無明顯壓實的濱海相沉積孔隙度識別及其機理與意義

徐起浩

廣東省地震局，廣州 510070

0 引言

國內(nèi)外很多學者在利用濱海相沉積研究海平面及海岸升降運動時，均會考慮沉積壓實作用[1-3]，認為壓實減小了海岸沉積物體積，導致地面下沉，從而引起海平面上升。沉積壓實已成為僅次于溫度變化的、引發(fā)海平面變化及海岸變化的第二重要作用[4]。

早在1930年Athy[5]首先提出自重作用下的連續(xù)沉積物孔隙度剖面隨深度呈指數(shù)下降，被稱為Athy定律，并由Fowleretal.[6]通過數(shù)學解釋，得出Athy定律的理論基礎。2001年Bahretal.[7]認為沉積壓實和相應孔隙度變化可以由簡單的深度指數(shù)關(guān)系進行模擬，但在近地表則表現(xiàn)為線性關(guān)系。前人通過土工技術(shù)模擬、數(shù)值模擬或儀器觀察研究了淺埋藏沉積壓實[8-10]，但許多學者承認計算過程和結(jié)果本身可能存在不小的問題。Greensmithetal.[11]認為至今幾乎沒有其他任何知識領(lǐng)域中存在如此困難的數(shù)量估算問題。Brain[4]在總結(jié)過去、現(xiàn)在沉積壓實對相應海平面及海岸變化的作用狀況，以及對未來的預測中肯定了沉積壓實的研究。但他也提出了一些問題，如壓實不能夠歸于探測到的地面下沉，需要仔細鑒定，并與監(jiān)測手段、存在的數(shù)據(jù)、模擬研究進行比較。Brain[4]又指出由壓實引發(fā)的下沉速率因測量方法，成因機制，空間分布區(qū)域，觀察的持續(xù)時間和資料的性質(zhì)，其準確性存在較大的變化。Hortonetal.[12]在新澤西通過底部泥炭評估壓實對全新世海平面變化的貢獻時認為，壓實引發(fā)的被測海平面高程點(SLi)下沉幅度通常與上覆的沉積厚度及沉積柱的厚度呈正相關(guān)，而與深度及不可壓縮的全新世基底呈負相關(guān)。但在每一個被測樣品海平面高程點之下的沉積物厚度和下伏不可壓縮的基底之間的關(guān)系經(jīng)常是變化且沒有統(tǒng)計學意義的。他并未說明其中的原因，但指出作為下伏沉積可能的累積壓縮是有限的[4,12]。在順序沉積地層中沉積在低密度，具較大壓縮性的有機沉積物頂部的密度較大的成礦沉積物壓實效應更大[4,13-15]。至于為什么上部壓實比下部更大卻未得到深究和解釋。

黃河三角洲[16-17]及東南沿海等多地均開展過壓實研究，并設定珠江三角洲黏土或淤泥在各地質(zhì)時期的壓實率分別為0.436(40～10.1 ka B.P.)，0.381(10～2.6 ka B.P.)，0.115(<2.49 ka B.P.)[18-19]，并提出了沉積壓實計算公式。也有學者指出土的密度隨深度增加不是平穩(wěn)連續(xù)發(fā)生，而是跳躍式漸增，無法用一個方程式來表示這種變化[20]。

綜觀國內(nèi)外對濱海相沉積壓實的研究，盡管研究方法多種多樣，結(jié)果也不盡相同，但幾乎都認為上覆沉積增加，被壓實量也一定增加。相同命名土下伏沉積孔隙度越小，孔隙水滲透就越多，壓實量就越大。至于孔隙水實際能否滲透，如何滲透，壓實過程中孔隙泄水通過何種途徑，泄到何處未涉及。在數(shù)10 m深度內(nèi)普遍呈現(xiàn)孔隙度與沉積深度不存在相關(guān)關(guān)系的原因尚未得到合理的解釋。大量事實反映了相同命名土深部土的孔隙度較淺部的更大。雖然近年來沉積學取得到了長足發(fā)展[21-22]，但上述問題并未得到解決，這在相當程度上影響了沉積壓實的研究進展及對沉積學的更深度認識。

準確識別濱海相沉積壓實量大小，對于用濱海相沉積識別古海平面位置，并據(jù)此進一步識別海岸地殼運動特征，對研究海岸帶古地震，識別海岸帶未來可能的地震危險區(qū)均具有重要意義。本文通過作者多年來收集的海岸帶鉆孔沉積及孔隙度等資料，就上述沉積學問題進行了探索研究。

1 理論模式及參數(shù)關(guān)系對沉積壓實的解釋

沉積壓實是沉積物沉積時和沉積后在沉積荷重作用下失水、孔隙度降低、密度增大以及體積縮小的過程。

1.1 理論模式

圖1為沉積壓實理論模式。當沉積過程中孔隙水與外界相通，設：h1，h2，h3為自下而上橫截面相同，高度相同，對應初始沉積孔隙度(n0-1，n0-2，n0-3)也相同的3個土柱。顯然，3個土柱初始沉積的壓實量(△h1-1，△h2-1，△h3-1)和對應的被初始壓實縮短了的土柱高度(h1-1、h2-1、h3-1)，以及對應的孔隙度n1-1、n2-1、n3-1均相等。當h2土柱在h1上加積后，在上覆土柱的壓實作用下h1-1(圖1a)又被壓實，壓實量為△h1-2，壓實后土柱又被縮短，變成h1-2，孔隙度為n1-2(這時的h2高度從h1-2頂面起算)(圖1b)；當h3土柱在h2土柱上加積后，h2在上覆土柱的壓實作用下h2-1又被壓實，壓實量為△h2-2，壓實后土柱又被縮短，變成h2-2，孔隙度為n2-2(這時的h3高度從h2-2頂面算起)；下伏的土柱h1-2再被壓實，壓實量為△h1-3，h1-2土柱被再縮短成h1-3，孔隙度為n1-3(這時的h2-1高度從h1-3頂面起算)(圖1c)?？芍?/p>

