欽州灣外灣水下地形地貌特征及沉積物來源

曹 超，吳承強(qiáng)，蔡 鋒，鄭蔚恒，盧惠泉，鮑晶晶，鄭勇玲*，涂武林

(1.自然資源部第三海洋研究所， 福建 廈門 361005； 2.福建省海洋生態(tài)保護(hù)與修復(fù)重點(diǎn)實驗室， 福建 廈門 361005；3.華東師范大學(xué)、河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實驗室， 上海 200062)

眾所周知，河口海岸作為海陸交匯地帶，是人類活動最頻繁、開發(fā)程度最高的區(qū)域[1]。其海陸相互作用來帶豐富的初級生產(chǎn)力和泥沙，在河口區(qū)形成較為復(fù)雜的海底地形地貌和潮流沉積體[2]。在對其沉積環(huán)境和沉積過程的研究中，依據(jù)沉積物粒徑組成、粒級參數(shù)及各種成因圖可以指示沉積環(huán)境特征和物質(zhì)輸運(yùn)過程[3-4]。粘土礦物可以示蹤懸浮體隨洋流的遷移變化，碎屑礦物亦可示蹤沉積物的從源到匯過程，對揭示河口沉積物來源具有重要意義[5-6]。

欽州灣地理位置優(yōu)越，具有富饒的水產(chǎn)、礦產(chǎn)、海灘、島嶼、海灣等自然資源，是人類開發(fā)利用的活躍場所。近幾年，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，港口、碼頭、石化和核電站等圍填海設(shè)施的建設(shè)大幅改變了海岸線形態(tài)，海域和灘涂面積驟減，水下地形地貌變化劇烈，給漁業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境帶來難以逆轉(zhuǎn)的損害。因此，本研究基于“我國近海海洋綜合調(diào)查與評價”測深數(shù)據(jù)，揭示欽州灣外灣水下地形地貌特征，結(jié)合沉積物碎屑礦物和粘土礦物組分特征及來源分析，探討研究區(qū)水下地形地貌成因機(jī)制，為海灣合理開發(fā)利用和生態(tài)修復(fù)保護(hù)提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

欽州灣(21°33′20″～21°54′30″N，108°28′20″～108°45′30″E)位于北部灣灣頂，由內(nèi)灣(茅尾海)和外灣(欽州灣)構(gòu)成，中間狹窄，是一個半封閉型天然海灣[7-9]，海灣面積約為380 km2，其中灘涂面積約為200 km2。隨著近幾年圍填海建設(shè)，欽州灣海域面積縮減為320 km2左右，灘涂面積也進(jìn)一步減少，進(jìn)而改變了欽州灣水文動力條件、泥沙運(yùn)移和再分配特征，致使欽州灣水下地形地貌和沉積物分布規(guī)律隨之變化。

欽州灣的地質(zhì)構(gòu)造和地貌類型均較復(fù)雜，主要受NNE向壓扭斷裂和SSE向張性斷裂的影響，形成溺谷型海灣。灣中部龍門島為界，東部多為巖岸深水水域；西面小型海灣和淺灘發(fā)育，北面茅嶺江和欽江注入茅尾海，年均徑流量約3.0×109m3，年均輸沙量約6.0×105t。河流攜沙在河口區(qū)附近沉積不斷向海推進(jìn)前展，形成大片砂質(zhì)和泥質(zhì)淺灘。龍門島南面潮流深槽與潮流沙脊相間，呈輻射狀向海展布，形成落潮流三角洲[8]。

欽州灣周圍出露的地層，主要有古生界的志留系、中生界的侏羅系、新生界的第四系。全新世中細(xì)砂、粉砂質(zhì)粘土和淤泥普遍分布[10](圖1)。

圖1 欽洲灣外灣區(qū)域構(gòu)造與地層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of regional structures and stratum structures in outer Qinzhou Bay

1.2 水下地形測量與樣品采集

1.2.1 水下地形測量 2007年3月，利用海鷹HY-1601單波束測深儀在研究區(qū)開展水深地形測量，單波束測線垂直海岸線走向布設(shè)，比例尺為1∶5 000，測線布設(shè)間距為50 m一條，檢測線垂直于主測線布設(shè)2～3條[11]，共布設(shè)主測線300 km，檢測線10 km，全面覆蓋欽州灣外灣研究區(qū)0 m以下深水域。

