海南岛南部海棠湾晚更新世以来单道地震剖面特征

张匡华， 傅人康， 张从伟， 龙根元， 宋家伟， 仝长亮

(海南省海洋地质调查研究院，海口 570206)

0 引言

第四纪沉积地层中包含了丰富的沉积环境特征和沉积演化过程信息，在陆地和深海及第四纪地层对比研究中发挥着地理位置上的纽带作用[1]，同时有益于滨浅海砂矿及稀有金属等资源的预测研究。近年来主要是运用地球化学方法研究海南岛周边滨浅海晚第四系地层，研究载体主要是钻孔样等。曹小月等[2]在海南陵水新村与黎安泻湖，通过对钻孔样进行分析，认为海南岛陵水新村港区域晚更新世经历了浅海和泻湖沉积环境，在末次冰期极盛期陆地暴露环境，发育了冲积平原沉积等;王梦媛等[3]在三亚铁炉港通过对钻孔样岩性描述、粒度分析、亮度分析及有孔虫丰度统计等，总结了该钻孔约自MIS6以来沉积相演变历史，初步确定MIS5高海平面的海水曾侵入海南岛南侧，沉积了近40 m厚的海相粘土-粉砂细粒物质。基岩上覆沉积物主要由厚层的MIS5和MIS1两段间冰期海相地层组成，期间存在一些相变过程，而冰期阶段沉积物缺失或很少保留。单道地震具有施工方法简单、探测范围广、高效且经济的特点[4]。笔者结合钻孔沉积物岩性及测年等资料对单道地震剖面进行综合解释，研究结果对海南岛周边晚更新世以来滨浅海地层的深入研究起到了较好的推动作用。

1 研究区概况

海南岛为南海大陆架岛屿，原与陆地相连，晚第四纪时，琼州海峡隔断，全新世海面上升，海南岛与大陆分隔[5]。受构造运动与气候变化的双重影响，更新世初期海岸属基岩港湾型，晚更新世构造运动频繁，使不少海湾底部抬升为阶地，构造抬升运动持续到全新世，局部抬升甚至发生于2000年前[6]。海南岛属于热带海岛，海岸线总长1 470 km，其中约四分之三为砂质海岸，其余主要为基岩海岸，泥质海岸甚少。受地质构造和热带气候等因素的影响，东、南部海岸发育有沙坝-泻湖海岸以及比较典型的珊瑚礁和红树林海岸[7]。

研究区位于海南岛南部海棠湾附近(图1)。海棠湾为近南北向，岸线长度达21.8 km，东南临海为滨海平原[3]，北边为合口港，南边为铁炉港，西南边为龙江港。海棠湾地貌上属沙坝-泻湖型港湾[8]，主要为砂质海岸，潮汐为不规则日潮型，土壤泥沙质[9]；研究区为热带季风气候[10]。近海岸海域波浪主要为风浪，冬春季波浪射线方向以东北为主，夏秋季波浪线射线方向以西南为主，年平潮差达86 cm，属于弱潮区[11]。

2 资料和方法

2.1 单道地震资料采集、处理与解释

2016年5月-2016年7月海南省海洋地质调查研究院在研究区开展了129 km单道地震测量工作(图1)。采用的仪器是荷兰生产的Geo-Spark 2000J单道地震系统，震源采用阴极放电、电极无损电火花，最大功率2 000 J，中心频率700 Hz～1 000 Hz，接收装置为24单元组合检波水听器。数据采集参数为：激发间隔1 000 ms，震源能量1 000 J，垂向采样频率为10 kHz，记录长度为800 ms，记录格式为标准SEG-Y格式。

地震资料处理的关键是提高资料信噪比，提高分辨率[12]。研究区采用RadExPro软件进行单道地震剖面处理，主要处理流程为：①地震数据坏道编辑；②地震数据的频谱特征分析；③地震剖面深部能量补偿；④带通滤波；⑤Burst Noise Removal；⑥2D Spatial Filtering；⑦Zero-Offset DeMultiple；⑧Sharp Seis Deghosting。地震剖面通过处理后，信噪比和分辨率明显提高，海面风浪及涌浪引起的同相轴起伏得到一定程度的改正[13]，海底多次反射及虚反射得到有效压制。

图1 研究区单道地震剖面测线及钻孔位置Fig.1 Location of single-channel seismic profiles and drilling core in the study area

根据层序地层学[14]和地震地层学理论[15]，运用第四纪全球海平面升降相关数据[16]进行了单道地震剖面的解释。等时界面地识别是层序地层分析的关键[17]，晚更新世以来，海平面在间冰期与冰期交替升降[18]。冰期海退形成的陆上不整合面和间冰期海侵形成的滨带海蚀面构成一个在小范围似等时层序界面，可视为初始海泛面[14]。层序界面在地震剖面上表现为连续好、振幅强；界面下伏地层古河道发育；界面上覆、下伏地层呈不整合接触关系；界面上覆地层底部地震相表现为上超；沉积环境的不同致使上覆、下伏地层内部地震反射特征有所差异等。

