遼東半島東岸碧流河口潮間帶柱狀樣沉積物粒度特征及其環(huán)境意義

張 威，蘇世兵，李 寧

(遼寧師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116021)

海洋沉積物的粒度特征是沉積物在輸移、沉積和再分布過程中的集中表現(xiàn)，包含了沉積物來源、水動(dòng)力環(huán)境、輸移距離等諸多環(huán)境信息[1-3]。目前對(duì)遼東半島東岸海洋沉積物已有較多關(guān)于懸沙分布[4]、磁化率[5]、潮流沙脊[6]、有機(jī)物分布[7]等方面的研究，但主要集中于大連灣和大窯灣，還有鴨綠江口附近，而對(duì)碧流河到大洋河外部海域的潮間帶區(qū)研究比較欠缺。而碧流河口附近海域是典型的淤泥質(zhì)潮灘，受海洋與河口共同作用，研究區(qū)地理位置獨(dú)特，距離物源較近，有充足的泥沙供給，周邊河流較多，潮間帶發(fā)育寬闊，且受黃海暖流和潮流共同影響，具有十分獨(dú)特的區(qū)域特征，研究意義突出。通過對(duì)遼東半島東岸碧流河口口外海濱段潮間帶淺灘的實(shí)地調(diào)查、并采集兩根柱狀樣進(jìn)行沉積物的粒度分析，探討碧流河口口外海濱段潮間帶沉積物的粒度分布特征及其指示的環(huán)境特征。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼東半島東岸碧流河口東北方的海域(圖1)。該地屬于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，并受一定的海洋性氣候影響，年平均溫度約7℃左右，沿岸年降水量約為562～775 mm。半島東側(cè)丘陵坡緩長(zhǎng)，流域?qū)?，半島南端河流湍急短小。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)化剝蝕，河流在夏季汛期可以攜帶大量泥沙入海。長(zhǎng)山島位于碧流口外海域，是內(nèi)側(cè)海域的屏障，影響著內(nèi)側(cè)海域的水動(dòng)力變化和海岸地貌發(fā)育[8]。該海域沿岸以正規(guī)半日潮居多，規(guī)則半日潮為主要潮流形式，近岸區(qū)域?yàn)橥鶑?fù)流，漲潮流速大于落潮流速，潮流方向?yàn)闁|北—西南向[9]。在潮間帶上有潮溝發(fā)育，不過規(guī)模都較小，發(fā)源于潮間帶中央脊部，一般在數(shù)米到十幾米范圍內(nèi)，潮溝寬2～3 m，深不足1 m。此外，在潮間帶上還廣泛的發(fā)育著灘鱗、潮蝕坑洼和浪成波痕等微地貌形態(tài)[10]。

圖1 研究區(qū)域與采樣站位

1.2 樣品采集

采樣時(shí)間為2020年11月，采樣地點(diǎn)位于遼寧省大連市莊河市花園口區(qū)東部海域潮間帶淺灘，BLH1采集地理坐標(biāo)北緯39°47′15″，東經(jīng)122°58′21″；BLH2采集地理坐標(biāo)北緯39°51′39″，東經(jīng)122°58′37″。采樣點(diǎn)布局原則是從河口附近海域出發(fā)，沿潮間帶淺灘，尋找合適潮灘布設(shè)采集點(diǎn)，采集柱狀樣2個(gè)編號(hào)分別為BLH1，BLH2。柱狀樣分別長(zhǎng)71、75 cm。之后按2 cm間隔取樣，共取得樣品72個(gè)，放入冰箱密封保存以備實(shí)驗(yàn)分析。2根柱狀樣的詳細(xì)狀況如下：

BLH1長(zhǎng)71 cm，整體以粉砂為主，可劃分為：(1)0～26 cm呈淺黃灰色，砂質(zhì)粉砂；(2)26～62 cm呈青灰色，粉砂質(zhì)砂；(3)62～71 cm為黑灰淺綠色，粉砂含量漸少，砂含量漸增，底部35、52 cm處有細(xì)小貝殼碎片。

