基于表層沉積物粒度特征的鴨綠江口沉積環(huán)境分析

李富祥,張春鵬,王 路,劉敬偉,張 亮

(遼東學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)院,遼寧 丹東 118003)

粒度是沉積物的重要特性之一,沉積物的粒度可以反映其沉積環(huán)境,提供物質(zhì)遷移和沉積過程的重要信息。沉積物粒度的大小,主要受物源遠(yuǎn)近、搬運(yùn)介質(zhì)、搬運(yùn)方式、沉積環(huán)境等因素控制,沉積物粒度的分布和組成,是反映某個(gè)地區(qū)的水動(dòng)力狀況和沉積環(huán)境變化的一個(gè)綜合指標(biāo)[1-2]。通過分析沉積物的粒度特征,可以識(shí)別沉積環(huán)境、判定沉積物運(yùn)動(dòng)的方式[3]。

鴨綠江是中國與朝鮮兩國的界河,全長(zhǎng)790 km。多年平均徑流量為3.02億m3,年入海泥沙量是2.04萬t[4-5]。鴨綠江水沙的年內(nèi)分配極不均勻,6～9月汛期時(shí)的徑流量和輸沙量約占全年總量的80%以上。而在平水期和枯水期,鴨綠江是一條水碧流清的河流。鴨綠江河口地區(qū)以懸沙濃度高、潮差大、潮流強(qiáng)、最大渾濁帶顯著為主要特征[6-9]。鴨綠江河口地貌格局呈喇叭狀,口門以上為沙坎區(qū),水深較淺,具辮狀水系特征;口門以下為潮流脊廣泛分布的地區(qū),分布面積達(dá)4 000 km2,潮流脊群呈扇形向外展開,前緣可達(dá)40 m等深線附近,南側(cè)與西朝鮮灣陸架梳狀沙脊相連接[10-11]。

1941年以前,鴨綠江河口地區(qū)的水深和岸線大致保持穩(wěn)定。但近幾十年來,在水庫修建、河道挖沙等人類活動(dòng)的影響下,鴨綠江河口系統(tǒng)發(fā)生了迅速調(diào)整[12-13]。由于水庫的運(yùn)作,對(duì)徑流“削峰填谷”、對(duì)泥沙“截渾泄清”,導(dǎo)致鴨綠江沉積物入海通量逐年減少[14]。于是,河口地貌形態(tài)隨之發(fā)生了快速的改變:河口地區(qū)的黃金坪－綢緞島－薪島一線不斷生長(zhǎng)、并陸。自1921年以來,鴨綠江河口地區(qū)的綢緞島和薪島面積增長(zhǎng)迅速,到1987年不到70 a間增長(zhǎng)近3倍[15],綢緞島以西的西汊道曾經(jīng)是鴨綠江河口的主航道,目前已經(jīng)淤淺萎縮、退化為漲潮流的次要通道。研究鴨綠江河口地區(qū)沉積物的粒度特征,分析沉積環(huán)境演變過程及其對(duì)人類活動(dòng)的響應(yīng),為分析河口系統(tǒng)變化提供科學(xué)依據(jù),具有顯著的實(shí)用價(jià)值。

1 樣品來源與分析方法

1.1 樣品來源

2006年7月、2009年8月和2010年7～8月在鴨綠江河口及毗鄰淺海地區(qū),用手持GPS進(jìn)行定位,用蚌式采樣器進(jìn)行表層樣品采集工作,采集樣品70余個(gè)。

根據(jù)研究目標(biāo),結(jié)合鴨綠江口地貌特點(diǎn),選取43個(gè)樣品組合成 5個(gè)斷面進(jìn)行分析,如圖 1所示。點(diǎn)位1～8組成斷面1(代表鴨綠江下游地區(qū)),從浪頭(潮流界)起始至斗流浦(最大渾濁帶);點(diǎn)位9～19組成斷面2(代表鴨綠江中水道),由斗流浦向下延伸到薪島前緣–15 m等深線一帶;點(diǎn)位20～30組成斷面3(代表鴨綠江西水道),斷面3與斷面2平行,起始于大臺(tái)子附近;點(diǎn)位 31～35組成斷面 4(代表遼東淺灘),采樣點(diǎn)設(shè)置在大東溝口到大洋河口沿岸(自東向西);點(diǎn)位36～43組成斷面5(代表毗鄰淺海),沿–15 m等深線東西向設(shè)置采樣點(diǎn)。

