海底边界层沉积物再悬浮的研究进展北大核心CSCD

海床沉积物受海洋水体的影响形成海底边界层(Bottom Boundary Layers,BBLs)。上部海水与下部沉积物在BBLs发生着复杂的相互作用,直接影响海底沉积物侵蚀、再悬浮与堆积过程。与此同时,沉积物颗粒可能携带的污染物解析释放,BBLs研究的科学意义与工程应用价值日益突显。海底边界层的范围已经远远超出了传统的流体力学中边界层的范围,而是海床界面上下一定范围内,水流与海床相互作用的区域。在波浪作用下BBLs沉积物以海床剪切破坏、海床液化破坏及震荡体破坏三种破坏模式发生侵蚀再悬浮。此外,海流、风暴潮、人类活动以及海底生物的扰动作用等对沉积物再悬浮起着不可忽视的作用。BBLs沉积物再悬浮原位观测是研究BBLs沉积物再悬浮最基础也是最重要的手段之一,常用的原位测试手段有水体采样、OBS、激光粒度仪、ADCP/ADV以及电法测量。海底悬沙和底沙的交换程度直接影响底层悬沙浓度的变化,沉积物再悬浮的定量分析成为海洋沉积过程研究的主要内容之一。系统地总结前人的研究成果,重点围绕海底边界层理论、海底沉积物再悬浮的影响因素、沉积物再悬浮的原位观测以及海底沉积物再悬浮的定量分析等几个问题进行综合评述。     

海底边界层沉积物再悬浮的研究进展

海床沉积物受海洋水体的影响形成海底边界层(Bottom Boundary Layers,BBLs)。上部海水与下部沉积物在BBLs发生着复杂的相互作用,直接影响海底沉积物侵蚀、再悬浮与堆积过程。与此同时,沉积物颗粒可能携带的污染物解析释放,BBLs研究的科学意义与工程应用价值日益突显。海底边界层的范围已经远远超出了传统的流体力学中边界层的范围,而是海床界面上下一定范围内,水流与海床相互作用的区域。在波浪作用下BBLs沉积物以海床剪切破坏、海床液化破坏及震荡体破坏三种破坏模式发生侵蚀再悬浮。此外,海流、风暴潮、人类活动以及海底生物的扰动作用等对沉积物再悬浮起着不可忽视的作用。BBLs沉积物再悬浮原位观测是研究BBLs沉积物再悬浮最基础也是最重要的手段之一,常用的原位测试手段有水体采样、OBS、激光粒度仪、ADCP/ADV以及电法测量。海底悬沙和底沙的交换程度直接影响底层悬沙浓度的变化,沉积物再悬浮的定量分析成为海洋沉积过程研究的主要内容之一。系统地总结前人的研究成果,重点围绕海底边界层理论、海底沉积物再悬浮的影响因素、沉积物再悬浮的原位观测以及海底沉积物再悬浮的定量分析等几个问题进行综合评述。     

现代黄河三角洲潮滩沉积物抗侵蚀性原位试验

潮滩沉积物的抗侵蚀性影响着海岸线的稳定,关系到海岸防护工程决策。2008年7月在现代黄河三角洲海港潮滩使用自制的循环水槽进行了表层沉积物抗侵蚀性试验,并测试了沉积物的物理力学性质。经现场实测得出海港潮滩表层沉积物的临界侵蚀切应力值为0.088~0.254 Pa,沉积物抗侵蚀性的非均匀特征,促使了滩面凹坑的形成。影响沉积物临界侵蚀切应力的因素中,剪切强度与临界侵蚀切应力的关系最为密切,二者呈良好的线性关系。临界侵蚀流速试验值与利用各泥沙起动公式计算得到的值差别较大,在目前情况下采用原位测试能得到较为客观的临界侵蚀条件。     

南黄海中部泥质区黏性土的微结构特征及其成因分析

通过对南黄海中部泥质区27张黏性土微结构图片的分析,发现该区黏性土具有粒状链接结构、絮状链接结构和黏土基质结构三种微结构类型,以黏土基质结构为主。分别从地形特征、物质来源、水动力条件、沉积速率等宏观因素,以及粒度成分、矿物组成、化学成分等微观因素分析微结构的成因,得知平坦的海底地形、较弱的水动力条件、较长的搬运距离使得研究区沉积物来源较少,沉积速率较低,沉积物颗粒以粉粒和黏粒为主。伊利石、绿泥石和蒙脱石等黏土矿物和有机质含量较高,这些物质成分的亲水性特征使得研究区的黏性土易吸水膨胀,微结构类型以孔隙非常发育,结构极为疏松的黏土基质结构为主。研究成果揭示了南黄海中部泥质区黏性土宏观工程性质的微观机理,加深了对海洋沉积物工程性状的认识。     

