祁雅莉 , 黃海軍 劉艷霞 劉 曉, 楊曦光

(1.中國科學(xué)院 海洋研究所, 山東 青島 266071; 2.中國科學(xué)院 海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室, 山東 青島266071; 3.中國科學(xué)院大學(xué), 北京100039; 4.山東理工大學(xué) 資環(huán)學(xué)院, 山東 淄博 255000)

全新世大暖期造成沿海許多低洼平原地區(qū)海岸線向陸地深入300 km之多[1], 其中渤海沿岸在6 ka B.P.左右達(dá)到最大海侵范圍, 海岸線向內(nèi)陸延伸幾公里至幾百公里不等[2]?；謴?fù)古海岸線和古海平面位置和變遷研究, 對研究古海陸格局、演化和預(yù)測未來海平面變化對海岸帶地區(qū)造成的影響是非常重要的。從20世紀(jì)70年代以來, 很多學(xué)者開展了大量調(diào)查, 利用測年手段結(jié)合地貌學(xué)、沉積學(xué)和古生物學(xué)等方法對古海岸線位置進(jìn)行了研究, 取得很多重要成果,如利用沿海平原鉆孔巖心的海相層中所含有孔蟲、海相介形蟲, 通過14C測年[3]、AMS碳同位素測年[4]、ESR測年[5]等方法來確定地層年代, 并根據(jù)生物組合和沉積特征來推測古海平面高度、古海岸線位置;利用牡蠣礁、貝殼堤[6]、古海蝕崖[2]等典型的古岸線地貌和沉積標(biāo)志, 來恢復(fù)古海平面等。但由于不同學(xué)者所采取的方法不同和條件的限制, 造成部分地區(qū)的大暖期古海岸線位置存在較大的爭議。因此, 精確確定古海岸線位置, 對準(zhǔn)確評估全球溫度上升對我國岸線變化的影響幅度具有重要意義。

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar, GPR)是通過電磁波來探測介質(zhì)內(nèi)部的目標(biāo)及界面, 由于它的設(shè)備輕便、攜帶方便、采集速度非?？臁D像比較直觀、分辨率高, 無損探測等優(yōu)點, 是目前世界公認(rèn)的應(yīng)用范圍較廣的地球物理技術(shù)。在交通建設(shè)及維護(hù)、城市建設(shè)規(guī)劃、災(zāi)害地質(zhì)評價與監(jiān)測、環(huán)境工程[7]等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近些年來, 又在地質(zhì)研究領(lǐng)域的淺地層探測、定位、成像等方面得到不斷實驗和探索, 并取得了許多階段性的研究成果,例如沙壩[8]、三角洲[9]等的沉積相和結(jié)構(gòu)、古河道位置[10]、湖泊岸線演化[11]及更新世古海平面地層高度和年代[12]等等。在國內(nèi), 探地雷達(dá)在海岸帶的應(yīng)用處于起步階段, 在海岸的古環(huán)境恢復(fù)方面取得了初步的成果, 如殷勇等利用探地雷達(dá)研究了海南島東部博鰲地區(qū)晚更新世以來沙壩-潟湖體系沉積序列和內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)[13]。本文選取具有典型古海岸線標(biāo)識物的萊州灣東岸為研究區(qū), 開展雷達(dá)探測淺層海相地層的層序變化實驗研究, 探討探地雷達(dá)技術(shù)用于確定全新世最大海侵位置的可行性。

1 材料與方法

1.1 GPR工作原理

GPR是一種非介入性的地球物理技術(shù), 由地面上的發(fā)射天線將高頻電磁波以寬頻帶短脈沖(頻率范圍主要在1~1 000 MHz)的形式定向送入地下, 這種高頻電磁波當(dāng)遇到存在電性差異的地層界面或者目標(biāo)體時反射回地面, 由接收天線接收成像, 完成一次探測(圖1)。電磁波傳播過程中, 其路徑、磁場強度與波形都會隨著不同介質(zhì)的電性及幾何形態(tài)而發(fā)生相應(yīng)的改變, 基于此, 可以通過分析反映這些變化的電磁波參數(shù)推斷介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[14], 如電磁波的雙向反射時間、振幅與波形資料等。

