南海海底沉积物的类型及工程特征

南海海底沉积物的类型及工程特征江飞一、区域地质背景南海海盆面积约350x104km2，由于它位于欧亚板块、太平洋板块、印度洋板块交汇处，因此它的形成和发展，既受控于NE向的太平洋板块的俯冲作用，同时它也受控于NW和EW向的古特提斯海的封闭作用的影响。所以，南海构造和海底地形地貌十分复杂，既有水深较浅的平坦的南海北部陆架区，也有海底地形、地貌复杂的南海陆坡区和平坦的深海平原区。在不同的地形地貌背景上，它又沉积了厚度不一，各种不同类型的现代(Q4）海洋沉积物。由于海洋细粒土是一种分布较广，具有其固有特性而且对海底工程建设和海洋开发有重要影响的一种软弱地基土。因此，对它的研究具有明显的实际意义和理论意义。二、南海北部陆架浅海相淤泥质细粒土(一)基本特点南海北部陆架浅海相淤泥质细粒土，主要分布在水深小于30m的内陆架现代沉积区，水深大于30m的中陆架混合残留沉积区的部分地段也有分布。它们主要是华南大陆水系将陆源物质搬运入海沉积而成，主要由淤泥质粘土质粉砂、粉砂质粘土、砂质粘土等类型构成。沉积物颗粒较细，中值粒径介于0.1-0.005mm，分选差，沉积韵律明显，一般多呈深灰色，含有机质、铁质高，频率曲线都呈双峰或多峰状。碎屑矿物、重矿物含量远比南海陆坡半深海相细粒土为高。它们和一般淤泥质细粒土相似，其工程特性具含水量高于液限、孔隙比大于1，压缩性大、强度小、处于汗流状态的特点。据C14、Pb210测年，其沉积速率大，一般为0.1-0.25cm/a。(二)物质组成1.颗粒成分与团粒成分根据风干土样颗粒成分(加分散剂)及团粒成分(不加分散剂)分析结果，该土主要由粘土颗粒、粉砂颗粒、细砂颗粒组成。天然状态下，大部分粘粒呈0.01-0.005mm的微集聚体形式存在(表1)。2.矿物成分砂粒、粉砂粒主要是由石英、长石、云母和少量钦铁矿、黄铁矿、电气石等组成。在一些样品中也常见生物贝壳碎片夹杂其中。大部分石英颗粒为半透明状，表面呈黄褐色，形状比较规则，轮廓圆滑。少部分则相反，表面干净而且透明，无规则的形状，棱角十分清楚。粘土颗粒主要是由粘土矿物组成。根据X一射线衍射及透射电镜测定结果，主要粘土矿物是伊利石、蒙脱石加混层矿物、高岭石和绿泥石(表2)。3.化学成分南海淤泥质细粒土化学成分主要是由SiO2,A12O3,CaO,Fe2O3组成，含量高达90%左右，另含少量的K2O,Na2O,MgO,P2O5,Ti02等。细粒沉积物中，可溶盐含量约占1%,有机质含量较高,介于0.5-2%之间(表3)，可溶盐Mg++,Na++,K为主，符合海洋沉积物的特点。(三)物理化学性质比表面积、交换容量及交换性阳离子、pH值等参数，是表征细粒土物理化学性质的重要指标(表4)。比表面积用BET流动甲醇吸附法测定，从粘土矿物成分及交换容量来看，比表面积数值偏低，可能是试样潮解吸水的影响。交换容量和交换性阳离子成分，用BaCl2-H2S04法测定，交换容量与交换性盐基之和相近，这与土的pH值大于7相符合。交换性盐基成分以钙为主，说明为陆源物质。此外，Ca++在自然界为凝聚剂，故粘上颗粒在淤泥质细粒土中，呈微集聚体存在，因此必须加分散剂才能把它们分散成原始状态的粘土颗粒。(四)微结构特征微结构特征是研究细粒土的物理性质、力学性质特征的重要钥匙。由于南海北部陆架浅海相淤泥质细粒土饱水、含水量高，为了防止土样在干燥过程中收缩变化，而破坏原始结构，我们采用低温冷冻真空升华干燥法制备样品，并用扫描电子显微镜观察和拍摄微结构照片(照片1-5)。1.微结构单元体(1)原始粘土微粒薄片状，长度1-3u，厚度极薄，少量微管状(照片1)，是最小的结构单元，大多集聚成微集聚体。(2)微集聚体主要由数个原始粘土微粒集聚而成，分布最广的有两种，一种是等轴状，近似球状，由薄片状或微管状粘土微粒以面一面、面边组合而成，大小在5-10u;另一种是叶片状，由薄片状粘土微粒以面-面或低角度面-边组合构成，长度约10u.