南海沉積物物理特性統(tǒng)計(jì)和力學(xué)特征簡述

馮偉強(qiáng) ，伍賢涵，方雨菲

（1. 南方科技大學(xué) 海洋科學(xué)與工程系，廣東 深圳 518055；2. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州511458；3. 中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道工程研究所，北京100081）

0 引 言

21世紀(jì)人類已進(jìn)入全面開發(fā)利用海洋的新時(shí)代，海洋事業(yè)的發(fā)展離不開海洋科技和海洋工程技術(shù)的強(qiáng)大支撐?？茖W(xué)開發(fā)海洋資源是我國建設(shè)“海洋強(qiáng)國”的重要舉措之一。

南海是西太平洋最大的邊緣海，四周環(huán)繞著我國內(nèi)陸、海南島、臺(tái)灣島、菲律賓群島等，接收來自珠江、臺(tái)灣島內(nèi)河流、紅河、湄公河等流域的豐富物源輸入。同時(shí)，南海處于歐亞大陸、太平洋、印度洋三大板塊的聚合地帶，海底地質(zhì)構(gòu)造和地形起伏非常復(fù)雜，四周環(huán)繞著大陸架和島架、大陸坡和島坡，海域中部偏東為深海盆地，海域中部偏西分布著大量的海底高原、海底山脈和海槽[1]。其中，北部陸坡水深約 2 000 m，中部海盆水深可達(dá)4 500 m。多樣的沉積物物源輸入和復(fù)雜多變的沉積環(huán)境造就了南海不同區(qū)域沉積物的分異性和規(guī)律性。近些年隨著“海洋強(qiáng)國”戰(zhàn)略的提出，海洋油氣開發(fā)工程[2]、海底電纜管道工程[3]、海底隧道工程[4]等從近海逐漸走向深海，見圖 1。因而，準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)、分析南海沉積物特征和力學(xué)特點(diǎn)對海洋工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)具有重要的意義。

圖1 南海區(qū)域分布及工程設(shè)施建設(shè)Fig. 1 Overview of the South China Sea and engineering constructions in the area

針對南海表層沉積物，國內(nèi)學(xué)者開展了廣泛而深入的研究。然而，當(dāng)前的研究多集中于區(qū)域海域或點(diǎn)分布海況，如張洪運(yùn)等[5]、趙利等[6]集中在南海北部陸架，高水土[7]關(guān)注于南海中部，任玉賓等[8]報(bào)道了南海西部海底沉積物性質(zhì)，缺乏對中國南海的沉積類型整體認(rèn)識及力學(xué)特點(diǎn)的深入分析。本文調(diào)研當(dāng)前我國南海海域不同區(qū)域海底沉積物類型特征與力學(xué)性質(zhì)，分析了海底沉積物的空間相關(guān)性與變異性，探討了海底沉積物的沉積模式和分布機(jī)制，可以為當(dāng)前和未來海洋工程建設(shè)中相關(guān)的巖土工程問題提供借鑒與參考。

1 南海沉積物類型與物理性質(zhì)

1.1 南海淺水區(qū)域

南海北部淺水區(qū)域指水深小于 2 000 m的海域，可進(jìn)一步劃分為陸架和陸坡兩塊區(qū)域。陸架是指水深在200 m以內(nèi)的區(qū)域，在工程上通常稱為近岸工程；陸坡處于 200～2 000 m之間。南海北部淺水區(qū)表層沉積物類型豐富，粒度成分以砂土、粉土和黏土為主，其中，陸架區(qū)砂粒含量占絕對優(yōu)勢[6]，沉積物類型近似平行海岸線呈帶狀分布[9]。隨著離岸距離增加，水動(dòng)力條件減弱，對沉積物的搬運(yùn)和篩分能力變?nèi)酢ｊ懠?、島嶼周邊區(qū)域由于水動(dòng)力較強(qiáng)，粗粒級沉積物相對較多，并且篩分性較好，而陸坡區(qū)域水動(dòng)力較弱，以細(xì)粒級沉積物為主，篩分性差[10]。在陸架與陸坡交界處，由于受到強(qiáng)制性海退的影響，該區(qū)域擁有的粗粒級沉積物明顯高于周邊海域[11]。南海北部的土體類型空間分布如圖2所示。

圖2 南海北部表層沉積物類型分布圖[9]Fig. 2 Distribution of surface sediment types in the northern South China Sea[9]

