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热带海洋学报 >

2021 , Vol. 40 >Issue 5: 101 - 110

DOI: https://doi.org/10.11978/2020108

海洋地球物理学

中国台湾浅滩海砂砂体的地球物理特征及有利赋存标志*

  • 李勇航 , 1, 2 ,
  • 贾磊 1 ,
  • 倪玉根 1, 3 ,
  • 何健 1 ,
  • 牟泽霖 , 1 ,
  • 温明明 1, 3 ,
  • 单晨晨 1
展开
  • 1.中国地质调查局广州海洋地质调查局, 广东 广州 510760
  • 2.中山大学海洋科学学院, 广东 珠海 519082
  • 3.南方海洋科学与工程广东省实验室(广州), 广东 广州 511458
牟泽霖。email:

李勇航(1987—), 男, 广东省清远市人, 硕士, 工程师, 从事海洋地质与地球物理调查研究。email:

Copy editor: 殷波

收稿日期: 2020-09-17

  要求修回日期: 2020-12-14

  网络出版日期: 2021-01-06

基金资助

中国地质调查局项目(DD20201175)

国家重点研发计划项目(2017YFC0307402)

版权

版权所有,未经授权,不得转载、摘编本刊文章,不得使用本刊的版式设计。
收起

Geophysical characteristics and favorable occurrence signs of marine sand-gravel body in Taiwan banks*

  • LI Yonghang , 1, 2 ,
  • JIA Lei 1 ,
  • NI Yugen 1, 3 ,
  • HE Jian 1 ,
  • MU Zelin , 1 ,
  • WEN Mingming 1, 3 ,
  • SHAN Chenchen 1
Expand
  • 1. Guangzhou Marine Geological Survey, China Geological Survey, Guangzhou 510760, China
  • 2. School of Marine Science, Sun Yat-sen University, Zhuhai 519082, China
  • 3. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou 511458, China
MU Zelin. email:

Copy editor: YIN Bo

Received date: 2020-09-17

  Request revised date: 2020-12-14

  Online published: 2021-01-06

Supported by

Project of China Geological Survey(DD20201175)

National Key Research and Development Project(2017YFC0307402)

Copyright

Copyright reserved © 2021.
Fold

摘要

探测查明海砂分布及其资源量, 对海洋矿产资源规划和社会经济发展有重要意义。利用在中国台湾浅滩采集的单波束测深、侧扫声呐、浅地层剖面、单道地震等多源地球物理数据, 识别出海底沙脊、沙波、埋藏古河道等有利于海砂赋存的地貌标志, 以及厚泥盖层等不利标志, 它们在平面上渐变交错分布。地球物理数据与表层沉积物、钻孔岩心结果对比, 证实浅地层剖面能有效识别表层砂体上部和排除厚泥盖层(厚度>10m), 表层砂体上部呈断续中弱振幅杂乱反射; 单道地震剖面能有效识别砂-泥地层界面, 垂向上刻画表层及埋藏砂体形态, 砂体最主要的特征为连续性差的弱振幅反射中夹杂空白、杂乱的“白雾”反射。砂体响应特征反映了砂体声学较难穿透的特性, 同时也可能是砂体含气所致。分析表明在砂体形态多变或钻孔分布密度低时, 利用地球物理方法, 结合一定数量的钻孔岩心约束, 相比仅依靠大量钻孔岩心, 可更为经济、高效地对砂体的垂向形态和平面展布进行精细刻画, 从而有利于更准确地估算海砂的资源量。

关键词： 海砂调查; 海洋集料; 资源量估算; 海底地貌; 浅地层剖面; 单道地震

本文引用格式

李勇航 , 贾磊 , 倪玉根 , 何健 , 牟泽霖 , 温明明 , 单晨晨 . 中国台湾浅滩海砂砂体的地球物理特征及有利赋存标志*[J]. 热带海洋学报, 2021 , 40(5) : 101 -110 . DOI: 10.11978/2020108

