海底泥質含氣沉積物樣品的沸石法制備探討

閆 鍇， 王 勇， 張軍杰， 郭江濤

（1.桂林理工大學土木與建筑工程學院，廣西 桂林 541004；2.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071；3.中國中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，武漢 430050；4.西北大學地質學系大陸動力學國家重點實驗室，西安 710069）

0 引 言

含氣沉積物廣泛分布于海洋、三角洲、湖泊以及海相和陸相交互作用的沉積環境中。沉積物中氣體主要是由甲烷菌代謝和深層巖石熱解或水合物分解向上遷移的氣體，常被稱為淺層氣［1］。海底淺層氣大多以在水中溶解或以游離氣泡相態被封存于淤泥質土內部或粗顆粒土的孔隙中。富含淺層氣的沉積物是由土顆粒、孔隙水、氣體、溫度及上覆壓力組成的天然完美平衡體，但這種平衡十分脆弱，任何的自然或者人為擾動，都可能導致建立在其上的建（構）筑物發生災害［2］。如我國的杭州灣跨海大橋在工程勘察過程中多次遭遇到淺層氣強烈井噴，嚴重影響勘察作業，并造成船毀事故［3］；東海舟山群島附近海域內海床富含淺層氣導致海底油管斷裂事故［4］等。目前，這類海底含氣沉積物因其分布廣泛以及深遠的科學、工程和環境意義，越來越受到研究者的關注。

由于海底含氣沉積物在現場取樣過程中氣體易脫溶、膨脹，常規的取樣技術難以從海床中獲得未擾動的原狀樣品，從而難以開展其相關的室內試驗研究。過去幾十年，人們努力嘗試采用室內重塑土技術來模擬制備海底含氣沉積物樣品，發展了一系列重塑模擬制備方法，大致可分為物理法、化學法和生物法。其中物理法因操作安全、易于控制、無環境污染，成為一類更具推廣應用前景的方法［5］。如：Sobkowikz等［6］利用飽和CO2水溶液，通過控制有效圍壓和降低反壓的方式，令CO2脫溶進入土體，以此來制備含氣土樣品；Nageswaran等［7］將飽和CH4的沸石摻入泥漿中，利用沸石親水性特點置換出CH4氣體，來模擬制備含氣沉積物土樣；王勇等［8］采用非飽和土軸平移技術來制備含氣土樣。Sills等［9］曾指出，在海底細顆粒的泥質沉積物中（水深≤300 m），氣體多以分散、孤立的游離氣泡形式賦存于土體中，且氣泡尺寸往往遠大于土顆粒。Wheeler［10］進一步將這種富含氣泡的泥質沉積物稱為“含大氣泡軟土”。Fredlund等［11］認為，當土中氣相以游離氣泡態賦存時，土體的飽和度一般大于85%。如何以定量可控的方式在實驗室條件下模擬制備出海底這種高飽和度的泥質沉積物樣品，是一項具有挑戰性的問題。近年來，沸石法得到了進一步推廣，被較多地應用于海底泥質含氣沉積物樣品的模擬制備中［12-14］。

沸石法主要利用沸石的天然多孔吸附性，其密度與土顆粒接近，將吸附飽和CH4的沸石顆粒摻入泥漿，混合均勻，可制備出含游離氣泡的泥質含氣土樣品。因沸石的摻入量與產氣量呈線性關系，故試驗樣品所需的氣體含量由沸石摻量所決定，從而滿足了定量可控的模擬制備要求［14］。但是，沸石法中沸石作為一種外來引入氣體的中間媒介，其成分與土體有所區別，沸石的摻入及其摻量多少是否會改變土體自身的力學性質？這一問題對后續開展泥質含氣沉積物的力學特性研究至關重要。同時，目前研究者在采用沸石法進行海底含氣沉積物樣品的模擬制備時，選用的沸石粒徑各不相同，試驗時多關注沸石摻量的影響而忽略沸石不同粒徑的影響。不同顆粒大小的沸石是否均能有效還原海底泥質沉積物的原始賦存狀態，也是當前沸石法中尚未明確回答的問題。

本文首先基于沸石法模擬制備海底泥質含氣沉積物樣品，借助室內微型十字板剪切試驗、直剪試驗、三軸壓縮試驗、固結壓縮試驗和滲透實驗，來分析沸石摻入是否會對土體的力學特性造成影響。其次，選取不同粒組沸石，模擬制備出泥質含氣沉積物樣品，基于CT掃描試驗獲取所制樣品的內部細觀結構，分析氣泡等效直徑與沸石粒徑之間的關系，探討沸石法的使用條件。

