长江河口深层软土含盐特征及其沉积环境分析

苟富刚 ，龚绪龙 ，张岩 ，杨露梅 ，刘彦

( 1. 江苏省地质调查研究院，江苏 南京 210049；2. 自然资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏 南京 210049)

1 引言

海相软土在空间上与滨海相盐渍土高度重合，滨海相盐渍土沿着我国大陆1.8×104km海岸线呈带状分布，向内陆延伸可以达到几十千米，与沿海经济发达地区高度重合[1-2]。滨海相盐渍土的学术关注度在2008年前后达到顶峰，这与当时耕地面积日益减少和国家滩涂围垦政策等有关。滨海相盐渍土面积大约为2.895×104km2，在人口、资源、环境压力下的东部沿海地区，滨海相盐渍土分布地区可以作为宝贵的后备土地资源[3-4]。

本研究土体位于长江河口北翼，土体为全新世以来沉积物，为海陆交互相土层，埋藏深度大于10 m，最大深度达到62 m[5]。浅部土体已基本脱盐，盐渍土主要分布在东部临海区域，分布面积小。长江河口地区地形广阔平坦，土体长期遭受海水入侵及高矿化度潜水共同作用。研究区是较早发现海水入侵的地区[6-7]，海水入侵受多种因素影响，比如河势、风应力、海平面上升和人类活动等[8-9]。1980-2010年中国近海冬季海平面平均上升速率为3.1 mm/a[10-11]。相关数值模拟结果显示，海水入侵由分比流和潮差控制[12-13]。三峡调蓄对长江口土体盐分也有显著影响，蓄水后0～20 cm土体盐分含量增加约为10%[14-15]。海水入侵后，水土易盐化，土壤盐渍化已经演化为一个生态问题[16]。

目前，还没有较为系统的对长江河口深层软土层位的含盐特征进行分析，目前的研究仅局限于深度0～1 m[13-15,17]的土体，个别达到了5 m[18]。本研究土层埋深大，土体渗透系数低，土体盐分受自然因素控制，土体含盐特征对其形成环境具有指示作用。90%盐渍土的成因是自然因素，10%是由于人类进行不恰当活动造成的次生盐渍化[19]。本研究土层埋深较大，土体盐分含量基本上不受人类活动影响。海水浸渍是滨海相盐渍土形成的最主要的原因，土体含盐特征与海水含盐特征基本一致[20]。本研究土体以粉粒为主，约占土体的72%；其次为黏粒，约占土体的26%；含有少量砂粒，约占土体的2%[5]。土体渗透系数为10-7～10-6cm/s，为弱透水层，该层是下伏含水层的天然保护屏障。通过分析孔隙水中的主要离子，比如Cl-、Na+、 SO24、Mg2+以及Cl/Br等变化特征，进行了水化学演变以及沉积环境分析[21-22]。研究区20世纪90年代由于开采了大量地下水，导致越流补给，水质动态总体呈咸化趋势，而水土含盐特征有着一致性[23]。对水土进行耦合分析，研究对象为含水砂层及其孔隙水，得出了水、土体含盐指标呈线性正相关，构建了孔隙水溶解性固体总量（Total Dissolved Solid, TDS）与土体含盐量、Na+含量、含量、Cl-含量、Mg2+含量5个指标的多元线性回归模型，其中土体中Cl-含量与孔隙水TDS回归分析建立的模型相关性最高[18]。本次通过采集多组样品并进行测试，进行土体含盐特征和沉积环境系统分析。

2 样品采集、测试及分析方法

研究区位于长江三角洲北翼，隶属扬子地层区下扬子地层分区。地面标高一般为3～4 m。研究区全新世土层可以划分为4个工程层组，共14个亚层，文献[24-25]分析了软土沉积环境、工程特性及其工程应用。本研究土体为全新世以来沉积物，为海陆交互相土层，埋藏深度大于10 m，最大深度达到62 m，软土层分布不连续，多夹粉砂或粉土薄层，有的以互层土的形式存在，岩性空间变异特征较为明显。为了研究软土的含盐特征及沉积环境，采集样品314件，采样深度为10～62 m（图1）。

图1 研究区域及采样位置Fig. 1 Study area and sampling locations

根据软土易溶盐测试结果进行统计分析。参数分布数理统计与假设检验：对于异常数据采用3σ法则。频数分布可以直观地展示样本的分布情况，据测试样品数量n，可以根据式（1）计算区间个数M。再根据最大值a和最小值b，可以根据式（2）计算区间长度 Δ[26]，公式分别为

