渤海海峡老铁山水道基底埋深特征

顾效源,王 伟,何 磊

(1.山东省海洋地质勘查院,山东 烟台264004;2.山东省第三地质矿产勘查院,山东 烟台264004;3.中国地质调查局 青岛海洋地质研究所,山东 青岛266071)

海底第四纪覆盖层埋深及结构特征是影响海底隧道建设的重要影响因素,也是论证跨海通道建设方案的重要依据[1]。作为渤海海峡的重要组成部分,老铁山水道海域地质条件复杂[2]。由于前期对老铁山水道基底埋深等相关的研究资料较少,且调查手段受限,导致学者们对其地层研究程度低,对海底第四纪覆盖层埋深及结构特征的认知存在较大的差异。以往较为普遍的认识是老铁山水道大部分海域第四纪沉积层缺失,因受强烈的侵蚀作用影响,水道底部崎岖不平,导致沉积物以砾石、粗砂、贝壳和结核为主。水道北部及南部多砾石和砂砾,并认为北部为基岩地层并发育断裂褶皱。中部为晚更新世硬黏土,具体厚度不明[3-10]。

海底隧道埋藏区基岩覆盖厚度及第四纪承载力是影响海底隧道造价和安全的最重要的设计参数之一,本文基于实测单道地震及钻孔资料和历史资料,重点分析老铁山水道海域浅地层结构,描述海域第四纪覆盖层特征,以期利用物探及钻探新证据来统一对该区浅地层的认识。本文成果将对隧道埋置深度以及隧道的科学设计、合理施工皆具有重要的意义。

1 资料与方法

采用Geo Spark 2000J电火花单道地震系统进行海域物探,接收单元为24道组合检波水听器。采用尾拖方式,接收单元避开尾流的干扰,船速控制在5 kn以内。选在浪高小于1.5 m的良好海况下进行探测。最大探测深度大于70 m(基岩面以上),垂向分辨率为30 cm。海上作业前,先进行8 k m海试,确定单道地震工作参数,如表1所示。

表1 单道地震工作参数Table1 Workingparametersforthesingle-channelseismicsurvey

采用GeoSuiteAllWorks软件处理单道地震资料。解译过程中,根据以往经验及钻孔岩心对比确定平均声速,为1600m/s。由于受地层剖面采集及记录方法的限制,本次工作所采集的剖面出现多次波、鸣震和侧面波等干扰因素(图1中d为深度)。通过对这些干扰及噪声做系统分析,利用滤波及反褶积处理技术,提高了数据的信噪比,压制了干扰波对原始资料的干扰。如测线W1和W2由于受多种因素的干扰,导致剖面数据不能很好地显示地层信息(图1),通过对测W1和W2进行资料处理,部分剖面记录较好地揭示了海底70m以内地层的内部结构和地震反射特征[11]。

图1 数据处理前的测线W1和W2剖面Fig.1 ProfilesoflinesW1andW2beforedataprocessing

针对本研究目的,选取了自旅顺至小钦岛的W1和W2两条单道地震测线及ZK1和ZK2两个海域钻孔(图2)。其中,W1和W2两条测线长度总计52.91km;ZK1孔深186.30m,ZK2孔深32.00m。

图2 单道地震测线W1和W2及钻孔位置Fig.2 Locationsofsingle-channelseismicsurveylinesW1andW2anddrillingholes

2 结果与讨论

海底浅地层发育特征与海底地形紧密相关[4]。分析收集的研究区所开展的多波束测量资料及浅地层剖面同步测深资料等[1],根据赵铁虎等[4]对渤海海峡跨海通道海域水下地形特征分区,本文将研究区大致分为北部平坦区、中部隆起区和南部沟槽区三个区块(图3)。

图3 渤海海峡水下地形剖面Fig.3 Under water topographic profile of the Bohai Strait

受海底地形及沉积条件、构造运动的影响,研究区海底地层呈现出不同的埋藏特征。根据地震剖面解译信息及钻孔揭示信息,展开对海底地层的分析与讨论。

2.1 基底埋深分析

根据单道地震资料分析,测线W1(图4)主要代表了北部平坦区地层特征,测线W2(图5)代表了中部隆起区和南部沟槽区地层特征。所以,2条测线基本可以揭示渤海海峡老铁山水道海域浅地层特征。

