茅家港潮灘沉積物磁化率變化及其與粒度的關系

王軻道，王金華，王建

（1. 臨沂大學 化學與資源環境學院 山東省水土保持與環境保育重點實驗室，山東 臨沂 276005; 2. 臨沂大學 圖書館，山東 臨沂 276005；3. 南京師范大學 地理科學學院，江蘇 南京 210097; 4. 華東師范大學 河口海岸學國建重點實驗室，上海 200062）

茅家港潮灘沉積物磁化率變化及其與粒度的關系

王軻道1,4，王金華2，王建3

（1. 臨沂大學 化學與資源環境學院 山東省水土保持與環境保育重點實驗室，山東 臨沂 276005; 2. 臨沂大學 圖書館，山東 臨沂 276005；3. 南京師范大學 地理科學學院，江蘇 南京 210097; 4. 華東師范大學 河口海岸學國建重點實驗室，上海 200062）

根據野外觀測資料，客觀地分析了江蘇茅家港灘面沉積物磁化率變化及其與粒度的關系。研究結果顯示：灘面沉積物磁化率隨著向海離岸距離的增加逐漸增大，粒徑逐漸變粗；粒徑D與磁化率呈正相關關系，粒度φ與磁化率呈負相關關系。研究區中離岸距離增加，灘面沉積物的粒徑逐漸變粗，灘面沉積物的磁化率逐漸增大，說明灘面水動力變強。

磁化率；粒度；關系；茅家港；江蘇省

天然剩余磁化強度是由于過去某段時間內地球磁場的影響，使樣品保留一定的磁性。磁化率是指物質放于外磁場中獲得的磁化強度與磁場強度的比值，它與天然剩余磁化強度不同，是一種完全獨立的不隨地球磁場變化的磁性，它反映的是樣品的礦物學性質，即表明有磁性鐵氧化物存在，也就是說磁化率與鐵磁性礦物有關。灘面沉積物的磁化率往往隨著時間和空間的不同而不同。王建等對江蘇東臺海灘沉積物中磁化率與粒度之間的關系進行了探討，結果顯示，沉積物磁化率與粒度的關系密切，且與沉積動力有關：水動力強的地方，粒度粗，沉積物的磁化率大。茅家港突堤航道防護工程建成后，潮灘沉積物的磁化率和粒度都發生了相應的變化。本文在野外觀測的基礎上，對茅家港突堤航道防護工程建成后磁化率與粒度變化及二者的相互關系進行了深入的研究，探討了磁化率的空間變化及磁化率在潮灘沉積動力方面的指示意義，對保護、開發和利用茅家港岸段的潮灘資源，具有非常重要的現實意義。

1 茅家港區域概況

茅家港位于長江口北翼的江蘇省呂泗海岸中部（32.03oN，121.72oE），茅家港岸段屬于侵蝕性粉沙淤泥質海岸。該地區為典型的溫帶季風氣候，風向的季節變化十分明顯，冬季以偏北風為主，夏季則盛行偏南風。茅家港所屬的呂泗海岸一帶，岸線向海突出，與東北風幾乎成正交，海岸受侵蝕較強。自海堤加固之后，高灘的侵蝕后退已被制止，但堤外的低灘仍在遭受侵蝕，雖海灘上部已基本穩定平衡，下部仍處于沖刷狀態。茅家港潮灘較寬闊（寬達4～5 km），坡度較小（0.001），由于低潮灘灘面仍不斷被侵蝕，灘面組成物質粗化（3～5φ），且較均一，有由粉沙質向沙質海岸轉變的趨勢。

圖 1 茅家港位置示意圖Fig. 1 Sketch map of the position of Maojiagang

圖 2 茅家港灘面取樣點和剖面位置圖Fig. 2 Position of sampling site and section of Maojiagang

2 調查樣品分析

本研究所用的環境磁學指標是磁化率，所用的粒度指標則以中值粒徑（φ值）為代表指標。利用分別于1993年9月、1994年1月在茅家港灘面的不同位置布設的49個采樣點（所選點如圖2所示）的表層沉積物樣品。在室內對沉積物樣品進行了精確的磁化率和粒度測量。以1月份代表該地區冬季，9月份代表該地區夏季。根據所測的磁化率數據繪出冬、夏兩季的灘面磁化率分布圖（圖3、圖4），以找出磁化率變化的空間分布和季節變化規律。在此基礎上，進一步研究潮灘沉積物磁化率變化及其與粒度的關系，反演岸灘水動力的變化。

