馬里亞納海溝南部海域沉積物的工程地質(zhì)特性及其成因

朱坤杰，何樹平，陳 芳，廖志良，王金蓮，鄧希光

(1.國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室，廣東 廣州 510075;2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州510075)

0 引言

深海沉積物具有高含水率、低密度、高液限、高塑性、大孔隙比、低強度和低重度等特性(宋連清，1999;王樹仁等，2000;陳小玲，2004;吳鴻云等，2010)，由于遠離陸地和人類的生產(chǎn)活動，其具體工程性質(zhì)及成因未被充分認識。隨著科技的進步，人類對海洋的探索已經(jīng)由淺海步入深海大洋，深海沉積物工程地質(zhì)特性的研究也相應開展。

2012年6月，蛟龍?zhí)栞d人潛水器在馬里亞納海溝挑戰(zhàn)者深淵南部海域進行了7 000 m深度下潛試驗(崔維成等，2012)，海洋六號為保障下潛的順利進行，在此區(qū)域進行了地質(zhì)取樣，并在船上進行了現(xiàn)場物理力學性質(zhì)測試，對海底沉積物的工程地質(zhì)性質(zhì)進行研究，為蛟龍?zhí)柕淖缀筒蓸幼鳂I(yè)提供這一區(qū)域的底質(zhì)資料，也為以后深海資源的開發(fā)提供依據(jù)。歸航后，通過室內(nèi)的粒度、巖石礦物、微體古生物等鑒定，對這一特殊工程性質(zhì)土體的成因展開深入分析。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于馬里亞納海溝南部的密克羅尼西亞聯(lián)邦專屬經(jīng)濟區(qū)。馬里亞納海溝是太平洋板塊俯沖到菲律賓板塊之下形成的全球最深的海溝，最大水深位于南部的挑戰(zhàn)者深淵。

海洋六號利用EM122多波束測深系統(tǒng)獲得的水深數(shù)據(jù)顯示，研究區(qū)海底地形自南向北成鞍狀走勢，海溝自東向西延伸，海溝兩側(cè)為不對稱斜坡：海溝北側(cè)為單一海底斜坡，相對較陡，平均坡降在10°～15°之間;中部區(qū)域為挑戰(zhàn)者深淵，其最深點深度是10 917 m;海溝南側(cè)斜坡相對較為平緩，水深大部分在5 000～7 500 m之間，平均坡降在6°～10°之間(劉方蘭等，2013)。

本次研究的5個地質(zhì)取樣站位位于挑戰(zhàn)者深淵的南翼斜坡上，其中有4個站位近似在一條直線上，自南向北水深依次增加，可以較好地反映南翼斜坡上海底沉積物隨水深的變化情況。地質(zhì)取樣站位情況見表1，研究區(qū)和各站位的相對位置見圖1。

表1 地質(zhì)取樣站位情況Table 1 List of geological sampling stations

圖1 研究區(qū)及站位示意圖Fig.1 Sketch showing the study area and stations

2 材料與研究方法

2.1 物理力學性質(zhì)測試

在現(xiàn)場對JL7KBC11A站位2管未擾動箱式插管樣品進行了沉積物的物理力學性質(zhì)測試。所用設(shè)備主要有EL 26－2661型便攜式剪切儀(英國)、應變控制式無側(cè)限壓縮儀和WGⅠ型機械式微型貫入儀。試驗方法參照《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB/T 12763.8—2007)(以下簡稱《規(guī)范》)第8部分：《海洋地質(zhì)地球物理調(diào)查》之6.5：沉積物物理力學性質(zhì)測試。對其中1管樣品進行天然含水率試驗、天然密度試驗、微型扭力十字板剪切試驗，樣品取樣間距5 cm，表層5 cm樣品呈流動狀態(tài)，僅進行了含水率試驗;對另一管樣品進行了無側(cè)限抗壓強度試驗，取樣間距15 cm，表層15 cm樣品因較軟未進行試驗。

2.2 粒度分析

對JL7KGC01A、JL7KGC05站位的柱狀樣進行了粒度分析，取樣間距5 cm，共92份樣品。采用Matersizer－2000型激光粒度儀(英國馬爾文公司)，分析方法參照《規(guī)范》第8部分之6.3：沉積物粒度分析。

2.3 沉積物分類和命名

采用《規(guī)范》附錄D之圖D.1：沉積物粒度三角分類圖，粒度參數(shù)采用?？撕臀值鹿接嬎恪７治鲞^程：取樣并加純凈水浸泡樣品24 h，每隔8 h輕輕攪拌樣品，測試前超聲波預處理10 min，使其充分分散，上機測試時保證遮光度處于10～20之間。

