工程地质学报  2017, Vol. 25 Issue (6): 1566-1573   (3486 KB)    
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  • 收稿日期:2016-11-07
  • 收到修改稿日期:2017-03-13
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    南海北陆架坡表面沉积物的物理力学性质初探
    朱超祁, 周蕾, 张红, 程升, 焦欣然, 姜君, 申志聪, 贾永刚①②    
    ① 中国海洋大学环境科学与工程学院, 山东省海洋环境地质工程重点实验室 青岛 266100;
    ② 海洋国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室 青岛 266061
    摘要:南海北部陆坡工程地质环境复杂,并分布有大量油气资源,对该区海底沉积物的物理力学性质的研究是不可缺少的研究工作。本文利用2015年6月于"实验3"号科考船南海北部航次获得的箱式样和柱状样样品,在室内进行了含水率、天然密度、比重、微型扭力十字板以及微型贯入试验和压缩试验,获得了该处沉积物的粒度分布特征及物理力学性质参数。研究表明,南海北陆坡架表层沉积物类型以粉砂质黏土和黏土质粉砂为主,具有较高的含水率和较低的湿密度,抗剪强度、贯入阻力、压缩性等力学性质较差。沉积物的各项土工参数随深度呈现一定规律性的变化,且沉积环境、粒度成分和沉积年代等因素对其存在一定影响。
    关键词南海北陆架坡    沉积物    物理性质    力学性质    
    PRELIMINARY STUDY OF PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF SURFACE SEDIMENT IN NORTHERN SOUTH CHINA SEA
    ZHU Chaoqi, ZHOU Lei, ZHANG Hong, CHENG Sheng, JIAO Xinran, JIANG Jun, SHEN Zhicong, JIA Yonggang①②    
    ① Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Environment and Geological Engineering(Ocean University of China), Qingdao 266100;
    ② Marine Geology and Environment Laboratory Process(Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology), Qingdao 266061
    Abstract: The geological environment of the northern South China Sea is complex and rich in oil and gas resources. It is necessary to examine the physical and mechanical properties of seafloor sediments. Hence, this paper reports a preliminary study of the geological environment. In this study, a series of tests to determine various factors including water content, density, and specific gravity, are conducted in conjunction with miniature vane shear, micro penetration, and compression tests on samples collected in June 2015. The study includes investigating types of seafloor sediments and index parameters of the physical and mechanical properties of soil in the northern South China Sea. The results of the investigation indicate that the surficial seafloor sediment in the study area is mainly composed of silty clay and clayey silt with high moisture content, low density, and low mechanical strength. The variation in the fore-mentioned parameters is generally correlated with the depth of the seabed. Additionally, sedimentary environment, grain size composition, and age are determined as important factors controlling the properties of the sediments to a significant extent.
    Key words: Northern slope of the South China Sea    Marine sediment    Physical properties    Mechanical properties    

    0 引言

    海洋沉积物作为一种工程性质特殊的土,远离人类生活,取样难度较大,因此对其研究较少(朱坤杰等,2015)。但是近几十年来,我国开发利用海洋的进程逐渐加快,海洋油气工程等海洋工程蓬勃发展,而且海洋沉积物作为海洋资源的直接载体,对其研究的重要性也日益凸显(郑继民,1978Jia et al., 2016)。

    海洋沉积物多是厚层的未固结的淤泥或淤泥质黏性土,尤其在波浪作用、海平面下降后的冰川、风化侵蚀等沉积后的动力作用下,海洋沉积物极易发生变形(徐杨青等,1989),显示出高灵敏性、高压缩性、低渗透性和低强度的工程性质(郑继民,1980)。正因为这种特殊的工程地质性质导致了较低的地基强度,造成海底建筑物的稳定性很差,极易发生损坏、坍塌事故等,这方面的实例在国内外也发生过很多(郑继民,1982)。我国海域面积广阔,其中南海北部陆坡工程地质环境复杂(徐扬青等,1989),海底沉积物工程性质差,发育多种类型的工程动力地质作用,如海底滑坡与浊流、沉积物液化、海底地形的侵蚀与堆积变化等(朱超祁等,2015)。加强该处海底土工程性质的研究,有助于了解该处海洋沉积物来源,固结过程和沉积历史,掌握其海洋沉积物的空间分布特征,对预测海底地质稳定性(徐扬青等,1989)和掌握海底各种地质作用的发生机制(魏巍,2006)有重要意义,进而有助于实现对海底地质灾害的有效防治。同时南海油气资源丰富(沙志彬等,2009),为了保证油气钻探、输油管道、海底电缆等海底工程的安全,也需要对海底沉积物的工程性质进行研究,进而就要全面地获取各种性质参数(郑继民,1980)。

