日照近海表層沉積物粒度特征與沉積環(huán)境*

宋紅瑛, 劉金慶,2,3, 印　萍, 王松濤, 吳　振, 衣偉虹

(1.中國海洋大學海洋地球科學學院， 山東 青島 266100； 2.國土資源部海洋油氣資源與環(huán)境地質重點實驗室， 山東 青島 266071；

3.青島海洋地質研究所， 山東 青島 266071； 4.山東省第四地質礦產勘查院， 山東 濰坊 261021)

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日照近海表層沉積物粒度特征與沉積環(huán)境*

宋紅瑛1, 劉金慶1,2,3, 印萍2,3**, 王松濤4, 吳振4, 衣偉虹4

(1.中國海洋大學海洋地球科學學院， 山東 青島 266100； 2.國土資源部海洋油氣資源與環(huán)境地質重點實驗室， 山東 青島 266071；

3.青島海洋地質研究所， 山東 青島 266071； 4.山東省第四地質礦產勘查院， 山東 濰坊 261021)

摘要：對日照近海50個表層沉積物樣品進行粒度計算、多元統(tǒng)計分析和沉積環(huán)境動力分區(qū)，結果表明研究區(qū)沉積物類型復雜，從泥質砂質礫到泥均有分布，共11種類型。沉積物粒度組成以砂和粉砂為主，砂含量占絕對優(yōu)勢，多以細砂形式存在。日照港和嵐山港附近的沉積物粒徑細，分選較差，負偏，峰態(tài)平坦，其它區(qū)域總體上粒徑粗，分選差，正偏，峰態(tài)尖銳。研究區(qū)分為3個不同的沉積環(huán)境區(qū)。1區(qū)分布在傅疃河口近岸，為河口強動力沉積區(qū)；2區(qū)分布在東部15～20 m水深區(qū)域，為潮流沉積和殘留沉積混合作用區(qū)；3區(qū)分布在日照港和嵐山港附近海域，為潮下低能沉積區(qū)。

關鍵詞：粒度分析； 多元統(tǒng)計； 沉積環(huán)境； 日照近海

SONG Hong-Ying， LIU Jin-Qing， YIN Ping, et al. Grain size characteristics of the surface sediment and sedimentary environment in Rizhao offshore[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(3)： 96-104.

粒度參數(shù)作為沉積學研究的一個重要指標，廣泛應用于海洋、湖泊、河流等沉積環(huán)境的研究中，用于判斷沉積物的來源、水動力條件和運移趨勢等。沉積物的粒度特征及其類型分布主要受物源和沉積環(huán)境等兩方面因素的控制，其中沉積環(huán)境又包括水動力條件、地貌環(huán)境、海平面變化等諸多因素[1-5]。近岸海域由于受到河流徑流、沿岸流、波浪和潮汐等綜合作用的影響，水動力條件往往復雜，沉積物類型多樣。近些年來，多元統(tǒng)計分析作為多個變量(或多個因素)之間相互關聯(lián)的規(guī)律性統(tǒng)計方法，尤其是聚類分析和因子分析在海洋沉積物粒度[6]、地球化學[7]、礦物[8]、污染物[9]等空間分布的研究中得到廣泛應用。以往對日照地區(qū)開展的工作主要集中在海岸地貌類型[10]、潮流特征[11]、沉積物重礦物分布[12]、岸灘侵蝕監(jiān)測[13]和港口沖淤模擬[14]等方面，針對日照近岸海域沉積物粒度特征與沉積環(huán)境的研究較少。本文利用從日照近岸海域采集的50個表層沉積物樣品進行粒度分析和粒度參數(shù)的計算，利用多元統(tǒng)計分析和沉積環(huán)境動力分區(qū)，分析表層沉積物粒度組成與分布特征，探討該海域的沉積環(huán)境。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東南部的日照海岸帶地區(qū)，岸線以砂質海岸為主。入海河流有兩城河、傅疃河、濤雒河、巨峰河、龍王河和繡針河，均是山溪性河流，其中傅疃河是本區(qū)最大河流，主流長51.5 km，流域面積1 060 km2。河流兩側發(fā)育較小的帶狀沖積平原，河口處水深5 m以內具有小規(guī)模的水下三角洲，水深15 m以內為坡度較緩的水下淺灘，水深15m以外為平緩的海底沖蝕平原[15]。

日照海域潮汐特征為正規(guī)半日潮，潮流方向為SW-NE向，以SW向漲潮流占優(yōu)勢，漲落潮流均與海岸方向平行[16]。海底近岸泥沙由北向南運移，泥沙主要來源為沿岸河流入海物質和沿岸沖刷物[12]。

