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论河口海底淡水资源的形成

时间:2009-08-27 16:10:15  来源:  作者:
 

       (中国科学院南海海洋研究所 广州 510301)

提 要 在分析沿海河口区域地质构造和层序地层学特征的基础上,提出了潜在的新的淡水资源——海底淡水资源,并研究了沿海河口区域海底淡水的形成、赋存、运移等特性。

关键词 淡水资源 河口海底

分 类 中图法 P641.11

  近年来,大量的海洋地质地球物理勘探资料向人类显示了一种可望找到新型淡水的库源:河口海底淡水,以缓解世界、特别是经济发达的沿海地区的淡水紧缺问题。我国科技人员已首次在长江口嵊泗岛外海底约 190~290m 埋深段的早更新世晚期古河道中钻获上下两层厚度分别为 34m 和 21m,日出水量分别为 4000~5000t 和 100t 的淡水层[1、2],为海底淡水资源的研究提供了实例。粤东韩江河口南澳岛澳前湾海滩的宋皇井和珠江口横琴岛海漫滩亦见海底淡水露头,向人类泄露了大自然的秘密。系统地探讨海底淡水资源的形成规律对解决全球性淡水危机具有重要意义。

1 河口区与海底淡水相关的层序地层学特征

  海底淡水资源的形成完全是由沿海及邻近岛屿地区固有的海洋地质水文条件决定的[3]。

  层序地层学的最新研究成果表明:地质历史中,由于一定地区的构造沉降速度、沉积物供应速度和全球性海平面升降速度三者的共同影响,导致该地区海平面相对于该地区陆棚边缘的相对变化速度即相对海平面的升降的频繁变化,最终导致沉积物类型和它们所处位置在三度空间(特别是相对于陆棚边缘)的有规律变化 [4],Vail 等总结了这些规律[5、6]。

  从图 1 中可以看出,每个层序都是从一个不整合面即海平面下降速度最大的转折点处 (SB1) 产生侵蚀的时刻开始形成的,而结束于下一个海平面急剧下降的转折点 (SB2)。当侵蚀范围延续到陆架边缘以下时所形成的层序界面 SB1 称为 1 型层序界面,其上的层序由自下而上的低水位体系域 (lowstand system tract)、海进体系域 (trangressive system tract) 和高水位体系域 (highstand system tract) 组成。当侵蚀范围局限于陆架范围以上、没有延续到陆架边缘以下时所形成的层序界面 SB1 称为 2 型层序界面,其上的层序由陆架边缘体系域 (shelf margin system tract)、海进体系域和高水位体系域组成。

 

图 1 1型和 2 型层序的地层分布模式
Fig.1 Stratigraphic pattern of type 1 and 2 sequences

  低水位体系域常包括盆底扇 (basin fan)、陆坡扇 (slope fan)和低水位楔 (lowstand wedge)。盆底扇的形式与海底峡谷进入陆坡的侵蚀作用相关。陆坡扇的形成则与河谷进入陆架的下切作用有关。这些扇中常充填粗粒砂岩。低水位楔由陆架和陆坡泥岩及薄砂岩组成,其沉积是海平面缓慢相对上升时期发生的,以前积到加积准层序组的形式下超于盆底扇或陆坡扇之上。其顶面是 1 型层序内部跨过陆架的第一个有意义的海泛面即海进面。

  陆架边缘体系域从浅水向深水方向依次由海岸平原砂岩与泥岩、浅海砂岩、陆架—陆坡泥岩组成,以微弱前积到加积准层序组的形式向陆方向上超到层序底界面之上,向盆地深水方向下超到层序底界面之上,其顶面亦为海进面。

  覆于低水位体系域或陆架边缘体系域之上的海进体系域,由自浅水向深水方向依次为海岸平原砂岩和泥岩、浅海砂岩、陆架—陆坡泥岩和在极缓慢沉积速度
(<1~10mm/ka) 下沉积的半远洋或远洋沉积物密集段 ( 层 )(condensed section,即不断前积的穿时的前三角洲细粒沉积 ) 所组成,其内部的准层序为退积式,朝陆方向上超到层序底界,朝海方向下超到海进面之上,其顶面是下超面,是层序内最大的海泛面,以从退积式准层序组变为高水位体系域的加积式准层序组为特征。

  层序的上部体系域即高水位体系域,通常分布于陆架上。岩性上由浅水到深水方向依次为海岸平原砂岩和泥岩、浅海砂岩、陆架—陆坡泥岩和薄砂岩以及密集段沉积,以一个或多个加积式准层序组、继之以一个或多个趾部下超于下超面之上的前积斜层组成的前积式准层序组为特征,它们朝陆方向上超于层序底界面之上,朝海方向下超于海进面或下超面之上,顶部以后继的 1 型或 2 型层序底界面为界。

2 河口海底淡水的形成条件

  大量的实际资料表明,新生代近岸区海平面相对于陆棚边缘的升降变化是频繁出现的。这种沧桑频变正好为河口海底淡水的形成创造了良好的“生、运、滤、储、盖”组合条件。

2.1 海底淡水的生成条件

  根据麦克拉伦的“冰川控制说”,大陆架是在第四纪冰期的低海平面时期大陆边缘陆地受侵蚀和堆积的产物。陆地水系通过地下含水层向大陆架海域或陆缘盆地边缘延伸,使地表淡水直接成为海底淡水的补给源。另一方面,海底含水层中的原积咸水在自然条件下经地下水质点的弥散作用和对流作用可自发淡化成淡水,成为海底淡水的次生源。根据 Toth 和 Engelen 的地下水流动系统理论,其淡化速度每万年可达 100km 以上的范围。可见,这种淡化的量是相当可观的。

