秦皇島附近海域表層沉積物粒度分布特征及運(yùn)移趨勢(shì)分析*

尉建功，馮秀麗，林 霖，劉 瀟，劉 杰

（中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島266100）

粒度是沉積物的基本性質(zhì)之一，粒度分析也是揭示沉積動(dòng)力過(guò)程的主要手段之一。由于沉積物粒度受搬運(yùn)介質(zhì)、水動(dòng)力強(qiáng)弱和搬運(yùn)方式等多種因素的控制，因此通過(guò)研究沉積物粒度組成、粒度參數(shù)特征 ，可以間接推斷沉積物物源及發(fā)生沉積時(shí)的動(dòng)力條件［1－5］。

在海洋環(huán)境中，由于動(dòng)力和物源的復(fù)雜性，判斷沉積物的輸運(yùn)方向并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，但沉積物粒徑趨勢(shì)與沉積動(dòng)力和沉積環(huán)境密切相關(guān)［6－9］，這使運(yùn)用粒度參數(shù)分析沉積物輸運(yùn)趨勢(shì)成為可能。在一維分析的基礎(chǔ)上［10－11］，Gao和 Collins發(fā)展了二維的“粒度趨勢(shì)分析”方法［12］，該粒度趨勢(shì)分析方法在沉積環(huán)境及沉積動(dòng)力研究方面得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了很好的效果［13－15］。

本文對(duì)研究區(qū)域121個(gè)沉積物底質(zhì)樣品進(jìn)行粒度分析，通過(guò)對(duì)沉積物粒度組成及粒度參數(shù)空間分布特征的分析，并結(jié)合Gao－Collins二維的“粒度趨勢(shì)分析”方法，對(duì)該地區(qū)沉積物物源及沉積環(huán)境進(jìn)行了初步探討。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域?yàn)榍鼗蕧u近海海域，位于遼東灣西南部（見(jiàn)圖1），入海河流較多，主要包括澤河、戴河、新開(kāi)河、湯河、石河和九江河。該區(qū)N～NE，ESE，SSW～WSW向?yàn)閺?qiáng)風(fēng)向，N～NE，SSW～WSW向?qū)儆诔ｏL(fēng)向；SE和SW為強(qiáng)浪向，S～SW為常浪向，波浪玫瑰圖見(jiàn)圖2；該區(qū)潮流主要受海底地形影響和海岸形狀制約，屬于正規(guī)半日潮流類(lèi)型［16］。

本研究區(qū)內(nèi)河流眾多，自東向西分布有九江河、石河、新開(kāi)河、湯河、戴河、洋河等，各河流主要特征見(jiàn)表1。但本研究區(qū)內(nèi)河流均較小，河長(zhǎng)、流量及流域面積均較小，總年均輸沙量小于40萬(wàn)t，加之近年來(lái)各河流上游都修建了水庫(kù)或防潮蓄水閘，使得入海泥沙量進(jìn)一步減少。

表1 研究區(qū)主要河流特征［17－18］Table 1 The characteristics of rivers in study area

2 材料和方法

2009年5月在秦皇島近岸海域用抓斗式采樣器采集海底表層沉積物樣品共121個(gè)，樣品分布區(qū)域大致為39°40′N(xiāo)～40°04′N(xiāo)，119°30′E～120°00′E，取樣位置如圖1所示。絕大多數(shù)情況下樣品的取樣深度為8～12cm，取樣重量約為1.5～2.0kg，進(jìn)行沉積物粒度分析的亞樣品取自每次抓取后樣品的頂部。

該區(qū)樣品的粒徑在空間分布和組成上存在巨大差異，這種巨大的差異決定了不能采用單一的試驗(yàn)方法進(jìn)行粒度分析。本文對(duì)樣品中大于63μm的組分進(jìn)行烘干篩分，小于63μm的組分采用激光粒度的方法（Mastersizer 2000激光粒度儀進(jìn)行分析），采用Udden［19］等比制Ф值粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，粒組間隔為0.5Ф，然后將2種方法得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，從而獲得完整的粒度分布。

粒度參數(shù)采用Folk－Ward［20］公式計(jì)算，主要的粒度參數(shù)包括平均粒徑（MZ）、分選系數(shù)（δi）、偏態(tài)（Ski）和峰態(tài) （KG）。 根 據(jù) 《海 洋 調(diào) 查 規(guī) 范 （GB／T12763.8—2007）》［21］所規(guī)定的近海沉積物的分類(lèi)和命名，將沉積物粒度參數(shù)輸入到GSTAST（fortran程序）中計(jì)算沉積物輸運(yùn)趨勢(shì)［13］。