Abstract

An efficient and economical exploration of the distribution and resources of marine sand is of great significance to social and economic development and marine mineral resources planning. Multi-source geophysical data acquired in Taiwan banks, such as single beam sounding, side-scan sonar, sub-bottom profile, and single-channel seismic, were used to identify the geomorphic signs favorable to the occurrence of marine sand and gravel, such as submarine sand ridges, sand waves, and buried ancient channels, and the signs unfavorable to the occurrence of marine sand, such as thick argillaceous overlying strata. These geomorphic signs alternate progressively on the plane. Comparison of geophysical data with surface sediments and borehole cores shows that the sub-bottom profile can effectively distinguish the upper surface sand-gravel body and thick argillaceous overlying strata (thickness > 10 m). The upper surface sand-gravel body on the sub-bottom profile shows discontinuous reflection with medium or weak amplitude. The single-channel seismic profile can effectively identify the sand-mud interface, and depict the shape of the surface and buried sand-gravel body vertically; and the main characteristic of the sand-gravel body on the single-channel seismic profile is weak amplitude reflection with poor continuity mixed with blank and disordered “white cloud” reflection. The seismic response characteristics of the sand-gravel body reflect that the sand-gravel body is difficult to penetrate, and may also be due to the gas contained in the sand-gravel body. Our analysis shows that when the shape of the sand-gravel body is changeable or the distribution density of boreholes is low, the use of geophysical method combined with a certain number of borehole core constraints, compared with relying on a large number of borehole cores only, can more economically and efficiently make a fine depiction of the vertical shape and plane distribution of sand-gravel body, which is conducive to more accurate estimates of sea sand resources.

Key words： marine sand survey; marine aggravate; estimate of resource; submarine geomorphology; sub-bottom profile; single-channel seismic

*感谢海上资料采集人员、审稿专家以及编辑部老师。编辑部殷波老师对本文提出了很多建设性意见, 使文章结构更加合理, 图件更加规范和美观。
海砂(海中砂石)是指由岩石风化后经水流、冰川和风等地质营力侵蚀、搬运或改造, 赋存于现代海洋环境的砂、砾质碎屑沉积物(倪玉根 等, 2021)。本文“砂体”特指沉积物中砂、砾(粒径>0.063mm)含量超过50%的沉积体或沉积层, 它是海洋集料勘探的目标。砂体展布虽然宏观上一般较为稳定, 但微观上形态存在较大变化; 据其垂向赋存位置可分为表层砂体和埋藏砂体两类。圈定海砂赋存有利区和刻画砂体空间展布形态是海砂资源调查的关键。全球海砂主要分布于有大河注入等物源供应充足的陆架海区, 如北美西岸、波罗的海、地中海、非洲西岸、巽它陆架以及我国东海陆架等(张金鹏 等, 2014)。我国海岸线18000余千米, 管辖浅海陆架约300万平方千米, 海底蕴藏着大量的海砂资源(谭启新, 1998)。海砂因其分选良好, 品质优良, 脱盐后可作为建筑和回填集料使用, 广泛用于城市建设、公路、铁路和桥梁等混凝土结构建筑(王圣洁 等, 1997), 具有良好的开发前景。
海底钻探是目前常用的海砂资源量估算方法, 在钻孔布设密度较高时, 该方法最为可靠, 但高密度布设钻孔导致成本过高。综合物探方法主要包括单/多波束测深、侧扫声呐、浅地层剖面、单道地震、多道地震等, 具有经济、高效、直观的特点。基于综合物探方法采集的多源地球物理数据可在平面和垂向上识别砂体, 结合一定数量的钻孔岩心和沉积物资料, 可为海砂资源潜力调查提供有力的科学依据。倪玉根等(2019)利用浅地层剖面研究了盖层海砂泥砂层分界面的物探识别和找砂方法。赵铁虎等(2007, 2011)和冯京等(2011)利用浅地层剖面探讨了海砂地震剖面层序和砂体的特征。罗昆等(2017)使用地震属性聚类/分类方法, 结合钻孔岩心对单道地震资料进行地震相到沉积相的转换, 刻画了海洋浅部沉积中砂矿的空间分布特征。前人对海砂的特征进行了有益的探索, 但较少耦合多源地球物理数据和岩心结果对砂体进行综合研究。本文以中国台湾浅滩海砂调查为例, 探讨海砂砂体的有利赋存地貌标志、地球物理特征及地球物理方法在海砂资源量估算中的应用实效, 对实现高效、经济的海砂资源勘探和评估具有重要价值。

