風暴與潮汐環境下的海灘表層沉積物特征對比
——以青島匯泉灣海灘為例

孫娟娟,韋龍明,毛欣茹,李 鑫,孫明行,黎家財,張 靜,蔡杏蘭

(桂林理工大學 a.地球科學學院;b.廣西隱伏金屬礦產勘查重點實驗室，廣西 桂林 541004)

風暴與潮汐環境下的海灘表層沉積物特征對比
——以青島匯泉灣海灘為例

孫娟娟,韋龍明,毛欣茹,李 鑫,孫明行,黎家財,張 靜,蔡杏蘭

(桂林理工大學 a.地球科學學院;b.廣西隱伏金屬礦產勘查重點實驗室，廣西 桂林 541004)

以青島匯泉灣為例, 重點開展2011年風暴環境與2015年潮汐環境下海灘表層沉積物特征的差異性對比研究。在兩次野外觀察對比的基礎上, 通過對樣品進行篩分和粒度參數分析, 利用輕重礦物分離實驗、 掃描電鏡觀察, 繪制沉積物整體粒度頻率曲線、 粒度概率累積曲線及C-M圖, 發現風暴改造后的海灘發育橫向礫脊, 海灘砂的磨圓度和分選性都變差, 礫石和粗砂比例較高, 石英顆粒表面構造發育;而在潮汐沉積環境下, 礫石和粗砂聚集于高潮線附近形成縱向沙堤, 沙灘沉積物總體分選性和磨圓度較好, 重礦物比例增高, 石英顆粒表面構造趨于簡單化。 提出了風暴環境具有快速沉積特點, 而潮汐環境則是海灘砂經受反復沖洗, 沙灘形貌不斷演變并最終趨于穩定的認識， 揭示了兩種沉積環境下海灘形貌的演化關系。

海灘;沉積物;風暴;潮汐;差異性

青島匯泉灣位于南黃海的膠州灣, 屬岬角型沙質海岸, 岬角由燕山期花崗巖組成。 潮間帶為質地相對比較均勻、 寬闊平緩的沙灘。 海灘沉積特征受海岸動力、 物質來源、 岸線輪廓、 地形地貌、 后濱的高度等因素的綜合影響。 匯泉灣潮汐類型指標為 0.4, 屬正規半日潮。 在潮汐流作用期, 海水周期性漲落, 海灘在周期性的潮汐流及沿岸流復合作用下正常沉積。 風暴潮期間, 由于風暴波能的巨大傳播速度, 將海水涌向濱岸, 并形成潮面的巨升。 風暴流是臺風作用下發生的, 它一方面可以形成百米甚至數百千米的湍流, 另一方面較強的風暴浪作用可把沉積物擾起[1]。2011年以來,“海灘沉積”大學生創新項目組先后4次赴青島匯泉灣開展野外工作,其中,2011年8月15—17日是臺風“梅花”[2]剛剛過去半個月,風暴改造的痕跡仍然清晰保留；2015年4月18—22日則是在距臺風“蘇拉”已經過去32個月。兩次野外工作均分別實測了三橫兩縱5條剖面及若干個垂向沙坑(圖1),分別代表了風暴沉積環境(圖1a)與潮汐沉積環境(圖1b),2010年7月,在距離最近一次風暴潮之后的29個月,作者也曾經對匯泉灣海灘進行觀察拍照(圖2a)。本文重點開展兩種環境下海灘沉積特征的對比研究。

1 風暴與潮汐環境下的海灘形貌變化

風暴與潮汐環境下的海灘形貌變化參見圖2。臺風“梅花”剛剛過后半個月,在青島匯泉灣海灘高潮線附近出現一系列平行海岸展布的縱向灘角[3](圖2b),而在近岬角處潮間帶則發育了一系列垂直海岸線的橫向礫脊(圖2c)。而2010年(距離上一次臺風之后29個月)看到的縱向沙堤[3](圖2a)被風暴潮摧毀而消失,大量粗大的礫石、粗砂被搬運而擴散到整個海灘上。風暴停息之后,在正常潮汐流的控制下, 海浪作用又重新改造海灘形貌,隨著時間的推移,粗顆粒物不斷被搬運到高潮線附近聚集。臺風之后32個月,新的縱向沙堤(圖2d)再次呈現出來[4]。

