黃學(xué)勇,高茂生,侯國(guó)華,張 戈,黨顯璋,3
(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)查局青島海洋地質(zhì)研究所,山東 青島 266071;3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院, 湖北 武漢 430074)
山東萊州灣是我國(guó)北方重要海灣之一,入海河流眾多,波浪、潮汐、海流等過(guò)程相互耦合多變,海岸地形地貌及海洋動(dòng)力環(huán)境演變機(jī)制復(fù)雜[1]。黃河入海物質(zhì)對(duì)萊州灣沉積格局具有重要影響[2],而南岸小清河、彌河、濰河等中小河流,東岸界河、王河、朱橋河等山溪性河流以及沿岸物質(zhì)侵蝕是沉積物的重要來(lái)源[3-6],因此萊州灣海陸交互作用對(duì)沉積環(huán)境影響的研究非常重要。
作為典型多河流交互影響區(qū)域,近30年來(lái),關(guān)于萊州灣的研究?jī)?nèi)容集中于地質(zhì)構(gòu)造、沉積環(huán)境、海陸交互作用、水動(dòng)力環(huán)境及工程建設(shè)數(shù)值模擬等方面。萊州灣地質(zhì)構(gòu)造研究主要以郯廬斷裂作為主線,運(yùn)用三維地震資料和工程地質(zhì)鉆孔等技術(shù),開(kāi)展地層格架、油氣資源儲(chǔ)蓄匯聚等研究[7]。沉積環(huán)境研究主要基于不同尺度測(cè)年數(shù)據(jù)[8-9],運(yùn)用鉆孔資料、遙感影像、歷史文獻(xiàn)等,開(kāi)展古氣候、古生物、海侵及古岸線等研究[10-11]。依托海岸帶,采用地形分析與計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理相結(jié)合,通過(guò)實(shí)地取樣、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及衛(wèi)星圖片等,開(kāi)展海岸地貌類(lèi)型劃分、岸線侵蝕與防護(hù)、港口及養(yǎng)殖區(qū)建設(shè)、人工采砂等方面研究[12-13]。數(shù)值模擬研究在萊州灣區(qū)域主要集中在水動(dòng)力及沖淤環(huán)境方面[14]等。此外,還有重金屬污染評(píng)價(jià)[15]等研究也已開(kāi)展。
然而,目前萊州灣海陸交互作用下沉積物物源、沉積動(dòng)力環(huán)境以及歷史黃河改道在沉積物中的響應(yīng)(尤其對(duì)東岸的影響)等研究仍顯不足,還需全面細(xì)致探討。在開(kāi)展上述科學(xué)研究過(guò)程中,借助有效替代指標(biāo)是必要的[16],為此,本研究依托萊州灣海域20個(gè)柱狀樣粒度信息,在收集和整理測(cè)年數(shù)據(jù)后,對(duì)海陸交互作用下萊州灣沉積特征及物質(zhì)運(yùn)移規(guī)律展開(kāi)分析,以期進(jìn)一步完善萊州灣河海交互作用的探索,為后續(xù)研究和實(shí)踐提供經(jīng)驗(yàn)參考。
萊州灣是受郯廬大斷裂帶控制、由斷塊凹陷形成的NNE向的海灣,以虎頭崖和支脈河口為界,分為東、南、西3部分[17](圖1)。東岸發(fā)育基巖海岸,地勢(shì)由NE向SW傾斜,沿岸多低緩丘陵,砂嘴、砂壩、潟湖十分發(fā)育[18]。南岸發(fā)育濰河—彌河三角洲集群,包括濱海平原、灘涂和淺海3個(gè)地帶,地勢(shì)南高北低但起伏不大[19],沿岸為狹窄帶狀沖積-海積平原。支脈河口以北為現(xiàn)代黃河三角洲,黃河對(duì)萊州灣沉積環(huán)境影響深遠(yuǎn)而巨大,但萊州灣南岸和東岸的小清河、彌河、濰河、界河、王河等對(duì)萊州灣沉積環(huán)境影響也同樣不可忽視。
