北部灣表層沉積物粒度分布規(guī)律及沉積動力分區(qū)?

肖　曉， 石要紅??， 馮秀麗， 徐元芹

(1.中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院， 山東 青島 266100； 2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局， 廣東 廣州 510760； 3.國家海洋局第一海洋研究所， 山東 青島 266061)

北部灣表層沉積物粒度分布規(guī)律及沉積動力分區(qū)?

肖曉1， 石要紅1??， 馮秀麗1， 徐元芹3

(1.中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院， 山東 青島 266100； 2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局， 廣東 廣州 510760； 3.國家海洋局第一海洋研究所， 山東 青島 266061)

摘要：根據(jù)在北部灣東部獲得的96個(2006年71個、2010年25個)表層沉積物樣的粒度分析，結(jié)合水動力、地形地貌條件探討該區(qū)域的沉積物類型和粒度參數(shù)特征，并對研究區(qū)進行了沉積動力分區(qū)。研究區(qū)的沉積物類型主要為砂質(zhì)粉砂和粉砂，二者總量超過60%。對于整個研究區(qū)而言，分選系數(shù)整體偏高，分選較差，反映了該區(qū)復(fù)雜的物源和水動力條件。其中在北部灣中部、北部灣北岸、北部灣西南部區(qū)域整體上呈現(xiàn)負偏，而在北部灣西北部、瓊州海峽西口、海南島西側(cè)處呈現(xiàn)正偏。研究區(qū)峰態(tài)極大值出現(xiàn)在北部灣西北部區(qū)域，極小值出現(xiàn)在北部灣西南部分。Flemming三角圖表明研究區(qū)水動力較強，沖刷區(qū)位于北部灣南部、海南島西側(cè)和瓊州海峽西口，淤積區(qū)位于北部灣中部和西南部。

關(guān)鍵詞：表層沉積物； 沉積物類型； Flemming沉積動力分區(qū)； 北部灣

引用格式： 肖曉， 石要紅， 馮秀麗， 等. 北部灣表層沉積物粒度分布規(guī)律及沉積動力分區(qū)[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)， 2016, 46(5)： 83-89.

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表層沉積物粒度特征受物源、水動力條件等因素控制，是描述沉積環(huán)境的重要參數(shù)之一，特定的沉積環(huán)境往往具有特定的沉積物粒度參數(shù)特征[1]。表層沉積物粒度數(shù)據(jù)有助于分析區(qū)域沉積環(huán)境，反演地質(zhì)作用過程。前人對北部灣表層沉積物的的研究主要包括物源、水動力及沉積物運移趨勢。北部灣內(nèi)的沉積物主要包括附近眾多河流帶來陸源碎屑物質(zhì)，潮流帶來的外海物質(zhì)，以及波浪侵蝕產(chǎn)生的基巖碎屑[2]，陳麗蓉等人通過沉積物中的礦物組合鑒定認(rèn)為北部灣西北部沉積物為海退時期的紅河帶來的陸源碎屑物[3]。因此，北部灣區(qū)域內(nèi)沉積物的物源多樣，沉積時代不同，并且受到波浪和潮流等水動力的改造。本文基于已獲取的研究區(qū)表層沉積物樣品，描述了研究區(qū)內(nèi)表層沉積物粒度分布規(guī)律，并對該區(qū)域進行了沉積動力分區(qū)，初步探討了研究區(qū)表層沉積物類型和水動力作用下的沉積環(huán)境，為對該區(qū)域的進一步的研究打下基礎(chǔ)。

1研究區(qū)概況

北部灣位于中國南海的西北部，是一個淺海半封閉性大陸海域。北面是廣西壯族自治區(qū)，包括欽州灣，廉州灣，鐵山港等幾個主要的港灣；東面從北至南分別是雷州半島、瓊州海峽和海南島；西面是越南陸地區(qū)域；南面緊臨我國南海及越南南部海域，南部灣口以海南島鶯歌海至越南河靜省的枚閏角為界。整個北部灣被中越兩國陸地與中國海南島所環(huán)抱。

