南海北部灣海域典型災害地質類型及其聲學反射特征

何 健，崔振昂，楊江平，滕德強

(廣州海洋地質調查局，廣東 廣州 510075)

0 引言

海上工程項目(如平臺、港口、跨海大橋建設等)是高投入行業，導致海上工程活動產生嚴重危害的原因除了惡劣的天氣、颶風、海嘯等海洋水文氣象因素之外，還有潛在的災害地質因素(蔻養琦等，1995)，即能夠致災的地質條件，既包括已經發生過災害的，也包括尚未發生災害但存在潛在危險性的因素(葉銀燦，2012)，極易引起巨大的生命財產損失。因此，研究海域災害地質對于海洋工程具有非常重要的意義。

近十幾年來，針對近岸海洋地質環境與災害地質因素陸續開展了一系列調查研究工作，在珠江三角洲重點經濟區、北部灣經濟區、雷州半島以及海南島開展近岸海洋地質環境與災害地質調查工作，取得了一系列重要成果(夏真等，1999)。通過南海北部灣全新世環境演變與人類活動影響研究，在2009年及2012年2個航次在北部灣東部海域獲得4 000余km淺地層剖面資料及近3 000 km單道地震資料，利用地震地層學的研究方法對研究區災害地質類型進行識別與解釋，對各種災害地質類型的內部反射結構、外部形態和成因進行分析，發現研究區存在埋藏古河道及古三角洲、淺部斷層、底辟，淺層氣，淺灘、槽溝等潛在災害地質因素，并討論了這些災害地質因素對海洋工程活動的影響。

1 北部灣的地質背景

北部灣海域位于歐亞板塊、太平洋板塊和印度洋澳大利亞三大板塊交匯處，構造應力演化受三大板塊之間相互作用控制，是在古生代變質巖基底、印支地塊型基底、華南地塊型基底以及部分中生代火山－侵入雜巖型基底之上發展起來的新生代內裂谷盆地，具有與中國東部類似的明顯的雙層結構(朱偉林等，2004)。古近紀晚期，斷陷結束，受南海運動影響區域發生抬升，至新近紀初轉為整體下沉，主要發育濱淺海相沉積，厚度較大。第四紀以來，北部灣構造斷塊差異活動趨于減弱，僅瓊北和雷州半島局部地區構造較為強烈，發育淺海相沉積，厚度較薄。前人的研究表明，研究區斷裂十分發育，有北西向、北北西、北東向及近南北向斷裂為主的斷裂格架。其中，北部灣東北部主要發育北東向斷裂，而西南部主要發育北西向斷裂(圖1)。紅河斷裂帶在海域的延伸對研究區構造活動的影響最為顯著，它是一條大型的活動斷裂帶和地震帶，對沿岸海洋工程有重要的影響(詹文歡等，2004)。地震活動與新構造運動密切相關，較大的地震主要發生在陸上，海域地震活動性較弱，以中小地震為主(李金臣等，2009)。

圖1 研究區構造背景及概況Fig.1 Map showing tectonic setting and overview of the study area

2 研究方法及設備

調查航次使用Hypack系統導航定位系統(美國Costal公司)，淺剖使用SES－96型淺層剖面系統(德國Innomar公司)，工作頻率為6 kHz，最大穿透深度50 m，分辨率5 cm，淺地層剖面資料經過去噪聲以及自動增益處理后使用SES 2.9軟件進行解釋。單道地震采用 Delph Seismi采集系統(美國Triton Elics公司)，激發能量為600 J，激發間隔為500 ms，數據記錄長度250 ms，單道地震資料進行自動增益及帶通濾波處理使用Geosuite軟件。

3 研究區發育的潛在災害地質因素

利用野外調查獲得的地球物理資料，對北部灣東部淺地層內部聲學反射特征進行了分析，發現研究區發育多種潛在災害地質因素，遵循簡單實用的原則，采用馮志強等(1994)的劃分方案，將識別出的潛在災害地質因素分為2類：(1)指具有活動能力的破壞性災害地質因素，這類災害地質在內、外營力的誘發、作用下，自身具有活動和破壞能力，研究區發育有淺層氣、泥底辟、淺部斷層等;(2)不具活動能力的限制性災害地質因素，但會對某些海洋工程建設起制約作用和引起隱患。區內主要發育有埋藏古河道、埋藏古三角洲、潮流沙脊和槽溝等，各類潛在災害地質因素都有其獨特的聲學反射特征。

