南海宣德环礁东南海域地质灾害特征

陈梅, 夏真, 刘文涛, 何健 , 马胜中

1. 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州), 广东 广州 511458;

2. 自然资源部海底矿产资源重点实验室, 中国地质调查局广州海洋地质调查局, 广东 广州 510760;

3. 中国地质调查局南海地质科学院, 海南 三亚 572025;

4. 广州海洋地质调查局三亚南海地质研究所, 海南 三亚 572025

宣德环礁作为近年来我国南海岛礁建设的重点对象, 目前已成为我国西沙群岛、南沙群岛、中沙群岛的经济和政治中心(李学杰 等, 2017)。2012 年三沙市成立以来, 三沙市府所在的宣德环礁的海洋经济活动(如港口运输、通信电缆等)、居民生活设施(如医院、商店、宾馆、邮局、学校、图书馆等)、交通设施(环岛公路、机场、码头等)和生产设施(如气象台、海洋站、水产站、发电站等)等迅速开展并日趋完善(张尚初, 2012)。随着宣德环礁旅游业、渔业及海底资源的开发、管理与推进, 海洋地质灾害对海洋工程设施和海洋环境等可能造成的风险需要引起高度重视。岛礁平均海拔仅几米, 一旦发生地质灾害, 可能对岛礁的基础设施、居民的生命财产和生态环境造成损害。目前已有报道显示宣德环礁东部可能存在海底滑坡的历史痕迹(图 1)(秦志亮等, 2014; 李学杰 等, 2017; Wang et al, 2018; 孙启良 等, 2021)。海底滑坡作为危害性最大的海洋地质灾害之一, 可能破坏海底电缆、油气管线和油气开发平台等重要海上基础设施, 对海洋工程建设造成重大威胁(Nisbet et al, 1998; 孙启良 等, 2021); 同时, 海底滑坡还可能触发海啸, 对沿海地区人们的生命、财产安全和基础设施造成重大损害(Synolakis et al, 2002; L’Heureux et al, 2014)。因此, 加强岛礁区地质灾害特征研究, 有助于岛礁建设优化布局,提高灾害主动防御能力, 为岛礁居民生命财产及工程设施提供地质环境保障。

然而, 长期以来宣德环礁及周边海域可供利用的综合地球物理资料有限, 不能满足高精度的地质灾害和海洋工程建设地质条件综合评价的需要, 因此周边海域地质灾害研究工作无法系统开展。2018 年广州海洋地质调查局在宣德环礁东部海域开展了综合地球物理调查, 获得了测线密度为1km×2km 单道地震数据(图1b)。这些地震数据质量良好, 信噪比高, 为详细开展研究区地质灾害类型及分布研究提供了坚实的数据基础。本文以这些资料为基础, 通过地震资料综合解释分析, 揭示研究区主要地质灾害发育类型及分布特征, 探讨其对海底工程安全的威胁, 可以为岛礁资源勘查开发、环境保护和经济可持续发展提供基础地质服务。

1 研究区概况

研究区位于西沙海域宣德环礁东南部, 面积约150km2, 水深变化范围20～1060m, 涵盖范围为礁体边缘和礁体斜坡带, 包含了宣德环礁海底滑坡或重力搬运沉积(mass transport depositions, MTDs)上游部分(图1)。西沙海域位于南海西北部大陆坡, 北临西沙海槽, 西邻琼东南盆地, 东接中沙群岛, 发育大规模碳酸盐台地和一系列生物礁, 形成了著名的西沙群岛(朱伟林 等, 2017)。西沙群岛由40 余座岛、洲、礁、沙滩和暗礁组成(秦志亮 等, 2014), 主要发育有宣德环礁、永乐环礁、东岛环礁、华光礁、北礁、玉琢礁和浪花礁等大中型礁体, 其中宣德环礁位于西沙群岛东部, 与东岛环礁毗邻(图1a)。

图1 研究区位置图a. 研究区区域背景图。宣德环礁多波束地形图引自Gao 等(2019), 南海地形图基于审图号GS(2016)1609 的标准地图制作。其中黑色方框为图b 区域, 蓝色方框为研究区, 空白区表示缺少实测地形数据。b. 本文地震测线位置图。底图引自Wang 等(2018), 图b 中的绿色实线为地震测线, 蓝色实线为重力搬运沉积(MTDs)的长宽范围Fig. 1 Map of the study area