圖1 匯泉灣海灘實測剖面及采樣位置示意圖

圖2 匯泉灣海灘不同時期的地貌變化

2 沉積物特征與粒度頻率曲線差異分析

在野外海灘觀察、拍照的基礎上布置沉積物采樣(圖1),于室內按泰勒標準篩制對樣品進行篩分,進行各個粒級所占比例計算,再把各個采樣點的每個粒級區間的頻率相加,然后除以采樣點數,得出整體的每個粒級區間的頻率(表1),繪制出海灘整體粒度頻率曲線圖(圖3),兩條曲線均為不對稱雙峰式形態。

其中,風暴環境沉積物的礫級顆粒含量比例最高,達36%；極粗砂和細砂含量比例也較高,均為20%左右；粗砂、中砂和極細砂的含量較低,并有少量粉砂出現。而潮汐環境沉積物的礫級顆粒含量比例明顯降低至25%左右；細砂含量則呈現最高峰,高達28%左右；海灘沙粒度整體上變細,海灘質量提高。通過對比可看出, 風暴環境下礫-極粗砂比例比潮汐環境相對增多,而粗砂和細砂比例卻相對減少, 說明風暴流作用把高潮線上的礫堤破壞, 礫石和粗砂被搬運分散到整個海灘上, 從而使它們在樣品中的比例增大, 風暴停息后又有懸浮的粉砂沉積下來; 而潮汐環境下水動力比較穩定, 主要以機械搬運中的分選和磨圓作用為主,從而致使海灘砂細化,且分選性提高,細砂比例增加,海灘質量變好。

表1 匯泉灣表層沉積物整體粒度頻率統計

Table 1 Particle size frequency statistics of surface sediment in Huiquan Beach

%

圖3 匯泉灣表層沉積物整體粒度頻率曲線

3 沉積物粒度累積概率曲線與C-M圖的差異性分析

利用沉積物粒度數據繪制概率累積曲線圖(圖4)。通過兩組曲線對比分析, 在高潮線附近的縱剖面,風暴沉積環境下滾動組分[5]的粒徑明顯小于潮汐環境下滾動組分的粒徑,表明經過潮汐作用改造,高潮線附近的細粒沉積物不斷被帶離,留下礫石和粗粒砂的跳躍組分比例增大,而粉砂的懸移組分被帶到潮下帶沉積,以致滾動組分比例明顯增大;在橫向剖面和垂向剖面上,風暴沉積環境下的滾動組分段含量較高且斜率較小,而潮汐沉積環境下的滾動組分含量相對較少,斜率相對較大,表明受風暴影響的沉積物分選性較差,因為風暴作用后使沙灘整體覆蓋著礫石和極粗砂與細砂混合;而潮汐環境下滾動組分以及懸移組分斜率逐漸變大,分選性變好。

應用每個樣品的C值和M值繪制C-M圖(圖5),其中C值是粒度累積曲線上顆粒含量1%處對應的粒徑,M值是累積曲線上50 %處對應的粒徑, 即粒度中值。C值與樣品中最粗顆粒的粒徑相當, 代表了水動力攪動開始搬運的最大能量;M值是中值, 代表了水動力的平均能量。

圖4 兩種沉積環境下概率累積曲線

圖5 兩種沉積環境下的海灘沉積物粒度C-M投影

兩種沉積環境下的海灘沉積物粒度C-M圖對比同樣發現, 潮汐沉積環境的C-M圖C值較大, 常構成海灘的砂壩礫石堆積物; 風暴沉積環境的C-M投影圖中,遞變懸浮沉積物組分更明顯,而且C與M成比例地增加,而牽引流作用稍減弱。另外,從圖中可以看出,相比潮汐沉積的沉積物,風暴形成的最細的顆粒(即粉砂級及以下的顆粒)在水中呈懸浮搬運的規律性不如潮汐沉積物明顯, 說明隨著

地質營力的減弱,滾動組分的顆粒越小。在牽引流沉積中,C值常代表最大的地質營力,而風暴沉積中C—D段基本平行于C-M基線,即此處C值與M值相應地變化,表示在風暴作用下,水動力攪動的開始搬運的最大能量與水動力的平均能量基本相同,而此值在潮汐作用下并不明顯。

