海南岛东北部海域海砂资源分布特征及开发前景分析

2019-01-18仝长亮张匡华

中国矿业 2019年1期

仝长亮，陈飞，张匡华

(1.海南省海洋地质调查研究院，海南海口 570206;2.海南省海洋地质资源与环境重点实验室，海南海口 570206)

0 引言

海砂作为一种重要的矿产资源，其产值目前仅次于海底石油，已成为第二大海洋矿产开采业[1]。海砂中有用矿物较多，如石英、锆石、钛铁矿、独居石、金红石、磷钇矿等，可用于各种金属非金属的提炼、建筑材料和填海造地工程等，开发潜力大。

中国的浅海海砂资源非常丰富，主要集中在台湾浅滩、琼州海峡东口、珠江口外，以中粗砂为主，海砂质量最佳[2]。海南岛东北部海域工作程度较低，前人研究多集中在海底地形地貌、沉积动力和地质构造领域，对海砂资源调查和评价较少，分析研究程度低[2-4]。本文通过在琼州海峡东口的综合地质调查数据(包括水深、浅地层剖面、底质取样、钻探、粒度、理化指标等)，对该区域的海砂分布特征及资源潜力进行了分析。本文沉积物分类参照《海洋调查规范第8部分：海洋地质地球物理调查》(GB/T 12763.8—2007)，分析方法为激光法结合筛析法。本文所定义的海砂是指砂级(粒径大于0.063 mm)含量超过50%的海底松散沉积物，包括砂质和砾质沉积物。

1 研究区海洋环境与资源概况

研究区位于海南岛东北部，南渡江口经铺前湾至抱虎湾一带，琼州海峡东口南侧海域，水深一般不超过50 m(在中央水道水深100 m左右)，近东西分布的潮流沙脊和冲刷槽相间分布，是该海域最典型的海底地貌类型。地质构造上，研究区位于雷琼断陷中部，并沉积了巨厚的新生代滨浅海相地层，全新世早期海侵形成了其基本轮廓，沉积物以砂、砾石。含砾(泥)砂为主[5-6]。

研究区潮汐类型为不规则半日潮，平均潮差2 m，潮流以东西向往复流为主，风海流的季节性明显，春季、秋季、冬季总趋势是由东向西流动，夏季由东南向西北流动[7],加之海峡南岸岬湾地形的影响，研究区潮流表现出一定的复杂性，受到窄管效应的影响，研究区的潮流流速为南海之最[8]。琼州海峡中部表层流速大于6节，底层流速大于4节，而在海峡东出口处流速下降至3节或更小，物质发生堆积，形成潮流沙脊[9]。

琼州海峡东口沉积物来源复杂，主要来自于海峡内潮流冲蚀物，部分来自于沿岸流的输运及外海洋洋流的带入[10]。沉积物由内向外逐渐变细，含泥量提高，表明海峡东口内外水动力环境的巨大差异。研究区由西到东主要分布有白沙浅滩、西南浅滩、南方浅滩和出水浅滩，是由往复潮流控制的指状沙脊区，是我国重要的海砂资源富集区。

2 海砂分布特征

2.1 以砂砾质沉积物为主，具有一定的分带性

研究区以砂砾质沉积物为主，主要分布于琼州海峡东口、海南湾、铺前湾外缘、南渡江河口及琼州海峡中央水道的区域，以海南角为界，东侧以砂质沉积物为主，西侧以砾质沉积物为主。研究区其他海域零星分布有泥质沉积物，海南角和抱虎角海域则出露一定面积的基岩。研究区砂级以上沉积物类型共有8种，分别是：砾、砂质砾、泥质砾、泥质砂质砾、砂、砾质砂、泥质砂和砾质泥质砂，其中以砂、砾质砂、砂质砾和泥质砂质砾分布最为广泛，这些砂砾质沉积物是海南岛东北部海域海砂资源的重要组成,如图1所示。

研究区表层沉积物平均粒径的均值为1.54Φ，属中砂级。西部以砾质沉积物为主，粒级中粗砂～细砾，含砾10%～50%，含泥5%～15%，由岸向海，泥质组分逐渐减少，砂砾含量逐渐增多。中部则与琼州海峡中央水道相邻，水动力较强，铺前湾顶形成了近东西走向的长条状的白沙浅滩，沉积物类型为砾质砂，粒级为中砂，而在浅滩内部，水动力较弱，含泥量逐渐增加，可达5%～15%，沉积物类型为泥质砂，粒级为中细砂。