2材料與方法

2012年10月，青島海洋地質研究所在研究區(qū)近岸海域使用箱式取樣器采集了50個表層沉積物樣品，樣品站位間距為5 km×5 km，在中段近岸區(qū)按2.5 km×5 km加密部署采集。具體位置見圖1。此外，在日照港和嵐山港附近收集了部分站位(來自項目組內部交流的環(huán)評報告)。

沉積物粒度分析測試由國土資源部海洋地質實驗檢測中心完成。取原始樣品10～20 g，經雙氧水和稀鹽酸浸泡處理，除掉有機質和碳酸鹽，然后洗鹽，用六偏磷酸鈉溶液分散后，根據(jù)規(guī)范要求分別選用不同的方法進行測試。激光法采用英國馬爾文(MLVERN)公司生產的Mastersizer-2000型激光粒度分析儀(測量范圍為0.02～2 000 μm，偏差<1%，重現(xiàn)性φ50<1%)進行粒度測試。平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)和峰態(tài)等粒度參數(shù)的計算和等級劃分均采用Folk等提出的方法[17]。采用多元統(tǒng)計分析R型、Q型聚類法對沉積物進行分類，并利用因子分析法來研究沉積物的空間分布差異[6]。其中，R型聚類分析是對變量(粒級含量)進行分類處理，Q型聚類分析是對樣本(樣品)進行分類處理，R型因子分析是對多個變量進行降維處理后提取公共因子。沉積環(huán)境的判別采用Flemming三角圖分類法[18-19]。

3分析結果

3.1 沉積物類型和粒度特征

3.1.1 表層沉積物類型研究區(qū)沉積物可劃分為11種類型：泥質砂質礫、泥質礫、礫質泥質砂、含礫砂、含礫泥質砂、泥質砂、砂、礫質泥、含礫泥、砂質泥和泥(見圖1)。

(+為收集的站位。“+”: The collected stations.)

礫質泥質砂和含礫泥質砂分布最廣，在研究區(qū)西部、中部和東部海域均有大片分布，占整個研究區(qū)面積的60%以上。近岸的礫質泥質砂呈現(xiàn)多峰曲線特點(見圖2(a))，曲線尖銳，多個峰值在-3～3φ均有出現(xiàn)，表明沉積動力較強，以滾動和跳躍組分為主；東部離岸較遠的礫質泥質砂多呈現(xiàn)雙峰(見圖2(b))，代表了多種物源的混合。含礫泥質砂也呈現(xiàn)雙峰和多峰特征(見圖2(c))?？傮w上，兩種沉積物類型由陸向海具有一定的分布規(guī)律。近岸以中粗砂為主，向海沉積物顆粒變細，以細砂為主，但在東部20 m水深地區(qū)出現(xiàn)大量鈣質結核，為殘留沉積的標志[20]。

在日照港和嵐山港附近，沉積了含礫泥、砂質泥和泥等細粒物質，沉積動力較弱，以懸浮組分為主。含礫泥和砂質泥多為雙峰(見圖2(d)，圖2(e))，泥多為平滑的單峰(見圖2(f))。其它類型分布范圍較小。

圖2　表層沉積物粒度頻率曲線

3.1.2 粒度參數(shù)與粒度組分分布特征沉積物粒度參數(shù)是描述沉積環(huán)境的重要依據(jù)之一，利用沉積物的粒度參數(shù)分布特征可以識別出沉積環(huán)境或判定物質運動的方式[21]。平均粒徑代表沉積物粒度分布總的趨勢，能夠反映沉積介質的平均動能[22]。分選系數(shù)指示了沉積物粒度的分選程度，即顆粒大小的均勻性，與沉積環(huán)境的水動力條件密切相關[23]。峰態(tài)是度量粒度分布的中部和尾部展形之比，是衡量分布曲線的峰凸程度[24]。偏態(tài)可敏感地反映粒度分布兩端的微量變化，是判斷沉積環(huán)境的重要參數(shù)[25]。