1 区域背景

研究区位于中国台湾浅滩附近海域(图1a), 水深37.5~57.5m (图1b)。受亚热带季风气候影响, 台湾海峡秋冬季盛行东北风, 平均风速10~12m·s-1, 大风日数多; 春夏季盛行西南风, 平均风速2~ 10m·s-1, 大风日数少(郭婷婷 等, 2010)。从5月到11月, 特别在7—9月份, 台风频繁出现。台湾浅滩位于台湾海峡的南部, 中心位置为(23°N, 118°30′E), 面积约为13000km2 (刘振夏, 1996), 地质构造上是四周被陡坎围限的构造台地(曹欣中, 1985), 底质由粗砂和中砂组成(洪华生, 1991)。台湾浅滩海域的潮流为不正规半日潮, M2分潮占主导, 其上分布着北北东—南南西和北—南向的潮流沙脊, 以及近东—西向的沙波。海底沙脊走向与落潮流方向基本一致, 而沙波走向大致与潮流方向垂直(刘振夏 等, 2004)。同时受南海水、韩江冲淡水、黑潮和上升流的影响(李立 等, 2000), 强烈而复杂的水动力改造着现代海底的地形、地貌, 影响着沉积作用的大小和趋势(杜晓琴 等, 2008)。
图1 研究区及资料采集工作分布情况

a. 研究区区位图; b. 研究区地形特征以及工作量分布图。图1a基于审图号为GS(2020)4623的标准地图制作, 底图无修改

Fig. 1 Regional map of the study area (a) and topographic features and workload distribution of the study area (b)

2 数据与方法

2019年广州海洋地质调查局利用“海洋地质十八号”(原“奋斗五号”)船搭载单波束测深、侧扫声呐、浅地层剖面、单道地震等设备同步采集了780km多源地球物理数据(测线位置见图1b)。导航定位使用Veripos L5 型差分GPS接收机, 定位误差小于2m, 船只保持4~5kn匀速直线行驶, 浅地层剖面使用Octans型姿态仪进行姿态补偿。优化后的地球物理调查系统采集参数见表1。单波束数据、侧扫声呐、浅地层剖面、单道地震数据分别使用Caris8.3、SonarWiz 5.0、ISE 2.7及Geosuite allworks 2019等软件处理。处理后单波束数据误差小于0.3m, 侧扫声呐、浅地层剖面数据分辨率达到分米级, 单道地震地层分辨率达到米级, 满足研究基本需要。平均声速使用1530m·s-1 , 虽无地层声速参数, 但在海底以下30m以内地层, 地震剖面时深转换后与钻孔岩心对比误差较小,基本不影响层位比对。
表1 地球物理调查系统的主要采集参数

Tab. 1 Main parameters of the geophysical surveying system

参数 单波束测深 侧扫声呐 浅地层剖面 单道地震
设备型号 DESO 35 EdgeTech 4200 SES2000
Medium 70		 SIG 2Mille震源、
Geo-sense 48检波器缆
中心频率/kHz 210 455/110 6 0.6~1.4
量程/m 200 单侧100 50 海底以下300
声波发射率/(p·s-1) 3 6 11 1 (能量1000J)
观测系统 船底安装 拖曳于船尾后约150m, 距底约15m 船舷安装 沉放约1.5m, 拖曳于右侧船尾后50m
在70个站位使用蚌式抓斗抓取表层沉积物, 层厚为0~40cm (站位位置见图1b)。使用 XY-2B 型钻探系统进行取心, 该系统最大钻探水深70m, 最大钻深200m。ZK1、ZK2、ZK3钻孔进尺分别为30.9m、30.3m和31.2m。野外现场进行初步岩性命名、成分、水深、坐标描述等编录, 室内进行粒度测试分析。海砂沉积物粒级划分为砾(>2mm)、砂(2~0.063mm)和泥(<0.063mm) 3大类(倪玉根 等, 2021)。
多源地球物理数据可从平面和垂向上对砂体进行识别和定位。海砂砂体的垂向分布及研究方法示意图见图2。砂-泥界面是砂体和泥质体的分界面, 它决定了砂体的垂向形态。单波束测深、侧扫声呐、浅地层剖面从不同角度揭示了表层砂体上部的特征。单道地震则可穿透表层砂体, 揭示出表层和埋藏两套砂体结构。抓斗取样和钻探可分别获取海底表层0~40cm的沉积物和约30m长的岩心, 从而与地球物理数据进行对比验证。
图2 研究区海砂砂体垂向分布及使用的研究方法示意图

