丁字湾近岸海底沉积物地层单元划分及沉积特征

于剑峰,顾效源,韩明智,原帅帅,强萌麟,李亨健

(1.山东省海洋地质勘查院，山东 烟台 264004；2.山东省第三地质矿产勘查院，山东 烟台 264004)

近岸海区人类活动剧烈，随着人类对近岸海区开发活动日益增多和海洋强国、海洋强省、海洋强市战略的实施，近岸海底沉积物特征及工程地质条件得到了广泛研究[1]。根据山东半岛蓝色经济区重点规划区的战略定位，丁字湾地区为重点开发岸段，推行集中集约用海等开发利用方式，因此查明该区近岸海区地质条件显得尤为重要。该文利用2017年山东省海洋地质勘查院在丁字湾近岸海区获得的浅地层剖面资料，详细揭示了研究区海底沉积物各沉积单元的分布、埋深厚度及沉积特征，为该区海洋工程建设提供大量的地质依据。

1 研究区地质概况

研究区属华北-柴达木地层大区、华北地层区、胶南-威海地层分区，区内出露的地层较为简单，以中生代白垩系为主，新生代第四系次之。侵入岩主要为燕山晚期中生代的侵入岩和脉岩、中生代潜火山岩，主要包括基性岩、中性岩、酸性岩和碱性岩等类型，其中以酸性岩为主。断裂构造较发育，走向主要为NE向。

区内基岩分布较为广泛，地貌上以丘陵为主，第四系覆盖厚度很薄，大面积出露中生代莱阳群砂岩及中生代侵入岩、喷出岩等。第四系主要分布在河流流域两侧及海湾周边，以河流冲积、洪积及海积层为主，受形成条件控制，第四系厚度较薄，一般2～15m，内陆地区岩性以粉质黏土、中粗砂及砾砂为主，滨海区则以粉细砂、粉质黏土为主，局部分布中粗砂、淤泥质软土等。

海域海底表层全部被第四系冲海积层覆盖，沉积物厚度总体为离岸越远厚度越大，一般大于20m。沉积物类型以淤泥质粉质黏土分布最为广泛，厚度10m左右，入海口附近颗粒稍粗，距离越远粒度越细。沉积类型在垂向上分布大致可以分为两类，一类是在湾口以北的海域，沉积物多以单层黏土为主，沉积厚度较大，一般超过2m，反映了该区域弱动力沉积环境，沉积速率缓慢；另一类是在湾口以东、南区域，沉积物垂向变化较大，黏土、粉砂、砂质粉砂和砂都有分布，主体层位以粉砂和砂为主，反映了该区域强动力沉积环境，沉积速率较慢。

2 数据采集及分析

2.1 浅地层剖面数据及钻孔数据采集

该次使用的是德国GEO公司生产的GEO-SPARK 2000X浅地层剖面系统，仪器分别拖在船体两侧，接收单位避开尾流的干扰。为了获得良好的资料效果，整个测量期间，选在浪高小于1.0的良好海况下进行作业，工作船速稳定在5节左右，正常情况下偏航距小于50m。声速的选取采用与钻孔岩性界面深度资料对比求平均的方法，确定出在探测范围内，地层的平均速度取值为1600m/s。采用了滤波及反褶积处理消除了多次波、鸣震、侧面波等干扰因素，共采集浅地层剖面数据172km(图1)，获得的成果记录良好，图像清晰，声学层位明显，有效穿透深度一般在30m左右。

同时在浅地层剖面测线上布设工程地质钻孔6个，以查明海底浅地层工程地质条件。该次对大于0.50m的地层均进行了分层，分层误差小于0.20m，技术人员对各分层岩性的颜色、状态、密实度、湿度、成分、颗粒大小等进行了详细的描述和记录，在钻进过程中进行了现场原位测试和取样工作。

