降現象。

1.1.3 新近沉積物固結壓實對地面沉降影響

小清河以南地區(qū)沉積物形成時間較久, 基本已完成固結壓實作用。小清河以北的扇形地區(qū)沉積物主要為 1855年以來形成的淺層松散沉積物(厚度一般不超過 20 m), 這里主要探討其固結沉降。杜廷芹[8]利用一維固結理論, 采用分層總和法計算了黃河三角洲淺層砂土、軟體及黏性土的沉降特征, 計算得到新近沉積物平均固結沉降速率約為15 mm/a。但在實際的壓縮過程中, 受孔隙水排放速度及上覆沉積物緩慢累計施加等作用, 固結過程會更加緩慢,實際沉降速率較計算值要小。由于缺少近期沉積物的土力學和應力變化資料, 很難計算實際的固結沉降速率。根據劉桂儀等[9]1953～2000年地面沉降觀測資料, 黃河三角洲地區(qū)地面沉降速率為4～8 mm/a,結合任美鍔[10]給出的現代黃河三角洲沉降速率, 認為目前黃河三角洲淺地層沉積物平均固結壓實速率約為3～4 mm/a。

此外, 利用收集到的1967, 1995和2003年三個時期的數字高程數據, 分析廢棄河口流路地區(qū)地面沉降分布情況(圖2)。雖然數據處理中存在幾何校正和空間插值等誤差, 但其所呈現的地面形變趨勢是可信的。1967～1980年段, 1976年廢棄的釣口流路區(qū)域發(fā)生了快速的地面沉降, 沉降幅度大都在 1 m以上(圖 2a); 而 1995～2003年段, 釣口流路大部分地區(qū)已沒有明顯的地面沉降發(fā)生, 沉降區(qū)沉降幅度一般在0.5 m以下。但在此期間, 1996年清8出叉后廢棄的現行河口流路地區(qū)則出現了明顯的地面沉降,沉降幅度在1 m以上(圖2b)。由此可見, 黃河河口流路區(qū)域在廢棄初期(5 a內)會發(fā)生明顯的地面沉降現象, 而后沉降幅度逐漸減小, 沉降一般在流路廢棄后30 a左右完成。分析其原因主要為新近沉積物固結沉降所致, 沉積物固結沉降經歷一個由快到慢的過程。師長興等[11]認為釣口河亞三角洲廢棄已有20 a多, 但海岸仍然沒有自然穩(wěn)定下來, 可能與沉積物自然固結壓縮有一定關系。

表1 大王鎮(zhèn)附近地面快速沉降區(qū)地下水位變化統(tǒng)計表[7]Tab. 1 Changes of groundwater level in the fast land subsidence areas of Dawang town

圖1 小清河以南地下水開采區(qū)2007～2008年D-InSAR沉降監(jiān)測Fig. 1 Land subsidence surveyed by D-InSAR in the groundwater exploitation areas from 2007 to 2008

圖2 廢棄黃河河口流路地區(qū)地面沉降發(fā)展趨勢Fig. 2 Trend of land subsidence in the abandoned Yellow River mouth areas

1.2 深地層沉降影響因素

該區(qū)深地層地面沉降主要由地殼垂直運動及油氣開采引起。地殼垂直運動引起的地面沉降, 與其他因素引起的局部地面沉降性質不同, 二者的準確區(qū)分, 對研究區(qū)域地表形變的發(fā)生發(fā)展機制、趨勢預測等都具有重要的意義。油氣開采引起的地面沉降在該區(qū)域的研究剛剛開始, 研究其沉降機理對油田區(qū)生態(tài)環(huán)境保護有很大的現實意義。