蓝色标记表示研究方法获取地层信息的范围。SCH为单道地震、SBP为浅地层剖面、SSS为侧扫声呐、SBES为单波束测深、G为抓斗取样、D为地质钻探。浅地层剖面对砂层的穿透厚度小于10m。表层砂体分为上部和下部

Fig. 2 Vertical distribution of marine sand-gravel body and research methods used in the study area.

The blue mark represents the extent to which stratigraphic information was obtained by the study method. SCH: single-channel seismic; SBP: sub-bottom profiler; SSS: side-scan sonar; SBES: single-beam echo-sounder; G: grab sampling; and D: geological drilling. The penetration thickness of the sub-bottom profile to sand and gravel is less than 10 m. The surface sand-gravel body is divided into upper and lower parts

3 结果

3.1 单波束测深揭示沙脊等堆积型形貌特征

研究区水深36.2~57.3m, 地形呈“西南部浅, 东北部深”的特征(图1b)。西南部水深36.2~46.9m, 海底沙脊总体呈近东北—西南走向, 槽脊相间的地形特征明显, 沙脊高度平均5~6m (图3所示测线A—A′)。中部水深43.3~52.0m, 海底坡度小, 非常平缓(图3所示测线B—B′), 除几处2~3m高差的凹凸地外, 未见明显沙波或沙脊发育。东北部水深52.0~57.3m, 沙脊分布较稀疏, 发育不明显(图3所示测线C—C′)。受单波束平面上测深点密度不足的限制, 除小数大型沙脊外, 未能明显识别沙波等微小地貌。
图3 研究区典型水深剖面揭示的地形特征

红色线为A—A′、B—B′、C—C′ 3条典型测线的水深变化, 测线位置见图1b

Fig. 3 Topographic features in the study area revealed by typical depth profiles.

The red line indicates water depth changes of the survey lines A-A′, B-B′, and C-C′, and the locations of the survey lines are shown in Fig. 1b

3.2 侧扫声呐揭示沙波、沙纹等堆积型地貌特征

在海洋浪、潮、流等水动力作用下, 波脊线垂直于主水流方向的一种韵律形的海床形态称为海底沙波(Allen, 1982; Besio et al, 2006)。研究区侧扫声呐测线见图4a, 识别出的沙波主要分布在西南部和东北部(图4b、4c、4e), 中部主要为平坦海底(图4d)。沙波脊线主要呈西北—东南走向, 呈韵律的线状展布, 脊线延伸长度233~1830m不等, 波长1.6~21.6m 不等。脊线两侧背散射回波强弱变化明显, 指示槽脊相间的地形起伏特征(李勇航 等, 2020)。在沙波上还发现大量小型沙波和叠置的沙纹(图4g), 它们反映了研究区较强的水动力条件和丰富的沉积物供给。交错的海底拖痕在研究区广泛分布(图4f), 指示该海域渔业活动频繁, 海洋生物资源丰富。
图4 侧扫声呐揭示海底地貌特征

a. 研究区测线分布情况; b、c、e. 海底沙波脊线走向; d. 研究区中部平坦的海底地形; f. 交错的海底拖痕; g. 叠置在沙波之上的沙纹微地貌

Fig. 4 Side-scan sonar revealing seafloor geomorphic features.

