长江河口百米以浅土体含盐特征及其沉积环境演化

苟富刚,龚绪龙, 杨露梅, 张 岩, 刘明遥

(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)

0 引 言

长江河口地区地势平坦，水盐排泄不畅，土体长期遭受海水入侵及高矿化度潜水的共同作用。此外，三峡水库运行后对河口地区土体含盐量也有一定影响。长江河口地区是较早发现海水入侵的地区[1-3]，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[4-7]。近31年(1980年至2010年)来中国近海冬季海平面平均上升速率为3.1 mm/a[8]。在2012年与2016年中国海平面处于震荡周期的高位时，振幅大于0.5 m，海平面上升3～4 cm[9]。海水入侵后，水土易盐化，因此土壤盐渍化已经演化为一个生态问题[10]。全球范围内盐渍土面积达到了0.1亿km2，分布在100多个国家和地区[11-12]。前人模拟了20世纪50年代、70年代和2012年海水入侵情况，其中长江北支主要由分比流和超差控制[13-15]。长江河口地区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，水土含盐特征存在一致性[16]。海水浸渍是滨海相盐渍土形成的一个最主要的原因，土体含盐特征与海水含盐特征基本一致。苟富刚等2018年[17]通过对江苏沿海地区含水砂层及其孔隙水进行耦合分析，得出了水土体含盐指标呈线性正相关的关系，其中土体Cl-含量与孔隙水TDS回归分析建立的模型相关性最高。滨海盐渍土是一种特殊土，盐分以NaCl占绝对优势，具有溶陷性和腐蚀性等工程性质，其中以氯离子对混凝土中的钢筋腐蚀最为显著[18-19]。

目前还没有较为系统地对长江河口地区土层的含盐特征进行过分析，一般工程勘察仅研究潜水位以上(约1 m)土体[20-24]。周洁等利用电磁感应仪(EM38)对长江河口地区1 m以浅土壤含盐特征进行研究，发现土体盐分具有底聚性，底部土体盐化比例达到6%[20]。三峡调蓄对长江河口地区土体(1 m以浅)含盐量有显著影响，长江河口地区土壤以Na质为主，秋季土体存在盐化趋势[22]。三峡水库蓄水后长江河口地区地表0～20 cm的土体盐分含量增加约为10%[23]。本文将以长江河口地区100 m以浅土层为研究对象，结合土体沉积环境进行土体含盐特征以及土体盐分对工程基础腐蚀性的影响分析。

1 区域地质背景

研究区位于长江三角洲北翼(图1)，隶属扬子地层区下扬子地层分区。下扬子陆块沉积盖层由震旦系至三叠系组成，该时期沉积物以海相碳酸盐为主，夹海陆交互相的砂页岩建造[25]。研究区地面标高一般为3～4 m，第四系松散层厚度普遍超过了200 m。本文研究土体为100 m以浅土体。前人根据沉积时代、土层结构与物理力学性质把研究区100 m以浅土体分为7个工程地质层组和21个工程地质层(表1)[26]。本文以此为基础，对工程地质层组盐分进行统计分析。

2 样品采集及分析方法

为了研究长江口土体的含盐特征及沉积环境，采集样品907件，采样位置见图1。采样深度为0～100 m，垂向上采样间距0.5～3.0 m。对所采土样的全盐量、易溶盐8大离子(Cl-、HCO3-、SO42-、CO32-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+)和pH值进行测试。

土样品制备需要经过烘干、研磨、过筛的步骤，再以1:5比例的土水经过溶解、浸提(时间为3 min)、抽滤等步骤获得测试水溶液[17, 27]。Na+与K+测定采用火焰光度法，Ca2+测定采用EDTA法，Mg2+测定采用钙镁合量滴定法，CO32-与HCO3-测定采用双指示剂中和滴定法，Cl-测定采用硝酸银滴定法，SO42-测定采用EDTA络合滴定法[27]。pH采用型号为pHS-3C的精密仪器进行测试。

对每一土层的含盐量、8大离子含量、pH、沉积环境分析指标进行统计分析，统计项目包含最大值、最小值、平均值等。土体含盐的化学成分分类参考《盐渍土地区建筑技术规范》(GB/T 50942—2014)[28]及《岩土工程勘察规范》 (GB50021—2001(2009年版))[29]。目前一般采用0.1 kg土中阴离子含量的比值作为分类标准，共两套标准，一套为氯盐渍土、亚氯盐渍土、亚硫酸盐渍土、硫酸盐渍土判定标准，根据式(1)计算结果结合《盐渍土地区建筑技术规范》中表3.0.3[28]进行分类；另一套为碱性盐渍土判定标准，根据式(2)计算结果结合《盐渍土地区建筑技术规范》中表3.0.3[28]进行分类。