假设检验：H0数据来自正态总体，取α=0.1，n=314。当n充分大，一般大于100，则

记PH0{·}表示当H0真实事件{·}的概率，则有拒绝域为式（6）或式（7）。

式中，u1、u2为偏度检验值；g1为样本偏度的观察值；g2为样本峰度的观察值；z为拒绝域界限值。

通过对软土易溶盐统计分析和相关性分析，确定软土含盐化学组分及其空间展布特征。

3 测试结果分析

3.1 土体盐分的统计分析

根据314个软土样本测试结果可知，软土Cl-含量与2倍S O24-的摩尔含量比值介于3.59～91.68，平均值为21.35，比值均大于2，参考文献[27]，得出研究土体盐渍土类型为氯盐渍土。软土含盐量介于0.104%～1.226%，平均值为0.613%（表1）。盐渍土类型以弱盐渍土为主，占比85.4%；中盐渍土占比6.4%；非盐渍土占比8.3%。

表1显示，土体中Cl-的含量最高，平均值为3 256.05 mg/kg；Na+含量次之，平均值为2 141.35 mg/kg；其他离子含量由多到少依次为 SO24-、 HCO-3、K+、Ca2+、Mg2+、。含盐量及其主要离子（Na+、Cl-）与深度的关系如图2和图3所示，可以看出主要离子含量随深度的变化与含盐量类似，即随着深度的增加，含量有减小的趋势。软土pH介于7.28～9.58，平均值为8.15，土体呈碱性。

图2 含盐量随深度变化特征Fig. 2 Characteristics of salt content change with depth

图3 盐分主要离子含量随深度变化特征Fig. 3 Variation characteristics of main salt ions content with depth

表1 软土含盐特征统计及概率分布表Table 1 Salt characteristics statistics and probability distribution of soft soil

根据表1，含盐量的偏度为0.04，属于右偏态（图4）。Cl-含量的偏度为0.02，属于右偏态。Na+含量的偏度为-0.06，属于左偏态。其他离子偏度都大于0，含量的偏度最大，为5.71。含盐量、Cl-含量、Na+含量、K+含量、 HCO-3含量的峰度均小于3，正态分布曲线平坦。Mg2+含量、Ca2+含量、含量、含量的峰度值均大于3，正态分布曲线陡峭。

图4 软土含盐量分布Fig. 4 Distribution of salt content of soft soil

这里对软土中易溶盐各离子指标进行偏度和峰度的正态分布检验，根据表1可以看出，含盐量、Cl-含量、Na+含量、K+含量峰度检验符合正态分布，但偏度检验值坐落在拒绝域，所以拒绝原假设，不属于正态分布。其他离子假设检验偏度和峰度检验均不符合正态分布。

3.2 参数相关性分析

本文选择土体易溶盐8大离子、含盐量、pH两两分别进行相关性分析，相关性结果见表2。

表2 土体盐分指标相关性分析Table 2 Correlation analysis of soil salinity index

表2显示，软土含盐量与Cl-含量相关性最高，相关系数R高达0.993，说明软土含盐量与Cl-含量呈线性正相关。软土含盐量与Na+含量、K+含量、Mg2+含量、含量、 HCO-3含量相关性好，相关性在 0.01层上显著，相关系数分别为0.991、0.801、0.696、0.564、0.164。软土含盐量与Ca2+含量、含量线性关系不明显。

Cl-是海水中最主要的稳定常量元素，是反映土体是否被海水浸染最为敏感的因素[18,28]，具有重要的指示意义。可以根据Cl-含量来推算含盐量、Na+含量、含量、 HCO-3含量、K+含量、Ca2+含量、Mg2+含量、含量，可以节约大量的人力、物力及时间。这里选择与Cl-含量相关性好的指标进行拟合分析。曲线拟合根据本次试验数据进行，构造近似函数，该函数能反映Cl-含量与其他指标的基本变化趋势，不局限于线性关系，还有多项式、对数型、指数型和幂型。

