海南島東北部海域海砂資源分布特征及開發(fā)前景分析

仝長亮，陳 飛，張匡華

(1.海南省海洋地質(zhì)調(diào)查研究院，海南 ?？?570206;2.海南省海洋地質(zhì)資源與環(huán)境重點實驗室，海南 ?？?570206)

0 引 言

海砂作為一種重要的礦產(chǎn)資源，其產(chǎn)值目前僅次于海底石油，已成為第二大海洋礦產(chǎn)開采業(yè)[1]。海砂中有用礦物較多，如石英、鋯石、鈦鐵礦、獨居石、金紅石、磷釔礦等，可用于各種金屬非金屬的提煉、建筑材料和填海造地工程等，開發(fā)潛力大。

中國的淺海海砂資源非常豐富，主要集中在臺灣淺灘、瓊州海峽東口、珠江口外，以中粗砂為主，海砂質(zhì)量最佳[2]。海南島東北部海域工作程度較低，前人研究多集中在海底地形地貌、沉積動力和地質(zhì)構(gòu)造領(lǐng)域，對海砂資源調(diào)查和評價較少，分析研究程度低[2-4]。本文通過在瓊州海峽東口的綜合地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)(包括水深、淺地層剖面、底質(zhì)取樣、鉆探、粒度、理化指標等)，對該區(qū)域的海砂分布特征及資源潛力進行了分析。本文沉積物分類參照《海洋調(diào)查規(guī)范第8部分：海洋地質(zhì)地球物理調(diào)查》(GB/T 12763.8—2007)，分析方法為激光法結(jié)合篩析法。本文所定義的海砂是指砂級(粒徑大于0.063 mm)含量超過50%的海底松散沉積物，包括砂質(zhì)和礫質(zhì)沉積物。

1 研究區(qū)海洋環(huán)境與資源概況

研究區(qū)位于海南島東北部，南渡江口經(jīng)鋪前灣至抱虎灣一帶，瓊州海峽東口南側(cè)海域，水深一般不超過50 m(在中央水道水深100 m左右)，近東西分布的潮流沙脊和沖刷槽相間分布，是該海域最典型的海底地貌類型。地質(zhì)構(gòu)造上，研究區(qū)位于雷瓊斷陷中部，并沉積了巨厚的新生代濱淺海相地層，全新世早期海侵形成了其基本輪廓，沉積物以砂、礫石。含礫(泥)砂為主[5-6]。

研究區(qū)潮汐類型為不規(guī)則半日潮，平均潮差2 m，潮流以東西向往復(fù)流為主，風(fēng)海流的季節(jié)性明顯，春季、秋季、冬季總趨勢是由東向西流動，夏季由東南向西北流動[7],加之海峽南岸岬灣地形的影響，研究區(qū)潮流表現(xiàn)出一定的復(fù)雜性，受到窄管效應(yīng)的影響，研究區(qū)的潮流流速為南海之最[8]。瓊州海峽中部表層流速大于6節(jié)，底層流速大于4節(jié)，而在海峽東出口處流速下降至3節(jié)或更小，物質(zhì)發(fā)生堆積，形成潮流沙脊[9]。

瓊州海峽東口沉積物來源復(fù)雜，主要來自于海峽內(nèi)潮流沖蝕物，部分來自于沿岸流的輸運及外海洋洋流的帶入[10]。沉積物由內(nèi)向外逐漸變細，含泥量提高，表明海峽東口內(nèi)外水動力環(huán)境的巨大差異。研究區(qū)由西到東主要分布有白沙淺灘、西南淺灘、南方淺灘和出水淺灘，是由往復(fù)潮流控制的指狀沙脊區(qū)，是我國重要的海砂資源富集區(qū)。

