風(fēng)暴與潮汐環(huán)境下的海灘表層沉積物特征對(duì)比
——以青島匯泉灣海灘為例

孫娟娟,韋龍明,毛欣茹,李 鑫,孫明行,黎家財(cái),張 靜,蔡杏蘭

(桂林理工大學(xué) a.地球科學(xué)學(xué)院;b.廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

風(fēng)暴與潮汐環(huán)境下的海灘表層沉積物特征對(duì)比
——以青島匯泉灣海灘為例

孫娟娟,韋龍明,毛欣茹,李 鑫,孫明行,黎家財(cái),張 靜,蔡杏蘭

(桂林理工大學(xué) a.地球科學(xué)學(xué)院;b.廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

以青島匯泉灣為例, 重點(diǎn)開展2011年風(fēng)暴環(huán)境與2015年潮汐環(huán)境下海灘表層沉積物特征的差異性對(duì)比研究。在兩次野外觀察對(duì)比的基礎(chǔ)上, 通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行篩分和粒度參數(shù)分析, 利用輕重礦物分離實(shí)驗(yàn)、 掃描電鏡觀察, 繪制沉積物整體粒度頻率曲線、 粒度概率累積曲線及C-M圖, 發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴改造后的海灘發(fā)育橫向礫脊, 海灘砂的磨圓度和分選性都變差, 礫石和粗砂比例較高, 石英顆粒表面構(gòu)造發(fā)育;而在潮汐沉積環(huán)境下, 礫石和粗砂聚集于高潮線附近形成縱向沙堤, 沙灘沉積物總體分選性和磨圓度較好, 重礦物比例增高, 石英顆粒表面構(gòu)造趨于簡(jiǎn)單化。 提出了風(fēng)暴環(huán)境具有快速沉積特點(diǎn), 而潮汐環(huán)境則是海灘砂經(jīng)受反復(fù)沖洗, 沙灘形貌不斷演變并最終趨于穩(wěn)定的認(rèn)識(shí)， 揭示了兩種沉積環(huán)境下海灘形貌的演化關(guān)系。

海灘;沉積物;風(fēng)暴;潮汐;差異性

青島匯泉灣位于南黃海的膠州灣, 屬岬角型沙質(zhì)海岸, 岬角由燕山期花崗巖組成。 潮間帶為質(zhì)地相對(duì)比較均勻、 寬闊平緩的沙灘。 海灘沉積特征受海岸動(dòng)力、 物質(zhì)來(lái)源、 岸線輪廓、 地形地貌、 后濱的高度等因素的綜合影響。 匯泉灣潮汐類型指標(biāo)為 0.4, 屬正規(guī)半日潮。 在潮汐流作用期, 海水周期性漲落, 海灘在周期性的潮汐流及沿岸流復(fù)合作用下正常沉積。 風(fēng)暴潮期間, 由于風(fēng)暴波能的巨大傳播速度, 將海水涌向?yàn)I岸, 并形成潮面的巨升。 風(fēng)暴流是臺(tái)風(fēng)作用下發(fā)生的, 它一方面可以形成百米甚至數(shù)百千米的湍流, 另一方面較強(qiáng)的風(fēng)暴浪作用可把沉積物擾起[1]。2011年以來(lái),“海灘沉積”大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目組先后4次赴青島匯泉灣開展野外工作,其中,2011年8月15—17日是臺(tái)風(fēng)“梅花”[2]剛剛過(guò)去半個(gè)月,風(fēng)暴改造的痕跡仍然清晰保留；2015年4月18—22日則是在距臺(tái)風(fēng)“蘇拉”已經(jīng)過(guò)去32個(gè)月。兩次野外工作均分別實(shí)測(cè)了三橫兩縱5條剖面及若干個(gè)垂向沙坑(圖1),分別代表了風(fēng)暴沉積環(huán)境(圖1a)與潮汐沉積環(huán)境(圖1b),2010年7月,在距離最近一次風(fēng)暴潮之后的29個(gè)月,作者也曾經(jīng)對(duì)匯泉灣海灘進(jìn)行觀察拍照(圖2a)。本文重點(diǎn)開展兩種環(huán)境下海灘沉積特征的對(duì)比研究。

