长江河口深层软土含盐特征及其沉积环境分析
2022-04-18苟富刚龚绪龙张岩杨露梅刘彦
苟富刚 ,龚绪龙 ,张岩 ,杨露梅 ,刘彦
( 1. 江苏省地质调查研究院,江苏 南京 210049;2. 自然资源部地裂缝地质灾害重点实验室,江苏 南京 210049)
1 引言
海相软土在空间上与滨海相盐渍土高度重合,滨海相盐渍土沿着我国大陆1.8×104km海岸线呈带状分布,向内陆延伸可以达到几十千米,与沿海经济发达地区高度重合[1-2]。滨海相盐渍土的学术关注度在2008年前后达到顶峰,这与当时耕地面积日益减少和国家滩涂围垦政策等有关。滨海相盐渍土面积大约为2.895×104km2,在人口、资源、环境压力下的东部沿海地区,滨海相盐渍土分布地区可以作为宝贵的后备土地资源[3-4]。
本研究土体位于长江河口北翼,土体为全新世以来沉积物,为海陆交互相土层,埋藏深度大于10 m,最大深度达到62 m[5]。浅部土体已基本脱盐,盐渍土主要分布在东部临海区域,分布面积小。长江河口地区地形广阔平坦,土体长期遭受海水入侵及高矿化度潜水共同作用。研究区是较早发现海水入侵的地区[6-7],海水入侵受多种因素影响,比如河势、风应力、海平面上升和人类活动等[8-9]。1980-2010年中国近海冬季海平面平均上升速率为3.1 mm/a[10-11]。相关数值模拟结果显示,海水入侵由分比流和潮差控制[12-13]。三峡调蓄对长江口土体盐分也有显著影响,蓄水后0~20 cm土体盐分含量增加约为10%[14-15]。海水入侵后,水土易盐化,土壤盐渍化已经演化为一个生态问题[16]。
目前,还没有较为系统的对长江河口深层软土层位的含盐特征进行分析,目前的研究仅局限于深度0~1 m[13-15,17]的土体,个别达到了5 m[18]。本研究土层埋深大,土体渗透系数低,土体盐分受自然因素控制,土体含盐特征对其形成环境具有指示作用。90%盐渍土的成因是自然因素,10%是由于人类进行不恰当活动造成的次生盐渍化[19]。本研究土层埋深较大,土体盐分含量基本上不受人类活动影响。海水浸渍是滨海相盐渍土形成的最主要的原因,土体含盐特征与海水含盐特征基本一致[20]。本研究土体以粉粒为主,约占土体的72%;其次为黏粒,约占土体的26%;含有少量砂粒,约占土体的2%[5]。土体渗透系数为10-7~10-6cm/s,为弱透水层,该层是下伏含水层的天然保护屏障。通过分析孔隙水中的主要离子,比如Cl-、Na+、 SO24、Mg2+以及Cl/Br等变化特征,进行了水化学演变以及沉积环境分析[21-22]。研究区20世纪90年代由于开采了大量地下水,导致越流补给,水质动态总体呈咸化趋势,而水土含盐特征有着一致性[23]。对水土进行耦合分析,研究对象为含水砂层及其孔隙水,得出了水、土体含盐指标呈线性正相关,构建了孔隙水溶解性固体总量(Total Dissolved Solid, TDS)与土体含盐量、Na+含量、含量、Cl-含量、Mg2+含量5个指标的多元线性回归模型,其中土体中Cl-含量与孔隙水TDS回归分析建立的模型相关性最高[18]。本次通过采集多组样品并进行测试,进行土体含盐特征和沉积环境系统分析。
2 样品采集、测试及分析方法
研究区位于长江三角洲北翼,隶属扬子地层区下扬子地层分区。地面标高一般为3~4 m。研究区全新世土层可以划分为4个工程层组,共14个亚层,文献[24-25]分析了软土沉积环境、工程特性及其工程应用。本研究土体为全新世以来沉积物,为海陆交互相土层,埋藏深度大于10 m,最大深度达到62 m,软土层分布不连续,多夹粉砂或粉土薄层,有的以互层土的形式存在,岩性空间变异特征较为明显。为了研究软土的含盐特征及沉积环境,采集样品314件,采样深度为10~62 m(图1)。
图1 研究区域及采样位置Fig. 1 Study area and sampling locations
根据软土易溶盐测试结果进行统计分析。参数分布数理统计与假设检验:对于异常数据采用3σ法则。频数分布可以直观地展示样本的分布情况,据测试样品数量n,可以根据式(1)计算区间个数M。再根据最大值a和最小值b,可以根据式(2)计算区间长度 Δ[26],公式分别为
