河口海岸沉積層理特征與形成機(jī)制

周曾 劉瑤 吳一鳴 徐凡 范代讀 張長(zhǎng)寬

摘要：河口海岸地處海陸交界帶，其沉積層理特征與形成機(jī)制是沉積動(dòng)力學(xué)、動(dòng)力地貌學(xué)和地層學(xué)等學(xué)科方向的研究熱點(diǎn)，對(duì)評(píng)價(jià)海岸工程環(huán)境效應(yīng)、重建沉積古環(huán)境等具有重要參考價(jià)值。通過(guò)梳理河口海岸區(qū)域徑流、潮汐、波浪等多種動(dòng)力因子作用的研究成果，歸納不同動(dòng)力主導(dǎo)作用形成的沉積層理特征，剖析3種基本動(dòng)力對(duì)沉積層理塑造的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，闡釋洪水、風(fēng)暴偶發(fā)動(dòng)力因子以及生物擾動(dòng)、海平面變化、圍墾工程等其他影響因子對(duì)沉積層理形成和保存的作用機(jī)理。同時(shí)，總結(jié)了數(shù)值模擬手段在沉積層理形成和破壞機(jī)制解譯方面的應(yīng)用及取得的機(jī)理認(rèn)知，提出在河口海岸沉積層理時(shí)空尺度認(rèn)知、多因素耦合反演模型開(kāi)發(fā)應(yīng)用等方面有待進(jìn)一步研究的科學(xué)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：沉積層理;河口海岸;動(dòng)力地貌;形成機(jī)制;數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TV122??文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A??文章編號(hào)：1001-6791（2024）01-0167-16

河口海岸的地貌形態(tài)與沉積特征不僅涉及其沉積歷史過(guò)程和層序地層分析，而且對(duì)沉積物、營(yíng)養(yǎng)物和其他溶解、懸浮成分在地球表面的運(yùn)動(dòng)輸送造成了主要限制［1］，泥沙分層特性還可用于分析地貌演變、生態(tài)系統(tǒng)變化以及歷史地理演替規(guī)律。近年來(lái)，淺海區(qū)域沉積層理已經(jīng)成為地質(zhì)專業(yè)研究熱點(diǎn)，對(duì)解釋古水流、沉積物通量類(lèi)型以及沉積環(huán)境演變具有重要參考價(jià)值，層序地層演化機(jī)制的梳理總結(jié)也能為古環(huán)境重建提供理論基礎(chǔ)［2-3］。例如，通過(guò)分析連續(xù)沉積記錄以及數(shù)值模擬，重現(xiàn)新石器時(shí)代良渚文化由于海平面上升導(dǎo)致風(fēng)暴水澇災(zāi)害從而崩潰衰變的發(fā)展過(guò)程［4］。了解河口海岸區(qū)域的沉積層理形成機(jī)制有利于跨學(xué)科研究，并作為未來(lái)河口水動(dòng)力分析、沉積環(huán)境沖淤變化推斷和河口海岸區(qū)域可持續(xù)管理的理論基礎(chǔ)。

河口海岸區(qū)域通過(guò)相互連通的水流通道實(shí)現(xiàn)海陸間物質(zhì)輸送交換，這一區(qū)域包括陸地-近海連續(xù)體的地貌特征以及整個(gè)沉積體的地質(zhì)特征，其演變是高度動(dòng)態(tài)的。沉積層理是沉積物三維排列的表征，由顏色、粒度、礦物組分、沉積結(jié)構(gòu)等特征變化所產(chǎn)生的宏觀特征。泥沙的起動(dòng)、輸送、沉積等過(guò)程是河流、海洋水動(dòng)力條件的具體表現(xiàn)，也是水動(dòng)力作用于沉積層理形成過(guò)程的媒介。徑流、波浪、潮汐、風(fēng)暴潮等動(dòng)力因素通過(guò)影響沉積物粒度、沉積物輸送量、生物擾動(dòng)等方面進(jìn)一步改變沉積體系構(gòu)成［5］。除了不同水動(dòng)力因素，海平面上升、人類(lèi)活動(dòng)、泥沙自身的電化學(xué)特性及物理特性等也會(huì)影響泥沙運(yùn)動(dòng)模式［6-7］，從而影響河口海岸沉積形態(tài)和層理特征［8-9］。

由于不同類(lèi)型水動(dòng)力作用，或是不同水動(dòng)力相互作用的強(qiáng)度差異，沉積混合過(guò)程往往反復(fù)疊加或者相互抵消，使得沉積演變更為復(fù)雜，呈現(xiàn)不同的沉積層序特性。各組分沉積物的分帶性、分層性會(huì)影響河口、潮灘等生態(tài)系統(tǒng)的分布以及健康狀況［10］。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、鉆孔取樣分析等方法，有關(guān)河口海岸潮灘層理形成破壞過(guò)程、作用因素的研究已有了大量討論。作為沉積體系的重點(diǎn)分析內(nèi)容，早在1965年，Evans［11］選取一系列60 cm長(zhǎng)的短柱樣對(duì)英國(guó)Wash潮灘的沉積環(huán)境進(jìn)行研究，將廣闊的潮灘區(qū)域劃分為7個(gè)具有不同表面特征、生物量、沉積物組合以及沉積結(jié)構(gòu)的沉積亞環(huán)境。此后，有關(guān)世界各地河口海岸潮灘的沉積層理特征研究逐漸增加，如英國(guó)西威爾士Dyfi河口、澳大利亞南部、中國(guó)長(zhǎng)江三角洲、韓國(guó)西海岸慶吉灣等［12-15］，以及古今的對(duì)比研究，如挪威近海Halten階地南部、美國(guó)猶他州Ferron Notom三角洲等［16-17］。因此，本文旨在總結(jié)河口海岸區(qū)域沉積層理特征與形成機(jī)制，通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬等來(lái)闡述沉積層理形成過(guò)程，以期進(jìn)一步推進(jìn)各動(dòng)力作用在沉積層序影響機(jī)制的解譯，并對(duì)本學(xué)科有待更深層次研究的科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 河口海岸沉積層理特征概述

河口海岸沉積物輸送搬運(yùn)模式、層序地層的三維構(gòu)形、沉積層理分布及規(guī)律等都與潮汐、河流、波浪等水動(dòng)力因素密切相關(guān)?，F(xiàn)代研究者無(wú)法身臨其境地觀察歷史地質(zhì)沉積特征，通常依賴對(duì)現(xiàn)代環(huán)境中沉積相的深入研究來(lái)類(lèi)比分析。雖然地層絕對(duì)年齡可以通過(guò)同位素衰變?cè)泶_定，但是由于底床差異、事件缺失等原因，同一時(shí)空的地層鉆孔取樣插值分析精度有限，地質(zhì)歷史的多解性仍然存在，層序地層時(shí)空尺度的認(rèn)知有待加強(qiáng)。大量現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和沉積物巖芯取樣分析表明，河口海岸地區(qū)存在砂泥交替堆積的沉積層序［12，15］。由于多種動(dòng)力共同影響，其沉積序列解釋通常復(fù)雜且充滿不確定性，不同動(dòng)力條件下形成的沉積層理特征各異，典型潮汐沉積構(gòu)造包括雙向交錯(cuò)層理、潮汐韻律層、S形交錯(cuò)層理、復(fù)合交錯(cuò)層理等（圖1，據(jù)文獻(xiàn)［15，17-27］繪制）。