1 含氣土樣的制備

在室內模擬制備泥質含氣沉積物樣品時，考慮到N2氣的吸附性較好，且作為惰性氣體，安全性更高［14］，因此本文采用沸石吸附N2氣來制備含氣土樣。沸石具有強吸附性、強吸濕性和獨特的分子結構；沸石的密度接近一般土壤的密度，介于2.40～2.50之間［11］。當飽和N2氣的沸石粉末遇水時，水分子會迅速占據沸石晶體內孔隙，并排出晶體孔隙內吸附的N2氣分子，從而達到將氣體均勻引入土體的目的。

本試驗選取不同粒度的沸石，粒組范圍分別是0～10、10～20、20～40、40～60和60～75μm。將不同粒組的沸石粉末放入105℃烘箱中烘干，然后取出冷卻至常溫，分別裝入密封袋中，儲存備用。

試驗選取寧波市近岸淺海區的土樣，將土樣風干、碾碎，過0.075 mm篩，將0.075 mm以下顆粒混合均勻，裝入密封袋備用。圖1為該軟土的顆粒級配曲線，其中不均勻系數Cu＝6.50，曲率系數Cc＝0.96。該黏性土的基本物理參數：液限wL＝47.5，塑限wp＝20.8，塑性指數IP＝26.7，密度Gs＝2.73，風干土含水率w＝2.50%。其中黏粒含量為30.3%。

圖1 試驗土樣的顆粒級配曲線

參考許鵬程［12］的沸石模擬制樣方法，恒溫25℃環境下，先將制備好的不同粒組范圍的沸石粉末放入真空壓力室中抽真空4 h，負壓靜置24 h，如圖2所示。隨后向真空壓力室中通入壓力為200 kPa的N2氣，恒壓靜置24 h。按照表1對土、沸石的質量進行調配，用攪拌機攪拌均勻，然后加入預先稱量好的蒸餾水，快速小幅度攪拌，整個過程2 min內完成。攪拌完成后，將其倒入定制的有機玻璃管中，并按照沸石粒組范圍從小到大進行編號1～5，隨后密封靜置，使其自重固結。

圖2 真空壓力室

表1 不同沸石粒徑下土、水和沸石質量的配合比

在自重固結過程中，粒徑范圍為0～10μm的沸石，在24 h后置換氣體反應停止，但粒徑大于10μm的沸石在反應持續96 h時仍有氣泡涌出［12］，為了使摻入不同粒組沸石土樣中的氣體均能被充分置換，統一設置所有樣品的自重固結時間為120 h。

圖3 制備的含氣軟土樣品

2 沸石摻量對土體力學性狀的影響

為了檢驗沸石的摻入是否會對土體力學性狀產生影響，先不制備含氣樣品（沸石不進行N2氣吸附），僅在飽和樣品中直接摻入不同質量的沸石（統一選用0～10μm粒組的沸石），其沸石摻量分別為0%、2%、5%和10%。從抗剪強度、固結變形特性和滲透特性三方面對比檢驗沸石摻入對土體力學性質的影響。

2.1 沸石摻量對土體強度的影響

2.1.1 室內十字剪切板試驗

按表2的土、水、沸石配比，制備本次實驗所需的摻沸石軟土飽和土樣。按照土工試驗方法標準［15］，樣品制備飽和后，設置本實驗所需樣品的自重固結時間為60 d，試驗儀器采用室內電動十字板剪切儀（PSVST-M），對不同沸石摻量的飽和軟土樣品，開展不排水十字板剪切實驗，設置室內電動十字板剪切儀的十字板頭插入深度為6 cm。不同沸石摻量的飽和軟土樣品如圖4所示，試驗結果如圖5所示。

表2 十字剪切試驗中樣品的土、水和沸石質量的配合比

圖4 不同沸石摻量的飽和軟土樣品

圖5 不同沸石摻量土樣的室內十字剪切板試驗結果

由圖5可發現，在不同的沸石摻量下，土樣的最大抗剪強度均為0.477 kPa，說明10%以內的沸石摻入量對土體抗剪強度沒有顯著的影響。

2.1.2 三軸剪切試驗

按表3的土、水、沸石配比，制備本次實驗所需的摻沸石軟土三軸樣，樣品干密度ρd＝1.70 g／cm3，初始含水率為8%。按照土工試驗方法標準［15］，將樣品制備飽和，試驗儀器采用GDS非飽和應力路徑三軸儀，對不同沸石摻量的飽和軟土三軸樣品開展固結不排水三軸剪切實驗，設置圍壓為200 kPa，應變速率為0.05 mm／min。試驗結果如圖6所示。