南海北部表層沉積物類型平行海岸線呈帶狀分布，從內(nèi)陸架外緣向大陸坡方向沉積物粒度逐漸變粗，與半深海有孔蟲砂、貝殼珊瑚碎屑的大量沉積有關(guān)；從陸坡至深海盆，沉積物粒度逐漸變?yōu)橐约?xì)粒組分為主，主要受沉積重力分異作用的影響。典型的研究區(qū)沉積環(huán)境與沉積物粒度頻率關(guān)系如圖 3所示。其中Φ是新定義的無量綱參數(shù)，Φ=-log(d/d0)，d0=1 mm，用于定量地描述粒度分級。此外，臺(tái)灣海峽近岸海域，由于強(qiáng)水動(dòng)力作用的影響，沉積了較多粗顆粒，如礫砂、粗砂等；江口外緣由于有珠江的沖淡作用，帶來一些較粗顆粒物質(zhì)，沿岸流的沖刷也沉積了許多較粗沉積物：內(nèi)陸架淺海以粉砂為主，外陸架淺海以砂為主，陸坡半深海、深海以黏土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)黏土為主，深海盆則以黏土為主。

南海北部陸架區(qū)表層沉積物中各類黏土礦物的組合特征在不同區(qū)域由于不同物源而表現(xiàn)出明顯的含量差異。對于典型南海北部礦物含量空間分布，總體來說，沉積物中伊利石主要由臺(tái)灣島內(nèi)河流提供[12]，含量在區(qū)域上呈東北高西南低的趨勢，變化范圍為25%～64%。蒙脫石含量在閩粵近岸區(qū)域及珠江口附近較低，而在海南島附近含量較高，變化范圍為 7%～46%。高嶺石主要來自珠江[13]，含量呈現(xiàn)出明顯的由陸向海遞減趨勢，變化范圍為 6%～41%。綠泥石含量分布則與伊利石大致類似，在研究區(qū)東北部深水區(qū)明顯較高，變化范圍為 1%～14%[14]。由此可見，南海北部表層沉積物的區(qū)域分布規(guī)律由河流物源和洋流運(yùn)輸控制[15-16]，陸架區(qū)黏土礦物總體以伊利石和蒙脫石為主，高嶺石所占質(zhì)量比偏少，綠泥石含量在臺(tái)灣島附近海域較高。綠泥石、高嶺石與蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系[17]。

1.2 南海深水區(qū)域

南海深水區(qū)域指水深超過2 000 m的海域，該海域表層沉積物呈現(xiàn)出明顯的深海沉積物特征，平均粒徑小于 4 μm，黏土平均含量大于 50%，該特征顯著區(qū)別于淺海沉積物，并且在水深4 500 m的中央海盆保持良好穩(wěn)定性。始于西太平洋的2 000 m水深線以喇叭口狀通過巴士海峽后呈菱形向南海中西部、南部海域擴(kuò)展、延伸成封閉狀，南海中部大于2 000 m水深的表層沉積物的平均粒徑大小和黏土含量等沉積特征明顯受到西太平洋深水活動(dòng)的影響[18]。在水深3 000～4 000 m的深海盆區(qū)，表層沉積物中黏土含量約為 60%，粉砂含量約為30%，砂含量小于5%。在水深超過4 000 m的中央海盆區(qū)，表層沉積物中黏土含量高于70%，砂含量為 2%左右[19]。在深水區(qū)域聳起的具火山成因的海山附近，沉積物中的砂含量可增大2%～5%[20]。

南海深水海盆表層沉積物中的黏土礦物以伊利石含量最高（47%～54%），其次是蒙脫石（16%～27%）、綠泥石（17%～20%）、高嶺石（8%～13%）[21]。其中，伊利石含量占優(yōu)勢且由西北向東南方向逐漸減少，而蒙脫石的變化趨勢則與伊利石相反。根據(jù)伊利石和蒙脫石含量的分布規(guī)律，可將深海盆區(qū)劃分為大陸物源黏土礦物組合區(qū)和受火山及群島影響的黏土礦物組合區(qū)[7]。除了黏土礦物，沉積物中指示生源碎屑的鈣質(zhì)含量也是區(qū)分沉積物成因的重要指標(biāo)。在南海東部水深 330～2 000 m的淺水區(qū)，沉積物中的碳酸鈣含量為 2.16%～61.62%，平均值為 18.89%；而在水深2 100～4 722 m的深水區(qū)，表層沉積物中碳酸鈣含量為0.18%～52.99%，平均值為4.63%，沉積物生源碎屑的分布受水深影響顯著，鈣質(zhì)含量隨水深增加顯著減小[18]。

