南海海底沉積物的類型及工程特征

1、南海海底沉積物的類型及工程特征江飛 一、區(qū)域地質(zhì)背景南海海盆面積約350 x 10km，由于它位于歐亞板塊、太平洋板塊、印度洋板塊交匯處，因此它的形成和發(fā)展，既受控于NE向的太平洋板塊的俯沖作用，同時(shí)它也受控于NW和EW向的古特提斯海的封閉作用的影響。所以，南海構(gòu)造和海底地形地貌十分復(fù)雜，既有水深較淺的平坦的南海北部陸架區(qū)，也有海底地形、地貌復(fù)雜的南海陸坡區(qū)和平坦的深海平原區(qū)。在不同的地形地貌背景上，它又沉積了厚度不一，各種不同類型的現(xiàn)代(Q）海洋沉積物。由于海洋細(xì)粒土是一種分布較廣，具有其固有特性而且對海底工程建設(shè)和海洋開發(fā)有重要影響的一種軟弱地基土。因此，對它的研究具有明顯的實(shí)際意義和理論

2、意義。2、 南海北部陸架淺海相淤泥質(zhì)細(xì)粒土 (一)基本特點(diǎn)南海北部陸架淺海相淤泥質(zhì)細(xì)粒土，主要分布在水深小于30m的內(nèi)陸架現(xiàn)代沉積區(qū)，水深大于30m的中陸架混合殘留沉積區(qū)的部分地段也有分布。它們主要是華南大陸水系將陸源物質(zhì)搬運(yùn)入海沉積而成，主要由淤泥質(zhì)粘土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘土等類型構(gòu)成。沉積物顆粒較細(xì)，中值粒徑介于0.1-0.005mm，分選差，沉積韻律明顯，一般多呈深灰色，含有機(jī)質(zhì)、鐵質(zhì)高，頻率曲線都呈雙峰或多峰狀。碎屑礦物、重礦物含量遠(yuǎn)比南海陸坡半深海相細(xì)粒土為高。它們和一般淤泥質(zhì)細(xì)粒土相似，其工程特性具含水量高于液限、孔隙比大于1，壓縮性大、強(qiáng)度小、處于汗流狀態(tài)的特點(diǎn)。據(jù)、測年，

3、其沉積速率大，一般為0.1-0.25cm/a。(2) 物質(zhì)組成1. 顆粒成分與團(tuán)粒成分根據(jù)風(fēng)干土樣顆粒成分(加分散劑)及團(tuán)粒成分(不加分散劑)分析結(jié)果，該土主要由粘土顆粒、粉砂顆粒、細(xì)砂顆粒組成。天然狀態(tài)下，大部分粘粒呈0.01-0.005mm的微集聚體形式存在(表1)。2.礦物成分砂粒、粉砂粒主要是由石英、長石、云母和少量欽鐵礦、黃鐵礦、電氣石等組成。在一些樣品中也常見生物貝殼碎片夾雜其中。大部分石英顆粒為半透明狀，表面呈黃褐色，形狀比較規(guī)則，輪廓圓滑。少部分則相反，表面干凈而且透明，無規(guī)則的形狀，棱角十分清楚。粘土顆粒主要是由粘土礦物組成。根據(jù)X一射線衍射及透射電鏡測定結(jié)果，主要粘土礦物是

4、伊利石、蒙脫石加混層礦物、高嶺石和綠泥石(表2)。3.化學(xué)成分南海淤泥質(zhì)細(xì)粒土化學(xué)成分主要是由SiO, A1O, CaO, FeO組成，含量高達(dá)90%左右，另含少量的KO, NaO, MgO, PO, Ti0等。細(xì)粒沉積物中，可溶鹽含量約占1%,有機(jī)質(zhì)含量較高,介于0.5-2%之間(表3)，可溶鹽Mg+ ,Na+,K為主，符合海洋沉積物的特點(diǎn)。(三)物理化學(xué)性質(zhì)比表面積、交換容量及交換性陽離子、pH值等參數(shù)，是表征細(xì)粒土物理化學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)(表4)。比表面積用BET流動(dòng)甲醇吸附法測定，從粘土礦物成分及交換容量來看，比表面積數(shù)值偏低，可能是試樣潮解吸水的影響。交換容量和交換性陽離子成分，用Ba