△h2-2=△h1-2，h2-2=h1-2

h1的總壓實量△h1=△h1-1+△h1-2+△h1-3

h2的總壓實量△h2=△h2-1+△h2-2

h3的總壓實量△h3=△h3-1

于是得出△h1>△h2>△h3，n1-3

h1的總壓實量△h1=△h1-1+△h1-2+△h1-3+…+△h1-m

h2的總壓實量△h2=△h2-1+△h2-2+…+△h2-(m-1)

h3的總壓實量△h3=△h3-1+△h3-2+…+△h3-(m-2)

…

hm的總壓實量△hm=△hm-1

所以，△h1>△h2>△h3>…>△hm

(1)

自下而上的孔隙度依次為n1-m

式(1)表達了沉積壓實的理論結(jié)果，即下部土柱的沉積壓實量總是比上部的大，孔隙度比上部的小。

圖1 晚更新世中晚期以來濱海相沉積理論壓實示意圖Fig.1 Interpretation of the hint figure of theoretical compaction of the littoral facies sediment since middle and late period of Epipleistocene

1.2 沉積壓實參數(shù)關(guān)系式與沉積壓實度

1.2.1 壓實參數(shù)關(guān)系式及用于計算壓實存在問題

已知土體單元(面積等于1)的體積、孔隙比、孔隙度壓縮前分別為h0、e0、及n0，壓縮后分別為h、e、及n，張鳳英等[1]根據(jù)土柱壓實前后不可壓縮的骨架和孔隙體積的變化關(guān)系得出：

(2)

由壓縮變形△h與孔隙比變化△e的關(guān)系[23]得：

(3)

若將(3)式改用孔隙度表示，并將h0=△h+h代入，展開也得(2)式。

用上述關(guān)系式計算沉積壓實時存在以下問題：表1序號184～187為淤泥，順序沉積從孔深4.3 m至10.3 m，間隔2 m測得樣品的4個等間距孔隙度分別為64.3%，65.3%，66.1%，67.6%，顯示下部土柱的孔隙度大于上覆土柱的孔隙度。按通常計算壓實量的方法，用相鄰的2個孔隙度的高程點距離作為壓實后土柱厚度h值，共有3個相等的h值。取測得的土柱頂部和底部孔隙度平均值作為該土柱孔隙度值，即為64.8%，65.7%，66.9%。當n0一定時，將上列測定及設定的參數(shù)，代入關(guān)系式(2)得到下部土柱的壓實量小于上部土柱。這與沉積壓實理論模式及式(1)不符。說明不能反映沉積壓實實際情況。

實際研究中有關(guān)壓實各參數(shù)之間的關(guān)系式內(nèi)，主要參數(shù)中僅n是測得的已知值，對應n的其余3個參數(shù)n0，h0，h都是難以測得的可變值，以往的研究都是通過類似上述的設定或模擬獲得。而設定或模擬很難接近這些參數(shù)真實的多變的數(shù)值。這是壓實計算中總是存在難以解決問題的重要原因。

1.2.2 壓實關(guān)系式對沉積欠壓實的反映

為研究方便，導入沉積壓實度概念，(2)式可寫成：

(4)

K即為沉積壓實度，反映沉積壓實量相對大小或壓實程度，為無量綱值。K越大，壓實量相對越大，壓實程度越高。當K=0，壓實量為0，顯然1>K≥0。 壓實度K及(4)式直觀地顯示壓實度K僅與初始沉積孔隙度n0及沉積后至今孔隙度n有關(guān)。將(4)式代入壓實度K算式得：

(5)

(5)式為簡單關(guān)系式，第2項為負值。當n0一定時，壓實度K變大，n值變小，即隨著沉積厚度的增大，由淺至深按式(1)及圖1理論模式的順序沉積；K變小，n會變大，即隨著沉積厚度的增大，由深至淺按式(1)和圖1理論模式的順序沉積；當K不變時，n0變大，n也變大，反之亦然。關(guān)系式說明對于具相同初始孔隙度n0的相同土，無論是壓實度變大或變小都不會產(chǎn)生上部土柱孔隙度小于下部的情況。若令下伏土柱初始孔隙度為n01，壓實后的孔隙度為n1，壓實度為K1，當K1不變時，上覆土柱可能以另一初始孔隙度n02及壓實度K2沉積；當n02

2 鉆孔巖芯沉積孔隙度反映的欠壓實特征及理論和環(huán)境解釋

2.1 40 m以淺沉積土孔隙度

2.1.1 同一鉆孔相同命名土比較

隨機收集廣東沿海地區(qū)8個工程場地58個鉆孔191個土樣，實驗室測得這些土樣在天然狀態(tài)下的物理指標(表1)，孔隙度與深度之間顯示下列2個特征：

(1) 40 m以淺的濱海相沉積較多表現(xiàn)下部孔隙度較上部高。若將上下相距最近的兩個相同命名土下部孔隙度較上部低的稱為A事件，反之稱為B事件，則全部測試土樣中A事件69件，占總事件58%，樣品最深40.2 m；B事件49件，占42%，樣品最深38.3 m。B事件發(fā)生的土類幾乎包括了濱海相所有含黏土沉積。

