南海琼东南深水海区地质灾害类型与特征

杨文达,张异彪,李 斌

(中国石化集团上海海洋石油局第一海洋地质调查大队,上海 201208）

南海琼东南深水海区地质灾害类型与特征

杨文达,张异彪,李 斌

(中国石化集团上海海洋石油局第一海洋地质调查大队,上海 201208）

南海琼东南深水海区是南中国海石油天然气资源潜在储量较为丰富的地区,油气勘探开发的力度正日益加大。但是,该海区处于南海大陆坡与西沙海槽区域,海底水深大,地形变化剧烈,水体动力环境和海底地质条件复杂,引发地质灾害的触发机制丰富,稍有疏忽,将给石油钻井平台带来巨大损失。在收集有关资料的基础上,对海底的地质环境条件作了研究,发现了一些有可能发生或潜在的地质灾害类型,并对其特征作了描述,以引起有关方面在石油钻井钻前井场工程地质调查和评价时予以重视。

深水环境;诱发因素;地质灾害;类型特征;南海琼东南海区

琼东南海区位于海南岛与西沙群岛之间,最大水深大于2 600 m,大于300 m的深水面积约为6×104km2[1]。南海北部陆架边缘具有巨大油气资源潜力和勘探前景的已知含油气盆地有五个,其中之一为琼东南盆地,位于本海区[2]面积约为3×104km2[3]。琼东南盆地多分布于深水区域,前期勘探研究发现,盆地内含油气构造发育,地层和地质构造条件具有良好的油气运聚和成藏体系[1-8],是我国深水油气勘探开发的重要目标区(图1）。为确保深水石油钻探装置的安全就位和施工,对海底的地质环境条件特别是潜在的地质灾害勘探和研究十分重要。但是,此前我国的海洋油气勘探开发都集中在浅水区,对地质环境条件比较复杂的陆坡及深水区的工程地质条件和地质灾害的研究较少。本文旨在抛砖引玉,以引起有关方面重视。

1 琼东南深水海区地质灾害诱发因素

从收集资料分析,琼东南深水海区海底地质灾害的诱发因素除自然地震以外,主要为水文气象、水深地形和海底底质。

图1 琼东南海区及琼东南盆地位置(据文献[1]改编）Fig.1 Location of the Qiongdongnan(adapt according to literature[1]）

1.1 水文气象

南海区对海洋油气钻探平台影响最大的水文气象因数主要是热带气旋和内波流引起的灾害性海洋动力,其除了直接对平台产生不利影响外,对海底也会产生一定的振动作用,是海底地质灾害的诱发因素之一。

1.1.1 热带气旋

根据中心附近的最大风速,热带气旋可划分为台风、热带风暴(包括强热带风暴）和热带低压。台风风速32.7～41.4 m/s(相当风力为12～13级）,大于41.5 m/s属强台风;热带风暴风速17.2～24.5 m/s(相当风力为8～9级）;强热带风暴风速24.5～32.6 m/s(相当风力为10～11级）;热带低压最大风速 10.8～17.1 m/s(相当风力为 6～7级）[9]。1949～2001年,南海区出现的热带气旋共863个,其中热带低压216个,热带风暴110个,强热带风暴178个,台风359个,台风出现的频率占热带气旋的41.6%,强热带风暴出现的频率占热带气旋的20.63%,比较集中的月份为 7、8、9、10四个月(表1）。南海地区是世界上台风发生频率最高的地区之一[10]。

表1 影响测区台风和热带风暴各月频率Tab.1 The frequency of typhoon and tropic-storm of each month in Qiongdongnan sea area

1.1.2 内波

内波(internal wave）是南海区的一种特殊海洋动力,尤其在南海北部区域较为发育。内波发生于水面之下一般为60～70 m,也可见于100多米,其出现的深度与海水密跃层的深度有关。内波发生时,可形成4～5节的剪切波速,一般流速2 m/s左右,周期10～30 min。其规模,沿内波传播方向波长约几十至几百米,波高约60多米,多为下陷波(波峰向下）,横向展布宽度为数十至数百米,纵向延展长度一般为数十千米。其频发季节为4～8月份,夏季多于冬季。内波流是南中国海所特有的一种较为严重的海洋水文自然灾害,具有很强的破坏力,其力量可将一座平台在瞬间摧毁,在几分钟或几十分钟内将一艘大型轮船位移几十千米[10]。其发育条件和机制比较复杂,据从事内波观测和研究的有关单位专家的实际资料,其主要动力为水体内的密度差和潮汐流,也可能与天文大潮和海底地形(陡峭区）有关。

