马里亚纳海沟南部海域沉积物的工程地质特性及其成因

朱坤杰，何树平，陈 芳，廖志良，王金莲，邓希光

(1.国土资源部海底矿产资源重点实验室，广东 广州 510075;2.广州海洋地质调查局，广东 广州510075)

0 引言

深海沉积物具有高含水率、低密度、高液限、高塑性、大孔隙比、低强度和低重度等特性(宋连清，1999;王树仁等，2000;陈小玲，2004;吴鸿云等，2010)，由于远离陆地和人类的生产活动，其具体工程性质及成因未被充分认识。随着科技的进步，人类对海洋的探索已经由浅海步入深海大洋，深海沉积物工程地质特性的研究也相应开展。

2012年6月，蛟龙号载人潜水器在马里亚纳海沟挑战者深渊南部海域进行了7 000 m深度下潜试验(崔维成等，2012)，海洋六号为保障下潜的顺利进行，在此区域进行了地质取样，并在船上进行了现场物理力学性质测试，对海底沉积物的工程地质性质进行研究，为蛟龙号的坐底和采样作业提供这一区域的底质资料，也为以后深海资源的开发提供依据。归航后，通过室内的粒度、岩石矿物、微体古生物等鉴定，对这一特殊工程性质土体的成因展开深入分析。

1 研究区概况

研究区位于马里亚纳海沟南部的密克罗尼西亚联邦专属经济区。马里亚纳海沟是太平洋板块俯冲到菲律宾板块之下形成的全球最深的海沟，最大水深位于南部的挑战者深渊。

海洋六号利用EM122多波束测深系统获得的水深数据显示，研究区海底地形自南向北成鞍状走势，海沟自东向西延伸，海沟两侧为不对称斜坡：海沟北侧为单一海底斜坡，相对较陡，平均坡降在10°～15°之间;中部区域为挑战者深渊，其最深点深度是10 917 m;海沟南侧斜坡相对较为平缓，水深大部分在5 000～7 500 m之间，平均坡降在6°～10°之间(刘方兰等，2013)。

本次研究的5个地质取样站位位于挑战者深渊的南翼斜坡上，其中有4个站位近似在一条直线上，自南向北水深依次增加，可以较好地反映南翼斜坡上海底沉积物随水深的变化情况。地质取样站位情况见表1，研究区和各站位的相对位置见图1。

表1 地质取样站位情况Table 1 List of geological sampling stations

图1 研究区及站位示意图Fig.1 Sketch showing the study area and stations

2 材料与研究方法

2.1 物理力学性质测试

在现场对JL7KBC11A站位2管未扰动箱式插管样品进行了沉积物的物理力学性质测试。所用设备主要有EL 26－2661型便携式剪切仪(英国)、应变控制式无侧限压缩仪和WGⅠ型机械式微型贯入仪。试验方法参照《海洋调查规范》(GB/T 12763.8—2007)(以下简称《规范》)第8部分：《海洋地质地球物理调查》之6.5：沉积物物理力学性质测试。对其中1管样品进行天然含水率试验、天然密度试验、微型扭力十字板剪切试验，样品取样间距5 cm，表层5 cm样品呈流动状态，仅进行了含水率试验;对另一管样品进行了无侧限抗压强度试验，取样间距15 cm，表层15 cm样品因较软未进行试验。

2.2 粒度分析

对JL7KGC01A、JL7KGC05站位的柱状样进行了粒度分析，取样间距5 cm，共92份样品。采用Matersizer－2000型激光粒度仪(英国马尔文公司)，分析方法参照《规范》第8部分之6.3：沉积物粒度分析。

2.3 沉积物分类和命名

采用《规范》附录D之图D.1：沉积物粒度三角分类图，粒度参数采用福克和沃德公式计算。分析过程：取样并加纯净水浸泡样品24 h，每隔8 h轻轻搅拌样品，测试前超声波预处理10 min，使其充分分散，上机测试时保证遮光度处于10～20之间。

