南海北部陆坡区海底表层沉积物特性浅析

李光耀

(中海油田服务股份有限公司,天津 300450)

南海北部陆坡区海底表层沉积物特性浅析

李光耀

(中海油田服务股份有限公司,天津 300450)

依托荔湾3-1气田开发项目,对处于南海北部陆坡区水深约500～1500m的海底表层沉积物进行工程特性分析,通过对物理及力学指标的统计和曲线拟合,阐明南海北部陆坡区海底沉积物的土质组成、分布规律,以及土质参数在横向上与水深变化之间的关系,探讨其变化规律和相关性。另选取水深超过1000m的表层沉积物取样进行纵向统计分析,揭示土质强度与土样深度之间的关系,并初步求得强度相对于深度的经验公式。通过上述分析,为将来此区其他海底施工作业或前期设计提供一定的参考和借鉴。

南海北部陆坡 沉积物 特性 曲线拟合 相关性

1 引言

随着陆上油气资源重大发现的概率逐渐减小，海上油气勘探已成为目前以致未来世界能源开发新的热点。在过去的10年间，海上油气探明储量约450亿吨，这仅占全部可能储量的20%，尚处于勘探早期阶段。而国际上一般公认的大于300m水深的深水区域更是蕴藏着不可预知的巨大储量，陆坡和深海盆地的油气勘探开发不断升温。

深水区在我国主要分布于东海和南海，特别是南海，平均水深就达1140m，且其大部分区域属于深海范围，而我国目前在南海拥有的绝大多数油气田均位于浅水区。2009年开始，以中海油为代表的中国海洋油气开发正式向深海进军。本文将依托2009～2010年中海油与HUSKY共同实施开发的荔湾3-1气田开发项目对南海陆坡区海底土质进行工程意义研究，并重点针对水深500～1500m的范围的海底进行表层土质特性分析。

南海北部陆坡是南海海底表面起伏高差最大的一个斜坡，按其地形剖面形态特征可划分为上陆坡、中陆坡和下陆坡。上陆坡水深150～1500m，平均坡度1°～3°，中陆坡水深平均水深1000～1500m，地势较为平坦，下陆坡水深1500～3000m，平均坡度2°～4°。(见图1)

2 正文

荔湾3-1气田开发项目工程环境调查从2009年年底持续到2010年，其中工程地质方面以浅层土质取样为主，主要通过重力取样和浅层钻孔取样来实施，水深小于200m的地方实施钻孔取样，水深超过200m的区域进行了重力取样，特别是水深大于500m的陆坡段分别取得近60个重力样和箱式样，取样点以30～50m的水深间隔沿管线路由分布，基本覆盖了从500～1500m的水深变化范围。其区域位置大致介于E115°～E116°和N19．5°～N20．5°之间。

本次调查取样所揭示的陆坡区表层沉积物类型与图2(摘自《南海地质》)所示基本一致，主要为粘土、粉质粘土和粉土。

我们选取其中56个重力样进行各项数据统计，这些样品平均长度2．6～3．4m，土质成分以细粒土为主，表层夹杂少许细砂粒。颜色随水深增加由褐灰色向绿灰色过渡，局部可见黄褐色淤泥或浮泥。以下是根据不同水深土样的粒径统计结果所绘制的500～1500m水深表层约3m土层的土质组成分布图。

表1 500～1500m水深范围内海底以下1m处土样参数平均值

表2 500～1500m水深范围内海底以下2m处土样参数平均值

表3 500～1500m水深范围内海底以下3m处土样参数平均值

表4

图1 南海北部陆架-陆坡-深海盆地剖面示意图

图2 南海海底表层沉积分布区域图及本文研究区域

图3 南海北部陆坡500～1500m海底表层3m土质组成

从图3中我们可以看出南海北部陆坡区水深500～1500m范围表层土质主要成分为粉粒(0．005mm＜d＜0．075mm)和粘粒(d＜0．005mm)，这两部分所占比例约85%～95%，砂粒含量随水深不同而不同，在水深800m以内，平均约占10%～15%，其中水深700m～800m处，砂粒的含量可达20%～25%，当水深超过800m之后，砂粒的含量明显降低，且比较稳定，约占5%。

下面我们以水深为界，从抗剪强度、含水率、天然重度、塑性指数等方面分别对海底以下1m、2m和3m深度处土样进行统计，求的平均值，结果如表1-表3。

图4 1m处土质参数与水深关系

图5 2m处土质参数与水深关系

通过对这些取样的所有试验数据的分析，南海北部陆坡区500～1500m水深范围内海底表层土质具有以下工程地质特性：

(1)物理特性：此区土质为含砂或含少量砂粒高塑性粉土或粘土，拥有高含水率，高液塑限，高孔隙率和低重度。平均含水率大于50%，最高可达130%；液限平均40%～90%，孔隙率平均1．4～3．6；天然重度平均不超过17KN/m3，最小仅为13．5KN/m3。

