南海北部深水區表層沉積物工程性質的統計特征分析

劉劍濤，師玉敏，王俊勤，朱友生，李暢飛，漆文剛，高福平

(1. 中海油田服務股份有限公司物探事業部，天津 300459; 2. 中國科學院力學研究所 流固耦合系統力學重點實驗室，北京 100190; 3. 中國科學院大學 工程科學學院，北京 100049; 4. 中海油研究總院有限責任公司，北京 100028)

中國南海是我國四大海區中面積最大、最深、自然資源最豐富的海區，其海底地層中蘊藏著巨大的油氣礦產資源。海洋平臺、海底管道等工程結構安裝于海床上，其安全性直接受海底沉積物的物理和力學特性影響；而沉積物的性質與其沉積環境、物質組成以及微觀結構等因素密切相關[1-3]。全球海底沉積物的厚度分布具有不均勻性，最大厚度可達10 km[4]，其中陸源碎屑、火山碎屑、自生沉積、生物沉積等是主要的物質來源[1]。

海底沉積物的物理和力學特性是海洋巖土工程設計參數取值的依據。目前，針對我國海底沉積物性質的研究主要集中于遼東灣、黃河口、南黃海、東海部分區域、臺灣近岸以及南海北部淺海海域等[5-8]，常見的沉積物類型為傳統石英砂、鈣質砂以及粉質黏土等。近年來，面向深海資源開發需求，已開展了特定深水區海底沉積物的現場取樣和室內試驗以及原位測試分析。深水特殊的沉積環境使得海底沉積物具有不同于近海淺水區沉積物的工程性質[2, 9-15]。例如，墨西哥灣北部海域(水深約1 300 m)[15]、南海東北部陸坡區(水深約1 200 m)[12]、南海西部海盆(水深超過2 000 m)[11]等海底表層沉積物的前期研究表明，深水沉積物多為細顆粒多孔介質，通常具有高孔隙比和低強度的特點。海底沉積物具有天然變異性，不同海域沉積物性質的定量化特征值及波動范圍通常具有過大的離散性。概率論與數理統計方法提供了獲得差異性群體廣泛特征的有效途徑[16]，統計單元體內需要具有相同的地貌特征、地質年代及沉積環境[17]，沉積物的性質應基本接近。當所獲取的海底沉積物樣品數量相對較少時[11-12]，則不足以支持對其物理和力學性質統計特征的定量研究。

鑒于深海極端環境對海底現場取樣及勘探測試等帶來的技術挑戰，目前對我國南海深水海底沉積物的物理和力學特性的科學認識尚不夠清晰。深入探究其典型統計特征對于深水海底工程結構可靠度設計的海床參數取值具有重要意義。根據數理統計理論，樣本數據應是隨機地選自同一統計單元體，且在空間上相隔一定距離以保證樣本數據的獨立性和代表性。對中國南海瓊東南盆地北部海域21個典型站位的表層沉積物柱狀樣品開展了微觀結構，礦物成分，相對密度、天然含水量、天然密度、孔隙比、液塑限等物理指標，以及不排水抗剪強度、靈敏度、超固結比等力學指標的測試，并對試驗結果進行了統計學分析。

1 研究區域概況及樣品信息

研究區域位于中國南海瓊東南盆地北部海域。采用大型活塞式重力取樣器(jumbo piston corer，簡稱JPC)重力活塞取樣法獲取了20個典型站位(編號：No.12～No.41，見表1)的海底表層沉積物柱狀樣品。表1給出柱狀樣品的相對位置坐標、水深和長度等信息。現場取樣位置的水深范圍為500～1 200 m；各站位分布于14 km×14 km的準矩形海域，相對位置如圖1所示。此外，采用鉆孔取樣技術在1 400 m水深處獲取了站位(編號：No.42)的深層沉積物樣品，取樣深度為82.0 m。根據 AMS14C 測年和淺地層剖面資料，研究區域具有相同地貌特征、地質年代及成因類型，因此將其作為一個統計單元。

圖1 南海北部深水區表層沉積物取樣站位相對位置

表1 南海北部某深水區表層沉積物柱狀樣品的相對位置坐標、水深和長度

2 研究方法

對采集的柱狀樣品進行分割，針對各分段樣品依次進行了室內土工試驗測試，包括掃描電子顯微鏡(SEM)試驗，X射線衍射(XRD)試驗，顆粒分析試驗，相對密度、含水率、容重、液塑限等物理性質試驗，固結試驗，十字板剪切試驗和落錐試驗等。試驗標準參考《土工試驗方法標準》(GB/T50123—2019)[18]。

