大連灣附近海域表層沉積物粒度特征及水動力環境指示

李艷，劉艷，李安春，王偉，鄭琳

（1.國家海洋局煙臺海洋環境監測中心站，山東 煙臺 264006；2.中國科學院海洋研究所，山東 青島 266071；3.國家海洋局北海環境監測中心，山東 青島 266033）

1 研究區概況

大連灣位于遼東半島西南端，屬于半封閉型海灣（圖1），本文的研究區為西起大連灣東至城山頭的遼西南近岸海域，水深分布（圖2） 范圍在8.3～59.9 m 之間，平均水深36.6 m，最深處位于研究區西部。由西南向東北水深逐漸變淺，由近60 m 變為不足20 m，大連灣和大窯灣內水深降至10 m 以下。該區的地形存在兩級水下岸坡，一級位于28 m 以淺，另一級位于28～40 m 之間，前者平緩而后者較陡峭，28 m 左右為一平坦而寬闊的水下臺地。研究區多是基巖海岸，周邊有大沙河、登沙河、馬欄河等較小的季節性河流，雨季能沖刷大量沙粒入海（Gao et al，1992），是研究區主要泥沙來源之一。該區受到從渤海海峽北部西進的黃海暖流（繆經榜 等，1989；Liu et al，2007）、潮流（Hu，1984；韓康等，1994）、遼東半島沿岸流（溫國義等，2008） 的作用，水動力環境復雜，附近海域海流主要受潮流控制，M2 分潮流為絕對優勢分潮流，其強度占潮流的50%以上（韓康等，1994）。目前國內外對北黃海地區的研究主要集中在山東半島水下三角洲（Liu et al，2007；2009）和黃海暖流（Naimie et al，2001； Xu et al，2009；Zhang et al，2008），但是對大連灣附近海域沉積以及水動力特征等研究尚未見報道。

圖1 黃海以及鄰近海區水深及區域環流示意圖

圖2 大連灣附近海域水深分布圖

2 樣品來源及分析方法

研究樣品為 2006年 908 項目北黃海（121.697°E-122.382°E，38.617°N-39.166°N）底質調查航次中所取得的183 個表層沉積物樣。絕大多數沉積物樣品是在“科學一號”調查船上用箱式取樣器采集，船載GPS 導航系統定位，采樣間距3 km，但在島嶼附近水深較淺的海域或養殖區使用調查船配備的小艇（青島號），用蚌式取樣器采集，手持GPS 定位。取樣位置如圖3 所示。

圖3 大連灣附近海域表層沉積物取樣站位分布圖

粒度分析按有關海洋底質調查技術規程要求進行。取適量濕樣品，先后各加入過量的30%的H2O2和0.25 mol/L 的HCl 溶液去除有機質和碳酸鹽，離心清洗兩次。加少許蒸餾水，經超聲波充分分散后在中國科學院海洋研究所用法國產Cilas940L 激光粒度儀上進行測量。測量范圍為0.3～2 000 μm，重復測量的相對誤差小于2%。部分含有礫石的樣品和粗砂樣品，用孔徑間隔為1/2 Φ的分樣篩過篩，粒徑大于2 000 μm 的部分采用篩析，小于2 000 μm 的部分經用粒度儀測量。粒級標準采用尤登一溫德華氏等比制Φ 值粒級標準。采用矩法計算各粒度參數。

3 粒度分析結果

3.1 粒度參數及分布

大連灣附近海域表層沉積物粒度參數分布特征（圖4） 與礦物分布特征一致（李艷 等， 2009；2011），表現為隨水深的增加，粒度參數及粒度組分組成均出現不同分布特征。

3.1.1 平均粒徑

粒徑的平均值可以反應沉積物的平均粒度，反應搬運作用營力的平均動能。大連灣附近海域沉積物粒度參數分布如圖4 所示，平均粒徑范圍為2.0～7.2Ф，平均5.3Ф。平均粒徑與區域水深分布趨勢表現一致：水深30 m 以淺，平均粒徑大致在5 ～6Ф 之 間，根 據Uddon-Wentworth 粒 級 標 準（表1），屬于中粉砂。水深30～40 m 的中部區域，粒徑相對較細，Ф 值＞6，屬于細粉砂，而水深大于50 m 的南部海區，粒徑相對較粗（Ф＜5），屬于粗粉砂及細沙范疇。從近岸到遠岸深水區，粒徑先變細再變粗，表明該區域沉積物的非同源性。