2.4 矿物及微体古生物分析鉴定

站 位 为 JL7KGC01A、JL7KGC04、JL7KGC03、JL7KGC05，取样间距10 cm，共125份样品。每份样品均进行了岩石矿物鉴定(包括涂片鉴定、碎屑矿物鉴定、黏土矿物X射线衍射分析)和微体古生物鉴定(包括有孔虫、钙质超微化石、硅藻、放射虫鉴定)。碎屑矿物鉴定、黏土矿物X射线衍射分析、有孔虫、硅藻与放射虫鉴定分别按照《规范》第8部分之6.4：底质矿物鉴定;6.6：沉积物古生物鉴定。钙质超微化石与涂片鉴定分别参照《大洋多金属结核矿产勘查规程》(GB/T 17229—1998)之27、34。其中黏土矿物X射线衍射分析采用理学Rigaku D/Max 2500PC粉末衍射仪。

以上试验除土工测试为现场进行外，其余分析在室内完成。

3 试验结果

3.1 物理力学性质

JL7KBC11A箱式站位的物理力学参数随深度的变化见图2，沉积物具有较高的天然含水率，最大值为329.9%，最小值为182.7%，平均为225.2%。在垂向上，表层35 cm样品的天然含水率随深度的增加而线性减小，变化较快;35 cm以下减小的趋势明显变缓，趋于稳定。

沉积物的天然密度较小，范围为1.19～1.29 g/cm3，平均仅为1.26 g/cm3。总体上，其值随着深度的增加而增加，底部趋于稳定。

图2 JL7KBC11A箱式站位物理力学参数随深度变化曲线Fig.2 Variations of the physical and mechanical parameters with depth for box-type station JL7KBC11A

沉积物的孔隙比较大，范围为4.57～7.58，平均为5.45。总体上，其值随着深度的增加而减小，底部趋于稳定，其变化规律与含水率成很好的正相关。

沉积物的抗剪强度介于2.0～8.0 kPa之间，平均为5.6 kPa，表层25 cm数值随着深度的增加而上升较快，25～40 cm层位趋于稳定，45～55 cm层位有所降低，60～75 cm逐渐回升。

沉积物的贯入阻力介于4.7～41.9 kPa之间，平均为31.1 kPa，表层25 cm数值随着深度的增加而上升较快，25～60 cm层位趋于稳定，60～75 cm有所回升。

沉积物的无侧限抗压强度数值介于7.84～15.27 kPa深度的增加而逐渐增大。

综上所述，随着深度的增加，沉积物的天然含水率和孔隙比逐渐减小，湿密度、抗剪强度、贯入阻力、无侧限抗压强度均呈增大趋势。

3.2 粒度参数

JL7KGC01A站位沉积物(图3)中粉砂质量分数为48.41% ～75.50%，平均64.72%;黏土质量分数为18.18% ～44.90%，平均30.08%;砂质量分数为0% ～11.40%，平均5.20%;粒径为6.26～7.80，平均6.92;分选系数为0.96～2.20，分选中等—很差;偏度 －0.07～0.18，负偏—正偏;峰态0.86～1.07，宽—中等峰态。

图3 JL7KGC01A站位岩芯沉积物粒度参数与沉积物组成变化Fig.3 Variations of sediment grain size parameters and composition for cores from the Station JL7KGC01A

图4 JL7KGC05孔岩芯沉积物粒度参数与沉积物组成变化Fig.4 Variations of sediment grain size parameters and composition for cores from the Station JL7KGC05

JL7KGC05站位(图4)沉积物粉砂质量分数51.59%～67.39%，平均60.34%;黏土质量分数25.51% ～47.77%，平均37.28%;砂质量分数0% ～8.97%，平均2.38%;粒径为6.32～7.90，平均7.23;分选系数1.39～2.13，分选差—较差;偏度－0.05～0.19，负偏—正偏;峰态0.74～1.00，宽—中等峰态。

