陳梅, 夏真, 劉文濤, 何健 , 馬勝中

1. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(廣州), 廣東 廣州 511458;

2. 自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室, 中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局, 廣東 廣州 510760;

3. 中國地質(zhì)調(diào)查局南海地質(zhì)科學(xué)院, 海南 三亞 572025;

4. 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局三亞南海地質(zhì)研究所, 海南 三亞 572025

宣德環(huán)礁作為近年來我國南海島礁建設(shè)的重點對象, 目前已成為我國西沙群島、南沙群島、中沙群島的經(jīng)濟和政治中心(李學(xué)杰 等, 2017)。2012 年三沙市成立以來, 三沙市府所在的宣德環(huán)礁的海洋經(jīng)濟活動(如港口運輸、通信電纜等)、居民生活設(shè)施(如醫(yī)院、商店、賓館、郵局、學(xué)校、圖書館等)、交通設(shè)施(環(huán)島公路、機場、碼頭等)和生產(chǎn)設(shè)施(如氣象臺、海洋站、水產(chǎn)站、發(fā)電站等)等迅速開展并日趨完善(張尚初, 2012)。隨著宣德環(huán)礁旅游業(yè)、漁業(yè)及海底資源的開發(fā)、管理與推進, 海洋地質(zhì)災(zāi)害對海洋工程設(shè)施和海洋環(huán)境等可能造成的風(fēng)險需要引起高度重視。島礁平均海拔僅幾米, 一旦發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害, 可能對島礁的基礎(chǔ)設(shè)施、居民的生命財產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境造成損害。目前已有報道顯示宣德環(huán)礁東部可能存在海底滑坡的歷史痕跡(圖 1)(秦志亮等, 2014; 李學(xué)杰 等, 2017; Wang et al, 2018; 孫啟良 等, 2021)。海底滑坡作為危害性最大的海洋地質(zhì)災(zāi)害之一, 可能破壞海底電纜、油氣管線和油氣開發(fā)平臺等重要海上基礎(chǔ)設(shè)施, 對海洋工程建設(shè)造成重大威脅(Nisbet et al, 1998; 孫啟良 等, 2021); 同時, 海底滑坡還可能觸發(fā)海嘯, 對沿海地區(qū)人們的生命、財產(chǎn)安全和基礎(chǔ)設(shè)施造成重大損害(Synolakis et al, 2002; L’Heureux et al, 2014)。因此, 加強島礁區(qū)地質(zhì)災(zāi)害特征研究, 有助于島礁建設(shè)優(yōu)化布局,提高災(zāi)害主動防御能力, 為島礁居民生命財產(chǎn)及工程設(shè)施提供地質(zhì)環(huán)境保障。

然而, 長期以來宣德環(huán)礁及周邊海域可供利用的綜合地球物理資料有限, 不能滿足高精度的地質(zhì)災(zāi)害和海洋工程建設(shè)地質(zhì)條件綜合評價的需要, 因此周邊海域地質(zhì)災(zāi)害研究工作無法系統(tǒng)開展。2018 年廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在宣德環(huán)礁東部海域開展了綜合地球物理調(diào)查, 獲得了測線密度為1km×2km 單道地震數(shù)據(jù)(圖1b)。這些地震數(shù)據(jù)質(zhì)量良好, 信噪比高, 為詳細開展研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型及分布研究提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本文以這些資料為基礎(chǔ), 通過地震資料綜合解釋分析, 揭示研究區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育類型及分布特征, 探討其對海底工程安全的威脅, 可以為島礁資源勘查開發(fā)、環(huán)境保護和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)地質(zhì)服務(wù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于西沙海域宣德環(huán)礁東南部, 面積約150km2, 水深變化范圍20～1060m, 涵蓋范圍為礁體邊緣和礁體斜坡帶, 包含了宣德環(huán)礁海底滑坡或重力搬運沉積(mass transport depositions, MTDs)上游部分(圖1)。西沙海域位于南海西北部大陸坡, 北臨西沙海槽, 西鄰瓊東南盆地, 東接中沙群島, 發(fā)育大規(guī)模碳酸鹽臺地和一系列生物礁, 形成了著名的西沙群島(朱偉林 等, 2017)。西沙群島由40 余座島、洲、礁、沙灘和暗礁組成(秦志亮 等, 2014), 主要發(fā)育有宣德環(huán)礁、永樂環(huán)礁、東島環(huán)礁、華光礁、北礁、玉琢礁和浪花礁等大中型礁體, 其中宣德環(huán)礁位于西沙群島東部, 與東島環(huán)礁毗鄰(圖1a)。

