地质通报  2021, Vol. 40 Issue (10): 1729-1736  
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王涛, 杨凯越, 李伟荣, 熊伟, 朱海宝. 城市浅层地下古河道表征——以广东省潼湖盆地第四纪地下古河道为例[J]. 地质通报, 2021, 40(10): 1729-1736.
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WANG T, YANG K Y, LI W R, XIONG W, ZHU H B. Characteristics of shallow underground ancient channels in urban areas: A case study of Quaternary underground palaeochannel in Tonghu Basin, Guangdong Province[J]. Geological Bulletin of China, 2021, 40(10): 1729-1736.
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基金项目

国家自然科学基金项目《基于仿生学模拟的致密砂体润湿性变化规律与油气运聚研究》(批准号:41902142)、中国地质调查局项目《惠州多要素城市地质调查》(编号:DD20190287)和中国地质科学院基本科研业务费项目《致密砂岩-页岩含油气系统评价研究》(编号:JKY202013)

作者简介

王涛(1987-), 男, 博士, 副研究员, 从事沉积学与城市地质相关研究。E-mali: wangtao@cags.ac.cn

文章历史

收稿日期: 2020-06-07
修订日期: 2021-03-22
城市浅层地下古河道表征——以广东省潼湖盆地第四纪地下古河道为例
王涛1, 杨凯越2, 李伟荣3, 熊伟3, 朱海宝3    
1. 中国地质科学院, 北京 100037;
2. 中国国际工程咨询有限公司研究中心, 北京 100048;
3. 广东省地质局第七地质大队, 广东 惠州 516008
摘要: 人类文明与城市发展往往与河流息息相关。在地质历史时期继承性形成的古河道被埋藏在城市地下。由于其自身垂向和横向上的演化特性,造成城市地下不良岩土体分布较复杂,进一步造成古河道分布区地下空间开发过程中工程地质问题突出,因此,需要摸清古河道的空间特征。以地处大湾区东翼的广东省惠州市潼湖盆地第四系为例,综合利用钻探及地球物理资料,结合地表继承性沉积,从精细地层划分与沉积相识别入手,通过"垂向分期、侧向划界、平剖互动"的流程,逐级对古河道及沉积内部构型进行深入的解剖分析,形成了一套城市地下古河道分析描述方法,,对大湾区其他区块和具有相似沉积特征的其他城市地下空间表征提供借鉴。
关键词: 城市地质    古河道    沉积构型    大湾区    
Characteristics of shallow underground ancient channels in urban areas: A case study of Quaternary underground palaeochannel in Tonghu Basin, Guangdong Province
WANG Tao1, YANG Kaiyue2, LI Weirong3, XIONG Wei3, ZHU Haibao3    
1. Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
2. China International Engineering Consulting Corporation Research Center, Beijing 100048, China;
3. Guangdong Geological Bureau Seventh Geological Brigade, Huizhou 516008, Guangdong, China
Abstract: Human civilization and urban development are closely related to rivers. Due to its longitudinal and horizontal evolution, the complex distribution of palaeochannel formed in the geological history period and buried underground, the distribution in urban underground is relatively complex. However, in view of the prominent engineering geological problems such as the sensitivity and vulnerability of the distribution area of palaeochannel in the process of space development, it is urgent to find out the spatial characteristics and engineering characteristics of palaeochannel course. The quaternary system of Tonghu basin in Huizhou City, located in the east wing large bay area of Guangdong Province, was taken as an example. Comprehensive use of drilling and geophysical data, combined with surface inherited deposits, this work started from fine stratigraphic division and sedimentary facies identification, through the process of "vertical staging, lateral demarcation, flat profile interaction". A set of methods for analyzing and describing ancient rivers were establish by analyzing the structure of ancient river and sedimentary interior in depth step by step, which can provide reference for the characterization of underground space in other areas of the Greater Bay Area and other cities with similar sedimentary characteristics.
Key words: urban geology    palaeochanne    deposition configuration    the Greater Bay Area    