2 海砂分布特征

2.1 以砂礫質(zhì)沉積物為主，具有一定的分帶性

研究區(qū)以砂礫質(zhì)沉積物為主，主要分布于瓊州海峽東口、海南灣、鋪前灣外緣、南渡江河口及瓊州海峽中央水道的區(qū)域，以海南角為界，東側(cè)以砂質(zhì)沉積物為主，西側(cè)以礫質(zhì)沉積物為主。研究區(qū)其他海域零星分布有泥質(zhì)沉積物，海南角和抱虎角海域則出露一定面積的基巖。研究區(qū)砂級以上沉積物類型共有8種，分別是：礫、砂質(zhì)礫、泥質(zhì)礫、泥質(zhì)砂質(zhì)礫、砂、礫質(zhì)砂、泥質(zhì)砂和礫質(zhì)泥質(zhì)砂，其中以砂、礫質(zhì)砂、砂質(zhì)礫和泥質(zhì)砂質(zhì)礫分布最為廣泛，這些砂礫質(zhì)沉積物是海南島東北部海域海砂資源的重要組成,如圖1所示。

研究區(qū)表層沉積物平均粒徑的均值為1.54Φ，屬中砂級。西部以礫質(zhì)沉積物為主，粒級中粗砂～細礫，含礫10%～50%，含泥5%～15%，由岸向海，泥質(zhì)組分逐漸減少，砂礫含量逐漸增多。中部則與瓊州海峽中央水道相鄰，水動力較強，鋪前灣頂形成了近東西走向的長條狀的白沙淺灘，沉積物類型為礫質(zhì)砂，粒級為中砂，而在淺灘內(nèi)部，水動力較弱，含泥量逐漸增加，可達5%～15%，沉積物類型為泥質(zhì)砂，粒級為中細砂。

研究區(qū)東部沉積物主要為砂質(zhì)成分，包括砂、礫質(zhì)砂、粉砂質(zhì)砂、礫質(zhì)粉砂質(zhì)砂，局部為礫和砂質(zhì)礫。礫含量分別是5%～15%和30%～60%，多數(shù)含泥量小于5%，粒級以中細砂為主。以海南角為界，以西主要分布有砂質(zhì)礫、礫質(zhì)砂和砂，西南淺灘中心部位為砂，向四周逐漸過渡為礫質(zhì)砂和砂質(zhì)礫。海南角以東主要為砂和礫質(zhì)砂，南方淺灘絕大多數(shù)為砂、只有部分沖刷槽分布有礫、礫質(zhì)砂等；出水淺灘海域，以砂、礫質(zhì)砂和砂質(zhì)礫為主，西段靠近南水道處為礫質(zhì)砂，中段則含有少量泥質(zhì)成分，東段則以砂為主；潮流砂脊的末端，沉積物逐漸變細，出現(xiàn)了泥質(zhì)砂。總體來說，瓊州海峽東口沉積物含砂為主，由西向東粒徑逐漸變細，也體現(xiàn)了海南角以東海峽變寬，水動力條件減弱的特征。

2.2 分布范圍廣，海砂規(guī)模較大，平面連續(xù)性好

從底質(zhì)情況看，研究區(qū)海砂分布范圍較廣，除海南角、鋪前灣和瓊州海峽中央水道部分區(qū)域無砂質(zhì)沉積，其他區(qū)域均由砂質(zhì)或礫質(zhì)沉積物覆蓋，覆蓋范圍接近90%。海砂主要分布于瓊州海峽東口、海南灣、鋪前灣外緣、南渡江河口及瓊州海峽中央水道的區(qū)域，同一類型沉積物連續(xù)分布面積較大，表明其成礦條件(水動力環(huán)境)變化不大。如圖1所示，根據(jù)研究區(qū)的地形和沉積動力特征，可將海砂劃分為3個不同的資源區(qū)，即B1區(qū)、B2區(qū)和B3區(qū)。B1區(qū)西起?？跒常?jīng)南渡江口、中央水道和鋪前灣外緣，延伸至海南灣一帶，東西跨度約40 km，南北跨度約15 km，面積近300 km2；B2區(qū)位于鋪前灣一帶，由白沙淺灘至文昌新埠角圍成的海域，東西跨度22 km，南北跨度11 km，面積約110 km2；B3區(qū)為瓊州海峽東口的潮流沙脊區(qū)，東西跨度42 km，南北跨度23 km，主要由西南淺灘、南方淺灘和出水淺灘組成，淺灘大致呈扇形分布，面積約390 km2。其中位于抱虎灣附近的出水淺灘區(qū)，海砂分布面積最大，可達148 km2(其東側(cè)未封閉)，呈北西向帶狀分布，主要為砂質(zhì)沉積物，連續(xù)展布長度可達20～30 km，最寬處可達7 km，其資源潛力可達33億m3(表1)。