圖1 萊州灣地質(zhì)及取樣位置圖[16]Fig. 1 Simple geology of Laizhou Bay and sampling sites [16]
萊州灣主要受渤海環(huán)流的余流影響,大致有西岸順時(shí)針?lè)较蛄飨?、中部和北部順時(shí)針?lè)较蛄飨狄约安澈衬鏁r(shí)針?lè)较蛄飨礫20]。夏季以東南風(fēng)為主,余流有明顯指向西北方向的趨勢(shì),黃河口南部的流系中,余流也有明顯的北向分量(圖2(a))。冬季由于強(qiáng)勁的北風(fēng)作用,區(qū)域上沿岸海域均為冬季沿岸流所代替,渤海中低鹽水在風(fēng)海流作用下,沿山東半島北岸東進(jìn)(圖2(b))。
圖2 萊州灣海洋沉積動(dòng)力環(huán)境[21]Fig. 2 The marine sedimentary environment of Laizhou Bay[21]
萊州灣波浪主要受季風(fēng)控制,以風(fēng)浪為主,受地形影響,主要為由偏東風(fēng)引起的NE-SE向浪。一年中,冬季波浪最大,其次為春季。潮流運(yùn)動(dòng)形式主要為往復(fù)流,主流方向與灣的走向一致。漲落潮流歷時(shí)和流速較為復(fù)雜,歷時(shí)差以灣口東部最大,流速差以灣口西部最大;潮汐為不規(guī)則半日潮區(qū)(圖2(c))。西部海域在黃河入海泥沙影響下,形成較高的含沙量中心。南部海域在潮流動(dòng)力作用下,海床底部沉積物發(fā)生再懸浮,呈現(xiàn)出西高東低的分布特征(圖2(d))。萊州灣附近區(qū)域多大風(fēng)天氣,遇到大風(fēng)浪時(shí),海底泥沙沖淤的平衡狀態(tài)被破壞,泥沙被掀起成為懸沙;風(fēng)停后,隨著水體紊動(dòng)強(qiáng)度減弱,超飽和懸沙沉降,含沙量逐漸減小,突然大風(fēng)天氣常引起海底的強(qiáng)烈侵蝕或淤積(圖2(e)和2(f))。
20個(gè)柱狀樣于2015年12月采用振動(dòng)取樣器進(jìn)行采集,具體位置如圖1所示。樣品在封蓋前描述頂、底巖性,密封后標(biāo)明頂、底層位,在垂直狀態(tài)下運(yùn)輸和保存。野外采集完成后,用巖心切割儀將柱狀樣沿直徑分成2份,用刻度尺標(biāo)好刻度及記號(hào)、拍照,對(duì)巖心進(jìn)行巖性描述,并做好相應(yīng)記錄。依據(jù)刻度,按5 cm厚度的等間距取子樣品,用于粒度測(cè)試。
粒度由山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心負(fù)責(zé)測(cè)定,采用國(guó)產(chǎn)Winner2008激光粒度分析儀進(jìn)行測(cè)試,儀器測(cè)試范圍為0.01~2 000 μm,誤差<1%,滿足實(shí)驗(yàn)要求。測(cè)試前首先取沉積物樣品放置于燒杯中,分別用H2O2除去有機(jī)質(zhì),用HCL去碳酸鹽,用蒸餾水除去Ca2+、H+等離子,然后加入分散劑用超聲波清洗震蕩10 min,最后將處理好的樣品用激光粒度儀進(jìn)行測(cè)量。粒級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)用Udden-Wentworth φ值表示,間隔為0.25 φ。根據(jù)每一粒級(jí)百分含量,用GRADISTAT 粒度處理軟件[21]計(jì)算平均粒徑(MZ)、分選系數(shù)(σ)、偏態(tài)(SK)和峰度(KG)。根據(jù)測(cè)試結(jié)果,計(jì)算礫(<2 φ)、砂(2~4 φ)、粉砂(4~8 φ)、黏土(>8 φ)含量,根據(jù) FOLK沉積物粒度三角分類(lèi)體系編制沉積物三角圖,繪制粒度頻率曲線和概率累積曲線[22]。其中,平均粒徑(MZ)、分選系數(shù)(σ)、偏態(tài)(SK)和峰度(KG)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參照FOLK圖解法公式[23]。