(1)

表1 研究区百米以浅工程地质层序划分

(2)

式中：各离子浓度c为100 g土中所含离子的毫摩尔数。

R1≤0.3，为硫酸盐渍土；0.32，氯盐渍土。R2>0.3，为碱性渍土；R2≤ 0.3，为非碱性渍土。

3 测试结果分析

3.1 土体含盐特征分析

对研究区100 m以浅16个工程地质土层进行统计分析。内容包括各土层含盐特征(含盐量最小值、最大值及平均值)以及盐土分类。根据式(1)把各层土分为硫酸盐渍土、亚硫酸盐渍土、亚氯盐渍土和氯盐渍土；根据式(2)把各层土分碱性盐渍土和非盐渍土。以某一土层盐渍土(含盐量≥0.3%)占比是否超过40%为标准，把各土层划分为低盐区和高盐区。据统计结果，各土层高盐区盐渍土平均占比70%，最低占比为40%，最高为100%；低盐区盐渍土平均占比小于1%，最高占比仅为5%(表2)。由于各工程地质层划分考虑了沉积时代，因此土体的含盐特征分区评价既考虑了平面分布特征，也兼顾到垂向分布规律。把广泛分布的土层(本文涉及9个土层：3-1层、3-2层、3-5层、4-1层、4-2层、4-4层、4-5层、6-1层、7-1层，岩心照片见图2)划分为高盐区和低盐区，并进行了分区评价(表2)，结果表明近海区高盐土分布厚度较西侧区域更大，高盐土层数量也多。

对研究区100 m以浅各工程地质土层含盐特征进行统计分析得知：浅表(3 m以浅)土层(主要涉及2-1层、2-2层，除了临海区域分布的吹填土)已经脱盐，含盐量普遍小于0.3%，其中HCO3-离子含量最高，其次为Cl-和Na+。全新世土层(第Ⅰ工程地质层—第Ⅳ工程地质层)，随着深度的增加，土体含盐量有增加的趋势，其中全新世下段4-1层淤泥质粉质黏土含盐量最高，最高含盐量达1.226%(表2)。以ZK2和ZK1孔为例分析了各土层的含盐特征(图3)，其中ZK1为近海分析孔(图1)，可以看出：ZK1孔4-1土层盐渍土占比较ZK2孔高，两孔揭露了4-1层含盐特征均以Cl-、Na+占绝对优势，高于其他6类离子(HCO3-、SO42-、CO32-、Ca2+、K+、Mg2+)一个等级。浅部土层(2-1层、2-2层)以HCO3-、Cl-、Na+和SO42-为主，深部土层低盐区以Cl-、Na+和HCO3-为主；深部高盐区以Cl-和Na+为主。在全新世土层与更新世的接触土层中，第Ⅴ工程地质层5-1层褐黄色粉质黏土含盐量较高(仅在古长江河谷北界3个钻孔有所揭露)。而5-1层下伏土体，即更新世土体的含盐量有所降低，黏性土含盐量一般大于砂土，图3中ZK2揭露的6-1层与6-2层、7-1层与7-2层以及ZK1揭露的7-1层与7-2层均表现出该特征。

3.2 各土层含盐特征分析

根据907个样品测试统计分析结果，将各土层含盐量平均值及各离子含量汇总于表3。下面介绍各土层含盐特征。

2-1层岩性为灰黄色粉土。土体以HCO3-含量最高，SO42-、Ca2+含量相对较高，这样的离子含量排序，表明浅表土壤已经脱盐[30]。特别是土体含盐量降低到0.1%以下时，这种现象最为明显。2-2层土体中含盐特征与2-1层土体一致。

3-1层岩性为灰色淤泥质粉质黏土，具有高含水率、大孔隙及高压缩性特征。低盐区3 m以浅土体HCO3-含量大于Cl-含量；3 m以下土体Cl-含量大于HCO3-含量。高盐区离子含量从高到低依次为Cl-、Na+、HCO3-、SO42-、Ca2+、K+、Mg2+、CO32-。弱盐渍土占比为57%，其余均为非盐渍土。

