茅家港潮灘沉積物磁化率變化及其與粒度的關(guān)系

王軻道，王金華，王建

（1. 臨沂大學(xué) 化學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院 山東省水土保持與環(huán)境保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 臨沂 276005; 2. 臨沂大學(xué) 圖書館，山東 臨沂 276005；3. 南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210097; 4. 華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）

茅家港潮灘沉積物磁化率變化及其與粒度的關(guān)系

王軻道1,4，王金華2，王建3

（1. 臨沂大學(xué) 化學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院 山東省水土保持與環(huán)境保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 臨沂 276005; 2. 臨沂大學(xué) 圖書館，山東 臨沂 276005；3. 南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210097; 4. 華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）

根據(jù)野外觀測(cè)資料，客觀地分析了江蘇茅家港灘面沉積物磁化率變化及其與粒度的關(guān)系。研究結(jié)果顯示：灘面沉積物磁化率隨著向海離岸距離的增加逐漸增大，粒徑逐漸變粗；粒徑D與磁化率呈正相關(guān)關(guān)系，粒度φ與磁化率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。研究區(qū)中離岸距離增加，灘面沉積物的粒徑逐漸變粗，灘面沉積物的磁化率逐漸增大，說明灘面水動(dòng)力變強(qiáng)。

磁化率；粒度；關(guān)系；茅家港；江蘇省

天然剩余磁化強(qiáng)度是由于過去某段時(shí)間內(nèi)地球磁場(chǎng)的影響，使樣品保留一定的磁性。磁化率是指物質(zhì)放于外磁場(chǎng)中獲得的磁化強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的比值，它與天然剩余磁化強(qiáng)度不同，是一種完全獨(dú)立的不隨地球磁場(chǎng)變化的磁性，它反映的是樣品的礦物學(xué)性質(zhì)，即表明有磁性鐵氧化物存在，也就是說磁化率與鐵磁性礦物有關(guān)。灘面沉積物的磁化率往往隨著時(shí)間和空間的不同而不同。王建等對(duì)江蘇東臺(tái)海灘沉積物中磁化率與粒度之間的關(guān)系進(jìn)行了探討，結(jié)果顯示，沉積物磁化率與粒度的關(guān)系密切，且與沉積動(dòng)力有關(guān)：水動(dòng)力強(qiáng)的地方，粒度粗，沉積物的磁化率大。茅家港突堤航道防護(hù)工程建成后，潮灘沉積物的磁化率和粒度都發(fā)生了相應(yīng)的變化。本文在野外觀測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)茅家港突堤航道防護(hù)工程建成后磁化率與粒度變化及二者的相互關(guān)系進(jìn)行了深入的研究，探討了磁化率的空間變化及磁化率在潮灘沉積動(dòng)力方面的指示意義，對(duì)保護(hù)、開發(fā)和利用茅家港岸段的潮灘資源，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 茅家港區(qū)域概況

茅家港位于長(zhǎng)江口北翼的江蘇省呂泗海岸中部（32.03oN，121.72oE），茅家港岸段屬于侵蝕性粉沙淤泥質(zhì)海岸。該地區(qū)為典型的溫帶季風(fēng)氣候，風(fēng)向的季節(jié)變化十分明顯，冬季以偏北風(fēng)為主，夏季則盛行偏南風(fēng)。茅家港所屬的呂泗海岸一帶，岸線向海突出，與東北風(fēng)幾乎成正交，海岸受侵蝕較強(qiáng)。自海堤加固之后，高灘的侵蝕后退已被制止，但堤外的低灘仍在遭受侵蝕，雖海灘上部已基本穩(wěn)定平衡，下部仍處于沖刷狀態(tài)。茅家港潮灘較寬闊（寬達(dá)4～5 km），坡度較小（0.001），由于低潮灘灘面仍不斷被侵蝕，灘面組成物質(zhì)粗化（3～5φ），且較均一，有由粉沙質(zhì)向沙質(zhì)海岸轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。

圖 1 茅家港位置示意圖Fig. 1 Sketch map of the position of Maojiagang

圖 2 茅家港灘面取樣點(diǎn)和剖面位置圖Fig. 2 Position of sampling site and section of Maojiagang