G-礫；SG-砂質(zhì)礫；MG-泥質(zhì)礫；MSG-泥質(zhì)砂質(zhì)礫；S-砂；GS-礫質(zhì)砂；MS-泥質(zhì)砂；GMS-礫質(zhì)泥質(zhì)砂

表1 瓊州海峽東口淺灘區(qū)海砂資源特征表Table 1 The characteristics of marine sand resources in the eastmouth of Qiongzhou strait

2.3 海砂沉積厚度較大，資源潛力巨大

根據(jù)淺地層和鉆孔資料，研究區(qū)沉積物多屬第四系全新統(tǒng)，其厚度如圖2所示?？梢钥吹剑诃傊莺{東口的淺灘區(qū)，受到東西向潮流和地形的影響，其沉積環(huán)境表現(xiàn)為強烈的沖刷，致使沉積物發(fā)生再懸浮、搬運、分選和沉積，中粗粒的沉積物被搬運至淺灘，形成了“山包”狀的砂體，沉積厚度較大，基本超過20 m，其中在西南淺灘和南方淺灘的中心地段，厚度可達40 m，最厚處為67 m(南方淺灘)，淺灘由中心向四周厚度逐漸減薄(10 m以下)。在鋪前灣的廣大海域，海砂沉積厚度基本在10～15 m之間， 局部區(qū)域如白沙淺灘、中央水道的部分地段，從底質(zhì)類型與水深條件看，海砂分布與水下地形具有較好的相關(guān)性，即海砂規(guī)模越大水深越淺。研究區(qū)海砂主要分布于潮流沙脊區(qū)，水深5～20 m，基本不超過50 m，最淺處小于2 m(出水淺灘中心)，開發(fā)條件最佳。位于B2區(qū)的白沙淺灘是由浪流共同作用所形成，砂層厚度超過15 m[11]，構(gòu)成了鋪前灣的灣口沙壩，灣內(nèi)屬浪控水下淺灘、沙壩沉積體系，總體水深不超過10 m，水動力較弱，開發(fā)條件較好。只有在研究區(qū)的西北側(cè)，中央水道處，水深達60～70 m，雖然具有一定厚度的海砂，但開發(fā)難度較大，現(xiàn)階段不適宜開采?？傊?，研究區(qū)海砂賦存條件較好，水深較淺，有利于開發(fā)利用。

圖2 全新統(tǒng)沉積層等厚度圖Fig.2 The contour map of the Holocene deposition thickness

海砂發(fā)生堆積，厚度15～20 m。南渡江口，由于河流物質(zhì)的供給，沉積厚度較大，形成15～20 m厚的水下三角洲堆積?？傊芯繀^(qū)海砂沉積厚度總體較大，超過10 m的沉積區(qū)占比僅七成，特別是在瓊州海峽東口的淺灘區(qū)，海砂平均厚度超過25 m，鉆孔最深揭露為32 m(西南淺灘)，全部為全新世砂質(zhì)沉積物，中砂～細砂粒級，分選良好，相變小，基本不含無用夾層，資源潛力巨大。

2.4 水深適宜，開發(fā)條件較好

3 海砂質(zhì)量特征

3.1 海砂含泥量較低，分選較好，海砂質(zhì)量好

含泥量是海砂資源評價的重要指標。分析結(jié)果顯示，研究區(qū)海砂含泥量平均約為13%，在瓊州海峽東口和南渡江口處，含泥量較低，一般小于5%，海砂質(zhì)量較好。如圖3所示，西南淺灘、南方淺灘和出水淺灘的樣品分析表明，該處海砂含泥量極低，在0.2%～1.6%之間，平均值為0.7%，且礫石含量也較低，平均為1.5%，粒級集中在細砂～中砂端，分選系數(shù)多小于1.0，分選較好～好，易于采選。鉆探資料顯示，研究區(qū)海砂粒度、含泥量、分選性等指標隨深度變化不大，巖性穩(wěn)定，反映出海洋動力的基本穩(wěn)定，表明研究區(qū)(特別是瓊州海峽東口淺灘區(qū))海砂質(zhì)量總體良好。