西沙群岛构造上属于西沙地块, 基底为中生代和古生代变质岩(朱伟林 等, 2017), 地壳为减薄型大陆地壳, 厚度为24～26km (黄海波 等, 2011)。西沙地块构造演化历史以层序界面T60 (约23Ma)为界,分为裂陷期和裂后期两个阶段, 裂陷期断裂活动频繁, 沉积-构造受到断裂控制; 裂后期以热沉降为主,广泛接受海相沉积, 是生物礁广泛发育的时期(Wu et al, 2014)。早中新世时期, 碳酸盐沉积分布于西沙隆起局部高地; 中新世中期, 西沙地区广泛发育碳酸盐台地; 晚中新世由于海平面上升, 台地发育范围萎缩; 进入上新世—第四纪, 碳酸盐台地分布进一步缩小, 逐步发展为孤立的台地, 以现今的宣德环礁和永乐环礁为典型(Wu et al, 2014; 杨振,2014)。

2 数据采集与处理

本文的基础数据为17 条单道地震剖面, 总长度约230km, 其中主测线为北东—南西向, 共10 条,每条长度约15km; 联络测线为北西—南东向, 共7条, 每条长度约10km (图1b)。数据穿透最大沉积厚度约350ms (双程时间), 满足浅部地层地质灾害特征识别。该数据由广州海洋地质调查局于2018 年采用“奋斗5 号”船采集, 采用SIG 2Mile 电火花震源,GEO-SENSE 48 型信号接收电缆。震源能量1000J,震源沉放深度1～2m, 激发间隔1000ms, 电极与电缆接收中心点间距7m。电缆沉放深度0.5～1m, 采样频率 4000Hz, 记录长度 500ms, 数据记录格式SEGY。本文单道地震数据处理由广州海洋地质调查局数据处理研究所完成, 采用Omega2015 地震资料处理系统, 目标处理主要有以下几项: 1) 分析信号的有效频带范围, 带通滤波压制高低频干扰, 滤波范围为40～1500Hz; 2) 地震记录提前量计算和校正,通过计算得出该工区普遍存在记录提前, 提前量约6.33ms, 并进行校正; 3) 大值干扰压制, 处理的频带宽度0～1500Hz, 空间中值滤波宽度7Hz; 4) 涌浪静校正, 带通滤波60～600Hz; 5) 多次波压制; 6) 球面扩散振幅补偿, 增益指数为1.5; 7) 海底手动拾取及切除; 8) 坐标校正和导航号标定。地震资料解释采用GeoSuite 2.6 软件, 制图采用CorelDraw 软件。

3 地质灾害特征

海域地质灾害因素类型的划分方法众多, 至今尚无统一划分方案。本文地质灾害研究主要为岛礁海洋工程建设服务, 分类方案遵循简明实用原则,采用刘守全等(1997)的划分方案, 根据致灾动力条件, 海域地质灾害因素主要分为内动力地质灾害因素(如地震、火山等)和外动力地质灾害因素两大类(滑坡、海底陡坎、侵蚀沟、浅层气、软土层及其他海底不稳定性等)(刘守全 等, 1997)。研究区位于宣德环礁东部斜坡带, 面积约150km2, 通过研究区历史地震记录、火山活动资料、前人研究成果及本文单道地震资料解译, 揭示研究区内地质灾害类型发育种类较少, 研究区内目前没有发现现今仍在活动的活火山, 历史上也未记录到地震记录。通过研究区地震剖面及海底地形共识别出了3 种地质灾害类型: 海底滑坡、海底陡坎和断层。

3.1 海底滑坡

海底滑坡是岩体或沉积物发生失稳破坏后, 在重力作用下沿坡度方向向坡下运动的海底地质过程(Hampton et al, 1996), 广泛发育于大陆边缘斜坡和海岛斜坡带(Moscardelli et al, 2016; Huhn et al,2019), 是沉积物向深海输送的重要方式(孙启良 等,2021)。海底地形显示研究区北部发育有一个大规模海底滑坡(或MTDs), 该滑坡起源于宣德环礁礁体边缘, 向东与三沙峡谷相接, 是研究区最大的海底滑坡(图1)。Wang 等(2018)和李学杰等(2017)通过海底地形资料揭示该滑坡长 17.23km, 最大宽度14.51km, 滑坡侧壁陡崖最高达91m, 将其称之为永兴岛海底滑坡。本文研究区位于该滑坡的上游部分,研究区约三分之一面积为海底滑坡区。地震剖面显示, 与正常海底相比, 该海底滑坡区沉积物被侵蚀搬运, 滑坡侧壁形成陡峭的海底陡坎, 沉积物被侵蚀搬运厚度达120m (双程走时170ms)(图2)。Z05、Z07、Z10 剖面(图2)和L05 剖面(图3)均显示该MTDs有明显的滑坡面, 滑坡面在地震剖面上为强振幅连续反射, 滑坡面之下地层未受滑坡影响主要为层状连续反射特征, 滑坡面之上地层受滑坡作用影响产生明显的变形和侵蚀。