2 調(diào)查樣品分析

本研究所用的環(huán)境磁學(xué)指標(biāo)是磁化率，所用的粒度指標(biāo)則以中值粒徑（φ值）為代表指標(biāo)。利用分別于1993年9月、1994年1月在茅家港灘面的不同位置布設(shè)的49個(gè)采樣點(diǎn)（所選點(diǎn)如圖2所示）的表層沉積物樣品。在室內(nèi)對(duì)沉積物樣品進(jìn)行了精確的磁化率和粒度測(cè)量。以1月份代表該地區(qū)冬季，9月份代表該地區(qū)夏季。根據(jù)所測(cè)的磁化率數(shù)據(jù)繪出冬、夏兩季的灘面磁化率分布圖（圖3、圖4），以找出磁化率變化的空間分布和季節(jié)變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究潮灘沉積物磁化率變化及其與粒度的關(guān)系，反演岸灘水動(dòng)力的變化。

圖 3 1993年9月灘面沉積物的磁化率分布圖Fig. 3 Beach surface distribution picture of magnetic susceptibility of sediments in Sep. of 1993

圖 4 1994年1月灘面沉積物的磁化率分布圖Fig. 4 Beach surface distribution picture of magnetic susceptibility of sediments in Jan. of 1994

3 沉積物的磁化率變化

根據(jù)所測(cè)得的磁化率數(shù)據(jù)，繪出了不同季節(jié)茅家港灘面沉積物的磁化率空間分布圖（如圖 3、圖4所示）。

從圖3和圖4可以看出，夏季和冬季茅家港灘面沉積物的磁化率分布均呈如下變化趨勢(shì)：在西壩外側(cè)，隨著向海離岸距離的增加，磁化率逐漸增大；東壩外側(cè)，隨著向海離岸距離的增加，整體上也有增大的趨勢(shì)，但磁化率增幅變小。

由此可見，冬季和夏季，茅家港潮灘沉積物的磁化率均隨著向海離岸距離的逐漸增加，磁化率值有逐漸增大的趨勢(shì)。就平均情況來說，9月的磁化率略小于1月的磁化率。

4 磁化率變化與粒度變化的關(guān)系

將同一季節(jié)的灘面沉積物的磁化率變化和粒度變化繪在同一圖上（圖5、圖6所示），可以很方便地比較磁化率與粒度的變化趨勢(shì)和相互關(guān)系。

圖 5 1993年9月茅家港灘面沉積物磁化率與中值粒徑的對(duì)比圖Fig. 5 Beach surface contrast picture of sediment magnetic susceptibility and the median grain size in Sep. of 1993

用SPSS軟件計(jì)算，夏季的49個(gè)樣品的磁化率與中值粒徑φ值的相關(guān)系數(shù)r＝-0.348，并通過了α＝0.01的顯著水平檢驗(yàn)；將中值粒徑φ值轉(zhuǎn)換成中值粒徑D（mm），經(jīng)計(jì)算樣品的磁化率與中值粒徑D的相關(guān)系數(shù)r=0.416，經(jīng)檢驗(yàn)通過α＝0.01的顯著水平。說明磁化率與粒度φ值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即磁化率與粒徑D呈正相關(guān)關(guān)系，沉積物粒徑越大顆粒越粗的位置，磁化率往往越大。

圖 6 1994年1月茅家港灘面沉積物磁化率與中值粒徑的對(duì)比圖Fig. 6 Beach surface the contrast picture of sediment magnetic susceptibility and the median grain size in Jan. of 1994

用SPSS軟件計(jì)算，冬季的49個(gè)樣品的磁化率與中值粒徑φ值的相關(guān)系數(shù)r＝-0.185，通過α＝0.1的顯著水平檢驗(yàn)，將中值粒徑φ值轉(zhuǎn)換成中值粒徑D（mm），經(jīng)計(jì)算樣品的磁化率與中值粒徑D的相關(guān)系數(shù)r=0.289，經(jīng)檢驗(yàn)通過α＝0.05的顯著水平檢驗(yàn)。說明磁化率與中值粒徑φ值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，磁化率與中值粒徑D呈正相關(guān)關(guān)系，沉積物顆粒越粗的位置，磁化率也越大。

由圖5、圖6可明顯地看出：大多數(shù)樣點(diǎn)都是磁化率曲線的波峰與中值粒徑φ值曲線的波谷相對(duì)應(yīng)，即磁化率與中值粒徑（φ值）呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，φ值越?。w粒粒度越大），磁化率越大。

此外，從圖中也可看出，9月磁化率的值在30～70之間變化，1月磁化率的值在30～60之間變化；9月沉積物中值粒徑（φ值）在3～6.5φ之間變化，1月在3～7φ之間變化。

