萊州灣早全新世高黏粒軟土工程地質(zhì)特征及巖相古地理

張卓，徐建國，徐華，朱恒華，張濤，劉春華，劉中業(yè)，紀汶龍

(山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟南 250013)

我國東部沿海古河谷區(qū)以外沉降海岸普遍發(fā)育全新世早—中期軟土沉積[1]。已有的年齡數(shù)據(jù)表明，其頂板年齡最小(3210±190)a B.P.，底板年齡一般為7000～8000a B.P.,最大可達(11800±160) a B.P.[2]。由于軟土具有含水量大、壓縮性高、強度低特點，國內(nèi)關于軟土研究成果很多[3]，但從古地理與工程特征系統(tǒng)開展軟土特性的研究則很少。作者在萊州灣地區(qū)開展1∶5萬第四紀地質(zhì)、工程地質(zhì)調(diào)查過程中，查明該區(qū)全新世早期發(fā)育一套層位穩(wěn)定暗色調(diào)沉積層，其形成時代、巖相與我國東部沿海的全新世早—中期的軟土層相當[4]。系統(tǒng)研究該軟土的成因、巖相特征、及工程地質(zhì)特征，對工程建設活動具有指導和借鑒作用。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 地層

工程地質(zhì)區(qū)位于萊州灣南岸，屬于華北平原地層分區(qū)和魯西地層分區(qū)，南部屬魯西地層分區(qū)濰坊-郯城小區(qū)，北部屬華北平原地層分區(qū)濱州-東營小區(qū)，出露地層主要為第四系頂部地層。新生界厚度數(shù)百米至兩千米以上，由南向北厚度增大。

1.2 構造

區(qū)內(nèi)大地構造分區(qū)以鄌郚-葛溝斷裂為界，分屬2個Ⅲ級大地構造單元，斷裂以西為濟陽坳陷，以東為沂沭斷裂帶，濟陽坳陷和沂沭斷裂帶的交會處也稱昌濰坳陷。區(qū)域地質(zhì)背景十分復雜。

1.3 地形地貌

萊州灣南岸平原區(qū)位于泰沂山地丘陵北麓山前傾斜平原東段，北部與渤海相連，地勢自南向北傾斜，平均坡降0.47×10-3(圖1)。自南向北依次為山前沖洪積平原(海拔10～60m)、沿海低平原(包括河海積平原和海積平原，海拔10m以下)和現(xiàn)代潮灘。濱海區(qū)潮溝系統(tǒng)發(fā)育，為粉砂質(zhì)、泥質(zhì)海岸帶。

圖1 研究區(qū)位置及地貌高程圖

2 巖相古地理

2.1 古地理環(huán)境

在萊州灣巖心中采集古生物樣本，層位為全新世軟土，鑒定單位為山東科技大學及南京古地理研究所。結果表明，廣鹽類有孔蟲、淡水介形類均有發(fā)現(xiàn)(圖2)，微體古生物有孔蟲為半咸水、咸水種，發(fā)育在下三角洲及潮平相，主要種屬畢克卷轉(zhuǎn)蟲Ammoniabeccarii、清晰希望蟲ElphidiumlimpidumHo, Hu et Wang[5]、介形類中華美花介Sinocytherideaimpreessa則出現(xiàn)在潮平相，指示湖沼沉積的純凈小玻璃介Candoniellaalbicans[6]，另外，樣品中發(fā)現(xiàn)蘿卜螺和白小旋螺，均指示淡水湖泊環(huán)境，說明研究區(qū)古地理環(huán)境存在湖泊，其形成時期與暖氣候一致，由于氣候變化，河流變遷及人類活動影響，導致古湖泊的消亡[7]。

1—畢克卷轉(zhuǎn)蟲(Ammonia beccarii)；1a—背視；1b—腹視；2—清晰希望蟲(Elphidium limpidum Ho, Hu et Wang)；2a—背視；2b—腹視；3—介形類中華美花介(Sinocytheridea impreessa)；4—純凈小玻璃介(Candoniella albicans)；5—蘿卜螺(Radix sp.)；6—白小旋螺(Gyraulus albus)圖2 萊州灣全新世軟土古生物屬種