3.2 各項物理性能指標優(yōu)良，是良好的建筑材料

參考《建筑用砂》(GB/T14684—2011)標準，對三處淺灘海砂的主要物理性能指標進行評價，結(jié)果見表2。海砂細度模數(shù)平均值為2.1，細砂級，級配區(qū)多落在2區(qū)和3區(qū)；表觀密度為2 600～2 660 kg/m3，符合建筑用砂標準；輕物質(zhì)、堅固性、硫化物均含量很少，符合Ⅰ類建筑用砂標準，有機物含量符合建筑用砂標準，貝殼含量0.4%～23.8%，平均值3.9，符合Ⅱ類建筑用砂標準。半定量分析可以看到，研究區(qū)海砂不僅是良好的填海資源，部分指標可達到Ⅰ類和Ⅱ類建筑用砂等級，經(jīng)淡化處理，具有可用于工程建設(shè)的可能性，可以作為粗集料，用于路基、壩基等工程，也可以作為混凝土和砂漿的骨料、人工砂原料，以及反濾料等。

3.3 海砂類型為長石石英砂，用途廣泛

研究區(qū)海砂的礦物組分主要為石英、鉀長石、斜長石、方解石等，其中石英和長石含量評價約為80%和5%，屬長石石英砂。特別是在瓊州海峽淺灘區(qū)，由于水動力較強，生物碎屑殘留較少，砂質(zhì)較純，海砂中SiO2含量普遍較高。通過43組樣品化學(xué)分析表明，該區(qū)域SiO2含量大多超過90%(石英礦物含量可達80%～90%)，顆粒0.3～1.2 mm，呈棱角狀或圓狀，結(jié)構(gòu)松散未膠結(jié)，是良好的硅質(zhì)原料。參考有關(guān)規(guī)范初步分析可知(表3)，瓊州海峽東口淺灘區(qū)的海砂主要化學(xué)指標已經(jīng)達到或者超過相關(guān)工業(yè)利用的標準，可以用于鑄造、耐火、水泥配料、玻璃、陶瓷、冶金等領(lǐng)域[12]。

圖3 研究區(qū)沉積物含泥量等值線圖Fig.3 The contour map of the silt content in study area

表2 淺灘區(qū)海砂物理性能指標統(tǒng)計表Table 2 The statistics of marine sand physical properties in shoal region

表3 淺灘區(qū)海砂主要組分含量統(tǒng)計表Table 3 The statistics of marine sand component concentration in shoal region

4 海砂資源開發(fā)前景評價

4.1 評價方法

海砂開發(fā)前景評價采用綜合評分法。評價對象為調(diào)查區(qū)內(nèi)所有砂礫質(zhì)沉積物。評價指標主要考慮資源規(guī)模、海砂質(zhì)量和開采技術(shù)條件。資源規(guī)模主要指海砂的分布面積和厚度，海砂質(zhì)量指含泥量指標，開采技術(shù)條件指水深指標(不考慮離岸距離)。各指標具體制定和評分見表4。

針對研究區(qū)內(nèi)的海砂資源，根據(jù)表4的每個指標分級，形成若干區(qū)塊，按一定的權(quán)重進行賦值或打分，各項分值之和即為綜合評價的分值，分數(shù)越高說明可開發(fā)前景越好。評分系統(tǒng)采用百分制，其中開采技術(shù)條件和海砂規(guī)模是目前海砂開發(fā)的主要影響因素，因此各占40分；而海砂質(zhì)量僅對建筑用砂影響較大，對于填海用砂的影響較小，因此其總分設(shè)置為20分。

