珊瑚島礁工程地球物理方法初探

崔永圣，馬 林，劉宏岳，黃佳坤

（1.海軍工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100070；2.福建省建筑設(shè)計(jì)研究院，福州 350001）

1 引言

珊瑚礁是指造礁珊瑚群體死后骨骼和外殼聚集在一起形成的沉積構(gòu)造，是一種特殊的巖土類型。在珊瑚礁的巖土工程特性研究中是現(xiàn)代巖土工程的一個新課題。珊瑚島礁形成過程與陸地不同，受地質(zhì)環(huán)境、海洋環(huán)境、造礁生物種類、生長條件影響較大，形成的地形、地貌和地層巖性與陸地相比有其特殊性。珊瑚島礁以生物層級為主，在海洋動力條件下由珊瑚等海洋生物生長、充填和堆積而成的穩(wěn)定地質(zhì)體。

20 世紀(jì)70年代我國才開始在珊瑚礁上進(jìn)行工程建設(shè)，開展了珊瑚礁物理力學(xué)性質(zhì)的初步調(diào)查研究，以后10 多年隨著南沙綜合科考的開展，珊瑚礁工程地質(zhì)研究有進(jìn)一步的推進(jìn)，開展了一系列珊瑚礁工程地質(zhì)性質(zhì)的現(xiàn)場測試和室內(nèi)試驗(yàn)，進(jìn)一步認(rèn)識了礁砂土的3個突出的土力學(xué)特點(diǎn)，即高孔隙率、高摩擦角和低強(qiáng)度值，并陸續(xù)發(fā)表了一些論文和專著[1－3]。

珊瑚礁是一種特殊的巖土類型，孫宗勛等[1]提出新學(xué)科-珊瑚礁工程地質(zhì)學(xué)，介紹了珊瑚礁和珊瑚礁工程地質(zhì)學(xué)的概念和研究概況和該學(xué)科的方向任務(wù)以及面臨的主要問題。中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)所對珊瑚礁的工程地質(zhì)特性做了一些研究工作，主要集中在珊瑚礁的土力學(xué)性質(zhì)和水文地質(zhì)調(diào)查研究方面。珊瑚島礁巖土層的地球物理參數(shù)，如彈性波波速、電阻率等以及利用各種地球物理參數(shù)進(jìn)行地球物理勘探的工作鮮見報道[4－7]，總體上研究內(nèi)容很少，所做工作很有限。

近年來對珊瑚島礁工程地質(zhì)特征研究深度不斷加大，地球物理勘探技術(shù)也在嘗試，本文基于已有地球物理勘探資料研究，對主動源面波、水域地震反射波和電阻率方法在珊瑚島礁上適用性進(jìn)行探討，尋找研究珊瑚島礁有效方法，以期今后勘察工作起到借鑒作用。

2 珊瑚島礁巖土工程特征

根據(jù)勘察資料，便于后續(xù)分析研究，對珊瑚島礁進(jìn)行必要的工程地質(zhì)分區(qū)和地層劃分（見圖1），有助于對珊瑚島礁工程地質(zhì)特征深入研究。

2.1 工程地質(zhì)分區(qū)

珊瑚島礁工程地質(zhì)分區(qū)，以地貌單元為基礎(chǔ)，結(jié)合地層巖性、成因和分布規(guī)律，在平面上分為沙洲區(qū)、灰沙島區(qū)、瀉湖區(qū)、礁坪區(qū)和人工回填區(qū)五大區(qū)域（見圖1）。沙洲區(qū)：礁坪上沙洲分布區(qū)域，由松散珊瑚碎屑覆蓋，不長植物或植物稀少的小范圍陸地區(qū)域，形成年代較新，主要由珊瑚沙構(gòu)成。灰沙島區(qū)：島嶼上的灰沙島分布區(qū)域，由沙洲逐步發(fā)育而成。瀉湖區(qū)：礁坪環(huán)繞的瀉湖所占有的區(qū)域，是礁坪部分和湖內(nèi)生物碎屑的最終和主要堆積區(qū)，主要由珊瑚碎屑構(gòu)成，具有礁后沉積的特征。礁坪區(qū)：接近海平面的珊瑚礁生長和分布區(qū)域，由礁組合構(gòu)成，高潮時淹沒，低潮時大部分露出水面，局部存有淺海水。人工回填區(qū)：在礁坪上后期由人工進(jìn)行回填碾壓形成的人造陸地區(qū)域。為了便于今后研究，將回填場地劃分為獨(dú)立的巖土工程特性區(qū)域是有必要的。