(2) B事件在最初期的薄層沉積時就已發(fā)生。厚1 m以內(nèi)土層A事件數(shù)為5，B事件數(shù)為6，后者樣品序號41～42，113～114，117～118，120～121，122～123， 124～125，為粉質(zhì)黏土，礫質(zhì)亞黏土，砂質(zhì)亞黏土，淤泥，主要分布于10 m以下深度。說明B事件在沉積厚數(shù)十厘米的很薄土層時就可能發(fā)生。表1中多數(shù)樣品間隔數(shù)米或十余米，若將取樣都間隔為1 m以內(nèi)，上述現(xiàn)象將會更明顯。

2.1.2 不同場地多鉆孔樣品比較

(1) 廣東汕頭礐石大橋二期工程場地(圖2)，共有淤泥樣品25個，樣品孔深2.2～27.8 m。相同孔深樣品具有不同的孔隙度。如同為14.2 m的兩個樣品，它們的孔隙度分別為63.8%和60.9%；樣品深度不同，但孔隙度相同，如深度分別為2.2 m和14.2 m的2個樣品，孔隙度都為60.9%；孔隙度最大的是孔深6.2 m和孔深11.4 m的樣品，分別為70%和70.1%，都比最淺處樣品大得多。場區(qū)淤泥不同深度孔隙度大于或等于60.9%的樣品有19個，占總樣品76%。若只考慮通常認為的沉積壓實與深度關(guān)系，即深度愈大孔隙度愈小，愈被壓實，則場區(qū)由淺至深大部分淤泥孔隙度在孔深2.2 m或更淺部就可能形成。其他土(圖2B)都有如上述相似情形，孔隙度大致表現(xiàn)為：淤泥>淤泥質(zhì)土>黏土>礫質(zhì)黏性土及砂質(zhì)黏性土。若將場區(qū)相同土深度最接近的2個樣品進行比較，用與上述相同方法確定A或B事件，不同鉆孔相同命名土相同深度具2個不同孔隙度，該深度A，B事件各算1次，垂直方向最鄰近不同深度相同命名土樣品具相同孔隙度，A，B事件也各算1次，則：場區(qū)淤泥A事件14次，用A14表示；B 事件12次，用B12表示。其他不同土A，B事件數(shù)同樣表示方法，分別為：淤泥質(zhì)土A2，B3；黏土A2，B2；礫質(zhì)黏性土A3，B1；砂質(zhì)黏性土A0，B1；粉質(zhì)黏土A0，B1。A，B事件總數(shù)分別為A21，B20，分別占總事件數(shù)的51%和49%。

表1 廣東工程場地濱海相沉積孔隙度與深度分布反映的A，B事件數(shù)①～⑧

①汕頭市建筑設計院勘察分院礐石大橋橋址二期工程地質(zhì)報告. 1996.

②廣東省珠海市金洋花園土分析結(jié)果報告. 湘潭市勘察處土工試驗室，1992.

③廣州江南中心(53層)工程地質(zhì)(昌崗中路)初步勘探土工試驗表.廣州江南房產(chǎn)有限公司籌建處，1993.

④珠海西部國際招商大廈工程場地土工試驗成果表，珠海市三灶區(qū)工程質(zhì)量監(jiān)督站，1992.

⑤汕頭國際信托服務公司大樓場地 土壤試驗成果表. 汕頭市建筑設計院勘察隊土工化驗材料試驗室. 1985.

⑥廣州新市鎮(zhèn)肖崗農(nóng)委綜合樓場地工程地質(zhì)勘察報告. 廣東省地質(zhì)礦產(chǎn)測試技術(shù)開發(fā)公司. 1994.

⑦廣東中山坦洲祥慶城土工試驗成果報告表，陜西省工程勘察研究院珠海分院實驗室. 1994.

⑧廣東省珠海市橫琴島大橋工程方案設計勘察地質(zhì)報告.廣東金東勘察實業(yè)有限公司，1988.

(續(xù)表1)

