長江河口深層軟土含鹽特征及其沉積環(huán)境分析

茍富剛 ，龔緒龍 ，張巖 ，楊露梅 ，劉彥

( 1. 江蘇省地質調查研究院，江蘇 南京 210049；2. 自然資源部地裂縫地質災害重點實驗室，江蘇 南京 210049)

1 引言

海相軟土在空間上與濱海相鹽漬土高度重合，濱海相鹽漬土沿著我國大陸1.8×104km海岸線呈帶狀分布，向內陸延伸可以達到幾十千米，與沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)高度重合[1-2]。濱海相鹽漬土的學術關注度在2008年前后達到頂峰，這與當時耕地面積日益減少和國家灘涂圍墾政策等有關。濱海相鹽漬土面積大約為2.895×104km2，在人口、資源、環(huán)境壓力下的東部沿海地區(qū)，濱海相鹽漬土分布地區(qū)可以作為寶貴的后備土地資源[3-4]。

本研究土體位于長江河口北翼，土體為全新世以來沉積物，為海陸交互相土層，埋藏深度大于10 m，最大深度達到62 m[5]。淺部土體已基本脫鹽，鹽漬土主要分布在東部臨海區(qū)域，分布面積小。長江河口地區(qū)地形廣闊平坦，土體長期遭受海水入侵及高礦化度潛水共同作用。研究區(qū)是較早發(fā)現(xiàn)海水入侵的地區(qū)[6-7]，海水入侵受多種因素影響，比如河勢、風應力、海平面上升和人類活動等[8-9]。1980-2010年中國近海冬季海平面平均上升速率為3.1 mm/a[10-11]。相關數(shù)值模擬結果顯示，海水入侵由分比流和潮差控制[12-13]。三峽調蓄對長江口土體鹽分也有顯著影響，蓄水后0～20 cm土體鹽分含量增加約為10%[14-15]。海水入侵后，水土易鹽化，土壤鹽漬化已經(jīng)演化為一個生態(tài)問題[16]。

目前，還沒有較為系統(tǒng)的對長江河口深層軟土層位的含鹽特征進行分析，目前的研究僅局限于深度0～1 m[13-15,17]的土體，個別達到了5 m[18]。本研究土層埋深大，土體滲透系數(shù)低，土體鹽分受自然因素控制，土體含鹽特征對其形成環(huán)境具有指示作用。90%鹽漬土的成因是自然因素，10%是由于人類進行不恰當活動造成的次生鹽漬化[19]。本研究土層埋深較大，土體鹽分含量基本上不受人類活動影響。海水浸漬是濱海相鹽漬土形成的最主要的原因，土體含鹽特征與海水含鹽特征基本一致[20]。本研究土體以粉粒為主，約占土體的72%；其次為黏粒，約占土體的26%；含有少量砂粒，約占土體的2%[5]。土體滲透系數(shù)為10-7～10-6cm/s，為弱透水層，該層是下伏含水層的天然保護屏障。通過分析孔隙水中的主要離子，比如Cl-、Na+、 SO24、Mg2+以及Cl/Br等變化特征，進行了水化學演變以及沉積環(huán)境分析[21-22]。研究區(qū)20世紀90年代由于開采了大量地下水，導致越流補給，水質動態(tài)總體呈咸化趨勢，而水土含鹽特征有著一致性[23]。對水土進行耦合分析，研究對象為含水砂層及其孔隙水，得出了水、土體含鹽指標呈線性正相關，構建了孔隙水溶解性固體總量（Total Dissolved Solid, TDS）與土體含鹽量、Na+含量、含量、Cl-含量、Mg2+含量5個指標的多元線性回歸模型，其中土體中Cl-含量與孔隙水TDS回歸分析建立的模型相關性最高[18]。本次通過采集多組樣品并進行測試，進行土體含鹽特征和沉積環(huán)境系統(tǒng)分析。

