海南島西南海域古河道空間分布規律及地質意義

張匡華 ,陳飛 ,王嘉琳 ,仝長亮 ,韓孝輝 ,鐘宙燦

(1.海南省海洋地質資源與環境重點實驗室 海口 570206;2.海南省海洋地質調查研究院 海口 570206;3.海南省地質測試研究中心 海口 570206;4.海南省地質綜合勘察院 海口 570206)

0 引言

港口工程、海底管纜鋪設、海上鉆井工程等都需要穩定的海底地質環境[1]。古河道充填沉積物具有復雜性和多變性,即其粒度組分、分選程度、密度、剪切力等存在一系列物理物質和力學性質的差異,導致持力不均,在長期侵蝕、沖刷及上覆荷載下,容易發生局部塌陷,使地層原有結構被破壞,構筑物基礎不穩定,對海洋工程建設十分不利[2],因此古河道是陸架出現最多的限制性災害地質因素。此外,古河道發育的晚第四紀是全球氣候變化的重要時期,冰期至間冰期轉換和海平面大幅升降等變化,導致氣候和沉積環境相應發生重大變化[3]。冰期岸線向陸架推進,僅在古河道中形成線狀分布的沉積體;間冰期隨著海平面的上升,前期形成的陸相地層被埋藏于面狀分布的海相地層之下,從而在淺海區形成特殊的沉積地層,這些沉積地層蘊含豐富的陸海相互作用、海平面和氣候變化等古環境信息[4-6]。通過對研究區單道地震資料進行處理和解釋,識別埋藏古河道,分析其空間分布規律并對隱藏其中的地質信息進行挖掘,既有利于為海洋工程建設、防災減災提供科學依據[7],又有助于揭示古河流沉積動力環境特點,對復原海南島西南海域沉積作用的發育歷史等方面具有較大的科學意義。

1 材料與方法

1.1 研究區

海南島西南海域位于北部灣海域,屬于半封閉型陸架,水深范圍為0～90 m,等深線走向大致平行于海岸線,海底坡度為0°～1°,水深變化不大[8]。總體來看,研究區海底表層沉積物為礫砂,遠岸區為黏土質粉砂,基本平行于海岸線呈帶狀分布;沉積物類型從近岸區至遠岸區依次為中砂、中細砂至礫砂、砂礫、礫砂、中細砂,較深水區沉積物主要為細砂和黏土質粉砂,局部有珊瑚礁分布[9]。研究區海底地貌主要為濱海堆積岸坡和淺海海岸三角洲平原,海流全年均為逆時針環流,主要受潮致余流、風生流和密度流的影響[10]。

1.2 研究數據及分析方法

單道地震數據采集使用Geo-Spark 2000J單道地震采集系統,測量網度為5 km×10 km,地震數據垂直分辨率優于0.5 m。地震數據處理采用系統自帶的GeoSuite Allworks軟件,主要處理流程包括原始數據輸入、壞道剔除、時變增益、帶通濾波;地震解釋主要運用層序地層學和地震地層學的原理,根據地震相反射特征和界面識別標志進行地層劃分及埋藏古河道單元圈定。地震相反射特征主要包括地震單元的外部形態和內部反射結構(如平行反射、前積反射、雜亂反射),反映某一時期內沉積環境的能量、物源等情況;界面識別標志主要包括上超、下超、削截和頂超,反映沉積作用的間斷。將識別的多期古河道疊加起來,分析其空間分布規律,并挖掘隱藏其中的地質意義。時深轉換所涉及的地震波在沉積物中的速度采用經驗值1 600 m/s[11]。

2 討論與分析

根據“下伏于不同地層單元被認為發育于不同時期”的原則,研究區內共識別3期古河道,距今時間從近到遠分別命名為PC1、PC2和PC3(平面分布如圖1所示,剖面特征如圖2和圖3所示,其中R0為海底地震反射同相軸,R1～R4分別為不同地層界面對應的地震反射同相軸,PC 為不同期次的埋藏古河道單元)。

圖1 研究區埋藏古河道分布Fig.1 Distribution of paleo-channels in the study area

圖2 典型古河道特征(LDS60)Fig.2 Typical characteristics of paleo-channels (LDS60)

圖3 典型古河道特征(LDS50)Fig.3 Typical characteristics of paleo-channels (LDS50)

2.1 古河道的垂向分布

位于剖面頂部的PC1包含13處古河道,對應編號為PC1-1 至PC1-13;位于剖面中部的PC2 包含8處古河道,對應編號為PC2-1至PC2-8;位于剖面下部的PC3包含5處古河道,對應編號為PC3-1至PC3-5。埋藏古河道在不同垂直空間上都有分布,埋藏深度從數米到80 m 不等,古河道兩側為低頻、強振幅、連續性較好的不整合面反射同相軸,古河道上覆和下伏地層之間的沉積間斷,上覆地層總體上呈平行、亞平行弱振幅中高頻地震反射特征,對應弱沉積動力環境下的近淺海相沉積。3期河道有的自成體系,有的相互疊置,切割老地層深度從數米到41 m 不等,其中整體上PC1、PC2的切割深度大于PC3。距今較近的2 次冰期的海退規模較大,可對下伏地層產生較大切割深度,由于缺少測年數據,無法給出詳細的年代,前期研究認為三亞海域淺地層埋藏古河道的發育時間主要為MIS2和MIS4[11-12],本研究結合3期古河道分布的空間關系,也初步推斷PC1、PC2發育于MIS2和MIS4,而PC3則發育于海平面升降幅度相對較小的MIS5。