圖 3 1993年9月灘面沉積物的磁化率分布圖Fig. 3 Beach surface distribution picture of magnetic susceptibility of sediments in Sep. of 1993

圖 4 1994年1月灘面沉積物的磁化率分布圖Fig. 4 Beach surface distribution picture of magnetic susceptibility of sediments in Jan. of 1994

3 沉積物的磁化率變化

根據所測得的磁化率數據，繪出了不同季節茅家港灘面沉積物的磁化率空間分布圖（如圖 3、圖4所示）。

從圖3和圖4可以看出，夏季和冬季茅家港灘面沉積物的磁化率分布均呈如下變化趨勢：在西壩外側，隨著向海離岸距離的增加，磁化率逐漸增大；東壩外側，隨著向海離岸距離的增加，整體上也有增大的趨勢，但磁化率增幅變小。

由此可見，冬季和夏季，茅家港潮灘沉積物的磁化率均隨著向海離岸距離的逐漸增加，磁化率值有逐漸增大的趨勢。就平均情況來說，9月的磁化率略小于1月的磁化率。

4 磁化率變化與粒度變化的關系

將同一季節的灘面沉積物的磁化率變化和粒度變化繪在同一圖上（圖5、圖6所示），可以很方便地比較磁化率與粒度的變化趨勢和相互關系。

圖 5 1993年9月茅家港灘面沉積物磁化率與中值粒徑的對比圖Fig. 5 Beach surface contrast picture of sediment magnetic susceptibility and the median grain size in Sep. of 1993

用SPSS軟件計算，夏季的49個樣品的磁化率與中值粒徑φ值的相關系數r＝-0.348，并通過了α＝0.01的顯著水平檢驗；將中值粒徑φ值轉換成中值粒徑D（mm），經計算樣品的磁化率與中值粒徑D的相關系數r=0.416，經檢驗通過α＝0.01的顯著水平。說明磁化率與粒度φ值呈負相關關系，即磁化率與粒徑D呈正相關關系，沉積物粒徑越大顆粒越粗的位置，磁化率往往越大。

圖 6 1994年1月茅家港灘面沉積物磁化率與中值粒徑的對比圖Fig. 6 Beach surface the contrast picture of sediment magnetic susceptibility and the median grain size in Jan. of 1994

用SPSS軟件計算，冬季的49個樣品的磁化率與中值粒徑φ值的相關系數r＝-0.185，通過α＝0.1的顯著水平檢驗，將中值粒徑φ值轉換成中值粒徑D（mm），經計算樣品的磁化率與中值粒徑D的相關系數r=0.289，經檢驗通過α＝0.05的顯著水平檢驗。說明磁化率與中值粒徑φ值呈負相關關系，磁化率與中值粒徑D呈正相關關系，沉積物顆粒越粗的位置，磁化率也越大。

由圖5、圖6可明顯地看出：大多數樣點都是磁化率曲線的波峰與中值粒徑φ值曲線的波谷相對應，即磁化率與中值粒徑（φ值）呈負相關關系，φ值越小（顆粒粒度越大），磁化率越大。

此外，從圖中也可看出，9月磁化率的值在30～70之間變化，1月磁化率的值在30～60之間變化；9月沉積物中值粒徑（φ值）在3～6.5φ之間變化，1月在3～7φ之間變化。

5 原因機制分析

根據風速風向資料統計，茅家港的常風向主要為東到南向，而強風向主要為東北到西北向，因茅家港海岸線走向為西北西—東南東，岸線的北部為海域，自東北到西南方向吹的風主要是海向風，形成的風浪較大。該地區年平均風速為6.8 m/s，最大風速為25 m/s，風向為北北西，該地區冬季以偏北風為主，夏季則盛行偏南風。

近岸水域波浪總的來說比較小，據呂泗海洋站的波浪資料統計，無浪天數約占全年的50%。常浪向方位在NW～SE之間，季節變化明顯，強浪向主要是NNW～NE，時間為每年的10月到第2年的3月。

該海域地處江蘇近海輻射沙脊群以南，受其掩護，近海潮汐主要受東海前進波控制，該地區的潮汐為正規半日潮型。由于受呂泗岸段近岸地形的影響，近岸地區潮流較復雜。茅家港地區的漲潮歷時大于落潮歷時，潮流基本作沿岸運動。最大潮流流速達0.36 m/s。若將潮流分解成平行于海岸的向東南水流和向西北水流兩股水流，向東南水流平均流速為0.19 m/s，向西北水流平均流速為0.08 m/s，近岸向東南的落潮流流速遠大于向西北的漲潮流流速。因此，沿岸泥沙主要是向東南輸移。

