長江水下三角洲向南延伸泥質帶淺地層結構及沉積物特征初探①——以朱家尖島以東海域為例

羅光富 鄧 兵 楊世倫

(華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室 上海 200062)

長江水下三角洲向南延伸帶上的舟山泥質區，既是長江沖淡水冬季南下的必經之路，也是杭州灣與東海的水體交換主要通道。關于研究區及其所屬浙閩沿岸泥質區的淺地層結構和沉積物特征的研究可追朔至二十世紀中葉。Shepard［1］和 Niino［2］相繼發表了東海表層沉積物分布圖，刻畫了近岸泥質區的范圍，至今仍被廣泛引用。管秉賢［3］根據多年觀測結果報道了冬季浙閩沿岸流的強度與結構;隨著對東海流場系統認識的深入，秦蘊珊等［4］提出了冬季浙閩沿岸流與近岸泥質區的成因聯系。Milliman［5］在進行季節對比觀測后，提出長江沉積物輸送機制為夏季堆積在河口地區，冬季在風浪作用下再懸浮并通過浙閩沿岸流向南輸送，在長江口以南近岸形成廣泛分布的泥質區。近年來，淺地層剖面技術和同位素測年技術在海洋地層劃分［6］及海洋沉積物定年［7］工作中的運用，為全面認識地層結構與組成，及其與全球變化的關系奠定了基礎。有關舟山群島海域泥質區邊緣的研究已在沉積物類型［8，9］、分布與成因［10］、物質來源［11］及海平面上升與泥質區地層發育的關系［12］等方面取得了一定認識。然而，在地層結構與組成，以及物質通量方面的認識卻相對缺乏。

東海近岸泥質區包括兩個亞區(圖1B)，分別為北部的長江口泥質區和南部的浙閩沿岸泥質區［4］，本文研究海區位于長江水下三角洲向南延伸帶，處于這兩個亞區之間，是兩個亞區水體及沉積物交換的重要通道。另外，研究海區島嶼眾多，水下沖蝕溝槽較發育，沉積物類型也較復雜多樣，相鄰鉆孔間沉積速率差異很大［13～15］，這都與相鄰的泥質沉積中心不同。近年流域人類活動導致長江入海泥沙減少，南下沿岸流攜帶的泥沙可能減少，浙江沿岸面臨泥質沉積速率下降或甚至侵蝕的威脅。因此，需要深入了解研究區的沉積物特性與地層結構的穩定性。本文利用高分辨率淺地層剖面資料，結合采集的表層沉積物樣品和前人的鉆孔資料，研究舟山泥質區邊緣的沉積物特征和底床穩定性以及全新世淺海相地層分布規律，探討人類活動對近岸沉積環境的影響。

1 研究區域概況

研究區域位于長江口以南的舟山群島東部海區，西岸為朱家尖島，向北為白沙島，東臨東海陸架開闊海域，地理坐標為 29．850 5°～29．917 2°N，122．396 7°～122．583 6°E，主要受到閩浙沿岸流、長江沖淡水等南下的沿岸水流和外側臺灣暖流高鹽水系的影響，全年的溫度、鹽度變化較大［16］。調查區域水深較淺(小于30 m)，中南部及東南部有島礁分布。由于該區處于副熱帶季風區，風速風向具有明顯的季節變化，冬半年(9～3月)偏北風占優勢，以西北風為主;夏半年(4～8月)以偏南風為主。各月平均風速 5．9～8．0 m/s［10］，最大風速出現在臺風期，可達32 m/s［17］。季風影響致使南下沿岸流的流向和強弱產生季節性變化。夏半年因東南季風影響，北上的臺灣暖流增強南下沿岸流較弱，表層水具有偏向東北方向的流勢［16］;冬半年在冬季風驅動下沿岸流緊靠浙閩海岸南下，水體渾濁。各月平均波高 0．3～0．6 m，平均周期 2．8～4．5 s，大浪集中在8～10月［10，17］。該海域的潮汐類型為正規半日潮，存在日不等現象，潮流方向為SSE—NNW，表層平均流速 1．08 m/s，底層平均流速 0．78 m/s，平均潮差 2．61 m，最大潮差達4．79 m［17～19］，按照 J．L．Davies［20］潮差對海岸地貌的分類，該海區屬于中等潮差區。朱家尖島東北方向為白沙水道，南北走向，長約7 km，寬約 1．1～1．8 km，水深25 m左右，通行航船、漁船。