1.2.1 新構造運動對該區(qū)地面沉降的影響

黃河三角洲地區(qū)位于郯廬斷裂帶西側, 區(qū)內次級斷裂發(fā)育, 多為NW-SE走向。李廣雪等[12]通過鉆孔的聯合對比剖面, 揭示出本區(qū)晚更新世以來的新構造運動表現為二凹夾一隆的構造特征, 黃河三角洲地區(qū)位于第一坳陷區(qū)。本區(qū)第三紀開始即出現整體地殼沉降, 第四紀以來表現為繼承性緩慢下沉。而這種地殼沉降帶有區(qū)域均衡性的特征, 不同于局部的地面沉降。馮浩鑒等[13]從混合形變量中提取出中國東部地區(qū)構造運動引起的形變量(圖 3), 黃河三角洲地區(qū)地殼下沉速率為1～2 mm/a。李延興等[14]根據現代地殼垂直運動劃分中國大陸活動地塊邊界, 在劃分出的 3個 II級地塊中, 華北地塊處于微弱的下沉狀態(tài), 全區(qū)平均下沉速率為 2 mm/a。二者所得結果基本一致。構造運動的方向和速率往往長時間保持不變, 可認為黃河三角洲第四紀以來新構造運動沉降速率為2 mm/a。

圖3 華北地塊地殼垂直運動速率等值線圖[13]Fig. 3 The rate of the crustal vertical movement in the northern part of China

1.2.2 石油開采對該區(qū)地面沉降影響

現代黃河三角洲位于濟陽斷陷和埕寧隆起交界處。濟陽斷陷盆地在早第三紀堆積了厚幾千米的河湖及濱海相砂巖、泥巖夾油頁巖及生物碎屑巖。下第三系被深埋, 促使有機質演化, 形成油氣田。自1964年勝利油田正式投入開發(fā)建設以來, 該區(qū)已累計生產原油9.36億t, 生產天然氣399.35億m3。油田開采導致的地面沉降出現在國內外許多大型油田,如美國的 Wilmington油田, 我國的大慶油田等。在勝利油田地區(qū), 劉桂儀等[9]研究得到東營區(qū)及附近石油開采區(qū)地面沉降速率在 10 mm/a左右, 而別君等[4]得到寧海東南地面沉降區(qū)位于油田開采核心區(qū),二者都認為石油開采對地面沉降產生一定的影響。本文通過濟陽斷陷內油田分布與該區(qū)1967～1995年地形數據獲得的地面沉降資料進行疊加分析可見(圖4), 油田開采與地面沉降區(qū)二者沒有直接的對應關系, 部分沉降區(qū)位于油田開采區(qū), 其余則位于油田開采區(qū)外。結合上述研究成果, 認為油田開采對該區(qū)沉降產生了局部影響, 加劇了部分地區(qū)的沉降趨勢。受資料所限, 油氣開采對沉降的影響還需進一步研究, 應著重研究油氣開采對儲層巖石骨架及空隙壓力變化的作用, 進而探討油藏地層壓實對地面沉降的影響。

2 其他影響因素

2.1 海平面絕對上升對該區(qū)地面沉降的影響

《2009年中國海平面公報》顯示, 近30 a來, 中國沿海海平面總體呈波動上升趨勢, 平均上升速率為2.6 mm/a, 其中渤海海平面平均上升速率為2.3 mm/a。海平面上升速率呈加快的趨勢, 國家海洋局預計, 未來 30 a, 中國沿海海平面將繼續(xù)保持上升趨勢, 將比2009年升高80～130 mm。海平面上升速率最高將達到4.3 mm/a, 與任美鍔[10]計算得到2030年現代黃河三角洲理論海平面上升速率將達到4.5 mm/a基本一致。據此, 估算到2050年現代黃河三角洲絕對海平面上升量可達16～18 cm。海平面的絕對上升使得現代黃河三角洲的地面沉降形勢和危害變得更為嚴峻。其長期的累積效應將加劇風暴潮、海岸侵蝕、海水入侵、土壤鹽漬化和咸潮等海洋災害的致災程度。

2.2 地震對該區(qū)地面沉降的影響分析

強地震常使震中附近地區(qū)地面大幅度沉降[15]。如 1976年唐山大地震使得唐山下沉 655 mm, 目前唐山地區(qū)地表垂直形變面貌基本上是1976年大地震時造成的[16]; 黃河三角洲地區(qū)也是一個現代地震活動強烈的地區(qū), 1969年渤海海底曾發(fā)生 7.4級地震,1975年有營口7.3級大地震, 1976年有唐山7.8級大地震。但營口與唐山地震震中距離現代黃河三角洲地區(qū)較遠, 對其地面沉降影響不大。但1969年渤海海底地震可能對該區(qū)地面沉降產生影響。