5、Cl-HS0法測定，交換容量與交換性鹽基之和相近，這與土的pH值大于7相符合。交換性鹽基成分以鈣為主，說明為陸源物質(zhì)。此外，Ca+在自然界為凝聚劑，故粘上顆粒在淤泥質(zhì)細(xì)粒土中，呈微集聚體存在，因此必須加分散劑才能把它們分散成原始狀態(tài)的粘土顆粒。 (四)微結(jié)構(gòu)特征微結(jié)構(gòu)特征是研究細(xì)粒土的物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)特征的重要鑰匙。由于南海北部陸架淺海相淤泥質(zhì)細(xì)粒土飽水、含水量高，為了防止土樣在干燥過程中收縮變化，而破壞原始結(jié)構(gòu)，我們采用低溫冷凍真空升華干燥法制備樣品，并用掃描電子顯微鏡觀察和拍攝微結(jié)構(gòu)照片(照片1-5 )。1.微結(jié)構(gòu)單元體(1)原始粘土微粒 薄片狀，長度1-3u，厚度極薄，少量微管狀(照片

6、1)，是最小的結(jié)構(gòu)單元，大多集聚成微集聚體。(2)微集聚體主要由數(shù)個(gè)原始粘土微粒集聚而成，分布最廣的有兩種，一種是等軸狀，近似球狀，由薄片狀或微管狀粘土微粒以面一面、面邊組合而成，大小在5-10u;另一種是葉片狀，由薄片狀粘土微粒以面-面或低角度面-邊組合構(gòu)成，長度約10 u.或小于10u(照片1-5)。這兩種微集聚體是最基本的微結(jié)構(gòu)單元，它們是抗水性強(qiáng)的集聚體，也即是團(tuán)粒分析中的微集聚體，其中粘土顆粒間的連接作用超過了水化膜形成的斥力，只有加分散劑，它們之間的連接才能破壞。(3) 礦物顆粒 主要是碎屑礦物的碎屑，形狀不規(guī)則，輪廓較圓滑，多被粘土物質(zhì)包裹呈分散狀分布，其顆粒大小是細(xì)砂和粉砂(照

7、片2)。(4)生物碎屑 這是海相沉積物中所特征的結(jié)構(gòu)單元。南海北部陸架淤泥質(zhì)土含有大量大小不等的生物遺體和碎片，其大小相當(dāng)于細(xì)砂和粉砂顆粒(照片3 )。2.微結(jié)構(gòu)類型(1)蜂窩狀微結(jié)構(gòu)研究的土樣中最多的就是蜂窩狀結(jié)構(gòu)(照片4)。其特征是具開口大孔隙，蜂窩一般成等軸狀，直徑5 -10u.，蜂窩壁由葉片狀微集聚體以小角度面一邊組合而成。壁的厚度變化較大，厚者可達(dá)5u，薄者小于2u(見照片4)。蜂窩狀孔隙屬微集聚體間的孔隙。從照片2, 4看出，蜂窩狀微結(jié)構(gòu)是由粘土微粒構(gòu)成，砂粒、粉砂粒則呈分散狀隱伏在其中。(2) 疏松基質(zhì)狀微結(jié)構(gòu) 它們主要由大小不等、形狀各異的生物碎片、礦物顆粒和粘粒微集聚體呈不定

8、向的不規(guī)則狀構(gòu)成?？紫逗馨l(fā)育，故稱之謂疏松基質(zhì)狀微結(jié)構(gòu)?？紫抖嗍钦沉Ｎ⒓垠w、生物碎片、礦物顆粒之間的孔隙，孔隙大小、形狀多變無規(guī)律(照片3、5)。(五)物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)南海北部陸架區(qū)不論是河口相、濱海相，還是淺海相的淤泥質(zhì)細(xì)粒土，它們都具有相似的工程地質(zhì)性質(zhì)，天然含水量高于液限、孔隙比大于1，壓縮性大、強(qiáng)度小，處于潛流狀態(tài)。為了便于和半深海相、大洋深海相的細(xì)粒沉積物進(jìn)行比較，筆者將南海北部陸架區(qū)的淤泥質(zhì)細(xì)粒土，統(tǒng)稱謂“淺海相淤泥質(zhì)細(xì)粒上”(表5)。南海北部陸架淺海相淤泥質(zhì)細(xì)粒土，物理性質(zhì):含水量較高，介于29 . 8-83 . 3 % ,密度r在1 .54-1.84g/cm³。孔