1 風(fēng)暴與潮汐環(huán)境下的海灘形貌變化

風(fēng)暴與潮汐環(huán)境下的海灘形貌變化參見(jiàn)圖2。臺(tái)風(fēng)“梅花”剛剛過(guò)后半個(gè)月,在青島匯泉灣海灘高潮線附近出現(xiàn)一系列平行海岸展布的縱向?yàn)┙荹3](圖2b),而在近岬角處潮間帶則發(fā)育了一系列垂直海岸線的橫向礫脊(圖2c)。而2010年(距離上一次臺(tái)風(fēng)之后29個(gè)月)看到的縱向沙堤[3](圖2a)被風(fēng)暴潮摧毀而消失,大量粗大的礫石、粗砂被搬運(yùn)而擴(kuò)散到整個(gè)海灘上。風(fēng)暴停息之后,在正常潮汐流的控制下, 海浪作用又重新改造海灘形貌,隨著時(shí)間的推移,粗顆粒物不斷被搬運(yùn)到高潮線附近聚集。臺(tái)風(fēng)之后32個(gè)月,新的縱向沙堤(圖2d)再次呈現(xiàn)出來(lái)[4]。

圖1 匯泉灣海灘實(shí)測(cè)剖面及采樣位置示意圖

圖2 匯泉灣海灘不同時(shí)期的地貌變化

2 沉積物特征與粒度頻率曲線差異分析

在野外海灘觀察、拍照的基礎(chǔ)上布置沉積物采樣(圖1),于室內(nèi)按泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩制對(duì)樣品進(jìn)行篩分,進(jìn)行各個(gè)粒級(jí)所占比例計(jì)算,再把各個(gè)采樣點(diǎn)的每個(gè)粒級(jí)區(qū)間的頻率相加,然后除以采樣點(diǎn)數(shù),得出整體的每個(gè)粒級(jí)區(qū)間的頻率(表1),繪制出海灘整體粒度頻率曲線圖(圖3),兩條曲線均為不對(duì)稱雙峰式形態(tài)。

其中,風(fēng)暴環(huán)境沉積物的礫級(jí)顆粒含量比例最高,達(dá)36%；極粗砂和細(xì)砂含量比例也較高,均為20%左右；粗砂、中砂和極細(xì)砂的含量較低,并有少量粉砂出現(xiàn)。而潮汐環(huán)境沉積物的礫級(jí)顆粒含量比例明顯降低至25%左右；細(xì)砂含量則呈現(xiàn)最高峰,高達(dá)28%左右；海灘沙粒度整體上變細(xì),海灘質(zhì)量提高。通過(guò)對(duì)比可看出, 風(fēng)暴環(huán)境下礫-極粗砂比例比潮汐環(huán)境相對(duì)增多,而粗砂和細(xì)砂比例卻相對(duì)減少, 說(shuō)明風(fēng)暴流作用把高潮線上的礫堤破壞, 礫石和粗砂被搬運(yùn)分散到整個(gè)海灘上, 從而使它們?cè)跇悠分械谋壤龃? 風(fēng)暴停息后又有懸浮的粉砂沉積下來(lái); 而潮汐環(huán)境下水動(dòng)力比較穩(wěn)定, 主要以機(jī)械搬運(yùn)中的分選和磨圓作用為主,從而致使海灘砂細(xì)化,且分選性提高,細(xì)砂比例增加,海灘質(zhì)量變好。

表1 匯泉灣表層沉積物整體粒度頻率統(tǒng)計(jì)

Table 1 Particle size frequency statistics of surface sediment in Huiquan Beach

%

圖3 匯泉灣表層沉積物整體粒度頻率曲線

3 沉積物粒度累積概率曲線與C-M圖的差異性分析

利用沉積物粒度數(shù)據(jù)繪制概率累積曲線圖(圖4)。通過(guò)兩組曲線對(duì)比分析, 在高潮線附近的縱剖面,風(fēng)暴沉積環(huán)境下滾動(dòng)組分[5]的粒徑明顯小于潮汐環(huán)境下滾動(dòng)組分的粒徑,表明經(jīng)過(guò)潮汐作用改造,高潮線附近的細(xì)粒沉積物不斷被帶離,留下礫石和粗粒砂的跳躍組分比例增大,而粉砂的懸移組分被帶到潮下帶沉積,以致滾動(dòng)組分比例明顯增大;在橫向剖面和垂向剖面上,風(fēng)暴沉積環(huán)境下的滾動(dòng)組分段含量較高且斜率較小,而潮汐沉積環(huán)境下的滾動(dòng)組分含量相對(duì)較少,斜率相對(duì)較大,表明受風(fēng)暴影響的沉積物分選性較差,因?yàn)轱L(fēng)暴作用后使沙灘整體覆蓋著礫石和極粗砂與細(xì)砂混合;而潮汐環(huán)境下滾動(dòng)組分以及懸移組分斜率逐漸變大,分選性變好。