圖4 油田開采區(qū)與1967～1995年地面沉降區(qū)的對比Fig. 4 Comparison between the land subsidence and the oil exploration area from 1967 to 1995

本文選用黃河三角洲地區(qū) 4個二等水準點(位置見圖 5)高程重復測量數據作為研究基礎, 探討地震對該區(qū)地面沉降的影響。4個二等水準點 1964,1983, 1994和 2002年的高程變化見圖 6, 1964～1983年段4個二等水準點都出現了不同程度的下沉,Ⅱ-1, Ⅱ-2, Ⅱ-3和Ⅱ-4分別下沉了163, 157, 146和154 mm, 認為主要為 1969年渤海海底地震所致。但地震影響后, 四個二等水準點高程變化升降不一,其中Ⅱ-1和Ⅱ-4點持續(xù)下沉, 而Ⅱ-2和Ⅱ-3點出現了回彈變形。通過對比四個二等水準點基底沉積物特征, 發(fā)現Ⅱ-1和Ⅱ-4水準點分布在厚度為8 m的軟土區(qū), 而Ⅱ-2和Ⅱ-3水準點淺地層基底則沒有軟土存在, 主要為砂性土層和黏土層(圖5)。不同沉積物受地震影響后表現出不同的特征: 砂性土層和黏土層在地震中液化和固結, 而后出現回彈變形; 軟土中黏粒含量較高, 顆粒間的水膠聯結和靜電引力與分子引力聯結, 而使其具有明顯的觸變性, 使其在較低的強度下受到破壞后也難以恢復[17]。在地震作用下, 該區(qū)軟土發(fā)生觸變變形, 疊加固結作用,表現為先快后慢的持續(xù)沉降過程。因此, 地震產生的實際地面沉降量較 1964～1983年Ⅱ-1和Ⅱ-4點沉降量小, 但比同時期Ⅱ-2和Ⅱ-3點沉降量大。該時期Ⅱ-1和Ⅱ-4點平均地面沉降量為158 mm, Ⅱ-2和Ⅱ-3點平均地面沉降量為 151 mm, 可以推斷1969年渤海地震造成黃河三角洲地區(qū)地面沉降量在151～158 mm之間。魏光興[18]指出1969年地震使該區(qū)256 m長的黃河大堤發(fā)生沉陷, 沉陷深度達20～30 cm。與本文計算結果基本一致?？梢姷卣疬@種突發(fā)災害對該區(qū)地面沉降影響較大, 一次強震所致沉降量甚至相當于自然狀態(tài)下十幾年的沉降結果。所以, 在大量松散沉積物存在的沿海低平原地區(qū), 尤其是河口三角洲等地, 要十分重視強震帶來的地面沉降問題。

3 進一步研究展望

隨著黃河三角洲戰(zhàn)略地位的不斷提高和社會經濟的不斷發(fā)展, 加深對黃河三角洲地區(qū)地面沉降過程及影響研究有著非常重要的現實意義。許多問題的研究還需要進一步深入, 主要體現在以下幾個方面。

圖5 黃河三角洲軟土分布與二等水準點位置[19]Fig. 5 The positions of the second-level benchmarks and soft clay distributing in the Yellow River delta

圖6 二等水準點高程變化Fig. 6 Elevation changes of the second-level benchmarks

3.1 加強地面沉降監(jiān)測及預測

應當強化該區(qū)地面沉降的長期監(jiān)測, 差分GPS、D-InSAR等高技術手段的應用需在時序上加以延長,短期的沉降監(jiān)測無法說明長期的變化趨勢。該區(qū)地下水位變化帶有明顯的季節(jié)性, 使地面沉降過程變得更為復雜; 加強土力學實驗研究, 弄清該區(qū)沉降機理, 加強沉降預測。

