汕頭近岸海域表層沉積物粒度特征及其輸運趨勢

陳 翰 陳 忠 顏 文 李 亮 劉建國 黃蔚霞 黎 剛

(1．中國科學院南海海洋研究所邊緣海地質重點實驗室 廣州 510301;2．中國科學院大學 北京 100049)

0 引言

河口和海灣是海岸帶的重要組成部分，其作為港口航道、旅游、海水養殖資源的重要性早已被認識。河口、海灣的現代沉積環境是研究海岸帶海洋環境和陸海相互作用的基礎和重要內容，同時也為海岸帶開發和海洋工程建設提供科學參考［1，2］。粵東汕頭近岸海域位于南海東北部，與東海的福建廈門海域相鄰，是快速發展中的汕頭特區的重要門戶，在“海峽西岸經濟區”中占據重要地位。近年來，人類活動對該海域的影響日益加劇，對海灣沉積、生態學的研究顯得日益重要。前人對汕頭近岸海域的研究，主要集中在環境污染［3，4］和生態系統［5，6］調查，港口工程評價［7～9］以及對表層沉積物的物源示蹤［10，11］等方面，此外對部分海灣進行了泥沙來源和搬運的研究［12～15］，但受資料和樣品所限，對該海域的沉積環境、沉積動力過程和沉積物輸運等方面都了解甚少。

沉積物粒度特征包含了豐富的沉積物運移等海洋沉積動力學方面的重要信息，在劃分近海底質類型、區分沉積環境、判定物質輸運方式和判別水動力條件等方面有著重要的作用［16～18］。汕頭近岸海區受徑流、潮流和波浪等動力作用以及咸淡水交匯的影響，加上復雜多變的地形，決定了其表層沉積物的組成、粒度變化也較為復雜。

本文根據汕頭近岸海域表層沉積物的粒度組成和粒度參數，開展粒徑趨勢分析，結合有關資料，探討研究區沉積物粒度分布特征、沉積環境及沉積物輸運方向，不僅有助于了解該海域沉積環境的未來演變趨勢，并且對該區港口建設、航道管理、水產養殖、環境保護及資源開發等具有重要的參考意義。

1 區域概況

汕頭近岸海域位于南海東北部閩粵交界處，主要由柘林灣和汕頭港組成，地理位置為23°12'～23°37'N，116°24'～117°12'E。柘林灣是一個穩定性較好的半封閉小型河口灣，北面、西面為陸地包圍，南面為南澳島，中部分布著海山、西澳和汛洲等島。汕頭港位于榕江、韓江的出海口，是汕頭地區工業、農業、水上交通、旅游和對外貿易的主要港口。隨著城市建設的發展，該區港口岸線和水域資源日益減少、萎縮，海灣面積大幅減少，納潮集水能力明顯下降［8］。

研究區水深1～20 m，潮汐性質為不正規半日混合潮型，漲潮歷時大于落潮歷時。潮流最大流速為 0．79 m/s，平均流速為 0．27 m/s;余流最大流速為0．16 m/s，平均流速為 0．09 m/s，表層和底層余流流向較一致，受地形影響，都是沿岸線走向［15，19］。

根據測波站實測資料，該海域位于華南強浪區，波浪具有以下特點:(1)海域具有常(強)浪向集中、大浪頻率高、季節性分布明顯等特點;(2)深水區平均波高約1．0 m，平均周期4～5 s，波向主要集中在 ESE—S向;(3)常、強浪主要集中于 E—SSW向;(4)夏秋季節常受臺風侵襲，臺風登陸或過境時，可出現5 m以上的特大波高;(5)海域常年多為涌浪，頻率約占 90%［7，20］。

汕頭沿岸表層環流與整個南海環流密切相關。觀測表明，汕頭沿岸海域是一個季節性上升流區。夏季，由于西南季風的作用，沿岸為NE向流，Ekman效應使得海水作離岸運動，有利于上升流的發生。冬季，季風轉向，東北季風驅動了SW向沿岸流，表層海水向岸輻聚，有利于下降流的發生。外海水沿海底地形爬升至惠來近岸，并隨沿岸流向東北方向運動，在汕頭以東近岸海域形成上升流。研究區汕頭港以東水域最大流速可達1 m/s以上［21，22］。