研究区内似等时层序界面地识别主要基于几点：①识别出等时层序界面；②确定穿时层序界面。所有层序界面在测线交叉点必须闭合。本次研究在海棠湾海域识别出(似)等时层序界面及穿时层序界面，并确保了所有层序界面能在测线交叉点处闭合，同时剖面时深转换采用参数：海水声速为1 530 m/s,沉积物声速为经验1 600 m/s。

2.2 钻孔取样与测试分析

根据前期物探工作初步解译及研究区的实际情况，2016年8月海南省海洋地质调查研究院在研究区内完成了钻孔QZ3的施工(图1)。本次海上钻探采用改进的回旋钻进取芯工艺，该工艺适用于浅孔，将PVC管加进取样管，双管单动回旋钻进，可避免样品曝光。QZ3钻孔孔深20.30 m，钻孔样主要为泥质-粉砂质细粒物质，表明该处主要处于弱水动力环境沉积，局部分选较差，甚至出现较大粒径沉积反应了沉积环境的变化(表1)。根据研究区以往第四纪地层的研究资料及实际钻孔样品特征，在能获取到充足含碳生物样品，距今年代较近的浅部层位，采用碳同位素测年(AMS14C)进行测年。对未能获取做碳同位素测年所需的足够生物样品的浅部层位及距今年代较远可能超过碳同位素测年(AM14C)测量范围的深部层位，采用光释光测年(OSL)测年方法。本次研究样品碳同位素测年(AMS14C)由美国Beta实验室(Beta Analytic Inc)完成，样品光释光测年(OSL)测年由国土资源部地下水矿泉水及环境监测中心完成。样品测年年龄介于7 595 cal.aBP～127 000 cal.aBP之间，介于29 000 cal.aBP～58 000 cal.aBP之间的样品缺失。测年样品的采集、封装及测试过程科学严谨。测年数据时序整体上较好，结果可信。

表1 钻孔数据Tab.1 Core dating results

3 层序地层单元

图2 层序地层单元划分(测线L16)Fig.2 Sequence stratigraphic units(survey-line L16)

图3 层序地层单元划分(测线L18)Fig.3 Sequence stratigraphic units(survey-line L18)

结合钻孔数据对高分辨率单道地震剖面进行解释，研究区晚更新世以来的沉积地层可识别出T0、T1、T2、T3、T4、T5、T6 共7个地层层序界面，可划分SU1、SU2、SU3、SU4、SU5和SU6共6个层序地层单元，其中SU5层序又可进一步划分为SU51、SU52和SU53三个亚层序，其亚层序界面为T51和T52(图2、图3)。

SU1位于T0和T1之间。T0连续性好、振幅强，T0以上是海水空白反射；T0反射界面之下出现明显的强地震反射。T1在整个研究区测线上(基岩除外)都能对比追踪，连续较好、振幅强，界面以下古河道下切反射结构发育。T1为区域性滨岸海蚀面，冰间期初始海泛面。SU1在研究区内(除了基岩出露)都有覆盖，其外部形态近席状，内部呈平行、亚平行强振幅反射结构，在海底相对较深的地区呈上超发散反射结构，无明显的“V”型或“U”型强反射结构。SU1厚度变化平缓，最大约10.3 m，平均约3.8 m。该单元底部在深水区比较厚。该单元钻孔样岩性为灰黄色砾砂或砂砾，QZ3-2样品AMS14C测年年龄为7 695 cal.aBP ～7 595 cal.aBP，表明SU1为MIS1沉积，根据岩性特征及地震相判断SU1为滨岸浅海沉积，沉积水动力环境较强。

SU2位于T1之下、T2之上。T2主要位于合口港、铁炉港及龙江港附近，T2呈“U”型或“V”型，最宽处2.2 km，其连续性好、振幅强。T2为古河道河床，属于穿时界面。SU2外部形态呈“U”型、“V”型或两者组合，内部呈上超、前积型、杂乱等反射结构，其中杂乱充填反射结构发现最少。SU2最大厚度为13.3 m，平均厚度为4.0 m。钻孔QZ3在该单元内岩性上部呈灰黑-灰黄色粉砂质砂；底部为浅黄色砂砾或含砾质砂，分选差。上部沉积为弱水动力、还原环境下的陆相湖泊沉积，底部为氧化环境下的陆相冲积扇沉积。钻孔样品QZ3-3 AMS14C测年年龄为28 660 cal.aBP ～28 080 cal.aBP，QZ3-8 OSL测年年龄为64 400 cal.aBP±4 200 cal.aBP，两个样品均表现出较为明显的陆相冲积扇相或坡积相，测年样品可能由外部搬运而来，不能代表最后沉积的时间，钻孔样QZ3-5～QZ3-12测年年龄在10 000 cal.aBP ～14 000 cal.aBP之间，时序整体上较好，表明SU2为MIS2沉积。根据岩性特征及地震相判断SU2为陆相湖泊沉积或河流沉积，局部为冲积扇相沉积。较大规模的古河道发育表明合口港、铁炉港及龙江港附近在MIS2水系发育。