1) SEM和XRD試驗方法

選取典型樣品，通過冷場發射掃描電子顯微鏡(日本電子(JEOL)JSM6700F)觀察其微觀結構和形貌。由于深海表層沉積物原狀樣含水量高，為防止試樣在干燥過程中收縮變化破壞原始結構，采用低溫冷凍真空升華干燥法制備樣品。測試過程中放大倍數為500～10 000倍。

采用日本理學公司生產的X射線粉末衍射儀測定沉積物的礦物組成，試驗參照我國石油天然氣行業標準《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法》(SY/T 5163—2010)進行。

2) 物理和力學指標試驗方法

研究區域樣品主要為細粒土，分別采用密度計法測定顆粒分布；比重瓶法測量相對密度；室內烘干法測定含水率，烘干溫度保持在75°C，防止溫度過高破壞樣品中的有機質；環刀法測定天然密度和容重；依據相對密度、含水率和密度試驗計算孔隙比；GYS-2數顯式土壤液塑限聯合測定儀測定液塑限，并計算液塑性指數；壓力法測定碳酸鹽含量。

采用GZQ型三聯固結儀開展固結試驗，其中壓力等級分別為10 kPa、20 kPa、40 kPa、80 kPa、160 kPa、320 kPa、640 kPa、1 280 kPa、2 560 kPa；分別采用GEOTEST手動十字板剪切儀(torvane)、WF1730型室內電動十字板剪切儀(lab vane)、VJT0808電子數顯落錐儀(fall cone)開展剪切試驗，測試沉積物的不排水抗剪強度和靈敏度。

3) 試驗結果的統計分析方法

針對沉積物物理和力學性質的測試結果，統計獲取各指標的變化范圍、變異性、概率分布類型。表征土體變異性的數字特征有均值μ、標準差σ。采用參數無偏估計統計相應的標準差。變異系數cov=σ/μ，表征相對于均值的平均偏離程度。在巖土工程可靠度理論中，土性參數概率分布類型的選取對可靠度分析影響顯著。采用K-S檢驗方法對試驗觀測數據進行概率分布假設性檢驗。首先建立統計假設H0，檢驗每一個試驗點上的樣本分布函數和假設分布函數之間的偏差，在一定的顯著水平條件下(通常取0.05)根據P值檢驗假設能否被接受。

3 深海表層沉積物的微觀結構、礦物成分

站位編號No.34樣品的SEM測試結果如圖2所示，表層沉積物顆粒形態展示為片狀和凝塊狀；排列方式呈絮凝或疊片狀結構；絮凝結構之間的孔隙表現為宏觀孔隙，小于顆粒尺寸；多種粒間接觸形式共存，如“邊—邊”、“邊—面”、“面—面”接觸。深海沉積遠離大陸影響，具有明顯不同于近岸沉積物的特征，可觀察到大量微生物殘骸。生源沉積是深水區具有特色和代表性的沉積物類型：鈣質生物主要包含有孔蟲、顆石藻、翼足類以及少量介形蟲類；硅質生物主要包含硅藻和放射蟲等。可見，隨著水深的增加及相應海洋環境的變化，生物沉積(浮游和底棲動植物的遺骸及碎片等)逐漸占據主導地位，從而使得深海沉積物中含有大量的自生有機質。

圖2 中國南海北部某深水區海底沉積物微觀結構的掃描電鏡照片(站位編號：No. 34)Fig. 2 Scanning electron micrograph of the microstructure of deep-water sediments in the northern South China Sea (the sampling station number: No. 34)

XRD測試結果如表2所示，沉積物的主要礦物組成為黏土礦物，含量約為42%～50%；而黏土礦物以伊蒙混層和伊利石為主，其中伊蒙混層所占比重約為60%～80%；此外，還含有少量的高嶺石和綠泥石。這些黏土礦物通常帶有負電荷，與水混合后會呈現一定可塑性。

表2 沉積物礦物組成Tab. 2 Mineral compositions of the sediments

站位編號No.34樣品的沉積物粒徑級配曲線如圖3所示。可以看出，不同深度的沉積物級配曲線連續，粒徑大小分布范圍0.001～0.1 mm，中值粒徑d50為0.05～0.09 mm。顆粒組分以粉粒為主(0.075～0.005 mm)，黏粒次之(0.005～0.002 mm)，少量膠粒(<0.002 mm)。可見該研究區域為細顆粒的黏性土。

