劉劍濤，師玉敏，王俊勤，朱友生，李暢飛，漆文剛，高福平

(1. 中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部，天津 300459; 2. 中國科學(xué)院力學(xué)研究所 流固耦合系統(tǒng)力學(xué)重點實驗室，北京 100190; 3. 中國科學(xué)院大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049; 4. 中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028)

中國南海是我國四大海區(qū)中面積最大、最深、自然資源最豐富的海區(qū)，其海底地層中蘊藏著巨大的油氣礦產(chǎn)資源。海洋平臺、海底管道等工程結(jié)構(gòu)安裝于海床上，其安全性直接受海底沉積物的物理和力學(xué)特性影響；而沉積物的性質(zhì)與其沉積環(huán)境、物質(zhì)組成以及微觀結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)[1-3]。全球海底沉積物的厚度分布具有不均勻性，最大厚度可達10 km[4]，其中陸源碎屑、火山碎屑、自生沉積、生物沉積等是主要的物質(zhì)來源[1]。

海底沉積物的物理和力學(xué)特性是海洋巖土工程設(shè)計參數(shù)取值的依據(jù)。目前，針對我國海底沉積物性質(zhì)的研究主要集中于遼東灣、黃河口、南黃海、東海部分區(qū)域、臺灣近岸以及南海北部淺海海域等[5-8]，常見的沉積物類型為傳統(tǒng)石英砂、鈣質(zhì)砂以及粉質(zhì)黏土等。近年來，面向深海資源開發(fā)需求，已開展了特定深水區(qū)海底沉積物的現(xiàn)場取樣和室內(nèi)試驗以及原位測試分析。深水特殊的沉積環(huán)境使得海底沉積物具有不同于近海淺水區(qū)沉積物的工程性質(zhì)[2, 9-15]。例如，墨西哥灣北部海域(水深約1 300 m)[15]、南海東北部陸坡區(qū)(水深約1 200 m)[12]、南海西部海盆(水深超過2 000 m)[11]等海底表層沉積物的前期研究表明，深水沉積物多為細顆粒多孔介質(zhì)，通常具有高孔隙比和低強度的特點。海底沉積物具有天然變異性，不同海域沉積物性質(zhì)的定量化特征值及波動范圍通常具有過大的離散性。概率論與數(shù)理統(tǒng)計方法提供了獲得差異性群體廣泛特征的有效途徑[16]，統(tǒng)計單元體內(nèi)需要具有相同的地貌特征、地質(zhì)年代及沉積環(huán)境[17]，沉積物的性質(zhì)應(yīng)基本接近。當(dāng)所獲取的海底沉積物樣品數(shù)量相對較少時[11-12]，則不足以支持對其物理和力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計特征的定量研究。

鑒于深海極端環(huán)境對海底現(xiàn)場取樣及勘探測試等帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)，目前對我國南海深水海底沉積物的物理和力學(xué)特性的科學(xué)認識尚不夠清晰。深入探究其典型統(tǒng)計特征對于深水海底工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計的海床參數(shù)取值具有重要意義。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計理論，樣本數(shù)據(jù)應(yīng)是隨機地選自同一統(tǒng)計單元體，且在空間上相隔一定距離以保證樣本數(shù)據(jù)的獨立性和代表性。對中國南海瓊東南盆地北部海域21個典型站位的表層沉積物柱狀樣品開展了微觀結(jié)構(gòu)，礦物成分，相對密度、天然含水量、天然密度、孔隙比、液塑限等物理指標(biāo)，以及不排水抗剪強度、靈敏度、超固結(jié)比等力學(xué)指標(biāo)的測試，并對試驗結(jié)果進行了統(tǒng)計學(xué)分析。