圖1 研究區(qū)位置圖a. 研究區(qū)區(qū)域背景圖。宣德環(huán)礁多波束地形圖引自Gao 等(2019), 南海地形圖基于審圖號GS(2016)1609 的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作。其中黑色方框為圖b 區(qū)域, 藍色方框為研究區(qū), 空白區(qū)表示缺少實測地形數(shù)據(jù)。b. 本文地震測線位置圖。底圖引自Wang 等(2018), 圖b 中的綠色實線為地震測線, 藍色實線為重力搬運沉積(MTDs)的長寬范圍Fig. 1 Map of the study area

西沙群島構(gòu)造上屬于西沙地塊, 基底為中生代和古生代變質(zhì)巖(朱偉林 等, 2017), 地殼為減薄型大陸地殼, 厚度為24～26km (黃海波 等, 2011)。西沙地塊構(gòu)造演化歷史以層序界面T60 (約23Ma)為界,分為裂陷期和裂后期兩個階段, 裂陷期斷裂活動頻繁, 沉積-構(gòu)造受到斷裂控制; 裂后期以熱沉降為主,廣泛接受海相沉積, 是生物礁廣泛發(fā)育的時期(Wu et al, 2014)。早中新世時期, 碳酸鹽沉積分布于西沙隆起局部高地; 中新世中期, 西沙地區(qū)廣泛發(fā)育碳酸鹽臺地; 晚中新世由于海平面上升, 臺地發(fā)育范圍萎縮; 進入上新世—第四紀(jì), 碳酸鹽臺地分布進一步縮小, 逐步發(fā)展為孤立的臺地, 以現(xiàn)今的宣德環(huán)礁和永樂環(huán)礁為典型(Wu et al, 2014; 楊振,2014)。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

本文的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為17 條單道地震剖面, 總長度約230km, 其中主測線為北東—南西向, 共10 條,每條長度約15km; 聯(lián)絡(luò)測線為北西—南東向, 共7條, 每條長度約10km (圖1b)。數(shù)據(jù)穿透最大沉積厚度約350ms (雙程時間), 滿足淺部地層地質(zhì)災(zāi)害特征識別。該數(shù)據(jù)由廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局于2018 年采用“奮斗5 號”船采集, 采用SIG 2Mile 電火花震源,GEO-SENSE 48 型信號接收電纜。震源能量1000J,震源沉放深度1～2m, 激發(fā)間隔1000ms, 電極與電纜接收中心點間距7m。電纜沉放深度0.5～1m, 采樣頻率 4000Hz, 記錄長度 500ms, 數(shù)據(jù)記錄格式SEGY。本文單道地震數(shù)據(jù)處理由廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局數(shù)據(jù)處理研究所完成, 采用Omega2015 地震資料處理系統(tǒng), 目標(biāo)處理主要有以下幾項: 1) 分析信號的有效頻帶范圍, 帶通濾波壓制高低頻干擾, 濾波范圍為40～1500Hz; 2) 地震記錄提前量計算和校正,通過計算得出該工區(qū)普遍存在記錄提前, 提前量約6.33ms, 并進行校正; 3) 大值干擾壓制, 處理的頻帶寬度0～1500Hz, 空間中值濾波寬度7Hz; 4) 涌浪靜校正, 帶通濾波60～600Hz; 5) 多次波壓制; 6) 球面擴散振幅補償, 增益指數(shù)為1.5; 7) 海底手動拾取及切除; 8) 坐標(biāo)校正和導(dǎo)航號標(biāo)定。地震資料解釋采用GeoSuite 2.6 軟件, 制圖采用CorelDraw 軟件。

