冬、夏季渤黃海表層沉積物粒度特征差異及其成因分析

王曉磊, 馮秀麗, 劉 瀟, 劉 杰, 權永崢

(1.中國海洋大學 海洋地球科學學院, 山東 青島 266100; 2.國家海洋局第一海洋研究所, 山東 青島266061)

沉積物粒度特征對于研究沉積物的物質來源、運移機制及分析沉積環境具有重要意義[1-2]。沉積物粒度大小與水動力大小密切相關, 而沉積物粒度分布受物源、沉積水動力環境等因素的控制[3]。

渤黃海冬夏季季風環流系統及沉積物輸入有著明顯差異, 沉積環境區別大, 這就造成了某些區域表層沉積物粒度特征在冬、夏兩季存在較大的差異。王偉等[3]、朱玉榮等[4]、張憲軍等[5]對渤、黃海表層沉積物粒度特征進行了不同程度的研究。喬淑卿等[6],藍先洪等[7]對渤黃海沉積物粒度運移特征也有很多研究。但都沒有對季節性差異進行分析。

本文通過粒度分析對冬、夏季黃渤海表層沉積物分布特征進行分析, 進而探討渤黃海冬、夏兩季沉積環境對海底表層沉積物粒度特征的影響。本文對于研究渤黃海表層沉積物沉積特征的影響機制, 及冬、夏沉積物粒度特征的季節性差異提供依據。

1 樣品及分析方法

1.1 樣品采集

分析樣品取自渤海、黃海海底表層沉積物, 分別于2011年12月(冬季)、2012年5月(夏季)取樣, 共75個樣品, 可大致代表冬、夏兩季的沉積物底質狀況, 采樣點離岸較遠, 但分布較為均勻, 基本覆蓋渤黃海大部分主要區域, 采樣點分布如圖1。

圖1 取樣站位及水深分布Fig.1 Distribution of sampling stations and the bathymetric map

1.2 分析方法

本文采用粒度實驗方法, 實驗流程為: 將樣品置于燒杯中混合均勻, 加入過量 10%的 H2O2, 浸泡至不再產生氣泡為止, 以去除有機質; 之后加入過量 0.25 mol/L鹽酸繼續浸泡至不再產生氣泡, 以去除沉積物中的鈣質膠結物及生物貝殼, 將樣品用蒸餾水離心、清洗3到4次, 并用pH試紙測試燒杯內液體的酸度, 直至溶液呈中性。前處理后的樣品經超聲波振蕩分散后上機測試, 并按照樣品顆粒大小確定樣品量。粒度分析使用的儀器為英國Malvern公司生產的Mastersizer 2000 型激光粒度儀, 測量范圍為0.02~2 000 μm。粒級統一使用尤登-溫德華氏等比值粒級標準表示, 標準偏差(σi)、偏態(Ski)、峰態(Kg)等粒度參數采用Folk-Ward圖解法公式進行計算。差異區沉積物根據謝帕德三角圖命名法進行命名。

2 沉積物粒度特征

2.1 沉積物粒度參數

2.1.1 平均粒徑

圖2 平均粒徑(Φ)等值線Fig.2 Contour map of mean grain size

北黃海沉積物平均粒徑冬夏兩季相差不大, 僅西北部近渤海海峽附近海域沉積物粒度存在差異。冬季Φ為 1.59, 夏季增至 1.46。此系由北黃海北部沿岸沉積物冬夏季差異所致。

南黃海海域沉積物平均粒徑在冬夏兩季變化不大。南黃海北部冬季較夏季略細, 而南部冬季較夏季略粗, 但相差不大,Φ僅為3左右。

2.1.2 分選系數

由圖3可以看出, 渤海海域沉積物分選系數多在 1.6~2.3, 分選較差。分選系數在冬、夏兩季存在明顯差異, 由于夏季物源量增大, 夏季較冬季分選明顯變差, 而由于夏季水動力較弱, 黃河口以外海域夏季較冬季分選略好。

圖3 分選系數等值線Fig.3 Contour map of sorting coefficient

北黃海海域沉積物分選系數多在 1.7~2.4, 受冷水團影響夏季比冬季分選更差。

南黃海海域沉積物分選系數多在1.7~2.2。沉積物分選冬、夏兩季變化特征不明顯, 相鄰海域規律性較差, 反映了此區沉積環境的復雜性。多數地區沉積物分選夏季較冬季變差, 僅北部及中西部部分海域呈現夏季比冬季略好的特征。這些都與冷水團的作用密切相關。

g22g11g23g12-2g12g23g11g23g12-2g13g22g13g21·g12+g13g21g11g22g23+2g11g23g12g21g23-2g13·g21g12g21g23-2g11g23g12g21g13+2g12g23g11g22·g13+2g11g22g12g21g13-2g12g23g12g21g13