圖3 沉積物的顆粒級配曲線(站位編號：No. 34)Fig. 3 Particle size distribution curves of the sediments (the sampling station number: No. 34)

以上述21個典型站位的沉積物柱狀樣為統計單元，測試并分析了樣本主要物理指標的變化范圍、均值、標準差、變異系數cov、概率分布類型等，結果如表3、圖4和圖5所示：

1) 沉積物的相對密度Gs：變化范圍為2.68～2.76，統計均值為2.72；其值取決于沉積物中的礦物成分[19]；變異系數為0.73%，可見其變異性較小。

2) 天然含水率w：在接近床面處最高，隨土樣深度增加而下降，波動范圍為51%～133%；均值為91.7%，大于均值液限(78.3%，圖4(e))；這表明沉積物含水率較高，呈流塑態。

3) 天然容重γ：介于13.0～17.0 kN/m3之間，均值為14.6 kN/m3。

4) 孔隙比e：沿土樣深度顯著降低，介于1.4～3.6之間，均值為2.5。超過90%的數據均大于2.0，可見沉積物孔隙較大、結構疏松。

5) 塑限wp和液限wL：變化范圍分別為21.3%～58.0%、43.5%～105.0%，均值分別為34.5%、78.3%。

6) 塑性指數Ip和液性指數IL：變化范圍分別為14.9%～66.0%、0.7～2.9，均值分別為43.1%、1.4。結合XRD測試結果和顆粒級配曲線，可見沉積物顆粒比表面積較大，黏土礦物含量較多，為高塑性黏土。

圖4 表層沉積物物理指標的垂向分布Fig. 4 Vertical distribution of physical indexes of surface sediments

對比其他海域沉積物的試驗結果[11-14]，文中研究區域沉積物天然含水率、孔隙比均高于近海區域，低于超深水區域；而容重的規律則相反。結合圖2的微觀結構形態，可以看出該區域表層沉積物具有高孔隙比、高含水量、低密度的特點。三者的變異系數分別為13.8%、5.0%、15.2%(見表3)，屬于低變異性水平(cov<25%)[16]。

表3 表層沉積物土性指標的統計特征Tab. 3 Statistical characteristics of soil properties of surface sediments

圖5 表層沉積物物理指標的概率密度Fig. 5 Probability density of physical indexes of surface sediments

鑒于性質相差甚遠的沉積物可能具有相近的塑性指數值，圖6給出了塑性圖[19]。當液限wL≥50%，塑性指數Ip≥7且Ip≥0.73 (wL-20)時，則為高液限黏土。可見，表層沉積物多屬于高液限黏土，少部分為高液限粉土。此外，塑限、液限、塑性指數和液性指數的變異系數分別為14.2%、16.9%、25.8%、25.7%(見表3)，近似為中低變異性水平(25%

圖6 表層沉積物的塑性(CH、CL：高、低液限黏土；MH、ML：高、低液限粉土；O代表含有機質)Fig. 6 Plasticity chart of surface sediments (CH, CL: clay with high or low liquid limit; MH, ML: silt with high or low liquid limit; O means the organism is contained)

7) 碳酸鹽含量wcarbonate：介于8.5%～37.6%之間，均值為20.8%，這與張富元等[1]基于南海東部海域水深為330～2 000 m的測試結果(均值為18.89%)基本相當；變異系數約49%(見圖5(i))，為高變異性(cov>40%)。研究表明[3]，含碳酸鹽的沉積物并不能壓實到像非碳酸鹽沉積物那樣低的孔隙比，碳酸鹽的膠結作用和絮凝結構會使得沉積物具有較高的孔隙率和液性指數。由于目前并沒有標準的確定方法，該研究區域是否存在膠結物尚有待深入探究。圖5給出了各指標的直方圖，可直觀反映其概率分布規律。常見的土性指標可采用中心極限分布(正態或對數正態分布)模擬[16, 20-21]；當變異系數不超過30%且無顯著偏度時，二者區別并不明顯[21]。假設服從正態分布，采用Kolmogorov-Smirnov方法進行假設檢驗。當檢驗概率p值小于顯著水平α(取為0.05)時，該參數拒絕正態分布的假設，反之假設被接受。檢驗結果表明：相對密度、天然含水率、液塑限、塑性指數服從正態分布；容重、碳酸鹽含量接近假設檢驗結果，近似正態分布；液性指數與假設檢驗結果相差較大，不符合正態分布。

