丁字灣近岸海底沉積物地層單元劃分及沉積特征

于劍峰,顧效源,韓明智,原帥帥,強萌麟,李亨健

(1.山東省海洋地質勘查院，山東 煙臺 264004；2.山東省第三地質礦產勘查院，山東 煙臺 264004)

近岸海區人類活動劇烈，隨著人類對近岸海區開發活動日益增多和海洋強國、海洋強省、海洋強市戰略的實施，近岸海底沉積物特征及工程地質條件得到了廣泛研究[1]。根據山東半島藍色經濟區重點規劃區的戰略定位，丁字灣地區為重點開發岸段，推行集中集約用海等開發利用方式，因此查明該區近岸海區地質條件顯得尤為重要。該文利用2017年山東省海洋地質勘查院在丁字灣近岸海區獲得的淺地層剖面資料，詳細揭示了研究區海底沉積物各沉積單元的分布、埋深厚度及沉積特征，為該區海洋工程建設提供大量的地質依據。

1 研究區地質概況

研究區屬華北-柴達木地層大區、華北地層區、膠南-威海地層分區，區內出露的地層較為簡單，以中生代白堊系為主，新生代第四系次之。侵入巖主要為燕山晚期中生代的侵入巖和脈巖、中生代潛火山巖，主要包括基性巖、中性巖、酸性巖和堿性巖等類型，其中以酸性巖為主。斷裂構造較發育，走向主要為NE向。

區內基巖分布較為廣泛，地貌上以丘陵為主，第四系覆蓋厚度很薄，大面積出露中生代萊陽群砂巖及中生代侵入巖、噴出巖等。第四系主要分布在河流流域兩側及海灣周邊，以河流沖積、洪積及海積層為主，受形成條件控制，第四系厚度較薄，一般2～15m，內陸地區巖性以粉質黏土、中粗砂及礫砂為主，濱海區則以粉細砂、粉質黏土為主，局部分布中粗砂、淤泥質軟土等。

海域海底表層全部被第四系沖海積層覆蓋，沉積物厚度總體為離岸越遠厚度越大，一般大于20m。沉積物類型以淤泥質粉質黏土分布最為廣泛，厚度10m左右，入?？诟浇w粒稍粗，距離越遠粒度越細。沉積類型在垂向上分布大致可以分為兩類，一類是在灣口以北的海域，沉積物多以單層黏土為主，沉積厚度較大，一般超過2m，反映了該區域弱動力沉積環境，沉積速率緩慢；另一類是在灣口以東、南區域，沉積物垂向變化較大，黏土、粉砂、砂質粉砂和砂都有分布，主體層位以粉砂和砂為主，反映了該區域強動力沉積環境，沉積速率較慢。

2 數據采集及分析

2.1 淺地層剖面數據及鉆孔數據采集

該次使用的是德國GEO公司生產的GEO-SPARK 2000X淺地層剖面系統，儀器分別拖在船體兩側，接收單位避開尾流的干擾。為了獲得良好的資料效果，整個測量期間，選在浪高小于1.0的良好海況下進行作業，工作船速穩定在5節左右，正常情況下偏航距小于50m。聲速的選取采用與鉆孔巖性界面深度資料對比求平均的方法，確定出在探測范圍內，地層的平均速度取值為1600m/s。采用了濾波及反褶積處理消除了多次波、鳴震、側面波等干擾因素，共采集淺地層剖面數據172km(圖1)，獲得的成果記錄良好，圖像清晰，聲學層位明顯，有效穿透深度一般在30m左右。

同時在淺地層剖面測線上布設工程地質鉆孔6個，以查明海底淺地層工程地質條件。該次對大于0.50m的地層均進行了分層，分層誤差小于0.20m，技術人員對各分層巖性的顏色、狀態、密實度、濕度、成分、顆粒大小等進行了詳細的描述和記錄，在鉆進過程中進行了現場原位測試和取樣工作。