3.1 活動性災害地質類型

3.1.1 活動斷層 活動斷層是從事海上工程時需引起高度注意的災害類型之一，根據地球物理資料以及研究區地質背景，該區淺部斷層在第四紀仍有活動，屬于活動斷層，具有極大危害性。其一是斷層本身會對海上工程活動直接造成影響，如鉆井鉆遇斷層時可能會導致卡鉆、泥漿漏失等(馬勝中等，2008);其二斷層引發的地震活動、地層垮塌也是潛在的災害地質因素。在單道地震剖面上，斷層主要表現為同相軸錯斷、扭曲、斷層兩側反射波組內部構型及外部反射形態不同，有時可發現兩盤厚度不一致(圖2)。區內發育的淺部斷層主要呈北東向及北西向，其中北西向斷層總體與紅河斷裂帶海域延伸方向一致。同時，斷層與泥底辟、含氣構造有一定伴生關系，底辟兩側以及頂部都見有斷層發育。由于這些斷裂及裂隙可作為流體垂向疏導以及淺層氣向上運移的重要通道，斷層上方有時會有高壓淺層氣，因此在研究區從事海洋工程活動時應特別注意淺部活動斷層的存在。

3.1.2 淺層氣 由于地層的含氣效應會導致聲速迅速降低，因此，含氣地層與上覆及下伏地層存在明顯的波阻抗差異。淺層氣在單道地震剖面及淺地層剖面上表現為同相軸中斷、內部弱反射甚至無反射現象，邊界清晰，表現為明顯的聲渾濁現象(圖3)。區內發現的淺層氣主要以氣囊、氣泡及氣柱的形式存在，其中含氣囊的地層表現為內部反射較弱。淺層氣成因可能有兩方面：其一是河口帶來的富含有機質的細粒物質經過生物作用生成;其二，可能是由于研究區東南部地處鶯歌海盆地，該盆地一大特色就是底辟帶以垂向斷裂和裂隙系統為主的熱流體幕式疏導體系(解習農等，1999)，淺層氣可能是深部油氣經斷層運移至淺部，在淺地層中賦存或向海底滲漏。淺層氣會導致沉積物的土力學性質發生變化，導致固結程度減弱、抗剪強度降低，同時淺層氣極易沿著斷層或滲透性較強的地層向上運移，或聚集在古河道、古湖泊等沉積物中，形成高壓氣。此外，前人根據海底旁側聲納掃描資料和電火花單道地震剖面記錄資料研究發現，瓊東南海底有氣柱存在。

圖2 單道地震剖面顯示淺層發育的斷層與底辟現象Fig.2 Shallow faults and diapir displayed in single-channel seismic section

圖3 單道地震剖面揭示的淺層氣屏蔽現象Fig.3 Shallow gas shielding phenomenon displayed in single-channel seismic section

3.1.3 泥底辟 泥底辟是異常壓力條件下，泥質巖、或鹽巖等發生塑性流動，向上流動將上覆地層拱起、擠入甚至刺穿的現象(解習農等，1999;何家雄等，2006，2008)。有學者通過分析瓊東南盆地多道地質資料也發現存在底辟構造(楊文達等，2001)。通過解譯地震資料，發現研究區發育了類似的地質構造，在單道地震及淺地層剖面上表現為反射波組同相軸突然中斷向上拱起呈丘狀外形，內部雜亂甚至無反射，兩側反射波組連續性較好，搭在“丘形”之上并出現拖曳現象，刺穿上覆部分地層，并使得頂部地層及海底表面凸起，但在研究區未發現泥火山現象，可能與底辟幕式活動能量減弱有關。單道地震剖面顯示底辟兩側存在“亮點”響應(圖2)，指示底辟與含氣流體相關。淺地層剖面可見底辟發育深度較淺，最淺處約為3 m。由于底辟活動時周圍地層受到強烈的擠壓應力，同時底辟頂部可受到拱張應力，在單道地震剖面上可見底辟頂部及上覆地層斷裂較發育，地震反射同相軸連續性較差(圖4)。

圖4 淺地層剖面顯示發育的底辟現象Fig.4 Diapir displayed in shallow stratigraphic section

3.2 限制性災害地質

3.2.1 埋藏古河道 區內發現眾多埋藏古河道，單道地震剖面及淺地層剖面上均可看到，埋藏古河道地震剖面上表現為“U”、“V”以及“W”型。淺地層剖面上河道內部充填結構清晰，可見明顯的側向加積層理。埋藏古河道底部發射為強振幅雜亂反射，與上覆地層及周圍地層呈強阻抗反射(圖5)，下切深度可達23 m，寬度達3 km。古河道縱向切割深度不同，海平面上升時河道被沉積充填，橫向沉積相變迅速，并擺動遷移，在近距離范圍以內存在完全不同的力學支撐，諸如河床砂體和河漫灘泥質沉積物，顯然具有不同的抗剪強度，軟的黏土沉積在不均勻壓實或受重力和地震力的作用下，極易產生蠕變，引起滑坡，導致地質災害。海上工程如鉆探時鉆遇古河道時應引起注意，另外插樁等工程應盡量避開古河道所在區。

