海底塌陷凹坑、扰动地层及再悬浮沉积物的波致土体液化成因探讨

2021-11-11刘志钦任宇鹏许国辉

海洋科学进展 2021年4期

刘志钦，任宇鹏，许国辉 *

(1.自然资源部第一海洋研究所,山东青岛 266061；2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室,山东青岛 266237；3.中国海洋大学环境科学与工程学院,山东青岛 266100)

海床波浪作用下液化的问题,自20世纪70年代开始被研究者所关注[1-7]。通过波浪水槽试验和离心机试验,发现了波浪导致底床液化的孔压发展过程、液化现象及液化发展过程[8-13]。通过开展现场孔压监测,证实了波浪作用导致海床液化的现象[14-18]。现场样品动力三轴测试和理论计算分析表明,台风诱发的砂质海床液化深度达6 m 多[19-20]。这些研究表明,在强烈的波浪作用下,砂质或者粉质土海床能够产生液化。在黄河三角洲海床的液化深度研究中,研究者发现在水深8 m 的粉质土底床液化深度为4 m[21]。也有研究者对粉土海床液化深度的计算,采用了与砂土相同的方法[22]。

在波浪水槽试验中,可观测液化土体的孔压变化,并描述其波动行为[10,22],也可分析波浪作用下粉质土底床液化后的形态特征[22-23]。含水量为30%～34%的黄河三角洲粉土渗透系数为1×10－6m/s量级,利用此粉土制备水槽试验的底床,在静置固结10 d后,床面整体下沉[24-25],说明静态下粉土排水固结不会产生局部的塌陷凹坑。水槽试验中底床土体在未液化的情况下,即使波浪作用时间较长(时间数据为210 min)床面上也没有塌陷凹坑的产生[25]。但是在土体液化后,发生了与上部水体相似的波动,底床面上出现了明显的塌陷凹坑[24-25]。水槽试验中底床出现的塌陷凹坑,是液化的沉积物发生波动压实,同时其中的孔隙水和黏土颗粒向水体中排出而形成[26]。

虽然海底沉积物在波浪作用下的液化现象已经被研究确认,粉质土底床液化后可以产生塌陷凹坑也有波浪水槽试验的证实。但是,现场海底的塌陷凹坑,是否如水槽试验一样,是由波浪导致的沉积物液化而形成的,需进一步验证。本文根据在密西西比河与黄河水下三角洲水域开展的调查研究结果,结合实验室波浪水槽试验观察到的现象,用波致海床液化导致海底出现塌陷凹坑的观点,给出了三角洲海底出现的塌陷凹坑的较合理解释。同时,也指出海底沉积物液化,使得原来沉积底床深部的黏土析出进入水体,成为再悬浮沉积物。

1 水下三角洲调查结果

1.1 水下三角洲地形地貌调查

20世纪70年代至90年代,在对河口海岸海底地形、地貌、地层的研究中,借助声学测量仪器,发现密西西比河和黄河的水下三角洲在坡度极小的海底存在许多塌陷凹坑[27-28]。密西西比河水下三角洲的塌陷凹坑主要分布在水深9～15 m 的浅水区,通常发育在坡度为0.1°～0.4°的斜坡上,部分区域内数量很大。凹坑塌陷的直径为36～150 m,长宽比为1.0～1.5,典型凹坑的边界是弯曲或近环形的陡峭边壁,高达2.7 m,其中有不规则的块状物或沉积物碎屑,凹坑中心区域具有不规则和小丘状地形。在上部斜坡边缘,有王冠状裂缝延伸到相邻的稳定沉积物中,在下坡侧有低角度的反向斜坡,凹坑底床通常是水平的(图1)。侧扫声呐记录显示凹坑处反射能量非常高,特别是在小丘状块体之间的区域[27]。

图1 密西西比水下三角洲塌陷凹坑[27]Fig.1 Collapse depressions in the Mississippi Delta[27]