2.2 鉆孔與剖面數據對比及地震層序劃分

氣候周期性變化引起海平面升降，在地層中表現為海陸相交替的沉積記錄。晚更新世以來，氣候與海平面的變化幅度變大，周期變長，海相、陸相地層交互發育特征非常明顯。沉積環境的變化，造成地層沉積相與巖性的變化，從而形成不同地層的地震特征，如振幅、頻率、連續性及接觸關系的差異變化[2]。選取淺地層地震剖面上具有一定意義特征的反射波進行追蹤、對比、閉合，以得到代表不同時代與沉積環境變化意義的界面。根據研究區淺地層地震剖面的反射結構、波組特征和上超、下超、頂超、削蝕、缺失等地層反射終止方式的分析和研究，結合鉆孔對全區淺地層剖面的地層層序或準層序組反射界面進行了劃分，自上而下依次為：D1，D2，D3共3個反射界面(D0為海底面)[3-6],并確定了各反射界面的埋藏深度(圖2)。

D0界面為海底反射面，代表地層和海水層的分界面，以強振幅和高連續性為特征。其起伏形態反映了海底地形的變化。D1界面在淺地層剖面上十分明顯，與D0界面基本平行，為連續、強振幅反射界面，水道下切侵蝕下伏地層。D1面上下兩套地層有明顯的差異，之上地層為平行反射，之下地層為雜亂反射，表明D1為明顯的不整合界面。D1的埋藏深度為1～15m，深度變化較大，坡度明顯，丁字灣灣內最淺約為0～1m，向灣外方向越來越深，研究區東南部最大埋藏深度可達15～20m。

D2界面為一侵蝕面，中弱振幅，平行或亞平行于海面，它將反射特征不同的陸相與海相地層分開。該界面上有明顯的侵蝕痕跡，在該界面之上，有沉積間斷，界面之下發育很厚的海相沉積夾薄的陸相層，該界面在研究區連續分布。D2的整體埋藏深度為1～25m，總體埋藏深度較小，平均埋藏深度為15m，東南部的埋藏最深為接近25m，近岸埋藏較淺。

D3界面為一平行的海相界面。該界面在研究區分布較廣。D3的埋藏深度約為1～45m，整體埋藏深度變化大，研究區西南海域的平均埋藏深度較深，最深可達45～50m?？拷０兜暮Ｓ蚵癫厣疃容^小。

根據該次鉆孔巖性的描述，進行了巖性分層工作，結合地震剖面獲得了比較系統的地層層序結構。該文僅選取部分鉆孔與地震數據，通過HG2孔與Z6-1線(圖3)、HG4孔與Z6線(圖4)、HG8孔與Z13線(圖5)的孔震對比，得出兩者的對應關系及其鉆孔的巖性、淺地層剖面的層序界面特征。

圖2 各反射界面埋藏深度圖

圖3 HG2鉆孔與測線Z6-1對比圖

圖4 HG4鉆孔與測線Z6對比圖

圖5 HG8鉆孔與測線Z13對比圖

鉆孔HG2的0～12.9m段對應測線Z6-1淺地層剖面的D0～D1，巖性主要為淤泥質粉質黏土及粉質黏土等松散沉積層。鉆孔HG4的0～18.5m段對應測線Z6淺地層剖面的D0～D1，巖性為淤泥質粉質黏土及粉質黏土等松散沉積層。鉆孔HG8的0～7.5m段對應測線Z13淺地層剖面的D0～D1，巖性主要為淤泥質粉質黏土等松散沉積物。由此可以判定，研究區測線淺地層剖面的D0～D1段巖性以淤泥質粉質黏土為主，符合典型的海底表層沉積物特征。

鉆孔HG2的12.9～20.8m段對應測線Z6-1淺地層剖面的D1～D2，巖性主要為粗砂。鉆孔HG4的18.5～29.1m段對應測線Z6淺地層剖面的D1～D2，巖性為粗砂。鉆孔HG8的7.5～23.0m段對應測線Z13淺地層剖面的D1～D2，巖性主要為粒度較粗的砂及粉質黏土等。研究區測線淺地層剖面的D1～D2段巖性主要以粒度較粗的砂及粉質黏土為主。

鉆孔HG2的20.8～32.0m段對應測線Z6-1淺地層剖面的D2～D3，巖性主要為粒度較粗的砂及粉質黏土；鉆孔HG4的29.1～60.5m段對應測線Z6淺地層剖面的D2～D3，巖性為粒度較粗的砂及粉質黏土等；鉆孔HG8的23.0～25.1m段對應測線Z13淺地層剖面的D2～D3，巖性主要為粗砂等。研究區測線淺地層剖面的D2～D3段巖性主要以粒度較粗的砂及粉質黏土為主。

