單道地震技術(shù)在海洋地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用
——以威海褚島北部海域為例

顧效源，于劍峰，韓明智,原帥帥,強(qiáng)萌麟,李亨健

(山東省海洋地質(zhì)勘查院，山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺 264004)

海上單道地震具有配置靈活，操作簡單、高效且經(jīng)濟(jì)的特點，作為一種基礎(chǔ)物探方法，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。筆者采用Geo spark 2000J單道地震系統(tǒng)在威海褚島北部海域開展了海上物探作業(yè)，以地層拾取為目的，基本查明了該海域海底淺層沉積物的地層結(jié)構(gòu)，取得了良好的效果。

1 基本工作原理

單道地震基本原理是利用機(jī)械方法引起海底以下中、淺部地層震動，當(dāng)震源激發(fā)后，由其產(chǎn)生的地震波向地下傳播，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅絻煞N地層的分界面時，會產(chǎn)生反射現(xiàn)象和透射現(xiàn)象，透射波穿過該界面后繼續(xù)向下傳播，再次遇到兩種地層的分界面時，又會再次發(fā)生反射和投射，地震波如此向地下深處傳播過程中，會不斷地產(chǎn)生地震波的反射和透射。激發(fā)同時，在海面附近利用精密接收儀器把來自各地層界面的反射波所引起的水體振動信息記錄下來。再根據(jù)地震波從激發(fā)點開始向下傳播的時刻(激發(fā)時刻)和地層中各分界面反射波到達(dá)海面的時刻，得到地震波從激發(fā)點向下傳播到達(dá)地層分界面、又反射回接收點的雙程旅行時間t。如果利用其他方法測出地震波在地層中的傳播速度v，就可以得到地層界面的埋藏深度s=1/2vt。

調(diào)查船沿著一條測線按照一定間距連續(xù)激發(fā)和接收后，經(jīng)處理就可以得到反映地層界面深度起伏變化的地震剖面圖。在剖面圖上，反射波的同相軸(或振幅極大值)連線反映了相應(yīng)的地層界面形態(tài)。當(dāng)在工區(qū)內(nèi)布置多條測線組成一個測網(wǎng)時，在對每條測線進(jìn)行測量、解釋后，就可以得到該區(qū)地下地層起伏的完整概念(圖1)[1-4]。

圖1 單道地震工作原理示意圖

2 數(shù)據(jù)采集與處理

該次設(shè)備為Geo spark 2000J電火花單道剖面系統(tǒng)。安裝采用尾拖方式，接收單元避開尾流的干擾，船速控制在5節(jié)以內(nèi)，選在浪高小于1.0m良好海況下進(jìn)行。偏航距小于20m，受養(yǎng)殖區(qū)及其他影響因素，如作業(yè)漁船、漁網(wǎng)等，造成個別測線偏航距較大，但均在20m范圍內(nèi)。最大探測深度大于70m(基巖面以上)，垂向分辨率20cm。作業(yè)前進(jìn)行8km海試，以確定合適的作業(yè)參數(shù)。單道地震測量最終工作參數(shù)如表1所示。

表1 單道地震測量工作參數(shù)

該次共采集地層剖面資料220km，由于工作區(qū)海域地形地勢變化明顯，且海底之下為不等厚的粉質(zhì)黏土層，不利于地震波的傳播及電火花發(fā)射能量的控制，且晚第四紀(jì)以來的地層受多次波干擾嚴(yán)重，給解釋帶來一定困難。該次工作對這些干擾及噪聲做了系統(tǒng)的分析，通過濾波及反褶積處理，提高了數(shù)據(jù)的信噪比，消除了干擾波對原始資料的干擾，剖面記錄能較好地揭示工作區(qū)海底以下地層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地震反射特征[5-8]。

3 地層劃分及特征

3.1 鉆孔與剖面數(shù)據(jù)綜合分析

ZK1孔位于工區(qū)西北角，水深28.6m，孔深74.5m。根據(jù)鉆孔巖性的描述，進(jìn)行了較詳細(xì)的粒度分層工作，獲得了比較系統(tǒng)的地層層序結(jié)構(gòu)。

