海南島南部海棠灣晚更新世以來(lái)單道地震剖面特征

張匡華， 傅人康， 張從偉， 龍根元， 宋家偉， 仝長(zhǎng)亮

(海南省海洋地質(zhì)調(diào)查研究院，海口 570206)

0 引言

第四紀(jì)沉積地層中包含了豐富的沉積環(huán)境特征和沉積演化過(guò)程信息，在陸地和深海及第四紀(jì)地層對(duì)比研究中發(fā)揮著地理位置上的紐帶作用[1]，同時(shí)有益于濱淺海砂礦及稀有金屬等資源的預(yù)測(cè)研究。近年來(lái)主要是運(yùn)用地球化學(xué)方法研究海南島周邊濱淺海晚第四系地層，研究載體主要是鉆孔樣等。曹小月等[2]在海南陵水新村與黎安瀉湖，通過(guò)對(duì)鉆孔樣進(jìn)行分析，認(rèn)為海南島陵水新村港區(qū)域晚更新世經(jīng)歷了淺海和瀉湖沉積環(huán)境，在末次冰期極盛期陸地暴露環(huán)境，發(fā)育了沖積平原沉積等;王夢(mèng)媛等[3]在三亞鐵爐港通過(guò)對(duì)鉆孔樣巖性描述、粒度分析、亮度分析及有孔蟲(chóng)豐度統(tǒng)計(jì)等，總結(jié)了該鉆孔約自MIS6以來(lái)沉積相演變歷史，初步確定MIS5高海平面的海水曾侵入海南島南側(cè)，沉積了近40 m厚的海相粘土-粉砂細(xì)粒物質(zhì)。基巖上覆沉積物主要由厚層的MIS5和MIS1兩段間冰期海相地層組成，期間存在一些相變過(guò)程，而冰期階段沉積物缺失或很少保留。單道地震具有施工方法簡(jiǎn)單、探測(cè)范圍廣、高效且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)[4]。筆者結(jié)合鉆孔沉積物巖性及測(cè)年等資料對(duì)單道地震剖面進(jìn)行綜合解釋?zhuān)芯拷Y(jié)果對(duì)海南島周邊晚更新世以來(lái)濱淺海地層的深入研究起到了較好的推動(dòng)作用。

1 研究區(qū)概況

海南島為南海大陸架島嶼，原與陸地相連，晚第四紀(jì)時(shí)，瓊州海峽隔斷，全新世海面上升，海南島與大陸分隔[5]。受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與氣候變化的雙重影響，更新世初期海岸屬基巖港灣型，晚更新世構(gòu)造運(yùn)動(dòng)頻繁，使不少海灣底部抬升為階地，構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)持續(xù)到全新世，局部抬升甚至發(fā)生于2000年前[6]。海南島屬于熱帶海島，海岸線(xiàn)總長(zhǎng)1 470 km，其中約四分之三為砂質(zhì)海岸，其余主要為基巖海岸，泥質(zhì)海岸甚少。受地質(zhì)構(gòu)造和熱帶氣候等因素的影響，東、南部海岸發(fā)育有沙壩-瀉湖海岸以及比較典型的珊瑚礁和紅樹(shù)林海岸[7]。

研究區(qū)位于海南島南部海棠灣附近(圖1)。海棠灣為近南北向，岸線(xiàn)長(zhǎng)度達(dá)21.8 km，東南臨海為濱海平原[3]，北邊為合口港，南邊為鐵爐港，西南邊為龍江港。海棠灣地貌上屬沙壩-瀉湖型港灣[8]，主要為砂質(zhì)海岸，潮汐為不規(guī)則日潮型，土壤泥沙質(zhì)[9]；研究區(qū)為熱帶季風(fēng)氣候[10]。近海岸海域波浪主要為風(fēng)浪，冬春季波浪射線(xiàn)方向以東北為主，夏秋季波浪線(xiàn)射線(xiàn)方向以西南為主，年平潮差達(dá)86 cm，屬于弱潮區(qū)[11]。

