杭州灣北岸蘆潮港潮灘沉積物磁性特征的年際變化及其粒度控制①

劉 瑩 張衛(wèi)國 楊世倫 羅 藝 董辰寅 俞立中

(華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200062)

杭州灣北岸蘆潮港潮灘沉積物磁性特征的年際變化及其粒度控制①

劉 瑩 張衛(wèi)國 楊世倫 羅 藝 董辰寅 俞立中

(華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200062)

對杭州灣北岸蘆潮港潮灘2007-2010年固定點(diǎn)沉積物進(jìn)行了逐月的磁性測量和粒度分析,探討了磁性特征的月際、年際變化及其與粒度的關(guān)系。結(jié)果顯示,2007-2009年,蘆潮港潮灘沉積物的磁性特征呈現(xiàn)出相似的季節(jié)性變化特征,磁性參數(shù)χ、χARM、SIRM以及比值χARM/SIRM總體上在12月次年7至月表現(xiàn)為高值,8-11月為低值,S-300變化趨勢與之相反。粒度分析顯示,每年12月至次年7月沉積物粒度總體較細(xì),8-11月較粗,這說明潮灘較細(xì)沉積物中含有較多的亞鐵磁性礦物,與已報(bào)道的2004-2005年研究結(jié)果相似。相比前三年,2010年1-7月及12月沉積物磁性礦物含量相對下降,8-11月份磁性礦物含量相對上升,導(dǎo)致2010年磁性參數(shù)月際變化幅度減小。同時(shí),2010年沉積物粒度月際變化特征也發(fā)生了改變,即1-7月及12月沉積物粒度變粗,8-11月沉積物變細(xì)。相關(guān)分析表明,磁性參數(shù)與粒度之間的關(guān)系在2007-2010年中沒有發(fā)生明顯的變化,說明2010年沉積物粒度月際變化模式的改變是磁性特征月際變化改變的主導(dǎo)因素。盡管如此,長江流域來沙下降對河口潮灘沉積物物源的可能影響,仍需予以長期關(guān)注。

潮灘 磁性特征 粒度 月際變化 年際變化

河口潮灘提供了海岸防護(hù)、生物棲息地、水質(zhì)凈化等多種功能,其發(fā)育與潮流、風(fēng)浪、泥沙供應(yīng)、海平面變化、植被、周邊地形、海岸工程等多種因素影響相關(guān),存在不同周期的沖淤變化[1～7]。在全球氣候變化和強(qiáng)勢人類活動(dòng)的背景下,潮灘的動(dòng)態(tài)變化愈益劇烈,并影響到潮灘各種功能作用的發(fā)揮[8]。近年來,隨著長江入海泥沙劇減,其對河口潮灘發(fā)育的影響,引起了廣泛的關(guān)注[9]。杭州灣北岸潮灘發(fā)育于強(qiáng)潮海灣,其泥沙主要源于長江入海泥沙向杭州灣的擴(kuò)散[10]。在長江入海泥沙劇減的背景下[11],杭州灣北岸潮灘沉積物的泥沙來源有無變化,是一個(gè)值得探討的問題。磁性礦物(主要為鐵的氧化物和硫化物)是沉積物中普遍存在的組分,磁性礦物的類型、含量和晶粒大小等特征,可以反映沉積物的物源變化,被廣泛用于河流懸沙、大氣懸浮顆粒物、沉積物等的物源追蹤[12,13]。我們曾對2004年9月至2005年8月期間蘆潮港潮灘固定點(diǎn)(圖1)的沉積物進(jìn)行過為期一年的采樣和分析,發(fā)現(xiàn)沉積物的粒度和磁性特征存在顯著的季節(jié)變化,總體上,12月底至次年5月上旬為潮灘淤積時(shí)期,沉積物粒度較細(xì),磁性礦物含量較高,且磁性顆粒較細(xì)[14]?；谏鲜鲅芯?本文擬通過2007-2010年期間的蘆潮港同一站點(diǎn)表層沉積物磁性特征的分析,擬探討長江流域來沙減少背景下,蘆潮港沉積物組成的年際變化及其環(huán)境控制因子。

