劉樂軍，傅命佐，李家鋼，李西雙，陳義蘭，高 珊

（1.國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.中海油研究總院 工程研究設(shè)計(jì)院，北京 100027）

自20世紀(jì)90年代以來，海洋石油天然氣勘探與開發(fā)逐步向深海進(jìn)軍，在取得重大成果的同時(shí)，深水油氣資源的勘探與開發(fā)工程中也逐漸面臨著諸多地質(zhì)災(zāi)害，如海底滑坡、崩塌和軟粘土蠕變以及地層中賦存的淺層氣、超覆壓力、超孔隙水壓力、泥火山（底辟）和鹽丘等，它們影響甚至威脅著海洋油氣資源開發(fā)工程的海底構(gòu)筑物及其基礎(chǔ)［1－13］，并可能引發(fā)海洋生態(tài)環(huán)境災(zāi)難。因此，在深水油氣開發(fā)工程前期，調(diào)查深水區(qū)域環(huán)境、識(shí)別和圈定各種地質(zhì)災(zāi)害類型，分析其賦存環(huán)境和成因機(jī)制，評(píng)價(jià)各種地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)的規(guī)模和頻次，成為關(guān)乎深海油氣開發(fā)能否成功的關(guān)鍵任務(wù)。

荔灣3－1（簡(jiǎn)稱LW3－1）氣田是我國(guó)第一個(gè)深水氣田，開采區(qū)位于南海北部陸坡前緣－珠江口盆地南部坳陷帶珠Ⅱ坳陷的白云凹陷［14］（圖1），該氣田擬采用水下井口和海底管道的形式將油氣輸送到陸地（圖2）。擬選的海底管道路由從深水段穿過南海北部陸坡，這里地形地貌復(fù)雜，海底峽谷、滑坡、濁流和沙波等多種地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，可能妨礙海底管道鋪設(shè)，危害其安全運(yùn)行。

我國(guó)學(xué)者自20世紀(jì)80年代起，在南海北部陸架和陸坡的珠江口盆地、鶯歌海、北部灣等地開展了大量的區(qū)域性地質(zhì)災(zāi)害與工程地質(zhì)調(diào)查與研究工作。在珠江口盆地、南海北部陸架和陸坡等海底的表面和淺地層中識(shí)別出活動(dòng)沙波（沙丘）、麻坑、滑坡、陡坎、陡坡、海底峽谷、古河道、淺層氣、底辟等地質(zhì)災(zāi)害因素［14－20］。馮文科等［21］利用聲學(xué)地層分析了南海北部外陸架－上陸坡的滑坡與滑塌的形態(tài)和特征。吳世國(guó)［22］、孫運(yùn)寶［23］和王大偉等［24］利用地震剖面在珠江口盆地白云凹陷識(shí)別出白云大型滑坡。閻貧［25］利用深水淺層剖面儀，識(shí)別出珠江口外陸架－南海中陸坡區(qū)存在泥火山、滑坡和淺層氣等地質(zhì)災(zāi)害因素。

本研究利用多波束水深地形、淺地層和淺層多道地震剖面以及部分AUV側(cè)掃聲納影像等實(shí)測(cè)資料，分析了荔灣3－1海底管道路由區(qū)深水段的地形地貌特點(diǎn)，識(shí)別出不利于海底管道鋪設(shè)及安全運(yùn)行的各類地質(zhì)災(zāi)害因素，闡述其分布和潛在的地質(zhì)危害性，為進(jìn)一步分析其地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)奠定基礎(chǔ)。

圖1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及位置示意圖（黑框?yàn)檠芯繀^(qū)）Fig.1 A sketch map showing the regional tectonics and the geographic location of the study area（The black frame represents the study area）

圖2 荔灣3－1氣田開發(fā)方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of the developing project on the Liwan 3－1Gas Field

1 材料與方法

本研究數(shù)據(jù)來自國(guó)家重大科技專項(xiàng)在研究區(qū)獲取的多波束水深、淺地層剖面、高分辨率淺層數(shù)字多道地震剖面以及部分AUV的側(cè)掃聲納影像等實(shí)測(cè)資料。

利用南海503號(hào)勘察船船底安裝的EM302多波束系統(tǒng)和Ixsea Echoes3500淺地層剖面儀，于2011－04在研究區(qū)采集了全覆蓋多波束水深數(shù)據(jù)和淺地層剖面數(shù)據(jù)。使用“實(shí)驗(yàn)1號(hào)”雙體調(diào)查船于2010－09在研究區(qū)進(jìn)行多道地震調(diào)查。多道地震探測(cè)系統(tǒng)由10 000J等離子體電火花震源、96道數(shù)字纜（6.25m道間距）和120道數(shù)字采集器組成。

