任玉賓， 朱興運， 周令新， 祖 超， 王忠濤， 裴華富， 王 胤， 楊 慶

(大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

南海西部海盆深海沉積物物理性質(zhì)初探?

任玉賓， 朱興運， 周令新， 祖 超， 王忠濤， 裴華富， 王 胤??， 楊 慶

(大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

針對從中國南海西部某海域2 000多米水深水域采集的柱狀樣和表層樣進行初步分析，探究該區(qū)域海底沉積物的基本物理性質(zhì)，獲得天然含水率、天然密度、比重、孔隙比、液塑限、粒度特征等指標。結果表明：南海西部深海沉積物類型均為黏土，相比于近海沉積物，具有高含水率、低密度、高孔隙比、高液塑限和高黏粒含量等特點；不同站位沉積物物理性質(zhì)略有差異，柱狀樣物理性質(zhì)隨沉積深度不同稍有波動；沉積物的天然含水率遠大于液限，屬于一種高敏感度黏性土，且其高塑性指數(shù)的特征與黏粒含量較高有關。該研究獲得的南海深水域土樣基本物理性質(zhì)為今后對該海域沉積物研究及進行相關海洋工程建設提供重要的參考數(shù)據(jù)。

南海西部；深海沉積物；物理性質(zhì)；液塑限；粒度特征

深海沉積物一般是指水深大于2 000 m的海底沉積物質(zhì)[1]，來源主要包括海洋生物殘骸、陸源物質(zhì)輸送、海洋自生礦物、海洋火山噴發(fā)和宇源隕石顆粒等[2]。受復雜海洋環(huán)境、地理位置、水深、洋流方向和構造活動等影響，不同區(qū)域、不同類型的沉積物成分和物理力學性質(zhì)差異明顯。

隨著我國海洋工程的不斷發(fā)展，海底尤其是深海沉積物需要更深入的探索，近十幾年來，許多學者和科研單位對不同海域的沉積物進行了物理力學性質(zhì)方面的研究。王凱等[3]通過現(xiàn)場和室內(nèi)土工試驗對渤海灣北部表層沉積物進行分類，并研究和測定各項物理力學性質(zhì)和抗剪強度指標。韓宗珠等[4]針對取自渤海灣北部的表層和柱狀樣，分析了其黏土礦物含量、分布和組合等特征。張劍等[5]分析了渤海東部和黃海北部表層沉積物的粒度特征，并討論了不同沉積區(qū)的沉積環(huán)境；周曉靜等[6]分析了東海陸架表層沉積物黏土礦物組成分布特征及來源。

以上研究主要針對近海和淺海沉積物，深海沉積物由于受水深、洋流和沉積環(huán)境等因素的影響，會表現(xiàn)出不同的性質(zhì)。盧博等[7]采用各種物理技術方法，綜合分析了南海北部大陸架海底沉積物的結構特征和物理力學性質(zhì)。魏巍[8]、劉文濤等[9]和于彥江等[10]分別對南海中沙、西沙海槽東部和西太平洋區(qū)域海底沉積物的物理力學性質(zhì)進行了研究，得出深海沉積物具有不同于近海沉積物物理力學性質(zhì)的結論。張富元等[11-12]對南海東部海域沉積物的粒度分布特征、沉積作用和物質(zhì)來源進行研究，并結合南海中部沉積物等大量粒度參數(shù)和指標對深海沉積物進行了系統(tǒng)分類和規(guī)范命名[1]。

本文針對取自南海西部海盆的柱狀和表層沉積物進行初步分析，測定天然含水率、天然密度、比重、孔隙比、液塑限、粒度特征等基本物理參數(shù)和土力學指標，目的為該海域海洋資源開發(fā)和利用提供必要的科學依據(jù)和指導。

1 取樣過程及樣品信息

1.1 研究區(qū)域概況

南海西部某區(qū)域位于越南以東，西沙群島以南，水深從西北到東南逐漸增大，最深處達5 000多米。對該區(qū)域的考察來源于國家基金委2016年某共享航次，由中國科學院南海海洋研究所“實驗3”號綜合科學考察船承擔，研究區(qū)域如圖1所示。