SU3位于T3之上。T3连续性好、振幅强。为区域性滨岸海蚀面，始海泛面。SU3仅在相对较深区域出现(现今水深约42 m以下)，与上覆SU1呈明显角度不整合接触，在垂直岸线向海方向厚度逐渐变大，层厚最大约10.6 m，平均约4.6 m。其外部形态呈楔形，内部呈上超、发散、弱振幅反射结构，内部振幅强度弱于SU1，反映了SU3相对SU1处于一个更弱的水动力沉积环境。钻孔QZ3没有钻到该地层单元， SU3 上覆地层单元为SU1，推测SU3为MIS3时期沉积。根据地震相判断SU3为滨岸浅海沉积。本文认为研究区浅部SU3的缺失主要原因是MIS3全球海平面普遍相对较低(约-120 m～ -50 m)[16]，浅部处于海平面以上，该区域构造抬升幅度不足以将深部沉积大规模带到浅部所致。

SU4位于T3之下、T4之上。T4在本工作区仅识别出一处，位于水深约58 m的位置、Z71测线南部(图4)，呈“V”型，其连续性好、振幅强。T4为MIS4古河道河床，穿时界面。SU4内部呈前积型充填、强振幅反射结构，为明显的陆相河流沉积。SU4厚约6 m，宽364 m。钻孔QZ3没有钻到SU4。SU4位于SU3和SU5之间，推测SU4为MIS4沉积。

图4 层序地层单元划分(测线Z71)Fig.4 Sequence stratigraphic units (survey-line Z71)

SU5位于T5之上。T5在研究区大部分测线上都能对比追踪，连续较好、振幅较强，T5为冰间期海侵形成的区域性滨岸海蚀面，初始海泛面。除了基岩出露，SU5在研究区内均有覆盖，其外部形态整体上近席状，最大厚度约65.2 m，平均厚度约28.9 m。SU5沉积保留了至少两次较大规模的海退、海进的痕迹，该单元被T51、T52分割成SU51、SU52和SU53三个亚层序，T51、T52下方的“V”型或“U”型下切反射结构，对应的是海退期间形成的埋藏古河道河床。

1)SU51位于T51之上。T51在研究区大部分测线上都能对比追踪，连续较好、振幅较强，为区域性滨岸海蚀面， MIS5a初始海泛面。SU51外部形态整体上呈楔状，内部总体上呈上超平行、亚平行弱振幅反射结构， 钻孔QZ3没有钻到该地层，但是 U51下伏地层为MIS5b- 5c沉积，推测SU51为MIS5a沉积。根据地震相判断其主要为滨岸浅海沉积。

2)SU52位于T52之上。T52在研究区大部分测线上都能对比追踪，连续较好、振幅较强，为区域性滨岸海蚀面， MIS5c初始海泛面。SU52外部呈席状，内部反射结构变化较大，有平行强振幅反射，充填反射，杂乱反射等，表明其沉积类型多样、沉积环境复杂。SU52钻孔样岩性为灰黄-黄色砂质粉砂和砂质泥，QZ3-13号样品的OLS 测年年龄为96 600 cal.aBP±4 900 cal.aBP表明SU52为MIS5b- 5c沉积。根据岩性特征及地震相判断SU52主要为滨岸浅海沉积，局部为陆相沉积。

3)SU53位于T5反射界面之上。T5在研究区大部分测线上都能对比追踪，连续较好、振幅较强。为区域性滨岸海蚀面，初始海泛面。SU53外部呈席状，内部呈上超平行、亚平行弱振幅反射结构。该单元内钻孔样岩性为灰黑-灰色砂质粉砂，QZ3-16号样品OLS测年年龄为127 000 cal.aBP±6 300 cal.aBP，表明SU53为MIS5d-5e沉积，根据岩性特征及地震相判断 SU53主要为滨岸浅海沉积，局部为陆相沉积。

SU6位于T5和T6之间。T6局部连续性好、振幅强、起伏大，为陆上不整合面，底部为基岩(或硬质基底)。SU6在浅水区域缺失，其外部形态不规则，内部未见可以大规模连续追踪的反射同相轴，内部反射结构有平行强振幅反射，充填反射，杂乱反射等。SU6上覆地层单元为SU5，可判定其沉积时期为MIS6及更早，沉积类型复杂。

4 结论

1)研究区可划分为SU1、SU2、SU3、SU4、SU5和SU6层序，分别对应MIS1、MIS2、MIS3、MIS4、MIS5和MIS6及更早沉积。其中SU5可以划分为SU51、SU52和SU53三个亚单元，对应了MIS5a、MIS5b-5c和MIS5d-5e沉积。

2)研究区MIS1时期沉积层薄，处于水动力较强的沉积环境，以滨岸浅海沉积为主；MIS2时期沉积以陆相古河道下切充填为主，分布在合口港、铁炉港及龙江港附近，在MIS2该区域水系发育；MIS3时期浅部海相沉积缺失，但是在深水区域(现今水深约42 m以下)海相沉积普遍发育，滨岸浅海沉积为主；MIS4时期沉积规模小，以陆相沉积为主；MIS5时期沉积保留了至少两次较大规模的海退痕迹，该阶段沉积在本研究区第四系中所占比例最高，规模大、范围广，其沉积环境复杂多样，以滨岸浅海沉积为主。