黃河三角洲南部寧?！麟p河葉瓣潮灘沉積物粒度特征與季節(jié)變化分析

黃學(xué)勇,高茂生,侯國(guó)華,張 戈,黨顯璋

(1.遼寧師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,遼寧 大連 116029;2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局濕地生物地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266071;3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所,山東 青島 266071)

黃河三角洲潮灘是入海河道與沿岸海域交互的場(chǎng)所,具有可觀的物質(zhì)交換量[1]。潮灘帶粒度特征對(duì)反映物質(zhì)來源、運(yùn)移機(jī)制以及河海交互特征具有指示意義[2-4]。自1855年銅瓦廂決口改道至今,黃河入海河道經(jīng)歷了10余次較大改變[5],其中1889—1904年、1929—1934年、1934—1938年、1947—1953年、1976—1996年幾次行水期塑造了目前萊州灣西岸整體沉積環(huán)境。1929年8月—1930年4月,黃河于淄脈溝(現(xiàn)廣利河口)入海,成為現(xiàn)代黃河三角洲南部邊界[6]。

20世紀(jì)80年代以來,相關(guān)學(xué)者針對(duì)黃河三角洲河道變化、岸線變遷及三角洲演化規(guī)律展開了一系列研究,取得的研究成果為進(jìn)一步研究黃河三角洲提供了理論依據(jù)[7-10]。近年來,關(guān)于黃河三角洲的研究主要集中于現(xiàn)代河口淤進(jìn)[11]、北部岸線蝕退[12]以及護(hù)坡工程建設(shè)[13]等方面。

寧?！麟p河葉瓣位于黃河三角洲最南端,與萊州灣南岸濰河—彌河集群三角洲毗鄰,目前主要作為黃河三角洲或萊州灣沿岸的組成部分,當(dāng)前主要研究?jī)?nèi)容包括港口建設(shè)[14-15]和環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)[16]等。2014年以來,依托科技部基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)“我國(guó)典型潮間帶沉積物質(zhì)量本底調(diào)查及圖集編研”,筆者對(duì)寧?！麟p河葉瓣潮間帶潮灘進(jìn)行了野外考察與采樣,并對(duì)沉積物粒度與地球化學(xué)特征[17-18]進(jìn)行了分析,但沉積特征年內(nèi)季節(jié)變化目前尚未進(jìn)行深入研究。本文在2014—2015年豐、枯季沉積物樣品粒度數(shù)據(jù)對(duì)比分析的基礎(chǔ)上,選取相關(guān)指標(biāo),通過粒度分析以期為豐、枯季降水量變化對(duì)沉積環(huán)境的影響提供證據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候,地勢(shì)低平,年平均降水量約600 mm,全年降水集中在夏秋季節(jié)。東營(yíng)氣象觀測(cè)站多年氣象資料統(tǒng)計(jì)顯示:黃河三角洲及萊州灣海域累年年均氣溫為12 ℃左右,年均溫變化幅度一般為1.5年以下[19]。常風(fēng)向?yàn)镾E向、SSE向和S向,為離岸風(fēng);次常風(fēng)向?yàn)镹E向,為向岸風(fēng)。

本次研究采樣地點(diǎn)位于現(xiàn)代黃河三角洲寧?！麟p河葉瓣南部潮灘,地理坐標(biāo)為:118°54′～119°18′ E, 37°15′～37°33′ N (圖1)。潮灘沖淤相對(duì)穩(wěn)定,分帶性好,順岸線變化小。采樣剖面為平緩的斜坡,靠近剖面起點(diǎn)有因修筑防波堤形成的侵蝕溝。研究區(qū)南部廣利河曾是黃河入海河道,黃河行水期結(jié)束后,經(jīng)多年改造,演變?yōu)楝F(xiàn)在的河道。廣利河與溢洪河在淄脈溝入海與支脈河形成三河相通的水系[20]。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)概況圖(a)與采樣位置示意圖(b)Fig. 1 Geological sketch map (a) of the study area and sketch map (b) of sampling positions

黃河于1897—1904年、1929—1934年在該區(qū)直接入海,其中1929—1934年影響最直接,期間黃河河道多次變化,短則7—8個(gè)月,長(zhǎng)則2年[5]。1934年后,黃河逐漸改道向北,對(duì)寧海-西雙河葉瓣潮灘影響逐漸變小。1953年,隨著黃河由神仙溝單獨(dú)入海,寧海—西雙河葉瓣潮灘逐漸廢棄[21]。