多波束水深數(shù)據(jù)經(jīng)過全深度聲速剖面水深測(cè)量校正、系統(tǒng)參數(shù)校正、船姿校正等處理后形成網(wǎng)格化水深數(shù)據(jù)（格網(wǎng)間隔為20m），利用Surfer及Arcgis軟件繪制地形等高線圖和三維地貌圖。利用Triton SB－Interpreter軟件對(duì)淺地層剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行增益處理，獲得最大穿透深度60m的清晰影像。采用基于模型的地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（MBP）對(duì)多道地震資料進(jìn)行帶通濾波、時(shí)間域野值壓制和疊前時(shí)間偏移成像等處理，多道地震資料實(shí)際垂向分辨率約為2m。

基于上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行了地形地貌分析，劃分地形地貌分區(qū)，識(shí)別和圈定了各種海底表層和淺部地層中的地質(zhì)災(zāi)害因素，分析其形態(tài)與地層特征，初步評(píng)價(jià)其潛在危害性。

2 結(jié)果與分析

2.1 海底地形

研究區(qū)海底地形走向?yàn)镹E—SW向，水深200～1 764m。根據(jù)地形坡度、海底面起伏狀況，劃分為2個(gè)地形區(qū)：陸架邊緣區(qū)和陸坡區(qū)。陸坡區(qū)可進(jìn)一步細(xì)分為上陸坡斜坡區(qū)、中陸坡區(qū)和下陸坡斜坡區(qū)（圖3）。

圖3 荔灣3－1研究區(qū)海底地形圖Fig.3 Seafloor topography and surveying lines in the study area of LW3－1Gas Field

圖4 預(yù)選路由通過的斷階型陸坡帶影像圖（圖中紅線即擬選LW3－1氣田海底管道路由）Fig.4 The fault terrance slope zone that will pass through by the designed pipeline routing（Red line is the designed pipeline routing of LW3－1Gas Field）

2.1.1 陸架邊緣地形區(qū)

位于研究區(qū)的西北角，只占研究區(qū)的一小部分。陸架平原邊緣水深200～225m，地形平坦，海底地形坡度約為0.31°。

2.1.2 上陸坡斜坡區(qū)

該區(qū)位于陸坡的上坡段，上接陸架邊緣，下接中陸坡區(qū)，水深225～1 000m，坡度0.63°～2.00°，西部坡度較東部陡。

2.1.3 中陸坡峽谷區(qū)

水深620～1 500m，地形陡峭，坡度約為1.72°，海底面破碎。在該區(qū)發(fā)現(xiàn)巨型海底峽谷12條，從上至下貫穿整個(gè)中陸坡坡帶，并向下延伸到下陸坡斜坡。

陸坡的下部斜坡區(qū)地形較平緩，水深1 500～1 700m，平均坡度1.26°。海底峽谷在該區(qū)深度和寬度變小，逐漸消失。由于上接峽谷，在該區(qū)存在一些溝槽。

2.2 海底地貌

根據(jù)地形坡度、海底面起伏狀況和地貌特征，將研究區(qū)劃分為5個(gè)地貌帶［26］：外陸架邊緣沙波—大波痕帶、珊瑚礁—沙波分布的斜坡帶、單斜型陸坡帶、斷階型陸坡帶和濁流堆積斜坡帶（圖4）。

2.2.1 外陸架平原邊緣沙波—大波痕帶

地形平坦，有典型的海底沙波、大波痕（兩者規(guī)模和形態(tài)區(qū)別見圖13）等微地貌發(fā)育，局部有掩埋和半掩埋珊瑚礁分布。

2.2.2 珊瑚礁—沙波分布的斜坡帶

位于上陸坡帶的上部，水深220～430m（局部可達(dá)450m），海底微地貌主要是珊瑚礁和沙波交替分布（圖5）。

2.2.3 堆積型簡(jiǎn)單陸坡斜坡帶

可分為西、中和東三段。西段水深430～620m，中段水深430～720m，東段下界水深750～1 000m。海底地形平滑，向南東傾斜，平均坡度1.03°。地層自陸向海傾斜，堆積厚度自上而下略變小。