2.2 海底淡水的运移条件

  大量的实际资料表明,地质历史中海平面相对于陆棚边缘的升降变化是周期出现的,相应地使大陆架大河口区的古河谷经历多次“河流下切—河床冲积—海进退积—海退前积”的周期性发育过程,从而造就多期巨大规模的埋藏古河道系统。例如我国的长江河口在晚第四纪便发育有三期古河谷,珠江河口亦有三期古河道。这些被埋藏的古河道及古陆架、陆坡上发育多套沉积层序,其中高水位体系域、海进体系域和陆架边缘体系域的河口湾相和河流相冲积砂层、滨岸三角洲平原相、三角洲前缘相和海岸平原相砂层,以及低水位体系域的下切河谷相砂层、陆坡扇浊积与碎屑流沉积砂层及海底峡谷相与盆底扇的深水砂层。这些砂层的孔隙度大、透水性好,向陆顺埋藏古河道与陆表水相接,向海在陆架前缘有下切河谷口或海底峡谷口与深海盆相通,它们向海的自然坡降造成上、下游水位差,使含水层内具有良好的径流动力。加上非破坏性的、与古河道有水力联系的控水构造和导水构造的作用,可进一步改善海底淡水的补给、运移、排泄等条件。

2.3 海底淡水的过滤条件

  海底含水层的砂层本身就是一种天然的“滤水器”。深大断裂控制的控水构造、导水构造、容水构造可促进地下水的深循环,同样起着良好的过滤作用。这样,经长距离砂层过滤和深循环过滤,水质会更新,可形成优质的天然淡水。

2.4 海底淡水的储存条件

  上述的各种沉积体系域中的砂层是海底淡水天然的储存空间,具有粗粒砂层的古河道谷、下切河谷和海底峡谷更是良好的储水库。较大型的古河道的发育常受深大断裂的控制,深大断裂及其派生的次级断裂亦是良好的容水空间,加之它们兼有导水作用,故可大大提高海底淡水的静储量、天然补给量和开发补给量。以我国第四大河流——珠江河口为例,根据初步资料分析,其海底淡水资源的静储量可在
12~16亿m3 之间,天然补给量可达 40万m3/a,一经开采,水力梯度增大而引起的开发补给量亦可达 80万m3/a。这无疑是解决香港、万山群岛等海岛的淡水供应紧缺问题的潜在力量。

2.5 海底淡水的盖层条件

  主要指发育于上述各种沉积体系域中的海岸泥质层、陆架—陆坡泥质层、前积的前三角洲细粒沉积层、海相粉砂和泥质层。特别是海进体系域中的密集段,向陆上超于低水位体系域或陆架边缘体系域及较老的海进体系域和高水位体系域的砂层之上,常呈纸状页岩、泥脖子段覆盖于含水砂层体系之上。由于密集段主要为远洋、半远洋海相粘土质沉积,孔隙度小,透水性差,分布广且连续而稳定,构成良好的隔水顶板层,隔绝咸涩海水下渗,保护下伏含水层内淡水不受污染破坏。

3 结语

  上述生、运、滤、储、盖条件均是自然界的客观存在。所以,在具备合适的“生、运、滤、储、盖”条件的海底,完全可以形成巨大的优质淡水库。可以相信,河口海底淡水资源以其埋藏浅、储量大、易开采、水质好、毗邻严重缺水的海岛和经济发达的沿海地区、勘探开采成本低廉、不易造成环境污染等巨大优势,将成为沿海及海岛地区可持续发展的重要保障,将为越来越多的人们所重视。

参考文献

1 龚士良.长江口水下淡水资源及其供水意义.海洋与海岸带开发,1995,12(2):54~56
2 丁良才.开发海底淡水资源,解决海岛淡水供需矛盾.海洋开发与管理,1995,12(2):57~58
3 刘海龄,杨树康,陈丽红.海底淡水可解沿海水荒.海洋开发与管理,1997,14(3):47~49
4 徐怀大等.地震地层学解释基础.武汉:中国地质大学出版社,1990,1~181
5 Vail P R, Hardenbol J, Todd R G. Jurasic unconformities, chronostraitigraphy
 and sea level changes from seismic and biostratigraphy. In: Schlee J S ed. Interregional Unconformities and Hydrocarbon Accumulation. American Association
 of Petroleum, Geologists Memoir 36,1984,347~363
6 C K 威尔格斯等(徐怀大等译)层序地层学原理(海平面变化综合分析).北京:石油工业出版社,1993,1~526


作者简介

刘海龄,男,1958 年 8 月生,副研究员,南京大学博士研究生,主要从事海洋地质构造研究。

* 本研究得到中国科学院资源与生态环境研究重大项目 (KZ951-B1-406-02) 的资助,并得到中山大学丘元禧教授、汤连生副教授、周萃英博士的热情关心和有益讨论,谨致衷心感谢。

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