北部灣海底地形平坦，自西北向東南傾斜，坡度約為0.3%[4]。等深線分布趨勢大致與海岸平行，平均水深為39 m，大部分區(qū)域在20～60 m之間，最大水深約100 m。北部灣南部與南海相接的灣口處，等深線密集，部分區(qū)域水深陡增至1 000余米。流入北部灣內(nèi)的河流較多，廣西沿岸有南流江、欽江、茅嶺江，越南沿岸有紅河，海南島西岸有南渡江、昌化江等[5]。北部灣區(qū)域波浪浪向取決于風(fēng)向，冬季北部灣北部波浪多為東北向，夏季以西南向居多[6]。北部灣內(nèi)潮汐以全日潮為主，潮差由灣口向灣頂增大[7]，潮流受地形影響，以往復(fù)流為主[8]。北部灣北部近岸海底地形主要有河口砂壩、潮流脊，分布于廣西沿岸的南流江、欽江、茅嶺江等河口地帶；瓊州海峽西口發(fā)育指狀潮流沙脊群，長軸的展布與潮流方向一致為E-W向，并呈脊、槽相間排列[9]；海南島西岸發(fā)育S-N、NW-SE向潮流砂脊和E-W向沙波，它們隨時間移動[10]，曹立華等人通過多波束探測系統(tǒng)調(diào)查進一步表明海南島西部岸外從海岸到陸架底形具有明顯的分帶性, 依次出現(xiàn)近岸底形段、沙波沙脊段和平坦底形段。沙波沙脊段發(fā)育在水深20～ 50 m 之間[11]。

圖1　北部灣采樣站位圖

2資料來源與數(shù)據(jù)分析

資料來源本論文數(shù)據(jù)為在北部灣東部于2010年及2006年獲得的25個和71個表層沉積物樣，共96個樣品。

粒度測試2006年的表層沉積物樣和2010年的表層沉積物樣使用激光分析法和傳統(tǒng)的篩分法共同完成。粒徑小于500 μm 樣品，取3～4 g 放入小燒杯中，加入六偏磷酸鈉(0. 5%)浸泡24 h，然后采用英國Malvern 公司生產(chǎn)Mastersizer 2000 型激光粒度儀(粒徑范圍為0.02～ 2 000 μm)進行粒度分析。粒徑大于500 μm 的樣品，烘干稱重后用500 μm 孔徑的篩子過濕篩；其中大于500 μm 的粗顆粒部分用傳統(tǒng)篩法分析，小于500 μm 的細顆粒部分用激光粒度儀進行分析。然后把兩部分?jǐn)?shù)據(jù)合并得到完整的粒度分布。

數(shù)據(jù)處理沉積物粒徑采用烏頓-溫德華氏粒級標(biāo)準(zhǔn)；粒度參數(shù)計算采用Folk-Ward 圖解法計算公式得到；沉積物的分類和命名采用Folk分類法[12]；動力分區(qū)采用Flemming三角圖式法[13]。

3結(jié)果與討論

3.1 沉積物類型分布

根據(jù)Folk分類命名法，北部灣海域沉積物包含砂質(zhì)粉砂、粉砂、砂質(zhì)泥、泥、泥質(zhì)砂、粉砂質(zhì)砂、砂、含礫砂、礫泥質(zhì)砂。其中以粉砂和砂質(zhì)粉砂為主。根據(jù)計算結(jié)果，北部灣區(qū)域砂質(zhì)粉砂占34%，粉砂占27%，砂質(zhì)泥占10%，泥占9%，粉砂質(zhì)砂占8%，泥質(zhì)砂占6%，砂占3%，含礫砂與礫砂質(zhì)泥占3%。主要分布趨勢是北部灣中部較細；北岸、海南島沿岸、瓊州海峽西口、北部灣西部較粗。

表1　研究區(qū)調(diào)查站位表層沉積物類型

如圖2，左圖為研究區(qū)表層沉積物類型分布圖，右圖為根據(jù)以往文獻及資料描繪的研究區(qū)海底地貌分布圖。北部灣北岸河流、港口眾多，欽州灣、鐵山港處發(fā)育向南延伸的潮流三角洲[14]，因此該區(qū)域表層沉積物粒度分布雜亂，鐵山港附近表層沉積物包含砂、砂質(zhì)泥、條帶狀泥區(qū)，個別站位含礫石。通過以往的礦物研究，北岸物源主要來自灣北沿岸侵蝕、瓊州海峽和雷州半島西部的沿岸侵蝕[15]。北部灣中部廣泛分布粉砂，該區(qū)域地形平坦開闊，受沿岸河流和潮汐影響較小，水動力較弱，因此表層沉積物較細。瓊州海峽西口表層沉積物主要為砂質(zhì)粉砂，該區(qū)域廣泛發(fā)育指狀潮流三角洲，是潮流攜帶的泥沙堆積而成，故該區(qū)表層沉積物相比北岸粒度較粗。北部灣西部區(qū)域表層沉積物為泥質(zhì)砂，粒度與相比中部有明顯的增大，不符合現(xiàn)代水動力環(huán)境，陳麗蓉等人通過重礦物分類認(rèn)為該區(qū)沉積物為紅河三角洲殘留沉積[3]；北部灣西南部表層沉積物比中部粗，廣泛分布砂質(zhì)粉砂，推測是潮流頻繁進出北部灣造成的沖刷地貌；海南島西岸表層沉積物是整個區(qū)域最粗的部分，為砂和粉砂質(zhì)砂，個別站位為礫泥質(zhì)砂，董志華等人的調(diào)查表明該區(qū)域潮流作用較強，發(fā)育沙波砂脊[10]。