4 深海表層沉積物的力學性質

圖7給出了手動十字板、室內(電動)十字板、落錐儀3種試驗方法所測得的不排水抗剪強度su的剖面特征。海床泥面附近(1.0 m以內)強度約為1.0～5.0 kPa；由于上覆壓力增加、含水量減小，沉積物強度沿土樣深度逐漸增大。編號為No.12～No.41的20個站位全部數據變化范圍為0.6～13.8 kPa，統計均值為5.5 kPa，符合典型深海表層沉積物低強度的特點。

圖7 采用不同試驗方法得到的不排水抗剪強度垂向分布Fig. 7 Vertical distribution of undrained shear strength obtained by different tests

靈敏度St反映了沉積物的觸變性；當沉積物受到擾動時，絮凝結構破壞，導致抗剪強度迅速下降。如圖8(a)和(b)所示，靈敏度波動較大，介于1.1～4.4之間，均值為2.2。可見，該研究區域沉積物非高靈敏度土體，這與其沉積速度、絮凝體的數量及其在基質中的排列緊密程度直接相關。圖9給出了超固結比OCR沿土樣深度的典型剖面(No.42站位)，該站位的取樣深度為82.0 m。沉積厚度10 m范圍內沉積物處于超固結狀態，超固結比高達5以上。這主要歸因于海洋侵蝕、波流載荷作用導致的卸荷狀態或碳酸鹽的膠結作用使土顆粒化學鍵結合力增強等因素[22]。隨著深度的增加，超固結比逐漸降低為1。當深度超出30 m時，沉積物則轉為欠固結狀態，這可能是由于沉積物的快速沉積作用，或者有機質分解和化學作用所產生的氣體增大了孔隙壓力，使得沉積物尚未完全固結穩定。

圖8 采用不同試驗方法得到的靈敏度垂向分布Fig. 8 Vertical distributions of sensitivity obtained by different tests

圖9 超固結比的垂向分布(站位編號：No.42) Fig. 9 Vertical distributions of overconsolidation ratio(the sampling station number: No.42)

此外，樣本統計顯示(見圖10)，不排水抗剪強度、靈敏度、超固結比的變異系數分別約為43.6%、33.9%、85.8%，屬于中高變異性水平。可見，力學指標的變異性普遍高于物理指標，當采用概率分析方法進行海底結構設計時須考慮指標變異性的影響。值得注意的是，超固結比由于樣本數量過少，其變異性的可靠性仍需進一步研究校核。從圖7和圖8中還可以看出，同一柱狀樣品，不同試驗方法的測試結果存在一定的差別(見表3)。經統計分析與假設檢驗，手動十字板抗剪強度、室內十字板抗剪強度、落錐儀靈敏度均服從正態分布；落錐儀抗剪強度、室內十字板靈敏度、超固結比存在明顯峰值和偏度，與檢驗結果相差較大，不符合正態分布假設。

圖10 表層沉積物力學指標的直方圖Fig. 10 Histograms of mechanical indexes of surface sediments

5 結 語

針對中國南海北部某深水海域(水深500～1 200 m)表層沉積物的宏微觀性質進行了統計分析，主要結論如下：

1) 深海表層沉積物類型多為軟黏土，微觀呈現多孔隙的絮凝結構，黏土礦物成分以伊蒙混層為主，宏觀上具有高含水率、低密度、高液限、高可塑性、高孔隙比、低強度等典型特征。

2) 深海表層沉積物的物理和力學指標存在不同的變異性。相對密度的變異性較小，可忽略不計；碳酸鹽含量為高變異性；其它物理指標均為低變異性，其中衍生指標(液塑性指數)變異系數最大；力學指標變異性普遍高于前者，為中高變異性。

3) 統計分析和假設檢驗表明，該深水區域沉積物相對密度、含水率、液塑限、塑性指數符合正態分布；容重、碳酸鹽含量、不排水抗剪強度、靈敏度接近假設檢驗結果，近似正態分布；不同試驗方法所得力學指標統計結果存在一定的差異。

值得注意的是，以上結論是基于南海北部某特定深水區數量有限的沉積物樣品測試結果分析得到的，以期為南海深水海底工程結構基礎設計的土性參數取值提供參考。