假设检验:H0数据来自正态总体,取α=0.1,n=314。当n充分大,一般大于100,则
记PH0{·}表示当H0真实事件{·}的概率,则有拒绝域为式(6)或式(7)。
式中,u1、u2为偏度检验值;g1为样本偏度的观察值;g2为样本峰度的观察值;z为拒绝域界限值。
通过对软土易溶盐统计分析和相关性分析,确定软土含盐化学组分及其空间展布特征。
3 测试结果分析
3.1 土体盐分的统计分析
根据314个软土样本测试结果可知,软土Cl-含量与2倍S O24-的摩尔含量比值介于3.59~91.68,平均值为21.35,比值均大于2,参考文献[27],得出研究土体盐渍土类型为氯盐渍土。软土含盐量介于0.104%~1.226%,平均值为0.613%(表1)。盐渍土类型以弱盐渍土为主,占比85.4%;中盐渍土占比6.4%;非盐渍土占比8.3%。
表1显示,土体中Cl-的含量最高,平均值为3 256.05 mg/kg;Na+含量次之,平均值为2 141.35 mg/kg;其他离子含量由多到少依次为 SO24-、 HCO-3、K+、Ca2+、Mg2+、。含盐量及其主要离子(Na+、Cl-)与深度的关系如图2和图3所示,可以看出主要离子含量随深度的变化与含盐量类似,即随着深度的增加,含量有减小的趋势。软土pH介于7.28~9.58,平均值为8.15,土体呈碱性。
图2 含盐量随深度变化特征Fig. 2 Characteristics of salt content change with depth
图3 盐分主要离子含量随深度变化特征Fig. 3 Variation characteristics of main salt ions content with depth
表1 软土含盐特征统计及概率分布表Table 1 Salt characteristics statistics and probability distribution of soft soil
根据表1,含盐量的偏度为0.04,属于右偏态(图4)。Cl-含量的偏度为0.02,属于右偏态。Na+含量的偏度为-0.06,属于左偏态。其他离子偏度都大于0,含量的偏度最大,为5.71。含盐量、Cl-含量、Na+含量、K+含量、 HCO-3含量的峰度均小于3,正态分布曲线平坦。Mg2+含量、Ca2+含量、含量、含量的峰度值均大于3,正态分布曲线陡峭。
图4 软土含盐量分布Fig. 4 Distribution of salt content of soft soil
这里对软土中易溶盐各离子指标进行偏度和峰度的正态分布检验,根据表1可以看出,含盐量、Cl-含量、Na+含量、K+含量峰度检验符合正态分布,但偏度检验值坐落在拒绝域,所以拒绝原假设,不属于正态分布。其他离子假设检验偏度和峰度检验均不符合正态分布。
3.2 参数相关性分析
本文选择土体易溶盐8大离子、含盐量、pH两两分别进行相关性分析,相关性结果见表2。
表2 土体盐分指标相关性分析Table 2 Correlation analysis of soil salinity index
表2显示,软土含盐量与Cl-含量相关性最高,相关系数R高达0.993,说明软土含盐量与Cl-含量呈线性正相关。软土含盐量与Na+含量、K+含量、Mg2+含量、含量、 HCO-3含量相关性好,相关性在 0.01层上显著,相关系数分别为0.991、0.801、0.696、0.564、0.164。软土含盐量与Ca2+含量、含量线性关系不明显。
Cl-是海水中最主要的稳定常量元素,是反映土体是否被海水浸染最为敏感的因素[18,28],具有重要的指示意义。可以根据Cl-含量来推算含盐量、Na+含量、含量、 HCO-3含量、K+含量、Ca2+含量、Mg2+含量、含量,可以节约大量的人力、物力及时间。这里选择与Cl-含量相关性好的指标进行拟合分析。曲线拟合根据本次试验数据进行,构造近似函数,该函数能反映Cl-含量与其他指标的基本变化趋势,不局限于线性关系,还有多项式、对数型、指数型和幂型。
