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Journal of Tropical Oceanography >

2023 , Vol. 42 >Issue 1: 114 - 123

DOI: https://doi.org/10.11978/2022025

Analysis of shallow surface fine geological characteristics and hazard factors of the seabed in the northern part of Dongsha, South China Sea based on AUV data

  • LI Yanjie , 1 ,
  • ZHU Yousheng , 1 ,
  • CHEN Guanjun 1 ,
  • WANG Shu 1 ,
  • WANG Weiwei 2
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  • 1. Geophysical-China Oilfield Services Limited, Tianjin 300459, China
  • 2. College of Control Science and Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China
ZHU Yousheng. email:

Copy editor: YAO Yantao

Received date: 2022-02-14

  Revised date: 2022-06-14

  Online published: 2022-06-17

Supported by

National Natural Science Foundation of China(42176083)

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Abstract

A comprehensive understanding of the geological characteristics of shallow strata of seabed is the basis for identifying and evaluating shallow marine geological hazards, which is of great significance to the development of marine resources and marine engineering construction. Multiple oil and gas fields are being explored and developed in northern Dongsha, South China Sea. However, there is a lack of systematic analysis of the fine geological characteristics of the shallow strata in this place. Based on the diverse data of AUV (autonomous underwater vehicle), multi-beam, AUV shallow stratum profile, 2D seismic data and sediment test, the factors of shallow strata geological hazards were identified and their risks were evaluated in the area of 100~400m water depth in northern Dongsha, South China Sea. The survey found that the seabed surface sediments in the study area were generally relatively stable, and several micro-geomorphologies of the seabed, such as sand waves, steep steps and gullies developed. Shallow gas below the seabed was not observed, and numerous paleovalleys are developed. Significant spatial differences are featured in the shape and distribution characteristics of seabed sand waves. The sand waves with wave height greater than 1m are mainly distributed in the depths of 134~143m, 168~187m and 205m, they can move positions under modern dynamic conditions. The observation results show that the development of seabed sand waves is related to the process of internal waves. The steep steps are more than 20°, which is considered to be related to the faults running through the shallow strata.

Key words： AUV; geological characteristics; geohazard factors; South China Sea; sand waves

Cite this article

LI Yanjie , ZHU Yousheng , CHEN Guanjun , WANG Shu , WANG Weiwei . Analysis of shallow surface fine geological characteristics and hazard factors of the seabed in the northern part of Dongsha, South China Sea based on AUV data[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2023 , 42(1) : 114 -123 . DOI: 10.11978/2022025