图5a显示，软土中Cl-含量与含盐量拟合效果好，乘幂效果最佳，相关系数为0.992 7，乘幂、多项式和直线型3个类型拟合关系式相关系数接近；图5b显示，Cl-含量与Na+含量拟合效果好，多项式拟合效果最佳，相关系数为0.986 2；图5c显示，软土中Cl-含量与Mg2+含量拟合效果较好，多项式拟合效果最佳，相关系数为0.725 3；图5d显示，Cl-含量与Ca2+含量拟合效果较好，多项式拟合效果最佳，相关系数为0.470 5。图5e显示，Cl-含量与K+含量拟合效果好，多项式拟合效果最佳，相关系数为0.797 7；图5f显示，Cl-含量与含量拟合效果较好，乘幂拟合效果最佳，相关系数为0.546 8；图5g及图5h显示Cl-含量与 HCO-3含量、含量拟合效果一般。

图5 氯离子与含盐量、各离子含量拟合关系Fig. 5 Fitting relationship between chloride ion and salt content and the content of each ion

4 讨论

4.1 软土形成机制及盐分来源分析

软土层为全新世以来形成，最晚距今约10 000 a。研究软土形成时代主要发生在距今（10 909±177）cal a 至距今（5 628±37）cal a[29]。海面升降是研究土体沉积的主要控制因素。

晚更新世晚期晚时，全球海平面明显下降，海水退却，海岸线东移。距今15～20 ka，海平面下降达到最大幅度，此时长江河流侵蚀下切作用加强，在长江河道形成深切谷，也致使河谷区河道两侧晚更新世晚期中时沉积物遭受侵蚀缺失，造成全新世基底（古地面）起伏较大，最大深度超过了70 m。长江谷河谷宽度自10～20 km至60～70 km不等，发育在100～400 m厚的第四纪沉积层中，长江南北两翼均以最大海侵线为界[30]。

全新世的起点通常对应新仙女木事件，起始时间距今约11.5 ka[31]，至此气温开始回暖，全球冰盖和冰川融化，引发全球性的海平面上升。在距今10 ka前后，海水首先沿低洼地区侵入，随着海面继续上升，古海平面上升高度最大达65 m[32]，长江古河道渐渐沉溺于海面以下，河床比降减小，流速降低，长江古河谷开始产生溯源堆积，在河谷区沉积灰色粉细砂及其上覆淤泥质粉质黏土，形成下粗上细的海侵河流充填层序[33]，长江口继续后退至镇江、扬州一带，形成了一个以长江古河谷为主体的巨大河口湾，研究区处于滨海—浅海环境。全新世以来，海平面在距今10 cal ka至距今7 cal ka期间为海平面快速上升期（图6），距今7 cal ka以后海平面为缓慢上升期，大约在距今7.0 cal ka至距今6.5 cal ka海侵达到最大范围[34]，海面高度与现今海面位置相当。在距今8.5 cal ka至距今5.4 cal ka期间，长江北部的海平面变化曲线较南部低5～6 m[35]。此阶段长江挟持的大量泥沙受到海水和江水的顶托和絮凝作用，以较高的沉积速率沉积，形成本研究土层（海陆交互相软土层），软土层含盐特征与海水含盐特征一致，本研究土层以粉粒为主，形成的土体原始含盐量为0.4%～0.9%（图6）。此后，由于河流作用增强，长江流域来沙量增加，使岸线逐渐东移的同时，长江河口湾内开始发育河口坝，长江三角洲从此进入发育期，形成多条砂坝，此阶段的沉积物以较粗颗粒的砂体为主，其中前三角洲相沉积物以泥质沉积为主，也是本研究土体之一（图7）。

图6 软土沉积曲线及海平面变化曲线（根据文献[29, 34]绘制）Fig. 6 Soft soil sedimentation curve and sea level change curve (drawing based on references [29, 34])

图7 沉积层序概化模型Fig. 7 A generalized model of sedimentary sequence

本研究土层多夹有粉砂薄层，局部出现了互层土，说明土层沉积时受到了潮流的控制。在距今4.6 cal ka至距今2.1 cal ka还出现较大规模的海水侵入，这也是土体盐分的主要来源之一[36]。全新世晚期，三角洲前缘相沉积物至地表土层颗粒组成逐渐变细。

基于软土层形成时的沉积环境认识，可知本研究软土层经历海水千年浸渍，盐分主要来自海水，其实在软土沉积之前，盐分已经在沉积母质之中积累，这也是滨海软土独有的特点。由于土体渗透性差，盐分离子随水分大量留存在成土母质中，形成了含盐量非常高的盐渍化土层，如图8中所示的高盐土分布区域。软土含盐量低的区域与土体沉积时及后期的海侵程度、时长及长江水的补给等因素有关。

