东太平洋多金属结核研究区海底沉积物土工特性研究

孙华强,庄丹丹,宋春霞,朱志敏,王凤

（1.宁波工程学院 建筑与交通工程学院,浙江 宁波315211；2.自然资源部第二海洋研究所 自然资源部海底科学重点实验室,浙江 杭州310012；3.自然资源部第三海洋研究所,福建 厦门361005）

0 引言

多金属结核富含多种金属元素，具有巨大的潜在经济价值，是一种重要的海洋矿物资源[1]。我国东太平洋CC区是至今为止发现深洋底多金属结核分布最为密集的区域之一，多金属结核主要存在于深海沉积物表层，而采集多金属结核需要将采集设备设置在深海沉积物上。沉积物作为采集设备的承载基础，其土工力学特征限制了采集设备的质量以及设计方向。过去的研究结果表明，深海沉积物具有高含水率、低强度、高孔隙比等特性，因海底地形各异，大洋沉积物的物性和土工力学特性在水平和垂向上具有不均一性。研发拥有高采集效率，同时降低采集成本的多金属结核采集设备是必要的，而此过程就需要研究者提供更为精准的深海沉积物土工特性。为此，对取样研究区的深海沉积物进行土工特性研究，分析其承载机理，以期为采集设备的设计提供有效参数和依据[2-4]。

东太平洋CC区表层沉积物主要为含粘土的硅质软泥，物质组分主要为硅质组分[5]。对该研究区调查过程中所取得表层沉积物进行颗粒分析，同时进行现场和室内土工力学测试，利用表层沉积物的特性指标进行分析，确定该区沉积物的特性参数与取样层位之间的关系以及各特性参数之间的关系，同时确定研究区域半液化层厚度，为东太平洋多金属结核矿区勘探和采矿设备的设计制造提供了环境参数和科学依据[6-7]。国内研究学者王树仁根据CC区海底沉积物的含水率、抗剪强度等物理力学性质大致将研究区沉积物分为流动状、流塑状、可塑状[8]。由于不同区域的沉积速率不一致，各结核研究区的沉积物半液化层厚度也不一致。因此，对大洋50航次获取的大洋插管柱状沉积物样品进行土工特性研究具有重要价值。

1 试验条件及方法

本试验土样是通过箱式取样方法对东太平洋CC区水深5 078 m的大洋沉积物进行取样，样品长度38 cm，管径10 cm。沉积物为黄棕色-深棕色，试样表层存在一层液化土层，含较高水量。封样保持垂直状态保存于4℃恒温恒湿箱中。

参照《海洋调查规范》(GB/T 12763.8-2007)，去除沉积物中的有机质，并对样品进行激光粒度分析，将沉积物样品进行Shepard分类。同时根据粒度结果，分别得出粘土、碎屑以及生物等相关百分含量，根据深海远洋沉积物三角分类图解对沉积物进行定名。

参照《GB/T 12763.9-2007海洋调查规范第8部分：海洋地质地球物理调查》规范，水深大于3 000时，采用Dean等（1985）的命名方案，将沉积物组分划分为三个组分，分别为粘土、钙质生物、硅质生物，根据这三个组分的不同百分含量对沉积物进行命名。

参照《海洋调查规范》(GB/T 12763.8-2007)中沉积物物理力学性质测试方法对现场采样取得试样进行剪切试验和贯入试验，分别使用SJL型十字剪切板（精度小于2%）和WG-Ⅱ-20N型微型贯入仪（精度＜1%）进行试验。

参照《土工试验方法标准》(GB/T 50123-1999)在实验室对试样进行含水量、密度、比重等物理力学性质进行测定,每间隔4 cm测试一组参数。

2 试验结果及分析

研究区沉积物试验数据如表1、表2所示，取一组具有代表性沉积物压缩参数绘制压缩曲线，如图1所示。

2.1 沉积物物理性质

研究区沉积物粒度分析随深度的变化情况如图2所示。在上部10 cm以浅层位为砂质粉砂，以深层位为粘土质粉砂。

使用德国Leitzz偏光显微镜160放大倍数随机选取样品涂片三个视野，分别进行生物量、碎屑矿物以及其他组分的统计，发现该沉积物样品物质组成主要为硅质组分。即涂片鉴定结果显示本研究区样品沉积物主要为含粘土的硅质软泥。