氣候周期性變化引起海平面升降，在陸架地層中表現(xiàn)為海陸相交替的沉積記錄。晚更新世以來，氣候與海平面的變化幅度變大，周期變長，陸架地區(qū)的海相、陸相地層交互發(fā)育特征明顯。沉積環(huán)境的變化，造成地層沉積相與巖性的變化，從而形成不同地層的地震特征，如振幅、頻率、連續(xù)性及接觸關(guān)系的差異變化。選取地震剖面上具有一定意義的反射波進(jìn)行追蹤、對比、閉合，以得到代表不同時代與沉積環(huán)境變化的界面。根據(jù)工作區(qū)地震剖面的反射結(jié)構(gòu)、波組特征和上超、下超、頂超、削蝕、缺失等地層反射終止方式的分析和研究，結(jié)合鉆孔對地層層序反射界面進(jìn)行了劃分，自上而下依次為D1，D2，D3，D4，D5(圖2)[9]。

運(yùn)用層序地層學(xué)、地震地層學(xué)方法，將淺地層剖面與鉆孔資料結(jié)合起來，從上到下依次劃分了SU1，SU2，SU3，SU4，SU5 5個地層單元(圖3、表2)。

圖2 鉆孔ZK1，ZK2與測線13淺地層剖面對比圖

圖3 典型地層剖面劃分及其特征

表2 地層剖面地層單元劃分及地震相特征[9，24]

3.1.1 地層單元SU1

地層單元SU1是以D1作為反射底界面，單元內(nèi)地震相特征為強(qiáng)振幅、高頻率、連續(xù)性好的平行結(jié)構(gòu)，該單元在工作區(qū)有廣泛的分布，為全新世海平面上升形成的沉積環(huán)境較穩(wěn)定的海相層。該單元層序發(fā)育較穩(wěn)定，厚度變化較大，分布較廣，為0～20m，單元層序的整體發(fā)育厚度是北部大于南部，其中北部最厚處厚度大于20m，中部和南部最薄處厚度小于5m或不發(fā)育該層，或直接基巖裸露。

3.1.2 地層單元SU2

SU2聲學(xué)反射地層單元是以侵蝕間斷面D2為底界面，主要標(biāo)志是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與上覆或下伏的地震反射特征有明顯不同，且有特定的賦存邊界及外部形態(tài)。SU2聲學(xué)反射層是具有強(qiáng)烈侵蝕、快速遷移、側(cè)向多變等特征的不整面反射組合。SU2為末次冰期盛冰期形成的陸相沉積。發(fā)育埋藏古河道。工作區(qū)內(nèi)的埋藏古河道內(nèi)部充填的沉積物物性和動力條件的不同而表現(xiàn)出多種類型的反射，如復(fù)雜的波狀、雜亂反射、亞平行反射、高角度傾斜交錯反射及不同角度的前積反射。工作區(qū)內(nèi)該單元由于為陸相地層，侵蝕作用較強(qiáng)烈，厚度變化較大，但較其他地層單元厚度較薄，主要分布在工區(qū)西部北部海域，厚度范圍為0～7m，工區(qū)西北部的平均厚度約為3～7m，厚度最大，而在工區(qū)南部及中部變薄，甚至不發(fā)育該層序單元，說明此區(qū)域剝蝕作用較弱。

3.1.3 地層單元SU3

SU3聲學(xué)反射地層單元以D3聲學(xué)反射界面為底界面，呈現(xiàn)振幅強(qiáng)、頻率中等、連續(xù)性較好的反射特征。該單元在工區(qū)有廣泛的分布，較其他地層單元厚度更大，為海平面上升形成的沉積環(huán)境較穩(wěn)定的海相層。地層單元發(fā)育較穩(wěn)定，西北部厚度變化不大，大致為40m，南部基本不發(fā)育，中間海溝處較薄厚度約0～9m。

