南海东沙群岛以北海底沙波稳定性分析.doc

彭学超，吴庐山，崔兆国，刘胜旋，王衍棠. 南海东沙群岛以北海底沙波稳定性分析J. 热带海洋学报， 2006，25(3)：21-27.南海东沙群岛以北海底沙波稳定性分析彭学超，吴庐山，崔兆国，刘胜旋，王衍棠（国土资源部广州海洋地质调查局，广州，510760）收稿日期：2005-09-25；修订日期：2006-01-15基金项目：国家自然科学基金重点项目（40572067）作者简介：彭学超（1958），男，广东省信宜市人，教授级高工，从事石油地质、海洋地质调查与研究。E-mail:提 要：利用在南海东沙群岛北西北海域为工程目的所采集的海底地形测量、底质取样、海底底流测量资料，以及以往的区域地质、地球物理资料，采用沉积学、构造学和海洋水动力学综合研究方法，对该区海底沙波形成及稳定性进行了综合分析。认为该区海底沙波是在目前水动力环境下所形成，为今生，海底表层沉积物为晚更新世地层受到冲刷改造的再沉积。沙波形成主要受潮流底流的水动力作用控制，并与构造抬升有关。沙波具有一定的活动性，主要由SE向NW方向移动，且活动性逐渐减弱。北区段海底沙波稳定，中区段海底沙波较稳定，它们对海底工程建设不会造成影响；而南区段海底沙波较为活动，当沙波发生较大规模移动时，对海底工程建设会造成一定影响。关键词：海底沙波 海底冲刷 潮流 构造抬升 沙波移动 稳定性中图分类号：P737.2 文献标识码：A 文章编号：1009-5470(2006)AN ANALYSIS OF THE STABILITY OF SEABED SAND WAVES OF THE WATERS NORTH OF DONGSHA ISLANDS IN THE SOUTH CHINA SEAPENG Xue-chao，WU Lu-shan，CUI Zhao-guo，LIU Sheng-xuan，WANG Yan-tang(Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou 510760，China)Abstract: The genesis and stability of seabed sand waves of the waters north and northwest of Dongsha Islands has been analyzed using submarine topographic surveying data, shallow sediments sampling data, sea bottom current measuring data and former regional geology and geophysical data by adopting sedimentology, tectonics and marine hydrodynamics. We propose that the sand waves are formed under present hydrodynamic environment, and the seabed surface layer sediments are formed by the redeposited of the Upper Pleistocene reconstruction by erosion action. Formation of sand waves are controlled mainly by underset of tidal current, and also related to tectonic uplift. The sand waves move in some extent, with the main direction of SE to NW, yet that trend becomes weak gradually. The sand waves show high stability in northern section and relatively stability in mid section, which have little influence to seafloor engineering, while they move about frequently in southern section, and this brings some influence to seafloor engineering in the case of relatively large-scale movement.Key words: seabed sand waves, seabed erosion, tidal current, tectonic uplift, sand waves movement, stability19841990年广州海洋地质调查局在南海北部珠江口盆地（2022N，113117E）进行了1:20万10个图幅海洋工程地质调查。