2.2 钻孔与剖面数据对比及地震层序划分

气候周期性变化引起海平面升降，在地层中表现为海陆相交替的沉积记录。晚更新世以来，气候与海平面的变化幅度变大，周期变长，海相、陆相地层交互发育特征非常明显。沉积环境的变化，造成地层沉积相与岩性的变化，从而形成不同地层的地震特征，如振幅、频率、连续性及接触关系的差异变化[2]。选取浅地层地震剖面上具有一定意义特征的反射波进行追踪、对比、闭合，以得到代表不同时代与沉积环境变化意义的界面。根据研究区浅地层地震剖面的反射结构、波组特征和上超、下超、顶超、削蚀、缺失等地层反射终止方式的分析和研究，结合钻孔对全区浅地层剖面的地层层序或准层序组反射界面进行了划分，自上而下依次为：D1，D2，D3共3个反射界面(D0为海底面)[3-6],并确定了各反射界面的埋藏深度(图2)。

D0界面为海底反射面，代表地层和海水层的分界面，以强振幅和高连续性为特征。其起伏形态反映了海底地形的变化。D1界面在浅地层剖面上十分明显，与D0界面基本平行，为连续、强振幅反射界面，水道下切侵蚀下伏地层。D1面上下两套地层有明显的差异，之上地层为平行反射，之下地层为杂乱反射，表明D1为明显的不整合界面。D1的埋藏深度为1～15m，深度变化较大，坡度明显，丁字湾湾内最浅约为0～1m，向湾外方向越来越深，研究区东南部最大埋藏深度可达15～20m。

D2界面为一侵蚀面，中弱振幅，平行或亚平行于海面，它将反射特征不同的陆相与海相地层分开。该界面上有明显的侵蚀痕迹，在该界面之上，有沉积间断，界面之下发育很厚的海相沉积夹薄的陆相层，该界面在研究区连续分布。D2的整体埋藏深度为1～25m，总体埋藏深度较小，平均埋藏深度为15m，东南部的埋藏最深为接近25m，近岸埋藏较浅。

D3界面为一平行的海相界面。该界面在研究区分布较广。D3的埋藏深度约为1～45m，整体埋藏深度变化大，研究区西南海域的平均埋藏深度较深，最深可达45～50m。靠近海岸的海域埋藏深度较小。

根据该次钻孔岩性的描述，进行了岩性分层工作，结合地震剖面获得了比较系统的地层层序结构。该文仅选取部分钻孔与地震数据，通过HG2孔与Z6-1线(图3)、HG4孔与Z6线(图4)、HG8孔与Z13线(图5)的孔震对比，得出两者的对应关系及其钻孔的岩性、浅地层剖面的层序界面特征。

图2 各反射界面埋藏深度图

图3 HG2钻孔与测线Z6-1对比图

图4 HG4钻孔与测线Z6对比图

图5 HG8钻孔与测线Z13对比图

钻孔HG2的0～12.9m段对应测线Z6-1浅地层剖面的D0～D1，岩性主要为淤泥质粉质黏土及粉质黏土等松散沉积层。钻孔HG4的0～18.5m段对应测线Z6浅地层剖面的D0～D1，岩性为淤泥质粉质黏土及粉质黏土等松散沉积层。钻孔HG8的0～7.5m段对应测线Z13浅地层剖面的D0～D1，岩性主要为淤泥质粉质黏土等松散沉积物。由此可以判定，研究区测线浅地层剖面的D0～D1段岩性以淤泥质粉质黏土为主，符合典型的海底表层沉积物特征。

钻孔HG2的12.9～20.8m段对应测线Z6-1浅地层剖面的D1～D2，岩性主要为粗砂。钻孔HG4的18.5～29.1m段对应测线Z6浅地层剖面的D1～D2，岩性为粗砂。钻孔HG8的7.5～23.0m段对应测线Z13浅地层剖面的D1～D2，岩性主要为粒度较粗的砂及粉质黏土等。研究区测线浅地层剖面的D1～D2段岩性主要以粒度较粗的砂及粉质黏土为主。

钻孔HG2的20.8～32.0m段对应测线Z6-1浅地层剖面的D2～D3，岩性主要为粒度较粗的砂及粉质黏土；钻孔HG4的29.1～60.5m段对应测线Z6浅地层剖面的D2～D3，岩性为粒度较粗的砂及粉质黏土等；钻孔HG8的23.0～25.1m段对应测线Z13浅地层剖面的D2～D3，岩性主要为粗砂等。研究区测线浅地层剖面的D2～D3段岩性主要以粒度较粗的砂及粉质黏土为主。