1 研究區(qū)域概況及樣品信息

研究區(qū)域位于中國南海瓊東南盆地北部海域。采用大型活塞式重力取樣器(jumbo piston corer，簡稱JPC)重力活塞取樣法獲取了20個典型站位(編號：No.12～No.41，見表1)的海底表層沉積物柱狀樣品。表1給出柱狀樣品的相對位置坐標(biāo)、水深和長度等信息。現(xiàn)場取樣位置的水深范圍為500～1 200 m；各站位分布于14 km×14 km的準(zhǔn)矩形海域，相對位置如圖1所示。此外，采用鉆孔取樣技術(shù)在1 400 m水深處獲取了站位(編號：No.42)的深層沉積物樣品，取樣深度為82.0 m。根據(jù) AMS14C 測年和淺地層剖面資料，研究區(qū)域具有相同地貌特征、地質(zhì)年代及成因類型，因此將其作為一個統(tǒng)計單元。

圖1 南海北部深水區(qū)表層沉積物取樣站位相對位置

表1 南海北部某深水區(qū)表層沉積物柱狀樣品的相對位置坐標(biāo)、水深和長度

2 研究方法

對采集的柱狀樣品進行分割，針對各分段樣品依次進行了室內(nèi)土工試驗測試，包括掃描電子顯微鏡(SEM)試驗，X射線衍射(XRD)試驗，顆粒分析試驗，相對密度、含水率、容重、液塑限等物理性質(zhì)試驗，固結(jié)試驗，十字板剪切試驗和落錐試驗等。試驗標(biāo)準(zhǔn)參考《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—2019)[18]。

1) SEM和XRD試驗方法

選取典型樣品，通過冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本電子(JEOL)JSM6700F)觀察其微觀結(jié)構(gòu)和形貌。由于深海表層沉積物原狀樣含水量高，為防止試樣在干燥過程中收縮變化破壞原始結(jié)構(gòu)，采用低溫冷凍真空升華干燥法制備樣品。測試過程中放大倍數(shù)為500～10 000倍。

采用日本理學(xué)公司生產(chǎn)的X射線粉末衍射儀測定沉積物的礦物組成，試驗參照我國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法》(SY/T 5163—2010)進行。

2) 物理和力學(xué)指標(biāo)試驗方法

研究區(qū)域樣品主要為細粒土，分別采用密度計法測定顆粒分布；比重瓶法測量相對密度；室內(nèi)烘干法測定含水率，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)；環(huán)刀法測定天然密度和容重；依據(jù)相對密度、含水率和密度試驗計算孔隙比；GYS-2數(shù)顯式土壤液塑限聯(lián)合測定儀測定液塑限，并計算液塑性指數(shù)；壓力法測定碳酸鹽含量。

采用GZQ型三聯(lián)固結(jié)儀開展固結(jié)試驗，其中壓力等級分別為10 kPa、20 kPa、40 kPa、80 kPa、160 kPa、320 kPa、640 kPa、1 280 kPa、2 560 kPa；分別采用GEOTEST手動十字板剪切儀(torvane)、WF1730型室內(nèi)電動十字板剪切儀(lab vane)、VJT0808電子數(shù)顯落錐儀(fall cone)開展剪切試驗，測試沉積物的不排水抗剪強度和靈敏度。

3) 試驗結(jié)果的統(tǒng)計分析方法

針對沉積物物理和力學(xué)性質(zhì)的測試結(jié)果，統(tǒng)計獲取各指標(biāo)的變化范圍、變異性、概率分布類型。表征土體變異性的數(shù)字特征有均值μ、標(biāo)準(zhǔn)差σ。采用參數(shù)無偏估計統(tǒng)計相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差。變異系數(shù)cov=σ/μ，表征相對于均值的平均偏離程度。在巖土工程可靠度理論中，土性參數(shù)概率分布類型的選取對可靠度分析影響顯著。采用K-S檢驗方法對試驗觀測數(shù)據(jù)進行概率分布假設(shè)性檢驗。首先建立統(tǒng)計假設(shè)H0，檢驗每一個試驗點上的樣本分布函數(shù)和假設(shè)分布函數(shù)之間的偏差，在一定的顯著水平條件下(通常取0.05)根據(jù)P值檢驗假設(shè)能否被接受。