(2)力学特性：工程强度低，承载能力弱，平均不排水抗剪强度不超过10kPa。最小约3kPa。

对统计结果进行横向比较，我们发现这类较纯的深水表层细粒土的多项土质参数会因取样水深的变化而呈现相应(相同或相反)的变化趋势，如粘性土含水率、液塑限、孔隙率随水深的增加而增加；强度和天然容重随水深增加而减小。同时砂粒含量在一定程度上影响着这些参数的变化趋势，我们特别将水深700～800m范围单独进行统计，得到了与之前相反的结论，如海底以下1m土样的含水率反而低于水深小于700m时的平均值，同时天然重度却较之增大，而且此相反规律在土样深度较浅时表现稍明显。

图4-图6是不同水深重力取样分别在海底以下1m、2m和3m处土样的各种土质参数随水深变化的曲线。

上述曲线均通过二阶多项式进行拟合(由二阶多项式进行拟合所得曲线相关系数最接近1)，从中不仅可以看到含水率、液塑限、孔隙率随水深的增加而增加；强度和容重随水深增加而减小，还可以发现同一关系曲线也会随土样深度变化而出现曲率的相应变化。即：随着土样深度从1m增加到3m，各项土质参数随水深增加或减小的趋势会变得缓和。

以黄色曲线“水深-含水率”为例，其二阶多项式方程分别如下：(表4)。

从上述3个多项式也不难发现，其二次项系数分别为8E-05、5E-05和8E-06，呈现依次减小的规律。从曲线形态来看，曲率会随土样深度的增加而减小，即土样深度由1m增加到3m时，含水率随水深增加而增大的趋势将变缓。

图6 3m处土质参数与水深关系

图7 1000～1500m水深土样强度与土样深度关系

表5 1000～1500m水深时同一土样深度处平均强度

需要说明的是，剪切强度相比其他参数在横向上表现的规律性较差，原因主要有二：一是剪切强度易受到扰动或测试操作影响而不准确；二是土质中砂的含量明显影响强度的大小，故在整个500～1500m水深范围内其强度与水深相关性不明显。但在水深大于1000m，土质较纯的情况下，其强度在纵向上可能存在一定趋势，下面将17个水深大于1000m的重力样各深度处的强度进行统计，获得同一土样深度对应不同水深时的平均值：(表5)

图7通过对1000～1500m水深范围内土样强度与深度进行幂函数曲线拟合，得到强度随土样深度增加而增大的关系，公式表达如下：

原状土强度：y=4．7133x0．1928R2=0．9132(x≤4m)

扰动土强度：

y=2．0873x0．1583R2=0．9163(x≤4m)

3 结语

根据已有取样资料，对南海北部陆坡区水深500～1500m的海底表层土样进行了物理力学统计分析，得到以下结论：

(1)此区海底表层土的主要组成为细粒土，占总含量的85%以上，其余为砂质成分，且随着水深增加到800m以上，砂质成分明显减少。

(2)此区海底表层土大部分属高塑性粉土或粘土，拥有高含水率，高液塑限，高孔隙率和低重度。不排水抗剪强度较低，工程承载力弱，压缩性高。

(3)在横向上对所有500～1500m水深的土质多项指标进行了二阶多项式曲线拟合，发现此类深海表层细粒土的土质参数会因取样水深的变化而呈现相应(相同或相反)的变化趋势，规律如下：含水率、液塑限、孔隙率随水深的增加而增加；强度和天然容重随水深增加而减小。砂粒含量在一定程度上影响着这些参数的变化趋势，当水深在700～800m范围时，土样的含水率反而低于水深小于700m时的平均值，同时天然重度却较之增大，特别在土样深度较浅时表现更为明显。另外，同一关系曲线也会随土样深度变化而出现曲率的相应变化，即：随着土样深度从1m增加到3m，各项土质参数随水深增加或减小的趋势会变得缓和。

(4)在纵向上对水深1000～1500m的取样进行了强度与深度的幂函数曲线拟合，得到强度随土样深度增加而增大的关系，公式表达如下：

原状土强度：

y=4．7133x0．1928R2=0．9132(x≤4m)

扰动土强度：

y=2．0873x0．1583R2=0．9163(x≤4m)

由此，我们可以将上述方程作为经验公式，来初步推算南海北部陆坡区特别是中陆坡区海底表层土质的工程强度，为将来其他海底工程的前期设计和可行性分析提供初步的工程地质依据。

[1]袁圣强,吴时国,等.南海北部陆坡的地貌形态及其控制因素.海洋学报,2010,第30卷,第2期.

[2]王海荣,王英民,等.南海北部陆坡深水区沉积物输送模式探讨.海洋地质与第四纪地质,2010,第30卷,第4期.

[3]何家雄,施小斌,夏斌,刘海龄,阎贫,等.南海北部边缘盆地油气勘探现状与深水油气资源前景.地球科学进展,2007,第22卷,第3期.

李光耀(1986-10-04),男,2009年毕业于中国地质大学(武汉),获学士学位,工程师,主要从事海洋工程地质调查工作。