放射性核素210Pb(半衰期為22.3年)已被證實(shí)是一種適用于百年尺度的較為可靠的測(cè)年方法,近年來(lái)己被廣泛應(yīng)用于中國(guó)東部海域的現(xiàn)代沉積速率研究[24]。自20世紀(jì)80年代來(lái),諸多學(xué)者利用210Pb測(cè)年法開(kāi)展了渤?,F(xiàn)代沉積速率的研究工作。本次研究經(jīng)過(guò)收集相關(guān)文獻(xiàn)資料,選取了24組210Pb沉積速率數(shù)據(jù)[25-32],基本覆蓋了整個(gè)萊州灣海域,測(cè)得年代跨度為20世紀(jì)30年代至21世紀(jì)初。運(yùn)用Sufer15軟件進(jìn)行空間插值分析后,繪制萊州灣沉積速率分布圖。
依據(jù)粒度組分變化來(lái)反演物質(zhì)輸送過(guò)程及環(huán)境變化的方法被廣泛用于深海河口海岸帶區(qū)域,并取得了良好的效果[34-35]。本研究采用了粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差法,根據(jù)粒度組分的個(gè)數(shù)和分布范圍計(jì)算每一粒級(jí)在樣品中的標(biāo)準(zhǔn)偏差值,標(biāo)準(zhǔn)偏差值最大的粒級(jí)稱(chēng)為環(huán)境敏感粒度組分[36]。標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算公式為:
其中:s為偏差;si為樣本值;n為樣本數(shù)。
黃河口附近海域沉積速率為1. 29~9. 59 cm/a[27,30],在萊州灣乃至渤海沉積速率最高,沿黃河水下三角洲向外側(cè)沉積速率逐漸減小,萊州灣中部受黃河泥沙的影響已很小,沉積速率約為 0.31 cm/a[31],萊州灣東部沉積速率略有所增大[25,29](圖3(b)、(c)、(d)、(e))。萊州灣南部海域在20世紀(jì)90年代前沉積速率為 0.31~0.61 cm/a,自1997年后,由于濰坊港等工程建設(shè),局部海域沉積速率驟增至0.5~10 cm/a[26](圖3(f))。
圖3 萊州灣20世紀(jì)30年代以來(lái)沉積速率變化示意圖[25-32]Fig. 3 Changes of sedimentation rate in Laizhou Bay since 1930s[25-32]
本次采集的各柱狀樣粒度參數(shù)如圖4所示,柱狀樣平均粒徑(MZ) φ總體值為-0.07~7.83,平均值4.98,屬于粗粉砂粒級(jí),除萊州灣東部屺島—刁龍嘴海域個(gè)別站位的部分層位粒徑較粗外,大部分沉積物粒徑φ值>4,說(shuō)明沉積物主要顆粒組分為粉砂。分選系數(shù)σ為0.56~3.12,平均值1.47;偏態(tài)(SK)為-2.81~2.42,平均值為0.06;峰度(KG)為0.75~3.82,平均值2.02。根據(jù)FOLK圖解公式標(biāo)準(zhǔn)[22],大部分柱狀樣沉積物分選較差,整體上呈近對(duì)稱(chēng);但就單個(gè)柱狀樣而言,多表現(xiàn)為極正偏或極負(fù)偏,峰度多呈尖銳峰,指示沉積物在沉積過(guò)程中明顯受到周邊環(huán)境的改造。
圖4 萊州灣柱狀樣粒度組分與參數(shù)垂向變化示意圖Fig. 4 Vertical distribution of the grain size and composition and granularity parameters from Laizhou Bay
