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海洋物探技術(shù)在海南島西南陸架災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

2016-10-26 11:01:19宋家偉
關(guān)鍵詞:陸架聲吶剖面

朱 鈺,靳 程,陳 飛,宋家偉

(海南省海洋地質(zhì)調(diào)查研究院,海南 ???570206)

海洋物探技術(shù)在海南島西南陸架災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

朱 鈺,靳 程,陳 飛,宋家偉

(海南省海洋地質(zhì)調(diào)查研究院,海南 ???570206)

隨著勘探技術(shù)的發(fā)展和海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)工作的不斷進(jìn)行,對(duì)海底尤其是陸架地區(qū)災(zāi)害地質(zhì)情況調(diào)查勢(shì)在必行。本文介紹了以海南島西南陸架區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū),利用海洋物探技術(shù)對(duì)海底災(zāi)害地質(zhì)做的調(diào)查和研究。

海洋物探技術(shù);災(zāi)害地質(zhì);海南島西南陸架

0 引言

海洋地球物理學(xué)是地球科學(xué)的主要學(xué)科,它利用物理的原理和探測(cè)方法研究海洋的現(xiàn)狀和形成動(dòng)力。近年來(lái),隨著海洋資源的開(kāi)發(fā),為了正確的認(rèn)識(shí)海底的地層地貌,排查和預(yù)測(cè)可能存在的海洋地質(zhì)災(zāi)害,以保證海底工程的建設(shè),海洋地球物理探測(cè)技術(shù)正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。側(cè)掃聲吶和淺地層剖面測(cè)量是目前常用的兩種海洋物探技術(shù),是本次海底災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查的主要手段。

1 調(diào)查區(qū)概況

調(diào)查區(qū)位于海南島西南海域,涉及樂(lè)東海域,東方海域和三亞海域(圖1)。水深范圍大約0~90m,海底坡度大約在0~1o,水深變化不大,水深等值線為NS走向、SE走向和EW走向。該海域有我國(guó)優(yōu)良漁場(chǎng)和豐富海底礦產(chǎn)資源,具有十分重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。該海域海底底質(zhì)比較復(fù)雜,主要為泥砂、泥底,兼有少量礫、貝殼、巖石底;工區(qū)西部以泥、砂、泥砂底為主,并有珊瑚、貝殼、巖石出現(xiàn)。

2 調(diào)查方法及數(shù)據(jù)處理

本次調(diào)查主要應(yīng)用側(cè)掃聲吶技術(shù)和淺地層剖面測(cè)量技術(shù),在調(diào)查區(qū)內(nèi)以5km×10km的測(cè)網(wǎng)間距進(jìn)行海底地貌和地層測(cè)量。

側(cè)掃聲納技術(shù)是一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的水底成像方法,和雷達(dá)的原理相似,只是用聲波代替了電磁波,通過(guò)連接數(shù)字采集系統(tǒng),能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行水底物體的搜索和測(cè)量。側(cè)掃聲納由內(nèi)裝有聲納換能器的聲納拖魚(yú)、數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)和連接電纜構(gòu)成。拖魚(yú)的兩側(cè)按固定時(shí)間間隔向水底發(fā)射有一定音頻能量的狹窄波束,從水底反射回的聲波根據(jù)幅值大小構(gòu)成海底地形的灰度圖。本次調(diào)查側(cè)掃設(shè)備使用美國(guó)EdgeTech公司生產(chǎn)的EdgeTech 4200MP側(cè)掃聲吶系統(tǒng),采用100kHz/400kHz雙頻同時(shí)工作。側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)用Sonarwiz軟件進(jìn)行處理,獲得典型區(qū)域的聲吶圖像,處理后的圖像反映了微地貌在平面上的形態(tài)。

淺地層剖面測(cè)量工作原理和側(cè)掃聲吶相似,都是利用聲學(xué)與地質(zhì)學(xué)相關(guān)原理。他們的區(qū)別在于淺地層剖面系統(tǒng)發(fā)射頻率較低,產(chǎn)生聲波的電脈沖能量較大,具有較強(qiáng)的穿透力,能夠有效的穿透海底幾十米甚至幾百米的地層[1]。由于不同的沉積物存在著密度差異,這種差異在聲波反射上表現(xiàn)為波阻抗界面,差異越大,波阻抗界面就越明顯。淺地層剖面儀發(fā)出的聲波脈沖遇到波阻抗界面就會(huì)發(fā)生反射,反射聲波被換能器接收并轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào),最后輸出能夠反映地層聲學(xué)特征的淺地層聲學(xué)記錄剖面。本次調(diào)查淺地層剖面儀采用測(cè)量設(shè)備為Edegetech 3200-XS淺層剖面儀,工作頻率為0.5kHz~10kHz。數(shù)據(jù)處理與解釋軟件采用GeoSuite Allworks,該軟件的處理功能比較簡(jiǎn)單,數(shù)據(jù)的處理流程包括原始資料輸入、道檢查、時(shí)變?cè)鲆妗V波及道均衡等。對(duì)調(diào)查區(qū)淺地層剖面的解釋?zhuān)紫雀鶕?jù)反射界面識(shí)別標(biāo)志將其中一條反射結(jié)構(gòu)清晰的剖面進(jìn)行分層,然后通過(guò)聯(lián)絡(luò)剖面,對(duì)其它所有剖面進(jìn)行對(duì)比分析,使全區(qū)測(cè)線上的所有界面閉合。