1.3 南海沉積物空間相關(guān)性與變異性因素探討

南海表層沉積物中的黏土礦物組成可反映出周邊和江河流域物源的影響。臺(tái)灣和呂宋島是南海東部表層黏土礦物的主要來源；湄公河、婆羅洲、巽他陸架和印度尼西亞島弧是南海南部的主要物源區(qū)；南海西部表層黏土礦物主要來自紅河、湄公河、珠江、臺(tái)灣、巽他陸架、印度尼西亞島弧以及婆羅洲；珠江、臺(tái)灣、長江和呂宋島則是南海北部的主要來源[22]。

同時(shí)，沉積物的礦物成分與沉積區(qū)的水動(dòng)力條件密切相關(guān)。珠江口及粵東近岸，水動(dòng)力條件弱，沖刷剝蝕條件影響較大；在汕頭、汕尾區(qū)域，受黑潮、南海暖流及沿岸流共同作用，產(chǎn)生混合型沉積特征；在臺(tái)灣淺灘及珠江古三角洲區(qū)域，海洋水動(dòng)力明顯，同時(shí)受黑潮、南海暖流、沿岸流等因素的綜合影響[6]。

2 南海沉積物力學(xué)特性

一般從濱海向內(nèi)陸架、外陸架、上陸坡、下陸坡、深海平原過渡，隨著水深不斷增加和沉積環(huán)境的變化，海底沉積物的天然含水量、孔隙比、孔隙率、液限、塑限、塑性指數(shù)逐漸加大，而比重、天然密度逐漸減小。同時(shí)，壓縮系數(shù)逐漸加大，壓縮模量、抗剪強(qiáng)度逐漸降低[21,23]。

2.1 南海淺水區(qū)域

在礦物成分類似的條件下，沉積模式即黏粒含量是影響沉積物力學(xué)特性的主導(dǎo)因素。南海北部陸架的表層沉積物類型以粉砂和砂質(zhì)粉砂為主，而陸坡區(qū)域則以粉質(zhì)黏土和黏質(zhì)粉砂為主。由表1可知，從陸架到陸坡，隨著沉積物中黏粒含量增多、平均粒徑由粗到細(xì)，沉積物的力學(xué)特性發(fā)生規(guī)律性變化。陸架區(qū)域沉積物的壓縮系數(shù)介于0.18～1.66 MPa-1之間，而陸坡區(qū)域沉積物的壓縮系數(shù)在1.50～5.02 MPa-1之間，沉積物的壓縮性隨著黏粒含量的增大而增大。同時(shí)，隨著黏粒含量的增大，沉積物顆粒間的膠結(jié)作用增強(qiáng)，從陸架到陸坡沉積物的平均十字板剪切強(qiáng)度由12.7 kPa增加到 15.96 kPa。此外，沉積物的貫入阻力則隨著黏粒含量的增大呈現(xiàn)降低趨勢。

表 1 北部淺水區(qū)表層沉積物力學(xué)特性[23]Table 1 Mechanical properties of surface sediments in the shallow area of northern South China Sea[23]

南海北部陸坡總長約1 200 km，水深變化范圍約為200～2 000 m。表2統(tǒng)計(jì)了北部陸坡沉積物的十字板剪切強(qiáng)度和筆式貫入阻力。圖4顯示出對應(yīng)的淺水區(qū)域的取樣位置?？梢园l(fā)現(xiàn)，不同陸坡區(qū)域的沉積物強(qiáng)度差異較大，其中，神狐陸坡、臺(tái)灣淺灘陸坡表層沉積物強(qiáng)度一般較低：表層 0～20 cm范圍內(nèi)，筆式貫入阻力一般小于0.1 N，十字板剪切強(qiáng)度一般不超過10 kPa。東沙陸坡、鶯瓊陸坡分別靠近東沙島、海南島，海洋水動(dòng)力較強(qiáng)，沉積物中粗顆粒含量相對較多，在筆式貫入試驗(yàn)中阻力較大，0～100 cm范圍內(nèi)阻力通常在1 N以上，個(gè)別測站的沉積物可達(dá)到5 N。特別地，臺(tái)灣淺灘陸坡的沉積物在深度超過 100 cm后，十字板剪切強(qiáng)度和筆式貫入阻力均出現(xiàn)顯著增長，說明此處沉積物存在明顯的強(qiáng)度分層，該分層界面或?qū)⒊蔀闈撛诘幕瑒?dòng)面[24]。

圖4 南海淺水區(qū)域取樣位置Fig. 4 Sampling locations in the shallow area of northern South China Sea

表2 陸坡表層沉積物十字板剪切強(qiáng)度和筆式貫入阻力[24]Table 2 Ⅴane strength and penetration resistance of surface sediments on the continental slope[24]