综合上述2个站位的粒度参数，研究区沉积物以黏土质粉砂为主，其中粉砂平均质量分数为62.53%;黏土次之，平均质量分数33.68%;砂质量分数较小，平均3.79%;平均粒径7.08;分选系数0.96～2.20，分选中等—很差;偏度 －0.07～0.19，负偏—正偏;峰态0.74～1.07，宽—中等峰态。沉积物悬浮组分占绝对优势，跳跃组分极少量，无滚动组分，表明其沉积环境的水动力较弱。与JL7KGC01A站位相比，JL7KGC05站位沉积物的黏土的质量分数较大，砂和粉砂的质量分数较小，平均粒径偏小，表明随着水深的增加，水动力环境相对较弱。

3.3 涂片鉴定

涂片鉴定镜下显示物质组成为：黏土47.2%(平均质量分数)、生物残渣31.5%、长英矿物19.6%，其余角闪石、硅质生物碎屑、沸石、火山玻璃等组分质量分数较小。

3.4 岩石矿物鉴定

碎屑矿物主要有微结核、沸石、角闪石、石英、火山玻璃，质量分数较低或仅在少数层位出现的矿物有磁铁矿、钛铁矿、褐铁矿、黑云母、白云母、锆石、长石。此外还发现有鱼牙骨、硅质生物碎屑等生物组分。

研究区黏土矿物主要由伊利石－蒙脱石混层矿物、伊利石、高岭石和绿泥石构成，各个站位的构成见图5。伊利石－蒙脱石混层矿物在研究区黏土矿物中质量分数较高，为64% ～70%;伊利石15% ～19%、绿泥石7% ～9%、高岭石6% ～8%。

图5 黏土矿物组成Fig.5 Composition of clay minerals

3.5 微体古生物鉴定

4个站位的大部分层位均未发现有孔虫及钙质超微化石，仅有个别层位发现零星化石碎片，且化石溶蚀严重。推测其位于碳酸盐补偿深度(CCD)界限以下，受碳酸盐溶解作用影响，钙质化石难于保存。硅藻和放射虫的丰度较低，部分层位发现大筛盘藻(Ethmodiscus rex)碎片和放射虫碎片、海绵骨针，保存较差，有溶蚀现象。

4 讨论

4.1 物理力学参数相关性分析

利用SPSS 22.0软件对沉积物的物理性质与力学性质参数进行了Pearson相关分析(表2)，沉积物的物理性质指标、力学性质指标以及二者之间均存在很好的相关性。其中，含水率与密度、抗剪强度、贯入阻力都成负相关，与孔隙比成正相关。海洋中土颗粒沉积后，在自重应力作用下固结排水。水的排出使得土颗粒间的接触更加紧密，土体变得更加密实，密度也相应增大，孔隙比相应减小，土颗粒间的微观作用力增强，使得土体的宏观力学性质也得到改善。这些相关性表明，含水率是影响沉积物物理力学性质的主控因素。

表2 物理与力学参数间的Pearson相关分析Table 2 Pearson correlation analysis between physical and mechanical parameters

4.2 研究区沉积物物理力学性质与大洋沉积物的对比

研究区沉积物与皮嘉费他海盆和中太平洋海盆沉积物的物理力学性质对比见表3，表明不同区域的大洋沉积物的物理力学性质之间也存在较大差异，但整体上研究区沉积物的物理力学性质参数在大洋沉积物相对应参数的变化范围之内，具有可比性，具备大洋沉积物高含水率、低密度、低强度的特征。

表3 不同海域沉积物物理力学性质参数对比Table 3 Comparison of parameters characterizing physical and mechanical properties for sediments from different seas

4.3 沉积环境

研究区沉积物以粉砂为主(平均质量分数为62.53%)，黏土次之(33.68%)，砂质量分数较少(3.79%);平均粒径为7.08。沉积物悬浮组分占绝对优势，跳跃组分极少量，无滚动组分，表明其沉积环境的水动力较弱。

研究区位于碳酸盐补偿深度(CCD)界限以下，受碳酸盐溶解作用影响，钙质化石大部分被溶蚀，难于保存。硅藻和放射虫的丰度也较低，保存较差，有溶蚀现象。研究区沉积环境不利于硅质及钙质生物化石的沉积和保存。

