南海北部外陆架灾害地质的特征、发展与分布规律对海洋工程建设、油气资源开发具有重要影响。一方面, 严重影响海洋石油工程、海底通讯设施及其他海洋工程设施的运维安全^[1-8]; 另一方面, 南海北部陆架边缘发育的两条活动断裂–滨海断裂带和陆坡断裂带, 曾导致多次7级以上地震和海啸事件, 严重威胁沿海城市与人民生命财产安全^[9-12]。随着南海油气勘探与开发工作的推进, 该区复杂的地质条件对海底工程设施的安全带来了极大威胁, 如陵水17-2、陵水25-1等气田的外输管线均需要经过海底凸起、陡坎、古海岸等区域, 直接影响海底管线设施的施工与运营安全。因此, 深入探究南海北部外陆架灾害地质的特征, 不仅为地质灾害的预测与防治提供科学依据, 具有重要的理论价值; 同时在指导海洋工程规划、油气资源开发方案设计方面, 也具有较高的应用价值。

随着南海深水勘察工作推进, 琼东南盆地地质灾害研究取得了长足进展。利用船载勘察数据, 包括多波束水深、侧扫声呐、浅地层剖面、多道地震、三维地震等, 在琼东南陆架–陆坡区发现了多种类型的地质灾害^[13-15]。研究人员归纳了海洋地质灾害类型, 包括滑坡、断层、浅层气、天然气水合物、陡坎、底辟、沙波、埋藏古河道、基岩面、凹凸地形、浅滩和槽沟等, 并探讨分析了各种地质灾害的形成机制, 以及对海洋工程设施安全的影响^[16-29]。林美华^[26]对海南岛东部陆架50~130 m深度范围的地貌特征进行了分析, 将陆架分为了内陆架堆积地貌和外陆架堆积平原地貌两个地貌单元; 周川等^[27]对珠江口外陆架的沙波、滑塌、古海岸、麻坑的特征和分布进行了详细描述; 冯志强等^[28]和刘锡清等^[29]从不同角度对南海北部的灾害地质特征进行了分类。总体而言, 前人研究多关注整个南海北部陆架或集中在珠江口盆地, 少见针对琼东南陆架区的研究。然而, 随着南海油气勘探与开发的重心逐渐从珠江口盆地向琼东南盆地转移, 对琼东南区域浅层地质灾害的研究正日益受到重视。因此, 本研究不仅有助于系统性认识琼东南盆地陆架区的灾害地质特征分布规律, 也为未来琼东南盆地油气田持续开发具有指导意义。

1 区域背景

研究区位于南海西北部的琼东南盆地(图 1)。晚中新世以来, 红河断裂发生了左旋走滑向右旋走滑的反转事件, 南海西北陆架边缘发生裂后晚期快速沉降, 中南半岛的隆升和侵蚀加剧, 南海西部的沉积速率突然加速, 导致深海沉积从东部逐渐向西扩展^[30-32]。莺歌海盆地与琼东南盆地沉积环境发生了改变, 即5.5 Ma莺歌海盆地的沉降中心跃迁到盆地南部之后, 与琼东南盆地连通、共同进入到新的快速沉降期, 南海西北红河提供的陆源碎屑物质供应量加大, 逐渐形成了陆架–陆坡体系^[33-35]。

研究区内等深线整体呈东北–西南向展布, 以250 m等深线为界分为陆架和陆坡区。在50~100 m水深范围内, 等深线变化较为均匀, 100~250 m之间出现多个地形起伏区。琼东南外陆架受到多期构造活动、沉积物供给速率、古地貌形态、相对海平面变化等因素的综合影响, 沉积构造过程复杂。在末次冰期最盛期, 海平面降至现今海平面的100多米之下^[36], 现今琼东南外陆架的大部分区域遭受剥蚀, 形成古海岸、沙波等残留沉积, 并且大量的陆源碎屑物质进入外陆架区域, 形成了三角洲、河道沉积^[35]。