依據(jù)20個(gè)柱狀樣所處地理位置和粒度特征可劃分為4組:①東部屺島—刁龍嘴海域(Z1~Z5),含有較多的細(xì)礫組分;②西部黃河水下三角洲平原(Z14、Z15、Z18~Z20),黏土質(zhì)組分明顯高于其區(qū)域;③南部水下岸坡(Z7~9、Z11、Z12、Z16、Z17),粒度組分中,砂質(zhì)含量占60%~80%,黏土質(zhì)含量幾乎為0;④中部淺海平原(Z6、Z10、Z13),粒度組分雖然也以砂質(zhì)含量占優(yōu)勢(shì),但粉砂質(zhì)和黏土質(zhì)含量明顯增加,且在50~60 cm深度內(nèi)均有明顯的變化。
FOLK粒度三角圖(圖5)顯示,萊州灣淺部海域整體上由東(屺坶島—刁龍嘴海域)向西(黃河水下三角洲)粒度組分逐漸變細(xì),表現(xiàn)為屺坶島—刁龍嘴海域柱狀樣多有含礫組分,萊州灣南部水下岸坡多為粉砂質(zhì)砂,中部淺海平原沉積物主要為砂質(zhì)粉砂,至黃河水下三角洲沉積物中則多含粉砂和泥。與萊州灣現(xiàn)代表層沉積物類(lèi)型對(duì)比(圖6)可以發(fā)現(xiàn),刁龍嘴以西海域柱狀樣沉積物類(lèi)型與表層沉積物大致相對(duì)應(yīng),而屺坶島—刁龍嘴海域柱狀樣則呈現(xiàn)出礫含量偏高的特點(diǎn)。礫質(zhì)含量相對(duì)明顯的柱狀樣有Z1、Z3和Z5,有所不同的是Z5礫質(zhì)組分多分布在柱狀樣頂層,這與Z5所處位置靠近萊州淺灘有關(guān)(圖1)。Z1、Z3中礫質(zhì)組分則集中分布在柱狀樣中的70 cm、140 cm以下。根據(jù)Z1附近海域沉積速率<0.5 cm/a,Z3附近海域沉積速率約為0.9 cm/a(圖3),從取樣時(shí)間(2015年)開(kāi)始推測(cè)沉積年代,至Z1孔深70 cm和Z3孔深140 cm處年代在1855年左右,與黃河改道入渤海的時(shí)間基本上可以對(duì)應(yīng)起來(lái)。因此,屺坶島—刁龍嘴海域現(xiàn)代沉積物中粉砂質(zhì)、黏土質(zhì)等顆粒較細(xì)組分的增加與黃河1855年改道存在一定的關(guān)系。
圖5 萊州灣柱狀樣沉積物FOLK粒度三角圖Fig. 5 FOLK grain triangular diagram of core samples in Laizohu Bay
圖6 萊州灣表層沉積物類(lèi)型[37]Fig. 6 Surficial sediments types in Laizhou Bay[37]
屺坶島—刁龍嘴海域 (Z1—Z5)概率累積曲線表現(xiàn)為低斜的一段式,表明懸移質(zhì)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。粒度直方圖顯示,細(xì)礫和黏土含量都比較高(圖7)。結(jié)合FOLK粒度三角圖信息(圖5),屺坶島—刁龍嘴海域柱狀樣多含泥礫組分,具有典型重力流特征,分選性極差,說(shuō)明該海域的動(dòng)力條件相對(duì)較弱,且底床沉積物的顆粒略粗,需要較大的臨界起動(dòng)速度。在較弱的動(dòng)力條件下,發(fā)生再懸浮的幾率相對(duì)較小,致使東部海域的含沙量低于西部(圖2(d))。
圖7 粒度含量直方圖與概率累積曲線圖Fig. 7 Histogram of grain size content and probability accumulation curves
黃河水下三角洲(Z14、Z15、Z18~Z20)概率累積曲線表現(xiàn)為低斜多段式躍移質(zhì)總體含量較多,粒度直方圖呈負(fù)偏態(tài),黏土含量較高(圖7)表明所處環(huán)境比較動(dòng)蕩,能量不穩(wěn)定,處于重力流后期,能量衰減并向牽引流轉(zhuǎn)化,沉積物分選逐漸變好。