海洋地质灾害是海底地质体在内外力作用下发生变形或移动而引发的灾害, 对海上工程建设、海洋油气资源的勘探开发和利用都能产生严重威胁。因此, 对海洋地质灾害因素的识别和评估一直以来受到广泛的重视。其中, 全面认识海底浅表层地质特征是进行海底浅层地质灾害识别、评估其稳定性和致灾机制等研究的前提和基础, 可为区域资源勘探开发、功能区划、海上工程建设提供科学依据, 因而具有重要的工程意义。
南海北部是我国海洋石油和天然气资源的主要产区, 海洋工业活动频繁, 也是海洋地质灾害的重点关注区域。自从20世纪80年代以来, 我国在南海北部开展了综合性海洋工程地质调查, 采用多学科和多手段的综合方法, 取得了具有国际先进水平的研究成果(叶银灿, 2011), 对南海北部的浅层地质情况和发育的海洋地质灾害类型有了基本的认识(陈俊仁 等, 1993; 冯志强 等, 1996; 夏真 等, 1999; 刘鑫 等, 2013)。近年来, 随着海洋工程需要和海洋调查技术的发展, 对南海北部地质调查和海洋地质灾害因素的研究逐渐精细化, 研究区域也从海岸带、内陆架(夏真 等, 1999)向陆架边缘、陆坡及深水区域(马云 等, 2017)延伸。特别是基于最新获取的大量高分辨率地球物理和工程地质数据, 国内学者在南海北部陆架边缘、陆坡区域的浅层地质特征和海底地质灾害方面的研究取得了许多新的进展。如周川等(2013)根据高分辨率的水深数据, 分析了南海东沙西侧的陆架地貌特征及灾害地质因素; 朱友生(2017)基于近10年来南海北部珠江口盆地的多元调查数据, 阐述了南海北部陆架边缘10种地质灾害类型、特征和分布规律, 分析了其对海洋油气勘探开发工程的潜在影响; 马云等(2017)报道了南海北部东沙陆坡深水区的地质灾害要素, 总结了其展布特征; 何健等(2018)分析了南海北部陆坡天然气水合物区的地质灾害类型和分布特征。这些研究表明我国南海北部的海洋地质灾害研究工作取得了长足的进步。然而, 由于研究的区域较大, 多数报道没有详细阐述精细的浅层地质特征和灾害因素。
南海东沙北部有多个油气田正在勘探和开发, 其中陆丰油田群项目拟建设1个水下井口群、2座导管架钻采平台和6条海底电缆管道。因此, 对东沙北部外陆架浅表层的地质特征和地质灾害因素开展精细的分析将具有重要的实用意义。目前, 少数学者已经对东沙附近的海底地貌特征进行了较深入的分析, 但多数仅限于单一的地貌类型, 如海底沙波/丘、海底峡谷等(彭学超 等, 2006; 栾锡武 等, 2010; 耿明会 等, 2017; 刘丛舒 等, 2019; 王星星 等, 2021), 未见对东沙北部外陆架区域浅表层地质的精细特征开展系统分析的报道。这限制了我们对该区域海底浅层地质灾害因素的认识, 也不利于该区域海洋资源开发和海洋工程建设的顺利开展。2018年, 中海油田服务股份有限公司对东沙北部研究区开展了工程地质调查工作, 利用最新调查技术手段AUV(autonomous underwater vehicle)获取了高精度的调查资料, 这为南海东沙北部陆架浅层地质特征的精细分析提供了可能。基于这些数据, 本文主要研究南海东沙北部海域外陆架区域(100~400m)的海底地形地貌、表层沉积、浅层沉积结构等特征, 识别浅层地质灾害因素, 并评估其风险性。

1 地质背景

南海北部大陆边缘呈长条状, 向东北方向延伸, 陆架宽缓。其中, 东沙群岛处于南海北部陆架东北侧的陆架坡折位置, 发育环礁, 属于东沙隆起的南端。东沙东北和西南侧地形较陡, 水深快速增加至超过600m; 西北侧为陆架区域, 分布有南、北卫浅滩等砂质沉积体(栾锡武 等, 2012), 发育海底沙波等活动地貌(栾锡武 等, 2010); 东沙岛的北侧陆架和陆坡地形较为宽缓, 陆坡发育海底冲沟, 其分布与陆架坡折线和600m等深线平行(栾锡武 等, 2011), 陆架发育沙波等地貌。
南海北部环流过程主要由季风和黑潮控制, 受季节性季风强迫、海峡水交换及地形等因素影响。陆架与陆坡流系形式复杂多变, 除了沿等深线方向的陆坡流、南海暖流、广东沿岸流之外, 还存在上升流(舒业强 等, 2018) (图1)。南海北部也是东亚台风的主要途径区域。另外, 受吕宋海峡的潮波影响, 南海北部还存在内波、内潮等过程。南海北部陆架-陆坡区域也是南海沉积过程较为复杂和活跃的区域, 其中珠江被认为是现今南海环流体系下的南海北部主要沉积物来源。前人调查结果显示, 东沙附近海底沉积以砂质沉积为主, 测年数据表明这些砂质沉积物是末次冰期低海平面时期形成的残留沉积(冯文科 等, 1994)。
图1 研究区位置及水文概况

该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为 GS(2016)1609号的标准地图制作。图中流系据舒业强等(2018); 广东沿岸流中黄色箭头为夏季沿岸流, 浅蓝色箭头为冬季沿岸流

Fig. 1 Location and overview of the study area (flow system from Shu et al, 2018)

2 数据来源

研究区是一个宽1km、长约65km的不规则区域(图2), 区域内布设了测线间隔为100m的11条地球物理调查测线。利用AUV搭载Echo Surveyor Ⅲ系统, 以3~4节速度、40m定高的走航式, 采集了约750km的多波束水深、浅地层剖面和侧扫声呐等数据(图2)。多波束系统频率为200~400kHz, 最大发射速率为50Hz, 有400个波束, 波束角为1°×1°, 覆盖角度为140°; 侧扫声呐工作频率为75kHz和410kHz; 浅地层剖面仪频带范围为2~16kHz, 垂直分辨率为6~10cm。经处理后, 多波束数据的平面分辨率可达1m×1m, 浅地层剖面的纵向分辨率优于0.1m(冯湘子 等, 2020), 侧扫声呐的横向分辨率在低频时优于0.1m(罗进华 等, 2019)。
图2 研究区测线布置、工程地质取样站位及灾害地质分布图

