張匡華 ,陳飛 ,王嘉琳 ,仝長(zhǎng)亮 ,韓孝輝 ,鐘宙燦

(1.海南省海洋地質(zhì)資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ?？?570206;2.海南省海洋地質(zhì)調(diào)查研究院 ?？?570206;3.海南省地質(zhì)測(cè)試研究中心 海口 570206;4.海南省地質(zhì)綜合勘察院 ?？?570206)

0 引言

港口工程、海底管纜鋪設(shè)、海上鉆井工程等都需要穩(wěn)定的海底地質(zhì)環(huán)境[1]。古河道充填沉積物具有復(fù)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(zhì)和力學(xué)性質(zhì)的差異,導(dǎo)致持力不均,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)被破壞,構(gòu)筑物基礎(chǔ)不穩(wěn)定,對(duì)海洋工程建設(shè)十分不利[2],因此古河道是陸架出現(xiàn)最多的限制性災(zāi)害地質(zhì)因素。此外,古河道發(fā)育的晚第四紀(jì)是全球氣候變化的重要時(shí)期,冰期至間冰期轉(zhuǎn)換和海平面大幅升降等變化,導(dǎo)致氣候和沉積環(huán)境相應(yīng)發(fā)生重大變化[3]。冰期岸線向陸架推進(jìn),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(qū)形成特殊的沉積地層,這些沉積地層蘊(yùn)含豐富的陸海相互作用、海平面和氣候變化等古環(huán)境信息[4-6]。通過(guò)對(duì)研究區(qū)單道地震資料進(jìn)行處理和解釋,識(shí)別埋藏古河道,分析其空間分布規(guī)律并對(duì)隱藏其中的地質(zhì)信息進(jìn)行挖掘,既有利于為海洋工程建設(shè)、防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)[7],又有助于揭示古河流沉積動(dòng)力環(huán)境特點(diǎn),對(duì)復(fù)原海南島西南海域沉積作用的發(fā)育歷史等方面具有較大的科學(xué)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)

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]?？傮w來(lái)看,研究區(qū)海底表層沉積物為礫砂,遠(yuǎn)岸區(qū)為黏土質(zhì)粉砂,基本平行于海岸線呈帶狀分布;沉積物類型從近岸區(qū)至遠(yuǎn)岸區(qū)依次為中砂、中細(xì)砂至礫砂、砂礫、礫砂、中細(xì)砂,較深水區(qū)沉積物主要為細(xì)砂和黏土質(zhì)粉砂,局部有珊瑚礁分布[9]。研究區(qū)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(shí)針環(huán)流,主要受潮致余流、風(fēng)生流和密度流的影響[10]。

1.2 研究數(shù)據(jù)及分析方法

單道地震數(shù)據(jù)采集使用Geo-Spark 2000J單道地震采集系統(tǒng),測(cè)量網(wǎng)度為5 km×10 km,地震數(shù)據(jù)垂直分辨率優(yōu)于0.5 m。地震數(shù)據(jù)處理采用系統(tǒng)自帶的GeoSuite Allworks軟件,主要處理流程包括原始數(shù)據(jù)輸入、壞道剔除、時(shí)變?cè)鲆?、帶通濾波;地震解釋主要運(yùn)用層序地層學(xué)和地震地層學(xué)的原理,根據(jù)地震相反射特征和界面識(shí)別標(biāo)志進(jìn)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(tài)和內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)(如平行反射、前積反射、雜亂反射),反映某一時(shí)期內(nèi)沉積環(huán)境的能量、物源等情況;界面識(shí)別標(biāo)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(shí)別的多期古河道疊加起來(lái),分析其空間分布規(guī)律,并挖掘隱藏其中的地質(zhì)意義。時(shí)深轉(zhuǎn)換所涉及的地震波在沉積物中的速度采用經(jīng)驗(yàn)值1 600 m/s[11]。

2 討論與分析

根據(jù)“下伏于不同地層單元被認(rèn)為發(fā)育于不同時(shí)期”的原則,研究區(qū)內(nèi)共識(shí)別3期古河道,距今時(shí)間從近到遠(yuǎn)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(duì)應(yīng)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(qū)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(duì)應(yīng)編號(hào)為PC1-1 至PC1-13;位于剖面中部的PC2 包含8處古河道,對(duì)應(yīng)編號(hào)為PC2-1至PC2-8;位于剖面下部的PC3包含5處古河道,對(duì)應(yīng)編號(hào)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(shù)米到80 m 不等,古河道兩側(cè)為低頻、強(qiáng)振幅、連續(xù)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(duì)應(yīng)弱沉積動(dòng)力環(huán)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(shù)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(guī)模較大,可對(duì)下伏地層產(chǎn)生較大切割深度,由于缺少測(cè)年數(shù)據(jù),無(wú)法給出詳細(xì)的年代,前期研究認(rèn)為三亞海域淺地層埋藏古河道的發(fā)育時(shí)間主要為MIS2和MIS4[11-12],本研究結(jié)合3期古河道分布的空間關(guān)系,也初步推斷PC1、PC2發(fā)育于MIS2和MIS4,而PC3則發(fā)育于海平面升降幅度相對(duì)較小的MIS5。