研究区除了上述大规模海底滑坡外, 地震剖面揭示还发育一些小型海底滑坡, 面积2～6km2不等,这些小型的海底滑坡在地震剖面上具有便于识别的外部几何形态和内部反射结构特征(如图3a、3c)。L07剖面位于大规模海底滑坡边缘, 该剖面显示在MTDs北部还发育一处面积约2km2的小型海底滑坡, 该滑坡有明显的滑坡后壁、滑坡面和滑动块体。滑坡后壁因沉积物滑动而形成陡坎, 滑坡面呈强振幅连续反射特征(图3a), 滑动块体沿着滑坡面整体下滑, 内部地层未变形, 保持沉积时的层状地震反射特征。L03剖面未过研究区大规模海底滑坡区, 该剖面显示一处面积约6km2的小型海底滑坡, 该滑坡与L07 显示的小型滑坡有所不同, 除了有滑坡后壁、滑坡面和滑动块体之外, 在斜坡脚处, 还堆积了滑坡沉积, 这些沉积主要呈强振幅低频杂乱地震相, 向深海逐渐过渡为席状亚平行弱振幅连续反射(图3c)。

3.2 海底陡坎

海底陡坎是指海底面在高程上的突降, 海底坡度出现突然增加。研究区陡坎在多条地震剖面上均有显示(图2～图4), 依据其成因可将研究区陡坎大致分为两类: 礁体陡坎(图4)和滑坡陡坎(图2)。礁体陡坎主要位于研究区西南部的礁盘上, 形成2 个典型阶梯状, 陡坎高程大约介于15～35m 之间(图3c和图4), 是礁体生长过程中, 台地发育范围受控于当时海平面位置, 随后由于海平面上升, 宣德环礁碳盐台地逐步萎缩, 形成的陡坎地形。研究区滑坡陡坎垂直高程比礁体陡坎更大, 最大达100m (图2),滑坡陡坎是由于地层失稳产生滑动产生, 实际上就是滑坡陡壁, 分布在滑坡体的后缘和侧壁, 与海底滑坡作用伴生。由于陡坎具有较大的坡度, 在工程建设施工(管线布设、平台设置等)中具有十分不利的影响, 且有些陡坎具有活动性(如滑坡陡坎), 容易造成基底不稳, 应当避开。

图3 主测线L07 (a)、L05 (b)、L03 (c)地震剖面解释结果图中绿色虚线表示滑坡面; 黄色虚线表示滑坡前端的丘状沉积Fig. 3 The interpretation of inline seismic profiles L07 (a), L05 (b), and L03 (c)

图4 Z01 测线展示的海底陡坎Fig. 4 Seismic profile Z01 showing seabed scarps

3.3 断层

通过对研究区17 条单道地震的解释, 结果显示研究区未发育有明显的、至今仍活动的区域性断层,仅发育一些小型断层。这些小型断层仅在部分测线发育, 切割局部地层, 断层无明显走向, 主要与海底滑坡伴生, 为滑坡拉伸作用而形成的局部张性断层(图2c)。这些局部发育的断层与区域构造应力作用形成的断层不同, 构造应力作用形成的断层通常延伸距离较远, 地层切割较深, 断层走向具有一定分组性。

图2 联络测线Z05 (a)、Z07 (b)、Z10 (c)地震剖面解释结果Fig. 2 The interpretation of crossline seismic profiles Z05 (a), Z07 (b), and Z10 (c)