图5a显示,软土中Cl-含量与含盐量拟合效果好,乘幂效果最佳,相关系数为0.992 7,乘幂、多项式和直线型3个类型拟合关系式相关系数接近;图5b显示,Cl-含量与Na+含量拟合效果好,多项式拟合效果最佳,相关系数为0.986 2;图5c显示,软土中Cl-含量与Mg2+含量拟合效果较好,多项式拟合效果最佳,相关系数为0.725 3;图5d显示,Cl-含量与Ca2+含量拟合效果较好,多项式拟合效果最佳,相关系数为0.470 5。图5e显示,Cl-含量与K+含量拟合效果好,多项式拟合效果最佳,相关系数为0.797 7;图5f显示,Cl-含量与含量拟合效果较好,乘幂拟合效果最佳,相关系数为0.546 8;图5g及图5h显示Cl-含量与 HCO-3含量、含量拟合效果一般。
图5 氯离子与含盐量、各离子含量拟合关系Fig. 5 Fitting relationship between chloride ion and salt content and the content of each ion
4 讨论
4.1 软土形成机制及盐分来源分析
软土层为全新世以来形成,最晚距今约10 000 a。研究软土形成时代主要发生在距今(10 909±177)cal a 至距今(5 628±37)cal a[29]。海面升降是研究土体沉积的主要控制因素。
晚更新世晚期晚时,全球海平面明显下降,海水退却,海岸线东移。距今15~20 ka,海平面下降达到最大幅度,此时长江河流侵蚀下切作用加强,在长江河道形成深切谷,也致使河谷区河道两侧晚更新世晚期中时沉积物遭受侵蚀缺失,造成全新世基底(古地面)起伏较大,最大深度超过了70 m。长江谷河谷宽度自10~20 km至60~70 km不等,发育在100~400 m厚的第四纪沉积层中,长江南北两翼均以最大海侵线为界[30]。
全新世的起点通常对应新仙女木事件,起始时间距今约11.5 ka[31],至此气温开始回暖,全球冰盖和冰川融化,引发全球性的海平面上升。在距今10 ka前后,海水首先沿低洼地区侵入,随着海面继续上升,古海平面上升高度最大达65 m[32],长江古河道渐渐沉溺于海面以下,河床比降减小,流速降低,长江古河谷开始产生溯源堆积,在河谷区沉积灰色粉细砂及其上覆淤泥质粉质黏土,形成下粗上细的海侵河流充填层序[33],长江口继续后退至镇江、扬州一带,形成了一个以长江古河谷为主体的巨大河口湾,研究区处于滨海—浅海环境。全新世以来,海平面在距今10 cal ka至距今7 cal ka期间为海平面快速上升期(图6),距今7 cal ka以后海平面为缓慢上升期,大约在距今7.0 cal ka至距今6.5 cal ka海侵达到最大范围[34],海面高度与现今海面位置相当。在距今8.5 cal ka至距今5.4 cal ka期间,长江北部的海平面变化曲线较南部低5~6 m[35]。此阶段长江挟持的大量泥沙受到海水和江水的顶托和絮凝作用,以较高的沉积速率沉积,形成本研究土层(海陆交互相软土层),软土层含盐特征与海水含盐特征一致,本研究土层以粉粒为主,形成的土体原始含盐量为0.4%~0.9%(图6)。此后,由于河流作用增强,长江流域来沙量增加,使岸线逐渐东移的同时,长江河口湾内开始发育河口坝,长江三角洲从此进入发育期,形成多条砂坝,此阶段的沉积物以较粗颗粒的砂体为主,其中前三角洲相沉积物以泥质沉积为主,也是本研究土体之一(图7)。
图6 软土沉积曲线及海平面变化曲线(根据文献[29, 34]绘制)Fig. 6 Soft soil sedimentation curve and sea level change curve (drawing based on references [29, 34])
图7 沉积层序概化模型Fig. 7 A generalized model of sedimentary sequence
本研究土层多夹有粉砂薄层,局部出现了互层土,说明土层沉积时受到了潮流的控制。在距今4.6 cal ka至距今2.1 cal ka还出现较大规模的海水侵入,这也是土体盐分的主要来源之一[36]。全新世晚期,三角洲前缘相沉积物至地表土层颗粒组成逐渐变细。
基于软土层形成时的沉积环境认识,可知本研究软土层经历海水千年浸渍,盐分主要来自海水,其实在软土沉积之前,盐分已经在沉积母质之中积累,这也是滨海软土独有的特点。由于土体渗透性差,盐分离子随水分大量留存在成土母质中,形成了含盐量非常高的盐渍化土层,如图8中所示的高盐土分布区域。软土含盐量低的区域与土体沉积时及后期的海侵程度、时长及长江水的补给等因素有关。