2 資料和方法

2.1 單道地震資料采集、處理與解釋

2016年5月-2016年7月海南省海洋地質(zhì)調(diào)查研究院在研究區(qū)開(kāi)展了129 km單道地震測(cè)量工作(圖1)。采用的儀器是荷蘭生產(chǎn)的Geo-Spark 2000J單道地震系統(tǒng)，震源采用陰極放電、電極無(wú)損電火花，最大功率2 000 J，中心頻率700 Hz～1 000 Hz，接收裝置為24單元組合檢波水聽(tīng)器。數(shù)據(jù)采集參數(shù)為：激發(fā)間隔1 000 ms，震源能量1 000 J，垂向采樣頻率為10 kHz，記錄長(zhǎng)度為800 ms，記錄格式為標(biāo)準(zhǔn)SEG-Y格式。

地震資料處理的關(guān)鍵是提高資料信噪比，提高分辨率[12]。研究區(qū)采用RadExPro軟件進(jìn)行單道地震剖面處理，主要處理流程為：①地震數(shù)據(jù)壞道編輯；②地震數(shù)據(jù)的頻譜特征分析；③地震剖面深部能量補(bǔ)償；④帶通濾波；⑤Burst Noise Removal；⑥2D Spatial Filtering；⑦Zero-Offset DeMultiple；⑧Sharp Seis Deghosting。地震剖面通過(guò)處理后，信噪比和分辨率明顯提高，海面風(fēng)浪及涌浪引起的同相軸起伏得到一定程度的改正[13]，海底多次反射及虛反射得到有效壓制。

圖1 研究區(qū)單道地震剖面測(cè)線(xiàn)及鉆孔位置Fig.1 Location of single-channel seismic profiles and drilling core in the study area

根據(jù)層序地層學(xué)[14]和地震地層學(xué)理論[15]，運(yùn)用第四紀(jì)全球海平面升降相關(guān)數(shù)據(jù)[16]進(jìn)行了單道地震剖面的解釋。等時(shí)界面地識(shí)別是層序地層分析的關(guān)鍵[17]，晚更新世以來(lái)，海平面在間冰期與冰期交替升降[18]。冰期海退形成的陸上不整合面和間冰期海侵形成的濱帶海蝕面構(gòu)成一個(gè)在小范圍似等時(shí)層序界面，可視為初始海泛面[14]。層序界面在地震剖面上表現(xiàn)為連續(xù)好、振幅強(qiáng)；界面下伏地層古河道發(fā)育；界面上覆、下伏地層呈不整合接觸關(guān)系；界面上覆地層底部地震相表現(xiàn)為上超；沉積環(huán)境的不同致使上覆、下伏地層內(nèi)部地震反射特征有所差異等。

研究區(qū)內(nèi)似等時(shí)層序界面地識(shí)別主要基于幾點(diǎn)：①識(shí)別出等時(shí)層序界面；②確定穿時(shí)層序界面。所有層序界面在測(cè)線(xiàn)交叉點(diǎn)必須閉合。本次研究在海棠灣海域識(shí)別出(似)等時(shí)層序界面及穿時(shí)層序界面，并確保了所有層序界面能在測(cè)線(xiàn)交叉點(diǎn)處閉合，同時(shí)剖面時(shí)深轉(zhuǎn)換采用參數(shù)：海水聲速為1 530 m/s,沉積物聲速為經(jīng)驗(yàn)1 600 m/s。

