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(zhì)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(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室, 山東 青島 266237）

土體微結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)單元體（由礦物顆粒集合體組成）之間的相互聯(lián)系、相互作用的方式和秩序，包括結(jié)構(gòu)單元體的大小、形狀、排列組合方式及其結(jié)構(gòu)連接狀況。微結(jié)構(gòu)是確定土體工程性質(zhì)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(zhì)時，考慮其微結(jié)構(gòu)很有必要。微結(jié)構(gòu)一方面反映了土體的形成條件——沉積環(huán)境，另一方面又是決定土體物理、力學(xué)及聲學(xué)等性質(zhì)的重要因素，可為土體工程性質(zhì)的評價提供直接證據(jù)（盧博等, 2002）。因此，在黏性土工程性質(zhì)的評價體系中，對其微結(jié)構(gòu)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(fā)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(jīng)濟高度發(fā)達、近海工程建設(shè)比較密集的地區(qū)。研究海洋黏性土的微結(jié)構(gòu)，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(zhì)區(qū)的黏性土為研究對象，劃分黏性土的微結(jié)構(gòu)類型，并從地形特征、物質(zhì)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(xué)成分等微觀因素進行微結(jié)構(gòu)成因分析，探討各個因素對黏性土微結(jié)構(gòu)的影響機制。研究成果揭示了南黃海中部泥質(zhì)區(qū)黏性土宏觀工程性質(zhì)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(fā)、海上鉆井平臺建設(shè)、海底電纜管線鋪設(shè)等各類海洋工程的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)和應(yīng)用指導(dǎo)。

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(zāi)害地質(zhì)環(huán)境與評價項目（HY126-04-04） 調(diào)查航次，于1998 年9 月取自南黃海中部泥質(zhì)區(qū)（圖1）。每根柱狀樣選取1～2 個典型樣品，在中國地質(zhì)大學(xué)（北京）掃描電鏡實驗室利用日本日立公司生產(chǎn)的HITACHIS-450 型掃描電鏡完成微結(jié)構(gòu)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(nèi)，選擇典型區(qū)域，放大至30～6 000 倍，觀察礦物顆粒、團聚體等的結(jié)構(gòu)特征，拍攝具有代表性的微結(jié)構(gòu)圖像。

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

2 微結(jié)構(gòu)分類依據(jù)

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

表1 南黃海中部黏性土的微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)特征

對南黃海中部泥質(zhì)區(qū)27 張黏性土微結(jié)構(gòu)圖片的分析發(fā)現(xiàn)，該區(qū)黏性土具有粒狀鏈接結(jié)構(gòu)、絮狀鏈接結(jié)構(gòu)、黏土基質(zhì)結(jié)構(gòu)三種微結(jié)構(gòu)類型，并以黏土基質(zhì)結(jié)構(gòu)為主。

1）粒狀鏈接結(jié)構(gòu)（圖2）：骨架顆粒為粉?；蚣＃w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(jié)構(gòu)。顆粒排列堆壘較為致密、連接鏈較短的為粒狀短鏈鏈接結(jié)構(gòu)（圖2a）；排列較為疏松、連接鏈較細長的為粒狀長鏈鏈接結(jié)構(gòu)（圖2b）（楊位洸等, 1995）。具有該結(jié)構(gòu)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(guī)則，粒間由少量黏土填充，孔隙相對較小，結(jié)構(gòu)相對致密。沉積物表現(xiàn)為強度中偏低，壓縮性中偏高，孔隙度中等。研究區(qū)東側(cè)沉積物相對南黃海泥質(zhì)區(qū)中心沉積物粒度偏粗，具有該結(jié)構(gòu)類型。

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

2）絮狀鏈接結(jié)構(gòu)（圖3）：具有該結(jié)構(gòu)類型的黏性土主要是在靜水環(huán)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(nèi)和絮凝體之間多孔，結(jié)構(gòu)比較疏松。根據(jù)掃描電鏡圖片分析，研究區(qū)黏性土主要為開放絮狀長鏈結(jié)構(gòu)（圖3a）和開放絮狀短鏈結(jié)構(gòu)（圖3b）。具有該結(jié)構(gòu)類型的黏性土，黏粒組分含量相對較高，易與海水發(fā)生絮凝作用，粒間孔隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)較為疏松。研究區(qū)西側(cè)南黃海泥質(zhì)區(qū)中心的沉積物粒度偏細，具有該結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)Fig. 3 Flocculent bonded structure of the cohesive soils in the central South Yellow Sea

