南海神狐峽谷群海底沉積物摩擦特性

陳順, 楊小秋, 何昌榮, 徐子英, 林為人, 姚文明, 施小斌, 許鶴華, 孫珍

1 中國(guó)科學(xué)院邊緣海與大洋地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南海海洋研究所, 廣州 511458 2 自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局, 廣州 511458 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 4 中國(guó)地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029 5 Graduate School of Engineering, Kyoto University, Kyoto 615-8540, Japan 6 天然氣水合物勘查開發(fā)國(guó)家工程研究中心, 廣州 511458

0 引言

海底滑坡作為一種廣泛發(fā)育在大陸邊緣的沉積體系,會(huì)引起海嘯等地質(zhì)災(zāi)害并破壞海底地質(zhì)工程(Prior and Coleman, 1982; 吳時(shí)國(guó)等, 2008; Li et al., 2014; Wu et al., 2018; Chang et al., 2021).在全球范圍內(nèi),海底滑坡發(fā)育與水合物賦存位置在空間分布上有較高的重疊度(Bunz et al., 2005; Mountjoy et al., 2014; Elger et al., 2018),且二者之間存在密切的熱力學(xué)耦合關(guān)系.一方面,海底水合物的分解,會(huì)增大沉積物的孔隙流體壓力、降低沉積物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(Bugge et al., 1988; Brown et al., 2003, 2006; Bourlange et al., 2004; Sultan et al., 2004; Li et al., 2016; Sun et al., 2017; 唐常銳等, 2021),從而引發(fā)海底滑坡;另一方面,海底滑坡過(guò)程中,沉積物的重新分配(沉積物及賦存其中的水合物發(fā)生遷移)及其滑移過(guò)程摩擦生熱等熱效應(yīng)(Yang et al., 2017b; 楊小秋等, 2020),會(huì)改變地層內(nèi)部溫度和壓力場(chǎng),導(dǎo)致主要受控于地層溫壓場(chǎng)的水合物賦存狀態(tài)及位置發(fā)生變化(王力峰等, 2009; Mienert et al., 2005; 張磊等, 2011; Kretschmer et al., 2015; Elger et al., 2018),進(jìn)而影響海底水合物的成藏過(guò)程.

綜上所述,海底滑坡作用對(duì)海底工程安全、水合物賦存、運(yùn)移及成藏過(guò)程都具有非常重要的影響.而海底滑坡區(qū)沉積物的摩擦特性對(duì)滑坡的形成有著控制作用,是研究滑坡體滑移行為的關(guān)鍵.在全球范圍內(nèi),目前有關(guān)海底沉積物摩擦特性的研究主要聚焦于沉積物的輸入對(duì)俯沖帶滑移行為的影響(Sawai et al., 2014; Kurzawski et al., 2016, 2018; Mizutani et al., 2017; Rabinowitz et al., 2018; Boulton et al., 2019; Rubino et al., 2022),未見針對(duì)海底滑坡的相關(guān)研究報(bào)道.然而,我國(guó)南海北部陸架-陸坡區(qū)受構(gòu)造沉降的影響,沉積物快速堆積,發(fā)育有澎湖峽谷群(Penghu Canyons)、神狐峽谷群(Shenhu Canyons)、一統(tǒng)峽谷群(Yitong Canyons)及西沙北峽谷群(Xishabei Canyons) (Yu and Chang, 2002; 韓喜彬等, 2010; Ding et al., 2013; 楊勝雄等, 2014; 王玉賓等, 2020; 周慶杰等, 2020) (圖1a).這些峽谷群不僅賦存著豐富的水合物資源(Zhang et al., 2007; Wang et al., 2012; Yang et al., 2015, 2017a; Qian et al., 2017; Ye et al., 2019; 王秀娟等, 2021),而且在地質(zhì)歷史上也曾發(fā)育過(guò)多次海底滑坡作用,目前仍是大規(guī)模滑坡的潛在發(fā)生區(qū)(孫運(yùn)寶等, 2008; 陳珊珊等, 2012; Sun and Leslie, 2020; 孫啟良等, 2021).因此,開展南海海底沉積物摩擦特性研究對(duì)于保障我國(guó)海域安全,促進(jìn)我國(guó)水合物成藏規(guī)律研究與開采等都有著深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義.為此,本文對(duì)采自神狐峽谷群的海底沉積物樣品(圖1b)開展了三軸準(zhǔn)靜態(tài)摩擦實(shí)驗(yàn),以求為南海北部峽谷群海底邊坡穩(wěn)定性、滑坡過(guò)程中溫壓場(chǎng)演化及與滑坡相關(guān)的水合物成藏規(guī)律研究提供基礎(chǔ)參數(shù).

