南海北部陸坡區海底表層沉積物特性淺析

李光耀

(中海油田服務股份有限公司,天津 300450)

南海北部陸坡區海底表層沉積物特性淺析

李光耀

(中海油田服務股份有限公司,天津 300450)

依托荔灣3-1氣田開發項目,對處于南海北部陸坡區水深約500～1500m的海底表層沉積物進行工程特性分析,通過對物理及力學指標的統計和曲線擬合,闡明南海北部陸坡區海底沉積物的土質組成、分布規律,以及土質參數在橫向上與水深變化之間的關系,探討其變化規律和相關性。另選取水深超過1000m的表層沉積物取樣進行縱向統計分析,揭示土質強度與土樣深度之間的關系,并初步求得強度相對于深度的經驗公式。通過上述分析,為將來此區其他海底施工作業或前期設計提供一定的參考和借鑒。

南海北部陸坡 沉積物 特性 曲線擬合 相關性

1 引言

隨著陸上油氣資源重大發現的概率逐漸減小，海上油氣勘探已成為目前以致未來世界能源開發新的熱點。在過去的10年間，海上油氣探明儲量約450億噸，這僅占全部可能儲量的20%，尚處于勘探早期階段。而國際上一般公認的大于300m水深的深水區域更是蘊藏著不可預知的巨大儲量，陸坡和深海盆地的油氣勘探開發不斷升溫。

深水區在我國主要分布于東海和南海，特別是南海，平均水深就達1140m，且其大部分區域屬于深海范圍，而我國目前在南海擁有的絕大多數油氣田均位于淺水區。2009年開始，以中海油為代表的中國海洋油氣開發正式向深海進軍。本文將依托2009～2010年中海油與HUSKY共同實施開發的荔灣3-1氣田開發項目對南海陸坡區海底土質進行工程意義研究，并重點針對水深500～1500m的范圍的海底進行表層土質特性分析。

南海北部陸坡是南海海底表面起伏高差最大的一個斜坡，按其地形剖面形態特征可劃分為上陸坡、中陸坡和下陸坡。上陸坡水深150～1500m，平均坡度1°～3°，中陸坡水深平均水深1000～1500m，地勢較為平坦，下陸坡水深1500～3000m，平均坡度2°～4°。(見圖1)

2 正文

荔灣3-1氣田開發項目工程環境調查從2009年年底持續到2010年，其中工程地質方面以淺層土質取樣為主，主要通過重力取樣和淺層鉆孔取樣來實施，水深小于200m的地方實施鉆孔取樣，水深超過200m的區域進行了重力取樣，特別是水深大于500m的陸坡段分別取得近60個重力樣和箱式樣，取樣點以30～50m的水深間隔沿管線路由分布，基本覆蓋了從500～1500m的水深變化范圍。其區域位置大致介于E115°～E116°和N19．5°～N20．5°之間。

本次調查取樣所揭示的陸坡區表層沉積物類型與圖2(摘自《南海地質》)所示基本一致，主要為粘土、粉質粘土和粉土。

我們選取其中56個重力樣進行各項數據統計，這些樣品平均長度2．6～3．4m，土質成分以細粒土為主，表層夾雜少許細砂粒。顏色隨水深增加由褐灰色向綠灰色過渡，局部可見黃褐色淤泥或浮泥。以下是根據不同水深土樣的粒徑統計結果所繪制的500～1500m水深表層約3m土層的土質組成分布圖。

表1 500～1500m水深范圍內海底以下1m處土樣參數平均值

表2 500～1500m水深范圍內海底以下2m處土樣參數平均值

表3 500～1500m水深范圍內海底以下3m處土樣參數平均值

表4

圖1 南海北部陸架-陸坡-深海盆地剖面示意圖

圖2 南海海底表層沉積分布區域圖及本文研究區域

圖3 南海北部陸坡500～1500m海底表層3m土質組成

從圖3中我們可以看出南海北部陸坡區水深500～1500m范圍表層土質主要成分為粉粒(0．005mm＜d＜0．075mm)和粘粒(d＜0．005mm)，這兩部分所占比例約85%～95%，砂粒含量隨水深不同而不同，在水深800m以內，平均約占10%～15%，其中水深700m～800m處，砂粒的含量可達20%～25%，當水深超過800m之后，砂粒的含量明顯降低，且比較穩定，約占5%。

下面我們以水深為界，從抗剪強度、含水率、天然重度、塑性指數等方面分別對海底以下1m、2m和3m深度處土樣進行統計，求的平均值，結果如表1-表3。

圖4 1m處土質參數與水深關系

圖5 2m處土質參數與水深關系

通過對這些取樣的所有試驗數據的分析，南海北部陸坡區500～1500m水深范圍內海底表層土質具有以下工程地質特性：

(1)物理特性：此區土質為含砂或含少量砂粒高塑性粉土或粘土，擁有高含水率，高液塑限，高孔隙率和低重度。平均含水率大于50%，最高可達130%；液限平均40%～90%，孔隙率平均1．4～3．6；天然重度平均不超過17KN/m3，最小僅為13．5KN/m3。