调查发现在南海北部陆架外缘上陆坡（约11430117E）水深80250m范围内沙波十分发育（图1），沙波的规模也较大。19931994年冯文科等1-3利用上述调查资料对该区海底沙波稳定性进行了研究，根据表层沉积物特征及测年资料认为沙波是在晚更新世末次冰期低海平面时期的残留沉积，沙波稳定。1995年中国海洋石油总公司南海东部公司陈鸣4利用1987年10月实测的底流资料及1990年9月调查的工程地质资料对陆丰13-1平台场地的海底稳定性进行了分析与评价，其观点与冯文科等的观点十分一致。1990年天津大学王尚毅等5 分析1972年在21N、115E点实测的底流（距海底约1.0m，水深约100m）资料，认为海流底流主流向为NWSE，与该区沙波波峰走向为NE、NNE的情况吻合，底流流速对细砂和中细砂能够起动，沙波为今生，与上述观点相反。但是，为什么仅在东沙群岛北西北部分布如此大规模的沙波区呢？无论它是“残留沉积”还是“今生”，都肯定与沙波区独特的沉积环境和水动力条件有关，而上述观点均未能从该方面作出相应的合理分析。图1 南海北部沙波分布及陆丰13-2平台至陆丰13-1平台路由位置图（据1修改）Fig.1 Sandwaves distribution of the northern South China Sea and location of submarine pipeline route between Lufeng 13-2 platform and Lufeng13-1 platform（modified from 1）陆丰13油田的陆丰13-2平台至陆丰13-1平台路由（以下简称路由）位于南海北部陆架外缘上陆坡沙波区的北缘（香港东南海面约203215km，东沙群岛以北约100km）。路由长度约12km，水深范围129.9145.1m（图1），海底沙波发育，且在中南段发育大型沙波。2003年67月在路由范围进行了海底地形地貌、浅层地质、表层取样、土壤钻孔及海流（陆丰13-2平台）等项目的海洋工程地质、地球物理勘察。2004年11月又采用高精度多波束及旁侧声纳对海底地形地貌进行了重复测量，2005年12月并在陆丰13-1平台附近进行了海流测量。本文在利用本次及以往调查的海底地形地貌及地层、底质、海流等资料进行综合研究基础上，结合对新、老高精度多波束测深资料进行对比分析，对路由海底沙波的稳定性进行了分析，得出了新的认识。1 海底地貌及沉积特征 1.1 海底沙波地貌特征路由水深129.9145.1m，平均坡降0.10.3，由NW 向SE方向坡降及水深逐渐增大。海底平坦，普遍发育波纹，沙纹波长512m，波高0.4m。从路由中段（距陆丰13-2平台3.6km处）至陆丰13-1平台发育大型沙波，沙波波长50120m，波高0.53m。沙波呈NENEE走向，沙波翼部坡降为2%8%，越靠近陆丰13-1平台坡降越大，最大坡降达8。根据海底地形和沙波的发育特征，可将路由海底划分为北区段、中区段和南区段（图2）。图2 陆丰13-2平台至陆丰13-1平台路由海底三维图1) 彭学超、崔兆国、刘胜旋等， 陆丰13-2平台至陆丰13-1平台路由综合地球物理调查报告，广州海洋地质调查局，2004。Fig.2 3D topographic map of submarine pipeline route between Lufeng 13-2 platform and Lufeng13-1 platform 北区段（LF13-2KP3.6，表示距陆丰13-2平台03.6km，下同）：海底地形平坦，水深范围 129.9132.7m，缓慢向SE方向倾斜，坡度很小，坡降约0.1%。区内海底底质较细，为粉砂质细砂，普遍发育沙纹，沙纹波长812m，波高0.4m，走向约7080。中区段（KP3.69.4）：海底地形平坦，水深范围 132.7140.1m，缓慢向SE方向倾斜，坡度小，坡降约0.2%。该区海底底质为粉砂质细砂细砂，沙波发育，沙波的规模、走向稳定，波形基本对称。沙波波长7080m，波高0.51.5m，翼部坡降约2.5%，走向约80。沙波上发育有两组走向分别为6080和010相互交错的沙纹，沙纹波长58m，波高0.4m（图3）。 图3 中区段旁侧声纳显示的海底沙纹特征1) Fig.3 Seabed Ripples of mid section measured by side-scan sonar南区段（KP9.4LF13-1）：海底地形平坦，水深范围 140.1145.1m，缓慢向SE方向倾斜，坡度略有增加，约0.3%。该区海底底质较粗，为细中砂夹大量贝壳碎片，南部夹粗砂。沙波发育，沙波的规模比中区段大，走向也有所改变。沙波波长80120m，波高13 m，沙波翼部坡降38%。沙波波形不对称，NW翼坡度较陡，SE翼相对较缓，走向4050。在中部沙波受到EW方向冲刷破坏。