2.2 鉆孔取樣與測(cè)試分析

根據(jù)前期物探工作初步解譯及研究區(qū)的實(shí)際情況，2016年8月海南省海洋地質(zhì)調(diào)查研究院在研究區(qū)內(nèi)完成了鉆孔QZ3的施工(圖1)。本次海上鉆探采用改進(jìn)的回旋鉆進(jìn)取芯工藝，該工藝適用于淺孔，將PVC管加進(jìn)取樣管，雙管單動(dòng)回旋鉆進(jìn)，可避免樣品曝光。QZ3鉆孔孔深20.30 m，鉆孔樣主要為泥質(zhì)-粉砂質(zhì)細(xì)粒物質(zhì)，表明該處主要處于弱水動(dòng)力環(huán)境沉積，局部分選較差，甚至出現(xiàn)較大粒徑沉積反應(yīng)了沉積環(huán)境的變化(表1)。根據(jù)研究區(qū)以往第四紀(jì)地層的研究資料及實(shí)際鉆孔樣品特征，在能獲取到充足含碳生物樣品，距今年代較近的淺部層位，采用碳同位素測(cè)年(AMS14C)進(jìn)行測(cè)年。對(duì)未能獲取做碳同位素測(cè)年所需的足夠生物樣品的淺部層位及距今年代較遠(yuǎn)可能超過(guò)碳同位素測(cè)年(AM14C)測(cè)量范圍的深部層位，采用光釋光測(cè)年(OSL)測(cè)年方法。本次研究樣品碳同位素測(cè)年(AMS14C)由美國(guó)Beta實(shí)驗(yàn)室(Beta Analytic Inc)完成，樣品光釋光測(cè)年(OSL)測(cè)年由國(guó)土資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測(cè)中心完成。樣品測(cè)年年齡介于7 595 cal.aBP～127 000 cal.aBP之間，介于29 000 cal.aBP～58 000 cal.aBP之間的樣品缺失。測(cè)年樣品的采集、封裝及測(cè)試過(guò)程科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。測(cè)年數(shù)據(jù)時(shí)序整體上較好，結(jié)果可信。

表1 鉆孔數(shù)據(jù)Tab.1 Core dating results

3 層序地層單元

圖2 層序地層單元?jiǎng)澐?測(cè)線(xiàn)L16)Fig.2 Sequence stratigraphic units(survey-line L16)

圖3 層序地層單元?jiǎng)澐?測(cè)線(xiàn)L18)Fig.3 Sequence stratigraphic units(survey-line L18)

結(jié)合鉆孔數(shù)據(jù)對(duì)高分辨率單道地震剖面進(jìn)行解釋?zhuān)芯繀^(qū)晚更新世以來(lái)的沉積地層可識(shí)別出T0、T1、T2、T3、T4、T5、T6 共7個(gè)地層層序界面，可劃分SU1、SU2、SU3、SU4、SU5和SU6共6個(gè)層序地層單元，其中SU5層序又可進(jìn)一步劃分為SU51、SU52和SU53三個(gè)亞層序，其亞層序界面為T(mén)51和T52(圖2、圖3)。

SU1位于T0和T1之間。T0連續(xù)性好、振幅強(qiáng)，T0以上是海水空白反射；T0反射界面之下出現(xiàn)明顯的強(qiáng)地震反射。T1在整個(gè)研究區(qū)測(cè)線(xiàn)上(基巖除外)都能對(duì)比追蹤，連續(xù)較好、振幅強(qiáng)，界面以下古河道下切反射結(jié)構(gòu)發(fā)育。T1為區(qū)域性濱岸海蝕面，冰間期初始海泛面。SU1在研究區(qū)內(nèi)(除了基巖出露)都有覆蓋，其外部形態(tài)近席狀，內(nèi)部呈平行、亞平行強(qiáng)振幅反射結(jié)構(gòu)，在海底相對(duì)較深的地區(qū)呈上超發(fā)散反射結(jié)構(gòu)，無(wú)明顯的“V”型或“U”型強(qiáng)反射結(jié)構(gòu)。SU1厚度變化平緩，最大約10.3 m，平均約3.8 m。該單元底部在深水區(qū)比較厚。該單元鉆孔樣巖性為灰黃色礫砂或砂礫，QZ3-2樣品AMS14C測(cè)年年齡為7 695 cal.aBP ～7 595 cal.aBP，表明SU1為MIS1沉積，根據(jù)巖性特征及地震相判斷SU1為濱岸淺海沉積，沉積水動(dòng)力環(huán)境較強(qiáng)。