圖1 珊瑚島礁工程地質(zhì)分區(qū)及剖面示意圖Fig.1 Sketch of engineering geological section of coral island and reef

2.2 地層劃分

在工程地質(zhì)分區(qū)的基礎(chǔ)上，按照地層巖性特征、成因類型和沉積順序，珊瑚島礁地層由上至下分為以下6 層（見圖2）。層①為人工回填碾壓層，分布在回填區(qū)域內(nèi)。人工堆積形成，通過機(jī)械從礁坪或?yàn)a湖上開挖的珊瑚礁塊、碎石和砂的混合物或珊瑚碎屑，經(jīng)過回填堆積碾壓夯實(shí)形成的人造地層。層②為沙洲相珊瑚碎屑層，分布在沙洲區(qū)域內(nèi)，由海洋動力作用堆積而成，形成較晚，屬新近沉積，一般呈松散～稍密狀態(tài)，以珊瑚砂為主。層③為灰沙島相珊瑚碎屑層，分布在灰沙島區(qū)域內(nèi)。由海洋動力作用堆積而成，其成因與沙洲相同，沉積年代較早，呈中密～密實(shí)狀態(tài)，以珊瑚砂為主。潮間帶部位局部見有“海灘巖”，厚達(dá)0～3 m，分布不連續(xù)，具有巖石特征。層④為瀉湖相松散珊瑚碎屑層，分布在瀉湖區(qū)域內(nèi)。海洋動力作用下的瀉湖相沉積，具有礁后沉積的特點(diǎn)，松散～密實(shí)狀態(tài)，具有隨埋深增加密實(shí)度提高的特點(diǎn)。較大的瀉湖珊瑚碎屑沉積較厚，可根據(jù)實(shí)際情況分為上部④1松散層、中部④2稍密～中密層和下部④3中密～密實(shí)層。層⑤為礁坪相礁組合，分布在礁坪區(qū)域內(nèi)。海洋生物沉積，它是在海洋動力條件作用下由造礁石珊瑚群落生長、充填和堆積而成，具有格架支撐結(jié)構(gòu)，整體穩(wěn)定性好。礁坪表面局部見有“海灘巖”，厚達(dá)0～8 m，分布不連續(xù)，具有巖石特征。層⑥為珊瑚礁灰?guī)r，俗稱礁灰?guī)r，是珊瑚島礁生物灰?guī)r的統(tǒng)稱，分布在各區(qū)下部。由礁坪～瀉湖相等沉積物經(jīng)后期成巖作用形成，是層③～⑤的基底。

圖2 鉆孔原位測試成果圖Fig.2 Borehole in-situ test results

3 珊瑚島礁地球物理參數(shù)測試

各類地球物理勘探方法是利用探測目標(biāo)體的物理參數(shù)差異，如探地雷達(dá)利用電性差異（介電常數(shù)、導(dǎo)電率）、電法利用電阻率差異、地震反射利用波阻抗差異等，進(jìn)行地球物理勘探前，有條件時應(yīng)盡量收集勘探區(qū)巖土的各種地球物理參數(shù)，或進(jìn)行現(xiàn)場原位測試取得需要的巖土物理參數(shù)。

