长江河口百米以浅土体含盐特征及其沉积环境演化

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2021.169

摘要/Abstract

摘要：

土体含盐特征是研究环境演化、工程地基基础设计和农业开发的重要参考指标。通过采集长江河口地区土样907件并对土体盐分进行测试,得到土体易溶盐8大离子含量和pH值。根据测试结果对研究区100 m以浅土层含盐特征进行系统分析。研究结果表明:各土层含盐量介于0.028%~1.226%之间。全新世土体随着深度的增加,土体含盐量呈增加趋势。含盐量最大值出现在如东组下段4-1层(埋深约26 m)淤泥质粉质黏土,盐分主要为NaCl。含盐量最小值出现在滆湖组下段的7~2砂层(埋深约81 m),其中HC0₃^-离子含量最高,其次为Cl^-与Na⁺。深部土层(滆湖组)含盐量有所降低,黏性土含盐量一般大于砂土。各土层ESR(交换性钠)值均大于当地地表淡水SAR(钠吸附比)值,ESR最大值为当地地表淡水SAR值的47.7倍,最低值也为当地地表淡水SAR值的2.7倍,说明土体中可交换Na含量高。100 m以浅地层含盐特征受晚更新世晚期海侵和全新世海侵控制,土体盐分主要为NaCl,其主要来源为海水浸渍或浸染。更新世土层为陆相沉积,但受晚更新世晚期海侵与全新世海侵浸染,土体含盐量较高。如东组下段和中段地层为三角洲相沉积,受长江和海侵共同作用,盐渍土广泛分布;如东组上段土层为陆相沉积,土体已普遍脱盐,HC0₃^-离子含量最高。土体中Cl^-含量对混凝土结构中的钢筋腐蚀性较大,特别是4-1淤泥质粉质黏土层,具有弱腐蚀性等级以上的土体占比高达99%,要做好基础防腐蚀工作。如东组上段的2-1和2-2土层(浅表土层)碱性较大,对农业和工程建设影响最大,需添加改良剂进行土体改良。

关键词: 沉积环境, 含盐特征, 易溶盐, 软土, 盐渍化, 滨海盐渍土

Abstract:

Soil salinity is an important reference indicator for engineering foundation design and agricultural development. By collecting and analyzing the soil salinity of 907 soil samples from the Yangtze River estuary region, the content of eight ions and pH value of the soil soluble salts were obtained. Accordingly, the study area (<100 m depth) was systematically analyzed in a brine-bearing characteristics of the light soil. The results show that each layer contains 0.028%-1.226% salt. The Holocene land has higher soil salt content with depth, with the maximum and minimum salinity (NaCl) occurring in layer 4-1 soft soil (26 m depth) of the lower Rudong Formation and layer 7-2 sand (81 m depth) of the lower Gehu Formation, respectively. For the latter, the HC0₃^- ion content is the highest, followed by the Cl^- and Na⁺ contents. Deep soil layer (Gehu Formation) has lower salt content, and the amount of viscous soil is generally greater than sand. Earth layer ESR value is higher than local surface freshwater SAR. The ESR maximum is 27.7 times that of the freshwater SAR, whilst the minimum is 2.7 times that of local surface freshwater ESR, indicating that the exchangeable soil Na content is high. Soil salinity (<100 m depth) was largely controlled by the Late Pleistocene transgression and Holocene transgression. The soil salinity comprises mainly NaCl, and the most important salt source is seawater impregnation or soaking. The Pleistocene layers contain terrestrial sediments, and have high salinity due to the Pleistocene and Holocene transgression. The lower and middle members of Rudong Formation are of deltaic facies, which are affected by Yangtze River and transgression, and the soil salinity ranges widely. The Rudong Formation (upper member) comprises continental sediments, and the soil has been widely desalted, with the highest HC0₃^- content. The Cl^- content has high corrosiveness in concrete construction, especially for the 4-1 silty clay layer, where the proportion of soils with at least low corrosive grade account for up to 99%, and basic anti-corrosion treatment should be done. The 2-1 and 2-2 soil layers (exposed on the surface) of the upper Rudong Formation are more alkaline, which has high impact on agriculture and engineering construction. It is necessary to add improved agents for soil improvement.

