南海瓊東南深水海區(qū)地質(zhì)災害類型與特征

楊文達,張異彪,李 斌

(中國石化集團上海海洋石油局第一海洋地質(zhì)調(diào)查大隊,上海 201208）

南海瓊東南深水海區(qū)地質(zhì)災害類型與特征

楊文達,張異彪,李 斌

(中國石化集團上海海洋石油局第一海洋地質(zhì)調(diào)查大隊,上海 201208）

南海瓊東南深水海區(qū)是南中國海石油天然氣資源潛在儲量較為豐富的地區(qū),油氣勘探開發(fā)的力度正日益加大。但是,該海區(qū)處于南海大陸坡與西沙海槽區(qū)域,海底水深大,地形變化劇烈,水體動力環(huán)境和海底地質(zhì)條件復雜,引發(fā)地質(zhì)災害的觸發(fā)機制豐富,稍有疏忽,將給石油鉆井平臺帶來巨大損失。在收集有關資料的基礎上,對海底的地質(zhì)環(huán)境條件作了研究,發(fā)現(xiàn)了一些有可能發(fā)生或潛在的地質(zhì)災害類型,并對其特征作了描述,以引起有關方面在石油鉆井鉆前井場工程地質(zhì)調(diào)查和評價時予以重視。

深水環(huán)境;誘發(fā)因素;地質(zhì)災害;類型特征;南海瓊東南海區(qū)

瓊東南海區(qū)位于海南島與西沙群島之間,最大水深大于2 600 m,大于300 m的深水面積約為6×104km2[1]。南海北部陸架邊緣具有巨大油氣資源潛力和勘探前景的已知含油氣盆地有五個,其中之一為瓊東南盆地,位于本海區(qū)[2]面積約為3×104km2[3]。瓊東南盆地多分布于深水區(qū)域,前期勘探研究發(fā)現(xiàn),盆地內(nèi)含油氣構(gòu)造發(fā)育,地層和地質(zhì)構(gòu)造條件具有良好的油氣運聚和成藏體系[1-8],是我國深水油氣勘探開發(fā)的重要目標區(qū)(圖1）。為確保深水石油鉆探裝置的安全就位和施工,對海底的地質(zhì)環(huán)境條件特別是潛在的地質(zhì)災害勘探和研究十分重要。但是,此前我國的海洋油氣勘探開發(fā)都集中在淺水區(qū),對地質(zhì)環(huán)境條件比較復雜的陸坡及深水區(qū)的工程地質(zhì)條件和地質(zhì)災害的研究較少。本文旨在拋磚引玉,以引起有關方面重視。

1 瓊東南深水海區(qū)地質(zhì)災害誘發(fā)因素

從收集資料分析,瓊東南深水海區(qū)海底地質(zhì)災害的誘發(fā)因素除自然地震以外,主要為水文氣象、水深地形和海底底質(zhì)。

圖1 瓊東南海區(qū)及瓊東南盆地位置(據(jù)文獻[1]改編）Fig.1 Location of the Qiongdongnan(adapt according to literature[1]）

1.1 水文氣象

南海區(qū)對海洋油氣鉆探平臺影響最大的水文氣象因數(shù)主要是熱帶氣旋和內(nèi)波流引起的災害性海洋動力,其除了直接對平臺產(chǎn)生不利影響外,對海底也會產(chǎn)生一定的振動作用,是海底地質(zhì)災害的誘發(fā)因素之一。

1.1.1 熱帶氣旋

根據(jù)中心附近的最大風速,熱帶氣旋可劃分為臺風、熱帶風暴(包括強熱帶風暴）和熱帶低壓。臺風風速32.7～41.4 m/s(相當風力為12～13級）,大于41.5 m/s屬強臺風;熱帶風暴風速17.2～24.5 m/s(相當風力為8～9級）;強熱帶風暴風速24.5～32.6 m/s(相當風力為10～11級）;熱帶低壓最大風速 10.8～17.1 m/s(相當風力為 6～7級）[9]。1949～2001年,南海區(qū)出現(xiàn)的熱帶氣旋共863個,其中熱帶低壓216個,熱帶風暴110個,強熱帶風暴178個,臺風359個,臺風出現(xiàn)的頻率占熱帶氣旋的41.6%,強熱帶風暴出現(xiàn)的頻率占熱帶氣旋的20.63%,比較集中的月份為 7、8、9、10四個月(表1）。南海地區(qū)是世界上臺風發(fā)生頻率最高的地區(qū)之一[10]。