圖1 調(diào)查區(qū)海底災(zāi)害地質(zhì)分布圖Fig.1 Distribution of seabed disaster geology in investigated region

3 調(diào)查區(qū)典型海底災(zāi)害地質(zhì)分類(lèi)

海洋災(zāi)害地質(zhì)根據(jù)空間分布可以分為海底表層和海底以下淺層兩種[2,3]。前者常見(jiàn)的有活動(dòng)的水下沙波、潮流沙脊、強(qiáng)烈的海底侵蝕和堆積和溝谷地貌等;后者包括古河道、古湖泊、淺斷層及淺層氣等。通過(guò)對(duì)調(diào)查區(qū)進(jìn)行海洋地球物理探測(cè),我們發(fā)現(xiàn)該海域典型海底災(zāi)害地質(zhì)主要有潮流沙脊及海底沙波、古河道和淺斷層(圖1)。

3.1 潮流沙脊及海底沙波

潮流沙脊(圖2)和海底沙波(圖3)是海底活動(dòng)較強(qiáng)的砂質(zhì)脊?fàn)疃逊e體,一般形成于往復(fù)流的潮流區(qū),沙源供應(yīng)充足的環(huán)境中[4]。沙脊、沙波的遷移運(yùn)動(dòng)會(huì)造成管道懸跨,使懸跨的管道在波流引起的水動(dòng)力載荷及自重載荷的多重作用下發(fā)生振動(dòng),造成懸跨管道的疲勞損壞[5]。海底沙脊和沙波由海底月型沙丘演化而來(lái)。研究表明,水流方向和供沙量是改造沙丘形態(tài)的兩個(gè)最為重要的參數(shù)。當(dāng)?shù)琢魉僭龃髸r(shí),沙丘迎水坡和背水坡的寬度會(huì)逐漸增大,沙丘角會(huì)逐漸退縮,月型沙丘最終演化為沙脊:而當(dāng)水流流速降低,供沙量增大時(shí),沙丘的兩角會(huì)逐漸伸直、伸長(zhǎng),迎水坡和背水坡的寬度逐漸變窄, 月型沙丘最終演化為沙波[6]。

根據(jù)側(cè)掃聲吶影像顯示,調(diào)查區(qū)內(nèi)的潮流沙脊發(fā)育于感恩角外海域10~45m水深之間海底,而40~50m水深區(qū)域僅有零星分布,小于15m和大于50m水深區(qū)域均未發(fā)現(xiàn)。沙脊在區(qū)內(nèi)大部分呈NE向展布,延伸長(zhǎng)度從18km到40km以上展布寬度一般在3~5km,最大可達(dá)8km;在東部分布的一小塊呈EW向,延伸長(zhǎng)度8km左右。感恩角外海域的沙波大多發(fā)育在兩條沙脊間及其兩側(cè)脊坡上。波脊線或沙壟的延伸方向基本上呈EW或NEE向,延伸長(zhǎng)度13~50km以上,展布寬度都在4km以上,最大可達(dá)20km;在鶯歌咀至南山角岸外有一處大面積的沙波分布,面積約660km2,沙波脊線的延伸方向?yàn)镹W,沙波間距較感恩角外海域沙波發(fā)育的大。

3.2 古河道

圖2 側(cè)掃聲吶影像反映的潮流沙脊Fig.2 Tidal sand ridges reflection on sidescan sonar image

圖3 側(cè)掃聲吶影像反映的沙波Fig.3 Sand waves reflection on sidescan sonar image

圖4 古河道在淺地層剖面圖上的反映Fig.4 Ancient river channal reflection on bottom profiling

圖5 淺斷層SF1在淺地層剖面圖上的反映Fig.5 Hallow fault SF1 reflection on bottom profiling

由于第四紀(jì)期間海平面的巨大變動(dòng),海南島陸架區(qū)多次裸露成陸地,其上發(fā)育不少河流。到了全新世初期,隨著大規(guī)模的海侵運(yùn)動(dòng),陸架上的河道逐漸地被海水所淹沒(méi),并且被埋藏在不同深度的海相沉積物層下,成為晚更新世的埋藏古河道。古河道充填沉積物具有復(fù)雜性和多變性,其粒度組分、分選程度、密度、剪切力等一系列物理物質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)的差異,在幾米或幾十米的水平距離內(nèi)可能發(fā)生很大變化,持力不均。在長(zhǎng)期侵蝕、沖刷及上覆荷載下,容易發(fā)生局部塌陷,使地層原有結(jié)構(gòu)破壞,造成構(gòu)筑物基礎(chǔ)不穩(wěn)定,對(duì)海洋工程十分不利。