上述的動力環境條件下，向海離岸距離的增加，海水動力逐漸增強。

灘面沉積物的磁化率分布和變化，主要與以鐵磁性礦物為代表的重礦物有關。而重礦物的分布與水動力條件的變化有顯著的關系。由于在相同的水動力情況下，輕礦物更易于啟動而被搬運，因而重礦物多富集在水動力較強處，輕礦物則多沉積在水動力較弱處。因此，磁化率和粒度的變化可以反演岸灘水動力的變化，水動力強的地方，沉積物的粒度粗，重礦物含量高，鐵磁性礦物含量高，沉積物磁化率大。

為了更清楚地從沉積動力學的角度說明以磁鐵礦為代表的重礦物在沉積過程中的聚散規律。這里采用文獻[1]中的泥沙起動公式：

式中：Je為臨界剪應力；β為顆粒形狀及顆粒雷諾數有關的系數；γs與D分別為泥沙顆粒密度與粒徑；γ為水的密度。

從式(1)可見，在一定動力（剪應力）條件下，泥沙能否起動取決于泥沙顆粒粒徑 D與泥沙密度γs，對密度不同（分別為γ1與γ2）的兩種泥沙顆粒，所能起動的顆粒粒徑（分別為D1與D2）是不同的。由于動力條件相同，故有：

假設顆粒形狀與介質性質相同，即β1=β2，式(2)可簡化為：

由式(3)可以看出，在相同動力條件下，泥沙顆粒密度越大，所能起動、搬運的顆粒粒徑越小；顆粒密度越小，則能啟動和搬運的顆粒粒徑越大。因此，重礦物往往伴生在更粗粒徑的輕礦物中。在水動力強的地方，泥沙顆粒沉降時，以鐵磁性礦物為代表的重礦物就相對富集于較粗粒徑的輕礦物中，致使平均粒度大的地方，鐵磁性礦物含量高，磁化率的值大。某一粒級重礦物往往與更粗粒級的輕礦物伴生、富集于粗一級沉積物中。

中值粒徑越大、沉積物顆粒越粗的地方，往往磁化率的值越大，說明灘面水動力越強。

6 結 語

隨著離岸距離的逐漸增加，茅家港灘面沉積物磁化率和粒度值有逐漸增大的趨勢，且冬季的值大于夏季的值。

灘面沉積物磁化率的變化和粒度的變化及二者的關系，都說明本研究區的水動力條件的時空變化：隨著離岸距離的增加，以波浪為主的水動力逐漸增強，導致灘面沉積物的粒徑逐漸變粗，磁化率變大；冬季，灘面沉積物的粒度大、磁化率大，說明該研究區內水動力強。其原因在于：對以鐵磁性礦物為代表的重礦物富集的位置，灘面沉積物的粒度粗，相應的磁化率大，說明此處水動力強。

茅家港岸段灘面沉積物粒度、磁化率時空變化以及二者的關系反映了灘面水動力的時空變化，對保護、開發和利用潮灘資源就有非常重要的現實意義。

致謝：徐孝彬、王艷紅等一起進行野外采樣測量搜集資料，在此謹致謝忱!

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Susceptibility of Maojiagang Sands and relation of Grain-size with it

WANG Ke-dao1,4, WANG Jin-hua2, WANG Jian3

(1. Department of Chemistry and Resource Environment, Linyi Normal University, Linyi 276005, China; 2. Library of Linyi Normal University, Linyi Normal University, Linyi 276005, China; 3. College of Geographical Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210097, China;4. State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China)

The paper drew susceptibility distributing map and different section chart by the data that we observed on Maojiagang sands, and impersonally analyzed susceptibility distributing, season change and the relation between change of susceptibility and grain-size. We found that with distance to coast increasing, susceptibility decreasing. With distance to coast increasing, and because it enriched weighty mineral, it leaded to susceptibility decreasing and grain-size gradually become bigger, which indicated that water dynamics was strong.

susceptibility; grain-size; relation; Maojiagang; Jiangsu Province

P736.221

A

1001-6932(2011)05-0562-04

2009-03-25；

2011-05-06

山東省自然科學基金項目（ZR2009EM008）；華東師范大學河口海岸學國建重點實驗室開放基金項目（200912）；臨沂大學博士啟動基金（BS07009）。

王軻道（1968－），男，山東臨沂人，博士，副教授，研究方向：海岸地貌與海岸環境演變。電子郵箱：lywkd@163.com。