2.2 軟土成因

軟土14C測年結果為10-6ka，沉積始于全新世MIS1初期階段[8]，為早全新世。該時期為末次盛冰期后氣候明顯轉(zhuǎn)暖的時間[9]，伴隨著潮汐作用，地下水位逐漸抬升，降水增加，在盛冰期沉積之上出現(xiàn)積水洼地，沉積灰色濱海相、湖沼相地層，其上為全新世海侵沉積[10]。靜力觸探錐尖與側(cè)壁摩阻力呈現(xiàn)明顯低值區(qū)，錐尖阻力為0.2～0.6MPa，側(cè)壁摩擦阻力為4.2～21.9kPa，厚度為0.50～4.80m。水平方向分布受入海河流與海侵交互影響，在影響范圍內(nèi)呈面狀連續(xù)分布，層位穩(wěn)定，其邊界線與全新世早期最大海侵線基本吻合。

3 物理力學性質(zhì)指標特征

3.1 基本物理力學指標

萊州灣南岸軟土形成的水文因素、海侵特征，地質(zhì)構造共同決定了該區(qū)軟土工程地質(zhì)性質(zhì)[11]。土工試驗統(tǒng)計結果表明(表1)，軟土高含水量、高孔隙比、高塑限、低內(nèi)摩擦角，低強度特征顯著。潮平相軟土含水量(W)39.7%，孔隙比(e)1.1，為最高，具代表性[12]，湖沼相軟土黏聚力(c)20kPa，相對較高，三角洲相軟土塑性指數(shù)(IP)19，相對偏低(表2)，沉積環(huán)境的差異性體現(xiàn)了其物理力學指標的規(guī)律性。

表1 萊州灣南岸濱海地區(qū)軟土物理力學性質(zhì)指標

表2 萊州灣南岸軟土沉積類別物理力學性質(zhì)指標

3.2 粒度級配

軟土樣品中主要含黏粒(d<0．005mm)和粉粒(0.005

圖3 萊州灣南岸典型軟土的粒徑級配

3.3 抗剪強度特征

十字板剪切試驗測定未擾動土剪損時最大應變值、重塑土剪損時最大應變值，進而得出軟土不排水抗剪強度和靈敏度。原位測試與樣品測試存在個別靈敏度偏高及抗剪強度偏大問題[14]，樣品受砂斑及粉土充填動物潛穴影響，以致數(shù)值偏差，在分析樣品數(shù)據(jù)過程中已加以注意，測試結果及計算值見表3。未擾動土剪損時最大微應變值與重塑土剪損時最大微應變值相差較大，屬于高靈敏度軟土。

3.4 固結強度特征

該區(qū)不同沉積軟土壓縮模量Es隨應變力的增大而增大，且由中高壓縮性變?yōu)榈蛪嚎s性。下三角洲沉積軟土隨應變力增加Es值較高，進而保持較低壓縮性，而在低壓縮性水平下潮平及湖沼沉積軟土Es較近似[15]。從圖4中還可以看出，曲線趨勢具有明顯趨同性，表明其變形特性具有一定的相似性質(zhì)[16]，這與區(qū)域沉積特征相符合。

表3 十字板剪切試驗結果

圖4 區(qū)內(nèi)代表性軟土Es與P關系

3.5 塑性分析

液限(WL)和塑限(WP)是反映黏性土工程性質(zhì)的兩個重要指標,幾乎在所有的工程地質(zhì)勘察中都要進行土的WL和WP試驗,以對黏性土進行工程分類與評價。將該區(qū)典型樣品的WL和WP數(shù)據(jù)繪制在塑性圖上[17]，發(fā)現(xiàn)所有點均在A線上方，且趨勢相同，說明與我國大部分軟土塑性指標具有一致性。其中85%位于CL區(qū)，15%位于CH區(qū)，因此，按照塑性圖(圖5)來分類，萊州灣南岸軟土屬于中—高塑性無機黏土，對外力引起的變化或破壞的抵抗能力較差。從分布上看，萊州灣南岸西部潮平相比下三角洲及湖沼相具有較高塑性。