表1 影響測區(qū)臺風和熱帶風暴各月頻率Tab.1 The frequency of typhoon and tropic-storm of each month in Qiongdongnan sea area

1.1.2 內(nèi)波

內(nèi)波(internal wave）是南海區(qū)的一種特殊海洋動力,尤其在南海北部區(qū)域較為發(fā)育。內(nèi)波發(fā)生于水面之下一般為60～70 m,也可見于100多米,其出現(xiàn)的深度與海水密躍層的深度有關。內(nèi)波發(fā)生時,可形成4～5節(jié)的剪切波速,一般流速2 m/s左右,周期10～30 min。其規(guī)模,沿內(nèi)波傳播方向波長約幾十至幾百米,波高約60多米,多為下陷波(波峰向下）,橫向展布寬度為數(shù)十至數(shù)百米,縱向延展長度一般為數(shù)十千米。其頻發(fā)季節(jié)為4～8月份,夏季多于冬季。內(nèi)波流是南中國海所特有的一種較為嚴重的海洋水文自然災害,具有很強的破壞力,其力量可將一座平臺在瞬間摧毀,在幾分鐘或幾十分鐘內(nèi)將一艘大型輪船位移幾十千米[10]。其發(fā)育條件和機制比較復雜,據(jù)從事內(nèi)波觀測和研究的有關單位專家的實際資料,其主要動力為水體內(nèi)的密度差和潮汐流,也可能與天文大潮和海底地形(陡峭區(qū)）有關。

1.1.3 等深線流

深海等深線流的存在早有報道[11,12]。據(jù)瓊東南海區(qū)一些穿越南海大陸坡(與陸坡走向垂直）的淺地震測線剖面,發(fā)現(xiàn)海底表面出現(xiàn)被深切的凹槽,這些凹槽近平行陸坡走向,似受平行陸坡方向的水流沖刷形成,疑其成因與近東西向的高密度流作用有關。

1.2 水深地形

瓊東南海區(qū)屬南海大陸坡—西沙海槽地形區(qū),總體特征為,自NWW向SEE方向由淺變深,至西沙群島島坡再變淺。大陸架地形比較平坦,自200 m水深線向外水深急劇加大,地形陡峭,西部至1 200 m水深以后逐漸變緩,東部在2 000 m水深左右地形稍有變緩;區(qū)內(nèi)最大水深大于2 600 m,西沙海槽成舟狀形態(tài)展布(圖2）。

圖2 瓊東南海區(qū)海底地形圖Fig.2 Bathymetry map of Qiongdongnan area

瓊東南海區(qū)可分為三大地形區(qū),即西北側(cè)陸坡地形區(qū),東南側(cè)島坡地形區(qū),中部西沙海槽槽底地形區(qū)。陸坡地形區(qū)變化較大,水深等值線比較密集;西部陸坡(109°30′～110°30′）,上部 200～800 m 水深帶 ,坡降為42 ‰,約為2.4°,下部800～1 200 m 水深帶,地形坡度漸趨變緩;坡降為11‰,約為0.63°;東部陸坡 (110°30′～112°00′）,200(或 300）～1 600 m(局部2 000 m）水深均為陡坡帶,地形等深線密集分布,坡降達45‰～50‰。陸坡底部至海槽中心區(qū)域地形平緩,西部水深在1 200～1 600 m之間,地形坡降為5‰左右,約為0.29°;東部水深在2 000～2 600 m之間,地形坡降為5‰～10‰。過海槽中心往島坡方向——島坡地形區(qū),水深變淺,地形坡度逐漸由緩變陡;下部槽坡,水深1 200～1 400 m區(qū)帶,地形坡降為22‰,約1.26°;上部島坡,地形坡度進一步變陡,最大坡降可達89‰,約5.10°。