3 深海表層沉積物的微觀結(jié)構(gòu)、礦物成分

站位編號No.34樣品的SEM測試結(jié)果如圖2所示，表層沉積物顆粒形態(tài)展示為片狀和凝塊狀；排列方式呈絮凝或疊片狀結(jié)構(gòu)；絮凝結(jié)構(gòu)之間的孔隙表現(xiàn)為宏觀孔隙，小于顆粒尺寸；多種粒間接觸形式共存，如“邊—邊”、“邊—面”、“面—面”接觸。深海沉積遠離大陸影響，具有明顯不同于近岸沉積物的特征，可觀察到大量微生物殘骸。生源沉積是深水區(qū)具有特色和代表性的沉積物類型：鈣質(zhì)生物主要包含有孔蟲、顆石藻、翼足類以及少量介形蟲類；硅質(zhì)生物主要包含硅藻和放射蟲等?？梢姡S著水深的增加及相應(yīng)海洋環(huán)境的變化，生物沉積(浮游和底棲動植物的遺骸及碎片等)逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，從而使得深海沉積物中含有大量的自生有機質(zhì)。

圖2 中國南海北部某深水區(qū)海底沉積物微觀結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片(站位編號：No. 34)Fig. 2 Scanning electron micrograph of the microstructure of deep-water sediments in the northern South China Sea (the sampling station number: No. 34)

XRD測試結(jié)果如表2所示，沉積物的主要礦物組成為黏土礦物，含量約為42%～50%；而黏土礦物以伊蒙混層和伊利石為主，其中伊蒙混層所占比重約為60%～80%；此外，還含有少量的高嶺石和綠泥石。這些黏土礦物通常帶有負電荷，與水混合后會呈現(xiàn)一定可塑性。

表2 沉積物礦物組成Tab. 2 Mineral compositions of the sediments

站位編號No.34樣品的沉積物粒徑級配曲線如圖3所示?？梢钥闯?，不同深度的沉積物級配曲線連續(xù)，粒徑大小分布范圍0.001～0.1 mm，中值粒徑d50為0.05～0.09 mm。顆粒組分以粉粒為主(0.075～0.005 mm)，黏粒次之(0.005～0.002 mm)，少量膠粒(<0.002 mm)?？梢娫撗芯繀^(qū)域為細顆粒的黏性土。

圖3 沉積物的顆粒級配曲線(站位編號：No. 34)Fig. 3 Particle size distribution curves of the sediments (the sampling station number: No. 34)

以上述21個典型站位的沉積物柱狀樣為統(tǒng)計單元，測試并分析了樣本主要物理指標(biāo)的變化范圍、均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)cov、概率分布類型等，結(jié)果如表3、圖4和圖5所示：

1) 沉積物的相對密度Gs：變化范圍為2.68～2.76，統(tǒng)計均值為2.72；其值取決于沉積物中的礦物成分[19]；變異系數(shù)為0.73%，可見其變異性較小。

2) 天然含水率w：在接近床面處最高，隨土樣深度增加而下降，波動范圍為51%～133%；均值為91.7%，大于均值液限(78.3%，圖4(e))；這表明沉積物含水率較高，呈流塑態(tài)。

3) 天然容重γ：介于13.0～17.0 kN/m3之間，均值為14.6 kN/m3。

4) 孔隙比e：沿土樣深度顯著降低，介于1.4～3.6之間，均值為2.5。超過90%的數(shù)據(jù)均大于2.0，可見沉積物孔隙較大、結(jié)構(gòu)疏松。

5) 塑限wp和液限wL：變化范圍分別為21.3%～58.0%、43.5%～105.0%，均值分別為34.5%、78.3%。

6) 塑性指數(shù)Ip和液性指數(shù)IL：變化范圍分別為14.9%～66.0%、0.7～2.9，均值分別為43.1%、1.4。結(jié)合XRD測試結(jié)果和顆粒級配曲線，可見沉積物顆粒比表面積較大，黏土礦物含量較多，為高塑性黏土。

圖4 表層沉積物物理指標(biāo)的垂向分布Fig. 4 Vertical distribution of physical indexes of surface sediments

對比其他海域沉積物的試驗結(jié)果[11-14]，文中研究區(qū)域沉積物天然含水率、孔隙比均高于近海區(qū)域，低于超深水區(qū)域；而容重的規(guī)律則相反。結(jié)合圖2的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)，可以看出該區(qū)域表層沉積物具有高孔隙比、高含水量、低密度的特點。三者的變異系數(shù)分別為13.8%、5.0%、15.2%(見表3)，屬于低變異性水平(cov<25%)[16]。