1.2 粒度分析方法

分析前取適量樣品放入燒杯,加入 0.5%的六偏磷酸鈉(NaPO3)6,靜置24 h以上。利用英國Malvern公司的Mastersizer2000型激光粒度儀對(duì)沉積物樣品進(jìn)行粒度分析。數(shù)據(jù)測(cè)量范圍為0.02～2 000 μm,粒級(jí)分辨率為 0.1Φ,重復(fù)測(cè)量的相對(duì)誤差＜3%,粒度參數(shù)根據(jù)矩值法[16]計(jì)算?？商峁┟恳涣６冉M分的百分含量、頻率曲線、累積曲線及其他各種粒度參數(shù)。利用謝帕德的沉積物三角圖解法對(duì)表層沉積物進(jìn)行命名和分類。粒度分析在南京大學(xué)海岸與海島開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室粒度室完成。

2 表層沉積物粒度特征及物源分析

2.1 表層沉積物組成特征

在鴨綠江河口研究區(qū),表層沉積物的分類只有砂、粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂、黏土質(zhì)粉砂4種,在43個(gè)樣品中,類型為砂的27個(gè)、粉砂質(zhì)砂的6個(gè)、砂質(zhì)粉砂9個(gè)、黏土質(zhì)粉砂1個(gè)。其分布特征見表1。

圖1 鴨綠江口粒度研究點(diǎn)位分布圖Fig.1 Location and distribution of grain size sampling points in the Yalu River Estuary

表1 鴨綠江河口表層沉積物的類型分布Tab.1 Distribution of different sort of sediment in the surface of the Yalu River Estuary

從表 1可以看出,在斷面 1的所有采樣點(diǎn)位上,表層沉積物類型均為砂;在斷面 2上,沉積物類型較為復(fù)雜,9～14號(hào)、17號(hào)、18號(hào)點(diǎn)位沉積物類型為砂,15號(hào)、16號(hào)點(diǎn)位沉積物類型為砂質(zhì)粉砂,19號(hào)點(diǎn)位為粉砂質(zhì)砂;在斷面3上,砂、粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂3種類型沉積物出現(xiàn)頻率相當(dāng),砂占 4個(gè)點(diǎn)位、粉砂質(zhì)砂占 2個(gè)點(diǎn)位、砂質(zhì)粉砂占 4個(gè)點(diǎn)位,并且各種類型沉積物的出現(xiàn)沒有規(guī)律性;斷面4上沉積物類型最為復(fù)雜,5個(gè)點(diǎn)位上出現(xiàn)了所有4種類型的沉積物;在斷面5上,沉積物主要以砂為主,其中 37號(hào)點(diǎn)位是砂質(zhì)粉砂,38號(hào)點(diǎn)位是粉砂質(zhì)砂。

2.2 表層沉積物粒度參數(shù)特征

沉積物粒度參數(shù)主要是表征沉積物物源條件和水力輸運(yùn)過程條件的。研究認(rèn)為,沉積物的來源主要反映在平均粒徑和分選系數(shù)上,而沉積環(huán)境與偏態(tài)和峰態(tài)關(guān)系密切[1]。