3.2 開展地面沉降對環(huán)境影響研究

地面沉降對環(huán)境的影響越發(fā)引起人們的關注,尤其在地勢低平的海岸帶地區(qū)。然而, 地面沉降和日益頻繁的人類活動對黃河三角洲洲體發(fā)育和黃河流路變遷的驅動作用等研究, 亟待深入開展; 地面沉降對黃河三角洲岸灘蝕退及防護措施影響的研究,目前還處于初級階段; 開展該區(qū)地面沉降的環(huán)境效應研究, 對整個三角洲地區(qū)的經濟建設和防災減災政策的制定都有重要作用。

3.3 深化多因素耦合下成災風險分析

在全球變暖的大背景下, 綜合考慮地面沉降與風暴潮等災害之間的耦合關系, 探討其對三角洲濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)、海岸侵蝕、咸水入侵等的影響, 對成災風險的評價和預測有著積極的作用。尤其是考慮多種因素耦合作用下, 黃河三角洲的發(fā)育演化模式研究還有許多工作要做。

4 結論

綜合分析所得資料和前人研究成果, 得到以下幾點認識: (1) 黃河三角洲地區(qū)地面沉降受自然和人為因素共同影響。但主控因素存在區(qū)域差異性: 在小清河以北地區(qū)主要受構造運動和淺地層沉積物固結沉降影響, 平均沉降速率在4～5 mm/a之間; 在小清河以南地區(qū)主要受地下水開采影響, 目前, 地下水超采漏斗中心區(qū)沉降速率在 10～25 mm/a之間;(2)石油開采加劇了局部地面沉降趨勢。1969年渤海地震導致黃河三角洲地區(qū)產生15 cm左右的地面沉降。此外, 全球變暖使得該區(qū)在未來40年內絕對海平面上升16～18 cm?？梢? 地震災害和全球變暖使該區(qū)地面沉降形勢更加嚴峻。

黃河三角洲地面沉降研究還處于初級階段, 地面沉降的監(jiān)測及其對環(huán)境的影響研究亟待深入。

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Effective factors of land subsidence in the Yellow River Delta

LIU Gui-wei1,2,3, HUANG Hai-jun1,2, DU Ting-qin4, BIE Jun2, CHEN Ji-tao5
(1. Key Laboratory of Marine Geology and Environment, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071,China; 2. Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 3. Gradute School of the Chinese Acadamy of Sciences, Beijing 100039, China; 4. Shandong Academy of Environmental Science, Jinan 250013, China; 5. Hydrology and Water Resources Bureau of Shandong, Jinan 250010, China)

Nov., 10, 2010

land subsidence; groundwater exploitation; sediment consolidation; the Yellow River Delta

The Yellow River Delta with the low terrain has a fragile eco-system. Land subsidence has led to serious seawater intrusion and storm surge disaster. Studying the effective factors of land subsidence in the area is helpful for oil field safety and ecological conservation of wetland. With the 20 meters depth stratum as the boundary, the effective factors of land subsidence in the Yellow River Delta were divided into two categories, shallow and deep. The effective factors like the increased surface load, groundwater and oil exploitation,sediment consolidation, and neotectonics were discussed in this paper. Furthermore, the effects of sea-level rise and earthquake were also studied. Our results showed that sediment consolidation and groundwater exploitation, which dominated different areas subsidence, were the two main factors for land subsidence. The earthquake at 1969 had led to significant land subsidence, and sea-level rise made the subsidence situation more severe.

P642.5; P642.26

A

1000-3096(2011)08-0043-08

2010-11-10;

2011-05-30

國家自然科學基金(40676037); 中國科學院重要方向項目資助(kzcx2-ew-207)

劉桂衛(wèi)(1982-), 男, 黑龍江海倫人, 博士, 主要從事地質遙感應用研究, 電話: 022-26175770, E-mail: liuguiwei@tsdig.com; 黃海軍(1963-), 通信作者, 男, 湖南湘潭人, 研究員, 博士, 主要從事海岸帶遙感與地理信息系統(tǒng)研究, E-mail: hjhuang@qdio.ac.cn

劉珊珊)