馬里亞納海溝南部海域沉積物的工程地質特性及其成因

朱坤杰，何樹平，陳 芳，廖志良，王金蓮，鄧希光

(1.國土資源部海底礦產資源重點實驗室，廣東 廣州 510075;2.廣州海洋地質調查局，廣東 廣州510075)

0 引言

深海沉積物具有高含水率、低密度、高液限、高塑性、大孔隙比、低強度和低重度等特性(宋連清，1999;王樹仁等，2000;陳小玲，2004;吳鴻云等，2010)，由于遠離陸地和人類的生產活動，其具體工程性質及成因未被充分認識。隨著科技的進步，人類對海洋的探索已經由淺海步入深海大洋，深海沉積物工程地質特性的研究也相應開展。

2012年6月，蛟龍號載人潛水器在馬里亞納海溝挑戰者深淵南部海域進行了7 000 m深度下潛試驗(崔維成等，2012)，海洋六號為保障下潛的順利進行，在此區域進行了地質取樣，并在船上進行了現場物理力學性質測試，對海底沉積物的工程地質性質進行研究，為蛟龍號的坐底和采樣作業提供這一區域的底質資料，也為以后深海資源的開發提供依據。歸航后，通過室內的粒度、巖石礦物、微體古生物等鑒定，對這一特殊工程性質土體的成因展開深入分析。

1 研究區概況

研究區位于馬里亞納海溝南部的密克羅尼西亞聯邦專屬經濟區。馬里亞納海溝是太平洋板塊俯沖到菲律賓板塊之下形成的全球最深的海溝，最大水深位于南部的挑戰者深淵。

海洋六號利用EM122多波束測深系統獲得的水深數據顯示，研究區海底地形自南向北成鞍狀走勢，海溝自東向西延伸，海溝兩側為不對稱斜坡：海溝北側為單一海底斜坡，相對較陡，平均坡降在10°～15°之間;中部區域為挑戰者深淵，其最深點深度是10 917 m;海溝南側斜坡相對較為平緩，水深大部分在5 000～7 500 m之間，平均坡降在6°～10°之間(劉方蘭等，2013)。

本次研究的5個地質取樣站位位于挑戰者深淵的南翼斜坡上，其中有4個站位近似在一條直線上，自南向北水深依次增加，可以較好地反映南翼斜坡上海底沉積物隨水深的變化情況。地質取樣站位情況見表1，研究區和各站位的相對位置見圖1。

表1 地質取樣站位情況Table 1 List of geological sampling stations

圖1 研究區及站位示意圖Fig.1 Sketch showing the study area and stations

2 材料與研究方法

2.1 物理力學性質測試

在現場對JL7KBC11A站位2管未擾動箱式插管樣品進行了沉積物的物理力學性質測試。所用設備主要有EL 26－2661型便攜式剪切儀(英國)、應變控制式無側限壓縮儀和WGⅠ型機械式微型貫入儀。試驗方法參照《海洋調查規范》(GB/T 12763.8—2007)(以下簡稱《規范》)第8部分：《海洋地質地球物理調查》之6.5：沉積物物理力學性質測試。對其中1管樣品進行天然含水率試驗、天然密度試驗、微型扭力十字板剪切試驗，樣品取樣間距5 cm，表層5 cm樣品呈流動狀態，僅進行了含水率試驗;對另一管樣品進行了無側限抗壓強度試驗，取樣間距15 cm，表層15 cm樣品因較軟未進行試驗。

2.2 粒度分析

對JL7KGC01A、JL7KGC05站位的柱狀樣進行了粒度分析，取樣間距5 cm，共92份樣品。采用Matersizer－2000型激光粒度儀(英國馬爾文公司)，分析方法參照《規范》第8部分之6.3：沉積物粒度分析。

2.3 沉積物分類和命名

采用《規范》附錄D之圖D.1：沉積物粒度三角分類圖，粒度參數采用福克和沃德公式計算。分析過程：取樣并加純凈水浸泡樣品24 h，每隔8 h輕輕攪拌樣品，測試前超聲波預處理10 min，使其充分分散，上機測試時保證遮光度處于10～20之間。