河口海岸通常向陸方向坡度變大，潮汐受淺水效應(yīng)影響潮差向陸增大，潮汐能量聚集，潮流作用向陸增強(qiáng)［28］。在潮汐作用顯著的河口海岸區(qū)域，受漲落潮流速度或是大小潮周期性變化影響，沉積物在沉積過(guò)程中常形成特殊的砂泥互層狀層理，被稱為潮汐層理，其紋層厚度隨著基準(zhǔn)面變化和沉積物通量等的相互作用而發(fā)展變化。在潮汐水道出現(xiàn)側(cè)向加積的規(guī)律性砂質(zhì)紋層，被定義為潮汐束狀體（tidal bundles）沉積層系［29］。受潮汐影響時(shí)，河口三角洲前緣環(huán)境中存在遠(yuǎn)端沉積，輸送到近海區(qū)域的泥沙被三角洲前緣和淺陸架上的潮流重新分配。潮汐層理是潮汐作用下橫向、垂向的薄層細(xì)砂、粉砂和泥層交疊產(chǎn)生的沉積構(gòu)造，其層厚、粒度變化呈現(xiàn)出一定規(guī)律［30］。在長(zhǎng)江三角洲潮坪和江蘇中部潮灘現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，半日潮產(chǎn)生的紋層為毫米級(jí)，約1～5 mm，半月潮產(chǎn)生的韻律層為厘米級(jí)，約1～3 cm;潮汐紋層數(shù)量理論上與漲落潮次數(shù)相等，但由于不間斷沖刷，實(shí)際觀測(cè)層數(shù)往往少得多，推算百年尺度潮坪層偶保存率僅有0.74%［31-32］。

河流通過(guò)各分流通道向近海區(qū)域輸送沉積物。徑流作用強(qiáng)烈的河口流速大，分流河道多，泥沙通過(guò)固定河流通道向海方向淤積延伸，如密西西比河三角洲。徑流作用強(qiáng)，相對(duì)較弱的波浪、潮汐作用不能完全對(duì)沉積地層進(jìn)行再改造，因此徑流影響的地層層序得以保存，相較潮汐層理厚度更大，通常幾厘米到十幾厘米［33］。三角洲沉積地層通常向上單層厚度增加、粒徑變粗，其上覆分流河道沉積的粒徑最粗，發(fā)育正粒序遞變層理、槽狀交錯(cuò)層理等。在遠(yuǎn)三角洲前緣出現(xiàn)的河口壩沉積相與末端分流河道有部分重疊，常見(jiàn)的是粒徑級(jí)配變化的板狀交錯(cuò)層理。由于河流流量較大、河口處鹽度向海單調(diào)遞增以及高密度流導(dǎo)致的沉積物異重流，都不利于底棲生物定居，生物擾動(dòng)程度較低［5］。

波浪對(duì)河口海岸沉積層理的影響取決于海岸形態(tài)和近岸水深。河流流量減少和相對(duì)海平面上升都會(huì)加劇波浪對(duì)河口海岸的改造作用。波浪能量從陸架向海岸淺水區(qū)增加，之后因破碎作用和底摩擦能量耗散等而快速衰減［28］。波浪作用為主的沉積環(huán)境通常保存有丘狀交錯(cuò)層理、低角度交錯(cuò)層理等。海洋環(huán)境中波浪作用主導(dǎo)的沉積往往砂層分選良好，生物擾動(dòng)程度中等到強(qiáng)烈，并且存在貝殼碎片［34］。前濱被破碎波浪沖刷和反沖，形成獨(dú)特的板狀和楔狀層理，并且向海有2°～3°的傾斜［35］。分流河口壩沉積物偏砂質(zhì)，該區(qū)域波浪作用導(dǎo)致細(xì)顆粒沉積物再懸浮而阻礙了泥質(zhì)沉積［28］。

生物擾動(dòng)會(huì)造成層理間不同類(lèi)型泥沙顆粒的搬運(yùn)和摻混，形成高多樣性的生物擾動(dòng)砂巖與粉砂巖或泥巖互層（圖1（d））［20］。風(fēng)暴潮不斷侵蝕平靜天氣累積的淤積，也會(huì)在潮灘上部造成厚度大、含砂量高的淤積帶。江蘇中部潮灘現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明，灘面侵蝕一般為5～10 cm，淤積層厚度為2 cm［31］。而在其他近岸區(qū)，臺(tái)風(fēng)事件沉積層厚為0.5～50 cm（圖1（e））［27］。河流洪水事件層的識(shí)別特點(diǎn)是黏土含量高（占總質(zhì)量的20%～40%）、地層內(nèi)部分層以及短期內(nèi)沉積層沉積速率高［36］。

2 不同動(dòng)力條件下河口海岸沉積層理形成過(guò)程

河口海岸沉積層理的形態(tài)特征受控于動(dòng)力條件，最早的試驗(yàn)研究是Terwindt等［37］通過(guò)管流試驗(yàn)驗(yàn)證近岸河道中波紋、透鏡狀等層理的形成機(jī)制，測(cè)量流速和沉積物臨界起動(dòng)切應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)潮流臨界速度的微小差異是形成不同層理形態(tài)的重要因素。后續(xù)Sato等［38］同樣利用管流試驗(yàn)探究層理的形成過(guò)程和保存潛力，將層理形成過(guò)程描述為濃度高的A型泥層先因流速降低而沉降形成波紋狀褶皺，濃度低的B型泥層隨后沉淀，填充波紋凹槽。由于物理模型試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)、水動(dòng)力模擬困難，因此相關(guān)試驗(yàn)研究較少。本節(jié)重點(diǎn)從現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)角度闡釋沉積層理的形成過(guò)程。河流入海流量、挾沙量和海洋水動(dòng)力作用強(qiáng)弱都會(huì)改變其所在淺海陸架的沉積層序，由于混合作用往往同時(shí)發(fā)生，或是前者形成的沉積物被后者中斷甚至再改造，其沉積構(gòu)造保存在同一地層中，各動(dòng)力作用的識(shí)別、判斷復(fù)雜［34］，學(xué)界常通過(guò)分析河口海岸主導(dǎo)水動(dòng)力對(duì)沉積層理特征的塑造來(lái)闡述其形成和演變機(jī)制。Rossi等［34］考慮沉積構(gòu)造形成的復(fù)雜性，通過(guò)大量文獻(xiàn)調(diào)研，建立了描述混合過(guò)程的沉積層理巖相解釋，用沉積構(gòu)造中每個(gè)主導(dǎo)過(guò)程所占概率或可能性來(lái)量化解釋沉積過(guò)程的復(fù)雜多變性（圖2）。以下基于這個(gè)思路，分別介紹不同動(dòng)力條件主導(dǎo)下河口海岸沉積層理形成、破壞等演變過(guò)程。

2.1 潮汐作用主導(dǎo)

河口海岸潮灘沉積物供應(yīng)豐富，通常由非黏性砂（粉砂、細(xì)砂）和黏性沙共同組成，沉積形態(tài)多變，尺度跨越大，既有數(shù)十米的潮汐韻律巖和水下沙丘又有潮灘上毫米級(jí)的微型沉積層理。Reineck等［39］首次將沉積層理按照幾何形態(tài)和砂泥成分的不同進(jìn)行分類(lèi)，如壓扁層理、波狀層理（圖1（a））和透鏡狀層理，這些較為常見(jiàn)的潮汐層理的形成與潮流或者波浪與潮汐憩流的交替作用有關(guān)。在潮流運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)不同粒徑的砂顆粒運(yùn)動(dòng)并沉積形成砂質(zhì)層;而在漲停、落憩階段，潮流近似停滯，粒徑較小的黏土沉降形成泥質(zhì)層。強(qiáng)潮流環(huán)境中的侵蝕和沉積變化將影響沉積相帶和彼此堆疊模式的變化，反映在不同的沉積構(gòu)造中。全球范圍內(nèi)受到強(qiáng)潮汐影響的部分大型河口，例如長(zhǎng)江、恒河、亞馬遜河等，寬敞的河-海匯流區(qū)域、低緩的坡度都為潮汐作用提供了基礎(chǔ)［28］。Klein［40］發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)潮流作用形成的床面在反方向非優(yōu)勢(shì)潮流侵蝕作用參與下的不連續(xù)沉積界面，可看作是潮流歷時(shí)-速度不對(duì)稱性的證據(jù)，并將其定義為沉積再作用面（圖1（a））。