BLH2長(zhǎng)75 cm，整體以粉砂為主，可劃分為：(1)0～4 m呈淺灰色，粉砂；(2)4～6 cm，灰黑淺綠，砂質(zhì)粉砂；(3)6～52 cm，淺灰色，粉砂質(zhì)砂；(4)52～75 cm，灰色，砂略多于粉砂，砂質(zhì)粉砂。整個(gè)柱狀樣由粉砂層與砂質(zhì)粉砂層交替出現(xiàn)，中下部層位含有機(jī)質(zhì)，另外34～42 cm處可見貝殼碎片。具體粒度參數(shù)見圖2與表1。

1.3 沉積物樣品處理

粒度測(cè)試采用LS13320激光衍射粒度分析儀，其測(cè)量范圍為0.04 μm～2 000 μm，誤差小于1%。選取適量樣品(0.25～0.28 g)，將其逐一放入燒杯，先后加入適量30%H2O2溶液和0.25 mol/L的鹽酸浸泡以消除有機(jī)質(zhì)、去酸，并洗至中性。然后添加分散劑溶液充分分散，上機(jī)測(cè)試。

2 粒度分析結(jié)果

2.1 沉積物粒度組成

按Udden-Wentworth標(biāo)準(zhǔn)劃分沉積物粒級(jí)為黏土(>8Φ)、粉砂(4～8Φ)和砂(-1～4Φ)3種組分來反映沉積物粒度組成的變化。2根柱狀樣的粉砂含量分布在40.96%～65.7%，平均為52.61%；砂含量分布在23.9%～53.4%，平均為40.6%；黏土含量分布在4%～12.1%，平均為6.8%，含量最少。由于Folk分類法以代表動(dòng)力環(huán)境較強(qiáng)的“砂”與動(dòng)力環(huán)境較弱的“粉砂與粘土”含量50%為界，因此，用該方法對(duì)沉積物進(jìn)行分類命名具有明顯的動(dòng)力成因意義[11](圖2)。

圖2 柱狀樣沉積物三角形分類圖

2.2 粒度參數(shù)

總體而言，兩個(gè)柱狀沉積物組成均以粉砂為主，黏土含量較少，砂和粘土的含量變化較大，而粉砂含量變化較小(表1、圖3)。柱狀樣粒度參數(shù)中值粒徑Md分布較分散，分選δ較差至差；偏態(tài)Sk多為正偏態(tài)；峰態(tài)Ku均多是中等尖銳到尖銳。下面是各柱狀樣粒度參數(shù)特征詳細(xì)內(nèi)容。

表1 柱狀樣沉積物粒度特征表

圖3 沉積物粒徑分析

BLH1柱狀樣多為砂和粉砂，粉砂分布40.96%～62.93%，砂分布28.77%～51.66%，黏土含量最少，平均只有7.15%。平均粒徑變化范圍在4.33～5.1Φ，平均值為4.7Φ。中值粒徑分布于3.81～4.6Φ，平均值為4.11Φ，中值粒徑與平均粒徑的形態(tài)曲線相似。分選系數(shù)介于1.5～1.96，整體分選差，但自上而下分選整體逐漸變差。偏態(tài)分布在0.37～0.6，平均值為0.53，為正偏，粒徑主要集中在粗顆粒部分。沉積物的峰度在0.79～1.81，屬于中等尖銳到尖銳。結(jié)合以上參數(shù)特征，認(rèn)為柱狀樣BLH1粒度自上而下呈“粗—細(xì)—粗”的變化趨勢(shì)，水動(dòng)力環(huán)境復(fù)雜，水動(dòng)力強(qiáng)度較強(qiáng)。

BLH2柱狀樣多為粉砂，含量介于42.6%～65.7%，砂含量次之，黏土含量最少。平均粒徑分布范圍在4.25～5.54Φ，平均值為4.73Φ，而中值粒徑分布范圍在1.66～5.61Φ，平均值為4.15Φ，中值粒徑與平均粒徑的形態(tài)曲線相似。分選系數(shù)在0.48～1.91Φ，平均值為1.63，分選差，自上而下分選變化不大。而偏態(tài)分布在0.04～0.91，屬于正偏。峰度分布于0.8～1.63，平均值為0.99，整體在中等尖銳到尖銳。BLH2自上而下呈由細(xì)到粗的變化趨勢(shì)。

