南海北部深水区表层沉积物工程性质的统计特征分析

刘剑涛，师玉敏，王俊勤，朱友生，李畅飞，漆文刚，高福平

(1. 中海油田服务股份有限公司物探事业部，天津 300459; 2. 中国科学院力学研究所 流固耦合系统力学重点实验室，北京 100190; 3. 中国科学院大学 工程科学学院，北京 100049; 4. 中海油研究总院有限责任公司，北京 100028)

中国南海是我国四大海区中面积最大、最深、自然资源最丰富的海区，其海底地层中蕴藏着巨大的油气矿产资源。海洋平台、海底管道等工程结构安装于海床上，其安全性直接受海底沉积物的物理和力学特性影响；而沉积物的性质与其沉积环境、物质组成以及微观结构等因素密切相关[1-3]。全球海底沉积物的厚度分布具有不均匀性，最大厚度可达10 km[4]，其中陆源碎屑、火山碎屑、自生沉积、生物沉积等是主要的物质来源[1]。

海底沉积物的物理和力学特性是海洋岩土工程设计参数取值的依据。目前，针对我国海底沉积物性质的研究主要集中于辽东湾、黄河口、南黄海、东海部分区域、台湾近岸以及南海北部浅海海域等[5-8]，常见的沉积物类型为传统石英砂、钙质砂以及粉质黏土等。近年来，面向深海资源开发需求，已开展了特定深水区海底沉积物的现场取样和室内试验以及原位测试分析。深水特殊的沉积环境使得海底沉积物具有不同于近海浅水区沉积物的工程性质[2, 9-15]。例如，墨西哥湾北部海域(水深约1 300 m)[15]、南海东北部陆坡区(水深约1 200 m)[12]、南海西部海盆(水深超过2 000 m)[11]等海底表层沉积物的前期研究表明，深水沉积物多为细颗粒多孔介质，通常具有高孔隙比和低强度的特点。海底沉积物具有天然变异性，不同海域沉积物性质的定量化特征值及波动范围通常具有过大的离散性。概率论与数理统计方法提供了获得差异性群体广泛特征的有效途径[16]，统计单元体内需要具有相同的地貌特征、地质年代及沉积环境[17]，沉积物的性质应基本接近。当所获取的海底沉积物样品数量相对较少时[11-12]，则不足以支持对其物理和力学性质统计特征的定量研究。

鉴于深海极端环境对海底现场取样及勘探测试等带来的技术挑战，目前对我国南海深水海底沉积物的物理和力学特性的科学认识尚不够清晰。深入探究其典型统计特征对于深水海底工程结构可靠度设计的海床参数取值具有重要意义。根据数理统计理论，样本数据应是随机地选自同一统计单元体，且在空间上相隔一定距离以保证样本数据的独立性和代表性。对中国南海琼东南盆地北部海域21个典型站位的表层沉积物柱状样品开展了微观结构，矿物成分，相对密度、天然含水量、天然密度、孔隙比、液塑限等物理指标，以及不排水抗剪强度、灵敏度、超固结比等力学指标的测试，并对试验结果进行了统计学分析。

1 研究区域概况及样品信息

研究区域位于中国南海琼东南盆地北部海域。采用大型活塞式重力取样器(jumbo piston corer，简称JPC)重力活塞取样法获取了20个典型站位(编号：No.12～No.41，见表1)的海底表层沉积物柱状样品。表1给出柱状样品的相对位置坐标、水深和长度等信息。现场取样位置的水深范围为500～1 200 m；各站位分布于14 km×14 km的准矩形海域，相对位置如图1所示。此外，采用钻孔取样技术在1 400 m水深处获取了站位(编号：No.42)的深层沉积物样品，取样深度为82.0 m。根据 AMS14C 测年和浅地层剖面资料，研究区域具有相同地貌特征、地质年代及成因类型，因此将其作为一个统计单元。

