埕島油田海域沉積物沉積分類向工程分類的轉(zhuǎn)化研究*

杜 星，孫永福，胡光海，宋玉鵬，董立峰，劉曉瑜，周其坤，馬彬彬

(國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

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埕島油田海域沉積物沉積分類向工程分類的轉(zhuǎn)化研究*

杜 星，孫永福，胡光海，宋玉鵬，董立峰，劉曉瑜，周其坤，馬彬彬

(國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

通過(guò)對(duì)埕島海域長(zhǎng)期以來(lái)的海洋沉積物工程分類樣品進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)了黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與塑性指數(shù)之間存在的關(guān)系。在一定程度下，只利用沉積物的粒級(jí)組分就可進(jìn)行工程分類。研究發(fā)現(xiàn)：粉土與粉質(zhì)黏土的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)界限為20%，粉質(zhì)黏土與黏土的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)界限35%。使用該分類界限，在研究區(qū)只使用粒度對(duì)沉積物的工程分類命名準(zhǔn)確率可達(dá)90%以上，做出沉積物分布圖準(zhǔn)確率在80%以上。

埕島油田；工程分類；沉積分類；黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)；塑性指數(shù)

海洋沉積物工程分類對(duì)海洋工程的研究、發(fā)展有著重要的作用。工程地質(zhì)需要按照一定的原則將巖石和土進(jìn)行科學(xué)分類，從而正確、系統(tǒng)地掌握各種沉積物的工程地質(zhì)特征，繪制海底沉積物平面分布圖與剖面圖，對(duì)巖土體做出明確的評(píng)價(jià)，為工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工提供必要的依據(jù)。但粉土、黏土的定名需測(cè)定樣品液塑限，過(guò)程較為復(fù)雜。相比而言，沉積分類只需沉積物粒度數(shù)據(jù)即可，定名較為簡(jiǎn)便。同時(shí)，工程分類定名的沉積物數(shù)據(jù)主要集中于近岸區(qū)域，而沉積分類定名的數(shù)據(jù)分布較為廣泛。尋找到二者間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，可利用海洋沉積分類的數(shù)據(jù)對(duì)沉積物進(jìn)行工程定名。

海洋沉積物工程分類中的碎石土、砂土均是由某一粒級(jí)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)確定的，可根據(jù)粒度資料直接定名。粉土和黏性土需要使用塑性指數(shù)，無(wú)法直接用粒度定名。塑性指數(shù)受到黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、蒙脫石礦物[1]、土體弱結(jié)合水質(zhì)量分?jǐn)?shù)等因素的影響。通常，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大、蒙脫石礦物越多、土體中弱結(jié)合水質(zhì)量分?jǐn)?shù)越多，塑性指數(shù)越大。黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增多時(shí)，土體的塑性指數(shù)相應(yīng)隨著增大，代表可塑狀態(tài)下最大含水量的升高[2]。但是黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)只是影響塑性指數(shù)的一個(gè)因素，無(wú)法完全替代塑性指數(shù)，只能在一定程度上反映二者之間的關(guān)系。部分規(guī)范[3-5]中已經(jīng)提及過(guò)粉土、粉質(zhì)黏土等根據(jù)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)劃分的界限。近年來(lái)有學(xué)者也對(duì)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)和塑性指數(shù)做了回歸分析[6-8]，但是至今沒(méi)有確切的轉(zhuǎn)化方法。因此，我們分析總結(jié)塑性指數(shù)與黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系，并確定完整的沉積分類數(shù)據(jù)向工程分類的轉(zhuǎn)化方法。

1 研究區(qū)背景

1.1 埕島油田海域概況

埕島油田地處黃河口三角洲的北部，渤海灣的西南端，是海陸交互作用的交匯帶，也是河海相互作用的敏感地區(qū)。1855年以來(lái)，黃河口多次轉(zhuǎn)移改道，經(jīng)歷了海侵、海退和三角洲進(jìn)積與蝕退的交替反復(fù)過(guò)程，使該區(qū)淺地層三維結(jié)構(gòu)十分紊亂，沉積作用表現(xiàn)十分強(qiáng)烈，地層沉積特征復(fù)雜。埕島油田屬于渤海灣南部的極淺海海域，是世界上海洋工程環(huán)境最復(fù)雜的地區(qū)之一[9]。研究區(qū)海底表層沉積物在粒度組成上主要為粉砂和粉土，表層沉積物類型有細(xì)砂、粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂、黏土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)黏土六種類型。沉積物分布總體上呈條帶狀，由岸向海沉積物顆粒逐漸變細(xì)，但也存在沉積物類型在水動(dòng)力作用過(guò)程中隨時(shí)空變化的差異性。近岸地區(qū)水動(dòng)力條件較強(qiáng)，導(dǎo)致沉積物粒度變化特征較為復(fù)雜，粗細(xì)類型沉積物可交替出現(xiàn)，遠(yuǎn)岸地區(qū)沉積物由岸向海逐漸變細(xì)*孫永福,宋玉鵬,胡光海,等.埕島油田災(zāi)害地質(zhì)研究成果報(bào)告.國(guó)家海洋局第一海洋研究所,2006:46-73.。