2.3 粒度頻率分布及概率累計(jì)曲線

頻率曲線形態(tài)能詳細(xì)反映沉積物中不同粒徑的變化趨勢(shì)，因此對(duì)沉積物粒度頻率曲線特征進(jìn)行如下分析(圖4)。由于搬運(yùn)方式和搬運(yùn)距離不同，產(chǎn)生多成因組分的存在，單成因組分的頻率分布為單峰曲線，多成因組分的頻率曲線是多峰分布的連續(xù)曲線[12]。2根柱狀沉積物頻率曲線都以不對(duì)稱雙峰為主，BLH2還有部分層位出現(xiàn)三峰，表明沉積過程中受到至少兩種沉積動(dòng)力的綜合作用。不論頻率曲線特征表現(xiàn)為不對(duì)稱雙峰還是三峰沉積物，主峰都在4Φ左右，表明以粗顆粒組分為主，砂含量較多。次峰多在6～8Φ，屬于粉砂。在8Φ之后出現(xiàn)很低的尾部，表明黏土含量極少。由整體粒度集中在2～8Φ的砂質(zhì)與粉砂質(zhì)粒級(jí)范圍，推測(cè)該地沉積樣點(diǎn)主要受潮流、波浪等強(qiáng)動(dòng)力作用。除此之外，不同深度的頻率曲線變化也能體現(xiàn)出粒度垂向變化特征。BLH1，BLH2柱狀樣整體上都呈“粗—細(xì)—粗”的變化趨勢(shì)，BLH1在0～64 cm砂含量隨深度而減少，粉砂含量隨深度增加；BLH2自上而下砂含量逐漸增加。

圖4 沉積物粒度的頻率曲線特征

根據(jù)沉積物粒度概率累積曲線形態(tài)的差異，可以區(qū)分沉積物不同的搬運(yùn)方式和研究區(qū)水動(dòng)力環(huán)境[13，14]。沉積物的搬運(yùn)，主要有懸移、躍移和推移3種方式。概率累積曲線由點(diǎn)組成，可繪成線段，分別表示推移組分、躍移組分和懸移組分，有些組分可能由兩個(gè)線段組成[15]。分別繪制BLH1，BLH2柱狀樣樣品概率累積曲線和頻率分布曲線(見圖5)，從圖中可以看出，柱狀樣概率累積曲線大多以三段形式存在，說明水動(dòng)力環(huán)境的復(fù)雜性，另外概率累計(jì)曲線坡度較緩，說明分選較差。柱狀樣粒度概率累積曲線形態(tài)大體相似，屬于滾動(dòng)—跳躍—懸浮式，呈現(xiàn)出多躍移、少懸浮、少滾動(dòng)的組合特征，滾動(dòng)組分是由于沒有強(qiáng)烈的水流降至搬走或使之呈躍移狀態(tài)搬運(yùn)的緣故。從圖5來看，BLH1柱狀樣滾動(dòng)組分含量不足1%，跳躍組分含量達(dá)到96%以上，只含有極少量的懸浮組分，坡度先陡后緩，總體斜率在40°左右，分選較差，粗截點(diǎn)在2Φ左右，細(xì)截點(diǎn)在10Φ左右，按分選角度看，懸浮組分和滾動(dòng)組分要優(yōu)于跳躍組分。總體粒徑分布在0～12Φ，說明在相對(duì)較強(qiáng)的水動(dòng)力沉積環(huán)境下，沉積物粒徑分布范圍較廣，粒度較粗。跳躍組分又可細(xì)分為兩個(gè)個(gè)次總體，以2～10Φ粒度組分為主，也暗示可能形成于較為動(dòng)蕩沉積環(huán)境。BLH2滾動(dòng)組分含量同樣不足1%，跳躍組分含量約為98%，懸浮組分含量極少。坡度較緩，分選較差，但懸浮組分斜率較大。整體粒度分布范圍廣，以2～10Φ粒度組分為主，粒度較粗，此外也含兩個(gè)跳躍次總體，說明水動(dòng)力環(huán)境較強(qiáng)。