(a) shows the distribution of survey lines in the study area; (b), (c), and (e) reveal the strike of sand wave ridges; (d) reveals the flat seabed topography in the middle of the study area; (f) reveals the intersecting seafloor trawling marks; and (g) reveals the sand ripples superposed on the sand waves

3.3 浅地层剖面排除厚泥盖层和揭示表层砂体上部特征

优选海砂资源有利区时, 首先应排除厚泥盖层区域。厚泥盖层(或称表层泥质体)指覆盖于海底且厚度大于10m的泥质地层。浅地层剖面仪的穿透能力受发射声源级及海底底质类型制约, 对砂、砾等较坚硬的底质不易穿透, 而对泥质底质穿透较好。本文浅地层剖面仪声源级为247dB, 声波频率为6kHz, 因此对泥质层穿透好, 且分辨率高, 可有效识别出厚泥盖层。但当底质为较厚的砂砾质时, 反射剖面底部模糊不清, 无法判断表层砂体的底界, 只能大致判断其上部特征(图5)。
图5 浅地层剖面揭示厚泥盖层分布和表层砂体特征

a. 厚泥盖层平面分布; b. 厚泥盖层与表层砂体的渐变交错; c. 海底沙脊附近表层砂体的特征; d. 厚泥盖层厚度的变化和特征

Fig. 5 Sub-bottom profile revealing the characteristics of thick argillaceous overlying strata and the distribution of the surface sand-gravel body.

(a) shows the distribution of thick argillaceous overlying strata, (b) indicates the gradual interchange between thick argillaceous overlying strata and the surface sand-gravel body, (c) displays the characteristics of the surface sand-gravel body near submarine sand ridge, and (d) gives the characteristics and variation of thick argillaceous overlying strata

虽然研究区取得的70个表层沉积物样品证实全区表层底质为砂质, 包括含砾砂、砾质砂和含砾泥质砂3种类型。然而即使在表层确认为砂质沉积物的区域, 浅地层剖面却显示为厚层泥质沉积, 因此推断薄层砂质底质之下存在泥质盖层。
表层砂体与厚泥盖层在空间上呈连续变化, 交错分布。全区共识别出25个厚度和面积大小不等的厚泥盖层区, 主要呈北东向及近东西向的条带状分布, 面积0.2~51km2, 厚泥盖层厚度10~22m不等(图5a)。表层砂体与厚泥盖层在空间上呈连续变化, 显示了表层砂体的形态多变特征(图5b)。海底沙脊和沙波发育区, 浅地层剖面穿透普遍小于10m, 呈“断续、中弱振幅、杂乱”反射, 无明显层状(图5c)。与此相反, 厚泥盖层区域穿透厚度普遍大于10m, 呈“连续、强振幅、高频层状”反射, 成层性十分明显(图5d), 但厚泥盖层的厚度也存在明显变化。

3.4 单道地震揭示表层和埋藏砂体的特征

海砂砂体和泥质围岩存在物性差异, 基于波阻抗差异的地震反射剖面可识别出砂-泥界面, 并根据该界面的展布形态圈定砂体。实际中存在“砂包泥”、“泥包砂”等砂、泥夹层, 特别是砂层厚度小于1m时, 通常开采价值不高, 单道地震剖面受地层分辨率制约也难以识别。
研究区物探测线G—G′过钻孔ZK1、ZK2和ZK3 (测线位置见图1)(图6a)。通过相位、波形、振幅、连续性对比以及闭合检查, 划分出R0、R1、R2、R3 4个主要反射界面及相应的地震层序单元U1~U4 (图6b)。砂-泥分界面由于砂层与泥层的波阻抗差异大而表现为强振幅反射, 对应于R1~R3。通过对比钻探结果, U1和U3分别对应表层砂体和埋藏砂体, 而U2和U4对应泥质体。由于U1地震响应存在差异明显的两部分, 将其分为U1-1和U1-2, 分别对应于表层砂体上部和下部(图6b, 表2)。从宏观上看, 砂体展布总体较为稳定, 表层砂体和埋藏砂体厚度为10~15m, 但某些区域夹杂不利发育的泥质体(图6b)。研究区单道地震发现U型下切古河道结构, 位于表层砂体下部, 其充填物质同样呈“连续性差、弱振幅、夹杂空白杂乱”反射。
图6 表层和埋藏砂体的特征