1 實(shí)驗(yàn)樣品

神狐峽谷群(圖1b)位于南海北部珠江口盆地的白云凹陷,其形成主要受控于～21 Ma發(fā)生的白云運(yùn)動(dòng).從古珠江流入的大量陸源碎屑物質(zhì)直接跨過(guò)陸架向陸坡區(qū)輸送沉積物,導(dǎo)致陸源物質(zhì)沿著先存斷裂的破碎帶下切形成水道,后續(xù)充足的沉積物供給使峽谷地貌進(jìn)一步凸顯(杜文波等, 2022).該峽谷群主體由多條近N-S向的谷與脊相間構(gòu)成;峽谷長(zhǎng)約30～60 km、寬1.0～5.7 km,其下切深度可達(dá)50～300 m,坡度達(dá)6.8°(毛凱楠, 2015; 付超等, 2018; 杜文波等, 2022).

近年來(lái),我們?cè)谀虾＜坝《妊箝_展海底熱流探測(cè)過(guò)程中(Qin et al., 2013; 徐子英等, 2016; Shi et al., 2017; Yang et al., 2018; 楊小秋等, 2022),基于海底熱流探針上4 m長(zhǎng)的柱狀取樣管采集了一系列海底沉積物樣品.本研究所用的4個(gè)沉積物樣品采自神狐峽谷群中靠近陸坡區(qū)海底以下～4 m處(圖1b),在脊和谷中均有分布(水深為1140～1395 m) (表1).X射線衍射分析(XRD)和黏土礦物定向片結(jié)果表明這4個(gè)沉積物樣品,主要由陸源碎屑礦物(石英和長(zhǎng)石)、層狀硅酸鹽礦物以及生物碳酸鹽組成,在黏土礦物中伊利石體積占比高達(dá)58.8%～66.1%(表1),沉積環(huán)境為淺海-陸坡相.

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

本研究所有的摩擦實(shí)驗(yàn)均基于中國(guó)地震局地質(zhì)研究所伺服控制的三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完成(He et al., 2006, 2007).該系統(tǒng)以氬氣作為傳壓介質(zhì),以確保實(shí)驗(yàn)的安全性且使壓力均勻分布;采用液壓伺服對(duì)圍壓進(jìn)行控制,最大圍壓可達(dá)～420 MPa;另外還設(shè)計(jì)有孔隙水壓裝置,最大孔隙水壓可達(dá)～200 MPa.圍壓和孔隙水壓的控制精度都為±0.2 MPa.該系統(tǒng)的溫度由YAMATAKE DCP30型控溫儀進(jìn)行控制,最高溫度可達(dá)700 ℃,溫度控制精度為±2 ℃.該系統(tǒng)的軸向加載采用液壓伺服裝置控制,加載能力為100 t,應(yīng)變速率的范圍為10-3～10-8s-1(樣品長(zhǎng)度為40 mm).

2.2 溫壓條件設(shè)置

研究區(qū)內(nèi)水深范圍在千米級(jí)(表1),其底水溫度為～4 ℃(Yang et al., 2018),地溫梯度大致為58.5～100.7 ℃/km(李亞敏等, 2010; 施小斌等, 2017),且從地震剖面中可識(shí)別出滑坡面往往切穿海底沉積物最大可延伸至海底以下～500 m深度(陳珊珊等, 2012; 秦軻等,2015).由此,可估算出滑坡面溫度范圍為4～55 ℃.為了盡可能了解海底滑坡區(qū)沉積物的原位摩擦特性,同時(shí)確保有效應(yīng)力(Pc-Pp)不會(huì)太低,便于實(shí)驗(yàn)成功開展,本研究實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置為:圍壓Pc=20 MPa、孔隙壓Pp=10 MPa及溫度T≈20 ℃(由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)溫度無(wú)法調(diào)節(jié)至室溫以下,該溫度條件為室溫).這與研究區(qū)內(nèi)200～300 m厚度處沉積物的溫壓條件相對(duì)應(yīng),在滑坡面切穿深度范圍內(nèi).