潮汐沉積保存往往與海侵相關(guān)。美國(guó)Sego砂巖保存有明顯的潮汐沉積相，主要表現(xiàn)為泥質(zhì)覆蓋的復(fù)合沙壩，沙壩中常見(jiàn)水流波紋交錯(cuò)層理，少見(jiàn)平行砂質(zhì)層與含有雙殼軟體動(dòng)物化石的夾層交替沉積。潮汐主導(dǎo)的砂巖發(fā)育向上變粗沉積層序和波狀交錯(cuò)層理。潮汐作用強(qiáng)烈的沉積構(gòu)造中單、雙黏土層分布廣泛，橫向分隔砂層，形成砂質(zhì)和泥質(zhì)層交替沉積這一典型潮控三角洲沉積特征［41］。潮汐作用還體現(xiàn)在沉積體內(nèi)部的非均質(zhì)性，在砂層內(nèi)部和層理間都留有更多泥質(zhì)，內(nèi)部泥質(zhì)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜［20］。泥沙表層粒徑對(duì)于潮汐能量梯度向陸方向減弱的響應(yīng)會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)波浪缺失，僅有潮汐存在時(shí)，表層泥沙粒徑向陸變細(xì)［30］。而在垂直方向上，Archer［42］將全球各地潮汐測(cè)站的數(shù)據(jù)應(yīng)用于周期性潮汐韻律的建模研究，指出潮汐漲落速度和周期性變化傾向于形成垂向沉積層理。后續(xù)其他實(shí)地觀測(cè)研究也指出垂向沉積物呈現(xiàn)分層特征。

此外，潮汐層理的韻律性被解釋為對(duì)該地區(qū)周期性增減潮流的響應(yīng)，如半日、半月、月、季度到年不等的潮汐周期，表現(xiàn)為不同潮汐層理序列、層紋厚度的循環(huán)變化。Visser［29］開(kāi)創(chuàng)性地將潮灘沉積層理與潮汐作用以及天體運(yùn)動(dòng)聯(lián)系到一起，將單個(gè)砂/泥質(zhì)層作為一個(gè)潮汐周期內(nèi)的沉積產(chǎn)物。在韓國(guó)西海岸貢索灣觀測(cè)中，半日潮形成日不均衡的厚薄交替層，疊加組成層紋厚度的正弦變化（大小潮周期），且較厚層粒徑更粗［43］。任美鍔等［44］和李炎等［45］分別在江蘇王港地區(qū)、浙江大目涂潮坪的潮灘剖面進(jìn)行周期性觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)單個(gè)潮周期的漲、落循環(huán)期間，高潮憩流時(shí)間過(guò)短不足以形成砂泥交替的薄互層理;半月大小潮循環(huán)期間，大、小潮分別沉積砂和泥，形成周期性的砂泥交替薄層層理;并且受到季節(jié)性水動(dòng)力影響，灘面冬淤夏沖動(dòng)態(tài)變化，高潮位的季節(jié)變化會(huì)對(duì)潮間下帶中上部造成不同程度的侵蝕。楊世倫等［46］指出長(zhǎng)江三角洲區(qū)域的季節(jié)性沖淤交替與潮差、風(fēng)浪、來(lái)沙量等因素有關(guān)，例如在雨季，由于沙量增加形成異常厚的大小潮潮汐束。

2.2 河流作用主導(dǎo)

河流是河口海岸區(qū)域最重要的沉積物來(lái)源之一，沉積物輸入通量和持續(xù)時(shí)間差異是形成不同內(nèi)部沉積特征的原因。Flaig等［20］嘗試通過(guò)巖相分析探究美國(guó)科羅拉多州Loyd三角洲的沉積特征，河流流量的季節(jié)性變化直接影響輸沙量，短期內(nèi)輸入的大量泥沙主要以平行層狀砂巖為主（圖1（b））;在長(zhǎng)期的低河流流量期間，海洋動(dòng)力改造和強(qiáng)烈生物擾動(dòng)形成了細(xì)粒為主的泥質(zhì)蓋層。另一個(gè)典型的河控三角洲——美國(guó)猶他州Panther Tongue三角洲，被認(rèn)為泥沙以推移質(zhì)形式向淺海推進(jìn)，雖然與Loyd三角洲一樣都受到河流洪水期影響，但主要發(fā)育平行層理、浪流復(fù)合波紋交錯(cuò)層理或有機(jī)質(zhì)含量豐富的不對(duì)稱波紋狀粉砂層或砂層，生物擾動(dòng)強(qiáng)度較低，泥質(zhì)層稀少。軟沉積變形構(gòu)造出現(xiàn)在濁流和滑塌導(dǎo)致的重力沉積相中，有卷曲層理、倒轉(zhuǎn)褶皺等（圖1（b）），表明河流作用下，河口壩和上三角洲前緣的泥沙快速沉積負(fù)荷或是三角洲前緣坡度過(guò)大導(dǎo)致松散沉積物滑塌堆積［47］。

河流中沉積物的存在會(huì)影響湍流強(qiáng)度從而進(jìn)一步改變沉積過(guò)程，即使在水流或砂層中添加少量黏土顆粒，也會(huì)形成截然不同的床面形態(tài)［48］?，F(xiàn)代黃河三角洲研究中，高密度流較為常見(jiàn)，從河口到三角洲前緣呈現(xiàn)出特征性的濁積巖薄層沉積［49］。河流洪水期，高密度流攜帶的陸源有機(jī)碎屑會(huì)保存在波紋砂層中。波紋狀砂質(zhì)韻律層理、水平狀泥質(zhì)層與粉砂層的交替都是由類(lèi)似水動(dòng)力反復(fù)作用形成的。Baas等［18］總結(jié)了水流流速迅速降低時(shí)砂、泥混合物在河床形成過(guò)程中的作用，發(fā)現(xiàn)泥沙濃度高可能會(huì)在湍流較強(qiáng)時(shí)產(chǎn)生較大的水流波紋，有利于保存坡度低緩的床面，可能產(chǎn)生砂質(zhì)和泥質(zhì)混合的交錯(cuò)層理（這種交錯(cuò)層理往往出現(xiàn)在流速周期性變化時(shí)，例如潮汐環(huán)境）。除了河流作用強(qiáng)烈阻礙了其他動(dòng)力對(duì)沉積層理的改造之外，地形地勢(shì)的限制和變化也可能有利于河流作用為主的沉積地層的形成和保存。例如，沉積層序發(fā)育晚期，珠江口陸架邊緣三角洲集中發(fā)育在開(kāi)平地區(qū)，使得后期該地區(qū)凹陷并為河流分流、沉積物沉積提供了場(chǎng)所［50］。波浪作用的河口處，波浪形成的障壁島、沙洲也會(huì)阻擋后續(xù)風(fēng)暴，得以保留部分河流作用沉積地層。