4 研究区海底滑坡成因及灾害性探讨

本文结果表明海底滑坡是研究区最主要的地质灾害因素(图5b)。研究表明, 当沉积物剪切应力超过海底沉积物的剪切强度时就会失去稳定性, 形成海底滑坡(Bull et al, 2009)。纵观全球海底滑坡触发机制的研究, 可以发现除了地震活动和快速沉积作用之外, 水合物分解、侵蚀、底辟、泥火山、波浪及人为活动均可能是海底滑坡的触发机制(Herzer,1975; Weaver et al, 1983; Prior et al, 1989; Hance,2003; 朱超祁 等, 2015)。西沙地区主要发育NE、EW 向两组断裂(图5a), 这些断裂形成受多期构造运动影响, 呈继承性活动, 更新世后构造趋于稳定, 仅少数断裂活动至今(冯英辞 等, 2015)。本文研究区范围较小, 未揭示有与构造活动有关的活动性断层, 仅局部区域发育与沉积作用有关的小断层(图 5b)。西沙群岛地区目前没有发现现今仍在活动的活火山, 虽然西沙海域第四纪存在火山活动, 但喷发时期为更新世(陈俊仁, 1978)。同时,西沙地区发生大地震的概率较小, 历史上大震级地震发生频率低, 研究区近200km 海域50 年来有记载的地震记录只有一次, 即1989 年5 月东岛环礁附近海域发生的4.9 级地震, 震源深度31km (据中国地震台网地震目录), 震中距研究区约40km。综上所述, 研究区现今区域构造环境较为稳定,构造活动引起海底滑坡的概率较小。

图5 西沙地区断层及历史地震分布(a)及研究区地质灾害分布特征(b)断层根据冯英辞等(2015), 地震据中国地震台网地震目录, 水等深线基于审图号GS(2016)1609 的标准地图制作Fig. 5 Faults and historical earthquake record distribution of Xisha area (a), and Geohazards types and distribution in the study area (b)

在研究区构造背景相对稳定的情况下, 仍发育诸多海底滑坡, 陡峭的地形起主导作用。研究区位于宣德环礁斜坡带, 水深变化迅速, 由几十米快速变化至1000m (图1a), 坡度最大超过30°, 如此陡峭的地形, 沉积物在重力作用下很容易失稳, 发生向坡下的搬运, 诱发海底滑坡。同时, 已有研究报道宣德环礁东部发育一条大型海底峡谷(三沙峡谷), 该峡谷源于宣德环礁和东岛环礁之间的浅水区域, 向东延伸至西北次海盆, 是西沙碳酸盐台地向深海盆地沉积物搬运的重要通道(李学杰 等, 2017)。三沙峡谷水道的存在对研究区海底稳定性会造成重要影响, 因为在峡谷水道搬运作用下, 水道周边沉积物会不断被侵蚀搬运, 造成海底侵蚀, 甚至诱发海底滑坡。

大量研究与报道表明, 海底滑坡作为最重要的海洋地质灾害因素, 不仅对海洋工程影响巨大, 同时滑坡引起的海啸更是对人类生命财产安全产生极大威胁, 如1929 年纽芬兰的Grand Banks 地震触发的海底滑坡, 切断了跨大西洋的海底电缆, 同时造成27 人死亡, 造成了巨大的经济损失和人员伤亡(Nisbet et al, 1998)。同时, 不只是大规模海底滑坡能造成严重灾害, 研究表明小型的海底斜坡垮塌也可能在当地引起大型海啸(Frohlich et al, 2009), 如1998 年巴布亚新几内亚体积仅0.5km3的海底滑坡触发的海啸淹没了该岛 20km 长的海岸线, 造成2152 人丧生(Synolakis et al, 2002)。因此, 研究区的海底滑坡也需要引起足够重视, 有必要进一步开展岛礁区海底滑坡调查与研究, 为岛礁及其周围海域的基础工程建设、灾害主动防御和经济可持续发展提供地质保障。

5 结论

通过对宣德环礁东部海域斜坡带灾害地质因素的研究分析, 本文得出以下认识:

1) 研究区主要发育海底滑坡、海底陡坎和断层3 类地质灾害。其中, 海底滑坡是研究区主要地质灾害因素, 规模大小不一, 其次为海底陡坎和断层,在管线布设、平台设置等工程建设施工中应避开这些地质灾害。

2) 海底陡坎根据成因可分为礁体陡坎和滑坡陡坎。礁体陡坎为是礁体在生长过程中, 受海平面变化影响, 碳酸碳台地逐步萎缩形成陡坎地形。滑坡陡坎分布在滑坡体的后缘, 与海底滑坡伴生。

3) 陡峭的地形和峡谷水道侵蚀搬运作用是研究区海底滑坡发育的主控因素。