Key words: sedimentary environment, salt characteristic, soluble salt, soft soil, salinization, coastal saline soil

中图分类号:

苟富刚, 龚绪龙, 杨露梅, 张岩, 刘明遥. 长江河口百米以浅土体含盐特征及其沉积环境演化[J]. 现代地质, 2022, 36(02): 462-473.

GOU Fugang, GONG Xulong, YANG Lumei, ZHANG Yan, LIU Mingyao. Salt Content Features and Sedimentary Environmental Evolution in Shallow-Level (<100 m) Soils from the Yangtze River Estuary[J]. Geoscience, 2022, 36(02): 462-473.

图/表 10

图1 研究区基岩地质、构造和采样点位

Fig.1 Geological and structural map of bedrock in the study area, showing the sampling locations

表1 研究区百米以浅工程地质层序划分

Table 1 Engineering geological layer division of the study area (<100 m depth)

地层		工程地质层组	层号	岩土名称	状态	厚度平均值/m	层顶埋深平均值/m	成因类型	备注
组	段	工程地质层组	层号	岩土名称	状态	厚度平均值/m	层顶埋深平均值/m	成因类型	备注
如东组 (Qhr)	/	Ⅰ	1-1	耕填土	/	0.65	0	人工	/
	上段	Ⅱ	2-1	灰黄色粉土	稍密	1.92	0.60	河漫滩	两层土成因类型一致,仅岩性略有差异,2-2为本文新增土层
	上段	Ⅱ	2-2	灰黄色粉质黏土	可塑-软塑	1.51	0.55	河漫滩	两层土成因类型一致,仅岩性略有差异,2-2为本文新增土层
	中段	Ⅲ	3-1	淤泥质粉质黏土	流塑	2.88	2.90	三角洲平原沉积体系	由于3-3层、3-4层岩性和成因一致,仅密实程度不一致,且砂土渗透性好,盐分运移活跃,在经历千年渗透运移后,两层含盐特征基本一致,因此本文将两层合并分析,统称为3-3层
			3-2	灰色粉土,或互层土	稍密	5.21	2.81
			3-3	灰色粉砂	稍密	6.87	7.58
			3-4	灰色粉砂	中密	10.32	13.21
			3-5	灰色粉质黏土夹粉砂	/	6.63	19.70
			3-6	灰色粉土	中密	5.57	23.45
	下段	Ⅳ	4-1	淤泥质黏土夹薄层粉砂	流塑	13.08	25.67	前三角洲	4-3层仅在局部分布,本次的测试数据没有揭露到该层,本文不予研究
			4-2	灰色粉砂夹粉质黏土	稍密-中密	8.54	31.12	滨海-浅海
			4-3	灰色粉土	中密	10.17	34.24
			4-4	灰色粉质黏土夹粉土	/	8.74	41.49
			4-5	灰色粉砂	中密	9.05	50.33
滆湖组 (Qpg)	上段	Ⅴ	5-1	褐黄色粉质黏土	可塑-硬塑	4.00	36.78	河漫滩
	中段	Ⅵ	6-1	褐黄色-灰色粉质黏土	软塑-可塑	5.11	42.77	河漫滩	由于6-2层、6-3层及6-4层砂层渗透性好,且没有隔水层,盐分运移活跃,在经历万年渗透运移后,三层土含盐特征基本一致,因此本文将3层合并分析,统称为6-2层
								河床相
			6-2	灰色粉砂、细砂	密实	12.21	55.52
			6-3	灰黄色粗砂	密实	12.18	69.95
			6-4	灰色粉砂	密实	12.80	78.34
			下段	Ⅶ	7-1	灰褐色粉质黏土	可塑			8.11	76.09	河漫滩	7-2砂层、7-3砂层合并为7-2层进行分析,原因同上
	7-2	灰色粉砂、细砂			密实	/	81.29	河床相
	7-3	灰黄色粗砂			密实	/	/	河床相

