山東省長山列島北部海域淺表層海洋災害地質特征及成因機制分析

摘要：海洋災害地質作為影響海洋資源開發、海洋工程建設活動的重要因素，越來越受到人們的重視。通過對長山列島北部海域多波束測量、淺地層剖面測量工作成果資料的解譯研究，分析了影響海底淺表層潛在海洋災害地質的因素，查明了主要災害類型、埋藏特征和分布范圍，編制了災害地質分布圖，分析了災害地質的形成機制及危害性，研究區災害類型主要有海底沖刷槽、淺層氣、埋藏古河道、斷層等。為研究區海洋資源的開發利用，尤其海洋牧場建設等工作提供科學依據。

關鍵詞：災害地質;淺表層; 特征分析;長山列島；山東省

中圖分類號：P694 """文獻標識碼：A """doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.04.004

引文格式：張燕揮， 張一，勇曉宇，等.山東省長山列島北部海域淺表層海洋災害地質特征及成因機制分析［J］.山東國土資源，2024，40（4）：25-32. ZHANG Yanhui， ZHANG Yi， YONG Xiaoyu， et al. Analysis on Geological Characteristics and Genetic Mechanisms of Shallow Surface Oceans in the Northern Sea Area of Changshan Islands in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（4）：25-32.

0 引言

海洋災害地質是發生在海洋地區的海洋災害和地質災害的交集，是直接危害或潛在影響海底工程建設、海洋工程構筑物安全的各種地質條件或地質現象。人類對海洋災害地質的研究工作隨著海洋資源開發、海洋經濟發展的快速增加而逐漸增加［1-2］，前人在南海北部海域、黃河三角洲地區以及山東半島海域均開展了大量的海洋災害地質的研究工作［3-9］，對海洋災害地質的類型、分布、危害特征等有了詳細的研究，對海洋工程的規劃建設、海洋資源開發等活動的防災減災起到了積極的作用。

長山列島位于膠東、遼東半島之間的渤海海峽的中南部，是黃海、渤海重要的物質交換通道［10-13］。在渤海海峽海域做了大量的有關海洋地質構造［14-15］、潮流沉積體系［16-17］、區域沉積過程［18］、淺地層結構［19］等研究。海域災害地質研究方面雖有涉及［20］，但研究程度整體較低，難以滿足海洋工程建設的需要。本文利用2020年山東省物化探勘查院在長島北部海域取得的淺地層剖面測量和多波速測量數據資料，較為詳細地揭示了影響研究區海底表層及海底以下50m地層內海洋災害地質因素，總結分析了各種海洋災害地質體的形成原因、危害性以及分布范圍和埋藏特征，編制了海洋災害地質分布圖，豐富了研究區海洋災害地質調查資料，為科學指導海洋工程、海洋牧場規劃建設、海洋資源可持續開發利用等提供科學依據，有效減少海洋地質災害造成的海洋建筑物、海洋工程等的損毀。

1 區域背景

區內分布有北隍城島、南隍城島、小欽島、大欽島4個海島［21-22］，島上出露地層主要為新元古代南華紀蓬萊群輔子夼組石英巖、絹云母千枚巖，島嶼山麓地帶出露第四紀山前組殘坡積灰黃色含礫砂質土、黏土質砂層等。島內構造主要發育規模較小的斷層、褶皺構造，產狀、結構變化大；巖層內裂隙、節理較發育，走向主要有NNE、NE、NW等。

研究區海底表層沉積物類型可以劃分為泥砂質礫、礫質泥質砂、含礫泥質砂、砂、砂質粉砂、粉砂質砂等6 類，其中粉砂質砂、砂質粉砂為研究區主要表層沉積物類型（圖1）。研究區50m以淺地層為中更新世-全新世沉積物，沉積物以灰褐色、棕黃色黏土質粉砂、粉砂質黏土加粉砂層為主，為淺海相—海陸交互相沉積物。

2 資料和方法

2020年7—8月，山東省物化探勘查院在研究區海域進行了淺地層剖面測量、多波束測量工作

淺地層剖面測量使用SBP/AAE淺地層剖面系統，由震源、水聽器、工作站3部分組成，制造商為英國AAE公司。激發能量為400～500J，記錄量程為100ms，觸發間隔為1000ms，濾波為500～5 000Hz，海上施工船速控制在5節以下，正常情況下，偏航距小于50m，主測線方位為0°，側線間隔2km，東西聯絡測線方位為90°，側線間隔5km（圖2）。剖面解譯中根據不同災害地質因素在地層剖面上的反射特征，首先在剖面上識別災害地質體的位置、范圍，然后再對比相鄰剖面進行圈連，最后將災害地質體繪至研究區災害地質分布圖。