2.4 礦物及微體古生物分析鑒定

站 位 為 JL7KGC01A、JL7KGC04、JL7KGC03、JL7KGC05，取樣間距10 cm，共125份樣品。每份樣品均進行了巖石礦物鑒定(包括涂片鑒定、碎屑礦物鑒定、黏土礦物X射線衍射分析)和微體古生物鑒定(包括有孔蟲、鈣質超微化石、硅藻、放射蟲鑒定)。碎屑礦物鑒定、黏土礦物X射線衍射分析、有孔蟲、硅藻與放射蟲鑒定分別按照《規范》第8部分之6.4：底質礦物鑒定;6.6：沉積物古生物鑒定。鈣質超微化石與涂片鑒定分別參照《大洋多金屬結核礦產勘查規程》(GB/T 17229—1998)之27、34。其中黏土礦物X射線衍射分析采用理學Rigaku D/Max 2500PC粉末衍射儀。

以上試驗除土工測試為現場進行外，其余分析在室內完成。

3 試驗結果

3.1 物理力學性質

JL7KBC11A箱式站位的物理力學參數隨深度的變化見圖2，沉積物具有較高的天然含水率，最大值為329.9%，最小值為182.7%，平均為225.2%。在垂向上，表層35 cm樣品的天然含水率隨深度的增加而線性減小，變化較快;35 cm以下減小的趨勢明顯變緩，趨于穩定。

沉積物的天然密度較小，范圍為1.19～1.29 g/cm3，平均僅為1.26 g/cm3。總體上，其值隨著深度的增加而增加，底部趨于穩定。

圖2 JL7KBC11A箱式站位物理力學參數隨深度變化曲線Fig.2 Variations of the physical and mechanical parameters with depth for box-type station JL7KBC11A

沉積物的孔隙比較大，范圍為4.57～7.58，平均為5.45。總體上，其值隨著深度的增加而減小，底部趨于穩定，其變化規律與含水率成很好的正相關。

沉積物的抗剪強度介于2.0～8.0 kPa之間，平均為5.6 kPa，表層25 cm數值隨著深度的增加而上升較快，25～40 cm層位趨于穩定，45～55 cm層位有所降低，60～75 cm逐漸回升。

沉積物的貫入阻力介于4.7～41.9 kPa之間，平均為31.1 kPa，表層25 cm數值隨著深度的增加而上升較快，25～60 cm層位趨于穩定，60～75 cm有所回升。

沉積物的無側限抗壓強度數值介于7.84～15.27 kPa深度的增加而逐漸增大。

綜上所述，隨著深度的增加，沉積物的天然含水率和孔隙比逐漸減小，濕密度、抗剪強度、貫入阻力、無側限抗壓強度均呈增大趨勢。

3.2 粒度參數

JL7KGC01A站位沉積物(圖3)中粉砂質量分數為48.41% ～75.50%，平均64.72%;黏土質量分數為18.18% ～44.90%，平均30.08%;砂質量分數為0% ～11.40%，平均5.20%;粒徑為6.26～7.80，平均6.92;分選系數為0.96～2.20，分選中等—很差;偏度 －0.07～0.18，負偏—正偏;峰態0.86～1.07，寬—中等峰態。

圖3 JL7KGC01A站位巖芯沉積物粒度參數與沉積物組成變化Fig.3 Variations of sediment grain size parameters and composition for cores from the Station JL7KGC01A

圖4 JL7KGC05孔巖芯沉積物粒度參數與沉積物組成變化Fig.4 Variations of sediment grain size parameters and composition for cores from the Station JL7KGC05

JL7KGC05站位(圖4)沉積物粉砂質量分數51.59%～67.39%，平均60.34%;黏土質量分數25.51% ～47.77%，平均37.28%;砂質量分數0% ～8.97%，平均2.38%;粒徑為6.32～7.90，平均7.23;分選系數1.39～2.13，分選差—較差;偏度－0.05～0.19，負偏—正偏;峰態0.74～1.00，寬—中等峰態。

