海底塌陷凹坑、擾動地層及再懸浮沉積物的波致土體液化成因探討

劉志欽 ，任宇鵬，許國輝 *

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島 266061；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室,山東 青島 266237；3.中國海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266100)

海床波浪作用下液化的問題,自20世紀70年代開始被研究者所關(guān)注[1-7]。通過波浪水槽試驗和離心機試驗,發(fā)現(xiàn)了波浪導(dǎo)致底床液化的孔壓發(fā)展過程、液化現(xiàn)象及液化發(fā)展過程[8-13]。通過開展現(xiàn)場孔壓監(jiān)測,證實了波浪作用導(dǎo)致海床液化的現(xiàn)象[14-18]?，F(xiàn)場樣品動力三軸測試和理論計算分析表明,臺風(fēng)誘發(fā)的砂質(zhì)海床液化深度達6 m 多[19-20]。這些研究表明,在強烈的波浪作用下,砂質(zhì)或者粉質(zhì)土海床能夠產(chǎn)生液化。在黃河三角洲海床的液化深度研究中,研究者發(fā)現(xiàn)在水深8 m 的粉質(zhì)土底床液化深度為4 m[21]。也有研究者對粉土海床液化深度的計算,采用了與砂土相同的方法[22]。

在波浪水槽試驗中,可觀測液化土體的孔壓變化,并描述其波動行為[10,22],也可分析波浪作用下粉質(zhì)土底床液化后的形態(tài)特征[22-23]。含水量為30%～34%的黃河三角洲粉土滲透系數(shù)為1×10－6m/s量級,利用此粉土制備水槽試驗的底床,在靜置固結(jié)10 d后,床面整體下沉[24-25],說明靜態(tài)下粉土排水固結(jié)不會產(chǎn)生局部的塌陷凹坑。水槽試驗中底床土體在未液化的情況下,即使波浪作用時間較長(時間數(shù)據(jù)為210 min)床面上也沒有塌陷凹坑的產(chǎn)生[25]。但是在土體液化后,發(fā)生了與上部水體相似的波動,底床面上出現(xiàn)了明顯的塌陷凹坑[24-25]。水槽試驗中底床出現(xiàn)的塌陷凹坑,是液化的沉積物發(fā)生波動壓實,同時其中的孔隙水和黏土顆粒向水體中排出而形成[26]。

雖然海底沉積物在波浪作用下的液化現(xiàn)象已經(jīng)被研究確認,粉質(zhì)土底床液化后可以產(chǎn)生塌陷凹坑也有波浪水槽試驗的證實。但是,現(xiàn)場海底的塌陷凹坑,是否如水槽試驗一樣,是由波浪導(dǎo)致的沉積物液化而形成的,需進一步驗證。本文根據(jù)在密西西比河與黃河水下三角洲水域開展的調(diào)查研究結(jié)果,結(jié)合實驗室波浪水槽試驗觀察到的現(xiàn)象,用波致海床液化導(dǎo)致海底出現(xiàn)塌陷凹坑的觀點,給出了三角洲海底出現(xiàn)的塌陷凹坑的較合理解釋。同時,也指出海底沉積物液化,使得原來沉積底床深部的黏土析出進入水體,成為再懸浮沉積物。

1 水下三角洲調(diào)查結(jié)果

1.1 水下三角洲地形地貌調(diào)查

20世紀70年代至90年代,在對河口海岸海底地形、地貌、地層的研究中,借助聲學(xué)測量儀器,發(fā)現(xiàn)密西西比河和黃河的水下三角洲在坡度極小的海底存在許多塌陷凹坑[27-28]。密西西比河水下三角洲的塌陷凹坑主要分布在水深9～15 m 的淺水區(qū),通常發(fā)育在坡度為0.1°～0.4°的斜坡上,部分區(qū)域內(nèi)數(shù)量很大。凹坑塌陷的直徑為36～150 m,長寬比為1.0～1.5,典型凹坑的邊界是彎曲或近環(huán)形的陡峭邊壁,高達2.7 m,其中有不規(guī)則的塊狀物或沉積物碎屑,凹坑中心區(qū)域具有不規(guī)則和小丘狀地形。在上部斜坡邊緣,有王冠狀裂縫延伸到相鄰的穩(wěn)定沉積物中,在下坡側(cè)有低角度的反向斜坡,凹坑底床通常是水平的(圖1)。側(cè)掃聲吶記錄顯示凹坑處反射能量非常高,特別是在小丘狀塊體之間的區(qū)域[27]。

