深海沉积物的剪切强度随深度的变化规律

深海沉积物的剪切强度随深度的变化规律

海洋是生命的源泉，它创造了人类文明。现今人类70%以上,过半数超百万人口的大城市,都离海岸不足100km,这反映了人类与海洋关系密切。面临困扰世界人口、资源和环境等难题,人们都寄希望于通过海洋的开发和利用加以解决。20世纪70年代,工业界纷纷进行深海采矿试验,受当时技术发展水平的限制,人们不能很好地了解和认识沉积物的工程地质特性,所面临的主要问题和困难是沉积物的取样测试。基于当时的认识,集矿机的设计思想有两种:一是认为沉积物十分稀软,正压力愈小愈好,导致了拖曳式集矿机的设计;另一种则认为沉积物具有一定的支承能力,为了实现预定轨迹和满足产量要求,应该使用自行式底盘。因此深海底沉积物的力学特性,对勘探工作是重要的环境要素,而对采矿技术来说,它决定着海底系统的结构和工作原理。所以,深海多金属结核的开采受到包括海底沉积物工程地质特性在内的多种因素的影响。1测量剪切强度的测量我国在20世纪80年代初期就开始了锰结核资源的勘探工作,东太平洋的克拉利昂-克利帕顿断裂带之间的锰结核资源是中国矿区所在[8,9,10,11,12,13,14]。而国外在该领域开展研究工作更早,Noorang研究了软饱和粘土的拖曳阻力,目的是考察海底车辆的可行驶性;Kravitz则对将落锥、十字板以及手持式扭力计3种测试仪器应用于测量剪切强度的准确性作了对比分析与试验;Yamazaki等人对结核矿区沉积物的含水量、剪切强度进行了测量,样品是用自返式抓斗和箱式取样器取得,一共测量了11个箱式样和13个重力活塞样,含水量在上部16cm递减最快,超过该深度含水量开始下降。箱式样剪切强度在深度22cm以内,增加较快,在此深度以下,剪切强度的平均值增加较慢,但变得较为离散。深度4cm处的平均剪切强度是0.85kPa,16cm处是3.78kPa,22cm处是5.27kPa,28cm处是5.41kPa,40cm处为6.08kPa。Yamazaki等人对平板和粘土之间的粘附特性作了实验研究,目的是要获得圆形钢板和粘土粘附的基本资料,对膨润土、日本酸性粘土和深海粘土进行了比较,结果认为在设计行走在软地基上的车辆时,除了考虑凝聚阻力外,摩擦阻力和粘附阻力也要考虑。摩擦阻力只是当物体与粘土之间有相对运动时才产生,与质量成正比。而粘附阻力则以2种方式产生,首先是当一个物体从粘土中拔出时;另一种则是出现相对运动时,与摩擦阻力产生的情况一样。从工程角度分析,正压力和凝聚特性是粘土最有效的粘附特性参数。2采样地点和测试测试2.1地理位置分布本项研究是随中国大洋协会DY95-8航次大洋科学考察而进行的,调查区域位于夏威夷东南海域我国申请的开辟区。该区域处于太平洋海盆C—C区西部,分为东西两矿区,地理位置分别为141°~149°W、9°~10°N,151°~155°W、8°~11°30′N。开辟区的地质构造属于太平洋板块东太平洋海盆,其南北两侧分别为克拉里昂断裂带和克里帕顿断裂带。开辟区水深一般4800~5200m,局部达5300~5400m,属深海丘陵区。沉积地层厚度一般200~300m,东西两区沉积环境有所不同,东区地层上部层状层发育,透明层较薄,西区地层透明层较厚,上部层状层不发育。2.2密封条件对沉积物表层的影响深海沉积物的抗剪强度与沉积物的取样方法有着十分密切的关系。沉积物的取样方法分为箱式取样和多管取样,两种类型的取样器其取样效果不完全相同,前者可以获得较多的沉积物,但由于密封条件较差,受碰撞的影响较大,对所取得的沉积物试样的扰动也大,特别是沉积物的表层基本上被破坏,有的试样表层甚至完全流失,只有少数试样保存较好;后者取得的试样虽然体积数量较少,但由于面积小,密封状态较好,受碰撞的影响也较小,故沉积物试样质量保存较好,大部分多管试样的半液态层清晰可辩,能较好地满足深海沉积物工程力学性质的试验要求。2.3thd21+3d的de试验采用的仪器之一为德国产的RV20(Haake)剪切仪,其测试时的旋转速度为30°/min,它将剪切力矩转变成电信号输出并能对沉积物进行连续测量。其测量时的剪切强度计算公式为:τ=2TπHD2(1+D3)(1)τ=2ΤπΗD2(1+D3)(1)式中T为最大扭矩;H,D分别为十字剪切板的高度和直径;τ为对应于最大扭矩的剪切强度。该仪器具有测量精度高,测量范围宽等特点,尤其适用于深海软质沉积物的抗剪强度的测量。另一测试仪器为国产剪切仪,其原理是利用弹簧测出剪力矩,剪切强度仍运用式(1)进行计算。