或小于10u(照片1-5)。这两种微集聚体是最基本的微结构单元，它们是抗水性强的集聚体，也即是团粒分析中的微集聚体，其中粘土颗粒间的连接作用超过了水化膜形成的斥力，只有加分散剂，它们之间的连接才能破坏。(3)矿物颗粒主要是碎屑矿物的碎屑，形状不规则，轮廓较圆滑，多被粘土物质包裹呈分散状分布，其颗粒大小是细砂和粉砂(照片2)。(4)生物碎屑这是海相沉积物中所特征的结构单元。南海北部陆架淤泥质土含有大量大小不等的生物遗体和碎片，其大小相当于细砂和粉砂颗粒(照片3)。2.微结构类型(1)蜂窝状微结构研究的土样中最多的就是蜂窝状结构(照片4)。其特征是具开口大孔隙，蜂窝一般成等轴状，直径5-10u.，蜂窝壁由叶片状微集聚体以小角度面一边组合而成。壁的厚度变化较大，厚者可达5u，薄者小于2u(见照片4)。蜂窝状孔隙属微集聚体间的孔隙。从照片2,4看出，蜂窝状微结构是由粘土微粒构成，砂粒、粉砂粒则呈分散状隐伏在其中。(2)疏松基质状微结构它们主要由大小不等、形状各异的生物碎片、矿物颗粒和粘粒微集聚体呈不定向的不规则状构成。孔隙很发育，故称之谓疏松基质状微结构。孔隙多是粘粒微集聚体、生物碎片、矿物颗粒之间的孔隙，孔隙大小、形状多变无规律(照片3、5)。(五)物理性质和力学性质南海北部陆架区不论是河口相、滨海相，还是浅海相的淤泥质细粒土，它们都具有相似的工程地质性质，天然含水量高于液限、孔隙比大于1，压缩性大、强度小，处于潜流状态。为了便于和半深海相、大洋深海相的细粒沉积物进行比较，笔者将南海北部陆架区的淤泥质细粒土，统称谓“浅海相淤泥质细粒上”(表5)。南海北部陆架浅海相淤泥质细粒土，物理性质:含水量较高，介于29.8-83.3%,密度r在1.54-1.84g/cm³。孔隙比e都大于1，介于1-1.959，孔隙度n较大，介于48.82-66.20%(反映细粒土天然结构定量指标之一)，充分说明土质十分松软。液限数值介于27.3-48.5%，都小于天然含水量，塑限17.7-28%，液性指数都大于1，塑性指数变化范围大，介于9.6-28。力学性质:压缩性较大，压缩系数av变化范围大，介于0.58-3.13Mpa1，压缩模量Es在0.77-3.4Mpa，抗剪强度φ=0，内聚力C=1-28KPa之间。三、南海北部陆坡半深海相细粒土南海北部陆坡海底地形起伏变化很大，上大陆坡海底沉积物由于受大陆架外缘古砂带的影响，主要分布以粉砂、细砂、中砂为主的粗粒沉积物。水深大于1000m的中大陆坡和下大陆坡地区则分布着以半深海相深灰色粘土为主的细粒沉积物。根据我们研究结果，南海北部陆坡半深海相细粒土，无论从其物质成分、物理力学性质来看，都与南海北部陆架淤泥质细粒土有很大的差别，具有其特殊的固有的工程地质特性，其沉积速率小，仅是0.9cm/ka。(一)物质成分我们以HY4861站位南海北部陆坡半深海相粘土分析结果为例，来探讨其物质成分(表6)。粒度成分以粘土为主，0-2.32m，粘土含量高达41.74-55.28%，占了一半。粉砂次之，为45.32-31.07%，细砂含量仅是12.95-15.89%。充分说明陆坡细粒土远较陆架淤泥质细粒土为细，粘土含量高。粉砂、细砂颗粒镜下观察，多呈次棱角状一棱角状、磨圆差。矿物成分以粘土矿物为主，含量高达89-93%。粘土矿物以伊利石含量最高，达47-54%，其次是蒙脱石(16-27%)、绿泥石(17-20%),高岭石(8-13%)。碎屑矿物主要是长石、石英、辉石、黄铁矿等，含量分别都小于1%。生物以半深水、深水生物为主。主要是有孔虫、硅藻、放射虫、海绵骨针等，含量小于10%。化学成分以Si02,A1203,Fe203,Ca0含量为主，其次是MgO,Na20,K2O。有机质含量也较高，介于0.5-1.2%之间。(二)物理性质与力学性质南海北部陆坡半深海相粘土，其物理性质与力学性质与陆架淤泥质细粒土具有明显的差别，同样，我们也以HY4861站位半深海粘土说明之。天然含水量高达130%以上，远远大于陆架细粒土的含水量数值。