4.4 物质组成及来源

碎屑矿物主要有微结核、沸石、角闪石、石英、火山玻璃，其余矿物少见或仅在部分层位发现，如磁铁矿、钛铁矿、褐铁矿、黑云母、白云母、锆石、长石。黏土矿物主要由伊利石－蒙脱石混层矿物、伊利石、绿泥石和高岭石组成。部分层位发现硅藻、放射虫、海绵骨针等硅质生物碎屑，钙质几乎全部溶解，留下大量生物残渣。

微结核的物源主要是界面水，间隙水和海底火山物质水解的析出物，是在氧化条件和偏碱性环境下形成的自生矿物(卢效珍，1992)。沸石为火山物质蚀变而形成的自生矿物(彭汉昌等，1992)。伊利石、绿泥石和高岭石均为风和水流携带入海的陆源物质(唐松等，2004)，而蒙脱石是由基性火山物质、尤其是火山玻璃蚀变而成(张德玉，1993)，伊利石－蒙脱石混层矿物则是蒙脱石和伊利石2个端元矿物之间的过渡矿物(徐博会等，2009)。角闪石、石英、白云母等碎屑矿物为陆源碎屑(刘振夏，1991);硅藻、放射虫、海绵骨针等硅质生物化石和鱼牙骨等为生物成因。

综上所述，研究区沉积物是陆源物质、生物碎屑物质、火山物质和自生矿物共同作用的结果。

大洋沉积物主要由黏土矿物、硅质和钙质的生物碎屑组成，陆源碎屑矿物很少;而河口相、滨海相、浅海相的细粒沉积物主要由陆源的碎屑矿物、黏土矿物组成。研究区的沉积物同时具备了大洋和浅海沉积物的物质组成特征，物质组成较为复杂。

4.5 成因分析

硅藻、放射虫等硅质生物化石，具有密度小、结构松散，多孔、比表面积大等特点，进而造成了沉积物的含水率高、压缩性高等工程性质。硅藻土具有很高的孔隙性，扫描电子显微镜(SEM)观察显示孔隙半径较小，属超细孔隙，硅藻残骸体内也存在较多封闭的超细孔隙，这是形成硅藻土低密度的重要原因(张永双等，2013)。

黏土矿物是构成黏土颗粒的主要成分，是控制沉积物工程性质与变化的主要因素之一。沉积物中的黏土矿物大多集聚成微集聚体，以絮状链接形式组合成蜂窝状絮凝微结构，结构疏松，孔隙度较大(马雯波等，2014)，这种微观结构决定了沉积物的宏观性质。

沸石是多孔性含水硅铝酸盐晶体，其结晶构造主要由四面体组成，构架中有一定孔径的空腔和孔道，这种独特的内部结构，决定了其具有良好的吸附性能(赵桂瑜等，2007)，多孔疏松的性质也是造成沉积物特殊工程地质性质的原因。

5 结论

(1)研究区沉积物具有较高的含水率，较低的密度，较大的孔隙比，较低的抗剪强度、贯入阻力和无侧限抗压强度，与大洋沉积物的物理力学性质比较接近，是工程地质性质较差的土体。

(2)随着深度的增加，沉积物的天然含水率和孔隙比逐渐减小，湿密度、抗剪强度、贯入阻力、无侧限抗压强度等参数增加。这是土体在自重应力作用下固结排水的结果。含水率与密度、抗剪强度、贯入阻力都成负相关，是影响沉积物物理力学性质的主控因素。

(3)研究区沉积物以黏土质粉砂为主，其中粉砂平均质量分数为62.53%，黏土平均质量分数为33.68%，砂平均质量分数为3.79%，平均粒径为7.08φ。沉积物悬浮组分占绝对优势，跳跃组分极少量，无滚动组分，表明了水动力较弱的沉积环境。

(4)研究区沉积物物源比较复杂，是陆源物质、生源物质、火山物质和自生矿物共同作用的结果。硅藻、放射虫、海绵骨针等硅质生物化石以及沸石多孔、松散的特点，以及黏土矿物的结构特征造成了沉积物较高的含水率、较大的孔隙比以及较差的力学性质。

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