Fig. 2 Survey line, geotechnical sampling locations and geological characteristics distributions within the study area

利用“南海503”船采集780km单道地震数据(图2)。单道地震采用Geo-Spark电火花震源, Geo-Sense 48型信号水听器。震源能量为2.0~3.6kJ, 震源沉放深度约1.0m, 激发间隔1.6s, 震源与电缆接收中心点的间距为8.9m。电缆沉放深度0.5~1m, 采样频率4000Hz, 记录长度600ms, 数据记录格式为SEGY。数据经去噪和40~1800Hz带通滤波后, 穿透最大沉积厚度达海底以下约200ms(双程时间), 满足浅部地层地质灾害特征的识别要求。单道地震资料解释采用SMT Kingdom 8.6软件。
利用“南海503”船获取了47个浅表层沉积物样品和20个钻探取心样品, 进行了40个原位静力触探试验(cone penetration test, CPT) (图2), 并在室内实验室开展了沉积物的物理力学特征分析, 包括容重、含水率、液塑限、比重计、手动十字板、电动十字板、落锥等。

3 结果与讨论

3.1 海底地貌

研究区海底总体地形相对平缓, 水深130~330m, 平均坡度小于1°, 发育海底沙波、陡坎等海底地貌。

3.1.1 海底沙波

海底沙波是研究区发育的主要地貌类型, 在研究区由浅至深间断分布(图3、图4)。在不同水深区域, 海底沙波的尺度和延伸方向有明显差异, 相对较大的沙波(波高大于1m)主要分布在水深134~143m、168~187m、205m以深区域, 其他区域的沙波尺度较小(波高<0.5m)(表1)。海底沙波的大小(波长和波高)与水深并没有显著的相关性。沙波的延伸方向/倾斜方向有明显的区域差异, 其中大型沙波延伸方向约为25~75°, 较小型沙波延伸方向主要为0~30°。除了水深168m附近海底沙波之外, 大部分海底沙波均向下坡倾斜(图3、图4)。前人调查发现, 研究区海底砂质沉积物的年龄属于末次冰期, 进而认为这些砂质地貌为残留地貌, 相对稳定(冯文科 等, 1994)。但是, 新的调查结果表明, 这些砂质地貌的发育与现代动力条件相适应, 且具有活动性。如栾锡武等(2010)研究发现, 在东沙岛北部水深130~145m范围内发育多组不同的海底沙波, 并且在现代动力条件下发生了明显的迁移运动。
图3 研究区地形及海底沙波的分布

Fig. 3 Topography and distribution of seabed sand waves in the study area

图4 典型沙波区的精细特征

Fig. 4 Fine features of typical sand wave area

表1 海底沙波随水深分布的规律

Tab. 1 Distribution rule of seabed sand waves with water depth

深度范围/m 280~292 230~280 205~220 187~190 168~187 151~155 143~146 134~143 131~134
波长/m 50~150 65~220 50~60 <10 50~110 <10 <10 40~130 <10
波高/m 2.3~5.1 1.3~5.1 1.3~1.5 <0.5 1.3~3.0 <0.5 <0.5 1~2.8 <0.4
根据研究区海流观测结果, 在水深近300m处近底平均流速的最大值发生在偏SSE和SE方向, 最大流速可达近0.5m·s-1。这一流速大小与前人在水深140m处的观测结果类似(栾锡武 等, 2010)。海底沙波区的沉积物主要由中砂、粗砂构成(李亮 等, 2014), 王尚毅等(1994)给出的海底细砂、中砂、粗砂的起动流速分别为0.236m·s-1、0.347m·s-1和0.431m·s-1, 据此可判断研究区海底沉积物能够被现代底流所起动搬运。在研究区附近水深230~830m范围内发育斑块状分布的水下沙丘(耿明会 等, 2017), 其中350~420m范围内发育网状沙丘(陈业伟 等, 2018)。这些沙丘的形成被认为与南海北部内孤立波的浅化有关, 内孤立波向陆架传播会发生浅化或干涉等现象, 在不同的方向产生优势流, 从而形成斑块状分布的水下沙丘(Zhang et al, 2018)。内孤立波在浅化过程中可以诱发流速超过1m·s-1的近底层流, 这一流速足以起动海底沉积物, 进而搬运海底沉积物形成沙丘(Ma et al, 2016)。因此, 这些沙丘的发育与内孤立波过程和现代沉积物供应相适应。在内孤立波等海洋动力过程的作用下, 海底沉积物能够被搬运, 导致海底沙丘发生移动。