2 樣品采集、測試及分析方法

研究區(qū)位于長江三角洲北翼，隸屬揚子地層區(qū)下?lián)P子地層分區(qū)。地面標高一般為3～4 m。研究區(qū)全新世土層可以劃分為4個工程層組，共14個亞層，文獻[24-25]分析了軟土沉積環(huán)境、工程特性及其工程應用。本研究土體為全新世以來沉積物，為海陸交互相土層，埋藏深度大于10 m，最大深度達到62 m，軟土層分布不連續(xù)，多夾粉砂或粉土薄層，有的以互層土的形式存在，巖性空間變異特征較為明顯。為了研究軟土的含鹽特征及沉積環(huán)境，采集樣品314件，采樣深度為10～62 m（圖1）。

圖1 研究區(qū)域及采樣位置Fig. 1 Study area and sampling locations

根據(jù)軟土易溶鹽測試結果進行統(tǒng)計分析。參數(shù)分布數(shù)理統(tǒng)計與假設檢驗：對于異常數(shù)據(jù)采用3σ法則。頻數(shù)分布可以直觀地展示樣本的分布情況，據(jù)測試樣品數(shù)量n，可以根據(jù)式（1）計算區(qū)間個數(shù)M。再根據(jù)最大值a和最小值b，可以根據(jù)式（2）計算區(qū)間長度 Δ[26]，公式分別為

假設檢驗：H0數(shù)據(jù)來自正態(tài)總體，取α=0.1，n=314。當n充分大，一般大于100，則

記PH0{·}表示當H0真實事件{·}的概率，則有拒絕域為式（6）或式（7）。

式中，u1、u2為偏度檢驗值；g1為樣本偏度的觀察值；g2為樣本峰度的觀察值；z為拒絕域界限值。

通過對軟土易溶鹽統(tǒng)計分析和相關性分析，確定軟土含鹽化學組分及其空間展布特征。

3 測試結果分析

3.1 土體鹽分的統(tǒng)計分析

根據(jù)314個軟土樣本測試結果可知，軟土Cl-含量與2倍S O24-的摩爾含量比值介于3.59～91.68，平均值為21.35，比值均大于2，參考文獻[27]，得出研究土體鹽漬土類型為氯鹽漬土。軟土含鹽量介于0.104%～1.226%，平均值為0.613%（表1）。鹽漬土類型以弱鹽漬土為主，占比85.4%；中鹽漬土占比6.4%；非鹽漬土占比8.3%。

表1顯示，土體中Cl-的含量最高，平均值為3 256.05 mg/kg；Na+含量次之，平均值為2 141.35 mg/kg；其他離子含量由多到少依次為 SO24-、 HCO-3、K+、Ca2+、Mg2+、。含鹽量及其主要離子（Na+、Cl-）與深度的關系如圖2和圖3所示，可以看出主要離子含量隨深度的變化與含鹽量類似，即隨著深度的增加，含量有減小的趨勢。軟土pH介于7.28～9.58，平均值為8.15，土體呈堿性。

圖2 含鹽量隨深度變化特征Fig. 2 Characteristics of salt content change with depth

圖3 鹽分主要離子含量隨深度變化特征Fig. 3 Variation characteristics of main salt ions content with depth

表1 軟土含鹽特征統(tǒng)計及概率分布表Table 1 Salt characteristics statistics and probability distribution of soft soil

根據(jù)表1，含鹽量的偏度為0.04，屬于右偏態(tài)（圖4）。Cl-含量的偏度為0.02，屬于右偏態(tài)。Na+含量的偏度為-0.06，屬于左偏態(tài)。其他離子偏度都大于0，含量的偏度最大，為5.71。含鹽量、Cl-含量、Na+含量、K+含量、 HCO-3含量的峰度均小于3，正態(tài)分布曲線平坦。Mg2+含量、Ca2+含量、含量、含量的峰度值均大于3，正態(tài)分布曲線陡峭。

圖4 軟土含鹽量分布Fig. 4 Distribution of salt content of soft soil

這里對軟土中易溶鹽各離子指標進行偏度和峰度的正態(tài)分布檢驗，根據(jù)表1可以看出，含鹽量、Cl-含量、Na+含量、K+含量峰度檢驗符合正態(tài)分布，但偏度檢驗值坐落在拒絕域，所以拒絕原假設，不屬于正態(tài)分布。其他離子假設檢驗偏度和峰度檢驗均不符合正態(tài)分布。