表3 表層沉積物土性指標(biāo)的統(tǒng)計特征Tab. 3 Statistical characteristics of soil properties of surface sediments

圖5 表層沉積物物理指標(biāo)的概率密度Fig. 5 Probability density of physical indexes of surface sediments

鑒于性質(zhì)相差甚遠的沉積物可能具有相近的塑性指數(shù)值，圖6給出了塑性圖[19]。當(dāng)液限wL≥50%，塑性指數(shù)Ip≥7且Ip≥0.73 (wL-20)時，則為高液限黏土?？梢?，表層沉積物多屬于高液限黏土，少部分為高液限粉土。此外，塑限、液限、塑性指數(shù)和液性指數(shù)的變異系數(shù)分別為14.2%、16.9%、25.8%、25.7%(見表3)，近似為中低變異性水平(25%

圖6 表層沉積物的塑性(CH、CL：高、低液限黏土；MH、ML：高、低液限粉土；O代表含有機質(zhì))Fig. 6 Plasticity chart of surface sediments (CH, CL: clay with high or low liquid limit; MH, ML: silt with high or low liquid limit; O means the organism is contained)

7) 碳酸鹽含量wcarbonate：介于8.5%～37.6%之間，均值為20.8%，這與張富元等[1]基于南海東部海域水深為330～2 000 m的測試結(jié)果(均值為18.89%)基本相當(dāng)；變異系數(shù)約49%(見圖5(i))，為高變異性(cov>40%)。研究表明[3]，含碳酸鹽的沉積物并不能壓實到像非碳酸鹽沉積物那樣低的孔隙比，碳酸鹽的膠結(jié)作用和絮凝結(jié)構(gòu)會使得沉積物具有較高的孔隙率和液性指數(shù)。由于目前并沒有標(biāo)準(zhǔn)的確定方法，該研究區(qū)域是否存在膠結(jié)物尚有待深入探究。圖5給出了各指標(biāo)的直方圖，可直觀反映其概率分布規(guī)律。常見的土性指標(biāo)可采用中心極限分布(正態(tài)或?qū)?shù)正態(tài)分布)模擬[16, 20-21]；當(dāng)變異系數(shù)不超過30%且無顯著偏度時，二者區(qū)別并不明顯[21]。假設(shè)服從正態(tài)分布，采用Kolmogorov-Smirnov方法進行假設(shè)檢驗。當(dāng)檢驗概率p值小于顯著水平α(取為0.05)時，該參數(shù)拒絕正態(tài)分布的假設(shè)，反之假設(shè)被接受。檢驗結(jié)果表明：相對密度、天然含水率、液塑限、塑性指數(shù)服從正態(tài)分布；容重、碳酸鹽含量接近假設(shè)檢驗結(jié)果，近似正態(tài)分布；液性指數(shù)與假設(shè)檢驗結(jié)果相差較大，不符合正態(tài)分布。

4 深海表層沉積物的力學(xué)性質(zhì)

圖7給出了手動十字板、室內(nèi)(電動)十字板、落錐儀3種試驗方法所測得的不排水抗剪強度su的剖面特征。海床泥面附近(1.0 m以內(nèi))強度約為1.0～5.0 kPa；由于上覆壓力增加、含水量減小，沉積物強度沿土樣深度逐漸增大。編號為No.12～No.41的20個站位全部數(shù)據(jù)變化范圍為0.6～13.8 kPa，統(tǒng)計均值為5.5 kPa，符合典型深海表層沉積物低強度的特點。

圖7 采用不同試驗方法得到的不排水抗剪強度垂向分布Fig. 7 Vertical distribution of undrained shear strength obtained by different tests