黄河水下三角洲的塌陷凹坑在多次调查中被发现过,其分布水深范围较大,自水深5～13 m 均有存在,其所在海底斜坡坡度平缓,坡度通常小于0.2°。塌陷凹坑平面上呈接近圆或椭圆型,直径为10～500 m,且与周边海底有0.5～1.5 m 高度差的陡坡接触(图2)[28]。2017-05-17在黄河三角洲埕岛海域进行了现场调查,获取了浅地层剖面资料,解译后发现,在一条测线上有扰动地层,并且扰动地层区的海底面比周围未扰动地层区的海底面降低了约1 m。凹坑表面以下的地层呈扰动状态(图2b和图2c)[29],有时可发现凹坑内有块体存在[28]。

图2 黄河水下三角洲的塌陷凹坑Fig.2 The collapse depressions of the Yellow River Delta

对比密西西比河三角洲和黄河三角洲的环境特征,可发现两者都是水深较浅、波浪较强的地区。由于快速堆积导致的沉积物未固结,加上强浪引起的循环荷载,导致了2 个三角洲地区沉积物都具有不稳定性[30-31]。对塌陷凹坑形成的解释,Prior等提出可能由于海底沉积物滑动而形成[28],后期的研究发现沉积物滑动可能是液化引起的[32],而对于塌陷凹坑形成过程和原因分析并没有进一步研究。

1.2 三角洲水动力、沉积物性质调查

密西西比河三角洲和黄河三角洲沉积物是在快速堆积下形成的,土层内孔隙水无法及时排出,表层沉积物没有经过压实作用的影响,沉积物的含水量和孔隙水压力较大,其抗剪强度较低、压缩性较高[33]。以黄河三角洲为例,沉积物在春、冬两季经常遭受较大风浪侵袭,风浪形成的巨大波压力对海床沉积物形成循环应力[34]。黄河三角洲的沉积物主要为粉质土,粉质土为黏性土与砂性土之间的过渡类型,对于波浪循环荷载具有特殊的响应特征。黄河三角洲沉积物分布见图3。黄河三角洲50 a一遇的海况波浪要素为:波长L＝87.9 m,波高H＝6.7 m,周期T＝8.6 s；5 a一遇的海况波浪要素为:波长L＝80 m,波高H＝5.8 m,周期T＝8 s[35]。刘红军通过计算得出,在5 a和50 a一遇极端波浪条件下,考虑三维效应和具有表面硬层的海床更容易液化,最大液化深度在海床表面2～3 m 范围内[35]。

图3 黄河三角洲沉积物分布[36]Fig.3 The sediment distribution of the Yellow River Delta[36]

2 粉质土底床液化的波浪水槽试验结果

对于密西西比河与黄河水下三角洲出现的塌陷凹坑,以沉积物发生波致液化来解释时,在现场找到最直接的观测证据很困难。虽然目前在海底设置孔压监测传感器已是较为成熟的技术,但是关键问题在于无法预知波浪作用下海底沉积物发生液化的具体海域。因此,采用室内波浪水槽试验来进行模拟研究,观测波浪作用下沉积物液化过程,并与现场结果进行比较分析,这是一种可行的办法。在水槽试验中,观察到底床液化而出现的塌陷凹坑、扰动地层,以及大量的黏土悬浮于水体中,且在近底床面处形成高浓度含沙层。

2.1 塌陷凹坑

开展的波浪水槽试验中,在沉积物底床液化破坏后,均发现破坏区出现塌陷凹坑的现象。如:在波浪波峰波谷剪切作用下,底床遭到破坏,沉积物发生滑动振荡,并进入液化波动状态,底床沉积物密实和黏土析出从而导致发现塌陷凹坑的情况(图4a)[24,37]；底床在波浪作用下直接以液化形式,自上而下液化发展,沉积物波动再沉积而产生塌陷凹坑的情况(图4b)[22,25,38]。试验中可观察到,液化底床处与未液化底床以陡壁相接触(图4a)。

