基于聲學(xué)探測(cè)的渤海海峽海底災(zāi)害地質(zhì)分析

馮 京， 趙鐵虎， 孫運(yùn)寶， 高小惠， 李攀峰

(1. 青島海洋地質(zhì)研究所 國(guó)土資源部海洋油氣資源與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266071；2.海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，青島 266071)

基于聲學(xué)探測(cè)的渤海海峽海底災(zāi)害地質(zhì)分析

馮 京1，2， 趙鐵虎1，2， 孫運(yùn)寶1，2， 高小惠1，2， 李攀峰1，2

(1. 青島海洋地質(zhì)研究所 國(guó)土資源部海洋油氣資源與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266071；2.海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，青島 266071)

根據(jù)高分辨率側(cè)掃聲圖和高分辨率聲地層剖面的解譯結(jié)果，識(shí)別了渤海海峽通道海區(qū)海底災(zāi)害地質(zhì)因素的聲學(xué)特征及分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)主要包括侵蝕陡坎、沖刷槽、潮流沙脊、活動(dòng)沙波、沉船、巖礁、侵蝕洼地、淺灘、活動(dòng)斷層、淺埋基巖面、淺層氣等災(zāi)害地質(zhì)因素。探討了災(zāi)害地質(zhì)要素的成因及危害，繪制了災(zāi)害地質(zhì)要素的平面分布圖，可為今后該海區(qū)的海洋工程建設(shè)提供一些借鑒。

渤海海峽； 側(cè)掃聲圖； 聲地層剖面； 災(zāi)害地質(zhì)

0 引言

災(zāi)害地質(zhì)一般指對(duì)人類及環(huán)境能夠或有可能造成危害的地質(zhì)因素，它包括導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生的各種地質(zhì)體、地質(zhì)作用和地質(zhì)條件[1]。隨著海洋經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類對(duì)海底油氣資源、島嶼資源的開發(fā)進(jìn)入全新的階段，海底管線的鋪設(shè)和島嶼間橋隧銜接的海洋工程建設(shè)日趨增多。因此識(shí)別和研究海底災(zāi)害地質(zhì)因素的特征、空間分布規(guī)律和成因及危害已成為海洋工程建設(shè)中亟待解決的重要問題。

渤海海峽是黃渤海天然的分界線，海峽通道海區(qū)廟島群島橫亙分布，居民常住島多達(dá)10個(gè)，油氣、水等資源海底管線鋪設(shè)較多；另外渤海海峽通道區(qū)水道眾多，老鐵山水道和長(zhǎng)山水道海運(yùn)繁忙，據(jù)統(tǒng)計(jì)僅國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)渤海海峽的航線就多達(dá)50余條，日往來(lái)船只量達(dá)200艘以上[2]，因此對(duì)渤海海峽災(zāi)害地質(zhì)類型地研究十分必要。近年來(lái)國(guó)內(nèi)不同學(xué)者對(duì)南黃海[3-4]、南海[5-6]等海域的海底災(zāi)害地質(zhì)進(jìn)行了較為詳細(xì)地研究，相比之下渤海海峽海底災(zāi)害地質(zhì)的研究較為少見，大量學(xué)者更多的是對(duì)渤海的地形和地貌動(dòng)力特征進(jìn)行了較為詳細(xì)地研究[7-9]，近年對(duì)渤海海峽海域?yàn)?zāi)害地質(zhì)的研究主要以淺地層剖面為主，且主要集中在遼東半島附近海域[10]。2012年-2013年國(guó)土資源部青島海洋地質(zhì)研究所在渤海海峽及鄰區(qū)海域，進(jìn)行了大比例尺的海洋地質(zhì)調(diào)查工作，獲得了大量的高分辨率聲圖資料和聲地層剖面，聲學(xué)資料清晰地反映了研究區(qū)海底表層和海底以下100 m以淺地層內(nèi)存在的災(zāi)害地質(zhì)因素，通過(guò)分析其聲學(xué)特征和分布規(guī)律，繪制了災(zāi)害地質(zhì)平面分布圖，探討了其成因和潛在危害。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于渤海海峽，北至老鐵山水道，南至山東蓬萊角北部沿岸，范圍為37°45′N～38°50′N，120°15′E～121°20′E。在地質(zhì)構(gòu)造背景中，研究區(qū)位于郯廬斷裂的東部，膠遼隆褶帶(中朝地塊的南部)上，在距今6億～8億年前渤海海峽尚未出現(xiàn)，廟島群島做為一個(gè)整體與南北陸地連成一體，約1.4億年前，在地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下廟島群島逐漸分離，渤海海峽雛形隨之形成。海峽海域水深從南至北呈現(xiàn)階梯下降的走勢(shì)，水深在10 m～86 m，最深處位于老鐵山水道海區(qū)。研究區(qū)內(nèi)海底沉積物細(xì)粉砂質(zhì)軟泥、細(xì)砂、礫石均有分布，以細(xì)砂為主；礫石區(qū)主要分布在渤海海峽南部海區(qū)和老鐵山水道附近；細(xì)粉砂質(zhì)軟泥主要分布在蓬萊角海區(qū)[14]。