1.1.3 等深线流

深海等深线流的存在早有报道[11,12]。据琼东南海区一些穿越南海大陆坡(与陆坡走向垂直）的浅地震测线剖面,发现海底表面出现被深切的凹槽,这些凹槽近平行陆坡走向,似受平行陆坡方向的水流冲刷形成,疑其成因与近东西向的高密度流作用有关。

1.2 水深地形

琼东南海区属南海大陆坡—西沙海槽地形区,总体特征为,自NWW向SEE方向由浅变深,至西沙群岛岛坡再变浅。大陆架地形比较平坦,自200 m水深线向外水深急剧加大,地形陡峭,西部至1 200 m水深以后逐渐变缓,东部在2 000 m水深左右地形稍有变缓;区内最大水深大于2 600 m,西沙海槽成舟状形态展布(图2）。

图2 琼东南海区海底地形图Fig.2 Bathymetry map of Qiongdongnan area

琼东南海区可分为三大地形区,即西北侧陆坡地形区,东南侧岛坡地形区,中部西沙海槽槽底地形区。陆坡地形区变化较大,水深等值线比较密集;西部陆坡(109°30′～110°30′）,上部 200～800 m 水深带 ,坡降为42 ‰,约为2.4°,下部800～1 200 m 水深带,地形坡度渐趋变缓;坡降为11‰,约为0.63°;东部陆坡 (110°30′～112°00′）,200(或 300）～1 600 m(局部2 000 m）水深均为陡坡带,地形等深线密集分布,坡降达45‰～50‰。陆坡底部至海槽中心区域地形平缓,西部水深在1 200～1 600 m之间,地形坡降为5‰左右,约为0.29°;东部水深在2 000～2 600 m之间,地形坡降为5‰～10‰。过海槽中心往岛坡方向——岛坡地形区,水深变浅,地形坡度逐渐由缓变陡;下部槽坡,水深1 200～1 400 m区带,地形坡降为22‰,约1.26°;上部岛坡,地形坡度进一步变陡,最大坡降可达89‰,约5.10°。

陡峭的地形坡度是海底地质灾害的主要诱发因素之一,在重力和其它海洋动力的触发作用下,高含水量的深海软弱沉积物极易发生崩塌、滑坡、海底蠕动和海底浊流等地质灾害。有文献称之为块体搬运体系,可严重威胁深水设施的安全,这种现象在南海珠江口盆地的500～1 500 m水深区较为发育[13]。本区局部等深线分布密集,多处呈向深水方向凸出现象,西部自水深500 m至1200 m以深,东北部可达1 800～2 200 m水深区域,这些现象很可能为海底滑坡所致(图2）。另外还见有多处孤立等值线圈闭高点,有可能为海底蠕动或浊流堆积体所为,当引起注意。

1.3 海底底质

琼东南海区水深大于500 m区域海底表层沉积物,主要为粉砂、黏土质粉砂,含水量饱和,呈灰色、黄灰色,半流动～软塑状。沉积物平均粒径为6.17～7.44Φ,颗粒级配以粉砂粒级为主,含量为61.3%～77.76%,黏土粒级含量为14.27%～32.29%,分选系数为1.32～2.22,分选差。碎屑矿物以轻矿物长石、石英为主,长石最高含量可达19.0%,石英最高含量达72.83%,其次为云母;自生微结核、海绿石和黄铁矿较为常见。沉积特征显示的沉积环境与现代深水环境一致,沉积时代为晚更新世—全新世。这种深水底质当达到一定位能条件或遭受外力触发时极易发生蠕动和滑塌。陆坡区半流动状态的底质极易形成浊流,在平坦海底区停积,组成一定厚度、状态极不稳定的浊积体或浊积扇。

2 琼东南深水海域可能存在的地质灾害类型与特征

据目前掌握的部分资料,琼东南深水海区有可能存在浅层气、天然气水合物、气体逃逸坑、海底陡坎、海底滑坡、活动断层和底辟构造等地质灾害类型,基本与辉固公司海底地质灾害模型所示的灾种类似(图3）。