a. 单道地震剖面揭示的砂体地震响应特征, U1~U4为识别的地震层序单元, R0~R3为主要地震反射界面; b. 图a的描图, 揭示表层砂体(对应U1)、埋藏砂体(U3)以及泥质体(U2、U4), 埋藏砂体中还可见层状的不利砂体发育区; 蓝色虚线为砂-泥突变界面(对应R1~R3), 黑色虚线为表层砂体上部(U1-1)和下部(U1-2)的分界面; c. 浅地层剖面揭示表层砂体上部的特征, 是对单道地震剖面中表层砂体地震特征的补充

Fig. 6 Characteristics of surface and buried sand-gravel bodies.

(a) shows seismic response characteristics of the sand-gravel body revealed by single-channel seismic profile. U1~U4 are identified seismic sequence units. R0~R3 are the main seismic reflection interfaces. (b) is a drawing of (a), revealing the surface sand-gravel body (corresponding to U1), buried sand-gravel body (U3) and mud body (U2 and U4). There are also areas in the buried sand bodies that are not suitable for the occurrence of sand bodies. The blue dashed line is the sand-mud interface (corresponding to R1~R3), and the black dashed line is the interface between the upper (U1-1) and lower (U1-2) surface sand-gravel bodies. (c) Sub-bottom profiles reveal the characteristics of the upper surface sand body, which is a supplement to the seismic characteristics of the surface sand body in the single-channel seismic profile

表2 海砂砂体的地震层序单元划分和响应特征

Tab. 2 Seismic sequence unit division and seismic response characteristics of marine sand body

地震层序单元 地震响应特征 指示沉积类型
U1 U1-1 连续性好、强振幅、低频平行层状反射 表层砂体上部
U1-2 连续性差、弱振幅、夹杂空白或杂乱的反射 表层砂体下部
U2 连续性好、强振幅、平行层状反射 泥质体
U3 连续性差、弱振幅、夹杂空白或杂乱的反射 埋藏砂体
U4 连续性好、强振幅、平行层状反射 泥质体
研究区单道地震剖面显示表层砂体上部为“连续性好、强振幅、低频平行层状”反射。与单道地震不同, 浅地层剖面则显示表层砂体上部呈“断续、中弱振幅、杂乱”的反射特征(图6c), 更好了反映了表层砂体上部的特征。表层砂体下部和埋藏砂体为“连续性差、弱振幅、夹杂空白杂乱”反射(图6a)。总体而言, 砂体最主要的特征是“白雾”反射, 即“连续性差、弱振幅、夹杂空白或杂乱”的反射; 泥质体呈“连续性好、强振幅、平行层状”反射(图6a, 表2)。

3.5 钻孔岩心揭示的砂体层位与单道地震结果对比

研究区钻孔岩心表明, 海底以下30m地层内, 主要存在表层和埋藏两套砂砾质砂体。图7揭示了ZK1、ZK2、ZK3 3口钻孔岩心的砂、砾质沉积物在不同岩心位置的含量占比以及砂体的厚度。统计沉积物砂、砾含量大于50% (即砂体), 且厚度超过1m的砂砾层, 结果表明ZK1钻孔在0~6.5m、8.2~9.7m、19.7~21.5m、22.3~29.5m为砂体(图7a); ZK2钻孔在0~13.2m、17.5~21.7m、23.3~27.9m为砂体(图7b); ZK3钻孔在0~12.3m、24.2~27.6m为砂体(图7c)。
图7 过测线G—G′的3个钻孔砂砾含量占比及砂体层位分布

a、b、c分别为ZK1、ZK2、ZK3 3个钻孔岩心的数据。黑色点为取样点及测试结果, 红色线为测试结果的连线。黄色块为砂体的赋存层位; 白色块为泥质体的赋存层位

Fig. 7 Sand and gravel content ratio and sand body location distribution of the three boreholes along the survey line G—G′.