本次在南海某島上的珊瑚島礁巖土特性調(diào)查進(jìn)行了孔內(nèi)電阻率測試和孔內(nèi)剪切波速測試，代表性鉆孔的成果見圖2，其他測試孔的規(guī)律基本一致。測試成果說明，松散珊瑚砂與膠結(jié)的礁灰?guī)r電阻率差異不大，礁灰?guī)r的平均電阻率為1.47 Ω·m，珊瑚碎石/砂的平均電阻率為1.59 Ω·m，兩者在同一數(shù)量級。分析原因認(rèn)為，珊瑚砂、珊瑚碎石、礁灰?guī)r的孔隙率大，而這些孔隙都是海水飽和的，不同深度的電阻率一定程度上的差別反映了礁灰?guī)r的孔隙率不同，也即膠結(jié)程度稍有差別。

剪切波速測試采用XG-1 型懸掛式剪切波速測試儀。從測試成果可看出，礁灰?guī)r的剪切波速在420～670 m/s 之間，珊瑚砂、珊瑚碎石的剪切速度在200～300 m/s 之間，兩者速度分界面清楚，存在明顯的波阻抗界面。測試成果分別見圖2和表1。

4 珊瑚島礁巖土工程物探方法

根據(jù)前人對珊瑚島礁研究成果，島礁的礁相按地貌單元可分為向海坡、礁坪（外礁坪、礁凸起、內(nèi)礁坪）、灰砂島、瀉湖等幾個相帶[8](見圖3)。西沙群島的礁坪一般由外礁坪、礁凸起和內(nèi)礁坪組成。在波浪影響深度范圍內(nèi)的珊瑚礁體向海坡一般分別斜坡型和陡坡型，主要受水動力作用的差異和造礁生物增長不同的影響。礁坪是珊瑚礁體向上發(fā)育到大潮低潮面后橫向擴(kuò)展形成的，向海坡、外礁坪、礁凸起一般為硬底質(zhì)，通常發(fā)育有珊瑚砂礫巖（俗稱海灘巖）。

表1 某代表性鉆孔原位測試成果Table 1 Typical borehole in-situ test results

由于珊瑚礁坪處于高潮淹沒、低潮干出或半干出的海洋潮間帶環(huán)境，致使現(xiàn)場勘探儀器和技術(shù)方法既有別于陸地工程地質(zhì)勘探，也不完全同于深海的工程地質(zhì)勘探。鉆探、物探及許多原位測試雖然仍是珊瑚礁工程地質(zhì)調(diào)查常用的勘探手段，但由于其特殊的物理力學(xué)性質(zhì)及環(huán)境，在鉆探過程中就應(yīng)采用新的儀器設(shè)備和技術(shù)方法。工程物探是簡便快速地了解珊瑚礁巖性、地層及結(jié)構(gòu)的勘探方法。

珊瑚島礁由于其特殊的地理位置和發(fā)育成長環(huán)境，工程地質(zhì)條件與內(nèi)陸差異大，在我國工程物探勘察手段無任何經(jīng)驗(yàn)可借鑒，為了確定合適的島礁巖土工程物探方法，選用目前國內(nèi)成熟的各種物探方法，即水域地震反射波法、面波法、及高密度電法3 種方法和相應(yīng)儀器設(shè)備進(jìn)行了場地適應(yīng)性試驗(yàn)，通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定每種物探方法的適應(yīng)性和探測效果[9－10]。

4.1 高密度電阻率法

分別在內(nèi)礁坪海域與陸地灰砂島兩種場地開展了高密度電阻率法場地適應(yīng)性試驗(yàn)。數(shù)據(jù)采集單個排列電極總數(shù)60 根，極距10 m。試驗(yàn)工作均采用溫納與施倫貝爾兩種裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。下面分別列舉其中一個排列的處理結(jié)果來介紹其探測效果。

圖4為內(nèi)礁坪水域試驗(yàn)段某排列的高密度電法勘探成果，上為電法實(shí)測數(shù)據(jù)剖面，下為反演成果剖面。從實(shí)測數(shù)據(jù)剖面上可以看出，實(shí)測數(shù)據(jù)畸變點(diǎn)較多，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差。從反演成果剖面上看，電阻率呈非層性分布，剖面淺部電阻率差異小，難以分層；剖面深部電阻率差異過大，與實(shí)際巖土分層及鉆孔電阻率測試成果不吻合。分析探測效果不佳的原因主要是松散珊瑚砂層與礁灰?guī)r的電阻率差異不大，基本上在一個數(shù)量級，電阻率分層性較差。高密度電法和其他電阻率法在珊瑚島礁的探測效果較差，不宜開展。