綜合上述2個站位的粒度參數，研究區沉積物以黏土質粉砂為主，其中粉砂平均質量分數為62.53%;黏土次之，平均質量分數33.68%;砂質量分數較小，平均3.79%;平均粒徑7.08;分選系數0.96～2.20，分選中等—很差;偏度 －0.07～0.19，負偏—正偏;峰態0.74～1.07，寬—中等峰態。沉積物懸浮組分占絕對優勢，跳躍組分極少量，無滾動組分，表明其沉積環境的水動力較弱。與JL7KGC01A站位相比，JL7KGC05站位沉積物的黏土的質量分數較大，砂和粉砂的質量分數較小，平均粒徑偏小，表明隨著水深的增加，水動力環境相對較弱。

3.3 涂片鑒定

涂片鑒定鏡下顯示物質組成為：黏土47.2%(平均質量分數)、生物殘渣31.5%、長英礦物19.6%，其余角閃石、硅質生物碎屑、沸石、火山玻璃等組分質量分數較小。

3.4 巖石礦物鑒定

碎屑礦物主要有微結核、沸石、角閃石、石英、火山玻璃，質量分數較低或僅在少數層位出現的礦物有磁鐵礦、鈦鐵礦、褐鐵礦、黑云母、白云母、鋯石、長石。此外還發現有魚牙骨、硅質生物碎屑等生物組分。

研究區黏土礦物主要由伊利石－蒙脫石混層礦物、伊利石、高嶺石和綠泥石構成，各個站位的構成見圖5。伊利石－蒙脫石混層礦物在研究區黏土礦物中質量分數較高，為64% ～70%;伊利石15% ～19%、綠泥石7% ～9%、高嶺石6% ～8%。

圖5 黏土礦物組成Fig.5 Composition of clay minerals

3.5 微體古生物鑒定

4個站位的大部分層位均未發現有孔蟲及鈣質超微化石，僅有個別層位發現零星化石碎片，且化石溶蝕嚴重。推測其位于碳酸鹽補償深度(CCD)界限以下，受碳酸鹽溶解作用影響，鈣質化石難于保存。硅藻和放射蟲的豐度較低，部分層位發現大篩盤藻(Ethmodiscus rex)碎片和放射蟲碎片、海綿骨針，保存較差，有溶蝕現象。

4 討論

4.1 物理力學參數相關性分析

利用SPSS 22.0軟件對沉積物的物理性質與力學性質參數進行了Pearson相關分析(表2)，沉積物的物理性質指標、力學性質指標以及二者之間均存在很好的相關性。其中，含水率與密度、抗剪強度、貫入阻力都成負相關，與孔隙比成正相關。海洋中土顆粒沉積后，在自重應力作用下固結排水。水的排出使得土顆粒間的接觸更加緊密，土體變得更加密實，密度也相應增大，孔隙比相應減小，土顆粒間的微觀作用力增強，使得土體的宏觀力學性質也得到改善。這些相關性表明，含水率是影響沉積物物理力學性質的主控因素。

表2 物理與力學參數間的Pearson相關分析Table 2 Pearson correlation analysis between physical and mechanical parameters

4.2 研究區沉積物物理力學性質與大洋沉積物的對比

研究區沉積物與皮嘉費他海盆和中太平洋海盆沉積物的物理力學性質對比見表3，表明不同區域的大洋沉積物的物理力學性質之間也存在較大差異，但整體上研究區沉積物的物理力學性質參數在大洋沉積物相對應參數的變化范圍之內，具有可比性，具備大洋沉積物高含水率、低密度、低強度的特征。

表3 不同海域沉積物物理力學性質參數對比Table 3 Comparison of parameters characterizing physical and mechanical properties for sediments from different seas

4.3 沉積環境

研究區沉積物以粉砂為主(平均質量分數為62.53%)，黏土次之(33.68%)，砂質量分數較少(3.79%);平均粒徑為7.08。沉積物懸浮組分占絕對優勢，跳躍組分極少量，無滾動組分，表明其沉積環境的水動力較弱。

研究區位于碳酸鹽補償深度(CCD)界限以下，受碳酸鹽溶解作用影響，鈣質化石大部分被溶蝕，難于保存。硅藻和放射蟲的豐度也較低，保存較差，有溶蝕現象。研究區沉積環境不利于硅質及鈣質生物化石的沉積和保存。