图1 南海北部深水区表层沉积物取样站位相对位置

表1 南海北部某深水区表层沉积物柱状样品的相对位置坐标、水深和长度

2 研究方法

对采集的柱状样品进行分割，针对各分段样品依次进行了室内土工试验测试，包括扫描电子显微镜(SEM)试验，X射线衍射(XRD)试验，颗粒分析试验，相对密度、含水率、容重、液塑限等物理性质试验，固结试验，十字板剪切试验和落锥试验等。试验标准参考《土工试验方法标准》(GB/T50123—2019)[18]。

1) SEM和XRD试验方法

选取典型样品，通过冷场发射扫描电子显微镜(日本电子(JEOL)JSM6700F)观察其微观结构和形貌。由于深海表层沉积物原状样含水量高，为防止试样在干燥过程中收缩变化破坏原始结构，采用低温冷冻真空升华干燥法制备样品。测试过程中放大倍数为500～10 000倍。

采用日本理学公司生产的X射线粉末衍射仪测定沉积物的矿物组成，试验参照我国石油天然气行业标准《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》(SY/T 5163—2010)进行。

2) 物理和力学指标试验方法

研究区域样品主要为细粒土，分别采用密度计法测定颗粒分布；比重瓶法测量相对密度；室内烘干法测定含水率，烘干温度保持在75°C，防止温度过高破坏样品中的有机质；环刀法测定天然密度和容重；依据相对密度、含水率和密度试验计算孔隙比；GYS-2数显式土壤液塑限联合测定仪测定液塑限，并计算液塑性指数；压力法测定碳酸盐含量。

采用GZQ型三联固结仪开展固结试验，其中压力等级分别为10 kPa、20 kPa、40 kPa、80 kPa、160 kPa、320 kPa、640 kPa、1 280 kPa、2 560 kPa；分别采用GEOTEST手动十字板剪切仪(torvane)、WF1730型室内电动十字板剪切仪(lab vane)、VJT0808电子数显落锥仪(fall cone)开展剪切试验，测试沉积物的不排水抗剪强度和灵敏度。

3) 试验结果的统计分析方法

针对沉积物物理和力学性质的测试结果，统计获取各指标的变化范围、变异性、概率分布类型。表征土体变异性的数字特征有均值μ、标准差σ。采用参数无偏估计统计相应的标准差。变异系数cov=σ/μ，表征相对于均值的平均偏离程度。在岩土工程可靠度理论中，土性参数概率分布类型的选取对可靠度分析影响显著。采用K-S检验方法对试验观测数据进行概率分布假设性检验。首先建立统计假设H0，检验每一个试验点上的样本分布函数和假设分布函数之间的偏差，在一定的显著水平条件下(通常取0.05)根据P值检验假设能否被接受。

3 深海表层沉积物的微观结构、矿物成分

站位编号No.34样品的SEM测试结果如图2所示，表层沉积物颗粒形态展示为片状和凝块状；排列方式呈絮凝或叠片状结构；絮凝结构之间的孔隙表现为宏观孔隙，小于颗粒尺寸；多种粒间接触形式共存，如“边—边”、“边—面”、“面—面”接触。深海沉积远离大陆影响，具有明显不同于近岸沉积物的特征，可观察到大量微生物残骸。生源沉积是深水区具有特色和代表性的沉积物类型：钙质生物主要包含有孔虫、颗石藻、翼足类以及少量介形虫类；硅质生物主要包含硅藻和放射虫等。可见，随着水深的增加及相应海洋环境的变化，生物沉积(浮游和底栖动植物的遗骸及碎片等)逐渐占据主导地位，从而使得深海沉积物中含有大量的自生有机质。

图2 中国南海北部某深水区海底沉积物微观结构的扫描电镜照片(站位编号：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测试结果如表2所示，沉积物的主要矿物组成为黏土矿物，含量约为42%～50%；而黏土矿物以伊蒙混层和伊利石为主，其中伊蒙混层所占比重约为60%～80%；此外，还含有少量的高岭石和绿泥石。这些黏土矿物通常带有负电荷，与水混合后会呈现一定可塑性。

表2 沉积物矿物组成Tab. 2 Mineral compositions of the sediments

站位编号No.34样品的沉积物粒径级配曲线如图3所示。可以看出，不同深度的沉积物级配曲线连续，粒径大小分布范围0.001～0.1 mm，中值粒径d50为0.05～0.09 mm。颗粒组分以粉粒为主(0.075～0.005 mm)，黏粒次之(0.005～0.002 mm)，少量胶粒(<0.002 mm)。可见该研究区域为细颗粒的黏性土。

