天津近海海底地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型及聲學(xué)特征

趙 衛(wèi) , 熊元?jiǎng)P, 宮少軍 , 詹華明 , 喬吉果

(1. 天津市海洋地質(zhì)勘查中心, 天津 300170; 2. 國(guó)土資源部資源環(huán)境承載力評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廊坊 065201;3. 海南省海洋地質(zhì)調(diào)查研究院, 海南 ?？?570206)

海洋地質(zhì)災(zāi)害按照發(fā)生地域的不同, 一般可以分為海岸帶地質(zhì)災(zāi)害、海域或海岸帶地質(zhì)災(zāi)害以及海底地質(zhì)災(zāi)害[1]。隨著海洋經(jīng)濟(jì)地位的日益提高, 海洋空間的利用率逐漸增大, 海洋地質(zhì)災(zāi)害的研究對(duì)海洋油氣開(kāi)發(fā)和海底管線鋪設(shè)等海底工程以及相關(guān)的護(hù)岸工程都有重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此, 針對(duì)海底地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查工作越來(lái)越引人關(guān)注, 從海洋地質(zhì)的角度出發(fā), 波浪或潮流等水動(dòng)力、特定的海底地形地貌及沉積地層特征都會(huì)成為地質(zhì)災(zāi)害的誘因。

前人關(guān)于海底地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型的劃分提出了多種分類(lèi)方案。早在1980 年, 國(guó)外學(xué)者基于災(zāi)害地質(zhì)因素與限制性地質(zhì)因素兩大類(lèi)型對(duì)海底地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了劃分[2], 馮志強(qiáng)等[3]將海底地質(zhì)災(zāi)害按照具有活動(dòng)能力的破壞性地質(zhì)災(zāi)害和不具活動(dòng)能力的限制性地質(zhì)條件來(lái)劃分。從對(duì)海底地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性和實(shí)際應(yīng)用的角度考量, 后一種分類(lèi)法更為直接, 實(shí)用性更強(qiáng), 更側(cè)重于海底災(zāi)害對(duì)工程的危害和防避措施的選擇, 因此根據(jù)災(zāi)害是否具有活動(dòng)能力的破壞性,將海底災(zāi)害分為兩類(lèi):

具有活動(dòng)能力的破壞性地質(zhì)災(zāi)害: 指在內(nèi)應(yīng)力或外應(yīng)力, 如臺(tái)風(fēng)、大潮、強(qiáng)流、地震等誘發(fā)下可對(duì)海洋工程造成直接的嚴(yán)重破壞的地質(zhì)活動(dòng), 包括淺層氣、滑坡、斷層、陡坎、潮流沙脊、活動(dòng)沙波;不具有活動(dòng)能力的限制性地質(zhì)條件, 或稱(chēng)被動(dòng)性地質(zhì)災(zāi)害: 它們本身不具有直接的破壞性, 但對(duì)海底工程具有潛在威脅, 需特別注意, 包括埋藏古河道、埋藏三角洲前緣、凹凸地、淺灘、非移動(dòng)沙波和沙丘等。

天津岸段位于渤海灣西岸灣頂處, 大部分地區(qū)水深小于20 m, 僅局部可達(dá)到25 m。本區(qū)屬于構(gòu)造及地面沉降區(qū), 且海岸帶地區(qū)坡降極小, 均在2‰以下, 海岸帶地質(zhì)環(huán)境主要受潮流、波浪和海流影響。針對(duì)天津海域的海底地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作已初步開(kāi)展,天津地質(zhì)調(diào)查中心針對(duì)天津近海海域, 通過(guò)地球物理方法調(diào)查發(fā)現(xiàn), 包括淺層氣、斷層、潮流沙脊、埋藏三角洲前緣等均有發(fā)現(xiàn)[4]。此外, 天津北大港油田的調(diào)查結(jié)果亦表明此區(qū)域有大量淺層氣的存在。另外, 天津海域陸架區(qū)廣闊, 有河口分布, 且以海河斷裂為代表的斷裂構(gòu)造極其發(fā)育, 再加上海河、黃河等河流歷史上都經(jīng)由天津入海, 客觀上為天津海域的淺層氣、斷層和埋藏三角洲的發(fā)育創(chuàng)造了條件。

