海洋地质灾害是指由于地质作用,使得海洋自然环境恶化,并造成海洋环境破坏的地质事件,主要是对各种海洋工程具有直接或潜在性危害的各种地质因素,常见的海洋地质灾害有海底埋藏古河道、浅层气、不均匀持力层、底辟、活动沙丘、沙脊、海底滑坡及冲刷槽等。海南岛周边海域人类开发活动和开发程度越来越高,大型填海造地工程、海上风力发电场建设、海底油气管线等路由设施对海底稳定性要求较高。在研究区域,前人的海洋地质工作较少、几乎是空白,基本没有可借鉴的海洋地质资料,为摸清研究区海底稳定性问题,在研究区域开展了单道地震勘探和侧扫声呐测量,调查研究区域海洋地质灾害类型及分布情况,为此,在研究区域布设5条单道地震测线L01~ L05和同步侧扫声呐测量,测线位置见图1。根据单道地震勘探剖面,发现研究区域存在两条埋藏古河道V1和V2(图1),两条古河道大致呈NE—WS走向,并通过侧扫声呐声图发现在研究区域20 m以深海底,普遍发育沙波、沙脊地貌。本次调查研究获得了研究区域全新的海洋地质资料,不但能为相关部门用海提供科学的地质依据,而且也为研究更大区域海洋地质工作积累了海洋地质数据资料。
研究区域在大地构造上位于九所—陵水断裂带以南,地处滨海陆架区,海底表层沉积为第四系地层,在研究区域无基岩出露,较近的断裂为EW向的昌江—琼海构造带和尖峰—吊罗构造带,其中昌江—琼海构造带主要在海西期和燕山期有较强烈活动,形成中生代昌化江盆地、白沙盆地和阳江盆地,喜马拉雅期至近期该构造带仍在活动,而尖峰—吊罗构造带可能早在加里东期就已经形成,并控制了该构造带北侧上古生界石炭系和二叠系的沉积,海西期继续活动,在印支期和燕山期有强烈活动,并表现为压性和扭性特征,上新世以来活动已经逐渐减弱。
海南岛四周低平,中间高耸,呈穹窿山地,以五指山、鹦哥岭隆起为核心,向外围四周逐渐下降,由山地、丘陵、台地、平原构成环形状地貌,阶梯结构明显。海南岛有200多条河流,河流系的地质特征和起源受控于板块构造、气候、火山作用和相对基准面的变化,河流的位置、大小、形状、流向、河流的生命周期及水系的样式主要受控于板块构造,研究区域埋藏古河道是板块构造作用及海平面上升后沉积物填充形成的,在剖面上显示出物性的差异。总体来看,研究区域海底表层沉积为砾砂,远岸区为黏土质粉砂,基本平行于海岸呈带状分布,从近岸区至远岸区,沉积物类型依次为中砂、中细砂至砾砂、而后为砂砾、再为砾砂、中细砂,至较深水区沉积物主要为细砂和黏土质粉砂,局部有珊瑚礁分布。
在研究区域水深20 m以深范围广泛发育潮流沙脊、潮流冲刷槽、沙波等地貌。沙波是一种能引起地质灾害的小型地貌,当海底底流突变时,尤其是在地震、台风及风暴潮流作用下,沙波会快速移动。在地震活动期间,地层振动会引起砂土液化,砂流动快,直接造成海底砂掏蚀或堆积,使得建筑物失去支撑力或被掩埋,严重危及工程安全,根据海南省地震局监测记录,1995年6月5日在研究区域附近的东方近海发生了一次近年来较大地震,震级为4. 8级,虽说近年来在研究区域没有发生较大地震,但小震不断,2016年在研究区域附近海域共发生了6次0. 8~ 2. 4级地震,根据历史地震记录,研究区域地震级别小,但地震频繁发生,研究区域
属于抗震工程不利区域[1- 3]。
单道地震数据采集使用Geo Marine Survey公司生产的单道地震系统,震源为Geo-Spark2000J, 24单元液缆水听器,采集软件为GeoSuite Acquisition,导航定位使用Trimble SPS351。单道地震测线部署参照“海洋调查规范第8部分—海洋地质地球物理调查GBT12763. 8—2007”和“1∶25万海洋区域地质调查规范(DD2012—03)”进行,采集数据时,采集数据记录长度1 000 ms,根据震源能量,在水深大于30 m的泥质沉积区海底,探测深度(垂直)大于100 m,但在近岸浅水区或者底质较硬的砂质沉积区探测深度一般(垂直)大于60 m;垂直分辨率满足优于0. 5 m;数据记录格式为标准SEG-Y格式,单道地震参数设置见表1。
在研究区域可识别出两条埋藏古河道(图2),基本都是EN—WS走向,古河道V01延伸长度大约40 km,河道最宽3 km,最窄1. 4 km,河床基底埋藏最深处反射时间为75 ms,最浅反射时间为40 ms;古河道V02延伸长度大约50 km,河道最宽为1. 3 km,最窄0. 2 km,河床基底埋藏最深处反射时间超过65 ms,最浅反射时间为35 ms,由于没有海底钻孔资料,无法准确判定古河道形成的年代,参照相关资料推测这两条古河道形成于更新世。
新近纪以来的全球气候波动频繁,与之相对应的是海平面振荡变化,造成研究区域陆相-海相沉积过渡,早期陆相沉积的河流被后期沉积的海相地层覆盖,即形成埋藏古河道(浅层河道),因此,古河道地层蕴含着大量古环境地质和气候信息。由于河谷中的新沉积层与谷坡的相对较老沉积层在工程受力特性上存在差异,会对海洋工程造成不利影响[4- 6]。