表1 研究区百米以浅工程地质层序划分

Table 1 Engineering geological layer division of the study area (<100 m depth)

地层		工程地质层组	层号	岩土名称	状态	厚度平均值/m	层顶埋深平均值/m	成因类型	备注
组	段	工程地质层组	层号	岩土名称	状态	厚度平均值/m	层顶埋深平均值/m	成因类型	备注
如东组 (Qhr)	/	Ⅰ	1-1	耕填土	/	0.65	0	人工	/
	上段	Ⅱ	2-1	灰黄色粉土	稍密	1.92	0.60	河漫滩	两层土成因类型一致,仅岩性略有差异,2-2为本文新增土层
	上段	Ⅱ	2-2	灰黄色粉质黏土	可塑-软塑	1.51	0.55	河漫滩	两层土成因类型一致,仅岩性略有差异,2-2为本文新增土层
	中段	Ⅲ	3-1	淤泥质粉质黏土	流塑	2.88	2.90	三角洲平原沉积体系	由于3-3层、3-4层岩性和成因一致,仅密实程度不一致,且砂土渗透性好,盐分运移活跃,在经历千年渗透运移后,两层含盐特征基本一致,因此本文将两层合并分析,统称为3-3层
			3-2	灰色粉土,或互层土	稍密	5.21	2.81
			3-3	灰色粉砂	稍密	6.87	7.58
			3-4	灰色粉砂	中密	10.32	13.21
			3-5	灰色粉质黏土夹粉砂	/	6.63	19.70
			3-6	灰色粉土	中密	5.57	23.45
	下段	Ⅳ	4-1	淤泥质黏土夹薄层粉砂	流塑	13.08	25.67	前三角洲	4-3层仅在局部分布,本次的测试数据没有揭露到该层,本文不予研究
			4-2	灰色粉砂夹粉质黏土	稍密-中密	8.54	31.12	滨海-浅海
			4-3	灰色粉土	中密	10.17	34.24
			4-4	灰色粉质黏土夹粉土	/	8.74	41.49
			4-5	灰色粉砂	中密	9.05	50.33
滆湖组 (Qpg)	上段	Ⅴ	5-1	褐黄色粉质黏土	可塑-硬塑	4.00	36.78	河漫滩
	中段	Ⅵ	6-1	褐黄色-灰色粉质黏土	软塑-可塑	5.11	42.77	河漫滩	由于6-2层、6-3层及6-4层砂层渗透性好,且没有隔水层,盐分运移活跃,在经历万年渗透运移后,三层土含盐特征基本一致,因此本文将3层合并分析,统称为6-2层
								河床相
			6-2	灰色粉砂、细砂	密实	12.21	55.52
			6-3	灰黄色粗砂	密实	12.18	69.95
			6-4	灰色粉砂	密实	12.80	78.34
			下段	Ⅶ	7-1	灰褐色粉质黏土	可塑			8.11	76.09	河漫滩	7-2砂层、7-3砂层合并为7-2层进行分析,原因同上
	7-2	灰色粉砂、细砂			密实	/	81.29	河床相
	7-3	灰黄色粗砂			密实	/	/	河床相