2 聲測(cè)資料的采集和解釋

2012年-2013年在我國(guó)渤海海峽及鄰區(qū)海域開展了高分辨率側(cè)掃聲納和高分辨率聲地層剖面測(cè)量工作，共獲得高分辨率側(cè)掃聲圖及同步水深測(cè)量2 070 km，高分辨率聲地層剖面和同步水深測(cè)量2 200 km(圖1、表1)。海上調(diào)查采用拖曳式作業(yè)方式，側(cè)掃聲納采用美國(guó)EdgeTech 4200FS雙頻采集系統(tǒng)，單側(cè)100 m時(shí)，縱向分辨率達(dá)0.5 m；淺剖采用英國(guó)CODA公司DA500采集系統(tǒng)，垂向分辨率優(yōu)于0.5 m；水深測(cè)量采用加拿大320M測(cè)深儀，精度優(yōu)于0.01 m；定位采用美國(guó)Trimble公司產(chǎn)DMS132型DGPS接收機(jī)，定位中誤差小于1 m；導(dǎo)航采用廣州中海達(dá)導(dǎo)航定位系統(tǒng)，作業(yè)前對(duì)采集參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)。

表1 實(shí)際采集參數(shù)Tab.1 Acqusition parameter

圖1 研究區(qū)范圍及實(shí)測(cè)航跡圖Fig.1 Range and real-time tracking map of study areas

通過(guò)判讀側(cè)掃聲圖，結(jié)合水深剖面聲學(xué)反射特征，識(shí)別了研究區(qū)內(nèi)海底表層災(zāi)害地質(zhì)因素及分布特征。根據(jù)研究區(qū)鄰區(qū)的四個(gè)歷史地質(zhì)鉆孔Bc-1[11]、CD5[12]、NYS-102[13]和DLC70-1，結(jié)合地震反射界面的識(shí)別標(biāo)志(如上超、下超、削截和頂超等)，對(duì)研究區(qū)的淺地層聲剖面進(jìn)行了解譯，利用災(zāi)害地質(zhì)因素在聲地層剖面中的聲學(xué)反射特征，識(shí)別了它們?cè)诘貙又械目臻g分布規(guī)律，最終繪制了研究區(qū)海底面和海底以下100 m內(nèi)地層中的災(zāi)害地質(zhì)分布圖。

3 災(zāi)害地質(zhì)類型劃分

根據(jù)Willian R.Brynant[15]和李培英[16]對(duì)海洋災(zāi)害地質(zhì)類型劃分的原則，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際調(diào)查情況，將研究區(qū)的海洋災(zāi)害地質(zhì)按照空間分布和成因的劃分原則進(jìn)行了詳細(xì)分類(表2)。

4 海底災(zāi)害地質(zhì)的聲學(xué)特征、分布規(guī)律與成因分析害

4.1 侵蝕陡坎

侵蝕陡坎在聲學(xué)剖面上表現(xiàn)為海底高度劇烈起伏，坡度急劇變化，水深陡增(陡降)，因此陡坎常與沖刷溝槽相伴而生。結(jié)合實(shí)測(cè)聲學(xué)剖面，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)陡坎主要分布于廟島群島各水道中，以老鐵山水道居多。研究區(qū)水道海域潮流動(dòng)力強(qiáng)烈，沖刷侵蝕作用力控制著現(xiàn)代海底地貌的演化，也是侵蝕陡坎形成的主要?jiǎng)恿σ蛩?。Lewis[17]曾指出，陡坎的致災(zāi)因素主要在于其坡度，坡度在1°～4°的開闊海域的斜坡即可產(chǎn)生誘發(fā)性地層坍塌，研究區(qū)內(nèi)陡坎坡度大多都在1°～6°，最陡的約29°(圖2)，在強(qiáng)潮流動(dòng)力影響下極有可能誘發(fā)坍塌，從而對(duì)海底的工程建設(shè)如海底管線的鋪設(shè)帶來(lái)較大潛在危害，因此在工程建設(shè)選址時(shí)應(yīng)注意避讓。