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

本次實(shí)驗(yàn)主要參考何昌榮研究團(tuán)隊(duì)的樣品組裝方式(He et al., 2006, 2007; Verberne et al., 2010; Zhang and He, 2013).實(shí)驗(yàn)的圍巖由大小相等、材質(zhì)不同的上下兩個(gè)端塊組成.考慮到實(shí)驗(yàn)樣品黏土含量較高且實(shí)驗(yàn)應(yīng)力條件較低,實(shí)驗(yàn)樣品透水性不佳,為保證孔隙水均勻散布,我們采用了強(qiáng)度較低但滲透性較好的多孔陶瓷作為圍巖上端塊.而圍巖下端塊則沿用了強(qiáng)度較高但隔水性較好的輝長(zhǎng)巖,作為孔隙水的封堵層(圖2).經(jīng)過(guò)磨平標(biāo)準(zhǔn)化后,兩個(gè)圍巖端塊可沿預(yù)切面拼合成直徑20 mm、長(zhǎng)40 mm的圓柱體,預(yù)切面與圓柱體軸向夾角呈35°.為確保在加載過(guò)程中是沉積物之間在發(fā)生摩擦滑動(dòng),預(yù)切面需用#200金剛砂磨料進(jìn)行粗糙化處理.此外,預(yù)切面的棱角邊緣也需使用#350的砂紙進(jìn)行磨圓處理,防止在加載過(guò)程中圍巖尖銳邊緣刺破裝樣封套,避免圍壓與孔隙壓連通.

圖2 海底沉積物三軸加載摩擦實(shí)驗(yàn)裝樣示意圖Fig.2 Sketch of the sample assembly of triaxial loading friction experiment for marine sediments

隨后將沉積物樣品夾于上下兩個(gè)圍巖端塊之間,使其初始厚度為1 mm,把包含圍巖在內(nèi)的整個(gè)樣品與碳化鎢墊片,剛玉塊和鋼質(zhì)體一起放入壁厚0.4 mm的熱縮管裝樣封套中,并在樣品的組件兩端放置雙O型圈密封,使樣品與圍壓氣體介質(zhì)隔離(圖2).考慮到熱縮管強(qiáng)度較低,為防止在加載過(guò)程中組件掉出,在底部雙O型圈密封組件之下加了一個(gè)鋼型墊塊,并用鋼絲固定(圖2),組裝完成后采用熱吹風(fēng)機(jī)將熱縮管均勻加熱收縮,使組件與裝樣封套之間緊密貼合,保證組件的封閉性.最后將一塊聚四氟乙烯塑料紙用潤(rùn)滑脂粘貼在組件底部,以減少組件與主加載活塞之間的阻力.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,為避免采取正應(yīng)力控制時(shí)因滑動(dòng)不穩(wěn)定而導(dǎo)致的剪切應(yīng)力突然下降引起的正應(yīng)力擾動(dòng),我們采取了圍壓與孔隙壓恒定控制.加壓過(guò)程中先接入圍壓,使圍壓穩(wěn)定在20 MPa附近,再接入孔隙壓,隨后開啟壓力自動(dòng)控制系統(tǒng),使圍壓與孔隙壓始終維持在20 MPa和10 MPa左右.

軸向位移加載采用液壓伺服系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)中的軸壓應(yīng)力通過(guò)設(shè)定變形速率進(jìn)行加載.在測(cè)試開始階段,軸向加載速率設(shè)置為1.0 μm·s-1(滑動(dòng)面上對(duì)應(yīng)速率為1.22 μm·s-1).在沉積物的彈性加載階段后,摩擦力越過(guò)臨界值,以穩(wěn)定的摩擦系數(shù)開始滑動(dòng)時(shí),將軸向加載速率在1.0 μm·s-1、0.2 μm·s-1、0.04 μm·s-1之間切換,以獲取摩擦系數(shù)的速度依賴性數(shù)據(jù).在軸向位移永久變形達(dá)到3.0 mm(剪切位移為～3.67 mm)或熱縮管破裂之前獲得的數(shù)據(jù)作為測(cè)試的有效數(shù)據(jù).熱縮管是否破裂主要從兩個(gè)方面進(jìn)行判斷:(1)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察壓力變化曲線,若孔隙壓突然增大至圍壓,則認(rèn)為熱縮管破裂致使孔隙壓與圍壓聯(lián)通.(2)每次實(shí)驗(yàn)后檢查預(yù)切面位置的熱縮管是否存在裂痕.

2.4 數(shù)據(jù)解算流程

第一步:接觸面積校正

由于樣品存在斜向預(yù)切面,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,當(dāng)上下滑塊開始錯(cuò)動(dòng)時(shí),摩擦面的實(shí)際接觸面積開始減小,導(dǎo)致觀測(cè)的軸向壓應(yīng)力(σr)小于實(shí)際軸向壓應(yīng)力(σ),需要對(duì)圍巖兩端的軸向壓應(yīng)力進(jìn)行面積校正,它與軸向滑移量有如下關(guān)系(黃建國(guó)和張流, 2000; He et al., 2006):

(1)