1.2.2 樣品采集 在潮溝、沙脊、深槽、海蝕平臺、水下斜坡等不同地貌單元區(qū)采集沉積物樣品16個，包括10個表層樣、6個柱狀樣(短柱)。表層樣每個站位分1個樣，柱狀樣每隔5～10 cm分1個樣，供試樣品31個，現(xiàn)場測試含水率和Eh等參數(shù)，PVC管封裝、標(biāo)記，冷藏保存。室內(nèi)分別測試沉積物粒徑、碎屑礦物和粘土礦物組分。具體采樣位置和樣品信息見圖2和表1。

1.3水深數(shù)據(jù)處理與樣品測試分析

1.3.1 水深數(shù)據(jù)處理 水深數(shù)據(jù)處理按照《海底地形地貌調(diào)查技術(shù)規(guī)程》[12]要求。采用Hypack軟件進(jìn)行水深測量數(shù)據(jù)和潮位數(shù)據(jù)融合處理。通過軟件識別和人工判讀的方式，對導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)、單波束數(shù)據(jù)的連續(xù)性和置信度進(jìn)行甄別，結(jié)合潮位改正的數(shù)據(jù)融合，最終生成有效水深數(shù)據(jù)及ASCII碼文件，在ArcGIS和Fledermaus中生成研究區(qū)水深地形圖。岸線數(shù)據(jù)利用“我國近海海洋綜合調(diào)查與評價”實測資料。

1.3.2 樣品測試分析 粒度分析時，取10 g干樣，分別加10%(體積分?jǐn)?shù))的H2O2和0.1 mol/L的鹽酸浸泡，以消除有機(jī)質(zhì)和自生碳酸鹽的影響[1]，利用Mastersizer2000型激光粒度儀進(jìn)行測試，采用謝帕德粒度計算公式分別計算平均粒徑(Mz)、標(biāo)準(zhǔn)偏差(σi)、偏度(Ski)和峰度(Kg)，沉積物粒度分析在自然資源部第三海洋研究所完成。

圖2 研究區(qū)沉積物采樣站位Fig.2 Distribution of sediments sampling sites in research area本圖引自參考文獻(xiàn)[9]。

表1 研究區(qū)沉積物采樣信息

沉積物碎屑礦物鑒定按照《海洋調(diào)查規(guī)范》[13]進(jìn)行。碎屑礦物的鑒定在廊坊宇恒巖礦測試中心完成。

粘土礦物分析：樣品用0.5%(體積分?jǐn)?shù))稀鹽酸去除碳酸鈣后[14]，離子水清洗，直至抗絮凝作用發(fā)生[15]，吸出小于2 μm的顆粒，制定薄片。分析使用Philips PW 1710衍射儀測試粘土礦物百分含量[16-17]。粘土礦物測試分析在同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點(diǎn)實驗室完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 地形地貌特征

2.1.1 水下地形分區(qū)及特征 本研究區(qū)域為欽州灣外灣，包含除茅尾海以外的欽州灣海域。根據(jù)海岸線形態(tài)、等深線展布規(guī)律和水下地形起伏度等主要因素，將研究區(qū)水下地形劃分為4個典型區(qū)域，分別為中部欽州灣外灣水下地形區(qū)、東部三娘灣水下地形區(qū)、西部防城港東側(cè)水下地形區(qū)及南部灣外水下地形區(qū)(圖3)，其主要特征如下：

中部欽州灣外灣水下地形區(qū)是本海域的核心區(qū)域，為一個面向茅尾海的河口海，水深較淺，水深值基本在5.0 m范圍內(nèi)，總體地形趨勢是北部近岸海域水深小，水深值隨離岸的距離增大而逐步增大，整體地形非常平坦。灣內(nèi)等深線整體呈東北向西南方向突出，水下淺灘呈鴨舌狀向海延伸。在三娘灣中部同樣可見兩條明顯的等深線相對密集的區(qū)域，水深值比附近同緯度區(qū)域更大，為水下淺灘中的兩個溝槽，其走向大致為SN、NE—SW向。其中一條溝槽長度約4 km，寬度約500 m，水深4.0 m；另外一條溝槽長度約6 km，寬度約700 m，水深4.5～5.5 m。伴隨著落差流速大于漲潮的峽道效應(yīng)，該區(qū)水下地形呈現(xiàn)出槽脊規(guī)模和高差加劇，內(nèi)灣和近岸淤積加重的特點(diǎn)[17]。

東部三娘灣水下地形區(qū)，水深變化基本在5.0～20.0 m范圍內(nèi)。等深線總體呈東北向西南方向突出，等深線分布較為均勻，反映出近岸海底地形的緩慢漸變。東南側(cè)有一等深線凹凸起伏區(qū)，水深在12.0～14.0 m之間，區(qū)域內(nèi)分布有數(shù)條呈南北向條帶狀高低起伏，深度起伏在1.0～2.0 m，條帶長度在1.5～3.0 km，是典型的海底活動沙脊地形。另外，在三娘灣西側(cè)，大廟敦東側(cè)，存在一等深線較為密集且圈閉的淺坑區(qū)域，直徑約2.5 km，水深5.0～8.0 m。