3 地层划分及特征

根据岩相，对研究区海域的3个钻孔岩心进行地层对比分析。这些钻孔岩心揭穿了晚第四纪以来的沉积层，通过对钻孔岩心层序和地震剖面进行对比分析[7-8]，海底3个地震反射界面在钻孔岩心地层中划分出3个沉积单元(自上而下依次为SU1，SU2，SU3)。

此外，根据沉积相和测年数据，对晚第四纪地层进行划分[9-12]。样品测年由美国BETA实验室完成，在钻孔的岩心中选用贝壳、泥和植物碎片等测年材料，得到有效年代数据，部分测年数据见表1。放射性碳测年实验室采用的标准为Oxalic Acid Ⅱ。直接测定年龄是以5568年为半衰期，同时测量样品的13C值，并根据分馏效应进行校正，即获得惯用年龄。日历年龄是惯用年龄经过CALIB 5.0.1校正所得(标准偏差为1σ)。所用的14C日历年龄都是从公元1950向前起算的，以cal yr BP表示。

表1 AMS14C测年数据

注：(近似)惯用年龄是以样品的13C标准值为-25‰PDB来进行校正的。

3.1 沉积物地层单元划分

运用层序地层学、地震地层学方法，将浅地层剖面与钻孔资料结合起来，从上到下依次划分了SU1，SU2，SU3等3个地层单元(图3—图5)，各地层单元的内部反射特征[13-15]和所反映的沉积环境[16-17]及其分布情况如表2所示。

表2 浅地层剖面地层单元划分及地震相特征

3.1.1 地层单元SU1

地层单元SU1位于海底面D0与反射界面D1之间。D1被解释为随着冰后期海平面的上升临滨带向陆后退而形成的区域性海侵面。在外海，由于研究区内沉积动力条件的影响，反射界面D1会和D0合并。SU1的底部为加积或上超的、近似水平反射层，其上被向南、向东进积的缓倾状反射层所覆盖。由于SU1的底部加积层较薄(大都小于2m，局部会缺失)，从整体上看，SU1为向南、向东进积的水下楔形沉积体。地层单元SU1被解释为海平面继续上升达到最大海泛面的位置直至现今的沉积记录，反映了海侵体系域的沉积物。通过钻孔施工，该单元地层岩性为淤泥质粉质黏土，含生物碎屑，利用AMS14C测年数据(3520～4990±30a)，确定了该地层单元为中全新世沉积层。

该单元层序发育较稳定，厚度变化较大，分布较广，厚度范围在0～15m，该单元层序的整体发育特点是东南部较厚，其中研究区最厚处达到12～15m，湾内或靠近海岸附近海域此地层较薄，厚度小于5m或不发育。

3.1.2 地层单元SU2

地层单元SU2位于反射界面D1和D2之间。地震界面D2是呈V或U的河谷状下切到下伏地层之中。通过与钻孔的对比以及地层的切割关系分析，D2界面开始形成于氧同位素3期(MIS3)的晚期，可能继承了早期的下切谷，在末次冰期最盛期的低海面时期，切割深度达到最大。

D1和D2之间的地层SU2为MIS2的陆相(或海陆交互相)沉积，包括了滞留沉积和后期的河道充填沉积。研究区内的埋藏古河道滞留沉积物较少，甚至缺失，河道内部充填沉积物物性和动力条件的不同而表现出多种类型的反射，在近岸主要表现为杂乱发射结构。钻孔中揭露的岩性以砂、粉砂和粉质黏土为主，AMS14C测年数据为10890±30a，由此确定该地层单元为早全新世沉积层。

研究区内该单元为陆相地层，侵蚀作用较强烈，厚度变化较大，且较其他地层单元厚度较厚，主要分布在研究区东南部海域，厚度范围为1～19m，厚度最大可达16～19m，而在湾内及近岸海域此地层变薄，甚至不发育该层序单元。