研究区东部沉积物主要为砂质成分，包括砂、砾质砂、粉砂质砂、砾质粉砂质砂，局部为砾和砂质砾。砾含量分别是5%～15%和30%～60%，多数含泥量小于5%，粒级以中细砂为主。以海南角为界，以西主要分布有砂质砾、砾质砂和砂，西南浅滩中心部位为砂，向四周逐渐过渡为砾质砂和砂质砾。海南角以东主要为砂和砾质砂，南方浅滩绝大多数为砂、只有部分冲刷槽分布有砾、砾质砂等；出水浅滩海域，以砂、砾质砂和砂质砾为主，西段靠近南水道处为砾质砂，中段则含有少量泥质成分，东段则以砂为主；潮流砂脊的末端，沉积物逐渐变细，出现了泥质砂。总体来说，琼州海峡东口沉积物含砂为主，由西向东粒径逐渐变细，也体现了海南角以东海峡变宽，水动力条件减弱的特征。

2.2 分布范围广，海砂规模较大，平面连续性好

从底质情况看，研究区海砂分布范围较广，除海南角、铺前湾和琼州海峡中央水道部分区域无砂质沉积，其他区域均由砂质或砾质沉积物覆盖，覆盖范围接近90%。海砂主要分布于琼州海峡东口、海南湾、铺前湾外缘、南渡江河口及琼州海峡中央水道的区域，同一类型沉积物连续分布面积较大，表明其成矿条件(水动力环境)变化不大。如图1所示，根据研究区的地形和沉积动力特征，可将海砂划分为3个不同的资源区，即B1区、B2区和B3区。B1区西起海口湾，经南渡江口、中央水道和铺前湾外缘，延伸至海南湾一带，东西跨度约40 km，南北跨度约15 km，面积近300 km2；B2区位于铺前湾一带，由白沙浅滩至文昌新埠角围成的海域，东西跨度22 km，南北跨度11 km，面积约110 km2；B3区为琼州海峡东口的潮流沙脊区，东西跨度42 km，南北跨度23 km，主要由西南浅滩、南方浅滩和出水浅滩组成，浅滩大致呈扇形分布，面积约390 km2。其中位于抱虎湾附近的出水浅滩区，海砂分布面积最大，可达148 km2(其东侧未封闭)，呈北西向带状分布，主要为砂质沉积物，连续展布长度可达20～30 km，最宽处可达7 km，其资源潜力可达33亿m3(表1)。

G-砾；SG-砂质砾；MG-泥质砾；MSG-泥质砂质砾；S-砂；GS-砾质砂；MS-泥质砂；GMS-砾质泥质砂

表1 琼州海峡东口浅滩区海砂资源特征表Table 1 The characteristics of marine sand resources in the eastmouth of Qiongzhou strait

2.3 海砂沉积厚度较大，资源潜力巨大

根据浅地层和钻孔资料，研究区沉积物多属第四系全新统，其厚度如图2所示。可以看到，在琼州海峡东口的浅滩区，受到东西向潮流和地形的影响，其沉积环境表现为强烈的冲刷，致使沉积物发生再悬浮、搬运、分选和沉积，中粗粒的沉积物被搬运至浅滩，形成了“山包”状的砂体，沉积厚度较大，基本超过20 m，其中在西南浅滩和南方浅滩的中心地段，厚度可达40 m，最厚处为67 m(南方浅滩)，浅滩由中心向四周厚度逐渐减薄(10 m以下)。在铺前湾的广大海域，海砂沉积厚度基本在10～15 m之间，局部区域如白沙浅滩、中央水道的部分地段，从底质类型与水深条件看，海砂分布与水下地形具有较好的相关性，即海砂规模越大水深越浅。研究区海砂主要分布于潮流沙脊区，水深5～20 m，基本不超过50 m，最浅处小于2 m(出水浅滩中心)，开发条件最佳。位于B2区的白沙浅滩是由浪流共同作用所形成，砂层厚度超过15 m[11]，构成了铺前湾的湾口沙坝，湾内属浪控水下浅滩、沙坝沉积体系，总体水深不超过10 m，水动力较弱，开发条件较好。只有在研究区的西北侧，中央水道处，水深达60～70 m，虽然具有一定厚度的海砂，但开发难度较大，现阶段不适宜开采。总之，研究区海砂赋存条件较好，水深较浅，有利于开发利用。

图2 全新统沉积层等厚度图Fig.2 The contour map of the Holocene deposition thickness

海砂发生堆积，厚度15～20 m。南渡江口，由于河流物质的供给，沉积厚度较大，形成15～20 m厚的水下三角洲堆积。总之，研究区海砂沉积厚度总体较大，超过10 m的沉积区占比仅七成，特别是在琼州海峡东口的浅滩区，海砂平均厚度超过25 m，钻孔最深揭露为32 m(西南浅滩)，全部为全新世砂质沉积物，中砂～细砂粒级，分选良好，相变小，基本不含无用夹层，资源潜力巨大。