南部水下岸坡(Z7—Z9、Z11、Z12、Z16、Z17)粒度組分主要為砂質(zhì)和粉砂質(zhì),粒度直方圖呈正偏態(tài)并具尖銳的峰,概率累積曲線具有較高斜率,說(shuō)明主要由推移質(zhì)和躍移質(zhì)2段組成,僅在靠近黃河水下三角洲和屺坶島—刁龍嘴海域有一定懸移質(zhì)(圖7)。這一現(xiàn)象反映受多組多向水流反復(fù)沖刷環(huán)境影響,分選較好。底質(zhì)屬細(xì)砂和粉砂質(zhì)(圖2(b)),這種泥沙活動(dòng)性強(qiáng),在波浪、潮流作用下易于起動(dòng)懸浮、推移搬運(yùn),是本區(qū)水域泥沙淤積的主要來(lái)源。萊州灣南部地勢(shì)自岸向中心呈箕狀緩傾,等深線與岸線基本平行,河口水深淺,小清河、彌河、濰河等中小河流入??诙嗪5讻_刷槽,破波帶范圍較寬,具備形成多組多向水流的條件。
中部淺海平原(Z6、Z10、Z13)粒度直方圖大致呈對(duì)稱(chēng)分布,相比南部水下岸坡,黏土含量有所增加,概率累積曲線整體斜率較高,包括了推移質(zhì)、躍移質(zhì)和懸移質(zhì)3段(圖7)。結(jié)合萊州灣內(nèi)洋流季節(jié)性變化,可以認(rèn)為中部海域沉積環(huán)境水動(dòng)力較強(qiáng),物質(zhì)來(lái)源多樣。
各柱狀樣在薩胡沉積環(huán)境判別圖(圖8(a))上,屺姆島—刁龍嘴海域和黃河水下三角洲的柱狀樣均落點(diǎn)在重力流區(qū)域內(nèi),雖然重力流沉積多形成于(半) 深海和深湖環(huán)境[38],但結(jié)合萊州灣東西等深線變化可以發(fā)現(xiàn),該區(qū)域高差變化較大(圖8(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)),存在形成類(lèi)似重力流沉積的斜坡[39-40],因此在該淺海區(qū)形成了類(lèi)似于重力流沉積環(huán)境。但是,二者沉積環(huán)境在成因上是存在差別的,屺姆島—刁龍嘴海域等深線變化劇烈,在極短的水平距離內(nèi),高程迅速降至海平面10 m以下,岸線與河流輸送物質(zhì)在重力作用下沿陡坡向下,堆積在等深線10 m附近的范圍;黃河水下三角洲等深線在2~10 m變化,主要沉積物形成于1976—1996年黃河行水期間,1996年黃河向北改道后,萊州灣內(nèi)的水下三角洲在波浪、潮汐、極端天氣等因素影響下整體進(jìn)入侵蝕狀態(tài)[31]。相關(guān)研究表明,黃河入海泥沙難以跨越等深線傳輸,而基本在近岸海域發(fā)生快速沉積,例如,在黃河口海域的南北近岸,入海沉積物在潮流切變鋒的作用下輸運(yùn)方向相反而無(wú)法沉積,從而形成了近岸侵蝕區(qū)[41-42]。Z14、Z18、Z19位于黃河水下三角洲斜坡,與萊州灣淺海平原存在5~7 m 的高差;Z15、Z20處于黃河舊河道沖刷形成的凹槽中,與周邊攔門(mén)沙也有5~7 m的高差[43],原有水下三角洲沉積物(1976—1996年)在重力作用下形成了再次沉積。南部水下岸坡柱狀樣在薩胡沉積環(huán)境判別圖(圖8(a))上相對(duì)分散,包含了風(fēng)、濱海、河流、淺海等多種成因類(lèi)型,說(shuō)明外部動(dòng)能由西向東減小。中部淺海平原沉積環(huán)境以淺海為主,但柱狀樣因所處位置不同,沉積環(huán)境也存在差異,其中Z6所在位置流動(dòng)性較小,表現(xiàn)為重力流沉積,靠近黃河水下三角洲的Z13相比Z10也有向重力流沉積靠近的趨勢(shì)。