表3 三軸剪切試驗中樣品的土、水和沸石的配合比

圖6 不同沸石摻量土樣的固結不排水應力應變曲線

由圖6可知，沸石摻量為0%、2%、5%、10%的飽和軟土樣品的抗剪強度分別為227.4、229.2、233.5、237.5 kPa。不同沸石摻量樣品的應力-應變曲線形態一致，抗剪強度略有差別，但極差最大僅為10.15 kPa，5%誤差范圍內。同樣說明10%以內的沸石摻入量不會對土體抗剪強度造成明顯的影響。

2.1.3 直剪試驗

按表4的土、水、沸石配比，制備本次實驗所需的摻沸石軟土環刀樣，ρd為1.70 g／cm3，初始含水率為8%。按照土工試驗方法標準［15］將樣品制備飽和，試驗儀器采用DJY-4L四聯等應變剪切儀，對不同沸石摻量飽和軟土樣品開展固結慢剪實驗，施加垂直壓力100 kPa，并設置剪切速率為0.02 mm／min。試驗結果如圖7所示。

表4 直剪試驗中樣品的土、水和沸石的配合比

圖7 不同沸石摻量土樣的直剪試驗結果

由圖7可得知，沸石摻量0%、2%、5%和10%的土樣剪應力峰值分別為56.7、57.4、58.9和59.8 kPa，最大極差為3.1 kPa，誤差在5%范圍內，再次說明10%以內的沸石摻量，不會對土體抗剪強度造成顯著的影響。

2.2 沸石摻量對土體變形的影響

按表5的土、水、沸石配比，制備本次實驗所需的摻沸石軟土環刀樣，ρd為1.60 g／cm3，初始含水率為8%。按照土工試驗方法標準［15］，將樣品制備飽和，試驗儀器采用YS-3型三聯高壓固結儀，對不同沸石摻量的飽和軟土樣品開展標準固結實驗，確定施加的各級壓力為12.5、25、50、100、200、400和800 kPa。施加第1級壓力之后，在水槽中注滿水，在施加固結壓力后且每小時變化不大于0.01 mm時，記錄位移計的穩定數據，再施加第2級壓力，依次逐級加壓至實驗結束。通過計算得到含沸石土樣的固結壓力與孔隙比關系圖，如圖8所示。

表5 土體變形試驗中樣品的土、水、沸石配合比

由圖8可知，隨著固結壓力的增加，不同沸石摻量的土樣孔隙比e變化不大；根據同一初始孔隙比下不同沸石土樣的e－lg p曲線圖，可以發現孔隙比e與土樣所受壓力的對數lg p具有明顯的線性關系，其斜率的絕對值為試樣的壓縮指數，通過試驗數據擬合計算得，沸石摻量0%、2%、5%和10%的壓縮指數Cc分別為0.142 2、0.139、0.145和0.146。最大極差僅為0.007，說明沸石摻量在10%內時，不會對土體壓縮變形造成顯著的影響。

圖8 不同沸石摻量土樣固結試驗結果對比

2.3 沸石摻量對土體滲透性的影響

按表6的土、水、沸石配比，制備本次實驗所需的摻沸石軟土環刀樣，ρd為1.60 g／cm3，初始含水率為8%。按照土工試驗方法標準［15］，每種沸石摻量下的軟土樣品均制備4組平行試驗，并將樣品制備飽和，試驗儀器采用變水頭滲透裝置，對不同沸石摻量的飽和軟土樣品開展變水頭滲透實驗，記錄變水頭管中的起始水頭高度、起始時間、出水口水溫和水頭每下降2 cm的時間變化。本次試樣的高度為4 cm，試樣面積為30 cm2，測壓管斷面積為0.490 2 cm2。根據所記錄的數據求得不同沸石摻量軟土樣品的平均滲透系數，并根據出水口水溫對其平均滲透系數進行修正，結果如表7所示。

表6 土體滲透性試驗中樣品的土、水、沸石配合比

表7 不同沸石摻量土的滲透系數

由表7可知，不同沸石摻量下軟土樣品的滲透系數稍有差別，但均處于同一量級，滲透系數的最大差約為40 nm／s。說明沸石摻量在10%以內時，不會對土體的滲透性造成顯著的影響。

3 含氣泡土樣的微觀結構特征

為檢驗不同粒組的沸石是否均可有效還原海底泥質沉積物的原始賦存狀態，本文采用Phoenix V｜tome｜x S微米工業CT掃描儀，對編號為1、2、3、4、5的泥質含氣沉積物樣品進行掃描。為了保證掃描的精度，本次試驗按照0.1°間隔來對含氣土樣進行螺旋掃描。泥質含氣沉積物樣品的掃描結果如圖9所示。