9、隙比e都大于1，介于1 -1.959，孔隙度n較大，介于48. 82-66.20%(反映細(xì)粒土天然結(jié)構(gòu)定量指標(biāo)之一)，充分說明土質(zhì)十分松軟。液限數(shù)值介于27.3-48.5%，都小于天然含水量，塑限17.7-28%，液性指數(shù)都大于1，塑性指數(shù)變化范圍大，介于9.6-28。力學(xué)性質(zhì):壓縮性較大，壓縮系數(shù)av變化范圍大，介于0.58-3.13Mpa，壓縮模量E在0.77-3.4Mpa，抗剪強(qiáng)度= 0，內(nèi)聚力C=1-28KPa之間。三、南海北部陸坡半深海相細(xì)粒土南海北部陸坡海底地形起伏變化很大，上大陸坡海底沉積物由于受大陸架外緣古砂帶的影響，主要分布以粉砂、細(xì)砂、中砂為主的粗粒沉積物。水深大于1000

10、m的中大陸坡和下大陸坡地區(qū)則分布著以半深海相深灰色粘土為主的細(xì)粒沉積物。根據(jù)我們研究結(jié)果，南海北部陸坡半深海相細(xì)粒土，無論從其物質(zhì)成分、物理力學(xué)性質(zhì)來看，都與南海北部陸架淤泥質(zhì)細(xì)粒土有很大的差別，具有其特殊的固有的工程地質(zhì)特性，其沉積速率小，僅是0.9cm/ka。(一)物質(zhì)成分我們以HY861站位南海北部陸坡半深海相粘土分析結(jié)果為例，來探討其物質(zhì)成分(表6)。粒度成分以粘土為主，0-2.32m，粘土含量高達(dá)41.74-55.28%，占了一半。粉砂次之，為45.32-31.07%，細(xì)砂含量僅是12.95-15.89%。充分說明陸坡細(xì)粒土遠(yuǎn)較陸架淤泥質(zhì)細(xì)粒土為細(xì)，粘土含量高。粉砂、細(xì)砂顆粒鏡下觀察

11、，多呈次棱角狀一棱角狀、磨圓差。礦物成分以粘土礦物為主，含量高達(dá)89-93%。粘土礦物以伊利石含量最高，達(dá)47-54%，其次是蒙脫石(16-27%)、綠泥石(17-20%) ,高嶺石(8-13%)。碎屑礦物主要是長石、石英、輝石、黃鐵礦等，含量分別都小于1%。生物以半深水、深水生物為主。主要是有孔蟲、硅藻、放射蟲、海綿骨針等，含量小于10%。化學(xué)成分以Si0, A10, Fe0, Ca0含量為主，其次是MgO, Na0, KO。有機(jī)質(zhì)含量也較高，介于0.5-1.2%之間。(二)物理性質(zhì)與力學(xué)性質(zhì)南海北部陸坡半深海相粘土，其物理性質(zhì)與力學(xué)性質(zhì)與陸架淤泥質(zhì)細(xì)粒土具有明顯的差別，同樣，我們也以HY8

12、61站位半深海粘土說明之。天然含水量高達(dá)130%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陸架細(xì)粒土的含水量數(shù)值。液限同樣如此，高達(dá)74-79.5%。天然密度小，僅1.3-1.4g/cm3。孔隙比高達(dá)3以上，孔隙度(反映細(xì)粒土微結(jié)構(gòu)特征的指標(biāo))很高，達(dá)76.3-77.97%。其壓縮系數(shù)高達(dá)3.88-4.2Mpa，抗剪強(qiáng)度小，僅在1.0-15Kpa之間。從上述特征，充分說明南海北部陸坡半深海相粘土是一種有別于北部陸架淤泥質(zhì)細(xì)粒土的半深海相細(xì)粒土。它的物理性質(zhì)較陸架細(xì)粒土差，壓縮性同樣也較陸架細(xì)粒土差，但抗剪強(qiáng)度卻和北部陸架土基本相當(dāng)，這個(gè)特點(diǎn)完全是受其物質(zhì)成分和微結(jié)構(gòu)特征所控制。四、分析與討論1.沉積環(huán)境和沉積作用過程是決