含砂量变化影响海底沉积物压缩波速度的分析研究

本文通过对南海海底沉积物样品的声学物理参数和沉积粒度特征统计分析,发现了高、低含砂量沉积物的声学物理特征存在明显差异,建立了海底沉积物的含砂量与压缩波速度、孔隙度、含水量和密度等经验公式,分析了含砂量变化与沉积物的体积压缩模量和密度变化的关系,从声速理论基础上阐明了含砂量变化引起沉积物压缩波速度变化的内在原因是含砂量变化引起了体积压缩模量和密度发生了变化,说明了含砂量增大引起沉积物压缩波速度增大的内在原因是含砂量增大引起了体积压缩模量变化量大于密度变化量,从而在数据统计和理论分析结合基础上,论证了含砂量是影响海底沉积物压缩波速度的重要因素之一。这一研究对声学方法反演海底沉积物粒度参数和沉积物类型、地声参数转换模型的建立,以及对水声反演海底和海底资源勘探等方面都具有重要理论意义和应用价值。     

盐度影响沉积物抗侵蚀性的环形水槽试验研究

黄河口海域盐度变化受入海径流量、海洋动力条件及气候等影响,时空变化显著。河口区盐度场的变化不仅会影响营养盐、污染物的运输,还会改变入海泥沙的沉降及固结特性,进一步影响沉积物的抗侵蚀性。为研究不同盐度环境对沉积物抗侵蚀性的影响,选用黄河三角洲沉积物进行室内循环水槽试验,模拟不同盐度条件下沉积物发生侵蚀再悬浮的过程。研究得出在本研究区盐度0～36‰范围内,黄河口细颗粒沉积物临界切应力值存在明显差异,变化范围为0.055 6～0.080 6 Pa。固结程度相同,沉积物临界切应力随盐度的增加呈对数增长特征,在盐度小于9‰的条件下,黄河口细颗粒沉积物抗侵蚀性受盐度环境变化的影响尤为明显;固结程度不同,随着固结时间的推移,盐度环境的增加对沉积物临界切应力的促进作用减小。     

海底滑坡典型特征及石油地质学意义

海底滑坡是一种由于重力失稳导致的广泛发生在外陆架-上陆坡-深海平原的沉积物搬运体,是海底沉积物重要的搬运过程,具有较强的侵蚀能力和搬运能力,可将大量陆架沉积物搬运至深海,为深海带来丰富的沉积物。再沉积后的滑坡体因其特殊的内部结构,对海洋油气成藏有重要影响。综合国内外研究,对海底滑坡空间展布特征和垂向结构特征进行总结,对滑坡体岩石物理特征进行梳理,揭示海底滑坡边界特征、内部结构以及岩石物理特征。结合海底滑坡特征,从提供物源、储层、盖层、改变海底温压等方面分析海底滑坡对海底油气藏的积极意义,从破坏盖层、改变海底土体温压环境等方面分析海底滑坡对海底油气藏的负面影响。最后结合国内外研究现状,指出未来应对海底滑坡微尺度特征识别、进一步开展海底滑坡与海底油气藏联系以及加强海洋油气开发致灾风险等方面进行深入研究。     

海洋盐度场对细粒沉积物临界剪应力影响北大核心CSCD

黄河口海域盐度变化受黄河入海径流量、气候及海洋动力条件的影响,河口沉积物的沉降、固结及侵蚀等动力学行为与黄河口海域盐度变化有密切关系。为研究不同盐度环境对河口沉积物抗侵蚀性变化的影响,在现代黄河三角洲刁口河路潮滩上进行原位试验,模拟不同盐度的沉积环境,使用黏结力仪（CSM）对细粒沉积物进行抗侵蚀性测试。结果表明细粒沉积物的临界剪应力为0.728～1.581Pa,且随着沉积环境盐度增加,细粒沉积物的临界剪应力呈线性增加。当沉积环境盐度增加1时,其临界剪应力增加约0.02Pa。     

海洋盐度场对细粒沉积物临界剪应力影响

黄河口海域盐度变化受黄河入海径流量、气候及海洋动力条件的影响,河口沉积物的沉降、固结及侵蚀等动力学行为与黄河口海域盐度变化有密切关系。为研究不同盐度环境对河口沉积物抗侵蚀性变化的影响,在现代黄河三角洲刁口河路潮滩上进行原位试验,模拟不同盐度的沉积环境,使用黏结力仪(CSM)对细粒沉积物进行抗侵蚀性测试。结果表明细粒沉积物的临界剪应力为0.728~1.581 Pa,且随着沉积环境盐度增加,细粒沉积物的临界剪应力呈线性增加。当沉积环境盐度增加1时,其临界剪应力增加约0.02 Pa。     