3）黏土基質(zhì)結(jié)構(gòu)（圖4）：基質(zhì)由大小不等、形狀各異的黏土片或黏土疇構(gòu)成?？紫斗浅０l(fā)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(zhì)結(jié)構(gòu)，排列較為緊密的稱為黏土定向基質(zhì)結(jié)構(gòu)。黏土基質(zhì)結(jié)構(gòu)是研究區(qū)黏性土主要的微結(jié)構(gòu)類型。具有該結(jié)構(gòu)類型的黏性土，黏粒含量極高，粒間孔隙非常發(fā)育，結(jié)構(gòu)極為疏松，沉積物強度極低，壓縮性極大。研究區(qū)西側(cè)南黃海泥質(zhì)區(qū)中心沉積物粒度極細，具有該結(jié)構(gòu)類型。

圖4 南黃海中部黏土基質(zhì)結(jié)構(gòu)Fig. 4 Clay matrix structure of the cohesive soils in the central South Yellow Sea

4 黏性土微結(jié)構(gòu)特征的成因分析

沉積物的微結(jié)構(gòu)與其沉積環(huán)境、沉積歷史以及物質(zhì)來源等因素關(guān)系密切。在分析沉積物微結(jié)構(gòu)特征的同時，若能很好地了解其形成過程中的沉積環(huán)境和水動力條件等因素，將對沉積物工程性質(zhì)的形成有更深入的認識，這對工程建設(shè)方案的選取有著重要的指導(dǎo)意義（吳燕開等, 2003）。本文分別從地形特征、物質(zhì)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(xué)成分等微觀因素對黏性土微結(jié)構(gòu)的成因進行分析，探討各個因素對黏性土微結(jié)構(gòu)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(qū)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(chǎn)生影響；海底地形還對入海物質(zhì)的擴散起著重要的控制作用，進而對沉積物的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接影響。南黃海中部為平原區(qū)，水深較大，海底地勢由東西兩側(cè)向中部傾斜，是南黃海海底地勢最平坦低洼的區(qū)域（藍先洪等, 2000）。研究區(qū)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(huán)境穩(wěn)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(jié)構(gòu)以孔隙極為發(fā)育、結(jié)構(gòu)極為疏松的黏土基質(zhì)結(jié)構(gòu)為主。

4.1.2 物質(zhì)來源

海洋沉積物的來源以陸表徑流攜帶的物質(zhì)為主。不同流域的地質(zhì)背景、母巖類型、氣候條件不同，從而導(dǎo)致風(fēng)化作用類型和風(fēng)化后的產(chǎn)物不同，這些風(fēng)化物質(zhì)進入河流后，粗顆粒物質(zhì)大多沿途沉淀下來，細顆粒物質(zhì)被攜帶入海沉積下來。在細顆粒物質(zhì)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(zhì)如何影響南黃海中部泥質(zhì)區(qū)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(zhì)對南黃海不同區(qū)域影響作用不同的結(jié)論（秦蘊珊等, 1989; 藍先洪等, 2000, 2007, 2009）。本文認為研究區(qū)以現(xiàn)代黃河和老黃河搬運的物質(zhì)為主，其成分繼承了黃河源物質(zhì)的特征，但由于經(jīng)歷了現(xiàn)代黃河的長途搬運和老黃河物質(zhì)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(qū)黏性土微結(jié)構(gòu)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(zhì)發(fā)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。水動力條件對南黃海中部泥質(zhì)區(qū)沉積物分布的控制作用主要由黃海沿岸流和黃海暖流產(chǎn)生（圖5）。黃海沿岸流攜帶的現(xiàn)代黃河物質(zhì)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(qū)約至南黃海中部泥質(zhì)區(qū)的南界（吳鵬, 2007），并與黃海暖流攜帶來的物質(zhì)發(fā)生不同程度的重合（尹秀珍等, 2007）。蘇北老黃河物質(zhì)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(chǎn)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(qū)，其環(huán)流只能影響大于4Φ的細粒懸浮物質(zhì)（申順喜等, 1996），所以該區(qū)域的沉積物粒度較細，主要為泥質(zhì)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(zhì)沉積物的Eh 平均值介于-30～-150 mV，表明研究區(qū)為還原環(huán)境（石學(xué)法等, 2001），從而使得沉積物呈現(xiàn)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(xiàn)，代表沉積物中富含有機質(zhì)（秦蘊珊等, 1992），而有機質(zhì)的存在對沉積物的結(jié)構(gòu)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(xué)的一個重要指標（胡邦琦等, 2011），它是沉積物物質(zhì)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(jié)果，研究沉積速率更能直接反映沉積物微結(jié)構(gòu)的成因特征。南黃海中部大部分地區(qū)近百年來的沉積速率較低，普遍小于0.2 cm/a（李鳳業(yè)等,2002），表明研究區(qū)的物質(zhì)供應(yīng)較少，且處于低能環(huán)境（胡邦琦等, 2011）。該沉積速率低值區(qū)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(zhì)區(qū)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(dǎo)地位，水則充填于黏性土內(nèi)部的孔隙之間，含有多種溶液組分，對沉積物的結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生影響。在研究沉積物的物質(zhì)組成對微結(jié)構(gòu)特征的影響時，一般從粒度成分、礦物組成和化學(xué)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(huán)境、物源供應(yīng)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)。南黃海中部泥質(zhì)區(qū)黏性土以粉粒和黏粒為主，黏粒含量較高（表2），使得研究區(qū)黏性土的結(jié)構(gòu)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(fā)育。

