煙臺芝罘灣底質(zhì)沉積物粒度特征和沉積動力環(huán)境研究

湯世凱，于劍峰，李金鵬，趙輝，王偉，扈勝濤，李鵬程

(1.山東省海洋地質(zhì)勘查院,山東 煙臺 264004；2.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東 煙臺 264004)

0 引言

海底沉積物是水動力條件、物質(zhì)來源和生物活動等多因素共同作用的結(jié)果。通過研究分析沉積物的粒度特征，能夠合理地推測出沉積水動力環(huán)境、沉積物運移趨勢和物質(zhì)來源等信息，前人在河口海岸等區(qū)域開展過大量的研究并取得一定成果[1-4]。在芝罘灣及鄰近海域，前人的研究內(nèi)容多側(cè)重于沉積物重金屬污染、地質(zhì)環(huán)境等[5-8]，沉積物粒度及相關方面的研究相對較少，精度較低[9-10]，且未能進一步探索區(qū)域水動力條件和運移趨勢等。

該次工作充分利用芝罘灣海域的底質(zhì)沉積物樣品，進行粒級組分測試，劃分沉積物類型，計算粒度相關參數(shù)，分析討論芝罘灣海域沉積物運移趨勢、物質(zhì)來源和水動力條件。

1 海洋水文概況

芝罘灣海域位于膠東半島東北部，受海洋調(diào)節(jié)顯著，海洋性氣候特點表現(xiàn)突出，年主導風向春夏季為南風和偏南風，冬季為北風和偏北風。芝罘島東為套子灣(又稱芝罘西灣)，西為芝罘灣。套子灣海區(qū)強浪向為NE向，次強浪向為NNE，NNW和NE向；常浪向為NW向，次常浪向為NNE向。潮汐屬于規(guī)則半日潮，潮流為不規(guī)則的全日潮流，潮流的運動形式以NE—SE向為主。芝罘灣海區(qū)灣外常浪向為NW，N和NNW向，強浪向為N向，次強浪向為NNE向。灣內(nèi)常浪為NW向，強波為NNE向。潮汐屬于規(guī)則半日潮，潮流為規(guī)則全日潮流和不規(guī)則全日潮流，潮流的運動形式以NE—SE向為主。匯入海域的河流主要為夾河、辛安河、魚鳥河、沁水河等。海底地貌受河流與海水的共同影響，由灣頂至灣口依次形成沙洲淺灘、水下岸坡和淺海平原。

2 樣品來源及分析

為開展芝罘灣海岸帶水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查工作，在芝罘灣海域采取了110個底質(zhì)沉積物樣品，樣品所處水深<30m等深線。受海水深度以及養(yǎng)殖區(qū)的影響，樣品全部利用漁船、蚌式采樣器完成。取樣位置如圖1所示，采樣間距東西平均為2km，南北平均為4km。采樣過程中先進行水深測試，然后再進行表層取樣，取樣后樣品迅速裝入塑料樣品袋中，排氣密封，盡量保持原始狀態(tài)，以備實驗室測試分析。

1—取樣點位置；2—等深線；3—地理位置圖1 底質(zhì)沉積物取樣位置

沉積物粒度分析采用Winner2008激光粒度分析儀(濟南微納顆粒儀器股份有限公司生產(chǎn))，誤差為0.01%。處理流程如下：首先將取回來的樣品置于玻璃杯中，加純凈水和0.5mol/dm3的六偏磷酸鈉，浸泡24h，并每隔8h輕輕攪拌1次，使樣品充分分散；然后將浸泡樣品倒入激光樣品槽中，加超聲振動、加高速離心，使樣品再次充分分散；最后測定粒級質(zhì)量分數(shù)，分析結(jié)果誤差小于3%。分析測試標準依據(jù)國家海洋調(diào)查規(guī)范執(zhí)行[11]。