(2)力學特性：工程強度低，承載能力弱，平均不排水抗剪強度不超過10kPa。最小約3kPa。

對統計結果進行橫向比較，我們發現這類較純的深水表層細粒土的多項土質參數會因取樣水深的變化而呈現相應(相同或相反)的變化趨勢，如粘性土含水率、液塑限、孔隙率隨水深的增加而增加；強度和天然容重隨水深增加而減小。同時砂粒含量在一定程度上影響著這些參數的變化趨勢，我們特別將水深700～800m范圍單獨進行統計，得到了與之前相反的結論，如海底以下1m土樣的含水率反而低于水深小于700m時的平均值，同時天然重度卻較之增大，而且此相反規律在土樣深度較淺時表現稍明顯。

圖4-圖6是不同水深重力取樣分別在海底以下1m、2m和3m處土樣的各種土質參數隨水深變化的曲線。

上述曲線均通過二階多項式進行擬合(由二階多項式進行擬合所得曲線相關系數最接近1)，從中不僅可以看到含水率、液塑限、孔隙率隨水深的增加而增加；強度和容重隨水深增加而減小，還可以發現同一關系曲線也會隨土樣深度變化而出現曲率的相應變化。即：隨著土樣深度從1m增加到3m，各項土質參數隨水深增加或減小的趨勢會變得緩和。

以黃色曲線“水深-含水率”為例，其二階多項式方程分別如下：(表4)。

從上述3個多項式也不難發現，其二次項系數分別為8E-05、5E-05和8E-06，呈現依次減小的規律。從曲線形態來看，曲率會隨土樣深度的增加而減小，即土樣深度由1m增加到3m時，含水率隨水深增加而增大的趨勢將變緩。

圖6 3m處土質參數與水深關系

圖7 1000～1500m水深土樣強度與土樣深度關系

表5 1000～1500m水深時同一土樣深度處平均強度

需要說明的是，剪切強度相比其他參數在橫向上表現的規律性較差，原因主要有二：一是剪切強度易受到擾動或測試操作影響而不準確；二是土質中砂的含量明顯影響強度的大小，故在整個500～1500m水深范圍內其強度與水深相關性不明顯。但在水深大于1000m，土質較純的情況下，其強度在縱向上可能存在一定趨勢，下面將17個水深大于1000m的重力樣各深度處的強度進行統計，獲得同一土樣深度對應不同水深時的平均值：(表5)

圖7通過對1000～1500m水深范圍內土樣強度與深度進行冪函數曲線擬合，得到強度隨土樣深度增加而增大的關系，公式表達如下：

原狀土強度：y=4．7133x0．1928R2=0．9132(x≤4m)

擾動土強度：

y=2．0873x0．1583R2=0．9163(x≤4m)

3 結語

根據已有取樣資料，對南海北部陸坡區水深500～1500m的海底表層土樣進行了物理力學統計分析，得到以下結論：

(1)此區海底表層土的主要組成為細粒土，占總含量的85%以上，其余為砂質成分，且隨著水深增加到800m以上，砂質成分明顯減少。

(2)此區海底表層土大部分屬高塑性粉土或粘土，擁有高含水率，高液塑限，高孔隙率和低重度。不排水抗剪強度較低，工程承載力弱，壓縮性高。

(3)在橫向上對所有500～1500m水深的土質多項指標進行了二階多項式曲線擬合，發現此類深海表層細粒土的土質參數會因取樣水深的變化而呈現相應(相同或相反)的變化趨勢，規律如下：含水率、液塑限、孔隙率隨水深的增加而增加；強度和天然容重隨水深增加而減小。砂粒含量在一定程度上影響著這些參數的變化趨勢，當水深在700～800m范圍時，土樣的含水率反而低于水深小于700m時的平均值，同時天然重度卻較之增大，特別在土樣深度較淺時表現更為明顯。另外，同一關系曲線也會隨土樣深度變化而出現曲率的相應變化，即：隨著土樣深度從1m增加到3m，各項土質參數隨水深增加或減小的趨勢會變得緩和。

(4)在縱向上對水深1000～1500m的取樣進行了強度與深度的冪函數曲線擬合，得到強度隨土樣深度增加而增大的關系，公式表達如下：

原狀土強度：

y=4．7133x0．1928R2=0．9132(x≤4m)

擾動土強度：

y=2．0873x0．1583R2=0．9163(x≤4m)

由此，我們可以將上述方程作為經驗公式，來初步推算南海北部陸坡區特別是中陸坡區海底表層土質的工程強度，為將來其他海底工程的前期設計和可行性分析提供初步的工程地質依據。

[1]袁圣強,吳時國,等.南海北部陸坡的地貌形態及其控制因素.海洋學報,2010,第30卷,第2期.

[2]王海榮,王英民,等.南海北部陸坡深水區沉積物輸送模式探討.海洋地質與第四紀地質,2010,第30卷,第4期.

[3]何家雄,施小斌,夏斌,劉海齡,閻貧,等.南海北部邊緣盆地油氣勘探現狀與深水油氣資源前景.地球科學進展,2007,第22卷,第3期.

李光耀(1986-10-04),男,2009年畢業于中國地質大學(武漢),獲學士學位,工程師,主要從事海洋工程地質調查工作。