長江口水下三角洲北部近百年沉積物粒度組成及其對水動力環(huán)境的響應(yīng)①

陳 靜 趙寶成 戰(zhàn) 慶

(1.華東師范大學(xué)河口海岸科學(xué)研究院 上海 200062;2.上海市地質(zhì)調(diào)查研究院 上海 200072)

0 引言

人類活動能力的增強，在流域上的集中表現(xiàn)就是不斷建壩，其后果是大量泥沙被攔截在大壩水庫內(nèi)，一方面水庫淤積迅速，另一方面入海泥沙減少［1～3］，尤其是在1980年代以來。長江三角洲對入海泥沙減少的響應(yīng)問題一直備受關(guān)注［4］，水下三角洲外緣近年來已經(jīng)發(fā)現(xiàn)侵蝕粗化的跡象［3，5］。這些研究多基于海圖或是與前期資料的對比，基于時間序列的鉆孔沉積物的研究目前集中于長江河口沉積中心泥質(zhì)區(qū)，但是卻未發(fā)現(xiàn)沉積物組成上對于泥沙減少有明顯響應(yīng)［6～8］。

河口水下三角洲的沉積主要受控于流域和海洋動力的相互作用，其平衡是穩(wěn)定沉積的基礎(chǔ)，一旦流域來水來沙或是河口河勢發(fā)生變化，兩者之間的水動力平衡狀態(tài)即被打破，水下三角洲一些敏感位置沉積環(huán)境也會隨之發(fā)生變化。從長江口表層泥沙分布上看，黏土級和粉砂級沉積物由河口向海呈現(xiàn)遞減的趨勢，而砂級沉積物分布趨勢正好相反［9］。長江入海泥沙以黏土和粉砂級為主［1］，出口門后由于海洋動力的頂托，水動力減弱，細(xì)顆粒泥沙迅速沉積，呈現(xiàn)典型的細(xì)單峰頻率曲線形態(tài)，形成長江口泥質(zhì)區(qū)［5］(圖1);而向陸架方向沉積物逐漸變粗，在和陸架過渡區(qū)域粒度曲線呈現(xiàn)典型的雙峰分布，顯示出河流和海洋雙重動力的影響，陸架區(qū)域主要是以砂級為主粗單峰頻率曲線的“殘留砂”沉積［10，11］，兩者之間存在泥—砂沉積分界線(圖1)。可見，從河口向海方向河流動力影響相對減弱，海洋動力影響不斷加強，對于這種變化響應(yīng)最敏感的區(qū)域即是長江口外與陸架間的過渡區(qū)域，所以本研究擬選取該區(qū)水下三角洲北部地區(qū)的YZE孔(圖1)作為研究對象，從近百年沉積物粒度特征入手分析水動力環(huán)境的變化及其可能的原因。

1 研究方法

2008年12月利用重力取樣器在長江水下三角洲采集一淺孔(YZE)，具體位置為31.33°N，122.5°E，水深為26.4 m，YZE柱狀樣的長度為2.3 m(圖1)。該研究中并未考慮重力取樣所造成的樣品垂向壓縮。

圖1 長江口表層沉積物分布［5，9］及點位Fig.1 Surface sediment distribution off the Changjiang estuary［5，9］ and core location

對YZE柱狀樣以間距約4 cm采集48個樣品，送于中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室進(jìn)行210Pb和137Cs放射性同位素測試以確定平均沉積速率，所用儀器為美國生產(chǎn)的探頭型號為GWL-120-15，多道型號為jr2.0的高純鍺伽馬譜儀。同時以大約2 cm間距對柱樣進(jìn)行分樣，獲得106個樣品進(jìn)行粒度測試，所用儀器為美國Coulter公司LS13320型激光粒度儀。