3 結(jié)果

3.1 沉積物組成與分布

3.1.1 砂粒組分（含礫） 調(diào)查區(qū)大部分區(qū)域內(nèi)礫含量小于2%，最高值出現(xiàn)在62號(hào)站，含量達(dá)到41.04%，多個(gè)站位無(wú)礫粒組分。研究區(qū)內(nèi)砂粒含量普遍大于10%，砂粒組分在研究區(qū)的分布如圖3a所示，結(jié)合典型剖面沉積物砂粒組分含量變化趨勢(shì)圖（見(jiàn)圖6），該區(qū)砂粒組分分布主要有以下3個(gè)特征：

圖3 研究區(qū)表層沉積物中砂（a）、粉砂（b）和黏土（c）含量Fig.3 Distribution of sand（a），silt（b）and clay（c）contents in surface sediments of study area

（1）砂粒組分含量隨水深變大呈逐漸減小的趨勢(shì)，變化范圍在10%～90%之間。

（2）砂粒組分含量在研究區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)典型的由西南向東北帶狀遞減的趨勢(shì)。

（3）河口區(qū)普遍存在砂粒組分含量的高值區(qū)。

3.1.2 粉砂組分 粉砂級(jí)組分的百分含量分布見(jiàn)圖3b，研究區(qū)內(nèi)粉砂組分的分布明顯可分為3個(gè)區(qū)域：

（1）東北部：由岸及遠(yuǎn)增大。

（2）中部：粉砂含量高值區(qū)，普遍在60%以上。

（3）西南部：西南向東北遞增，含量由5%增大到60%。

3.1.3 黏土組分 黏粒組分在研究區(qū)的分布如圖3c所示，結(jié)合典型剖面沉積物黏粒組分含量變化趨勢(shì)圖（見(jiàn)圖6），與砂粒組分相反，該區(qū)黏粒組分分布主要有以下3個(gè)特征：

（1）黏粒組分含量隨水深變大呈逐漸增大的趨勢(shì)，其變化范圍為3%～30%。

（2）黏粒組分含量在研究區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)典型的由西南向東北帶狀遞增的趨勢(shì)。

（3）河口區(qū)普遍存在黏粒組分含量的低值區(qū)。

3.2 粒度參數(shù)的分布

沉積物的粒度參數(shù)主要反映沉積物來(lái)源和沉積動(dòng)力條件。一般認(rèn)為，沉積物平均粒徑和分選系數(shù)與沉積物來(lái)源關(guān)系密切，偏態(tài)和峰態(tài)則反映的是沉積環(huán)境對(duì)粒度的改造結(jié)果［10］。

3.2.1 平均粒徑 研究區(qū)表層沉積物平均粒徑為0.67～7.16Φ，平均粒徑等值線(xiàn)圖（見(jiàn)圖4a）一方面從整體上呈現(xiàn)了研究區(qū)內(nèi)沉積物中值粒徑由岸向海遞減的特點(diǎn)，與粒度分異規(guī)律，即由岸向海粒度變細(xì)一致，另一方面在局部又呈現(xiàn)變異的特點(diǎn)。

3.2.2 分選系數(shù) 研究區(qū)內(nèi)沉積物分選系數(shù)為0.67～4.03，分選性普遍差，分選系數(shù)等值線(xiàn)圖（見(jiàn)圖4b）反映了沉積物由岸及遠(yuǎn)、自西南向東北分選性變差的特點(diǎn)，與砂粒組分和黏土組分含量的變化趨勢(shì)吻合。

3.2.3 偏態(tài) 通過(guò)樣品統(tǒng)計(jì)分析，Ski最小值為－1.84，最大值為0.72，平均值為－0.09。

沉積物的偏態(tài)等值線(xiàn)圖（見(jiàn)圖4c）和Ski與MZ散點(diǎn)圖（見(jiàn)圖5a）顯示調(diào)查區(qū)的沉積物粒度偏態(tài)值大部分在－0.5～0.5之間，處于極負(fù)偏態(tài)到極正偏態(tài)之間。

3.2.4 峰態(tài) 通過(guò)樣品統(tǒng)計(jì)分析，研究區(qū)內(nèi)KG最小值為0.24，最大值為3.08，平均值為1.02。

從沉積物的峰態(tài)等值線(xiàn)圖（見(jiàn)圖4d）和KG與 MZ散點(diǎn)圖（見(jiàn)圖5c）上可以看出，大部分沉積物峰態(tài)值在0.5～1.5之間，屬于很寬～尖峰態(tài)。