3-2层低盐区土体含盐量未达到盐渍土。土体中HCO3-含量最高，所占比例为87%，Cl-含量最高仅为13%。高盐区土体中Cl-含量最高，其次为Na+。盐渍土比例为41%，非盐渍土所占比例为59%。当5 m以浅土体含盐量小于0.1%时，土体易溶盐易出现HCO3-含量大于Cl-含量，这类型土体所占比例仅为6%。

3-3层岩性为灰色粉砂。整体上Cl-含量最高，其次为Na+。弱盐渍土占比44%，非盐渍土占比56%。但当8 m以浅土体含盐量小于0.1%时，易出现HCO3-含量大于Cl-含量，占比6%。

3-5层岩性为灰色粉质黏土。低盐区土体整体上HCO3-离子含量最高，其它离子含量从高到低依次为SO42-、Cl-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、CO32-。整体上看，高盐区土体中Cl-含量最高，其它离子含量从高到低依次为Na+、HCO3-、SO42-、K+、Mg2+、Ca2+、CO32-。弱盐渍土所占比例为78%，非盐渍土所占比例为22%。

3-6层岩性为灰色粉砂。其中盐渍土占比29%，均为弱盐渍土，非盐渍土所占比例为71%。Cl-离子含量最高，其它离子含量从高到低依次为Na+、HCO3-、SO42-、Ca2+、K+、Mg2+、CO32-。

4-1层岩性为淤泥质粉质黏土。低盐区整体上Cl-离子含量最高，其它离子含量从高到低依次为Na+、HCO3-、SO42-、Ca2+、K+、Mg2+、CO32-。HCO3-含量大于Cl-含量的土体所占比例为23%，土体含盐量达到盐渍土所占比例为6%，均为中盐渍土(碳酸盐分类)。根据式(1)计算结果，土体含盐量达到盐渍土所占比例为5%，均为弱盐渍土(表2)。高盐区土体中Cl-含量最高，其它离子含量从高到低依次为Na+、HCO3-、SO42-、K+、Ca2+、Mg2+、CO32-。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%。

4-2层岩性为灰色粉土或互层土。低盐区整体上Cl-含量最高，其它离子含量从高到低依次为Na+、HCO3-、SO42-、Ca2+、K+、Mg2+、CO32-。HCO3-含量大于Cl-含量的土体所占比例为50%。高盐区整体上Cl-含量最高，其它离子含量从高到低依次为Na+、HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+、K+、CO32-。盐渍土类型以弱盐渍土为主，占比76%；非盐渍土占比24%。

4-4层岩性为灰色粉质黏土夹粉砂。低盐区整体上Cl-含量最高，其它离子含量从高到低依次为Na+、HCO3-、SO42-、Ca2+、K+、Mg2+、CO32-。HCO3-含量大于Cl-含量的土体所占比例为25%。高盐区土体中Cl-含量最高，其它离子含量排序同低盐区。盐渍土类型以弱盐渍土为主，占比40%；非盐渍土占比60%。

4-5层岩性为灰色粉砂夹粉土。低盐区整体上Cl-含量最高，其它离子含量从高到低依次为HCO3-、Na+、Ca2+、SO42-、K+、Mg2+、CO32-。HCO3-含量大于Cl-含量的土体所占比例为20%。高盐区土体中Cl-含量最高，其它离子含量从高到低依次为Na+、HCO3-、SO42-、Ca2+、K+、Mg2+、CO32-。弱盐渍土占比67%，非盐渍土占比33%。

5-1层岩性为褐黄色粉质黏土，仅分布在长江古河谷北侧。Cl-含量最高，其它离子含量从高到低依次为Na+、HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+、K+、CO32-。弱盐渍土占比83%，非盐渍土所占比例为17%。

6-1层岩性为灰色粉质黏土。整体上看，低盐区土体中Cl-含量最高，其它离子含量从高到低依次为Na+、HCO3-、Ca2+、SO42-、Mg2+、K+、CO32-。HCO3-含量大于Cl-含量的土体占比为50%。非盐渍土占比100%。高盐区土体中Cl-含量最高，其它离子含量从高到低依次为Na+、HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+、K+、CO32-。土体中Cl-含量最高，其次为Na+。弱盐渍土占比100%。

