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      渤海金州灣海域聲學(xué)淺地層剖面及其解釋*

      2013-11-28 06:29:22王方旗胡光海吳永亭亓發(fā)慶董立峰陶常飛
      海洋科學(xué)進(jìn)展 2013年1期
      關(guān)鍵詞:沉積層金州層序

      王方旗,胡光海,吳永亭,亓發(fā)慶,楊 龍,董立峰,陶常飛

      (國家海洋局 第一海洋研究所,山東 青島266061)

      大連金州灣海域大致呈SE-NW走向,灣口朝西北敞向渤海。該灣為沙礫質(zhì)基巖海岸上的一個(gè)原生灣,海岸線總長65.7km,海灣面積為342km2,灣東部灘涂面積為17km2,灣口礁島面積4.2km2[1-2]。為加速金州灣海域的開發(fā)利用,擬在該海域內(nèi)建造一座人工島,用于修建新飛機(jī)場。項(xiàng)目場址位于渤海海區(qū)大連金州灣海域,大連市甘井子區(qū)大連灣街道毛塋子村養(yǎng)殖場的西北側(cè)的海域,距岸4.8km,地理坐標(biāo):39°05′~39°10′N,121°33′~121°39′E(圖1)。為弄清工程項(xiàng)目涉海范圍內(nèi)的工程地質(zhì)條件,需要在結(jié)合工程地質(zhì)鉆探資料的基礎(chǔ)上,開展大范圍的深層地層剖面探測,以便能全面的分析巖土層分布特征,查明基巖面的埋深及變化情況,了解第四系沉積物的厚度和形態(tài)特征等,為人工島工程設(shè)計(jì)提供詳細(xì)可靠的地質(zhì)資料。

      圖1 研究區(qū)地理位置及聲學(xué)地層剖面測線布設(shè)Fig.1 Locations of the study area and routes of surveying lines

      1 材料與方法

      國家海洋局第一海洋研究所于2011-07承擔(dān)了金州灣人工島海域地層剖面調(diào)查任務(wù),完成地層剖面測線397.7km,測線布設(shè)見圖1。海上作業(yè)采用美國Trimble公司的212H雙信標(biāo)DGPS,定位精度優(yōu)于1m。聲學(xué)地層剖面測量使用英國AAE公司研制的CSP-D 2200地層剖面系統(tǒng),由震源、水聽器、采集及顯示系統(tǒng)三部分組成。

      1)震源:采用SQUID 2000電火花震源,輸出電壓:2 500~4 000V,DC;發(fā)射功率:300~2 000J(多級可選);充電速度:1 500J/s;電容:240μf。

      2)水聽器:采用荷蘭GEO-RESOURCE公司生產(chǎn)的GEO-SENSE/24單道接收電纜,接收段長度約5 m,由24個(gè)高靈敏度陶瓷壓電水聽器組合,組合間距為0.2m。

      3)采集及顯示系統(tǒng):采用香港C-Products公司研制開發(fā)的C-View 1.531淺地層剖面采集系統(tǒng),可進(jìn)行全頻率自動采集,具有實(shí)時(shí)地AGC、TVG、低通及高通濾波、海底追蹤等功能,數(shù)據(jù)處理時(shí)具有定位坐標(biāo)偏移歸位、可控速回放剖面、屏幕數(shù)字化解譯等功能。

      海上作業(yè)時(shí)采用的工作參數(shù):激發(fā)間隔750ms,激發(fā)能量500J,記錄深度為200ms,濾波為0.1~5 kHz,每間隔100m定標(biāo)號,船速控制在4~5kn。

      2 處理與解釋

      聲學(xué)地層剖面探測最主要的目的就是確定海底沉積地層中不同巖性土層之間的分界面(在聲學(xué)剖面上稱為反射界面)。因此,準(zhǔn)確識別和追蹤這些分界面并精確地將其轉(zhuǎn)化為以海底起算的埋藏深度(時(shí)深轉(zhuǎn)換)是進(jìn)行資料處理和解釋的關(guān)鍵問題。影響時(shí)深轉(zhuǎn)換精度的因素主要有2個(gè):淺水區(qū)發(fā)收分置導(dǎo)致的淺部地層厚度畸變[3-4]和地層中聲速的選?。?-6]。本次海上作業(yè)時(shí)淺地層剖面儀發(fā)射換能器與水聽器之間水平距離為7.2m,而測區(qū)內(nèi)水深為5~7m,因此需對淺部地層厚度進(jìn)行校正。在進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換時(shí),50m以淺地層平均聲速采用1 600m/s,50m以深地層平均聲速采用1 800m/s,聲學(xué)反射界面與鉆孔資料能夠較好的對應(yīng)。