圖1 密西西比水下三角洲塌陷凹坑[27]Fig.1 Collapse depressions in the Mississippi Delta[27]

黃河水下三角洲的塌陷凹坑在多次調(diào)查中被發(fā)現(xiàn)過,其分布水深范圍較大,自水深5～13 m 均有存在,其所在海底斜坡坡度平緩,坡度通常小于0.2°。塌陷凹坑平面上呈接近圓或橢圓型,直徑為10～500 m,且與周邊海底有0.5～1.5 m 高度差的陡坡接觸(圖2)[28]。2017-05-17在黃河三角洲埕島海域進行了現(xiàn)場調(diào)查,獲取了淺地層剖面資料,解譯后發(fā)現(xiàn),在一條測線上有擾動地層,并且擾動地層區(qū)的海底面比周圍未擾動地層區(qū)的海底面降低了約1 m。凹坑表面以下的地層呈擾動狀態(tài)(圖2b和圖2c)[29],有時可發(fā)現(xiàn)凹坑內(nèi)有塊體存在[28]。

圖2 黃河水下三角洲的塌陷凹坑Fig.2 The collapse depressions of the Yellow River Delta

對比密西西比河三角洲和黃河三角洲的環(huán)境特征,可發(fā)現(xiàn)兩者都是水深較淺、波浪較強的地區(qū)。由于快速堆積導(dǎo)致的沉積物未固結(jié),加上強浪引起的循環(huán)荷載,導(dǎo)致了2 個三角洲地區(qū)沉積物都具有不穩(wěn)定性[30-31]。對塌陷凹坑形成的解釋,Prior等提出可能由于海底沉積物滑動而形成[28],后期的研究發(fā)現(xiàn)沉積物滑動可能是液化引起的[32],而對于塌陷凹坑形成過程和原因分析并沒有進一步研究。

1.2 三角洲水動力、沉積物性質(zhì)調(diào)查

密西西比河三角洲和黃河三角洲沉積物是在快速堆積下形成的,土層內(nèi)孔隙水無法及時排出,表層沉積物沒有經(jīng)過壓實作用的影響,沉積物的含水量和孔隙水壓力較大,其抗剪強度較低、壓縮性較高[33]。以黃河三角洲為例,沉積物在春、冬兩季經(jīng)常遭受較大風(fēng)浪侵襲,風(fēng)浪形成的巨大波壓力對海床沉積物形成循環(huán)應(yīng)力[34]。黃河三角洲的沉積物主要為粉質(zhì)土,粉質(zhì)土為黏性土與砂性土之間的過渡類型,對于波浪循環(huán)荷載具有特殊的響應(yīng)特征。黃河三角洲沉積物分布見圖3。黃河三角洲50 a一遇的海況波浪要素為:波長L＝87.9 m,波高H＝6.7 m,周期T＝8.6 s；5 a一遇的海況波浪要素為:波長L＝80 m,波高H＝5.8 m,周期T＝8 s[35]。劉紅軍通過計算得出,在5 a和50 a一遇極端波浪條件下,考慮三維效應(yīng)和具有表面硬層的海床更容易液化,最大液化深度在海床表面2～3 m 范圍內(nèi)[35]。

圖3 黃河三角洲沉積物分布[36]Fig.3 The sediment distribution of the Yellow River Delta[36]