多波束測量采用挪威Kongsberg公司的EM2040D雙探頭接收多波束測深系統，由換能器陣、處理單元、操作站3個部分組成。數據采集工作站為HWS臺式工作站，系統軟件Windows7，采集軟件使用SIS，使用Qimera軟件進行多波束測量數據處理。在多波束測量的基礎上（圖2），根據讀取的海圖等地形數據，補充了整個研究區的地形資料，制作了三維地貌模型，根據海底滑坡易發生角度，圈定滑坡易發區域，填繪研究區災害地質分布圖。

3 主要災害地質類型

通過地震剖面及海底地形資料解譯，研究區主要發育4種海洋地質災害［23-25］，分別為海底沖刷槽、埋藏古河道、淺層氣、斷層，其分布如圖3所示。

3.1 海底沖刷槽

研究區所處的渤海海峽是潮流進出渤海的主要通道，陸架地貌特征明顯，海島周邊絕大部分地貌類型為陸架侵蝕洼地。島嶼間發育有多條小型水道與黃海進行海水交換，受潮流動力作用影響顯著，海島周邊發育有多個侵蝕洼地，地形起伏較大。小欽島水道西起小欽島西部海域，向東穿過北隍城島和小欽島之間，底質以砂質為主，水道西北、北隍城島以西發育一處EW向大型洼地，東西長度近8km；南隍城島以南發育一處侵蝕洼地，地處小欽水道東緣，受海峽長期強潮流作用，洼地中發育大量潮流沖刷槽，地形支離破碎。

一般認為，陸地上的滑坡大多發生在坡度大于10°的斜坡上，但在水下，坡度1°～3°時沉積物就會失穩發生滑坡。海底滑坡主要是因斜坡上的沉積物形成的順坡方向的剪切應力超過沉積層抗剪切強度而產生，本質上是斜坡沉積物在重力作用下沿軟弱層發生滑動造成的斜坡失穩。本次將研究區內坡度大于3°的區域圈出，作為研究區海底沖刷、滑坡易發區域。海底沖刷槽四周因強烈的沖刷，形成坡度陡峭的侵蝕陡坡，最陡處坡度大于15°，加之研究區上部地層以流塑—軟塑的淤泥質粉質黏土和工程性質一般的粉砂粉土層為主，易因自然或外力比如施工等引起滑塌、滑坡。

3.2 斷層活動特征

斷層在淺地層測量聲學剖面主要表現為：一側反射層終止或減薄，兩側反射特征不一致;上一個或多個連續性好的反射波組發生系統的錯移，或兩盤地層厚度不等［26］。

本研究根據淺地層剖面上解譯的斷裂構造，結合區域構造方向，將相鄰剖面上的斷裂進行連接，繪制了斷裂平面展布圖（圖4），可以得出研究區西部構造活動比東部更為活躍。研究區斷層主要發育在中更新世以前，推斷斷裂形成原因為地層受擠壓后在構造應力薄弱處發生變形、錯動形成斷裂。從中更新世直到全新世，斷裂未再有活動，期間形成的沉積地層未發現斷裂存在。

3.3 古河道的分布

在淺地層剖面圖上，古河道充填物隨物性不同而表現為亞平行反射、高角度傾斜交錯反射、復雜的波狀—雜亂反射、不同角度的前積反射等多種類型的反射［27］，斷面形態因古河道特征的不同、測線與河流交角的不同而在高分辨率淺地層剖面上呈現出不同的形態特征，形態多為“V”字型、“U”字型，底部為起伏不平的強反射侵蝕面［28］。

根據古河道辨別特點，本次研究根據地震地層的反射終止形態和反射結構識別出了研究區內發育的埋藏古河道（圖5），并對相鄰剖面間的埋藏古河道進行了圈連，大致圈定了古河道的規模。

研究區東部埋藏古河道為不對稱型古河道，古河道斷面邊界輪廓較為清晰，其中河谷底部存在一定的坡度，而河谷兩側邊坡坡度差別大，一邊較緩一邊較陡，根據河流動力學相關理論，較陡側為侵蝕岸，較緩側為堆積岸，該河流發育成熟，發育時代初步判定為中更新世。