沙波上亦发育有两组沙纹，相互交错呈鱼鳞状。1.2 海底沉积特征沿路由的钻孔揭示浅层土主要为颗粒土，由砂质粉砂、粉砂质细砂、细砂和细中砂组成。自上而下分为3层：层A: 由松散的粉砂质细砂和细中砂/贝壳砂组成，在路由范围内厚度变化范围为13m。从陆丰13-2 到陆丰13-1方向砂的粒径由细变粗。经14C测年，在海底下1.1m深处贝壳砂的年龄为24920530a。层B：主要由很软软的粉砂质黏土和黏土质粉砂组成，具有低中等塑性。 该层厚度05.4m，由北向南减薄，至陆丰13-1平台处缺失。层C:总体上由松散中等致密的砂质粉砂和粉砂质砂/砂组成。从陆丰13-2 到陆丰13-1方向砂的粒径由粗变细，埋深9m (陆丰13-2 站) 到 2m (陆丰13-1站)。根据固结状态计算结果推断海底以下39m黏土未固结，通常9m以下已固结。图4 陆丰13-2平台至陆丰13-1平台路由钻孔横剖面图1)Fig.4 Shallow sediments profile of submarine pipeline route between Lufeng13-2 platform and Lufeng13-1 platform2 海底冲刷及沙波移动分析2.1 海底冲刷分析从水深100400m的高分辨单道地震剖面上可清晰显示（图5，剖面位置见图1），R1、R2、T21、T2（其中R1为全新统底界，R2为上更新统底界，T21为上新统底界，T2为上中新统底界）向深水方向尖灭于海底。地层尖灭在地震剖面上显示为削截现象，是地层遭受剥蚀而缺失的反映。越往深水方向地层遭受侵蚀越强烈，地层的缺失厚度也越大，表明海底的冲刷侵蚀作用逐渐增强，在东沙隆起上局部地区上中新统第四系缺失。根据构造地层学分析，在东沙群岛附近的上中新统第四纪地层于全新世遭受剥蚀最大厚度约800m，平均每年的剥蚀厚度约8cm。经过新、老水深资料深度系统误差校正后，对新、老水深剖面进行对比，有如下变化（图6）：总体上沙波波形未发生较大的改变，仅在约KP10.8处产生了一个新的沙波。从陆丰13-2平台向陆丰13-1平台，2004年水深呈增大趋势。其中KP03.6段平均水深增加为0，KP3.69.4段平均水深增加0.22m，KP9.4LF13-1段平均水深增加0.29m。从陆丰13-2平台向陆丰13-1平台，2004年最大水深亦呈增加趋势。其中KP03.6段水深最大变化为0.20.3m，KP3.6-4.35段水深最大变化为0.30.6m，KP4.359.4段水深最大变化为0.60.8m；KP9.4LF13-1段水深最大变化为0.61.6m。以上表明，由浅水往深水方向海底地层遭受冲刷侵蚀量逐渐增大。图5 高分辨单道地震剖面图2) 林进清、杨丽娟、李小荣等，南海珠江口盆地海洋工程地质调查报告，广州海洋地质调查局，1991。Fig.5 High resolution single channel seismic profile图6 陆丰13-2平台至陆丰13-2平台路由海底地形剖面对比图1)Fig.6 Comparison of submarine topographic profile of submarine pipeline route between Lufeng 13-2 platform and Lufeng13-1 platform在陆丰13-2平台到陆丰13-1平台路由钻孔横剖面图上清晰表明（图4），表层沉积（13m）与下伏地层成明显角度不整合接触，显示下伏地层（上更新统）顶部遭受了较强烈的侵蚀缺失。图7为通过ZQ2孔（水深97m，位置见图1）与陆丰13油田钻孔年代地层所建立的地质剖面。层1层3为全新统，层4为上更新统。根据14C测年，ZQ2孔孔深3.553.70m为5542276a，6.006.20m为6671288a，11.4011.50m为11942277a3) 王树民、杜德莉、鲍才旺等，1:100万汕头幅海洋区域地质调查报告，广州海洋地质调查局，1999。；陆丰13油田在孔深1.1m为24920530a4。剖面亦清晰显示，由浅水往深水方向海底地层遭受冲刷侵蚀越强烈，海底出露的地层越老（图7）。图7 ZQ2孔至陆丰13油田地质剖面图Fig. 7 Geological profile between ZQ2 bore and Lufeng 13 oil field通过以上高分辨单道地震剖面、新老水深对比剖面及钻孔地层对比剖面等均清晰反映陆丰13-2平台到陆丰13-1平台及其所处沙波区海底均受到明显的冲刷侵蚀作用，并由浅水往深水方向海底地层遭受冲刷侵蚀逐渐增强，地层的缺失厚度逐渐增大，反映底流对海底的冲刷侵蚀作用由浅水往深水方向呈增强之势。2.1 海底沙波移动分析海底地形剖面对比图显示路由中部沙波的波形大致两翼对称（图6），在南部为SE翼缓NW翼陡，说明沙波的移动方向为由SE向NW。经过新、老水深资料定位系统误差校正后，对新、老水深剖面进行对比，发现大部分沙波发生了一定的移动（图6）。