基于地震勘探资料的南海北部陆坡区土力学性质反演及边坡稳定性评价

With oil and gas exploration further extending towards deep sea, prevention and control of deep sea geological disasters and ensuring exploration safety has become a significant research topic. As such, shear strength is an essential index to evaluate the stability of bottom sediments. For deep-water exploration, along with high drilling cost and increased difficulties, the critical scientific problem awaiting to be solved in the process of deep sea oil and gas development is that of obtaining the distribution characteristics of sediment mechanics, and evaluating the slope stability in the areas to be explored. The project uses rich seismic exploration data obtained from the oil and gas exploration in the northern slope of the South China Sea and recently obtained sedimentary core samples. Based on the interpretation of seismic data and engineering geological tests such as volume-weight, longitudinal wave velocity and undrained shear strength of undisturbed sediment samples, the relations among three-dimensional seismic peak amplitude, acoustic impedance of sediments, physical and mechanical properties of sediments will be studied, and the inversion method of shallow soil’s shear strength based on three-dimensional seismic data in the northern slope of the South China Sea will be established. The plane distribution features of shear strength for shallow sediments of the study area are inversed by the method to further evaluate the stability of slope in study area. The research provides a new approach to the evaluation of deep water geologic disaster, and provides references for the preliminary division of unstable areas, site selection for key drilling and initial design of pipeline, etc.

伴随着我国油气开采向深海迈进，防治深海地质灾害、保障油气开采安全成为重要研究课题。而抗剪强度是评价海底沉积物稳定性的重要指标，在钻探成本高、难度大的深水海域，如何初步获取沉积物抗剪强度等土力学性质的分布特征、评价研究区边坡稳定性是深水油气开发过程中需要解决的关键科学问题。本项目利用南海北部陆坡油气勘探获得的丰富地震勘探资料及近期获取的沉积物岩心样品，通过地震资料解译以及对沉积物原状样进行的容重、纵波波速和不排水抗剪强度等工程地质测试，探讨三维地震峰值振幅—沉积物声阻抗—沉积物物理力学性质之间的关系，建立南海北部陆坡基于三维地震资料的浅层土体孔隙比和抗剪强度的反演方法，反演研究区浅层沉积体抗剪强度的平面分布特征，进而评估研究区的区域边坡稳定性。研究成果可为我国在深水地质灾害评价方面提供新的思路，为深海海底不稳定区域的初步划分、关键性钻孔的位置选取、井场选址、输油管线路径的初始设计等提供参考。

随着油气资源的勘探开发向深水海域转移，其面临的风险与挑战也更多，尤其是与浅部斜坡破坏有关的风险更是值得关注。这些破坏可能导致海底滑坡或浊流的发生，进而破坏海底构筑物。因此，在海洋开发项目实施之前应综合了解项目周边海域影响海底浅部斜坡不稳定性的各种因素。而考虑到经济性和可操作性等因素，利用钻孔取样获得覆盖整个研究区的沉积物物理力学性质是不可行的。本项目依托在南海北部陆坡区获得的7个站位柱状沉积物资料，以及研究区地震首波峰值震幅数据，对研究区沉积体工程力学性质的分布特征进行了探讨，并对区域沉积物的稳定性进行了评价，建立了基于地震勘探资料的浅表层沉积物平均抗剪强度反演方法。取得的主要成果包括：（1）水平方向上，从峡谷区头部到峡谷区底部，沉积物的抗剪强度呈先逐渐增大后逐渐变小的趋势；竖直方向上，沉积物抗剪强度随埋深的增加而逐渐增大，二者具有较好的线性相关关系，峡谷区头部和中部沉积物抗剪强度随埋深的变化率明显大于峡谷区底部。（2）研究区的首波峰值振幅可以反映12米以浅沉积物的平均抗剪强度特征，当平均抗剪强度大于10kPa或水深小于1000米时，平均抗剪强度与峰值振幅呈显著的线性正相关关系，当平均抗剪强度小于10kPa或水深大于1000米时，平均抗剪强度与峰值振幅呈显著的线性负相关关系；基于海底峰值振幅与平均抗剪强度的相关关系，建立了基于海底峰值振幅的研究区平均抗剪强度反演方法，并绘制了研究区基于海底峰值振幅反演的抗剪强度分布图谱。（3）静力条件下，峡谷区中部沉积物的临界平衡坡度角在10-12°之间，峡谷区头部和底部处的临界坡度角在7°左右，研究区的潜在滑坡危险区主要分布在峡谷两侧谷壁坡度较大的位置。研究成果对全面了解海底区域沉积物工程性质、区域沉积物稳定性研究以及保障深水油气田安全开发等方面具有极其重要的意义。