陡峭的地形坡度是海底地質(zhì)災害的主要誘發(fā)因素之一,在重力和其它海洋動力的觸發(fā)作用下,高含水量的深海軟弱沉積物極易發(fā)生崩塌、滑坡、海底蠕動和海底濁流等地質(zhì)災害。有文獻稱之為塊體搬運體系,可嚴重威脅深水設施的安全,這種現(xiàn)象在南海珠江口盆地的500～1 500 m水深區(qū)較為發(fā)育[13]。本區(qū)局部等深線分布密集,多處呈向深水方向凸出現(xiàn)象,西部自水深500 m至1200 m以深,東北部可達1 800～2 200 m水深區(qū)域,這些現(xiàn)象很可能為海底滑坡所致(圖2）。另外還見有多處孤立等值線圈閉高點,有可能為海底蠕動或濁流堆積體所為,當引起注意。

1.3 海底底質(zhì)

瓊東南海區(qū)水深大于500 m區(qū)域海底表層沉積物,主要為粉砂、黏土質(zhì)粉砂,含水量飽和,呈灰色、黃灰色,半流動～軟塑狀。沉積物平均粒徑為6.17～7.44Φ,顆粒級配以粉砂粒級為主,含量為61.3%～77.76%,黏土粒級含量為14.27%～32.29%,分選系數(shù)為1.32～2.22,分選差。碎屑礦物以輕礦物長石、石英為主,長石最高含量可達19.0%,石英最高含量達72.83%,其次為云母;自生微結(jié)核、海綠石和黃鐵礦較為常見。沉積特征顯示的沉積環(huán)境與現(xiàn)代深水環(huán)境一致,沉積時代為晚更新世—全新世。這種深水底質(zhì)當達到一定位能條件或遭受外力觸發(fā)時極易發(fā)生蠕動和滑塌。陸坡區(qū)半流動狀態(tài)的底質(zhì)極易形成濁流,在平坦海底區(qū)停積,組成一定厚度、狀態(tài)極不穩(wěn)定的濁積體或濁積扇。

2 瓊東南深水海域可能存在的地質(zhì)災害類型與特征

據(jù)目前掌握的部分資料,瓊東南深水海區(qū)有可能存在淺層氣、天然氣水合物、氣體逃逸坑、海底陡坎、海底滑坡、活動斷層和底辟構(gòu)造等地質(zhì)災害類型,基本與輝固公司海底地質(zhì)災害模型所示的災種類似(圖3）。

圖3 深海陸坡海底地質(zhì)災害模型(據(jù)輝固公司）Fig.3 Geohazard model of seabed in the deepwater shelf slope(from fugro）

2.1 淺層氣

淺層氣通常指在海底以下數(shù)十米至數(shù)百米地層內(nèi)所聚集的氣體,埋深越大壓力越高。當含氣地層達到一定規(guī)模,且土體空隙體積大、連通性好、氣源充足時,一旦鉆遇,大量氣體外溢,容易發(fā)生井噴和火災,甚至在海水中產(chǎn)生巨大氣泡,使海水比重急劇降低,以致平臺失去浮力而傾覆,需引起高度重視。

區(qū)內(nèi)地震剖面多處顯示淺層氣聲波干擾現(xiàn)象(圖4）,氣頂埋深在海底以下120～240 m,所處水深1 200～1 500 m。

2.2 天然氣水合物

天然氣水合物是一種以甲烷為主的烴類氣體分子與水分子組成的似冰狀固態(tài)結(jié)晶體,它在低溫(0～10℃）高壓(＞10 MPa）條件下形成,海洋中都分布于深水區(qū)域(水深＞300 m）[14,15]。

圖4 瓊東南深水區(qū)三維震剖面顯示的淺層氣聲波干擾現(xiàn)象Fig.4 Acoustic wave interference of shallow gas in single channel seismic profile

關于瓊東南海區(qū)存在天然氣水合物異常的報道和研究文獻較多[16-19]。陳多福等[16]認為,瓊東南盆地生物成因甲烷水合物分布于水深大于約600 m的海底,穩(wěn)定帶最大厚度約314 m,盆地內(nèi)天然氣水合物遠景總量約10×109m3,水合物天然氣遠景產(chǎn)量為1.6×1012m3。瓊東南海域的構(gòu)造地質(zhì)條件有利于地下烴類氣體的運移和生物氣組分的生成,具有形成水合物賦存的穩(wěn)定環(huán)境和溫壓條件,具備了水合物成藏的地質(zhì)條件,該地區(qū)應該為南海具有天然氣水合物賦存前景的地區(qū)之一[17]。

