天津近海海底地質災害類型及聲學特征

趙 衛 , 熊元凱, 宮少軍 , 詹華明 , 喬吉果

(1. 天津市海洋地質勘查中心, 天津 300170; 2. 國土資源部資源環境承載力評價重點實驗室, 廊坊 065201;3. 海南省海洋地質調查研究院, 海南 海口 570206)

海洋地質災害按照發生地域的不同, 一般可以分為海岸帶地質災害、海域或海岸帶地質災害以及海底地質災害[1]。隨著海洋經濟地位的日益提高, 海洋空間的利用率逐漸增大, 海洋地質災害的研究對海洋油氣開發和海底管線鋪設等海底工程以及相關的護岸工程都有重要的現實意義。因此, 針對海底地質災害的調查工作越來越引人關注, 從海洋地質的角度出發, 波浪或潮流等水動力、特定的海底地形地貌及沉積地層特征都會成為地質災害的誘因。

前人關于海底地質災害類型的劃分提出了多種分類方案。早在1980 年, 國外學者基于災害地質因素與限制性地質因素兩大類型對海底地質災害進行了劃分[2], 馮志強等[3]將海底地質災害按照具有活動能力的破壞性地質災害和不具活動能力的限制性地質條件來劃分。從對海底地質災害的危險性和實際應用的角度考量, 后一種分類法更為直接, 實用性更強, 更側重于海底災害對工程的危害和防避措施的選擇, 因此根據災害是否具有活動能力的破壞性,將海底災害分為兩類:

具有活動能力的破壞性地質災害: 指在內應力或外應力, 如臺風、大潮、強流、地震等誘發下可對海洋工程造成直接的嚴重破壞的地質活動, 包括淺層氣、滑坡、斷層、陡坎、潮流沙脊、活動沙波;不具有活動能力的限制性地質條件, 或稱被動性地質災害: 它們本身不具有直接的破壞性, 但對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, 大部分地區水深小于20 m, 僅局部可達到25 m。本區屬于構造及地面沉降區, 且海岸帶地區坡降極小, 均在2‰以下, 海岸帶地質環境主要受潮流、波浪和海流影響。針對天津海域的海底地質災害調查工作已初步開展,天津地質調查中心針對天津近海海域, 通過地球物理方法調查發現, 包括淺層氣、斷層、潮流沙脊、埋藏三角洲前緣等均有發現[4]。此外, 天津北大港油田的調查結果亦表明此區域有大量淺層氣的存在。另外, 天津海域陸架區廣闊, 有河口分布, 且以海河斷裂為代表的斷裂構造極其發育, 再加上海河、黃河等河流歷史上都經由天津入海, 客觀上為天津海域的淺層氣、斷層和埋藏三角洲的發育創造了條件。

1 技術方法

本次工作數據采集設備是EdgeTech 公司的3200XS型淺地層剖面儀, 選用SB-512i 型(500Hz-12KHz)拖魚,水平波束寬度16°～41°, 垂直分辨率8 cm～20 cm。針對天津海域海底地層情況, 其實際探測厚度在10 m～30 m, 不同區域由于底質沉積物特征的不同而有所差異。東西向主測線間距為5 km, 南北向聯絡測線間距25 km, 分布位置如圖1 所示。DGPS 信標機在數據采集過程中, 對淺剖儀進行實時動態跟蹤, 導航定位準確度優于±5 m。

圖1 測線位置展布圖Fig. 1 Location of the survey line

在淺地層剖面上, 可通過聲學層序的劃分以及聲學地層特征的描述來判定淺部地層中不穩定地質體甚至是地質災害的存在。聲學地層主要是依據地震地層學的原理, 根據一定地層序列的外部形態、內部結構等地震反射相特征和反射終止模式進行劃分的。其中, 地震反射相特征主要包括席狀、楔狀等外部形態特征, 而內部反射結構包括平行反射、前積反射、雜亂反射等, 反射相特征可以反映在某一地質時期內沉積環境的能量、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系, 較常見的接觸關系除了整合接觸之外, 還有頂超、削截、上超和下超這幾類代表著地層出現不整合甚至沉積間斷特征的接觸關系。

2 主要地質災害的淺地層剖面特征

通過對淺地層剖面的地質解譯, 本次調查工作發現天津海底地質災害有: 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、儲量比較小的有機氣體。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移[7], 聚積在上部的淺表地層內, 主要分布于河口與陸架海區中。載有淺層氣的地層在聲學記錄剖面上形成低速屏蔽層, 造成地層反射波相位在對比追蹤中突然中斷, 淺層氣頂面處形成聲波的強反射, 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。