1 研究區(qū)概況

蘆潮港位于長江口與杭州灣交匯地帶的南匯南灘,其所在水域?qū)儆诜钦?guī)淺海半日潮,多年平均潮差3.38 m,大潮潮差>4 m,屬強(qiáng)潮海岸[2]。潮流基本為東西向往復(fù)流,主流向與沿岸等深線大致平行,大潮漲潮平均流速1.1 m/s,落潮平均流速0.91 m/ s,波浪特別是東南向波浪作用較強(qiáng)[7]。南匯南灘鄰近水域懸沙濃度一般冬季高于夏季[15]。受風(fēng)浪、潮汐、長江入海水沙通量等因素的綜合影響,取樣點(diǎn)所在的潮灘地形監(jiān)測斷面總體上呈現(xiàn)夏秋沖刷(一般7-12月)、冬春淤積(一般1-6月)態(tài)勢[16]。從年際變化的角度,由長江口河槽主泓擺動(dòng)引起經(jīng)由南槽進(jìn)入杭州灣的水沙發(fā)生變化,對蘆潮港岸段的侵蝕、淤積有強(qiáng)烈影響,一般長江口南槽分水分沙增大時(shí),蘆潮港岸段發(fā)生淤積[6]。

2 樣品采集與研究方法

蘆潮港潮灘表層沉積物樣品采集于2007年至2010年,每月大、小潮在中潮灘固定點(diǎn)30°50.9'N, 121°51.3'E)各取一個(gè)表層(<1 cm)沉積物樣,取樣時(shí)間為退潮后灘面出露時(shí)刻。采集的樣品于低溫下烘干(<40℃),除一部分樣品進(jìn)行粒度分析外,其余樣品用研缽分散,以備磁性測量。使用 Bartington MS2雙頻磁化率儀測量低頻(0.47 kHz)磁化率(χ),利用Dtech2000交變退磁儀(交變磁場峰值100mT,直流磁場0.04mT)產(chǎn)生非磁滯剩磁(ARM),并以Minispin旋轉(zhuǎn)磁力儀測定(本文表達(dá)為其磁化率形式,即χARM)。隨后利用MMPM10脈沖磁化儀依次獲得樣品在1T和-300mT磁場下的等溫剩磁(IRM),并利用旋轉(zhuǎn)磁力儀測定。本文中將1T磁場獲得的IRM稱為飽和等溫剩磁(SIRM),并計(jì)算了退磁參數(shù)S-300=100 X(SIRM-IRM-300)/(2 XSIRM),以及比值參數(shù)χARM/SIRM。

χ和SIRM近似地指示樣品中磁性礦物含量,與χ不同的是,SIRM不受順磁性、抗磁性礦物的影響,主要反映亞鐵磁性礦物(如磁鐵礦)的含量[12]。χARM受到磁性礦物晶粒大小的顯著影響,穩(wěn)定單疇亞鐵磁性礦物晶粒的χARM要顯著高于超順磁和多疇晶粒, χARM/SIRM常用于磁性礦物顆粒大小的指示,較低的比值則反映了較粗的磁性顆粒[17].-300反映樣品中亞鐵磁性礦物(如磁鐵礦)與不完全反鐵磁性礦物(如赤鐵礦、針鐵礦)的相對組成,它隨著不完全反鐵磁性礦物的比例增加而下降[18]。

粒度分析步驟如下:稱取50 mg左右樣品于50 ml燒杯中,加入5 ml 10%HCl,靜置半小時(shí),以去除碳酸鹽,再加入5 ml 10%H2O2,并于電熱板(100℃)上加熱20分鐘以去除有機(jī)質(zhì),冷卻靜置過夜。第二天吸除上層清液,用蒸餾水將樣品清洗2～3次,加入10 ml 0.5%分散劑六偏磷酸鈉(Na(PO3)6),30 min后放入超聲波儀器中超聲10 min,使顆粒分散充分,用庫爾特激光粒度儀(Coulter LS-100Q)進(jìn)行粒度分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 磁性特征月際和年際變化