研究區西部埋藏古河道為對稱性古河道，斷面邊界輪廓上河谷底部平緩，多呈“Ｕ”字型，兩側邊坡坡度大致相等，形成時代為中更新世，早于東部工區古河道。西部埋藏古河道總體較窄，呈“蛇形”分布。

3.4 淺層氣特征

淺地層剖面測量過程中，因地層中含氣量的增加，地層中地震波傳播速度會降低，反射能量快速衰減，造成連續性較好的反射波突然中斷，在淺地層剖面上形成、泥底辟、氣煙囪、海底火焰、幕式反射、簾式反射、濁反射、白噪聲、“亮點”等的局部空白或模糊反射區［29-32］，上述現象通常作為淺層氣的識別標志。

淺層氣在研究區內發育并不明顯，僅在研究區東部識別出典型淺層氣特征，剖面上可見明顯的聲學空白帶，代表剖面地層中局部發育含氣沉積物（圖6），地震波進入含氣地層后受含氣量增加的影響，聲速減小、反射層下移。淺層氣賦存于中更新世地層中，平面展布形態呈SN向的橢圓狀（圖3）。

4 災害地質成因及其危害性

4.1 海底沖刷槽

潮流沖刷槽是在強烈的潮流沖刷作用下形成的，潮流沖刷槽所處的地貌位置具有很強的海流或波浪動力作用，海床在不斷的沖刷下形成凹凸不平的侵蝕槽，其兩側的侵蝕陡坡因槽內尤其槽底沉積物的不斷沖蝕、沖走造成失穩，易發生滑塌、滑坡等地質災害。

海底沖刷槽區地形起伏大，給海底管線的鋪設等造成較大的困難，沖刷槽區強力的沖刷作用、不穩定的侵蝕陡坡嚴重影響海底鋪設的管道、施工的樁柱的安全；沖刷區強烈的海水交換不利于藻類、浮游生物的棲息富集，導致餌料少，漁業資源匱乏，且該區不利于人工投礁放餌養殖，因此不適于海洋牧場的建設。

4.2 斷層

研究區區域上所處的郯廬斷裂與張家口-渤海斷裂帶的交會處第四紀斷裂活動頻繁，尤其是晚更新世以來發生的切割深、落差大、波及寬的復雜斷裂構造運動更為突出。

研究區南部是寬約10km，由多條NW向次一級斷層斜列組成的蓬萊-威海斷裂帶，該斷裂帶是張家口-渤海斷裂帶的東延部分。蓬萊-威海斷裂帶在第四紀活動明顯，西段的晚更新世中部地層被明顯錯斷，說明該斷裂晚更新世仍有活動，全新世地層未發現錯動現象，說明全新世該斷裂未活動；東段中更新世地層錯斷，晚更新世地層未出現錯段，斷裂活動早晚至中更新世［33］。

從淺地層剖面上可以看出研究區解譯的斷裂未錯動晚更新世—全新世地層，根據斷層錯斷地層年代可以大致推斷其活動時間與區域控制斷層蓬萊-威海斷裂帶的活動時間基本相同，因此推斷本次解譯斷裂構造為蓬萊-威海斷裂帶的次生小斷裂。

研究區推斷斷裂構造雖發生在中更新世前，且具有一定的埋深，對投礁型、底播型等海洋牧場的建設影響較小，但其引發的海底過大的差異沉降對地基穩定性要求高的海上重大工程，如海上風電、裝備型海洋牧場危害巨大，因此建議重大工程建設應加強斷裂發育區工程地質勘察，盡量避開斷裂發育區。

4.3 埋藏古河道

根據研究區淺地層剖面數據，結合鉆孔揭露地層沉積相特征及同位素測年數據，區內埋藏古河道形成主要由第四紀冰川活動引起的海進海退造成。

世界海平面在第四紀冰期時普遍下降，最盛期中國近海海面下降最大幅度為130～150m，主要發生在晚更新世古鄉冰期、玉木冰期。海面大幅降低造成近海陸架多次裸露成陸地，其上發育規模不等的河道和湖泊。海平面隨著間冰期氣候變暖，冰川融化而幅度上升，早期的河道紛紛埋藏海底形成埋藏古河道［34］。

研究區東部埋藏古河道與西部具有明顯的差異，其中東部埋藏古河道位于推斷的A2地層單元中，而西部埋藏古河道位于推斷的A3地層單元中。根據東西區施工鉆孔中同位素測試結果可知，東區A2地層對應的為MIS4-5期（鉀長石OSL測年年齡（69.6±3.2）～（115.8±12.3）kaBP），而西部A3沉積單元對應的為MIS6-7期（鉀長石OSL測年年齡（243.1±13.8）kaBP）。這與研究區東西部所處的地理環境和冰川活動引起的海進海退規模密切相關。