圖1 探地雷達(dá)工作原理Fig.1 Working principle of ground penetrating radar

1.2 GPR測量與圖像處理

1.2.1 現(xiàn)場測量

為了提高工作效率和獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù), 在測量前需對研究區(qū)內(nèi)已有鉆孔數(shù)據(jù)、地質(zhì)構(gòu)造特征、區(qū)域地層分布、沉積物組成成分等研究成果或者資料進(jìn)行收集和分析。根據(jù)已有對全新世海侵線位置的研究成果和已有鉆孔數(shù)據(jù), 布設(shè)合適的探地雷達(dá)追蹤剖面。并且考慮避開對探地雷達(dá)信號造成強干擾的環(huán)境因素, 如電線、樹林、金屬物體等。測量時, 根據(jù)區(qū)域地層分析、沉積物組成成分等初步判定測量目標(biāo)埋深, 據(jù)此選擇合適頻率的雷達(dá)天線和參數(shù)。

本實驗選用瑞典MALA公司RAMAC/GPR型地質(zhì)雷達(dá), 采用數(shù)字式光纖傳輸信號、GroundVision 2專業(yè)雷達(dá)軟件采集數(shù)據(jù)。天線選用RAMAC 100MHz非屏蔽超強地面耦合天線(RTA), 其主要是針對中深層地層進(jìn)行的中等分辨率探測, 地層分層識別效果好, 探測深度約12~50 m, 滿足研究區(qū)全新世最大海侵層的探測。數(shù)據(jù)采集的采樣間隔0.5 m, 采樣頻率1 000 MHz, 疊加次數(shù)128。采用RTK GPS采集地形數(shù)據(jù), 精度厘米級。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用RAMAC/GPR配套的REFLEXW專業(yè)后處理軟件。在處理時, 需要根據(jù)數(shù)據(jù)采集實際情況和解譯目標(biāo), 不斷調(diào)整, 選擇最適宜的步驟和參數(shù)。本文對獲取雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行的處理主要包括去零漂、時差校正、去疊加信號(WOW)、增益、速度分析和地形校正等。

電磁波在介質(zhì)中傳播速度的正確估算對將圖像雙程反射時間t轉(zhuǎn)換為精確深度值是很重要的。根據(jù)設(shè)備和實驗獲取數(shù)據(jù)情況, 本文利用地下點目標(biāo)的反射雙曲線的弧度求速度方法求速度[15]。設(shè)地下點目標(biāo)頂部反射時間為t0, 偏離頂點位置x處的反射時間為tx(圖2), 那么V即為電磁波到達(dá)地下點目標(biāo)的平均速度,

雙曲線提取實例圖像如圖2所示, 據(jù)此計算出的平均速度為0.09 m/ns。

1.2.3 GPR圖像解譯依據(jù)

探地雷達(dá)采集數(shù)據(jù)時所記錄的數(shù)字信號, 通過轉(zhuǎn)換可以得到一系列隨時間變化而波動的電磁波反射系數(shù), 它記錄了地層中介質(zhì)的電性質(zhì)和幾何形態(tài)隨時間變化的信息。反射系數(shù)R公式如下[14]:

εr1、εr2分別代表界面兩側(cè)介質(zhì)的相對介電常數(shù), –1≤R≤1。由公式可知, 介質(zhì)的相對介電常數(shù)差別越大, 反射系數(shù)則越大。不同地質(zhì)條件和沉積環(huán)境下形成的地層, 受沉積物的巖性、有機質(zhì)含量、粒度變化、礦物學(xué)性質(zhì)、壓實程度和含水量等性質(zhì)差異,而形成各異的地層介電常數(shù)特性[16], 其反映在雷達(dá)圖像上的波形、振幅等具有一定的規(guī)律性。通過對圖像上波形的正或負(fù)峰多次疊加形成的同相軸的解譯處理, 可有效地識別地下反射界面[14], 可作為雷達(dá)圖像解譯的判讀依據(jù)。

