南海北部陸坡區(qū)海底表層沉積物特性淺析

李光耀

(中海油田服務(wù)股份有限公司,天津 300450)

南海北部陸坡區(qū)海底表層沉積物特性淺析

李光耀

(中海油田服務(wù)股份有限公司,天津 300450)

依托荔灣3-1氣田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目,對(duì)處于南海北部陸坡區(qū)水深約500～1500m的海底表層沉積物進(jìn)行工程特性分析,通過(guò)對(duì)物理及力學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)和曲線擬合,闡明南海北部陸坡區(qū)海底沉積物的土質(zhì)組成、分布規(guī)律,以及土質(zhì)參數(shù)在橫向上與水深變化之間的關(guān)系,探討其變化規(guī)律和相關(guān)性。另選取水深超過(guò)1000m的表層沉積物取樣進(jìn)行縱向統(tǒng)計(jì)分析,揭示土質(zhì)強(qiáng)度與土樣深度之間的關(guān)系,并初步求得強(qiáng)度相對(duì)于深度的經(jīng)驗(yàn)公式。通過(guò)上述分析,為將來(lái)此區(qū)其他海底施工作業(yè)或前期設(shè)計(jì)提供一定的參考和借鑒。

南海北部陸坡 沉積物 特性 曲線擬合 相關(guān)性

1 引言

隨著陸上油氣資源重大發(fā)現(xiàn)的概率逐漸減小，海上油氣勘探已成為目前以致未來(lái)世界能源開(kāi)發(fā)新的熱點(diǎn)。在過(guò)去的10年間，海上油氣探明儲(chǔ)量約450億噸，這僅占全部可能儲(chǔ)量的20%，尚處于勘探早期階段。而國(guó)際上一般公認(rèn)的大于300m水深的深水區(qū)域更是蘊(yùn)藏著不可預(yù)知的巨大儲(chǔ)量，陸坡和深海盆地的油氣勘探開(kāi)發(fā)不斷升溫。

深水區(qū)在我國(guó)主要分布于東海和南海，特別是南海，平均水深就達(dá)1140m，且其大部分區(qū)域?qū)儆谏詈７秶?，而我?guó)目前在南海擁有的絕大多數(shù)油氣田均位于淺水區(qū)。2009年開(kāi)始，以中海油為代表的中國(guó)海洋油氣開(kāi)發(fā)正式向深海進(jìn)軍。本文將依托2009～2010年中海油與HUSKY共同實(shí)施開(kāi)發(fā)的荔灣3-1氣田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目對(duì)南海陸坡區(qū)海底土質(zhì)進(jìn)行工程意義研究，并重點(diǎn)針對(duì)水深500～1500m的范圍的海底進(jìn)行表層土質(zhì)特性分析。

南海北部陸坡是南海海底表面起伏高差最大的一個(gè)斜坡，按其地形剖面形態(tài)特征可劃分為上陸坡、中陸坡和下陸坡。上陸坡水深150～1500m，平均坡度1°～3°，中陸坡水深平均水深1000～1500m，地勢(shì)較為平坦，下陸坡水深1500～3000m，平均坡度2°～4°。(見(jiàn)圖1)

2 正文

荔灣3-1氣田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目工程環(huán)境調(diào)查從2009年年底持續(xù)到2010年，其中工程地質(zhì)方面以淺層土質(zhì)取樣為主，主要通過(guò)重力取樣和淺層鉆孔取樣來(lái)實(shí)施，水深小于200m的地方實(shí)施鉆孔取樣，水深超過(guò)200m的區(qū)域進(jìn)行了重力取樣，特別是水深大于500m的陸坡段分別取得近60個(gè)重力樣和箱式樣，取樣點(diǎn)以30～50m的水深間隔沿管線路由分布，基本覆蓋了從500～1500m的水深變化范圍。其區(qū)域位置大致介于E115°～E116°和N19．5°～N20．5°之間。

本次調(diào)查取樣所揭示的陸坡區(qū)表層沉積物類(lèi)型與圖2(摘自《南海地質(zhì)》)所示基本一致，主要為粘土、粉質(zhì)粘土和粉土。

我們選取其中56個(gè)重力樣進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，這些樣品平均長(zhǎng)度2．6～3．4m，土質(zhì)成分以細(xì)粒土為主，表層夾雜少許細(xì)砂粒。顏色隨水深增加由褐灰色向綠灰色過(guò)渡，局部可見(jiàn)黃褐色淤泥或浮泥。以下是根據(jù)不同水深土樣的粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果所繪制的500～1500m水深表層約3m土層的土質(zhì)組成分布圖。