3.1.2 海底陡坎

研究区海底发育两个陡坎(陡坎A和陡坎B), 向东北方向延伸(图3)。陡坎两侧地貌有明显差异, 陡坎浅水一侧地形平坦, 深水一侧发育海底沙波。陡坎A位于155m水深处, 水深落差近12m, 坡度约为6°。陡坎B位于水深189m处, 水深落差近23m, 陡坎坡度大于20°, 最大坡度接近27°。陡坎B坡下发育侵蚀沟槽,延伸方向平行于陡坎。地震剖面显示陡坎B处的海底地层中发育断层, 断层从地层浅部一直延伸至海底表面, 陡坎坡折处对应于断层面(图5)。
图5 海底陡坎B和断层

Fig. 5 Submarine scarp B and fault

3.1.3 海底冲沟

该区域发育海底冲沟, 冲沟与陡坎B伴生, 延伸方向与等深线平行。与海底峡谷区发育的冲沟不同, 研究区的海底冲沟与海底滑坡等块体搬运或碎屑流等引起的冲刷过程(刘铮 等, 2021; 王大伟 等, 2022)无相似性。研究区的冲沟与陡坎等地貌背景下的现代水动力冲刷过程有着显著的关联(Ma et al, 2016)。断层断至海底, 形成海底陡坎(图5), 海底陡坎在多变海洋环境(Wang et al, 2018)和海底底流活动作用下, 先后经历冲槽、下切、平衡、修止等阶段而逐渐形成冲沟。

3.2 浅表层沉积特征及层序结构

3.2.1 表层沉积特征

研究区大部分区域海底表层以松散砂质沉积物(黏土质粉砂、粉砂、中砂、粗砂)为主(图6), 平均粒径范围为0.079~1.3mm, 在砂质沉积物之下多为黏土质沉积物。300m以浅区域发育海底沙波, 沉积物中值粒径为0.3~0.5mm; 300m以深区域海底平坦, 表层沉积物以黏性土为主。综合区域内所有站位的调查结果, 认为本文研究区海底沉积物总体相对稳定, 发生液化、滑塌等地质灾害的可能性较小。但砂质沉积物可能会在现代水动力条件作用下发生冲刷, 这意味着如果海底管道经过研究区, 管道周围海底可能会发生侵蚀。
图6 观测区表层沉积物特征

Fig. 6 Characteristics of surface sediments in the observation area

3.2.2 浅层沉积层序结构

根据浅地层剖面数据和钻孔分析结果, 可以在研究区识别出4个反射界面(R1—R4)和对应界面间的4个地层(图7)。其中R1、R2、R4反射界面相对连续, 反射强度较强, 随着水深增大而逐渐尖灭。R1埋藏深度位于10m和13m之间; R2埋藏深度在30m左右; 由于埋藏古河道的出现, R3并不是连续的界面, 其埋藏深度在40~45m; R4埋藏深度在50~120m。除了部分发育有埋藏古河道的区域外, 大部分地层的地震剖面均显示强反射、平行层序特征。随水深增大, 地层厚度逐渐减薄。除了海底表层的砂质沉积物, 地层主要由黏土构成。
图7 地层结构示意图

Fig. 7 Schematic diagram of formation structure

3.3 浅层埋藏地质体

研究区发育的浅层埋藏地质体主要是埋藏古河道和断层, 没有发现浅层气富集区。

3.3.1 埋藏古河道

末次冰期低海平面时期南海北部陆架出露, 海岸线向海迁移, 陆架及陆架外缘区域大量发育下切水道, 这些水道之后随着海平面上升而被埋藏在海底之下(寇养琦 等, 1994), 古河道内部发育倾斜层理、杂乱反射等。地层剖面显示, 研究区海底以下100m内分期次发育多个埋藏古河道(图2、图7、图8)。其中, 埋深较浅的古河道顶部埋藏于海底之下3~10m, 底部位于海底之下11~44m, 厚度在3~34m之间; 埋深较深的古河道顶部埋藏于海底之下24~32m, 底部位于海底之下32~47m, 厚度在8~15m之间。
图8 埋藏古河道二维地震剖面(上)和浅地层剖面(下)特征