西部防城港東側(cè)水下地形區(qū)水深在20.0 m以淺，海底地形較平緩，局部有島礁、暗礁，總體趨勢由陸向海緩緩傾斜，等深線順岸均勻排列。該區(qū)水下岸坡相對較寬，淺灘、溝槽相間其中，水下地形較為復(fù)雜。在防城港和欽州灣外的岸坡上有天然及人工開挖的航道[18]。

南部灣外水下地形區(qū)為等深線20.0 m以深的中部海底平原。區(qū)內(nèi)總體地形趨勢由北向南水深逐漸增大，海底地形向海一側(cè)緩慢傾斜，整體地形非常平坦，平均坡降僅為2‰～4‰，部分區(qū)域存在坡度陡然增大，其余海底區(qū)域地形變化較小。此區(qū)域等深線總體呈東北向西南方向突出，等深線分布較為均勻，反映出近岸海底地形的緩慢漸變，由海底平原逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為陡斜的水下岸坡區(qū)。

近30年來，隨著欽州灣開發(fā)利用強(qiáng)度增大，海岸和水下地形形態(tài)發(fā)生劇烈的變化，由圖4可以看出：八十年代末，欽州灣周邊區(qū)域尚未開發(fā)利用，欽州灣海岸線基本以自然岸線為主，茅尾海與欽州灣外灣峽道較寬，水流通暢，保持著自然原始的海岸帶地形地貌特征；九十年代中期，隨著欽州港的建設(shè)，水井田開始填海造地，七十二涇東部內(nèi)灣逐步成陸，灘涂面積減??；2005年，欽州港逐步外擴(kuò)，南緣延伸至欽州灣內(nèi)，并圍海造成東側(cè)水道變窄，形成近20 km2的圍填海面積，其東側(cè)的欽州經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)填海已初具規(guī)模；2008年，欽州經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)建成使用，圍填海面積達(dá)42 km2，欽州灣灘涂面積進(jìn)一步縮??；2012年，三墩島石化碼頭建成，不僅形成2.3 km2的有效填海面積，更使一條長約10 km的運(yùn)輸連接堤阻礙了欽州灣東部徑流的淡水輸入和灣口的海水交換，嚴(yán)重改變了區(qū)域水動力條件和泥沙運(yùn)移現(xiàn)狀；2019年，隨著欽州核電在企沙鎮(zhèn)紅星村的建設(shè)，不但形成3 km2的圍填海面積，而且構(gòu)建了2條一南一北取水口防護(hù)堤近7 km，改變了欽州灣西部水動力條件和泥沙的運(yùn)移與再分配特征。至此，近30年的人類活動形成了近70 km2面積的新增土地和約20 km長的人工構(gòu)筑物，灘涂面積減少為320 km2，形成了現(xiàn)今欽州灣人工海岸、島礁和自然岸線交錯分布，水下地形地貌錯綜復(fù)雜的形態(tài)特征。

2.1.2 地貌單元劃分及其特征 海底地貌形態(tài)分類通常是以形態(tài)和成因機(jī)制相結(jié)合的原則，按照先宏觀后微觀、先群體后個體的分布規(guī)律分為一～四級[19-20]。

遵照上述原則，欽州灣外灣海底可分為4個四級典型的地貌單元，即潮控三角洲、潮流沙脊群、潮流沖刷槽和水下岸坡地貌單元(圖5)。

潮流三角洲，即潮流控制的水下三角洲，是河流攜帶的泥沙入海后，由于搬運(yùn)能力突然下降，泥沙沉降及淡水與海水混合，促使一些懸浮膠體物質(zhì)發(fā)生絮凝作用，形成的堆積地貌[20]。欽州灣潮流三角洲為欽江和茅嶺江注入茅尾海后，在落潮流大于漲潮流的水動力條件下，從茅尾海中帶入欽州灣龍門水道外側(cè)，由于河道突然變寬，陸源物質(zhì)堆積在龍門水道南側(cè)形成潮流三角洲。該三角洲沉積層較為復(fù)雜，為黃色砂質(zhì)泥、細(xì)砂和含大量生物碎屑的灰黑色淤泥，向海逐漸為中粗砂或砂礫質(zhì)沉積。

