天津濱海新區(qū)南部海岸帶晚第四紀沉積物工程地質特性研究

裴艷東，王國明

（天津地質調查中心，天津300170）

天津濱海新區(qū)南部海岸帶晚第四紀沉積物工程地質特性研究

裴艷東，王國明

（天津地質調查中心，天津300170）

天津濱海新區(qū)位于渤海灣西岸泥質海岸帶地區(qū)，中晚更新世以來歷經海陸變化，形成了海相和陸相交替出現(xiàn)的地層。本文通過對30余眼鉆孔巖心的沉積相分析和沉積物物理力學性質測試，討論了天津濱海新區(qū)南部海岸帶地區(qū)中晚更新世以來不同沉積相沉積物的物理力學性質，并對其工程地質特性進行了評價。結果顯示，研究區(qū)中晚更新世以來沉積地層中，陸相地層致密硬塑，具有含水率低、孔隙比低、壓縮性小、承載力高的特點；海相地層中粉土或粉砂層段也有孔隙比低、壓縮性小的特點，但粘性土層段大多有含水率高、孔隙比高、壓縮性大、承載力低的特點。關鍵詞：天津；濱海新區(qū)；海岸帶；晚第四紀；工程地質特征

天津濱海新區(qū)位于渤海灣西岸海岸帶地區(qū)，屬于我國典型的淤泥質海岸帶，區(qū)內地勢低平，陸域西部為海積、沖積低平原，臨海地區(qū)為海積低平原，近海陸地主要為鹽堿荒地和沼澤，地表以淤泥質粘性土為主，土壤鹽漬化嚴重。

本地區(qū)晚第四紀松散沉積物的厚度達100 m左右，各沉積層的三維空間分布非常復雜，其巖性和物理力學性質等受沉積動力、海面變化及古氣候、古環(huán)境等因素的影響較大。晚第四紀沉積物的形成及形成后的表生地質作用對工程地質性質具有重要影響［1］。作為現(xiàn)代建筑物地基土層的第四紀沉積物，其分布和土性的差異（包括埋藏深度、結構、物理力學性質等），對工程的造價和建筑物的安全起著決定性作用，已有不少學者對不同地區(qū)的第四紀沉積物進行了物理力學和工程地質特性研究［2-9］。近幾年來，依托國土資源調查項目，筆者在渤海灣西岸海岸帶地區(qū)施工了大量鉆孔（圖1），對其中一些鉆孔開展了詳細的第四紀地質研究和工程地質研究。本文通過對30余眼鉆孔巖心的系統(tǒng)分析研究（包括沉積物粒度、礦物、微體古生物、有機質、14C測年、OSL年代測定、沉積環(huán)境分析、現(xiàn)場標準貫入試驗、原狀土樣室內工程力學性質試驗），討論天津濱海新區(qū)南部海岸帶地區(qū)中晚更新世以來沉積物不同沉積相的工程地質特性，以便從宏觀上把握地基土的工程地質特性，為充分利用中晚更新世以來沉積地基土提供依據。

1　研究區(qū)地質和地層概況

天津濱海地區(qū)位于渤海灣西岸，在構造分區(qū)上處于華北地臺東北部的冀渤斷塊黃驊坳陷內，晚新生代以來沉積了巨厚的松散沉積物，記錄了豐富的環(huán)境變化信息［10-12］。華北平原第四紀地層發(fā)育，成因類型繁多，層序齊全，厚度較大。早在20世紀初，就有地質、地理、古生物專家在本區(qū)進行第四紀地質研究工作。新中國成立以來，為滿足經濟建設需要，地質、石油、水利、城建、交通等部門均在華北平原區(qū)對第四紀地層進行了研究，天津地質礦產研究所王強［13］研究員總結了前人研究成果，建立了華北平原區(qū)第四紀地層劃分方案。天津濱海新區(qū)100 m以淺為中更新世中晚期以來的沉積地層，即：全新世-天津組，晚更新世-塘沽組和中更新世晚期-佟樓組（表1）。