應(yīng)用每個(gè)樣品的C值和M值繪制C-M圖(圖5),其中C值是粒度累積曲線上顆粒含量1%處對(duì)應(yīng)的粒徑,M值是累積曲線上50 %處對(duì)應(yīng)的粒徑, 即粒度中值。C值與樣品中最粗顆粒的粒徑相當(dāng), 代表了水動(dòng)力攪動(dòng)開始搬運(yùn)的最大能量;M值是中值, 代表了水動(dòng)力的平均能量。

圖4 兩種沉積環(huán)境下概率累積曲線

圖5 兩種沉積環(huán)境下的海灘沉積物粒度C-M投影

兩種沉積環(huán)境下的海灘沉積物粒度C-M圖對(duì)比同樣發(fā)現(xiàn), 潮汐沉積環(huán)境的C-M圖C值較大, 常構(gòu)成海灘的砂壩礫石堆積物; 風(fēng)暴沉積環(huán)境的C-M投影圖中,遞變懸浮沉積物組分更明顯,而且C與M成比例地增加,而牽引流作用稍減弱。另外,從圖中可以看出,相比潮汐沉積的沉積物,風(fēng)暴形成的最細(xì)的顆粒(即粉砂級(jí)及以下的顆粒)在水中呈懸浮搬運(yùn)的規(guī)律性不如潮汐沉積物明顯, 說(shuō)明隨著

地質(zhì)營(yíng)力的減弱,滾動(dòng)組分的顆粒越小。在牽引流沉積中,C值常代表最大的地質(zhì)營(yíng)力,而風(fēng)暴沉積中C—D段基本平行于C-M基線,即此處C值與M值相應(yīng)地變化,表示在風(fēng)暴作用下,水動(dòng)力攪動(dòng)的開始搬運(yùn)的最大能量與水動(dòng)力的平均能量基本相同,而此值在潮汐作用下并不明顯。

4 重礦物組成差異性分析

經(jīng)過(guò)重礦物初步鑒定,青島匯泉灣海灘上的重礦物種類較少,主要包括磁鐵礦、綠簾石、褐鐵礦和赤鐵礦。通過(guò)對(duì)沉積物砂樣的輕重礦物分離實(shí)驗(yàn),并進(jìn)行輕、重礦物含量統(tǒng)計(jì)(表2),分析可知,在Z1縱向剖面,越遠(yuǎn)離岬角基巖,表層沉積物樣品中重礦物的含量比例越大,由于越遠(yuǎn)離岬角,細(xì)砂比例越大,沉積物受到的分選作用越明顯,越有利于重礦物的聚集;在垂向剖面中,代表風(fēng)暴沉積環(huán)境下形成的粗粒層的重礦物含量比例較潮汐沉積環(huán)境下形成的細(xì)粒層重礦物少。初步分析得出,由于風(fēng)暴沉積環(huán)境下水動(dòng)力太強(qiáng),沉積物被強(qiáng)烈攪動(dòng)而后迅速沉積下來(lái),無(wú)法較好地進(jìn)行分選;而潮汐沉積環(huán)境下,水動(dòng)力條件正常,經(jīng)過(guò)海浪的反復(fù)分選作用,重礦物得到相對(duì)聚集[6]。

5 石英顆粒表面構(gòu)造差異性分析

本文所研究的樣品均采自青島匯泉灣海灘(圖1), 首先利用濃鹽酸(HCl)、 氯化亞錫(SnCl2)、 雙氧水(H2O2)等藥品對(duì)海灘砂樣品進(jìn)行純凈處理； 然后在廣西壯族自治區(qū)有色金屬及特色材料加工省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地對(duì)石英顆粒樣品進(jìn)行掃描電鏡觀測(cè)照相, 掃描電鏡型號(hào)為S-4800，日本高新技術(shù)公司及英國(guó)牛津公司生產(chǎn)； 最后， 對(duì)石英顆粒表面特征構(gòu)造(圖6)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)(表3)。