2 樣品來源及分析方法

2．1 樣品采集及淺地層剖面測量

于2011年10月19日至10月31日期間，用抓斗式采泥器在舟山泥質區邊緣海域內獲得58個表層沉積物樣品，并將樣品保存于潔凈自封袋中，冷藏帶回實驗室(采樣站位如圖1所示)。另外，采用淺地層剖面儀Edgetech512測量本海區淺地層剖面特征，共完成測線五條(圖1C)，總長71 km。其中東西向斷面三條，由南向北分別為:I24-I1斷面17 km，E19-E1斷面14 km，B22-B1斷面17 km;南東東向斷面一條，E19-G1斷面15 km;南北向斷面一條，A11-J11斷面8 km。通過地層解釋，以及鄰近區域地層對比，研究本區域底床穩定性以及全新世淺海相地層分布規律。

圖1 東海流場分布及采樣站位(圖A修改自Deng et al．，2006，黑色實線表示全年存在流場，灰色實線表示冬季存在流場，黑色虛線表示夏季存在流場)Fig．1 Major currents in East China Sea and the sampling stations of the surface sediments(Fig．A modified after Deng et al．，2006，Solid black lines indicate year round currents;solid gray lines indicate winter currents;dashed black lines indicate summer currents)

2．2 表層沉積物分類

對獲得的表層沉積物樣品采用 Shepard et al．［21］的沉積物三角分類方法進行分類。在表層沉積物三角圖中(圖4)各個頂點代表某一組分的含量達到100%(其他兩個組分的含量為0)，命名時將含量低者放在前面，若某一組分在同另外兩個組分的和中的比例(如礫石在礫—泥和礫—砂中的含量)都小于25%時，則它不參加命名［21，22］。

2．3 粒度測定

對采集的58個表層沉積物樣品先分別用雙氧水去除有機質，再加入分散劑，然后利用超聲波振蕩對樣品進行分散處理，最后應用美國庫爾特(Coulter)公司生產的庫爾特LS100Q型激光粒度儀進行粒度分析。該方法的基本原理是一定粒徑的顆粒以一定的角度散射光線，角度隨顆粒直徑的降低而增加。單色光平行光束通過樣品槽中的懸浮液，散射光聚焦到檢測器，檢測器測量散射光的密度分布，然后利用弗蘭侯夫衍射和梅氏理論進行結果計算及分析，其粒徑測量范圍在0．4～1 000 μm，可提供高分辨率分析結果［23］。最后，使用 McManus［24］的矩法參數公式計算沉積物的粒度參數，即平均粒徑、分選系數、偏態、峰態。

3 結果

3．1 淺地層剖面特征

研究區總體底床較為平緩，南北剖面及東西向各剖面皆未現波浪作用產生的波形。東西向剖面近岸坡降較緩，水深在5～30 m之間，至東部坡降略大(圖2，3)，水深為20～30 m，而南北向水深變化不大(圖3e)。北部B斷面在近岸朱家尖島與白沙島之間為島間海槽向南延伸，海槽寬約4 km，水深可達40 m(圖3a)。在中南部島礁影響區出現沖蝕凹陷地形(圖3d)。

區內地層剖面上部皆為水平淺海相沉積。水平構造發育，層理平行于底床，水平延伸，為典型的淺海相地層特征。該層厚度大多在8～12 m之間，近岸逐漸減薄，除最北部B斷面外，該層在研究區東部厚度增加到18～20 m(圖3b，c)。自北向南，平行于岸線方向淺海相地層厚度較為穩定(圖3e)。在島礁區附近，淺海相地層較薄，且內部層理構造不發育，為塊狀的粉砂或砂質沉積(圖3c)。

淺海相地層與下伏層間為不整合界面，在淺地層圖像中較為清晰，表明上下地層巖性有較大差異，界面在中部及南部斷面中可見槽狀侵蝕結構，可推斷該界面代表末次冰期低海面及海侵淹沒前的陸相沉積界限，這與研究區相關文獻14C 測年結果相符［7，12］。剖面I東部可見淺層氣出露(圖3c)，其頂面埋藏深度約為12 m，島礁區及南部剖面可見少量下伏基巖(圖 3c，d)。

下伏沉積物為沙質沉積層，研究區東部斜坡處，可見沙層內傾斜層理及槽狀交錯層理(圖3b，c)，是河流相沉積或濱海相沙丘沉積。研究區鉆孔資料也發現相應的河流相或濱海相沙質沉積層［12］。其余大部分地區下伏層內沒有發現特征沉積構造，推斷為較均一的濱海沙質沉積層，研究區全新世地層平均厚度在10 m左右。