表2 不同類型黏性土的粒度組分質(zhì)量分數(shù)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(xué)成分

海洋沉積物是由固相和液相(含有多種溶解物質(zhì))所組成的復(fù)雜多相體系，其化學(xué)成分是指固相和液相中的化學(xué)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(zhì)區(qū)黏性土的固相化學(xué)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(jù)沉積物中的固相化學(xué)成分可以預(yù)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(jié)構(gòu)變得極為疏松。

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

液相化學(xué)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(jié)構(gòu)的影響在于其存在能夠削弱土的粒間聯(lián)結(jié)，使得粒間孔隙增大、土體結(jié)構(gòu)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(zhì)。原生礦物顆粒較大，物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，親水性弱或較弱，對研究區(qū)黏性土的微結(jié)構(gòu)影響較小。次生礦物主要為黏土礦物，其與有機質(zhì)的含量和組成對黏性土的微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)有很大的影響，少量蒙脫石、伊利石類黏土礦物就可使其結(jié)構(gòu)變得極為疏松，土體強度降低＞50%（徐元芹等, 2010）。研究區(qū)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(qū)黏性土含水量極高（最高達153.03%），形成的微結(jié)構(gòu)孔隙非常發(fā)育，結(jié)構(gòu)非常疏松。

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

有機質(zhì)能夠吸收水分而使黏土顆粒聚集形成開放結(jié)構(gòu)（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(jié)構(gòu)形態(tài)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(zhì)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(qū)黏性土中有機質(zhì)的平均質(zhì)量分數(shù)為1.35%，其存在對黏性土的結(jié)構(gòu)強度起到了削弱作用。

通過掃描電鏡實驗還發(fā)現(xiàn)沉積物中存在硅藻（圖6），其具有密度小、多孔、結(jié)構(gòu)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(zhì)。

圖6 硅藻掃描電子顯微鏡照片F(xiàn)ig. 6 A scanning electron microscope photograph of diatom

5 結(jié) 論

本文通過對南黃海中部泥質(zhì)區(qū)27 張黏性土微結(jié)構(gòu)圖片的分析，劃分了該區(qū)黏性土的微結(jié)構(gòu)類型，并探討了地形特征、物質(zhì)來源、礦物組成、化學(xué)成分等宏觀和微觀因素對黏性土微結(jié)構(gòu)的影響機制，得出了如下結(jié)論。

1）南黃海中部泥質(zhì)區(qū)黏性土具有粒狀鏈接結(jié)構(gòu)、絮狀鏈接結(jié)構(gòu)和黏土基質(zhì)結(jié)構(gòu)三種微結(jié)構(gòu)類型，以黏土基質(zhì)結(jié)構(gòu)為主，具有這種結(jié)構(gòu)的黏性土骨架由大小不等、形狀各異的黏土片或黏土疇構(gòu)成，孔隙非常發(fā)育，土體結(jié)構(gòu)疏松。

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

3）微結(jié)構(gòu)成因的微觀因素分析表明，南黃海中部泥質(zhì)區(qū)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(zhì)含量較高，使得該區(qū)黏性土易吸水膨脹，孔隙發(fā)育，形成以黏土基質(zhì)結(jié)構(gòu)為主的松散結(jié)構(gòu)。