2　渤海灣西岸中晚更新世以來沉積環(huán)境演變

渤海灣沿岸第四紀時期歷經多次隨氣候冷暖變化而發(fā)生的海侵和海退事件，海相和陸相地層交替發(fā)育，記錄了豐富的海陸環(huán)境變化信息。前人通過大量研究［14-19］，揭示渤海灣西岸中晚更新世以來共發(fā)生了3次海陸變化旋回。根據前人的研究結果，可將研究區(qū)中晚更新世以來的沉積環(huán)境演變過程總結如下（圖2）。

圖1　工作區(qū)鉆孔分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of borehole distribution in working area

表1　華北平原第四紀地層系統(tǒng)Tab.1 Quaternary stratigraphic system in North China Plain

2.1第一陸相層

表層主要為素填土、局部為吹填土和雜填土堆積物，由于填墊時間短，土質疏松，成分復雜，變化較大，填土中夾有植物碎屑、碎石等。下部以黃、灰黃、黃褐色粘士質粉砂為主，局部夾粉砂質粘土或淤泥質土，以及坑塘洼地淤積物。發(fā)育塊狀層理、脈狀層理和透鏡狀層理，含云母，見少量鐵質浸染和鐵錳核。屬于全新世末期洪泛平原沉積或三角洲體系中的水上三角洲平原沉積，部分地區(qū)為海陸過渡相沉積。

2.2第一海相層

本層分上下兩段。上段主要為黑棕色粘土質粉砂與黃棕色粉細砂互層，粘土質粉砂層中含大量炭屑、炭質條帶和砂質透鏡體，粉細砂層中富集貝殼碎屑，互層間多為侵蝕接觸關系，指示水動力間歇性變化。本段內海相生物化石含量豐富，發(fā)育多種軟體動物化石，保存相對完整，以P.laevis為優(yōu)勢種。有孔蟲數量較多，優(yōu)勢度較高，A.confertitesta、A.beccarii vars.和Q.akneriana rotunda3個優(yōu)勢種總含量可達80%以上，常見A.annectens、E.magellanicum和E.advenum等，分異度0.8～2.1。介形蟲優(yōu)勢度較高，S.impressa、B.bisanensis和Tanella opema（豐滿陳氏介）3個優(yōu)勢種含量可達80%以上，常見L.bi-haiensis、Echinocythereissp.、N.dongtaiensis和W. bradyformis等，分異度0.9～1.8。下段主要為棕灰色粘土質粉砂，透鏡狀層理，底部砂質含量高，呈波狀層理。向上變細呈正粒序，指示海面上升速率超過沉積供給。本層段生物化石含量出現(xiàn)峰值，發(fā)育各種軟體動物化石，P.laevis為優(yōu)勢種。有孔蟲數量較多，優(yōu)勢度較低，分異度較高，以A.confertitesta、A. beccarii vars.和A.annectens組合為特征，常見E. magellanicum、Q.aknerianarotunda、Elphidium hughesi foraminosum（顯孔鼓室希望蟲）和Protelphidiumsp.（先希望蟲多種），分異度介于1.5～2.1。介形蟲豐度和分異度較高，以S.impressa和N.dongtaiensis組合為特征，常見Echinocythereissp.、L.bihaiensis、W.bradyformis和A.transcendens。

圖2　渤海灣西岸晚第四紀以來地層對比圖Fig.2 Comparison since the Late Quaternary in the west coast of Bohai Bay

第一海相層沉積物向上呈正粒序，生物化石以淺海組合為特征，豐度和分異度均向上迅速增大，指示此次海侵開始后海面快速上升的過程。埋深10 m以上，沉積物粒度變粗，生物化石以近岸淺海組合為特征，雖數量較多，但分異度降低，推測此時陸源供給作用加強，已超過海面上升速度，可容空間向上逐漸變小。該海相層總體上揭示研究區(qū)經歷了水深的淺-深-淺的變化過程。2.3第二陸相層