粒度分析采用Udden-Wentworth等比制Φ值粒級標準及其術語[12]，沉積物分類和命名采用Folk等人的分類命名圖解[13]，粒度參數(shù)(平均粒徑、分選系數(shù)、偏度、峰度)計算采用Folk-Ward法[14]。對所取得的粒度參數(shù)，用粒度參數(shù)分級進行定性分類描述(表1)。

3 結(jié)果

3.1 沉積物類型及分布

根據(jù)110個底質(zhì)沉積物樣品測試結(jié)果，總結(jié)底質(zhì)沉積物類型組分特征(表2)和分布(圖2、圖3)。芝罘灣海域底質(zhì)沉積物類型共有礫質(zhì)砂、砂、粉砂質(zhì)砂、泥質(zhì)砂、粉砂、砂質(zhì)粉砂、泥和砂質(zhì)泥8種。其中砂質(zhì)泥、砂質(zhì)粉砂、粉砂和泥4種沉積物分布最廣泛，另外4種沉積物小面積零星分布。

表1 底質(zhì)沉積物粒度參數(shù)分級[14]

砂質(zhì)泥：該類樣品占總樣品數(shù)量的18.18%，主要分布于套子灣頂、芝罘灣外10～20m等深線的海域。粒級組分中砂含量范圍13.77%～40.94%，平均含量為24.03%；粉砂含量范圍37.28%～55.09%，平均含量為46.94%；黏土含量范圍21.75%～38.63%，平均含量為29.03%。

砂質(zhì)粉砂：該類樣品占總樣品數(shù)量的37.27%，是研究區(qū)分布最廣泛的沉積物，大面積分布于芝罘灣<20m等深線海域，部分樣品分布于套子灣10～20m等深線的海域。粒級組分中砂含量范圍10.53%～41.66%，平均含量為23.64%；粉砂含量范圍43.27%～69.67%，平均含量為55.51%；黏土含量范圍10.55%～28.39%，平均含量為20.85%。

粉砂：該類樣品占總樣品數(shù)量的11.82%，主要分布于芝罘灣外>20m等深線的海域。粒級組分中砂含量范圍1.66%～9.68%，平均含量為5.70%；粉砂含量范圍60.58%～69.48%，平均含量為65.30%；黏土含量范圍24.00%～31.24%，平均含量為28.99%。

泥：該類樣品占總樣品數(shù)量的23.64%，分布于芝罘灣外>20m等深線的海域。粒級組分中砂含量范圍0.55%～9.21%，平均含量為3.73%；粉砂含量范圍54.23%～64.27%，平均含量為59.83%；黏土含量范圍32.12%～44.33%，平均含量為36.44%。

從圖3可以看出，區(qū)內(nèi)的沉積物類型分布具有明顯的分帶性：套子灣海域，從灣頂向灣口方向，沉積物類型依次為礫質(zhì)砂、砂質(zhì)泥、砂和砂質(zhì)粉砂。芝罘灣海域沉積物類型由南向北依次為砂、砂質(zhì)粉砂、砂質(zhì)泥(粉砂)、泥。這種沉積規(guī)律反映了底質(zhì)沉積物從近岸向海域，粒度逐漸變細的特征。

3.2 沉積物粒度參數(shù)特征

為了獲得沉積物粒度參數(shù)特征，該文利用GRADISTAT粒度數(shù)據(jù)處理軟件和Sufer軟件，對該次110個粒度數(shù)據(jù)進行處理，并選取8種沉積物典型樣品做粒徑頻率曲線和粒徑概率累計曲線圖，結(jié)果見表2、圖4、圖5。

表2 底質(zhì)沉積物類型粒度參數(shù)及組分特征

圖2 底質(zhì)沉積物三角圖分類命名(底圖據(jù)Folk等，1970)

1—礫質(zhì)砂；2—砂；3—粉砂質(zhì)砂；4—泥質(zhì)砂；5—砂質(zhì)粉砂；6—粉砂；7—砂質(zhì)泥；8—泥圖3 底質(zhì)沉積物類型分布