2.4 水深适宜，开发条件较好

3 海砂质量特征

3.1 海砂含泥量较低，分选较好，海砂质量好

含泥量是海砂资源评价的重要指标。分析结果显示，研究区海砂含泥量平均约为13%，在琼州海峡东口和南渡江口处，含泥量较低，一般小于5%，海砂质量较好。如图3所示，西南浅滩、南方浅滩和出水浅滩的样品分析表明，该处海砂含泥量极低，在0.2%～1.6%之间，平均值为0.7%，且砾石含量也较低，平均为1.5%，粒级集中在细砂～中砂端，分选系数多小于1.0，分选较好～好，易于采选。钻探资料显示，研究区海砂粒度、含泥量、分选性等指标随深度变化不大，岩性稳定，反映出海洋动力的基本稳定，表明研究区(特别是琼州海峡东口浅滩区)海砂质量总体良好。

3.2 各项物理性能指标优良，是良好的建筑材料

参考《建筑用砂》(GB/T14684—2011)标准，对三处浅滩海砂的主要物理性能指标进行评价，结果见表2。海砂细度模数平均值为2.1，细砂级，级配区多落在2区和3区；表观密度为2 600～2 660 kg/m3，符合建筑用砂标准；轻物质、坚固性、硫化物均含量很少，符合Ⅰ类建筑用砂标准，有机物含量符合建筑用砂标准，贝壳含量0.4%～23.8%，平均值3.9，符合Ⅱ类建筑用砂标准。半定量分析可以看到，研究区海砂不仅是良好的填海资源，部分指标可达到Ⅰ类和Ⅱ类建筑用砂等级，经淡化处理，具有可用于工程建设的可能性，可以作为粗集料，用于路基、坝基等工程，也可以作为混凝土和砂浆的骨料、人工砂原料，以及反滤料等。

3.3 海砂类型为长石石英砂，用途广泛

研究区海砂的矿物组分主要为石英、钾长石、斜长石、方解石等，其中石英和长石含量评价约为80%和5%，属长石石英砂。特别是在琼州海峡浅滩区，由于水动力较强，生物碎屑残留较少，砂质较纯，海砂中SiO2含量普遍较高。通过43组样品化学分析表明，该区域SiO2含量大多超过90%(石英矿物含量可达80%～90%)，颗粒0.3～1.2 mm，呈棱角状或圆状，结构松散未胶结，是良好的硅质原料。参考有关规范初步分析可知(表3)，琼州海峡东口浅滩区的海砂主要化学指标已经达到或者超过相关工业利用的标准，可以用于铸造、耐火、水泥配料、玻璃、陶瓷、冶金等领域[12]。

图3 研究区沉积物含泥量等值线图Fig.3 The contour map of the silt content in study area

表2 浅滩区海砂物理性能指标统计表Table 2 The statistics of marine sand physical properties in shoal region

表3 浅滩区海砂主要组分含量统计表Table 3 The statistics of marine sand component concentration in shoal region

4 海砂资源开发前景评价

4.1 评价方法

海砂开发前景评价采用综合评分法。评价对象为调查区内所有砂砾质沉积物。评价指标主要考虑资源规模、海砂质量和开采技术条件。资源规模主要指海砂的分布面积和厚度，海砂质量指含泥量指标，开采技术条件指水深指标(不考虑离岸距离)。各指标具体制定和评分见表4。

针对研究区内的海砂资源，根据表4的每个指标分级，形成若干区块，按一定的权重进行赋值或打分，各项分值之和即为综合评价的分值，分数越高说明可开发前景越好。评分系统采用百分制，其中开采技术条件和海砂规模是目前海砂开发的主要影响因素，因此各占40分；而海砂质量仅对建筑用砂影响较大，对于填海用砂的影响较小，因此其总分设置为20分。

根据综合评价的分值，制定海砂开发前景评价等级。本次评价共设置5个等级，分别是A、B、C、D、E，对应的开发前景是好、较好、中等、较差、差，见表5。可以看出，A级和B级前景的海砂各方面指标较好，海砂利用面较宽，开发成本和风险相对较低，应作为今后勘查开发工作的首选区域。C级前景的海砂开发条件总体较好，但海砂质量和规模一般，具有一定资源潜力，但勘查程度较低，其开发前景不明朗，因此今后应在个别区域进一步开展系统工作或作为资源储备。D级和E级前景的海砂开采技术条件较差，开发前景较差，资源潜力需要进一步论证或核实。

