埕岛油田海域沉积物沉积分类向工程分类的转化研究*

杜 星，孙永福，胡光海，宋玉鹏，董立峰，刘晓瑜，周其坤，马彬彬

(国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061)



埕岛油田海域沉积物沉积分类向工程分类的转化研究*

杜 星，孙永福，胡光海，宋玉鹏，董立峰，刘晓瑜，周其坤，马彬彬

(国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061)

通过对埕岛海域长期以来的海洋沉积物工程分类样品进行分析，发现并总结了黏粒质量分数与塑性指数之间存在的关系。在一定程度下，只利用沉积物的粒级组分就可进行工程分类。研究发现：粉土与粉质黏土的黏粒质量分数界限为20%，粉质黏土与黏土的黏粒质量分数界限35%。使用该分类界限，在研究区只使用粒度对沉积物的工程分类命名准确率可达90%以上，做出沉积物分布图准确率在80%以上。

埕岛油田；工程分类；沉积分类；黏粒质量分数；塑性指数

海洋沉积物工程分类对海洋工程的研究、发展有着重要的作用。工程地质需要按照一定的原则将岩石和土进行科学分类，从而正确、系统地掌握各种沉积物的工程地质特征，绘制海底沉积物平面分布图与剖面图，对岩土体做出明确的评价，为工程规划、设计、施工提供必要的依据。但粉土、黏土的定名需测定样品液塑限，过程较为复杂。相比而言，沉积分类只需沉积物粒度数据即可，定名较为简便。同时，工程分类定名的沉积物数据主要集中于近岸区域，而沉积分类定名的数据分布较为广泛。寻找到二者间的转化关系，可利用海洋沉积分类的数据对沉积物进行工程定名。

海洋沉积物工程分类中的碎石土、砂土均是由某一粒级组分的质量分数确定的，可根据粒度资料直接定名。粉土和黏性土需要使用塑性指数，无法直接用粒度定名。塑性指数受到黏粒质量分数、蒙脱石矿物[1]、土体弱结合水质量分数等因素的影响。通常，黏粒质量分数越大、蒙脱石矿物越多、土体中弱结合水质量分数越多，塑性指数越大。黏粒质量分数增多时，土体的塑性指数相应随着增大，代表可塑状态下最大含水量的升高[2]。但是黏粒质量分数只是影响塑性指数的一个因素，无法完全替代塑性指数，只能在一定程度上反映二者之间的关系。部分规范[3-5]中已经提及过粉土、粉质黏土等根据黏粒质量分数划分的界限。近年来有学者也对黏粒质量分数和塑性指数做了回归分析[6-8]，但是至今没有确切的转化方法。因此，我们分析总结塑性指数与黏粒质量分数的关系，并确定完整的沉积分类数据向工程分类的转化方法。

1 研究区背景

1.1 埕岛油田海域概况

埕岛油田地处黄河口三角洲的北部，渤海湾的西南端，是海陆交互作用的交汇带，也是河海相互作用的敏感地区。1855年以来，黄河口多次转移改道，经历了海侵、海退和三角洲进积与蚀退的交替反复过程，使该区浅地层三维结构十分紊乱，沉积作用表现十分强烈，地层沉积特征复杂。埕岛油田属于渤海湾南部的极浅海海域，是世界上海洋工程环境最复杂的地区之一[9]。研究区海底表层沉积物在粒度组成上主要为粉砂和粉土，表层沉积物类型有细砂、粉砂质砂、砂质粉砂、粉砂、黏土质粉砂和粉砂质黏土六种类型。沉积物分布总体上呈条带状，由岸向海沉积物颗粒逐渐变细，但也存在沉积物类型在水动力作用过程中随时空变化的差异性。近岸地区水动力条件较强，导致沉积物粒度变化特征较为复杂，粗细类型沉积物可交替出现，远岸地区沉积物由岸向海逐渐变细*孙永福,宋玉鹏,胡光海,等.埕岛油田灾害地质研究成果报告.国家海洋局第一海洋研究所,2006:46-73.。

埕岛油田自1993年开发至今，已有20多a的历史，截止2013-01埕岛油田主力含油层系馆陶组投产油井245口，日产液水平20 483.8 t，日产油水平4 462.3 t。本区域海洋工程环境复杂，研究和开发意义重大[10-11]。长期以来的研究开发，为本区积累了大量的研究资料，因此对本海区进行研究分析，既有丰富的实际勘测资料支撑，又可以为以后进一步的科学研究和经济开发服务。

2 材料和方法

2.1 材 料

样品A为使用沉积定名的取自埕岛油田及其周边海域的367个沉积物表层样(118°30′～119°18′E，37°54′～38°30′N)。取样位置如图1所示。样品B为413个使用工程定名的3组原状样。其中甲组共有291个样品，乙组共有71个样品，丙组有51个样品。样品C为142个使用工程定名的表层原状样，用以最终检验沉积物分布图的准确性。