图3 深海陆坡海底地质灾害模型(据辉固公司）Fig.3 Geohazard model of seabed in the deepwater shelf slope(from fugro）

2.1 浅层气

浅层气通常指在海底以下数十米至数百米地层内所聚集的气体,埋深越大压力越高。当含气地层达到一定规模,且土体空隙体积大、连通性好、气源充足时,一旦钻遇,大量气体外溢,容易发生井喷和火灾,甚至在海水中产生巨大气泡,使海水比重急剧降低,以致平台失去浮力而倾覆,需引起高度重视。

区内地震剖面多处显示浅层气声波干扰现象(图4）,气顶埋深在海底以下120～240 m,所处水深1 200～1 500 m。

2.2 天然气水合物

天然气水合物是一种以甲烷为主的烃类气体分子与水分子组成的似冰状固态结晶体,它在低温(0～10℃）高压(＞10 MPa）条件下形成,海洋中都分布于深水区域(水深＞300 m）[14,15]。

图4 琼东南深水区三维震剖面显示的浅层气声波干扰现象Fig.4 Acoustic wave interference of shallow gas in single channel seismic profile

关于琼东南海区存在天然气水合物异常的报道和研究文献较多[16-19]。陈多福等[16]认为,琼东南盆地生物成因甲烷水合物分布于水深大于约600 m的海底,稳定带最大厚度约314 m,盆地内天然气水合物远景总量约10×109m3,水合物天然气远景产量为1.6×1012m3。琼东南海域的构造地质条件有利于地下烃类气体的运移和生物气组分的生成,具有形成水合物赋存的稳定环境和温压条件,具备了水合物成藏的地质条件,该地区应该为南海具有天然气水合物赋存前景的地区之一[17]。

海洋中的天然气水合物作为一种未来的新能源已越来越为人们所重视,但它也是海洋中一种潜在的不稳定地质灾害因素。一旦在石油钻探过程中被钻穿,天然气水合物的稳定条件受到破坏,气化外逸,将导致海底地层气液化、气体喷溢等地质灾害的发生。

2.3 海底麻坑

在未固结的细粒沉积物地层中,地层压力使流体沿断裂或薄弱地层渗漏排溢,一旦逸出海底,形成类似倒锥状或椭圆形的凹陷——即海底麻坑。麻坑大小不一,直径从几米到几百米,深度从几米到几十米不等。有文献认为,琼东南海区的海底麻坑与天然气水合物共存现象比较常见[18,19]。区内三维地震剖面显示有明显的浅层气逃逸通道和海底反射波下陷的凹坑特征(图5）。海底麻坑区地层物性会变差,而且常因海底面凹陷等对钻井井口设施带来影响。

2.4 泥底辟

琼东南盆地底辟构造发育(图6）,时代较新的底辟构造是一种重要的地质灾害,其形成机制为地层中的软弱流变体在压力差异下形成的上拱现象,一旦刺穿上部地层,软弱流变体有可能喷溢出海底,形成泥火山,对海底工程影响较大。

图5 琼东南深水区三维地震剖面显示的海底麻坑和气通道Fig.5 Pockmark in single channel seismic profile

图6 琼东南盆地三维(左）和二维(右）地震剖面显示的底辟构造反射波特征Fig.6 The character of mud diapir in seismic profile

2.5 海底陡坎

大陆坡地区往往是海底陡坎较为发育地区,琼东南海区在 110°30′～112°00′之间的大陆坡为陡坡地带(图2）,陡坎十分发育。一些单道地震剖面见有100 ms左右落差的陡坎。其形成可能有多种因素,但与海底滑坡活动和活动断层关系较大。

2.6 海底滑坡(蠕动）

海底滑坡在南海陆坡区比较发育,其主要诱发因素为陆坡地形较陡,落差大,沉积物颗粒细且含水量高,沉积体在重力作用下由位能转变为势能,向下滑移;另外水体振动波传入海底,对沉积体产生压力差异,在一定地形坡度下发生蠕动(图7）。

海底滑坡在琼东南深水海区是一种比较常见的地质现象,特征明显,可有滑坡壁(正断层）、杂乱堆积体(滑坡体）、逆冲断层、挤压脊、褶皱等构造组成[13]。

图7 琼东南三维地震初至波影像图显示的海底滑坡、蠕动挤压现象Fig.7 Landslip and creep deformation in the relief map