表4 海砂开发前景评价指标Table 4 The evaluate index of marine sand development prospects

表5 海砂开发前景综合评价等级Table 5 The comprehensive evaluate classes of marine sand development prospects

4.2 评价结果

通过初步分析，得到海南岛东北部海域海砂资源开发前景图(图4)。可以看到，从资源开发角度讲，本区域海砂开发前景总体较好，近一半区域为中等偏上(C级以上)开发前景。这些区域主要位于琼州海峡东口潮流砂脊区和南渡江口沉积区(包括白沙浅滩)，以及铺前湾和抱虎湾等海域。

A级开发前景区主要分布于出水浅滩、南方浅滩和西南浅滩核心区域，与浅滩范围高度吻合；该处前景区的特点是海砂资源分布面积大，三处浅滩A级前景区连续分布的面积分别是106 km2、53 km2和34 km2；沉积厚度超过20 m，其中南方浅滩和西南浅滩厚度为30～50 m；海砂含泥量低，为1%～2%；水深不超过15 m，开采条件优越，开发前景最佳，地质可靠程度较高，建议优先考虑。但该处也存在离港口(铺前港)较远和海况复杂的不利因素，在开发过程中应充分考虑。

B级前景区多分布于A级区周边，海砂规模、海砂质量较A级区略有下降，但相差不大，水深则下降较多，为15～30 m，造成开发成本增加较多；在南渡江口至白沙浅滩一带，分布有一定规模的B级前景区，该处水深适宜，海砂规模分布广，但海砂厚度一般(多为10 m左右)，含泥量5%～20%，海砂质量一般，其开发前景归类为B级，其不利因素主要为环境风险和海砂质量不高，建议进行适当开发。

C级前景区分布于近岸海湾内海域和B级前景区的周围，如铺前湾、南渡江口外侧及琼州海峡浅滩外侧的冲刷槽等；海砂连续分布具有一定规模，但其厚度较小，一般小于10 m，可能会造成开发成本较高；含泥量较高，局部可达20%，海砂质量不高；除湾内水深小于10 m，其他区域水深30～50 m，开采难度较大，存在技术上的不利因素，总体上开发前景中等，需要进一步开展工作，查明资源潜力，选取有利区域进行小规模的开发活动。

D级和E级前景区主要位于琼州海峡中央水道和浅滩间的冲刷槽附近；水深多数超过50 m，局部超过100 m，现有技术条件下无法实现开采；含泥量普遍超过20%，局部超过40%，海砂质量较差；沉积厚度上，一般小于5 m，或仅为表层沉积，不建议进行开发活动。

5 海砂资源开发利用有关问题的讨论

研究区海砂资源丰富，但勘查开发程度较低。近年来，随着海南省海洋经济快速发展，各类海洋工程项目启动实施，对海砂资源需求逐渐增大。根据《海南省海洋功能区划(2011～2020年)》的海洋功能分区(图4)，研究区主要为保留区和休闲旅游区，部分为港口航运区和农渔业区。琼州海峡东口主要规划为保留区，可以开展不改变海域自然属性的海洋矿产资源开发活动，保留区范围与本文中的A级、B级前景区重合度较高，海砂开发的可能性较大。而南渡江口和白沙浅滩处则为休闲娱乐区和航道区，且目前白沙浅滩正在进行填海造地工程(如意岛项目)，该处海域海砂开发会受到严格限制。

B-保留区；G-港口航运区；H-海洋保护区；L-旅游休闲娱乐区；N-农渔业区图4 研究区海砂开发前景图Fig.4 The evaluate results of marine sand resources development prospects in study area

海砂主要是在第四纪以来的构造运动和海平面升降的控制下形成，在一定条件下处于动态平衡，海砂的开发必定会导致海洋环境的变化[13]。海砂资源的开采最主要的效应是从海底直接吸取了物质，从而直接影响了开采海域的地形地貌、水力学特征以及生态环境[14]。琼州海峡作是重要的航行通道，海砂的开采对于疏通航道具有一定的好处，但也影响通航安全和海底管线安全。因此，海砂开发过程中，要借鉴国内外先进管理和技术经验，开展环境效应评价，监测和评价海砂开采中的悬沙农渡、沉降速率、扩散通量、水体浊度、含氧量、生物密度和底床形态等指标，使得开采过程可控，最大程度减小开采过程对环境的影响，并制定相关方案促进生态环境恢复[14]。