古河道內復雜多變的充填物造成河道內沉積物物理性質、力學性質差異大，尤其水平方向上變化大，持力不均，且滲透性較強。地層原有結構因沉積物的長期侵蝕、沖刷及上覆物質載荷引起的局部坍塌而發生破壞，嚴重影響上部構筑物地基穩定性，尤其對裝備型海洋牧場、海上樁基和鉆井平臺十分不利［35］。

4.4 淺層氣

海底淺層氣是海底1000m以淺沉積物中的有機質，在生物、熱的作用下生成有機氣體，積聚在淺層沉積物中形成的含氣帶。本文所研究的為生物成因的淺層氣，在海底沉積時，沉積物碎屑物質中豐富的生物碎屑、有機質等在甲烷菌的分解下轉化成氣體，并在海底表層幾米至數百米的有利地段積聚形成氣藏。

高壓縮性、低抗剪強度的含淺層氣沉積物易引起地層承載力的不均勻，導致含氣帶上部地層的不穩定，是不良地基之一。在淺層氣存在區域施工鉆井，易發生井噴、孔壁坍塌等事故，含氣帶氣體外溢等導致的含氣帶穩定性的破壞嚴重影響海底地基的穩定性，導致施工平臺下陷、傾覆，嚴重危害海上樁基、鉆井施工的安全［36-37］。裝備型海洋牧場是本區海洋牧場建設、發展的重要類型，其對海底地基穩定性要求高，含有淺層氣的基底對平臺穩定性會造成嚴重的危害，因此在裝備型海洋牧場建設前應加強工程地質勘察，盡量避開淺層氣發育區。

5 結論

（1）研究區海域海底淺表層海洋災害地質主要為海底沖刷槽、埋藏古河道、淺層氣、斷層。海底沖刷槽主要分布于小欽島兩側；埋藏古河道分布于研究區東南部和大欽島西部海域，形成于晚更新世；淺層氣主要分布于南隍城島東部海域，單個淺地層剖面揭露；研究區推斷的斷層主要分布于研究區西部，形成于晚更新世前，與區域構造活動時間一致，為區域構造活動形成的次級構造。

（2）不同的海洋地質災害類型對海洋資源開發、海洋工程建設具有不同的危害。海底沖刷槽地形變化大，不適于海洋牧場建設，且對海底管線鋪設造成障礙。海底埋藏古河道、淺層氣發育區均為不良地基區，工程建設易引發地層承載力不均勻導致海底地基失穩，嚴重影響裝備型海洋牧場建設、海上樁基和鉆井施工的安全。斷裂構造對地基影響深的海上重大工程如海上風電、鉆井平臺等會造成影響。

（3）在將來的海上工程施工建設前，應詳細查明建設規劃區海洋地質災害的類型、分布及對建設工程的危害性，制定科學的防災減災措施，避免或減少事故的發生，避免給國家和人民群眾造成生命和財產安全的重大損失。

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Analysis on Geological Characteristics and Genetic Mechanisms of Shallow Surface Oceans in the Northern Sea Area of Changshan Islands in Shandong Province

ZHANG Yanhui1，2， ZHANG Yi1，2， YONG Xiaoyu1，2， LEI Yanxiang1，2，" ZHANG Pengpeng1，2，" MENG Yiming1，2

（1. Shandong Geophysical and Geochemical Exploration Institute， Shandong Ji'nan 250013， China; 2. Shandong Geological Exploration Engineering Technology Research Center， Shandong Ji'nan 250013， China）

Abstract：Marine disaster geology， as an important factor affecting the development of marine resources and marine engineering construction activities， is receiving increasing attention from people. Through the interpretation and research of the results of multi beam measurement and shallow profile measurement in the northern sea area of Changshan Archipelago， factors that affect the potential marine hazard geology in the shallow surface of the seabed have been analyzed， main types of hazards， burial characteristics and distribution range have been identified， hazard geological distribution map has been made， the formation mechanism and harmfulness of hazard geology have been analyzed， and main types of hazards in the study area have been found， including submarine scouring channels， shallow gas， buried ancient river channels and faults. It will provide a scientific basis for the development and utilization of marine resources in the study area， especially for the construction of marine pastures and other work.

Key words： Geological hazards; shallow surface; characteristics; Changshan islands; Shandong province