13、定海洋細(xì)粒沉積物工程地質(zhì)性質(zhì)重要的宏觀因素。這因?yàn)樗鼪Q定了在不同環(huán)境條件下形成的沉積物的沉積和固結(jié)過程中所發(fā)生的物理、化學(xué)、生物作用的特點(diǎn)。我們從表5、表7明顯看出，南海北部陸架，陸坡細(xì)粒上其物理性質(zhì)如，天然含水量W,孔隙比e、孔隙度n、液限WL、塑限WP,塑性指數(shù)Ip、液性指數(shù)I;隨著水深的變化，也即隨著沉積環(huán)境由陸架向陸坡的轉(zhuǎn)化，其數(shù)值具有逐漸加大的趨勢。而比重G，天然密度r相反，它們具有減小的規(guī)律。同樣，它們的力學(xué)性質(zhì)壓縮系數(shù)av,由陸架向陸坡具加大的規(guī)律，壓縮模量Es,抗剪強(qiáng)度則具減小的趨勢。2.根據(jù)南海北部陸架細(xì)粒土、南海陸坡細(xì)粒土的上述分析測試結(jié)果，我們明顯地看到陸架細(xì)粒土碎屑礦物

14、、重礦物含量高達(dá)30%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸坡細(xì)粒土碎屑礦物<10%的含量。而表征細(xì)粒土微結(jié)構(gòu)特征的指標(biāo)之一的孔隙比e、孔隙度n的數(shù)值，陸架細(xì)粒土又遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于陸坡細(xì)粒土的數(shù)值，這也就是說，從物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)特征上來說，陸架細(xì)粒土的天然密度r必然大于陸坡細(xì)粒土的天然密度r。這和我們的測試結(jié)果完全一致。3.南海陸架細(xì)粒土、南海陸坡細(xì)粒土的顆粒成分、粘土礦物含量都有很大差別。陸架細(xì)粒土主要是由粉砂顆粒、粘土顆粒組成，而陸坡細(xì)粒土主要是由粘土顆粒、粉砂顆粒組成。陸坡細(xì)粒土粘土含量高，粘土礦物含量也高，高達(dá)90%。因此陸坡細(xì)粒土的比表面積、離子交換容量必然高于陸架細(xì)粒土，其結(jié)果必然導(dǎo)致南海陸坡細(xì)粒土的塑性指

15、標(biāo)，液限WL、塑限WP、塑性指數(shù)IP、液性指數(shù)IL數(shù)值也高于南海陸架細(xì)粒土(表5,表7)。4. 由于南海陸坡細(xì)粒土土質(zhì)松軟，孔隙度高達(dá)76.3-77.8%、孔隙比高達(dá)3.22-3.54，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于南海陸架孔隙度n和孔隙比e的數(shù)值。因此陸坡細(xì)粒土的壓縮系數(shù)av(3.88-4 .2Mpa)必然大于南海陸架細(xì)粒土的壓縮系數(shù)(0.6-3.13Mpa)。5. 南海北部陸架、北部陸坡細(xì)粒土綜觀其主要特征，都是一種含高分散粘粒多的一種細(xì)粒土，它們主要是由粉砂、粘土顆粒組成。目前仍處于水下沉積階段，尚未經(jīng)過脫水壓密固結(jié)作用，在粘土顆粒凝聚沉積過程中形成的蜂窩狀微結(jié)構(gòu)特征保存完好。這種微結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是具大量開口孔隙

16、，結(jié)構(gòu)單元間的連接為凝聚型，單元問存在有均衡的水化膜，而不能直接接觸，靠分子力的作用來維系)。因此，它們都具有高含水量，含水量都大于液限，土質(zhì)松軟，孔隙比都大于1，壓縮性大，抗剪強(qiáng)度小，都處于潛流狀態(tài)的特點(diǎn)。但由于它們各自的沉積環(huán)境不同，物質(zhì)來源不同，故物質(zhì)成分、物理化學(xué)特征也有所不同，這必然導(dǎo)致它們的物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)也產(chǎn)生較大差異。參考文獻(xiàn)：1 牛作民，薄遵昭.南海北部陸架區(qū)淤泥類土的工程地質(zhì)特征A.廣州國際海洋工程地質(zhì)討論會(huì)文選C.北京:地質(zhì)出版社，1994. 165-172.2 陳俊仁.土工測試A.馮志強(qiáng)等.南海北部地質(zhì)災(zāi)害及海底工程地質(zhì)條件評價(jià)M .南京:河海人學(xué)出版社，1996. 124-140.3 牛作民.南海海底細(xì)粒土的工程地質(zhì)基本特征J.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，1992, 12(1): 15-25.4 楊位,溫耀霖,盧博.珠江口外淺海區(qū)底質(zhì)的工程性質(zhì)研究J.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào).1995, 23( 1) : 135 - 1435 溫耀霖