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.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋地質過程與環境功能實驗室,山東 青島 266237；3.中國海洋大學 環境科學與工程學院,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注[1-7]。通過波浪水槽試驗和離心機試驗,發現了波浪導致底床液化的孔壓發展過程、液化現象及液化發展過程[8-13]。通過開展現場孔壓監測,證實了波浪作用導致海床液化的現象[14-18]。現場樣品動力三軸測試和理論計算分析表明,臺風誘發的砂質海床液化深度達6 m 多[19-20]。這些研究表明,在強烈的波浪作用下,砂質或者粉質土海床能夠產生液化。在黃河三角洲海床的液化深度研究中,研究者發現在水深8 m 的粉質土底床液化深度為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土底床液化后的形態特征[22-23]。含水量為30%～34%的黃河三角洲粉土滲透系數為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10 d后,床面整體下沉[24-25],說明靜態下粉土排水固結不會產生局部的塌陷凹坑。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(時間數據為210 min)床面上也沒有塌陷凹坑的產生[25]。但是在土體液化后,發生了與上部水體相似的波動,底床面上出現了明顯的塌陷凹坑[24-25]。水槽試驗中底床出現的塌陷凹坑,是液化的沉積物發生波動壓實,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象已經被研究確認,粉質土底床液化后可以產生塌陷凹坑也有波浪水槽試驗的證實。但是,現場海底的塌陷凹坑,是否如水槽試驗一樣,是由波浪導致的沉積物液化而形成的,需進一步驗證。本文根據在密西西比河與黃河水下三角洲水域開展的調查研究結果,結合實驗室波浪水槽試驗觀察到的現象,用波致海床液化導致海底出現塌陷凹坑的觀點,給出了三角洲海底出現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 水下三角洲調查結果

1.1 水下三角洲地形地貌調查

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,借助聲學測量儀器,發現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,通常發育在坡度為0.1°～0.4°的斜坡上,部分區域內數量很大。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形的陡峭邊壁,高達2.7 m,其中有不規則的塊狀物或沉積物碎屑,凹坑中心區域具有不規則和小丘狀地形。在上部斜坡邊緣,有王冠狀裂縫延伸到相鄰的穩定沉積物中,在下坡側有低角度的反向斜坡,凹坑底床通常是水平的(圖1)。側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查中被發現過,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場調查,獲取了淺地層剖面資料,解譯后發現,在一條測線上有擾動地層,并且擾動地層區的海底面比周圍未擾動地層區的海底面降低了約1 m。凹坑表面以下的地層呈擾動狀態(圖2b和圖2c)[29],有時可發現凹坑內有塊體存在[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境特征,可發現兩者都是水深較淺、波浪較強的地區。由于快速堆積導致的沉積物未固結,加上強浪引起的循環荷載,導致了2 個三角洲地區沉積物都具有不穩定性[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],后期的研究發現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、沉積物性質調查

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,土層內孔隙水無法及時排出,表層沉積物沒有經過壓實作用的影響,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、冬兩季經常遭受較大風浪侵襲,風浪形成的巨大波壓力對海床沉積物形成循環應力[34]。黃河三角洲的沉積物主要為粉質土,粉質土為黏性土與砂性土之間的過渡類型,對于波浪循環荷載具有特殊的響應特征。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[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 粉質土底床液化的波浪水槽試驗結果

對于密西西比河與黃河水下三角洲出現的塌陷凹坑,以沉積物發生波致液化來解釋時,在現場找到最直接的觀測證據很困難。雖然目前在海底設置孔壓監測傳感器已是較為成熟的技術,但是關鍵問題在于無法預知波浪作用下海底沉積物發生液化的具體海域。因此,采用室內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,并與現場結果進行比較分析,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,均發現破壞區出現塌陷凹坑的現象。如:在波浪波峰波谷剪切作用下,底床遭到破壞,沉積物發生滑動振蕩,并進入液化波動狀態,底床沉積物密實和黏土析出從而導致發現塌陷凹坑的情況(圖4a)[24,37]；底床在波浪作用下直接以液化形式,自上而下液化發展,沉積物波動再沉積而產生塌陷凹坑的情況(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象對塌陷量的貢獻較大[25],可能是由沉積物的結構發生改變而致。