1.1 210Pb和137Cs放射性同位素測試

每個樣品稱取10 g左右的濕樣，在105°C的高溫下烘干，放入干燥器中以備用。稱取5 g左右干沉積物研磨，過100目孔篩去除植物根莖，將研磨后的干樣放入測試管中，平均每個試管中干樣的重量約為3 g，開口封蠟，放置3個星期，以便使放射能量平衡。用γ分析方法對各樣品進(jìn)行無損壞的多種核素同時直接測量。137Cs和226Ra標(biāo)準(zhǔn)樣品由中國原子能研究院提供;210Pb標(biāo)準(zhǔn)樣品由英國利物浦大學(xué)做比對標(biāo)準(zhǔn)。137Cs的比活度用其661.62 keV能量處的峰計算。137Cs計年是基于該放射性核素在沉積物記錄中的層位對比，其出現(xiàn)和峰值分別對應(yīng)大氣核試驗的起始年代1952年、核試驗的峰值年代1963年及1986年切爾諾貝利核泄漏事件產(chǎn)生137Cs的散落峰。總210Pb比活度以46.5KeV(210Pb)能量處的峰計算，以351.92 KeV(214Pb，226Ra的子體)能量處的峰計算本底210Pb比活度，其差值即為過剩210Pb(210Pbex)的比活度。本文采用初始濃度恒定(CIC)模式計算鉆孔平均沉積速率，公式如下:

式中，s為沉積速率(cm/yr);z為深度(cm);λ為210Pb的衰變常數(shù)(0.031 14 yr-1);A0和Az分別為表層與深度z層的210Pbex，其中z/ln(A0/Az)210Pbex取自然對數(shù)后與深度之間線性擬合的斜率求出。

1.2 粒度測試

取樣約0.5 g于50 mL燒杯，分別加入10 mL 10%的H2O2和10 mL濃度為10%的HCl，分別去除有機質(zhì)和碳酸鈣，然后往燒杯注滿蒸餾水，靜置一夜，抽去上覆清液，重復(fù)此步驟直至上層清液為中性為止;加入分散劑，攪拌均勻，用超聲波儀分散大約20分鐘后上機測試。本文采用矩陣法計算樣品的粒度參數(shù)(平均粒徑、中值粒徑、標(biāo)準(zhǔn)偏差、峰態(tài)、偏態(tài))。

2 實驗結(jié)果

2.1 YZE孔沉積速率

YZE孔137Cs活度值整體較低，不高于3 Bg/kg，垂向分布圖上在104 cm開始出現(xiàn)，在80 cm和42 cm附件各有一個明顯的峰值(圖2)，推測分別對應(yīng)于1952年，1963年和1986年，對應(yīng)沉積速率分別為1.86 cm/yr，1.78 cm/yr，1.90 cm/yr。210Pbex(CIC 模式)隨深度分布從表層往下基本上呈現(xiàn)指數(shù)衰減，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.65，全孔平均沉積速率為3.28 cm/yr(圖2)。210Pb所獲沉積速率明顯高于137Cs，原因可能有二，其一210Pb主要富集在細(xì)顆粒沉積物中，上下段沉積物顆粒差異較大很可能導(dǎo)致210Pb吸附量的差異;其二上下段沉積環(huán)境變化導(dǎo)致了沉積速率的不均一，下段泥質(zhì)沉積速率很可能高于上段。因此，單獨使用100 cm以上210Pbex(CIC模式)進(jìn)行計算獲得沉積速率約在1.89 cm/yr，和137Cs方法所獲得的沉積速率接近。除此之外，董永宏［12］嘗試對該孔沉積物進(jìn)行了球形碳顆粒的鑒定統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)100 cm處球形碳顆粒含量開始增多，且經(jīng)過其他鉆孔的驗證發(fā)現(xiàn)球形碳顆粒不受粒度制約，這一變化和1950年代以來上?；痣娙萘垦杆僭鲩L相對應(yīng)，可初步確定沉積速率約在1.80～2.04 cm/yr，該值和上述137Cs以及100 cm以上210Pbex(CIC模式)所獲沉積速率接近，因此可確認(rèn)該孔104 cm以上平均沉積速率約為1.85 cm/yr。

2.2 YZE孔沉積物粒度垂向變化

未剖樣前先利用Geotek公司XCT進(jìn)行巖芯X光掃描，結(jié)果顯示100 cm以下主要為細(xì)顆粒沉積，其間每隔10～20 cm會出現(xiàn)粗顆粒層;100 cm以上顆粒明顯變粗。巖性照片也顯示出，下層為褐黃色均質(zhì)黏土，夾粉砂薄層，上層為褐黃色黏土質(zhì)粉砂，夾大量砂質(zhì)團塊，呈現(xiàn)擾動構(gòu)造(圖3)。