2 粉質(zhì)土底床液化的波浪水槽試驗結(jié)果

對于密西西比河與黃河水下三角洲出現(xiàn)的塌陷凹坑,以沉積物發(fā)生波致液化來解釋時,在現(xiàn)場找到最直接的觀測證據(jù)很困難。雖然目前在海底設(shè)置孔壓監(jiān)測傳感器已是較為成熟的技術(shù),但是關(guān)鍵問題在于無法預(yù)知波浪作用下海底沉積物發(fā)生液化的具體海域。因此,采用室內(nèi)波浪水槽試驗來進行模擬研究,觀測波浪作用下沉積物液化過程,并與現(xiàn)場結(jié)果進行比較分析,這是一種可行的辦法。在水槽試驗中,觀察到底床液化而出現(xiàn)的塌陷凹坑、擾動地層,以及大量的黏土懸浮于水體中,且在近底床面處形成高濃度含沙層。

2.1 塌陷凹坑

開展的波浪水槽試驗中,在沉積物底床液化破壞后,均發(fā)現(xiàn)破壞區(qū)出現(xiàn)塌陷凹坑的現(xiàn)象。如:在波浪波峰波谷剪切作用下,底床遭到破壞,沉積物發(fā)生滑動振蕩,并進入液化波動狀態(tài),底床沉積物密實和黏土析出從而導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)塌陷凹坑的情況(圖4a)[24,37]；底床在波浪作用下直接以液化形式,自上而下液化發(fā)展,沉積物波動再沉積而產(chǎn)生塌陷凹坑的情況(圖4b)[22,25,38]。試驗中可觀察到,液化底床處與未液化底床以陡壁相接觸(圖4a)。

圖4 水槽試驗出現(xiàn)的塌陷凹坑Fig.4 The collapse depressions in the flume experiment

水槽試驗中液化底床出現(xiàn)的塌陷凹坑,其原因主要為沉積物液化中細粒成分的析出流失和液化后沉積物密度的增加,其中黏土顆粒從液化地層中的析出這一現(xiàn)象對塌陷量的貢獻較大[25],可能是由沉積物的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而致。

2.2 擾動地層

在水槽試驗中,從經(jīng)過液化運動再沉積后的底床中,取出塊狀樣品,垂向切出剖面進行觀察。可以看到,在再沉積地層中存在因液化波動而產(chǎn)生的旋卷層理,也有一些夾雜條塊的現(xiàn)象(圖5a和圖5b)[22,37],從而使得液化后的地層內(nèi)部出現(xiàn)不再是水平沉積的地層構(gòu)造特征。試驗中從水槽側(cè)壁觀察,也看到有出現(xiàn)卷云狀構(gòu)造的現(xiàn)象(圖5c)[25]。因為地層中出現(xiàn)的旋卷層理、夾雜條塊以及卷云狀構(gòu)造,導(dǎo)致聲學(xué)測量的淺地層剖面特征表現(xiàn)為反射信號雜亂、不連續(xù)。相對于正常沉積地層,聲學(xué)信號雜亂的地層,在工程地質(zhì)調(diào)查中被解譯為擾動地層。

圖5 液化的地層中出現(xiàn)的旋卷層理等構(gòu)造Fig.5 The convolution bedding in the liquefied stratum

擾動地層沉積結(jié)構(gòu)雜亂,與周圍土層的層理狀構(gòu)造有明顯的差別。與未擾動土相比,擾動土的密度增大,含水率減小,孔隙度降低,強度有所提高[20-21]。其形成機制可能是液化沉積物隨波浪運動時,細顆粒逐漸遷移到上覆水體中,液化沉積物中的粗顆粒在運動時由于相互碰撞導(dǎo)致形成不規(guī)則沉積構(gòu)造。相互碰撞過程中液化顆粒達到最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后沉積回返,逐漸形成孔隙度小、強度高的擾動地層。

2.3 高質(zhì)量濃度懸沙

通過室內(nèi)水槽試驗研究粉質(zhì)土沉積物波致液化現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)波浪循環(huán)荷載施加前,沉積物底床保持穩(wěn)定,水體中不含懸沙,當施加波浪循環(huán)荷載后,底床表面沉積物在波浪剪切力作用下,隨波浪做往返運動并逐漸遷移到上覆水體中,水體逐漸變渾濁。當沉積物底床發(fā)生液化后,水體懸沙濃度不斷增加,液化沉積物隨波浪做橢圓運動(圖6)。