偶發(fā)的洪水事件會(huì)導(dǎo)致沉積記錄被大規(guī)模侵蝕或覆蓋。洪水的特點(diǎn)是河流流量和含沙量的急速增長(zhǎng)［51］。洪水沉積和風(fēng)暴泥沙再懸浮對(duì)三角洲最終地層保存形態(tài)影響重大。洪水期間，異重流作為河流的水下延伸，輸送大量沉積物以密度驅(qū)動(dòng)的底流形式進(jìn)入海水，產(chǎn)生的沉積相與正常情況顯著不同。雖然大部分研究認(rèn)為粒序遞變層是河流作用的結(jié)果（圖1（b）），但是也有部分研究認(rèn)為粒序遞變層是由風(fēng)暴洪水造成的，沉積物在風(fēng)暴減弱階段重新起動(dòng)并被再改造［17］。洪水過(guò)程的增強(qiáng)和短期內(nèi)大量沉積物的供應(yīng)，從羽流沉降的沉積物形成了向海變薄和向海變細(xì)的沉積楔。洪水情況下的分層是湍流減少的結(jié)果，雖然羽流回流有助于沉積物在近岸沉積，在極端洪水排放期間，仍可能發(fā)生高分層［52］。河流洪水這一偶發(fā)事件引起的快速沉積會(huì)抑制泥沙顆粒在被埋藏前的改造作用。此外，漸進(jìn)交叉分層和爬升波紋的S形斜坡被看作是洪水對(duì)沉積環(huán)境造成影響的顯著特征，其中爬升波紋層理的形成與高懸沙量的湍流產(chǎn)生的牽引力和沉降過(guò)程有關(guān)［53］。

2.3 波浪作用主導(dǎo)

波浪對(duì)河口沉積層理的改造體現(xiàn)在對(duì)河流輸入到沿海和近岸堆積的沉積物的再搬運(yùn)。在潮灘、海灣實(shí)地觀測(cè)中，Janssen-Stelder［54］和Allen等［55］實(shí)地測(cè)量水位、流速、懸沙濃度以及泥沙沉積等數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在荷蘭Wadden海域潮灘和英國(guó)Severn河口都出現(xiàn)弱波浪作用時(shí)，沉積物向岸輸移，發(fā)生淤積;而強(qiáng)波浪作用時(shí)，沉積物中的細(xì)顆粒則大多向海運(yùn)動(dòng)，發(fā)生潮灘侵蝕。Lee等［56］在韓國(guó)西海岸半封閉的Garolim灣布置潮汐沉積動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)歷時(shí)15d的冬季泥沙輸移過(guò)程，結(jié)果顯示，波浪的存在會(huì)引起底部沉積物的再懸浮，使得懸沙濃度增高，從而在退潮過(guò)程中隨水流向海輸移，造成侵蝕。

波浪從海到陸相對(duì)強(qiáng)度變化，對(duì)沉積層理作用呈現(xiàn)出空間差異性。受波浪影響較大的區(qū)域，如巴西圣弗朗西斯科河三角洲，一維模型顯示向海岸進(jìn)積時(shí)產(chǎn)生了以砂為主的向上粗化序列。通過(guò)對(duì)現(xiàn)代三角洲實(shí)例的調(diào)查，Bhattacharya等［57］發(fā)現(xiàn)受波浪影響的三角洲在平面形態(tài)和地層沉積相方面都表現(xiàn)出不同的非對(duì)稱性。非對(duì)稱三角洲上下游不同葉瓣之間存在泥沙分布和巖相結(jié)構(gòu)的差異，上游葉瓣泥沙供給多通常發(fā)育成灘脊平原，前三角洲泥質(zhì)層和三角洲下游葉瓣有關(guān)，下游側(cè)形成波浪主導(dǎo)的沙嘴和沙壩，保護(hù)潟湖和海灣，保留內(nèi)部徑流和潮汐沉積過(guò)程，避免波浪再改造。Li等［22］研究美國(guó)猶他州Ferron砂巖沉積學(xué)時(shí)發(fā)現(xiàn)，波浪主導(dǎo)的濱海剖面粒徑向上變粗，層內(nèi)生物擾動(dòng)程度為輕度到中度，近海陸架為泥質(zhì)沉積物，下濱面沉積有丘狀交錯(cuò)層理（圖1（c）），上濱面則為米級(jí)、分米級(jí)低角度交錯(cuò)砂巖層（圖1（c））。由于波浪沖刷和沉積物輸入?yún)T乏，相對(duì)海平面、沉積物供應(yīng)和波浪氣候在10～1 000 a尺度的微小變化，可能會(huì)在海岸陸架形成獨(dú)立的斜坡表面，生成的斜坡可以幫助識(shí)別外側(cè)的控制因素。在波浪作用強(qiáng)的河口前緣序列中觀察到沉積記錄中斷，河流洪水事件層厚和混合急速減少，且生物擾動(dòng)強(qiáng)度增加。

風(fēng)暴潮等極端氣象條件也會(huì)造成垂向泥沙重組現(xiàn)象［23］。風(fēng)暴具有高能量和偶發(fā)性，攜帶的泥沙通量可能比平靜天氣下的泥沙通量大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。極端風(fēng)暴貢獻(xiàn)的沉積物增加量甚至足以抵消幾十年來(lái)由于海平面上升而導(dǎo)致的預(yù)計(jì)海岸線退縮［58］。突發(fā)風(fēng)暴引起床面剪切應(yīng)力增加，決定沉積物通量和擴(kuò)散模式，可以將較粗的沉積物帶向近岸沉積，在沉積物水平分布和垂直沉積層理特征上都具有明顯影響效果［59］。風(fēng)暴期間，水流和波浪組合產(chǎn)生的高床層剪切應(yīng)力會(huì)帶走洪水期間沉積的物質(zhì)［52］。Fan等［60］分析長(zhǎng)江三角洲泥沙沉積層理時(shí)，指出強(qiáng)風(fēng)浪和潮流會(huì)形成厚層、粗粒徑層理；并且越靠近海側(cè)，風(fēng)暴影響的沉積越顯著，形成更厚的單層沉積和更多的風(fēng)暴沉積層。王建等［31］觀測(cè)江蘇中部潮灘，收集風(fēng)暴潮期間柱狀樣，通過(guò)粒度統(tǒng)計(jì)分析得到泥沙構(gòu)造變化情況，臺(tái)風(fēng)期間泥沙的沉積變化隨深度增大，粒徑遞增以及泥沙層理都發(fā)育顯著。Budillon等［61］在意大利薩勒諾灣的巖石地層和地震勘測(cè)研究中指出，風(fēng)暴沉積也會(huì)呈現(xiàn)出砂質(zhì)層占比多、底接觸面突變、與泥質(zhì)層互成層理的現(xiàn)象。