為了便于與前人資料進(jìn)行對比，本文將沉積物劃分為5個粒級組分進(jìn)行分析:黏土(＜4 μm)，粉砂粒級包含細(xì)粉砂(4～16 μm)和粗粉砂(16～63 μm)，砂粒級包括極細(xì)砂(63～125 μm)和細(xì)砂(125～250 μm)。

圖2 YZE孔沉積物210Pbex，137Cs和球形碳顆粒［12］垂向分布及沉積速率Fig.2 Distribution of210Pbex，137Cs and Spheroida carbonaceous particles［12］ and sedimentation rate in the sediments of Core YZE

圖3 YZE孔沉積物粒度參數(shù)垂向變化Fig.3 Distribution of grain-size parameters in the sediments of Core YZE

YZE孔沉積物垂向平均粒徑介于20～45 μm之間，黏土的平均百分含量為29.37%。粉砂的平均含量為59.35%，其中細(xì)粉砂的平均含量為30.58%，粗粉砂的平均含量為28.77%。砂(＞63 μm)的平均含量為11.28%，其中極細(xì)砂的平均含量為8.17%，細(xì)砂的平均含量為3.03%(圖3)。自下而上，垂向粒度組成及粒度參數(shù)明顯分為兩層，分界線在100 cm處(圖3)。層I沉積物的粒徑較粗，主要以粉砂和砂為主，層II粒度較細(xì)，主要以黏土和細(xì)粉砂為主;層I較層II，黏土和細(xì)粉砂含量明顯降低，但粗粉砂以上粒級含量明顯增加，標(biāo)準(zhǔn)偏差值增大，峰態(tài)和偏態(tài)降低(圖3、表1)。兩層沉積物的粒度頻率曲線也有很大差異，層I沉積物頻率曲線呈現(xiàn)典型的雙峰形式，兩個峰值分別位于30 μm和100 μm左右，層2沉積物主要呈現(xiàn)出單峰模式，但是峰值有所不同，主要單峰模式的峰值在5 μm左右，另外還有一種峰值在30～50 μm的單峰曲線，主要分布于100～180 cm之間砂級含量多的層位(圖3)。

表1 YZE孔上下兩層粒度參數(shù)對比Table 1 Grain-size parameters in two sections of Core YZE

圖4 YZE孔沉積物敏感粒級組分含量與平均粒徑垂向分布及與河口水道變遷和大通站年輸沙量的對比(大通站資料來源于長江水利委員會和中國河流泥沙公報)Fig.4 Proportion and mean grain size of sensitive populations in the sediments of Core YZE and their relations to estuarine channel evolution and sediment load at Datong station(data of Datong station from Changjiang Water Resources Commission and Chinese River Sediment Bulletin)

2.3 敏感粒徑組分及其指示意義

沉積物粒度與物源和沉積時的動力環(huán)境有密切關(guān)系，全樣粒度參數(shù)反映的是各個因素疊加的結(jié)果，不能剝離出單一因素的影響。近年來，很多學(xué)者嘗試提取環(huán)境敏感粒度組分反演其所指示的沉積環(huán)境因素變化，已經(jīng)取得了較理想的結(jié)果［13，14］。本文采用粒級—標(biāo)準(zhǔn)偏差的算法［13，14］提取了YZE孔的敏感粒度組分，3個明顯的粒度偏差峰值分別出現(xiàn)在4.24 μm，33.01 μm 和111 μm，所對應(yīng)的粒級組分分別為＜14.26 μm(組分 1)，14.26～ 69.61 μm(組分 2)和＞69.61 μm(組分3;圖4)。此外，兩層沉積物的敏感粒級組分各有偏重，層I(100 cm以上)3個組分為＜16 μm，16～63 μm 和＞63 μm，層 II(100 cm 以下)有兩個組分，為＜12 μm 和＞12 μm(圖 4)。很明顯，層I的敏感粒級組分較層I增加了組分3。