海洋中的天然氣水合物作為一種未來的新能源已越來越為人們所重視,但它也是海洋中一種潛在的不穩(wěn)定地質(zhì)災害因素。一旦在石油鉆探過程中被鉆穿,天然氣水合物的穩(wěn)定條件受到破壞,氣化外逸,將導致海底地層氣液化、氣體噴溢等地質(zhì)災害的發(fā)生。

2.3 海底麻坑

在未固結(jié)的細粒沉積物地層中,地層壓力使流體沿斷裂或薄弱地層滲漏排溢,一旦逸出海底,形成類似倒錐狀或橢圓形的凹陷——即海底麻坑。麻坑大小不一,直徑從幾米到幾百米,深度從幾米到幾十米不等。有文獻認為,瓊東南海區(qū)的海底麻坑與天然氣水合物共存現(xiàn)象比較常見[18,19]。區(qū)內(nèi)三維地震剖面顯示有明顯的淺層氣逃逸通道和海底反射波下陷的凹坑特征(圖5）。海底麻坑區(qū)地層物性會變差,而且常因海底面凹陷等對鉆井井口設施帶來影響。

2.4 泥底辟

瓊東南盆地底辟構(gòu)造發(fā)育(圖6）,時代較新的底辟構(gòu)造是一種重要的地質(zhì)災害,其形成機制為地層中的軟弱流變體在壓力差異下形成的上拱現(xiàn)象,一旦刺穿上部地層,軟弱流變體有可能噴溢出海底,形成泥火山,對海底工程影響較大。

圖5 瓊東南深水區(qū)三維地震剖面顯示的海底麻坑和氣通道Fig.5 Pockmark in single channel seismic profile

圖6 瓊東南盆地三維(左）和二維(右）地震剖面顯示的底辟構(gòu)造反射波特征Fig.6 The character of mud diapir in seismic profile

2.5 海底陡坎

大陸坡地區(qū)往往是海底陡坎較為發(fā)育地區(qū),瓊東南海區(qū)在 110°30′～112°00′之間的大陸坡為陡坡地帶(圖2）,陡坎十分發(fā)育。一些單道地震剖面見有100 ms左右落差的陡坎。其形成可能有多種因素,但與海底滑坡活動和活動斷層關系較大。

2.6 海底滑坡(蠕動）

海底滑坡在南海陸坡區(qū)比較發(fā)育,其主要誘發(fā)因素為陸坡地形較陡,落差大,沉積物顆粒細且含水量高,沉積體在重力作用下由位能轉(zhuǎn)變?yōu)閯菽?向下滑移;另外水體振動波傳入海底,對沉積體產(chǎn)生壓力差異,在一定地形坡度下發(fā)生蠕動(圖7）。

海底滑坡在瓊東南深水海區(qū)是一種比較常見的地質(zhì)現(xiàn)象,特征明顯,可有滑坡壁(正斷層）、雜亂堆積體(滑坡體）、逆沖斷層、擠壓脊、褶皺等構(gòu)造組成[13]。

圖7 瓊東南三維地震初至波影像圖顯示的海底滑坡、蠕動擠壓現(xiàn)象Fig.7 Landslip and creep deformation in the relief map

海底滑坡是深水海洋地質(zhì)災害的重要類型之一,它產(chǎn)生的沖擊力會破壞海底構(gòu)筑設施,造成海洋石油鉆井平臺失穩(wěn),鉆桿折斷,導致災難事件發(fā)生。這是本區(qū)不可忽視的地質(zhì)災害致災因素。

2.7 活動斷層

活動斷層在陸坡區(qū)比較發(fā)育,多為層間滑動斷層。其形成和發(fā)展與滑坡軟弱土層的蠕動、滑塌及地層的差異壓實等有關。活動斷層是一種極不穩(wěn)定的地質(zhì)因素,有時可造成地層反轉(zhuǎn)。當石油鉆探鉆遇活動斷層時,在外力作用的觸發(fā)下,斷層上下盤地層極易錯動,輕則造成斜井,重則折斷鉆桿,是一種必須避讓的地質(zhì)災害。瓊東南水深大于1 200 m區(qū)域,滑坡引起的地層錯斷現(xiàn)象較少見,地層差異壓實引起的層間斷層比較發(fā)育(圖8）。