4 重礦物組成差異性分析

經過重礦物初步鑒定,青島匯泉灣海灘上的重礦物種類較少,主要包括磁鐵礦、綠簾石、褐鐵礦和赤鐵礦。通過對沉積物砂樣的輕重礦物分離實驗,并進行輕、重礦物含量統計(表2),分析可知,在Z1縱向剖面,越遠離岬角基巖,表層沉積物樣品中重礦物的含量比例越大,由于越遠離岬角,細砂比例越大,沉積物受到的分選作用越明顯,越有利于重礦物的聚集;在垂向剖面中,代表風暴沉積環境下形成的粗粒層的重礦物含量比例較潮汐沉積環境下形成的細粒層重礦物少。初步分析得出,由于風暴沉積環境下水動力太強,沉積物被強烈攪動而后迅速沉積下來,無法較好地進行分選;而潮汐沉積環境下,水動力條件正常,經過海浪的反復分選作用,重礦物得到相對聚集[6]。

5 石英顆粒表面構造差異性分析

本文所研究的樣品均采自青島匯泉灣海灘(圖1), 首先利用濃鹽酸(HCl)、 氯化亞錫(SnCl2)、 雙氧水(H2O2)等藥品對海灘砂樣品進行純凈處理； 然后在廣西壯族自治區有色金屬及特色材料加工省部共建國家重點實驗室培育基地對石英顆粒樣品進行掃描電鏡觀測照相, 掃描電鏡型號為S-4800，日本高新技術公司及英國牛津公司生產； 最后， 對石英顆粒表面特征構造(圖6)進行分類統計(表3)。

5.1 縱向剖面石英顆粒表面構造發育情況對比

數據對比分析(表3)發現,縱剖面中距離岬角由近到遠(TZ1-27→TZ1-56→TZ1-97),棱角狀顆粒(圖6a)和次棱角狀顆粒(圖6b)以及具有貝殼狀斷口的顆粒含量均由大到小變化,顯示磨圓度越來越高;而圓球狀顆粒和次圓球狀顆粒(圖6c)以及具有擦痕構造顆粒(圖6d)的含量均由小到大變化，表明隨著潮汐作用時間的增加,搬運作用和分選作用的加強,沉積物顆粒的磨圓度越來越好，相對而言,具有裂紋(圖6e)、大量機械撞擊坑(圖6f)等顆粒表面構造的含量占比則出現無規律變化,這可能是風暴作用影響的結果。

5.2 垂向剖面石英顆粒表面構造發育情況對比

觀察發現,相對遠離岬角的垂向剖面中存在明顯的粗細分層,粗顆粒層代表風暴沉積環境下形成的,而細顆粒層則是在潮汐沉積環境下形成。采用分層采樣并對比分析(表3)發現：整體上,細顆粒層樣品中圓球狀顆粒、次圓球狀顆粒含量均比粗顆粒層中相應形態顆粒含量高,而次棱角狀顆粒、棱角狀顆粒含量均低于粗顆粒層樣品； 同時,細顆粒層樣品中具有擦痕構造、裂紋構造及大量機械撞擊坑的顆粒含量均低于粗顆粒層,同樣說明,在風暴沉積環境下,由于強大的風暴流作用,水動力明顯增大,造成粗顆粒層樣品中的次棱角狀、棱角狀顆粒,具有裂紋構造、擦痕構造顆粒以及具有大量機械撞擊坑的顆粒比例明顯多于潮汐沉積環境下形成的細顆粒層樣品,這是風暴流影響下顆粒相互撞擊作用的結果;而代表潮汐作用環境下的細顆粒層樣品,圓球狀、次圓球狀顆粒含量高于受風暴作用影響的樣品,這是長期潮汐-海浪反復沖刷磨蝕作用的結果[6],也是潮汐-海浪的水動力條件相對較穩定的反映。

表2 輕重礦物分選及重礦物含量統計

注:Z1表示縱向剖面,其中27離基巖較近,56、70逐漸相對較遠;C、TC表示垂向剖面,C1、C7系2011年采的樣，TC1、TC3 系2015年采的樣;粗表示垂向剖面中的粗砂層,細表示垂向剖面中的細砂層。

圖6 石英顆粒表面構造特征

表3 石英顆粒表面構造特征類型統計

Table3Structuralcharacteristictypesofquartzsurface

%

注:TZ、TC均采自2015年4月,風暴過去32個月,代表潮汐環境;C采自2011年,風暴剛剛過去半個月,代表風暴環境;“粗”代表垂向剖面中的粗顆粒層,“細”代表樣品采自細顆粒層。

6 結 論

(1)風暴潮來臨,海平面明顯升高,整個海灘被淹沒,風暴浪的巨大能量,使海岸遭到強烈侵蝕,打破潮汐環境下海灘原有的平衡,礫石和粗砂被擴散到整個海灘,風暴流造成沙粒之間摩擦碰撞作用大幅度增強,棱角狀和次棱角狀顆粒的比例增高,石英顆粒的各類表面構造發育,重礦物比例降低。