2.4 礦物及微體古生物分析鑒定

站 位 為 JL7KGC01A、JL7KGC04、JL7KGC03、JL7KGC05，取樣間距10 cm，共125份樣品。每份樣品均進行了巖石礦物鑒定(包括涂片鑒定、碎屑礦物鑒定、黏土礦物X射線衍射分析)和微體古生物鑒定(包括有孔蟲、鈣質(zhì)超微化石、硅藻、放射蟲鑒定)。碎屑礦物鑒定、黏土礦物X射線衍射分析、有孔蟲、硅藻與放射蟲鑒定分別按照《規(guī)范》第8部分之6.4：底質(zhì)礦物鑒定;6.6：沉積物古生物鑒定。鈣質(zhì)超微化石與涂片鑒定分別參照《大洋多金屬結(jié)核礦產(chǎn)勘查規(guī)程》(GB/T 17229—1998)之27、34。其中黏土礦物X射線衍射分析采用理學Rigaku D/Max 2500PC粉末衍射儀。

以上試驗除土工測試為現(xiàn)場進行外，其余分析在室內(nèi)完成。

3 試驗結(jié)果

3.1 物理力學性質(zhì)

JL7KBC11A箱式站位的物理力學參數(shù)隨深度的變化見圖2，沉積物具有較高的天然含水率，最大值為329.9%，最小值為182.7%，平均為225.2%。在垂向上，表層35 cm樣品的天然含水率隨深度的增加而線性減小，變化較快;35 cm以下減小的趨勢明顯變緩，趨于穩(wěn)定。

沉積物的天然密度較小，范圍為1.19～1.29 g/cm3，平均僅為1.26 g/cm3?？傮w上，其值隨著深度的增加而增加，底部趨于穩(wěn)定。

圖2 JL7KBC11A箱式站位物理力學參數(shù)隨深度變化曲線Fig.2 Variations of the physical and mechanical parameters with depth for box-type station JL7KBC11A

沉積物的孔隙比較大，范圍為4.57～7.58，平均為5.45。總體上，其值隨著深度的增加而減小，底部趨于穩(wěn)定，其變化規(guī)律與含水率成很好的正相關(guān)。

沉積物的抗剪強度介于2.0～8.0 kPa之間，平均為5.6 kPa，表層25 cm數(shù)值隨著深度的增加而上升較快，25～40 cm層位趨于穩(wěn)定，45～55 cm層位有所降低，60～75 cm逐漸回升。

沉積物的貫入阻力介于4.7～41.9 kPa之間，平均為31.1 kPa，表層25 cm數(shù)值隨著深度的增加而上升較快，25～60 cm層位趨于穩(wěn)定，60～75 cm有所回升。

沉積物的無側(cè)限抗壓強度數(shù)值介于7.84～15.27 kPa深度的增加而逐漸增大。

綜上所述，隨著深度的增加，沉積物的天然含水率和孔隙比逐漸減小，濕密度、抗剪強度、貫入阻力、無側(cè)限抗壓強度均呈增大趨勢。

3.2 粒度參數(shù)

JL7KGC01A站位沉積物(圖3)中粉砂質(zhì)量分數(shù)為48.41% ～75.50%，平均64.72%;黏土質(zhì)量分數(shù)為18.18% ～44.90%，平均30.08%;砂質(zhì)量分數(shù)為0% ～11.40%，平均5.20%;粒徑為6.26～7.80，平均6.92;分選系數(shù)為0.96～2.20，分選中等—很差;偏度 －0.07～0.18，負偏—正偏;峰態(tài)0.86～1.07，寬—中等峰態(tài)。

圖3 JL7KGC01A站位巖芯沉積物粒度參數(shù)與沉積物組成變化Fig.3 Variations of sediment grain size parameters and composition for cores from the Station JL7KGC01A

圖4 JL7KGC05孔巖芯沉積物粒度參數(shù)與沉積物組成變化Fig.4 Variations of sediment grain size parameters and composition for cores from the Station JL7KGC05

JL7KGC05站位(圖4)沉積物粉砂質(zhì)量分數(shù)51.59%～67.39%，平均60.34%;黏土質(zhì)量分數(shù)25.51% ～47.77%，平均37.28%;砂質(zhì)量分數(shù)0% ～8.97%，平均2.38%;粒徑為6.32～7.90，平均7.23;分選系數(shù)1.39～2.13，分選差—較差;偏度－0.05～0.19，負偏—正偏;峰態(tài)0.74～1.00，寬—中等峰態(tài)。