鉆頭采用底噴隔水設(shè)計(jì)。鉆頭底部采用特殊隔水裝置，使內(nèi)筒超前管鞋與鉆頭間的隔水間隙通水阻力加大。只有少部分的沖洗液流經(jīng)此隔水面至鉆頭底唇面冷卻內(nèi)筒超前管鞋和起潤(rùn)滑作用，不沖蝕巖心根部，有利于巖心的形成；大部分沖洗液經(jīng)鉆頭底噴眼流至井底，冷卻鉆頭后進(jìn)行循環(huán)。內(nèi)筒超前管鞋及底噴鉆頭配合如圖3所示。

2.2.4 斷階型陸坡帶

上界水深650～670m，下界水深1 400～1 550m，平均坡度2°。斷階型陸坡帶的上界與單斜型陸坡帶之間常以斷層陡坎、滑坡體、滑坡陡坎等過渡，地形坡度變大。整個(gè)陡坡帶被海底峽谷切割得支離破碎。海底面地形顯示為近南北向延伸的峽谷—壟脊帶，類似于黃土高原的黃土溝與黃土墚，可稱之為“陸坡墚”。陸坡墚地形破碎、崎嶇不平，斷層陡坎、陡坡、滑坡、滑塌現(xiàn)象普遍。峽谷兩側(cè)谷坡上可見明顯的滑坡體、滑落的倒石堆等地貌形態(tài)（圖6）。

圖6 斷階型陸坡區(qū)陸坡地貌體系及滑坡體、滑塌堆積體影像圖Fig.6 Images of geomorphological system，landslides and collapsed deposits in the fault terrace continental slope zone

2.2.5 濁流堆積斜坡帶

地形較平緩，海底峽谷的下游段深度、寬度變小，逐漸消失。多道地震剖面上，陸坡下部的濁流堆積斜坡帶地層反射面穩(wěn)定，基本無變形。堆積厚度自上向下增大，反射界面向深海方向發(fā)散（圖7）。

圖7 濁流堆積斜坡帶典型多道地震剖面圖（圖3中測(cè)線2）Fig.7 A typical multichannel seismic profile of the turbidity－current deposit slope zone（survey line 2shown in Fig.3）

2.3 主要地質(zhì)災(zāi)害因素及其特征

從水深地形、側(cè)掃聲納影像和地層剖面圖中識(shí)別出的主要地質(zhì)因素有海底峽谷、海底滑坡和滑塌、水下古珊瑚礁、海底沙波和大波痕、淺斷層、海底陡坎、斷崖、陡坡濁流沉積層、碎屑流沉積、侵蝕洼地和淺層氣等。

2.3.1 海底峽谷

研究區(qū)有12條海底峽谷，走向?yàn)镹NW—SSE向或近N—S向，橫斷面呈U形或V形。峽谷底部寬度500～1 750m不等，局部峽谷束狹段的V形峽谷底部寬度甚至不足100m。海底峽谷頭部滑坡（滑塌）發(fā)育，峽谷頭部地形自西向東越來越復(fù)雜（圖4）。

圖8 深切峽谷兩側(cè)谷壁上的滑坡體多道地震剖面圖（圖3中測(cè)線3）Fig.8 Submarine canyon systems in HR－2Dmulti－channel seismic profiler image（survey line 3shown in fig.3）

圖9 橫斷海底峽谷多道地震剖面圖（圖3中測(cè)線3）Fig.9 A typical multi－channel seismic profile crossing the submarine canyon（survey line 3shown in Fig.3）

從峽谷形態(tài)特征可分為兩種類型：深切V形海底峽谷和寬淺U形海底峽谷。V形峽谷主要發(fā)育在陡峭的斷階型陸坡帶。V形峽谷切割深度幾十米到幾百米不等，谷壁坡角可達(dá)15°～22°。谷壁上多為滑塌堆積物所披蓋，地震剖面上顯示為無反射層理的雜亂堆積（圖8）。多道地震剖面揭示，V形谷的谷壁上的沉積層與陸坡壟脊區(qū)的地層構(gòu)造完全不整合，二者之間存在明顯的不整合面，很可能是滑動(dòng)面（圖9）。谷底沉積物多為蝕余堆積，甚至缺失現(xiàn)代沉積，裸露較多老地層。

U形峽谷主要分布在下陸坡的濁流堆積斜坡帶，大部分是深切海底峽谷向下延伸的尾端。U形谷的相對(duì)深度一般只有幾米，較深的可達(dá)30m，峽谷兩側(cè)谷坡較緩，谷底地形較平緩，谷底為厚度不等的濁流沉積物堆積。地層界面雜亂，可能是溝谷側(cè)向擺動(dòng)或沉積物順坡蠕動(dòng)的結(jié)果。