在下文討論時(shí),每月沉積物的磁性和粒度數(shù)據(jù)為該月大、小潮四個(gè)樣品的平均值。2007年至2009年,蘆潮港潮灘沉積物磁性參數(shù)χ、χARM、SIRM以及χARM/SIRM年內(nèi)呈相似變化趨勢,12月至次年7月一般表現(xiàn)為高值,8-11月為低值;S-300變化趨勢與之相反,高值出現(xiàn)在8-11月(圖2)。這表明12月至次年7月沉積物中亞鐵磁性礦物含量較高,且磁性顆粒較細(xì),但亞鐵磁性礦物所占比例較小,8-11月反之。這與邢云等人對同一地點(diǎn)2004年9月至2005年8月采集的沉積物磁性特征研究結(jié)果相符[14]。

圖1 研究區(qū)域及采樣點(diǎn)Fig.1 The study area with the sampling site

2010年,沉積物磁性特征月際變化較前三年有所不同。χ以及SIRM的高值主要出現(xiàn)在8-11月,而1-7月及12月要低于前三年的相應(yīng)月份。χARM值較前三年相比,1-7及12月稍許下降,而8-11月的增加不如χ和SIRM顯著(圖2),因此χARM月際變化幅度減小,且8-11月期間亞鐵磁性礦物含量的增加主要不是由于單疇亞鐵磁性礦物顆粒的增加所致。χARM/SIRM作為指示亞鐵磁性礦物顆粒大小的參數(shù)[18],月際變化幅度不大.-300相比前三年,則表現(xiàn)為1-7月及12月相對增加和8-11月相對下降,即1-7月及12月亞鐵磁性礦物比例增加,而8-11月份亞鐵磁性礦物比例下降,全年季節(jié)變化幅度不大。

圖2 沉積物磁性特征的月際和年際變化(2007-2010年)Fig.2 Monthly and annual variations ofmagnetic properties for surface sediments sampled from 2007 to 2010

3.2 粒度特征月際和年際變化

2007至2009年,蘆潮港潮灘沉積物粒度特征呈相似的月際變化,<4μm,4～8μm,8～16μm,16～ 32μm及>63μm粒級(jí)含量在每年12月至次年7月表現(xiàn)為高值,8～11月表現(xiàn)為低值,32～63μm粒級(jí)反之,平均粒徑的值在12月至次年7月顯著低于8 ～11月(圖3)。這說明沉積物粒度在下半年粗化,與該地點(diǎn)2002-2005年期間的粒度研究結(jié)果相一致[14-15]。

相比前三年,2010年1-7月沉積物<4μm、4～ 8μm粒級(jí)含量總體下降,因而其月際變化差異變小。8～16μm、16～32μm以及32～63μm粒級(jí)變化趨勢類似于前三年,但8～16μm和16～32μm粒級(jí)在8-11月的含量同比前三年有所增加,32～63μm粒級(jí)在8-11月的高值顯著低于前三年同期。>63 μm粒級(jí)在1-7月變化趨勢類似于前三年,但在8-12月含量有較大的增加。從平均粒徑來看,相比前三年,2010年1-7月及12月沉積物粒度變粗,8-11月反之(圖3)。

圖3 沉積物粒度組成與平均粒徑的月際和年際變化(2007-2010年)Fig.3 Monthly and annual variations changes in particle size for surface sediments sampled from 2007 to 2010

比較不同年份的粒度頻率曲線可以發(fā)現(xiàn),代表2010年粒度最粗的11月樣品,150μm的峰值粒徑含量明顯低于2009年相同月的樣品,但卻在粒級(jí)25 μm左右出現(xiàn)一個(gè)次峰值。代表2010年粒度最細(xì)的6月份樣品,相比2009年6月樣品,其峰值粒徑出現(xiàn)在較粗的40μm(圖4),分選性變好。這也反映了2010年沉積物粒度在上半年較之前的年份發(fā)生粗化,下半年較之前的年份發(fā)生細(xì)化。