(2)風暴過后,海灘沉積物形貌被潮汐-海浪作用不斷再改造,在海浪反復沖洗下,石英顆粒磨圓度和分選性越來越好,表面構造被磨蝕掉而趨于簡單化,散亂排布的沉積物也呈規律性重新排布,顯示匯泉灣沙灘在整體上呈現自我恢復的趨勢。

(3)在潮汐-海浪的長期作用下,粗顆粒物不斷向高潮線附近聚集,逐步形成縱向礫堤,風暴潮摧毀原有的縱向礫堤,并生成橫向礫脊,隨后的潮汐流又進一步塑造，形成縱向灘角,最終與沿岸流共同作用,粗顆粒逐步聚集形成縱向礫灘,天長日久,最后生成新的縱向礫堤[3]。

致謝: 本文是前期多個大學生科技項目成果的積累,陳雪峰、孫積悅、王瀟瀟、王然、趙霞等同學參與了室內外研究工作,室內工作得到了朱文鳳、劉瑩紅、劉奕志、邵亞、楊峰、吳杰等老師的熱心幫助與指導,提供了相關儀器、實驗工具以及實驗室，在此一并表示衷心感謝!

[1]馬永生,仲力.風暴沉積、風暴巖的研究現狀[J]. 地質科技情報,1990,9(3):9-14.

[2]徐美中. 臺風曾兩次登陸島嶼[N]. 青島晚報,2012(9):6.

[3]王瀟瀟,周旻玥,韋龍明,等.青島匯泉灣海灘地貌與沉積物變化特征探討[J]. 桂林理工大學學報,2013,33(2):266-272.[4]孫娟娟,王瀟瀟,韋龍明,等.青島匯泉灣現代海灘形貌演化階段劃分[J]. 地質論評,2015,61(S):108-109.

[5]李萍,王靖泰.幾種現代砂的概率累積曲線[J]. 同濟大學學報：自然科學版,1979(2):27-34.

[6]楊群慧,林振宏,張富元,等. 南海東部重礦物分布特征及其影響因素[J]. 青島海洋大學學報：自然科學版,2002,32(6):956-964.

[7]楊慧寧,陳紹謀.南海石英顆粒表面結構特征的初步研究[J]. 海洋學報：中文版,1996,18(3):133-138.

Comparison on characteristics of beach surface sediments after storm and tide —A case study of Huiquan Bay in Qingdao

SUN Juan-juan,WEI Long-ming,MAO Xin-ru,LI Xin,SUN Ming-xing,LI Jia-cai,ZHANG Jing,CAI Xing-lan

(a.College of Earth Sciences;b.Key Laboratory of Guangxi Nonfewous and Precious Metal Deposits, Guilin University of Technology, Guilin 541004,China)

The study focused on different characteristics of beach surface sediments under the storm in 2011 and tide in 2015 from Huiquan Bay. Screening and particle size analyses were done after 2 field observations. The experiments of light/heavy mineral sorting，SEM observation，statistics of particle size frequency andC-Mprojection diagrams of sediments were done after tide/storm. It’s found that the sands of beach were shaped into lateral gravel ridges. The roundness and sorting of sand are poor. The higher proportion of gravel and coarse sand, the better formation of surface of quartz grains after storm. In tidal environment，gravels and coarse sands were accumulated at high tide line and shaped into longitudinal sand dikes. The roundness and sorting of sediments are better. The more proportion of heavy mineral，the simpler surface structure of quartz particles. The evolutionary relationships of beach morphology in two sedimentary environments are revealed. It is proposed that the sedimentary in storm is fast, but the beach sands are flushed repeatedly in tidal environment. The morphology of beach is evolving constantly and stabilized eventually. Key words: beach; sediment; storm; tide; difference

1674-9057(2015)04-0817-06

10.3969/j.issn.1674-9057.2015.04.021

2015-05-26

國家大學生創新創業訓練計劃項目(201510596040);廣西大學生創新創業訓練計劃項目(2012DXCX004);“基礎地質”國家教學示范中心立項項目；廣西礦冶與環境科學實驗中心項目

孫娟娟(1995—),女,地質工程專業,1377209513@qq.com。

韋龍明,博士,教授,963966515@qq.com。

孫娟娟,韋龍明,毛欣茹,等.風暴與潮汐環境下的海灘表層沉積物特征對比——以青島匯泉灣海灘為例[J].桂林理工大學學報，2015,35(4):817-822.

P736.21

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