5 原因機(jī)制分析

根據(jù)風(fēng)速風(fēng)向資料統(tǒng)計(jì)，茅家港的常風(fēng)向主要為東到南向，而強(qiáng)風(fēng)向主要為東北到西北向，因茅家港海岸線走向?yàn)槲鞅蔽鳌獤|南東，岸線的北部為海域，自東北到西南方向吹的風(fēng)主要是海向風(fēng)，形成的風(fēng)浪較大。該地區(qū)年平均風(fēng)速為6.8 m/s，最大風(fēng)速為25 m/s，風(fēng)向?yàn)楸北蔽?，該地區(qū)冬季以偏北風(fēng)為主，夏季則盛行偏南風(fēng)。

近岸水域波浪總的來說比較小，據(jù)呂泗海洋站的波浪資料統(tǒng)計(jì)，無浪天數(shù)約占全年的50%。常浪向方位在NW～SE之間，季節(jié)變化明顯，強(qiáng)浪向主要是NNW～NE，時(shí)間為每年的10月到第2年的3月。

該海域地處江蘇近海輻射沙脊群以南，受其掩護(hù)，近海潮汐主要受東海前進(jìn)波控制，該地區(qū)的潮汐為正規(guī)半日潮型。由于受呂泗岸段近岸地形的影響，近岸地區(qū)潮流較復(fù)雜。茅家港地區(qū)的漲潮歷時(shí)大于落潮歷時(shí)，潮流基本作沿岸運(yùn)動(dòng)。最大潮流流速達(dá)0.36 m/s。若將潮流分解成平行于海岸的向東南水流和向西北水流兩股水流，向東南水流平均流速為0.19 m/s，向西北水流平均流速為0.08 m/s，近岸向東南的落潮流流速遠(yuǎn)大于向西北的漲潮流流速。因此，沿岸泥沙主要是向東南輸移。

上述的動(dòng)力環(huán)境條件下，向海離岸距離的增加，海水動(dòng)力逐漸增強(qiáng)。

灘面沉積物的磁化率分布和變化，主要與以鐵磁性礦物為代表的重礦物有關(guān)。而重礦物的分布與水動(dòng)力條件的變化有顯著的關(guān)系。由于在相同的水動(dòng)力情況下，輕礦物更易于啟動(dòng)而被搬運(yùn)，因而重礦物多富集在水動(dòng)力較強(qiáng)處，輕礦物則多沉積在水動(dòng)力較弱處。因此，磁化率和粒度的變化可以反演岸灘水動(dòng)力的變化，水動(dòng)力強(qiáng)的地方，沉積物的粒度粗，重礦物含量高，鐵磁性礦物含量高，沉積物磁化率大。

為了更清楚地從沉積動(dòng)力學(xué)的角度說明以磁鐵礦為代表的重礦物在沉積過程中的聚散規(guī)律。這里采用文獻(xiàn)[1]中的泥沙起動(dòng)公式：

式中：Je為臨界剪應(yīng)力；β為顆粒形狀及顆粒雷諾數(shù)有關(guān)的系數(shù)；γs與D分別為泥沙顆粒密度與粒徑；γ為水的密度。

從式(1)可見，在一定動(dòng)力（剪應(yīng)力）條件下，泥沙能否起動(dòng)取決于泥沙顆粒粒徑 D與泥沙密度γs，對(duì)密度不同（分別為γ1與γ2）的兩種泥沙顆粒，所能起動(dòng)的顆粒粒徑（分別為D1與D2）是不同的。由于動(dòng)力條件相同，故有：

假設(shè)顆粒形狀與介質(zhì)性質(zhì)相同，即β1=β2，式(2)可簡(jiǎn)化為：

由式(3)可以看出，在相同動(dòng)力條件下，泥沙顆粒密度越大，所能起動(dòng)、搬運(yùn)的顆粒粒徑越小；顆粒密度越小，則能啟動(dòng)和搬運(yùn)的顆粒粒徑越大。因此，重礦物往往伴生在更粗粒徑的輕礦物中。在水動(dòng)力強(qiáng)的地方，泥沙顆粒沉降時(shí)，以鐵磁性礦物為代表的重礦物就相對(duì)富集于較粗粒徑的輕礦物中，致使平均粒度大的地方，鐵磁性礦物含量高，磁化率的值大。某一粒級(jí)重礦物往往與更粗粒級(jí)的輕礦物伴生、富集于粗一級(jí)沉積物中。