圖6 室內(nèi)水槽試驗過程Fig.6 The diagram of indoor flume experiment

在波浪的持續(xù)作用下,水體中的懸沙含量不斷增加。粉質(zhì)土底床未液化時,僅發(fā)生波浪對表面沉積物的沖刷作用,水體中含沙量較小,難以在底部出現(xiàn)高濃度含沙層,在底床發(fā)生液化后,水體中的含沙量增加明顯,并在近底床處形成了高濃度含沙層,其濃度可達上覆水體含沙量的2倍以上[37](表1)。

表1 底床未液化和液化情況下的水體懸沙濃度[39-40](g·m-3)Table 1 The sand contents in water before and after the liquefaction of the bed[39-40](g·m－3)

對水體中的懸沙進行粒度分析發(fā)現(xiàn),懸沙的中值粒徑在底床液化情況下比未液化時偏小(圖7a)。對經(jīng)歷了液化波動的底床進行沉積物取樣,粒度分析結(jié)果表明,自液化的底床中(尤其是接近液化的底界處)有細粒析出,使得液化后底床中值粒徑變大(圖7b)。液化底床析出的細粒黏土成分,成為上部水體中的懸沙。由于細粒黏土相對于較粗的粉砂等消耗水體紊動能較少,使得水體含沙量增大。

圖7 底床液化前后水體與底床中沉積物中值粒徑變化[39]Fig.7 Variations of median size in the water and sediment bed before and after liquefaction[39]

3 海底塌陷凹坑形成的比較分析

對密西西比河和黃河的水下三角洲海底出現(xiàn)的塌陷凹坑進行對比分析,發(fā)現(xiàn)其主要共同特點有:塌陷凹坑區(qū)周圍有較陡的邊壁與周圍原狀海底接觸；凹坑下部的地層呈現(xiàn)聲學(xué)反射信號雜亂現(xiàn)象；凹坑中有時發(fā)現(xiàn)存在塊體。波浪導(dǎo)致粉質(zhì)土底床液化的水槽試驗,其結(jié)果為沉積物液化區(qū)也出現(xiàn)塌陷凹坑,凹坑的主要特點有:凹坑與周圍穩(wěn)定底床以陡壁接觸；液化的地層中出現(xiàn)有旋卷層理、夾雜條塊以及卷云狀等使聲學(xué)反射信號雜亂的構(gòu)造現(xiàn)象；液化沉積物中的細粒成分會析出進入水體。黃河三角洲經(jīng)受大的風(fēng)暴浪作用,在此波浪動力背景下,將海底現(xiàn)場塌陷凹坑特點與水槽試驗液化底床出現(xiàn)的塌陷凹坑比較,可以推斷三角洲海底的塌陷凹坑可能由于波浪導(dǎo)致的海底沉積物液化而形成。密西西比三角洲經(jīng)歷颶風(fēng)大浪作用,其海底組分中與黃河三角洲相近的海底粉質(zhì)土也可發(fā)生同樣的液化。海底沉積物液化后會發(fā)生波動,可能是導(dǎo)致Prior等[31]設(shè)置在海底的桿狀測量儀器傾斜的原因。2003年11月東營埕島油田海底電纜在風(fēng)暴浪的作用下中斷,經(jīng)工程地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)損壞電纜存在于塌陷凹坑處[28]。利用塌陷凹坑區(qū)沉積物的物理力學(xué)性質(zhì),與波浪水槽試驗數(shù)據(jù)比較可知:三角洲海底的塌陷凹坑由沉積物液化波動而形成[22,37]。這可以很好地契合沉積物密度、含水量、強度等物理力學(xué)指標的變化特征和凹坑下出現(xiàn)的擾動地層。

波浪水槽試驗中沒有觀察到塌陷凹坑內(nèi)存在有塊體現(xiàn)象。但是,試驗中對液化沉積物進行力學(xué)測試的微貫數(shù)據(jù),有可能反映了液化沉積物內(nèi)包含有塊體。因此,從波浪導(dǎo)致粉質(zhì)土底床液化而形成塌陷凹坑的水槽試驗,可推斷三角洲海底在發(fā)生液化的情況下,可以產(chǎn)生塌陷凹坑。而密西西比河和黃河的水下三角洲出現(xiàn)的塌陷凹坑,是否都是因為海底沉積物的液化而形成尚需要進一步研究。