縱觀目前長江河口泥質(zhì)區(qū)沉積物敏感粒級組分的研究，可發(fā)現(xiàn)普遍存在兩個敏感粒級組分:粒度偏差峰值 3～8 μm 的細(xì)組分和 30～50 μm 粗組分［6，7，15～17］，本孔層 II 也出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。一般來說，河流沿程水流能量逐漸降低的情況下，沉積物搬運方向上粒度會逐漸細(xì)化，分選越來越好［18］。但河口區(qū)同時受到河流和海洋雙重動力影響，時間上枯季或者大潮期間，河流動力減弱，風(fēng)浪、潮流等海洋因素導(dǎo)致的底質(zhì)再懸浮作用使得口外懸沙粒徑顯著偏粗［19］，空間上口外向海方向河流動力影響逐漸減弱，海洋動力的影響不斷加強，沉積物呈現(xiàn)先細(xì)化再粗化的過程［5，9～11］。Fan et al.［15］曾指出過泥質(zhì)區(qū)敏感粒級組分中細(xì)顆粒組分代表河流動力影響為主的洪季沉積，而粗顆粒組分代表了海洋動力影響增強的枯季沉積。如果延伸到年際上，細(xì)顆粒組分(組分1)很可能反映的是河流動力的影響，而粗顆粒組分(組分2)代表著海洋動力對沉積物的改造［7］。YZE孔層I中還存在一個峰值在111 μm附近的極粗敏感粒級組分(組分3)，該層粒度參數(shù)和現(xiàn)代陸架沉積物接近，水動力分區(qū)介于陸架沉積物和河口泥質(zhì)區(qū)之間［20］(圖5)，粒度曲線也呈現(xiàn)典型的雙峰分布(圖3)，且該層巖性照片中也顯示出擾動明顯，夾有大量的砂質(zhì)團塊(圖3)，有研究就曾指出長江口外63 μm以上的沉積物主要來自陸架粗顆粒沉積物的再搬運［21］，因此推測該組分很可能與風(fēng)浪、潮流帶入的陸架粗顆粒沉積物有關(guān)。

垂向上，層I(100 cm以上)組分1含量減少，組分2和組分3含量明顯增加，3個組分平均粒徑都呈增加趨勢(圖4)。結(jié)合上述分析，相對于層 II，層I河流影響減弱，海洋動力影響相對增強，且有陸架粗顆粒物質(zhì)的加入。

3 長江前三角洲北部近百年沉積環(huán)境變化及其原因

圖5 YZE孔沉積物的沉積動力分區(qū)(沉積區(qū)A-D見圖1;虛線所示的分區(qū)界限參考竇衍光［20］)Fig.5 Sedimentary dynamics environment of the sediments in Core YZE(Sedimentary zone A-D is the same to Fig.1;Boundary of dynamic zone by dashed lines refers to Dou Yanguang［20］)

長江泥沙入海后，由于受到近岸流系的頂托，向東擴散范圍有限，泥沙主要向南輸送［22～24］，表層沉積物上也表現(xiàn)出明顯的經(jīng)向泥—砂分界線(圖1)。YZE孔所處位置為前三角洲北部，靠近長江口泥質(zhì)區(qū)北端，其東部不遠(yuǎn)處即為泥—砂分界線，目前該處非洪季節(jié)懸沙濃度非常低，且集中于底層懸沙(M1點［25］)，可見，YZE孔正處于河流向外海輸沙的邊界過渡區(qū)域［5］。鉆孔粒度參數(shù)顯示，1954年之前(100 cm以下)該孔沉積物偏細(xì)，頻率曲線呈現(xiàn)細(xì)單峰形式(圖2，表1)，粒度參數(shù)、水動力分區(qū)和敏感粒徑分析都揭示出當(dāng)時該區(qū)處于泥質(zhì)區(qū)范圍內(nèi)，間或出現(xiàn)粒度偏粗的層位可能是天文大潮或風(fēng)暴潮作用導(dǎo)致［7］;1954年代以來(100 cm以上)沉積物明顯粗化，呈雙峰頻率曲線形態(tài)(圖2、表1)，和現(xiàn)代砂泥過渡區(qū)非常類似［5］，結(jié)合粒度參數(shù)、水動力分區(qū)和敏感粒徑分析，都說明該區(qū)海洋動力影響明顯增強，并且有潮流或風(fēng)浪帶入的陸架粗顆粒沉積物。Luo et al.［5］認(rèn)為較前期60年代左右的表層沉積物粒度資料，長江河口泥—砂分界線有向西遷移跡象，YZE孔上段(層I)粒度變化也佐證了這一結(jié)論。