表1 500～1500m水深范圍內(nèi)海底以下1m處土樣參數(shù)平均值

表2 500～1500m水深范圍內(nèi)海底以下2m處土樣參數(shù)平均值

表3 500～1500m水深范圍內(nèi)海底以下3m處土樣參數(shù)平均值

表4

圖1 南海北部陸架-陸坡-深海盆地剖面示意圖

圖2 南海海底表層沉積分布區(qū)域圖及本文研究區(qū)域

圖3 南海北部陸坡500～1500m海底表層3m土質(zhì)組成

從圖3中我們可以看出南海北部陸坡區(qū)水深500～1500m范圍表層土質(zhì)主要成分為粉粒(0．005mm＜d＜0．075mm)和粘粒(d＜0．005mm)，這兩部分所占比例約85%～95%，砂粒含量隨水深不同而不同，在水深800m以?xún)?nèi)，平均約占10%～15%，其中水深700m～800m處，砂粒的含量可達(dá)20%～25%，當(dāng)水深超過(guò)800m之后，砂粒的含量明顯降低，且比較穩(wěn)定，約占5%。

下面我們以水深為界，從抗剪強(qiáng)度、含水率、天然重度、塑性指數(shù)等方面分別對(duì)海底以下1m、2m和3m深度處土樣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，求的平均值，結(jié)果如表1-表3。

圖4 1m處土質(zhì)參數(shù)與水深關(guān)系

圖5 2m處土質(zhì)參數(shù)與水深關(guān)系

通過(guò)對(duì)這些取樣的所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，南海北部陸坡區(qū)500～1500m水深范圍內(nèi)海底表層土質(zhì)具有以下工程地質(zhì)特性：

(1)物理特性：此區(qū)土質(zhì)為含砂或含少量砂粒高塑性粉土或粘土，擁有高含水率，高液塑限，高孔隙率和低重度。平均含水率大于50%，最高可達(dá)130%；液限平均40%～90%，孔隙率平均1．4～3．6；天然重度平均不超過(guò)17KN/m3，最小僅為13．5KN/m3。

(2)力學(xué)特性：工程強(qiáng)度低，承載能力弱，平均不排水抗剪強(qiáng)度不超過(guò)10kPa。最小約3kPa。

對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行橫向比較，我們發(fā)現(xiàn)這類(lèi)較純的深水表層細(xì)粒土的多項(xiàng)土質(zhì)參數(shù)會(huì)因取樣水深的變化而呈現(xiàn)相應(yīng)(相同或相反)的變化趨勢(shì)，如粘性土含水率、液塑限、孔隙率隨水深的增加而增加；強(qiáng)度和天然容重隨水深增加而減小。同時(shí)砂粒含量在一定程度上影響著這些參數(shù)的變化趨勢(shì)，我們特別將水深700～800m范圍單獨(dú)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到了與之前相反的結(jié)論，如海底以下1m土樣的含水率反而低于水深小于700m時(shí)的平均值，同時(shí)天然重度卻較之增大，而且此相反規(guī)律在土樣深度較淺時(shí)表現(xiàn)稍明顯。

圖4-圖6是不同水深重力取樣分別在海底以下1m、2m和3m處土樣的各種土質(zhì)參數(shù)隨水深變化的曲線。

上述曲線均通過(guò)二階多項(xiàng)式進(jìn)行擬合(由二階多項(xiàng)式進(jìn)行擬合所得曲線相關(guān)系數(shù)最接近1)，從中不僅可以看到含水率、液塑限、孔隙率隨水深的增加而增加；強(qiáng)度和容重隨水深增加而減小，還可以發(fā)現(xiàn)同一關(guān)系曲線也會(huì)隨土樣深度變化而出現(xiàn)曲率的相應(yīng)變化。即：隨著土樣深度從1m增加到3m，各項(xiàng)土質(zhì)參數(shù)隨水深增加或減小的趨勢(shì)會(huì)變得緩和。

以黃色曲線“水深-含水率”為例，其二階多項(xiàng)式方程分別如下：(表4)。

從上述3個(gè)多項(xiàng)式也不難發(fā)現(xiàn)，其二次項(xiàng)系數(shù)分別為8E-05、5E-05和8E-06，呈現(xiàn)依次減小的規(guī)律。從曲線形態(tài)來(lái)看，曲率會(huì)隨土樣深度的增加而減小，即土樣深度由1m增加到3m時(shí)，含水率隨水深增加而增大的趨勢(shì)將變緩。