    通过对南海地区沉积物的资料汇编,绘制了南海表层沉积物类型图(罗又郎等,1994),图中总结了沉积物的类型及其分布规律。针对不同的分布区域,对南海北部表层沉积物的粒度组成进行了取样分析,结果发现在该海域内广泛分布着黏土、粉砂质黏土、黏土质粉砂和砂质粉砂(李亮等,2014)。除了沉积物的组成,其物理力学性质也是研究的重点,通过大量的室内原状样和重塑样测试,分析了南海沉积物的弹性参数与声学参数的关系,提出了南海沉积物的空间粒度分布与其物理力学性质的关系(卢博等, 1995, 2004, 2005朱超祁等,2016),研究表明沉积物弹性性质对海洋工程活动的评估有相当大的应用意义。

    作者曾搭载国家自然科学基金委员会共享航次计划(航次编号:NORC2015-06与NORC2015-05),对南海北部大陆坡处沉积物在科考船甲板上进行了现场试验(包括微型扭力十字板和微型贯入试验),获得该处沉积物的强度参数(朱超祁等,2016)。本文利用该航次获得的样品,运回实验室后,在室内进行了粒度、含水率、天然密度、比重和压缩等土工试验,获得了南海北部大陆坡及陆架坡折处沉积物的粒度分布特征及物理力学性质参数,并对数据进行分析比较。

    1 研究区概况

    研究区域位于南海北部17°N以北海区(图 1),水深由北向南,沿着东南方向逐渐加深。

    图 1 研究区位置及取样点分布 Fig. 1 Location of study area and sampling stations

    本次研究沉积物样品的取样点信息(表 1)。其中箱式样1~10取自于陆架区,陆架的近岸区岸线曲折、地形复杂、多岛屿港湾,而稍外侧则平坦宽阔(姚伯初,1998);柱状样A~E取自珠江口盆地陆架坡折区,该处地形坡度变化大(陈维涛等,2016),这是影响滑坡发育的重要因素之一,并且取样点分布在神狐滑坡带和琼东南陆坡滑坡带上(图 2)(陈泓君等,2012),工程地质性质较弱。

    表 1 取样点站位信息 Table 1 Information of sampling stations

    图 2 南海西北陆坡滑坡带(底图来自(陈泓君等,2012)) Fig. 2 The landslide zones of northwest continental slope in the South China Sea (the base map is from the reference(Chen et al., 2012))

    2 材料与方法

    用于试验的沉积物样品是通过“实验3”号科考船南海北部航次在南海北部共计15个站位(图 1),使用重力取样器或箱式取样器取得。其中重力取样器取得的是柱状样,所取样品最长可达3.1m。对于采集到的每个箱式样在其水平中心位置用内径为110mm的PVC管垂直下插取柱状样。将利用两种取样器取得的所有柱状沉积物样品封好并做标记,小心运至室内供测试。测试前将柱状样的外管对剖,并用细钢丝绳将样品切开,获得一个纵剖面,在这个面上每20cm切取一段,测试一组数据,同时对样品进行描述,并做相应记录。

    所有测试试验均按照国家标准:土工试验方法标准GB/T50123-1999的要求进行,具体试验方法(表 2)。

    表 2 土工试验方法 Table 2 Geotechnical test methods

    3 海底土类型及其物理力学性质
    3.1 沉积特征

    通过沉积物粒度试验得出,研究区内粉砂质砂、砂质粉砂、黏土质粉砂、粉砂质黏土和砂-粉砂-黏土分布最为广泛。图 3给出了海底以下0~0.3m范围内表层沉积物的沉积特征,可以看出,南海北部陆架区沉积物主要为粉砂质砂和砂质粉砂,其中砂粒占53.60% ~68.33%,黏粒占10.97% ~16.33%,水深一般在0~500m范围内;而陆架坡折处沉积物主要为粉砂质黏土和黏土质粉砂,其中砂粒含量介于1.67% ~16.67%,黏粒含量变化范围为28.12% ~63.59%,水深为500~1500m。

    图 3 南海北陆架坡表层沉积物分布 Fig. 3 The distribution of seafloor surficial sediment in the north shelf of South China Sea

    南海北部从内陆架的边缘向大陆坡方向沉积物的粒度逐渐变粗,且平行于海岸线呈带状分布。这与随水深增加沉积颗粒变细的海相沉积规律是不同的,分析是由于外侧陆架坡折处粗颗粒物质较多造成的。前人研究表明,陆架坡折带的构造背景,使得该区具有独特的水动力条件和沉积作用过程(柳保军等,2011),由于强制性海退和低位体系域时期海平面下降强烈,为该区带来了丰富的粗碎屑沉积(李小平等,2015)。并且,多期次构造运动造成古珠江流域地区地表物质疏松活化,也是陆架坡折区发育富砂沉积的重要原因之一(庞雄等,2007)。