图2 各工程地质层岩心照片

Fig.2 Photos of engineering geological drilling cores

图3 典型孔各土层含盐特征

Fig.3 Typical soil layer salinity features in boreholes

表2 各土层含盐特征分类统计和分区描述

Table 2 Soil layer salinity classification statistics

层号	分区	含盐量/%			各类型盐土类型占比/%					按式(1)计算的盐渍土占比/%			按式(2)计算的盐渍土占比/%
层号	分区	最大值	最小值	平均值	硫酸	亚硫酸	亚氯	氯	碱性	中盐渍土	弱盐渍土	非盐渍土	碱性盐渍土	非盐渍土
2-1	W	0.031	0.212	0.070	0	17	17	66	20	0	0	100	0	100
2-2	W	0.034	0.133	0.073	0	16	18	66	1	0	0	100	0	100
3-1	A	0.049	0.099	0.074	0	72	18	1	100	0	0	100	0	100
3-1	B	0.079	0.921	0.330	0	0	0	100	25	0	57	43	0	100
3-2	A	0.039	0.292	0.074	11	51	17	21	23	0	0	100	0	100
3-2	B	0.079	0.921	0.313	0	7	7	90	9	1	40	59	0	100
3-3	W	0.073	0.722	0.301	0	0	0	100	28	0	44	56	0	100
3-5	A	0.069	0.143	0.098	0	67	33	0	18	0	0	100	0	100
3-5	B	0.242	0.485	0.366	0	0	0	100	11	0	78	22	0	100
3-6	W	0.120	0.426	0.264	0	0	0	100	33	0	29	71	0	100
4-1	A	0.046	0.402	0.164	0	0	8	92	47	0	5	95	6	94
4-1	B	0.104	1.226	0.613	0	0	0	100	32	6	86	8	0	100
4-2	A	0.036	0.299	0.110	0	0	14	86	17	0	0	100	0	100
4-2	B	0.126	0.720	0.420	0	0	0	100	60	0	76	24	0	100
4-4	A	0.036	0.137	0.089	0	0	0	100	60	0	0	100	0	100
4-4	B	0.192	0.612	0.359	0	0	0	100	20	0	40	60	0	100
4-5	A	0.049	0.141	0.089	0	0	0	100	100	0	0	100	0	100
4-5	B	0.150	0.670	0.365	0	0	0	100	0	0	67	33	0	100
5-1	W	0.249	0.143	0.362	0	0	0	100	0	0	83	17	0	100
6-1	A	0.083	0.243	0.150	0	0	17	83	67	0	0	100	0	100
6-1	B	0.428	0.691	0.549	0	0	0	100	0	0	100	0	0	100
6-2	W	0.056	0.269	0.121	0	0	9	91	55	0	10	90	0	100
7-1	A	0.054	0.135	0.082	11	44	22	22	100	0	0	100	0	100
7-1	B	0.236	0.713	0.478	0	0	0	100	0	0	83	17	0	100
7-2	W	0.028	0.262	0.102	0	0	4	96	69	4	0	96	0	100

表3 土体含盐特征统计

Table 3 Statistics of soil salinity characteristics

地层	层号	分区	样本数	埋深/m	含盐量/ %	离子含量/(mg/kg)
地层	层号	分区	样本数	埋深/m	含盐量/ %	Na⁺	K⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	HC $O 3 -$	C $O 3 2 -$	Cl^-	S $O 4 2 -$
如东组 (Qhr)	2-1	未分区	47	1.34	0.070	145	15	41	12	247	9	152	77
	2-2	未分区	38	1.39	0.073	135	35	51	12	260	8	154	71
	3-1	低盐区	11	3.25	0.074	107	31	57	16	312	8	72	140
	3-1	高盐区	21	7.14	0.330	1 091	43	47	31	283	8	1 589	209
	3-2	低盐区	47	4.16	0.074	96	30	79	15	240	6	132	138
	3-2	高盐区	100	9.01	0.313	1 055	43	39	30	226	12	1 536	190
	3-3	未分区	36	11.65	0.301	976	47	42	38	208	15	1 468	212
	3-5	低盐区	3	6.50	0.098	165	61	48	25	354	5	103	222
	3-5	高盐区	9	11.45	0.366	1 210	50	31	42	205	11	1 969	141
	3-6	未分区	7	20.19	0.264	864	36	40	26	246	8	1 301	116
	4-1	低盐区	87	35.00	0.164	440	24	75	18	354	7	606	119
	4-1	高盐区	314	28.21	0.613	2 141	78	53	53	260	8	3 256	278
	4-2	低盐区	22	40.34	0.110	272	16	65	14	246	7	404	75
	4-2	高盐区	37	40.54	0.420	1 353	47	119	52	225	6	2 231	179
	4-4	低盐区	4	48.22	0.089	176	18	67	18	214	5	327	61
	4-4	高盐区	5	44.02	0.359	1 155	40	86	29	330	8	1 751	196
	4-5	低盐区	5	51.24	0.089	195	17	66	10	223	5	341	32
	4-5	高盐区	18	46.20	0.365	1 148	36	114	45	173	6	2 007	125
滆湖组 (Qpg)	5-1	未分区	12	30.31	0.362	1 208	19	79	30	248	2	1 875	157
	6-1	低盐区	6	58.19	0.150	348	16	116	18	336	5	578	83
	6-1	高盐区	8	70.71	0.549	1 738	48	172	60	249	5	3 019	203
	6-3	未分区	11	65.20	0.121	348	14	52	11	178	7	534	65
	7-1	低盐区	9	84.47	0.082	102	23	95	13	328	5	130	128
	7-1	高盐区	24	84.24	0.478	1 474	48	200	52	227	6	2 485	291
	7-2	未分区	26	89.71	0.102	280	13	49	10	176	8	412	72