      2.1 聲學(xué)反射界面特征及地層劃分

      通過對聲學(xué)剖面反射波的振幅、頻率、相位、連續(xù)性、反射結(jié)構(gòu)和幾何形態(tài)的組合關(guān)系(上超、下超、削截和頂超等)等特征,對相位特點(diǎn)的區(qū)分及穩(wěn)定強(qiáng)相位的追蹤,是獲得地層分界面的有效方法。對波組形態(tài)特征變化的解釋也是十分重要的內(nèi)容,是判別和劃分不同時(shí)期的侵蝕面和沉積層內(nèi)部構(gòu)造,從而推斷沉積相和沉積環(huán)境的主要依據(jù)[7-8]。

      根據(jù)對聲學(xué)剖面的分析和解譯,研究區(qū)內(nèi)海底面以下至剖面記錄的有效范圍內(nèi)普遍存在8個(gè)連續(xù)的強(qiáng)聲學(xué)反射界面(T0,,,T2,T3,T4,和),可劃分為6個(gè)層序(A,B,C,D,E和F)和4個(gè)準(zhǔn)層序組(A1,A2,F(xiàn)1和F2)(圖2~圖4)。

      2.1.1 T0、和反射界面與層序A

      T0:海底反射界面,以強(qiáng)振幅、高能量、高連續(xù)性為特征。整個(gè)研究區(qū)內(nèi)海底反射界面基本光滑平整,向海方向緩緩傾斜,其反射形態(tài)反映了海底地形的變化情況。

      層序A:反射界面T0和之間的地層,是自全新世海侵開始以來逐漸沉積的地層,屬淺海相、濱海相沉積層,目前仍在接受沉積,一般稱為“現(xiàn)代沉積層”。研究區(qū)內(nèi)A層厚度分布規(guī)律明顯,從西北方向到東南方向由厚逐漸變薄,地層厚度值為8.1~16.8m。層序A可進(jìn)一步劃分為準(zhǔn)層序組A1和準(zhǔn)層序組A2。

      準(zhǔn)層序組A1:反射界面T0和T之間的地層,是研究區(qū)內(nèi)最年輕的地層,推斷為海侵至最大海泛面以后的高水位體系域所沉積的地層,屬淺海相沉積層。該層序組外形呈席狀或板狀,層間反射能量很弱,依稀可辨,平行結(jié)構(gòu),底界面連續(xù)、平直,基本無起伏變化,向西北方向略微傾斜,與下伏地層呈平行整合接觸關(guān)系。測區(qū)內(nèi)A1層厚度分布均勻、穩(wěn)定,厚度為4.0~5.3m,變化較小,表明區(qū)內(nèi)現(xiàn)代沉積速度比較一致。

      準(zhǔn)層序組A2:反射界面和之間的地層,推斷為末次冰后期海侵開始以來至到達(dá)最大海泛面期間海侵體系域沉積的地層,屬淺海相、濱海相沉積層。該層序組外形在傾向上為楔狀,在走向上呈席狀,層間反射能量較強(qiáng),基本平行于海底,逆下伏地層分界面終止尖滅,表明在水域不斷擴(kuò)大的情況下逐層超覆的沉積現(xiàn)象,也就是逐層上超,與下伏地層呈角度不整合接觸關(guān)系。研究區(qū)內(nèi)A2層厚度分布規(guī)律較為明顯,從西北方向到東南方向由厚逐漸變薄,厚度值為4.0~12.5m。

      圖2 淺層反射界面示意圖Fig.2 Typical shallow reflection interfaces

      2.1.2 T2反射界面與層序B

      T2:是一個(gè)較強(qiáng)反射的侵蝕界面,遍布全區(qū),能量強(qiáng)弱變化明顯,中—弱連續(xù)性,但可以連續(xù)追蹤,界面大多較平滑,但局部對下伏地層的侵蝕削截較大,表現(xiàn)為局部的起伏形態(tài),埋深為9.2~18.9m。

      2.1.3 T3反射界面與層序C

      T3:也是一個(gè)較強(qiáng)反射的侵蝕界面,在研究區(qū)的大部分地區(qū)都有分布,局部缺失,向西北角方向尖滅于T2。界面在大部分地區(qū)可追蹤性強(qiáng),但局部地區(qū)反射弱,不易識別;總體較為平滑,局部對下伏地層有較大范圍的溝谷狀侵蝕下切(下切最深者約為4m),T3界面埋深在12.5~19.6m之間。