图3 沉积物的颗粒级配曲线(站位编号：No. 34)Fig. 3 Particle size distribution curves of the sediments (the sampling station number: No. 34)

以上述21个典型站位的沉积物柱状样为统计单元，测试并分析了样本主要物理指标的变化范围、均值、标准差、变异系数cov、概率分布类型等，结果如表3、图4和图5所示：

1) 沉积物的相对密度Gs：变化范围为2.68～2.76，统计均值为2.72；其值取决于沉积物中的矿物成分[19]；变异系数为0.73%，可见其变异性较小。

2) 天然含水率w：在接近床面处最高，随土样深度增加而下降，波动范围为51%～133%；均值为91.7%，大于均值液限(78.3%，图4(e))；这表明沉积物含水率较高，呈流塑态。

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

4) 孔隙比e：沿土样深度显著降低，介于1.4～3.6之间，均值为2.5。超过90%的数据均大于2.0，可见沉积物孔隙较大、结构疏松。

5) 塑限wp和液限wL：变化范围分别为21.3%～58.0%、43.5%～105.0%，均值分别为34.5%、78.3%。

6) 塑性指数Ip和液性指数IL：变化范围分别为14.9%～66.0%、0.7～2.9，均值分别为43.1%、1.4。结合XRD测试结果和颗粒级配曲线，可见沉积物颗粒比表面积较大，黏土矿物含量较多，为高塑性黏土。

图4 表层沉积物物理指标的垂向分布Fig. 4 Vertical distribution of physical indexes of surface sediments

对比其他海域沉积物的试验结果[11-14]，文中研究区域沉积物天然含水率、孔隙比均高于近海区域，低于超深水区域；而容重的规律则相反。结合图2的微观结构形态，可以看出该区域表层沉积物具有高孔隙比、高含水量、低密度的特点。三者的变异系数分别为13.8%、5.0%、15.2%(见表3)，属于低变异性水平(cov<25%)[16]。

表3 表层沉积物土性指标的统计特征Tab. 3 Statistical characteristics of soil properties of surface sediments

图5 表层沉积物物理指标的概率密度Fig. 5 Probability density of physical indexes of surface sediments

鉴于性质相差甚远的沉积物可能具有相近的塑性指数值，图6给出了塑性图[19]。当液限wL≥50%，塑性指数Ip≥7且Ip≥0.73 (wL-20)时，则为高液限黏土。可见，表层沉积物多属于高液限黏土，少部分为高液限粉土。此外，塑限、液限、塑性指数和液性指数的变异系数分别为14.2%、16.9%、25.8%、25.7%(见表3)，近似为中低变异性水平(25%

图6 表层沉积物的塑性(CH、CL：高、低液限黏土；MH、ML：高、低液限粉土；O代表含有机质)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) 碳酸盐含量wcarbonate：介于8.5%～37.6%之间，均值为20.8%，这与张富元等[1]基于南海东部海域水深为330～2 000 m的测试结果(均值为18.89%)基本相当；变异系数约49%(见图5(i))，为高变异性(cov>40%)。研究表明[3]，含碳酸盐的沉积物并不能压实到像非碳酸盐沉积物那样低的孔隙比，碳酸盐的胶结作用和絮凝结构会使得沉积物具有较高的孔隙率和液性指数。由于目前并没有标准的确定方法，该研究区域是否存在胶结物尚有待深入探究。图5给出了各指标的直方图，可直观反映其概率分布规律。常见的土性指标可采用中心极限分布(正态或对数正态分布)模拟[16, 20-21]；当变异系数不超过30%且无显著偏度时，二者区别并不明显[21]。假设服从正态分布，采用Kolmogorov-Smirnov方法进行假设检验。当检验概率p值小于显著水平α(取为0.05)时，该参数拒绝正态分布的假设，反之假设被接受。检验结果表明：相对密度、天然含水率、液塑限、塑性指数服从正态分布；容重、碳酸盐含量接近假设检验结果，近似正态分布；液性指数与假设检验结果相差较大，不符合正态分布。