C—C区的深海沉积物主要有6种类型:深海粘土、硅质粘土、硅质软泥、含硅质钙质软泥、钙质软泥和含钙质硅质软泥。不同类型的沉积物呈现不同的颜色,沉积物的层次较为分明,上层为半液态层,厚度一般5~10cm,少数类型沉积物的半液态只有2~3cm。3测试结果与分析根据船上测试结果(图1),在试样深度h=10cm处,沉积物的强度有明显的跃层存在,这说明沉积物与水的过渡区结束,变成强度相对较高的饱和土。当到达25cm深度后,剪切强度值达6kPa以上,说明沉积物已由半液态层过渡到固结状态。宏观上应该结合固液两相流和土力学来讨论沉积物的剪切强度问题,即将0~25cm深的表层沉积物看成是固液两相流的结构,而将25cm以下的沉积物看成是饱和粘土。柱状样的测试分析表明,海底表面沉积物呈流动状态,随着深度的增加,海底沉积物的性状呈流动状→流塑状→可塑状变化。东西两区的取样分析表明:在东区,0~8cm为黄褐色硅质软泥,呈流动状,质地均一,表面有孔状构造;8~25cm为浅黄色与黄褐色混合粉质土,呈流塑状,质地不均,夹有团块或条带。在西区,0~10cm为浅褐色(比东区略深);10~25cm为粉质土软泥,呈流塑状,以浅褐色为主,间有淡黄色团块或小斑点存在,粉质土软泥,呈流塑状,质地均匀。图2为船上2个箱式样(ES9802BC,ES9803BC)和3个多管样(ES9803M1,ES9803M2,ES9804MC)的测试结果,横坐标为试样深度h,纵坐标为剪切强度τ。箱式样的测试结果表明,箱式样的剪切强度随深度增加上升较快,这是由于表层沉积物流失所至。多管样的结果表明,在5cm深度处上升到1kPa,可以理解为半液态层快结束,10~15cm处剪切强度上升较快。国产剪切仪由于量程的限制,只能做到25cm深度,测试结果的变化趋势与Haake剪切仪的结果基本吻合。图3为西区环境小区的测试结果。从图3可以看到,这几个站的剪切强度随深度增加上升较快,当深度达到10cm时剪切强度已达2kPa,说明半液态层薄。图4为西区多管样的测试结果,其中WS9801MC的半液态层较厚,当深度达到10cm时,剪切强度还很小,说明矿区内个别点沉积物的支承能力差,在设计集矿机的行走路径时应避开这些点。图5为2种十字半剪切仪的对比结果,其中CW95801M,CES9804M,CES9809M,CES9010M为国产仪器的结果,W95801MC,ES9804MC,ES9809MC,ES9810MC为Haake剪切仪的结果,验证了这2种剪切仪在深度0~25cm范围内试验结果的一致性。根据多管取样器的样品照片和测试结果综合分析,得出沉积物的宏观结构(图6)。左侧是沉积物剖面,它分成半液态层,最上层0~0.1m处,这一层处于流体状态,结核大都位于这一层,呈深褐色,因为金属含量较高,是结核成岩作用成因的主要金属来源。在采集作业中,集矿机构将会把这一层连同结核一起收走,所以对集矿机行走机构的设计来说,不需考虑这一层的强度。船上测试结果表明,这一层的强度不大于2kPa,大部分低于1kPa。下一层属于固结层,呈黄褐色或橄榄色,间或有结核出现,但丰度不高。一般采矿作业不予考虑。这一层强度值的波动较大,产生波动的原因是生物活动,例如穴腔动物,以沉积物中细菌为生,进食范围从半液态层至0.5m深处,它们将半液态层的软沉积物带入到固结部分,使局部的剪切强度降得很低。但从整体来说,剪切强度仍是随深度的增加而增加。在经过了过渡和生物残骸减少之后,沉积物的剪切强度达到15~20kPa,甚至更高。这个深度在0.5~1m以下,沉积物的颜色成橄榄色或深褐色。鉴于沉积物的触变特性,若采用履带式行走机构,则打滑率是保证足够牵引力的一个关键指标,另外履带的齿型也是一个非常重要的参数,设计的原则是要保障足够的牵引力,同时又要考虑沉积物的触变特性,使其对沉积物不产生太大的扰动。结合这两方面的要求,齿型以尖楔齿为好,这样既可以使其扎入到沉积物中又能保证扰动最小,使沉积物的强度充分发挥出来。根据中国矿区的沉积物特征,齿尖最好能达到25cm深处,扣除被集矿机冲走的部分(约5cm半液态层),建议齿高设计为20cm最为合适。4深度和半烷基层的剪切强度的影响剪切强度除与试样深度有关外,区域变化的影响也是存在的,而且效果较为明显。归纳如下:1)不同站位的沉积物由于其类型的不同它们的剪切强度随深度的变化也不一样,有的甚至还存在较大的差别。2)深海沉积物的剪切强度随深度的增加而增加,在某一深度有一较为明显的剧增台阶,它与沉积物