2.2 擾動地層

在水槽試驗中,從經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生的旋卷層理,也有一些夾雜條塊的現象(圖5a和圖5b)[22,37],從而使得液化后的地層內部出現不再是水平沉積的地層構造特征。試驗中從水槽側壁觀察,也看到有出現卷云狀構造的現象(圖5c)[25]。因為地層中出現的旋卷層理、夾雜條塊以及卷云狀構造,導致聲學測量的淺地層剖面特征表現為反射信號雜亂、不連續。相對于正常沉積地層,聲學信號雜亂的地層,在工程地質調查中被解譯為擾動地層。

圖5 液化的地層中出現的旋卷層理等構造Fig.5 The convolution bedding in the liquefied stratum

擾動地層沉積結構雜亂,與周圍土層的層理狀構造有明顯的差別。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致形成不規則沉積構造。相互碰撞過程中液化顆粒達到最穩定結構后沉積回返,逐漸形成孔隙度小、強度高的擾動地層。

2.3 高質量濃度懸沙

通過室內水槽試驗研究粉質土沉積物波致液化現象,發現波浪循環荷載施加前,沉積物底床保持穩定,水體中不含懸沙,當施加波浪循環荷載后,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 室內水槽試驗過程Fig.6 The diagram of indoor flume experiment

在波浪的持續作用下,水體中的懸沙含量不斷增加。粉質土底床未液化時,僅發生波浪對表面沉積物的沖刷作用,水體中含沙量較小,難以在底部出現高濃度含沙層,在底床發生液化后,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現,懸沙的中值粒徑在底床液化情況下比未液化時偏小(圖7a)。對經歷了液化波動的底床進行沉積物取樣,粒度分析結果表明,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的塌陷凹坑進行對比分析,發現其主要共同特點有:塌陷凹坑區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聲學反射信號雜亂現象；凹坑中有時發現存在塊體。波浪導致粉質土底床液化的水槽試驗,其結果為沉積物液化區也出現塌陷凹坑,凹坑的主要特點有:凹坑與周圍穩定底床以陡壁接觸；液化的地層中出現有旋卷層理、夾雜條塊以及卷云狀等使聲學反射信號雜亂的構造現象；液化沉積物中的細粒成分會析出進入水體。黃河三角洲經受大的風暴浪作用,在此波浪動力背景下,將海底現場塌陷凹坑特點與水槽試驗液化底床出現的塌陷凹坑比較,可以推斷三角洲海底的塌陷凹坑可能由于波浪導致的海底沉積物液化而形成。密西西比三角洲經歷颶風大浪作用,其海底組分中與黃河三角洲相近的海底粉質土也可發生同樣的液化。海底沉積物液化后會發生波動,可能是導致Prior等[31]設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暴浪的作用下中斷,經工程地質調查發現損壞電纜存在于塌陷凹坑處[28]。利用塌陷凹坑區沉積物的物理力學性質,與波浪水槽試驗數據比較可知: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、強度等物理力學指標的變化特征和凹坑下出現的擾動地層。

波浪水槽試驗中沒有觀察到塌陷凹坑內存在有塊體現象。但是,試驗中對液化沉積物進行力學測試的微貫數據,有可能反映了液化沉積物內包含有塊體。因此,從波浪導致粉質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生液化的情況下,可以產生塌陷凹坑。而密西西比河和黃河的水下三角洲出現的塌陷凹坑,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 為砂質粉砂,4.85～10.00 m 為黏土質粉砂。而塌陷凹坑區外側的未擾動地層0～1.20 m為粉砂,1.20～3.90 m 為砂質粉砂,3.90～10.00 m為黏土質粉砂。凹坑內外2個鉆孔僅相距113 m,原來應該是同樣沉積物成分的地層,可能由于塌陷凹坑區發生液化,導致了4.85 m以淺的地層中黏土成分的析出,使得沉積物粗化。塌陷凹坑區內外沉積物粒徑變化[23,33]也說明塌陷凹坑區較深部地層應有細粒的析出。也就是說,黃河三角洲海域在風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。粉質土海岸在大風天氣下水體中含沙量增大,并出現近底的高濃度含沙層[34]。結合波浪作用下粉質土底床液化后較高概率出現近底高含沙層的試驗現象,應考慮粉質土海岸的高濃度含沙是否由于海底液化而引起。本文根據現場調查和室內試驗結果對比分析,推測波致液化是導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現象的原因之一(圖8)。

圖8 波致液化導致的塌陷凹坑、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 結論

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

①密西西比河與黃河水下三角洲極小坡度海底發現的塌陷凹坑,與波浪導致粉質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、凹坑區的擾動地層現象。凹坑區沉積物物理力學性質的變化,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,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,液化地層隨之呈現厚度降低和強度變大的現象,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。