風(fēng)暴引起的迅速增水與強(qiáng)潮共同作用會(huì)改變海岸沉積物的運(yùn)輸格局，在潮灘和沙質(zhì)海岸呈現(xiàn)出明顯的演變特征差異［62］，并且存在向陸方向砂層厚度減小、出現(xiàn)非常態(tài)的砂礫質(zhì)層和生物擾動(dòng)跡象等其他特征。Peng等［23］對(duì)Orinoco三角洲的地層結(jié)構(gòu)及演替進(jìn)行了分析，佐證了河流、潮汐、波浪的相互作用，并且風(fēng)暴潮改造占主導(dǎo)作用時(shí)，三角洲前緣泥沙組成向上變粗、加厚，形成波紋狀分層砂巖，由于該地區(qū)異常快速的沉降（平均大于1 km/Ma）會(huì)阻礙風(fēng)暴潮對(duì)河流、潮汐形成沉積層的再改造。白令海以北的育空河呈現(xiàn)出粗顆粒砂和粉砂、陸源淤泥交錯(cuò)的夾層，厚度為厘米/分米級(jí)，該夾層被認(rèn)為是風(fēng)暴或者風(fēng)海流引發(fā)的泥沙通量變化記錄。偶發(fā)的高能量風(fēng)暴事件造成的沉積往往呈現(xiàn)出厚層狀（可達(dá)60 cm）的丘狀交錯(cuò)層理，臺(tái)風(fēng)期間的強(qiáng)浪會(huì)使得底床受到強(qiáng)烈侵蝕，風(fēng)暴會(huì)造成砂巖層之間泥巖夾層的丟失，丘狀交錯(cuò)層理和含有生物擾動(dòng)跡象的砂巖層交替是平靜天氣和風(fēng)暴交替情況下風(fēng)暴占主導(dǎo)地位的沉積特征［5］。

2.4 波浪、潮汐、河流共同作用

隨著對(duì)河口海岸沉積體系以及沉積層理研究的不斷深入，一些研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代很多河口區(qū)域的沉積特征不僅僅受到單一水動(dòng)力因素控制［28，63］，混合過(guò)程在時(shí)間和空間尺度上的共同作用使得沉積系統(tǒng)更為復(fù)雜。例如，潮汐運(yùn)動(dòng)抵消了河流向海岸輸沙能力的降低，使沉積重心向海移動(dòng)，并且受潮汐影響的分流河道遷移率較低，潮汐的存在減少了三角洲分流河道流量分配的不對(duì)稱性［64］。潮汐和徑流的共同作用往往會(huì)使三角洲河口的沉積層反復(fù)疊加。河流主導(dǎo)的沉積在經(jīng)歷較強(qiáng)潮汐變化時(shí)，徑流和沉積物輸入保持在較低水平，可能會(huì)在砂質(zhì)前積層之間呈現(xiàn)出更厚、更細(xì)、更廣泛的生物擾動(dòng)互層［20］。基于動(dòng)力過(guò)程的三端元法現(xiàn)代海岸地貌分類(lèi)中，有近3成的海岸受到波浪、潮汐、河流混合作用的控制［65］。由于河口海岸的存在歷時(shí)久，覆蓋范圍廣，其沉積過(guò)程也會(huì)隨著動(dòng)力作用在時(shí)間和空間上的差異性而有所不同。在全新世三角洲演替過(guò)程研究中發(fā)現(xiàn)，大型三角洲由于水動(dòng)力強(qiáng)度交替變化，可能經(jīng)歷3種常見(jiàn)的動(dòng)力過(guò)程變化：從徑流主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ɡ酥鲗?dǎo)，如密西西比河三角洲;從潮汐主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ɡ酥鲗?dǎo)，如湄公河三角洲;從徑流主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)槌毕鲗?dǎo)，如印度尼西亞馬哈坎三角洲［66］。波浪控制的三角洲或者濱海沉積物通常被受河流、潮汐影響的分流河道阻斷，而后被潮汐形成的砂泥互層和陸架沉積物覆蓋［67］。不同強(qiáng)度的潮汐和波浪作用會(huì)在潮灘底床產(chǎn)生交錯(cuò)層理，如雙向或人字交錯(cuò)層理、沉積再作用面。珠江口水動(dòng)力特征研究指出，徑流作用和潮汐作用在河口處相互對(duì)立，此消彼長(zhǎng)，豐、枯水期，徑流和潮汐交替占主導(dǎo)地位［68］。空間位置不同也會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力因素差異，例如，珠江三角洲西北部分流河口是以河流作用為主的徑流動(dòng)力體系，而北部和中部則是潮汐為主導(dǎo)因素，納潮量是徑流量的3.6倍。

Flaig等［20］對(duì)美國(guó)科羅拉多州Campanian三角洲在河流、潮汐交替影響下的沉積特征進(jìn)行分析，在河流洪水期大量泥沙輸入河口區(qū)，洪水期結(jié)束河流流量逐漸減小，泥沙被潮汐改造并受到強(qiáng)烈生物擾動(dòng)，形成生物多樣性豐富的砂泥互成層理。Gugliotta等［69］采集湄公河三角洲在河流-海洋過(guò)渡帶的沉積物樣本，分析沉積過(guò)程，結(jié)果表明，上游河道砂較多，泥沙供應(yīng)和沉積受徑流影響；下游河道懸浮泥沙受潮汐主導(dǎo)、徑流次要影響，出現(xiàn)泥砂交替的潮汐韻律層，且旱季雨季沉積變化顯著。波浪和徑流相互作用的影響由波浪強(qiáng)度和入射方向決定。波浪相對(duì)較弱時(shí)，將河口沉積物向兩側(cè)搬運(yùn)，并且水流的摻混運(yùn)動(dòng)會(huì)增加河口底床切應(yīng)力，增加射流擴(kuò)散;波浪作用過(guò)強(qiáng)時(shí)，會(huì)帶走河流沉積物，限制河口壩發(fā)育。有波浪情況和無(wú)波浪情況相比，形成的河口壩距離河口近35%，且形成速度快40%［70］。Zhang等［67］重新解釋了墨西哥灣Lower Wilcox三角洲的地層變化過(guò)程。過(guò)去認(rèn)為該三角洲是典型的河控三角洲，而最新研究發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槌练e物供應(yīng)減少，相對(duì)海平面上升，以及陸架邊緣不斷進(jìn)積形成的寬闊陸架，晚期Lower Wilcox三角洲受到河流、波浪和潮流的復(fù)雜相互作用，波浪影響形成的向上變粗層序會(huì)被河流洪水期異重流沉積和潮汐韻律層改造。

2.5 其他因素作用

除了上述水動(dòng)力作用，生物擾動(dòng)、相對(duì)海平面變化以及人類(lèi)活動(dòng)等因素也會(huì)在各類(lèi)水動(dòng)力作用形成的沉積層理基礎(chǔ)上疊加偶發(fā)事件沉積，或是造成層序間斷缺失等。由于潮流混合作用周期性將富氧的表層水輸送至底層，三角洲前緣的沉積物可能受到高度生物擾動(dòng)，生物擾動(dòng)增加了細(xì)粒互層中的砂巖含量，并提供了砂導(dǎo)管，增加了床層之間的連通性［20］。以螃蟹、蛤類(lèi)為主的底棲動(dòng)物的挖洞行為會(huì)直接影響海岸沉積物穩(wěn)定性，甚至可能造成對(duì)沉積歷史記錄的錯(cuò)誤解讀［71］。在大型底棲動(dòng)物建造及維持其洞穴期間，底床下層沉積物被帶到地表再沉積，增加海岸沉積物周轉(zhuǎn)率并改變沉積層理結(jié)構(gòu)。底棲生物還可以分泌胞外聚合物，和微生物共同構(gòu)成生物膜（Biofilms）。生物膜增強(qiáng)沉積物凝聚力并降低底床糙率，使得底床沉積物更難被侵蝕，被稱為“生物穩(wěn)定劑”［72］。

海侵期間相對(duì)海平面的持續(xù)上升，特別是在陸架邊緣附近，往往會(huì)導(dǎo)致更強(qiáng)的波浪和潮汐影響。相對(duì)海平面變化通過(guò)改變各位置水動(dòng)力條件間接影響河口沉積特征。在珠江口盆地陸架邊緣三角洲的研究中，相對(duì)海平面下降，陸架邊緣的波浪和沿岸流作用增強(qiáng)，大部分沉積由波浪作用控制;而相對(duì)水平面的上升，岸線向陸側(cè)移動(dòng)，水深的增加削弱了波浪能，河流逐漸占主導(dǎo)地位［50］。