2 樣品采集與數(shù)據(jù)分析

2014年9月(豐季)和12月(枯季),中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所在寧海—西雙河葉瓣南部潮灘布設(shè)5條表層沉積物調(diào)查剖面(編號(hào)為DYP1—DYP5)。盡量選擇底質(zhì)相對(duì)均勻完整、人為擾動(dòng)較小的剖面進(jìn)行采樣,剖面間距約1.5 km,長(zhǎng)1.5～3.0 km,由潮上帶至潮下帶布設(shè)3個(gè)采樣站位,間距約600 m,采集15組(30個(gè))表層沉積物樣品(圖1),豐季表層沉積物相關(guān)信息如表1所示。每個(gè)樣品厚約5 cm,根據(jù)不同剖面和站位對(duì)樣品進(jìn)行標(biāo)號(hào)(如DYP1剖面潮上帶、潮間帶和潮下帶分別命名為DYP1-1、DYP1-2和DYP1-3),密封保存,用標(biāo)簽標(biāo)注采樣時(shí)間及地點(diǎn)等信息。

表1 豐季表層沉積物采樣記錄

沉積物粒度由英國(guó)Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000型激光粒度儀進(jìn)行測(cè)試,誤差≤1。采用Udden-Wentworth Φ值粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[22-23]表示粒度分級(jí)結(jié)果,粒級(jí)間隔0.25 Φ。實(shí)驗(yàn)過程為:取沉積物樣品放置在燒杯中,用過氧化氫除去有機(jī)質(zhì);分別用鹽酸除去碳酸鹽,注入蒸餾水除去絮凝性較強(qiáng)的鈣、氫等離子,加入分散劑后用超聲波清洗震蕩10 min;將處理后的樣品用激光粒度儀進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)不同粒級(jí)含量,繪制粒度頻率曲線和概率累積曲線,計(jì)算砂、粉砂、黏土含量,用GRADISTAT粒度處理軟件[24]計(jì)算平均粒徑(Mz)、分選系數(shù)(σ)、偏態(tài)(Sk)、峰度(Kg)等。

3 研究方法

3.1 Pejrup粒度三角圖

Pejrup粒度三角圖由丹麥學(xué)者PEJRUP M[25]在1988年提出圖(2)。首先用平行砂端元對(duì)邊,即砂/泥(粉砂+黏土)比分別為9、1、1/9的3條界線將沉積物分為A、B、C、D四類,然后用粉砂/黏土比為4、1、1/4的3條輻射線將上述四類沉積物分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類,據(jù)此將沉積物分為16類。

Pejrup粒度三角圖可很好地解釋沉積物成因。A、B、C、D反映沉積物中砂、泥(粉砂+黏土)含量比,該比值受物源區(qū)遠(yuǎn)近、搬運(yùn)介質(zhì)強(qiáng)弱和介質(zhì)渾濁度影響。Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類反映了沉積介質(zhì)受擾動(dòng)程度：Ⅰ類沉積物懸浮組分均為黏土質(zhì),代表平靜介質(zhì);Ⅳ類沉積物懸浮組分均為粉砂,代表擾動(dòng)環(huán)境;Ⅱ類和Ⅲ類沉積物懸浮組分介于Ⅰ類和Ⅳ類之間。

3.2 粒徑-標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線

粒徑-標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線是依據(jù)每一粒級(jí)對(duì)應(yīng)含量的標(biāo)準(zhǔn)偏差變化提取環(huán)境敏感因子[26-27],通過計(jì)算每一粒級(jí)在樣品中的標(biāo)準(zhǔn)偏差值獲得粒度組分的個(gè)數(shù)和分布范圍,標(biāo)準(zhǔn)偏差值最大的粒級(jí)為環(huán)境敏感因子。標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算公式為

(1)

3.3 粒度參數(shù)及薩胡判別函數(shù)

粒度參數(shù)中,平均粒徑(Mz)和分選系數(shù)(σ)與潮間帶動(dòng)力關(guān)系密切,平均動(dòng)能越強(qiáng),平均粒徑越粗,外部動(dòng)力波動(dòng)越大,分選性越好。偏態(tài)(SK)反映平均粒徑與中值粒徑的關(guān)系,細(xì)顆粒富集為正偏,粗顆粒富集為負(fù)偏[28]。峰度(KG)與潮間帶動(dòng)力環(huán)境關(guān)系密切程度不大,主要反映物質(zhì)來源的多樣性,較窄峰度說明來自附近環(huán)境中未經(jīng)改造的碎屑組分較少[29]。

SAHU[28]通過對(duì)大量沉積物樣品進(jìn)行分析,運(yùn)用粒度參數(shù)求得了各種類型的沉積環(huán)境判別函數(shù)。研究區(qū)主要沉積環(huán)境為淺海和河流(三角洲),其判別公式為

Y=0.285 2MZ-8.760 4σ2-

4.893 2SK+0.048 2KG,

(2)