表2 災(zāi)害地質(zhì)因素分類表Tab.2 Types of geo-hazard factors

圖2 海底陡坎聲地層剖面Fig.2 The Sub-bottom profile of seabed scarps

4.2 溝槽、侵蝕洼地

海底溝槽和侵蝕洼地在聲圖上表現(xiàn)為負(fù)向地貌單元，溝槽往往與海底侵蝕洼地相連，通常發(fā)育在侵蝕作用強(qiáng)烈的環(huán)境，如島嶼之間的海域，研究區(qū)內(nèi)島嶼眾多，島嶼之間分布有大小不一的水道，潮流動(dòng)力強(qiáng)烈，因此溝槽地貌廣為發(fā)育，圖3為溝槽在側(cè)掃聲圖及水深剖面圖上的表現(xiàn)形態(tài)，圖4為聲地層剖面上顯示的老鐵山水道南側(cè)發(fā)育的溝槽及侵蝕洼地地貌聲圖。它們的存在對(duì)海底工程建設(shè)帶來(lái)隱患，對(duì)島嶼間的海底物資管線鋪設(shè)及維護(hù)帶來(lái)困難。

圖3 溝槽區(qū)水深剖面Fig.3 Depth profile of erosion grooves

圖4 溝槽及侵蝕洼地聲地層剖面Fig.4 Sub-bottom profile of grooves and erosion depressions

4.3 巖礁

巖礁在側(cè)掃聲圖中表現(xiàn)為聲圖灰度劇烈變化，沿聲波發(fā)射方向，巖礁凸起區(qū)聲圖顏色較深，凸起的礁石區(qū)身后會(huì)形成空白聲學(xué)反射帶。結(jié)合實(shí)測(cè)聲圖，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)巖礁主要分布在島嶼周邊或沖刷槽底，凸起的巖礁往往形成大小不一的海底帶狀或島礁狀礁石群，大小數(shù)十米至數(shù)百米不等。北隍城島水道東部海域附近，水深約56 m，聲圖判讀為大型海底礁石群出露圖5(a)；廟島海峽南部水道區(qū)，水深約20 m，聲圖表現(xiàn)為陰影區(qū)不明顯圖5(b)，表明礁石凸起高度較小，但具有明顯的礁石聲圖特征。它們的形成多為海底基巖出露的結(jié)果，拖曳式海底地質(zhì)調(diào)查及漁業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)安全隱患。

圖5 出露巖礁Fig.5 Exposed rocks(a)北隍城島水道東部海域附近； (b)廟島海峽南部水道區(qū)

4.4 活動(dòng)沙波

沙波在聲圖中一般表現(xiàn)為以波紋狀排列，聲圖灰度深淺相間，較為規(guī)律，通常發(fā)育在水動(dòng)力較強(qiáng)和底砂(礫)較為豐富的區(qū)域[18]。研究區(qū)內(nèi)局部地區(qū)沙波較為發(fā)育，主要分布在廟島海峽(圖6(a))，砣磯島南側(cè)附近海域(圖6(b))，對(duì)比圖6(a)和圖6(b),廟島海峽發(fā)育的沙波形態(tài)較為細(xì)小，海底底質(zhì)以泥質(zhì)為主；砣磯島南側(cè)海底底質(zhì)以砂質(zhì)為主，沙波發(fā)育的同時(shí)并伴有小型沙脊出現(xiàn)，靠近砣磯島一側(cè)沙波間距較大，遠(yuǎn)離島的一側(cè)沙波間距較小。研究區(qū)沙波僅在局部潮流動(dòng)力強(qiáng)勁的海域出現(xiàn)連續(xù)分布，范圍較小，推測(cè)多為現(xiàn)代潮流動(dòng)力沖刷所致，其對(duì)海底平臺(tái)建設(shè)及電纜、管線鋪設(shè)有潛在的危害。