    表 3给出了各类型沉积物粒度及物理力学性质等参数的取值范围。从表 3明显看出研究区内沉积物具有高含水率、低密度、软塑态、低力学性质、高压缩性的特点。一般来讲,随着海底沉积物颗粒由粗到细,沉积物的含水率、孔隙比、抗剪强度和压缩系数将由小变大,其密度、压缩模量、贯入阻力则出现逐渐减小的趋势(孟祥梅等,2015)。

    表 3 南海北部海底各类型沉积物粒度及物理力学性质等参数 Table 3 Sediment parameters including grain size and physical-mechanical properties of various types of sediments in the north of South China Sea

    3.2 物理性质
    3.2.1 含水率

    通常来说,随着沉积物类型的改变及所处埋深的不同,其含水率一般也不同。研究区内沉积物含水率平均值为101.39%,相较于其他海域较高,其中陆架坡折处沉积物含水率平均值为106.97%,明显高于陆架区沉积物平均含水率(63.57%)。表 3中可以看出粉砂质黏土的含水率最高,介于67.53% ~153.56%之间,平均值为109.81%。砂-粉砂-黏土次之,介于59.49% ~150.00%,平均为100.04%。其余各类土的含水率由高到低依次为:黏土质粉砂,平均为99.26%;粉砂质砂,平均为53.59%(本节中均不考虑砂质粉砂)。

    通过以上研究发现,研究区域内沉积物的含水量普遍较高,且含水量随着黏粒含量的增加而升高。

    3.2.2 天然密度

    研究区内陆架区沉积物天然密度(以下简称为密度)平均值为1.79g ·cm-3,明显高于陆架坡折处沉积物的平均密度(1.50g ·cm-3)。其中粉砂质砂的密度最高,均值达到1.93g ·cm-3,其次为砂质粉砂,均值为1.91g ·cm-3,黏土质粉砂和粉砂质黏土的均值同为1.51g ·cm-3

    以上结果表明,研究区域沉积物的密度与其黏粒的含量呈负相关,随着黏粒含量的增加,沉积物密度呈现减小的趋势。

    3.2.3 孔隙比

    该海域沉积物普遍具有较高的孔隙比值,孔隙比随黏土颗粒增加而增大,其中粉砂质黏土孔隙比平均值为2.71,黏土质粉砂次之,均值为2.45,粉砂质砂最低,平均值为0.87。沉积物的结构、颗粒大小、排列及密实程度等都与海底土的孔隙比密切相关,相对静止的水体环境和特殊的海洋胶结物等都会导致海洋沉积物典型的絮凝结构,使其孔隙呈体积小而数量多的特点。

    3.2.4 可塑性指标

    沉积物的可塑性通常是指其塑性指数和液性指数。本次所研究的样品塑性指数均值为61.17,液性指数均值为0.95,可塑性较高。

    继续对表中数据进行分析,发现不同类型的沉积物可塑性存在差异且呈现一定的规律,可塑性随黏粒含量的增大而升高,其中粉砂质黏土的可塑性最高。

    3.3 力学性质
    3.3.1 压缩性

    研究区内陆架区海洋沉积物的压缩系数介于0.18MPa-1~1.66MPa-1,而陆架坡折处沉积物压缩系数变化范围为1.50MPa-1~5.02MPa-1,明显压缩性高于陆架区。而且,研究区内粉砂质黏土的平均压缩系数为2.75MPa-1,相较于其他类型沉积物表现为较高的压缩性,反而,粉砂质砂的压缩性最小,压缩系数为0.24MPa-1。由此可见,沉积物的压缩性与黏粒含量有关,黏粒含量越高,压缩性越高,具体表现为较大的压缩变形量。

    3.3.2 十字板剪切强度

    研究区内陆架区沉积物的抗剪强度低于陆架坡折处沉积物,区内粉砂质砂的抗剪强度平均值为12.7kPa,粉砂质黏土和黏土质粉砂的数值较大,平均值分别为15.43kPa和16.58kPa。主要是由于后者黏粒含量更大,使得沉积物颗粒胶结作用更强,抗剪强度越大。

    3.3.3 贯入阻力

    研究区内沉积物贯入阻力值均较小,且黏粒对沉积物的贯入阻力有较明显的影响,表现出随黏粒含量增加,贯入阻力减小的趋势。其中粉砂质砂贯入阻力均值为0.94N,其次黏土质粉砂为0.51N,砂-粉砂-黏土为0.33N,粉砂质黏土为0.32N。

    3.4 海底纵向沉积特征及物理力学性质

    由于研究区内沉积物强度不同,所以取得的柱状样样品长度也不同,本文所研究的纵向深度仅涉及取样深度范围内。图 4为5个柱状样样品的沉积物纵向分布图。从图中可以看出,浅层沉积物的类型并不单一,通常有2~3种不同类型的沉积物互层组成,粉砂质砂不但存在于海底表层,也出现在颗粒较细的沉积层之下。在部分站位中发现了含孔虫层(图 5),分析可能是沉积环境的变化造成的这种现象,这些区域通常砂粒含量较高,沉积物的可塑性指数不高,表现为较高的抗剪强度,这可能是导致海底沉积物纵向物理力学性质不均匀的一个原因。

