南黃海中部泥質區黏性土的微結構特征及其成因分析

徐元芹，李 萍，高 偉，劉 杰

（1. 自然資源部 第一海洋研究所, 山東 青島 266061；2. 自然資源部 海洋地質與成礦作用重點實驗室, 山東 青島 266061；3. 嶗山實驗室 海洋地質過程與環境功能實驗室, 山東 青島 266237）

土體微結構是指結構單元體（由礦物顆粒集合體組成）之間的相互聯系、相互作用的方式和秩序，包括結構單元體的大小、形狀、排列組合方式及其結構連接狀況。微結構是確定土體工程性質的一個重要因素，早在20 世紀20 年代，Terzaghi（1925）指出在評價黏性土的工程性質時，考慮其微結構很有必要。微結構一方面反映了土體的形成條件——沉積環境，另一方面又是決定土體物理、力學及聲學等性質的重要因素，可為土體工程性質的評價提供直接證據（盧博等, 2002）。因此，在黏性土工程性質的評價體系中，對其微結構的研究具有重要的理論和實踐意義。

海洋黏性土是特殊類型的海底沉積物，其具有含水率高、壓縮性大、抗剪強度低等特征，屬不良地基土，對海洋開發的安全性有著重大的影響。海洋黏性土在我國近海廣泛分布，尤其是經濟高度發達、近海工程建設比較密集的地區。研究海洋黏性土的微結構，并深入探討其成因機制，是揭示其工程性狀的重要途徑。本文以南黃海中部泥質區的黏性土為研究對象，劃分黏性土的微結構類型，并從地形特征、物質來源、水動力條件、沉積速率等宏觀因素，以及粒度成分、礦物組成、化學成分等微觀因素進行微結構成因分析，探討各個因素對黏性土微結構的影響機制。研究成果揭示了南黃海中部泥質區黏性土宏觀工程性質的微觀機理，加深了對海洋沉積物工程性狀的認識。研究成果可為該海域油氣開發、海上鉆井平臺建設、海底電纜管線鋪設等各類海洋工程的開發提供理論基礎和應用指導。

1 樣品與方法

本文研究所用的重力柱樣品來源于國家海洋勘測專項——災害地質環境與評價項目（HY126-04-04） 調查航次，于1998 年9 月取自南黃海中部泥質區（圖1）。每根柱狀樣選取1～2 個典型樣品，在中國地質大學（北京）掃描電鏡實驗室利用日本日立公司生產的HITACHIS-450 型掃描電鏡完成微結構實驗。為減少樣品擾動，搬運過程盡量輕搬輕放。樣品從海底取至甲板，盡快封存，并存放于4 ℃冷庫，避免脫水。樣品運回實驗室后，盡快開展測試。實驗過程中選取柱狀樣中心樣品，利用鋼絲鋸取樣，樣品在35 ℃下烘樣15 d。待樣品干燥后，將其掰開，用砂紙將新鮮面磨平，每個土樣取4～5 個子樣，放入掃描電鏡的樣品室內，選擇典型區域，放大至30～6 000 倍，觀察礦物顆粒、團聚體等的結構特征，拍攝具有代表性的微結構圖像。

圖1 研究區域及取樣站位Fig. 1 Locations of the study area and the sampling stations

2 微結構分類依據

Gao（1984）和高國瑞（1984, 1985, 1986）對我國海洋沉積物的微結構特征做了大量研究，根據顆粒形態、孔隙特征、膠結和鏈接類型之間的關系對我國海洋沉積物的微結構類型進行了劃分，并對不同微結構類型沉積物的工程性質作出了評價（表1）。本文根據該方案分析了黏性土微結構。

表1 南黃海中部黏性土的微結構分類Table 1 Microstructure classification of the cohesive soils in the central South Yellow Sea

3 南黃海中部黏性土的微結構特征

對南黃海中部泥質區27 張黏性土微結構圖片的分析發現，該區黏性土具有粒狀鏈接結構、絮狀鏈接結構、黏土基質結構三種微結構類型，并以黏土基質結構為主。

1）粒狀鏈接結構（圖2）：骨架顆粒為粉?；蚣?，顆粒之間部分接觸，部分不接觸，粒間由黏土片或黏土疇組成的鏈連接起來，是粒間孔隙較大的結構。顆粒排列堆壘較為致密、連接鏈較短的為粒狀短鏈鏈接結構（圖2a）；排列較為疏松、連接鏈較細長的為粒狀長鏈鏈接結構（圖2b）（楊位洸等, 1995）。具有該結構類型的黏性土，粉粒含量相對較高，粉粒大小、形狀不一，排列不規則，粒間由少量黏土填充，孔隙相對較小，結構相對致密。沉積物表現為強度中偏低，壓縮性中偏高，孔隙度中等。研究區東側沉積物相對南黃海泥質區中心沉積物粒度偏粗，具有該結構類型。