图8 软土含盐分区Fig. 8 Salt zoning of soft soil

4.2 土体水盐运动特征分析

本研究土层具有大孔隙，天然含水率平均值为42.50%，土体饱和，土体孔隙被水充填，这部分孔隙水为土体沉积过程中保留在软土孔隙中的。软土垂直渗透系数为1.72×10-7～4.09×10-6cm/s，平均值为7.10×10-7cm/s；水平渗透系数为2.63×10-7～2.98×10-6cm/s，平均值为8.13×10-7cm/s；对比水平渗透和垂直渗透系数数值，水平渗透系数为垂直渗透系数的1.15～1.63倍，这与研究区软土层普遍夹薄层粉砂有关。但整体来看，土体渗透系数非常小，土体沉积后土层含盐量特征变化小。软土是一种低渗透介质，物理结构复杂，表面带有一定量的负电，由于离子间的排斥作用，有效孔隙度略小。受大气降水或河流侧向补给降盐的可能性非常低。文献[28]采用物理模型和数值模拟的方法，以Cl-为示踪剂，假设达西流速不大于0.1 m/ka时，模拟结果与实测数据吻合度高。证实了弱透水层孔隙水溶质运移的主要方式是扩散，垂向对流作用对弱透水层中Cl-溶质运移作用可以忽略不计。软土层要通过新补给的淡水淋滤，则必须通过无数个孔隙体积的水，这甚至要几百万年时间才能完成。

假设研究区软土中孔隙水不发生其他的水文地球化学作用，仅发生混合作用，以Cl-为示踪剂，根据式（8）混合模型[37-38]计算海水与淡水的混合比例，其公式为

式中，fi（%）为实际混合比例（海水与淡水混合比例）；CCl-,samp为 孔隙水中Cl-浓度（mg/L）；CCl-,d为研究区淡水端元的Cl-浓度（mg/L），这里取40.9 mg/L；CCl-,sea为标准海水中Cl-浓度（mg/L），根据文献[39]取值，数值为17 530 mg/L。

采用土样易溶盐中Cl-含量换算软土孔隙水中Cl-的含量，软土孔隙水中Cl-的含量（mg/L）与土中易溶盐Cl-含量（mg/kg）呈线性关系，过原点的比例系数为1.259[18]。计算结果显示，fi数值介于2.3%～48.1%，平均值为23.2%，峰度为0.02，偏度为0.46。fi的低值主要分布在西部远离海岸区，fi的高值主要分布在滨海地带（图9）。说明滨海地区土体沉积主要受海侵控制，海相属性更重。西部地区混合比低的区主要受长江河水控制，陆相属性更重一些。

图9 混合比随深度变化特征Fig. 9 Characteristics of mixing ratio variation with depth

图10显示，软土孔隙水的阴离子以Cl-为主，Cl-的毫克当量百分比平均值为88.82%，大多数软土孔隙水Cl-位于当地淡水与海水的理论混合曲线附近。阳离子Ca2+及Ca2++Mg2+基本位于当地淡水与海水的理论混合曲线下方，说明土体含盐特征沉积除了混合作用外，还进行Na-Ca、Na-Mg交换等水岩作用。

图10 软土孔隙水、淡水及海水的三线图Fig. 10 Three-line diagram of soft soil pore water, fresh water and sea water

Na-Ca交换是一种进行得最广泛的阳离子交换。采样海水钠吸附比（SAR）平均值为50.00，范围值为48.64～51.37。当地的地下淡水的SAR范围值为1.8～12，平均值为5.80。基于土体易溶盐计算的离子交换性钠值（ESR）平均值为54.35，范围值为8～154。ESR的偏度为0.02，属于右偏态。ESR的峰度接近3，正态分布曲线较为平坦。ESR偏度检验值符合正态分布，但ESR峰度检验值坐落在拒绝域，所以拒绝原假设。标准海水的SAR值为58.51，对比ESR与海水的SAR数值，两者较为接近，证实了软土的形成环境，说明研究土层含盐特征保留了海水特征。根据图11可以看出，随着深度的增加，ESR值有减小的趋势，这与软土形成时间有关，软土形成时代越老，渗透淋滤的时间越长，Na-Ca交换也最频繁。

图11 ESR随深度变化特征Fig. 11 ESR variation characteristics with depth

式中， χ代表阴离子；γNa、γCa、γMg单位为meq/L；k为交换平衡常数；钠吸附比SAR是Na-Ca交换的一个重要参数；ESR为土壤交换性钠值，可以采用式（10）计算[18]。