      層序C:反射界面T2和T3之間的地層,與上覆地層呈角度不整合接觸關(guān)系,屬河湖沖積、洪積相沉積層。內(nèi)部反射雜亂,不連續(xù)、不平行、無次序排列,反映了高能環(huán)境下的沉積作用;局部賦存小范圍的亞平行、弱反射波組,可能為局部古洼地或古河道的充填。與下伏地層呈角度不整合接觸或假整合接觸關(guān)系。C層因遭受后期侵蝕而導(dǎo)致在區(qū)內(nèi)厚度分布變化劇烈,局部地區(qū)缺失(西北角),該層厚度值在0~5.5m之間,平均約為2.8m。

      圖3 典型聲學(xué)地層剖面及解釋(測線L3)Fig.3 Typical acoustic subbottom profile and its interpretation(L3)

      2.1.4 T4反射界面與層序D

      T4:也是一個(gè)較強(qiáng)反射的侵蝕界面,反射能量比較強(qiáng),但由于沉積物巖性的變化致使反射能量并不均勻,各地不一。該界面在研究區(qū)的大部分地區(qū)廣泛分布,連續(xù)性良好,可追蹤性強(qiáng),局部因被侵蝕而有缺失,埋深為14.3~25.6m。

      層序D:反射界面T3和T4之間的地層,與上覆地層呈角度不整合或假整合接觸關(guān)系,屬濱海相沉積層。內(nèi)部反射能量強(qiáng),同相軸清晰、連續(xù),延展長,呈向海方向傾斜的前積反射結(jié)構(gòu),局部由于沉積物巖性的變化使得同相軸變得略微模糊,反映了較低能環(huán)境下的沉積作用,與下伏地層呈角度不整合或假整合接觸關(guān)系。研究區(qū)內(nèi)D層厚度變化較大,為0~6.1m,平均約為2.5m。

      圖4 典型聲學(xué)地層剖面及解釋(測線L40)Fig.4 Typical acoustic subbottom profile and its interpretation(L40)

      層序E:反射界面T4和之間的地層,與上覆地層呈角度不整合或假整合接觸關(guān)系該層應(yīng)屬濱海相、河湖沖積相和洪積相以及殘積相、坡積相的復(fù)合沉積層,可能經(jīng)歷了幾次海侵海退過程,沉積了相應(yīng)的海陸相沉積層,并且在不同時(shí)期分別遭受剝蝕,因缺乏測年和古體微生物資料而難以詳盡分析,暫且列為一大層。該層內(nèi)部總體反射能量較強(qiáng),反射結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,能夠識別出的反射結(jié)構(gòu)主要有幾種:波狀反射、丘狀上超充填、發(fā)散狀充填、雜亂反射等。該層與下伏地層呈角度不整合接觸關(guān)系,在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布,厚度變化較大,為12.9~33.5m。

      準(zhǔn)層序組F1:反射界面和之間的地層,屬強(qiáng)風(fēng)化基巖層。層序內(nèi)部反射以波狀反射為主,反射能量從上往下至T6反射界面逐漸變?nèi)?,反映了從上往下基巖風(fēng)化程度逐漸變?nèi)醯内厔?。該層在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布,厚度分布受基巖風(fēng)化程度的控制,變化范圍較大,為1.8~16.6m。

      準(zhǔn)層序組F2:為中風(fēng)化基巖,反射界面以下的地層。

      2.2 聲學(xué)地層與鉆孔對比

      為全面綜合分析研究區(qū)內(nèi)的巖土層分布特征,在區(qū)內(nèi)進(jìn)行了一系列的工程地質(zhì)鉆探工作,選取具有代表性的 A23孔(39°6′27″N,121°35′17.4″E)的鉆孔資料與聲學(xué)地層剖面進(jìn)行對比和研究。A23鉆孔孔口標(biāo)高為-6.70m,總進(jìn)尺深度為81.2m,自上而下共分為15層(圖5):

      聲學(xué)地層A層與鉆孔的第①、②層對應(yīng),屬現(xiàn)代海洋沉積層,目前仍在接受沉積。

      ④粘土(Qal+pl4):灰褐色、灰黃色,稍濕,可塑-硬塑,切面光澤,土質(zhì)均勻,含少量鐵質(zhì)氧化物,偶見粉砂斑點(diǎn),層厚3.6m。該層與聲學(xué)地層C層對應(yīng),屬河湖沖積相、洪積相沉積層。

      圖5 金州灣聲學(xué)地層與鉆孔A23的對比Fig.5 Correlation of the strata resulted from the acoustic subbottom profiles to the stratigraphic units in Core A23in the Jinzhou Bay