圖4 2009年與2010年典型月份潮灘沉積物粒度頻率分布曲線比較Fig.4 Comparison of particle size distribution curves of surface sediments sampled in the year of 2009 and 2010

3.3 磁性特征變化的粒度控制

潮灘表層沉積物磁性特征的變化主要受粒度和物源變化的影響[19～26]。已有長江口及杭州灣北岸潮灘沉積物磁性特征的研究表明,該區(qū)域沉積物磁性礦物顆粒主要富集在<32μm的粒級(jí)中,SIRM、χARM與<16μm粒級(jí)呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系[14,23]。將本次研究的四年樣品以及邢云等研究的2004-2005年樣品相比較,可見磁性參數(shù)SIRM、χARM與<16μm粒級(jí)顯著相關(guān)的特點(diǎn)沒有明顯的改變(圖5a,b)。磁化率χ與SIRM以及χARM的關(guān)系在這五年中也沒有發(fā)生明顯的變化(圖5c,d)。從表1中也可以看出,磁性參數(shù)χ、χARM、SIRM以及χARM/SIRM與各粒級(jí)的相關(guān)性相似,基本上都是與<16μm粒級(jí)呈正相關(guān),與> 63μm粒級(jí)呈負(fù)相關(guān),而S-300與<16μm粒級(jí)呈負(fù)相關(guān),與>63μm粒級(jí)呈正相關(guān)。從表1中可以看出,磁性參數(shù)χ、χARM、SIRM以及χARM/SIRM與<16μm粒級(jí)的相關(guān)性自2009年來有所減弱,2010年尤為顯著。分析圖5可以發(fā)現(xiàn),這兩年中部分沉積物樣品明顯偏離SIRM、χARM與<16μm的主流關(guān)系,因而導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)的下降。上述結(jié)果表明,在研究區(qū)域,磁性礦物主要在<16μm粒級(jí)中富集,而>63μm粒級(jí)則起了稀釋磁性礦物的作用。因此2010年不同月份磁性特征的變化,仍主要是粒度變化的結(jié)果。由于1-7月及12月中<8μm粒級(jí)含量下降,因而與磁性礦物含量有關(guān)的參數(shù)都相應(yīng)下降;而8-11月由于<32 μm的中粉砂以下粒級(jí)含量的增加,磁性礦物含量相應(yīng)增加。

圖5 不同年份蘆潮港潮灘沉積物χARM、SIRM與<16μm粒級(jí)含量和χ的關(guān)系Fig.5 Relationships betweenχARM,SIRM and the fraction of<16μm as well asχfor sediments sampled in different years

表1 不同年份沉積物χ、χARM、SIRM、S-300、χARM/SIRM與粒度組成的相關(guān)系數(shù)(n=48)Table1 Correlation coefficients betweenχ,χARM,SIRM,S-300,χARM/SIRM and particle size in different years(n=48) (a)

2004和2005年,長江大通站記錄的長江輸沙量分別為1.47和2.16億噸/年,2007-2009年的長江輸沙量分別為1.38、1.30、1.11億噸/年[27,28]。盡管上述年份入海泥沙數(shù)量發(fā)生了變化,但磁性特征與粒度的關(guān)系以及磁性參數(shù)之間的關(guān)系并未有顯著的變化,這說明入海泥沙數(shù)量并未導(dǎo)致蘆潮港潮灘沉積物來源的顯著改變。這是因?yàn)樘J潮港泥沙來自長江入海泥沙向杭州灣的擴(kuò)散,但進(jìn)入杭州灣的泥沙,并不是直接來自大通的泥沙,而是長江入海泥沙與河口底質(zhì)再懸浮的混合泥沙,因而蘆潮港區(qū)域水體懸沙濃度要高于長江河口分汊頂點(diǎn)徐六涇懸沙濃度[15]。這一混合過程導(dǎo)致泥沙組成時(shí)間上有相對均一性,體現(xiàn)了河口泥沙組成的緩沖效應(yīng),沉積物組成還未得以明顯地在磁性特征上加以表現(xiàn)。因此,2010年蘆潮港沉積物粒度的月際變化仍是磁性月際變化的主導(dǎo)因素。