靈敏度St反映了沉積物的觸變性；當(dāng)沉積物受到擾動時，絮凝結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致抗剪強度迅速下降。如圖8(a)和(b)所示，靈敏度波動較大，介于1.1～4.4之間，均值為2.2。可見，該研究區(qū)域沉積物非高靈敏度土體，這與其沉積速度、絮凝體的數(shù)量及其在基質(zhì)中的排列緊密程度直接相關(guān)。圖9給出了超固結(jié)比OCR沿土樣深度的典型剖面(No.42站位)，該站位的取樣深度為82.0 m。沉積厚度10 m范圍內(nèi)沉積物處于超固結(jié)狀態(tài)，超固結(jié)比高達5以上。這主要歸因于海洋侵蝕、波流載荷作用導(dǎo)致的卸荷狀態(tài)或碳酸鹽的膠結(jié)作用使土顆?；瘜W(xué)鍵結(jié)合力增強等因素[22]。隨著深度的增加，超固結(jié)比逐漸降低為1。當(dāng)深度超出30 m時，沉積物則轉(zhuǎn)為欠固結(jié)狀態(tài)，這可能是由于沉積物的快速沉積作用，或者有機質(zhì)分解和化學(xué)作用所產(chǎn)生的氣體增大了孔隙壓力，使得沉積物尚未完全固結(jié)穩(wěn)定。

圖8 采用不同試驗方法得到的靈敏度垂向分布Fig. 8 Vertical distributions of sensitivity obtained by different tests

圖9 超固結(jié)比的垂向分布(站位編號：No.42) Fig. 9 Vertical distributions of overconsolidation ratio(the sampling station number: No.42)

此外，樣本統(tǒng)計顯示(見圖10)，不排水抗剪強度、靈敏度、超固結(jié)比的變異系數(shù)分別約為43.6%、33.9%、85.8%，屬于中高變異性水平?？梢?，力學(xué)指標(biāo)的變異性普遍高于物理指標(biāo)，當(dāng)采用概率分析方法進行海底結(jié)構(gòu)設(shè)計時須考慮指標(biāo)變異性的影響。值得注意的是，超固結(jié)比由于樣本數(shù)量過少，其變異性的可靠性仍需進一步研究校核。從圖7和圖8中還可以看出，同一柱狀樣品，不同試驗方法的測試結(jié)果存在一定的差別(見表3)。經(jīng)統(tǒng)計分析與假設(shè)檢驗，手動十字板抗剪強度、室內(nèi)十字板抗剪強度、落錐儀靈敏度均服從正態(tài)分布；落錐儀抗剪強度、室內(nèi)十字板靈敏度、超固結(jié)比存在明顯峰值和偏度，與檢驗結(jié)果相差較大，不符合正態(tài)分布假設(shè)。

圖10 表層沉積物力學(xué)指標(biāo)的直方圖Fig. 10 Histograms of mechanical indexes of surface sediments

5 結(jié) 語

針對中國南海北部某深水海域(水深500～1 200 m)表層沉積物的宏微觀性質(zhì)進行了統(tǒng)計分析，主要結(jié)論如下：

1) 深海表層沉積物類型多為軟黏土，微觀呈現(xiàn)多孔隙的絮凝結(jié)構(gòu)，黏土礦物成分以伊蒙混層為主，宏觀上具有高含水率、低密度、高液限、高可塑性、高孔隙比、低強度等典型特征。

2) 深海表層沉積物的物理和力學(xué)指標(biāo)存在不同的變異性。相對密度的變異性較小，可忽略不計；碳酸鹽含量為高變異性；其它物理指標(biāo)均為低變異性，其中衍生指標(biāo)(液塑性指數(shù))變異系數(shù)最大；力學(xué)指標(biāo)變異性普遍高于前者，為中高變異性。

3) 統(tǒng)計分析和假設(shè)檢驗表明，該深水區(qū)域沉積物相對密度、含水率、液塑限、塑性指數(shù)符合正態(tài)分布；容重、碳酸鹽含量、不排水抗剪強度、靈敏度接近假設(shè)檢驗結(jié)果，近似正態(tài)分布；不同試驗方法所得力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果存在一定的差異。

值得注意的是，以上結(jié)論是基于南海北部某特定深水區(qū)數(shù)量有限的沉積物樣品測試結(jié)果分析得到的，以期為南海深水海底工程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計的土性參數(shù)取值提供參考。