根據(jù)綜合評價的分值，制定海砂開發(fā)前景評價等級。本次評價共設(shè)置5個等級，分別是A、B、C、D、E，對應(yīng)的開發(fā)前景是好、較好、中等、較差、差，見表5?？梢钥闯?，A級和B級前景的海砂各方面指標較好，海砂利用面較寬，開發(fā)成本和風(fēng)險相對較低，應(yīng)作為今后勘查開發(fā)工作的首選區(qū)域。C級前景的海砂開發(fā)條件總體較好，但海砂質(zhì)量和規(guī)模一般，具有一定資源潛力，但勘查程度較低，其開發(fā)前景不明朗，因此今后應(yīng)在個別區(qū)域進一步開展系統(tǒng)工作或作為資源儲備。D級和E級前景的海砂開采技術(shù)條件較差，開發(fā)前景較差，資源潛力需要進一步論證或核實。

表4 海砂開發(fā)前景評價指標Table 4 The evaluate index of marine sand development prospects

表5 海砂開發(fā)前景綜合評價等級Table 5 The comprehensive evaluate classes of marine sand development prospects

4.2 評價結(jié)果

通過初步分析，得到海南島東北部海域海砂資源開發(fā)前景圖(圖4)?？梢钥吹剑瑥馁Y源開發(fā)角度講，本區(qū)域海砂開發(fā)前景總體較好，近一半?yún)^(qū)域為中等偏上(C級以上)開發(fā)前景。這些區(qū)域主要位于瓊州海峽東口潮流砂脊區(qū)和南渡江口沉積區(qū)(包括白沙淺灘)，以及鋪前灣和抱虎灣等海域。

A級開發(fā)前景區(qū)主要分布于出水淺灘、南方淺灘和西南淺灘核心區(qū)域，與淺灘范圍高度吻合；該處前景區(qū)的特點是海砂資源分布面積大，三處淺灘A級前景區(qū)連續(xù)分布的面積分別是106 km2、53 km2和34 km2；沉積厚度超過20 m，其中南方淺灘和西南淺灘厚度為30～50 m；海砂含泥量低，為1%～2%；水深不超過15 m，開采條件優(yōu)越，開發(fā)前景最佳，地質(zhì)可靠程度較高，建議優(yōu)先考慮。但該處也存在離港口(鋪前港)較遠和海況復(fù)雜的不利因素，在開發(fā)過程中應(yīng)充分考慮。

B級前景區(qū)多分布于A級區(qū)周邊，海砂規(guī)模、海砂質(zhì)量較A級區(qū)略有下降，但相差不大，水深則下降較多，為15～30 m，造成開發(fā)成本增加較多；在南渡江口至白沙淺灘一帶，分布有一定規(guī)模的B級前景區(qū)，該處水深適宜，海砂規(guī)模分布廣，但海砂厚度一般(多為10 m左右)，含泥量5%～20%，海砂質(zhì)量一般，其開發(fā)前景歸類為B級，其不利因素主要為環(huán)境風(fēng)險和海砂質(zhì)量不高，建議進行適當開發(fā)。

C級前景區(qū)分布于近岸海灣內(nèi)海域和B級前景區(qū)的周圍，如鋪前灣、南渡江口外側(cè)及瓊州海峽淺灘外側(cè)的沖刷槽等；海砂連續(xù)分布具有一定規(guī)模，但其厚度較小，一般小于10 m，可能會造成開發(fā)成本較高；含泥量較高，局部可達20%，海砂質(zhì)量不高；除灣內(nèi)水深小于10 m，其他區(qū)域水深30～50 m，開采難度較大，存在技術(shù)上的不利因素，總體上開發(fā)前景中等，需要進一步開展工作，查明資源潛力，選取有利區(qū)域進行小規(guī)模的開發(fā)活動。

D級和E級前景區(qū)主要位于瓊州海峽中央水道和淺灘間的沖刷槽附近；水深多數(shù)超過50 m，局部超過100 m，現(xiàn)有技術(shù)條件下無法實現(xiàn)開采；含泥量普遍超過20%，局部超過40%，海砂質(zhì)量較差；沉積厚度上，一般小于5 m，或僅為表層沉積，不建議進行開發(fā)活動。