原状样品B和C是长期以来在埕岛油田地区进行工程勘察所积累的。鉴于工程定名中不同单位对液塑限测定有所偏差，所以综合了3组数据进行分析。只有粉土和黏性土的分类用到了塑性指数，所以只提取了粉土和黏性土两类作为研究对象。

图1 研究区及采样位置

2.2 方 法

1)分析、总结界限：将样品B的黏粒质量分数按从小到大的顺序排列。通过分别分析、筛选3组数据，得出3组粉土与粉质黏土、粉质黏土与黏土之间的界限。

2)初步判断准确率：将样品B根据得出的界限，按照黏粒质量分数进行定名，再与原始的定名进行对照，可以初步得出定名准确率。

3)整合界限：综合考虑3个单位黏粒质量分数的界限，结合经验和实际情况，得出最终的粉土与粉质黏土、粉质黏土与黏土的黏粒质量分数分界线。然后将汇总的分界线整合到国标规范[2]中，总结成只用粒度进行工程定名的方法。

4)作图与检验：将样品A按照新的分类方法进行工程定名。做出研究区的工程分类的沉积物分布图，将样品C按坐标投影在图上，通过统计落在相应区域的沉积物个数，验证分布图准确率。

3 结果与讨论

3.1 结 果

3.1.1 初步检验准确率结果

3组样品数据由3个不同单位做实验得出。分析不同单位所得数据，可使结论更具有普遍性。分别将每组数据按黏粒质量分数从小到大排列，通过观察与分析，可得出使沉积物新分类与原工程分类一致率最高的黏粒质量分数界限。考虑3组数据的数据量，并根据经验综合考虑，可以得出最准确的黏粒质量分数分类界限。

通过分析总结3组沉积物工程定名数据得出：甲组共有291个样品，根据黏粒质量分数重新定名后，与规范定名相同的有267个，准确率达到91.75%；乙组共有71个沉积物样品，有71个与规范定名相同，准确率达到100%；丙组共有样品51个，与原有定名相同的有47个，准确率达到92.16%。最终结果如表1所示。

表1 采用黏粒质量分数界限的沉积物工程定名结果Table 1 Results of engineering classification using boundaries of clay particle contents

结合经验与实际情况考虑后得出：粉土与粉质黏土之间的黏粒质量分数界限为20%，粉质黏土与黏土之间的黏粒质量分数界限为35%。在样品大于0.075 mm的组分质量分数小于50%时，黏粒质量分数小于20%时定名为粉土；黏粒质量分数介于20%～35%时定名为粉质黏土；当样品所含黏粒质量分数大于35%时可定名为黏土。

3.1.2 新工程分类方法

参考《海洋调查规范》[4]和所得的黏粒质量分数界限，整合的新工程分类方法见表2。

表2 砂土、粉土和黏性土分类Table 2 Classification standard for sand, silt and clay

3.1.3 作图检验结果

使用上述定名方法对367个沉积物表层样品(样品A)进行新工程定名，得到定名结果为：黏土6个，粉质黏土132个、粉土204个、粉砂22个、细砂1个、粗砂2个。根据上述分类结果做图，得到埕岛海域地区工程定名沉积物分布图(图2)。

图2 研究区沉积物分布

将142个已知的工程规范定名的钻孔表层样(样品C)按坐标投影在图上检验，得出本沉积物分布图的检验准确率见表4，其检验钻孔位置见图3。

表4 钻孔检验结果Table 4 Results of testsby drillingcores

图3 检验钻孔位置图

3.2 讨 论

3.2.1 粉土与粉质黏土、粉质黏土与黏土的界限

通过分析处理长期以来积累的3组数据，归纳总计出了3个最适宜该资料的黏粒质量分数分界线。综合各单位的样品个数与实际经验，得出了统一的20%与35%两个界限。使用该界限对粉土以及黏性土进行重新定名，与原有工程定名符合率均为90%以上，有较高的准确性。但在一些已有的工程规范中，将粉土与粉质黏土的黏粒质量分数界限划分为15%，将粉质黏土与黏土的界限划分为30%。本文所得到的黏粒质量分数界限和其相比均偏大，可能由于规范的界限考虑了液化性能等其他影响因素。

黏粒质量分数与土的液化性能有密切的联系。李兰等[12]指出，黏粒质量分数对黄土液化性能的影响，并不是随黏粒质量分数的增大,抗液化性能单调的增加的关系,而是在黏粒质量分数Pc=15%附近抗液化性能最低。曹成林等[13]认为，随黏粒质量分数增加，粉土动强度不是单调变化，而是先减小后增大，且黏粒质量分数为9%的土样最容易破坏。刘雪珠和陈国兴[15]认为，在黏粒质量分数为10%的时候，南京粉细砂最容易被破坏。按《建筑抗震设计规范》[15]中的规定，粉土的黏粒(d<0.005 mm的颗粒)质量分数，在地震烈度7，8，9度时分别不小于10，13，16，可判为不液化土。已有规范中考虑黏粒质量分数界限受到液化性能的影响，偏向于液化性能最强烈变化的一点。