鴨綠江河口地區(qū)采樣點(diǎn)位表層沉積物粒度參數(shù)變化如圖2和表2所示。在斷面1上,表層沉積物平均粒徑在1.009Φ～3.231Φ之間,均值為1.775Φ。與其他斷面比較,該斷面平均粒徑均值最小,沉積物顆粒最粗,平均粒徑變化范圍也最小;在斷面2上表層沉積物平均粒徑在1.214Φ～5.596Φ 之間,均值為3.017Φ。該斷面平均粒徑均值大于斷面1,小于其他斷面,說明該斷面表層沉積物顆粒相對(duì)較粗。但是在該斷面上平均粒徑變化范圍是所有斷面中最大的,說明該斷面上沉積物來源和沉積環(huán)境較為復(fù)雜;在斷面3上表層沉積物平均粒徑在2.206Φ～6.162Φ 之間,均值為4.243Φ。與其他斷面比較,該斷面平均粒徑均值僅比斷面4小,說明其沉積物顆粒相對(duì)較細(xì),平均粒徑變化范圍僅小于斷面2,大于其他所有斷面,說明該斷面沉積物來源和沉積環(huán)境也相對(duì)復(fù)雜;在斷面4上,沉積物平均粒徑在2.931Φ～6.859Φ 之間,均值為5.021Φ。這一斷面沉積物粒徑變化范圍與斷面3接近,但沉積物的平均粒徑是所有斷面中最大的,也說明其沉積物顆粒是最細(xì)的;斷面5表層沉積物粒徑變化范圍在2.109Φ～5.484Φ 之間,均值為3.400Φ,其平均粒徑變化范圍較斷面1大,較其他所有斷面為小,平均粒徑大于斷面1、2,小于斷面3、4,說明其沉積物顆粒比河流下游和中水道細(xì),但是比西水道和遼東淺灘粗。研究區(qū)表層沉積物平均粒徑大小排序?yàn)閿嗝?(1.775Φ)＜斷面2(3.017Φ)＜斷面5(3.400Φ)＜斷面3(4.243Φ)＜斷面4(5.021Φ)。

鴨綠江口不同區(qū)域表層沉積物分選系數(shù)(δi)差異較大,δi值在0.488～2.61之間。從全區(qū)范圍來看,沉積物分選性呈現(xiàn)顯著的空間變化趨勢(shì),分選系數(shù)均值在各斷面上的排序從小到大為斷面1(0.897)＜斷面2(1.515)＜斷面5(1.780)＜斷面4(1.897)＜斷面3(1.926),其分選系數(shù)大小與粒徑大小排序基本一致。

鴨綠江口沉積物偏態(tài)的分布區(qū)間為?1.159～2.396,范圍較寬,從負(fù)偏到極正偏,只有4個(gè)點(diǎn)位出現(xiàn)負(fù)偏態(tài),其他所有點(diǎn)位沉積物呈正偏態(tài),說明沉積物整體較粗。對(duì)全區(qū) 5個(gè)斷面的偏態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序,偏態(tài)均值的排序結(jié)果為斷面 4(0.748)＜斷面1(1.082)＜斷面 3(1.276)＜斷面 2(1.425)＜斷面5(2.017)。

鴨綠江口沉積物峰態(tài)的變化范圍為 0.614～3.236,峰態(tài)均值在各斷面上的排序大小為斷面 1(1.605)＜斷面 4(2.327)＜斷面 2(2.387)＜斷面 3(2.673)＜斷面5(2.677)。

2.3 沉積物來源分析

2.3.1 通過組分和粒徑分析表層沉積物來源

平均粒徑代表粒度分布的集中趨勢(shì),反映了沉積介質(zhì)的平均動(dòng)能,在一定程度上也能反映沉積物的來源——同源物質(zhì)的粒徑沿運(yùn)移方向遞減[2]。