式中θ是軸線與斷層面的夾角,本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中為35°;r是圍巖半徑;ΔL為軸向滑移量,用測(cè)量的軸向位移與彈性應(yīng)變的差值表示(蘭彩云等, 2010).若D為圍巖的軸向位移量,彈性應(yīng)變向非彈性應(yīng)變的轉(zhuǎn)變點(diǎn)為(D0,σ0),而彈性變形的斜率為M,則軸向滑移量如下:

(2)

沉積物沿預(yù)切面的總體剪切位移量Ds(總形變量,包含了沉積物的彈性形變部分),可表示為

(3)

第二步:計(jì)算瞬態(tài)摩擦系數(shù)μ

(4)

(5)

(6)

(7)

其中有效應(yīng)力系數(shù)α=1-K/Ks,K為干燥沉積物的體積模量,Ks為沉積物固體顆粒的體積模量(Biot, 1941; Biot and Willis, 1957; Nur and Byerlee, 1971; Gurevich, 2004).含水量較高且未完全固結(jié)的沉積物,其Ks通常比K高3個(gè)數(shù)量級(jí)(Cheng, 2016),例如深海紅黏土(K=2.00×107N·m-2,Ks=5.00×1010N·m-2)、軟沉積物(K=3.69×107N·m-2,Ks=3.60×1010N·m-2)、硬沉積物(K=4.36×107N·m-2,Ks=3.60×1010N·m-2).本實(shí)驗(yàn)對(duì)象為松散沉積物,Ks和K應(yīng)與軟沉積物、深海紅黏土比較相近,即K/Ks趨近于零,α可取為1(Yang et al., 2020).此外,由于單層熱縮管的剪切強(qiáng)度很小,這里并沒(méi)有考慮實(shí)驗(yàn)過(guò)程中其剪切變形對(duì)摩擦面上剪切應(yīng)力(τ)計(jì)算造成的影響.

第三步:計(jì)算速度依賴性參數(shù)(a-b)

速率和狀態(tài)依賴摩擦本構(gòu)關(guān)系是表征斷層摩擦系數(shù)和滑動(dòng)穩(wěn)定性的基本理論(Dieterich, 1978, 1979; Ruina, 1983),其穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)表達(dá)式為:

(8)

這里μ*表示在參照速率V*下的摩擦系數(shù)穩(wěn)態(tài)值.根據(jù)穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)表達(dá)式在速度V1向速度V2變化后的差分形式,可以計(jì)算出 (a-b)值,即

(9)

其中(a-b)值是表征穩(wěn)態(tài)速度相關(guān)性的參數(shù),且研究表明其對(duì)滑動(dòng)穩(wěn)定性的判別至關(guān)重要 (Ruina, 1983).在準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下,若(a-b)>0,稱為速度強(qiáng)化,摩擦系數(shù)隨著速度的增加而增加,此時(shí)不會(huì)在緩慢的構(gòu)造加載作用下產(chǎn)生自發(fā)的地震成核;若(a-b)<0,則為速度弱化,此時(shí)摩擦系數(shù)隨速度的增加而減小,斷層會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定滑動(dòng)(Rice and Tse, 1986; Dieterich and Linker, 1992).由于變形曲線有微小的位移依賴關(guān)系,具有一定的斜率,因此在取穩(wěn)態(tài)值的差分值時(shí)需要用平行的斜線之間的距離來(lái)讀取(蘭彩云等, 2010).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本研究中所有實(shí)驗(yàn)的溫壓條件相同(Pc=20 MPa,Pp=10 MPa,T≈20 ℃),且其總的剪切位移量不超過(guò)3.25 mm.在實(shí)驗(yàn)加載初始階段,沉積物摩擦系數(shù)(μ)與剪切位移(Ds)之間大致呈線性增加關(guān)系,這與彈性加載階段相對(duì)應(yīng).當(dāng)剪切位移達(dá)到0.5～1.0 mm時(shí)(軸向應(yīng)變約為3%～6%),μ-Ds曲線上出現(xiàn)極值點(diǎn),即最大靜摩擦系數(shù)μmax,這與沉積物的屈服極限點(diǎn)相對(duì)應(yīng)(圖3、圖4).在摩擦系數(shù)達(dá)到μmax后,隨著加載的持續(xù)進(jìn)行,沉積物沿著預(yù)切面開始穩(wěn)態(tài)(或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài))滑動(dòng).在不同加載速率之間切換,摩擦系數(shù)會(huì)對(duì)加載速率的改變做出響應(yīng),并重新回到穩(wěn)態(tài)滑動(dòng)狀態(tài).不同加載速率下的7個(gè)穩(wěn)態(tài)滑動(dòng)階段的摩擦系數(shù)(簡(jiǎn)稱穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù))可用μss1～μss7表示(存在準(zhǔn)靜態(tài)振蕩時(shí),取該階段穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)的平均值) (圖3、圖4).本研究中所有實(shí)驗(yàn)的摩擦系數(shù)(μ)隨剪切位移(Ds)的變化曲線繪制在圖4中,實(shí)驗(yàn)條件和結(jié)果詳見表2.