中国海区海底沉积物稀土元素地球化学

随着分析技术的进步以及海洋地球化学研究的深入开展,我国海区海底沉积物稀土元素研究也进入了新阶段。目前已对渤海、黄海、东海、南海及台湾浅滩等海区海底沉积物稀土元素地球化学作了较详细的研究。这些研究成果为探讨区域性沉积物的物策来源、形成环境及沉积物的对比提供了重要信息。     

海底沉积物碎屑矿物数据整合技术研究

海底沉积物碎屑矿物数据是海洋地质领域的重要基础资料,它在海洋沉积作用、环境演变研究以及海底砂矿资源勘 探中具有突出的意义。在系统分析了碎屑矿物特征和不同时期碎屑矿物鉴定差异的基础上,探讨了影响碎屑矿物数据整合的 主要因素,构建了海底沉积物碎屑矿物数据整合的技术体系,包括碎屑矿物数据格式制定、规范性处理、数据质量控制以及 数据重复性检查等方面,提出了 3级数据排重模式,并对数据整合的深入开展进行了探讨。该研究成果有利于促进海洋地质 工作规范化以及历史调查数据的充分利用,同时也为海底沉积物其他类型资料的整合提供参考。     

含水合物沉积物电阻率演化规律实验研究进展

电阻率对沉积物组成和微观结构具有极高敏感性,是反映水合物生成分解过程物性演化的重要参数。然而由于影响因素复杂,人们对电阻率随CH4水合物生成分解的演化规律仍不清楚。对含CH4水合物沉积物的电阻率实验研究进展进行了梳理,分析了电阻率的主要影响因素,总结了纯水、盐水、非饱和水等不同体系中水合物生成分解过程电阻率演化规律。研究认为,在纯水沉积物中,电阻率随着水合物的生成不断增大;在盐水沉积物中,成核阶段的排盐效应以及生长阶段的重结晶或Ostwald熟化现象都会导致沉积物电阻率的降低;对非饱和水沉积物,气体和水在重力、毛细管力作用下、孔隙溶液离子在渗透和扩散作用下,都对沉积物电阻率造成影响。基于上述分析,提出了水合物生成过程模型,探讨了电学特性实验研究未来发展方向,对水合物电学研究具有一定的参考意义。     

冲绳海槽沉积物物源示踪研究进展

冲绳海槽作为浅水陆架与深海大洋之间联系的过渡地带,其海底的厚层沉积物记录了晚第四纪海平面波动、构造活动、气候变化,以及冲绳海槽古环境演化信息,因此,对于冲绳海槽沉积物的研究一直是边缘海研究中的热点问题之一,而识别沉积物物源成为解决这一系列问题的关键。众多学者已对冲绳海槽沉积物的来源进行了诸多探讨,并取得了丰硕的成果。在综合前人研究成果的基础上,系统地总结了冲绳海槽沉积物的来源及示踪方法,包括矿物学、地球化学以及环境磁学,评述了目前研究存在的问题,并对未来沉积物物源的识别工作提出了展望。     

丘状交错层理研究述评

过去的几十年间在沉积物记录中发现了大量的丘状交错层理,它广泛形成于近滨——陆架之间,但在河口湾、潮坪以及三角洲等环境乃至深水浊积岩中也发现了它的存在,然而,人们对于它的形成环境和影响因素以及成因仍然存在着争论。通过近年来的研究,认为丘状交错层理是由振荡水流和单向水流联合作用所产生的观点逐渐得到了人们的认可。综合Simone Dumas(2006)的波洞实验以及前人的研究观点,影响丘状交错层理发育的因素主要有沉积物的粒度、风暴浪强度、地形坡度和水体密度、温度、粘度等。丘状交错层理对于恢复沉积物记录中的古沉积环境和古地理条件具有指导意义。     

湄洲湾北部海底地貌特征研究与分析

为对湄洲湾北部海底地形地貌特征及其影响因素进行系统的研究,作者利用多波束系统对湄洲湾北部海底地形进行探测,结合研究区内沉积物及潮流特征,对该区域海底地貌特征及其成因进行分析。研究区呈现中部低、南北高的地形格局,其中中部深水区又为近岸深、中间浅的特征,中轴为潮汐水道,水道两侧发育浅滩的海底地貌特征。研究区沉积物组分以砂和粉砂为主,由于研究区大部分表层沉积物中细粒沉积物占主要组分,沉积物具有较强的黏性,而实测资料显示潮流流速较小,因此研究区在常态水动力条件下,海底沉积物很难被冲刷,海底地形变化受潮流影响较小。通过将2012年与2013年研究区的调查结果进行对比发现,研究区海底地形整体变化不大,个别区域地形起伏变化较大,据推测可能是由于人为的挖沙、港口疏浚等因素造成的。因此,短期内影响研究区海底地形变化的主要因素为人为因素。     