利用淺地層剖面系統(tǒng)探測(cè)到調(diào)查區(qū)有古河道的存在(圖4)。古河道的層間反射結(jié)構(gòu)以強(qiáng)振幅、變頻率的雜亂反射為主,常有不連續(xù),有丘狀凸起或槽型凹陷形態(tài)。古河道通常與連續(xù)—較連續(xù)的水平反射層呈不整合或假整合接觸。

3.3 淺部斷層

我國(guó)大部分海域第四紀(jì)地層中的斷層基本上都是活動(dòng)斷層,與地震活動(dòng)關(guān)系密切, 易觸發(fā)海底滑坡、砂土液化、海底泥石流等災(zāi)害[1]。斷層引起的海底區(qū)域性的錯(cuò)動(dòng)、沉降及形變,造成海底基底失穩(wěn),可能會(huì)造成海底構(gòu)筑物坍塌或海底管線折斷。在淺地層剖面圖上(圖5),斷層識(shí)別的標(biāo)志為連續(xù)性好的反射波同相軸發(fā)生系統(tǒng)的錯(cuò)斷、分叉、扭曲、強(qiáng)相位轉(zhuǎn)換等。本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)的淺斷層只有三條,且規(guī)模不大,但只要發(fā)生在第四紀(jì)的活動(dòng)構(gòu)造,都是潛在的災(zāi)害地質(zhì)因素。

4 結(jié)論

側(cè)掃聲吶和淺地層剖面測(cè)量是探測(cè)海底地形地貌、海底淺地層結(jié)構(gòu)、海底沉積特征的有效手段。它們的優(yōu)點(diǎn)是操作方便、成本低,效率高、分辨率高及穿透深度大。隨著海洋資源開(kāi)發(fā)的興起和海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施,以這兩種技術(shù)為代表的各種海洋物探手段在海洋工程建設(shè)和海洋科學(xué)研究中將會(huì)得到日益廣泛的應(yīng)用。

[1]王方旗, 淺地層剖面儀的應(yīng)用及資料解譯研究[D].青島:國(guó)家海洋局第一海洋研究所,2010.

[2]李西雙,劉保華,鄭彥鵬,等.黃東海災(zāi)害地質(zhì)類(lèi)型及聲學(xué)反射特征[J]. 青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào), 2002. 32(1): 107-114.

[3]宋召軍,張志珣,劉立.南黃海海底災(zāi)害地質(zhì)因素的識(shí)別[J]. 海洋地質(zhì)動(dòng)態(tài), 2003. 19(4): 107-114.

[4]劉錫清.中國(guó)海洋環(huán)境地質(zhì)學(xué) [M] .北京: 海洋出版社. 2006

[5]李澤文.南海北部外陸架災(zāi)害地質(zhì)因素及其對(duì)海底管道的影響研究[D].青島:中國(guó)科學(xué)院海洋研究所. 2011

[6]欒錫武,彭學(xué)超,王英民,等. 南海北部陸架海底沙波基本特征及屬性[J]. 地質(zhì)學(xué)報(bào), 2010. 84(2): 233-245.

APLICATION OF MARINE GEOPHYSICAL PROSPECTING TECHNOLOGY IN DISASTER GEOLOGY INVESTIGATION ON CONTINENTAL SHELF OF SOUTHWEST HAINAN ISLAND

ZHU Yu, JIN Cheng, CHEN Fei, SONG Jia-wei
(Marine Geological Survey Institute of Hainan Province, Hainan Haikou 570206,China)

As development of Inspection technology and exploition of ocean oil and gas in progress,investigating disaster geology on seabed especially on continental shelf is nessesary. This papper introduces a way to investigate and reserch seabed disaster geology by aplicating marine geophysical prospecting technology, takes continental shelf of southwest Hainan island as a reserch zone.

marine geophysical prospecting technology; disaster geology; continental shelf of southwest Hainan island

P315.9; P716.7

A DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.03.016

1674-8565(2016)03-0087-04

2016-06-26

2016-07-28

朱鈺(1983-),男,侗族,四川省仁壽縣人,2008年畢業(yè)于廈門(mén)大學(xué),碩士研究生,工程師,現(xiàn)主要從事海洋地質(zhì)、遙感及物探的工作。E-mail:8222915@163.com

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