南海北部湾海域典型灾害地质类型及其声学反射特征

何 健，崔振昂，杨江平，滕德强

(广州海洋地质调查局，广东 广州 510075)

0 引言

海上工程项目(如平台、港口、跨海大桥建设等)是高投入行业，导致海上工程活动产生严重危害的原因除了恶劣的天气、飓风、海啸等海洋水文气象因素之外，还有潜在的灾害地质因素(蔻养琦等，1995)，即能够致灾的地质条件，既包括已经发生过灾害的，也包括尚未发生灾害但存在潜在危险性的因素(叶银灿，2012)，极易引起巨大的生命财产损失。因此，研究海域灾害地质对于海洋工程具有非常重要的意义。

近十几年来，针对近岸海洋地质环境与灾害地质因素陆续开展了一系列调查研究工作，在珠江三角洲重点经济区、北部湾经济区、雷州半岛以及海南岛开展近岸海洋地质环境与灾害地质调查工作，取得了一系列重要成果(夏真等，1999)。通过南海北部湾全新世环境演变与人类活动影响研究，在2009年及2012年2个航次在北部湾东部海域获得4 000余km浅地层剖面资料及近3 000 km单道地震资料，利用地震地层学的研究方法对研究区灾害地质类型进行识别与解释，对各种灾害地质类型的内部反射结构、外部形态和成因进行分析，发现研究区存在埋藏古河道及古三角洲、浅部断层、底辟，浅层气，浅滩、槽沟等潜在灾害地质因素，并讨论了这些灾害地质因素对海洋工程活动的影响。

1 北部湾的地质背景

北部湾海域位于欧亚板块、太平洋板块和印度洋澳大利亚三大板块交汇处，构造应力演化受三大板块之间相互作用控制，是在古生代变质岩基底、印支地块型基底、华南地块型基底以及部分中生代火山－侵入杂岩型基底之上发展起来的新生代内裂谷盆地，具有与中国东部类似的明显的双层结构(朱伟林等，2004)。古近纪晚期，断陷结束，受南海运动影响区域发生抬升，至新近纪初转为整体下沉，主要发育滨浅海相沉积，厚度较大。第四纪以来，北部湾构造断块差异活动趋于减弱，仅琼北和雷州半岛局部地区构造较为强烈，发育浅海相沉积，厚度较薄。前人的研究表明，研究区断裂十分发育，有北西向、北北西、北东向及近南北向断裂为主的断裂格架。其中，北部湾东北部主要发育北东向断裂，而西南部主要发育北西向断裂(图1)。红河断裂带在海域的延伸对研究区构造活动的影响最为显著，它是一条大型的活动断裂带和地震带，对沿岸海洋工程有重要的影响(詹文欢等，2004)。地震活动与新构造运动密切相关，较大的地震主要发生在陆上，海域地震活动性较弱，以中小地震为主(李金臣等，2009)。

图1 研究区构造背景及概况Fig.1 Map showing tectonic setting and overview of the study area

2 研究方法及设备

调查航次使用Hypack系统导航定位系统(美国Costal公司)，浅剖使用SES－96型浅层剖面系统(德国Innomar公司)，工作频率为6 kHz，最大穿透深度50 m，分辨率5 cm，浅地层剖面资料经过去噪声以及自动增益处理后使用SES 2.9软件进行解释。单道地震采用 Delph Seismi采集系统(美国Triton Elics公司)，激发能量为600 J，激发间隔为500 ms，数据记录长度250 ms，单道地震资料进行自动增益及带通滤波处理使用Geosuite软件。

3 研究区发育的潜在灾害地质因素

利用野外调查获得的地球物理资料，对北部湾东部浅地层内部声学反射特征进行了分析，发现研究区发育多种潜在灾害地质因素，遵循简单实用的原则，采用冯志强等(1994)的划分方案，将识别出的潜在灾害地质因素分为2类：(1)指具有活动能力的破坏性灾害地质因素，这类灾害地质在内、外营力的诱发、作用下，自身具有活动和破坏能力，研究区发育有浅层气、泥底辟、浅部断层等;(2)不具活动能力的限制性灾害地质因素，但会对某些海洋工程建设起制约作用和引起隐患。区内主要发育有埋藏古河道、埋藏古三角洲、潮流沙脊和槽沟等，各类潜在灾害地质因素都有其独特的声学反射特征。