表3 土体含盐特征统计

Table 3 Statistics of soil salinity characteristics

地层	层号	分区	样本数	埋深/m	含盐量/ %	离子含量/(mg/kg)
地层	层号	分区	样本数	埋深/m	含盐量/ %	Na⁺	K⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	HC $O 3 -$	C $O 3 2 -$	Cl^-	S $O 4 2 -$
如东组 (Qhr)	2-1	未分区	47	1.34	0.070	145	15	41	12	247	9	152	77
	2-2	未分区	38	1.39	0.073	135	35	51	12	260	8	154	71
	3-1	低盐区	11	3.25	0.074	107	31	57	16	312	8	72	140
	3-1	高盐区	21	7.14	0.330	1 091	43	47	31	283	8	1 589	209
	3-2	低盐区	47	4.16	0.074	96	30	79	15	240	6	132	138
	3-2	高盐区	100	9.01	0.313	1 055	43	39	30	226	12	1 536	190
	3-3	未分区	36	11.65	0.301	976	47	42	38	208	15	1 468	212
	3-5	低盐区	3	6.50	0.098	165	61	48	25	354	5	103	222
	3-5	高盐区	9	11.45	0.366	1 210	50	31	42	205	11	1 969	141
	3-6	未分区	7	20.19	0.264	864	36	40	26	246	8	1 301	116
	4-1	低盐区	87	35.00	0.164	440	24	75	18	354	7	606	119
	4-1	高盐区	314	28.21	0.613	2 141	78	53	53	260	8	3 256	278
	4-2	低盐区	22	40.34	0.110	272	16	65	14	246	7	404	75
	4-2	高盐区	37	40.54	0.420	1 353	47	119	52	225	6	2 231	179
	4-4	低盐区	4	48.22	0.089	176	18	67	18	214	5	327	61
	4-4	高盐区	5	44.02	0.359	1 155	40	86	29	330	8	1 751	196
	4-5	低盐区	5	51.24	0.089	195	17	66	10	223	5	341	32
	4-5	高盐区	18	46.20	0.365	1 148	36	114	45	173	6	2 007	125
滆湖组 (Qpg)	5-1	未分区	12	30.31	0.362	1 208	19	79	30	248	2	1 875	157
	6-1	低盐区	6	58.19	0.150	348	16	116	18	336	5	578	83
	6-1	高盐区	8	70.71	0.549	1 738	48	172	60	249	5	3 019	203
	6-3	未分区	11	65.20	0.121	348	14	52	11	178	7	534	65
	7-1	低盐区	9	84.47	0.082	102	23	95	13	328	5	130	128
	7-1	高盐区	24	84.24	0.478	1 474	48	200	52	227	6	2 485	291
	7-2	未分区	26	89.71	0.102	280	13	49	10	176	8	412	72

表4 各工程地质层沉积环境分析指标统计

Table 4 Statistics of environmental analysis indicators in various engineering geological layers