南海北部表層沉積物具有較高的含水率和較低的密度，抗剪強(qiáng)度、貫入阻力、壓縮性等力學(xué)性質(zhì)較差[23]。同時(shí)，由于沉積模式的不同，陸架和陸坡區(qū)域的沉積物表現(xiàn)出明顯的力學(xué)特性差異，具體表現(xiàn)為隨著黏粒含量的增加，沉積物的含水率、塑性指數(shù)、孔隙比、壓縮系數(shù)和十字板剪切強(qiáng)度增加，而密度和筆式貫入阻力則隨之減小。

2.2 南海深水區(qū)域

南海深水區(qū)表層沉積物類型均為黏性土，深水區(qū)沉積物由于沉積環(huán)境不同而表現(xiàn)出明顯差異的力學(xué)特性，同時(shí)，由于深海沉積環(huán)境更加穩(wěn)定、受到外界擾動(dòng)較小，深水區(qū)沉積物的力學(xué)特性在不同區(qū)域呈現(xiàn)出較強(qiáng)的一致性。由表3統(tǒng)計(jì)的深水區(qū)表層沉積物物理力學(xué)特性可知，南海深水區(qū)域表層沉積物具有較高的含水率，平均含水率約為140%。由液限ωL≥50%且塑性指數(shù)IP＞17可知，沉積物為高液限黏土。液性指數(shù)IL＞1則說明沉積物天然含水率遠(yuǎn)大于液限，土體若經(jīng)歷重塑將表現(xiàn)出流態(tài)，具有較高靈敏度[8]。沉積物壓縮系數(shù)介于1.57～3.65 MPa-1之間，遠(yuǎn)大于0.5 MPa-1，表現(xiàn)出高壓縮性?？傮w而言，與淺水區(qū)黏性土相比，南海深水區(qū)域的表層沉積物具有高含水率、高液塑限、高壓縮性、低抗剪強(qiáng)度等特點(diǎn)。

表3 深水區(qū)表層沉積物物理特性[8, 25-26]Table 3 Physical properties of surface sediments in the deep area of South China Sea[8, 25-26]

圖5給出南海深水區(qū)的兩個(gè)研究區(qū)域位置，對比南海深水區(qū)研究區(qū)I、Ⅱ與北太平洋其他海域的深海沉積物，如表4所示。盡管在北太平洋沉積物具有更高的含水率，但是其與南海沉積物均表現(xiàn)出高含水率、低密度（ρ＜1.4 g·cm-3）和低抗剪強(qiáng)度（Su,0＜20 kPa）的特點(diǎn)，說明南海深水沉積物具有大洋沉積物的特性。

圖5 南海深水區(qū)的研究區(qū)域Fig. 5 Study areas in the deep South China Sea

表4 南海與太平洋深水區(qū)表層沉積物物理力學(xué)特性對比[8, 25-28]Table 4 Comparison of physical and mechanical properties of surface sediments in the deep areas of South China Sea and Pacific Ocean[8, 25-28]

3 結(jié)論與展望

隨著我國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的提出，近年來，海洋產(chǎn)業(yè)與科技得到了廣泛關(guān)注和快速發(fā)展。海洋工程相關(guān)研究處于起步階段，尚有大量的研究工作亟需解決，本文總結(jié)了當(dāng)前對南海區(qū)域的研究結(jié)果，得到如下結(jié)論：

（1）水動(dòng)力作用和江河物源共同決定了南海表層沉積物的顆粒組分和黏土礦物含量的空間分異規(guī)律。北部淺水區(qū)沉積物近似平行海岸線成條帶狀分布，沉積物粒度隨離岸距離增加而減小，但又在海島四周、陸架陸坡交界處呈現(xiàn)特殊規(guī)律。深水區(qū)沉積物以黏土為主，沉積物性質(zhì)且在區(qū)域內(nèi)變化不大，具有高含水率、高液塑限等特點(diǎn)。

（2）沉積環(huán)境不同所導(dǎo)致的黏粒分布規(guī)律對沉積物力學(xué)特性有深刻影響。淺水區(qū)和深水區(qū)沉積物的力學(xué)特性均表現(xiàn)為：隨著黏粒含量增加，沉積物的天然密度減小，深水區(qū)沉積物約為1.3 g·cm-3，而含水率、孔隙比、塑性指數(shù)、壓縮性增大。

上述結(jié)論有利于工程及研究人員全面而深入地認(rèn)識南海沉積物性質(zhì)，為相關(guān)工程建設(shè)和海洋資源開發(fā)與利用提供參考。