3.1.4 地層單元SU4

地層單元SU4的底界面是D4，局部具有明顯的下切趨勢，為受強(qiáng)烈侵蝕作用的不整合面。單元內(nèi)地震相特征為平行反射、亞平行反射、波狀反射、雜亂反射、傾斜交錯反射及前積反射等多種反射結(jié)構(gòu)，為海平面下降形成的泛濫平原相沉積。侵蝕溝槽發(fā)育，該單元在工區(qū)北部有廣泛的分布。由于侵蝕下伏地層，層序小范圍內(nèi)厚度變化較大，為0～20m，東北部和西北部地層厚度較厚，表明其下伏地層受到的侵蝕作用較強(qiáng)烈，研究區(qū)中部及南部地層厚度較薄或不發(fā)育，表明侵蝕作用一般。

3.1.5 地層單元SU5

地層單元SU5的底界面是D5，單元內(nèi)地震相特征為強(qiáng)振幅、高頻率、連續(xù)性較好的平行、亞平行反射。該單元在工作區(qū)有廣泛的分布，為海平面上升時期形成的沉積環(huán)境較穩(wěn)定的海相層。該地層單元發(fā)育較穩(wěn)定，為0～20m，最厚處位于研究區(qū)西北部附近海域，厚度大于20m；而最薄處則位于中部海溝位置，厚度為5m以下至不發(fā)育。

SU1，SU2，SU3，SU4，SU5 5個地層單元地層厚度分布在0～75m。工區(qū)南部覆蓋層較薄或基巖裸露，南部大部分海域覆蓋厚度小于5m。覆蓋層厚度在西北部達(dá)到最厚，范圍65～75m(圖4)。

圖4 SU1-SU5覆蓋層總厚度分布

3.2 地層單元體系域分析

該次地層體系域劃分是根據(jù)Octavian Catuneanu(2005)所提出的5個體系域，是由基準(zhǔn)面變化和沉積作用的相互影響而定義的，包括了高位體系域、下降期體系域、低位體系域、海侵體系域和在濱線海退時期由所有沉積物堆積合并的海退體系域。按照這個理論根據(jù)鉆孔所揭示的淺地層結(jié)構(gòu)，反映了晚更新世以來工作區(qū)海域至少經(jīng)歷了3次海侵兩次海退(表3)[9]。

表3 淺地層剖面層序劃分[24]

海退+低位體系域：工作區(qū)SU2，SU4地層單元為海退體系域，發(fā)育了陸相沉積。當(dāng)海平面下降到最低點時，整個或部分陸架暴露出海底，之前形成的濱海相的地層遭受流水的侵蝕。

海侵+高位體系域：SU1，SU3，SU5地層單元為海侵體系域，發(fā)育淺海相沉積層。工作區(qū)的海侵體系域是以平行層理反射的淺海相地層作為標(biāo)志[9]。

4 海底地質(zhì)災(zāi)害特征

工作區(qū)的地質(zhì)體組成主要包括海相地層的淺海相沉積，以及陸相地層的河流與泛濫平原相沉積等，是構(gòu)成該區(qū)地層的重要部分，與所在層位的地層同期形成。地質(zhì)體的位置分布主要受地區(qū)古地理限制，而其在地震剖面的分布、形態(tài)和規(guī)模與沉積環(huán)境有關(guān)。此外，工作區(qū)內(nèi)發(fā)育的斷裂、古河道及淺埋裸露基巖等地質(zhì)體，部分改變了原有地層的形態(tài)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主要與后期的構(gòu)造活動、巖漿活動與微生物作用結(jié)果有關(guān)。典型地質(zhì)體的出現(xiàn)可視為宏觀構(gòu)造活動或特殊沉積環(huán)境的標(biāo)志，同時也可能是潛在災(zāi)害地質(zhì)因素，對于指導(dǎo)海上的安全生產(chǎn)及工程建設(shè)具有重要意義[10-14]。