序號地點孔號與樣品編號樣品深度/m土名稱濕密度/(gm/cm3)干密度/(gm/cm3)孔隙度(n)/%A, (B)事件數(shù)63技1-27.3～7.52.04#36.364技1-38.5～8.71.98#41.565技1-49.8～10.02.02#36.966技1-511.1～11.32.00#36.367技12-11,4～1.6黏土1.95#41.3(2)68技12-23.2～3.451.96#44.169技12-35.4～5.61.91#46.970技12-47.7～7.9黏土2.00#39.1271技12-512.1～12.31.97#38.972技12-614.5～14.72.02#35.473技19-26.05～6.25粉質(zhì)黏土1.93#42,21(1)74技19-39.15～9.352.10#34.375技19-411.5～11.72.08#35.076技3-13.6～3.8粉質(zhì)黏土2.00#39.51(1)77技3-36.9～7.11.92#44.678技3-48.3～8.52.08#34.979技8-38.5～8.7粉質(zhì)黏土2.03#36.6(1)80技8-411.26～11.462.01#37.781技13-13.7～3.9黏土1.92#42.6(1)82技13-25.6～5.81.93#43.483技13-37.9～8.1粉質(zhì)黏土2.00#40.1184技13-49.8～10.01.97#39.485技5-14,75～4.95粉質(zhì)黏土1.96#40.3286技5-26.1～6.32.06#35.687技5-39.1～9.32.10#33.888控15-13.8～4.0黏土2.02#37.7(1)89控15-26.45～6.651.99#41.990控15-38.45～8.65粉質(zhì)黏土2.04#38.4291控15-410.05～10.252.03#37.392控15-511.55～11.752.09#35.193技9-28.1～8.3粉質(zhì)黏土2.01#39.3194技9-310.2～10.42.08#33.295技10-25.6～5.8粉質(zhì)黏土1.94#45.0396技10-38.3～8.51.95#42.197技10-410.85～11.051.99#39.098技10-512.95～13.152.07#33.599技20-13.0～3.2黏土2.0#39.6(1)100技20-25.0～5.21.96#43.0101技20-36.75～6.95粉質(zhì)黏土1.96#41.43102技20-48.8～9.01.96#40.8103技20-510.55～10.752.04#35.7104技20-613.3～13.52.09#34.0105珠海西部國際招商大廈場地ZK01-11.8～2.0礫質(zhì)亞黏土1.831.5442.41106ZK01-24.3～4.51.911.5741.3107ZK01-48.7～8.9淤泥1.661.0461.2(1)108ZK01-512.3～12.51.540.8169.7109ZK01-617.7～17.9砂質(zhì)亞黏土1.681.1756.51110ZK01-718.1～18.31.721.3350.2111ZK03-111.2～11.4淤泥1.611.0660.6(1)112ZK03-213.6～13.81.600.9465.0113ZK03-316.5～16.7礫質(zhì)亞黏土1.871.4645.5(1)114ZK03-417.4～17.61.811.4047.6115Zk05-211.6～11.8淤泥1.510.7671.61116Zk05-316.4～16.61.580.8966.8117ZK05-419.6～19.8砂質(zhì)亞黏土1.941.5542.1(1)118Zk05-520.0～20.21.851.4944.3119ZK07-114.0～14.2淤泥1.550.8867.31(1)120ZK07-214.8～15.01.650.9066.5121ZK07-315.5～15.71.570.8269.6122ZK09-12.8～3.0砂質(zhì)亞黏土1.951.7136.2(1)123ZK09-23.8～4.01.901.5442.4124ZK09-329.0～29.2礫質(zhì)亞黏土1.961.6538.3(1)125ZK09-430.0～30.21.931.5841.0126汕頭國際信托服務公司大樓場地ZK11-111.7～12.1淤泥質(zhì)土1.661,1457.31127ZK11-215.9～16.31.741.2353.4128ZK11-321.1～21.5亞黏土2.011.5542.7(1)129ZK11-636.9～37.31.831.3549.6130ZK12-430.5～30.9淤泥質(zhì)土1.791.2752.51131ZK12-536.8～37.21.791.3450.1132廣州新市肖崗農(nóng)委綜合樓場地ZK2-27.15～7.35粉質(zhì)黏土1.8345.5(1)133ZK2-312.1～12.31.8746.6134ZK3-29.7～9.9粉質(zhì)黏土1.8349.11135ZK3-313.0～13.41.9144.6136ZK5-14.5～4.7黏土1.8945.2(1)137ZK5-28.05～8.251.8448.7138ZK9-26.95～7.15粉質(zhì)黏土1.8450.31139ZK9-315.85～16.051.8748.6140中山坦洲鎮(zhèn)祥慶城場地ZK59-423.0～23.2礫質(zhì)黏性土2.051.9051.8(1)141ZK59-526.0～26.21.741.3166.1142ZK68-12.6～2.8淤泥1.641.0062.6(1)143ZK68-27.95～8.151.500.8170.0

(續(xù)表1)

序號地點孔號與樣品編號樣品深度/m土名稱濕密度/(gm/cm3)干密度/(gm/cm3)孔隙度(n)/%A, (B)事件數(shù)144ZK1-28.7～8.9黏土質(zhì)粗砂1.971.7136.6(1)145ZK1-311.2～11.41.891.5243.7146ZK66-220.7～20.9礫質(zhì)黏性土1.761.3052.01147ZK66-328.75～28.951.821.4546.7148ZK10-312.8～13.0黏土1.661.0960.51149ZK10-415.5～15.71.661.1060.3150ZK37-220.7～20.9砂質(zhì)黏性土1.731.2653.61151ZK37-335.1～35.31.791.3351.0152ZK44-215.6～15.8砂質(zhì)黏性土1.711.2454.31153ZK44-322.0～22.21.831.3449.6154ZK47-318.9～19.1砂質(zhì)黏性土1.761.3650.0(1)155ZK47-429.65～29.851.781.3052.1156ZK39-28.35～8.55砂質(zhì)黏性土1.741.2554.22157ZK39-325.2～25.41.731.3052.5158ZK39-432.2～32.41.781.3451.0159ZK40-27.4～7.6砂質(zhì)黏性土1.771.3152.0(1)160ZK40-320.7～20.91.741.2852.8161ZK42-27.65～7.85砂質(zhì)黏性土1.691.2255.11162ZK42-317.7～17.91.731.2853.2163ZK69-28.7～8.9黏土質(zhì)礫砂2.091.8231.7(1)164ZK69-316.9～17.12.101.7733.9165ZK43-14.0～4.2淤泥質(zhì)土1.711.1159.01166ZK43-25.0～5.21.721.1756.8167珠海橫琴大橋場地ZK1-11.0～1.2淤泥1.54#68.82(2)168ZK1-23.0～3.21.56#67.4169ZK1-35.0～5.21.51#70.1170ZK1-47.0～7.21.48#72.3171ZK1-59.0～9.21.61#64.4172ZK1-611.0～11.2亞黏土1.94#46.05(3)173ZK1713.0～13.21.99#45.1174ZK1-815.0～15.21.95#45.6175ZK1-917.5～17.71.87#48.8176ZK1-1021.0～21.21.94#45.2177ZK1-1123.0～23.21.89#47.7178ZK1-1225.0～25.21.90#46.8179ZK1-1327.0～27.21.96#41.2180ZK1-1429.0～29.22.01#38.2181ZK1-1531.0～31.2輕亞黏土1.98#40.51(1)182ZK1-1638.0～38.21.85#48.6183ZK1-1740.0～40,21.98#40.4184ZK3-14.2～4.4淤泥1.61#64.31(3)185ZK3-26.2～6.41.59#65.3186ZK3-38.2～8.41.58#66.1187ZK3-410.2～10.41.55#67.6188ZK3-512.2～12.41.65#62.9189ZK3-716.2～16.4亞黏土1.96#44.9(2)190ZK3-818.2～18.41.92#46.8191ZK3-1024.2～24.41.87#50.0