2 资料来源及分析方法

本文依托于陵水17-2气田群和陵水25-1气田开发项目的船载调查、重点区域AUV调查、三维地震数据, 进行了研究区的灾害地质特征综合分析解释。详细调查参数见表 1与表 2, 数据类型分布情况见图 1。采用船载EM710多波束测深系统获得了5 m×5 m网格的水深数据, 利用AUV载EM2040多波束测深系统获得了1 m×1 m网格的水深数据, 以平均海平面以下0.84 m作为深度基准面, 采用Qimera软件和Fledermaus软件进行数据处理与解释; 利用船载Klein 3000和AUV载EdgeTech 2200-M侧扫声呐获得了海底的侧扫声呐数据, 采用SonarWiz软件进行数据处理及解释; 利用船载IXSEA ECHOES 3500和AUV载EdgeTech 2200-M获得了海底至海底以下30 m的地层数据, 利用船载CSP-S 12000获得了海底至海底以下100 m的地层数据, 采用The Kingdom Software软件进行地层剖面数据解释。

3 研究区灾害地质特征

根据灾害地质特征和成因差异, 将研究区地质灾害特征分为海底灾害因素和浅层灾害因素。海底灾害因素包括海底凸起、海底麻坑、残留古海岸、海底陡坎和沙波; 浅层灾害因素包括活动断层和埋藏古河道。

3.1 海底灾害因素 3.1.1 海底凸起

海底凸起主要分布在水深170~250 m海底区域, 展布方向近似与等深线平行, 分布于大于500 km²的狭长地带。海底凸起多为孤立分布, 零星散落在海底, 部分呈线状排列分布, 凸起直径50~300 m不等, 高度3~30 m, 形状近似圆形, 顶面不平整, 凸起周围的海底发育由于海流冲刷造成的凹坑(图 2a—2b, 图 2d)。海底凸起的识别特征有(图 2c, 图 2e—图 2g): (1)在侧扫声呐资料上, 凸起呈现较强的反射特征(图 2c); (2)凸起的海底表层沉积物成分以石块、砂砾和生物碎屑的胶结物为主(图 2e); (3)在浅地层剖面上, 凸起顶部呈现强反射特征, 存在波绕射, 对下部地层产生屏蔽作用(图 2f); (4)在海底凸起位置, 三维地震数据显示在其下部地层中都存在一个明显流体运移通道, 说明这些凸起的形成与深部地层的流体运移密切相关(图 2g)。

3.1.2 海底麻坑

海底麻坑主要分布在水深170~250 m海底区域。麻坑以两种形式存在(图 2a—2c): (1)一种与海底凸起伴生, 与深部流体逸散活动相关, 由于局部底流变化导致凸起周围沉积物被冲刷形成, 分布在凸起周围, 多呈椭圆形, 直径在10~200 m不等, 深度多在2~10 m; (2)另一种表现为海底孤立分布的、近似圆形的凹坑, 直径20~30 m, 坑深小于0.3 m, 在浅地层剖面中, 这类麻坑下部通常发育被黏土质沉积物掩埋的凸起构造(图 2f)。研究区内共发现77处麻坑, 各麻坑在海底的面积介于0.01~0.04 km², 平均面积0.03 km²。

3.1.3 残留古海岸

研究区内发现3处残留古海岸, 走向多与等深线平行, 以东北—西南向为主。在地形地貌上, 残留古海岸多呈带状凸起, 高出周围海底2-20 m不等, 海底表面凹凸不平, 发育近圆形凸起, 部分凸起间存在海水涨落形成的冲刷沟痕(图 3, 表 3)。在中浅地层剖面上, 残留古海岸位置的地震波无法穿透, 形成地震波屏蔽现象; 在古海岸的向海一侧, 通常发育三角洲进积等近岸沉积特征, 指示海退期陆源碎屑沉积物逐渐向海推进过程(图 4)。残留古海岸的沉积物以胶结的碳酸盐岩和砂岩为主, 属于海滩岩沉积(图 4)。

3.1.4 海底陡坎

海底陡坎是指与斜坡地形走向平行或近似平行的、坡度较大的海底陡坡。研究区残留古海岸附近普遍发育海底陡坎, 整体呈东北—西南向延伸, 海底高差10~20 m, 最大坡度可达23°(图 4)。陡坎向岸一侧为古海岸带, 向海一侧发育冲沟。