2 樣品與方法

2．1 樣品采集與粒度測試

2008年1月，中國科學院南海海洋研究所在汕頭近岸海域(汕頭港和柘林灣)進行表層沉積物樣品的采集，使用不銹鋼抓斗取得70個站位的底質表層樣(采樣深度0～5 cm)，采樣站點是參考908規范和有關標準，根據調查區塊的工作量和比例尺平均布設(圖1a)。

沉積物測試按國家908綜合調查與評價專項之“海底底質調查技術規程”操作，包括去除有機質、鈣質膠結物和生物殼體CaCO3以及洗鹽等過程［23］。對于粒徑小于2 000 μm的樣品，直接用激光粒度儀分析;對于粒徑大于2 000 μm的樣品，先稱重，用1 mm孔徑的篩子濕篩，細顆粒部分仍用激光粒度儀進行分析，粗粒度部分用傳統篩法分析(1 φ間隔)，兩部分數據利用Mastersizer軟件自帶的仿真程序合并獲得完整的粒度分布。測試儀器為Mastersizer2000型激光衍射粒度分析儀，測量范圍0．02～2 000 μm，相對誤差小于 2%。粒度分級采用尤登—溫德華氏等比制φ值粒級標準分級，沉積物的命名采用謝帕德三角圖分類法，粒度參數采用矩法計算［24］。將計算結果進行克里格插值、高斯低通濾波過濾，得到各粒度參數的空間分布圖，此過程用Golden Software Surfer 8．0 實現。

2．2 沉積物粒度數據處理

利用現代數理統計方法對沉積物粒度數據進行綜合分析是研究沉積環境和物源判別的有效和常用的手段之一，其中系統聚類分析是最常用的方法，它采取分類后各亞類內距離最小、亞類間距離最大的基本原則來定量地確定研究對象不同種類的劃分。對樣品進行的系統聚類分析通常稱為Q型系統聚類分析。同樣的方法對樣品的多個測定指標(或變量)進行系統聚類分析，稱為R型系統聚類分析［25］。本文采用SPSS Statistics 20統計分析軟件對樣品的粒度數據進行聚類分析，并用因子分析法來研究沉積動力環境或物源的空間差異。

在輸運方向上，沉積物的粒度參數會發生沿程變化。因而，可以通過分析粒度參數的分布特征來獲取沉積物的輸運信息。本文的粒徑趨勢分析采用GSTA粒徑趨勢模型得到沉積物凈輸運趨勢。該模型因其操作簡單、模擬結果客觀已被廣泛應用于河口、港口、海岸帶、陸架和湖泊等環境沉積物凈輸運趨勢的研究［18，26～30］，其原理可參考相關文獻［31］。

3 結果

3．1 沉積物類型分布特征

汕頭近岸海域表層沉積物可劃分為9種底質類型(圖1b)，以黏土質粉砂(YT)、砂質粉砂(ST)和砂—粉砂—黏土(S—T—Y)為主，其中黏土質粉砂分布于海區中部的大片寬闊海域，砂質粉砂分布較為分散，砂—粉砂—黏土分布于柘林灣北部、南部和汕頭港西南邊緣，靠近島嶼與半島，說明該海區整體沉積動力較弱。此外還有礫質砂(GS)、砂(S)、粉砂(T)、粉砂質砂(TS)等類型，礫質砂分布于南澳島西部和南部站位;砂和粉砂質砂的分布一般沿陸地邊緣、島嶼及河口;粉砂則分布于榕江河口區、海區中部及島嶼周邊。

圖1 研究區位置及站位分布圖(a)，沉積物底質類型分布圖(b)，以及各粒級組分含量分布圖(c．礫;d．砂;e．粉砂;f．黏土)Fig．1 a．Location of the study area and sampling sites offshore Shantou City;b．Subarea of sediment types;c－f．Distribution of(c)gravel，(d)sand，(e)silt，(f)clay constituent content