我們推測導(dǎo)致YZE孔沉積環(huán)境變化的可能原因不外乎兩點:其一是長江河口河勢的變遷;其二是長江入海水沙的變化。根據(jù)漢口和大通實測資料的記載，近百年來長江入海徑流量一直較為穩(wěn)定，1950年代前后未發(fā)現(xiàn)明顯變化趨勢［3，26］，其對河口區(qū)水動力的影響可忽略，因此長江河口主泓的變化可能是河流動力影響范圍變化的主要原因。南、北支分汊是長江口徐六涇以下的第一級分汊，據(jù)文獻(xiàn)記載，北支曾經(jīng)是長江入海主泓所在，18世紀(jì)中葉海門沙并岸以及19世紀(jì)末啟東諸沙并岸以后，長江主泓該走南支，北支就一直處于支汊的地位［27］，分泄25%長江徑流量［28］;直至1954年特大洪水造床作用以及1958年通海沙圍墾造田，使得徐六涇的江面寬由13公里縮至6公里左右，成為長江口新的起點，至此北支的分流量僅占2%［27，29］;隨后，北支的進(jìn)口與南支成直角相交，北支的分流比銳減，河槽全線淤淺，處于全面萎縮過程中［27，29］。YZE柱狀樣的沉積環(huán)境變化明顯和北支河勢變化密切相關(guān)，1954年之前，北支分水分沙還占有一定的比例，北支河道水沙出河口后向南輸運，該孔位置處于其水沙覆蓋范圍，河流動力影響較強，泥沙供應(yīng)相對較充足，海洋動力等因素來不及對其進(jìn)行改造便迅速沉積下來，和現(xiàn)代河口泥質(zhì)區(qū)沉積物性質(zhì)相似，說明當(dāng)時泥質(zhì)區(qū)范圍較現(xiàn)代偏北。之后隨著北支河道萎縮，分水分沙比例銳減至2%，長江水沙主要從南支入海整體向南輸運，該孔基本處于長江水沙向海輸運的東邊界上，河流作用的影響減弱，雖然洪季時可能會有東北轉(zhuǎn)向的沖淡水?dāng)y帶泥沙至此沉積［30～32］，但是枯季時該處長江水沙影響減弱，海洋動力影響增強，底層泥沙再懸浮強烈，潮流或風(fēng)浪將細(xì)顆粒帶走至近岸［33～36］，同時也可能將陸架粗顆粒泥沙帶入，導(dǎo)致該區(qū)沉積物粗化，河口泥質(zhì)區(qū)北界較1954年前南移。

長江入海泥沙顯著下降是發(fā)生在1980年代后，這一年代和該孔上層粗化的年代相差較遠(yuǎn)，可見這入海泥沙得變化并不是主要原因。實際上，自1950年代以來YZE鉆孔中沉積物粒度參數(shù)較為穩(wěn)定，敏感粒級組分含量和平均粒徑變化不大(圖4)，沒有表現(xiàn)出對1980年代后長江入海泥沙顯著下降有所響應(yīng)。同樣，目前在泥質(zhì)區(qū)的鉆孔中也未發(fā)現(xiàn)沉積物組成上對于泥沙減少的明顯響應(yīng)［6～8］，這說明這一時間段盡管水下三角洲淤積速率以及向海推進(jìn)明顯減慢［1，4］，但并未出現(xiàn)侵蝕跡象。但是值得注意的是，2003年以來水下三角洲外緣過渡區(qū)發(fā)現(xiàn)了侵蝕現(xiàn)象［3］，但由于取樣精度問題，在該孔表層并沒有顯示出來。

綜上分析，1950年代以來長江水下三角洲北部鉆孔YZE沉積物粗化是主要是由北支水道萎縮原因所致。近期，Luo et al.［5］發(fā)現(xiàn)長江口表層沉積物泥—砂界線有向西遷移的跡象，主要是近期長江泥沙銳減導(dǎo)致三角洲蝕退，根據(jù)本文結(jié)果看，北部地區(qū)泥沙分界線的西移也可能包含長江河口河勢變遷的貢獻(xiàn)。

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