注：土命名按實驗室命名。表中A事件數(shù)表示相同命名土層相距最近的下部土孔隙度比上部土孔隙度低的事件數(shù)；(B)事件數(shù)(括號內(nèi)數(shù)字)表示相同命名土層相距最近的下部土孔隙度比上部土孔隙度高的事件數(shù)；#號表示“自然容重”。

(2) 廣東中山坦洲鎮(zhèn)祥慶城工程場地土深度與孔隙度關(guān)系也反映了與上述相似現(xiàn)象(圖3)。其中A，B事件總數(shù)為A54，B55，分別占總事件數(shù)的49.5%和50.5%。

(3) 珠海金洋花園場地鉆孔巖芯共有15個樣品(圖4)，其中礫砂測得7個樣品孔隙度，最淺樣品孔深13.1 m，孔隙度36%，其他6個樣品孔隙度都等于或大于該孔隙度，說明該孔礫砂100%樣品都可能在孔深13.1 m或更淺部就能形成。場地各土類A，B事件數(shù)：淤泥、黏土都為A2，B1；礫砂A3，B3。

圖3 廣東中山坦洲鎮(zhèn)祥慶城工程場地鉆孔巖芯沉積物孔隙比隨深度變化Fig.3 Relationship between pore ratio of different sediments in bore cores with depth, Tanzhou town, Zhongshan, Guangdong

(4) 魯西南地區(qū)場地土(圖5A，B)除表現(xiàn)與上述場地大致相同特征外，本身還有二個明顯特征：1)是在大約39 m以內(nèi)的淺層，沉積物孔隙度相對高或較高，孔隙度在37.58%至60%，孔隙度變化是無序的。2)是從大約39.8 m往下至236.5 m的深處，沉積物孔隙度明顯變得低或較低，孔隙度在20.0%至41.82%，孔隙度變化也是無序的。該地區(qū)各種土的A事件，B事件數(shù)分別為：黏土A10，B9；粉土A2，B1；砂質(zhì)黏土A4，B5；粗砂A1，B0；鈣質(zhì)層A0，B1。場地土總事件數(shù)為33，其中A17，B16。分別占總事件數(shù)52%和48%。

表1及上述不同場地多個鉆孔沉積無論是在垂向還是在橫向上大致都包含了各種不同環(huán)境下沉積壓實的狀況和結(jié)果，相同命名土下部樣品孔隙度較上部更高的B事件都接近或比較接近沉積總事件數(shù)的一半。并且?guī)缀醢l(fā)生在隨機選取的任何場地和任意深度。都較一致地表明大約40 m以淺的沉積，不呈現(xiàn)隨深度增加的沉積壓實作用。

2.2 參數(shù)關(guān)系式和環(huán)境對沉積孔隙度及欠壓實的解釋

關(guān)系式(5)顯示對應初始孔隙度n0，無論壓實度K變大，或變小，都不會發(fā)生B事件；只有當壓實度K不變時才可能發(fā)生B事件。在正常沉積情況下，只要出現(xiàn)B事件，就一定反映K沒有變化，下伏沉積沒有被再壓實。表1及上述場地濱海相沉積如此多的B事件，表明確實是濱海相沉積泄水性不好，初始沉積，初始壓實后孔隙水不能排出，沉積負荷主要由孔隙水承擔，表現(xiàn)為欠壓實現(xiàn)象。既然下部土柱孔隙度高于上覆土柱孔隙度的B事件是由于土不具滲透性，表現(xiàn)了欠壓實現(xiàn)象，這樣的孔隙度是由初始沉積的初始孔隙度影響下在表部初始壓實造成，與其后的加積無關(guān)，那么相同命名土柱下部孔隙度低于上覆土柱的A事件，也會是由于土不具滲透性，表現(xiàn)為欠壓實現(xiàn)象，這樣的孔隙度也會是由初始沉積的初始孔隙度影響下在表部初始壓實造成，與其后的加積無關(guān)。關(guān)系式(5)顯示，當下伏土柱壓實度K不變時，上覆土柱初始沉積孔隙度n0相對下伏土柱變大，上覆土柱n即可能變大，出現(xiàn)A事件；當上覆土柱n0變小時，n即可能變小，出現(xiàn)B事件。就反映了這樣的沉積實際。顯然，關(guān)系式(5)反映的這些特征也適用濱海相沉積同一垂直剖面上、下土柱不同命名土的順序沉積。