由于古河道河床與兩側(cè)巖性存在差異,在單道地震剖面上表現(xiàn)為連續(xù)波狀起伏的強(qiáng)振幅反射,從外部形態(tài)可追蹤到部分古河道發(fā)育及變遷的信息。研究區(qū)內(nèi)古河道的外部形態(tài)大部分呈“U”形或“V”形,少數(shù)呈“U”形或“V”形的組合字形,反映研究區(qū)內(nèi)古河流改道的頻次及強(qiáng)度較低。內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)特征可反映古河道發(fā)育后上覆沉積層的巖性,研究區(qū)大多數(shù)古河道的內(nèi)部地震反射呈現(xiàn)平行、亞平行、波狀或前積結(jié)構(gòu),反映古河道局部沉積形成于低能環(huán)境;少數(shù)古河道的內(nèi)部地震反射呈現(xiàn)雜亂反射結(jié)構(gòu),反映古河道局部沉積形成于高能環(huán)境。這間接反映古河流整體較弱的沉積動(dòng)力條件,只有局部沉積動(dòng)力條件較強(qiáng)。

2.2 古河道的平面分布

將識(shí)別的3期埋藏古河道PC1、PC2和PC3疊加到一起,各個(gè)時(shí)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(fā)育;整體呈現(xiàn)南部發(fā)育、北部欠發(fā)育,遠(yuǎn)離海岸線發(fā)育、靠近海岸線欠發(fā)育;從整體上看,多期古河道與海南島海岸線有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,3期古河道之間也存在密切的聯(lián)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(fā)現(xiàn)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(zhǎng)度超過(guò)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(duì)應(yīng)關(guān)系,其古流向大多數(shù)與海南島入海河流流向較為一致,據(jù)此推斷其沉積物來(lái)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(nèi)均表現(xiàn)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(qū)西北方向的紅河,長(zhǎng)度均超過(guò)20 km,最大切割老地層深度均超過(guò)15 m,其中PC1-4的最大寬度超過(guò)15 km,同樣在該區(qū)域發(fā)育的前一期古河道PC2-3的長(zhǎng)度超過(guò)50 km,最大切割老地層深度超過(guò)22 m,根據(jù)古河道的規(guī)模與空間分布特征推測(cè)其與古紅河關(guān)系密切,研究區(qū)部分沉積物可能來(lái)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(guī)模較大,寬度為1.5～5.5 km 不等,延伸長(zhǎng)度超過(guò)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(guān)系,表現(xiàn)為古流向相同并在平面上較為靠近;PC2-8附近未發(fā)現(xiàn)更晚期次發(fā)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(duì)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(shí)間上具有較強(qiáng)的延續(xù)性。

(3) PC3。該期古河道數(shù)量相對(duì)較少且規(guī)模相對(duì)較小,延伸長(zhǎng)度較短導(dǎo)致其大部分僅在單獨(dú)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(jù)此推斷PC3 與PC2、PC1具有相似的發(fā)育規(guī)律。

由于近岸區(qū)域的埋藏古河道不發(fā)育,深水區(qū)域分布的古河道與陸域水系不連續(xù),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(duì)應(yīng)。此外,研究區(qū)內(nèi)越靠近海南島、海水越淺的位置,古河道分布的數(shù)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(shù)量越多,且多期古河道疊加的范圍越大。推測(cè)這種空間分布格局形成的原因是近岸區(qū)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(shí)別,此外海平面下降也可能對(duì)前期發(fā)育的埋藏古河道產(chǎn)生破壞作用。

3 結(jié)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(qū)域最為發(fā)育,開(kāi)展工程建設(shè)活動(dòng)時(shí)應(yīng)盡可能避開(kāi);根據(jù)空間分布特征推測(cè),3期古河道分別發(fā)育于MIS2、MIS4及MIS5,古河流整體上沉積動(dòng)力條件較弱,只有局部沉積動(dòng)力條件較強(qiáng)。

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(lái)源于海南島陸域,部分沉積物可能來(lái)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(shí)間上仍然具有較強(qiáng)延續(xù)性。