圖2 南黃海中部黏性土粒狀鏈接結構Fig. 2 Granular bonded structure of the cohesive soils in the central South Yellow Sea

2）絮狀鏈接結構（圖3）：具有該結構類型的黏性土主要是在靜水環境下形成的，骨架為絮凝體，絮凝體之間有一定的間隙，由黏土片或黏土疇將絮凝體連接在一起，絮凝體內和絮凝體之間多孔，結構比較疏松。根據掃描電鏡圖片分析，研究區黏性土主要為開放絮狀長鏈結構（圖3a）和開放絮狀短鏈結構（圖3b）。具有該結構類型的黏性土，黏粒組分含量相對較高，易與海水發生絮凝作用，粒間孔隙發育，結構較為疏松。研究區西側南黃海泥質區中心的沉積物粒度偏細，具有該結構類型，土體抵抗變形的能力較弱，壓縮性較大，孔隙度較高。

圖3 南黃海中部黏性土絮狀鏈接結構Fig. 3 Flocculent bonded structure of the cohesive soils in the central South Yellow Sea

3）黏土基質結構（圖4）：基質由大小不等、形狀各異的黏土片或黏土疇構成?？紫斗浅０l育，無定向性，其大小、形狀變化多端，排列比較疏松的稱為開放黏土基質結構，排列較為緊密的稱為黏土定向基質結構。黏土基質結構是研究區黏性土主要的微結構類型。具有該結構類型的黏性土，黏粒含量極高，粒間孔隙非常發育，結構極為疏松，沉積物強度極低，壓縮性極大。研究區西側南黃海泥質區中心沉積物粒度極細，具有該結構類型。

圖4 南黃海中部黏土基質結構Fig. 4 Clay matrix structure of the cohesive soils in the central South Yellow Sea

4 黏性土微結構特征的成因分析

沉積物的微結構與其沉積環境、沉積歷史以及物質來源等因素關系密切。在分析沉積物微結構特征的同時，若能很好地了解其形成過程中的沉積環境和水動力條件等因素，將對沉積物工程性質的形成有更深入的認識，這對工程建設方案的選取有著重要的指導意義（吳燕開等, 2003）。本文分別從地形特征、物質來源、水動力條件、沉積速率等宏觀因素，以及粒度成分、礦物組成、化學成分等微觀因素對黏性土微結構的成因進行分析，探討各個因素對黏性土微結構的影響機制。

4.1 宏觀因素

4.1.1 海底地形特征

不同地形特征的區域，海洋動力條件存在一定的差異，從而對入海沉積物的搬運和沉積產生影響；海底地形還對入海物質的擴散起著重要的控制作用，進而對沉積物的微結構產生直接影響。南黃海中部為平原區，水深較大，海底地勢由東西兩側向中部傾斜，是南黃海海底地勢最平坦低洼的區域（藍先洪等, 2000）。研究區離陸較遠，水域開闊，水體與外海交換通暢，能夠擴散至此的沉積物以黏土顆粒為主，水動力較弱，沉積環境穩定，沉積物沉積后不易再懸浮，所以沉積物主要為含水量極高的淤泥，微結構以孔隙極為發育、結構極為疏松的黏土基質結構為主。

4.1.2 物質來源

海洋沉積物的來源以陸表徑流攜帶的物質為主。不同流域的地質背景、母巖類型、氣候條件不同，從而導致風化作用類型和風化后的產物不同，這些風化物質進入河流后，粗顆粒物質大多沿途沉淀下來，細顆粒物質被攜帶入海沉積下來。在細顆粒物質的搬運過程中，河流徑流量和輸沙量對其起著重要的控制作用。對于黃河、長江及朝鮮半島入海河流搬運的陸源物質如何影響南黃海中部泥質區的沉積作用，大量的研究得出黃河、長江和朝鮮半島來源的物質對南黃海不同區域影響作用不同的結論（秦蘊珊等, 1989; 藍先洪等, 2000, 2007, 2009）。本文認為研究區以現代黃河和老黃河搬運的物質為主，其成分繼承了黃河源物質的特征，但由于經歷了現代黃河的長途搬運和老黃河物質的再懸浮搬運，沉積物以細顆粒為主，且蒙脫石含量較高，使得研究區黏性土微結構以絮凝體和黏土片（或黏土疇）等孔隙含量較高的骨架為主。