斷面1和斷面2為河流主汊道,受上游徑流影響明顯。一般來說搬運(yùn)介質(zhì)的平均動(dòng)能和物源區(qū)的粒度分布是平均粒徑的主要影響因素,所以在源區(qū)一致的情況下,平均粒徑作為底流速度的替代性指標(biāo)可以反映底流的平均動(dòng)能[17]。粗粒沉積出現(xiàn)于高能環(huán)境,細(xì)粒沉積出現(xiàn)于低能環(huán)境。沉積物在輸運(yùn)過程中受重力分異的作用逐漸沉降,粗顆粒沉積物沉降于輸運(yùn)路徑上游,而細(xì)顆粒沉積物沉降于輸運(yùn)路徑下游,從而形成沿輸運(yùn)方向沉積物逐漸細(xì)化的趨勢(shì)。鴨綠江上游徑流輸沙在到達(dá)河口地區(qū)以后隨著水面拓寬,徑流作用減弱開始沉降,粗顆粒物質(zhì)首先沉降下來,細(xì)顆粒物質(zhì)在水流作用下繼續(xù)向下游輸送,可以看出此斷面與其他斷面比較沉積物粒徑相對(duì)較粗,主要以粗砂為主。從圖2可以清楚地看出,此斷面沿程砂的含量逐漸減少,粉砂和黏土含量逐漸增加,但是這種變化幅度很小。從點(diǎn)位1～18有3個(gè)特殊點(diǎn)位,即8號(hào)點(diǎn)位和15號(hào)、16號(hào)點(diǎn)位,出現(xiàn)了沉積物組分的突然變化,砂的含量劇減,粉砂和黏土含量徒增。這 3個(gè)點(diǎn)位對(duì)應(yīng)位于鴨綠江河口兩個(gè)最大渾濁帶上,其中的8號(hào)點(diǎn)位于斗流浦附近,徑流和潮流作用的變化通常會(huì)對(duì)河口地區(qū)的沉積動(dòng)力過程造成巨大影響[18]。由于潮流作用增強(qiáng),徑流攜帶的懸移質(zhì)受潮水的頂托不易下瀉,造成斗流浦附近懸沙濃度增大,最大渾濁帶發(fā)育,加快了綢緞島上游的淤積。從沉積物和其他地區(qū)沉積物的頻率分布曲線對(duì)比也可發(fā)現(xiàn),該地區(qū)沉積物(站位 8)的頻率分布曲線為雙峰,而懸沙和其他區(qū)域的推移質(zhì)沉積物均為單峰分布;且其細(xì)峰更接近懸沙頻率曲線,粗峰則更接近推移質(zhì)頻率曲線[19]。這可能是由徑流攜帶的懸沙在此處大量沉降,并和推移質(zhì)沉積物相混合造成的。由于河口區(qū)的懸沙主要由陸向海輸送,因此從斗流浦侵蝕下來的沉積物中一部分細(xì)顆粒組分在落潮流作用下向口門輸運(yùn)并在15、16號(hào)點(diǎn)位附近沉積下來,受到泥沙再懸浮作用的影響,在此位置形成鴨綠江口的又一個(gè)最大渾濁帶[20]。

圖2 表層沉積物的粒度參數(shù)與組分沿程變化Fig.2 Longitudinal variation of grain size parameters and constitution in different sections of surface sediment

斷面 3為鴨綠江西水道,西水道原為鴨綠江的主航道,但是受人為因素的影響,其上游逐漸淤積,徑流作用減弱,成為一條潮汐水道[21],主要受潮流作用的影響。從圖 2和表2可以看出該段表層沉積物組成成分比較復(fù)雜,平均粒徑變化也沒有規(guī)律性,沒有了河流輸送的典型性特征。

斷面4沿遼東淺灘布設(shè),從表2可以看出,其粒度各參數(shù)指標(biāo)與受河流和潮汐共同作用的中水道下段和西水道有明顯的不同,平均粒徑較大,并且沿程沒有明顯的組分和參數(shù)變化規(guī)律,這一斷面的 35號(hào)點(diǎn)位沉積物以砂為主,顆粒較粗,究其原因在于這一點(diǎn)位位于大洋河口,其粒度有明顯的河流相沉積特征。刨除35號(hào)點(diǎn)位外,將斷面4各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)與淺海斷面 5相比較,會(huì)發(fā)現(xiàn)潮流陸架區(qū)域表層沉積物粒徑由外陸架向內(nèi)陸架呈現(xiàn)增大趨勢(shì),而細(xì)顆粒物質(zhì)粉砂和黏土的含量明顯從淺海向淺灘呈增加趨勢(shì),說明遼東淺灘的表層沉積物來源于毗鄰淺海表層沉積物的推移作用。

表2 表層沉積物粒度參數(shù)與組成Tab.2 Grain size parameters and composition of surface sediments

斷面5沿–15 m等深線布設(shè),從圖2和表2來看,該斷面各點(diǎn)位平均粒徑變化較小,沉積物組成成分相近。由于其位于水深大于15 m的潮流沙脊區(qū)[10],主要受潮流的控制,徑流影響相當(dāng)微弱,因此在遼東沿岸流的作用下仍由北向南輸運(yùn)。

2.3.2 通過粒度多參數(shù)組合關(guān)系分析沉積物來源

物源和水動(dòng)力的強(qiáng)弱變化能夠產(chǎn)生差異性的沉積環(huán)境,而不同的沉積環(huán)境又能直接通過沉積物組分和粒度參數(shù)組合關(guān)系反映出來[3]。