圖9 不同摻入沸石粒徑的泥質含氣土樣CT掃描結果

通過VG.Studio對CT掃描的原始數據進行處理，為了能夠精確量化氣泡的形狀和尺寸，首先進行濾波降噪和圖像分割處理。處理之后，從每個樣品中隨機選取代表性樣品的3張CT掃描切片，對其進行分析，提取氣泡的等效直徑數據。分析得到氣泡的等效直徑與不同粒組沸石之間的關系，如圖10所示。

由圖10可知，在沸石摻量為2%和土體平均粒徑d50＝0.01 mm情況下，不同沸石粒徑產生氣泡的等效直徑分別分布在0.2～0.5、0.5～0.7、0.7～0.85、1.05～1.3和1.6～1.85μm。根據提取出氣泡的等效直徑計算氣泡的平均等效直徑R，并列出R與土顆粒d50和沸石平均粒徑的倍數關系，如表8所示。

圖10 氣泡等效直徑與不同沸石粒徑的關系

根據表8數據，得到氣泡平均等效直徑與沸石粒徑的關系圖，如圖11所示。由圖可知，沸石吸附N2氣條件下，沸石粒徑與含氣樣品中所產氣泡的等效直徑之間呈現較好的線性關系。在利用沸石法模擬制備泥質含氣沉積物樣品時，土樣顆粒級配在已知的前提下，應選用純度較高且接近土顆粒粒徑的沸石，該沸石粒徑下產生的氣泡等效直徑約為土顆粒d50的30～40倍。根據沸石粒徑與所產氣泡等效直徑之間的線性關系，可為沸石法模擬制備泥質含氣沉積物樣品的沸石選材提供參考。

表8 沸石粒徑、氣泡等效直徑與土顆粒d50的關系

圖11 摻入沸石粒徑與氣泡平均等效直徑的關系

4 討 論

事實上，目前世界已發現和報道的近海海底（水深＜300m）多是高飽和態氣相以孤立的游離氣泡存在的含氣沉積物（水飽和度一般大于85%）［16］。然而，在采用沸石法模擬制備海底泥質含氣沉積物時，當沸石摻入量達到10%時，產氣量約為25.3%，土樣中已難以形成孤立氣泡（水飽和度小于80%）［13］。沸石摻量若超過10%時，沸石法制備出的樣品中的氣量已大于真實條件下海底泥質含氣沉積物的含氣量，偏離真實狀態，該方法已失效。因此，采用沸石法制備含氣樣品時，一般控制沸石的摻量不超過10%。

圖12為取自長江入海口東海近岸海域的泥質含氣沉積物樣品。由圖可發現：真實泥質含氣沉積物樣品中氣泡大小和分布較均勻，且大部分的氣泡并非完美的球形，其等效直徑大致分布在0.2～0.4 mm范圍，最大氣泡等效直徑不超過0.5 mm。對比本文中沸石法模擬制備的泥質含氣沉積物樣品可發現：摻入沸石的粒徑在0～10μm時，制備出的含氣樣品中氣泡分布較均勻，且平均等效直徑約為0.35 mm，與真實的泥質含氣沉積物最為相近。而摻有其他不同粒徑的沸石所產生的氣泡賦存與真實狀態相距較遠，不能有效還原泥質沉積物的原始賦存狀態。因此，在實驗室條件下對海底泥質含氣沉積物進行沸石法制樣時，應對摻入的沸石進行優選。

圖12 長江入海口海底泥質含氣沉積物樣品

5 結 語

（1）室內試驗結果表明，沸石摻入量在10%內時，沸石對土體的抗剪強度、變形特性和滲透特性均不會造成顯著的影響。

（2）沸石吸附N2氣條件下，摻入沸石的平均粒徑與所產氣泡的平均直徑呈線性關系。在已知土樣粒徑級配的前提下，優選純度高且粒徑與土顆粒平均粒徑相近的沸石，在沸石法制樣中所產生的氣泡平均等效直徑約為土顆粒d50的30～40倍。若在實驗室條件下采用沸石法模擬制樣前，建議結合現場實測沉積物中氣泡的平均等效直徑，初步選定摻入的沸石粒組。

（3）本文得出的沸石平均粒徑與所產氣泡平均直徑呈線性關系是在吸附N2氣條件下得出的，對于其他類型氣體需要做進一步檢驗。