(a), (b), and (c) are the data of cores ZK1, ZK2, and ZK3, respectively. The black dots are the sampling points and test results, and the red lines are the connecting lines of the test results. The yellow shading block is the stratigraphic position of the sand body; and the white block is the stratigraphic position of argillaceous bodies

单道地震剖面识别的砂体, 与钻孔岩心实物显示的砂体进行叠加对比, 显示两者指示的砂体层位虽然不完全一样, 但总体上拟合度较好, 具有良好的一致性(图8)。存在的不一致可能是由于“泥包砂”、“砂包泥”的薄夹层导致。如ZK1钻孔中8.2~ 9.7m的薄砂砾层存在于单道地震识别的泥质体中; 单道地震识别的埋藏砂体中, 在钻孔岩心中实际也存在泥质层, 两者存在的不一致之处见图8中“?”标记。这种不一致也说明了砂体空间上的多变性。
图8 钻孔揭示的砂体层位与单道地震识别的砂体对比

深黄色方块为钻孔揭示的砂体层位; 浅黄色块和灰色块分别为单道地震识别的砂体和泥质体。R0~R3为主要地震反射界面

Fig. 8 Comparison of sand body stratigraphic position revealed by borehole and sand body identified by single-channel seismic.

The dark yellow block is the sand and gravel layer revealed by the borehole. The light yellow block and the gray block are the sand-gravel body and argillaceous body identified by single-channel seismic respectively. R0~R3 are the main seismic reflection interface

4 讨论

4.1 有利海砂赋存的地貌标志

海砂在富集过程中, 物源是前提条件, 适宜的气候-水动力、海底地貌类型, 以及相对稳定的海平面是海砂形成的必要条件, 第四系是海砂的赋存体。我国现已探明的浅海砂矿分布水深一般小于200m, 多在50m之内, 部分水深小于20m (谭启新, 1998)。前人研究表明, 潮流沙脊(包括沙堤、沙坝、沙丘、沙席)、潮流冲刷槽、三角洲、冲积扇、浅滩、(古)岸线、(古)河道等海底地貌单元可能是海砂赋存有利区域(谭启新 等, 1988; 曹雪晴 等, 2007)。
研究区西南部和东北部海底沙脊、沙波密集发育, 还可见沙纹等微地貌叠置, 反映了较强的水动力环境和丰富的沉积物供给, 这些堆积型地貌指示了海砂赋存的有利部位。浅地层剖面识别出不利于表层砂体赋存的厚泥盖层(厚度>10m)区域, 这是圈定海砂有利区时应首先排除的区域。
研究区也发育有埋藏古河道(图6b)。虽然过去在华南沿海发现的古河道中, 充填物质大多为泥质沉积物, 但就研究区而言, 在古河道中钻探发现的物质多为砂砾质, 表明其有利于海砂的赋存。海砂赋存的有利与不利部位在空间上呈连续变化, 交错分布。研究区海砂赋存模式见图9。该模式显示了研究区存在表层和埋藏两套砂砾质砂体, 沙脊、沙波、沙纹, 以及埋藏古河道等是有利于表层砂体赋存的标志, 厚泥盖层则相反。砂体与泥质体之间以砂-泥界面分隔。泥质体与厚泥盖层具有相似的特征, 其内部通常具有明显的水平层理(图9)。
图9 研究区海砂砂体赋存模式图

Fig. 9 Occurrence mode of submarine sand body in the study area

4.2 海砂砂体的地球物理特征

通过研究区地球物理及钻孔岩心资料的综合分析, 海砂赋存地貌标志、指示砂体位置及海砂砂体的特征归纳见表3。
表3 研究区有利海砂赋存的地貌标志及地球物理特征

Tab. 3 Geophysical characteristics and favorable occurrence signs of marine sand bodies in the study area