圖2 全新世地層厚度分布圖(單位m)Fig．2 Isopach map of the Holocene sediment

3．2 表層沉積物組成特征

對獲得的表層沉積物樣品采用Shepard等［21］的沉積物三角分類方法進行分類。研究區樣品中不含礫石。因此，沉積物可分為砂、粉砂、黏土、黏土質粉砂、粉砂質砂、砂質粉砂等類型。由測量結果可知，研究區大部分表層沉積物的主要組成為黏土質粉砂(圖4)，具有較低的干容重(平均 1．44 g/cm3)(圖5A)，以及較高的含水率(平均46%)(圖5B)，繼承了長江沉積物粒度組成特征［25，26］。島礁附近沉積物相對較粗，為含黏土質粉砂沉積，沉積物干容重也相應較高(大約1．8 g/cm3)(圖5A)，含水率則相應減小(35%左右)(圖5B)。沉積物的干容重圍繞島礁呈東西向長條形分布，與區域內漲落潮流方向基本一致。

圖3 淺地層剖面B、E、I、EG、AJ(藍色為淺海相地層)Fig．3 CHIRP seismic profiles B，E，I，EG，AJ．(the blue stratums are neritic facies stratums)

表層沉積物的主要三種組份分別為黏土、粉砂和砂。其中，黏土的平均百分含量為26%，粉砂的平均百分含量為65%，砂的平均百分含量為9%，與杭州灣口北部海區的沉積物組成相似［27］。黏土組分在研究區域的分布如圖5D所示，其主要分布在10%～40%之間，變化范圍不大，集中在20%～30%之間，由海岸向外海方向(由西向東方向)黏土含量有遞增趨勢。粉砂組分在研究區域的分布如圖5E所示，粉砂是研究區域中百分含量最大的組分，其主要分布在32%～80%之間，變化范圍較大，大部分處在60%～70%之間，沿岸部分海域的粉砂含量大于東部外海海域，呈遞減趨勢，這與黏土的分布正好相反，粉砂與黏土的百分含量在研究區域的東南角都出現同心圓狀分布，不同之處是黏土含量沿外周向圓心遞減，而粉砂含量則遞增。砂組分在研究區域的分布如圖5F所示，其分布范圍為2%～57%，變化范圍較大，但是大部分處在5%～10%之間，砂組分是研究區域中相對較少的組分，由于含量少，其在研究區域的分布顯得比較均勻。

圖4 表層沉積物三角圖Fig．4 Ternary diagram of surface sediments

3．3 表層沉積物粒度參數特征

沉積物粒度受物質來源、搬運介質、搬運方式以及搬運距離等因素控制，是判斷沉積時自然地理環境以及沉積動力條件的良好標志。一般來講，沉積物的粒度大小可以用來反映沉積動力條件的強弱，粒度越粗，反映其沉積動力條件越強;反之，其沉積動力條件越弱［28，29］。

表層沉積物平均粒徑大部分集中在6～7 φ之間(圖 6A)，平均值為 6．6 φ，為細粉砂級別，占樣品總量的82．8%。朱家尖島沿岸附近的沉積物粒徑比外部海域的大，由沿岸向外海沉積物平均粒徑呈變細趨勢，在122．50°E處有較明顯的分界。但是研究區域西南角的海灣內(南沙海灘附近)平均粒徑比其他沿岸表層沉積物平均粒徑要小。島礁附近的沉積物平均粒徑較大(小于6 φ)。

圖5 表層沉積物干容重、含水率、中值粒徑以及黏土、粉砂、砂百分含量分布Fig．5 The distribution of dry unit weight，moisture content，medium diameter and the percentage content of clay，silt，sand in the surface sediments

研究海域表層沉積物的分選系數(圖6B)范圍為1．49～2．32，大部分樣品集中在 1．80～2．10 之間，平均值為1．96，總體上樣品分選差。分選系數是用來衡量相對于平均粒徑而言粒徑分布范圍的大小，分布集中，分選系數就小，反之分選系數大，分選性就差。同時，分選系數也可以用來指示環境的水動力條件和沉積物來源數量，分選系數大可以指示多變的沉積環境和多源沉積混合［12］。研究區域的沿岸部分和中部少量海域的分選系數相對較好(小于1．8)，總體而言，分選差。

圖6 表層沉積物粒度參數分布圖Fig．6 The distribution patterns of the grain size parameters

偏態(偏度)反應的是粒徑分布曲線分布的不對稱性［22］。在正態分布曲線上，沉積物的峰值、均值和中值互相重合，偏態為0。在正偏曲線上，中值和峰值分布在均值的較粗的一側，在較細的一側出現了一條尾巴。負偏時情況相反。研究區域表層沉積物偏態(圖 6C)主要分布在 0．1～0．3 之間，平均值為 0．2，總體上屬于正偏，這與長江三角洲潮灘沉積物偏態相同［26］。在 122．55°E 以東的研究海區偏態小于 0．1，其粒徑分布曲線近對稱。在122．52°E北部海區沉積物粒徑分布曲線出現極正偏(大于0．3)。