圖4 珠海市金洋花園場址不同沉積土孔隙度隨深度變化關(guān)系Fig.4 Relationship between porosity and depth of different sedimentary soils, Jinyang Garden, Zhuhai

圖5 魯西南第四系沉積物孔隙度隨深度變化圖[24]A.黏土；B.除黏土外其他沉積物Fig.5 Relationship between Quaternary sediment porosity with depth, west-south of Shandong province[24]A. soil; B. distinct sediments except soil

沉積環(huán)境改變導致初始沉積孔隙度n0不同是可能隨時發(fā)生的，如海岸帶急劇或緩慢的地殼運動，河口帶河流豐水期與枯水期，間歇的雨水期，洪水期，風暴潮沉積與通常的沉積，每年最大潮與一般漲潮時期的沉積，人為因素及其他各種微環(huán)境的改變等都可能使得沉積土類型的改變或即使命名相同的土類，其沉積速率，粒度和介質(zhì)及含水量也有所差異，從而導致沉積的初始孔隙度不一樣和初始壓實不一樣。

表1及上述場地事件A較多于事件B，這可能與環(huán)境或氣候變化沉積物由粗轉(zhuǎn)細的變化有關(guān)。如海進過程中海水對海岸侵蝕，初始沉積粗粒質(zhì)、分選差，繼后逐漸沉積細粒質(zhì)；洪泛期在河口初期沉積速率快、分選差的粗粒質(zhì)，隨著洪泛期的消退，沉積速率轉(zhuǎn)慢，漸漸沉積細粒質(zhì)。使得土的干密度，濕密度，自下而上降低，含水量，孔隙度自下而上升高[25]。這種狀況在河口帶反映更明顯些[26]。這可能是造成事件A較多于事件B，或一個時段內(nèi)孔隙度總趨勢深處較淺處低的重要原因。

3 隨序發(fā)生的不同時段沉積壓實，欠壓實和再壓實

設定沉積是在一個底部和四周封閉僅上部有自由面空間的海盆或靜水洼陷內(nèi)進行，底板及周圍不透水。沉積孔隙水只能自下而上滲透。沉積壓實大致經(jīng)歷下列幾個時段：

3.1 第一階段——初始沉積壓實時段

該階段按圖1沉積壓實模式進行?？紫端c外界連通，沉積時上部顆粒重量擠壓下部顆?？障秲?nèi)的水體，受壓的水體只能向上克服顆粒及水體重量和摩擦力向著沉積表面逃逸，下部沉積物被壓實。圖1及關(guān)系式(2)反映的也就是這個階段的沉積壓實。濱海相任何土都具有這樣的沉積壓實第一階段。只是由于沉積初始孔隙度和泄水環(huán)境的差異，其初始壓實形成的孔隙度、壓實量可能是不一樣的。被壓實的初始沉積土可能是薄或很薄的，持續(xù)的時間可能是不長的或是很短的，特別是滲透性很差的土。表1即反映了這種現(xiàn)象，且顯示初始沉積不到1 m厚就產(chǎn)生欠壓實，壓實量是微小的?？咨?0 m以內(nèi)測得的孔隙度都應該是初始沉積壓實后的孔隙度，每測得的相鄰2個孔隙度之間可能還有未測到的不同的初始沉積壓實孔隙度。持續(xù)沉積，這種第一階段沉積壓實就會不斷的上覆疊加發(fā)生。疊加的總厚度可能是相當大的，已知可達近40 m或更厚(表1、圖2～5)。前述魯西南黏土這樣的第一階段總厚度可能達30余米。廣東沿海除了珠江三角洲的斗門燈籠沙鉆孔中發(fā)現(xiàn)有60余米厚的全新世濱海相沉積外，其它地方大多十余米深以下即出現(xiàn)大于12 000年的晚更新世中晚期沉積，中山市石岐富華路格力商業(yè)大廈場址鉆孔揭示，海拔5.25 m即出現(xiàn)距今(12 580±400)a B.P. 的濱海相沉積，最深的含大量近江牡蠣的軟塑淤泥分布孔深38.55 m，(海拔-36.75 m)，距今年齡為45 120±910 a B.P.[27]。表明上述多個沉積壓實第一階段疊加的時間，有可能達到從距今45 000年左右的晚更新世中晚期至今的時段。

3.2 第二階段——欠壓實時段

第一階段沉積后，隨著上覆沉積厚度的增加，依靠沉積物自重壓力壓迫下伏沉積物內(nèi)孔隙水自下往上逃逸所遇到的阻力也愈大，孔隙水也愈來愈難從沉積物中泄出，當其中孔隙水也承擔上覆沉積物荷重時，如果這時沒有其他泄水途徑，即使上覆繼續(xù)加積，下部沉積物孔隙度也難改變。在海岸帶，無論是縱向還是橫向都主要分布滲透性很差甚至不滲水的濱海相沉積(圖6，7)，河口帶即使有時河流帶來含很少黏土的各種砂的夾層沉積，橫向上大多很快尖滅。在海岸，除了向海微傾斜方向表層沉積可能具橫向泄水外，越往深處，橫向泄水越不好。在洼陷內(nèi)沉積一般不具橫向泄水環(huán)境。這時沉積壓實進入第二階段，即欠壓實階段。持續(xù)時間有的很長，能達晚更新世中晚期以來的數(shù)萬年時段。