由于古河道河床與兩側巖性存在差異,在單道地震剖面上表現為連續波狀起伏的強振幅反射,從外部形態可追蹤到部分古河道發育及變遷的信息。研究區內古河道的外部形態大部分呈“U”形或“V”形,少數呈“U”形或“V”形的組合字形,反映研究區內古河流改道的頻次及強度較低。內部反射結構特征可反映古河道發育后上覆沉積層的巖性,研究區大多數古河道的內部地震反射呈現平行、亞平行、波狀或前積結構,反映古河道局部沉積形成于低能環境;少數古河道的內部地震反射呈現雜亂反射結構,反映古河道局部沉積形成于高能環境。這間接反映古河流整體較弱的沉積動力條件,只有局部沉積動力條件較強。

2.2 古河道的平面分布

將識別的3期埋藏古河道PC1、PC2和PC3疊加到一起,各個時期古河道的平面分布特征為:3期古河道分布海域的水深為10～93 m,其中30～80 m水深海域最為發育;整體呈現南部發育、北部欠發育,遠離海岸線發育、靠近海岸線欠發育;從整體上看,多期古河道與海南島海岸線有較好的對應關系,3期古河道之間也存在密切的聯系。

(1) PC1。該期古河道大部分呈從北到南或從東北到西南的古流向,僅發現PC1-4至PC1-6呈從西北到東南的古流向;古河道寬度為1～15 km 不等,最大延伸長度超過32 km;除PC1-4 至PC1-6外,PC1的分布范圍與海南島海岸線有較好的對應關系,其古流向大多數與海南島入海河流流向較為一致,據此推斷其沉積物來源主要為海南島陸域;PC1-4至PC1-6的平面分布位置、埋藏深度和河道內均表現為平行、亞平行高頻弱振幅地震反射特征,上游均指向位于研究區西北方向的紅河,長度均超過20 km,最大切割老地層深度均超過15 m,其中PC1-4的最大寬度超過15 km,同樣在該區域發育的前一期古河道PC2-3的長度超過50 km,最大切割老地層深度超過22 m,根據古河道的規模與空間分布特征推測其與古紅河關系密切,研究區部分沉積物可能來源于古紅河流域。

(2) PC2。該期古河道方向各異,其中PC2-3和PC2-8的規模較大,寬度為1.5～5.5 km 不等,延伸長度超過50 km;PC2和PC1的古流向總體類似,大部分呈從北到南或從東北到西南的古流向,局部呈從西北到東南的古流向;PC2-1位于PC1-2的西部,并在平面上有一定的重疊;PC2-2位于PC1-3的正北方 向;PC2-3 和PC2-4 位 于PC1-4～PC1-6 的西北方向,其古流向與海岸線近似平行,并在平面上有較大范圍的重疊;PC2-5和PC1-12的古流向相同,并在平面上有較大范圍的重疊;PC2-6 與PC1-11、PC2-7與PC1-13都存在密切的空間關系,表現為古流向相同并在平面上較為靠近;PC2-8附近未發現更晚期次發育的古河道分布。多期古河道在不同空間的分布反映海平面升降對水系空間分布格局的改造,多期古河道在相近空間分布反映水系空間分布格局在時間上具有較強的延續性。

(3) PC3。該期古河道數量相對較少且規模相對較小,延伸長度較短導致其大部分僅在單獨某條地震剖面上顯示,古流向和寬度難以確定。但從平面分布上看,部分PC3與PC2、PC1在平面上有一定范圍的重疊,如PC3-1和PC2-1,PC3-2、PC2-3和PC1-6,PC3-3 和PC1-8,PC3-4 和PC1-9。PC3 與PC2或PC1 在平面上十分靠近,據此推斷PC3 與PC2、PC1具有相似的發育規律。

由于近岸區域的埋藏古河道不發育,深水區域分布的古河道與陸域水系不連續,在平面上不易分辨各埋藏古河道單元具體與哪條陸域河流相對應。此外,研究區內越靠近海南島、海水越淺的位置,古河道分布的數量越少,且多期古河道疊加的范圍越小;海水越深的位置,古河道分布的數量越多,且多期古河道疊加的范圍越大。推測這種空間分布格局形成的原因是近岸區域沉積物較薄以及古河道下切老地層較淺,而單道地震資料分辨率有限,難以將之識別,此外海平面下降也可能對前期發育的埋藏古河道產生破壞作用。

3 結論

海南島西南海域至少有3期埋藏古河道分布其中,其中30～80 m 水深區域最為發育,開展工程建設活動時應盡可能避開;根據空間分布特征推測,3期古河道分別發育于MIS2、MIS4及MIS5,古河流整體上沉積動力條件較弱,只有局部沉積動力條件較強。

海南島西南海域古河道的空間分布總體上受海南島岸線控制,沉積物主要來源于海南島陸域,部分沉積物可能來源于古紅河流域。

海平面升降明顯影響水系空間分布格局,但即便受到海平面升降影響,水系空間分布格局在時間上仍然具有較強延續性。