海底峽谷內(nèi)崎嶇的地形、陡峭谷壁兩側(cè)的滑坡（滑塌）以及海底峽谷的側(cè)向移動(dòng)與下切等都可能危害海底管道的鋪設(shè)與安全運(yùn)行。尤其是深切峽谷兩側(cè)谷坡上的滑坡和滑塌活動(dòng)［27］。

2.3.2 海底滑坡和滑塌

海底滑坡和滑塌既是一種特殊的海底地貌類型，又是一種危害性極大的地質(zhì)災(zāi)害因素［28－29］。在多道地震剖面上表現(xiàn)為海底面鼓丘狀隆起，近表層反射面發(fā)生撓曲變形，或者雜亂無層理，有時(shí)可見明顯的滑坡壁或滑動(dòng)面。識(shí)別出的多個(gè)滑坡主要位于斷階型陸坡處兩峽谷之間的脊部及峽谷兩側(cè)的谷壁（圖10）。在擬選管道路由的水深650～740m段（海底峽谷源頭以上），發(fā)現(xiàn)一個(gè)較大滑坡體。多道地震剖面顯示，海底地層出現(xiàn)明顯的滑移性錯(cuò)動(dòng)（圖11）。表層滑坡體呈透鏡狀，最大厚度約50m，長(zhǎng)度約1 800m；滑坡體內(nèi)部基本保持了原來的層理。其下可能是一個(gè)埋藏的古滑坡體，其規(guī)模略小，形態(tài)類似，保持了原來的層理。

圖10 峽谷壁上的滑坡及滑坡面多道地震剖面圖（圖3中測(cè)線3，黑色虛線位置見圖8黑框）Fig.10 A multi－channel profile of landslides on the wall of the submarine canyon（survey line 3shown in Fig.3，its location is the black frame shown in fig.8）

圖11 斷階型陸坡上部的典型滑坡體多道地震剖面圖（圖3中測(cè)線4）Fig.11 A multi－channel seismic profile of typical landslides on the upper of the fault terrace slope（survey line 4shown in Fig.3）

2.3.3 古珊瑚礁

從研究區(qū)側(cè)掃聲納影像中發(fā)現(xiàn)在水深220～300m處有大片古珊瑚發(fā)育。從聲納影像的陰影特征分為出露的古珊瑚礁和半掩埋的兩種。出露海底的珊瑚礁的相對(duì)高度不大，陰影不明顯，一般不高于1m。但局部陰影較長(zhǎng)，可能有些點(diǎn)位相對(duì)高度比較高。半掩埋的古珊瑚礁在側(cè)掃聲吶影像上顯示為不規(guī)則的條帶狀強(qiáng)反射帶（圖12）。

圖12 古珊瑚礁?jìng)?cè)掃聲納影像圖Fig.12 Side－scan sonar image of the ancient coral reefs

古珊瑚礁是一種較堅(jiān)硬的底質(zhì)，礁面起伏不平，在區(qū)域環(huán)境流場(chǎng)和管道運(yùn)行的工作下，常導(dǎo)致管道被磨損或懸空，危害海底管道的鋪設(shè)和運(yùn)營(yíng)。淺掩埋的古珊瑚礁對(duì)海底輸油氣管道的破壞主要是磨損作用，與出露的古珊瑚礁相比，其危害性較弱。在水深300～430m，由古珊瑚礁構(gòu)成的海底陡坡、珊瑚礁脊及侵蝕溝槽區(qū)，地形變化大，底質(zhì)可能為珊瑚礁和珊瑚碎屑，對(duì)海底管道的鋪設(shè)和運(yùn)行構(gòu)成很大的障礙（圖13）。

圖13 珊瑚礁脊、珊瑚礁斜坡和侵蝕溝槽的淺地層剖面圖（圖3中測(cè)線1）Fig.13 A shallow－stratum profile of coral reef ridge，coral reef slope and eroded trough （survey line 1shown in fig.3）

2.3.4 海底沙波和大波痕

海底沙波和大波痕是海浪作用下海底沙堆積而成的堆積體，在路由海域分布很廣。沙波波高在0.3～3m之間，波長(zhǎng)20～30m，波形一般以不對(duì)稱居多，緩坡向NW，陡坡向SE，波峰線形態(tài)不規(guī)則，連續(xù)性不好，總體形態(tài)似一連串新月形沙丘組成的沙丘鏈（圖14）。巨型波痕的波長(zhǎng)約8～10m。波峰線平直而連續(xù)，形態(tài)規(guī)則，平行分布。

