丁字灣近岸海底沉積物地層單元劃分及沉積特征

于劍峰,顧效源,韓明智,原帥帥,強萌麟,李亨健

(1.山東省海洋地質(zhì)勘查院，山東 煙臺 264004；2.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺 264004)

近岸海區(qū)人類活動劇烈，隨著人類對近岸海區(qū)開發(fā)活動日益增多和海洋強國、海洋強省、海洋強市戰(zhàn)略的實施，近岸海底沉積物特征及工程地質(zhì)條件得到了廣泛研究[1]。根據(jù)山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)重點規(guī)劃區(qū)的戰(zhàn)略定位，丁字灣地區(qū)為重點開發(fā)岸段，推行集中集約用海等開發(fā)利用方式，因此查明該區(qū)近岸海區(qū)地質(zhì)條件顯得尤為重要。該文利用2017年山東省海洋地質(zhì)勘查院在丁字灣近岸海區(qū)獲得的淺地層剖面資料，詳細揭示了研究區(qū)海底沉積物各沉積單元的分布、埋深厚度及沉積特征，為該區(qū)海洋工程建設提供大量的地質(zhì)依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)屬華北-柴達木地層大區(qū)、華北地層區(qū)、膠南-威海地層分區(qū)，區(qū)內(nèi)出露的地層較為簡單，以中生代白堊系為主，新生代第四系次之。侵入巖主要為燕山晚期中生代的侵入巖和脈巖、中生代潛火山巖，主要包括基性巖、中性巖、酸性巖和堿性巖等類型，其中以酸性巖為主。斷裂構(gòu)造較發(fā)育，走向主要為NE向。

區(qū)內(nèi)基巖分布較為廣泛，地貌上以丘陵為主，第四系覆蓋厚度很薄，大面積出露中生代萊陽群砂巖及中生代侵入巖、噴出巖等。第四系主要分布在河流流域兩側(cè)及海灣周邊，以河流沖積、洪積及海積層為主，受形成條件控制，第四系厚度較薄，一般2～15m，內(nèi)陸地區(qū)巖性以粉質(zhì)黏土、中粗砂及礫砂為主，濱海區(qū)則以粉細砂、粉質(zhì)黏土為主，局部分布中粗砂、淤泥質(zhì)軟土等。

海域海底表層全部被第四系沖海積層覆蓋，沉積物厚度總體為離岸越遠厚度越大，一般大于20m。沉積物類型以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土分布最為廣泛，厚度10m左右，入海口附近顆粒稍粗，距離越遠粒度越細。沉積類型在垂向上分布大致可以分為兩類，一類是在灣口以北的海域，沉積物多以單層黏土為主，沉積厚度較大，一般超過2m，反映了該區(qū)域弱動力沉積環(huán)境，沉積速率緩慢；另一類是在灣口以東、南區(qū)域，沉積物垂向變化較大，黏土、粉砂、砂質(zhì)粉砂和砂都有分布，主體層位以粉砂和砂為主，反映了該區(qū)域強動力沉積環(huán)境，沉積速率較慢。

2 數(shù)據(jù)采集及分析

2.1 淺地層剖面數(shù)據(jù)及鉆孔數(shù)據(jù)采集

該次使用的是德國GEO公司生產(chǎn)的GEO-SPARK 2000X淺地層剖面系統(tǒng)，儀器分別拖在船體兩側(cè)，接收單位避開尾流的干擾。為了獲得良好的資料效果，整個測量期間，選在浪高小于1.0的良好海況下進行作業(yè)，工作船速穩(wěn)定在5節(jié)左右，正常情況下偏航距小于50m。聲速的選取采用與鉆孔巖性界面深度資料對比求平均的方法，確定出在探測范圍內(nèi)，地層的平均速度取值為1600m/s。采用了濾波及反褶積處理消除了多次波、鳴震、側(cè)面波等干擾因素，共采集淺地層剖面數(shù)據(jù)172km(圖1)，獲得的成果記錄良好，圖像清晰，聲學層位明顯，有效穿透深度一般在30m左右。

同時在淺地層剖面測線上布設工程地質(zhì)鉆孔6個，以查明海底淺地層工程地質(zhì)條件。該次對大于0.50m的地層均進行了分層，分層誤差小于0.20m，技術(shù)人員對各分層巖性的顏色、狀態(tài)、密實度、濕度、成分、顆粒大小等進行了詳細的描述和記錄，在鉆進過程中進行了現(xiàn)場原位測試和取樣工作。