4.1.3 水動力條件

海洋水動力條件影響著沉積物的擴散、沉積，還能使沉積后的物質發生再懸浮和再搬運，水動力條件的強弱還影響著沉積物的搬運距離和泥沙顆粒的分布等，從而對沉積物的微結構產生一定的影響。水動力條件對南黃海中部泥質區沉積物分布的控制作用主要由黃海沿岸流和黃海暖流產生（圖5）。黃海沿岸流攜帶的現代黃河物質的運移范圍東部大體以黃海暖流或黃海槽為界，南部約到達35°N，外海區約至南黃海中部泥質區的南界（吳鵬, 2007），并與黃海暖流攜帶來的物質發生不同程度的重合（尹秀珍等, 2007）。蘇北老黃河物質由于受黃海沿岸流和潮流的影響侵蝕強烈，在沿岸流作用下向東南搬運，在長江口附近受臺灣暖流、長江沖淡水及冬季浙閩沿岸流的頂托改道向東北搬運（藍先洪等, 2005）。黃海暖流在其運移過程中，與黃海沿岸流互相作用產生了一系列渦旋（毛漢禮, 1986），在南黃海中央海域底層的水團則為著名的“黃海冷水團”（申順喜等, 1993）。南黃海中部是弱潮流區，其環流只能影響大于4Φ的細粒懸浮物質（申順喜等, 1996），所以該區域的沉積物粒度較細，主要為泥質沉積物，且飽水，含水率極高（申順喜等，1993）。此外，該冷水團底層水的年平均溫度低于8 ℃（24 a 平均值）（徐剛等, 2010），底質沉積物的Eh 平均值介于-30～-150 mV，表明研究區為還原環境（石學法等, 2001），從而使得沉積物呈現灰綠色，富含自生黃鐵礦（王琦等, 1981; 秦蘊珊等, 1989）。大量自生黃鐵礦的出現，代表沉積物中富含有機質（秦蘊珊等, 1992），而有機質的存在對沉積物的結構強度起到了弱化作用。

圖5 渤、黃、東海流系分布Fig. 5 Map of ocean current system in the Bohai Sea, the Yellow Sea, and the East China Sea

4.1.4 沉積速率

沉積速率是海洋沉積學的一個重要指標（胡邦琦等, 2011），它是沉積物物質來源、水動力條件、搬運距離、沉積盆地地形特征等多項因素綜合配置的結果，研究沉積速率更能直接反映沉積物微結構的成因特征。南黃海中部大部分地區近百年來的沉積速率較低，普遍小于0.2 cm/a（李鳳業等,2002），表明研究區的物質供應較少，且處于低能環境（胡邦琦等, 2011）。該沉積速率低值區與南黃海冷渦的位置相重合，沉積速率的分布特征較好地指示了南黃海中部泥質區沉積物的擴散格局和沉積模式。

4.2 微觀因素

海洋黏性土多為飽和土體，主要由土顆粒和水組成。其中，土顆粒是組成主體，在與水的相互作用時占主導地位，水則充填于黏性土內部的孔隙之間，含有多種溶液組分，對沉積物的結構也會產生影響。在研究沉積物的物質組成對微結構特征的影響時，一般從粒度成分、礦物組成和化學成分三個方面來考慮（馮蕾, 2009）。

4.2.1 粒度成分

粒度成分對沉積物的成因、沉積環境、物源供應及自然地理條件等具有很好的指示作用，這些因素影響著沉積物的微結構特征（張宏等, 2007）。顆粒越細，與水的作用越強烈。隨著沉積物的粒徑由大變小，其工程性質由無黏性、無塑性逐漸變至具有較大的黏性和塑性，以及吸水膨脹性等一系列特殊性質。南黃海中部泥質區黏性土以粉粒和黏粒為主，黏粒含量較高（表2），使得研究區黏性土的結構主要以黏土絮凝體、黏土片或黏土疇為骨架，由于黏土顆粒的吸水膨脹特征，骨架顆粒之間孔隙極為發育。

表2 不同類型黏性土的粒度組分質量分數Table 2 Contents of grain size compositions in different cohesive soils Grain size distribution of different types of cohesive soil