3．2 沉積物粒度組成特征

在研究區中，沉積物中粉砂含量最高，平均值達51．0%;砂與黏土含量次之，平均含量分別為29．2%和 18．4%;礫石含量最低，平均值僅為1．4%。

研究區共有7個站位含礫石組分，含量變化為0．2%～35．7%，高含量區主要分布在南澳島的西北部及南部海域(圖1c)。砂粒級組分以中、細砂為主。砂含量的變化范圍從0．74%～100%，含量高于30%的站位主要分布在大陸沿岸、柘林灣東部、南澳島南部、榕江河道及入海口(圖1d)。粉砂含量為0．01%～80．7%，全區大部分海域粉砂含量較高，低值站位主要分布在大陸沿岸，與砂含量高值區近似(圖1e)。本區黏土含量變化范圍為0～32．8%，高值區集中在東北和西南海域，中部近岸海域比西部偏低(圖1f)。

3．3 沉積物粒度參數分析

粒度參數采用福克—沃德提出的四種參數，即平均粒徑(Mz)、分選系數(σi)、偏態(Sk)和峰態(Kg)。

平均粒徑在一定程度上反映了沉積環境的變化、沉積動能的平均強度和物質來源等。該海區表層沉積物平均粒徑在0．12～7．30 φ之間變化，平均值為5．53 φ。平均粒徑的高值站位分布于柘林灣北部、南澳島北岸和汕頭港南部海域，低值站位主要集中在海區中部的近岸海域;柘林灣北部的低值站位聚集在高值站位所環繞的海區內，具有與緯線平行分布的趨勢(圖2a)。研究區呈現出近岸或島沉積物較粗、而海區中部較細的特點，證明了研究區沉積物來源主要為陸地，通過風化剝蝕及搬運沉積作用形成的觀點［10，11］。

圖2 研究區表層沉積物粒度參數等值線圖a．平均粒徑 b．分選系數 c．偏態值 d．峰態值Fig．2 Isoline map of grain size parametersa．The mean grain size;b．The coefficient of sorting;c．Kurtosis;d．Skewness

分選系數反映了沉積介質載荷的篩選能力。本海區沉積物的分選系數為 0．50～2．94，平均1．82。多數站位的分選系數在1．0～2．0之間，表明沉積物分選性差或很差。圖2b中顯示分選性較好的站位零星分布于近岸，可能與沉積物類型單一有關。分選性較差的站位集中分布在柘林灣大部和汕頭港中部，對應粉砂與黏土含量較高。說明該海域水動力差異明顯，在近岸和靠近海島的部分海區水動力較強，而在柘林灣和汕頭港中部等部分海域水動力較弱。

偏態值可量度沉積物顆粒頻率分布的對稱程度。本海區沉積物的偏態值在－0．65～0．30之間，平均值為－0．02。偏態分布表明(圖2c)，沉積物粒徑負偏態的站位分布較分散，主要分布在南澳島南部和柘林灣北部的近岸;正偏態的站位主要集中在榕江河道和海區中部的寬闊海域。這表明，徑流來沙中包含來自懸浮體的細粒物質，其傳播距離較遠，而粗粒物質易在近岸沉積。

峰態值用以衡量粒度頻率曲線的尖銳程度。本海區沉積物的峰態值在0．63～2．67之間，平均值1．05。從分布圖上看(圖2d)，多數站位峰態值小于1．11，屬于近正態或平坦的范圍，說明本海區的沉積物粒徑混雜，水動力分選不明顯。

4 討論

4．1 現代沉積環境分區

通過分析粒度數據來劃分現代沉積環境是當前常用的方法。由于采用所有的粒度參數進行系統聚類分析不能有效揭示研究區內的沉積環境差異，各項粒度參數之間也可能存在不同程度的內在聯系。因此需要壓縮指標，并最大限度地保持指標中所包含的特征信息［32，33］。本文嘗試把系統聚類分析和因子分析相結合，來分析汕頭近岸表層沉積物的粒度信息，并劃分研究區現代沉積環境。