6-2层岩性为灰色粉砂、细砂。Cl-含量最高，其它离子含量特征见表3。仅在南阳镇西侧EGNH05孔揭露的6-2层中土体含盐量较高，达到了0.430%，为弱盐渍土，这可能与20世纪90年代抽取大量地下水有关。

7-1层岩性为灰色粉质黏土。整体上HCO3-含量最高，其它离子含量从高到低依次为Cl-、SO42-、Na+、HCO3-、Ca2+、K+、Mg2+、CO32-。HCO3-含量大于Cl-含量的土体所占比例为78%。高盐区土体中Cl-含量最高，其它离子含量从高到低依次为Na+、HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+、K+、CO32-。盐渍土类型以弱盐渍土为主，占比83%，非盐渍土所占比例为17%。

7-2层土体所含盐分以NaCl为主。HCO3-含量大于Cl-含量的土体所占比例为27%。仅在近海区域(吕四港镇南侧)EGNH06孔揭露的7-2层中土体含盐量较高，达到了0.622%，为弱盐渍土，这可能与20世纪90年代抽取大量地下水有关。

表3 土体含盐特征统计

3.3 各土层沉积环境指标分析

Na-Ca交换是一种最广泛的阳离子交换。当海水与土颗粒接触时，海水中的Na+可以交换土中的Ca2+离子，产生离子交换作用，可按式(3)双向反应[17]。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，可以采用式(4)—(5)计算。

2Na++CaxCa2++2Nax

(3)

表4 各工程地质层沉积环境分析指标统计

SAR=rNa/[(rCa+rMg)/2]1/2

(4)

ESR=K·SAR

(5)

其中：rNa为Na+浓度，单位为meq/L，其它指标相似；K为交换平衡常数。SAR为钠吸附比，ESR为土壤交换性钠。

计算结果汇总于表4。根据25个土层(其中分区统计层数为9)ESR统计结果，取每层ESR的平均值，ESR分布范围为3～53，平均值为20。

rMg/rCa是表示海侵范围和程度的指标，其计算结果见表4。根据25个土层(其中分区统计层数为9)rMg/rCa统计结果，取每层rMg/rCa的平均值，rMg/rCa分布范围为0.23～2.33，平均值为0.78。

根据25个土层(其中分区统计层数为9)pH值统计结果，取每层土pH值的平均值，pH值分布范围为7.7～8.5，其中pH值为8的土层分布最为广泛，占比24%(图4和表4)。

整体上看，各土层pH值均大于7，为碱性。pH最大值出现在3-5灰色粉质黏土。浅部土层对农业和工程建设影响最大，浅表土层2-1层与2-2层pH值分别为8.3和8.1，碱性较大。2-1层pH值最大为9.2，2-2层pH值最大为9.9，当pH值大于8且小于8.5时，土体改良需施加酸性改良剂。当pH值大于8.5时，根据《园林绿化工程盐碱地改良技术标准》(CJJT 283—2018)[31]，土体改良需施加钙质改良剂。

4 讨 论

4.1 土体沉积环境分析

引入两个指标可交换性钠ESR及rMg/rCa进行沉积环境分析。

研究区地表淡水钠吸附比SAR平均值为1.11。从表4可以看出，研究区各土层ESR值较高，均大于当地地表淡水，ESR最大值53出现在4-1层淤泥质粉质黏土(海相地层)，为当地地表淡水SAR值的47.7倍；最低值出现在7-1层粉质黏土(陆相地层)，但也为当地地表淡水SAR值的2.7倍。高盐区土体ESR值均较高，高盐区ESR最低值为27。高盐区土体盐分主要为NaCl，盐分最主要来源为海水浸渍，受全新世海侵的影响。

rMg/rCa是一个表示海侵范围和程度的指标，海水中Mg2+含量总高于Ca2+含量。各土层rMg/rCa范围为0.23～2.33，大于研究区地表淡水rMg/rCa(0.33)的占比92%，说明研究区土层在不同程度上受到海水入侵的影响。rMg/rCa最大值出现在4-1淤泥质粉质黏土层，说明该层土沉积受控于海侵。

