海南岛西南海域古河道空间分布规律及地质意义

2023-09-27张匡华陈飞王嘉琳仝长亮韩孝辉钟宙灿

海洋开发与管理 2023年8期

张匡华 ,陈飞 ,王嘉琳 ,仝长亮 ,韩孝辉 ,钟宙灿

(1.海南省海洋地质资源与环境重点实验室海口 570206;2.海南省海洋地质调查研究院海口 570206;3.海南省地质测试研究中心海口 570206;4.海南省地质综合勘察院海口 570206)

0 引言

港口工程、海底管缆铺设、海上钻井工程等都需要稳定的海底地质环境[1]。古河道充填沉积物具有复杂性和多变性,即其粒度组分、分选程度、密度、剪切力等存在一系列物理物质和力学性质的差异,导致持力不均,在长期侵蚀、冲刷及上覆荷载下,容易发生局部塌陷,使地层原有结构被破坏,构筑物基础不稳定,对海洋工程建设十分不利[2],因此古河道是陆架出现最多的限制性灾害地质因素。此外,古河道发育的晚第四纪是全球气候变化的重要时期,冰期至间冰期转换和海平面大幅升降等变化,导致气候和沉积环境相应发生重大变化[3]。冰期岸线向陆架推进,仅在古河道中形成线状分布的沉积体;间冰期随着海平面的上升,前期形成的陆相地层被埋藏于面状分布的海相地层之下,从而在浅海区形成特殊的沉积地层,这些沉积地层蕴含丰富的陆海相互作用、海平面和气候变化等古环境信息[4-6]。通过对研究区单道地震资料进行处理和解释,识别埋藏古河道,分析其空间分布规律并对隐藏其中的地质信息进行挖掘,既有利于为海洋工程建设、防灾减灾提供科学依据[7],又有助于揭示古河流沉积动力环境特点,对复原海南岛西南海域沉积作用的发育历史等方面具有较大的科学意义。

1 材料与方法

1.1 研究区

海南岛西南海域位于北部湾海域,属于半封闭型陆架,水深范围为0～90 m,等深线走向大致平行于海岸线,海底坡度为0°～1°,水深变化不大[8]。总体来看,研究区海底表层沉积物为砾砂,远岸区为黏土质粉砂,基本平行于海岸线呈带状分布;沉积物类型从近岸区至远岸区依次为中砂、中细砂至砾砂、砂砾、砾砂、中细砂,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[9]。研究区海底地貌主要为滨海堆积岸坡和浅海海岸三角洲平原,海流全年均为逆时针环流,主要受潮致余流、风生流和密度流的影响[10]。

1.2 研究数据及分析方法

单道地震数据采集使用Geo-Spark 2000J单道地震采集系统,测量网度为5 km×10 km,地震数据垂直分辨率优于0.5 m。地震数据处理采用系统自带的GeoSuite Allworks软件,主要处理流程包括原始数据输入、坏道剔除、时变增益、带通滤波;地震解释主要运用层序地层学和地震地层学的原理,根据地震相反射特征和界面识别标志进行地层划分及埋藏古河道单元圈定。地震相反射特征主要包括地震单元的外部形态和内部反射结构(如平行反射、前积反射、杂乱反射),反映某一时期内沉积环境的能量、物源等情况;界面识别标志主要包括上超、下超、削截和顶超,反映沉积作用的间断。将识别的多期古河道叠加起来,分析其空间分布规律,并挖掘隐藏其中的地质意义。时深转换所涉及的地震波在沉积物中的速度采用经验值1 600 m/s[11]。

2 讨论与分析

根据“下伏于不同地层单元被认为发育于不同时期”的原则,研究区内共识别3期古河道,距今时间从近到远分别命名为PC1、PC2和PC3(平面分布如图1所示,剖面特征如图2和图3所示,其中R0为海底地震反射同相轴,R1～R4分别为不同地层界面对应的地震反射同相轴,PC 为不同期次的埋藏古河道单元)。

图1 研究区埋藏古河道分布Fig.1 Distribution of paleo-channels in the study area

图2 典型古河道特征(LDS60)Fig.2 Typical characteristics of paleo-channels (LDS60)

图3 典型古河道特征(LDS50)Fig.3 Typical characteristics of paleo-channels (LDS50)

2.1 古河道的垂向分布

位于剖面顶部的PC1包含13处古河道,对应编号为PC1-1 至PC1-13;位于剖面中部的PC2 包含8处古河道,对应编号为PC2-1至PC2-8;位于剖面下部的PC3包含5处古河道,对应编号为PC3-1至PC3-5。埋藏古河道在不同垂直空间上都有分布,埋藏深度从数米到80 m 不等,古河道两侧为低频、强振幅、连续性较好的不整合面反射同相轴,古河道上覆和下伏地层之间的沉积间断,上覆地层总体上呈平行、亚平行弱振幅中高频地震反射特征,对应弱沉积动力环境下的近浅海相沉积。3期河道有的自成体系,有的相互叠置,切割老地层深度从数米到41 m 不等,其中整体上PC1、PC2的切割深度大于PC3。距今较近的2 次冰期的海退规模较大,可对下伏地层产生较大切割深度,由于缺少测年数据,无法给出详细的年代,前期研究认为三亚海域浅地层埋藏古河道的发育时间主要为MIS2和MIS4[11-12],本研究结合3期古河道分布的空间关系,也初步推断PC1、PC2发育于MIS2和MIS4,而PC3则发育于海平面升降幅度相对较小的MIS5。