圖5 沉積物粒度的概率累積曲線特征

作C-M圖進(jìn)一步對(duì)沉積物粒度特征進(jìn)行解析。C值為累積含量達(dá)到1%時(shí)的粒徑，C值代表樣品的最粗粒徑，反應(yīng)樣品搬運(yùn)介質(zhì)的上限；M值為累積含量達(dá)50%的沉積物粒度，反映了平均動(dòng)力。C-M圖用來推斷沉積物形成的沉積環(huán)境[16]。C-M圖綜合考慮沉積動(dòng)力環(huán)境和運(yùn)移方式以及粗顆粒組分，能夠有效反映沉積環(huán)境和沉積動(dòng)力特征[17，18]。

樣品在C-M圖上分布較分散(見圖6)，C值介于140～280 μm，平均值約為183 μm；M介于18～66 μm，平均值約為44.8 μm，說明搬運(yùn)動(dòng)力上限和平均動(dòng)力都較大。C值變動(dòng)較大，同樣，M值的變化也很大，這表明沉積物在形成過程中受到了強(qiáng)烈的水動(dòng)力和海陸相互作用的影響，產(chǎn)生了較大的平均水動(dòng)能。樣品大部分分布在均勻懸浮沉積區(qū)，反映了較不穩(wěn)定的高能環(huán)境。遞變懸浮區(qū)處于QR段，該區(qū)大多數(shù)是由最粗的懸浮物組成，特點(diǎn)是粒度和濃度向上方規(guī)則地下降[19]。均勻懸浮的最粗粒級(jí)通常細(xì)于250 μm，一般來說，均勻懸浮中粗粒組分的分選好，且隨著M值的減小，分選效果變差。

圖6 柱狀樣C-M圖

σi-d(0.5)圖以分選系數(shù)σi為縱坐標(biāo)，中值粒徑d(0.5)為橫坐標(biāo)制圖(圖7)。兩根柱狀樣樣品中值粒徑d(0.5)主要落在4～6Φ，分選系數(shù)σi0.48～1.96，中值粒徑分布相對(duì)較集中，分選較差至差，反映了沉積環(huán)境的不穩(wěn)定性與復(fù)雜性，水動(dòng)力整體較強(qiáng)。

圖7 粒度σi-d(0.5)散點(diǎn)圖

3 討論

3.1 柱狀樣沉積物粒度特征

特定的沉積環(huán)境有特定的沉積粒度參數(shù)特征，利用沉積物粒度參數(shù)不僅可以反演沉積物的堆積過程、沉積水動(dòng)力特征，還可以指示沉積物的輸運(yùn)方向及輸運(yùn)強(qiáng)度[20]。一般而言，搬運(yùn)動(dòng)力越強(qiáng)，沉積顆粒越粗，而細(xì)顆粒的沉積物質(zhì)則指示弱的搬運(yùn)動(dòng)力[21]；平均粒徑能反映沉積介質(zhì)的平均動(dòng)能，與源區(qū)物質(zhì)密切相關(guān)；分選系數(shù)也受源區(qū)物質(zhì)與沉積介質(zhì)作用，當(dāng)有新物質(zhì)加入時(shí)，分選變差，分選曲線變?yōu)椴粚?duì)稱，為正偏或負(fù)偏[22]。