3.1 活动性灾害地质类型

3.1.1 活动断层 活动断层是从事海上工程时需引起高度注意的灾害类型之一，根据地球物理资料以及研究区地质背景，该区浅部断层在第四纪仍有活动，属于活动断层，具有极大危害性。其一是断层本身会对海上工程活动直接造成影响，如钻井钻遇断层时可能会导致卡钻、泥浆漏失等(马胜中等，2008);其二断层引发的地震活动、地层垮塌也是潜在的灾害地质因素。在单道地震剖面上，断层主要表现为同相轴错断、扭曲、断层两侧反射波组内部构型及外部反射形态不同，有时可发现两盘厚度不一致(图2)。区内发育的浅部断层主要呈北东向及北西向，其中北西向断层总体与红河断裂带海域延伸方向一致。同时，断层与泥底辟、含气构造有一定伴生关系，底辟两侧以及顶部都见有断层发育。由于这些断裂及裂隙可作为流体垂向疏导以及浅层气向上运移的重要通道，断层上方有时会有高压浅层气，因此在研究区从事海洋工程活动时应特别注意浅部活动断层的存在。

3.1.2 浅层气 由于地层的含气效应会导致声速迅速降低，因此，含气地层与上覆及下伏地层存在明显的波阻抗差异。浅层气在单道地震剖面及浅地层剖面上表现为同相轴中断、内部弱反射甚至无反射现象，边界清晰，表现为明显的声浑浊现象(图3)。区内发现的浅层气主要以气囊、气泡及气柱的形式存在，其中含气囊的地层表现为内部反射较弱。浅层气成因可能有两方面：其一是河口带来的富含有机质的细粒物质经过生物作用生成;其二，可能是由于研究区东南部地处莺歌海盆地，该盆地一大特色就是底辟带以垂向断裂和裂隙系统为主的热流体幕式疏导体系(解习农等，1999)，浅层气可能是深部油气经断层运移至浅部，在浅地层中赋存或向海底渗漏。浅层气会导致沉积物的土力学性质发生变化，导致固结程度减弱、抗剪强度降低，同时浅层气极易沿着断层或渗透性较强的地层向上运移，或聚集在古河道、古湖泊等沉积物中，形成高压气。此外，前人根据海底旁侧声纳扫描资料和电火花单道地震剖面记录资料研究发现，琼东南海底有气柱存在。

图2 单道地震剖面显示浅层发育的断层与底辟现象Fig.2 Shallow faults and diapir displayed in single-channel seismic section

图3 单道地震剖面揭示的浅层气屏蔽现象Fig.3 Shallow gas shielding phenomenon displayed in single-channel seismic section

3.1.3 泥底辟 泥底辟是异常压力条件下，泥质岩、或盐岩等发生塑性流动，向上流动将上覆地层拱起、挤入甚至刺穿的现象(解习农等，1999;何家雄等，2006，2008)。有学者通过分析琼东南盆地多道地质资料也发现存在底辟构造(杨文达等，2001)。通过解译地震资料，发现研究区发育了类似的地质构造，在单道地震及浅地层剖面上表现为反射波组同相轴突然中断向上拱起呈丘状外形，内部杂乱甚至无反射，两侧反射波组连续性较好，搭在“丘形”之上并出现拖曳现象，刺穿上覆部分地层，并使得顶部地层及海底表面凸起，但在研究区未发现泥火山现象，可能与底辟幕式活动能量减弱有关。单道地震剖面显示底辟两侧存在“亮点”响应(图2)，指示底辟与含气流体相关。浅地层剖面可见底辟发育深度较浅，最浅处约为3 m。由于底辟活动时周围地层受到强烈的挤压应力，同时底辟顶部可受到拱张应力，在单道地震剖面上可见底辟顶部及上覆地层断裂较发育，地震反射同相轴连续性较差(图4)。

图4 浅地层剖面显示发育的底辟现象Fig.4 Diapir displayed in shallow stratigraphic section

3.2 限制性灾害地质

3.2.1 埋藏古河道 区内发现众多埋藏古河道，单道地震剖面及浅地层剖面上均可看到，埋藏古河道地震剖面上表现为“U”、“V”以及“W”型。浅地层剖面上河道内部充填结构清晰，可见明显的侧向加积层理。埋藏古河道底部发射为强振幅杂乱反射，与上覆地层及周围地层呈强阻抗反射(图5)，下切深度可达23 m，宽度达3 km。古河道纵向切割深度不同，海平面上升时河道被沉积充填，横向沉积相变迅速，并摆动迁移，在近距离范围以内存在完全不同的力学支撑，诸如河床砂体和河漫滩泥质沉积物，显然具有不同的抗剪强度，软的黏土沉积在不均匀压实或受重力和地震力的作用下，极易产生蠕变，引起滑坡，导致地质灾害。海上工程如钻探时钻遇古河道时应引起注意，另外插桩等工程应尽量避开古河道所在区。