圖4 大連灣附近海域沉積物粒度參數分布圖

表1 碎屑沉積物的粒級劃分

3.1.2 分選系數

沉積物的分選程度可由標準偏差來反映。大連灣附近海域分選系數變化范圍為1.1～2.9，平均2.06，按照福克和沃德分選性等級分類表（1957） （表2），屬于分選差或分選較差范圍。離岸稍遠的深水區，分選最差，其次是近岸淺水區，中部30～40 m 海區分選相對稍好。這種規律與平均粒徑變化相一致。

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表2 分選程度等級表

3.1.3 偏態

偏態是表示沉積物粗細分布對稱程度的一個定量描述指標（李振山等，1998），正值為粗偏，負值為細偏（張立功等，2007）。偏態值的分布趨勢與平均粒徑比較一致，多數屬于正偏，只有三山島附近有幾個站位沉積物為負偏。研究區不同位置其正偏程度不同，中部正偏置相對較小，南部深水區表現為極正偏。

3.1.4 峰態

圖5 大連灣附近海域沉積物粒度組成分布圖

峰態能夠度量粒度分布的中部和尾部展開度之比，是發現雙峰曲線的重要線索。峰態值范圍為1.4～3.8，平均2.63。在分選最差，也是水深最深的區域，沉積物偏態為極正偏，峰形很寬。

3.2 粒度組成及分布

根據Uddon-Wentworth 標準，可以將沉積物按照平均粒徑（Φ 值） 大致劃分為：粘土（＞8Φ）、粉砂（4～8Φ）、砂（-1～4Φ）。

大連灣附近海域沉積物粒度組分分布如圖5 所示，砂含量范圍為0～86%，平均34%；粉砂是研究區含量最多的粒度組分，含量為11～81%，平均值52%；粘土則最低，含量范圍3～32%，平均為14%。離岸較遠的深水區，沉積物以砂為主，粘土含量較少；向北砂含量急劇減少，粉砂和粘土含量有所增加，粉砂成為主導成分；再向北靠近遼東半島南岸海域，砂含量又有所增多，但仍然少于南部深水區，粉砂仍然是主導組分。沉積物分類和命名采用福克等人的沉積物粒度三角圖解法（Folk et al，1970）。研究區沉積物類型以砂質粉砂為主，粉砂質砂主要分布在南部深水區及常江海岬附近。

3.3 沉積物粒度頻率分布曲線及概率累計曲線

分別在不同的底質類型中，按照平均分布的原則，選取3-4 個站位（圖6），繪制頻率分布曲線（圖7） 及概率累計曲線（圖8）。概率累積曲線一般都為兩段式，主要由懸浮組份和跳躍組份構成，個別站位出現牽引組份。

圖6 不同沉積類型中按平均分布原則選取站位位置示意圖

離岸較遠的南部深水岸坡區沉積物粒徑較粗，頻率分布曲線主要呈現單峰狀態（圖7a），眾數出現在2.0～3.0Φ，個別出現0.7Φ 的極高值。概率累計曲線（圖8a） 中跳躍組份含量40～80%，跳躍組份和懸浮組份的分界點大致在3～4Φ，沉積物概率累計曲線變化較大，各組分分選系數也變化較大。

北部沿岸水下岸坡區，粗顆粒沉積物仍占主體，但是比深水岸坡區有所減少，頻率分布曲線（圖7b） 主要呈雙峰狀態，眾數為3.5～4.0Φ 和1.8～2.0Φ，個別出現在6.2Φ。概率累計曲線（圖8b） 中跳躍組份含量較中部水下臺地有所升高，一般在30-60%之間，與懸浮組份的分界點大約在2～4Φ，分選系數變化不大，尤其是懸浮組份分選系數較為一致。