研究區(qū)平均粒徑為-0.81～7.13φ，平均值為3.56φ，多以細砂組分(2～4φ)為主。研究區(qū)西部近岸、中部和東南部區(qū)域，平均粒徑小于2φ與泥質砂質礫、含礫泥質砂和礫質泥質砂等類型對應，說明沉積動力較強。日照港北部和嵐山港東部，平均粒徑大于4φ，對應含礫泥、砂質泥和泥等，屬弱動力沉積環(huán)境(見圖3a)。分選系數(shù)在0.63～4.08之間，平均值為2.55，變化范圍較大。大部分區(qū)域在2～4之間，說明沉積物分選差(見圖3b)。峰態(tài)值范圍為0.70～3.64，平均值為1.36，大部分區(qū)域在1.1～1.6之間，說明粒度頻率曲線尖銳(見圖3c)。偏度變化范圍為-0.30～0.76，平均值為0.28，大部分區(qū)域偏度大于0.1，屬正偏(見圖3d)。

研究區(qū)礫石的高值區(qū)主要出現(xiàn)在研究區(qū)東部和東南部，含量可達30%以上。日照石臼咀附近礫石含量也較高，其它區(qū)域含量較低(見圖3e)。砂的高值區(qū)主要分布在研究區(qū)西部的河口近岸區(qū)，砂含量一般在50%以上，最高可達到80%～90%。低值區(qū)主要出現(xiàn)在日照港東北部和嵐山港東部的近岸區(qū)域，砂含量一般在30%以下(見圖3f)。粉砂含量的分布與砂含量的分布趨勢相反。在日照港東北部和嵐山港東部近岸區(qū)，粉砂含量在50%以上，最高可達60%～70%。其它區(qū)域含量普遍較低(見圖3g)。黏土含量總體較低，平均含量在10%左右。與粉砂的分布趨勢相似(見圖3h)。

圖3　粒度參數(shù)與粒度組分的分布

3.2 多元統(tǒng)計分析

3.2.1 聚類分析對研究區(qū)50個表層沉積物樣品的15個粒級進行聚類分析(見圖4)，由R型聚類分析可獲得3群結果：第一群由>4φ的粒級組成，代表粒度組成的最細部分；第2群由2～4φ的粒級組成，代表了粒度組成的中間部分；第3群由-2～2φ和<-2φ的粒級組成，代表粒度組成的最粗部分。

圖4　R型聚類分析譜系圖

按Q型聚類分析，可將研究區(qū)分為3個粒度沉積區(qū)(見圖5a)，各分區(qū)粒度特征明顯不同(見表1)。1類沉積物分布在傅疃河口近岸區(qū)，主要底質類型為砂、含礫泥質砂和礫質泥質砂，粒徑較粗，以中粗砂組分為主，砂含量平均值為79.19%，高于2、3類，礫石含量中等，粉砂和黏土含量較低，平均值分別為5.42%、12.06%和6.90%，沉積物總體分選差，多數(shù)正偏，粒度頻率曲線很尖銳；2類沉積物除個別站位(RZB48)外均分布在研究區(qū)東部15～20 m水深區(qū)域，底質類型為含礫泥質砂、礫質泥質砂和泥質砂質礫，含大量鈣質結核，個別站位礫石含量達60%以上，砂含量相對1類有所減少，以細砂組分為主，粉砂和黏土含量略有增加，分選差，正偏為主，曲線尖銳；3類沉積物主要分布在研究區(qū)南北兩側的港口附近區(qū)域，對應含礫泥、砂質泥和泥等細顆粒沉積，幾乎不含礫石，砂含量很低，黏土和粉砂含量最高，后兩者的平均含量分別為56.78%和21.73%，沉積物分選較差，多數(shù)負偏或近對稱，曲線平坦。

3.2.2 因子分析R型因子分析獲得了3個主控因子，其累計特征值比例達80.82%，因子1為主導因子，其特征值比例為50.93%，因子2和3的特征值比例分別為16.66%和13.23%(見表2)。最大方差旋轉因子載荷顯示旋轉后的各因子反映的粒度變化特征清晰(見圖6)。因子1主要由>4φ的正載荷和1～2φ的負載荷組成，正因子得分較高的區(qū)域分布在研究區(qū)南北兩側港口附近，主要是懸浮體組分，水動力較弱，負因子得分較高的區(qū)域分布在巨峰河—龍王河近岸和研究區(qū)中部，主要是滾動或跳躍組分，水動力較強；因子2主要由-2～1φ正載荷和2～4φ的負載荷組成，正因子得分較高的區(qū)域主要分布在傅疃河河口近岸區(qū)，物源主要來自河流輸沙，以滾動組分為主，水動力強，負因子得分較高的區(qū)域分布在研究區(qū)東部，以跳躍組分為主，水動力也較強；因子3主要由<-2φ的正載荷組成，正因子得分在東部和東南部較高，主要是礫質泥質砂等粗顆粒為主，代表殘留沉積。

3.3 沉積動力分區(qū)