3.1.3 地层单元SU3

地层单元SU3位于反射界面D2和D3之间。D3是一区域性的剥蚀面，能在全区追踪，起伏较平稳，在山东半岛近岸处该剥蚀面逐渐抬高。通过与钻孔资料的对比，界面D3被解释为氧同位素5期(MIS5)海侵时最早达到该研究区的侵蚀面。SU3单元层主要呈现为平行、亚平行的内部反射层，局部分布有大大小小的侵蚀洼地，内部表现为进积、侧向加积或者波状的充填层。地层厚度受后期海洋动力的改造，变化较大，从滨浅海区的20m以上向岸逐渐变薄，局部受上覆下切古河谷的侵蚀而缺失。钻孔中揭露的岩性以粉质黏土、粉砂和砂为主，岩性变化较大，层厚不均匀连续，AMS14C测年数据为18370±60a，由此确定该地层单元为晚更新世沉积层。

3.1.4 覆盖层埋藏厚度

统计SU1、SU2和SU3的厚度总和，可得研究区覆盖层厚度分布情况(图6)。据此可判断不同海域沉积环境的异同，同时在预防海底灾害，以及指导海上工程施工建设具有重要意义。

根据研究结果可知，区内覆盖层厚度范围为0～50m。近岸覆盖层较薄，基本不超过20m。覆盖层最厚的海域位于研究区东南部及中部，局部地区厚度超过45～50m。湾内由于数据有限，为湾外数据延伸。

为了更加直观地展现研究区各个层序在浅地层剖面上的分布特征，绘制了研究区浅地层剖面地质解释模型示意图(图7)。

图6 各地层单元厚度及总厚度图

图7 浅地层剖面地质解释模型示意图

3.2 地层单元体系域分析

依据地震剖面、结合钻孔岩性，对区内划分的3个声学层序进行了对比分析[18-19]，按照各个层序形成时的相对海平面位置及其升降变化势态，划分了3个体系域(表3)[20-23]。

3.2.1 海侵体系域(TST)

研究区海域浅地层单元SU1的上部薄层，发育滨海相沉积层，以平行层理反射的滨海相地层作为标志，是海平面上升期间的沉积。

表3 浅地层剖面层序划分

3.2.2 低位体系域(LST)

海域浅地层单元SU2的层序，发育了陆相(海陆交互相)沉积，是海平面缓慢下降，然后又开始逐渐上升阶段的沉积，

3.2.3 高位体系域(HST)

对应海域浅地层SU3单元，发育滨海相(浅海相)沉积，地震波表现为平行、亚平行的内部反射层，是海侵体系域形成后，海平面上升已非常缓慢，在其上升到最高水位的时间段内沉积层。

4 结论

通过高分辨率浅地层剖面与钻孔数据的对比，将丁字湾近岸海底沉积物自上而下划分为D0，D1，D2，D3共4个反射界面，SU1，SU2，SU3共3个沉积单元，总结了每个沉积单元的埋深、分布及特征。

(1)SU1位于D0，D1反射界面之间，岩性以淤泥质粉质黏土为主，为全新世地层。内部反射特征为平行反射、高频、强震幅、连续性好，外形特征为席状，对应海侵(TST)体系域，滨海相沉积。厚度变化较大，分布较广，埋藏深度0～15m。

(2)SU2位于D1，D2反射界面之间，岩性以粒度较粗的砂及粉质黏土为主，为全新世地层。内部反射特征较杂乱、局部有良好的前积或平行或发散反射、低频、弱震幅、连续性差，外形特征局部为透镜状，对应低位(LST)体系域，陆相沉积。该地层受侵蚀作用强烈，厚度变化较大，且较其他地层单元厚度较厚，主要分布在研究区东南部海域，埋藏深度为1～28m。

(3)SU3位于D2，D3反射界面之间，岩性以粒度较粗的砂及粉质黏土为主，为更新世地层。内部反射特征为平行反射、局部前积反射、强震幅、连续性好，外形特征为席状，对应高位(HST)体系域，滨海相沉积。该地层厚度不均匀连续，从滨浅海区的20m以上向岸逐渐变薄，局部受侵蚀而缺失，埋藏深度5～45m。

(4)研究结果表明，丁字湾海域湾口内、东北部和南部地区沉积物整体较薄，沉积厚度总体小于15m，工程地质条件较好，适宜进行工程建设；东南部地区沉积物较厚，大部分地区达到30m以上，工程建设条件相对较差。