2.2 鉆孔與剖面數(shù)據(jù)對比及地震層序劃分

氣候周期性變化引起海平面升降，在地層中表現(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，海相、陸相地層交互發(fā)育特征非常明顯。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)性及接觸關系的差異變化[2]。選取淺地層地震剖面上具有一定意義特征的反射波進行追蹤、對比、閉合，以得到代表不同時代與沉積環(huán)境變化意義的界面。根據(jù)研究區(qū)淺地層地震剖面的反射結(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)合鉆孔對全區(qū)淺地層剖面的地層層序或準層序組反射界面進行了劃分，自上而下依次為：D1，D2，D3共3個反射界面(D0為海底面)[3-6],并確定了各反射界面的埋藏深度(圖2)。

D0界面為海底反射面，代表地層和海水層的分界面，以強振幅和高連續(xù)性為特征。其起伏形態(tài)反映了海底地形的變化。D1界面在淺地層剖面上十分明顯，與D0界面基本平行，為連續(xù)、強振幅反射界面，水道下切侵蝕下伏地層。D1面上下兩套地層有明顯的差異，之上地層為平行反射，之下地層為雜亂反射，表明D1為明顯的不整合界面。D1的埋藏深度為1～15m，深度變化較大，坡度明顯，丁字灣灣內(nèi)最淺約為0～1m，向灣外方向越來越深，研究區(qū)東南部最大埋藏深度可達15～20m。

D2界面為一侵蝕面，中弱振幅，平行或亞平行于海面，它將反射特征不同的陸相與海相地層分開。該界面上有明顯的侵蝕痕跡，在該界面之上，有沉積間斷，界面之下發(fā)育很厚的海相沉積夾薄的陸相層，該界面在研究區(qū)連續(xù)分布。D2的整體埋藏深度為1～25m，總體埋藏深度較小，平均埋藏深度為15m，東南部的埋藏最深為接近25m，近岸埋藏較淺。

D3界面為一平行的海相界面。該界面在研究區(qū)分布較廣。D3的埋藏深度約為1～45m，整體埋藏深度變化大，研究區(qū)西南海域的平均埋藏深度較深，最深可達45～50m?？拷０兜暮Ｓ蚵癫厣疃容^小。

根據(jù)該次鉆孔巖性的描述，進行了巖性分層工作，結(jié)合地震剖面獲得了比較系統(tǒng)的地層層序結(jié)構(gòu)。該文僅選取部分鉆孔與地震數(shù)據(jù)，通過HG2孔與Z6-1線(圖3)、HG4孔與Z6線(圖4)、HG8孔與Z13線(圖5)的孔震對比，得出兩者的對應關系及其鉆孔的巖性、淺地層剖面的層序界面特征。

圖2 各反射界面埋藏深度圖

圖3 HG2鉆孔與測線Z6-1對比圖

圖4 HG4鉆孔與測線Z6對比圖

圖5 HG8鉆孔與測線Z13對比圖

鉆孔HG2的0～12.9m段對應測線Z6-1淺地層剖面的D0～D1，巖性主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及粉質(zhì)黏土等松散沉積層。鉆孔HG4的0～18.5m段對應測線Z6淺地層剖面的D0～D1，巖性為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及粉質(zhì)黏土等松散沉積層。鉆孔HG8的0～7.5m段對應測線Z13淺地層剖面的D0～D1，巖性主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土等松散沉積物。由此可以判定，研究區(qū)測線淺地層剖面的D0～D1段巖性以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主，符合典型的海底表層沉積物特征。

鉆孔HG2的12.9～20.8m段對應測線Z6-1淺地層剖面的D1～D2，巖性主要為粗砂。鉆孔HG4的18.5～29.1m段對應測線Z6淺地層剖面的D1～D2，巖性為粗砂。鉆孔HG8的7.5～23.0m段對應測線Z13淺地層剖面的D1～D2，巖性主要為粒度較粗的砂及粉質(zhì)黏土等。研究區(qū)測線淺地層剖面的D1～D2段巖性主要以粒度較粗的砂及粉質(zhì)黏土為主。

鉆孔HG2的20.8～32.0m段對應測線Z6-1淺地層剖面的D2～D3，巖性主要為粒度較粗的砂及粉質(zhì)黏土；鉆孔HG4的29.1～60.5m段對應測線Z6淺地層剖面的D2～D3，巖性為粒度較粗的砂及粉質(zhì)黏土等；鉆孔HG8的23.0～25.1m段對應測線Z13淺地層剖面的D2～D3，巖性主要為粗砂等。研究區(qū)測線淺地層剖面的D2～D3段巖性主要以粒度較粗的砂及粉質(zhì)黏土為主。