根據(jù)Flemming的沉積物三角分類方案，將日照近海沉積物粒度數(shù)據(jù)投到三角圖中(見圖5b)。絕大多數(shù)數(shù)據(jù)點均分布在Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ區(qū)，這說明研究區(qū)的水動力條件總體上較強，但不同的亞沉積環(huán)境存在差異(見圖5a)。Ⅰ區(qū)沉積物主要分布在傅疃河口近岸到15 m水深范圍內，河流入海匯流、沿岸流和波浪作用強烈，水動力最強，以粗顆粒的砂質沉積為主。Ⅱ區(qū)沉積物主要位于Ⅰ區(qū)外緣，河口區(qū)及東部15~20 m水深區(qū)域均有分布，范圍較大，水動力較強，以砂為主，在東部出現(xiàn)較多的鈣質結核礫石，為典型的殘留沉積。Ⅲ區(qū)沉積物主要分布在遠離河口匯流區(qū)的南北兩側近岸區(qū)域，水動力條件較Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)弱的多，以泥和砂質泥等細顆粒物質為主。

4討論

沉積物受物源、地形地貌、波浪、潮流等綜合作用的影響顯著。根據(jù)研究區(qū)沉積物類型、粒度組分、粒度參數(shù)分布特征、粒度多元統(tǒng)計以及沉積環(huán)境動力分區(qū)，總體上可大致劃分為3個沉積區(qū)：河口強動力沉積區(qū)；現(xiàn)代沉積和殘留沉積混合區(qū)；潮下低能沉積區(qū)。不同的沉積區(qū)在沉積環(huán)境和物源上具有明顯的空間分異特征。

河口強動力沉積區(qū)主要位于河口近岸到水深15 m范圍內，地貌類型為河口三角洲和水下淺灘。根據(jù)日照石臼港海洋站水文觀測資料[16]，海域常浪向為E向，頻率為18%，次浪向為SEE、SE向，頻率為12%，強浪向為SE向，最大波高5.7 m，次強浪向SSE，最大波高4.6 m。海岸總體呈NNE-SSW向，岸線方向均面對常浪向和強浪向，波浪橫向運動強烈，對近岸沉積物的改造起著重要作用。根據(jù)泥沙起動速度公式[26]，大致估算出海域18 cm/s的潮流流速足以起動粒徑小于0.16 mm(大于2.6Φ)的細顆粒物質。而日照海域大潮漲潮流速介于7~81 cm/s，落潮流速介于6~70 cm/s，因此NE-SW向的潮流既可輸沙也可掀沙。在波流綜合作用下，來自河流的入海物質可進一步發(fā)生再懸浮，大部分細顆粒物質被潮流帶往它處，剩下粗顆粒物質就地沉積[19]。R型因子分析中因子1中的負因子和因子2中的正因子得分較高，代表了該區(qū)中粗砂和礫石等粗顆粒物質，符合較強的海洋動力背景。這也與Flemming的沉積環(huán)境動力Ⅰ區(qū)比較一致。

表1　Q型聚類分析各類粒度組成和粒度參數(shù)

Note：①Gravel；②Sand；③Silt；④Clay；⑤Mean grain size；⑥Median grain size；⑦Sorting coefficien；⑧Skewness coefficient；⑨Kurtosis coefficient

表2　最大方差旋轉因子載荷

潮流沉積和殘留沉積混合區(qū)主要位于水深15 m以外的海底沖蝕平原。一般情況下，潮流流速不足以起動粗顆粒的沉積物，但可將細顆粒物質沖刷帶走，造成沉積物粗細不一，分選差。根據(jù)淺地層剖面和水深測量成果，發(fā)現(xiàn)該區(qū)存在兩條規(guī)模較大的沖蝕溝槽，分別沿NE和NNE軸向延伸，也說明了該區(qū)NE-SW向的潮流改造能力。因子2中負因子得分較高，代表了該區(qū)細砂粒級跳躍組分?？傮w沉積水動力條件較強，絕大部分沉積物落在沉積環(huán)境動力Ⅱ區(qū)。

潮下低能沉積區(qū)該區(qū)物質以懸浮體組分為主，由于突堤、岬角、港池以及航道等阻擋作用，水動力較弱，從北向南輸運的細顆粒物質便在港區(qū)附近沉積下來。因子1中正因子得分較高，代表了該區(qū)細顆粒泥質沉積物，該區(qū)物質以懸浮體組分為主，由于突堤、岬角、港池以及航道等阻擋作用，水動力較弱，從北向南輸運的細顆粒物質便在港區(qū)附近沉積下來。因子1中正因子指示了較弱的動力條件。把該區(qū)沉積物歸屬于沉積動力Ⅲ區(qū)也符合該區(qū)較弱的動力背景特點。