本層可分為兩個層段。上段以黑灰、淺灰色粘土質粉砂或粉砂質粘土為主，局部夾粉砂透鏡體，可塑狀態(tài)，上部夾1～2層沼澤相沉積的泥炭層或有機質粘土，頂部有0.1～0.4 m厚的黑色泥炭層，為該層頂界的標志層，含淡水腹足類化石如Gyraulus albus（白小旋螺），介形蟲組合以機上氏土星介-小玻璃介組合為主，其沉積相屬于全新世早期湖沼、河漫灘相沉積。下段沉積物主要為黃灰、棕灰、灰黃棕色硬粘土或灰黃棕至濁黃棕色粘土質粉砂，致密，塊狀，含細砂透鏡體，見少量鈣質結核，鐵質浸染條帶明顯，F(xiàn)e/Mn核散布，局部夾黑色炭質薄層，偶見潛育化現(xiàn)象，含少量軟體動物和微體動物化石，以厚壁卷轉蟲-土星介-沼漯組合為主。其沉積相主要為晚更新世晚期河流泛濫盆地沉積、河流天然堤和邊灘沉積。

2.4第二海相層

底部約為2 m厚的棕灰色粉細砂，向上過渡為黃灰色粘土質粉砂，中部粉細砂層中夾粘土質粉砂薄層，呈脈狀層理，發(fā)育蟲孔。上部粘土質粉砂層以透鏡層理為主，炭質含量高，呈條帶狀或斑點狀分布，蟲孔發(fā)育。軟體動物化石多為不完整碎片，以海膽殼板和棘刺部分為主，另有少量S.subcrenata和Crassostreasp.殼體碎片，底部見淡水種，以Lamprotulasp.、C.fluminea和G.convexiusculus為主。有孔蟲數量較多，優(yōu)勢度高，Q.akneriana rotunda、E.magellanicum和P.gaimardii3個優(yōu)勢種的總含量達80%，常見A.confertitesta、E.advenum和Cribrononionspp.等，分異度介于1.0～2.5。介形蟲含量普遍低于100個，優(yōu)勢度高，S.impressa、N.dongtaiensis和A.transcendens3個優(yōu)勢種總含量超過80%，常見Echinocythereissp.、L.bihaiensis和W.bradyformis等，底部見少量淡水種Ilyocyprissp.，分異度較低，介于0.6～1。

第二海相層底部少量淡水介形蟲指示此次海侵前可能為河口環(huán)境，上部有孔蟲以Q.akneriana rotunda、E.magellanicum和P.gaimardii組合為特征，介形蟲以濱海組合為特征，含量較低，總體上，第二海相層為濱岸淺海環(huán)境。

2.5第三陸相層

沉積物以黃灰、黃棕、濁黃棕、灰綠色粘土質粉砂為主，夾粉砂-粉細砂薄層，泥質沉積物分布廣泛，呈厚層狀結構，中部見大量鈣質結核，直徑約0.4～5 cm不等，鐵/錳質結核及鐵質浸染條帶較發(fā)育，土質致密硬實，見灰白色斑點，局部見泥質沉積物與粉砂呈韻律互層。底部為濁黃棕色、灰黃棕色中細砂-細砂，厚度不均，巖性松散，粗糙，濕潤，富含水，均勻無層理，散見鐵染條帶，含黑云母，整體向上變細。本層內未發(fā)現(xiàn)海相生物，但含近杜布土星介、純凈小玻璃介、粗糙土星介等陸相生物化石。沉積相屬于晚更新世中期河流沉積體系中的河床沉積-天然堤-洪泛湖泊沉積。