3.2 沉積物粒度參數(shù)分布

本文粒度參數(shù)計算采用Folk-Ward 圖解法計算中值粒徑、平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)以及峰態(tài)共5種粒度參數(shù)[16]。根據(jù)3.1節(jié)沉積物類型分布，本文將研究區(qū)域分成6個區(qū)，分別為北部灣中部、北部灣北岸、瓊州海峽西口、北部灣西北部、北部灣西南部、海南島西岸，如圖3和表2所示。

圖2　研究區(qū)沉積物類型與海底地貌分布圖

圖3　研究區(qū)分區(qū)圖

通過surfer軟件克里格插值法做出的北部灣表層粒度中值粒徑圖(見圖4)。北部灣中部表層沉積物中值粒徑在4.5Φ～7.7Φ之間；欽州灣灣口表層沉積物中值粒徑在2.9Φ～4.5Φ之間，張伯虎等人研究表明大致在5 m 水深處存在一個明顯的界限，該水深以淺區(qū)域的砂含量較高, 該水深以深區(qū)砂含量較低[17]。鐵山港表層沉積物中值粒徑在1.3Φ～2.9Φ之間；瓊州海峽西口表層沉積物中值粒徑為4.5Φ～6.1Φ之間；北部灣西北部區(qū)域表層沉積物粒度明顯加粗，沉積物中值粒徑在2.1Φ～3.7Φ之間，并且以該區(qū)域為中心，外側(cè)沉積物粒度逐漸變小；北部灣西南部表層沉積物中值粒徑在5.3Φ～6.9Φ之間；海南島西岸沿岸表層沉積物中值粒徑在0.5Φ～3.7Φ之間。

分選系數(shù)表示粒徑頻率曲線的擴散程度，是衡量相對于平均粒徑而言粒徑分布范圍的大小，反映沉積分選的好壞。物源，水動力，沉積物搬運距離等都是影響沉積物分選系數(shù)的因素。由圖5可知，北部灣中部分相比整個區(qū)域，分選較好。由于該區(qū)離岸較遠，水動力較弱，且沉積物經(jīng)過一定距離的搬運，粗粒物質(zhì)在岸邊沉積，細顆粒均勻物質(zhì)在中部沉積；瓊州海峽西口分選差，該區(qū)受來自瓊州海峽的潮流影響，水動力環(huán)境發(fā)生變化，較為復(fù)雜；北部灣西部表層沉積物物源復(fù)雜，是現(xiàn)代沉積的粉砂、泥質(zhì)與殘留沉積的粗砂，砂的混合區(qū)域，故分選差；北部灣西南部總體分選較差；海南島西側(cè)是沙波砂脊區(qū)，且岸線造成的挑流作用使得該區(qū)潮流流速增大，水動力環(huán)境發(fā)生變化，分選較差。研究區(qū)整體分選系數(shù)偏高，分選較差，充分反映了該區(qū)復(fù)雜的物源和水動力條件。

偏態(tài)表明平均值與中值粒徑的相對位置，沉積物偏粗時即正偏，在頻率曲線上平均值的位置在中位數(shù)的較細方向一邊；反之當(dāng)沉積物偏細時即負偏，這時在頻率曲線上平均值的位置將在中值粒徑的較粗方向一邊。由圖5可知，北部灣中部，北部灣北岸、北部灣西南部區(qū)域表層沉積物總體而言為負偏，而北部灣西部、瓊州海峽西口、海南島西側(cè)為正偏。