圖6 3m處土質(zhì)參數(shù)與水深關(guān)系

圖7 1000～1500m水深土樣強(qiáng)度與土樣深度關(guān)系

表5 1000～1500m水深時(shí)同一土樣深度處平均強(qiáng)度

需要說(shuō)明的是，剪切強(qiáng)度相比其他參數(shù)在橫向上表現(xiàn)的規(guī)律性較差，原因主要有二：一是剪切強(qiáng)度易受到擾動(dòng)或測(cè)試操作影響而不準(zhǔn)確；二是土質(zhì)中砂的含量明顯影響強(qiáng)度的大小，故在整個(gè)500～1500m水深范圍內(nèi)其強(qiáng)度與水深相關(guān)性不明顯。但在水深大于1000m，土質(zhì)較純的情況下，其強(qiáng)度在縱向上可能存在一定趨勢(shì)，下面將17個(gè)水深大于1000m的重力樣各深度處的強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得同一土樣深度對(duì)應(yīng)不同水深時(shí)的平均值：(表5)

圖7通過(guò)對(duì)1000～1500m水深范圍內(nèi)土樣強(qiáng)度與深度進(jìn)行冪函數(shù)曲線擬合，得到強(qiáng)度隨土樣深度增加而增大的關(guān)系，公式表達(dá)如下：

原狀土強(qiáng)度：y=4．7133x0．1928R2=0．9132(x≤4m)

擾動(dòng)土強(qiáng)度：

y=2．0873x0．1583R2=0．9163(x≤4m)

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)已有取樣資料，對(duì)南海北部陸坡區(qū)水深500～1500m的海底表層土樣進(jìn)行了物理力學(xué)統(tǒng)計(jì)分析，得到以下結(jié)論：

(1)此區(qū)海底表層土的主要組成為細(xì)粒土，占總含量的85%以上，其余為砂質(zhì)成分，且隨著水深增加到800m以上，砂質(zhì)成分明顯減少。

(2)此區(qū)海底表層土大部分屬高塑性粉土或粘土，擁有高含水率，高液塑限，高孔隙率和低重度。不排水抗剪強(qiáng)度較低，工程承載力弱，壓縮性高。

(3)在橫向上對(duì)所有500～1500m水深的土質(zhì)多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了二階多項(xiàng)式曲線擬合，發(fā)現(xiàn)此類(lèi)深海表層細(xì)粒土的土質(zhì)參數(shù)會(huì)因取樣水深的變化而呈現(xiàn)相應(yīng)(相同或相反)的變化趨勢(shì)，規(guī)律如下：含水率、液塑限、孔隙率隨水深的增加而增加；強(qiáng)度和天然容重隨水深增加而減小。砂粒含量在一定程度上影響著這些參數(shù)的變化趨勢(shì)，當(dāng)水深在700～800m范圍時(shí)，土樣的含水率反而低于水深小于700m時(shí)的平均值，同時(shí)天然重度卻較之增大，特別在土樣深度較淺時(shí)表現(xiàn)更為明顯。另外，同一關(guān)系曲線也會(huì)隨土樣深度變化而出現(xiàn)曲率的相應(yīng)變化，即：隨著土樣深度從1m增加到3m，各項(xiàng)土質(zhì)參數(shù)隨水深增加或減小的趨勢(shì)會(huì)變得緩和。

(4)在縱向上對(duì)水深1000～1500m的取樣進(jìn)行了強(qiáng)度與深度的冪函數(shù)曲線擬合，得到強(qiáng)度隨土樣深度增加而增大的關(guān)系，公式表達(dá)如下：

原狀土強(qiáng)度：

y=4．7133x0．1928R2=0．9132(x≤4m)

擾動(dòng)土強(qiáng)度：

y=2．0873x0．1583R2=0．9163(x≤4m)

由此，我們可以將上述方程作為經(jīng)驗(yàn)公式，來(lái)初步推算南海北部陸坡區(qū)特別是中陸坡區(qū)海底表層土質(zhì)的工程強(qiáng)度，為將來(lái)其他海底工程的前期設(shè)計(jì)和可行性分析提供初步的工程地質(zhì)依據(jù)。

[1]袁圣強(qiáng),吳時(shí)國(guó),等.南海北部陸坡的地貌形態(tài)及其控制因素.海洋學(xué)報(bào),2010,第30卷,第2期.

[2]王海榮,王英民,等.南海北部陸坡深水區(qū)沉積物輸送模式探討.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì),2010,第30卷,第4期.

[3]何家雄,施小斌,夏斌,劉海齡,閻貧,等.南海北部邊緣盆地油氣勘探現(xiàn)狀與深水油氣資源前景.地球科學(xué)進(jìn)展,2007,第22卷,第3期.

李光耀(1986-10-04),男,2009年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢),獲學(xué)士學(xué)位,工程師,主要從事海洋工程地質(zhì)調(diào)查工作。