從圖4的百分含量曲線中可以看出，各沉積物組分主峰值多在粒徑Φ值為5以下，且存在多個弱峰值，表明粒度組分較為復雜。概率累計曲線圖中顯示砂、礫質(zhì)砂和泥質(zhì)砂等相對較粗的沉積物曲線斜率小于泥、粉砂等沉積物曲線，直觀地反映出粗粒沉積物的分選性差。

1—泥；2—砂；3—粉砂質(zhì)砂；4—礫質(zhì)砂；5—粉砂；6—砂質(zhì)粉砂；7—泥質(zhì)砂；8—砂質(zhì)泥圖4 底質(zhì)沉積物粒徑概率曲線

(1)平均粒徑：研究區(qū)底質(zhì)沉積物的平均粒徑Φ值變化范圍為0.69～7.85，平均值為6.19(圖5a)，研究區(qū)內(nèi)由近岸向遠岸，整體呈帶狀分布，平均粒徑值逐漸增大，沉積物顆粒逐漸變細。

(2)分選系數(shù)：研究區(qū)底質(zhì)沉積物的分選系數(shù)變化范圍為0.39～3.18，平均值為2.41(圖5b)，分選系數(shù)變化較大，分選性級別屬于差，表明沉積物的主要粒級不突出。可以看到從芝罘島至崆峒島再向東南一線，是分選系數(shù)最大等值線所在的區(qū)域，表現(xiàn)為砂質(zhì)粉砂中零星見泥和砂質(zhì)泥等沉積物，由此線向兩側(cè)分選系數(shù)減小，分選性較之好轉(zhuǎn)。

(3)偏度：研究區(qū)底質(zhì)沉積物的偏度變化范圍為-0.10～0.63，平均值為0.31(圖5c)，區(qū)內(nèi)沉積物偏度類型幾乎全部為正偏—極正偏，近對稱區(qū)域極小面積零星分布，這反映了沉積物(砂、粉砂和黏土)中細粒部分的含量比粗粒部分的含量高，沉積物被改造過程中普遍趨向于細?；?。

(4)峰度：研究區(qū)底質(zhì)沉積物的峰度變化范圍為0.61～3.77，平均值為0.93(圖5d)，峰度表現(xiàn)為平坦和中等2種類型。平坦型峰度值分布于等深線高的區(qū)域，能夠和砂質(zhì)泥、粉砂和泥所分布的區(qū)域很好地對應；中等型峰度值分布于海岸線沿岸，等深線低的區(qū)域；另外尖銳型和很尖銳型峰度值在研究區(qū)內(nèi)小面積分布于套子灣近岸海域和養(yǎng)馬島附近海域。

a—平均粒徑；b—分選系數(shù)；c—偏度；d—峰度圖5 底質(zhì)沉積物粒度參數(shù)等值線分布圖

4 討論

4.1 泥沙運移趨勢分析

20世紀80年代初，McLaren[15]認為，沉積物凈搬運方向必定與粒度參數(shù)(平均粒徑、分選系數(shù)、偏度等)的某種空間變化相聯(lián)系。之后，Gao and Collins[2,4,16-18]在一維粒徑趨勢分析模型基礎上，提出了二維沉積物粒徑趨勢分析模型(GSTA)，該模型已得到廣泛的應用和驗證。

該次利用GSTA模型對研究區(qū)沉積物運移趨勢進行分析，特征距離取值為4.1km，分析結(jié)果見圖6。圖中沉積物運輸方向由矢量箭頭表示，箭頭的長度不代表運輸速率，僅表示沉積物運輸?shù)内厔輳姸取?/p>

已有研究表明[19-21]，該海域處于黃海北部半日分潮波系統(tǒng)和渤海南部半日分潮波系統(tǒng)的交界處，M2潮波從黃海向渤海傳播過程中，一部分潮波自東向西進入渤海，一部分潮波轉(zhuǎn)向，沿著山東半島沿岸自西向東傳播。西黃海沿岸流沿山東半島北岸東流，在成山頭附近轉(zhuǎn)向南或西南流動。研究區(qū)底質(zhì)沉積物運移趨勢表現(xiàn)為如下特征：