表2 神狐峽谷群海底沉積物摩擦實(shí)驗(yàn)條件與結(jié)果Table 2 Friction experimental conditions and results of submarine sediments in Shenhu Canyons

圖3 海底沉積物樣品16HF08-5的摩擦系數(shù)(μ)-剪切位移(Ds)曲線Fig.3 The curve of friction coefficient (μ)-shear displacement (Ds) for submarine sediment sample at 16HF08-5

3.1 摩擦系數(shù)μ

本研究中沉積物樣品的摩擦系數(shù)存在位移強(qiáng)化現(xiàn)象,位移強(qiáng)化率0.21～0.45 mm-1(即實(shí)驗(yàn)μ-Ds曲線穩(wěn)態(tài)滑動(dòng)階段線性擬合斜率),且摩擦系數(shù)范圍跨度較大,最大靜摩擦系數(shù)μmax范圍為0.460～0.510,穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)μss范圍為0.455～0.554(詳見圖3、表2).μmax與μss的變化趨勢(shì)具有一致性,即μmax越大時(shí),μss的數(shù)值在整體上也偏大,且隨著滑移的持續(xù),μss可大于μmax.

3.2 速度依賴性參數(shù)(a-b)

本研究中4個(gè)沉積物樣品在現(xiàn)有速度階躍下均表現(xiàn)為速度強(qiáng)化現(xiàn)象((a-b)>0),表明沉積物滑動(dòng)速度的增大會(huì)導(dǎo)致摩擦系數(shù)的增大,從而抑制滑動(dòng)作用.圖5給出了不同速度階躍下的(a-b)值變化.中-低速(0.04 μm·s-1→0.2 μm·s-1)的速度階躍下(a-b)值,普遍小于中-高速(0.2 μm·s-1→1 μm·s-1)的速度階躍下(a-b)值.這與哥斯達(dá)黎加奧薩半島近海的黏土、粉砂質(zhì)黏土沉積物所表現(xiàn)出的速度依賴性特征一致(Namiki et al., 2014).表明了加載速率越低,沉積物的(a-b)值越趨近零,對(duì)滑動(dòng)的抑制作用越小.這可能為海底沉積物的蠕滑現(xiàn)象提供了新的研究思路.

圖5海底沉積物樣品速度依賴性隨軸向加載速率的變化 圖中橫坐標(biāo)為軸向加載速率,縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)軸向 加載速率間切換的速度依賴參數(shù)(a-b)的值.Fig.5 Velocity dependence of submarine sediment samples versus axial loading velocityThe abscissa in the figure is the axial loading velocity, and the ordinate is the value of the velocity dependent parameter (a-b) corresponding to the switching between the axial loading velocities.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

4.1 摩擦系數(shù)與黏土礦物的關(guān)系

研究區(qū)內(nèi)海底沉積物的摩擦特性對(duì)滑坡的形成有著控制作用.最大靜摩擦系數(shù)μmax是判斷滑坡體能否發(fā)生滑動(dòng)的閾值;穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)μss不僅控制著沉積物在滑坡過(guò)程中的穩(wěn)定性以及滑坡后的永久變形(Ishihara, 1994; 魏松等, 2005),而且會(huì)直接影響滑坡過(guò)程中滑坡體的摩擦生熱量.而沉積物的礦物成分對(duì)摩擦特性起控制作用,為了進(jìn)一步研究滑坡發(fā)育過(guò)程,探究摩擦系數(shù)與黏土礦物含量的相關(guān)性,我們收集了Nankai海槽和哥斯達(dá)黎加近海海域埋深300 m以淺沉積物(mbsf<300 m)的摩擦系數(shù)與總黏土含量資料(表3),并結(jié)合本研究結(jié)果繪制了圖6.

表3 NanKai海槽與哥斯達(dá)黎加近海海域沉積物(mbsf<300 m)摩擦系數(shù)與總黏土含量信息Table 3 Friction coefficient and total clay content of submarine sediments (mbsf<300 m) in Nankai Trough and Costa Rica offshore

圖6 海底沉積物摩擦系數(shù)(μ)與總黏土含量(ω)關(guān)系其中不同圖形對(duì)應(yīng)不同的數(shù)據(jù)來(lái)源(詳見表3),實(shí)心圓圈表示本研究中沉積物樣品第一階段的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)μss1;實(shí)線為圖中數(shù)據(jù)采用二項(xiàng)式擬合結(jié)果,虛線為擬合曲線±30%的結(jié)果.Fig.6 Friction coefficient (μ) of submarine sediments as a function of total clay content (ω) Different graphic symbols correspond to different data sources (see Table 3 for details).The solid circles represent the first stage steady-state friction coefficient μss1 of sediment sample in this study. The solid line is the binomial fitting result of the data in the graph, and the dashed line is the result of fitting curve ±30%.