中部的水下臺地，粒徑最細，頻率分布曲線（圖7c） 呈現單峰狀態，眾數為3.4～4.0Φ，個別出現6.4Φ。概率累計曲線（圖8c） 中粗顆粒組份明顯減少，跳躍組份含量大都在30%以下，個別站位含量在50%左右，與懸浮組份的分界點在4Φ 附近。

圖7 大連灣附近海域沉積物頻率分布曲線

圖8 大連灣附近海域沉積物粒度概率累積

4 沉積環境分析

對比地形與粒度分布可知，研究區砂粒級高含量帶基本位于外側岸坡以下水深較大的區域，另外在近岸岸坡以里也存在一個高含量帶。而粉砂和粘土高含量區則位于水下平坦的臺地之上，其中又以粉砂占絕對優勢。

一般來說，局地沉積物特征及分布受沉積物物源及水動力的綜合作用的控制。離岸較遠的南部深水岸坡區沉積物粒徑較粗，平均粒徑＞5Φ，分選系數均在2.1 以上，分選差，大部分站位為不對稱正偏態，偏度＞1.6，峰度一般都在2.5 以上，甚至出現3.8 的極高值。用概率累計曲線圖方法可以揭示沉積物與搬運營力間的關系，搬運條件的微弱變化也能反映到曲線上（周丹丹等，2008）。該區頻率分布曲線主要呈現尖銳單峰狀態，反映了較強的水動力條件和不穩定的沉積環境。各站位概率累計曲線變化較大，跳躍組分含量最高，各組分分選系數也變化較大，說明該區域水動力條件較強，且變化較大，沉積環境多變。北部沿岸水下岸坡區，除大連灣內個別站位，分選系數均在1.9 以上，分選較差，大部分站位為正偏，偏度1.0～1.6 之間，頻率分布曲線主要呈雙峰狀態，眾數為3.5～4.0Φ 和1.8～2.0Φ，個別出現在6.2Φ，概率累計曲線中跳躍組份含量較中部水下臺地有所升高，分選系數變化不大，尤其是懸浮組份分選系數較為一致，也揭示了近岸區物質來源復雜，水動力條件較強的特點。中部的水下臺地，粒徑最細，分選系數均在1.9 以下，大部分站位呈現不對稱正偏，偏度較小。頻率分布曲線呈現單峰狀態，概率累計曲線中粗顆粒組份明顯減少，各站位概率累計曲線較為一致，各組分分選系數也比較接近，說明沉積環境最為穩定。該區域概率累計曲線陡直，跳躍組分含量較細，分選相對較好，說明顆粒活動較頻繁（李森等，1999）。偏度值正偏較小，甚至出現負偏，表明沉積物經過遠源搬運，水動力分選造成沉積物中細顆粒物質含量增加。

研究區沉積物粒徑由岸向外有逐漸變細的趨勢，大連灣、大窯灣內粒度較細則可能因為此處的水動力條件較弱；近岸淺水海域，海灣、島嶼較多，物質來源和水動力條件都比較復雜，含有較多的近岸侵蝕物質（王偉，2009）。向外海方向，隨水深增加水動力條件逐漸減弱，沉積物粒徑變細。離岸較遠的深水區，因較靠近南部黃河水下三角洲（Liu et al，2009），且受到黃海環流體系的影響，沉積物顆粒較粗。

5 結論

（1） 研究區沉積物粒度組分以砂和粉砂為主，粘土含量比較少，且主要分布在研究區中部水下臺地之上。砂含量在深水岸坡區含量較高，直接導致此處平均粒徑最粗，中部水下臺地區域，粉砂含量較高，砂含量最低，平均粒徑最細，分選亦最優。

（2） 研究區沉積物粒度分布特征與地形分布趨勢存在較高的一致性。近岸淺水區區物源和水動力條件都比較復雜，沉積物顆粒較粗；向海水深增加，水下臺地上沉積環境較穩定，遠源搬運的細顆粒物質增多；最南部的深水岸坡區可能因為受到環流因素的影響，接受了較多的粗顆粒沉積。

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