液限同样如此，高达74-79.5%。天然密度小，仅1.3-1.4g/cm3。孔隙比高达3以上，孔隙度(反映细粒土微结构特征的指标)很高，达76.3-77.97%。其压缩系数高达3.88-4.2Mpa1，抗剪强度小，仅在1.0-15Kpa之间。从上述特征，充分说明南海北部陆坡半深海相粘土是一种有别于北部陆架淤泥质细粒土的半深海相细粒土。它的物理性质较陆架细粒土差，压缩性同样也较陆架细粒土差，但抗剪强度却和北部陆架土基本相当，这个特点完全是受其物质成分和微结构特征所控制。四、分析与讨论1.沉积环境和沉积作用过程是决定海洋细粒沉积物工程地质性质重要的宏观因素。这因为它决定了在不同环境条件下形成的沉积物的沉积和固结过程中所发生的物理、化学、生物作用的特点。我们从表5、表7明显看出，南海北部陆架，陆坡细粒上其物理性质如，天然含水量W,孔隙比e、孔隙度n、液限WL、塑限WP,塑性指数Ip、液性指数I;随着水深的变化，也即随着沉积环境由陆架向陆坡的转化，其数值具有逐渐加大的趋势。而比重G，天然密度r相反，它们具有减小的规律。同样，它们的力学性质压缩系数av,由陆架向陆坡具加大的规律，压缩模量Es,抗剪强度则具减小的趋势。2.根据南海北部陆架细粒土、南海陆坡细粒土的上述分析测试结果，我们明显地看到陆架细粒土碎屑矿物、重矿物含量高达30%以上，远远高于陆坡细粒土碎屑矿物10%的含量。而表征细粒土微结构特征的指标之一的孔隙比e、孔隙度n的数值，陆架细粒土又远远小于陆坡细粒土的数值，这也就是说，从物质成分和结构特征上来说，陆架细粒土的天然密度r必然大于陆坡细粒土的天然密度r。这和我们的测试结果完全一致。3.南海陆架细粒土、南海陆坡细粒土的颗粒成分、粘土矿物含量都有很大差别。陆架细粒土主要是由粉砂颗粒、粘土颗粒组成，而陆坡细粒土主要是由粘土颗粒、粉砂颗粒组成。陆坡细粒土粘土含量高，粘土矿物含量也高，高达90%。因此陆坡细粒土的比表面积、离子交换容量必然高于陆架细粒土，其结果必然导致南海陆坡细粒土的塑性指标，液限WL、塑限WP、塑性指数IP、液性指数IL数值也高于南海陆架细粒土(表5,表7)。4.由于南海陆坡细粒土土质松软，孔隙度高达76.3-77.8%、孔隙比高达3.22-3.54，远远大于南海陆架孔隙度n和孔隙比e的数值。因此陆坡细粒土的压缩系数av(3.88-4.2Mpa1)必然大于南海陆架细粒土的压缩系数(0.6-3.13Mpa1)。5.南海北部陆架、北部陆坡细粒土综观其主要特征，都是一种含高分散粘粒多的一种细粒土，它们主要是由粉砂、粘土颗粒组成。目前仍处于水下沉积阶段，尚未经过脱水压密固结作用，在粘土颗粒凝聚沉积过程中形成的蜂窝状微结构特征保存完好。这种微结构的特点是具大量开口孔隙，结构单元间的连接为凝聚型，单元问存在有均衡的水化膜，而不能直接接触，靠分子力的作用来维系)。因此，它们都具有高含水量，含水量都大于液限，土质松软，孔隙比都大于1，压缩性大，抗剪强度小，都处于潜流状态的特点。但由于它们各自的沉积环境不同，物质来源不同，故物质成分、物理化学特征……也有所不同，这必然导致它们的物理性质、力学性质也产生较大差异。参考文献：[1]牛作民，薄遵昭.南海北部陆架区淤泥类土的工程地质特征[A].广州国际海洋工程地质讨论会文选[C].北京:地质出版社，1994.165-172.[2]陈俊仁.土工测试[A].冯志强等.南海北部地质灾害及海底工程地质条件评价[M].南京:河海人学出版社，1996.124-140.[3]牛作民.南海海底细粒土的工程地质基本特征[J].海洋地质与第四纪地质，1992,12(1):15-25.[4]杨位,温耀霖,卢博.珠江口外浅海区底质的工程性质研究[J].华南理工大学学报.1995,23(1):135-143[5]温耀霖，潘健，吴湘兴.珠江三角洲软土的微观结构与力学特性[J].华南理工大学学报，1995,23(1):144-152[6]卢博，李赶先，黄韶健.