山東芝罘灣附近海域淺地層結(jié)構(gòu)特征

顧效源,王 偉

(1.山東省海洋地質(zhì)勘查院,山東 煙臺(tái)264001;2.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東 煙臺(tái)264001)

晚更新世以來,隨著氣候的冷暖交替和海平面周期性升降,我國(guó)近海陸架經(jīng)歷了多次海侵海退,形成了復(fù)雜多樣的海陸交互相沉積地層。這些沉積地層包含了豐富的地層沉積環(huán)境及沉積演化信息,對(duì)了解地層發(fā)育、環(huán)境演變及指導(dǎo)近海工程皆具有重要的意義。近年來,涉及海域淺地層結(jié)構(gòu)及沉積環(huán)境的研究很多[1-10],山東省等黃海近海海域、上海市等東海近海海域以及遼寧省等渤海近海海域也陸續(xù)開展了針對(duì)本市區(qū)管轄范圍的近海海域淺地層結(jié)構(gòu)研究[1-2],為了解當(dāng)?shù)睾Ｓ虻貙咏Y(jié)構(gòu)特征和指導(dǎo)海域生態(tài)環(huán)境保護(hù)作出了很大貢獻(xiàn)[3-10]。然而,涉及北黃海海域尤其是煙臺(tái)市近岸芝罘灣附近海域沉積地層的報(bào)道則少之又少。本文通過對(duì)芝罘灣附近海域淺地層剖面資料及鉆孔資料的綜合解譯與分析,從層序地層學(xué)角度對(duì)淺地層結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究,取得了顯著成果,對(duì)全面認(rèn)識(shí)芝罘灣附近海域沉積作用發(fā)育及指導(dǎo)近海工程建設(shè)、海上安全生產(chǎn)具有重要的意義。

1 資料與方法

本研究利用山東省海洋地質(zhì)勘查院于煙臺(tái)芝罘灣近岸海域獲取的共420 km(圖1)淺地層剖面資料進(jìn)行研究分析。

使用設(shè)備為英國(guó)AAE公司生產(chǎn)的CODA采集工作站及CSP-D2400電火花震源系統(tǒng)。經(jīng)海試后確定的淺地層剖面工作參數(shù)為:激發(fā)間隔500 ms;能量300 J;帶通濾波200～2 000 Hz;記錄量程200 ms。剖面記錄格式為Seg-Y。由于淺地層剖面受到采集及記錄方法的限制,剖面出現(xiàn)多次波、鳴震、側(cè)面波等干擾因素。通過對(duì)這些干擾及噪聲進(jìn)行系統(tǒng)地分析,利用濾波及反褶積處理技術(shù)[2,11],揭示了海底50 m以淺海域地層信息。

根據(jù)淺地層解譯信息,選取了研究區(qū)內(nèi)6個(gè)海域全取心鉆孔。此6孔于2015—2016年由山東省海洋地質(zhì)勘查院施工完成,鉆孔取心率高,實(shí)際孔深均在40 m以上,各鉆孔位置如圖1所示。

圖1 淺地層剖面測(cè)線與鉆孔示意圖Fig.1 A sketch map of the surveying lines of shallow stratum profiles and the drilling location

2 結(jié)果與討論

2.1 地層單元?jiǎng)澐旨俺练e環(huán)境分析

選取淺地層地震剖面上具有一定意義的特征反射波進(jìn)行追蹤、對(duì)比和閉合,得到代表不同時(shí)代與沉積環(huán)境變化意義的界面。根據(jù)對(duì)淺地層剖面反射結(jié)構(gòu)特征的分析和研究[10],運(yùn)用層序地層學(xué)和地震地層學(xué)的方法,結(jié)合鉆孔將地層反射界面自上而下進(jìn)行劃分,共分為D0,D1,D2,D3,D4,D5和D6共7個(gè)反射界面和SU1,SU2,SU3,SU4和SU5五個(gè)地層單元(圖2、圖3和表1)。

表1 晚更新世地層劃分及地震相特征Table 1 Division and seismic phase characteristics of the Late Pleistocene strata

圖2 鉆孔HG4與測(cè)線4線淺地層剖面對(duì)比Fig.2 Contrast between borehole HG4 and shallow stratum profile Line 4

