西太平洋矿区深海浅层沉积物流变特性研究及其对采矿工程安全性的启示

为解决深海采矿中车辆行驶稳定性、平台锚固安全及海底滑坡风险评估等关键问题，研究人员针对西太平洋矿区5600-5700米深海浅层沉积物开展流变特性研究。通过RST流变仪测试结合微观结构分析，首次发现沉积物存在"触变流体阶段"的四阶段流变模型，提出修正Cross模型定量描述该特性。研究成果为深海采矿装备设计及地质灾害防控提供重要理论支撑。

　　

深海蕴藏着丰富的多金属结核和稀土资源，但4000-6000米深处的超软沉积物给采矿作业带来巨大挑战。采矿车在行驶时易发生自沉，平台锚固时可能引发海底滑坡，这些问题的核心在于对沉积物流变行为的认知不足。传统研究多采用模拟黏土或重塑样本，难以反映真实海底沉积物的力学特性，特别是多次扰动后的强度变化规律尚不明确。

中国某研究机构的研究人员采集西太平洋矿区5组柱状沉积物样本，通过创新性的四阶段流变模型研究，揭示了深海浅层沉积物独特的力学行为。研究发现这些高液限沉积物具有"触变流体阶段"的新流变特性，相关成果发表在《Soils and Foundations》期刊，为深海采矿工程安全提供了重要理论依据。

研究采用RST流变仪配合VT40-20转子进行剪切测试，结合激光粒度分析、液塑限测定和扫描电镜观察。样本取自水深5600-5700米的原始沉积层，通过控制5℃环境温度模拟真实海底条件。测试采用0-100 s^-1渐变剪切速率，并设计多循环剪切和恒速率剪切实验。

在"材料与测试方法"部分，研究详细描述了样本特性：含水率高达241.76%，密度1.232 g/cm³，D₅₀粒径范围5.68-98.7 μm。流变测试系统测量范围覆盖5.2-3400 Pa剪切应力和0-306.15 s^-1剪切速率，通过公式τ≈S_u=2M/[πD²(H+D/3)]计算应力。

"结果与分析"部分揭示：沉积物流变曲线呈现独特的三段式特征，在中等剪切速率区间(8.69-100 s^-1)出现负斜率现象。通过多次循环剪切实验证实，这种现象仅在首次剪切时出现，说明与沉积物的可恢复结构特性相关。扫描电镜显示沉积物具有絮凝体结构和硅藻残骸构成的网状包裹结构，这种特殊微观形貌解释了其缓慢的结构破坏过程。

研究提出创新的四阶段流变模型：固体阶段、固-液转变阶段、触变流体阶段和稳定流体阶段，分别对应静态屈服应力(SYS)、触变屈服应力(TYS)和流动屈服应力(FYS)。通过修正Cross模型η=η_∞+(η₀-η_∞)/[1+(λγ?)ⁿ]成功拟合触变阶段，拟合优度R²达0.983-0.998。

该研究首次系统揭示了深海浅层沉积物的完整流变破坏过程，特别是发现需要更长时间扰动才能进入稳定流态的特性。这对准确预测采矿车多次通过时的土壤强度衰减、优化海底锚固系统设计具有重要意义。研究建立的四阶段模型为模拟海底滑坡从失稳到流动的全过程提供了新思路，弥补了传统三阶段模型的局限性。未来需要更多样本验证以建立普适性模型，推动深海工程安全评估方法的革新。