研究区试样的物理性质随深度的变化情况如图3所示。本区沉积物的含水率较高，介于215.10%~284.90%，平均含水率为233.62%。由图3可见，沉积物天然含水率随深度的增大总体呈降低趋势，0~15 cm层位沉积物含水率迅速下降，15 cm深度以下沉积物含水率略有波动。同时测得本区沉积物塑限平均值为115.37，液限平均值为161.47。可发现沉积物含水率远大于液限，表明研究区表层35 cm以内的沉积物处于流塑状态。

本区沉积物天然密度较小，介于1.20~1.24 g/cm3，平均密度为1.22 g/cm3，总体比重介于2.36~2.43，平均比重为2.39。各层沉积物密度比重随深度变化小，分布均一稳定。海底沉积土的土粒比重同其结构、颗粒大小、沉积物来源有关，不同层位沉积物成分不一。

2.2 沉积物力学性质

为探讨研究区沉积物的物性、土工力学特性及两者之间存在的相关性，本次试验除了对沉积物的物理性质进行测定，同时做了压缩试验（见图3）、现场十字剪切试验（见图4）、贯入试验（见图4）以测定深海沉积物的力学性质。

深海沉积物含水率较高，天然孔隙比较大，沉积物总体压缩系数较大，总体分布介于5.53~6.21 MPa-1，平均压缩系数为5.93 MPa-1。土样压缩模量分布随深度的增加总体呈减小趋势，即土层深度越深，土样压缩模量越小，土层越密实。

对土样进行现场十字板剪切试验，剪切强度在垂向随深度的增大而增大，随颗粒密度的增大及含水率的减小而增大，本区土样剪切强度最大达到28 kPa。

对土样进行现场贯入试验，0~5 cm层位试样液化，含水量较高，介于261.60%~284.90%，测得试样贯入强度为0 kPa。在5 cm深度以下，含水量降低，试样贯入强度迅速增大，在层位30 cm处贯入强度最大达到58.7 kPa，随后贯入强度略微下降。贯入强度在垂向随深度增加总体呈增大趋势，随颗粒密度及含水率的变化而变化。颗粒密度越大，含水率越低，试样贯入强度越大。即土样越密实，粘滞性越强，侧摩擦力越大，贯入强度越大。

表1 室内试验测得大洋沉积物基本物理力学性质指标

表2 现场试验测得大洋沉积物基本物理力学性质指标

图1 沉积物压缩曲线(代表样)

图2 大洋沉积物粒度垂直分布图

图3 大洋沉积物基本物理力学性质指标（室内试验）

图4 大洋沉积物基本物理力学性质指标（现场试验）

2.3 试验分析

土力学性质指标中，沉积物的密度在1.20~1.24 g/cm3之间，比重在2.36~2.43之间，含水率在215.10%~284.90%之间，压缩系数在5.53~6.21 MPa-1之间，由此看出本研究区沉积物具有低密度、高含水率、高压缩性、低强度且固结快的特点。土的十字剪切强度在0~28 kPa之间，本研究区土的剪切强度随土层深度的增加而增大。土的贯入阻力在0~58.7 kPa，本研究区沉积物下层土的贯入阻力较大。

抗剪强度和贯入强度随深度变化趋势一致，抗剪强度在15 cm深度迅速增大后趋于稳定变化。同时通过与抗剪强度和贯入阻力的比较，并没有发现沉积物粒度类型的不同导致抗剪强度和贯入阻力的不同。涂片鉴定结果显示研究区域沉积物主要为含粘土的硅质软泥，沉积物类型较为一致，含水率会影响沉积物抗剪强度与贯入阻力的大小。

根据含水量和抗剪强度随深度变化的规律，基本可分为三层：0~15 cm，含水量迅速下降，天然湿密度增大，抗剪强度和抗渗能力迅速提高；15~30 cm，含水率趋于稳定，抗剪强度缓慢上升；在30 cm以下深度，湿密度变化不大，抗剪强度亦变化较小。在层位30 cm处沉积物抗剪强度最大达到28 kPa，贯入强度最大达到58.7 kPa，承载能力低。

3 结论

此次试验对东太平洋研究区深海沉积物进行了土工力学特性测定，得出以下结论：

（1）研究区表层沉积物的物理力学性质具有高含水率、高压缩性、低密度、低强度的软弱土。

（2）研究区柱状沉积物随深度的增加，含水量降低，贯入阻力和抗剪强度增加。因此下部土的强度要比表层高，在层位0~15 cm处沉积物抗剪强度大幅度提高，约为18 kPa以上，可将此参数作为采集设备的设计研究依据。

（3）研究区土样承载力低，在设计制造采集设备时应考虑安全系数。