表2研究區(qū)樣品粒度指標(biāo)統(tǒng)計表

Table 2Grain-size parameters of the samples in the study area

區(qū)域Areas指標(biāo)Indexs平均粒徑Mz中值粒徑Md分選系數(shù)σ偏態(tài)Sk峰態(tài)Kg中部Themiddle平均值A(chǔ)ve6.766.691.92-0.452.22最大值Max7.467.513.201.343.63最小值Min5.235.121.32-2.320.83北岸Thenorthcoast平均值A(chǔ)ve6.577.281.79-0.502.41最大值Max7.647.592.341.753.02最小值Min1.316.501.13-2.041.81瓊州海峽西口ThewestopeningoftheQiongZhoustrait平均值A(chǔ)ve6.376.422.22-0.262.78最大值Max7.387.452.632.053.31最小值Min4.974.251.57-2.222.06西北部Thenorthwest平均值A(chǔ)ve4.914.472.500.252.53最大值Max6.506.963.202.693.64最小值Min3.572.451.33-2.320.83西南部Thesouthwest平均值A(chǔ)ve6.035.991.980.432.23最大值Max7.157.122.812.003.14最小值Min4.784.181.32-1.800.83海南島西岸ThewestcoastoftheHainanIsland平均值A(chǔ)ve4.025.661.980.912.23最大值Max6.886.883.443.454.37最小值Min0.533.361.08-1.670.83

圖4　研究區(qū)表層沉積物中值粒徑平面分布

峰態(tài)用來量度粒度分布曲線的尖銳或鈍圓的程度。由圖5可知，北部灣中部表層沉積物峰態(tài)很窄，北部灣西部和瓊州海峽西口表層沉積物峰態(tài)非常窄，北部灣西南部表層沉積物峰態(tài)窄。其中，峰態(tài)極大值出現(xiàn)在北部灣西部區(qū)域，極小值出現(xiàn)在北部灣西南部分。

3.3 沉積動力分區(qū)

北部灣內(nèi)的表層沉積物除了物源不同，還受到波浪和潮流的改造，因此形成了不同的沉積物類型及參數(shù)特征。為分析北部灣現(xiàn)代沉積分區(qū)，本文采用Flemming三角圖式法，從沉積結(jié)構(gòu)組成及其反映的水動力強度來區(qū)分沉積環(huán)境及其亞沉積環(huán)境。

由于研究區(qū)較大，水動力條件隨時間和區(qū)域變化而不同。冬季北部灣北部最多浪為東北向，頻率在30%～60%之間，夏季最多浪向為西南向。北部灣潮流受地形影響，以往復(fù)流為主[8]。其中瓊州海峽內(nèi)潮流為E-W向，中部表層流速達到300 mm/s[18]，海南島西側(cè)為強潮流區(qū)，潮流方向為NNW-SSE向，表層流速超過100 cm/s[14]。

本文采用的Flemming三角圖式法的基本原理是：(1)沉積物的粒級劃分標(biāo)準(zhǔn)為粒徑在0.063～2mm 之間的顆粒為砂，在0.002～0.063mm的為粉砂，小于0.000 2mm的為黏土；(2)首先，根據(jù)沉積物中砂的百分含量為5%、25%、50%、75%、95%5個數(shù)據(jù)作為界線將 Flemming 三角劃分為 6 個區(qū)域，依次為 S、A～E,從S區(qū)到E區(qū)沉積物中砂含量減少，粉砂含量增加。沉積物粒徑變細；(3)然后，按“粉砂/泥(粉砂+黏土)”的值為10%、25%、50%、75%、90% 4個數(shù)據(jù)作為界線，劃分為6個不同的水動力區(qū)，從I到VI表示水動力逐漸減弱。這樣，F(xiàn)lemming 三角圖示法將三角圖劃分為25 個區(qū)域，每個區(qū)域代表不同的沉積動力環(huán)境。因此，在Flemming三角圖示中，從 S到 E，沉積物粒級逐漸增大；從Ⅰ到Ⅵ，沉積動力環(huán)境越來越弱。

(a:分選系數(shù)σ；b:偏態(tài)Sk；c:峰態(tài)Kg)