图4 测线W1剖面Fig.4 Profile of line W1

图5 测线W2声学剖面与钻孔对比Fig.5 Contrast bet ween acoustic profile W2 and drilling holes

测线W1位于老铁山水道北段,长度26.17 k m。由水下地形图(图3)可知,海底地形较为平坦,但基岩面起伏较大。0～2 000炮及4 500～5 500炮基岩面较浅,特别是北部地层第四纪覆盖层很薄甚至缺失,这是由于北部海底地层中铁板砂广泛分布,导致声学信号无法穿透。5 500～10 000炮及2 000～4 500炮基岩埋藏较深,特别是6 300～10 000炮基岩面追踪失败,电火花声学信号无法穿透此处地层。

老铁山水道北部小型冲刷槽较为发育,水道底部崎岖不平。残留沉积主要为晚更新世的细砂、硬黏土以及被侵蚀后残留的砾石、粗砂、贝壳和结核等。其中砾石和沙砾占比最大。由图4可知,地层中发育褶皱构造(2 000～4 000炮),其形成背景与旅顺地区发育的NW向及NNW向延伸的褶皱与挤压性断裂构造带一致。

测线W2位于测线W1以南,由水下地形图(图3)可知,W2测线包括老铁山水道中部隆起区、南部沟槽区及南北隍城岛海域,长度26.74 k m。岛链附近第四纪地层缺失,有岩礁出露,受强力的侵蚀作用,底部崎岖不平且基岩面整体埋藏较浅。结合图5沟槽区钻孔ZK2岩心可知,此区域表层以粉砂、黏土为主,粉砂、黏土层厚度约10 m;10 m以深以砾石土为主,一般粒径为2～20 mm,将其推测为强侵蚀作用形成的残留沉积;对于中部隆起区,结合图5钻孔ZK1岩心可知,基岩面以上覆盖巨厚的粉砂及黏土层,单道地震剖面可揭露上层约60～70 m地层,主要岩性为粉土、黏土及粉砂等,剖面底层由钻孔揭示为细角砾土,一般粒径30～60 mm,最大粒径为80 mm,推测此砾土层为限制电火花信号传播的主要因素。

2.2 基底埋深讨论

以往研究[1-4]普遍认为渤海海峡北部特别是老铁山水道海域第四纪覆盖层大部分为缺失状态,只有局部地区发育残留沉积覆盖于基岩面之上,然而本研究发现事实并非如此,真实情况是老铁山水道海域地层很大范围内发育巨厚的覆盖层,其中由单道地震测线W2地层剖面可见,中部隆起区基岩以上发育以粉砂和黏土为主的巨厚的第四纪沉积层。根据钻孔ZK1岩心证据,此区域第四纪沉积层最厚在186.30 m以上。

隆起区以南发育一深切沟槽,沟槽区以北基岩面埋藏较浅,由钻孔ZK2岩心显示此位置第四纪覆盖层厚度为22 m,其岩性主要以黏土和砾土为主。于测线W1南侧发现的褶皱构造同样证明了此处发育巨厚的第四纪覆盖层,且覆盖层在百米以上。测线W1北部靠近旅顺、大连一侧的单道地震剖面基岩界面追踪失败,以往学者[1-4]普遍认为此处为基岩裸露发育,但本文认为此处并非如此。本文认为声波未能穿透的原因为此处表层发育较为坚硬的砾土或铁板砂,很大范围内海域浅地层仍以较厚的第四纪覆盖层为主。

3 结 论

基于单道地震及钻孔资料的综合分析,确定了渤海海峡老铁山水道海底隧道建设区基岩覆盖厚度,主要得出以下结论:

①老铁山水道北部平坦区海底地形整体起伏不大,由于声波穿透受限基岩面难以确定,推测靠近旅顺一侧基岩埋藏较浅或出露。向南发育一褶皱,褶皱以南基岩面埋藏逐渐变深;中部隆起区第四纪沉积层埋藏最深,为186.30 m以上,发育巨厚的粉砂黏土层;沟槽区以南以浅埋基岩为主,基岩埋藏深度多在30 m以浅。

②W1测线最北侧的声波未能穿透地层,且缺乏钻孔资料辅助,未能探明该段海底地层特征。为满足跨海通道工程建设需要,需对该段海域地层进行更进一步的调查分析,进而掌握老铁山水道整体基岩埋深情况,为工程建设提供全面准确的基础地层资料。