3 地質(zhì)災(zāi)害特征

海域地質(zhì)災(zāi)害因素類型的劃分方法眾多, 至今尚無統(tǒng)一劃分方案。本文地質(zhì)災(zāi)害研究主要為島礁海洋工程建設(shè)服務(wù), 分類方案遵循簡明實用原則,采用劉守全等(1997)的劃分方案, 根據(jù)致災(zāi)動力條件, 海域地質(zhì)災(zāi)害因素主要分為內(nèi)動力地質(zhì)災(zāi)害因素(如地震、火山等)和外動力地質(zhì)災(zāi)害因素兩大類(滑坡、海底陡坎、侵蝕溝、淺層氣、軟土層及其他海底不穩(wěn)定性等)(劉守全 等, 1997)。研究區(qū)位于宣德環(huán)礁東部斜坡帶, 面積約150km2, 通過研究區(qū)歷史地震記錄、火山活動資料、前人研究成果及本文單道地震資料解譯, 揭示研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害類型發(fā)育種類較少, 研究區(qū)內(nèi)目前沒有發(fā)現(xiàn)現(xiàn)今仍在活動的活火山, 歷史上也未記錄到地震記錄。通過研究區(qū)地震剖面及海底地形共識別出了3 種地質(zhì)災(zāi)害類型: 海底滑坡、海底陡坎和斷層。

3.1 海底滑坡

海底滑坡是巖體或沉積物發(fā)生失穩(wěn)破壞后, 在重力作用下沿坡度方向向坡下運動的海底地質(zhì)過程(Hampton et al, 1996), 廣泛發(fā)育于大陸邊緣斜坡和海島斜坡帶(Moscardelli et al, 2016; Huhn et al,2019), 是沉積物向深海輸送的重要方式(孫啟良 等,2021)。海底地形顯示研究區(qū)北部發(fā)育有一個大規(guī)模海底滑坡(或MTDs), 該滑坡起源于宣德環(huán)礁礁體邊緣, 向東與三沙峽谷相接, 是研究區(qū)最大的海底滑坡(圖1)。Wang 等(2018)和李學(xué)杰等(2017)通過海底地形資料揭示該滑坡長 17.23km, 最大寬度14.51km, 滑坡側(cè)壁陡崖最高達91m, 將其稱之為永興島海底滑坡。本文研究區(qū)位于該滑坡的上游部分,研究區(qū)約三分之一面積為海底滑坡區(qū)。地震剖面顯示, 與正常海底相比, 該海底滑坡區(qū)沉積物被侵蝕搬運, 滑坡側(cè)壁形成陡峭的海底陡坎, 沉積物被侵蝕搬運厚度達120m (雙程走時170ms)(圖2)。Z05、Z07、Z10 剖面(圖2)和L05 剖面(圖3)均顯示該MTDs有明顯的滑坡面, 滑坡面在地震剖面上為強振幅連續(xù)反射, 滑坡面之下地層未受滑坡影響主要為層狀連續(xù)反射特征, 滑坡面之上地層受滑坡作用影響產(chǎn)生明顯的變形和侵蝕。

研究區(qū)除了上述大規(guī)模海底滑坡外, 地震剖面揭示還發(fā)育一些小型海底滑坡, 面積2～6km2不等,這些小型的海底滑坡在地震剖面上具有便于識別的外部幾何形態(tài)和內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)特征(如圖3a、3c)。L07剖面位于大規(guī)模海底滑坡邊緣, 該剖面顯示在MTDs北部還發(fā)育一處面積約2km2的小型海底滑坡, 該滑坡有明顯的滑坡后壁、滑坡面和滑動塊體。滑坡后壁因沉積物滑動而形成陡坎, 滑坡面呈強振幅連續(xù)反射特征(圖3a), 滑動塊體沿著滑坡面整體下滑, 內(nèi)部地層未變形, 保持沉積時的層狀地震反射特征。L03剖面未過研究區(qū)大規(guī)模海底滑坡區(qū), 該剖面顯示一處面積約6km2的小型海底滑坡, 該滑坡與L07 顯示的小型滑坡有所不同, 除了有滑坡后壁、滑坡面和滑動塊體之外, 在斜坡腳處, 還堆積了滑坡沉積, 這些沉積主要呈強振幅低頻雜亂地震相, 向深海逐漸過渡為席狀亞平行弱振幅連續(xù)反射(圖3c)。