4.2.2 化學成分

海洋沉積物是由固相和液相(含有多種溶解物質)所組成的復雜多相體系，其化學成分是指固相和液相中的化學元素、化合物的種類及它們之間的相對含量（馮蕾, 2009）。南黃海中部泥質區黏性土的固相化學成分以SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 和CaCO3為主，另有少量的MgO、K2O 和Na2O 等（表3）。高嶺石的特征是Al2O3含量高，伊利石的特征是K2O 含量較高，蒙脫石類和蛭石類礦物的含量可依MgO 的含量來判斷（唐大雄等, 1999）。根據沉積物中的固相化學成分可以預測南黃海中部黏性土中高嶺土、伊利石和蒙脫石等典型黏土礦物含量較高（Millogo et al, 2008），尤其是蒙脫石類黏土礦物，其與水作用強烈，能夠在土粒外圍形成很厚的水化膜。沉積物中只要有少量蒙脫石存在，就能使其含水量極大提高，結構變得極為疏松。

表3 南黃海中部黏性土的主要化學成分質量分數Table 3 The main chemical compositions of the cohesive soils in the central South Yellow Sea

液相化學成分主要是指易溶鹽、中溶鹽，它們是溶液的主要成分，以離子形式存在，一部分與黏粒表面的電荷相作用成為反離子層的組成部分，另一部分離子進入黏粒土的擴散層（鄭志昌等,2004）?？扇茺}類對沉積物微結構的影響在于其存在能夠削弱土的粒間聯結，使得粒間孔隙增大、土體結構松散。

4.2.3 礦物組成

沉積物中的礦物包括原生礦物、次生礦物和有機質。原生礦物顆粒較大，物理、化學性質穩定，親水性弱或較弱，對研究區黏性土的微結構影響較小。次生礦物主要為黏土礦物，其與有機質的含量和組成對黏性土的微結構有重要控制作用。

黏土礦物主要包括高嶺石、伊利石、綠泥石和蒙脫石。高嶺石易形成較粗的黏土顆粒，其親水性較弱；蒙脫石易形成較細的黏土顆粒，親水能力較強，遇水極度膨脹；伊利石和綠泥石介于兩者之間（Millogo et al, 2008），這4 種黏土礦物是海洋黏性土的主要組分。沉積物中所含黏土礦物的種類及含量對微結構有很大的影響，少量蒙脫石、伊利石類黏土礦物就可使其結構變得極為疏松，土體強度降低＞50%（徐元芹等, 2010）。研究區黏性土中伊利石、綠泥石和蒙脫石等親水性較強的礦物含量較高（表4），使得該區黏性土含水量極高（最高達153.03%），形成的微結構孔隙非常發育，結構非常疏松。

表4 南黃海中部黏性土的礦物質量分數Table 4 Mineral compositions of the cohesive soils in the central South Yellow Sea

有機質能夠吸收水分而使黏土顆粒聚集形成開放結構（吳鵬, 2007），比黏土礦物有更強的膠體特性和更高的親水性，對土的微結構形態的影響甚至比蒙脫石還大（孔令偉等, 2002）。當沉積物中含有1%～2%的有機質時，就會使土的分散性加大（李麗華等, 2009），孔隙度增大，強度降低（牟春梅等, 2008; 呂巖等, 2011）。研究區黏性土中有機質的平均質量分數為1.35%，其存在對黏性土的結構強度起到了削弱作用。

通過掃描電鏡實驗還發現沉積物中存在硅藻（圖6），其具有密度小、多孔、結構松散、比表面積大和吸附性強（吸水率為75%～120%）等特點（高華喜等, 2007），它也直接影響了沉積物的含水率、孔隙度、壓縮性等性質。

圖6 硅藻掃描電子顯微鏡照片Fig. 6 A scanning electron microscope photograph of diatom

5 結 論

本文通過對南黃海中部泥質區27 張黏性土微結構圖片的分析，劃分了該區黏性土的微結構類型，并探討了地形特征、物質來源、礦物組成、化學成分等宏觀和微觀因素對黏性土微結構的影響機制，得出了如下結論。

1）南黃海中部泥質區黏性土具有粒狀鏈接結構、絮狀鏈接結構和黏土基質結構三種微結構類型，以黏土基質結構為主，具有這種結構的黏性土骨架由大小不等、形狀各異的黏土片或黏土疇構成，孔隙非常發育，土體結構疏松。

2）微結構成因的宏觀因素分析表明，南黃海中部泥質區離陸較遠、水深較大、地勢低洼平坦，加之該區水動力條件較弱為還原環境，現代黃河、老黃河和少量長江來源的物質能夠擴散至此的以極細的黏粒物質為主，沉積速率較低，使得該區黏性土的骨架顆粒以黏土片或黏土疇為主。

3）微結構成因的微觀因素分析表明，南黃海中部泥質區沉積物的黏粒含量極高，黏性土中伊利石、綠泥石和蒙脫石等親水性較強的礦物及有機質含量較高，使得該區黏性土易吸水膨脹，孔隙發育，形成以黏土基質結構為主的松散結構。