图4 水槽试验出现的塌陷凹坑Fig.4 The collapse depressions in the flume experiment

水槽试验中液化底床出现的塌陷凹坑,其原因主要为沉积物液化中细粒成分的析出流失和液化后沉积物密度的增加,其中黏土颗粒从液化地层中的析出这一现象对塌陷量的贡献较大[25],可能是由沉积物的结构发生改变而致。

2.2 扰动地层

在水槽试验中,从经过液化运动再沉积后的底床中,取出块状样品,垂向切出剖面进行观察。可以看到,在再沉积地层中存在因液化波动而产生的旋卷层理,也有一些夹杂条块的现象(图5a和图5b)[22,37],从而使得液化后的地层内部出现不再是水平沉积的地层构造特征。试验中从水槽侧壁观察,也看到有出现卷云状构造的现象(图5c)[25]。因为地层中出现的旋卷层理、夹杂条块以及卷云状构造,导致声学测量的浅地层剖面特征表现为反射信号杂乱、不连续。相对于正常沉积地层,声学信号杂乱的地层,在工程地质调查中被解译为扰动地层。

图5 液化的地层中出现的旋卷层理等构造Fig.5 The convolution bedding in the liquefied stratum

扰动地层沉积结构杂乱,与周围土层的层理状构造有明显的差别。与未扰动土相比,扰动土的密度增大,含水率减小,孔隙度降低,强度有所提高[20-21]。其形成机制可能是液化沉积物随波浪运动时,细颗粒逐渐迁移到上覆水体中,液化沉积物中的粗颗粒在运动时由于相互碰撞导致形成不规则沉积构造。相互碰撞过程中液化颗粒达到最稳定结构后沉积回返,逐渐形成孔隙度小、强度高的扰动地层。

2.3 高质量浓度悬沙

通过室内水槽试验研究粉质土沉积物波致液化现象,发现波浪循环荷载施加前,沉积物底床保持稳定,水体中不含悬沙,当施加波浪循环荷载后,底床表面沉积物在波浪剪切力作用下,随波浪做往返运动并逐渐迁移到上覆水体中,水体逐渐变浑浊。当沉积物底床发生液化后,水体悬沙浓度不断增加,液化沉积物随波浪做椭圆运动(图6)。

图6 室内水槽试验过程Fig.6 The diagram of indoor flume experiment

在波浪的持续作用下,水体中的悬沙含量不断增加。粉质土底床未液化时,仅发生波浪对表面沉积物的冲刷作用,水体中含沙量较小,难以在底部出现高浓度含沙层,在底床发生液化后,水体中的含沙量增加明显,并在近底床处形成了高浓度含沙层,其浓度可达上覆水体含沙量的2倍以上[37](表1)。

表1 底床未液化和液化情况下的水体悬沙浓度[39-40](g·m-3)Table 1 The sand contents in water before and after the liquefaction of the bed[39-40](g·m－3)

对水体中的悬沙进行粒度分析发现,悬沙的中值粒径在底床液化情况下比未液化时偏小(图7a)。对经历了液化波动的底床进行沉积物取样,粒度分析结果表明,自液化的底床中(尤其是接近液化的底界处)有细粒析出,使得液化后底床中值粒径变大(图7b)。液化底床析出的细粒黏土成分,成为上部水体中的悬沙。由于细粒黏土相对于较粗的粉砂等消耗水体紊动能较少,使得水体含沙量增大。

图7 底床液化前后水体与底床中沉积物中值粒径变化[39]Fig.7 Variations of median size in the water and sediment bed before and after liquefaction[39]