3.2 海底陡坎

海底陡坎是指海底面在高程上的突降, 海底坡度出現(xiàn)突然增加。研究區(qū)陡坎在多條地震剖面上均有顯示(圖2～圖4), 依據(jù)其成因可將研究區(qū)陡坎大致分為兩類: 礁體陡坎(圖4)和滑坡陡坎(圖2)。礁體陡坎主要位于研究區(qū)西南部的礁盤上, 形成2 個典型階梯狀, 陡坎高程大約介于15～35m 之間(圖3c和圖4), 是礁體生長過程中, 臺地發(fā)育范圍受控于當(dāng)時海平面位置, 隨后由于海平面上升, 宣德環(huán)礁碳鹽臺地逐步萎縮, 形成的陡坎地形。研究區(qū)滑坡陡坎垂直高程比礁體陡坎更大, 最大達100m (圖2),滑坡陡坎是由于地層失穩(wěn)產(chǎn)生滑動產(chǎn)生, 實際上就是滑坡陡壁, 分布在滑坡體的后緣和側(cè)壁, 與海底滑坡作用伴生。由于陡坎具有較大的坡度, 在工程建設(shè)施工(管線布設(shè)、平臺設(shè)置等)中具有十分不利的影響, 且有些陡坎具有活動性(如滑坡陡坎), 容易造成基底不穩(wěn), 應(yīng)當(dāng)避開。

圖3 主測線L07 (a)、L05 (b)、L03 (c)地震剖面解釋結(jié)果圖中綠色虛線表示滑坡面; 黃色虛線表示滑坡前端的丘狀沉積Fig. 3 The interpretation of inline seismic profiles L07 (a), L05 (b), and L03 (c)

圖4 Z01 測線展示的海底陡坎Fig. 4 Seismic profile Z01 showing seabed scarps

3.3 斷層

通過對研究區(qū)17 條單道地震的解釋, 結(jié)果顯示研究區(qū)未發(fā)育有明顯的、至今仍活動的區(qū)域性斷層,僅發(fā)育一些小型斷層。這些小型斷層僅在部分測線發(fā)育, 切割局部地層, 斷層無明顯走向, 主要與海底滑坡伴生, 為滑坡拉伸作用而形成的局部張性斷層(圖2c)。這些局部發(fā)育的斷層與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用形成的斷層不同, 構(gòu)造應(yīng)力作用形成的斷層通常延伸距離較遠, 地層切割較深, 斷層走向具有一定分組性。

圖2 聯(lián)絡(luò)測線Z05 (a)、Z07 (b)、Z10 (c)地震剖面解釋結(jié)果Fig. 2 The interpretation of crossline seismic profiles Z05 (a), Z07 (b), and Z10 (c)

4 研究區(qū)海底滑坡成因及災(zāi)害性探討

本文結(jié)果表明海底滑坡是研究區(qū)最主要的地質(zhì)災(zāi)害因素(圖5b)。研究表明, 當(dāng)沉積物剪切應(yīng)力超過海底沉積物的剪切強度時就會失去穩(wěn)定性, 形成海底滑坡(Bull et al, 2009)。縱觀全球海底滑坡觸發(fā)機制的研究, 可以發(fā)現(xiàn)除了地震活動和快速沉積作用之外, 水合物分解、侵蝕、底辟、泥火山、波浪及人為活動均可能是海底滑坡的觸發(fā)機制(Herzer,1975; Weaver et al, 1983; Prior et al, 1989; Hance,2003; 朱超祁 等, 2015)。西沙地區(qū)主要發(fā)育NE、EW 向兩組斷裂(圖5a), 這些斷裂形成受多期構(gòu)造運動影響, 呈繼承性活動, 更新世后構(gòu)造趨于穩(wěn)定, 僅少數(shù)斷裂活動至今(馮英辭 等, 2015)。本文研究區(qū)范圍較小, 未揭示有與構(gòu)造活動有關(guān)的活動性斷層, 僅局部區(qū)域發(fā)育與沉積作用有關(guān)的小斷層(圖 5b)。西沙群島地區(qū)目前沒有發(fā)現(xiàn)現(xiàn)今仍在活動的活火山, 雖然西沙海域第四紀(jì)存在火山活動, 但噴發(fā)時期為更新世(陳俊仁, 1978)。同時,西沙地區(qū)發(fā)生大地震的概率較小, 歷史上大震級地震發(fā)生頻率低, 研究區(qū)近200km 海域50 年來有記載的地震記錄只有一次, 即1989 年5 月東島環(huán)礁附近海域發(fā)生的4.9 級地震, 震源深度31km (據(jù)中國地震臺網(wǎng)地震目錄), 震中距研究區(qū)約40km。綜上所述, 研究區(qū)現(xiàn)今區(qū)域構(gòu)造環(huán)境較為穩(wěn)定,構(gòu)造活動引起海底滑坡的概率較小。