圖3 汕頭近岸表層沉積物樣品Q型聚類分析譜系a．以粒度相關參數為變量;b．以主控因子得分為變量Fig．3 Diagram of Q-type cluster analysis for samples from surface sedimentsa．Grain size parameters as variables;b．Factor scores as variables

4．1．1 對粒度相關參數的系統聚類分析

所采用的沉積物粒度相關參數包括平均粒徑、中值粒徑、偏態值、峰態值、分選系數、砂含量、粉砂含量、黏土含量，對這8個參數作R型聚類分析，將具有相同聚集趨勢(即距離較近)的參數合并，提取出對環境鑒別最敏感的參數，最終選擇粉砂含量、砂含量和分選系數為沉積環境劃分參數(方法見文獻［32］)。研究表明，粉砂含量是對研究區水動力條件最敏感的參數，砂含量是受物源條件影響最為顯著的參數，而分選系數是對地形與流場相互作用最為敏感的參數［17，32］。因此以這三個指標參數為變量作Q型聚類分析，能有效劃分樣品類別。聚類分析譜系圖見圖3a。

4．1．2 對沉積物各粒級參數的因子分析

對汕頭近海70個表層沉積物樣品、50種粒級進行R型因子分析，獲得3個主控因子:因子1特征值比例占 49．55%，因子 2占 23．07%，因子 3占13．37%，這3個主因子特征值比例累計達86．00%。方差極大旋轉因子載荷顯示旋轉后的各因子反映的粒度變化范圍清晰(見圖4)，因子1主要由5．5～11 φ(細粉砂、黏土級為主)的正載荷和 1．5～3．75 φ(中、細砂級為主)的負載荷組成，因子2主要由－1～ 1．5φ(細礫、粗砂級為主)的負載荷組成，因子3則由 3．75～5．5 φ(粗粉砂級為主)的正載荷組成，因子得分的空間分布指示了沉積環境(物源特征、水動力條件)的空間分異特征。將每個樣品對主因子的貢獻度量化為因子得分，把因子得分作為樣品的新變量作Q型聚類分析［33］，方法同上，聚類結果如圖3b所示。

圖4 方差極大旋轉后各因子在各粒級上的主成分載荷Fig．4 The grain-size factor loading map of surface sediments of the study area(via varimax rotation)

4．1．3 現代沉積環境劃分

根據上述兩種方法的統計結果，綜合分析得出各樣品所屬類別，確定分類數為4，并以此繪制出研究區沉積環境分區圖(圖5)。

圖5 研究區沉積環境分區圖Fig．5 Sedimentary environment of the study area

Ⅰ類沉積區廣泛分布于研究區中部水深大于5 m的范圍內，其主要沉積物類型為黏土質粉砂，沉積物粒度較細，主要呈負偏態或近于對稱(表1)，分選相對好于周邊的沉積物。因子分析顯示該區沉積物的主控因子主要由5．5～11 φ(細粉砂、黏土級為主)的正載荷和 1．5～3．75 φ(中、細砂級為主)的負載荷組成，說明該區沉積物的分布與水動力環境和物源條件有一定聯系，即該區有豐富的泥沙來源細顆粒物質而較少島源粗顆粒物質，可能是該區遠離河口和海岸帶，受河流和潮汐影響較弱，有利于細顆粒泥沙的沉積。

Ⅱ類沉積區主要位于榕江、韓江河口區域和南澳島附近，水深較淺，主要沉積物類型為砂。該區沉積物的顯著特征是分選相對較好，粒度較粗。由于位于河口區域且靠近海岸和島嶼，源于陸地風化物的粗顆粒物質較多，導致沉積物粒徑相對較粗。此外，河流和潮流的共同作用使得該區水動力較強，不利于細顆粒泥沙的沉積，也使得該區沉積物的分選性相對較好。