潮流沙脊群，是在砂質(zhì)底質(zhì)上發(fā)育的一種壟狀地貌，寬度可達(dá)幾十米至幾千米，長度可達(dá)幾千米至幾十千米，因常成群分布，故稱潮流沙脊群[20]。本區(qū)潮流沙脊群主要發(fā)育在欽州灣口一帶，規(guī)模較大，呈脊槽相間、輻射狀向南展布，總體呈NNW—SSE走向。其中，規(guī)模最大的老人沙長約7.5 km，寬約0.7 km，沙體走向為NNW，相鄰兩側(cè)均發(fā)育較小規(guī)模的潮流沙脊。其物質(zhì)組成為細(xì)沙或粘土質(zhì)砂，粉砂含量較低，分選性中等。

潮流沖刷槽，是一種發(fā)育在狹窄水道中，由于潮流侵蝕形成的長條形負(fù)地形[20]。本區(qū)的潮流沖刷槽發(fā)育在潮流沙脊相鄰的溝槽內(nèi)，為較強(qiáng)動力的落潮流沖刷潮流三角洲形成。從龍門水道(深槽)沿潮流沙脊溝槽處一直延展至灣外水下岸坡處，最大一條沖刷槽長約15 km，與潮流沙脊群展布一致。槽內(nèi)物質(zhì)粗細(xì)無規(guī)律，分選性差。

欽州灣外灣及灣口海區(qū)為往復(fù)流，流速和歷時落潮流大于漲潮流，最大落潮流速約200 cm/s。如此大流速的往復(fù)流不僅具備了沖刷潮道的能力，還可使海底推移質(zhì)泥沙沿床面運(yùn)移和堆積。由于龍門水道狹窄，外灣海域開闊，落潮流攜帶茅尾海物質(zhì)沿峽道至外灣運(yùn)移和擴(kuò)散。因此，欽州灣外灣發(fā)育潮控三角洲并伴生其上的潮流沙脊群和潮流沖刷槽的復(fù)合型地貌單元[20-22]。

圖4 近30年(1989—2019年)欽州灣外灣圍填海多期影像Fig.4 Multi-phase images of sea reclamation in outer Qinzhou Bay in recent 30 years (1989—2019)

水下岸坡，是指低潮線到陸架平原邊緣的傾斜坡面。岸坡的坡度變化很大，可從3′至11°，寬度可以從3～5 km至幾十千米。坡度與寬度常常成反比關(guān)系。本區(qū)水下岸坡寬度較窄，為0.6～1.0 km。近岸的水下岸坡坡度較陡，一般為0.2‰～1.0‰，遠(yuǎn)岸的水下岸坡坡度較緩，一般為0.1‰～0.4‰。沉積物組分為細(xì)砂，向海則變?yōu)槟噘|(zhì)沉積。由于大量的河口物質(zhì)堆積在潮流沙脊上，其整體呈平坦的潮流三角洲堆積地貌體，而欽州灣外海地勢亦較為平坦，該水下岸坡為潮流三角洲和陸架平原的過渡地貌單元，規(guī)模較小。

除上述4類海底地貌外，欽州灣外灣近岸發(fā)育潮灘、海蝕平臺等潮間帶地貌。其中，潮灘主要發(fā)育于簕溝墩周邊沿岸，根據(jù)沉積物特征分為低潮灘、中潮灘、高潮灘，自低到高沉積物由粗變細(xì)，含泥量增高，分選性由好變差。海蝕平臺發(fā)育于龍門、犀牛腳以及零星基巖海島，其巖性為志留系泥質(zhì)砂巖、砂頁巖和千枚巖等[23-25]。

圖5 研究區(qū)海岸帶和海底地貌Fig.5 Coastal zone and submarine geomorphology in research area

2.2 沉積物類型

欽州灣表層沉積物主要為中砂(MS)、細(xì)砂(FS)、粘土質(zhì)砂(YS)、粉砂質(zhì)砂(TS)、砂質(zhì)粉砂(ST)以及砂-粉砂-粘土(STY)等6類(根據(jù)謝帕德分類)。研究區(qū)砂質(zhì)沉積分布廣泛，占70%，砂質(zhì)泥和粉砂質(zhì)泥分布較為局限。砂質(zhì)沉積物呈條帶狀或斑塊狀分布，自灣頂向海沉積物逐漸變粗。外灣砂體呈典型的潮流指狀沙脊展布(圖6)。灣口地區(qū)東西兩側(cè)沉積物差異較為明顯。東側(cè)海島周邊含粗粒分布較廣；西側(cè)沉積物偏細(xì)，以砂質(zhì)粉砂和泥質(zhì)砂為主，低潮時砂體出露，海岸淤長較為迅速，沿岸存在多列消坡堤[26-27]。