人類(lèi)活動(dòng)引起的河流流量減弱將不可避免地導(dǎo)致三角洲受到更強(qiáng)的波浪改造作用，形成沿岸流重新分布河口三角洲的沉積物。大規(guī)模、高頻次的人類(lèi)活動(dòng)，尤其是圍墾工程和防波堤等海工結(jié)構(gòu)物的建設(shè)對(duì)海陸水動(dòng)力環(huán)境、泥沙輸移格局等的改變也不可忽視［73］。張長(zhǎng)寬等［74］對(duì)灘涂圍墾等大規(guī)模工程對(duì)近海環(huán)境的影響展開(kāi)探討。大規(guī)模人類(lèi)活動(dòng)會(huì)對(duì)近海生態(tài)系統(tǒng)造成不同程度的破壞，特別是圍墾工程，需要考慮到近海水動(dòng)力以及泥沙等自然條件。Wang等［75］通過(guò)對(duì)比江蘇大豐港區(qū)圍墾前后各參數(shù)變化，分析圍墾工程對(duì)泥沙輸移的影響。圍墾后潮間帶的潮流作用減小，泥沙輸移情況更加復(fù)雜;泥質(zhì)區(qū)域會(huì)向海方向延伸，潮灘下部沙粒徑增大。目前，沉積動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)探究沉積物在流體環(huán)境下的起動(dòng)、輸運(yùn)過(guò)程和堆積產(chǎn)物，并對(duì)整體沉積體系的宏觀演化規(guī)律進(jìn)行討論，缺乏對(duì)其他因素影響的綜合考慮。結(jié)合實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立多種動(dòng)力共同作用、多因素耦合作用的反演模型，最小化觀測(cè)數(shù)據(jù)和模型模擬之間的差異，以獲得最匹配實(shí)際情況的模型，在環(huán)境勘測(cè)、預(yù)測(cè)領(lǐng)域都能發(fā)揮重要作用。

3 河口海岸沉積層理形成機(jī)制的數(shù)值模擬

河口海岸沉積層理的形成涉及多個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程，如水流輸運(yùn)、沉積顆粒起動(dòng)、輸移、沉降等。收集整合大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并以此進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和數(shù)值模擬是探究復(fù)雜沉積過(guò)程、揭示層理形成機(jī)制的重要手段之一。相較現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和鉆孔資料分析，目前對(duì)于河口海岸沉積層理形成機(jī)制的數(shù)值模擬較少，但由于數(shù)值模擬成本低，可設(shè)計(jì)性高，現(xiàn)階段正蓬勃發(fā)展。目前用于泥沙輸運(yùn)和沉積模擬的模型主要分為概念模型和基于動(dòng)力過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，這些模型旨在描述和預(yù)測(cè)河口、海岸、湖泊等地形地貌演變。概念模型用于探究長(zhǎng)周期地形地貌變化，通過(guò)概念理論框架來(lái)解釋泥沙輸移和沉積過(guò)程，能夠提供對(duì)長(zhǎng)周期地貌演化的定性洞察，但是用于處理短時(shí)或細(xì)節(jié)的泥沙運(yùn)動(dòng)時(shí)效果有限；基于動(dòng)力過(guò)程的數(shù)學(xué)模型主要通過(guò)計(jì)算水體和泥沙顆粒的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，探究短期或中長(zhǎng)期泥沙輸運(yùn)和地形變化，通過(guò)數(shù)學(xué)方程來(lái)描述波浪、潮汐、徑流動(dòng)力學(xué)過(guò)程以及泥沙懸浮輸運(yùn)，由于考慮水-沙耦合以及其他相互關(guān)聯(lián)的因素，數(shù)學(xué)模型能夠提供更精確的定量分析。已有的數(shù)學(xué)模型更多聚焦于宏觀地貌演變，對(duì)于準(zhǔn)確描述各影響因子對(duì)沉積層理耦合作用的研究仍處于起步階段。然而，沉積層理的模擬相對(duì)于上述2種模型而言要更復(fù)雜，計(jì)算要求更精確細(xì)致，目前很難實(shí)現(xiàn)，對(duì)于多因子相互作用的長(zhǎng)周期時(shí)間尺度的沉積層理模擬更是難上加難。

3.1 數(shù)值模擬簡(jiǎn)述

在地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)中常用地層正、反演模型來(lái)估計(jì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和物化參數(shù)，數(shù)值模擬則是用數(shù)學(xué)控制方程來(lái)描述水動(dòng)力、泥沙運(yùn)動(dòng)、層理形成、底床地貌變化過(guò)程中不同關(guān)鍵因子的相互作用、守恒關(guān)系和動(dòng)態(tài)演化。越來(lái)越多的研究采用基于動(dòng)力過(guò)程的數(shù)值模型，通過(guò)考慮水動(dòng)力、泥沙輸運(yùn)和地貌演變對(duì)水動(dòng)力的反饋機(jī)制（圖3（a）），模擬沉積物顆粒在水體中的輸運(yùn)和沉積，更準(zhǔn)確地描述水流、泥沙與底床相互作用，建立基于過(guò)程的沉積層理分析數(shù)值模型。

一般而言，基于過(guò)程的河口海岸沉積層理模型通?？紤]水動(dòng)力、泥沙輸運(yùn)、底床分層、地貌演化等模塊的相互耦合作用，不同的模塊采用相應(yīng)的控制方程［78-79］。

（1） 水動(dòng)力模塊。在一維條件下，通過(guò)求解描述質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒的一維淺水方程來(lái)模擬流體運(yùn)動(dòng)。風(fēng)浪的公式描述則是根據(jù)風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度、風(fēng)速和水深估算浪高和周期，可以很好地描述風(fēng)浪對(duì)淺海潮灣和灘地的影響。對(duì)于淺水波浪，采用線性波理論計(jì)算底部最大波軌道速度。在水動(dòng)力模塊中，潮汐和風(fēng)浪的聯(lián)合床切應(yīng)力通常超出兩者作用的線性總和，但是簡(jiǎn)化計(jì)算考慮假設(shè)為線性總和。潮汐和波浪共同作用產(chǎn)生的最大底部切應(yīng)力驅(qū)動(dòng)泥沙輸移［78-79］。

（2） 多組分泥沙輸移模塊。在評(píng)估泥沙輸運(yùn)時(shí)，黏性沙和非黏性沙組分采用不同的計(jì)算公式，忽略了不同泥沙組分混合后再懸浮閾值與單一泥沙組分黏性沙臨界值的差異，且不考慮黏性沙和非黏性沙之間的相互作用。

黏性沙采用經(jīng)典的Patheniades-Krone 公式［80］計(jì)算，對(duì)于非黏性沙，可采用Soulsby-VanRijn 公式［81］來(lái)解釋各項(xiàng)水動(dòng)力作用的綜合效應(yīng)，總輸沙量為推移質(zhì)和懸移質(zhì)輸沙量之和。