2.1.3 偏態

由圖4可以看出, 沉積物偏態值變化較明顯。

圖4 偏態等值線Fig.4 Contour map of skewness

渤海海域總體而言, 夏季沉積物偏態值較冬季大, 反映夏季沉積物粒度更偏粗的特征。多數海域沉積物偏態值相差不大, 僅中北部中部及東南部海域呈現較大差別。中部海域偏態值從冬季的 0.2~0.38增至夏季0.3~0.47。東南部近渤海海峽南端沉積物偏態值由冬季的 0.05增至夏季 0.53, 變化較大。渤海中北部遼東灣以南海域呈現出相反的特征, 冬季0.55, 夏季變為 0.39, 甚至部分海域冬季 0.49, 夏季變為0.1, 此系與夏季物源量增大有關。

北黃海沉積物偏態值冬夏兩季變化較為明顯,呈現出夏季偏態值較冬季小, 夏季較冬季明顯變粗的特征。受夏季冷水團阻隔及物源量增大的影響, 中西部海域沉積物偏態值冬季0.2, 夏季增至0.5, 而西北部近渤海海峽沉積物夏季較冬季也有著偏態值明顯變大的特征。

南黃海沉積物偏態值總體表現為夏季較冬季變大的特征。北部冬季比夏季偏態值大0.04左右。中部特征相反, 冬季比夏季偏態值略大。而部分海域呈現相反的特征。中西部海域夏季沉積物偏態值較冬季略微變小, 但變化不大, 中北部變化值為 0.05左右, 中南部為 0.01左右。這些與冷水團的影響密不可分。

2.1.4 峰態

如圖5, 渤海海域沉積物峰態值均在 0.075~1.1,變化很小。冬季峰態值總體較夏季大, 變化值在 0.1左右。渤海東部及東南部近渤海海峽海域, 沉積物峰態值呈現相反的變化特征, 東部冬季 0.83, 夏季0.92。東南部沉積物峰態值變化較大, 冬季 1.09, 夏季1.45。造成夏季峰態值增大與物源量增加, 泥沙來源區域增多有關。

圖5 峰態等值線Fig.5 Contour map of peak state

北黃海沉積物峰態值變化較明顯。西部峰態值冬季較夏季小, 而中部及南部冬季較夏季大, 變化值均在0.01~0.2。此系夏季黃河物源量大, 物質來源較均一所致。

南黃海沉積物峰態值總體變化不大。部分海域變化較大, 如圖中122°E、34°N附近海域沉積物峰態值冬季1.38, 夏季1.04。而 123.5°E、35.5°N附近海域峰態值冬季1.13, 夏季1.63。

2.2 冬、夏季沉積物粒度特征差異區的分布

通過以上沉積物粒度特征的分析, 結果表明渤黃海表層沉積物在冬、夏兩季存在粒度特征差異的區域主要集中在渤海中北部海域(圖6, A 區), 渤海中南部地區(圖6, B區), 北黃海西北部近渤海海峽北部海域(圖6, C區), 山東半島東北部(圖6, D區), 南黃海中部(圖6, E區)。

圖6 沉積物冬、夏季粒度特征差異區平面分布圖Fig.6 Plane distribution of zones with different sediment's grain size characteristics between winter and summer

3 冬、夏季沉積物粒度特征差異的影響因素分析

影響冬夏季沉積物粒度特征差異的沉積環境因素有物源、地形地貌、水動力環境等, 而陸架環流(如黃海暖流、沿岸流)、波浪等為影響水動力環境的重要因素。在這些因素綜合作用下, 形成了冬夏兩季不同的表層沉積物分布格局。

A區位于渤海中北部, 處于古海灘地貌區[8]。冬季, 由于渤海海域水深較淺, 冬季風作用下水動力增強[9], 波浪增強, 導致A區沖刷較為強烈。同時, 冬季黃海暖流流勢增強[10], 受進入渤海海峽的黃海暖流余流影響, 此區上覆現代沉積在水動力較強時被沖蝕, 暴露出古海灘殘留沉積, 形成平均粒徑較粗、物源較為單一、偏態值較大的沉積物粒度特征。夏季, 水動力相對較弱, 加之黃河夏季輸砂量增大, 造成A區淤積, 同時通過再懸浮沉積作用, 與殘留沉積混合形成平均粒徑較細、分選較差、偏態值較小的沉積物粒度特征。這些就造成了沉積物在冬夏兩季粒度特征的不同。