1 技術(shù)方法

本次工作數(shù)據(jù)采集設(shè)備是EdgeTech 公司的3200XS型淺地層剖面儀, 選用SB-512i 型(500Hz-12KHz)拖魚(yú),水平波束寬度16°～41°, 垂直分辨率8 cm～20 cm。針對(duì)天津海域海底地層情況, 其實(shí)際探測(cè)厚度在10 m～30 m, 不同區(qū)域由于底質(zhì)沉積物特征的不同而有所差異。東西向主測(cè)線間距為5 km, 南北向聯(lián)絡(luò)測(cè)線間距25 km, 分布位置如圖1 所示。DGPS 信標(biāo)機(jī)在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中, 對(duì)淺剖儀進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤, 導(dǎo)航定位準(zhǔn)確度優(yōu)于±5 m。

圖1 測(cè)線位置展布圖Fig. 1 Location of the survey line

在淺地層剖面上, 可通過(guò)聲學(xué)層序的劃分以及聲學(xué)地層特征的描述來(lái)判定淺部地層中不穩(wěn)定地質(zhì)體甚至是地質(zhì)災(zāi)害的存在。聲學(xué)地層主要是依據(jù)地震地層學(xué)的原理, 根據(jù)一定地層序列的外部形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等地震反射相特征和反射終止模式進(jìn)行劃分的。其中, 地震反射相特征主要包括席狀、楔狀等外部形態(tài)特征, 而內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)包括平行反射、前積反射、雜亂反射等, 反射相特征可以反映在某一地質(zhì)時(shí)期內(nèi)沉積環(huán)境的能量、物源信息的變化[5]。反射終止模式表明了上下地層的接觸關(guān)系, 較常見(jiàn)的接觸關(guān)系除了整合接觸之外, 還有頂超、削截、上超和下超這幾類(lèi)代表著地層出現(xiàn)不整合甚至沉積間斷特征的接觸關(guān)系。

2 主要地質(zhì)災(zāi)害的淺地層剖面特征

通過(guò)對(duì)淺地層剖面的地質(zhì)解譯, 本次調(diào)查工作發(fā)現(xiàn)天津海底地質(zhì)災(zāi)害有: 淺層氣、陡坎、水下潮流沙脊、沙波和埋藏三角洲前緣。在淺剖上地震相及聲學(xué)反射特征如下所述。

2.1 淺層氣

海底淺層氣是指海床下1 000 m 以淺聚積、儲(chǔ)量比較小的有機(jī)氣體。主要包括生物氣、油型氣、煤層甲烷氣等[6]。淺層氣在上覆水體及地層的壓力作用下, 沿地層上傾方向向上運(yùn)移[7], 聚積在上部的淺表地層內(nèi), 主要分布于河口與陸架海區(qū)中。載有淺層氣的地層在聲學(xué)記錄剖面上形成低速屏蔽層, 造成地層反射波相位在對(duì)比追蹤中突然中斷, 淺層氣頂面處形成聲波的強(qiáng)反射, 頂部以上的地層反射波清晰可辨, 而下部地層的反射波部分或全部被屏蔽, 如圖2 所示。

個(gè)別區(qū)域淺層氣的在地層中形成大片的聲學(xué)空白區(qū)反射, 會(huì)屏蔽部分地層。聲學(xué)空白區(qū)頂界面不規(guī)則起伏(圖3), 圖3 地層中同時(shí)聚集了上下兩層的淺層氣,上層出現(xiàn)典型的羽狀反射特征, 反映了淺層氣向上運(yùn)移的狀態(tài)[8]。據(jù)該聲學(xué)空白反射區(qū)周?chē)娜侵尴喑练e地層顯示, 該處三角洲相地層厚度約12 m, 因此該處聲學(xué)空白反射區(qū)屏蔽了6 m～8 m 厚的三角洲相地層。

2.2 埋藏三角洲前緣

大型前積層斜層理的存在, 是埋藏三角洲存在的特征性標(biāo)志之一[9]。埋藏三角洲前緣則是三角洲的水下部分, 地層剖面上地層單元頂界面表現(xiàn)為削截或頂超的特征, 底界面為下超特征, 均為地層不整合接觸關(guān)系。頂?shù)捉缑嬷g的地層砂質(zhì)含量居多, 內(nèi)含淤泥質(zhì)夾層, 地層結(jié)構(gòu)一般具有大尺度疊瓦狀或“S”形前積反射構(gòu)型(圖4、圖5)。埋藏三角洲地層序列具有沉積速率快、沉積構(gòu)造復(fù)雜、地層結(jié)構(gòu)坡降大且不穩(wěn)定等特點(diǎn), 造成沉積物抗剪強(qiáng)度低, 容易造成持力不均。