物探方法 指示砂体 有利赋存标志 地球物理特征
单波束测深 平面分布 海底沙脊 沙脊形态呈槽脊相间的波状起伏, 总体顺潮流方向呈条带状展布。沙脊上发育叠置大型沙波
侧扫声呐 平面分布 海底沙波、沙纹 沙波脊线两侧回波强度变化明显, 总体近垂直于潮流方向呈条带状展布, 波形不对称。沙波上发育叠置的小沙波、沙纹等微地貌。反映了沉积物供应充足
浅地层剖面 平面分布、表层砂体上部 无厚泥盖层 砂层穿透小于10m, 为断续的中弱振幅杂乱反射, 无明显层状反射, 指示浅部较厚的砂质底质, 利于砂体赋存。泥层穿透大于10m, 为连续性好的中强振幅高频层状反射, 成层性明显, 指示为泥质盖层, 不利于砂体赋存
单道地震 表层及埋藏砂体 埋藏古河道 埋藏古河道呈U型反射结构, 充填物呈杂乱反射, 利于砂体赋存。砂体出现“白雾”, 即连续性差的弱振幅反射中夹杂空白、杂乱的反射
值得注意的是, 表层砂体上部的单道地震剖面与浅地层剖面响应特征存在差异。表层砂体上部单道地震的“强震幅平行反射”可能是由于“鬼波效应”所致, 其直接原因可能是海上数据采集时, 检波器电缆沉放过深。因此, 对表层砂体上部的地震响应特征描述, 浅地层剖面测量结果更为可靠。总体而言, 它们可能反映了砂体声学难以穿透的特性, 同时也可能是砂体含气的表现。

4.3 资源量估算分析

目前海砂资源量估算的常用方法是通过钻探钻取岩心, 获取海砂质量、厚度、面积、体重等资源量估算参数, 进而评价其工业指标, 圈定并外推海砂矿体, 最后利用地质块段法估算(中国地质调查局, 2012)。当海砂砂体稳定、连续、产状平缓、厚度变化较小, 或者钻孔布设密度高时, 此方法对砂体的圈定较精细, 资源量估算准确度高, 但过多的钻孔会导致调查找矿成本过高。反之, 当海砂砂体形态多变, 或者钻孔布设密度低时, 依据此方法估算的资源量可靠性大大降低。
钻孔岩心实物与地球物理数据的对比表明, 单道地震剖面对砂-泥界面具有较好的识别效果(图8)。因此在砂体形态多变或钻孔布设密度低时, 相比面积外推、厚度平均的“粗”估算, 利用综合物探方法, 结合一定数量钻孔进行约束, 可较好刻画砂体形态和展布特征。在钻孔与钻孔之间, 通过对比地震剖面确定特征反射界面(如砂-泥界面), 结合有利赋存的地貌标志, 刻画出砂体的形态, 计算海砂的厚度和面积等估算参数, 从而有利于提高海砂资源量估算的准确度。
值得一提的是, 地球物理勘探相对地质钻探成本低、效率高, 基于密集的地球物理调查测线,建立三维可视化地层格架, 分析其响应特征, 可更精细刻画砂体空间形态, 提高估算准确度, 这也是未来海砂资源勘探技术的发展方向之一。

5 结论

1) 单波束测深、侧扫声呐、浅地层剖面、单道地震等多源地球物理数据能有效识别沙脊、沙波、埋藏古河道等有利海砂赋存的地貌标志以及厚泥盖层等不利标志, 它们在平面上呈渐变交错分布。
2) 浅地层剖面、单道地震剖面与表层沉积物、钻孔岩心结果对比, 证实浅地层剖面能有效区分厚泥盖层(厚度>10m)和表层砂体上部, 表层砂体上部呈“断续、中弱振幅、杂乱”反射特征; 单道地震剖面能有效识别砂-泥地层界面, 定位表层及埋藏砂体, 砂体最主要的特征为“连续性差、弱振幅、夹杂空白或杂乱”反射, 呈“白雾”状。它们反映了砂体声学较难穿透的特性, 同时也可能是砂体含气的表现。
3) 在砂体形态多变或钻孔岩心分布密度低时, 利用综合物探方法, 结合一定数量的钻孔岩心约束, 相比仅依靠大量钻孔岩心, 可更为经济、高效地对砂体的垂向形态和平面展布进行精细刻画, 从而有利于更准确地估算海砂的资源量。

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