本文未能獲得細砂，中砂，粗砂足夠樣品的隨深度變化的孔隙度測值。通常認為這類砂顆粒之間沒有凝聚力，結(jié)構(gòu)非常松散，透水性好。并且不具黏結(jié)性和塑性，易被壓實。有試驗證明砂土的絕大部分壓縮量幾乎在壓力作用后立刻發(fā)生，曾有試樣砂95%的壓縮量在1分鐘內(nèi)幾乎全部完成[28]，有研究者在研究現(xiàn)代黃河三角洲粉砂和黏土質(zhì)粉砂的沉積壓實時根據(jù)滲透系數(shù)得到的固結(jié)系數(shù)變化范圍為3.81 cm2/s至714 cm2/s，認為這樣的固結(jié)系數(shù)范圍內(nèi)15 m厚的沉積層在12小時至1周內(nèi)固結(jié)度可達95%，粗粒沉積物的固結(jié)速度很快，認為可不考慮沉積壓實導致的沉降影響[16]。廣東沿海大量鉆孔巖芯表明這類砂在孔深30余米以內(nèi)的不同深度，大多呈飽水狀態(tài)，巖芯疏松不能直立，厚數(shù)厘米至數(shù)米，其間多為淤泥或黏土所隔，初始沉積后雖然絕大部分孔隙已被壓縮，但隨著上覆加積的負荷作用，部分小顆?？赡苴呄蚯度胧Ｓ嗫紫吨?，若剩余孔隙水不能外泄，即處欠壓實狀態(tài)。

圖6 廣東中山石岐富華路北珠海格力商業(yè)大廈場址鉆孔地質(zhì)剖面圖①廣東省地震局. 廣東省中山市石岐格力商業(yè)大廈場址地震安全性評價報告場址地質(zhì)部分，1993.②徐起浩. 國家地震局聯(lián)合科學基金(批準號：91161)課題研究成果報告：海平面變化，海岸升降與地震關(guān)系研究. 廣東省地震局，1996.顯示場區(qū)距今45 000年以來濱海相沉積縱向，橫向泄水性不好，不易發(fā)生壓實作用Fig.6 The geological section of bores at Zhuhai Geli Commerce Large Building in Zhongshan， GuangdongThis section shows that the sediments of the site have not weel sluicing environment however may in the crosswise or in the vertical and no compaction since middle and late period of Epiprestocen

圖7 廣東斗門縣新環(huán)小橋，新環(huán)平橋，斗門大橋橋址工程地質(zhì)剖面圖①廣東省地礦局區(qū)域測量大隊. 珠海區(qū)域地質(zhì)綜合調(diào)查報告,1989.顯示孔深約60 m以上沉積泄水性不好，除表層外一般不易發(fā)生壓實作用Fig.7 The geological section at Xinhuan Small Bridge, Xinhuan Level Bridge, and Doumen Large Bridge in Doumen county, Guangdong provinceThis section shows that sediments of the sites have not weel sluicing environment and no compaction

3.3 第三階段——再壓實時段

經(jīng)過相當時間沉積欠壓實階段后，沉積體內(nèi)部發(fā)生物理化學變化[29]可能使沉積體孔隙度變得更小。沉積壓實與沉積時間有關(guān)已經(jīng)為一些研究者所認識或提及[30-31]。特別是沉積體所處環(huán)境發(fā)生變化，如長期的緩慢的或急劇的構(gòu)造運動都會使得地層局部傾斜、褶皺、斷裂、裂隙發(fā)育，使得原來處封閉狀態(tài)的孔隙水與地表或地下其他地方局部溝通。一些沉積土體即成非封閉系統(tǒng)，土層中的局部水體會因上覆土體的荷載或受構(gòu)造應力作用被從土的孔隙中擠出，使局部土體進一步被壓實。此外，對沉積土層油氣開采，抽取地下水等人為作用及其他有關(guān)作用都會使得原來處于封閉狀態(tài)的局部土層內(nèi)的孔隙水與外界貫通，在土體壓力下向著低壓力的地方泄出。從而進入沉積壓實的第三階段——再壓實階段。魯西南40 m以下沉積孔隙度明顯低于更淺部沉積，可能與再壓實及其他作用有關(guān)。據(jù)報導，越南湄公河三角洲在公元2006—2010年期間因抽取地下水導致壓實下沉速率達10～40 mm/a[4,32]，我國黃河三角洲下沉較多認為與構(gòu)造運動及人類活動都有關(guān)[33-34]，但越往深處沉積泄水環(huán)境可能越差，壓實作用越困難。40 m以淺，或晚更新世中晚期以來濱海相沉積由于沉積時間不長，再壓實機會不多，這些可能是導致該深度以內(nèi)或該時段的濱海相沉積初始沉積壓實后幾乎未能經(jīng)受再壓實的重要原因。

4 濱海相沉積無明顯壓實，導致的地面沉降不明顯

濱海相沉積在最初表部沉積初始壓實后幾乎再未經(jīng)受壓實作用。每一初始沉積層的壓實作用，其壓實量又很快被上覆的又一初始沉積所填補，所以在計算某一土柱的沉積壓實量時，只要計算該土柱的初始沉積壓實量就行了。而表部的初始沉積壓實是在沉積厚度薄，甚至不到1 m在較短或很短的時間內(nèi)就可能形成。壓實量很小。因為在計算壓實量時所用的n0，h0，h等參數(shù)都是無法確定的估計值，使得計算出來的初始壓實量會有誤差，次外影響古海平面估算的古潮差大小等都有可能使算得初始沉積造成的很小的壓實量在古海平面研究不可避免的誤差范圍內(nèi)。因此利用濱海相沉積求算古海平面高度及據(jù)此推算海岸地殼運動幅度時，除沉積外因素導致再壓實的局部地區(qū)的相關(guān)沉積層外，一般可忽略沉積壓實的影響。