4 討論

采用Gao－Collins二維“粒度趨勢(shì)分析”方法對(duì)研究區(qū)沉積物運(yùn)移趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)沉積物運(yùn)移趨勢(shì)（見(jiàn)圖8）具有如下特點(diǎn)：

（1）沉積物整體呈現(xiàn)離岸輸運(yùn)，河口處尤為明顯，近岸處沉積物的輸運(yùn)主要受河流控制。

（2）在研究區(qū)東北部為輸運(yùn)集中區(qū)，即周?chē)练e物都在此沉積，可能與該處動(dòng)力較弱有關(guān)。（3）在研究區(qū)西南部沉積物呈現(xiàn)由西南向東北的運(yùn)移趨勢(shì)，與研究區(qū)的強(qiáng)浪向和常浪向一致，這主要是因?yàn)檠芯繀^(qū)基本上屬于砂質(zhì)海岸，而砂質(zhì)海岸的沉積物動(dòng)力過(guò)程主要受波浪控制。

為了能夠更直觀的反映沉積物粒度空間分布特征，設(shè)置2個(gè)典型剖面prof－1和prof－2（見(jiàn)圖1），分別繪制砂含量、粉砂含量、黏土含量及中值粒徑隨空間的變化圖（見(jiàn)圖6、7）。

圖4 表層沉積物粒度參數(shù)等值線(xiàn)Fig.4 Isoline of grain size parameters

圖5 沉積物粒度參數(shù)散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter plots of grain size parameters

通過(guò)對(duì)2個(gè)典型剖面prof－1和prof－2粒度頻率分布曲線(xiàn)（見(jiàn)圖1）的分析，樣品頻率曲線(xiàn)主要分為單峰和雙峰及兩者之間的過(guò)渡態(tài)3種。單峰態(tài)表明沉積物成分單一，為相對(duì)穩(wěn)定的水能條件下形成，雙峰表明沉積物受2種主要?jiǎng)恿ψ饔?，或者存?種主要的沉積物來(lái)源。由于該區(qū)沉積物主要來(lái)源為河流來(lái)砂，因此頻率曲線(xiàn)的峰數(shù)主要體現(xiàn)了該區(qū)的沉積動(dòng)力多樣性。

根據(jù)站位的不同位置，曲線(xiàn)形態(tài)變化具有一定的規(guī)律性。prof－1上各站位自西南向東北呈現(xiàn)出“單峰－雙峰－單峰”且粒徑減小特點(diǎn)，表明沉積物動(dòng)力 “單一動(dòng)力－雙動(dòng)力－單一動(dòng)力”的特點(diǎn)；prof－2上各站位自岸及遠(yuǎn)呈現(xiàn)出“單峰－雙峰”且粒徑減小特點(diǎn)，表明隨著水深增加，沉積物動(dòng)力“單一動(dòng)力－多動(dòng)力”變化的特點(diǎn)，結(jié)合該區(qū)自然概況，近岸主要受河流控制，離岸端受潮流和河流共同控制。

通過(guò)Gao－Collins粒度趨勢(shì)分析所得到的沉積物運(yùn)移趨勢(shì)與粒度組分及粒度參數(shù)分析的結(jié)果相吻合，該區(qū)沉積物的輸運(yùn)一方面有一般近海沉積的典型特征，一方面又受地形和自然條件影響，具有地區(qū)特點(diǎn)。

5 結(jié)論

（1）研究區(qū)域沉積物粒徑呈現(xiàn)整體自岸及遠(yuǎn)減小、局部由西南向東北減小的趨勢(shì)，既符合粒度分異規(guī)律，又受地形和自然條件的影響，存在局部差異性。（2）沉積物具有河砂的特點(diǎn)，岸灘沉積物以河流來(lái)沙為主。（3）通過(guò)對(duì)典型剖面的分析，并結(jié)合Gao－Collins粒度趨勢(shì)分析，該區(qū)沉積物整體上呈離岸輸運(yùn)的趨勢(shì)，且自岸及遠(yuǎn)沉積物呈現(xiàn)“單一動(dòng)力－雙動(dòng)力－單一動(dòng)力”特點(diǎn)，在研究區(qū)西南部，沉積物由西南向東北輸運(yùn)，沉積物呈現(xiàn)“單一動(dòng)力－多動(dòng)力”特點(diǎn)，近岸主要受河流控制，離岸端受潮流和河流共同控制。

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