3.2.2 埋藏古三角洲 海南島西南部海域發育一套前積反射，為典型的三角洲地震響應(圖6)，三角洲發育后期因海平面下降導致頂部被侵蝕，并形成侵蝕不整合面。從地震剖面上可以看到三角洲下部地震剖面上呈丘狀體反射，內部呈中強振幅雜亂反射，連續性較差，推測為濁積扇。古三角洲由于沉積物高速堆積，粒度相對較大，孔隙發育，前三角洲近海相富有機質細粒物質可作為生氣母源，古角洲是淺層氣的良好聚集區，且埋深較淺，與圍巖物性及土力學性質有較大差異。因此，埋藏古三角洲是潛在災害地質因素之一，海上工程作業時應引起注意。

圖5 單道地震剖面揭示的埋藏古河道Fig.5 Buried paleo-channel displayed in single-channel seismic section

圖6 單道地震揭示的埋藏古三角洲Fig.6 Buried paleo-delta displayed in single-channel seismic section

3.2.3 海底槽溝 海底槽溝在單道地震剖面上主要表現為海底反射波同相軸明顯扭曲，反射界面突然斷開或下陷，兩側對稱，與周圍地形差異較大，呈鋸齒狀凹凸相間，犬牙交錯的外形(圖7)，較易識別。主要分布在海南島西側近岸及瓊州海峽兩側區域，因潮流、波浪等強水動力往復沖刷作用而成。這些槽溝與凸起相間，高度和坡度變化較大，水深變化迅速，槽溝的發育受控于地形，陡峭的槽溝常伴生陡坎，可能產生滑坡。水下槽溝多且與不規則基巖相伴生，沿岸島嶼多，水動力作用強，易發育水下槽溝，是海底電纜、插樁及水下管線鋪設等海洋工程應當避讓或必需處理的地質條件。

圖7 單道地震剖面顯示的海底槽溝Fig.7 Submarine trench displayed in single-channel seismic section

3.2.4 潮流沙脊 潮流沙脊在淺層剖面及單道地震剖面上表現為丘狀反射外形，內部層理清晰，呈斜交前積反射結構，下超在一個強反射界面之上，可見凹凸不平的侵蝕沖刷痕，為潮溝響應(圖8)。其主要分布在瓊州海峽兩側及海南島西側，呈楔狀或席狀。潮流沙脊斜層理傾向指示其遷移方向，而長軸代表潮流主流向，在潮流作用下后部不斷被削蝕，前部不斷堆積。平面上潮流沙脊成指狀、條帶狀，沙脊之間為潮道，測深剖面表現為凸起與凹地相間，水深變化迅速。沙脊在水動力條件改變時，特別是在臺風、風暴潮的作用下，淺灘的形態和分布都可能會發生變化，甚至會產生移動，潮流沙脊的遷移、活動和改造，不但直接影響錨泊，而且對其上的插樁和管線等海洋工程設施會造成極大的危害，并對其移動前方的工程空間，亦有掩埋、沖擊、拖曳等嚴重威脅。

圖8 淺層剖面顯示的潮流沙脊，內部成斜交前積反射Fig.8 Tidal sand ridge displayed in shallow seismic section，with an inner oblique crossing progradational reflection

4 結論

北部灣由于位于三大板塊交匯處，構造運動活躍，受紅河斷裂帶的影響較大，同時由于位于含油氣盆地中，深部熱流體活動活躍，這種地質背景使得區內發育多種潛在災害地質因素。

利用高分辨率地球物理資料可以較好地對該區災害地質因素進行識別，對其內部反射特征以及外部反射形態可以進行詳細刻畫。通過解釋研究區的高分辨率地球物理資料，查明北部灣近岸海域存在埋藏古河道、埋藏古三角洲、淺部斷層、泥底辟、淺層氣、潮流沙脊、海底槽溝等，這些可分為具有活動能力的破壞性災害地質因素和限制性災害地質因素2類，它們對于海上工程活動是極大的威脅和隱患，應引起高度重視。

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