3 地層劃分及特征

根據巖相，對研究區海域的3個鉆孔巖心進行地層對比分析。這些鉆孔巖心揭穿了晚第四紀以來的沉積層，通過對鉆孔巖心層序和地震剖面進行對比分析[7-8]，海底3個地震反射界面在鉆孔巖心地層中劃分出3個沉積單元(自上而下依次為SU1，SU2，SU3)。

此外，根據沉積相和測年數據，對晚第四紀地層進行劃分[9-12]。樣品測年由美國BETA實驗室完成，在鉆孔的巖心中選用貝殼、泥和植物碎片等測年材料，得到有效年代數據，部分測年數據見表1。放射性碳測年實驗室采用的標準為Oxalic Acid Ⅱ。直接測定年齡是以5568年為半衰期，同時測量樣品的13C值，并根據分餾效應進行校正，即獲得慣用年齡。日歷年齡是慣用年齡經過CALIB 5.0.1校正所得(標準偏差為1σ)。所用的14C日歷年齡都是從公元1950向前起算的，以cal yr BP表示。

表1 AMS14C測年數據

注：(近似)慣用年齡是以樣品的13C標準值為-25‰PDB來進行校正的。

3.1 沉積物地層單元劃分

運用層序地層學、地震地層學方法，將淺地層剖面與鉆孔資料結合起來，從上到下依次劃分了SU1，SU2，SU3等3個地層單元(圖3—圖5)，各地層單元的內部反射特征[13-15]和所反映的沉積環境[16-17]及其分布情況如表2所示。

表2 淺地層剖面地層單元劃分及地震相特征

3.1.1 地層單元SU1

地層單元SU1位于海底面D0與反射界面D1之間。D1被解釋為隨著冰后期海平面的上升臨濱帶向陸后退而形成的區域性海侵面。在外海，由于研究區內沉積動力條件的影響，反射界面D1會和D0合并。SU1的底部為加積或上超的、近似水平反射層，其上被向南、向東進積的緩傾狀反射層所覆蓋。由于SU1的底部加積層較薄(大都小于2m，局部會缺失)，從整體上看，SU1為向南、向東進積的水下楔形沉積體。地層單元SU1被解釋為海平面繼續上升達到最大海泛面的位置直至現今的沉積記錄，反映了海侵體系域的沉積物。通過鉆孔施工，該單元地層巖性為淤泥質粉質黏土，含生物碎屑，利用AMS14C測年數據(3520～4990±30a)，確定了該地層單元為中全新世沉積層。

該單元層序發育較穩定，厚度變化較大，分布較廣，厚度范圍在0～15m，該單元層序的整體發育特點是東南部較厚，其中研究區最厚處達到12～15m，灣內或靠近海岸附近海域此地層較薄，厚度小于5m或不發育。

3.1.2 地層單元SU2

地層單元SU2位于反射界面D1和D2之間。地震界面D2是呈V或U的河谷狀下切到下伏地層之中。通過與鉆孔的對比以及地層的切割關系分析，D2界面開始形成于氧同位素3期(MIS3)的晚期，可能繼承了早期的下切谷，在末次冰期最盛期的低海面時期，切割深度達到最大。

D1和D2之間的地層SU2為MIS2的陸相(或海陸交互相)沉積，包括了滯留沉積和后期的河道充填沉積。研究區內的埋藏古河道滯留沉積物較少，甚至缺失，河道內部充填沉積物物性和動力條件的不同而表現出多種類型的反射，在近岸主要表現為雜亂發射結構。鉆孔中揭露的巖性以砂、粉砂和粉質黏土為主，AMS14C測年數據為10890±30a，由此確定該地層單元為早全新世沉積層。

研究區內該單元為陸相地層，侵蝕作用較強烈，厚度變化較大，且較其他地層單元厚度較厚，主要分布在研究區東南部海域，厚度范圍為1～19m，厚度最大可達16～19m，而在灣內及近岸海域此地層變薄，甚至不發育該層序單元。