圖14 海底沙波和大波痕的側(cè)掃聲吶影像Fig.14 Side－scan sonar image of submarine sand waves and mega ripples

沙波和大波痕發(fā)育的區(qū)域，海底沉積物主要是砂，在水動(dòng)力作用下，沙波和大波痕都具有很強(qiáng)的活動(dòng)性，不利于海底管道的鋪設(shè)和運(yùn)營(yíng)，甚至具有破壞性作用，如導(dǎo)致油氣泄露，引發(fā)生態(tài)災(zāi)害［30］。

2.3.5 海底陡坎、斷崖、陡坡

海底陡坎、斷崖、陡坡系指與陸坡地形走向平行或近于平行的海底陡坡、陡坎，主要分布在斷階型陸坡帶，最大坡度超過1.49°。大部分陡坎都與海底滑塌、滑坡有關(guān)，有些受淺斷層控制。它們都是海底管道鋪設(shè)和維護(hù)的不利地形因素，影響海底管道的鋪設(shè)，易造成管道滑動(dòng)和架空。

2.3.6 碎屑流沉積和濁流沉積物

碎屑流沉積和濁流沉積物系指坡面上的碎屑蠕動(dòng)或突發(fā)性滑塌運(yùn)動(dòng)所形成的堆積體。這種堆積體主要分布在海底峽谷兩側(cè)的斜坡上。其強(qiáng)度普遍較低，平均不排水剪切強(qiáng)度為8～15kPa①中海油田服務(wù)有限公司.海底管道路由區(qū)工程地質(zhì)勘察報(bào)告.2012.。它們都有可能重新被搬運(yùn)，形成沉積物流，從而造成海底管道懸空、被覆蓋和彎折。堆積體的活動(dòng)性取決于它們的成熟度，或者說與其形成年代有關(guān)。近期的沉積被重新搬運(yùn)的可能性較高，較老的沉積比較穩(wěn)定。

2.3.7 天然氣水合物

已有調(diào)查研究表明，荔灣3－1氣田的周邊海域陸坡滑塌扇扇端和斜坡扇是天然氣水合物富集的有利區(qū)［31－32］。天然氣水合物的融化和釋放，可能引發(fā)地層承載力降低，進(jìn)而觸發(fā)海底滑坡的發(fā)生［33－34］，威脅滑坡路徑上的海底管道。

3 結(jié) 語

研究區(qū)海底地形總體走向?yàn)镹E－SW向，自西向東由外陸架—陸架坡折帶，轉(zhuǎn)變?yōu)殛懫??？蓜澐譃橥怅懠苓吘壣巢ā蟛ê蹘?、珊瑚礁－沙波分布的斜坡帶、單斜型陸坡帶、斷階型陸坡帶和濁流堆積斜坡帶5個(gè)地貌單元。

研究區(qū)最顯著的地貌特征為斷階型陸坡區(qū)的12條巨型海底峽谷，峽谷內(nèi)滑塌發(fā)育。此外，研究區(qū)內(nèi)發(fā)育水下古珊瑚礁、海底沙波和大波痕、海底陡坎、斷崖、陡坡濁流沉積層、碎屑流沉積、侵蝕洼地和天然氣水合物等地質(zhì)災(zāi)害因素。

各地質(zhì)災(zāi)害因素總體上與南海陸坡的上部、中部和下部的分帶性一致：

單斜型陸坡帶的上部（水深200～400m）有沙波（巨型波痕）、古珊瑚礁分布；下部（水深400～670m），地形平坦，無不良地質(zhì)體分布。

斷階型陸坡帶地形破碎，海底峽谷、斷層陡坎、陡坡、滑坡、滑塌普遍發(fā)育。峽谷兩側(cè)谷坡上可見明顯的滑坡體、滑落的倒石堆等地貌形態(tài)。

濁流堆積斜坡帶：地形較平緩，海底峽谷的下切深度、寬度變小，逐漸消失。主要發(fā)育碎屑流（濁流）沉積物和海底滑坡等不良地質(zhì)體。

這些地質(zhì)災(zāi)害因素中，崎嶇的海底地形和陡坡處的易滑動(dòng)塊體對(duì)海底管道的威脅最大，并且獨(dú)特的海底峽谷地形與底流相互作用，產(chǎn)生的物質(zhì)搬運(yùn)與堆積對(duì)局部地形的再塑造，可能引發(fā)滑坡（滑塌）事件的發(fā)生。

致謝：感謝中海油研究總院李新仲總師、李清平首席及中海石油總公司工程部李建成經(jīng)理和陳可欽主管給予的幫助與支持。

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