中值粒徑越大、沉積物顆粒越粗的地方，往往磁化率的值越大，說明灘面水動(dòng)力越強(qiáng)。

6 結(jié) 語

隨著離岸距離的逐漸增加，茅家港灘面沉積物磁化率和粒度值有逐漸增大的趨勢(shì)，且冬季的值大于夏季的值。

灘面沉積物磁化率的變化和粒度的變化及二者的關(guān)系，都說明本研究區(qū)的水動(dòng)力條件的時(shí)空變化：隨著離岸距離的增加，以波浪為主的水動(dòng)力逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致灘面沉積物的粒徑逐漸變粗，磁化率變大；冬季，灘面沉積物的粒度大、磁化率大，說明該研究區(qū)內(nèi)水動(dòng)力強(qiáng)。其原因在于：對(duì)以鐵磁性礦物為代表的重礦物富集的位置，灘面沉積物的粒度粗，相應(yīng)的磁化率大，說明此處水動(dòng)力強(qiáng)。

茅家港岸段灘面沉積物粒度、磁化率時(shí)空變化以及二者的關(guān)系反映了灘面水動(dòng)力的時(shí)空變化，對(duì)保護(hù)、開發(fā)和利用潮灘資源就有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

致謝：徐孝彬、王艷紅等一起進(jìn)行野外采樣測(cè)量搜集資料，在此謹(jǐn)致謝忱!

[1] 王建, 劉澤純, 姜文英, 等. 磁化率與粒度、礦物的關(guān)系及其古環(huán)境意義 [J]. 地理學(xué)報(bào), 1996, 51(2): 155-163.

[2] 喻國(guó)華, 鮑曙東. 茅家港入海航道減淤工程方案的模型試驗(yàn)研究[R]. 南京: 南京水利科學(xué)研究院, 1990, 6: 1-39.

[3] 賈玉連, 柯賢坤. 渤海曹妃甸沙壩－瀉湖海岸現(xiàn)代沉積的磁化率與粒度、礦物的關(guān)系 [J]. 海洋通報(bào), 2000, 19(1): 41-50.

[4] 劉家駒, 喻國(guó)華. 海岸工程泥沙的研究和應(yīng)用 [R]. 南京: 南京水利科學(xué)研究院, 1995, 10: 1-36.

[5] 徐孝彬. 茅家港工程的工程地貌學(xué)分析 [D]. 南京: 南京師范大學(xué), 1997.

[6] 喻國(guó)華, 施世寬. 呂泗岸灘侵蝕分析及整治措施 [A]. 江蘇省海岸帶、海涂資源綜合考察及綜合開發(fā)利用學(xué)術(shù)論文選編（第三集）[C]. 南京: 1982: 50-53.

[7] 成都地質(zhì)學(xué)院陜北隊(duì). 沉積巖（物）粒度分析及其應(yīng)用 [M]. 北京: 地質(zhì)出版社, 1978: 55-67.

[8] 任明代, 王乃梁. 現(xiàn)代沉積環(huán)境概論 [M]. 北京: 科學(xué)出版社,1981: 69-83.

[9] P.D.柯馬爾. 海灘過程與沉積作用 [M]. 北京: 海洋出版社, 1985:35-53..

[10] 單樹模, 王維屏, 王庭槐. 江蘇地理 [M]. 南京: 江蘇人民出版社, 1980: 35-56.

[11] 劉澤純. 第四紀(jì)與環(huán)境變遷 [M]. 南京: 東南文化雜志社, 1991:15-83.

Susceptibility of Maojiagang Sands and relation of Grain-size with it

WANG Ke-dao1,4, WANG Jin-hua2, WANG Jian3

(1. Department of Chemistry and Resource Environment, Linyi Normal University, Linyi 276005, China; 2. Library of Linyi Normal University, Linyi Normal University, Linyi 276005, China; 3. College of Geographical Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210097, China;4. State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China)

The paper drew susceptibility distributing map and different section chart by the data that we observed on Maojiagang sands, and impersonally analyzed susceptibility distributing, season change and the relation between change of susceptibility and grain-size. We found that with distance to coast increasing, susceptibility decreasing. With distance to coast increasing, and because it enriched weighty mineral, it leaded to susceptibility decreasing and grain-size gradually become bigger, which indicated that water dynamics was strong.

susceptibility; grain-size; relation; Maojiagang; Jiangsu Province

P736.221

A

1001-6932(2011)05-0562-04

2009-03-25；

2011-05-06

山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2009EM008）；華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（200912）；臨沂大學(xué)博士啟動(dòng)基金（BS07009）。

王軻道（1968－），男，山東臨沂人，博士，副教授，研究方向：海岸地貌與海岸環(huán)境演變。電子郵箱：lywkd@163.com。