海底滑坡是深水海洋地质灾害的重要类型之一,它产生的冲击力会破坏海底构筑设施,造成海洋石油钻井平台失稳,钻杆折断,导致灾难事件发生。这是本区不可忽视的地质灾害致灾因素。

2.7 活动断层

活动断层在陆坡区比较发育,多为层间滑动断层。其形成和发展与滑坡软弱土层的蠕动、滑塌及地层的差异压实等有关。活动断层是一种极不稳定的地质因素,有时可造成地层反转。当石油钻探钻遇活动断层时,在外力作用的触发下,断层上下盘地层极易错动,轻则造成斜井,重则折断钻杆,是一种必须避让的地质灾害。琼东南水深大于1 200 m区域,滑坡引起的地层错断现象较少见,地层差异压实引起的层间断层比较发育(图8）。

图8 三维地震剖面显示的层间差异压实断裂Fig.8 The interlayer fault in the 3D seismic section

2.8 海底碎屑流沉积体系

海底碎屑流沉积体系在许多地震剖面上见及,主要表现为不规则的杂乱反射波形态,成层或断续状分布(图9）,推测其为重力碎屑流沉积体。其沉积过程主要由于碎屑物质局部集中,在重力、地震或暴风浪对海底振动载负诱发下,产生蠕动或流变所致。其特点是沉积速率快、结构疏松、固结程度低。实际上该沉积体系是海底蠕动、滑塌、深海浊流等的碎屑重力流搬运的集合沉积体系。该沉积体地层多含水量高、固结松散、物理力学性质较差,对水下工程设施的稳定极为不利,它是区内重要的工程隐患之一。

图9 三维地震剖面显示的碎屑流沉积体Fig.9 Clastic sediment in 3D seismic profile

3 结论

南海琼东南海区强热带风暴和台风发育,对海上石油勘探影响较大,据1949年以来52年资料统计,强热带风暴平均每年3.5个,台风每年6.9个。其次是南海地区特有的海洋水文灾害——内波流,其破坏力巨大,对石油钻井平台的安全具有较大威胁,应予以充分重视。

该区域属深水至超深水环境,地形坡降变化剧烈,海底沉积物含水量高,多为半流动—软塑状;工程地质环境复杂,引发地质灾害的触发机制丰富,地质灾害类型多,已经发现的有浅层气、天然气水合物、海底麻坑、海底陡坎、海底泥底辟、海底滑坡、海底蠕动、活动断层和深水海底碎屑流等多种地质灾害类型。除此以外,海底软弱地层和海底浊流体等也需予以充分重视。

各类地质灾害据其发育的地质环境和诱发因素的不同,分布于区内不同的地理位置;台风和内波的发生具有季节性和不定时性,由此造成了环境条件的复杂性。实践中,并非所有的石油天然气勘探开发井场都会存在或遇及全部的地质灾害类型,个别井场的地质条件相对比较简单、稳定,以致会造成为节约成本而忽视钻前井场调查的侥幸心理。但是,一旦遇及其中1～2种灾害类型,后果就不堪设想。因此,在海洋油气勘探开发工作中务必予以高度重视。

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Types and characteristics of deepwater geologic hazard in Qiongdongnan of the South China Sea

Yang Wenda,Zhang Yibiao,Li Bin
(No.1Marine Geological Party,Shanghai Of fshore Petroleum Bureau,SINOPEC,Shanghai201208）

Qiongdongnan deepwater area of the South China Sea has more abundant potential reserves of oil and gas,and the exploration and development are growing.However,the deepwater area is located between the continental slope and the Xisha Trough characterized by dramatic topography,and complex hydrodynamic and seabed geology,so there are many trigger mechanism of geohazard.If neglected the potential geohazards,that could bring huge losses for oil drilling platform.The seabed geological conditions are studied based on the collecting information and some types of potential geohazard have been found,and the types and characteristics of deepwater geohazard should be paid attention to are described in this paper.

deepwater environment;triggers;geohazard;characteristics;Qiongdongnan area of the South China Sea

P694;P642

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2011.01.001

1008-2336(2011）01-0001-07

2010-09-30;改回日期:2010-12-02

杨文达,男,1951年生,教授级高级工程师,主要从事海洋地质和海洋地球物理调查和研究。E-mail:yangwenda@sopgc.com。