(a).薩胡沉積環(huán)境判別圖;(b).萊州灣等深線圖;(c).萊州灣地形圖;(d).A-A’剖面圖;(e).B-B’剖面圖;(f).C-C’剖面圖;(g).D-D’剖面圖圖8 萊州灣柱狀樣薩胡沉積環(huán)境判別圖與地形信息圖Fig. 8 Discriminant diagram of Sahu sedimentation setting and the terrain of Laizhou Bay
目前,萊州灣沉積物物源主要來(lái)自3個(gè)方向:西部黃河,南部小清河、彌河、濰河等中小河流及岸灘侵蝕,東部的海岸侵蝕和界河、朱橋河等短源河流。粒徑-標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線(圖9(a))顯示,屺坶島—刁龍嘴海域包含最粗的環(huán)境敏感粒度組分(φ=-2),這與東岸海岸性質(zhì)和沿岸河流輸入物質(zhì)有一定的關(guān)系[44]。屺坶島—刁龍嘴海域、黃河水下三角洲、中部淺海平原以及南部水下岸坡Z9、Z17的環(huán)境敏感粒度組分(φ=8)與萊州灣內(nèi)的沉積環(huán)境存在一定關(guān)系[19]:在東西部各有一支南向的泥沙流,但強(qiáng)度都不大,東部由屺坶島起始只能抵達(dá)膠萊河口以東(Z9),西部由黃河口最遠(yuǎn)到達(dá)小清河口(Z17)。
圖9 柱狀樣粒徑-標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線(a)與3≤φ≤4 組分含量特征(b)Fig. 9 Grain size-standard deviation curves(a) and 3≤φ≤4 content in cores(b)
3≤φ≤4為所有柱狀樣共有的環(huán)境敏感粒度組分,通過(guò)對(duì)比其含量特征值變化,可有效分析萊州灣淺部海域地貌單元的沉積特征(圖9(b))。目前,大風(fēng)天氣對(duì)萊州灣南岸的影響較黃河水下三角洲要小得多,主要影響近岸泥沙輸運(yùn)[20],這是因?yàn)槟喜克掳镀碌闹鶢顦哟蠖辔挥谒?~5 m,距岸相對(duì)較遠(yuǎn);而南岸由于氣候和人為原因,小清河、彌河、濰河等河流的入海水、沙量急劇減少,對(duì)水下岸坡影響極小[45]。南部水下岸坡((Z7—Z9、Z11、Z12、Z16、Z17)的環(huán)境敏感粒度組分最低含量大多>80%,且含量變化非常小,結(jié)合沿岸河流及大風(fēng)天氣影,可以說(shuō)明該區(qū)域雖然受到沿岸河流及大風(fēng)天氣影響,但其所處的沉積環(huán)境總體上比較穩(wěn)定。
(1)萊州灣現(xiàn)代沉積環(huán)境受洋流、潮汐、波浪、極端天氣、水下地貌、沿岸河流等一系列外力因素的影響,雖然存在沉積物粒度特征的區(qū)域差異,但成因和分布特征具有明顯的關(guān)聯(lián),可以劃分為屺坶島—刁龍嘴海域、黃河水下三角洲、南部水下岸坡和中部淺海平原4個(gè)地貌單元,其中黃河水下三角洲形成時(shí)間略晚于其他3個(gè)地貌單元。
(2)東部屺坶島—刁龍嘴海域粒度組分突變與黃河1855年改道在時(shí)間上有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,其與黃河水下三角洲表現(xiàn)為類(lèi)似重力流沉積環(huán)境,但屺坶島—刁龍嘴海域更多是由于高程的急劇變化引起的,而黃河水下三角洲主要成因是早期三角洲沉積物在一系列外力作用下的再次沉積。
(3)南部水下岸坡沉積環(huán)境雖然受風(fēng)、河流及海洋多種因素影響,但整體上處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的沉積環(huán)境中。中部淺海平原因所處位置不同,表現(xiàn)為不同類(lèi)型的沉積環(huán)境。