套子灣海區(qū)，芝罘島附近的泥沙、夾河的入海射流攜帶的泥沙等物質(zhì)，在NNE向波浪和NE—SW向潮流以及由西向東運動的潮波共同影響下，運移方向主要為W，SW向，即向灣內(nèi)運移；芝罘灣及以東的海域，受NW向波浪和NE—SW向潮流以及西黃海沿岸流的共同作用，泥沙運移趨勢整體表現(xiàn)為順時針方向運移(箭頭越長，沉積物運移越明顯)。由于波浪和海流的影響，崆峒島等島嶼附近的沉積物有從北側(cè)向南側(cè)(灣內(nèi))運移的趨勢。

4.2 沉積水動力環(huán)境

沉積物的粒度結(jié)構(gòu)能夠反映其沉積時的水動力強度。Pejurp從沉積物的結(jié)構(gòu)來區(qū)分水動力強度時，提出了一種判別三角圖[22]，許多學者應用該圖解對不同的沉積環(huán)境進行探討時取得了可信成果[23-24]。

將8種底質(zhì)沉積物投于該圖解中(圖7)，可以看出4種主要的沉積物：砂質(zhì)泥和砂質(zhì)粉砂投于CⅢ區(qū)，泥和粉砂投于投于DⅢ區(qū)。

圖7 沉積動力分區(qū)三角圖(底圖據(jù)Pejrup M，1988)

從Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ 4個分區(qū)來看，沉積物幾乎全部投于Ⅲ區(qū)，靠近粉砂端，和黏土端相比，沉積水動力稍強。從A，B，C，D 4個分區(qū)來看，沉積物幾乎全部投于C區(qū)和D區(qū)，從C區(qū)到D區(qū)，水動力強度逐漸減弱。在水深<20m等深線的區(qū)域內(nèi)潮流和波浪等因素的共同作用，水流能動性較強，形成相對較高能環(huán)境下的砂質(zhì)粉砂、砂質(zhì)泥沉積物，從而形成沙洲淺灘和水下岸坡海底地貌。在水深>20m等深線的海域，波浪作用減弱，甚至達不到形成大浪的條件，水動力以潮流作用為主，潮流流速隨水深遞增而明顯減小，水流能動性相較于砂質(zhì)沉積物區(qū)變?nèi)酰练e物顆粒變的更細，形成低能環(huán)境下的粉砂和泥沉積物，從而形成淺海平原海底地貌。

綜上，研究區(qū)內(nèi)沉積物類型在三角判別圖中位于下半部分和右半部分，黏土和砂兩端沉積物都很少，表明該區(qū)域的水動力條件整體較弱。

5 結(jié)論

(1)芝罘灣海域底質(zhì)沉積物類型主要有8種：礫質(zhì)砂、砂、粉砂質(zhì)砂、泥質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂、泥和砂質(zhì)泥。其中砂質(zhì)泥、砂質(zhì)粉砂、粉砂和泥分布最廣泛。

(2)從灣頂向外海方向，沉積物粒度呈帶狀分布，逐漸變細，Φ值變化較大，為0.69～7.85，平均值為6.19。受多種水動力的共同作用，沉積物分選性差，偏度以正偏—極正偏為主，峰度以平坦—中等型為主。

(3)采用Gao and Collins粒徑趨勢分析模型(GSTA)分析，研究區(qū)沉積物運移趨勢比較有規(guī)律，套子灣海區(qū)泥沙向西、西南向運移，芝罘灣及以東海區(qū)的泥沙則呈順時針方向運移。

(4)將沉積物類型投于Pejrup判別水動力三角圖中，主要沉積物類型落于CⅢ和DⅢ動力區(qū)內(nèi)，芝罘灣海域沉積水動力整體較弱，動力強度向水深方向變的更弱，這與研究區(qū)內(nèi)沉積物由灣頂向灣口方向依次為砂質(zhì)沉積物、粉砂和泥的分布相吻合。