綜合上述2個站位的粒度參數(shù)，研究區(qū)沉積物以黏土質(zhì)粉砂為主，其中粉砂平均質(zhì)量分數(shù)為62.53%;黏土次之，平均質(zhì)量分數(shù)33.68%;砂質(zhì)量分數(shù)較小，平均3.79%;平均粒徑7.08;分選系數(shù)0.96～2.20，分選中等—很差;偏度 －0.07～0.19，負偏—正偏;峰態(tài)0.74～1.07，寬—中等峰態(tài)。沉積物懸浮組分占絕對優(yōu)勢，跳躍組分極少量，無滾動組分，表明其沉積環(huán)境的水動力較弱。與JL7KGC01A站位相比，JL7KGC05站位沉積物的黏土的質(zhì)量分數(shù)較大，砂和粉砂的質(zhì)量分數(shù)較小，平均粒徑偏小，表明隨著水深的增加，水動力環(huán)境相對較弱。

3.3 涂片鑒定

涂片鑒定鏡下顯示物質(zhì)組成為：黏土47.2%(平均質(zhì)量分數(shù))、生物殘渣31.5%、長英礦物19.6%，其余角閃石、硅質(zhì)生物碎屑、沸石、火山玻璃等組分質(zhì)量分數(shù)較小。

3.4 巖石礦物鑒定

碎屑礦物主要有微結(jié)核、沸石、角閃石、石英、火山玻璃，質(zhì)量分數(shù)較低或僅在少數(shù)層位出現(xiàn)的礦物有磁鐵礦、鈦鐵礦、褐鐵礦、黑云母、白云母、鋯石、長石。此外還發(fā)現(xiàn)有魚牙骨、硅質(zhì)生物碎屑等生物組分。

研究區(qū)黏土礦物主要由伊利石－蒙脫石混層礦物、伊利石、高嶺石和綠泥石構(gòu)成，各個站位的構(gòu)成見圖5。伊利石－蒙脫石混層礦物在研究區(qū)黏土礦物中質(zhì)量分數(shù)較高，為64% ～70%;伊利石15% ～19%、綠泥石7% ～9%、高嶺石6% ～8%。

圖5 黏土礦物組成Fig.5 Composition of clay minerals

3.5 微體古生物鑒定

4個站位的大部分層位均未發(fā)現(xiàn)有孔蟲及鈣質(zhì)超微化石，僅有個別層位發(fā)現(xiàn)零星化石碎片，且化石溶蝕嚴重。推測其位于碳酸鹽補償深度(CCD)界限以下，受碳酸鹽溶解作用影響，鈣質(zhì)化石難于保存。硅藻和放射蟲的豐度較低，部分層位發(fā)現(xiàn)大篩盤藻(Ethmodiscus rex)碎片和放射蟲碎片、海綿骨針，保存較差，有溶蝕現(xiàn)象。

4 討論

4.1 物理力學參數(shù)相關(guān)性分析

利用SPSS 22.0軟件對沉積物的物理性質(zhì)與力學性質(zhì)參數(shù)進行了Pearson相關(guān)分析(表2)，沉積物的物理性質(zhì)指標、力學性質(zhì)指標以及二者之間均存在很好的相關(guān)性。其中，含水率與密度、抗剪強度、貫入阻力都成負相關(guān)，與孔隙比成正相關(guān)。海洋中土顆粒沉積后，在自重應力作用下固結(jié)排水。水的排出使得土顆粒間的接觸更加緊密，土體變得更加密實，密度也相應增大，孔隙比相應減小，土顆粒間的微觀作用力增強，使得土體的宏觀力學性質(zhì)也得到改善。這些相關(guān)性表明，含水率是影響沉積物物理力學性質(zhì)的主控因素。

表2 物理與力學參數(shù)間的Pearson相關(guān)分析Table 2 Pearson correlation analysis between physical and mechanical parameters

4.2 研究區(qū)沉積物物理力學性質(zhì)與大洋沉積物的對比

研究區(qū)沉積物與皮嘉費他海盆和中太平洋海盆沉積物的物理力學性質(zhì)對比見表3，表明不同區(qū)域的大洋沉積物的物理力學性質(zhì)之間也存在較大差異，但整體上研究區(qū)沉積物的物理力學性質(zhì)參數(shù)在大洋沉積物相對應參數(shù)的變化范圍之內(nèi)，具有可比性，具備大洋沉積物高含水率、低密度、低強度的特征。