基于ESR及rMg/rCa两个指标并结合研究区晚更新世以来海侵(第四纪地层沉积受到了5次海侵影响)特征， 100 m以浅地层沉积受第4次(晚更新世晚期海侵)海侵和第5次海侵(全新世海侵)影响[26]。其中第Ⅵ工程地质层，包括6-1和6-2土层，土层沉积受第4次海侵层控制；第Ⅶ工程地质层7-1层土含盐特征也受第4次海侵影响较大。全新世地层(包含第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ工程地质层)沉积受第5次海侵控制，土体含盐量高，特别是4-1层淤泥质粉质黏土层(图5)。第Ⅴ工程地质层5-1层粉质黏土为陆相地层，受第5次海侵影响较大，土体含盐量高，盐分与海水含盐特征一致。由于受到三峡蓄水工程、人类活动等造成海水入侵的影响，高盐区一般出现在近海区域，且高盐土体含盐特征表现为以NaCl为主，且以Cl-含量最高。

4.2 土体含盐对工程基础的腐蚀性评价

根据土体沉积环境分析，土体盐分主要来自海水浸渍和海水入侵，以NaCl为主，高盐区土体最高的离子含量为Cl-。土中Cl-对工程基础的腐蚀性，主要表现在土中Cl-对混凝土结构中钢筋的腐蚀性。由于Cl-是一种强腐蚀性介质，当Cl-接触到钢筋表面，在氧气和水充足的情况下，在钢筋表面形成一个小阳极，形成点腐蚀反应，反应后形成腐蚀坑。根据《岩土工程勘察规范》[29]进行腐蚀性分类评价，结果显示：微腐蚀性土体占比为34%，弱腐蚀性占比11%，中腐蚀性占比52%，强腐蚀性占比3%。另外，根据统计结果，弱腐蚀性的含盐量界限为0.060%～0.119%，中腐蚀性的含盐量界限为0.115%～1.039%，强腐蚀性的含盐量下限为0.873%。强腐蚀土体主要分布在50 m以浅土层。其中高盐区4-1层土均具有弱腐蚀性或者弱腐蚀性以上等级的腐蚀性(图6)，强腐蚀性和中腐蚀性分别占比10%和89%，在实际工程中应采取工程措施防止腐蚀性。

依照《岩土工程勘察规范》[29]，土中Mg2+、SO42-对混凝土结构的腐蚀性均为微腐蚀性。各土层pH均为碱性，土体对刚结构腐蚀性也均为微腐蚀性。根据深度将各土层分为浅部天然地基持力层与桩基持力层。天然地基涉及深度一般为5 m以浅的土层。天然地基可以采用硬壳层2-1层或2-2层作为基础持力层。短桩可以采用3-3层密实砂层作为桩基持力层。长桩可以采用滆湖组密实砂层(6-2层、6-3层、6-4层、7-2层、7-3层、7-4层)作为桩基持力层。桩基穿越高盐土层或以高盐土层作为桩基持力层，需要注意基础防腐工作。

5 结 论

(1)长江河口地区各土层含盐量为0.028%～1.226%，含盐量最大值出现在如东组下段4-1层淤泥质粉质黏土，含盐特征表现为以NaCl为主。含盐量最小值出现在滆湖组下段7-2砂层，HCO3-离子含量最高，其次为Cl-与Na+。全新世土层随着深度的增加，土体含盐量呈增加的趋势。浅表(3 m以浅)土层已经脱盐，HCO3-离子含量最高。其中浅部土层低盐区以HCO3-、Cl-、Na+和SO42-为主，深部土层低盐区以Cl-、Na+与HCO3-为主。如东组下段土层及其下伏土层均以Cl-和Na+为主。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。

(2)各工程地质土层pH的平均值均大于7，为碱性。pH最大值出现在如东组下段3-5灰色粉质黏土层。浅部土层对农业和工程建设影响最大，浅表土层2-1层与2-1层碱性较大，需添加改良剂进行土体改良。

(3)各土层ESR值较高，均大于当地地表淡水ESR，ESR最大值出现在如东组下段4-1淤泥质粉质黏土层，为当地地表淡水ESR值的47.7倍；最低值出现在滆湖组下段7-1粉质黏土层，但也为当地地表淡水ESR值的2.7倍。高盐区土体ESR值均较高，ESR最低值也达到了27。高盐区土体盐分主要为NaCl，其来源为海水浸渍。

(4)各土层中的Cl-对混凝土结构中的钢筋具有腐蚀性，弱腐蚀性及其以上等级腐蚀性土体的占比为66%，其中中腐蚀性土体占比最高，达到52%。弱腐蚀性土体的含盐量下限为0.060%，中腐蚀性土体为0.115%，强腐蚀性土体为0.873%。