2.3 碎屑、粘土礦物特征及來源

欽州灣沉積物輕礦物主要由石英、長石和巖屑組成。石英多為次棱角狀，含量為75%～85%(表2)，呈淡褐黃色、褐紅色、乳白色等。潮灘沉積多為淡褐黃色和褐紅色石英，外灣沉積物多為淡黃綠色和淺色石英。長石多為柱狀，含量為11%～17%，多為淡褐黃色和淡褐色。巖屑主要為石英和長石兩類礦物，含量變化較大，近岸礁石及潮流通道中含量較高，約15%，但在灣口兩側(cè)砂體沉積物中含量極低。

重礦物以鈦鐵礦、白鈦石和電氣石為主。其中，鈦鐵礦含量約52%，白鈦礦含量約18%，電氣石含量約11%，其余種類含量較少(圖7)。重礦物分布與砂體分布較為一致。輕重礦物均顯示與欽江和茅嶺江源區(qū)礦物組合相似。

圖6 研究區(qū)沉積物類型分布Fig.6 Distribution of sediments type in research area

表2 欽州灣外灣和欽江表層沉積物中輕礦物含量對比

圖7 欽州灣外灣和欽江陸源碎屑重礦物組合Fig.7 Comparison of terrestrial heavy mineral assemblage of surface sediments between outer Qinzhou Bay and Qinjiang River

欽州灣粘土礦物以高嶺石為主，其次為伊利石、蒙脫石。這三種粘土礦物的含量自北向南呈規(guī)律性變化。高嶺石含量逐漸降低，伊利石和蒙脫石含量逐漸增高，但蒙脫石含量增幅不大。蒙脫石的變化與海水的氯度呈正相關(guān)關(guān)系，但不同的粘土礦物在不同鹽度的海水中沉降速率也有差異。從粘土礦物三端元物源指示意義圖(圖8)中可以看出，欽州灣沉積物粘土礦物與全國主要河流的沉積物粘土礦物組分差異較大，季風(fēng)帶來的土塵遠(yuǎn)距離輸入的可能性也不大。故本區(qū)域粘土礦物主要是近岸河流的近源輸入為主(與碎屑礦物物源相似)，潮流帶來的陸?；旌衔镔|(zhì)輸入為輔[27-30]。

圖8 粘土礦物組分物源指示意義Fig.8 Indication of clay mineral assemblages for sediments sources

3 結(jié)論

(1)欽州灣外灣水下地形復(fù)雜多變，水深0～20 m，分為中部欽州灣外灣水下地形區(qū)、東部三娘灣水下地形區(qū)、西部防城港東側(cè)水下地形區(qū)及南部灣外水下地形區(qū)等4個區(qū)域；地貌分為潮控三角洲、潮流沙脊群、潮流沖刷槽和水下岸坡4個主要海底地貌單元以及潮灘、海蝕平臺等次要潮間帶地貌單元。欽江和茅嶺江入海物質(zhì)在落潮流的動力作用下，經(jīng)歷龍門水道的峽道效應(yīng)和咸淡水混合的泥沙絮凝作用，發(fā)育形成潮控三角洲并伴生其上的潮流沙脊群和潮流沖刷槽的復(fù)合型地貌單元。

(2)欽州灣外灣砂質(zhì)沉積物發(fā)育廣泛，約70%，沉積物自灣頂向外灣逐漸變粗。外灣砂體呈長條形順潮流展布，是典型的潮流沙脊。沉積物碎屑礦物主要有石英、長石、巖屑、鈦鐵礦、白鈦石和電氣石組成，粘土礦物以高嶺石為主，其次為伊利石、蒙脫石，沉積物來源為近源河流的陸源輸入為主，潮流的海相輸入為輔。

(3)隨著圍填海和堤壩建設(shè)，欽州灣海岸形態(tài)變化巨大，近30年的人類活動形成了近70 km2面積的新增土地和約20 km長的人工構(gòu)筑物，灘涂面積減少為320 km2，形成了現(xiàn)今欽州灣人工海岸、島礁和自然岸線交錯分布，水下地形地貌錯綜復(fù)雜的形態(tài)特征。伴隨著落潮流速大于漲潮的龍門水道峽道效應(yīng)，欽州灣外灣水下地形呈現(xiàn)出槽脊規(guī)模和高差加劇，近岸淤積加重的特點(diǎn)。

致謝：感謝自然資源部第三海洋研究所劉春庚助理工程師、李永保助理工程師、宋志曉助理工程師在水深測量和樣品采集中給予的幫助。