3.2 參數(shù)相關性分析

本文選擇土體易溶鹽8大離子、含鹽量、pH兩兩分別進行相關性分析，相關性結果見表2。

表2 土體鹽分指標相關性分析Table 2 Correlation analysis of soil salinity index

表2顯示，軟土含鹽量與Cl-含量相關性最高，相關系數(shù)R高達0.993，說明軟土含鹽量與Cl-含量呈線性正相關。軟土含鹽量與Na+含量、K+含量、Mg2+含量、含量、 HCO-3含量相關性好，相關性在 0.01層上顯著，相關系數(shù)分別為0.991、0.801、0.696、0.564、0.164。軟土含鹽量與Ca2+含量、含量線性關系不明顯。

Cl-是海水中最主要的穩(wěn)定常量元素，是反映土體是否被海水浸染最為敏感的因素[18,28]，具有重要的指示意義。可以根據(jù)Cl-含量來推算含鹽量、Na+含量、含量、 HCO-3含量、K+含量、Ca2+含量、Mg2+含量、含量，可以節(jié)約大量的人力、物力及時間。這里選擇與Cl-含量相關性好的指標進行擬合分析。曲線擬合根據(jù)本次試驗數(shù)據(jù)進行，構造近似函數(shù)，該函數(shù)能反映Cl-含量與其他指標的基本變化趨勢，不局限于線性關系，還有多項式、對數(shù)型、指數(shù)型和冪型。

圖5a顯示，軟土中Cl-含量與含鹽量擬合效果好，乘冪效果最佳，相關系數(shù)為0.992 7，乘冪、多項式和直線型3個類型擬合關系式相關系數(shù)接近；圖5b顯示，Cl-含量與Na+含量擬合效果好，多項式擬合效果最佳，相關系數(shù)為0.986 2；圖5c顯示，軟土中Cl-含量與Mg2+含量擬合效果較好，多項式擬合效果最佳，相關系數(shù)為0.725 3；圖5d顯示，Cl-含量與Ca2+含量擬合效果較好，多項式擬合效果最佳，相關系數(shù)為0.470 5。圖5e顯示，Cl-含量與K+含量擬合效果好，多項式擬合效果最佳，相關系數(shù)為0.797 7；圖5f顯示，Cl-含量與含量擬合效果較好，乘冪擬合效果最佳，相關系數(shù)為0.546 8；圖5g及圖5h顯示Cl-含量與 HCO-3含量、含量擬合效果一般。

圖5 氯離子與含鹽量、各離子含量擬合關系Fig. 5 Fitting relationship between chloride ion and salt content and the content of each ion

4 討論

4.1 軟土形成機制及鹽分來源分析

軟土層為全新世以來形成，最晚距今約10 000 a。研究軟土形成時代主要發(fā)生在距今（10 909±177）cal a 至距今（5 628±37）cal a[29]。海面升降是研究土體沉積的主要控制因素。

晚更新世晚期晚時，全球海平面明顯下降，海水退卻，海岸線東移。距今15～20 ka，海平面下降達到最大幅度，此時長江河流侵蝕下切作用加強，在長江河道形成深切谷，也致使河谷區(qū)河道兩側晚更新世晚期中時沉積物遭受侵蝕缺失，造成全新世基底（古地面）起伏較大，最大深度超過了70 m。長江谷河谷寬度自10～20 km至60～70 km不等，發(fā)育在100～400 m厚的第四紀沉積層中，長江南北兩翼均以最大海侵線為界[30]。