Ⅲ類沉積區主要分布在榕江下游和汕頭港近岸，主要沉積類型為黏土質粉砂和砂—粉砂—黏土。該區沉積物的粒度較細，主要呈正偏態，分選相對較差。因子分析沉積物的主控因子主要由3．75～5．5 φ(粗粉砂級為主)的正載荷組成，說明沉積物主要受水動力條件的強烈影響。在榕江下游，由于受河流和潮流的共同作用，水動力條件比較復雜，因此沉積物分選性較差。

Ⅳ類沉積區主要位于南澳島和海山島周邊，主要沉積物類型為粉砂質砂。粒度較粗，且分選較差。同Ⅱ區類似，該區沉積物中粗粒組分主要來源于附近島嶼風化物。由于島嶼對潮流和風浪的阻擋使得該區域的潮波發生變形，潮流分叉，加之島嶼間的諸多潮汐通道的復雜流路，使得沉積物的分選性較差。此外，在汕頭港中心也有小范圍Ⅳ類沉積區分布，可能與該海域暗礁分布有關。

表1 研究區各沉積環境分區沉積物粒度組成和粒度參數Table 1 The grain-size compositions and parameters of sediments in each subarea of sedimentary environments

4．2 沉積物凈輸運趨勢分析

在粒度趨勢的分析中，特征距離(DC)的選取很重要，不同的特征距離計算的結果所反映的海底沉積物凈輸運趨勢也不一樣［27］。獲取特征距離的方法主要有經驗估計法，即選擇最大采樣間距為特征距離［34］;或根據情況分區，取不同的特征距離［26，35，36］;或用地質統計法來確定特征距離［28，37］。

筆者首先對研究區原始采樣點進行粒徑趨勢分析，由于已有的采樣站位不規則、不均勻，且站位較少，用地質統計方法不能有效獲得粒徑趨勢分析模型所需的變程值(即特征距離)［37］，因此特征距離取最大采樣間距0．06(大地坐標中任何兩點之間的歐氏距離，下同)，獲得的研究區沉積物輸運趨勢如圖6a所示。圖中矢量箭頭表示沉積物凈搬運方向，矢量長度僅表示粒徑趨勢的顯著性，并不代表搬運速率的大小。由圖6a可以看出，研究區大部分站位參與比較和合成矢量的相鄰站位過少且片面，不能夠反應該點所代表的沉積物輸運趨勢的真實方向。因此，本文對原始數據進行等距離插值，以期能有效提高原始數據的信息量及其準確性，得出更可靠的粒度趨勢分析結果［29，38］。

利用Golden Surfer 8．0軟件，基于克里格插值法，對原始數據按0．014°間距進行插值。取不同的特征距離來對比模型的模擬效果。分別對特征距離取0．02(約插值間距的倍)，0．04，0．06，0．08 和0．1，等各種情況進行粒徑輸運趨勢分析，得到凈輸運趨勢如圖 6b，c，d，e，f所示(已剔除邊界矢量)。插值后規則網格的粒徑趨勢分析與原始采樣點的結果有較大的差異。插值后的分析結果對特征距離的變化不敏感，基本都顯示出以下特點:在汕頭港水深小于10 m的海區，沉積物凈輸運趨勢較不明顯，但隨著特征距離的增大，在榕江入海口和汕頭港近岸表現出由海灣向河口輸運的趨勢;在水深大于10 m的海區，表現出明顯的由西南沿海岸線向東北方向輸運，直到南澳島的阻隔才逐漸減弱;在柘林灣，沉積物粒徑趨勢主要表現為由陸/島向海輸運。年來，當地政府對汕頭港外航道攔門沙已進行數次成功的整治，使得進港船舶的噸位不斷增加［7，9］，但后續這些海區的回淤情況，仍需引起足夠重視［12］。而柘林灣的沉積物凈輸運趨勢再次證明了該海灣淤積少的特征［15］，而且其水深，潮差大，加上其區位優勢明顯，位于其中的潮州港確為難得的天然良