圖1 取樣區(qū)域及站位Fig.1 Sampling area and position

1.2 取樣設備和樣品信息

本研究中海底沉積物的取樣設備包括重力柱狀取樣器和箱式取樣器，如圖2所示。

圖2 取樣設備Fig.2 Sample device

通過船載起重設備將取樣器以一定速度下放到海水中，并實時監(jiān)測取樣器下沉深度以及海水深度。重力柱狀取樣器和箱式取樣器取樣原理不同，柱狀取樣器下端有一根金屬圓管，并在尾部配重，待取樣器接近海床表面時，加快纜繩下放速度，依靠重力將金屬管扎到海底沉積物中。金屬管內(nèi)部套有等直徑的PVC裝樣管，金屬管端部和尾部裝有金屬瓣膜，防止提升過程中樣品滑出或被水沖刷侵蝕。而箱式取樣器則采用“抓斗式”取樣方法，當取樣器接觸到海床表面時，抓斗卡銷自動彈開，提升取樣器，抓斗合攏，將土樣切割并保留在取樣箱中[13]。

本研究采集的樣品包括重力柱狀樣和箱式表層樣，如圖3所示。取樣位置的水深均超過2 000 m，樣品基本信息如表1所示。

圖3 樣品照片F(xiàn)ig.3 Photographs of samples

從圖3可以看出，深層柱狀樣品顏色為灰色，而表層樣品則為黃褐色，不同深度沉積物的這種顏色差異主要受沉積物的組分(化學成分(如鐵元素)、礦物組成)、有機質(zhì)含量、結構等因素影響[14]。

表1 樣品基本信息Table 1 Basic information of samples

2 試驗方法和過程

對采集的樣品進行分割、密封、保溫等處理，運回室內(nèi)實驗室，并在4°C條件下進行保存。柱狀樣按照不同深度分層做相應的試驗，箱式表層樣取樣過程擾動太大，且樣品量較少，只進行含水率、土粒比重和粒度分析試驗。

天然含水率采用烘干法，烘干溫度保持在75°C，防止溫度過高破壞樣品中的有機質(zhì)，對于柱狀樣，在一個測試段內(nèi)取上、中、下三層進行試驗，取平均值作為該段含水率代表值；天然密度采用環(huán)刀法；比重采用比重瓶法；孔隙比由以上三個參數(shù)換算；液塑限采用液塑限聯(lián)合測定儀。

由于沉積物顆粒很細，烘干碾碎篩分后沒有超過1mm的顆粒，故粒度分布采用目前較為主流的激光粒度儀法進行測定。本研究中采用英國馬爾文儀器公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000型激光衍射粒度分析儀，測量范圍為0.02～2 000 μm，測量過程包括光路校正、添加分散液、扣除背景、添加樣品、數(shù)據(jù)采集等，進行三次平行測試取平均值作為最終結果，整個操作過程不超過兩分鐘，方便快捷，數(shù)據(jù)可靠，誤差不大于3%。

在進行測量前，預先對樣品進行以下處理：取一定質(zhì)量的天然土在75°C溫度下烘干24h；用橡膠研頭將烘干樣品小心碾成粉末狀；取一定量碾碎的樣品與去離子水充分混合，靜置一段時間后，采用真空抽濾法去除易溶鹽；將留在濾紙上的樣品小心洗到錐形瓶中，加入適量30%濃度的H2O2去除有機質(zhì)；采用沙浴法對懸濁液煮沸1 h以上；冷卻后加入適量4%濃度的六偏磷酸鈉分散劑；將懸濁液混合均勻后，用移液管取適量樣品進行分析。以上試驗均嚴格按照相關規(guī)范[15]進行操作，且同一試驗交由同一人員進行，避免出現(xiàn)人為誤差。

3 試驗結果和討論

3.1 含水率、密度、比重、孔隙比和液塑限

沉積物的天然含水率w結果如圖4所示，60#柱狀樣天然含水率變化范圍為123.8% ～152.6%，平均含水率為139.9%，90#柱狀樣含水率變化范圍為129.2%～168.0%，平均值為152.8%，83#和92#表層樣含水率分別為167.9%和142.9%。