圖6中,不同符號(hào)代表不同的數(shù)據(jù)來(lái)源(詳見表3).實(shí)心圓圈表示本研究中沉積物樣品第一階段的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)μss1.我們對(duì)Nankai海槽、哥斯達(dá)黎加近海及本研究中神狐峽谷群海底沉積物所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二項(xiàng)式擬合,得到總黏土含量(ω)與摩擦系數(shù)(μ)之間滿足:

μ=0.66+0.0138ω-0.781ω2,R2=0.60.

(10)

表明mbsf<300 m海底沉積物的摩擦系數(shù)(μ)總體上與總黏土含量(ω)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān).受沉積物粒度、成巖作用(Ikari et al., 2018)及礦物混合與排列模式(Bedford et al., 2022)等因素的影響,圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)并未出現(xiàn)密集線狀分布的特征,而是分布在擬合曲線±30%的范圍內(nèi)(圖6中虛線帶內(nèi)).值得強(qiáng)調(diào)的是,我國(guó)神狐峽谷群的數(shù)據(jù)點(diǎn)雖然也散布在擬合曲線±30%的范圍內(nèi),但并未呈現(xiàn)單調(diào)遞減的特征,而是先增后減.這表明經(jīng)驗(yàn)公式(10)能否適用于各個(gè)海域或許有待進(jìn)一步驗(yàn)證.

4.2 摩擦角φ與內(nèi)聚力c的求取

在本研究中海底沉積物的最大剪切強(qiáng)度可用莫爾-庫(kù)侖破裂準(zhǔn)則來(lái)描述:

(11)

且

μ=tanφ.

(12)

(13)

該值可直接在曲線中讀取(圖3、圖4).

在沉積物樣品加載過(guò)程中,摩擦系數(shù)達(dá)到μmax后,沉積物樣品將開始沿預(yù)切面(滑動(dòng)面)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)滑動(dòng)狀態(tài),穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)μss1可以在曲線中讀出(圖3、圖4).根據(jù)式(7)可知,此時(shí)的剪切應(yīng)力可表示為:

(14)

材料沿先存滑動(dòng)面(預(yù)切面)進(jìn)行剪切變形時(shí),內(nèi)聚力可以忽略不記(Ikari and Kopf, 2011),即內(nèi)聚力c→0.由式(11)可知,此時(shí)的剪切應(yīng)力為:

(15)

對(duì)比式 (14)和(15),可知摩擦系數(shù)(μ)-位移(Ds)曲線中的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)μss1可視為摩擦系數(shù)μ,即:

μ=μss1.

(16)

再將式(16)代回式(12)和(13),可計(jì)算獲得摩擦角φ和內(nèi)聚力c:

(17)

由式(16)和(17)可知,依據(jù)海底沉積物μ-Ds曲線讀取的最大靜摩擦系數(shù)μmax、穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)μss1,即可獲得沉積物的摩擦系數(shù)μ、摩擦角φ及內(nèi)聚力c.經(jīng)計(jì)算,本次實(shí)驗(yàn)4個(gè)海底沉積物摩擦角φ范圍為24.5°～27.0°、內(nèi)聚力c范圍為0.30～0.57 MPa(表2).

這一結(jié)果與Wang等(2020, 2021)對(duì)南海神狐海域含天然氣水合物的上覆沉積物樣品(黏土礦物含量為16.8%～27.1%;深度為海床以下0～8.8 m)的三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(φ為28.15°～30.96°、c為0.07～0.3 MPa)及李彥龍等(2018)對(duì)南海沉積物試樣進(jìn)行的三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(φ為23.98°～26.62°、c為0.25～0.58 MPa)有較好的可對(duì)比性.

4.3 神狐峽谷群滑坡成因分析

神狐峽谷群海底地形地貌分析結(jié)果顯示,峽谷兩側(cè)谷壁的最大坡度不超過(guò)6.8°,自北向南的峽谷脊部坡度為1.6°～2.0°(劉杰等,2015;杜文波等, 2022),都遠(yuǎn)小于本研究區(qū)海底沉積物摩擦角(φ: 24.5°～27.0°).結(jié)合海底沉積物所展現(xiàn)的位移強(qiáng)化與速度強(qiáng)化特征,即滑動(dòng)距離的增加以及滑動(dòng)速度的增大都將導(dǎo)致摩擦系數(shù)的增大,從而抑制滑坡發(fā)育,表明現(xiàn)今神狐峽谷群?jiǎn)渭冊(cè)诔练e物自重作用下不會(huì)自發(fā)失穩(wěn)、滑動(dòng).