层号	岩性	分区	pH	Cl^-/ 2S $O 4 2 -$	ESR	r_Mg/ r_Ca
2-1	粉土	未分区	8.3	3.10	6	0.69
2-2	粉质黏土	未分区	8.1	4.20	5	0.50
3-1	淤泥质粉质黏土	低盐区	8.0	1.10	4	0.54
3-1	淤泥质粉质黏土	高盐区	8.2	11.90	31	1.06
3-2	粉土	低盐区	8.0	2.30	4	0.46
3-2	粉土	高盐区	8.3	15.00	32	1.23
3-4	粉砂	未分区	8.4	13.70	28	1.50
3-5	粉质黏土	低盐区	7.9	0.80	6	0.83
3-5	粉质黏土	高盐区	8.5	23.70	34	2.33
3-6	粉砂	未分区	8.2	21.50	27	1.22
4-1	淤泥质粉质黏土	低盐区	7.9	7.94	14	0.62
4-1	淤泥质粉质黏土	高盐区	8.2	21.70	53	1.76
4-2	粉土夹粉砂	低盐区	8.1	8.90	11	0.44
4-2	粉土夹粉砂	高盐区	8.0	30.60	33	0.97
4-4	粉质黏土夹粉砂	低盐区	7.7	6.80	5	0.43
4-4	粉质黏土夹粉砂	高盐区	8.2	22.50	34	0.69
4-5	粉砂夹粉土	低盐区	8.0	17.60	9	0.38
4-5	粉砂夹粉土	高盐区	8.0	28.70	27	0.72
5-1	粉质黏土	未分区	7.9	27.50	32	0.80
6-1	粉质黏土	低盐区	7.9	18.10	10	0.40
6-1	粉质黏土	高盐区	7.8	35.50	30	0.59
6-3	粉砂	未分区	8.1	14.00	14	0.35
7-1	粉质黏土	低盐区	7.9	1.40	3	0.23
7-1	粉质黏土	高盐区	7.8	12.10	27	0.49
7-2	粉砂	未分区	8.0	8.30	11	0.32

表4 各工程地质层沉积环境分析指标统计

Table 4 Statistics of environmental analysis indicators in various engineering geological layers

层号	岩性	分区	pH	Cl^-/ 2S $O 4 2 -$	ESR	r_Mg/ r_Ca
2-1	粉土	未分区	8.3	3.10	6	0.69
2-2	粉质黏土	未分区	8.1	4.20	5	0.50
3-1	淤泥质粉质黏土	低盐区	8.0	1.10	4	0.54
3-1	淤泥质粉质黏土	高盐区	8.2	11.90	31	1.06
3-2	粉土	低盐区	8.0	2.30	4	0.46
3-2	粉土	高盐区	8.3	15.00	32	1.23
3-4	粉砂	未分区	8.4	13.70	28	1.50
3-5	粉质黏土	低盐区	7.9	0.80	6	0.83
3-5	粉质黏土	高盐区	8.5	23.70	34	2.33
3-6	粉砂	未分区	8.2	21.50	27	1.22
4-1	淤泥质粉质黏土	低盐区	7.9	7.94	14	0.62
4-1	淤泥质粉质黏土	高盐区	8.2	21.70	53	1.76
4-2	粉土夹粉砂	低盐区	8.1	8.90	11	0.44
4-2	粉土夹粉砂	高盐区	8.0	30.60	33	0.97
4-4	粉质黏土夹粉砂	低盐区	7.7	6.80	5	0.43
4-4	粉质黏土夹粉砂	高盐区	8.2	22.50	34	0.69
4-5	粉砂夹粉土	低盐区	8.0	17.60	9	0.38
4-5	粉砂夹粉土	高盐区	8.0	28.70	27	0.72
5-1	粉质黏土	未分区	7.9	27.50	32	0.80
6-1	粉质黏土	低盐区	7.9	18.10	10	0.40
6-1	粉质黏土	高盐区	7.8	35.50	30	0.59
6-3	粉砂	未分区	8.1	14.00	14	0.35
7-1	粉质黏土	低盐区	7.9	1.40	3	0.23
7-1	粉质黏土	高盐区	7.8	12.10	27	0.49
7-2	粉砂	未分区	8.0	8.30	11	0.32

图4 土体pH分类统计

Fig.4 Soil pH classification statistics

图5 典型土层盐分分区图

Fig.5 Maps of typical geological layers showing high/low salinity districts

图6 腐蚀性与含盐量随深度变化

Fig.6 Corrosiveness and salt content conversion

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