潼湖盆地位于粤港澳大湾区东翼的惠州市西部,拥有广东省最大的内陆淡水湿地——潼湖湿地,约55 km2的湿地成为惠州乃至珠三角东岸城市之肺。广东省政府常务会议于2016年12月审议通过潼湖生态智慧区发展总体规划,明确提出将其打造成为“广东硅谷”,将其建设成为国家绿色生态城市示范区、广东高端创新要素集聚地、大珠三角融合发展先行区。依靠得天独厚的地理区位优势、政策红利及人才优势,潼湖不仅成为惠州社会经济发展的重要驱动引擎,也是惠州市争优创先、打造“绿色现代化山水城市”和“国内一流城市”的桥头堡和排头兵。

在实施“惠州市多要素城市地质调查前期工作”过程中,调查发现潼湖地区浅层工程地质性质条件较好,整体有利于地下空间开发与利用。部分钻孔中存在具有二元结构的河流相沉积物及静水沉积的湖相沉积物。其中,湖泊相沉积物大面积分布于盆地地区,产出相对稳定;河流相沉积物主要分布于盆地中部,整体呈东西向展布。而包括生态智慧小镇、规划地下轨道等在内的重大功能区座落于河流相沉积物之上,但是由于前期工作主要侧重于地表,对地下表征程度较低,未能精细的描述出古河道,因此,刻画古河道的空间特征是本项工作的任务之一。

不同于现今的地表河流,在河谷内河道由于自身的演化,在地质历史时期形成复杂的分布类型并被埋藏于地下。河道自身特性造成城市地下不良岩土体分布较为复杂,但是鉴于古河道分布区在地下空间开发过程中的敏感性、脆弱性等工程地质问题突出,同时古河道作为天然的透水通道对地下水分布的控制作用显得越来越重要,有必要查明其空间分布特征及工程特征。

美国河流学专家Miall于1985年提出了储层构型的概念,主要指沉积地质体内部构成单元的几何形态、大小、方向及相互配置关系,也称作构形、结构、建筑结构、构成单元等[1]。通过层次分析的思路对各种沉积构型单元进行定量描述[1-10],能够有效表征地下地质体的非均质性,评价不同级次砂体单元的联通关系,并以此指导分析地下流体流动,取得了良好的应用效果[11-17]

鉴于沉积构型方法在精细表征地下地质体方面的巨大优势[1, 8, 10],本文通过对潼湖盆地第四系沉积体系进行深入的解剖分析,形成了一套城市地下河流内部构型分析的方法,可以指导其他相似沉积环境的大湾区乃至全国城市地下古河道的刻画。

1 潼湖地区地质背景

潼湖盆地三面分别受潼湖断裂、樟木头断裂、新圩断裂的剧烈抬升而形成。潼湖断陷湖泊与珠江三角洲外海隔绝,形成封闭的内陆湖泊,基本奠定了潼湖断陷湖泊的沉积地貌格局[18]。自中更新世—晚更新世早期至今,经历喜马拉雅运动、新构造运动等多期次的构造变动,潼湖盆地进一步发生较大规模的断陷,为第四纪沉积物提供了广泛的可容纳空间。

潼湖盆地内部发育的潼湖湿地是广东省最大的内陆淡水湿地,第四系覆盖层厚度不大,基岩埋藏较浅(图 1),主要为河流相冲洪积可塑或硬塑粉质粘土、稍密或中密细砂或粗砂,厚度5~25 m,残积层以硬塑状粉质粘土,厚度5~15 m,第四系地下水富水性中等,与下伏基岩呈不整合接触。基岩为白垩系、三叠系、侏罗系碎屑岩,主要沉积为砂、粉砂、泥等。

图 1 广东省惠州市潼湖盆地地貌图 Fig.1 Geomorphologic map of Tonghu Basin, Guangdong Province

根据前人的区域地质资料,盆地内第四系主要有陆丰组(Ql),该组沉积时盆地整体处于抬升阶段,抬升速率较缓慢,盆地内处于震荡抬升状态,其升降速率与整体抬升速率持平或略小于整体抬升速率。地貌上表现为盆地坡积物及河流阶地。