圖6 海底沙波Fig.6 Seabed sandwaves(a)廟島海峽；(b)砣磯島南側(cè)附近海域

4.5 水下淺灘

水下淺灘定義為一種非常松散的高速堆積砂體或泥質(zhì)沉積物，聲地層剖面呈楔形或丘形，向海傾斜，內(nèi)部為S型或斜交前積反射結(jié)構(gòu)，層理清晰，厚度變化大[4]，側(cè)掃聲圖中淺灘表現(xiàn)為海底聲學(xué)反射線收窄，聲圖灰度變淺。研究區(qū)水下淺灘主要分布在砣磯島、高山島、大竹山島等島嶼周圍(圖7)。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，在高山島東側(cè)和砣磯島西側(cè)各存在一個(gè)水下淺灘。砣磯島南側(cè)和北長(zhǎng)山島北側(cè)海域(圖8)，淺灘與溝槽連接處水深急劇變化，因此淺灘的存在對(duì)工程建設(shè)如海底管線鋪設(shè)和船舶航行安全，存在較大的安全隱患。

圖7 淺灘側(cè)掃聲圖Fig.7 Sidescan profile of shoal

圖8 淺灘聲地層剖面Fig.8 Sub-bottom profile of shoal

4.6 沉船

高分辨率側(cè)掃聲納聲圖顯示研究區(qū)內(nèi)存在一處歷史沉船(圖9)，沉船位置在38°01.56′N，120°35.73′E，水深22.3 m，船長(zhǎng)約45 m，寬約15 m，高約5 m，疑似鐵質(zhì)漁船，目前沉船狀態(tài)為斜坐海底，周圍有明顯沖刷痕跡，無(wú)明顯移動(dòng)痕跡，狀態(tài)較穩(wěn)定，但對(duì)大型過(guò)往船舶和拖網(wǎng)作業(yè)漁船仍存在潛在的危險(xiǎn)性，應(yīng)采取繞道避讓的航行方式。

圖9 沉船側(cè)掃聲圖Fig.9 Sidescan profile of wreck

4.7 活動(dòng)斷層

在聲地層剖面上，活動(dòng)斷層往往表現(xiàn)為一個(gè)或多個(gè)連續(xù)性好的反射波組自下而上發(fā)生系統(tǒng)的的錯(cuò)移、彎曲或終止等現(xiàn)象[19]，根據(jù)這些現(xiàn)象在研究區(qū)共發(fā)現(xiàn)斷點(diǎn)100余處，斷層形態(tài)大多表現(xiàn)為地層受牽引而產(chǎn)生的彎曲、下拉或褶皺變形等形態(tài)特征(圖10)，少數(shù)斷層因地層錯(cuò)斷形成一定斷距，斷距較小，多在1 m～2 m，極少數(shù)斷距可達(dá)5 m～10 m(圖11)。根據(jù)各斷點(diǎn)在聲地層剖面上的空間分布、產(chǎn)狀和相互關(guān)系，結(jié)合前人對(duì)研究區(qū)內(nèi)斷裂分布和性質(zhì)及活動(dòng)特征等研究成果，對(duì)斷點(diǎn)進(jìn)行綜合比對(duì)和連接，確定了組成斷裂帶的各條次級(jí)斷裂(圖14)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)以NE向和NW向斷裂為主，其中NE向斷裂主要為郯廬斷裂帶在海峽的延伸，NW向斷裂主要為張家口-蓬萊斷裂帶，它以長(zhǎng)島為分界線，分為東西兩段，這些斷裂帶對(duì)未來(lái)在渤海海峽開建的海洋工程有較大的影響，因此應(yīng)引起足夠重視。

圖10 典型褶皺型斷層Fig.10 Typical folded fault

圖11 大斷距斷層Fig.11 Large fault throw

4.8 淺層氣

淺層氣一般指聚集在海底以下1 000 m以淺的有機(jī)氣體，一般是由被掩蓋的生物有機(jī)質(zhì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期封閉環(huán)境的熱演化而形成，主要分布在河口和陸架海區(qū)的海底地層中[20]。在聲地層剖面中淺層氣主要表現(xiàn)出聲學(xué)幕[21]、空白狀、聲學(xué)柱狀擾動(dòng)的特征[22]，根據(jù)淺層氣在聲地層剖面上的聲學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)淺層氣多以聲學(xué)幕的形態(tài)分布在研究區(qū)中西部地區(qū)(圖12)，埋深一般都超過(guò)10 m，分析其成因主要包括兩個(gè)方面：①淺層氣富集區(qū)在末次冰期古河道較為發(fā)育，富含陸源碎屑沉積物，經(jīng)細(xì)菌腐化轉(zhuǎn)化為甲烷或沼氣，聚集在地層中；②淺層氣富集區(qū)區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)頻繁，第四系活動(dòng)斷層較為發(fā)育，淺層氣沿?cái)鄬踊虺练e物孔隙、裂隙向上運(yùn)移至淺部形成。由于淺層氣的活動(dòng)，導(dǎo)致其富集區(qū)沉積物孔隙水含量較高，沉積物不能固結(jié)，土體受力強(qiáng)度小，因此淺層氣埋藏區(qū)不易進(jìn)行工程建設(shè)(如海上平臺(tái)等)。