從圖4可以看出，不同點位沉積物的含水率有所差別，90#柱狀樣含水率整體大于60#，且都隨沉積深度不同而略有波動。四個站位的沉積物均具有較高的天然含水率，總平均值為145.8%， 與我國其他海域沉積物的平均含水率對比可以發(fā)現(xiàn)(見表3)，本研究區(qū)域沉積物的含水率比近海沉積物要高很多，具有深海沉積物高含水率的特點[10,16]。

沉積物的天然密度(結果如圖5所示，從圖中可知，60#柱狀樣天然密度變化范圍為1.34～1.44 g/cm3，平均值為1.37 g/cm3，90#柱狀樣天然密度變化范圍為1.27～1.36 g/cm3，平均值為1.31 g/cm3。60#柱狀樣的天然密度略大于90#，這與60#柱狀樣的含水率比90#小相關；隨深度增加，兩個站點柱狀樣的天然密度都略有波動，但是總體變化不大；柱狀樣和表層樣平均天然密度為1.34 g/cm3，與近海淺層水域的沉積物天然密度接近2.0 g/cm3相比，本區(qū)域深海沉積物的天然密度要小很多(見表3)，具有深海沉積物低密度的特點[10,16]。

圖4 深海沉積物天然含水率Fig.4 The natural water content of deepsea sediment

圖5 深海沉積物天然密度Fig.5 The natural density of deepsea sediment

沉積物的比重Gs在2.67～2.75之間，平均為2.71，由含水率、密度和比重三個參數(shù)通過以下公式計算沉積物的孔隙比：

(1)

式中：ρw為水的密度，單位g/cm3；Gs為土粒比重；w為天然含水率，單位%；ρ為天然密度，單位g/cm3。

60#柱狀樣孔隙比變化范圍為3.34～4.10，平均值為3.74，90#柱狀樣孔隙比變化范圍為3.99～4.51，平均值為4.24。60#柱狀樣的孔隙比小于90#，由公式(1)可知，這與60#柱狀樣的含水率比90#小，而密度比90#大有關；隨深度增加，兩個站點柱狀樣的孔隙比都略有波動；平均孔隙比為3.99，對比表3可知，本區(qū)域深海沉積物的孔隙比相比于近海沉積物要高很多，具有深海沉積物高孔隙比的特點[10,16]。

液塑限試驗結果如表2所示，沉積物的液限wL>50%，塑性指數(shù)IP>17，判斷其為高液限黏土。塑性指數(shù)IP受黏性土的顆粒大小、形狀、礦物成分及其所占份額多少、孔隙水與黏土礦物的化學作用等因素的綜合影響，黏性土的塑性認為是一種與黏土顆粒表面活性有關的現(xiàn)象，黏粒含量越高，親水性礦物越多，水膜越厚，則土粒持水量就相應增加，塑性指數(shù)也越大[17]。液性指數(shù)IL>1，說明其為高敏感度黏性土，同時，天然含水率遠大于液限，土體重塑后能形成一種黏性流動的液態(tài)，預測該沉積物具有較高靈敏度，這方面會做進一步的研究。

表2 柱狀巖心的液塑性指標Table 2 The liquidity and plasticity index of sediment

Note：①Sample number；②Water depth；③Water content；④Plastic limit；⑤Liquid limit；⑥Plastic index；⑦Liquid index；⑧Average

一般而言，在相同位置處，深海沉積物的天然含水率在表層具有最高值，且隨深度增加而逐漸下降；天然密度則與含水率呈負相關關系，即在表層最小，隨深度增加而增大；孔隙比隨著深度增加而減小。呈現(xiàn)這種規(guī)律主要與深海沉積物只在自重作用下排水固結有關，而本研究中兩個站位的數(shù)據(jù)結果并沒有出現(xiàn)這樣的規(guī)律，主要原因是深海沉積物的物理性質(zhì)還受物質(zhì)來源、沉積速率等外界因素影響[10]，也可能是因為本研究取樣長度太短，未能反映出沉積物物理性質(zhì)隨深度增加而變化的規(guī)律。

表3 不同海域沉積物物理參數(shù)平均值Table 3 The average physical parameters of sediments in different sea area