埕島油田自1993年開(kāi)發(fā)至今，已有20多a的歷史，截止2013-01埕島油田主力含油層系館陶組投產(chǎn)油井245口，日產(chǎn)液水平20 483.8 t，日產(chǎn)油水平4 462.3 t。本區(qū)域海洋工程環(huán)境復(fù)雜，研究和開(kāi)發(fā)意義重大[10-11]。長(zhǎng)期以來(lái)的研究開(kāi)發(fā)，為本區(qū)積累了大量的研究資料，因此對(duì)本海區(qū)進(jìn)行研究分析，既有豐富的實(shí)際勘測(cè)資料支撐，又可以為以后進(jìn)一步的科學(xué)研究和經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)服務(wù)。

2 材料和方法

2.1 材 料

樣品A為使用沉積定名的取自埕島油田及其周邊海域的367個(gè)沉積物表層樣(118°30′～119°18′E，37°54′～38°30′N)。取樣位置如圖1所示。樣品B為413個(gè)使用工程定名的3組原狀樣。其中甲組共有291個(gè)樣品，乙組共有71個(gè)樣品，丙組有51個(gè)樣品。樣品C為142個(gè)使用工程定名的表層原狀樣，用以最終檢驗(yàn)沉積物分布圖的準(zhǔn)確性。

原狀樣品B和C是長(zhǎng)期以來(lái)在埕島油田地區(qū)進(jìn)行工程勘察所積累的。鑒于工程定名中不同單位對(duì)液塑限測(cè)定有所偏差，所以綜合了3組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。只有粉土和黏性土的分類用到了塑性指數(shù)，所以只提取了粉土和黏性土兩類作為研究對(duì)象。

圖1 研究區(qū)及采樣位置

2.2 方 法

1)分析、總結(jié)界限：將樣品B的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)按從小到大的順序排列。通過(guò)分別分析、篩選3組數(shù)據(jù)，得出3組粉土與粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土與黏土之間的界限。

2)初步判斷準(zhǔn)確率：將樣品B根據(jù)得出的界限，按照黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行定名，再與原始的定名進(jìn)行對(duì)照，可以初步得出定名準(zhǔn)確率。

3)整合界限：綜合考慮3個(gè)單位黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的界限，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況，得出最終的粉土與粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土與黏土的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分界線。然后將匯總的分界線整合到國(guó)標(biāo)規(guī)范[2]中，總結(jié)成只用粒度進(jìn)行工程定名的方法。

4)作圖與檢驗(yàn)：將樣品A按照新的分類方法進(jìn)行工程定名。做出研究區(qū)的工程分類的沉積物分布圖，將樣品C按坐標(biāo)投影在圖上，通過(guò)統(tǒng)計(jì)落在相應(yīng)區(qū)域的沉積物個(gè)數(shù)，驗(yàn)證分布圖準(zhǔn)確率。

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié) 果

3.1.1 初步檢驗(yàn)準(zhǔn)確率結(jié)果

3組樣品數(shù)據(jù)由3個(gè)不同單位做實(shí)驗(yàn)得出。分析不同單位所得數(shù)據(jù)，可使結(jié)論更具有普遍性。分別將每組數(shù)據(jù)按黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)從小到大排列，通過(guò)觀察與分析，可得出使沉積物新分類與原工程分類一致率最高的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)界限?？紤]3組數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)綜合考慮，可以得出最準(zhǔn)確的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分類界限。

通過(guò)分析總結(jié)3組沉積物工程定名數(shù)據(jù)得出：甲組共有291個(gè)樣品，根據(jù)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)重新定名后，與規(guī)范定名相同的有267個(gè)，準(zhǔn)確率達(dá)到91.75%；乙組共有71個(gè)沉積物樣品，有71個(gè)與規(guī)范定名相同，準(zhǔn)確率達(dá)到100%；丙組共有樣品51個(gè)，與原有定名相同的有47個(gè)，準(zhǔn)確率達(dá)到92.16%。最終結(jié)果如表1所示。

表1 采用黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)界限的沉積物工程定名結(jié)果Table 1 Results of engineering classification using boundaries of clay particle contents