圖12 淺層氣聲地層剖面Fig.12 Sub-bottom profile of shallow gases

4.9 不規(guī)則淺埋基巖

淺部埋藏不規(guī)則基巖面在聲地層剖面上以中-低連續(xù)性、中-低頻、強(qiáng)振幅為主，反射形態(tài)以隨機(jī)性高低起伏為主，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)，凸起的基巖面往往表現(xiàn)為圓錐狀或尖峰狀，上覆少量沉積物或直接出露海底[23]。

研究區(qū)不規(guī)則淺埋基巖面(圖13)主要分布在渤海海峽廟島群島以及山東半島北部近岸海域(圖14)，多為基巖海岸和島嶼在海中的延伸。不規(guī)則淺埋基巖面往往起伏不平，工程承載力差異性大，不利于工程構(gòu)筑的穩(wěn)定性，尤其對(duì)海上插樁、平臺(tái)建設(shè)、油氣管線鋪設(shè)等工程建設(shè)帶來(lái)較大安全隱患。

圖13 淺埋基巖面聲地層剖面Fig.13 Sub-bottom profile of shallow bedrock surface

圖14 災(zāi)害地質(zhì)分布圖Fig.14 Distribution of Geo-hazard

5 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)側(cè)掃聲圖、聲地層剖面的解譯，詳細(xì)劃分了研究區(qū)海洋災(zāi)害地質(zhì)類型，主要包括侵蝕陡坎、溝槽、侵蝕洼地、巖礁、活動(dòng)沙波、水下淺灘、沉船、活動(dòng)斷層、淺層氣和淺埋基巖面等；描述了聲學(xué)反射特征及分布規(guī)律，繪制了海洋災(zāi)害地質(zhì)分布圖(圖14)。

2)探討了各類海洋災(zāi)害地質(zhì)的成因及危害，為今后在該海域進(jìn)行海洋工程建設(shè)和海洋地質(zhì)調(diào)查提供了一些借鑒，可有效減少或避免事故的發(fā)生。

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Analysis on acoustic dtection of geo-hazard factors in Bohai srait

FENG Jing1，2，ZHAO Tiehu1，2， SUN Yunbao1，2， GAO Xiaohui1，2， LI Panfeng1，2

(1.Key Laboratory of Marine Hydrocarbon Resources and Environmental Geology，Ministry of Land and Resources，Qingdao Institute of Marine Geology，Qingdao 266071，China；2.Laboratory for Marine Mineral Resources，Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology，Qingdao 266071，China)

According to the interpretation of high-resolution sub-bottom-profile and high-resolution sidescan acoustic profile, the acoustic characteristics and distribution of geo-hazard factors in the Bohai strait were identified. The different types of factors which may cause geo-hazards in the study area were found, such as erosion scarps, erosion grooves, tidal sand ridges, active sand waves, wrecks, rocks, erosion depressions, shoal, active faults, shallow bedrock surface, shallow gases, and so on. The causes and risk of the geo-hazards factors were discussed. Meanwhile, the geo-hazard map of the study area has been completed. The scientific information incurred could be used for engineering construction.

Bohai strait； side-scan profile； sub-bottom profile； geo-hazard factor

2016-01-04 改回日期：2016-08-06

國(guó)家自然科學(xué)基金(41276060)；海洋地質(zhì)保障工程項(xiàng)目(GZH201200504)

馮京(1983-)， 男，碩士，工程師，主要從事海洋地球物理調(diào)查與研究工作， E-mail：fengjing200272@163.com。

孫運(yùn)寶(1983-)，男，博士，助理研究員，主要從事海洋地質(zhì)與地球物理研究，E-mail：yunbaos@sina.com。

1001-1749(2017)01-0096-07

P 631.5

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.01.14