綜合濱海相沉積壓實模式，土柱初始壓實后上覆加積后也不再被壓實。土柱h1初始沉積壓實后騰出的空間△h1很快為海水所充填，壓實后土柱h1-1頂部即為海底平面；當h2在h1-1上覆加積，h2被壓實騰出的空間△h2很快被海水充填，壓實后土柱h2-1頂部即為海底平面； 同樣當h3在h2-1上覆加積后，h3-1頂部即為海底平面。呈現(xiàn)圖8沉積壓實模式。伴隨海平面的漸進上升，濱海相沉積越積越厚，但各沉積土層都未因上覆加積而進一步壓實。如果從下到上有m個這樣的土柱，雖然每個土柱都有初始沉積壓實，但壓實后騰出的空間除了第m個土柱外都沒有損失，因此總壓實量應為最上部第m個土柱的初始壓實量△hm。顯然這壓實量是很小的，而且△hm很快被海水充填，hm-1頂部即為海底平面，因此可以認為濱海相沉積造成的壓實下沉是很不明顯的，在一般情況下也可不予考慮。

壓實度K及公式(4)表明，當n(可由實驗室測得)確定，由n反映的壓實度或相對壓實量僅與n0有關(guān)，而與上覆加積的厚度及沉積深度無關(guān)，理論上比較清晰地解釋了圖8反映的濱海相沉積實際壓實模式。

圖8 晚更新世中晚期以來濱海相沉積實際壓實示意圖Fig.8 Schematic diagram of actual compaction of littoral facies sediments since Middle-Late Pleistocene

5 濱海相沉積壓實，欠壓實，再壓實的研究意義

(1) 在泄水環(huán)境較好的海岸邊進行地表建筑時要評估由于對沉積物增加的荷載導致表層因可能較好的泄水環(huán)境而進一步被壓實，從而使得地基沉降或差異形變可能給建筑物帶來的影響。

(2) 在海岸地帶長時間大量抽取地下水、油氣時，要評價可能使得已處相對穩(wěn)定狀態(tài)的欠壓實沉積因施工造成局部土孔隙水再與外界溝通，導致再壓實，使得地基不均勻沉陷，從而產(chǎn)生對地表建筑物及地下工程的不良影響。

(3) 本文提出隨序發(fā)生的沉積壓實的三個階段，進一步指出沉積壓實，欠壓實的關(guān)鍵是孔隙水的泄水通道是否通暢。由此進一步認為，濱海相沉積實際滲水性很差，表層下面大多沒有實際泄水環(huán)境，40 m深度以淺或晚更新世中晚期以來濱海相沉積壓實不明顯，這些研究和認識對于充實沉積學理論及對用濱海相沉積研究海平面及海岸地殼運動具有重要意義。

本文研究結(jié)果也適合非濱海的內(nèi)陸湖相，流水盆地沉積。

6 結(jié)論

沉積壓實理論模式和理論關(guān)系式導出的壓實度與孔隙度關(guān)系揭示，沉積過程中壓實度不發(fā)生變化時，孔隙度變化決定于初始沉積孔隙度和初始沉積壓實。由于沉積環(huán)境變化導致初始沉積孔隙度和初始壓實變化，會造成沉積體下部孔隙度大于上部的情況。這是沉積體孔隙水不能排出，呈欠壓實狀態(tài)的表現(xiàn)，是沉積體上覆沉積后未被再壓實的重要標志。沉積壓實大致具3個階段，即：最淺部的初始壓實作用階段，其后的欠壓實階段，最后的進一步壓實階段。其中第一階段發(fā)生在薄或很薄的沉積表層，沉積體初步受到壓實，壓實量??；第二階段沉積體上覆加積，但下伏沉積孔隙水與外界不能連通，沉積體欠壓實。隨著持續(xù)沉積，第一階段沉積壓實以不同厚度，不同作用時間多次疊加發(fā)生，緊接第一階段的第二階段即欠壓實階段，延續(xù)的時間有可能達數(shù)萬年；第三階段，由于構(gòu)造作用、人為或其他相關(guān)作用等造成的外部環(huán)境發(fā)生改變，沉積體內(nèi)部孔隙水可能再次與外部連通，形成新的泄水通道，與泄水通道相連的沉積體再受壓實作用。但由于晚更新世中晚期以來濱海相沉積時間不長，再壓實機會不多，而且越往深處沉積泄水環(huán)境可能越差，這些可能是導致40 m以淺或晚更新世中晚期以來濱海相沉積初始沉積壓實后幾乎未能經(jīng)受再壓實的重要原因。晚更新世中晚期以來的濱海相沉積壓實引起的地面下沉不明顯。 在利用濱海相沉積求算海平面高度并據(jù)此推算海岸地殼運動幅度時，除沉積之外的其他因素導致再壓實的局部地區(qū)相關(guān)沉積層外，一般可不考慮沉積壓實的影響。

致謝 對審稿專家提出的寶貴意見衷心感謝。