2.6第三海相層

沉積物主要為濁黃棕色粘土質粉砂，頂部顯示透鏡層理；中部有直徑0.5～3 cm的鈣核，并有斑狀銹染。本層生物化石含量較低，呈向上逐漸減少特征。軟體動物以少量Crassostreasp.幼體和C.fluminea為主，個別樣品中有P.laevis。有孔蟲豐度和分異度均較低，A.confertitesta和A.beccarii vars.占絕對優(yōu)勢，二者含量高達80%以上。介形蟲以S.impressa、N.dongtaiensis和B.bisanensis組合為特征，埋深60 m上下見少量淡水種Candona（Pseudocandona）subequalisalta（近等高假玻璃介）和I.pulchra。

第三海相層底部海相有孔蟲和介形蟲數量較多，以濱岸淺海組合為主，特別是優(yōu)勢種P.schroeteriana的出現(xiàn)，指示第三海相層為水溫較高的淺海環(huán)境；上部生物含量低，屬種單一，以廣鹽性種為主，并見少量淡水種混合，推測為河口區(qū)附近的海陸過渡環(huán)境。

2.7第四陸相層

上部為褐黃色、黃灰色粘土質粉砂，夾粉細砂或細砂薄層，塊狀層理，土質均勻，呈可塑-硬塑狀態(tài)，局部見鐵染條帶，含鈣質結核，直徑約2～10 cm不等，夾貝屑薄層，見麗蚌碎片；下部為濁黃橙色中粗砂，分選較好，具水平層理及交錯層理，含直徑～1 cm的小礫石，正粒序旋回。本層沉積相主要為中更新世晚期至晚更新世早期的河流泛濫盆地沉積、河流天然堤和邊灘沉積。

3　晚第四紀沉積物物理力學性質

本文選取的沉積物物理力學性質指標包括天然含水量ω、天然密度ρ、天然孔隙比e、液限ωL、塑限ω p、液性指數IL、塑性指數Ip、黏聚力Cp、內摩擦角φ、壓縮系數a0.1-0.2、壓縮模量Es0.1-0.2、標準貫入擊數、承載力等，沉積物物理力學性質隨深度增加而發(fā)生變化，如含水量和孔隙比隨深度增加而減小，密度逐漸提高，遵循沉積物在自重壓力下逐漸壓密固結的規(guī)律。但是，海相沉積層的物理力學性質又與沉積環(huán)境密切相關，海相地層的天然含水率一般高于陸相地層，第一海相層尤為明顯，其含水率一般為40%～55%，最高達60%以上，沉積物呈軟塑或流塑狀態(tài)。各沉積層的物理力學性質指標見表2。

4　不同沉積相工程地質特性

通過對各不同沉積地層沉積物物理力學指標進行分析（表2），各沉積層工程地質特征如下：

（1）第一陸相層。本層中的雜填土為欠固結土，且填土層分布不均，工程地質條件差，一般不宜作為天然地基使用。而全新世末期洪泛平原沉積沉積物中淤泥質土工程性質差，為軟弱下臥層；粘性土一般上部分布有可塑狀態(tài)的粘土，工程性質較好，可作為淺基礎持力層；粉土無層理、含鐵質，工程地質條件較好。

（2）第一海相層。本層土由深灰色淤泥質粘土、淤泥和淤泥質粉質粘土組成，局部夾非淤泥質土，主要為軟土，呈流塑狀態(tài)，富含有機質，具高含水量、高壓縮性、高靈敏度、低強度、低透水性、變形大等工程特性，不可作為地基持力層。

（3）第二陸相層。上部的早全新世沉積物工程性質較好，是本地區(qū)陸上首選樁基持力層之一，以砂性土為最佳，可滿足一般中低層建筑物樁基要求。但由于該層砂性土分布不連續(xù)，厚度變化較大，大部分地區(qū)都向下選擇作為樁基持力層。下部的晚更新世沉積物中粘性土呈可塑狀態(tài)，中等壓縮性，粉土和粉砂呈中密-密實狀態(tài)，低壓縮性，為正常固結土。該層工程地質條件良好，為本地區(qū)中高層建筑物良好樁基持力層。