（3） 底床分層與地貌演變模塊。不同于傳統(tǒng)的泥沙均勻底床模塊，多組分泥沙分層效應(yīng)模擬需要構(gòu)建底床分層模塊對(duì)每個(gè)薄層沉積物組成變化的詳細(xì)記錄來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)沉積層理演變的模擬。該模塊將初始底床分為數(shù)個(gè)薄層，薄層數(shù)量和厚度均可按需設(shè)置，最上層為沖淤層，層厚為δa，最下層為基準(zhǔn)層，中間所有薄層共同組成交換層。在計(jì)算過(guò)程中，1個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)僅由最上層活動(dòng)層與水體進(jìn)行泥沙交換，當(dāng)沖淤層的厚度小于δa或者大于δa時(shí)，即床層狀態(tài)變?yōu)锽1或B1′，累計(jì)發(fā)生的侵蝕或淤積在下個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)開(kāi)始前由交換層進(jìn)行補(bǔ)充，恢復(fù)成B2或B2′狀態(tài)，確保每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算開(kāi)始時(shí)沖淤層厚度恒定，在整個(gè)形態(tài)動(dòng)力學(xué)模擬中重復(fù)該過(guò)程，當(dāng)交換層的泥沙厚度達(dá)到設(shè)定最大厚度δu時(shí)，會(huì)產(chǎn)生新的交換層，或是當(dāng)交換層的泥沙全部補(bǔ)充至沖淤層后，該交換層消失，以此來(lái)反映整個(gè)底床的泥沙沖淤變化（圖3（b），h為水深，zb為床面高程，η為水位，δu1，…，δuN分別為交換層第1層至第N層的厚度）。

除此之外，Viparelli等［82］以三角洲前緣沉積物粒度分布函數(shù)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。將靜水水域、傾斜基底情況下進(jìn)積三角洲的一維遷移模型和實(shí)驗(yàn)三角洲地層觀察結(jié)果進(jìn)行了比較。假設(shè)三角洲前緣沉積過(guò)程以顆粒流為主，三角洲前緣的遷移和頂部沉積采用總質(zhì)量和粒度質(zhì)量守恒進(jìn)行建模。通過(guò)模型記錄三角洲沉積物粒度隨空間的分布變化，描述三角洲前緣顆粒流沉積和向上變細(xì)以及三角洲頂部的河流沉積。數(shù)值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雖然粒度分布與推移質(zhì)公式存在小幅偏差，但是該模型為三角洲前緣進(jìn)積和三角洲頂部、前緣沉積物粒度分布的現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室研究提供了理論基礎(chǔ)。Leonardi等［83］在河口潮汐層理的數(shù)值模擬研究方面開(kāi)展了一些開(kāi)創(chuàng)性的工作，基于河口湍流射流的理論框架，提出了一個(gè)基于過(guò)程的河口壩相分布分析模型，并與數(shù)值模型比較，量化河口壩潮汐層理的層紋特征。從海洋泥沙動(dòng)力學(xué)角度，Gao等［84］、高抒［85］對(duì)已有的全新世大陸架泥沙輸運(yùn)及沉積體系形成過(guò)程進(jìn)行了考察，發(fā)現(xiàn)沉積記錄通常是對(duì)單個(gè)片層進(jìn)行高分辨率分析，每個(gè)記錄分辨率在10 a內(nèi)，涵蓋時(shí)期較短。根據(jù)沉積過(guò)程-結(jié)果的關(guān)系理解，將不同沉積記錄按照一定時(shí)間順序連接在一起，制定沉積記錄形成的建模方法，則可以將記錄涵蓋時(shí)間延長(zhǎng)。

通過(guò)各類(lèi)數(shù)值模擬分析方法，模擬不同物理過(guò)程的相互作用，探究各因素對(duì)沉積層理形成的影響，進(jìn)一步評(píng)估沉積系統(tǒng)的形成機(jī)制和保存潛力，預(yù)測(cè)沉積地層的演變趨勢(shì)。在研究和工程應(yīng)用中意義重大，有助于理解和解釋沉積層理的形成機(jī)制和演化過(guò)程。

3.2 沉積韻律層理的形成機(jī)制模擬

沉積層序這類(lèi)復(fù)雜自然現(xiàn)象的解譯工作困難并且具有很大不確定性，不論是理論概念模型的建立還是數(shù)值模擬都需要經(jīng)過(guò)一定簡(jiǎn)化，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量取樣技術(shù)的飛速發(fā)展，河口三角洲沉積層理、沉積過(guò)程的數(shù)值模擬工作取得了一系列研究成果［86］。Boudet等［87］對(duì)羅納河三角洲的風(fēng)暴和洪水事件下的泥沙輸送進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)河流入?？诘目傒斏沉?jī)H受河流流量影響，而河口壩處的總輸沙量取決于風(fēng)暴、洪水影響和偶發(fā)事件的連續(xù)性。洪水不僅在大量降雨導(dǎo)致江河水位急速上漲時(shí)出現(xiàn)，還可能由于風(fēng)暴潮引起河口異常增水。Leonardi等［83］對(duì)河口壩的潮汐層理進(jìn)行模擬，以解釋潮汐層理的特征并量化其在河口壩中的范圍，分析結(jié)果表明，無(wú)潮汐時(shí)，從陸向海依次分布砂為主區(qū)域、砂泥混合區(qū)、泥為主區(qū)域;隨著潮汐作用的增強(qiáng)，原本砂泥混合區(qū)會(huì)被交替潮汐層理的分層帶取代（圖4）；采用分層區(qū)域的范圍和相鄰粗、細(xì)砂泥層的含泥量差值來(lái)描述河口壩的層理特征，這2個(gè)量都隨著潮汐振幅的增加而增加。徐孟飄等［77］通過(guò)數(shù)值模擬的方式證明了潮汐層偶結(jié)構(gòu)會(huì)在一個(gè)大小潮周期中產(chǎn)生，并且在大潮期間會(huì)形成以粗顆粒沉積物為主導(dǎo)的砂質(zhì)沉積層，在小潮期間會(huì)形成以細(xì)顆粒沉積物為主導(dǎo)的泥質(zhì)沉積層。Chen等［88］以江蘇潮灘為參考，模擬了圍墾對(duì)潮灘形態(tài)和泥沙粒度分布的影響，發(fā)現(xiàn)持續(xù)地圍墾會(huì)改變潮灘剖面形態(tài)并且使得潮灘泥沙粒徑變粗。Vona等［89］運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)量化了不同波浪條件下防波堤對(duì)沉積物輸送和潮灘演變的影響，指出防波堤可以保護(hù)海岸，減少波浪沖擊，但是同樣也會(huì)阻礙沉積物的向岸運(yùn)輸，長(zhǎng)期來(lái)看，需要平衡其抵御波浪和海岸線泥沙供給的作用。目前大尺度的沉積地貌演化理論蓬勃發(fā)展，也能夠通過(guò)鉆孔取樣分析了解歷史沉積特征，但是微觀層序特征與宏觀演化理論之間關(guān)于過(guò)程和機(jī)制的關(guān)聯(lián)探討較為缺乏。