圖3 淺地層剖面劃分及其特征Fig.3 Division and characteristics of shallow strata

2.1.1 地層單元SU1

SU1為強(qiáng)振幅、高頻率、連續(xù)性好的平行結(jié)構(gòu)(圖4),在研究區(qū)分布廣泛,推測(cè)其為全新世海平面上升期形成的沉積環(huán)境較穩(wěn)定的海相層。SU1發(fā)育較穩(wěn)定,厚度變化范圍為5～20 m,以10～13 m厚度為主,整體發(fā)育特點(diǎn)是北厚南薄,北部最厚處達(dá)20 m以上,南部最薄處小于5 m。

圖4 SU 1厚度(m)Fig.4 Thickness of unit SU1(m)

2.1.2 地層單元SU2

SU2底界面內(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)。地層為不整合反射結(jié)構(gòu),推測(cè)其為末次冰期盛冰期形成的陸相沉積,此單元內(nèi)埋藏古河道發(fā)育。埋藏古河道內(nèi)部呈現(xiàn)亞平行反射、波狀、雜亂反射、高角度傾斜交錯(cuò)及前積反射等特征(圖5)。

圖5 SU2厚度(m)Fig.5 Thickness of unit SU 2(m)

研究區(qū)內(nèi)此單元為陸相地層,侵蝕作用較強(qiáng)烈,厚度變化較大,分布較廣。厚度范圍為0～16 m,研究區(qū)西部的平均厚度約為2～6 m,東北部厚度最大,而在芝罘島南部小范圍變薄,甚至不發(fā)育該單元,說明研究區(qū)東北部剝蝕作用較強(qiáng)。

2.1.3 地層單元SU3

SU3底界面呈現(xiàn)強(qiáng)振幅、連續(xù)性較好的反射特征。該單元在研究區(qū)有廣泛的分布,推測(cè)為海平面上升形成的沉積環(huán)境較穩(wěn)定的海相層。發(fā)育較穩(wěn)定,厚度變化不大,大致范圍在5～20 m,研究區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)此單元的平均厚度約7～9 m(圖6)。

圖6 SU3厚度(m)Fig.6 Thickness of unit SU 3(m)

2.1.4 地層單元SU4

SU4的底界面D4,局部具有明顯的下切趨勢(shì),為受強(qiáng)烈侵蝕作用的不整合面。內(nèi)部呈現(xiàn)平行及亞平行反射、波狀反射、雜亂反射、傾斜交錯(cuò)反射及前積反射等多種反射結(jié)構(gòu),推測(cè)為海平面下降期形成的泛濫平原相沉積,多發(fā)育侵蝕溝槽(圖7)。

圖7 SU 4厚度(m)Fig.7 Thickness of unit SU 4(m)

SU4地層受侵蝕作用影響,厚度變化較大,普遍發(fā)育厚度為5～15 m。東北部和西北部侵蝕作用較為強(qiáng)烈,地層發(fā)育較厚,中部侵蝕相對(duì)較弱,地層較薄。

2.1.5 地層單元SU5

SU5底界呈現(xiàn)為強(qiáng)振高頻、連續(xù)性較好的平行及亞平行反射特征。該單元在研究區(qū)分布廣泛,推測(cè)為海平面上升時(shí)期形成的沉積環(huán)境較穩(wěn)定的海相層。該地層單元較其他地層單元略厚,發(fā)育較穩(wěn)定,厚度范圍為4～30 m。最厚處厚度大于30 m,位于研究區(qū)北部及芝罘島附近海域,而最薄處厚度為4 m,位于西北部(圖8)。

圖8 SU 5厚度(m)Fig.8 Thickness of unit SU 5(m)

由圖8可知,研究區(qū)地層單元依次為:海相、陸相、海相、泛濫平原相和海相,表現(xiàn)為典型的海陸交互相地層特征。研究區(qū)海相地層整體發(fā)育特征為北厚南薄,大部分海域各地層單元海相沉積層厚度為7～13 m,發(fā)育穩(wěn)定,分布廣泛。陸相地層受侵蝕作用影響,SU2發(fā)育典型的埋藏古河道沉積,侵蝕作用強(qiáng)烈的北部區(qū)域陸相沉積層較厚,侵蝕作用較弱的南部和中部海域陸相沉積層較薄。各地層單元陸相沉積層厚度變化范圍為0～16 m。

2.2 地層單元體系域分析

受基準(zhǔn)面變化和沉積作用的相互影響,Catuneanu[12]提出了包括高位體系域、下降期體系域、低位體系域、海侵體系域和海退體系域的五個(gè)體系域。本研究根據(jù)上述5個(gè)體系對(duì)海底淺地層進(jìn)行地層體系劃分,并根據(jù)鉆孔所揭示的淺地層信息,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)海域晚更新世以來至少經(jīng)歷了3次海侵2次海退(表2)。