在大沙波发育区北段沙波移动最大距离为5m，中段沙波移动最大距离为8m，南段沙波移动最大距离13m。由陆丰13-2平台向陆丰13-1平台沙波移动距离逐渐增大。以上均说明沙波的移动方向由SE向NW，并由SE向NW方向沙波的移动距离逐渐减小。3 沙波形成水动力条件分析根据上述对东沙群岛以北路由海底地形地貌、底质特征、海底冲刷及沙波移动的分析，本研究区具有如下特征：沙波的规模（波高及波长）由浅水向深水方向逐渐增大；沙波波形SE侧缓侧陡，波峰走向NENEE，沙波的移动方向由SE向NW，沙波移动距离由深水向浅水方向逐渐减小；海底受到的冲刷侵蚀由浅水向深水方向逐渐增强；海底表层沉积物粒度由浅水向深水方向变粗。以上特征综合表明，海底冲刷及沙波移动主要是受NWNWW 向底流作用的结果，底流强度由深水向浅水方向逐渐减弱。根据路由及附近的海流实测资料15-6，该区的海流以潮流为主，不同季节潮流的主方向均为NWNNW向，而且不同深度的流向基本一致。大致以100m等深线为界，在水深小于100m海区，由于重力作用，涨潮流速小于退潮流速；而在水深大于100m海域，潮流受到的重力作用减弱，涨潮流速大于退潮流速。上述特征与本区沙波波峰走向为NENEE、沙波移动方向为NW向、水深大于100m的潮流情况吻合，因此认为本区沙波形成的主要因素为潮流。由于在一般情况下潮流底流的流速较小，对海底的冲刷作用比较弱，只有在大潮及极大潮期间，潮流底流才会对海底有较强的冲刷作用，沙波才会发生移动。余流一般较弱，流向变化大，对沙波只起到改造作用。在一般情况下，随着水深增大底流流速逐渐减小。但为什么在东沙群岛北部及西北部的陆架外缘上陆坡在水深80250m范围会形成如此大规模的沙波呢？我们认为这与东沙群岛的构造抬升有关。利用该区的地震剖面及钻孔资料进行构造地层分析显示，距今10000a以来东沙群岛附近一直处于构造抬升状态。由于构造抬升，形成东沙群岛及附近的上陆坡地形向深海方向外凸，其水深比东、西侧上陆坡水深明显变浅而形成 “准浅滩”。在水深突然变浅的“浅滩”或“坡折”处由于可流动空间突然变小而使能量聚集产生加速形成较强底流。坡度越陡，底流产生的加速度也越大，这与河流变窄流速加快的原理是一致的，但由地形坡度变化引起底流速度的变化比由于河流宽度变化引起水流速度的变化要复杂得多。上述观点在中国科学院南海海洋研究所于1988年3月在珠江口外东南方约200km、水深300多米处一定点观测站的测流资料得到证实6。该次对50、100、200和300m四个水层进行了38天海流观测。海流观测资料分析结果显示，海流以日周期潮流为主，日潮流相当强，其最大流速在近底层最大（50、100、200和300m层最大流速分别为23、20、15 和29 cms-1），最大流向NWSE向，涨潮（NW向）流速大于退潮（SE向）流速。在垂向上，近底层（300m）的功率谱峰值最大，表明近底层海流包含的日周期波动最强。同时，南海现代海底沉积物的分布无论在浅水还是在深水的浅滩或岛礁周围均为粗碎屑沉积，反映高能的水动力环境，这对上观点也是很好的证明。综上所述，由于东沙群岛的构造抬升，形成东沙群岛及附近的上陆坡地形向深海方向外凸而形成“准浅滩”。在涨潮潮流向NWNNW方向流动时，底流在东沙群岛及附近海域由于水深突然变浅而产生较大加速，形成较强底流。在NWNNW向底流的作用下，在东沙群岛附近250500m水深的海底受到较强底流的冲刷侵蚀作用，地层的缺失厚度较大。向NW方向至大约水深80250m海域地形逐渐变缓，由地形引起的底流加速作用逐渐减弱直至消失，而且底流在海底及海水的磨擦和阻碍作用下有所减弱，对海底的冲刷作用也逐渐减弱，地层的缺失厚度逐渐变小。海底沉积物受到NWNNW向底流的冲刷向西北方向搬运，大部分沉积物在底流及岸流的共同作用下被带至远处再沉积，其中部分较粗的沉积物仍留在附近沉积，从而形成由深水向浅水方向底质沉积物由粗变细的沉积特征。可见沙波区海底沉积物为其下伏地层经冲刷改造后的再沉积，再沉积物质与物源的地层年龄一致，因此造成不同地区底质的年龄有较大差异的现象。同时，在水深80250m范围形成大规模NENEE走向的沙波。至水深小于80m海区，NWNNW向底流已较弱，而且有大量的沉积物供给，沉积物较细，沙波不发育。4 沙波稳定性分析南海北部陆架外缘上陆坡区沙波主要由潮流作用所形成，潮流对海底的冲刷作用由深水向浅水方向减弱，沙波为今生，具有一定的活动性。陆丰13-2平台至陆丰13-1平台路由的海底沙波位于沙波区东北部，水动力相对较弱，其受到底流的冲刷也比南部的沙波相对较弱。根据沙波特征及所处的水动力环境，对各区段海底沙波的稳定性分析如下： 北区段处于水动力较弱的位置，沙波不发育，仅发育沙纹。海底沉积物较细，主要为粉砂质细砂。新、老水深资料对比未发现海底地形有明显的变化。该区段海底沙波稳定。中区段水动力比北区段有所增强，大型沙波发育，沙纹波形、走向稳定。海底沉积物为粉砂质细砂细砂。新、老水深资料对比发现大部分沙波的移动甚微，仅个别沙