3.2.2 埋藏古三角洲 海南岛西南部海域发育一套前积反射，为典型的三角洲地震响应(图6)，三角洲发育后期因海平面下降导致顶部被侵蚀，并形成侵蚀不整合面。从地震剖面上可以看到三角洲下部地震剖面上呈丘状体反射，内部呈中强振幅杂乱反射，连续性较差，推测为浊积扇。古三角洲由于沉积物高速堆积，粒度相对较大，孔隙发育，前三角洲近海相富有机质细粒物质可作为生气母源，古角洲是浅层气的良好聚集区，且埋深较浅，与围岩物性及土力学性质有较大差异。因此，埋藏古三角洲是潜在灾害地质因素之一，海上工程作业时应引起注意。

图5 单道地震剖面揭示的埋藏古河道Fig.5 Buried paleo-channel displayed in single-channel seismic section

图6 单道地震揭示的埋藏古三角洲Fig.6 Buried paleo-delta displayed in single-channel seismic section

3.2.3 海底槽沟 海底槽沟在单道地震剖面上主要表现为海底反射波同相轴明显扭曲，反射界面突然断开或下陷，两侧对称，与周围地形差异较大，呈锯齿状凹凸相间，犬牙交错的外形(图7)，较易识别。主要分布在海南岛西侧近岸及琼州海峡两侧区域，因潮流、波浪等强水动力往复冲刷作用而成。这些槽沟与凸起相间，高度和坡度变化较大，水深变化迅速，槽沟的发育受控于地形，陡峭的槽沟常伴生陡坎，可能产生滑坡。水下槽沟多且与不规则基岩相伴生，沿岸岛屿多，水动力作用强，易发育水下槽沟，是海底电缆、插桩及水下管线铺设等海洋工程应当避让或必需处理的地质条件。

图7 单道地震剖面显示的海底槽沟Fig.7 Submarine trench displayed in single-channel seismic section

3.2.4 潮流沙脊 潮流沙脊在浅层剖面及单道地震剖面上表现为丘状反射外形，内部层理清晰，呈斜交前积反射结构，下超在一个强反射界面之上，可见凹凸不平的侵蚀冲刷痕，为潮沟响应(图8)。其主要分布在琼州海峡两侧及海南岛西侧，呈楔状或席状。潮流沙脊斜层理倾向指示其迁移方向，而长轴代表潮流主流向，在潮流作用下后部不断被削蚀，前部不断堆积。平面上潮流沙脊成指状、条带状，沙脊之间为潮道，测深剖面表现为凸起与凹地相间，水深变化迅速。沙脊在水动力条件改变时，特别是在台风、风暴潮的作用下，浅滩的形态和分布都可能会发生变化，甚至会产生移动，潮流沙脊的迁移、活动和改造，不但直接影响锚泊，而且对其上的插桩和管线等海洋工程设施会造成极大的危害，并对其移动前方的工程空间，亦有掩埋、冲击、拖曳等严重威胁。

图8 浅层剖面显示的潮流沙脊，内部成斜交前积反射Fig.8 Tidal sand ridge displayed in shallow seismic section，with an inner oblique crossing progradational reflection

4 结论

北部湾由于位于三大板块交汇处，构造运动活跃，受红河断裂带的影响较大，同时由于位于含油气盆地中，深部热流体活动活跃，这种地质背景使得区内发育多种潜在灾害地质因素。

利用高分辨率地球物理资料可以较好地对该区灾害地质因素进行识别，对其内部反射特征以及外部反射形态可以进行详细刻画。通过解释研究区的高分辨率地球物理资料，查明北部湾近岸海域存在埋藏古河道、埋藏古三角洲、浅部断层、泥底辟、浅层气、潮流沙脊、海底槽沟等，这些可分为具有活动能力的破坏性灾害地质因素和限制性灾害地质因素2类，它们对于海上工程活动是极大的威胁和隐患，应引起高度重视。

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