4.3 基于软土盐分的沉积环境分析

软土孔隙水溶质运移受分子扩散控制[40]，土壤孔隙水可反映土壤沉积时的原始溶液[41]，可以根据孔隙水的地球化学特征来分析研究土层的沉积环境。下面主要通过比例系数法来分析软土浸出液与当地淡水、海水中各离子间的关系。

Cl-是海水中最主要的稳定常量元素，是反映土体是否被海水浸染最为敏感的元素。软土中Cl-含量平均值为4 096 mg/L；当地淡水Cl-的含量平均值仅为32 mg/L，说明软土受到了海水的絮凝和顶托作用。

软土中Sr的含量平均值为2.30×10-2‰，范围值为1.00×10-2‰～2.95×10-2‰，偏度为-1.12，峰度为1.29；Ba的含量平均值为3.62×10-3‰，范围值为1.3×10-3‰～6.4×10-3‰，偏度为0.38，峰度为0.30；Sr/Ba平均值为6.19，范围值为2.5～10.9，偏度为-0.10，峰度为0.46。Sr是海水中较富集的微量元素，Ba在陆源碎屑溶滤水中含量较高[42]。一般而言，淡水环境Sr/Ba小于1；Sr是海水中的主要离子，含量约为7.9 mg/L，海相环境水体Sr/Ba大于1[43]。土体浸出液体Sr/Ba平均值为6.45，范围值为2.5～10.9，偏度为-0.03，峰度为0.38；Sr/Ba值远大于1（图12），说明土体沉积时受到海水作用。

图12 软土层含Sr和Ba特征（取自ZK1采样点）Fig. 12 Characteristics of Sr and Ba in soft soil(sampled from ZK1 sampling site)

可以根据γMg/γCa来判断海水入侵范围和程度。因为海水中Mg2+含量比Ca2+含量高，γMg/γCa约为5.5。ZK4与ZK5采样点孔软土易溶盐，γMg/γCa平均值为2.83，范围值为1.4～4.9，偏度为0.50，峰度为0.25。ZK3与ZK2采样点孔软土易溶盐γMg/γCa平均值为1.42，范围值为0.6～2.0，偏度为-0.34，峰度为0.86。图13显示，ZK4与ZK5采样点孔软土随着深度的增加，γMg/γCa值有着减小的趋势，但最终趋于稳定。ZK4采样点γMg/γCa值与ZK3和ZK2采样点相比，上部软土γMg/γCa明显偏高，这可能与现代海水入侵有关。东部盐渍土的γMg/γCa值与地表淡水的γMg/γCa背景值0.24相比，明显偏高，可以看出土体受到了海侵的影响。

图13 不同采样点γMg/γCa随深度变化特征Fig. 13 γMg/γCa variation characteristics with depthin different sampling sites

5 结论

基于长江口北翼深层软土的多组测试数据，系统地分析了软土的含盐特征及其8大离子间的相关性，其中拟合关系式对于推算其他参数具有重要的参考价值。同时圈定了高盐土（以含盐量0.3%为界）的分布范围，研究成果对于区内沉积环境演化和工程建设具有重要意义。主要有以下结论：

（1）研究土体盐分主要为NaCl。土体中Cl-的含量最高，Na+含量次之，其他离子含量由多到少依次为。易溶盐及其主要离子随深度的增加有减少的趋势。盐渍土类型为氯盐渍土，盐渍土类型以弱盐渍土为主，占比85.4%。

（2）软土含盐量与Cl-含量相关性最高，相关系数R高达0.993。软土含盐量与Na+、K+、Mg2+、S O24-、HCO-3相关性好。软土含盐量与Ca2+含量、含量线性关系不明显。软土中易溶盐Cl-含量与含盐量、含量拟合以乘幂效果最佳；Cl-含量与Na+含量、Ca2+含量、Mg2+含量、K+含量、H CO-3含量拟合以多项式拟合效果最佳。

（3）以软土易溶盐中Cl-为示踪剂，计算了海水混合比。海水混合比的低值主要分布在西部远离海岸区，该区土体沉积主要受长江河水控制。海水混合比的高值主要分布在滨海地区，该区土体沉积主要受海侵控制，海相属性更重。软土中γNa/γCl、ESR、Sr/Ba及γMg/γCa与当地淡水、标准海水对比分析结果显示，土体沉积受到海水浸渍且后期受到了海水入侵。