全新世以來我國東部沿海主要發(fā)育一些埋藏式海相地層, 是海侵、海退的可靠記錄[17]。每一次海侵、海退都會在地層中留下一期較完整的海相地層, 這些海相層由于在不同地點與不同的沉積環(huán)境下形成,具有不同的生物組合和沉積特征, 層位一般介于上覆、下伏新老陸相沉積層之間, 海陸相沉積層間可能還包含受海水影響的過渡相, 如 河口、潟 湖、三角洲等沉積過渡相, 隨著向陸地延伸, 這些非陸相沉積會逐漸減少至消亡。這一變化會在雷達(dá)圖像上形成相應(yīng)的反射特征, 可作為識別海侵海退體系的重要基礎(chǔ)[18-19]。

圖2 雙曲線提取速度原理圖與實例圖像Fig.2 The Schematic diagram of extraction of velocity estimation in hyperbolic and the instance graph

2 實例結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于渤海南部、萊州灣東岸, 山東半島的西北翼。已有研究表明, 隨冰后期氣候逐漸轉(zhuǎn)暖, 本區(qū)大約在距今7.5 ka左右海水開始侵入, 約在6 ka B.P.左右海侵達(dá)到最大范圍, 塑造了自龍口經(jīng)石虎咀、西由抵虎頭崖的古海蝕崖。隨后海平面趨向穩(wěn)定或緩慢下降, 在4.5 ka B.P.左右, 沿岸沙壩露出水面, 使沙壩以內(nèi)的淺海逐漸淤淺成半封閉 潟 湖或平緩的淺灘,在海平面穩(wěn)定或緩慢下降的情況下, 潟湖逐漸淤淺,入湖河流三角洲得以迅速向湖伸展, 河流由東南向西北入海, 形成三角洲沉積層, 并和現(xiàn)代沖積物逐漸覆蓋大面積的 潟 湖區(qū), 從而形成了近200 km2的潟湖-海積平原[20](圖3)。

2.2 GPR剖面布設(shè)

圖3 萊州灣東岸地貌圖(據(jù)文獻(xiàn)[21]有修改)Fig.3 The geomorphologic map of the east coast of the Laizhou Bay (modified from the literature[21])

古海岸線的位置, 可以根據(jù)海侵時留下的海蝕地形和沉積地層等標(biāo)志物來判定。其中, 在研究區(qū)內(nèi)至今保留著大范圍的古海蝕崖遺跡[21], 是全新世最大海侵古海岸線的地貌標(biāo)志(圖3)。位于古海蝕崖附近的鉆孔Y61較好地記錄了該地區(qū)明顯的沉積地層,從下向上依次為: 中全新世海侵前的陸相沖積層、中全新世 潟 湖淺海相、晚全新世沖積土層(圖4)[18], 揭示了研究區(qū)內(nèi)全新世海侵以來經(jīng)歷了陸地-淺海-潟湖-陸地的演化過程。為驗證探地雷達(dá)結(jié)合已有鉆孔數(shù)據(jù)追蹤最大海侵邊界的可行性, 如圖5所示, 本文設(shè)計將探地雷達(dá)探測測線L1布設(shè)在鉆孔Y61與古海蝕崖之間, 起點位于西由鎮(zhèn)后鄧村西500 m王河?xùn)|,向東垂直古海蝕崖方向測量; 將測線L2布設(shè)在與L1平行的海蝕崖附近。為了排除探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的多解性, 在測線L1的420, 520 m處利用鉆孔ZK1、ZK2進(jìn)行驗證。

圖4 鉆孔Y61柱狀圖(據(jù)文獻(xiàn)[21]有修改)Fig.4 Histogram of Bore Y61 (modified from the literature[21])

圖5 萊州灣東岸探地雷達(dá)野外測線位置圖Fig.5 The map showing the location of research borehole and GPR profiles at east coast of the Laizhou Bay

2.3 雷達(dá)圖像解譯

對研究區(qū)采集測線L1的雷達(dá)圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理(橫坐標(biāo)x為側(cè)線距離, 縱坐標(biāo)t為雙程反射時間、h為探測深度), 并且可初步識別出明顯的反射界面分別是 m1、m2、m3、m4、m5, 如圖6。