3 地層劃分及特征

根據(jù)巖相，對研究區(qū)海域的3個鉆孔巖心進行地層對比分析。這些鉆孔巖心揭穿了晚第四紀以來的沉積層，通過對鉆孔巖心層序和地震剖面進行對比分析[7-8]，海底3個地震反射界面在鉆孔巖心地層中劃分出3個沉積單元(自上而下依次為SU1，SU2，SU3)。

此外，根據(jù)沉積相和測年數(shù)據(jù)，對晚第四紀地層進行劃分[9-12]。樣品測年由美國BETA實驗室完成，在鉆孔的巖心中選用貝殼、泥和植物碎片等測年材料，得到有效年代數(shù)據(jù)，部分測年數(shù)據(jù)見表1。放射性碳測年實驗室采用的標準為Oxalic Acid Ⅱ。直接測定年齡是以5568年為半衰期，同時測量樣品的13C值，并根據(jù)分餾效應進行校正，即獲得慣用年齡。日歷年齡是慣用年齡經(jīng)過CALIB 5.0.1校正所得(標準偏差為1σ)。所用的14C日歷年齡都是從公元1950向前起算的，以cal yr BP表示。

表1 AMS14C測年數(shù)據(jù)

注：(近似)慣用年齡是以樣品的13C標準值為-25‰PDB來進行校正的。

3.1 沉積物地層單元劃分

運用層序地層學、地震地層學方法，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等3個地層單元(圖3—圖5)，各地層單元的內(nèi)部反射特征[13-15]和所反映的沉積環(huán)境[16-17]及其分布情況如表2所示。

表2 淺地層剖面地層單元劃分及地震相特征

3.1.1 地層單元SU1

地層單元SU1位于海底面D0與反射界面D1之間。D1被解釋為隨著冰后期海平面的上升臨濱帶向陸后退而形成的區(qū)域性海侵面。在外海，由于研究區(qū)內(nèi)沉積動力條件的影響，反射界面D1會和D0合并。SU1的底部為加積或上超的、近似水平反射層，其上被向南、向東進積的緩傾狀反射層所覆蓋。由于SU1的底部加積層較薄(大都小于2m，局部會缺失)，從整體上看，SU1為向南、向東進積的水下楔形沉積體。地層單元SU1被解釋為海平面繼續(xù)上升達到最大海泛面的位置直至現(xiàn)今的沉積記錄，反映了海侵體系域的沉積物。通過鉆孔施工，該單元地層巖性為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，含生物碎屑，利用AMS14C測年數(shù)據(jù)(3520～4990±30a)，確定了該地層單元為中全新世沉積層。

該單元層序發(fā)育較穩(wěn)定，厚度變化較大，分布較廣，厚度范圍在0～15m，該單元層序的整體發(fā)育特點是東南部較厚，其中研究區(qū)最厚處達到12～15m，灣內(nèi)或靠近海岸附近海域此地層較薄，厚度小于5m或不發(fā)育。

3.1.2 地層單元SU2

地層單元SU2位于反射界面D1和D2之間。地震界面D2是呈V或U的河谷狀下切到下伏地層之中。通過與鉆孔的對比以及地層的切割關系分析，D2界面開始形成于氧同位素3期(MIS3)的晚期，可能繼承了早期的下切谷，在末次冰期最盛期的低海面時期，切割深度達到最大。

D1和D2之間的地層SU2為MIS2的陸相(或海陸交互相)沉積，包括了滯留沉積和后期的河道充填沉積。研究區(qū)內(nèi)的埋藏古河道滯留沉積物較少，甚至缺失，河道內(nèi)部充填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，在近岸主要表現(xiàn)為雜亂發(fā)射結(jié)構(gòu)。鉆孔中揭露的巖性以砂、粉砂和粉質(zhì)黏土為主，AMS14C測年數(shù)據(jù)為10890±30a，由此確定該地層單元為早全新世沉積層。

研究區(qū)內(nèi)該單元為陸相地層，侵蝕作用較強烈，厚度變化較大，且較其他地層單元厚度較厚，主要分布在研究區(qū)東南部海域，厚度范圍為1～19m，厚度最大可達16～19m，而在灣內(nèi)及近岸海域此地層變薄，甚至不發(fā)育該層序單元。

3.1.3 地層單元SU3

地層單元SU3位于反射界面D2和D3之間。D3是一區(qū)域性的剝蝕面，能在全區(qū)追蹤，起伏較平穩(wěn)，在山東半島近岸處該剝蝕面逐漸抬高。通過與鉆孔資料的對比，界面D3被解釋為氧同位素5期(MIS5)海侵時最早達到該研究區(qū)的侵蝕面。SU3單元層主要呈現(xiàn)為平行、亞平行的內(nèi)部反射層，局部分布有大大小小的侵蝕洼地，內(nèi)部表現(xiàn)為進積、側(cè)向加積或者波狀的充填層。地層厚度受后期海洋動力的改造，變化較大，從濱淺海區(qū)的20m以上向岸逐漸變薄，局部受上覆下切古河谷的侵蝕而缺失。鉆孔中揭露的巖性以粉質(zhì)黏土、粉砂和砂為主，巖性變化較大，層厚不均勻連續(xù)，AMS14C測年數(shù)據(jù)為18370±60a，由此確定該地層單元為晚更新世沉積層。