4.2 主動源面波法

主動源面波(多道瞬態(tài)瑞利面波)法在灰砂島和潮間帶2個不同微地貌單元分別進(jìn)行了試驗(yàn)，采用24 道采集，道距1 m，偏移距為-32/9 m，接收采用4 Hz 垂直地震檢波器。震源采用18 磅鐵錘敲擊鐵板激發(fā)面波。圖5為灰砂島和潮間帶面波點(diǎn)的原始面波記錄。由圖可見，灰砂島面波能量（圖中藍(lán)色線圈定范圍）非常發(fā)育，與直達(dá)波分離較好。礁坪上存在海灘巖地方的面波記錄與灰砂島有明顯差別，呈現(xiàn)為頻率較高，面波群速度較大。求取的頻散曲線形態(tài)特征也差別較大。

圖6為不同微地貌單元的面波頻散曲線對比?；疑皪u的面波相速度整體上隨深度逐漸增大，而潮間帶存在海灘巖的面波相速度整體上呈“高-低-高”分布，表層速度可達(dá)400 m/s 以上。

圖3 環(huán)礁相帶劃分Fig.3 Coral reef face belt division

圖6 灰砂島和潮間帶面波頻散曲線對比Fig.6 Comparision of dispersive curves of rayleigh wave

圖7為灰砂島某測線的面波視層速度等值線。通過與測線附近鉆孔資料的比對分析可知，該速度剖面圖較好地反映了松散珊瑚砂和礁灰?guī)r的地層層序，探測結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

圖8為潮間帶面波視層速度等值線圖。從圖中可以看出，速度層呈“高低－高”3 層分布，淺部速度層分布300～500 m/s，綜合地質(zhì)資料分析，推斷為珊瑚砂礫巖(海灘巖)，厚2.9～4.7 m；中部速度層分布在200～550 m/s，推測為珊瑚砂、碎石層；深部速度V ＞600 m/s，推斷為珊瑚礁灰?guī)r。

圖7 灰砂島面波視層速度等值線圖Fig.7 Apparent surface wave velocity along the coral sand island

圖8 潮間帶面波視層速度剖面圖(存在海灘巖)Fig.8 Apparent surface wave velocity along the intertidal belt(present of beachrock)

由于礁灰?guī)r的埋深一般在20 m 附近，在主動源面波有效勘探深度范圍內(nèi)，從試驗(yàn)效果看，主動源面波的勘探效果較理想。

4.3 水域淺層地震反射波法

（1）地震反射波方法

水域地震反射波法利用地下介質(zhì)（巖土層）的波阻抗差異解決地質(zhì)問題。其基本原理是：地震波在地下介質(zhì)傳播過程中遇到介質(zhì)存在波阻抗明顯差異的界面時會發(fā)生反射，反射波信號通過安置在地表的檢波器接收并記錄到地震儀，通過分析計(jì)算反射波相位的時空特性來推斷地下構(gòu)造。本次調(diào)查采用水域走航式地震反射波方法，接收采用24 道漂浮電纜，道間距為1 m，震源采用氣動機(jī)械聲波水域高分辨率淺層地震勘探連續(xù)沖擊震源，主頻在400～2 000 Hz，頻帶合適，余震衰減快，能量適中，脈沖特性好，對海洋生態(tài)及環(huán)境保護(hù)有利，特別適合各類淺海和灘海過渡帶淺地層剖面探測[10]。作業(yè)時自動震源船1.5 s 錘擊一次，工作船航速2 節(jié)左右，覆蓋次數(shù)在10 次以上。