該海域表層沉積物的峰態(峭度)分布在0．83～1．71 之間(圖 6D)，在 0．90～1．10 之間的分布為主，平均值為0．99，總體上屬于中等峭度。峭度可以用來衡量粒徑頻率分布曲線的頻率極值上下偏離正態分布頻率極值的程度。研究區域西南角的海灣內(南沙海灘附近)峭度寬平(小于0．9)，東南部島礁附近的沉積物峭度呈同心圓狀分布，由外周到圓心峭度逐漸增大(由“中等峭度”到“窄尖”再到“很窄尖”的分布)。

4 討論

4．1 沉積地層穩定性

長江水下三角洲向南延伸帶上的舟山近岸泥質區全新世沉積厚度約為4～23 m大部分在8～12 m之間，與 DC-1 孔、DC-2 孔［6，7］全新世厚度較接近，自西向東逐漸變厚，可見基巖裸露，整體上由西北向東南方向緩慢傾斜(圖2，3)。其沉積物具有含水率較高(平均為46%);孔隙比高，密實度較差;高壓縮性，并且隨地層深度的增大壓縮性逐漸降低等特點［30］。另外，固結快剪強度指標 c、ψ值較小，隨地層埋深增大，其值逐漸增大。因此，本海區海底沉積物的強度較低，在重力、波浪力等外力作用下易受到破壞。部分淺地層剖面中記錄有淺層氣存在，其埋藏深度約為12 m(圖3c)，可能與上部地層黏土含量高有關，淺層氣不易穿越上升。淺層氣的存在會給海洋工程地基帶來安全隱患［30～32］，Whelan et al.［33］研究了淺層氣與沉積物抗剪強度之間的關系，結果表明自重作用下的固結作用可以使海底松散沉積物的抗剪強度隨深度增大，而含氣層中這種增長率明顯減小。淺層氣的存在可使土質的抗剪強度降低，從而增強了潮流對海床的沖刷侵蝕作用，給海洋工程地基帶來安全隱患。研究區北部B斷面在近岸朱家尖島與白沙島之間發現有島間海槽，南北走向，海槽寬約4 km，水深可達40 m(圖3a)。島間海槽正處于白沙水道南部開口，其表層沉積物含砂量高(約20%)，平均粒徑從水道口門向外海逐漸變細，島間海槽位置的水動力條件強，有利于粗顆粒沉積。另外，白沙水道的航道疏浚可能會影響海槽的表層沉積物分布。

4．2 沉積速率

流系對舟山近岸沉積物的搬運和沉積起著控制性作用。其周圍主要的流系有:長江沖淡水、臺灣暖流和閩浙沿岸流等。夏季長江口的懸沙和沉積物主要在河口附近快速淤積，而部分物質則隨著沖淡水運動向外海擴散，還有一些物質以異重流的形式向外海逃逸［25，34，35］。冬季臺灣暖流減弱和冬季風驅動作用，使得閩浙沿岸流沿岸南下，長江口外沉積物發生再懸浮和輸運，大約20%～30%的長江沉積物［36］再搬運而堆積于閩浙沿海形成閩浙沿岸泥質區［37，38］。

東海陸架泥質區具有充足的沉積物供應和廣闊的陸架結構，其對海平面的變化十分敏感［12］。自末次盛冰期以來，出現過六次海平面快速上升，其中有兩次最為明顯，在300年內海平面分別上升20 m(14．3～14．0 ka B．P．MWP-1A 事件，從－96 m 上升到－76 m)和13 m(11．5～11．2 ka B．P．MWP-1B 事件，從－58 m 上升到－45 m)［39，40］。海平面在大約 7 ka B．P．時候達到最大高度(+3m)，此后逐漸下降到現今海平面高度［41］。鉆孔的AMS14C測年數據表明東海泥質區主體部分是在全新世中晚期(7 ka B．P．以來)高海平面體系下形成，此時閩浙沿岸流也開始穩定，沉積物通過再懸浮與閩浙沿岸流的作用下向南輸運［13，42］。但 是 Xu et al．［12］通 過 鉆 孔 EC2005 和MD06-3039/3040資料表明兩個它們在11～7 ka B．P．之間的堆積厚度分別為 8 m和 6 m，說明從11 ka B．P．開始長江就持續向南輸送沉積物，這與Liu et al．［13］認為的在 11～7 ka B．P．間長江沉積物只向南黃海輸送，7 ka B．P．左右沿岸流形成后沉積物才開始向南輸運有所不同。