B區位于A區的南部, 在渤海海峽中部以西。此處受渤海海峽地形影響較大。由圖7, B區主要受由渤海海峽北部進入的黃海暖流余流影響, 其沉積物來源也與渤海海峽東北部密切相關。所以, C區夏季較粗冬季較細的沉積特征就造成了B區相應的特征。

B區南部受即將出渤海海峽的環流的影響。如圖7, 環流包括兩部分水體。渤海海峽北部進入的黃海暖流余流向南遷移直接經由B南部出渤海海峽南端,形成第一股影響水體。黃海暖流余流進入渤海后向西遷移, 轉而在渤海灣萊州灣內形成環流最終經由B區南部出渤海海峽, 形成第二股影響水體。第一股水體冬夏兩季差異較小; 第二股水體夏季流逝較弱,冬季較為強盛。冬季第二股水體經由渤海西部及黃河口外海域, 再懸浮搬運帶來大量細粒沉積, 導致冬季B區南部沉積平均粒徑明顯小于夏季, 且偏態、峰態值與渤海西部及黃河口外海域相近。

圖7 黃海、渤海海流分布模式圖(引自文獻[12])Fig.7 Distribution pattern of ocean current in the Yellow Sea and Bohai Sea (from [12] )

表1 粒度特征差異區粒度參數及沉積物類型表Tab.1 Grain size parameters and sediment type list of zones with different grain size characteristics

C區位于渤海海峽東北部。如圖7所示, C區受遼南沿岸流和黃海暖流余流影響較大。但冬、夏兩季沉積物粒度特征的差異主要與冷水團有關。冬季, 遼南沿岸流及黃海暖流余流經由C區后進入渤海[11]。而夏季, 由于冷水團的存在, 兩股水體匯合后受冷水團影響爬升, 水動力減弱而將粗顆粒沉積下來, 造成C區夏季沉積物明顯粗于冬季。

D區位于山東半島東北部, 屬于泥質沉積區。此區的形成與冬夏季沉積環境密切相關。夏季, 出渤海海峽南端的沿岸流經北黃海西部海域時遇冷水團受阻, 細顆粒沉積物開始沉積, 此時其受到北黃海密度環流的影響, 轉而向南, 沉積于山東半島北部泥質區上[12](D區)。冬季, 海水表層水溫降低, 上下層混合均勻, 冷水團不復存在。此時受到冬季風影響,沿岸流在風海流的耦合下更加迅猛, 使山東半島北部泥質區沉積物再懸浮。其中一部分細粒沉積物向東北擴散, 但受到 M2分潮流及黃海暖流的影響, 細粒沉積在北黃海中部沉積下來[3]。同時受到黃海暖流輸運, 一部分沉積物被帶到北黃海中西部甚至經由渤海海峽進入渤海。

E區位于南黃海中部。此區冬夏兩季表層沉積物粒度特征相差較大。夏季, 此區為黃海冷水團南部邊緣。北上的黃海暖流遇冷水團受阻, 向上爬升, 爬升過程中水動力減弱, 較粗顆粒發生沉積, 于是就造成此區夏季沉積較粗的態勢。而爬升于上部的流場將較細顆粒帶往北部。冬季, 黃海暖流流勢增強, 將此區較粗顆粒帶走。同時受M2分潮流影響, E區接受西部及西南部長江源的較細顆粒的沉積[7], 使此區沉積冬季較細。

4 結論

1) 渤黃海多數海域冬、夏季表層沉積物粒度特征差異較小, 但某些海域, 如渤海中南部、北黃海西部、南黃海中部, 由于其特殊的地理位置、地形地貌特征, 在冬夏兩季不同的水動力環境下, 會存在沉積物粒度特征的差別。其中, A區冬季到夏季平均粒徑減小、分選系數增大、偏態值減小、峰態值減小; B、C區冬季到夏季平均粒徑增大、分選系數增大、偏態值增大、峰態值增大。D區冬季到夏季平均粒徑不變、分選系數減小、偏態值增大、峰態值減小。E區冬季到夏季平均粒徑增大、分選系數減小、偏態值增大、峰態值增大。

2) 渤黃海冬、夏兩季表層沉積物粒度特征差異主要受到地形特征、地貌特征、物源、冷水團及沿岸流、黃海暖流等水動力環境特征的影響。

A區表層沉積物粒度特征差異主要受到物源、地形地貌的影響; B區受渤海海峽地形、進渤海海峽的黃海暖流余流影響較大; C區主要受物源、渤海環流影響; D區差異性主要與遼南沿岸流、黃海暖流余流及冷水團有關; E區主要受冷水團、黃海暖流的影響。

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