      ⑥粘土(Qmc)4:灰褐色,稍濕,可塑-硬塑,切面光澤,土質(zhì)均勻,含少量鐵質(zhì)氧化物,偶見粉砂斑點(diǎn),層厚5.2m;

      聲學(xué)地層E層與鉆孔的第⑥、⑦、⑧、⑨、⑩、?、?、?層對應(yīng),可能為淺海相、濱海相、河湖沖積相、洪積相以及殘積相、坡積相的復(fù)合沉積層,僅依賴聲學(xué)剖面和工程地質(zhì)鉆孔資料無法準(zhǔn)確識別。

      ?強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖(βμ):灰綠色、棕褐色,輝綠結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,主要成份為輝石、角閃石,原巖結(jié)構(gòu)清晰,遇水軟化崩解,節(jié)理裂隙很發(fā)育,巖芯呈碎塊狀,層厚6.5m。本層對應(yīng)聲學(xué)地層F1層。

      ?中風(fēng)化灰?guī)r(Zgb):灰色,隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造,主要成份以方解石為主,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖芯呈柱狀,不易擊碎,該層未穿透,為震旦系基巖。本層對應(yīng)聲學(xué)地層F2層。

      聲學(xué)地層F層與鉆孔的第?、?層對應(yīng)。

      3 沉積層序及環(huán)境演化

      3.1 沉積層序

      前人對中國黃渤海晚晚更新世以來的沉積地層、環(huán)境演變等做了大量工作[9-16]。其中尤以渤海中部偏東的BC-1孔[9]、渤海南部的S3孔[10]的資料較為典型,對渤海的沉積層序作了較全面的闡述:渤海晚更新世以來的地層,主要是海水進(jìn)退所形成的地層:當(dāng)冰期來臨時(shí),海平面大幅度降低,海水退出渤海,形成陸地或者變?yōu)椴澈:?,接受陸相沉積;當(dāng)間冰期或亞間冰期來臨時(shí),海水復(fù)又進(jìn)入,再度形成渤海,接受海相沉積。由于渤海地區(qū)基本上處于沉降區(qū),所以無論是冰期時(shí)形成的陸相地層,還是間冰期形成的海相地層,都能夠連續(xù)地記載下來[9]。

      金州灣海域位于渤海的東岸,其相應(yīng)的沉積地層自然與渤海的沉積環(huán)境演化和沉積過程有著密不可分的關(guān)系。參考相關(guān)資料并對照BC-1孔和S3孔對研究區(qū)的沉積層序進(jìn)行如下討論:

      海相層序A:代表了8.2ka B.P.以來的全新世淺海相、濱海相沉積層,巖性為深灰色、灰褐色淤泥和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。本層對應(yīng)于BC-1孔的黃驊海侵層和S3孔的第一海相層。其中A1層(0~5.9m)代表了全新世中期約6.5ka B.P.以來高海平面時(shí)期陸架淺海相沉積層;A2層(5.9~11.1m)為全新世約8.2ka B.P.至約6.5ka B.P.之間海平面上升階段形成的淺海相、濱海相沉積層。

      海相層序B:代表了全新世早期海侵未達(dá)到最高海平面之前受潮汐影響的濱海相沉積層,巖性為灰褐色淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。

      陸相層序C:到末次冰期冰盛期,約18ka B.P.,海平面下降到最低點(diǎn),整個(gè)渤海大部分海域裸露成陸,形成侵蝕地表或陸相地層。而金州灣海域位于渤海東岸,比渤海中部更長時(shí)間內(nèi)處于陸相沉積環(huán)境,或者原有沉積地層被侵蝕,或者接受河湖沖積、洪積等陸相沉積。

      海相層序D:推斷該層沉積可能代表了玉木冰期上亞間冰期的濱海相沉積層,局部在末次冰期冰盛期時(shí)受到侵蝕,其巖性為灰褐色、灰綠色的粉質(zhì)粘土。本層可對應(yīng)于BC-1孔的獻(xiàn)縣海侵層和S3孔的第二海相層。

      海陸交互相層序E:本層可能包含了多次海相沉積和陸相沉積,因缺乏測年和有孔蟲等相關(guān)資料而難以詳細(xì)劃分,作為一層。

      3.2 環(huán)境演化

      晚更新世以來,全球氣候冷暖變化頻繁,海平面隨之升降。中國東部沿海平原發(fā)生了3次海侵,3次海侵之間還經(jīng)歷了2次大規(guī)模的海退成陸過程[13,17]。