圖8 三維地震剖面顯示的層間差異壓實斷裂Fig.8 The interlayer fault in the 3D seismic section

2.8 海底碎屑流沉積體系

海底碎屑流沉積體系在許多地震剖面上見及,主要表現(xiàn)為不規(guī)則的雜亂反射波形態(tài),成層或斷續(xù)狀分布(圖9）,推測其為重力碎屑流沉積體。其沉積過程主要由于碎屑物質(zhì)局部集中,在重力、地震或暴風浪對海底振動載負誘發(fā)下,產(chǎn)生蠕動或流變所致。其特點是沉積速率快、結(jié)構(gòu)疏松、固結(jié)程度低。實際上該沉積體系是海底蠕動、滑塌、深海濁流等的碎屑重力流搬運的集合沉積體系。該沉積體地層多含水量高、固結(jié)松散、物理力學性質(zhì)較差,對水下工程設施的穩(wěn)定極為不利,它是區(qū)內(nèi)重要的工程隱患之一。

圖9 三維地震剖面顯示的碎屑流沉積體Fig.9 Clastic sediment in 3D seismic profile

3 結(jié)論

南海瓊東南海區(qū)強熱帶風暴和臺風發(fā)育,對海上石油勘探影響較大,據(jù)1949年以來52年資料統(tǒng)計,強熱帶風暴平均每年3.5個,臺風每年6.9個。其次是南海地區(qū)特有的海洋水文災害——內(nèi)波流,其破壞力巨大,對石油鉆井平臺的安全具有較大威脅,應予以充分重視。

該區(qū)域?qū)偕钏脸钏h(huán)境,地形坡降變化劇烈,海底沉積物含水量高,多為半流動—軟塑狀;工程地質(zhì)環(huán)境復雜,引發(fā)地質(zhì)災害的觸發(fā)機制豐富,地質(zhì)災害類型多,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的有淺層氣、天然氣水合物、海底麻坑、海底陡坎、海底泥底辟、海底滑坡、海底蠕動、活動斷層和深水海底碎屑流等多種地質(zhì)災害類型。除此以外,海底軟弱地層和海底濁流體等也需予以充分重視。

各類地質(zhì)災害據(jù)其發(fā)育的地質(zhì)環(huán)境和誘發(fā)因素的不同,分布于區(qū)內(nèi)不同的地理位置;臺風和內(nèi)波的發(fā)生具有季節(jié)性和不定時性,由此造成了環(huán)境條件的復雜性。實踐中,并非所有的石油天然氣勘探開發(fā)井場都會存在或遇及全部的地質(zhì)災害類型,個別井場的地質(zhì)條件相對比較簡單、穩(wěn)定,以致會造成為節(jié)約成本而忽視鉆前井場調(diào)查的僥幸心理。但是,一旦遇及其中1～2種災害類型,后果就不堪設想。因此,在海洋油氣勘探開發(fā)工作中務必予以高度重視。

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Types and characteristics of deepwater geologic hazard in Qiongdongnan of the South China Sea

Yang Wenda,Zhang Yibiao,Li Bin
(No.1Marine Geological Party,Shanghai Of fshore Petroleum Bureau,SINOPEC,Shanghai201208）

Qiongdongnan deepwater area of the South China Sea has more abundant potential reserves of oil and gas,and the exploration and development are growing.However,the deepwater area is located between the continental slope and the Xisha Trough characterized by dramatic topography,and complex hydrodynamic and seabed geology,so there are many trigger mechanism of geohazard.If neglected the potential geohazards,that could bring huge losses for oil drilling platform.The seabed geological conditions are studied based on the collecting information and some types of potential geohazard have been found,and the types and characteristics of deepwater geohazard should be paid attention to are described in this paper.

deepwater environment;triggers;geohazard;characteristics;Qiongdongnan area of the South China Sea

P694;P642

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2011.01.001

1008-2336(2011）01-0001-07

2010-09-30;改回日期:2010-12-02

楊文達,男,1951年生,教授級高級工程師,主要從事海洋地質(zhì)和海洋地球物理調(diào)查和研究。E-mail:yangwenda@sopgc.com。