5.1 縱向剖面石英顆粒表面構(gòu)造發(fā)育情況對(duì)比

數(shù)據(jù)對(duì)比分析(表3)發(fā)現(xiàn),縱剖面中距離岬角由近到遠(yuǎn)(TZ1-27→TZ1-56→TZ1-97),棱角狀顆粒(圖6a)和次棱角狀顆粒(圖6b)以及具有貝殼狀斷口的顆粒含量均由大到小變化,顯示磨圓度越來(lái)越高;而圓球狀顆粒和次圓球狀顆粒(圖6c)以及具有擦痕構(gòu)造顆粒(圖6d)的含量均由小到大變化，表明隨著潮汐作用時(shí)間的增加,搬運(yùn)作用和分選作用的加強(qiáng),沉積物顆粒的磨圓度越來(lái)越好，相對(duì)而言,具有裂紋(圖6e)、大量機(jī)械撞擊坑(圖6f)等顆粒表面構(gòu)造的含量占比則出現(xiàn)無(wú)規(guī)律變化,這可能是風(fēng)暴作用影響的結(jié)果。

5.2 垂向剖面石英顆粒表面構(gòu)造發(fā)育情況對(duì)比

觀察發(fā)現(xiàn),相對(duì)遠(yuǎn)離岬角的垂向剖面中存在明顯的粗細(xì)分層,粗顆粒層代表風(fēng)暴沉積環(huán)境下形成的,而細(xì)顆粒層則是在潮汐沉積環(huán)境下形成。采用分層采樣并對(duì)比分析(表3)發(fā)現(xiàn)：整體上,細(xì)顆粒層樣品中圓球狀顆粒、次圓球狀顆粒含量均比粗顆粒層中相應(yīng)形態(tài)顆粒含量高,而次棱角狀顆粒、棱角狀顆粒含量均低于粗顆粒層樣品； 同時(shí),細(xì)顆粒層樣品中具有擦痕構(gòu)造、裂紋構(gòu)造及大量機(jī)械撞擊坑的顆粒含量均低于粗顆粒層,同樣說(shuō)明,在風(fēng)暴沉積環(huán)境下,由于強(qiáng)大的風(fēng)暴流作用,水動(dòng)力明顯增大,造成粗顆粒層樣品中的次棱角狀、棱角狀顆粒,具有裂紋構(gòu)造、擦痕構(gòu)造顆粒以及具有大量機(jī)械撞擊坑的顆粒比例明顯多于潮汐沉積環(huán)境下形成的細(xì)顆粒層樣品,這是風(fēng)暴流影響下顆粒相互撞擊作用的結(jié)果;而代表潮汐作用環(huán)境下的細(xì)顆粒層樣品,圓球狀、次圓球狀顆粒含量高于受風(fēng)暴作用影響的樣品,這是長(zhǎng)期潮汐-海浪反復(fù)沖刷磨蝕作用的結(jié)果[6],也是潮汐-海浪的水動(dòng)力條件相對(duì)較穩(wěn)定的反映。

表2 輕重礦物分選及重礦物含量統(tǒng)計(jì)

注:Z1表示縱向剖面,其中27離基巖較近,56、70逐漸相對(duì)較遠(yuǎn);C、TC表示垂向剖面,C1、C7系2011年采的樣，TC1、TC3 系2015年采的樣;粗表示垂向剖面中的粗砂層,細(xì)表示垂向剖面中的細(xì)砂層。

圖6 石英顆粒表面構(gòu)造特征

表3 石英顆粒表面構(gòu)造特征類型統(tǒng)計(jì)

Table3Structuralcharacteristictypesofquartzsurface

%

注:TZ、TC均采自2015年4月,風(fēng)暴過(guò)去32個(gè)月,代表潮汐環(huán)境;C采自2011年,風(fēng)暴剛剛過(guò)去半個(gè)月,代表風(fēng)暴環(huán)境;“粗”代表垂向剖面中的粗顆粒層,“細(xì)”代表樣品采自細(xì)顆粒層。