3.1.4 覆蓋層埋藏厚度

統(tǒng)計SU1、SU2和SU3的厚度總和，可得研究區(qū)覆蓋層厚度分布情況(圖6)。據(jù)此可判斷不同海域沉積環(huán)境的異同，同時在預防海底災害，以及指導海上工程施工建設具有重要意義。

根據(jù)研究結(jié)果可知，區(qū)內(nèi)覆蓋層厚度范圍為0～50m。近岸覆蓋層較薄，基本不超過20m。覆蓋層最厚的海域位于研究區(qū)東南部及中部，局部地區(qū)厚度超過45～50m。灣內(nèi)由于數(shù)據(jù)有限，為灣外數(shù)據(jù)延伸。

為了更加直觀地展現(xiàn)研究區(qū)各個層序在淺地層剖面上的分布特征，繪制了研究區(qū)淺地層剖面地質(zhì)解釋模型示意圖(圖7)。

圖6 各地層單元厚度及總厚度圖

圖7 淺地層剖面地質(zhì)解釋模型示意圖

3.2 地層單元體系域分析

依據(jù)地震剖面、結(jié)合鉆孔巖性，對區(qū)內(nèi)劃分的3個聲學層序進行了對比分析[18-19]，按照各個層序形成時的相對海平面位置及其升降變化勢態(tài)，劃分了3個體系域(表3)[20-23]。

3.2.1 海侵體系域(TST)

研究區(qū)海域淺地層單元SU1的上部薄層，發(fā)育濱海相沉積層，以平行層理反射的濱海相地層作為標志，是海平面上升期間的沉積。

表3 淺地層剖面層序劃分

3.2.2 低位體系域(LST)

海域淺地層單元SU2的層序，發(fā)育了陸相(海陸交互相)沉積，是海平面緩慢下降，然后又開始逐漸上升階段的沉積，

3.2.3 高位體系域(HST)

對應海域淺地層SU3單元，發(fā)育濱海相(淺海相)沉積，地震波表現(xiàn)為平行、亞平行的內(nèi)部反射層，是海侵體系域形成后，海平面上升已非常緩慢，在其上升到最高水位的時間段內(nèi)沉積層。

4 結(jié)論

通過高分辨率淺地層剖面與鉆孔數(shù)據(jù)的對比，將丁字灣近岸海底沉積物自上而下劃分為D0，D1，D2，D3共4個反射界面，SU1，SU2，SU3共3個沉積單元，總結(jié)了每個沉積單元的埋深、分布及特征。

(1)SU1位于D0，D1反射界面之間，巖性以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主，為全新世地層。內(nèi)部反射特征為平行反射、高頻、強震幅、連續(xù)性好，外形特征為席狀，對應海侵(TST)體系域，濱海相沉積。厚度變化較大，分布較廣，埋藏深度0～15m。

(2)SU2位于D1，D2反射界面之間，巖性以粒度較粗的砂及粉質(zhì)黏土為主，為全新世地層。內(nèi)部反射特征較雜亂、局部有良好的前積或平行或發(fā)散反射、低頻、弱震幅、連續(xù)性差，外形特征局部為透鏡狀，對應低位(LST)體系域，陸相沉積。該地層受侵蝕作用強烈，厚度變化較大，且較其他地層單元厚度較厚，主要分布在研究區(qū)東南部海域，埋藏深度為1～28m。

(3)SU3位于D2，D3反射界面之間，巖性以粒度較粗的砂及粉質(zhì)黏土為主，為更新世地層。內(nèi)部反射特征為平行反射、局部前積反射、強震幅、連續(xù)性好，外形特征為席狀，對應高位(HST)體系域，濱海相沉積。該地層厚度不均勻連續(xù)，從濱淺海區(qū)的20m以上向岸逐漸變薄，局部受侵蝕而缺失，埋藏深度5～45m。

(4)研究結(jié)果表明，丁字灣海域灣口內(nèi)、東北部和南部地區(qū)沉積物整體較薄，沉積厚度總體小于15m，工程地質(zhì)條件較好，適宜進行工程建設；東南部地區(qū)沉積物較厚，大部分地區(qū)達到30m以上，工程建設條件相對較差。