Fig. 8 Characteristics of two-dimensional seismic profile (top) and shallow stratigraphic profile (bottom) of buried ancient channel

3.3.2 断层

断层在地震剖面上表现为地层不连续, 出现断点、错动等(图5、图7)。断层在东沙陆坡特别是东沙海台附近广泛发育, 是南海北部深水区发育的典型灾害地质因素(马云 等, 2017)。根据单道地震剖面等数据, 在陡坎B处发现一处断层, 该断层切穿海底浅层地层, 断层面延伸至海底表面形成断层陡坎; 在陡坎东南侧发育有另外一条断层, 顶部埋深位于海底以下26~32m(图7)。

3.4 海洋地质灾害因素及其风险性评估

根据冯志强等(1994)的分类方法, 地质灾害因素可以分为具有活动能力的破坏性地质灾害因素(如断层、滑坡、浅层气、海底沙波、底辟、地震等)和不具有活动能力的限制性地质条件因素(如埋藏古河道、浅埋基岩/不规则基岩面、海底陡坎、侵蚀沟、凹凸地、浅槽、海底火山等)。研究区发现的海底浅层地质灾害因素主要包括海底沙波、海底陡坎、断层、埋藏古河道。
研究区域内海底沙波本身的起伏地形可能会造成海底管道自由悬跨, 增加防沉板安装的施工难度, 需提前对海底进行处理或采取特殊的防沉板结构设计。在现代水动力条件下, 特别是在极端天气条件下, 研究区的海底沙波具有活动性, 海底沙波的移动可造成海底管道裸露, 甚至悬空, 进而影响海底管道的寿命及安全。同时, 沙波移动容易造成导管架平台桩基承载地层厚度变化, 影响桩基或平台稳定性(朱友生, 2017)。综合现有资料分析, 由于研究区域内拟建导管架位置处表层沙波厚度较薄, 其对导管架平台桩基或平台稳定性无不利影响, 应加强运营期间海底管道的检测和监测, 确保海底管道安全。
海底陡坎B与深部断层有关, 并伴随冲沟发育, 地形落差高度近23m, 最大坡度接近27°。海底陡坎是海底管道铺设和维护的不利地形因素(刘乐军 等, 2014)。在管道路由设计阶段应进行适当优化, 在铺设施工和安全运营过程中应采取可靠的跨越措施。
断层是具有破坏性的地质灾害因素, 研究区发育的断层由深部延伸至海底表面, 据现有资料难以判断其是否为新的活动断层, 因此拟建路由应尽量优化, 避免横跨断层。
埋藏古河道具有破坏性(李振 等, 2018), 可能存在因承载力不均匀、砂土液化等潜在因素而影响导管架的稳定性和安全性。由于钻孔1位置处的埋藏古河道位于海底以下27m, 厚度约3m, 沉积物物质成分为松散到中密实的砂质粉土, 故认为其对导管架的承载力和稳定性无潜在的灾害影响。

4 结论

1) AUV多波束数据的平面分辨率可达1m×1m, 浅地层剖面的纵向分辨率优于0.1m, 侧扫声呐横向分辨率低频时优于0.1m, 具有高分辨率、高精度的特点, 结合二维地震观测及沉积物分析, 能够更精细地识别和刻画海底浅表层的灾害地质因素。
2) 研究区海底表面发育海底沙波、陡坎、冲沟等地貌特征。海底沙波的大小和分布特征具有显著的空间差异, 在现代水动力条件下(如内波等)具有活动性。陡坎B和海底冲沟相伴发育, 陡坎坡度超过20°, 可能与贯穿浅层的断层有关。
3) 研究区浅表层海底地质灾害因素主要包括海底沙波、陡坎、断层和埋藏古河道。这些地质灾害因素均具有潜在的破坏性, 可能会给油气田开发工程设施的施工与运营维护带来一定的不利影响, 应避开或采取适当的工程处理措施。

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