3.1.5 沙波

沙波主要发育在水深110~150 m的海底区域, 整体走向近东北—西南向, 与等深线近似平行, 波长100~600 m, 波高在1~6 m, 分布宽度约15 km(图 5)。沙波在水深地形数据上呈规则的条带状凸起和凹槽(图 5a—5c); 在垂直沙波脊线的浅地层剖面上, 波峰内部反射波呈现杂乱反射, 表层取样显示海底沉积物以非常松散的砂砾质沉积物为主, 波谷内多表现为透明沉积层, 取样显示沉积约0.2~0.8 m的浅海相黏土质沉积物(图 5d)。

3.2 浅层灾害因素 3.2.1 活动断层

研究区外陆架水深200 m附近, 发育了一系列的活动断裂, 部分断层出露海底, 形成线状凹陷(图 6)。断层上盘沉积物有不同程度的增厚, 全新世沉积物厚度在13 m; 下盘沉积物薄, 厚度约8 m。三维地震数据显示, 该断裂平面样式呈现明显的走滑特征, 断裂的整体走向为东北—西南向, 倾向东南, 浅部为近直立断层, 深部倾角逐渐减小, 根据文献显示, 该断层平均倾角在50°~59.5°^[10]。

3.2.2 埋藏古河道

研究区内共识别出9处埋藏古河道, 主要发育在水深约80~150 m位置, 在地层剖面上, 埋藏古河道表现为近“V”或“U”型, 内部充填的沉积物多呈现倾斜层理、杂乱层理, 部分具有明显下切特征(图 7)。古河道充填沉积物之上为厚度2~10 m的全新世海进期后的浅海沉积物, 在地层剖面上表现为水平层理。

4 成因分析和分布规律

根据成因不同, 研究区的灾害地质因素发育位置有所差异: 海底的灾害因素多位于陆架中部至外陆架, 水深100~250 m, 发育在古海岸带附近和外陆架流体活动丰富的区域; 浅层地质灾害以活动断层、埋藏古河道为代表, 埋藏古河道多发育在古海岸带向陆一侧, 埋深较浅, 多在5 m以内; 活动断层属于大陆斜坡断裂带的一部分。灾害地质类型发育位置和特征见表 4。

海底地质灾害的形成通常与盆地的沉积和构造过程、海平面变化以及古环境气候变化密切相关。本文主要从海平面变化、构造作用、沉积物供给等方面讨论研究区灾害地质特征的成因及控制因素。

4.1 海平面变化

海平面变化对研究区内灾害地质类型的发育和分布具有重要控制作用。在末次冰期时期, 研究区海平面下降100~150 m, 海岸线退至现今外陆架, 在海底留下多处海岸线遗迹^[2]。研究区内约100、130、150 m深度位置均可见古海岸带沉积特征(图 3, 图 4), 其中100 m深度位置更为明显, 存在宽度达2 km的生物碎屑、胶结的海滩岩沉积, 并且在海底表面有明显的海水冲刷痕迹(图 3a, 图 4a)。海岸带作为海洋和陆地的分界, 是海陆交互作用的直接区域, 对环境变化响应迅速, 而发育与海岸带内的各类碳酸盐胶结岩, 记录了成岩时期的海陆交互作用过程^{[35, 37]}。

研究区内埋藏古河道、沙波的形成均与海岸带密切相关。埋藏古河道作为典型的陆相沉积, 沉积地层蕴含大量的古环境地质和气候信息。末次冰期时期, 陆源碎屑推移至现今琼东南陆架中部, 发育了纵横交错的古水文网, 形成了大量河流沉积体系^[31]。研究区内的埋藏古河道底部存在下切特征, 部分河道内部被冰后期陆源碎屑充填。埋藏古河道类型以曲流河和网状河为主, 这与古河道发育的位置密切相关。如图 7所示, 上游河道多以曲流河为主, 在地层横剖面中, 可见明显的侧向加积特征(图 7a, 图 7b); 下游河道多以网状河为主, 河道窄而浅, 河谷分散, 在地层横剖面中, 多为充填结构(图 7c); 古海岸附近的河道沉积多受海岸带控制, 内部可见叠瓦状构造(图 7d)。