分析单道地震剖面可以得出研究区内埋藏河道地震相具有以下特征:河道具有顶平底凹的反射特征,在界面以上,河道内充填物表现为强振幅反射(砂或粉砂);在界面以下,河道内充填物表现为弱振幅反射(砂或粉砂)。由于研究区域砂层较厚,单道地震穿透深度不够深,通过剖面解释,研究区内只识别出一期埋藏古河道,并在研究区内刻画出了埋藏古河道的分布和走向。每条埋藏古河道的发育规模及连续性差别不大,从剖面形态上看古河流类型为曲流河。
在海洋地质工程上埋藏古河道作为一种危险的、潜在的海洋灾害地质类型,其危害性主要表现为改变古河道内外沉积层土质的力学性质,使其强度内外不一,且呈突变状态,破坏土体原始稳定性,差异化基底支撑力,在外载荷重作用下,造成基底不稳,极易导致海床下陷、侧向或旋转滑动,最终失去平衡,发生倾斜倒塌[7- 10]。研究区域的埋藏古河道为该区域海上工程及其他用海方式带来安全隐患,应引起用海单位高度重视。
侧扫声呐使用EdGe Tech4200MP,侧扫声呐测量参照“海洋调查规范第10部分—海底地形地貌调查GBT12763. 10- 2007”、进行,采集数据时,拖鱼离海底高度控制在量程的10%~ 15%,在海底起伏较大的水域,拖鱼距海底留有适当余地,水深较浅时,拖鱼距离海底高度控制在2~ 10 m左右;拖鱼位置准确度优于拖缆长度的10%;声呐图像分辨率不低于1 m,侧扫声呐参数设置见表2。
侧扫声呐在海洋工程地质调查、海洋地质科学研究及海道测量中得到广泛应用,成为目前海洋测绘及调查研究必不可少的重要手段。Edge-Tech4200MP侧扫声呐可用同步双频模式工作,应用Chirp技术得到宽频带、高能量发射脉冲和高分辨率、高信噪比的回声数据。采集数据时可与单道地震同船测量,尽量将单道地震水听器电缆和侧扫声呐拖鱼电缆从船尾两侧入水,船掉头时,转弯不要转得太急,避免缆搅在一起。进行测量时,侧扫声呐拖鱼由拖拽船通过电缆拖曳在距离海底一定高度的海水中(图3),换能器阵发出声脉冲,并接收返回的回声信号,所发射的声波束形状在水平面上是狭窄的,而在垂直面上是较宽的,接受的回声信号亦然。
侧扫声呐以扇形波来发射声脉冲,声波向拖鱼两侧传播,声波被海底物质反向散射或被海底上的以及水柱中物质反射,每个发射脉冲的声波到达与船的航迹线成直角的狭长的带状海底面。物体反射声波并阻挡声波到达海底的某些部分,这取决于拖鱼相对海底的高度和目标的高度,这样将在记录上产生声学阴影区,声学阴影区呈现亮色,声学阴影常常能比目标的直接反射提供更多细节。深色的回声信号和亮色的阴影斑纹常常表征出海底目标的凸起和凹陷[11- 13]。
换能器接收返回的声波由声能转换成电能,并通过拖曳电缆上传到船甲板的记录显示单元。在船甲板上的显示记录单元中,信号被处理成所需要的形式,然后发送到监视器和记录仪上,在声呐系统中,强回声信号在监视器上显示成深色,侧扫声图就是由多条扫描线有序排列形成的。
根据在研究区域实测侧扫声呐声图(图4)的灰度,发现研究区域海底底质的声强反射信号差别较大,能分辨出沙脊、沙波等微地貌,说明研究区域海底底流活动较强,而且从沙脊、沙波的分布状况可大致判断海底底流的流动方向,但仅从单一的声图灰度还不能准确判别海底的底质类型,要确定海底底质类型还需加以其他辅助手段,如底质取样、海底摄像等。
必须注意的是,沙波是一种能引起海洋地质灾害的小型地貌,在地震和风暴潮的催化下,沙波会快速移动,造成海底砂层的掏蚀或堆积,严重危及海洋工程安全。
在研究区域发现两条古河道V01和V02,古河道被视为潜在的海洋地质灾害,因其内外沉积物物性差异较大,在上覆载荷和外力作用下,容易引起局部塌陷和层间滑动,造成基底不稳定,参照其他资料分析,在研究区域发现的古河道V01和V02为更新世古河道。由于研究区域砂层较厚,单道地震穿透深度不够,更深层的古河道还无法确定,不排除在研究区域存在多期次古河道的存在。
在用海活动越来越活跃的情况下,应对已发现的古河道分布区域开展小道间距的多道高分辨率地震测量、地质钻探及相关测试分析工作,详细查明古河道、断层、浅层气等地质灾害因素规模、空间分布、工程力学性质,评价研究区域地层稳定性,提出对策措施。
在研究区域海底广泛分布沙波、沙脊等微地貌,在地震或台风等诱因作用下沙波也能引起地质灾害,地震、台风或风暴潮,可以使海底底流发生突变,促使沙波快速移动,在地震作用下,地层振动会引起砂土液化,砂流动加快,直接造成海底砂层掏蚀或堆积,使得建筑物失去支撑力或被掩埋,严重危及工程安全。
无论什么用海方式,在保护海洋环境前提下,应加强防灾减灾工作,针对性地开展综合海洋地质调查,查明海南岛主要海区主要地质灾害因素,为今后海上工程用海提供可靠的工程地质调查数据资料。
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