《海洋调查规范》[4]中将粉土与粉质黏土、粉质黏土与黏土的塑性指数界限规定为10和17。即本文黏粒质量分数20%与塑性指数10对应，黏数质量分数35%与塑性指数17对应。之前一些研究人员做过关于黏粒质量分数和塑性指数的回归分析。其中张梅静和陈高[6]所得到的公式与本文界限较为接近，当塑性指数为10时，黏粒质量分数为26.986%；当塑性指数为17时，黏粒质量分数为38.34%。何停印和闫芙蓉[7]的公式得出，当塑性指数约为10时，黏粒质量分数为23%。闫芙蓉等[8]公式得出，当塑性指数约为10时，黏粒质量分数为23%。而《港口工程地基规范》[3]中指出，塑性指数为10对应的黏粒质量分数为15%。前人与本文所得黏粒质量分数界限均偏大，说明实测样品黏粒质量分数偏大在各地区都存在，有一定的普遍性。

3.2.2 钻孔检验结果

利用142个原状样品对沉积物分布图检验，结果显示黏土、粉质黏土准确率不高，粉土准确率较高，粉砂相对居中。黏土、粉质黏土样品数太少，导致二者正确率不高。粉土正确率达到98.24%。将3种沉积物结合在一起检验，总正确率超过80%，沉积物分布情况与实际较为符合。沉积物分布图受精度、比例尺、地形地貌等条件的制约，只是大致反映研究区的沉积物分布情况。因此，利用新工程分类方法做出的沉积物分布图较为可靠，适用于埕岛海域使用。

3.2.3 新工程分类

本文得出的新工程分类方法是在国标[4]分类的基础上，碎石土和砂土的分类方法不变，将粉土和黏性土仅按照黏粒质量分数来划分。没有将粉土进一步划分为粉质粉土和黏质粉土，省略了淤泥质黏土和淤泥。沉积定名的数据简单，仅需粒度资料。而工程定名复杂，需要较多参数，这对海洋工程地质工作的进行造成了不便。去除了塑性指数这一定名标准，可在当前尚无沉积物工程分类的地区，根据已有沉积分类的粒度数据初步进行工程定名，便于初步分析与进一步研究，更好地利用了已有数据。另外，粉质粉土、黏质粉土和淤泥质黏土以及淤泥的划分有待进一步研究。

黏粒质量分数与塑性指数存在明显的正相关性，可在一定程度上反映塑性指数。但由于塑性指数由黏粒质量分数、蒙脱石矿物质量分数、土体中弱结合水量共同作用，所以只凭黏粒质量分数无法完全取代塑性指数。较高的正确率已经能够体现出这种新方法的正确性，在一定程度上对海洋工程地质有着重要的指示作用。本文提出的方法在其他海域的准确性有待于进一步检验。

4 结 论

1)黏粒质量分数与塑性指数具有较大相关性，在一定程度上可以利用黏粒质量分数来代替塑性指数对沉积物进行工程定名。

2)使用粉土与粉质黏土黏粒质量分数界限20%，粉质黏土与黏土黏粒界限质量分数35%对研究区沉积物命名，准确率可达90%以上。沉积物分布图用已知工程定名的表层原状样检验，准确率可达80%以上。

3)在一定程度上，本文提出的新工程分类方法可以替代原有方法对沉积物进行定名。但是黏粒质量分数无法完全替代塑性指数，只是在本海域与塑性指数具有较大的相关性。

4)沉积物沉积定名的粒度资料可根据本方法转化成工程定名。埕岛油田海域地区适用性良好，其他地区有待于进一步验证。

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Received: November 4, 2014

Study on the Conversion From Sediment Classification to Engineering Classification for Sediments Collected in the Chengdao Oilfield Sea Area

DU Xing, SUN Yong-fu, HU Guang-hai, SONG Yu-peng, DONG Li-feng,LIU Xiao-yu,ZHOU Qi-kun, MA Bin-bin

(TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061, China)

This study carried out engineering classification of sediment samples from the Chengdao Oilfield sea area, discovered and summarized the relationship between clay contents and the plasticity index. We further suggested that under certain extent, engineering classification can be achieved by analyzing grain sizes of sediments only. Analysis results showed that the boundary of clay content between silt and silty clay is 20%, and that between silty clay and clay is 35%. By using this method, the accuracy rate for engineering classification of sediments can be up to 90%, and that for making the sediment-type distribution map is over 80%.

Chengdao Oilfield; engineering classification; sediment classification; clay content; plasticity index

2014-11-04

海洋公益性行业科研专项——近海海底地质灾害预测评价及防控关键技术研究(201005005)

杜 星(1991-)，男，辽宁大连人,硕士研究生,主要从事海洋工程地质方面研究.E-mail：duxing@fio.org.cn

(陈 靖 编辑)

P736.21

A

1671-6647(2016)01-0121-08

10.3969/j.issn.1671-6647.2016.01.012