一般情況下,在沉積物輸送方向上,沉積物的粒徑是逐漸減小的,在此過程中沉積物粒度的分選性變差,偏態(tài)更加正偏,用這一理論對(duì)斷面1與斷面2的表層沉積物粒度參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,可以看到在沿程方向(由上向下)上,表層沉積物平均粒徑變大,分選系數(shù)變大,分選變差,偏態(tài)更加正偏。前人研究表明,沉積物粒徑和分選性的這種負(fù)相關(guān)關(guān)系是沉積物在粒徑減小方向上物源多元性增強(qiáng)的結(jié)果,這一結(jié)果表明,鴨綠江河口地區(qū)隨著沿徑流方面,徑流作用逐漸減弱,在到達(dá)河口以后受潮汐和波浪作用增強(qiáng),其物源由上游的單一的河流輸送過渡到既有河流輸送又有海洋向陸方面推移輸送。研究區(qū)粒徑減小方向上沉積物分選性變差指示: 由上游向下游方向,水動(dòng)力逐漸減弱,物源的多元化特征逐漸增強(qiáng)。這與前期研究成果相一致[22];再用這一理論對(duì)斷面5和斷面4的表層沉積物粒度參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,斷面5表示淺海,斷面4表示淺灘,可以看出從淺海到淺灘表層沉積物平均粒徑增加,其分選性變差,偏態(tài)變小。分選性隨沉積物平均粒徑增加而增加符合相關(guān)理論,但是偏態(tài)變小,與上述理論不符,結(jié)合圖2對(duì)斷面4與斷面5進(jìn)行比較可以看出,在斷面4上有2個(gè)點(diǎn)的偏態(tài)值較小,其中的31號(hào)點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)值,其中的35號(hào)點(diǎn)值也較小,因而使斷面4的偏態(tài)均值較小。將31號(hào)點(diǎn)位與35號(hào)點(diǎn)位粒度參數(shù)值與其他斷面點(diǎn)位進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)31號(hào)點(diǎn)位的粒度參數(shù)值更接近于西水道的參數(shù)值,而35號(hào)點(diǎn)位的粒度參數(shù)值更接近于中水道的粒度參數(shù)值,從圖2可以看出,31號(hào)點(diǎn)位離西水道距離較近,有研究表明鴨綠江的一部分入海淡水自東向西沿遼南沿岸運(yùn)動(dòng)[4],此點(diǎn)離西水道較近,鴨綠江入海淡水對(duì)其產(chǎn)生一定的影響,說明此處受鴨綠江徑流和海洋潮汐與波浪的共同作用;35號(hào)點(diǎn)位位于大洋河口,大洋河徑流量雖然不及鴨綠江的1/10,但是其輸沙量卻是鴨綠江的1/2強(qiáng)[23],因而35號(hào)點(diǎn)位處受徑流作用的影響要大于受海洋潮汐作用的影響。

3 結(jié)論

1)鴨綠江河口地區(qū)的表層沉積物底質(zhì)類型主要為砂、粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂和極少量黏土質(zhì)粉砂。其中砂的分布范圍最廣,其主要來源為鴨綠江、大洋河和毗鄰淺海。粉砂質(zhì)砂和砂質(zhì)粉砂主要分布于整個(gè)西水道、中水道下緣和遼東淺灘。

2)鴨綠江河口地區(qū)表層沉積物來源并不是單一的,而是具有多元性和空間差異性,鴨綠江徑流輸沙作用在河口地區(qū)表現(xiàn)非常明顯,同時(shí)也伴隨著潮汐和波浪引起的淺海沉積物向陸運(yùn)動(dòng),因此河口地區(qū)表層沉積物物源存在著多樣性。具體體現(xiàn)在鴨綠江下游地區(qū)沉積物來源主要為河流輸送,中水道、西水道、遼東淺灘的沉積物來源既有河流輸送又有淺海表層沉積物的向陸運(yùn)動(dòng)。

3)鴨綠江河口不同區(qū)域的沉積環(huán)境不同,其中下游主要受河流徑流的影響;中水道、西水道和遼東淺灘既有河流徑流的影響又受海洋潮汐和波浪的作用。

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