    图 4 A~B站位沉积物类型柱状图 Fig. 4 Sediment type histogram from along cross A~B

    图 5 沉积物中的孔虫层 Fig. 5 Foraminifera laminate in sediments

    选取C和E两个典型站位的柱状样进行分析,发现其物理性质及力学性质随埋深变化具有一定的规律。图 6中可以看出,含水率、比重、孔隙比随埋深整体呈减小趋势(由于压缩系数、压缩模量数据较少,不考虑其变化规律);而密度、十字板抗剪强度、贯入阻力则随埋深整体呈增大趋势。同时注意到,E站位中深度相近的沉积层中当沉积物类型由粉砂质黏土转变为下层的黏土质粉砂时,含水量、孔隙比和十字板剪切强度的减小和密度、贯入阻力的增大比较明显。

    图 6 研究区内典型站位沉积物基本物理力学性质随埋深变化 Fig. 6 Change of fundamental physical properties and mechanical properties of the sediments with depth at the typical station of study area

    比较站位C和E的两处地层,发现深度方向上沉积物类型相对单一(E站位)时各个参数的变化幅度小于沉积物类型复杂(C站位)时各个参数的变化幅度,尤其是密度、含水量和孔隙比。其中,有些参数存在较为明显波动,比如C站位十字板剪切强度在埋深0.3m处的数值波动;E站位十字板剪切强度在埋深1.3m处的数值波动等,分析是该处沉积物类型的变化或者是存在的孔虫夹层等造成的,但是数值波动不影响其随深度的总体变化趋势。因此推测图 6中沉积物基本物理性质及力学性质随埋深变化的情况主要受上覆土重的压实作用,其次与沉积物类型和物质成分等有关(图 6中两个柱状样分别取自水深1439m和1248m处,海底沉积物受沉积环境的影响相近)。

    4 海底沉积物物理力学性质的影响因素

    探讨沉积物性质的影响因素不仅有利于了解所研究区域海洋沉积物的性质,而且对利用有限资料预测未勘海区的海底沉积物的性质和分布有很大帮助(郑志昌等,2004)。

    4.1 地质年代

    对于柱状样沉积物,自上而下沉积物所处地质时代从新到老,而且其所承受上覆压力由小变大,沉积物的密度、贯入阻力、十字板抗剪强度呈增大趋势,而含水率、比重、孔隙比呈减小趋势。由此分析,沉积物形成时代越老,上覆压力越大,沉积物含水率、比重、孔隙比越低,而密度和力学强度越高。

    4.2 沉积环境

    本文研究所用样品取自不同水深,其中表层样主要为浅海相沉积,而柱状样主要趋向于半深海相沉积,对两处数据进行分析对比发现,一般随着水深不断增加即沉积环境的变化,沉积物的含水率、孔隙比、压缩系数和抗剪强度具有增大趋势,而密度和比重则相反,具有减小的趋势。由此可见,海底沉积物的物理力学性质与沉积环境密切相关。

    4.3 粒度成分

    海洋沉积物的粒度组分对于反映其物理力学性质具有重要的作用,通过对其颗粒大小和比例关系进行定量的分析,可以更深入地了解海底沉积物。通过本次的试验论证得到,海底沉积物的诸多参数都与其粒度组分有关,其中沉积物的含水率、塑性指数、孔隙率、压缩系数和小十字板剪切强度随颗粒变细而增大,密度、贯入阻力则呈现相反的趋势。

    5 结论

    (1) 根据本文所进行的一系列物理力学试验,将研究区划分为两个部分:陆架区,表层沉积物主要为粉砂质砂,力学强度较高而压缩性较低,颗粒较粗,主要是由于较强的水动力作用造成的;陆架坡折处,表层沉积物主要为粉砂质黏土和黏土质粉砂,力学强度较低而压缩性较高,处于水动力作用较弱的半深海沉积环境。

    (2) 研究区海底深度方向上沉积物类型并非单一,显示了沉积环境的变化,海底纵向上工程地质特性的变化特征主要与沉积物上覆土重压实作用有关。

    (3) 地质年代、沉积环境和粒度组成等是影响海洋沉积物物理力学性质的重要因素。

    致谢 本研究的数据及样品采集得到国家自然科学基金委员会共享航次计划(航次编号:NORC2015-06)的资助,航次由中国科学院南海海洋研究所“实验3号”科考船实施;王振豪、文明征、季福东、黄萌也参与了取样工作,在此一并致谢。
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