粒徑趨勢模型所揭示的沉積物輸運格局與物源和水動力狀況較為吻合。首先，研究區的潮汐為外海傳來的協振潮進入近岸的潮波，在榕江入海口附近，因地形影響及海岸的反射作用形成駐潮波，表層和底層余流流向較有規律，都是沿岸線走向，且流向灣內［19］。這一水動力環境與該區沉積物沿海岸向灣內輸運的趨勢相符(圖6)。韓江、榕江等徑流攜帶的泥沙進入下游，其中細粒級部分直接或通過底質再懸浮的方式搬運進入汕頭港，而粗粒級部分由于受潮波的阻隔作用，在榕江入海口和汕頭港沿岸沉積，形成待狎金淺灘等一系列淺灘。這與黃利周［9］的觀點相一致，而 Liu et al．［11］通過黏土礦物對該區沉積物來源與貢獻的研究也證實了這一點。

其次，在汕頭港外水深大于10 m的海區，潮流和海流成為該海區沉積物輸運的主要作用力。據Zhu et al．［39］對該海區 ADCP 觀測結果表明，表層海流中常年存在東北向背景流，且在上埃克曼層以深層次流向常年向北。蔡尚湛等［22］通過遙感資料分析，認為該海域的上升流隨沿岸流向東北方向運動。而丁曉英等［40］通過遙感圖像分析，認為該海區漲潮流的流路比較一致，沿程保持北東方向。這幾種水動力模式正是導致該海區沉積物呈現出明顯的東北向輸運的原因所在。

最后，柘林灣由于島嶼眾多，海岸線復雜，該海區受徑流、潮流與波浪等多種動力作用，水沙動力環境復雜，在輸運趨勢圖上沒有表現出明顯的規律，總體仍是在潮余流和海流的相互作用下由海岸/島嶼向海灣輸運，但隨著特征距離的增大這一趨勢越來越弱。這一趨勢也印證了魏金城等［14］“根據柘林灣衛星遙感水沙影像及柘林灣表層含沙濃度平面分布圖認為柘林灣泥沙主要來源為黃岡河來沙，其次為韓江支流來沙”的結果相一致。

汕頭近岸海區泥沙輸運在榕江入海口和汕頭港沿岸形成匯聚區，徑流來沙、海域來沙在這些區域不斷淤積發展，不斷形成淺灘。并且在漲落潮流的作用下，沿海岸線往復輸運，使得這些淺灘的長度不斷增加，這也給港口建設帶來不利影響［40］。近港，發展潛力巨大。

5 結論

(1)汕頭近岸海區表層沉積物出現9種底質類型，以黏土質粉砂(YT)、砂質粉砂(ST)和砂—粉砂—黏土(S—T—Y)為主。沉積物中粉砂含量最高，平均值達51%;砂與黏土含量次之，平均含量分別為29．2%和18．4%;礫石含量最低，平均值僅為1．4%。平均粒徑在 0．12～7．30 φ 之間變化，平均值為5．53 φ;分選系數、偏態和峰態值的變化范圍依次為 0．50～2．94，－0．65～0．30 和 0．63～2．67，對應的平均值為 1．82，－0．02 和 1．11。

圖6 在汕頭近岸海域進行粒徑趨勢分析獲得的沉積物凈輸運趨勢a．原始站位結果;b—f．插值后結果Fig．6 The net sediment transport pattern by grain size trend analysis with different characteristic distancesa．Result from the original data;b－f．Results from the interpolated data

(2)系統聚類方法和因子分析方法結果表明，研究區可分為四類沉積區，分別代表不同的沉積環境。GSTA模型分析沉積物凈輸運趨勢的結果顯示，在汕頭港水深＜10 m的海區，徑流來沙和海域來沙有在榕江入海口和近岸匯聚的趨勢;水深＞10 m的海區，沉積物呈現出明顯的沿海岸線東北向輸運的特征;在柘林灣，沉積物主要表現為弱的由海岸/海島向海灣輸運的特征。

(3)粒徑趨勢模型所顯示的沉積物輸運格局與研究區的水動力狀況較為吻合，且與前人對該海區泥沙來源等研究相印證，可為研究區港口建設和航道管理的決策提供參考。

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