由于古河道河床与两侧岩性存在差异,在单道地震剖面上表现为连续波状起伏的强振幅反射,从外部形态可追踪到部分古河道发育及变迁的信息。研究区内古河道的外部形态大部分呈“U”形或“V”形,少数呈“U”形或“V”形的组合字形,反映研究区内古河流改道的频次及强度较低。内部反射结构特征可反映古河道发育后上覆沉积层的岩性,研究区大多数古河道的内部地震反射呈现平行、亚平行、波状或前积结构,反映古河道局部沉积形成于低能环境;少数古河道的内部地震反射呈现杂乱反射结构,反映古河道局部沉积形成于高能环境。这间接反映古河流整体较弱的沉积动力条件,只有局部沉积动力条件较强。

2.2 古河道的平面分布

将识别的3期埋藏古河道PC1、PC2和PC3叠加到一起,各个时期古河道的平面分布特征为:3期古河道分布海域的水深为10～93 m,其中30～80 m水深海域最为发育;整体呈现南部发育、北部欠发育,远离海岸线发育、靠近海岸线欠发育;从整体上看,多期古河道与海南岛海岸线有较好的对应关系,3期古河道之间也存在密切的联系。

(1) PC1。该期古河道大部分呈从北到南或从东北到西南的古流向,仅发现PC1-4至PC1-6呈从西北到东南的古流向;古河道宽度为1～15 km 不等,最大延伸长度超过32 km;除PC1-4 至PC1-6外,PC1的分布范围与海南岛海岸线有较好的对应关系,其古流向大多数与海南岛入海河流流向较为一致,据此推断其沉积物来源主要为海南岛陆域;PC1-4至PC1-6的平面分布位置、埋藏深度和河道内均表现为平行、亚平行高频弱振幅地震反射特征,上游均指向位于研究区西北方向的红河,长度均超过20 km,最大切割老地层深度均超过15 m,其中PC1-4的最大宽度超过15 km,同样在该区域发育的前一期古河道PC2-3的长度超过50 km,最大切割老地层深度超过22 m,根据古河道的规模与空间分布特征推测其与古红河关系密切,研究区部分沉积物可能来源于古红河流域。

(2) PC2。该期古河道方向各异,其中PC2-3和PC2-8的规模较大,宽度为1.5～5.5 km 不等,延伸长度超过50 km;PC2和PC1的古流向总体类似,大部分呈从北到南或从东北到西南的古流向,局部呈从西北到东南的古流向;PC2-1位于PC1-2的西部,并在平面上有一定的重叠;PC2-2位于PC1-3的正北方向;PC2-3 和PC2-4 位于PC1-4～PC1-6 的西北方向,其古流向与海岸线近似平行,并在平面上有较大范围的重叠;PC2-5和PC1-12的古流向相同,并在平面上有较大范围的重叠;PC2-6 与PC1-11、PC2-7与PC1-13都存在密切的空间关系,表现为古流向相同并在平面上较为靠近;PC2-8附近未发现更晚期次发育的古河道分布。多期古河道在不同空间的分布反映海平面升降对水系空间分布格局的改造,多期古河道在相近空间分布反映水系空间分布格局在时间上具有较强的延续性。

(3) PC3。该期古河道数量相对较少且规模相对较小,延伸长度较短导致其大部分仅在单独某条地震剖面上显示,古流向和宽度难以确定。但从平面分布上看,部分PC3与PC2、PC1在平面上有一定范围的重叠,如PC3-1和PC2-1,PC3-2、PC2-3和PC1-6,PC3-3 和PC1-8,PC3-4 和PC1-9。PC3 与PC2或PC1 在平面上十分靠近,据此推断PC3 与PC2、PC1具有相似的发育规律。

由于近岸区域的埋藏古河道不发育,深水区域分布的古河道与陆域水系不连续,在平面上不易分辨各埋藏古河道单元具体与哪条陆域河流相对应。此外,研究区内越靠近海南岛、海水越浅的位置,古河道分布的数量越少,且多期古河道叠加的范围越小;海水越深的位置,古河道分布的数量越多,且多期古河道叠加的范围越大。推测这种空间分布格局形成的原因是近岸区域沉积物较薄以及古河道下切老地层较浅,而单道地震资料分辨率有限,难以将之识别,此外海平面下降也可能对前期发育的埋藏古河道产生破坏作用。