結(jié)合經(jīng)驗(yàn)與實(shí)際情況考慮后得出：粉土與粉質(zhì)黏土之間的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)界限為20%，粉質(zhì)黏土與黏土之間的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)界限為35%。在樣品大于0.075 mm的組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于50%時(shí)，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于20%時(shí)定名為粉土；黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于20%～35%時(shí)定名為粉質(zhì)黏土；當(dāng)樣品所含黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于35%時(shí)可定名為黏土。

3.1.2 新工程分類方法

參考《海洋調(diào)查規(guī)范》[4]和所得的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)界限，整合的新工程分類方法見(jiàn)表2。

表2 砂土、粉土和黏性土分類Table 2 Classification standard for sand, silt and clay

3.1.3 作圖檢驗(yàn)結(jié)果

使用上述定名方法對(duì)367個(gè)沉積物表層樣品(樣品A)進(jìn)行新工程定名，得到定名結(jié)果為：黏土6個(gè)，粉質(zhì)黏土132個(gè)、粉土204個(gè)、粉砂22個(gè)、細(xì)砂1個(gè)、粗砂2個(gè)。根據(jù)上述分類結(jié)果做圖，得到埕島海域地區(qū)工程定名沉積物分布圖(圖2)。

圖2 研究區(qū)沉積物分布

將142個(gè)已知的工程規(guī)范定名的鉆孔表層樣(樣品C)按坐標(biāo)投影在圖上檢驗(yàn)，得出本沉積物分布圖的檢驗(yàn)準(zhǔn)確率見(jiàn)表4，其檢驗(yàn)鉆孔位置見(jiàn)圖3。

表4 鉆孔檢驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of testsby drillingcores

圖3 檢驗(yàn)鉆孔位置圖

3.2 討 論

3.2.1 粉土與粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土與黏土的界限

通過(guò)分析處理長(zhǎng)期以來(lái)積累的3組數(shù)據(jù)，歸納總計(jì)出了3個(gè)最適宜該資料的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分界線。綜合各單位的樣品個(gè)數(shù)與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，得出了統(tǒng)一的20%與35%兩個(gè)界限。使用該界限對(duì)粉土以及黏性土進(jìn)行重新定名，與原有工程定名符合率均為90%以上，有較高的準(zhǔn)確性。但在一些已有的工程規(guī)范中，將粉土與粉質(zhì)黏土的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)界限劃分為15%，將粉質(zhì)黏土與黏土的界限劃分為30%。本文所得到的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)界限和其相比均偏大，可能由于規(guī)范的界限考慮了液化性能等其他影響因素。

黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土的液化性能有密切的聯(lián)系。李蘭等[12]指出，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)黃土液化性能的影響，并不是隨黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,抗液化性能單調(diào)的增加的關(guān)系,而是在黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)Pc=15%附近抗液化性能最低。曹成林等[13]認(rèn)為，隨黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，粉土動(dòng)強(qiáng)度不是單調(diào)變化，而是先減小后增大，且黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%的土樣最容易破壞。劉雪珠和陳國(guó)興[15]認(rèn)為，在黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的時(shí)候，南京粉細(xì)砂最容易被破壞。按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]中的規(guī)定，粉土的黏粒(d<0.005 mm的顆粒)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在地震烈度7，8，9度時(shí)分別不小于10，13，16，可判為不液化土。已有規(guī)范中考慮黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)界限受到液化性能的影響，偏向于液化性能最強(qiáng)烈變化的一點(diǎn)。

《海洋調(diào)查規(guī)范》[4]中將粉土與粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土與黏土的塑性指數(shù)界限規(guī)定為10和17。即本文黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%與塑性指數(shù)10對(duì)應(yīng)，黏數(shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%與塑性指數(shù)17對(duì)應(yīng)。之前一些研究人員做過(guò)關(guān)于黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)和塑性指數(shù)的回歸分析。其中張梅靜和陳高[6]所得到的公式與本文界限較為接近，當(dāng)塑性指數(shù)為10時(shí)，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.986%；當(dāng)塑性指數(shù)為17時(shí)，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38.34%。何停印和閆芙蓉[7]的公式得出，當(dāng)塑性指數(shù)約為10時(shí)，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%。閆芙蓉等[8]公式得出，當(dāng)塑性指數(shù)約為10時(shí)，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%。而《港口工程地基規(guī)范》[3]中指出，塑性指數(shù)為10對(duì)應(yīng)的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%。前人與本文所得黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)界限均偏大，說(shuō)明實(shí)測(cè)樣品黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏大在各地區(qū)都存在，有一定的普遍性。