圖4 中地層結(jié)構(gòu)為典型的“S”形前積結(jié)構(gòu), 上部反射界面為頂超或削截, 下部反射界面為下超或削截。前積方向大致為SW 方向, 主要分布在天津北塘口以北海域, 是北部水系沉積物入海的結(jié)果, 發(fā)育在天津北部海底以下1 m～2 m 左右, 厚6 m～10 m。

圖2 淺地層剖面圖像中低速屏蔽層特征(Qp0 北段)Fig. 2 Characteristics of low speed shielding layer on the sub-bottom profile

圖3 淺地層剖面圖像中聲學(xué)空白區(qū)特征(Qp0 北段)Fig. 3 Characteristics of acoustic blank area on the sub-bottom profile

圖4 天津北部埋藏三角洲前緣淺地層剖面特征——“S”形前積結(jié)構(gòu)(C1 北段)Fig. 4 Characteristic of buried delta-front on a sub-bottom profile——“S” progradation reflection configuration

圖5 中地層結(jié)構(gòu)為典型的疊瓦狀前積結(jié)構(gòu)。上部反射界面被削截, 下部反射界面為下超特征, 內(nèi)部地層前積方向大致為東西向, 主要分布在海河河口及以南地區(qū), 發(fā)育在天津港附近海底以下1 m～2 m 左右, 厚1 m～7 m。

2.3 水下沙脊

現(xiàn)代潮流沙脊是發(fā)育在陸架淺海區(qū)海底的特殊地貌類(lèi)型, 是以不同時(shí)期沙質(zhì)沉積物為底質(zhì)的基礎(chǔ)上, 由現(xiàn)代海洋動(dòng)力或較強(qiáng)潮流作用形成的沙質(zhì)脊?fàn)疃逊e體; 后期經(jīng)過(guò)潮流等外力的作用, 亦可形成沙脊群[10]。

沙脊平面長(zhǎng)軸展布方向?yàn)镹W-SE 向, 頂部水深僅2 m～3 m。淺剖地層特征的指向性非常明顯, 斜層理傾向顯示其N(xiāo)W 向前積, 說(shuō)明水下沙脊沿西北方向遷移。由于天津海域漲潮流是SE→NW 方向, 這與水下沙脊的前積方向一致, 沙脊成因可能是入海沉積物在強(qiáng)潮流的作用下搬運(yùn)沉積而形成的脊?fàn)钌百|(zhì)堆積體(圖6、圖7)。

圖5 埋藏三角洲前緣剖面特征—疊瓦狀前積結(jié)構(gòu)(Qp3 測(cè)線)Fig. 5 Characteristic of buried delta-front on a sub-bottom profile—shingled progradation reflection configuration

圖6 水下潮流沙脊長(zhǎng)軸方向剖面特征(Qp0 測(cè)線)Fig. 6 Characteristics of the underwater tidal sand ridge on the long-axis profile

2.4 沙波

海底沙波在淺地層剖面上較難判斷, 僅發(fā)現(xiàn)海底反射面比較粗糙[11], 一般強(qiáng)振幅、砂質(zhì)結(jié)構(gòu)的海底對(duì)其下部地層會(huì)產(chǎn)生一定的反射屏蔽, 有些沙波區(qū)厚度較大可達(dá)數(shù)米或10 余米。圖8 中海底面反射波呈連續(xù)鋸齒狀起伏以及不規(guī)則的微起伏波狀面。地層剖面做放大處理后可發(fā)現(xiàn)沙波最大波高約2 m、最大波長(zhǎng)近200 m。當(dāng)水動(dòng)力條件發(fā)生改變時(shí), 尤其是在風(fēng)暴潮的作用下, 沙波與水下沙脊類(lèi)似, 其形態(tài)和分布都會(huì)發(fā)生變化。對(duì)于海洋石油平臺(tái)建設(shè)、管線鋪設(shè)都會(huì)帶來(lái)威脅。

2.5 陡坎

天津海域表層陡坎大多是人為因素形成, 其成因主要是航道兩側(cè)邊緣陡坎(圖9)或因吹填而抽走的泥沙造成的, 因此一般坡度較陡, 普遍大于30°, 明顯的地形高差在淺地層剖面上較易識(shí)別。在海流和地震等因素的影響下, 極有可能產(chǎn)生地層滑塌, 給石油管線和海底工程帶來(lái)危險(xiǎn)。

3 海底地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律

天津海域上述海底地質(zhì)災(zāi)害分布如圖10 所示,分布特征如下:

圖7 水下潮流沙脊短軸方向剖面特征(C2 測(cè)線)Fig. 7 Characteristics of the underwater tidal sand ridge on the short-axis profile