4.1 裸露基巖

裸露基巖是指淺地層剖面上揭示的的基巖，不發(fā)育上覆沉積物。在工區(qū)發(fā)現(xiàn)的淺埋基巖位于中部及南部位置，其頂界面在淺地層剖面上以中—高頻、強(qiáng)振幅、較連續(xù)反射為主，其內(nèi)部反射則模糊雜亂，無層理，并且對兩側(cè)地層有明顯擾動(圖5)。基巖巖性均一且硬度大，可選擇作為基礎(chǔ)持力層。

4.3 斷層

工區(qū)內(nèi)無區(qū)域構(gòu)造斷層的分布，根據(jù)該次的淺地層剖面分析，工區(qū)內(nèi)僅在第四系頂部沉積物中發(fā)育規(guī)模極小且不連續(xù)的斷層，受垂向沉積物的粒度、含水率以及抗壓和抗剪強(qiáng)度等差異等條件控制，斷層普遍具有自下而上斷距相對減小，到深部斷距逐漸消失(圖6)，表明該小規(guī)模斷層并非繼承性活動斷層，對工程場址選擇及施工的影響非常小。

圖5 裸露基巖典型剖面

圖6 斷層典型剖面

4.3 潮流沙脊

潮流沙脊是在往復(fù)潮流作用下，發(fā)育在陸架淺海、河口灣及海峽出口附近的活動性強(qiáng)的砂質(zhì)脊?fàn)疃逊e體，M2分潮橢率(潮流橢圓短長軸之比)絕對值小于0.4，現(xiàn)代潮流沙脊往往是堆積沙脊與潮流沖刷槽相間出現(xiàn)的潮流沙脊群。淺地層剖面上，因與測線相交的角度不同而形態(tài)各異，總體形態(tài)為丘狀，具有高頻弱反射特征，內(nèi)部層理大多清晰，有的呈現(xiàn)半透明層，整體多為斜交前積反射結(jié)構(gòu)，沙脊的底部界面呈下超接觸(圖7)。

工區(qū)的潮流沙脊主要是分布在調(diào)查區(qū)的南邊，靠近褚島附近，淺地層剖面上可見沙脊呈丘狀，高約6m，寬約10m。潮流沙脊與潮流沙席的表面常伴有一些波狀起伏的活動沙丘，該類沙脊在場區(qū)內(nèi)分布范圍有限，規(guī)模較小，對海底管線、鉆井平臺等海上工程建設(shè)影響有限。

圖7 潮流沙脊典型剖面

5 結(jié)論

(1)該次工作通過單道地震技術(shù)，結(jié)合海上鉆探和相關(guān)測試工作，查明了海域淺地層結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用層序地層學(xué)、地震地層學(xué)方法的方法，從上到下依次劃分了SU1，SU2，SU3，SU4，SU5等5個地層單元，揭示了晚更新世以來工作區(qū)海域至少經(jīng)歷了三次海侵兩次海退。其中SU2，SU4地層單元為海退體系域，發(fā)育了陸相沉積；SU1，SU3，SU5地層單元為海侵體系域，發(fā)育淺海相沉積層。

(2)通過地震剖面解譯，對工作區(qū)淺地層結(jié)構(gòu)有了全面的了解，其中西北部地層覆蓋較厚，達(dá)到70～80m，南部則覆蓋層很薄或直接基巖裸露，第四系覆蓋層分布極不均勻。其次，此次探獲了多個海底地質(zhì)災(zāi)害等特殊地質(zhì)體，例如斷層、古河道、水下淺灘、潮流沙脊等，部分改變了原有地層的形態(tài)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對于指導(dǎo)海上的安全生產(chǎn)及工程建設(shè)具有重要意義。但由于斷層、古河道、水下淺灘以及潮流沙脊等地質(zhì)體規(guī)模很小，對海上樁基和鉆井平臺的施工作業(yè)影響較小。再者，由于陸相沉積層較薄，埋藏古河道沉積層也就相對較薄，整體來說比較有利于海上工程作業(yè)。

(3)該次單道地震在威海褚島北部海域海底淺層沉積物的地層結(jié)構(gòu)調(diào)查中取得較好的效果，為今后的工程勘察及工程建設(shè)等方面的應(yīng)用提供良好的基礎(chǔ)資料。