SU2位于T1之下、T2之上。T2主要位于合口港、鐵爐港及龍江港附近，T2呈“U”型或“V”型，最寬處2.2 km，其連續(xù)性好、振幅強(qiáng)。T2為古河道河床，屬于穿時(shí)界面。SU2外部形態(tài)呈“U”型、“V”型或兩者組合，內(nèi)部呈上超、前積型、雜亂等反射結(jié)構(gòu)，其中雜亂充填反射結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)最少。SU2最大厚度為13.3 m，平均厚度為4.0 m。鉆孔QZ3在該單元內(nèi)巖性上部呈灰黑-灰黃色粉砂質(zhì)砂；底部為淺黃色砂礫或含礫質(zhì)砂，分選差。上部沉積為弱水動(dòng)力、還原環(huán)境下的陸相湖泊沉積，底部為氧化環(huán)境下的陸相沖積扇沉積。鉆孔樣品Q(chēng)Z3-3 AMS14C測(cè)年年齡為28 660 cal.aBP ～28 080 cal.aBP，QZ3-8 OSL測(cè)年年齡為64 400 cal.aBP±4 200 cal.aBP，兩個(gè)樣品均表現(xiàn)出較為明顯的陸相沖積扇相或坡積相，測(cè)年樣品可能由外部搬運(yùn)而來(lái)，不能代表最后沉積的時(shí)間，鉆孔樣QZ3-5～QZ3-12測(cè)年年齡在10 000 cal.aBP ～14 000 cal.aBP之間，時(shí)序整體上較好，表明SU2為MIS2沉積。根據(jù)巖性特征及地震相判斷SU2為陸相湖泊沉積或河流沉積，局部為沖積扇相沉積。較大規(guī)模的古河道發(fā)育表明合口港、鐵爐港及龍江港附近在MIS2水系發(fā)育。

SU3位于T3之上。T3連續(xù)性好、振幅強(qiáng)。為區(qū)域性濱岸海蝕面，始海泛面。SU3僅在相對(duì)較深區(qū)域出現(xiàn)(現(xiàn)今水深約42 m以下)，與上覆SU1呈明顯角度不整合接觸，在垂直岸線(xiàn)向海方向厚度逐漸變大，層厚最大約10.6 m，平均約4.6 m。其外部形態(tài)呈楔形，內(nèi)部呈上超、發(fā)散、弱振幅反射結(jié)構(gòu)，內(nèi)部振幅強(qiáng)度弱于SU1，反映了SU3相對(duì)SU1處于一個(gè)更弱的水動(dòng)力沉積環(huán)境。鉆孔QZ3沒(méi)有鉆到該地層單元， SU3 上覆地層單元為SU1，推測(cè)SU3為MIS3時(shí)期沉積。根據(jù)地震相判斷SU3為濱岸淺海沉積。本文認(rèn)為研究區(qū)淺部SU3的缺失主要原因是MIS3全球海平面普遍相對(duì)較低(約-120 m～ -50 m)[16]，淺部處于海平面以上，該區(qū)域構(gòu)造抬升幅度不足以將深部沉積大規(guī)模帶到淺部所致。

SU4位于T3之下、T4之上。T4在本工作區(qū)僅識(shí)別出一處，位于水深約58 m的位置、Z71測(cè)線(xiàn)南部(圖4)，呈“V”型，其連續(xù)性好、振幅強(qiáng)。T4為MIS4古河道河床，穿時(shí)界面。SU4內(nèi)部呈前積型充填、強(qiáng)振幅反射結(jié)構(gòu)，為明顯的陸相河流沉積。SU4厚約6 m，寬364 m。鉆孔QZ3沒(méi)有鉆到SU4。SU4位于SU3和SU5之間，推測(cè)SU4為MIS4沉積。

圖4 層序地層單元?jiǎng)澐?測(cè)線(xiàn)Z71)Fig.4 Sequence stratigraphic units (survey-line Z71)

SU5位于T5之上。T5在研究區(qū)大部分測(cè)線(xiàn)上都能對(duì)比追蹤，連續(xù)較好、振幅較強(qiáng)，T5為冰間期海侵形成的區(qū)域性濱岸海蝕面，初始海泛面。除了基巖出露，SU5在研究區(qū)內(nèi)均有覆蓋，其外部形態(tài)整體上近席狀，最大厚度約65.2 m，平均厚度約28.9 m。SU5沉積保留了至少兩次較大規(guī)模的海退、海進(jìn)的痕跡，該單元被T51、T52分割成SU51、SU52和SU53三個(gè)亞層序，T51、T52下方的“V”型或“U”型下切反射結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的是海退期間形成的埋藏古河道河床。