4 深海表层沉积物的力学性质

图7给出了手动十字板、室内(电动)十字板、落锥仪3种试验方法所测得的不排水抗剪强度su的剖面特征。海床泥面附近(1.0 m以内)强度约为1.0～5.0 kPa；由于上覆压力增加、含水量减小，沉积物强度沿土样深度逐渐增大。编号为No.12～No.41的20个站位全部数据变化范围为0.6～13.8 kPa，统计均值为5.5 kPa，符合典型深海表层沉积物低强度的特点。

图7 采用不同试验方法得到的不排水抗剪强度垂向分布Fig. 7 Vertical distribution of undrained shear strength obtained by different tests

灵敏度St反映了沉积物的触变性；当沉积物受到扰动时，絮凝结构破坏，导致抗剪强度迅速下降。如图8(a)和(b)所示，灵敏度波动较大，介于1.1～4.4之间，均值为2.2。可见，该研究区域沉积物非高灵敏度土体，这与其沉积速度、絮凝体的数量及其在基质中的排列紧密程度直接相关。图9给出了超固结比OCR沿土样深度的典型剖面(No.42站位)，该站位的取样深度为82.0 m。沉积厚度10 m范围内沉积物处于超固结状态，超固结比高达5以上。这主要归因于海洋侵蚀、波流载荷作用导致的卸荷状态或碳酸盐的胶结作用使土颗粒化学键结合力增强等因素[22]。随着深度的增加，超固结比逐渐降低为1。当深度超出30 m时，沉积物则转为欠固结状态，这可能是由于沉积物的快速沉积作用，或者有机质分解和化学作用所产生的气体增大了孔隙压力，使得沉积物尚未完全固结稳定。

图8 采用不同试验方法得到的灵敏度垂向分布Fig. 8 Vertical distributions of sensitivity obtained by different tests

图9 超固结比的垂向分布(站位编号：No.42) Fig. 9 Vertical distributions of overconsolidation ratio(the sampling station number: No.42)

此外，样本统计显示(见图10)，不排水抗剪强度、灵敏度、超固结比的变异系数分别约为43.6%、33.9%、85.8%，属于中高变异性水平。可见，力学指标的变异性普遍高于物理指标，当采用概率分析方法进行海底结构设计时须考虑指标变异性的影响。值得注意的是，超固结比由于样本数量过少，其变异性的可靠性仍需进一步研究校核。从图7和图8中还可以看出，同一柱状样品，不同试验方法的测试结果存在一定的差别(见表3)。经统计分析与假设检验，手动十字板抗剪强度、室内十字板抗剪强度、落锥仪灵敏度均服从正态分布；落锥仪抗剪强度、室内十字板灵敏度、超固结比存在明显峰值和偏度，与检验结果相差较大，不符合正态分布假设。

图10 表层沉积物力学指标的直方图Fig. 10 Histograms of mechanical indexes of surface sediments

5 结 语

针对中国南海北部某深水海域(水深500～1 200 m)表层沉积物的宏微观性质进行了统计分析，主要结论如下：

1) 深海表层沉积物类型多为软黏土，微观呈现多孔隙的絮凝结构，黏土矿物成分以伊蒙混层为主，宏观上具有高含水率、低密度、高液限、高可塑性、高孔隙比、低强度等典型特征。

2) 深海表层沉积物的物理和力学指标存在不同的变异性。相对密度的变异性较小，可忽略不计；碳酸盐含量为高变异性；其它物理指标均为低变异性，其中衍生指标(液塑性指数)变异系数最大；力学指标变异性普遍高于前者，为中高变异性。

3) 统计分析和假设检验表明，该深水区域沉积物相对密度、含水率、液塑限、塑性指数符合正态分布；容重、碳酸盐含量、不排水抗剪强度、灵敏度接近假设检验结果，近似正态分布；不同试验方法所得力学指标统计结果存在一定的差异。

值得注意的是，以上结论是基于南海北部某特定深水区数量有限的沉积物样品测试结果分析得到的，以期为南海深水海底工程结构基础设计的土性参数取值提供参考。