3.2 粒度特征

深海沉積物的粒度特征受物質(zhì)來源、水動力條件、環(huán)境等多種因素控制，是描述沉積物類型和沉積環(huán)境的重要參數(shù)之一，特殊的沉積環(huán)境往往具有特定的沉積物粒度特征。本研究得到沉積物的累計百分含量級配曲線如圖6所示，從圖中可以看出，各站點沉積物的級配曲線連續(xù)，粒徑范圍分布在0.000 4 ～ 0.6 mm，且大多集中在0.01 mm左右；各站點沉積物的粒度分布差異不大，且柱狀樣粒度分布隨深度變化不大。當采用激光粒度儀方法計算黏粒含量時，由于測量過程中將顆粒等效成球狀，導致所測得的顆粒直徑與沉降法測得結果相比偏大，因此需要對結果進行校正[21-22]，推薦將<0.01 mm所占的比例作為黏粒含量[22]，結果如表4所示。

圖6 沉積物級配曲線Fig.6 The grading curve of sediment表4 沉積物的粒度特征Table 4 The grain-size characteristics of sediment

試樣編號①水深②/md50/mm黏粒含量③/%60#23350.008357.5783#35030.009453.1790#20050.008557.2092#24370.010849.75平均25700.009354.42

Note：①Sample number；②Water depth；③Clay content

由表4可知，沉積物的平均粒徑小于0.01 mm，且平均黏粒含量大于50%，符合深海沉積物平均粒徑小(激光粒度法，<0.01 mm)、黏粒含量高(>50%)的粒度特征[1]，同時，沉積物黏粒含量高的特點也與其具有高塑性指數(shù)相對應[17]。本研究中物理參數(shù)匯總表如表5所示。

4 結論

本文針對南海西部深海表層沉積物的物理性質(zhì)進行研究，得出以下主要結論：

表5 沉積物物理參數(shù)匯總表Table 5 Summary table of physical indexes of sediments

Note：①Sample number；②Water depth；③Clay content；④Sediment type

(1)本研究區(qū)域沉積物采集深度超過2 000 m，沉積物類型均為黏土，與一般近海黏性土相比，具有高含水率、低密度、高孔隙比、高液塑限和高黏粒含量等特點，符合典型深海表層沉積物的物理特征。不同站位沉積物物理性質(zhì)略有差異，柱狀樣物理性質(zhì)隨沉積深度不同而稍有波動，但整體趨于一致。

(2)沉積物的液限指數(shù)很高，且天然含水率遠大于液限，表明該沉積物敏感度很高，預測其具有較高靈敏度，有待進一步的研究。

(3)沉積物具有高塑限指數(shù)的特點與其高黏粒含量有關。

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Abstract: Geotechnical test and analysis were conducted for columnar and surface samples from more than 2000 meters depth of water in the western of South China Sea, with physical properties obtained, including nature water content, nature density, specific gravity, void ratio, liquid-plastic limit and grain-size characteristic. The results indicate that the type of sediment is clay with high water content, low density, high void ratio, high liquid-plastic limit and high clay content, which is quite different from the physical properties of sediments in offshore shallow water. Physical properties of sediment in different sampling location differ slightly, which is the same as columnar samples in different depth. The sediment belongs to a kind of highly sensitive clay with water content much larger than liquid limit, and the characteristic of high plastic index is related to the high clay content.

Key words: western basin of South China Sea; deep-sea sediments; physical properties；liquid-plastic limit; grain-size characteristic

責任編輯 徐 環(huán)

Preliminary Study on Physical Properties of Deep-Sea Sediments in the Western Basin of South China Sea

REN Yu-Bin, ZHU Xing-Yun, ZHOU Ling-Xin, ZU Chao, WANG Zhong-Tao, PEI Hua-Fu, WANG Yin, YANG Qing

(State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology Dalian, Dalian 116024, China)

P736.21

A

1672-5174(2017)10-014-07

10.16441/j.cnki.hdxb.20160464

任玉賓， 朱興運， 周令新，等.南海西部海盆深海沉積物物理性質(zhì)初探[J].中國海洋大學學報(自然科學版), 2017, 47(10): 14-20.

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國家自然科學基金項目(41572252)資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China (41572252)

2017-05-05；

2017-07-04

任玉賓(1990-)，男，博士生，主要從事海洋土力學方面的研究。E-mail: renyubin2010@163.com

?? 通訊作者：E-mail: y.wang@dlut.edu.cn