圖5 塑性圖(IP與WL)

4 沉積環(huán)境分析

為了進一步探討工程地質(zhì)特征與沉積相之間的關系，選取大家洼-道口地區(qū)工程地質(zhì)鉆孔的早全新世軟土標準樣品[18]，進行Q型聚類分析(圖6)，研究結果表明，樣品可以分為Ⅰ巖土組合，Ⅱ巖土組合、Ⅲ巖土組合。再取用多元相依變量統(tǒng)計分析方法，進行R-Q型因子分析(圖7)。

圖6 Q型聚類系統(tǒng)樹圖

Ⅰ巖土組合中軟土天然含水量(W)為35%～42%，孔隙比(e)0.9～1.2，整體相比較高，吸水性好，土體幾乎完全飽和(飽和度大于97%)，W>WL，塑性指數(shù)(IP)高達22.4，為高塑性無機黏土[19-20]，該組合黏性土與粉土交互沉積[21]，呈淺灰色，微體化石可見介形類中華美花介Sinocytherideaimpreessa[22]，為潮平相沉積環(huán)境。

Ⅱ巖土組合中軟土天然含水量(W)為24%～33%、孔隙比(e)0.6～1.0，黏粒含量較高，吸水性較好，近乎飽和(飽和度大于91%)，塑性指數(shù)(IP)高達12.3，為中塑性無機黏土，該組合黏性土沉積為主，呈灰色暗[23]，黏粒含量偏高，微體化石可見湖沼沉積的純凈小玻璃介Candoniellaalbicans生存在純淡水環(huán)境。另外發(fā)現(xiàn)蘿卜螺和白小旋螺化石，為湖沼相沉積環(huán)境。

Ⅲ巖土組合中軟土天然含水量(W)為18%～28%、孔隙比(e)0.5～0.7，黏粒含量相比較低，吸水性較差，欠飽和(飽和度大于81%)，塑性指數(shù)(IP)10.8[24]，為中塑性無機黏土，該組合黏性土與粉土交互沉積，呈灰褐色暗調(diào)[25-26]，粉粒含量偏高，微體化石可見畢克卷轉(zhuǎn)蟲Ammoniabeccarii，清晰希望蟲ElphidiumlimpidumHo, Hu et Wang，為下三角洲沉積環(huán)境。

a—主成分1和主成分2分析圖；b—主成分1和主成分3分析圖圖7 多元相依變量統(tǒng)計分析圖

5 結論

(1)依據(jù)軟土地層中微體古生物化石及螺殼化石，萊州灣南岸軟土中識別出下三角洲相、潮平相及湖沼相三種古地理沉積環(huán)境。14C測年結果表明沉積始于早全新世，為MIS1初期階段。

(2)根據(jù)樣品實驗分析，早全新世軟土屬于高黏粒軟土。其特點由濱海向陸沉積黏粒含量逐漸增高，粉粒含量逐漸降低，這與全新世早期沉積過程水動力條件相符。濱海沉積軟土隨應力增加Es值較高，進而保持較低壓縮性，而在低壓縮性水平下潮平及湖沼沉積軟土Es較近似,工程地質(zhì)特性相對于濱海相沉積軟土較差。

(3)土工試驗分析過程中，對潮平及下三角洲相軟土，進行剪切試驗時應注意砂斑影響測試結果，避免測得數(shù)值偏大。依據(jù)塑性圖判斷萊州灣南岸軟土屬于中塑性無機黏土。該區(qū)西部潮平相比下三角洲及湖沼相具有較高塑性。

(4)通過Q型聚類分析及多元相依變量統(tǒng)計分析，萊州灣南岸軟土可分為三類，分別為下三角洲相沉積軟土、湖沼相沉積軟土及潮平相沉積軟土，工程地質(zhì)特征與巖相古地理具有明顯規(guī)律性。通過從沉積學的視角去解讀工程地質(zhì)特征及其差異性，為工程地質(zhì)參數(shù)選取提供沉積學依據(jù)。