5 海砂資源開發(fā)利用有關(guān)問題的討論

研究區(qū)海砂資源豐富，但勘查開發(fā)程度較低。近年來，隨著海南省海洋經(jīng)濟快速發(fā)展，各類海洋工程項目啟動實施，對海砂資源需求逐漸增大。根據(jù)《海南省海洋功能區(qū)劃(2011～2020年)》的海洋功能分區(qū)(圖4)，研究區(qū)主要為保留區(qū)和休閑旅游區(qū)，部分為港口航運區(qū)和農(nóng)漁業(yè)區(qū)。瓊州海峽東口主要規(guī)劃為保留區(qū)，可以開展不改變海域自然屬性的海洋礦產(chǎn)資源開發(fā)活動，保留區(qū)范圍與本文中的A級、B級前景區(qū)重合度較高，海砂開發(fā)的可能性較大。而南渡江口和白沙淺灘處則為休閑娛樂區(qū)和航道區(qū)，且目前白沙淺灘正在進行填海造地工程(如意島項目)，該處海域海砂開發(fā)會受到嚴格限制。

B-保留區(qū)；G-港口航運區(qū)；H-海洋保護區(qū)；L-旅游休閑娛樂區(qū)；N-農(nóng)漁業(yè)區(qū)圖4 研究區(qū)海砂開發(fā)前景圖Fig.4 The evaluate results of marine sand resources development prospects in study area

海砂主要是在第四紀以來的構(gòu)造運動和海平面升降的控制下形成，在一定條件下處于動態(tài)平衡，海砂的開發(fā)必定會導(dǎo)致海洋環(huán)境的變化[13]。海砂資源的開采最主要的效應(yīng)是從海底直接吸取了物質(zhì)，從而直接影響了開采海域的地形地貌、水力學(xué)特征以及生態(tài)環(huán)境[14]。瓊州海峽作是重要的航行通道，海砂的開采對于疏通航道具有一定的好處，但也影響通航安全和海底管線安全。因此，海砂開發(fā)過程中，要借鑒國內(nèi)外先進管理和技術(shù)經(jīng)驗，開展環(huán)境效應(yīng)評價，監(jiān)測和評價海砂開采中的懸沙農(nóng)渡、沉降速率、擴散通量、水體濁度、含氧量、生物密度和底床形態(tài)等指標，使得開采過程可控，最大程度減小開采過程對環(huán)境的影響，并制定相關(guān)方案促進生態(tài)環(huán)境恢復(fù)[14]。

6 結(jié) 論

1) 海南島東北部海域分布著大面積的海砂資源，均為全新世以來的砂礫質(zhì)沉積，其中瓊州海峽東口的三處淺灘(西南淺灘、南方淺灘和出水淺灘)規(guī)模最大，面積達數(shù)百平方千米，平均厚度20～30 m，初步估算其資源潛力可達幾十億立方米，是典型的潮流沙脊沉積體系。

2) 研究區(qū)海砂含泥量較低，淺灘區(qū)海砂含泥量基本小于1%，分選良好，部分理化指標可以達到Ⅰ類和Ⅱ類建筑用砂標準，處理后可以用于各類工程建設(shè)；海砂中石英含量較高，粒級中細，有害雜質(zhì)含量少，也是良好的硅質(zhì)原料。

3) 研究區(qū)大部分海砂分布于30 m以淺的水域，賦存條件較好，離岸較近，開發(fā)利用條件便利。

4) 通過初步分析，瓊州海峽東口淺灘區(qū)和南渡江口至白沙淺灘一帶，海砂開發(fā)前景最佳，海砂質(zhì)量好，在充分論證其風(fēng)險和不利因素后，可考慮優(yōu)先開發(fā)；其他海域海砂開發(fā)前景一般或較差，現(xiàn)階段不建議開發(fā)。

5) 隨著海南省對海砂需求的逐年增加，海砂開發(fā)活動勢必會帶來一系列環(huán)境問題，如海岸侵蝕、海水入侵、海洋環(huán)境破壞等，因此，應(yīng)制定科學(xué)合理的法規(guī)、制度，最大限度減小海砂開采對海洋環(huán)境的影響。