圖8 淺地層剖面圖象中的沙波特征(Qp7 測(cè)線)Fig. 8 Characteristics of the sand waves on the sub-bottom profile

圖9 淺地層剖面圖象中的陡坎(Qp7 測(cè)線)Fig. 9 Characteristics of the scarp on the sub-bottom profile

圖10 天津海域地質(zhì)災(zāi)害分布圖Fig. 10 Distribution of submarine geological hazards in Tianjin offshore areas

3.1 淺層氣

平面上看, 天津北部海域淺層氣主要沿海岸線分布, 遠(yuǎn)離海岸淺層氣減少。南部海域淺層氣近岸地區(qū)分布較少, 遠(yuǎn)離海岸淺層氣增多, 且單個(gè)塊區(qū)發(fā)育面積較大, 甚至連結(jié)成片。

垂向上看, 淺層氣主要分布于海底下12 m 左右的早全新世砂質(zhì)沉積層內(nèi), 被上覆埋藏三角洲、埋藏潮道或水下沙脊沉積物蓋層封蓋。

3.2 埋藏三角洲前緣

天津市海域埋藏三角洲總面積約848 km2, 北至澗河口, 南至南港工業(yè)區(qū)東部海域均有分布。海河河口處及以南海域三角洲前緣為具有疊瓦狀前積結(jié)構(gòu)的砂質(zhì)沉積, 前積方向大致為東西向, 厚1 m～7 m;天津市海域北塘口以北海域的埋藏三角洲前緣主要為“S”形前積結(jié)構(gòu)的粘土質(zhì)沉積與砂質(zhì)沉積, 前積方向大致為SW 方向, 發(fā)育在天津北部海底以下1 m～2 m 左右, 厚6 m～10 m。

3.3 水下沙脊

發(fā)育位置位于澗河河口以南15 km, 東疆港區(qū)外23 km, 水深較淺(5 m～7 m)的近岸帶, 沙脊區(qū)面積約為40 km2, 沙脊平面長(zhǎng)軸展布方向?yàn)镹W-SE 向,頂部水深只有2 m～3 m。地層內(nèi)部斜層理傾向特征顯示其沿西北方向遷移。

3.4 沙波

天津海域僅在南港工業(yè)區(qū)外26 km 處發(fā)現(xiàn)沙波分布區(qū), 具體位置在北緯38°45′、東經(jīng)118°交點(diǎn)東北側(cè)海域, 總延伸長(zhǎng)度約3 km, 最大波高約2 m, 最大波長(zhǎng)近200 m。

3.5 陡坎

研究區(qū)的海底表層陡坎出現(xiàn)在天津港及以南海域, 近岸及遠(yuǎn)海地區(qū)均有分布。分布范圍集中在3 個(gè)區(qū)域: 天津港航道兩側(cè), 主要為天津港南北主航道的兩側(cè)邊緣陡坎; 臨港工業(yè)區(qū)外圍區(qū)域, 主要為航道邊緣陡坎和泥土開(kāi)挖區(qū); 南港工業(yè)區(qū)東北海域,主要為工程土開(kāi)挖或因吹填而抽走的泥沙而形成。

4 結(jié)論

本次調(diào)查工作發(fā)現(xiàn)的海底地質(zhì)災(zāi)害主要有5 種,分別是埋藏三角洲前緣、淺層氣、水下沙脊、沙波和陡坎。陡坎為人為工程活動(dòng)衍生而成, 其他災(zāi)種均在自然條件下形成。

作者總結(jié)了天津海域中海底地質(zhì)災(zāi)害的分布規(guī)律: 北部海域近岸地區(qū)分布有淺層氣和埋藏三角洲前緣, 潮流沙脊的發(fā)育位置離岸較遠(yuǎn); 南部海域的近岸地區(qū)較少發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害, 有少量陡坎分布, 淺層氣和埋藏三角洲前緣則發(fā)育在遠(yuǎn)海地區(qū)。

研究區(qū)海域不同地質(zhì)災(zāi)害在淺地層剖面上表現(xiàn)為不同的聲學(xué)反射特征。沙波在本區(qū)分布較少, 其聲學(xué)反射特征不十分顯著; 淺層氣表現(xiàn)為聲學(xué)空白區(qū);埋藏三角洲前緣的典型地震相特征為疊瓦狀或“S”型前積反射構(gòu)型; 水下沙脊以地層剖面內(nèi)部前積斜層理為主要特征, 并伴有一定的地形起伏。