鉆孔ZK1柱狀圖(圖7)顯示上層黃褐色黏土質(zhì)粉砂和淺黃色中粗粉砂對應(yīng)Y61的C層, 即晚更新世沖積層。下層灰黑色黏土為海退時期的 潟 湖相沉積層, 與鉆孔Y61的B4層對應(yīng)。最下層為黃褐色粉砂質(zhì)黏土, 與鉆孔 Y61的 A層性質(zhì)一致, 為全新世海侵前的沖積層。從鉆孔 ZK2取樣得之, 在雷達(dá)剖面中520 m左右、地表層到m5界面之間有古海灘粗砂沉積, 該位置為最大海侵時期潮間帶以上的古海灘。

結(jié)合已有鉆孔Y61和用來驗證的鉆孔ZK1、ZK2的沉積組分、巖性描述和地層分布特征情況, 可將雷達(dá)圖像剖面的5個界面分為5個沉積層: XH潟湖相沉積層、 BH1濱海相沉積層 1 、BH2濱海相沉積層2 、BH3濱海相沉積層3、CJ全新世沖積相沉積層(圖8)。CJ全新世沖積相沉積層的上界面是m5, 由于探地雷達(dá)天線對探測深度和分辨率的限制, 其下界面在雷達(dá)圖像上未出現(xiàn)明顯反射界面。CJ層即為本地區(qū)全新世海侵前的陸相層, 與鉆孔 Y61、ZK1柱狀樣對比可知, 其巖性為褐黃色、淺黃色粉砂質(zhì)黏土、并含有多層河流層理發(fā)育的砂礫石層[22]。在雷達(dá)圖像上的紋理呈由東向西相對陡峭的傾斜反射,可能反映的是由地勢引起的古河流沖積而成的砂礫石層理。BH1濱海相沉積層1的上界面是m4, 下界面為 m5, 結(jié)合鉆孔資料而得該層巖性為含貝殼、貝殼碎屑、鈣質(zhì)結(jié)核的砂質(zhì)粉砂層, 與下伏海侵前的古陸相沖積土層即CJ層呈突變接觸, 從而造成相鄰地層介電常數(shù)的差異, 在雷達(dá)圖像上反映出一個明顯的界面m5。BH1中以廣鹽性的有孔蟲、以及異地搬運而來的濱海軟體動物化石為主[21], 反映出濱岸潮間帶環(huán)境,14C測年為5 800 a B.P.± 120 a B.P.,代表海侵初期濱岸相沉積。BH2濱海相沉積層2的上界面是m3, 下界面是m4, 鉆孔資料得到該層巖性為青灰色砂質(zhì)粉砂, 分選好質(zhì)地均一, 并含有多種海相種有孔蟲和介形蟲[21], 反映的是波浪作用較弱的較大水深的濱海環(huán)境, 即海侵時的濱海相沉積。BH3濱海相沉積層3, 鉆孔資料顯示該層為含有貝殼的細(xì)砂層, 并含廣鹽性有孔蟲和原地生長的濱海軟體動物化石, 代表沉積層為正處于寬闊淺灘, 或者半封閉 潟 湖的潮間帶下帶至低潮線外的激浪環(huán)境。BH2層和 BH3層沉積物粒度和含水量差別比較小,介電常數(shù)差別不大, 分層界面在圖像上反映較弱。XH潟湖相沉積層的上界面是m1, 下界面m2, 在雷達(dá)圖像上的層理很細(xì)并且平行連續(xù), 反映的是靜水環(huán)境下接近封閉的 潟 湖相沉積, 及海退時期的潟湖相沉積。

通過雷達(dá)影像識別和古地層恢復(fù), 研究區(qū)全新世海侵時期的古環(huán)境為: 即從海侵開始, 海水向陸方向入侵變成一定水深的濱海, 到 6 ka B.P.左右到達(dá)最大邊界即古海蝕崖位置, 隨后海退, 逐漸形成半封閉的 潟 湖, 此時古海蝕崖也不再受波浪作用,而后 潟 湖干涸成陸, 被現(xiàn)代沖洪積物覆蓋。并且得出,測線L1反射界面m5是海相層和古陸相層沉積物的交界面。通過追蹤探測該界面, 發(fā)現(xiàn)它逐漸向地表抬升至距離現(xiàn)代地表約1 m處的位置即高程5 m, 直至平行與地表, 并且海相層在古海蝕崖位置處消失,海相層的尖滅處即為最大海侵時期的邊界。