图8 软土含盐分区Fig. 8 Salt zoning of soft soil
4.2 土体水盐运动特征分析
本研究土层具有大孔隙,天然含水率平均值为42.50%,土体饱和,土体孔隙被水充填,这部分孔隙水为土体沉积过程中保留在软土孔隙中的。软土垂直渗透系数为1.72×10-7~4.09×10-6cm/s,平均值为7.10×10-7cm/s;水平渗透系数为2.63×10-7~2.98×10-6cm/s,平均值为8.13×10-7cm/s;对比水平渗透和垂直渗透系数数值,水平渗透系数为垂直渗透系数的1.15~1.63倍,这与研究区软土层普遍夹薄层粉砂有关。但整体来看,土体渗透系数非常小,土体沉积后土层含盐量特征变化小。软土是一种低渗透介质,物理结构复杂,表面带有一定量的负电,由于离子间的排斥作用,有效孔隙度略小。受大气降水或河流侧向补给降盐的可能性非常低。文献[28]采用物理模型和数值模拟的方法,以Cl-为示踪剂,假设达西流速不大于0.1 m/ka时,模拟结果与实测数据吻合度高。证实了弱透水层孔隙水溶质运移的主要方式是扩散,垂向对流作用对弱透水层中Cl-溶质运移作用可以忽略不计。软土层要通过新补给的淡水淋滤,则必须通过无数个孔隙体积的水,这甚至要几百万年时间才能完成。
假设研究区软土中孔隙水不发生其他的水文地球化学作用,仅发生混合作用,以Cl-为示踪剂,根据式(8)混合模型[37-38]计算海水与淡水的混合比例,其公式为
式中,fi(%)为实际混合比例(海水与淡水混合比例);CCl-,samp为 孔隙水中Cl-浓度(mg/L);CCl-,d为研究区淡水端元的Cl-浓度(mg/L),这里取40.9 mg/L;CCl-,sea为标准海水中Cl-浓度(mg/L),根据文献[39]取值,数值为17 530 mg/L。
采用土样易溶盐中Cl-含量换算软土孔隙水中Cl-的含量,软土孔隙水中Cl-的含量(mg/L)与土中易溶盐Cl-含量(mg/kg)呈线性关系,过原点的比例系数为1.259[18]。计算结果显示,fi数值介于2.3%~48.1%,平均值为23.2%,峰度为0.02,偏度为0.46。fi的低值主要分布在西部远离海岸区,fi的高值主要分布在滨海地带(图9)。说明滨海地区土体沉积主要受海侵控制,海相属性更重。西部地区混合比低的区主要受长江河水控制,陆相属性更重一些。
图9 混合比随深度变化特征Fig. 9 Characteristics of mixing ratio variation with depth
图10显示,软土孔隙水的阴离子以Cl-为主,Cl-的毫克当量百分比平均值为88.82%,大多数软土孔隙水Cl-位于当地淡水与海水的理论混合曲线附近。阳离子Ca2+及Ca2++Mg2+基本位于当地淡水与海水的理论混合曲线下方,说明土体含盐特征沉积除了混合作用外,还进行Na-Ca、Na-Mg交换等水岩作用。
图10 软土孔隙水、淡水及海水的三线图Fig. 10 Three-line diagram of soft soil pore water, fresh water and sea water
Na-Ca交换是一种进行得最广泛的阳离子交换。采样海水钠吸附比(SAR)平均值为50.00,范围值为48.64~51.37。当地的地下淡水的SAR范围值为1.8~12,平均值为5.80。基于土体易溶盐计算的离子交换性钠值(ESR)平均值为54.35,范围值为8~154。ESR的偏度为0.02,属于右偏态。ESR的峰度接近3,正态分布曲线较为平坦。ESR偏度检验值符合正态分布,但ESR峰度检验值坐落在拒绝域,所以拒绝原假设。标准海水的SAR值为58.51,对比ESR与海水的SAR数值,两者较为接近,证实了软土的形成环境,说明研究土层含盐特征保留了海水特征。根据图11可以看出,随着深度的增加,ESR值有减小的趋势,这与软土形成时间有关,软土形成时代越老,渗透淋滤的时间越长,Na-Ca交换也最频繁。
图11 ESR随深度变化特征Fig. 11 ESR variation characteristics with depth