3.1.3 地層單元SU3

地層單元SU3位于反射界面D2和D3之間。D3是一區域性的剝蝕面，能在全區追蹤，起伏較平穩，在山東半島近岸處該剝蝕面逐漸抬高。通過與鉆孔資料的對比，界面D3被解釋為氧同位素5期(MIS5)海侵時最早達到該研究區的侵蝕面。SU3單元層主要呈現為平行、亞平行的內部反射層，局部分布有大大小小的侵蝕洼地，內部表現為進積、側向加積或者波狀的充填層。地層厚度受后期海洋動力的改造，變化較大，從濱淺海區的20m以上向岸逐漸變薄，局部受上覆下切古河谷的侵蝕而缺失。鉆孔中揭露的巖性以粉質黏土、粉砂和砂為主，巖性變化較大，層厚不均勻連續，AMS14C測年數據為18370±60a，由此確定該地層單元為晚更新世沉積層。

3.1.4 覆蓋層埋藏厚度

統計SU1、SU2和SU3的厚度總和，可得研究區覆蓋層厚度分布情況(圖6)。據此可判斷不同海域沉積環境的異同，同時在預防海底災害，以及指導海上工程施工建設具有重要意義。

根據研究結果可知，區內覆蓋層厚度范圍為0～50m。近岸覆蓋層較薄，基本不超過20m。覆蓋層最厚的海域位于研究區東南部及中部，局部地區厚度超過45～50m。灣內由于數據有限，為灣外數據延伸。

為了更加直觀地展現研究區各個層序在淺地層剖面上的分布特征，繪制了研究區淺地層剖面地質解釋模型示意圖(圖7)。

圖6 各地層單元厚度及總厚度圖

圖7 淺地層剖面地質解釋模型示意圖

3.2 地層單元體系域分析

依據地震剖面、結合鉆孔巖性，對區內劃分的3個聲學層序進行了對比分析[18-19]，按照各個層序形成時的相對海平面位置及其升降變化勢態，劃分了3個體系域(表3)[20-23]。

3.2.1 海侵體系域(TST)

研究區海域淺地層單元SU1的上部薄層，發育濱海相沉積層，以平行層理反射的濱海相地層作為標志，是海平面上升期間的沉積。

表3 淺地層剖面層序劃分

3.2.2 低位體系域(LST)

海域淺地層單元SU2的層序，發育了陸相(海陸交互相)沉積，是海平面緩慢下降，然后又開始逐漸上升階段的沉積，

3.2.3 高位體系域(HST)

對應海域淺地層SU3單元，發育濱海相(淺海相)沉積，地震波表現為平行、亞平行的內部反射層，是海侵體系域形成后，海平面上升已非常緩慢，在其上升到最高水位的時間段內沉積層。

4 結論

通過高分辨率淺地層剖面與鉆孔數據的對比，將丁字灣近岸海底沉積物自上而下劃分為D0，D1，D2，D3共4個反射界面，SU1，SU2，SU3共3個沉積單元，總結了每個沉積單元的埋深、分布及特征。

(1)SU1位于D0，D1反射界面之間，巖性以淤泥質粉質黏土為主，為全新世地層。內部反射特征為平行反射、高頻、強震幅、連續性好，外形特征為席狀，對應海侵(TST)體系域，濱海相沉積。厚度變化較大，分布較廣，埋藏深度0～15m。

(2)SU2位于D1，D2反射界面之間，巖性以粒度較粗的砂及粉質黏土為主，為全新世地層。內部反射特征較雜亂、局部有良好的前積或平行或發散反射、低頻、弱震幅、連續性差，外形特征局部為透鏡狀，對應低位(LST)體系域，陸相沉積。該地層受侵蝕作用強烈，厚度變化較大，且較其他地層單元厚度較厚，主要分布在研究區東南部海域，埋藏深度為1～28m。

(3)SU3位于D2，D3反射界面之間，巖性以粒度較粗的砂及粉質黏土為主，為更新世地層。內部反射特征為平行反射、局部前積反射、強震幅、連續性好，外形特征為席狀，對應高位(HST)體系域，濱海相沉積。該地層厚度不均勻連續，從濱淺海區的20m以上向岸逐漸變薄，局部受侵蝕而缺失，埋藏深度5～45m。

(4)研究結果表明，丁字灣海域灣口內、東北部和南部地區沉積物整體較薄，沉積厚度總體小于15m，工程地質條件較好，適宜進行工程建設；東南部地區沉積物較厚，大部分地區達到30m以上，工程建設條件相對較差。