圖6 測線L1 GPR剖面處理后影像與解譯圖Fig.6 Uninterpreted and interpreted GPR profiles after image processing of line L1

圖7 鉆孔ZK1柱狀圖Fig.7 Histogram of Bore ZK1

測線 L2解譯后的雷達(dá)剖面, 與 L1測線剖面呈現(xiàn)了比較好的一致性。該測線穿過古海蝕崖, 即在雷達(dá)剖面的200 m左右(圖9), 界面M在古海蝕崖附近抬升并在高程5 m處尖滅, 其他海相層消失。證實了通過探地雷達(dá)對古地層的分層成像, 尋找海相層和古陸相層的界面, 追蹤該界面至其尖滅的位置, 即是全新世最大海侵的古海岸線位置。

3 討論和結(jié)論

(1) 我國東部沿海全新世以來發(fā)育的埋葬式古海相層, 留下了海侵海退的信息, 這些不同沉積環(huán)境下產(chǎn)生的古海相層, 具有不同的生物組合和沉積特征, 向陸方向延伸并減少至尖滅。通過利用探地雷達(dá)在萊州灣東岸進(jìn)行古海岸線位置探測的實驗研究表明, 結(jié)合已有的鉆孔資料或者露頭剖面, 可定性地獲得研究區(qū)高質(zhì)量、高分辨率和連續(xù)的反射剖面。本文在追蹤古海相地層的尖滅點從而確定古海岸線的位置、恢復(fù)全新世大暖期海侵時期的古環(huán)境方面,取得了較為理想的效果, 驗證了探地雷達(dá)確定古海岸線位置的可行性。

(2) 萊州灣東岸作為典型研究區(qū), 垂向沉積物主要以黏土、粉砂、細(xì)砂按沉積環(huán)境交錯沉積, 這對探地雷達(dá)恢復(fù)古環(huán)境的成像提供較有利的條件。在應(yīng)用于其他區(qū)域時, 應(yīng)充分了解該區(qū)域的地層分布、沉積物組成成分等, 在不同地層中沉積物的介電常數(shù)差別不大時, 效果可能不佳。

圖8 測線L1 GPR剖面解譯圖與鉆孔信息對比圖Fig.8 Interpreted GPR profiles of line L1 compared with drilling information

圖9 L2測線GPR剖面處理后影像與解譯圖Fig.9 Uninterpreted and interpreted GPR profiles after image processing of line L2

(3) 實驗區(qū)采用的100 MHz超強地面耦合天線,對萊州灣東岸海相層的埋深和海陸相界面的識別取得了較理想的效果。但由于探地雷達(dá)分辨率和探測深度相互制約關(guān)系, 使得地層沉積體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的識別存在局限性。為此需要結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H情況選擇合適的天線及參數(shù), 充分利用已有鉆孔、古海岸地貌標(biāo)志等研究成果, 并輔助以野外探孔, 為探地雷達(dá)探測工作提供必要的先驗知識。

(4) 該實驗區(qū)位于山東半島北部的金牛斷裂以西, 晚更新世以來構(gòu)造運動以緩慢抬升為主, 平均構(gòu)造抬升速率為 0.5 mm/a[22], 經(jīng)計算全新世最大海侵以來該區(qū)域抬升值約3 m。所以, 全新世最大海侵時期海平面相對現(xiàn)代海平面變化值, 是古海平面在現(xiàn)代高程標(biāo)高5 m的基礎(chǔ)上消除由于構(gòu)造抬升3 m而引起的高程變化。通過計算可以得到全新世最大海侵以來, 該地區(qū)的海平面變化為 2 m。與前人學(xué)者[6]推測的最大海侵時期海平面高出現(xiàn)今海面 2 m一致。

(5) 下階段通過得到不同區(qū)域的精確古海岸線位置和高程, 可比較其古海岸線在高程上的差異,進(jìn)一步開展古地層垂直運動方面的研究, 對古海岸線和古環(huán)境的演變有一定意義, 也對第四紀(jì)地層垂直運動的定性與定量研究提供了新的可能。

致謝:感謝國家海洋局第一研究所高偉博士和中國海洋大學(xué)孟慶生副教授在野外數(shù)據(jù)采集上提供的指導(dǎo)和幫助。

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