沉積物粒度變化是動(dòng)力、泥沙與底質(zhì)等相互作用的結(jié)果,包括潮流、風(fēng)浪、地形等影響因素,近期在蘆潮港區(qū)域還存在大量的人類活動(dòng),如灘涂圍墾工程等,這些自然和人為因素的疊加,使得潮灘沖淤機(jī)制變得復(fù)雜,并表現(xiàn)為同一地點(diǎn)沉積物粒度組成的月際變化上。2010年蘆潮港潮灘沉積物磁性特征和粒度的月際變化與前三年呈現(xiàn)了不同的現(xiàn)象,要了解這一變化內(nèi)在的驅(qū)動(dòng)因素,尚需加強(qiáng)多學(xué)科的監(jiān)測和分析。此外,隨著流域和河口強(qiáng)勢的人類活動(dòng)加強(qiáng),以及流域泥沙的減少,其對河口潮灘沉積物物源的影響仍需加強(qiáng)關(guān)注,2010年磁性參數(shù)與粒度相關(guān)程度的下降,可能反映了沉積物物源變化的因素。泥沙來源是潮灘形成的物質(zhì)基礎(chǔ),利用磁性特征追索潮灘沉積物物源,對深入了解潮灘現(xiàn)代沉積過程和機(jī)制具有積極作用,可為探討潮灘對流域和河口環(huán)境變化的響應(yīng)過程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。鑒于磁性測量方法的簡捷、非破壞性等特點(diǎn),它特別適用于針對動(dòng)態(tài)沉積環(huán)境開展的高時(shí)間分辨率研究。

4 結(jié)論

2007-2009年期間,杭州灣蘆潮港潮灘沉積物的磁性特征呈現(xiàn)出相似的月際變化特征,磁性參數(shù)χ、χARM、SIRM以及比值χARM/SIRM在12月至次年7月表現(xiàn)為高值,8-11月為低值,S-300變化趨勢與之相反。粒度分析結(jié)果顯示這三年里,潮灘較細(xì)的沉積物中含有較多的亞鐵磁性礦物。2010年沉積物磁性特征的月際變化與前三年存在很大的不同,但由于磁性參數(shù)與粒度的關(guān)系在2007-2010年中沒有發(fā)生明顯的變化,說明2010年沉積物粒度月際變化模式改變是磁性特征月際變化特征發(fā)生改變的主導(dǎo)因素。由于1-7月及12月中 <8μm粒級(jí)含量下降,因而與磁性礦物含量有關(guān)的參數(shù)都相應(yīng)下降;而8-11月由于<32μm以下粒級(jí)含量的增加,磁性礦物含量相應(yīng)增加,導(dǎo)致磁性特征的月際變化幅度減小。粒度雖然對研究區(qū)域磁性特征變化起著控制作用,但是自2009年來磁性特征與粒度的相關(guān)程度有所降低。

對于2010年沉積物粒度和磁性特征月際變化有別于前三年的現(xiàn)象,需要綜合考慮潮汐、潮流、臺(tái)風(fēng)、來沙量以及人類工程等多因子作用的因素,因此需要加強(qiáng)長時(shí)間序列的水動(dòng)力、氣象、地形等因素的同步觀測,以進(jìn)行機(jī)制上的探討。此外,對于長江流域來沙下降對杭州灣潮灘沉積物物源的影響,需要予以長期關(guān)注。

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Annual Variations in M agnetic Properties of Tidal Flat Sediments from Luchaogang along the Northern Bank of the Hangzhou Bay and Its Response to Particle Size Change