2019年开始,中国地质科学院组织实施“惠州多要素城市地质调查”项目,核心任务包括在以潼湖生态智慧区为核心的范围内查明潼湖开发区的地下基本情况、地质基本结构,对城市地下空间进行分层评估,为地下空间的规划、整体开发利用提供技术示范。

2 工作方法与技术思路 2.1 构型级次

沉积构型研究具有层次性和阶段性[7-8, 10],针对现有碎屑沉积体层次结构分级中的不足,吴胜和等[10]、王涛等[19]将已有的岩性体构型和层序地层分级整合为一体,采用倒序的原则,对碎屑沉积地质体进行了划分。本文引用其分级方案,以沉积体构型级次作为河道级次,考虑工程可能有效利用的尺度及潼湖盆地古河道发育的规模对惠州潼湖盆地地下古河道级次进行划分,本文介绍5、6两级古河道表征, 并以6级古河道作为研究的重点进行论述。

5级古河道(单一期河谷):主要为洪(海、湖)泛面及其对应的界面所分隔成的地质体。可比于米兰科维奇旋回的一个地球黄道与赤道交角变化周期[10],与短期基准面旋回大体相当;对于河流沉积,一个河谷可由多期河流沉积垂向叠置而成,垂向厚度可达几米到几十米,横向分布范围几十至几千平方千米[10]

6级古河道(单一期河道):最小一级异旋回对应的沉积单元。沉积时间跨度为数千年至两万年,可对比于米兰科维奇旋回的一个岁差周期(自转轴倾角变化一个周期)[10]。河流沉积在同一个盆地内部具有较好的可对比性和等时性,垂向上为单期河流沉积。在同一期河道沉积时期,平面上可以发育多个河道(水道)分叉、交汇形成的河道带(7级古河道),构成一个河流体系[10]

2.2 工作方法

本文通过钻探工作和浅层地球物理工作结合的方式,参照地表继承性的现代沉积,从等时高精度地层对比入手,利用沉积构型理论和方法,选择典型区域、重大建设区密集布设地质钻孔,利用其对该区的古河道样式、规模进行沉积综合解译,进而分析明确单一河道的定量模式。再通过主干剖面进行控制性的钻探工作,结合重大工程区钻孔揭露地层的类比,将相关参数和模式推广到全盆地,查清区内古河道的分布范围、物质组成、敏感地质要素,在垂向和平面上,由点到线,由线到面,由面到体的方式反复对比,直至实现全盆三维闭合(图 2)。

图 2 工作方法 Fig.2 Technology roadmap

具体到潼湖地区,结合珠三角地区沉积背景,将惠州目前地下空间开发的主要层段第四纪沉积体进行划分;沿推测古河道垂向(南北向)2条勘探线,顺向(东西向)1条勘探线布置,共布设钻孔11个,单孔深度50 m,3个孔单孔孔深100 m,钻孔间距点间距0.8~1.0 m,线间距2.0~4.0 km。在精细地层对比的基础上,通过野外露头识别,钻探编录和地球物理解释,确立潼湖盆地发育湖盆沉积体系,并对该沉积体的沉积相标示后划分为单一古河道和平原/湖盆泥。此次部署形式主要为补充加密勘察,布设钻孔46孔,一般钻孔深度以揭穿第四系为终孔标志,设计单孔孔深25 m,孔间距点间距0.5~1.0 m。原则上收集的钻孔资料需进行综合利用,同时在研究区沿着河道方向布置了3条地球物理剖面,分别使用了反射地震、混合源面波、三分量谐振3种浅层地震勘探方法,地球物理剖面节点处都有钻探及测井,同时可以与钻探短剖面进行横向对比。