式中:Y為判別參數(shù),Y>-7.419 0為淺海沉積,Y<-7.419 0為河流沉積。淺海沉積物平均值為-5.316 7,河流沉積物平均值為-10.441 8。

4 結(jié)果分析

沉積物粒度組分主要以粉砂質(zhì)和砂質(zhì)為主,黏土質(zhì)含量相對(duì)較少。由潮上帶至潮下帶,粉砂質(zhì)含量最大轉(zhuǎn)變?yōu)轲ね临|(zhì)含量最大。5條沉積剖面中,DYP2和DYP5豐、枯季節(jié)粒度組分變化程度最大,潮上帶和潮間帶砂質(zhì)含量明顯減少。DYP2潮下帶砂質(zhì)含量明顯減小,而DYP5潮下帶砂質(zhì)含量明顯變大(圖3)。

圖中數(shù)據(jù)單位%圖3 表層沉積物豐、枯季粒度組分統(tǒng)計(jì)圖Fig. 3 Grain size compositions of surface sediments in wet and dry seasons

表層沉積物豐季和枯季粒度參數(shù)如表2所示。表層平均粒徑主要為3.00～5.00 Φ,按照相關(guān)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[22-23],屬于細(xì)粉砂和粉砂。按照FORK R L等[30]分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),分析系數(shù)為0.50～2.00,屬于分選較好、分選中等和分選較差;DYP1～DYP4剖面偏態(tài)數(shù)值大多>0.30,屬于極正偏,DYP5剖面偏態(tài)數(shù)值明顯小于其他剖面,大致為對(duì)稱偏。峰度數(shù)值范圍為1.00～1.84,大多為窄峰和很窄峰,少數(shù)為中等峰。

表2 表層沉積物豐、枯季粒度參數(shù)

表層沉積物樣品豐、枯季粒度曲線(圖4)顯示：DYP1和DYP4豐季及枯季粒度曲線大致重合, DYP2豐季粒度頻率曲線最大百分含量明顯高于枯季。相比枯季,豐季曲線明顯偏窄,潮上帶枯季概率累積曲線呈三段式分布,有一定的底面推移質(zhì),而潮下帶豐季概率累積曲線明顯高于枯季,說明枯季水動(dòng)力較弱,物質(zhì)搬運(yùn)能力變?nèi)?。DYP3和DYP5粒度曲線豐季和枯季變化明顯,由潮上帶至潮下帶,枯季粒度曲線逐漸高于豐季,DYP3潮上帶概率累積曲線呈一定的底面推移質(zhì)。

圖4-1 表層沉積物豐、枯季粒度曲線Fig. 4-1 Grain size curves of surface sediments in wet and dry seasons

圖4-2 表層沉積物豐、枯季粒度曲線Fig. 4-2 Grain size curves of surface sediments in wet and dry seasons

5 討論

表層沉積物樣品在Pejrup粒度三角圖上處于B-Ⅲ和C-Ⅲ兩個(gè)沉積動(dòng)力區(qū)(圖2),是由靜水環(huán)境向擾動(dòng)環(huán)境過渡的階段。豐季沉積物分布相對(duì)均勻,由B-Ⅲ逐漸過渡至C-Ⅲ,枯季沉積物分布呈現(xiàn)向A端和D端集中的趨勢(shì),說明枯季潮灘外部動(dòng)力空間差異明顯,導(dǎo)致沉積物粒徑差異變大。

圖2 Pejrup粒度三角圖[25]Fig. 2 Pejrup grain size triangular diagram[25]

表層沉積物粒徑-標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線(圖5)表明,豐季粗粒敏感組分為3.25～3.50 Φ,枯季粗粒敏感組分為3.00～3.25 Φ。研究表明,黃河沉積物粒徑敏感組分約為3.00 Φ,因此粗粒組分與黃河關(guān)系密切。除黃河外,影響研究區(qū)的河流主要為廣利河水系,細(xì)粒敏感組分主要受廣利河水系影響,由于廣利河目前主要職能為防洪排澇,因此受豐季和枯季影響明顯,豐季細(xì)粒的粒級(jí)敏感組分(4.75～5.00 Φ)明顯大于枯季的敏感組分(4.75 Φ)。極細(xì)粒的敏感組分(10 Φ)與萊州灣海水動(dòng)力作用有關(guān)[21]。

圖5 表層沉積物粒徑-標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線Fig. 5 Grain size-standard deviation curves of surface sediments in wet and dry seasons