個別區域淺層氣的在地層中形成大片的聲學空白區反射, 會屏蔽部分地層。聲學空白區頂界面不規則起伏(圖3), 圖3 地層中同時聚集了上下兩層的淺層氣,上層出現典型的羽狀反射特征, 反映了淺層氣向上運移的狀態[8]。據該聲學空白反射區周圍的三角洲相沉積地層顯示, 該處三角洲相地層厚度約12 m, 因此該處聲學空白反射區屏蔽了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系。頂底界面之間的地層砂質含量居多, 內含淤泥質夾層, 地層結構一般具有大尺度疊瓦狀或“S”形前積反射構型(圖4、圖5)。埋藏三角洲地層序列具有沉積速率快、沉積構造復雜、地層結構坡降大且不穩定等特點, 造成沉積物抗剪強度低, 容易造成持力不均。

圖4 中地層結構為典型的“S”形前積結構, 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果, 發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空白區特征(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”形前積結構(C1 北段)Fig. 4 Characteristic of buried delta-front on a sub-bottom profile——“S” progradation reflection configuration

圖5 中地層結構為典型的疊瓦狀前積結構。上部反射界面被削截, 下部反射界面為下超特征, 內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, 發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

現代潮流沙脊是發育在陸架淺海區海底的特殊地貌類型, 是以不同時期沙質沉積物為底質的基礎上, 由現代海洋動力或較強潮流作用形成的沙質脊狀堆積體; 后期經過潮流等外力的作用, 亦可形成沙脊群[10]。

沙脊平面長軸展布方向為NW-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NW 向前積, 說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潮流的作用下搬運沉積而形成的脊狀砂質堆積體(圖6、圖7)。

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

圖6 水下潮流沙脊長軸方向剖面特征(Qp0 測線)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, 僅發現海底反射面比較粗糙[11], 一般強振幅、砂質結構的海底對其下部地層會產生一定的反射屏蔽, 有些沙波區厚度較大可達數米或10 余米。圖8 中海底面反射波呈連續鋸齒狀起伏以及不規則的微起伏波狀面。地層剖面做放大處理后可發現沙波最大波高約2 m、最大波長近200 m。當水動力條件發生改變時, 尤其是在風暴潮的作用下, 沙波與水下沙脊類似, 其形態和分布都會發生變化。對于海洋石油平臺建設、管線鋪設都會帶來威脅。

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別。在海流和地震等因素的影響下, 極有可能產生地層滑塌, 給石油管線和海底工程帶來危險。

3 海底地質災害分布規律

天津海域上述海底地質災害分布如圖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 測線)Fig. 9 Characteristics of the scarp on the sub-bottom profile

圖10 天津海域地質災害分布圖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, 遠離海岸淺層氣減少。南部海域淺層氣近岸地區分布較少, 遠離海岸淺層氣增多, 且單個塊區發育面積較大, 甚至連結成片。

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沉積層內, 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, 南至南港工業區東部海域均有分布。海河河口處及以南海域三角洲前緣為具有疊瓦狀前積結構的砂質沉積, 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”形前積結構的粘土質沉積與砂質沉積, 前積方向大致為SW 方向, 發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

發育位置位于澗河河口以南15 km, 東疆港區外23 km, 水深較淺(5 m～7 m)的近岸帶, 沙脊區面積約為40 km2, 沙脊平面長軸展布方向為NW-SE 向,頂部水深只有2 m～3 m。地層內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區外26 km 處發現沙波分布區, 具體位置在北緯38°45′、東經118°交點東北側海域, 總延伸長度約3 km, 最大波高約2 m, 最大波長近200 m。

3.5 陡坎

研究區的海底表層陡坎出現在天津港及以南海域, 近岸及遠海地區均有分布。分布范圍集中在3 個區域: 天津港航道兩側, 主要為天津港南北主航道的兩側邊緣陡坎; 臨港工業區外圍區域, 主要為航道邊緣陡坎和泥土開挖區; 南港工業區東北海域,主要為工程土開挖或因吹填而抽走的泥沙而形成。

4 結論

本次調查工作發現的海底地質災害主要有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衍生而成, 其他災種均在自然條件下形成。

作者總結了天津海域中海底地質災害的分布規律: 北部海域近岸地區分布有淺層氣和埋藏三角洲前緣, 潮流沙脊的發育位置離岸較遠; 南部海域的近岸地區較少發育地質災害, 有少量陡坎分布, 淺層氣和埋藏三角洲前緣則發育在遠海地區。

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