3 地下古河道精细表征 3.1 地层划分与对比

地层对比是精细刻画古河道的基础,为了解决河流相地层精细对比问题,在潼湖盆地采用“标志层控制、旋回对比、分级约束、三维闭合”的地层对比方法及原则。

(1) 标志层控制

所谓标志层,是指分布范围广、岩性特殊、厚度稳定、在一定范围内具有等时性的地层。研究区10 m深度左右发育一套深色2 m左右的淤泥,反映一套湖平面上升时期形成的稳定湖泛泥(图 3)。这套淤泥在大部分钻孔里都有钻遇,说明整个第四纪此时湖泛面最稳定,可以作为区域标志层进行控制对比。

图 3 1306钻孔综合柱状图 Fig.3 Comprehensive column of borehole 1306

(2) 旋回对比

旋回对比是在基准面旋回划分的基础上,根据地层的岩性、地球物理特征,按沉积旋回进行地层对比,而不是单纯的岩性和粒度对比。

在研究区识别出了短期旋回、超短期旋回。短期旋回大体对应古河谷发育时期,超短期旋回大体对应单一期河道发育时期。识别出潼湖地区处于一个短期正旋回,正旋回内部发育2个超短期正旋回(图 3),湖泛泥实际上为基准面上升和下降的旋回转换面,作为2期古河道的分界面,可以全区进行追踪对比。在利用短期旋回控制对比出古河谷,超短期旋回对比出每一期古河道后,在每一期古河道内部再用沉积韵律控制每一条河道。

(3) 分级约束

在标志层控制下,利用各个次一级地层的沉积旋回特点逐级进行对比(古河谷-单一期古河道)。“分级约束”亦即按照不同级次建立地层格架,从高级次到低级次逐级进行地层对比[10, 19]。需要说明的是,潼湖盆地在第四纪为陆相盆地,界面处的湖泛泥厚度整体不厚,受后期河流回春造成的侵蚀冲刷进一步减薄,部分钻孔可能不发育,可在剖面对比中根据地层的沉积特点及粒度组合进行识别和对比。

(4) 三维闭合

“三维闭合”即将全区对比骨架剖面在三维空间内进行闭合,避免地层对比过程中出现不同层位、不同期次河道串层的问题,以建立真正意义上的等时地层格架。具体方法包括:①桥式对比,在顺物源和切物源2个方向建立若干相交对比剖面,在本次研究中,建立3条骨架剖面和18条联络剖面;②三角网对比,将不在剖面上的钻孔与剖面上的钻孔及剖面之间的钻孔连接成三角网,进行系统对比和闭合。

3.2 沉积相识别

前人曾对区域沉积相进行过系统的研究,确定了潼湖盆地的沉积相类型为河流-湖泊沉积体系。通过本次研究,研究区第四纪沉积微相类型主要包括平原河道、河道间、湖泊(沼泽)3类沉积单元。

(1) 河道

河道为从盆地周缘向盆地中心汇水的通道。由于潼湖水体较浅且具有季节性特点,本文没有进一步划分入湖后的水下河道,统一称为河道。河道沉积粒度以中砂、细砂为主,分选性较好,发育槽状、波状、平行层理,厚度一般为3~5 m。垂向发育下粗上细的正韵律及较均质的韵律结构。

(2) 河道间

包括泛滥平原泥及天然堤,其中天然堤在平面上与河道直接相接。其主要为黄-红色泥,部分位置以天然堤或溢岸的形式呈粉砂-泥薄互层,整体粒度较细。由于沉积厚度整体较薄,天然堤与平原泥在此统一划归到河道间相中。

(3) 湖泊(沼泽)

湖泊(沼泽)发育在河道注入湖盆的沉积前缘,水体相对安静,主要形成相对静水条件下的泥质,包括层状灰黑色粉砂质泥、泥质粉砂、泥等,或多种细粒的互层沉积,发育植物叶片化石,具炭屑,生物扰动构造较常见,韵律性不明显,在钻孔内难以区分具体的浅湖和沼泽沉积成因,鉴于其具有类似的分布特征和工程力学特点,本文统称其为湖泊。

3.3 古河道解剖

5级构型单元对应单一期古河谷,具体指多期古河道的复合体。目前城市地质地下解剖程度多集中在这个规模,其分布特征研究虽能基本满足城市规划阶段的需求,但具体到某一区域或工程开发时,其表征程度远不能满足了解地下岩土体分布的要求。