圖5　Q型聚類分區(qū)和沉積動力分區(qū)

圖6　表層沉積物因子得分分布圖

5結論

(1)表層沉積物粒度組成以砂和粉砂為主，砂含量占絕對優(yōu)勢，多以細砂存在?？傮w上，沉積物粒度參數(shù)和粒度組分具有一定的對應性。研究區(qū)南北兩側的港口附近，粒徑細，分選較差，負偏，峰態(tài)平坦。其它區(qū)域粒徑粗，分選差，正偏，峰態(tài)尖銳。

(2)多元統(tǒng)計分析和Flemming沉積環(huán)境動力分區(qū)，可將研究區(qū)分為3個不同的沉積環(huán)境亞區(qū)：Ⅰ區(qū)為河口強動力沉積區(qū)，位于傅疃河口近岸到15m水深范圍內，徑流、波浪、潮流作用強烈；Ⅱ區(qū)位于15 m水深以外的海底沖蝕平原，為潮流沉積和殘留沉積混合作用區(qū)，海底沖刷較強；Ⅲ區(qū)位于日照港和嵐山港附近，為海洋動力較弱的細粒沉積區(qū)。

致謝：郭建衛(wèi)高工、田會波博士協(xié)助野外取樣，劉杰博士和權永崢工程師在粒度參數(shù)計算中給予了幫助，陳小英高工和兩位審稿人對本文提出了很多寶貴意見，在此一并致謝。

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責任編輯徐環(huán)

Grain Size Characteristics of the Surface Sediment and

Sedimentary Environment in Rizhao Offshore

SONG Hong-Ying1，LIU Jin-Qing1,2,3，YIN Ping2,3，WANG Song-Tao4，WU Zhen4，YI Wei-Hong4

(1.College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China;2.The Ley Laboratory of Marine Hydrocarbon Resources and Environmental Geology,Ministry of Land and Resources, Qingdao 266071, China; 3.Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao 266071, China;4.Shandong Provincial NO. 4 Institute of Geological and Mineral Survey，Weifang 261021, China)

Abstract:50 surface sediment samples were studied by Grain size calculation, multivariate statistical analysis and sedimentary dynamic classification, which were collected from the Rizhao offshore area. The grain size results show that the sediments types in the study area are complex, and there are 11 types of sediments distributed from gravel to clay. Among them, the sand and silt are dominant components, of which contents are up to 49.50%. The sand is accounted for an absolute advantage, mostly exist in the form of fine sand. The sediments near the Rizhao and Lanshan port with finer sizes are poorly sorted with negative skewness and flaty kurtosis, and the other sediments with coarser sizes are poorly sorted with positive skewness and sharp kurtosis. R-type cluster analysis shows that there are three clusters. The first cluster is composed of the sediments of more than 4φ, the second cluster consists of the sediments of 2～4φ, and the third cluster is composed of the sediments of less than 2φ. The study area can be partitioned into three divisions by Q-type cluster analysis which correspond with sedimentary dynamic classification. The fisrt zone located in Futuan estuarine modern depositional region with intense hydrodynamics, is a strong power sedimentary area in the estuary. The second area is a tidal sedimentary and residual sediment mixing zone in the 15 ~ 20m depth of eastern region. The third region near the Rizhao and Lanshan port where have weak hydrodynamic conditions, is a low-energy subtidal deposition area.

Key words:grain size; multivariate statistics; sedimentary environment; Rizhao offshore

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20140413

中圖法分類號：P736.21

文獻標志碼：A

文章編號：1672-5174(2016)03-096-09

作者簡介：宋紅瑛(1986-)，女，博士生。E-mail: songhongying629@163.com**通訊作者：E-mail: pingyin@fio.org.cn

收稿日期：2014-12-18；

修訂日期：2015-02-02

*基金項目：科技部基礎性專項(2013FY112200)；海洋地質調查專項(GZH201100203)；山東地勘專項(201129)資助

引用格式：宋紅瑛, 劉金慶, 印萍， 等. 日照近海表層沉積物粒度特征與沉積環(huán)境[J]. 中國海洋大學學報(自然科學版)， 2016, 46(3)： 96-104.

Supported by Basic Fund of Ministry of Science and Technology (2013FY112200)；Marine Geology Survey Project (GZH201100203)；Geologic Exploration Project of Shandong Province (201129)