三角洲海底的塌陷凹坑由沉積物液化而形成,液化沉積物的波動會導(dǎo)致其中黏土成分析出進入水體。水槽試驗在水深40 cm、波高16 cm 的情況下,粉質(zhì)土底床液化深度可達40 cm 以上,即水體中的懸浮泥沙可以來自40 cm 深度處的底床。這說明,在海底出現(xiàn)液化時,水體中的懸沙會來自于液化的底部邊界,而不僅是海底表面的侵蝕。由塌陷凹坑淺地層剖面(圖2c)可知擾動地層深度接近5 m。在塌陷凹坑中鉆孔取樣分析可知,0～4.85 m 為砂質(zhì)粉砂,4.85～10.00 m 為黏土質(zhì)粉砂。而塌陷凹坑區(qū)外側(cè)的未擾動地層0～1.20 m為粉砂,1.20～3.90 m 為砂質(zhì)粉砂,3.90～10.00 m為黏土質(zhì)粉砂。凹坑內(nèi)外2個鉆孔僅相距113 m,原來應(yīng)該是同樣沉積物成分的地層,可能由于塌陷凹坑區(qū)發(fā)生液化,導(dǎo)致了4.85 m以淺的地層中黏土成分的析出,使得沉積物粗化。塌陷凹坑區(qū)內(nèi)外沉積物粒徑變化[23,33]也說明塌陷凹坑區(qū)較深部地層應(yīng)有細粒的析出。也就是說,黃河三角洲海域在風(fēng)暴浪作用下水體中的一些懸沙,可能來自于地層深度5 m 左右處。粉質(zhì)土海岸在大風(fēng)天氣下水體中含沙量增大,并出現(xiàn)近底的高濃度含沙層[34]。結(jié)合波浪作用下粉質(zhì)土底床液化后較高概率出現(xiàn)近底高含沙層的試驗現(xiàn)象,應(yīng)考慮粉質(zhì)土海岸的高濃度含沙是否由于海底液化而引起。本文根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)試驗結(jié)果對比分析,推測波致液化是導(dǎo)致水下三角洲塌陷凹坑、擾動地層和高濃度懸沙等工程地質(zhì)現(xiàn)象的原因之一(圖8)。

圖8 波致液化導(dǎo)致的塌陷凹坑、擾動地層和高密度懸沙示意圖Fig.8 Schematic diagram of collapse depressions,disturbed stratum and high-density suspended sediment caused by wave liquefaction

4 結(jié)論

本文根據(jù)在密西西比河與黃河水下三角洲的調(diào)查研究結(jié)果,結(jié)合實驗室波浪水槽試驗觀察到的現(xiàn)象,用波致海床液化的觀點,分析了三角洲海底出現(xiàn)的塌陷凹坑和擾動地層的成因。主要結(jié)論如下:

①密西西比河與黃河水下三角洲極小坡度海底發(fā)現(xiàn)的塌陷凹坑,與波浪導(dǎo)致粉質(zhì)土底床液化的水槽試驗中所形成的塌陷凹坑,其特征具有高度的相似性。用海底沉積物在波浪作用下發(fā)生液化波動的觀點,可以很好地來解釋塌陷凹坑成因、凹坑區(qū)的擾動地層現(xiàn)象。凹坑區(qū)沉積物物理力學(xué)性質(zhì)的變化,用液化觀點來解釋也更為合理。

②由于海底沉積物的液化波動,會使地層較深部的黏土析出,進入水體,成為再懸浮物質(zhì),在近海底處容易形成高濃度含沙層。水體中近底的高濃度懸沙,可能會向更深海域處流動,成為高密度流或濁流的物源。

隨著海底沉積物的液化振蕩,使得顆粒逐漸重新排列并壓實,液化地層隨之呈現(xiàn)厚度降低和強度變大的現(xiàn)象,用沉積物液化的觀點可以很好地解釋塌陷凹坑、擾動地層和高濃度懸砂的成因。