表2 晚更新世層序劃分表Table 2 Division of Late Pleistocene stratigraphic sequence

海退&低位體系域:研究區(qū)SU2和SU4地層單元為海退體系域,發(fā)育陸相沉積層。在海平面降至最低點(diǎn)時(shí),整個(gè)或部分陸架暴露出海底,之前形成的濱海相沉積層受流水侵蝕,形成了以侵蝕堆積和埋藏古河道堆積的陸相沉積層。

海侵&高位體系域:SU1,SU3和SU5為地層單位域,發(fā)育以平行層理反射為主的淺海相沉積層。

2.3 地質(zhì)災(zāi)害分析

研究區(qū)淺海相沉積層及陸相河流和泛濫平原沉積層中多特殊地質(zhì)體發(fā)育。其位置分布主要受地區(qū)古地理?xiàng)l件限制,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,研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的古河道、淺埋基巖等地質(zhì)體,部分改變了原有地層的形態(tài)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)。典型地質(zhì)體的出現(xiàn)可視為宏觀構(gòu)造活動(dòng)或特殊沉積環(huán)境的標(biāo)志,同時(shí)也可能是導(dǎo)致災(zāi)害地質(zhì)的影響因素,對(duì)于指導(dǎo)海上的安全生產(chǎn)具有重要意義。研究區(qū)潛在地質(zhì)災(zāi)害分析如下:

1)埋藏古河道

埋藏古河道在研究區(qū)普遍存在,作為低海平面時(shí)期河流作用形成的陸相沉積層,其下部為河道沉積,以砂為主,側(cè)向加積;底部是以砂礫為主的滯留沉積,反射特征趨于基巖面;上部為河道充填堆積,通常是泥砂互層。研究區(qū)識(shí)別出兩期典型的的古河道沉積(圖9),寬數(shù)千米,下切深度達(dá)10 m,頂部是海侵河道充填沉積,底部由于流水沖刷等形成高角度交錯(cuò)或雜亂層理。

圖9 埋藏古河道Fig.9 Buried ancient channels

埋藏古河道多由充填沉積物堆積而成,物理力學(xué)性質(zhì)差異大,承載力分配不均,另外河道充填沉積物多含動(dòng)植物碎屑等有機(jī)成分,可發(fā)育為淺層氣,可對(duì)海上安全生產(chǎn)造成極大威脅。

2)淺埋基巖

研究區(qū)淺埋基巖位于北部測(cè)線7附近,芝罘島東部海域。其內(nèi)部反射模糊雜亂,無(wú)層理,并且對(duì)兩側(cè)地層有明顯擾動(dòng),上覆45 m厚的沉積物(圖10)。

圖10 淺埋基巖Fig.10 Shallow bedrocks

淺埋基巖由于與圍巖的巖性不均一,地層承載力差異顯著,不利于持力層的選擇,對(duì)于海上平臺(tái)、輸油管線鋪設(shè)等海上工程的實(shí)施產(chǎn)生潛在的危害。

3 結(jié) 論

本文通過對(duì)淺地層剖面資料與海域鉆孔巖心資料的對(duì)比分析,運(yùn)用層序地層學(xué)、地震地層學(xué)的方法對(duì)研究區(qū)海域淺地層進(jìn)行了劃分,分析了地層沉積結(jié)構(gòu)、沉積環(huán)境及特殊地質(zhì)體發(fā)育特征,得到的結(jié)論如下:

1)研究區(qū)海域淺地層自上而下可劃分為:全新世海平面上升期海相層、末次冰期盛冰期陸相沉積層、海平面上升期海相層、海平面下降期泛濫平原相沉積層、海平面上升期海相層五個(gè)地層單元,揭示了本區(qū)淺地層自晚更新世以來經(jīng)歷的3次海侵和2次海退歷史。

2)研究區(qū)海域特殊地質(zhì)體主要為埋藏古河道及淺埋基巖等,其中埋藏古河道在區(qū)內(nèi)分布廣泛,淺埋基巖主要分布在芝罘島東部。這些地質(zhì)體在地層剖面上表現(xiàn)為特殊的聲學(xué)反射特征,部分改變了原有地層的形態(tài)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)。