解剖的精度受控于地下的复杂程度和地下空间开发利用的实际需求程度。一方面,作为小型陆相盆地,潼湖地区地下古河道规模小、变化快,古河道整体埋深较浅,其内部富集的地下水多与地表水联通,地下空间开发容易对潼湖湿地产生破坏。另一方面,现阶段潼湖生态智慧区地下空间的开发领域主要为中长期的地下轨道及机动车道,古河道内发育的砾石容易对盾构开挖产生不利影响。综合上述实际情况,本次工作精度集中在单一期河道(6级构型单元)的勘察。

对于单一期河道的表征,首先对密钻网区进行解剖,总结适合研究区的构型边界识别标志、构型单元叠置样式及定量规模,在模式的指导下,按照“垂向分期、侧向划界、平剖互动”的思路对全区进行构型解剖,总结单一期河道及其内部沉积相分布特征,同时获得其展布样式及定量规模,用于指导邻区或者类似沉积环境的古河道解剖。

(1) 垂向分期

研究区10 m深度左右发育一套深色2 m左右的淤泥,反映是一套湖平面上升时期形成的稳定厚层湖泛泥,在大部分钻孔里都有钻遇,表明此时达到最大湖泛面。可以作为标准层将研究区第四系划分为2期河道。

(2) 侧向划界

识别标志通过对研究区顺物源与切物源方向剖面的构型解剖,识别出单一河道边界。总结出研究区主要有以下3种河道识别标志(图 4)。

图 4 潼湖盆地河道识别模式 Fig.4 Identification pattern of channel in Tonghu Basin

① 河道间的出现

河道间泥为2个单一分流河道低洼区域泥质沉积,同一河道内部为连续砂体沉积,因此,河道间泥的出现意味着存在单一河道间的边界,是识别单一河道的准确、可靠的识别标志(图 4)。天然堤分布在河道的边缘,天然堤的出现代表达到了河道的边部界限。

② 河道底面高程差的出现

河道沉积呈“顶平底凸”,不同时期形成的河道常存在高程差。因此,以标志层进行拉平后,当2口邻钻的砂体底面出现高程差时,可以作为判断不同河道沉积的侧向识别标志(图 4)。但是由于地层对比存在误差,此种识别标志不可单独使用,需要结合多种识别标志综合分析。

③ 河道规模的差异性

由于物源供给条件、初始水动力条件及沉积古地貌的综合影响,不同河道沉积的厚度和宽度、沉积物的粒度存在明显的不同。其差异性的边界在沿着物源的方向可以区分,即可划分出不同的河道。

(3) 平剖互动

在构型解剖过程中不能依靠单一河道识别,需要与平面沉积微相结合,在沉积模式的指导下,平面与剖面互动,组合边界。

(4) 解剖结果

根据以上研究思路和方法,对研究区构型单元进行解剖。利用并参照Leeder[20]经验公式计算得到河道满岸宽度。调查发现潼湖盆地中心东西向发育一期古河谷,古河谷在平面上呈宽、窄带状展布,古河道呈窄带状,宽度为10~18 km;发育2期古河道,埋深分别为5~12 m和15~23 m。平面上呈现出由多个单一河道组成的河道带,单一河道规模较小,河道垂向上为3~5 m厚,横向上为400~800 m宽。侧向变化快,呈条带状和枝状(图 5图 6)。

图 5 潼湖盆地解剖区第一期(a)和第二期(b)古河道分布 Fig.5 Distribution of the first(a) and the second(b) paleochannel in the anatomic area of Tonghu Basin
图 6 潼湖盆地解剖区古河道剖面 Fig.6 Profile of the paleochannel in anatomic area of Tonghu Basin