表3 不同海域沉積物物理力學性質(zhì)參數(shù)對比Table 3 Comparison of parameters characterizing physical and mechanical properties for sediments from different seas

4.3 沉積環(huán)境

研究區(qū)沉積物以粉砂為主(平均質(zhì)量分數(shù)為62.53%)，黏土次之(33.68%)，砂質(zhì)量分數(shù)較少(3.79%);平均粒徑為7.08。沉積物懸浮組分占絕對優(yōu)勢，跳躍組分極少量，無滾動組分，表明其沉積環(huán)境的水動力較弱。

研究區(qū)位于碳酸鹽補償深度(CCD)界限以下，受碳酸鹽溶解作用影響，鈣質(zhì)化石大部分被溶蝕，難于保存。硅藻和放射蟲的豐度也較低，保存較差，有溶蝕現(xiàn)象。研究區(qū)沉積環(huán)境不利于硅質(zhì)及鈣質(zhì)生物化石的沉積和保存。

4.4 物質(zhì)組成及來源

碎屑礦物主要有微結(jié)核、沸石、角閃石、石英、火山玻璃，其余礦物少見或僅在部分層位發(fā)現(xiàn)，如磁鐵礦、鈦鐵礦、褐鐵礦、黑云母、白云母、鋯石、長石。黏土礦物主要由伊利石－蒙脫石混層礦物、伊利石、綠泥石和高嶺石組成。部分層位發(fā)現(xiàn)硅藻、放射蟲、海綿骨針等硅質(zhì)生物碎屑，鈣質(zhì)幾乎全部溶解，留下大量生物殘渣。

微結(jié)核的物源主要是界面水，間隙水和海底火山物質(zhì)水解的析出物，是在氧化條件和偏堿性環(huán)境下形成的自生礦物(盧效珍，1992)。沸石為火山物質(zhì)蝕變而形成的自生礦物(彭漢昌等，1992)。伊利石、綠泥石和高嶺石均為風和水流攜帶入海的陸源物質(zhì)(唐松等，2004)，而蒙脫石是由基性火山物質(zhì)、尤其是火山玻璃蝕變而成(張德玉，1993)，伊利石－蒙脫石混層礦物則是蒙脫石和伊利石2個端元礦物之間的過渡礦物(徐博會等，2009)。角閃石、石英、白云母等碎屑礦物為陸源碎屑(劉振夏，1991);硅藻、放射蟲、海綿骨針等硅質(zhì)生物化石和魚牙骨等為生物成因。

綜上所述，研究區(qū)沉積物是陸源物質(zhì)、生物碎屑物質(zhì)、火山物質(zhì)和自生礦物共同作用的結(jié)果。

大洋沉積物主要由黏土礦物、硅質(zhì)和鈣質(zhì)的生物碎屑組成，陸源碎屑礦物很少;而河口相、濱海相、淺海相的細粒沉積物主要由陸源的碎屑礦物、黏土礦物組成。研究區(qū)的沉積物同時具備了大洋和淺海沉積物的物質(zhì)組成特征，物質(zhì)組成較為復雜。

4.5 成因分析

硅藻、放射蟲等硅質(zhì)生物化石，具有密度小、結(jié)構(gòu)松散，多孔、比表面積大等特點，進而造成了沉積物的含水率高、壓縮性高等工程性質(zhì)。硅藻土具有很高的孔隙性，掃描電子顯微鏡(SEM)觀察顯示孔隙半徑較小，屬超細孔隙，硅藻殘骸體內(nèi)也存在較多封閉的超細孔隙，這是形成硅藻土低密度的重要原因(張永雙等，2013)。

黏土礦物是構(gòu)成黏土顆粒的主要成分，是控制沉積物工程性質(zhì)與變化的主要因素之一。沉積物中的黏土礦物大多集聚成微集聚體，以絮狀鏈接形式組合成蜂窩狀絮凝微結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙度較大(馬雯波等，2014)，這種微觀結(jié)構(gòu)決定了沉積物的宏觀性質(zhì)。

沸石是多孔性含水硅鋁酸鹽晶體，其結(jié)晶構(gòu)造主要由四面體組成，構(gòu)架中有一定孔徑的空腔和孔道，這種獨特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，決定了其具有良好的吸附性能(趙桂瑜等，2007)，多孔疏松的性質(zhì)也是造成沉積物特殊工程地質(zhì)性質(zhì)的原因。