圖5 西沙地區(qū)斷層及歷史地震分布(a)及研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布特征(b)斷層根據(jù)馮英辭等(2015), 地震據(jù)中國地震臺網(wǎng)地震目錄, 水等深線基于審圖號GS(2016)1609 的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作Fig. 5 Faults and historical earthquake record distribution of Xisha area (a), and Geohazards types and distribution in the study area (b)

在研究區(qū)構(gòu)造背景相對穩(wěn)定的情況下, 仍發(fā)育諸多海底滑坡, 陡峭的地形起主導(dǎo)作用。研究區(qū)位于宣德環(huán)礁斜坡帶, 水深變化迅速, 由幾十米快速變化至1000m (圖1a), 坡度最大超過30°, 如此陡峭的地形, 沉積物在重力作用下很容易失穩(wěn), 發(fā)生向坡下的搬運, 誘發(fā)海底滑坡。同時, 已有研究報道宣德環(huán)礁東部發(fā)育一條大型海底峽谷(三沙峽谷), 該峽谷源于宣德環(huán)礁和東島環(huán)礁之間的淺水區(qū)域, 向東延伸至西北次海盆, 是西沙碳酸鹽臺地向深海盆地沉積物搬運的重要通道(李學(xué)杰 等, 2017)。三沙峽谷水道的存在對研究區(qū)海底穩(wěn)定性會造成重要影響, 因為在峽谷水道搬運作用下, 水道周邊沉積物會不斷被侵蝕搬運, 造成海底侵蝕, 甚至誘發(fā)海底滑坡。

大量研究與報道表明, 海底滑坡作為最重要的海洋地質(zhì)災(zāi)害因素, 不僅對海洋工程影響巨大, 同時滑坡引起的海嘯更是對人類生命財產(chǎn)安全產(chǎn)生極大威脅, 如1929 年紐芬蘭的Grand Banks 地震觸發(fā)的海底滑坡, 切斷了跨大西洋的海底電纜, 同時造成27 人死亡, 造成了巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡(Nisbet et al, 1998)。同時, 不只是大規(guī)模海底滑坡能造成嚴(yán)重災(zāi)害, 研究表明小型的海底斜坡垮塌也可能在當(dāng)?shù)匾鸫笮秃[(Frohlich et al, 2009), 如1998 年巴布亞新幾內(nèi)亞體積僅0.5km3的海底滑坡觸發(fā)的海嘯淹沒了該島 20km 長的海岸線, 造成2152 人喪生(Synolakis et al, 2002)。因此, 研究區(qū)的海底滑坡也需要引起足夠重視, 有必要進一步開展島礁區(qū)海底滑坡調(diào)查與研究, 為島礁及其周圍海域的基礎(chǔ)工程建設(shè)、災(zāi)害主動防御和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供地質(zhì)保障。

5 結(jié)論

通過對宣德環(huán)礁東部海域斜坡帶災(zāi)害地質(zhì)因素的研究分析, 本文得出以下認識:

1) 研究區(qū)主要發(fā)育海底滑坡、海底陡坎和斷層3 類地質(zhì)災(zāi)害。其中, 海底滑坡是研究區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害因素, 規(guī)模大小不一, 其次為海底陡坎和斷層,在管線布設(shè)、平臺設(shè)置等工程建設(shè)施工中應(yīng)避開這些地質(zhì)災(zāi)害。

2) 海底陡坎根據(jù)成因可分為礁體陡坎和滑坡陡坎。礁體陡坎為是礁體在生長過程中, 受海平面變化影響, 碳酸碳臺地逐步萎縮形成陡坎地形。滑坡陡坎分布在滑坡體的后緣, 與海底滑坡伴生。

3) 陡峭的地形和峽谷水道侵蝕搬運作用是研究區(qū)海底滑坡發(fā)育的主控因素。