表2　不同沉積地層土體物理力學性質指標統(tǒng)計表Tab.2 List of mechanical quality of the soil layer in different sedimentary strata

（4）第二海相層。本層中粘性土呈可塑狀態(tài)，中等壓縮性，粉土及砂土呈密實狀態(tài)，低壓縮性，為正常固結土。砂性土層工程地質條件較好，可考慮作為高層建筑樁基持力層。當上部持力層為砂性土，粘性土作為下臥層時，需考慮進行軟弱下臥層驗算。

（5）第三陸相層。本層中粘性土分布廣泛，為厚層狀結構，含鈣、鐵、錳質結核及氧化鐵斑紋。砂性土顆粒較均勻，分選磨圓較好，具水平層理和交錯層理，分布較廣，但厚度不均。該層粉土和粉砂呈密實狀態(tài)，工程性質較好，是本地區(qū)高層和超層建筑物理想樁基持力層。

（6）第三海相層。該層粉土-粉砂呈密實狀態(tài)，局部為細砂，工程性質較好，可作為超高層建筑良好樁基持力層，是本地區(qū)高層和超高層建筑物理想下臥層。

（7）第四陸相層。本層中粘土可塑-硬塑狀態(tài)，含大量姜石，工程性質較好，可作為超高層建筑樁基持力層。粉土、粉砂呈密實狀態(tài)，局部分布有細砂，工程性質好，可作為超高層建筑良好樁基持力層。

5　結語

第四紀冰期和間冰期交替出現(xiàn)，渤海灣西岸地區(qū)形成海陸相交互沉積地層。由于沉積環(huán)境不同，壓縮固結時間長短不一，各地層的物理力學性質也有較大差異。天津濱海新區(qū)南部海岸帶地區(qū)中晚更新世以來沉積地層中，陸相地層致密硬塑，具有含水率低、孔隙比低、壓縮性小、承載力高的特點，海相地層中粉土或粉砂層段也有孔隙比低、壓縮性小的特點，但粘性土層段大多有含水率高、孔隙比高、壓縮性大、承載力低的特點。因此，在一般工程建設施工過程中需采用樁基處理時，中層、中高層建筑樁端持力層可選擇第二陸相層，而高層、超高層建筑應選擇第三陸相層為宜。

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Engineering geological characteristics of Late Quaternary sediments in the southern coastal area of Tianjin Binhai New Area

PEI Yan-dong，WANG Guo-ming
（Tianjin Center，China Geological Survey，Tianjin 300170，China）

Tianjin Binhai New Area is located in the west muddy coastal area of Bohai Bay.It formed marine sediment and terrigenous sediments alternating strata since the middle-late Pleistocene.Based on detail analysis of the sedimentology，chronology and physical and mechanical parameters in more than 30 boreholes，this paper discussed the sediment physical and mechanical properties of different sedimentary facies since the middle-late Pleistocene in Southern coastal area of Tianjin Binhai New Area，and the engineering geological characteristics were evaluated.The results showed that since the middle-late Pleistocene in study area，continental strata is dense and hard plastic；moisture content is low；void ratio is low；compression is low；and the bearing capacity is high. The engineering geological characteristics of silt or silty sand section in marine strata is similar with continental strata，but cohesive soil section in marine strata；moisture content is high；void ratio is high；compression is high；and bearing capacity is low.

Tianjin；Binhai NewArea；coastal area；Late Quaternary；engineering geological characteristic

P534.63

A

1672-4135（2016）03-0215-06

2016-03-31

中國地質調查項目“天津濱海新區(qū)地質環(huán)境調查評價（1212011120089）”和“天津濱海新區(qū)圍海造陸區(qū)環(huán)境地質調查評價（12120114033601）”項目資助。

裴艷東（1978-），男，工程碩士，高級工程師，從事水工環(huán)地質和第四紀地質研究，E-mail：tjpyd1978@163.com。