水域地震反射波地震數(shù)據(jù)處理按標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行[11－12]，由于工作船的航速受發(fā)動機(jī)馬力、海水流速、漲落潮、風(fēng)向、駕駛技術(shù)等影響，不可能保持恒定的速度，震源激發(fā)點(diǎn)距取決于船速和震源船沖擊間隔時間，同一測線不同里程段炮點(diǎn)距有所不同，因此采用準(zhǔn)CDP 疊加方式，即抽取小面元的來自不同激震點(diǎn)、不同接收點(diǎn)上接收的反射地震信號進(jìn)行疊加，成果圖件按1 m 反射面元疊加[13]。

（2）地震反射波勘探效果

地震反射法在島礁海域勘探效果理想，下面以某島東北方向和西南方向的2 條測線為例說明。

圖9為西南向測線的地震反射波時間剖面圖，剖面清楚反映了外礁坪、向海坡和臺階平臺的形態(tài)，外礁坪高8.9 m，寬106.5 m，坡度約為8.3°；向海坡高14.4 m，寬29.0 m，高程變化在-10.3～24.7 m，坡度較陡，陡度約為46°；向海坡外的水底平臺很平緩，除向海坡坡腳一段約100 m 稍大坡度外，其余地段標(biāo)高在-41.5～50.3 m 之間，該平臺長度在礁坪外8 km 未見明顯變化。水底下地層同相軸清晰，水底下有2 層較強(qiáng)的波阻抗界面，反射時間分別在70 ms和80 ms 附近，整體上沉積層界面較平緩，分層層序清楚，說明該區(qū)域的沉積環(huán)境相對較平靜。

圖10為東北向測線的地震反射波時間剖面圖。由圖可見，外礁坪、向海坡和臺階平臺的形態(tài)，但整體水底形態(tài)與西南端差別較大，首先外礁坪的寬度大，寬約280 m，高程為0～14.7 m，坡度約為5.1°，較緩；向海坡高15.9 m，寬74.5 m，高程變化在-14.7～30.6 m，坡度較緩，陡度約為21°；外海水下形態(tài)變現(xiàn)為多臺階緩降形態(tài)，向海坡坡腳往外海1 200 m 水深高程變化從-30.6～128.3 m，平均坡度為7.5°，這緩降區(qū)域水底多次波明顯，表示水底介質(zhì)較硬，除臺階坡腳有少量沉積層外，其余地方沉積現(xiàn)象不明顯。

圖9 西南向測線的地震反射波時間剖面圖Fig.9 Marine seicmic reflection profiling along the southwest line

圖10 東北向測線的地震反射波時間剖面圖Fig.10 Marine seicmic reflection profiling along the northeast line

南端與北端外海測線成果對比來看，水底地形、水深不對稱，水底沉積地層也差別較大，分析認(rèn)為與珊瑚礁成長的水動力環(huán)境有關(guān)。

5 結(jié)語

針對珊瑚島礁的特殊地理位置和成長環(huán)境，采用目前國內(nèi)成熟的物探方法對在某珊瑚島礁進(jìn)行場地適應(yīng)性試驗(yàn)，從試驗(yàn)效果上看，電法類探測效果不理想，孔內(nèi)電阻率原位測試數(shù)據(jù)表明，松散珊瑚碎屑層與礁灰?guī)r的電阻率差異很小，在同一數(shù)量級，由于珊瑚碎屑層、礁灰?guī)r的孔隙率大，在海平面下這些孔隙都是海水飽和的，總體上無法采用電法類勘探方法進(jìn)行地質(zhì)分層。

主動源面波在珊瑚島礁能量非常發(fā)育，探測效果好，面波視速度剖面很好地反映了珊瑚碎屑層與礁灰?guī)r的地層層序；水域地震反射波對外礁坪、向海坡、外海的沉積層界面反映清晰，發(fā)現(xiàn)某島礁的南、北端的水底形態(tài)不對稱，沉積層差異大，可能與珊瑚礁成長的海洋水動力環(huán)境有關(guān)。本文對珊瑚島礁的工程地球物理勘探方法進(jìn)行了初步探討，以此期望推動島礁地球物理勘探領(lǐng)域的進(jìn)一步深入研究發(fā)展。

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