整體來看，遼東半島東岸碧流河口口外海濱段潮間帶淺灘柱狀樣沉積物BLH1、BLH2主要為粉砂質(zhì)砂與砂質(zhì)粉砂，是由于潮間帶波浪的推移作用使得中粗砂堆積，因而主要以中粗砂為主。分選差平均粒徑分布在4.25Φ～5.54Φ，中值粒徑分布在1.66Φ～5.61Φ；分選系數(shù)分布在0.48～1.96，分選較差至差；偏態(tài)在0.04～0.91，基本都為正偏態(tài)；峰態(tài)在0.79～1.81，以中等尖銳到尖銳為主。該區(qū)沉積物粒度頻率分布曲線以不對(duì)稱雙峰或三峰狀態(tài)居多，并且偏向粗顆粒一側(cè)，反映了較為高能的沉積環(huán)境與水動(dòng)力。各柱狀樣的概率累積曲線變化相似，其中跳躍組分居多，且跳躍組分還可細(xì)分為兩段，說明該區(qū)域水動(dòng)力條件較強(qiáng)，沉積環(huán)境多變。柱狀樣沉積物粒度從底部向上表現(xiàn)為由粗變細(xì)的趨勢(shì)，反映了隨著潮灘沉積的增加，潮灘由中部向上部變化，并逐步達(dá)到潮灘平衡的過程[23]。其中，柱狀樣砂含量分別在62 cm、40 cm之后突然增大，粉砂和黏土的含量相應(yīng)減少，分選變差，表明沉積動(dòng)力發(fā)生了巨大變化，這可能與河口和海岸演化過程中的環(huán)境事件有關(guān)，例如極端氣候事件，如臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮等，還有人類活動(dòng)有關(guān)。此前已有學(xué)者研究表明，有一種獨(dú)特的風(fēng)暴潮存在于渤海與北黃海，是寒潮和冷空氣共同作用的[24]。同時(shí)，柱狀樣中的一部分沉積構(gòu)造含有貝殼碎片，映了沉積過程中波浪和潮流動(dòng)力對(duì)其造成的影響。此外，該地區(qū)柱狀沉積物分布的另一個(gè)主要特征是表層沉積物粒度粗化，深度不均勻但主要為0～10 cm，可能是受到遼東半島東岸沿岸泥沙流移動(dòng)方向的影響。

3.2 物質(zhì)來源

在碧流河口潮灘的塑造過程中，徑流泥沙、外海潮流攜帶懸浮沙入海與周圍海岸基巖風(fēng)化是研究區(qū)的主要物源供應(yīng)方式，其中又以碧流河入海輸送泥沙與遼東半島沿岸泥沙流為主。此外，在遼東半島東側(cè)，有一條與海岸線平行的東北—西南方向的沿岸泥沙流。從鴨綠江口開始，中途匯合河口區(qū)局部泥沙流向外延伸，當(dāng)進(jìn)入長(zhǎng)山列島內(nèi)側(cè)，泥沙流強(qiáng)度受島嶼的屏障作用逐漸減弱，至登沙河口外消失[8]，另外還有多項(xiàng)研究表明[25-27]，遼東半島河流泥沙填充和沿岸泥沙流在淺灘物質(zhì)來源供應(yīng)中起重要作用。

3.3 水動(dòng)力作用與沉積環(huán)境

水動(dòng)力強(qiáng)弱(沉積環(huán)境高能或低能)是影響沉積物粒度分布的主要原因。碧流河口附近海域柱狀樣沉積物表現(xiàn)出自上而下逐漸變粗的趨勢(shì)。在潮間帶淺灘的塑造過程中，波浪、潮汐和潮流均起重要作用，其申潮流作用更為突出，而各采樣點(diǎn)位于不同陸緣或島嶼的海陸交界潮灘，沉積物的粒度分布特征深受所在地陸源或島嶼物質(zhì)影響。本區(qū)夏半年以東南風(fēng)浪為主，冬半年則多西北風(fēng)浪，且波浪較大，全年最大波高不超過2～3 m。潮汐類型為規(guī)則半日潮，潮流方向多與海岸平行，呈往復(fù)流性質(zhì)。漲潮流向東北，落潮流向西南，漲潮流強(qiáng)于弱潮流[8]。潮流因摩擦消耗能量，沿海岸方向流速逐漸減慢。高流速的遠(yuǎn)岸潮流可將較細(xì)小的粉砂顆粒推向海岸[28]。此外，研究區(qū)周邊海域地貌出現(xiàn)岬角、小型島礁、潮溝潮道等，地貌類型復(fù)雜，也對(duì)沉積物粒度造成影響。岬角、島礁等突入海中的地形構(gòu)造造成波浪輻聚，從而形成了水動(dòng)力較強(qiáng)的沉積環(huán)境，強(qiáng)水動(dòng)力使得沉積物以正偏為主，黏土含量極少。BLH、BLH2柱狀樣沉積物粒徑橫向分布與漲潮流的流向一致，即從東北指向西南，潮流作用對(duì)沉積物輸移影響很大。碧流河口附近海域存在較多耐侵蝕的細(xì)粒物質(zhì)，屬于強(qiáng)潮流沖刷環(huán)境[29]。