全新世的起點通常對應新仙女木事件，起始時間距今約11.5 ka[31]，至此氣溫開始回暖，全球冰蓋和冰川融化，引發(fā)全球性的海平面上升。在距今10 ka前后，海水首先沿低洼地區(qū)侵入，隨著海面繼續(xù)上升，古海平面上升高度最大達65 m[32]，長江古河道漸漸沉溺于海面以下，河床比降減小，流速降低，長江古河谷開始產(chǎn)生溯源堆積，在河谷區(qū)沉積灰色粉細砂及其上覆淤泥質粉質黏土，形成下粗上細的海侵河流充填層序[33]，長江口繼續(xù)后退至鎮(zhèn)江、揚州一帶，形成了一個以長江古河谷為主體的巨大河口灣，研究區(qū)處于濱海—淺海環(huán)境。全新世以來，海平面在距今10 cal ka至距今7 cal ka期間為海平面快速上升期（圖6），距今7 cal ka以后海平面為緩慢上升期，大約在距今7.0 cal ka至距今6.5 cal ka海侵達到最大范圍[34]，海面高度與現(xiàn)今海面位置相當。在距今8.5 cal ka至距今5.4 cal ka期間，長江北部的海平面變化曲線較南部低5～6 m[35]。此階段長江挾持的大量泥沙受到海水和江水的頂托和絮凝作用，以較高的沉積速率沉積，形成本研究土層（海陸交互相軟土層），軟土層含鹽特征與海水含鹽特征一致，本研究土層以粉粒為主，形成的土體原始含鹽量為0.4%～0.9%（圖6）。此后，由于河流作用增強，長江流域來沙量增加，使岸線逐漸東移的同時，長江河口灣內開始發(fā)育河口壩，長江三角洲從此進入發(fā)育期，形成多條砂壩，此階段的沉積物以較粗顆粒的砂體為主，其中前三角洲相沉積物以泥質沉積為主，也是本研究土體之一（圖7）。

圖6 軟土沉積曲線及海平面變化曲線（根據(jù)文獻[29, 34]繪制）Fig. 6 Soft soil sedimentation curve and sea level change curve (drawing based on references [29, 34])

圖7 沉積層序概化模型Fig. 7 A generalized model of sedimentary sequence

本研究土層多夾有粉砂薄層，局部出現(xiàn)了互層土，說明土層沉積時受到了潮流的控制。在距今4.6 cal ka至距今2.1 cal ka還出現(xiàn)較大規(guī)模的海水侵入，這也是土體鹽分的主要來源之一[36]。全新世晚期，三角洲前緣相沉積物至地表土層顆粒組成逐漸變細。

基于軟土層形成時的沉積環(huán)境認識，可知本研究軟土層經(jīng)歷海水千年浸漬，鹽分主要來自海水，其實在軟土沉積之前，鹽分已經(jīng)在沉積母質之中積累，這也是濱海軟土獨有的特點。由于土體滲透性差，鹽分離子隨水分大量留存在成土母質中，形成了含鹽量非常高的鹽漬化土層，如圖8中所示的高鹽土分布區(qū)域。軟土含鹽量低的區(qū)域與土體沉積時及后期的海侵程度、時長及長江水的補給等因素有關。

圖8 軟土含鹽分區(qū)Fig. 8 Salt zoning of soft soil

4.2 土體水鹽運動特征分析

本研究土層具有大孔隙，天然含水率平均值為42.50%，土體飽和，土體孔隙被水充填，這部分孔隙水為土體沉積過程中保留在軟土孔隙中的。軟土垂直滲透系數(shù)為1.72×10-7～4.09×10-6cm/s，平均值為7.10×10-7cm/s；水平滲透系數(shù)為2.63×10-7～2.98×10-6cm/s，平均值為8.13×10-7cm/s；對比水平滲透和垂直滲透系數(shù)數(shù)值，水平滲透系數(shù)為垂直滲透系數(shù)的1.15～1.63倍，這與研究區(qū)軟土層普遍夾薄層粉砂有關。但整體來看，土體滲透系數(shù)非常小，土體沉積后土層含鹽量特征變化小。軟土是一種低滲透介質，物理結構復雜，表面帶有一定量的負電，由于離子間的排斥作用，有效孔隙度略小。受大氣降水或河流側向補給降鹽的可能性非常低。文獻[28]采用物理模型和數(shù)值模擬的方法，以Cl-為示蹤劑，假設達西流速不大于0.1 m/ka時，模擬結果與實測數(shù)據(jù)吻合度高。證實了弱透水層孔隙水溶質運移的主要方式是擴散，垂向對流作用對弱透水層中Cl-溶質運移作用可以忽略不計。軟土層要通過新補給的淡水淋濾，則必須通過無數(shù)個孔隙體積的水，這甚至要幾百萬年時間才能完成。