黄河三角洲沉积物超固结特征及其成因

以室内固结试验为基础,从含水量、孔隙比、粒度成分、前期固结压力等方面对黄河三角洲沉积物的固结状态进行了研究,发现黄河三角洲地区沉积物垂向上呈现超固结-正常固结-欠固结的趋势,6 m以上沉积物处于超固结状态,这是土体粒度成分和沉积环境的影响等因素共同作用形成的。土体胶结方式的不同和波浪等动力因素的影响深度的不同决定了超固结特征沿深度非均匀化。     

南沙海域深水区表层沉积物声速与孔隙度相关关系

采用同轴差距测量法对南沙海域海底沉积物取样进行甲板现场声学测量,并计算了声速,结合沉积物取样分析获得的孔隙度,研究了海底表层100 cm沉积物的声速和孔隙度之间的相互关系,分析获得了孔隙度与海底沉积物声速关系的经验公式,结果表明此海域沉积物声速的临界孔隙度为67.80%。将此公式与国内外其他学者建立的经验公式进行了对比,分析发现各预测方程之间存在着差异,说明不同海域的沉积物声学特性具有差异性,经验公式具有区域性,同时分析了其他影响声速的因素。此项工作对于建立和研究南海声场环境具有重要意义。     

海底沉积物纵波速度与强度参数关系模型研究

海底沉积物具有质地松软、强度低的特点,其强度参数与海上平台插桩就位、导管架的安装等工程关系紧密,与海上作业安全息息相关。常规钻孔取芯与静力触探等强度参数获取方法成本较高、取样点少,且对沉积物扰动较大,利用易获取的声学资料预测海底沉积物的强度参数具有重要研究意义。本文基于Wood方程、Biot-Stoll模型、Dvorkin等效介质模型等声波传播理论,计算不同物性参数（密度、孔隙度）梯度下的理论纵波速度,结合室内模拟地层声学实验,对比了模型计算声速与实测声速的变化特征,建立了声速与物性参数关系模型。基于室内模拟地层土力学试验,揭示了沉积物物性与抗剪强度、黏聚力等参数之间的关系,建立了物性与强度参数关系模型。以物性参数为桥梁,建立基于声学特征的海底沉积物强度参数预测模型。此模型既避免了原位取样沉积物失水扰动的问题,又弥补了经验公式局限性的缺点,具有普适性与准确性,有效提高无法取样地区沉积物强度参数的精度,提高了经济效益,对浅层的勘探与开发起到了理论指导的作用。     

海底沉积物声速研究的意义、方法及展望

总结和分析了20世纪50年代以来的国内外有关海底沉积物声速研究的主要文献,详细阐述了海底沉积物声速研究的科学意义、工程意义和军事意义。将海底沉积物声速的主要研究方法进行了归纳和分类,分为理论研究、室内声学试验和海底原位声学试验3个大类,并论述和分析了各类方法的代表性观点及取得的主要研究成果。最后对目前海底沉积物声速的研究方法存在的主要问题进行了讨论,展望了基于高分辨率声学浅地层剖面资料与钻孔岩心对比研究方法的发展前景。     

含水合物沉积物相对渗透率研究进展

气-水相对渗透率是天然气水合物现场试采的关键参数。如何测量和评估储层相对渗透率是提高产气效率、实现天然气水合物产业化需要解决的基础问题。从含水合物沉积物相对渗透率的实验测试、数值模拟和模型建立3个方面,总结了含水合物沉积物相对渗透率的研究进展,研究发现,现有含水合物沉积物实验测试大多采用非稳态法,相对渗透率曲线图显示：在同一含水饱和度下,水合物饱和度越大,水的相对渗透率越小,气的相对渗透率变化规律较为复杂;水合物饱和度的变化改变了沉积物的孔隙空间结构,进而影响气-水相对渗透率。数值模拟大多利用孔隙网络模型或持水曲线进行相对渗透率计算,探索水合物生长习性、孔隙赋存特征,并揭示颗粒尺寸、水合物饱和度、润湿性、表面张力等不同因素对气-水相对渗透率的影响差异。梳理多种相对渗透率模型,发现新近提出的考虑毛细作用和孔径分布的含水合物介质相对渗透率模型在模拟含水合物沉积物中的多相流以及解释水合物饱和度的变化方面具有优势。建议下一步克服该模型计算成本较高的缺陷,实现含水合物沉积物多相流物理精确建模。