萊州灣內(nèi)海流主要為潮汐余流,在灣內(nèi)呈順時(shí)針流動(dòng)[31],即水體從萊州灣口東部流入,向萊州灣南岸作順時(shí)針運(yùn)動(dòng)后由現(xiàn)代黃河口流出(圖6),在潮汐余流作用下萊州灣內(nèi)沉積物自東向西運(yùn)移。萊州灣屬于典型季風(fēng)區(qū),冬夏風(fēng)向不同,風(fēng)生環(huán)流在萊州灣環(huán)流中占一定比例,在冬季風(fēng)場(chǎng)作用下萊州灣風(fēng)生環(huán)流呈不封閉的逆時(shí)針環(huán)流[32-33],黃河入海物質(zhì)被風(fēng)生環(huán)流帶入萊州灣。

圖6 萊州灣潮汐余流(a)與冬季風(fēng)生環(huán)流(b)示意圖[29-31]Fig. 6 Tidal residual current (a) and winter wind-driven current (b) in Laizhou Bay[29-31]

表層沉積物豐季和枯季平均粒徑-分選系數(shù)關(guān)系圖(圖7(a))、平均粒徑-偏態(tài)關(guān)系圖(圖7(b))、分選系數(shù)-偏態(tài)關(guān)系圖(圖7(d))具有明顯的相關(guān)性(R2>0.50),顆粒越粗分選性越好,說明沉積物經(jīng)歷了長(zhǎng)期的分選,潮灘動(dòng)力越強(qiáng),富集的顆粒越粗。在平均粒徑-峰度關(guān)系圖(圖7(c))中,沉積物樣點(diǎn)零星分布,不存在相關(guān)性,表明物質(zhì)來源多樣性與潮灘動(dòng)力變化無關(guān)。豐季分選系數(shù)-峰度關(guān)系圖(圖7(e))、偏態(tài)-峰度關(guān)系圖(圖7(f))顯示明顯的相關(guān)性,分選較好的樣品物質(zhì)來源具有多樣性?？菁静淮嬖谙嚓P(guān)性,反映豐季與枯季在物質(zhì)來源上存在一定差異性。

圖7 寧海—西雙河葉瓣潮灘表層沉積物粒度參數(shù)之間的關(guān)系Fig. 7 Relation between different grain size parameters of the surface sediments in Ninghai-Xishuanghe lobe tidal flat

根據(jù)表層沉積物樣品粒度參數(shù)值,運(yùn)用薩胡判別函數(shù)計(jì)算的沉積環(huán)境數(shù)值豐、枯季空間分布如圖8所示。由岸向海,沉積環(huán)境由河流(三角洲)沉積環(huán)境逐漸過渡為淺海沉積環(huán)境,研究區(qū)夏季為豐季,降水量大,受沿岸潮汐余流、風(fēng)暴潮等天氣影響[34],Y=-8.410等值線大致分布在潮間帶位置,在DYP4位置向海凸起(圖8(a))?？菁竞恿?三角洲)沉積環(huán)境占主導(dǎo),淺海沉積環(huán)境局限于研究區(qū)東南角(圖8(b)),這一現(xiàn)象與黃河泥砂運(yùn)移關(guān)系密切。研究區(qū)冬季為枯季,在北向大風(fēng)作用下,黃河南下泥砂影響范圍甚至能夠到達(dá)更遠(yuǎn)的小清河口[35]。

圖8 寧海—西雙河葉瓣潮灘薩胡Y值空間分布示意圖Fig. 8 Spatial distribution of Sahu Y values for Ninghai-Xishuanghe lobe tidal flat

6 結(jié)論

(1)寧?！麟p河葉瓣南部潮灘沉積物主要類型為砂和粉砂,沉積物粒度特征豐季和枯季存在一定差異,DYP2、DYP5剖面豐季和枯季變化最劇烈。該區(qū)水動(dòng)力環(huán)境整體較強(qiáng),枯季潮灘外部動(dòng)力差異更為明顯。豐季樣品在Pejrup粒度三角圖上分布相對(duì)均勻,枯季樣品呈現(xiàn)向砂端和粉砂端集中的趨勢(shì)。

(2)粗粒粒級(jí)敏感組分與黃河關(guān)系密切。相比豐季,枯季受沿岸風(fēng)生洋流作用影響,黃河入海泥砂流入萊州灣,粒級(jí)敏感組分與黃河更接近。除了黃河外,廣利河水系以及萊州灣海水動(dòng)力作用也影響粒級(jí)敏感組分的分布。寧海—西雙河葉瓣南部潮間帶沉積物經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的分選,物質(zhì)來源存在一定的季節(jié)性差異。

(3)寧?！麟p河葉瓣以河流(三角洲)沉積環(huán)境為主。豐季由于潮汐余流作用,整體數(shù)值偏小,反映了海水動(dòng)力作用較強(qiáng)。冬季風(fēng)作用下形成的逆時(shí)針環(huán)流將更多黃河入海泥砂帶入萊州灣。