假設研究區(qū)軟土中孔隙水不發(fā)生其他的水文地球化學作用，僅發(fā)生混合作用，以Cl-為示蹤劑，根據(jù)式（8）混合模型[37-38]計算海水與淡水的混合比例，其公式為

式中，fi（%）為實際混合比例（海水與淡水混合比例）；CCl-,samp為 孔隙水中Cl-濃度（mg/L）；CCl-,d為研究區(qū)淡水端元的Cl-濃度（mg/L），這里取40.9 mg/L；CCl-,sea為標準海水中Cl-濃度（mg/L），根據(jù)文獻[39]取值，數(shù)值為17 530 mg/L。

采用土樣易溶鹽中Cl-含量換算軟土孔隙水中Cl-的含量，軟土孔隙水中Cl-的含量（mg/L）與土中易溶鹽Cl-含量（mg/kg）呈線性關系，過原點的比例系數(shù)為1.259[18]。計算結果顯示，fi數(shù)值介于2.3%～48.1%，平均值為23.2%，峰度為0.02，偏度為0.46。fi的低值主要分布在西部遠離海岸區(qū)，fi的高值主要分布在濱海地帶（圖9）。說明濱海地區(qū)土體沉積主要受海侵控制，海相屬性更重。西部地區(qū)混合比低的區(qū)主要受長江河水控制，陸相屬性更重一些。

圖9 混合比隨深度變化特征Fig. 9 Characteristics of mixing ratio variation with depth

圖10顯示，軟土孔隙水的陰離子以Cl-為主，Cl-的毫克當量百分比平均值為88.82%，大多數(shù)軟土孔隙水Cl-位于當?shù)氐c海水的理論混合曲線附近。陽離子Ca2+及Ca2++Mg2+基本位于當?shù)氐c海水的理論混合曲線下方，說明土體含鹽特征沉積除了混合作用外，還進行Na-Ca、Na-Mg交換等水巖作用。

圖10 軟土孔隙水、淡水及海水的三線圖Fig. 10 Three-line diagram of soft soil pore water, fresh water and sea water

Na-Ca交換是一種進行得最廣泛的陽離子交換。采樣海水鈉吸附比（SAR）平均值為50.00，范圍值為48.64～51.37。當?shù)氐牡叵碌腟AR范圍值為1.8～12，平均值為5.80。基于土體易溶鹽計算的離子交換性鈉值（ESR）平均值為54.35，范圍值為8～154。ESR的偏度為0.02，屬于右偏態(tài)。ESR的峰度接近3，正態(tài)分布曲線較為平坦。ESR偏度檢驗值符合正態(tài)分布，但ESR峰度檢驗值坐落在拒絕域，所以拒絕原假設。標準海水的SAR值為58.51，對比ESR與海水的SAR數(shù)值，兩者較為接近，證實了軟土的形成環(huán)境，說明研究土層含鹽特征保留了海水特征。根據(jù)圖11可以看出，隨著深度的增加，ESR值有減小的趨勢，這與軟土形成時間有關，軟土形成時代越老，滲透淋濾的時間越長，Na-Ca交換也最頻繁。

圖11 ESR隨深度變化特征Fig. 11 ESR variation characteristics with depth

式中， χ代表陰離子；γNa、γCa、γMg單位為meq/L；k為交換平衡常數(shù)；鈉吸附比SAR是Na-Ca交換的一個重要參數(shù)；ESR為土壤交換性鈉值，可以采用式（10）計算[18]。

4.3 基于軟土鹽分的沉積環(huán)境分析

軟土孔隙水溶質運移受分子擴散控制[40]，土壤孔隙水可反映土壤沉積時的原始溶液[41]，可以根據(jù)孔隙水的地球化學特征來分析研究土層的沉積環(huán)境。下面主要通過比例系數(shù)法來分析軟土浸出液與當?shù)氐⒑Ｋ懈麟x子間的關系。

Cl-是海水中最主要的穩(wěn)定常量元素，是反映土體是否被海水浸染最為敏感的元素。軟土中Cl-含量平均值為4 096 mg/L；當?shù)氐瓹l-的含量平均值僅為32 mg/L，說明軟土受到了海水的絮凝和頂托作用。