3.4 人類活動(dòng)的影響

人類活動(dòng)影響水動(dòng)力條件，進(jìn)而影響沉積分布特征。從柱狀沉積物粒度的垂向變化來看，總體趨勢(shì)呈現(xiàn)為自下而上逐漸變細(xì)，粒度組分的突然變化這可能與水庫的修建有關(guān)。始建于1975年，1986年竣工的碧流河水庫是處于碧流河中游的大型水庫。水庫建成后，上游涵養(yǎng)林密度增大，水土流失狀況不斷改善，下游的洪澇災(zāi)害也得到控制，水環(huán)境得到改善[30]。始建于1998年，2001年開始蓄水的玉石水庫是一座位于碧流河支流的中型水庫。隨著兩座水庫的建設(shè)，碧流河入海水量明顯減少，水動(dòng)力逐漸減弱，潮流成為主要控制因素，導(dǎo)致柱狀樣沉積物自上而下呈逐漸變粗趨勢(shì)。前文提到各柱狀樣表層沉積物的粒度出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，一方面歸因于遼東半島東岸沿岸泥沙流，另一方面也可能與人類活動(dòng)有關(guān)。符文俠[27]等早在20世紀(jì)80年代遼東半島東岸出現(xiàn)較大規(guī)模填海用于水產(chǎn)養(yǎng)殖后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)潮流推進(jìn)到養(yǎng)殖區(qū)時(shí)，潮流受阻，流速迅速降低，但潮汐能并不立即降低，剩余的潮汐能會(huì)帶走潮間帶上部的細(xì)顆粒，使得上部沉積物出現(xiàn)粗化。

4 結(jié)論

(1)遼東半島東岸碧流河口口外海濱段潮間帶淺灘柱狀樣沉積物BLH1、BLH2主要為粉砂質(zhì)砂與砂質(zhì)粉砂，平均粒徑分布在4.25～5.54Φ間，分選較差至差，偏態(tài)基本都為正偏態(tài)，峰態(tài)以中等尖銳到尖銳為主。該區(qū)頻率分布曲線主要呈現(xiàn)不對(duì)稱雙峰或三峰狀態(tài)，并且偏向粗顆粒一側(cè)，反映了不穩(wěn)定、復(fù)雜的沉積環(huán)境和強(qiáng)烈的水動(dòng)力條件。各柱狀樣概率累計(jì)曲線變化相似，以跳躍組分居多，且跳躍組分還可細(xì)分為兩段或三段，說明該區(qū)域水動(dòng)力條件較強(qiáng)，沉積環(huán)境多變。沉積物粒度從底部向上表現(xiàn)為由粗變細(xì)的趨勢(shì)，表層沉積物0～10 cm有粗化現(xiàn)象。

(2)碧流河口潮灘的塑造過程中，河流泥沙填充和沿岸泥沙流、外海潮流攜帶懸浮沙入海與周圍海岸基巖風(fēng)化是研究區(qū)的主要物源供應(yīng)方式。此外，所在陸源或島礁基巖，潮流波浪等動(dòng)力以及人為活動(dòng)共同影響了其沉積特征，造就了水動(dòng)力較強(qiáng)、較為多變的沉積環(huán)境。柱狀樣砂含量分別在62 cm、40 cm處增大可能與河口和海岸演化過程中的環(huán)境事件有關(guān)，例如一些極端氣候事件，如臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮等，還有人類活動(dòng)有關(guān)。

(3)水動(dòng)力條件和物質(zhì)來源也受到人類活動(dòng)的影響，從而影響沉積物粒度特征。在上世紀(jì)80年代與世紀(jì)末修建的碧流河水庫與玉石水庫，以及在潮上帶人工修建的養(yǎng)殖區(qū)，導(dǎo)致沉積物來源和沉積動(dòng)力條件發(fā)生了變化，從而反映在柱狀沉積物的粒度分布特征。