根據(jù)地震剖面(圖7),可以識(shí)別出神狐峽谷群滑坡體往往呈現(xiàn)出多期次滑塌的特征.大量沉積物沿滑塌斷層發(fā)生滑動(dòng),形成多個(gè)規(guī)模相近且呈階梯狀排列的小型滑坡體(陳珊珊等,2012;秦軻等,2015;王一凡等,2017;蘇丕波等,2020).滑塌斷層的最大切穿深度多在百米級(jí)范圍,與BSR(水合物穩(wěn)定域的底界)埋深相近,且在其下部氣煙囪、泥底辟、斷裂廣泛發(fā)育.滑塌斷層傾角大致相同,一般不超過(guò)15°,遠(yuǎn)小于研究區(qū)沉積物的摩擦角.這也意味著沉積物在達(dá)到重力失穩(wěn)前便在外力作用下產(chǎn)生了滑動(dòng),并且外力條件應(yīng)當(dāng)滿足“大小相近”、連續(xù)的條件,才能使沉積物發(fā)生滑動(dòng)時(shí)的臨界坡度(簡(jiǎn)稱滑動(dòng)坡度)減小近10°,形成規(guī)模相近的多期次階梯狀滑坡體.而火山、地震、海嘯等災(zāi)變型外力,由于發(fā)生周期不連續(xù)以及對(duì)沉積物穩(wěn)定性的影響深度及大小都具有隨機(jī)性,難以形成一系列如此規(guī)律的滑坡體.

結(jié)合滑塌斷層與BSR、氣煙囪等構(gòu)造的空間分布關(guān)系(圖7),我們認(rèn)為神狐峽谷群的滑坡成因與水合物的成藏過(guò)程密切相關(guān).該區(qū)域的水合物成藏自上而下主要表現(xiàn)為低飽和水合物層、高飽和水合物層、水合物+游離氣層、游離氣層的分布特征(蘇丕波等,2020).這主要是由于其水合物形成具有“雙源”特征,生物成因氣與熱成因氣分別在不同深度形成水合物.BSR之上的高飽和度水合物層作為低孔滲層,對(duì)游離氣起到封堵作用,會(huì)使游離氣聚集在BSR附近.一方面,BSR底部熱解成因游離氣隨時(shí)間演化不斷累積在BSR附近;另一方面,泥底辟、火山、地震、海嘯等因素(李琳琳等,2022)對(duì)沉積物溫、壓場(chǎng)的改造,可能引起水合物穩(wěn)定域的溫、壓條件臨界處的水合物(即BSR附近的水合物)最先開始分解成游離氣并聚集在BSR附近.這兩種因素都將導(dǎo)致在BSR附近的局部范圍內(nèi)孔隙壓逐漸增大,使得沉積物的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低,滑動(dòng)坡度逐漸減小并逼近至滑塌斷層傾角,進(jìn)而失穩(wěn)滑動(dòng).這很好的解釋了滑坡體滑塌斷層最大切穿深度與BSR埋深相吻合以及滑塌斷層傾角大致相同的地質(zhì)特征.由于氣源供給穩(wěn)定,在沉積物的溫、壓場(chǎng)重新平衡后,新的水合物穩(wěn)定帶逐漸形成,并開始新一輪的游離氣富集形成局部高壓,如此循環(huán)往復(fù),形成規(guī)模相近的多期次階梯狀滑坡體.

綜上所述,現(xiàn)今神狐峽谷群?jiǎn)渭冊(cè)诔练e物自重情況下不會(huì)發(fā)生失穩(wěn),總體上比較穩(wěn)定.滑坡的形成主要是由于底部熱成因游離氣的聚集或/和BSR附近的水合物在地震等擾動(dòng)作用下分解,在BSR 附近地層形成局部高壓區(qū),導(dǎo)致沉積物失穩(wěn).滑塌斷層最大切穿深度受高壓區(qū)形成位置,即BSR埋深的影響,往往在百米級(jí)范圍.此外,該區(qū)南北向地形坡度較小,以及該區(qū)海底表層沉積物的位移強(qiáng)化與速度強(qiáng)化特征,大大制約了滑坡體的滑塌距離與滑塌速度.這可能是導(dǎo)致神狐峽谷群滑坡體呈現(xiàn)厚度薄、滑距短特征的主要原因.