舟山近岸泥質區處于長江口泥質區和浙閩沿岸泥質區交接的邊緣，其全新世泥質沉積厚度約為4～23 m大部分在8～12 m之間(圖2，3)，遠遠小于兩個泥質區中心沉積厚度［13］。假設舟山泥質區邊緣的沉積物是全新世中晚期(7 ka B．P．以來)形成的［13，42］。依此計算得出舟山近岸泥質區長時間尺度沉積速率約 0．57 ～ 3．29 m/ka，且大部分集中在 1．14 ～ 1．71 m/ka之間。這一沉積速率遠小于位于鄰近的浙閩沿岸泥質區沉積中心(7 ka沉積厚度為30 m［13］，沉積速率4．29 m/ka)，也遠遠小于長江口門外水下三角洲泥質沉積中心(7 ka沉積厚度為40 m［13］，沉積速率5．71 m/ka)。盡管研究海區懸浮泥沙含量較高［43，44］，但在較強的潮流作用及波浪作用下沉積物再懸浮作用增強，使得長江水下三角洲向南延伸帶上舟山泥質區邊緣的沉積速率較小。

4．3 沉積環境變化趨勢

近年來流域人為活動加劇，長江的入海泥沙通量不斷減少。20世紀70年代以前年均通量近5億噸，到2000年入海泥沙只有3．4億噸，2003年三峽水庫蓄水運用后大通站測得數據顯示每年入海泥沙已經不到2億噸。最近幾年數據分別為:2009年1．11億噸;2010年1．85億噸;2011年0．718億噸。研究表明三峽大壩建成后，長江口部分潮灘濕地及水下三角洲已出現侵蝕，至2007年侵蝕主要集中在5～8 m等深線附近［45，46］，另外，南匯邊灘的淤積速率也有所減緩［47，48］。隨著長江流域水利水電工程開發不斷加強以及南水北調工程的實施，入海泥沙通量在未來幾十年可能會繼續減少，三角洲侵蝕可能繼續或甚至加強。三角洲的侵蝕無疑起到泥沙補給作用，從而減輕對遠距離沉積“匯”的影響。但是，三角洲的侵蝕有可能不足以完全補償長江入海泥沙量的減少。也就是說，在長江流域人類活動影響下，浙江沿岸泥質帶沉積速率有可能下降。

5 結論

根據以上研究，得出以下幾點結論:

(1)研究區水深在5～30 m之間，總體底床較為平緩，東西向剖面近岸坡降較緩。區內地層剖面上部皆為水平淺海相沉積，水平構造發育，層理平行于底床，為典型的淺海相地層特征。剖面I東部可見淺層氣出露，其頂面埋藏深度約為12 m，島礁區及南部剖面可見少量下伏基巖。淺海相地層與下伏層間為不整合界面，下伏沉積物為濱海沙質沉積層，全新世地層平均厚度在10 m左右，長時間尺度沉積速率約0．57～3．29 m/ka。沉積物含水量較大，孔隙比高密實度較差，固結快剪強度指標 c、ψ值較小，且有淺層氣存在。因此，研究海區的抗沖蝕能力相對較弱。

(2)研究區沉積物中不含礫石，砂、粉砂、黏土的平均含量為9%、65%和29%，平均粒徑的平均值為6．6 φ，主要為黏土質粉砂。沉積物含水率高，干容重較低;分選性差，分選系數平均值為1．96;大部分研究區域的偏態屬于正偏，偏態平均值為0．2;屬于中等峭度，峰態平均值為0．99。靠近白沙水道附近水動力作用較強，形成島間海槽，海槽內表層沉積物砂含量高，平均粒徑較大。

(3)研究區沉積物主要來源于長江口。近年來長江入海沙量減少，改變其來水來沙條件。三角洲可能繼續侵蝕，可以起到泥沙補給作用，從而減輕對遠距離沉積“匯”的影響。但是，三角洲的侵蝕有可能不足以完全補償長江入海泥沙量的減少。因此，在長江流域人類活動影響下，浙江沿岸泥質帶沉積速率有可能下降。

致謝 感謝華東師范大學河口海岸國家重點實驗室劉健華、史本偉、羅向欣、何海豐、張朝陽在野外采樣中提供的幫助；感謝華東師范大學河口海岸國家重點實驗室野外儀器室張文祥老師協助儀器的投放；感謝張曉笛在論文文字修改方面的幫助與支持；感謝兩位審稿專家寶貴的建議。

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