式中, χ代表阴离子;γNa、γCa、γMg单位为meq/L;k为交换平衡常数;钠吸附比SAR是Na-Ca交换的一个重要参数;ESR为土壤交换性钠值,可以采用式(10)计算[18]。
4.3 基于软土盐分的沉积环境分析
软土孔隙水溶质运移受分子扩散控制[40],土壤孔隙水可反映土壤沉积时的原始溶液[41],可以根据孔隙水的地球化学特征来分析研究土层的沉积环境。下面主要通过比例系数法来分析软土浸出液与当地淡水、海水中各离子间的关系。
Cl-是海水中最主要的稳定常量元素,是反映土体是否被海水浸染最为敏感的元素。软土中Cl-含量平均值为4 096 mg/L;当地淡水Cl-的含量平均值仅为32 mg/L,说明软土受到了海水的絮凝和顶托作用。
软土中Sr的含量平均值为2.30×10-2‰,范围值为1.00×10-2‰~2.95×10-2‰,偏度为-1.12,峰度为1.29;Ba的含量平均值为3.62×10-3‰,范围值为1.3×10-3‰~6.4×10-3‰,偏度为0.38,峰度为0.30;Sr/Ba平均值为6.19,范围值为2.5~10.9,偏度为-0.10,峰度为0.46。Sr是海水中较富集的微量元素,Ba在陆源碎屑溶滤水中含量较高[42]。一般而言,淡水环境Sr/Ba小于1;Sr是海水中的主要离子,含量约为7.9 mg/L,海相环境水体Sr/Ba大于1[43]。土体浸出液体Sr/Ba平均值为6.45,范围值为2.5~10.9,偏度为-0.03,峰度为0.38;Sr/Ba值远大于1(图12),说明土体沉积时受到海水作用。
图12 软土层含Sr和Ba特征(取自ZK1采样点)Fig. 12 Characteristics of Sr and Ba in soft soil(sampled from ZK1 sampling site)
可以根据γMg/γCa来判断海水入侵范围和程度。因为海水中Mg2+含量比Ca2+含量高,γMg/γCa约为5.5。ZK4与ZK5采样点孔软土易溶盐,γMg/γCa平均值为2.83,范围值为1.4~4.9,偏度为0.50,峰度为0.25。ZK3与ZK2采样点孔软土易溶盐γMg/γCa平均值为1.42,范围值为0.6~2.0,偏度为-0.34,峰度为0.86。图13显示,ZK4与ZK5采样点孔软土随着深度的增加,γMg/γCa值有着减小的趋势,但最终趋于稳定。ZK4采样点γMg/γCa值与ZK3和ZK2采样点相比,上部软土γMg/γCa明显偏高,这可能与现代海水入侵有关。东部盐渍土的γMg/γCa值与地表淡水的γMg/γCa背景值0.24相比,明显偏高,可以看出土体受到了海侵的影响。
图13 不同采样点γMg/γCa随深度变化特征Fig. 13 γMg/γCa variation characteristics with depthin different sampling sites
5 结论
基于长江口北翼深层软土的多组测试数据,系统地分析了软土的含盐特征及其8大离子间的相关性,其中拟合关系式对于推算其他参数具有重要的参考价值。同时圈定了高盐土(以含盐量0.3%为界)的分布范围,研究成果对于区内沉积环境演化和工程建设具有重要意义。主要有以下结论:
(1)研究土体盐分主要为NaCl。土体中Cl-的含量最高,Na+含量次之,其他离子含量由多到少依次为。易溶盐及其主要离子随深度的增加有减少的趋势。盐渍土类型为氯盐渍土,盐渍土类型以弱盐渍土为主,占比85.4%。
(2)软土含盐量与Cl-含量相关性最高,相关系数R高达0.993。软土含盐量与Na+、K+、Mg2+、S O24-、HCO-3相关性好。软土含盐量与Ca2+含量、含量线性关系不明显。软土中易溶盐Cl-含量与含盐量、含量拟合以乘幂效果最佳;Cl-含量与Na+含量、Ca2+含量、Mg2+含量、K+含量、H CO-3含量拟合以多项式拟合效果最佳。
(3)以软土易溶盐中Cl-为示踪剂,计算了海水混合比。海水混合比的低值主要分布在西部远离海岸区,该区土体沉积主要受长江河水控制。海水混合比的高值主要分布在滨海地区,该区土体沉积主要受海侵控制,海相属性更重。软土中γNa/γCl、ESR、Sr/Ba及γMg/γCa与当地淡水、标准海水对比分析结果显示,土体沉积受到海水浸渍且后期受到了海水入侵。