LIU Ying ZHANGWei-guo YANG Shi-lun LUO Yi DONG Chen-yin YU Li-zhong
(State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research,East China Normal University,Shanghai200062)

Sediments in tidal deposits of the northern Hangzhou Bay are mainly supplied by fluvial discharge of the Yangtze River.In recent years,sediment discharge of the Yangtze River has declined dramatically.Therefore,the potential impact on tidal deposits of the Hangzhou Bay has attracted great attentions.Magnetic minerals,ubiquitous components of sediments,are sensitive to sediment source variations.As a result,magneticmethods have been widely used in provenance tracing of suspendedmatters and sediments in fluvial,marine,lacustrine and atmospheric environments.We have carried outmagneticmeasurements on surface tidal deposits collected daily from a fixed intertidal site at Luchaogang along the northern bank of the Hangzhou Bay during 2004 and 2005.twas found that particle size and magnetic properties exhibit significant seasonal changes.In general,during the accretion period of tidal flat,magnetic mineral concentrations are higher when sediments are finer,and vice versa.In this study,magnetic measurements and particle size analysiswere carried out on tidal flat sediments,collected daily at the same site from 2007 to 2010.he purpose is to study the annual changes in sediment composition under a context of the declined fluvial sediment discharge of Yangtze River.Themonthly and annual variation pattern ofmagnetic properties and its relationship with particle size were discussed.Magnetic parameters of sediments show similarmonthly variations from 2007 to 2009.agnetic susceptibility(χ),Susceptibility of anhystereric remnantmagnetization(χARM),Saturation isothermal remnantmagnetization(SIRM)and the ratio(χARM/SIRM,show higher values in December to July and lower values in August to November,and S-300shows the opposite tend.Particle size analysis indicates that sediments are finer between December and July,and coarser between August and November in these three years,suggesting that ferrimagnetic minerals are enriched in finer sediments,which is similar to the previous results reported for samples collected in 2004 and 2005.ompared to samples collected in 2007-2009,it can be seen thatmagneticmineral concentrations in sediments of 2010 decrease between December and July,and increase between August and November.As a result, the amplitude ofmonthly variation of magnetic properties becomes smaller.Meanwhile,sediments of 2010 become coarser between December and July,and finer between August and November.The relationship between magnetic properties and particle size is generally similar in the four years,which suggests that themonthly variation of particle size is themain factor for themonthly changes ofmagnetic properties in 2010.n general,χ,χARM,SIRM andχARM/ SIRM are positively correlated with the<16μm fraction and negatively with the>63μm fraction.In contrast,S-300is negatively correlated with the<16μm fraction and positively with the>63μm fraction.It indicates thatmagnetic minerals are enriched in the<16μm fraction,which is diluted by the>63μm fraction.In 2010,the decreases of concentration-related magnetic parameters between December and July are caused by the decline of the<8μm fraction.On the contrary,the increase of concentration-related magnetic parameters in the remainingmonths are caused by the increase of the<32μm fraction.However,the above mentioned relationships between magnetic parameters and particle size weaken since 2009,which is especially significant in 2010.he factors for the observed relationship between magnetic properties and particle size in 2010,which is different from previous years,may include tides, winds,sediments flux,coastmorphology and engineering works.Therefore,an integrated monitoring of hydrodynamics,meteorology,and topography is needed to address themechanism.In addition,the potential impacts of decline sediment input of the Yangtze River on tidal flat sediment source,need to be assessed in future study.This study demonstrates thatmagneticmethods,with the virtue of being simple and sensitive,can provide valuable insights to environmental change through the analysis of sediment composition in a simple and non-destructive way.

tidal flat;magnetic properties;particle size;monthly variation;annual variation

劉瑩 女 1987年出生 碩士生 城市地貌與環(huán)境 E-mail:ly_zoe@sina.com

P512.2

A

1000-0550(2012)03-0547-09

①國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):40771201)、國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):41021064)和全球變化環(huán)境國家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):2010CB951204)資助。

2011-06-30;收修改稿日期:2011-08-09