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)沉積物具有較高的含水率，較低的密度，較大的孔隙比，較低的抗剪強度、貫入阻力和無側(cè)限抗壓強度，與大洋沉積物的物理力學性質(zhì)比較接近，是工程地質(zhì)性質(zhì)較差的土體。

(2)隨著深度的增加，沉積物的天然含水率和孔隙比逐漸減小，濕密度、抗剪強度、貫入阻力、無側(cè)限抗壓強度等參數(shù)增加。這是土體在自重應力作用下固結(jié)排水的結(jié)果。含水率與密度、抗剪強度、貫入阻力都成負相關(guān)，是影響沉積物物理力學性質(zhì)的主控因素。

(3)研究區(qū)沉積物以黏土質(zhì)粉砂為主，其中粉砂平均質(zhì)量分數(shù)為62.53%，黏土平均質(zhì)量分數(shù)為33.68%，砂平均質(zhì)量分數(shù)為3.79%，平均粒徑為7.08φ。沉積物懸浮組分占絕對優(yōu)勢，跳躍組分極少量，無滾動組分，表明了水動力較弱的沉積環(huán)境。

(4)研究區(qū)沉積物物源比較復雜，是陸源物質(zhì)、生源物質(zhì)、火山物質(zhì)和自生礦物共同作用的結(jié)果。硅藻、放射蟲、海綿骨針等硅質(zhì)生物化石以及沸石多孔、松散的特點，以及黏土礦物的結(jié)構(gòu)特征造成了沉積物較高的含水率、較大的孔隙比以及較差的力學性質(zhì)。

陳小玲.2004.大洋多金屬結(jié)核礦區(qū)表層沉積物的物理性質(zhì)［J］.東海海洋，22(1)：28－33.

崔維成，劉峰，胡震，等.2012.蛟龍?zhí)栞d人潛水器的7 000米級海上試驗［J］.船舶力學，16(10)：1131－1143.

GB/T 17229—1998，大洋多金屬結(jié)核礦產(chǎn)勘查規(guī)程［S］.

GB/T 12763.8—2007，海洋調(diào)查規(guī)范［S］.

劉振夏.1991.馬里亞納海槽的沉積［J］.海洋地質(zhì)與第四紀地質(zhì)，11(2)：69－78.

盧效珍.1992.太平洋中部柱狀沉積物中的自生礦物［J］.海洋地質(zhì)與第四紀地質(zhì)，12(1)：67－72.

劉方蘭，曲佳.2013.馬里亞納海溝水深探測及“挑戰(zhàn)者深淵”海底地形特征［J］.海洋地質(zhì)前沿，29(4)：7－11.

馬雯波，饒秋華，吳鴻云，等.2014.深海稀軟底質(zhì)土宏觀性能與顯微結(jié)構(gòu)分析［J］.巖土力學，35(6)：1641－1646.

彭漢昌，劉正坤.1992.深海沉積物中的鈣十字沸石［J］.海洋學報：中文版，14(6)：68 －73，138.

宋連清.1999.大洋多金屬結(jié)核礦區(qū)沉積物土工性質(zhì)［J］.海洋學報：中文版，21(6)：47－54.

唐松，邵磊，趙泉鴻.2004.南海漸新世以來黏土礦物的演變特征及意義［J］.沉積學報，22(2)：337－342.

王樹仁，陽寧，王貴滿.2000.太平洋C－C區(qū)中國礦區(qū)深海沉積物的強度特性研究［J］.礦冶工程，20(3)：21－24.

吳鴻云，陳新明，高宇清，等.2010.西礦區(qū)深海稀軟底質(zhì)剪切強度和貫入阻力原位測試［J］.中南大學學報：自然科學版，41(5)：1801－1806.

徐博會，丁述理.2009.伊/蒙混層黏土礦物研究現(xiàn)狀與展望［J］.河北工程大學學報：自然科學版，26(4)：56－60.

張德玉.1993.馬里亞納海槽和西菲律賓海盆更新世以來沉積物中的黏土礦物［J］.沉積學報，11(1)：111－120.

趙桂瑜，周琪.2007.沸石吸附去除污水中磷的研究［J］.水處理技術(shù)，33(2)：34－37.

張永雙，郭長寶，曲永新，等.2013.膨脹性硅藻土的力學性質(zhì)及其災害效應研究［J］.巖土力學，34(1)：23－30，39.

朱坤杰，王金蓮，鄧希光.2015.中—西太平洋海盆淺層沉積物的物理力學性質(zhì)初探［J］.土工基礎(chǔ)，29(3).待刊.