3.2.2 鉆孔檢驗(yàn)結(jié)果

利用142個(gè)原狀樣品對(duì)沉積物分布圖檢驗(yàn)，結(jié)果顯示黏土、粉質(zhì)黏土準(zhǔn)確率不高，粉土準(zhǔn)確率較高，粉砂相對(duì)居中。黏土、粉質(zhì)黏土樣品數(shù)太少，導(dǎo)致二者正確率不高。粉土正確率達(dá)到98.24%。將3種沉積物結(jié)合在一起檢驗(yàn)，總正確率超過(guò)80%，沉積物分布情況與實(shí)際較為符合。沉積物分布圖受精度、比例尺、地形地貌等條件的制約，只是大致反映研究區(qū)的沉積物分布情況。因此，利用新工程分類方法做出的沉積物分布圖較為可靠，適用于埕島海域使用。

3.2.3 新工程分類

本文得出的新工程分類方法是在國(guó)標(biāo)[4]分類的基礎(chǔ)上，碎石土和砂土的分類方法不變，將粉土和黏性土僅按照黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)劃分。沒(méi)有將粉土進(jìn)一步劃分為粉質(zhì)粉土和黏質(zhì)粉土，省略了淤泥質(zhì)黏土和淤泥。沉積定名的數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單，僅需粒度資料。而工程定名復(fù)雜，需要較多參數(shù)，這對(duì)海洋工程地質(zhì)工作的進(jìn)行造成了不便。去除了塑性指數(shù)這一定名標(biāo)準(zhǔn)，可在當(dāng)前尚無(wú)沉積物工程分類的地區(qū)，根據(jù)已有沉積分類的粒度數(shù)據(jù)初步進(jìn)行工程定名，便于初步分析與進(jìn)一步研究，更好地利用了已有數(shù)據(jù)。另外，粉質(zhì)粉土、黏質(zhì)粉土和淤泥質(zhì)黏土以及淤泥的劃分有待進(jìn)一步研究。

黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與塑性指數(shù)存在明顯的正相關(guān)性，可在一定程度上反映塑性指數(shù)。但由于塑性指數(shù)由黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、蒙脫石礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土體中弱結(jié)合水量共同作用，所以只憑黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)法完全取代塑性指數(shù)。較高的正確率已經(jīng)能夠體現(xiàn)出這種新方法的正確性，在一定程度上對(duì)海洋工程地質(zhì)有著重要的指示作用。本文提出的方法在其他海域的準(zhǔn)確性有待于進(jìn)一步檢驗(yàn)。

4 結(jié) 論

1)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與塑性指數(shù)具有較大相關(guān)性，在一定程度上可以利用黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)代替塑性指數(shù)對(duì)沉積物進(jìn)行工程定名。

2)使用粉土與粉質(zhì)黏土黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)界限20%，粉質(zhì)黏土與黏土黏粒界限質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%對(duì)研究區(qū)沉積物命名，準(zhǔn)確率可達(dá)90%以上。沉積物分布圖用已知工程定名的表層原狀樣檢驗(yàn)，準(zhǔn)確率可達(dá)80%以上。

3)在一定程度上，本文提出的新工程分類方法可以替代原有方法對(duì)沉積物進(jìn)行定名。但是黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)法完全替代塑性指數(shù)，只是在本海域與塑性指數(shù)具有較大的相關(guān)性。

4)沉積物沉積定名的粒度資料可根據(jù)本方法轉(zhuǎn)化成工程定名。埕島油田海域地區(qū)適用性良好，其他地區(qū)有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。

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Received: November 4, 2014

Study on the Conversion From Sediment Classification to Engineering Classification for Sediments Collected in the Chengdao Oilfield Sea Area

DU Xing, SUN Yong-fu, HU Guang-hai, SONG Yu-peng, DONG Li-feng,LIU Xiao-yu,ZHOU Qi-kun, MA Bin-bin

(TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061, China)

This study carried out engineering classification of sediment samples from the Chengdao Oilfield sea area, discovered and summarized the relationship between clay contents and the plasticity index. We further suggested that under certain extent, engineering classification can be achieved by analyzing grain sizes of sediments only. Analysis results showed that the boundary of clay content between silt and silty clay is 20%, and that between silty clay and clay is 35%. By using this method, the accuracy rate for engineering classification of sediments can be up to 90%, and that for making the sediment-type distribution map is over 80%.

Chengdao Oilfield; engineering classification; sediment classification; clay content; plasticity index

2014-11-04

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)——近海海底地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)及防控關(guān)鍵技術(shù)研究(201005005)

杜 星(1991-)，男，遼寧大連人,碩士研究生,主要從事海洋工程地質(zhì)方面研究.E-mail：duxing@fio.org.cn

(陳 靖 編輯)

P736.21

A

1671-6647(2016)01-0121-08

10.3969/j.issn.1671-6647.2016.01.012