3 海底塌陷凹坑形成的比较分析

对密西西比河和黄河的水下三角洲海底出现的塌陷凹坑进行对比分析,发现其主要共同特点有:塌陷凹坑区周围有较陡的边壁与周围原状海底接触；凹坑下部的地层呈现声学反射信号杂乱现象；凹坑中有时发现存在块体。波浪导致粉质土底床液化的水槽试验,其结果为沉积物液化区也出现塌陷凹坑,凹坑的主要特点有:凹坑与周围稳定底床以陡壁接触；液化的地层中出现有旋卷层理、夹杂条块以及卷云状等使声学反射信号杂乱的构造现象；液化沉积物中的细粒成分会析出进入水体。黄河三角洲经受大的风暴浪作用,在此波浪动力背景下,将海底现场塌陷凹坑特点与水槽试验液化底床出现的塌陷凹坑比较,可以推断三角洲海底的塌陷凹坑可能由于波浪导致的海底沉积物液化而形成。密西西比三角洲经历飓风大浪作用,其海底组分中与黄河三角洲相近的海底粉质土也可发生同样的液化。海底沉积物液化后会发生波动,可能是导致Prior等[31]设置在海底的杆状测量仪器倾斜的原因。2003年11月东营埕岛油田海底电缆在风暴浪的作用下中断,经工程地质调查发现损坏电缆存在于塌陷凹坑处[28]。利用塌陷凹坑区沉积物的物理力学性质,与波浪水槽试验数据比较可知:三角洲海底的塌陷凹坑由沉积物液化波动而形成[22,37]。这可以很好地契合沉积物密度、含水量、强度等物理力学指标的变化特征和凹坑下出现的扰动地层。

波浪水槽试验中没有观察到塌陷凹坑内存在有块体现象。但是,试验中对液化沉积物进行力学测试的微贯数据,有可能反映了液化沉积物内包含有块体。因此,从波浪导致粉质土底床液化而形成塌陷凹坑的水槽试验,可推断三角洲海底在发生液化的情况下,可以产生塌陷凹坑。而密西西比河和黄河的水下三角洲出现的塌陷凹坑,是否都是因为海底沉积物的液化而形成尚需要进一步研究。

三角洲海底的塌陷凹坑由沉积物液化而形成,液化沉积物的波动会导致其中黏土成分析出进入水体。水槽试验在水深40 cm、波高16 cm 的情况下,粉质土底床液化深度可达40 cm 以上,即水体中的悬浮泥沙可以来自40 cm 深度处的底床。这说明,在海底出现液化时,水体中的悬沙会来自于液化的底部边界,而不仅是海底表面的侵蚀。由塌陷凹坑浅地层剖面(图2c)可知扰动地层深度接近5 m。在塌陷凹坑中钻孔取样分析可知,0～4.85 m 为砂质粉砂,4.85～10.00 m 为黏土质粉砂。而塌陷凹坑区外侧的未扰动地层0～1.20 m为粉砂,1.20～3.90 m 为砂质粉砂,3.90～10.00 m为黏土质粉砂。凹坑内外2个钻孔仅相距113 m,原来应该是同样沉积物成分的地层,可能由于塌陷凹坑区发生液化,导致了4.85 m以浅的地层中黏土成分的析出,使得沉积物粗化。塌陷凹坑区内外沉积物粒径变化[23,33]也说明塌陷凹坑区较深部地层应有细粒的析出。也就是说,黄河三角洲海域在风暴浪作用下水体中的一些悬沙,可能来自于地层深度5 m 左右处。粉质土海岸在大风天气下水体中含沙量增大,并出现近底的高浓度含沙层[34]。结合波浪作用下粉质土底床液化后较高概率出现近底高含沙层的试验现象,应考虑粉质土海岸的高浓度含沙是否由于海底液化而引起。本文根据现场调查和室内试验结果对比分析,推测波致液化是导致水下三角洲塌陷凹坑、扰动地层和高浓度悬沙等工程地质现象的原因之一(图8)。

图8 波致液化导致的塌陷凹坑、扰动地层和高密度悬沙示意图Fig.8 Schematic diagram of collapse depressions,disturbed stratum and high-density suspended sediment caused by wave liquefaction