第一期古河道沉积时,潼湖盆地整体较为稳定,潼湖湖平面快速上升,可容空间迅速增大,缺乏沉积物供给,沉积盆地内部开始了较稳定的湖泊相沉积,其沉积中心位于现代潼湖湿地偏东地区,入湖水系则在东部军垦农场以南至永联村一带汇流,之后在现代潼湖湿地南北坝址两侧向北西的东江及西部的东莞地区径流。此间,因整体地块的抬升运动和潼湖盆地自身的下降运动,致使水动力条件较强,常携带磨圆度较好的卵砾石、中粗砂等粗颗粒物质在湖区上游地段沉积。该段时间一直持续至中更新世—晚更新世早期,潼湖盆地因差异性升降运动保持平衡[18],湖区面积开始扩大,入湖河流逐步后退和萎缩,至此潼湖第一期古河道演化结束(图 5-a)。

第二期河道沉积发生在湖平面开始缓慢下降的背景下,可容空间减小,沉积物供给逐渐增加,优势微相分布由小型河道演化为大型分布(图 5-b)。在中更新世—晚更新世早期,随着湖区内水动力条件趋弱或形成相对的静水沉积环境,湖平面不断下降,河流后退,分叉河道不断发育,数量增多,但宽度变化不大。湖泊沉积中心亦向西移动至现代潼湖下部偏西位置。河流发育的位置范围与第一期古河道有一定的继承性,入湖口分布在东部军垦农场总部以南至永联村一带,局部有一定的重叠,出湖口大部分也有重叠。不同的是,第二期古河道较第一期古河道支流丰富,但携带的沉积物颗粒较一期细,体现了较第一期古河道弱的搬运能力和弱的新构造运动。

综上所述,随着湖平面的变化,单层优势微相展布呈现有规律的演化。随着单层优势微相出现由小型曲流河道向小型辫状河道演化的趋势,砂体发育范围变大。

4 古河道可能引发地下空间开发环境地质问题

随着中国经济的高速发展,城市化进程不断加速推进,城镇和城市用地也发生了深刻的变化。惠州作为较典型的丘岗区城市,传统的工作方法具有一定的局限性。

惠州市地下空间开发主要为高层建筑地下室、地下箱涵/管涵、下沉式道路通道等。地下空间开发利用主要在15 m以浅,其中6 m以浅属浅埋无人空间,安排市政设施(管线与共同沟等);6~15 m深度属深埋有人空间,安排商业、医疗卫生、科研教育、轨道交通及其站台、停车库、地下机动车道、调蓄水库等;15 m以下深度,属基本无人空间,可作为城市某些特殊需求和采用特殊技术的空间需要,作为地下空间资源加以保护。

结合调查区规划,2期古河道中上游分布区之上布置有创新与设计产业园、智能科技聚集园、国际合作产业园、创新与总部经济区、大数据产业园等重要功能区块。受第一期河道影响的深度属有人空间,在地下空间开发利用中需特别注意,容易引发该层位水动力场、化学场的巨大改变,形成渐变或突变式的灾害,如地面沉降、地面隆起引发的建构筑物基础破坏和结构破坏,因水动力场改变形成的突水突泥、流沙等渗透破坏,微生物场、水化学场等改变引发的生态恶化等。

5 结论

(1) 鉴于沉积构型方法在精细表征地下地质体的优势,提出并形成了一套地下河流内部构型分析的方法,以指导其他相似沉积环境的大湾区甚至全国城市地下古河道的表征。

(2) 发现潼湖盆地发育2期古河道,埋深分别为5~12 m和15~23 m,各期河道发育的单一河道垂向3~5 m,横向上规模为400~800 m。受第二期河道影响的深度属有人空间,在地下空间开发利用中需特别注意,容易引发该层位水动力场、化学场的巨大改变,形成渐变或突变式的灾害,以及地面沉降、地面隆起引发的建构筑物基础破坏和结构破坏,在规划和施工过程中应规避或采取有针对性的措施。

(3) 大湾区城市硬底化全面铺开,露头不断缩减,勘察资料碎片化成为了老旧城区和新建城区的城市地质调查工作面临的巨大困难。可以充分利用城市建设和规划各阶段工程地质勘察钻孔资料有针对性地进行地下古河道表征。针对古河道分布提出不同功能类型的规划建议,能有效地指导地下空间的规划和利用。

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