4.4 物質組成及來源

碎屑礦物主要有微結核、沸石、角閃石、石英、火山玻璃，其余礦物少見或僅在部分層位發現，如磁鐵礦、鈦鐵礦、褐鐵礦、黑云母、白云母、鋯石、長石。黏土礦物主要由伊利石－蒙脫石混層礦物、伊利石、綠泥石和高嶺石組成。部分層位發現硅藻、放射蟲、海綿骨針等硅質生物碎屑，鈣質幾乎全部溶解，留下大量生物殘渣。

微結核的物源主要是界面水，間隙水和海底火山物質水解的析出物，是在氧化條件和偏堿性環境下形成的自生礦物(盧效珍，1992)。沸石為火山物質蝕變而形成的自生礦物(彭漢昌等，1992)。伊利石、綠泥石和高嶺石均為風和水流攜帶入海的陸源物質(唐松等，2004)，而蒙脫石是由基性火山物質、尤其是火山玻璃蝕變而成(張德玉，1993)，伊利石－蒙脫石混層礦物則是蒙脫石和伊利石2個端元礦物之間的過渡礦物(徐博會等，2009)。角閃石、石英、白云母等碎屑礦物為陸源碎屑(劉振夏，1991);硅藻、放射蟲、海綿骨針等硅質生物化石和魚牙骨等為生物成因。

綜上所述，研究區沉積物是陸源物質、生物碎屑物質、火山物質和自生礦物共同作用的結果。

大洋沉積物主要由黏土礦物、硅質和鈣質的生物碎屑組成，陸源碎屑礦物很少;而河口相、濱海相、淺海相的細粒沉積物主要由陸源的碎屑礦物、黏土礦物組成。研究區的沉積物同時具備了大洋和淺海沉積物的物質組成特征，物質組成較為復雜。

4.5 成因分析

硅藻、放射蟲等硅質生物化石，具有密度小、結構松散，多孔、比表面積大等特點，進而造成了沉積物的含水率高、壓縮性高等工程性質。硅藻土具有很高的孔隙性，掃描電子顯微鏡(SEM)觀察顯示孔隙半徑較小，屬超細孔隙，硅藻殘骸體內也存在較多封閉的超細孔隙，這是形成硅藻土低密度的重要原因(張永雙等，2013)。

黏土礦物是構成黏土顆粒的主要成分，是控制沉積物工程性質與變化的主要因素之一。沉積物中的黏土礦物大多集聚成微集聚體，以絮狀鏈接形式組合成蜂窩狀絮凝微結構，結構疏松，孔隙度較大(馬雯波等，2014)，這種微觀結構決定了沉積物的宏觀性質。

沸石是多孔性含水硅鋁酸鹽晶體，其結晶構造主要由四面體組成，構架中有一定孔徑的空腔和孔道，這種獨特的內部結構，決定了其具有良好的吸附性能(趙桂瑜等，2007)，多孔疏松的性質也是造成沉積物特殊工程地質性質的原因。

5 結論

(1)研究區沉積物具有較高的含水率，較低的密度，較大的孔隙比，較低的抗剪強度、貫入阻力和無側限抗壓強度，與大洋沉積物的物理力學性質比較接近，是工程地質性質較差的土體。

(2)隨著深度的增加，沉積物的天然含水率和孔隙比逐漸減小，濕密度、抗剪強度、貫入阻力、無側限抗壓強度等參數增加。這是土體在自重應力作用下固結排水的結果。含水率與密度、抗剪強度、貫入阻力都成負相關，是影響沉積物物理力學性質的主控因素。

(3)研究區沉積物以黏土質粉砂為主，其中粉砂平均質量分數為62.53%，黏土平均質量分數為33.68%，砂平均質量分數為3.79%，平均粒徑為7.08φ。沉積物懸浮組分占絕對優勢，跳躍組分極少量，無滾動組分，表明了水動力較弱的沉積環境。

(4)研究區沉積物物源比較復雜，是陸源物質、生源物質、火山物質和自生礦物共同作用的結果。硅藻、放射蟲、海綿骨針等硅質生物化石以及沸石多孔、松散的特點，以及黏土礦物的結構特征造成了沉積物較高的含水率、較大的孔隙比以及較差的力學性質。

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