5 結(jié)論與展望

本研究對(duì)采自南海神狐峽谷群4個(gè)海底沉積物樣品,在盡可能接近海底原位溫、壓的條件下(圍壓Pc=20 MPa、孔隙壓Pp=10 MPa及溫度T≈20 ℃),進(jìn)行了三軸準(zhǔn)靜態(tài)摩擦實(shí)驗(yàn)(低速率),獲得該峽谷群淺層沉積物摩擦特性及其滑坡成因初步認(rèn)識(shí):

(1) 沉積物樣品的最大靜摩擦系數(shù)μmax為0.460～0.510,穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)μss為0.455～0.554,μmax與μss的變化趨勢(shì)較一致,且隨著滑移的持續(xù),μss可大于μmax.

(2) 研究區(qū)沉積物樣品在滑移過(guò)程中,均表現(xiàn)出速度強(qiáng)化與位移強(qiáng)化特性.

(3) 根據(jù)摩擦系數(shù)(μ)-位移(Ds)曲線,確立了一套沉積物摩擦角φ和內(nèi)聚力c求解方法.并據(jù)此獲得研究區(qū)海底淺層沉積物樣品的φ為24.5°～27.0°、c為0.30～0.57 MPa.

(4) 現(xiàn)今神狐峽谷群僅在沉積物自重作用下不會(huì)發(fā)生失穩(wěn),總體上比較穩(wěn)定.滑坡的形成主要是由于底部熱成因游離氣的聚集或/和BSR附近的水合物在地震等擾動(dòng)作用下分解,在BSR 附近地層形成局部高壓區(qū),導(dǎo)致沉積物失穩(wěn).由于滑塌斷層最大切穿深度受BSR埋深的影響,且沉積物具有位移強(qiáng)化與速度強(qiáng)化特性,使得該峽谷群滑坡體主要呈現(xiàn)厚度薄、滑距短的地質(zhì)特征.

本次研究為神狐峽谷群穩(wěn)定性研究以及滑坡發(fā)育與水合物賦存狀態(tài)熱力學(xué)耦合的數(shù)值模擬等研究,提供了基礎(chǔ)的熱力學(xué)參數(shù)及實(shí)際約束條件.但本次實(shí)驗(yàn)中仍存在兩方面不足:(1)所用樣本較少(僅4個(gè)),且都是海底以下～4 m的表層沉積物.這在一定程度上限制了我們對(duì)相關(guān)特性的統(tǒng)計(jì)性規(guī)律認(rèn)知.(2)目前僅開展了三軸準(zhǔn)靜態(tài)摩擦實(shí)驗(yàn),而旋轉(zhuǎn)剪切等大位移、高速率摩擦實(shí)驗(yàn)仍未涉及.這制約了我們對(duì)高速率下沉積物摩擦特性的認(rèn)識(shí)與研究.為此,我們擬在后續(xù)的工作中,一方面將補(bǔ)充不同區(qū)域海底沉積物樣品,并考慮申請(qǐng)獲取南海北部深部沉積物樣品(如南海北部鉆孔巖芯樣品),開展不同溫壓條件下的摩擦實(shí)驗(yàn)研究;另一方面將同時(shí)開展沉積物的大位移、高速率實(shí)驗(yàn).以便更系統(tǒng)地研究不同區(qū)域、不同深度沉積物在不同速率下的摩擦特性.

致謝本研究的樣品采集得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)共享航次計(jì)劃項(xiàng)目(41449906,41549907,42049906)的資助.航次(編號(hào):NORC2015-06,NORC2016-07,NORC2021-06)由中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所“實(shí)驗(yàn)3”號(hào)和廈門大學(xué)“嘉庚”號(hào)科考船實(shí)施.感謝中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所于傳海、趙俊峰、曾信及王彥林助理研究員、任自強(qiáng)博士生、張慧慧碩士生、南京大學(xué)劉紹文教授及三個(gè)航次全體人員在沉積物取樣過(guò)程中的努力與付出.中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所劉建國(guó)研究員團(tuán)隊(duì)在沉積物樣品礦物分析過(guò)程中提供技術(shù)支持,江西省地震局羅麗高級(jí)工程師、中國(guó)地震局地質(zhì)研究所劉世民博士及中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)胡紫娟博士在摩擦實(shí)驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)處理方面給予了指導(dǎo)和討論,中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所李偉研究員對(duì)本研究進(jìn)行了有益討論.匿名審稿專家提出的寶貴意見和建議,使得本工作得到進(jìn)一步完善和提升.在此一并感謝.圖1是利用Generic Mapping Tools (GMT) (Wessel and Smith, 1995)繪制.