在南海北部陆丰、东方、流花、文昌等区块均有沙波发现, 部分区域在现代海流作用下局部或整体移动^{[27, 38]}。研究区内的沙波发育在古海岸带外缘, 在涨落潮作用下形成, 属于残留沉积, 为典型的沿岸沙丘; 对称性较好, 部分沙波波峰被削平(图 5)。

4.2 构造作用

研究区所处的琼东南盆地, 在古近纪和晚渐新世伸展作用下, 形成“南北分带、东西分段”的构造样式, 以②号断裂及⑪号断裂为界, 分为北部隆起带、中央凹陷带、南部隆起带3个一级构造单元^[39]。其中②号断裂带作为盆地中央凹陷带边界, 控制着琼东南北部陆坡的形成与发展, 并在早中新世之后已基本停止活动。晚中新世以来, 琼东南盆地在岩石圈的热回沉作用下加速沉降, 盆地内的一些小断层再次活动。研究区内发育的断裂带是继②号断裂后, 在琼东南盆地发现的一条新的活动性断裂带(CSFZ断裂带)^[10]。CSFZ断裂带分为东西两段, 西部向海底断裂, 在海底形成断崖(图 6a); 东部则未断裂至海底, 发展为隐伏断裂^[10]。已有研究认为, 该断裂带是南海北部目前最具灾难性的潜在断裂带, 未来可能保持活跃, 引发海底滑坡和海啸^[10]。

除断层外, 构造作用还控制了深部流体的运移。海底麻坑和凸起的形成往往伴随着活跃的超压流体逸散活动, 在天然气水合物富集的陆坡区域尤为发育。海底流体逃逸活动不仅会显著改变海底地形地貌, 还会产生自生碳酸盐岩、生物群落等, 这些特征在海底表现为凸起, 同时剧烈的流体逃逸还会在上覆水体中形成羽状流。研究区位于琼东南盆地边缘, 盆地沉降导致在盆地边缘形成构造薄弱区, 有利于深部流体向浅部运移, 几乎在每个凸起下方都存在一个流体运移通道(图 2g), 流体运至海底表面后, 与海水反应生成碳酸盐结壳等, 在海底形成凸起或麻坑。

4.3 沉积物供给

研究区内的陆架沉积受控于红河断裂带, 该断裂带北起青藏高原东部、云南北部, 穿越越南北部, 向东南延伸入南海。红河断裂带和海南岛的众多河流, 组成了陆架区的主要沉积物来源。受海南岛遮挡作用, 研究区内东西部物源供给速率存在差异, 因此沉积物类型呈现不同特征。西侧更靠近红河物源, 陆源碎屑沉积物更为充足, 海岸带海底表层以粗的砂质、砂砾质沉积物为主, 附近多发育沙波、古河道、古沼泽等指示陆相碎屑沉积类型(图 8a); 东部由于海南岛的遮挡作用, 红河物源以及珠江三角洲的物源都难以到达此处, 形成沉积物匮乏区, 在此处易发育与碳酸盐岩相关的沉积类型, 海岸带的沉积物以胶结的碳酸盐岩为主, 并且在海岸带附近发育孤立的碳酸盐台地等(图 8b)。

5 结论

根据发育位置不同, 将研究区内的灾害地质因素分析海底灾害因素和浅层灾害因素。海底灾害地质因素主要包括海底凸起、海底麻坑、残留古海岸、海底陡坎、沙波等; 浅层灾害因素主要有埋藏古河道和活动断层。

研究区内的灾害地质特征多分布在水深100~ 250 m范围内, 其发育受海平面变化、构造作用和沉积物供给控制, 残留古海岸、沙波、海底陡坎和埋藏古河道等形成与发展与海平面变化相关; 活动断层和海底麻坑、海底凸起等多与构造活动相关; 受沉积物供给量影响, 东西部沉积物成分及沉积类型存在差异, 东部多发育碳酸盐岩型海岸、碳酸盐台地等, 西部更倾向于发育沙波、埋藏古河道等指示陆相碎屑的沉积特征。