軟土中Sr的含量平均值為2.30×10-2‰，范圍值為1.00×10-2‰～2.95×10-2‰，偏度為-1.12，峰度為1.29；Ba的含量平均值為3.62×10-3‰，范圍值為1.3×10-3‰～6.4×10-3‰，偏度為0.38，峰度為0.30；Sr/Ba平均值為6.19，范圍值為2.5～10.9，偏度為-0.10，峰度為0.46。Sr是海水中較富集的微量元素，Ba在陸源碎屑溶濾水中含量較高[42]。一般而言，淡水環(huán)境Sr/Ba小于1；Sr是海水中的主要離子，含量約為7.9 mg/L，海相環(huán)境水體Sr/Ba大于1[43]。土體浸出液體Sr/Ba平均值為6.45，范圍值為2.5～10.9，偏度為-0.03，峰度為0.38；Sr/Ba值遠大于1（圖12），說明土體沉積時受到海水作用。

圖12 軟土層含Sr和Ba特征（取自ZK1采樣點）Fig. 12 Characteristics of Sr and Ba in soft soil(sampled from ZK1 sampling site)

可以根據(jù)γMg/γCa來判斷海水入侵范圍和程度。因為海水中Mg2+含量比Ca2+含量高，γMg/γCa約為5.5。ZK4與ZK5采樣點孔軟土易溶鹽，γMg/γCa平均值為2.83，范圍值為1.4～4.9，偏度為0.50，峰度為0.25。ZK3與ZK2采樣點孔軟土易溶鹽γMg/γCa平均值為1.42，范圍值為0.6～2.0，偏度為-0.34，峰度為0.86。圖13顯示，ZK4與ZK5采樣點孔軟土隨著深度的增加，γMg/γCa值有著減小的趨勢，但最終趨于穩(wěn)定。ZK4采樣點γMg/γCa值與ZK3和ZK2采樣點相比，上部軟土γMg/γCa明顯偏高，這可能與現(xiàn)代海水入侵有關。東部鹽漬土的γMg/γCa值與地表淡水的γMg/γCa背景值0.24相比，明顯偏高，可以看出土體受到了海侵的影響。

圖13 不同采樣點γMg/γCa隨深度變化特征Fig. 13 γMg/γCa variation characteristics with depthin different sampling sites

5 結論

基于長江口北翼深層軟土的多組測試數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地分析了軟土的含鹽特征及其8大離子間的相關性，其中擬合關系式對于推算其他參數(shù)具有重要的參考價值。同時圈定了高鹽土（以含鹽量0.3%為界）的分布范圍，研究成果對于區(qū)內沉積環(huán)境演化和工程建設具有重要意義。主要有以下結論：

（1）研究土體鹽分主要為NaCl。土體中Cl-的含量最高，Na+含量次之，其他離子含量由多到少依次為。易溶鹽及其主要離子隨深度的增加有減少的趨勢。鹽漬土類型為氯鹽漬土，鹽漬土類型以弱鹽漬土為主，占比85.4%。

（2）軟土含鹽量與Cl-含量相關性最高，相關系數(shù)R高達0.993。軟土含鹽量與Na+、K+、Mg2+、S O24-、HCO-3相關性好。軟土含鹽量與Ca2+含量、含量線性關系不明顯。軟土中易溶鹽Cl-含量與含鹽量、含量擬合以乘冪效果最佳；Cl-含量與Na+含量、Ca2+含量、Mg2+含量、K+含量、H CO-3含量擬合以多項式擬合效果最佳。

（3）以軟土易溶鹽中Cl-為示蹤劑，計算了海水混合比。海水混合比的低值主要分布在西部遠離海岸區(qū)，該區(qū)土體沉積主要受長江河水控制。海水混合比的高值主要分布在濱海地區(qū)，該區(qū)土體沉積主要受海侵控制，海相屬性更重。軟土中γNa/γCl、ESR、Sr/Ba及γMg/γCa與當?shù)氐藴屎Ｋ畬Ρ确治鼋Y果顯示，土體沉積受到海水浸漬且后期受到了海水入侵。