1)SU51位于T51之上。T51在研究區(qū)大部分測(cè)線(xiàn)上都能對(duì)比追蹤，連續(xù)較好、振幅較強(qiáng)，為區(qū)域性濱岸海蝕面， MIS5a初始海泛面。SU51外部形態(tài)整體上呈楔狀，內(nèi)部總體上呈上超平行、亞平行弱振幅反射結(jié)構(gòu)， 鉆孔QZ3沒(méi)有鉆到該地層，但是 U51下伏地層為MIS5b- 5c沉積，推測(cè)SU51為MIS5a沉積。根據(jù)地震相判斷其主要為濱岸淺海沉積。

2)SU52位于T52之上。T52在研究區(qū)大部分測(cè)線(xiàn)上都能對(duì)比追蹤，連續(xù)較好、振幅較強(qiáng)，為區(qū)域性濱岸海蝕面， MIS5c初始海泛面。SU52外部呈席狀，內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)變化較大，有平行強(qiáng)振幅反射，充填反射，雜亂反射等，表明其沉積類(lèi)型多樣、沉積環(huán)境復(fù)雜。SU52鉆孔樣巖性為灰黃-黃色砂質(zhì)粉砂和砂質(zhì)泥，QZ3-13號(hào)樣品的OLS 測(cè)年年齡為96 600 cal.aBP±4 900 cal.aBP表明SU52為MIS5b- 5c沉積。根據(jù)巖性特征及地震相判斷SU52主要為濱岸淺海沉積，局部為陸相沉積。

3)SU53位于T5反射界面之上。T5在研究區(qū)大部分測(cè)線(xiàn)上都能對(duì)比追蹤，連續(xù)較好、振幅較強(qiáng)。為區(qū)域性濱岸海蝕面，初始海泛面。SU53外部呈席狀，內(nèi)部呈上超平行、亞平行弱振幅反射結(jié)構(gòu)。該單元內(nèi)鉆孔樣巖性為灰黑-灰色砂質(zhì)粉砂，QZ3-16號(hào)樣品OLS測(cè)年年齡為127 000 cal.aBP±6 300 cal.aBP，表明SU53為MIS5d-5e沉積，根據(jù)巖性特征及地震相判斷 SU53主要為濱岸淺海沉積，局部為陸相沉積。

SU6位于T5和T6之間。T6局部連續(xù)性好、振幅強(qiáng)、起伏大，為陸上不整合面，底部為基巖(或硬質(zhì)基底)。SU6在淺水區(qū)域缺失，其外部形態(tài)不規(guī)則，內(nèi)部未見(jiàn)可以大規(guī)模連續(xù)追蹤的反射同相軸，內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)有平行強(qiáng)振幅反射，充填反射，雜亂反射等。SU6上覆地層單元為SU5，可判定其沉積時(shí)期為MIS6及更早，沉積類(lèi)型復(fù)雜。

4 結(jié)論

1)研究區(qū)可劃分為SU1、SU2、SU3、SU4、SU5和SU6層序，分別對(duì)應(yīng)MIS1、MIS2、MIS3、MIS4、MIS5和MIS6及更早沉積。其中SU5可以劃分為SU51、SU52和SU53三個(gè)亞單元，對(duì)應(yīng)了MIS5a、MIS5b-5c和MIS5d-5e沉積。

2)研究區(qū)MIS1時(shí)期沉積層薄，處于水動(dòng)力較強(qiáng)的沉積環(huán)境，以濱岸淺海沉積為主；MIS2時(shí)期沉積以陸相古河道下切充填為主，分布在合口港、鐵爐港及龍江港附近，在MIS2該區(qū)域水系發(fā)育；MIS3時(shí)期淺部海相沉積缺失，但是在深水區(qū)域(現(xiàn)今水深約42 m以下)海相沉積普遍發(fā)育，濱岸淺海沉積為主；MIS4時(shí)期沉積規(guī)模小，以陸相沉積為主；MIS5時(shí)期沉積保留了至少兩次較大規(guī)模的海退痕跡，該階段沉積在本研究區(qū)第四系中所占比例最高，規(guī)模大、范圍廣，其沉積環(huán)境復(fù)雜多樣，以濱岸淺海沉積為主。