      在約70ka B.P.,隨著里斯—玉木間冰期的結(jié)束,進(jìn)入玉木I階段,海水退出渤海干冷的氣候和強(qiáng)勁的西北風(fēng)使陸架上風(fēng)沙肆虐,河道向渤中延伸,廣泛發(fā)育了陸相沉積[18],金州灣地區(qū)裸露成陸,接受陸相沉積。進(jìn)入玉木冰期的下亞間冰期后,世界氣候轉(zhuǎn)暖,海平面上升,海水逐漸進(jìn)入渤海,約65ka B.P.海水到達(dá)渤中。這次海侵稱為渤海海侵,此次海侵范圍較小,持續(xù)時(shí)間短[9],這一階段金州灣應(yīng)該處于淺海相或?yàn)I海相沉積環(huán)境。約53.5ka B.P.,進(jìn)入玉木冰期的玉木II階段,氣候變冷,海水退出渤海,金州灣再次成為陸相環(huán)境,主要為河流沖積、洪積相。在此背景下,金州灣地區(qū)經(jīng)歷了陸—?!懙慕惶孢^程,形成了沉積層序E。

      到玉木冰期的上亞間冰期,氣候變暖,再次發(fā)生海侵,至約25ka B.P.,海侵達(dá)最大范圍,在渤海灣西岸曾經(jīng)遠(yuǎn)達(dá)河北獻(xiàn)縣,稱為獻(xiàn)縣海侵,這次海侵范圍大,持續(xù)時(shí)間長[9],金州灣可能處于濱海相沉積環(huán)境,形成了海相地層D。

      約22ka B.P.,進(jìn)入玉木冰期的末次冰期,世界氣候又逐漸變冷,至約18ka B.P.的盛冰期,海平面降到了最低位置,降到水深約140~160m處的現(xiàn)代陸架邊緣附近,這時(shí)中國的渤海、黃海、東海和南海的陸架區(qū)幾乎全部裸露成陸,并與中國大陸連為一體成為廣泛的陸架平原區(qū)[18]。只有部分地區(qū)能保持原始的沉積層序,而大部分海區(qū)則發(fā)生了沙漠化,形成沙漠化環(huán)境所特有的混雜堆積,當(dāng)初的沉積層序已經(jīng)不復(fù)存在[19]。此時(shí),金州灣處于陸相環(huán)境,可能遭受剝蝕或接受河流相沉積,形成陸相層序C。

      進(jìn)入冰后期,全球氣溫再次轉(zhuǎn)暖,海平面開始回升。大約于11ka B.P.,海水開始快速上升,大約于8.5 ka B.P.進(jìn)入渤海,于7ka B.P.左右到達(dá)現(xiàn)今的海岸線附近,約6.5ka B.P.海侵至最大范圍,至今渤海一直被水淹沒,這次海侵被稱為黃驊海侵[10]。這一時(shí)期內(nèi),金州灣地區(qū)形成了海相層序B和A,目前仍在接受沉積,依據(jù)A23鉆孔所揭露的A層厚度計(jì)算,沉積速率約為1.7mm/a。

      總體來看,自晚更新世以來,研究區(qū)在經(jīng)歷了陸相—濱海相—陸相—濱海相—陸相—濱海相—淺海相的多期沉積演化過程后,最終演化成為現(xiàn)代以潮汐為主要?jiǎng)恿Φ臏\海沉積環(huán)境。

      4 結(jié)論

      通過與工程地質(zhì)鉆孔資料的對比研究,對研究區(qū)渤海金州灣海域聲學(xué)地層剖面進(jìn)行了綜合分析和解釋,初步得到以下結(jié)論:

      1)金州灣海域海底面以下至聲學(xué)剖面記錄的有效范圍內(nèi)識別出8個(gè)連續(xù)的強(qiáng)聲學(xué)反射界面(T0,,,T2,T3,T4,和),可劃分為6個(gè)聲學(xué)層序。通過與鉆孔資料的對比分析,確定出了各聲學(xué)地層的巖性性質(zhì)及空間分布規(guī)律,根據(jù)沉積物巖性及地震相推斷了各地層的沉積相。

      2)金州灣海域海底地層的發(fā)育與氣候暖冷交替變化而導(dǎo)致的海平面升降變化密切相關(guān)。當(dāng)氣候變暖時(shí),海平面上升,淹沒金州灣地區(qū),就會沉積海相地層;當(dāng)氣候變冷時(shí),海平面隨之下降,金州灣地區(qū)裸露成陸,就會相應(yīng)的沉積陸相地層。在本次獲取的聲學(xué)地層剖面上能夠較清晰的反映出地層沉積與海侵海退之間的關(guān)系。

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