6 結(jié) 論

(1)風(fēng)暴潮來(lái)臨,海平面明顯升高,整個(gè)海灘被淹沒(méi),風(fēng)暴浪的巨大能量,使海岸遭到強(qiáng)烈侵蝕,打破潮汐環(huán)境下海灘原有的平衡,礫石和粗砂被擴(kuò)散到整個(gè)海灘,風(fēng)暴流造成沙粒之間摩擦碰撞作用大幅度增強(qiáng),棱角狀和次棱角狀顆粒的比例增高,石英顆粒的各類表面構(gòu)造發(fā)育,重礦物比例降低。

(2)風(fēng)暴過(guò)后,海灘沉積物形貌被潮汐-海浪作用不斷再改造,在海浪反復(fù)沖洗下,石英顆粒磨圓度和分選性越來(lái)越好,表面構(gòu)造被磨蝕掉而趨于簡(jiǎn)單化,散亂排布的沉積物也呈規(guī)律性重新排布,顯示匯泉灣沙灘在整體上呈現(xiàn)自我恢復(fù)的趨勢(shì)。

(3)在潮汐-海浪的長(zhǎng)期作用下,粗顆粒物不斷向高潮線附近聚集,逐步形成縱向礫堤,風(fēng)暴潮摧毀原有的縱向礫堤,并生成橫向礫脊,隨后的潮汐流又進(jìn)一步塑造，形成縱向?yàn)┙?最終與沿岸流共同作用,粗顆粒逐步聚集形成縱向礫灘,天長(zhǎng)日久,最后生成新的縱向礫堤[3]。

致謝: 本文是前期多個(gè)大學(xué)生科技項(xiàng)目成果的積累,陳雪峰、孫積悅、王瀟瀟、王然、趙霞等同學(xué)參與了室內(nèi)外研究工作,室內(nèi)工作得到了朱文鳳、劉瑩紅、劉奕志、邵亞、楊峰、吳杰等老師的熱心幫助與指導(dǎo),提供了相關(guān)儀器、實(shí)驗(yàn)工具以及實(shí)驗(yàn)室，在此一并表示衷心感謝!

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Comparison on characteristics of beach surface sediments after storm and tide —A case study of Huiquan Bay in Qingdao

SUN Juan-juan,WEI Long-ming,MAO Xin-ru,LI Xin,SUN Ming-xing,LI Jia-cai,ZHANG Jing,CAI Xing-lan

(a.College of Earth Sciences;b.Key Laboratory of Guangxi Nonfewous and Precious Metal Deposits, Guilin University of Technology, Guilin 541004,China)

The study focused on different characteristics of beach surface sediments under the storm in 2011 and tide in 2015 from Huiquan Bay. Screening and particle size analyses were done after 2 field observations. The experiments of light/heavy mineral sorting，SEM observation，statistics of particle size frequency andC-Mprojection diagrams of sediments were done after tide/storm. It’s found that the sands of beach were shaped into lateral gravel ridges. The roundness and sorting of sand are poor. The higher proportion of gravel and coarse sand, the better formation of surface of quartz grains after storm. In tidal environment，gravels and coarse sands were accumulated at high tide line and shaped into longitudinal sand dikes. The roundness and sorting of sediments are better. The more proportion of heavy mineral，the simpler surface structure of quartz particles. The evolutionary relationships of beach morphology in two sedimentary environments are revealed. It is proposed that the sedimentary in storm is fast, but the beach sands are flushed repeatedly in tidal environment. The morphology of beach is evolving constantly and stabilized eventually. Key words: beach; sediment; storm; tide; difference

1674-9057(2015)04-0817-06

10.3969/j.issn.1674-9057.2015.04.021

2015-05-26

國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510596040);廣西大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(2012DXCX004);“基礎(chǔ)地質(zhì)”國(guó)家教學(xué)示范中心立項(xiàng)項(xiàng)目；廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心項(xiàng)目

孫娟娟(1995—),女,地質(zhì)工程專業(yè),1377209513@qq.com。

韋龍明,博士,教授,963966515@qq.com。

孫娟娟,韋龍明,毛欣茹,等.風(fēng)暴與潮汐環(huán)境下的海灘表層沉積物特征對(duì)比——以青島匯泉灣海灘為例[J].桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015,35(4):817-822.

P736.21

A