在潮汐和風(fēng)浪對(duì)泥沙沉積層理作用的數(shù)值模擬方面，Geleynse等［90］指出僅在河流動(dòng)力下形成的三角洲通過(guò)河口壩誘發(fā)的水流分汊和上游河道轉(zhuǎn)移而向前發(fā)展，風(fēng)浪抑制了發(fā)育中的三角洲前緣細(xì)顆粒泥沙固存，形成相對(duì)光滑的海岸線，并受到分流河道擾動(dòng);而受潮汐影響的河流三角洲通過(guò)延伸最初形成的相對(duì)穩(wěn)定的分流河段，并以沉積物的旋回性（砂和粉砂互層）為特征向前推進(jìn)。Zhou等［78］在Roberts等［91］開(kāi)發(fā)的垂向一維潮灘地貌模型中加入底床分層模塊，耦合波浪運(yùn)動(dòng)，模擬外邊界無(wú)泥沙補(bǔ)給時(shí)泥沙在波浪下的分布，發(fā)現(xiàn)潮流和風(fēng)浪在泥沙分選過(guò)程中作用不同：風(fēng)浪對(duì)潮間帶沉積物的再懸浮作用明顯，強(qiáng)風(fēng)浪更有利于近海泥沙輸移，更有效地侵蝕泥沙;潮流主導(dǎo)時(shí)，潮灘中下部的黏性泥沙易被攜帶至上部落淤。Zhou等［59，92］后續(xù)又分別探討了不同潮汐、泥沙特性、風(fēng)暴條件下的潮灘泥沙分選和層理特征，并與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較（圖5），數(shù)值模擬結(jié)果圖（圖5（a），N為小潮，S為大潮，左側(cè)數(shù)據(jù)表示柱狀樣在地面以下高程，cm，右側(cè)數(shù)據(jù)表示模型中以水面為基準(zhǔn)面的柱狀高程，m）中顏色越紅表示粗粒徑粉砂含量越多，顏色越藍(lán)表示層中細(xì)粒徑黏土越多，很好地模擬長(zhǎng)江三角洲現(xiàn)場(chǎng)柱狀樣中由大小潮周期形成的砂/泥質(zhì)主導(dǎo)層交替沉積現(xiàn)象，模擬得出的沉積層理厚度變化也與柱狀樣觀測(cè)厚度變化趨勢(shì)一致（圖5（b））。對(duì)潮灘形態(tài)動(dòng)力演化機(jī)制進(jìn)行深入探討，指出風(fēng)暴歷時(shí)、強(qiáng)度、風(fēng)暴頻率和間隔等對(duì)潮灘層理形成和破壞具有重要影響，特別地，潮間上帶的粗顆粒層理通常與風(fēng)暴密切相關(guān)，可指征風(fēng)暴事件。Guerin等［93］對(duì)法國(guó)大西洋沿岸的寬河口沙壩形態(tài)和地層演化進(jìn)行了數(shù)值模擬，考慮了數(shù)十年來(lái)潮汐、波浪影響，發(fā)現(xiàn)波浪氣候的季節(jié)性變化有效地解釋了地震反射剖面中觀察到的淺灘垂直于主流方向的韻律性側(cè)向加積。

4 結(jié)論與展望

河口海岸沉積記錄和層序特征研究為其發(fā)育過(guò)程中所處動(dòng)力環(huán)境分析、沉積體系的不同時(shí)空演化提供了依據(jù)。海陸過(guò)渡帶動(dòng)力過(guò)程復(fù)雜，本文分析各主導(dǎo)動(dòng)力在河口海岸沉積層理形成破壞過(guò)程中的作用，進(jìn)一步闡述層理演變機(jī)制。一般來(lái)說(shuō)，徑流主導(dǎo)形成的沉積層理在河口附近發(fā)育，呈現(xiàn)粒徑向上變粗的粒序遞變層等，洪水期異重流的存在可能會(huì)形成爬升波紋。潮汐作用形成的層理構(gòu)造和潮汐周期相關(guān)，通常為潮汐韻律層、潮汐束等。波浪作用時(shí)層理的形成受其相對(duì)徑流強(qiáng)度差異影響，形成對(duì)稱性互層沙紋等，偶發(fā)風(fēng)暴潮會(huì)使層厚明顯增加或是侵蝕造成部分層理特征缺失。徑流、潮汐、波浪水動(dòng)力的混合作用廣泛存在，當(dāng)單一動(dòng)力不占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)時(shí)，混合水動(dòng)力作用的討論必不可少，需根據(jù)區(qū)域條件進(jìn)行深入研究。

盡管河口海岸沉積層序及其沉積過(guò)程的研究已取得了一些進(jìn)展，但為了更準(zhǔn)確地探尋歷史沉積地貌，預(yù)測(cè)全球變暖和海平面上升背景下的河口海岸層序地層和沉積體系的演變趨勢(shì)，仍有以下幾方面研究有待進(jìn)一步深入：

（1） 宏觀理論與微觀特征之間的關(guān)聯(lián)探討。目前，雖然對(duì)氣候、水動(dòng)力、海平面變化等因素在沉積環(huán)境演化中的作用有了理論認(rèn)識(shí);并且已經(jīng)能夠通過(guò)鉆孔取樣、地層剖面儀等技術(shù)對(duì)地層中生物化石、巖芯巖性以及環(huán)境沉積物進(jìn)行細(xì)致分析，提高了沉積特征時(shí)空分辨率。但由于地質(zhì)歷史的時(shí)空跨度大、演變分析復(fù)雜，微觀層序特征與宏觀演化理論之間缺乏過(guò)程和機(jī)制的探討。未來(lái)有必要采用多尺度分析方法，與理論模型、地質(zhì)剖面對(duì)比分析，將宏觀理論與微觀特征有機(jī)結(jié)合起來(lái)。

（2） 沉積特征及層序地層時(shí)空尺度的認(rèn)知。加強(qiáng)多源數(shù)據(jù)整合，結(jié)合遙感、地球物理勘探、鉆孔數(shù)據(jù)等現(xiàn)代觀測(cè)技術(shù)，多學(xué)科協(xié)作，運(yùn)用地質(zhì)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等知識(shí)多角度分析，構(gòu)建更精確的時(shí)空尺度沉積特征演變認(rèn)知框架。對(duì)河口海岸沉積體系的分類(lèi)和主導(dǎo)沉積作用動(dòng)力的識(shí)別需要在分析總體地層堆疊模式或是優(yōu)勢(shì)沉積相的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮復(fù)雜的內(nèi)部地層變化和遺跡特征。

（3） 基于過(guò)程的、物理動(dòng)力機(jī)制的多因素耦合作用反演模型的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。為了更好地理解不同作用因子（如水動(dòng)力、生物過(guò)程、初始地形、海平面上升等）在時(shí)空尺度上對(duì)層序地層的影響，開(kāi)發(fā)基于綜合動(dòng)力過(guò)程的沉積記錄反演模型有助于分析不同作用因子耦合作用，揭示多因素作用下的層序構(gòu)建機(jī)制，從而更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)氣候變化背景下突發(fā)事件（洪水、風(fēng)暴）對(duì)沉積環(huán)境的改造及層序特征的長(zhǎng)期演變趨勢(shì)。

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Sedimentary Stratigraphic Characteristics and Formation Mechanisms of Estuarine Coasts

Abstract：Estuarine and coastal areas，located at the interface between the sea and land，are heavily impacted by human activities such as coastal engineering projects.Strategies for managing impacts are diverse，and depend on the geomorphology，evolution history and dominant processes shaping the system.Techniques such as observing the sedimentary stratigraphic characteristics and coastal numerical modelling have been used to better understand these formative processes.Here we review research findings linking hydrodynamic factors （e.g.，river，tide，and wave） in estuarine and coastal regions to the sedimentary stratigraphic characteristics that are associated with different hydrodynamic processes.The mechanisms through which these forces shape the sedimentary stratigraphy are analyzed，along with episodic dynamic factors such as floods and storms，along with other influencing factors like biological disturbance，sea-level changes，and reclamation projects;all of these affect the formation and preservation of sedimentary stratigraphy.Additionally，the application and mechanistic understanding of numerical methods of interpreting the formation and destruction mechanisms of sedimentary layering are discussed.Finally，some future research directions are proposed，including e.g.，the need of research at the spatiotemporal scales of estuarine and coastal sedimentary layering，and the development of multifactor coupled numerical models.

Key words：sedimentary stratigraphy;estuarine coast;dynamic geomorphology;formation mechanisms;numerical simulation