由圖6可知，研究區(qū)所有采樣點均分布于在Ⅰ～Ⅲ區(qū)，說明研究區(qū)整體水動力較強；而采樣點在S～E區(qū)均有分布，說明研究區(qū)沉積物粒徑較分散。根據(jù)flemming三角圖示數(shù)據(jù)點所在的區(qū)域，將數(shù)據(jù)點劃分成a,b兩類。a類數(shù)據(jù)點集中在Ⅱ區(qū)，水動力極強；b類數(shù)據(jù)點集中在Ⅲ區(qū)，水動力相對較弱。將a、b兩類數(shù)據(jù)分別投射到站位圖上發(fā)現(xiàn)這兩類數(shù)據(jù)點分別集中于特定的區(qū)域。

由于a類數(shù)據(jù)點代表極強的水動力環(huán)境，本文認(rèn)為它們反應(yīng)了該區(qū)域有相對沖刷的趨勢，與之相反，b類數(shù)據(jù)點反應(yīng)了該區(qū)域有相對淤積的趨勢。即研究區(qū)表層沉積物基本可劃分為兩大類型：沖刷區(qū)的a類數(shù)據(jù)點和淤積區(qū)的b類數(shù)據(jù)點。此外，根據(jù)3.1～3.5節(jié)所述，研究區(qū)西北部沉積物為殘留沉積，之后被現(xiàn)代水動力條件改造，為“變余”沉積，不能恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)現(xiàn)代水動力條件，故單獨劃出(見圖7)。

(1)沖刷區(qū)。在Fleming三角圖中，沖刷區(qū)數(shù)據(jù)點主要分布在Ⅱ區(qū)。沖刷區(qū)位于北部灣南部、海南島西側(cè)和瓊州海峽西口，這與該區(qū)發(fā)育沙波砂脊的地貌條件相吻合。根據(jù)3.1節(jié)和3.2節(jié)，該區(qū)主要沉積物類型為砂質(zhì)粉砂，粉砂質(zhì)砂和砂。該區(qū)水動力環(huán)境較強，來自瓊州海峽的潮流攜帶粗顆粒物質(zhì)在瓊州海峽西口堆積，海南島西側(cè)由于地形導(dǎo)致的挑流作用造成流速增加。

(2) 淤積區(qū)。在Fleming三角圖中，淤積區(qū)數(shù)據(jù)點主要分布在Ⅲ區(qū)。該區(qū)位于北部灣中部和西南部分，根據(jù)3.1節(jié)和3.2節(jié)，該區(qū)主要沉積物類型為粉砂，小部分區(qū)域為泥，砂質(zhì)泥。

圖6　研究區(qū)表層沉積物三角圖

圖7　研究區(qū)沖淤分區(qū)圖

4結(jié)語

北部灣海域沉積物包含砂質(zhì)粉砂、粉砂、砂質(zhì)泥、泥、泥質(zhì)砂、粉砂質(zhì)砂、砂、含礫砂、礫泥質(zhì)砂，粉砂和砂質(zhì)粉砂為主。研究區(qū)中值粒徑平面分布的總體特征與該區(qū)沉積物類型分布相吻合，北部灣中部表層沉積物較細，而北部灣北岸、海南島西岸、瓊州海峽西口表層沉積物較粗，北部灣西部表層沉積物不符合現(xiàn)代水動力條件，為殘留沉積。

研究區(qū)分選系數(shù)的整體偏高充分反映了研究區(qū)內(nèi)物源和水動力條件的復(fù)雜性，其中北部灣中部，北部灣北岸、北部灣西南部區(qū)域表層沉積物總體而言為負偏，而北部灣西北部、瓊州海峽西口、海南島西側(cè)為正偏。研究區(qū)峰態(tài)極大值出現(xiàn)在北部灣西北部區(qū)域，極小值出現(xiàn)在北部灣西南部分。

根據(jù)Flemming三角圖對研究區(qū)進行動力沉積分區(qū)，沖刷區(qū)位于北部灣南部、海南島西側(cè)和瓊州海峽西口，其數(shù)據(jù)點集中于II區(qū)，表明該區(qū)動力條件整體較強。淤積位于北部灣中部和西南角，其數(shù)據(jù)點主要分布在Ⅲ區(qū)，水動力整體較弱。

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責(zé)任編輯徐環(huán)

Surface Sediment Characteristics and Dynamics In Beibu Gulf

XIAO Xiao1, SHI Yao-Hong1, FENG Xiu-Li1, XUN Yuan-Qin3

(1.College of Marine Geosciences，Ocean University of China，Qingdao 266100，China; 2.GuangZhou Marine Geological Survey,Guangzhou 510760,China; 3.First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration, qingdao 266061,China)

Abstract:Grain size analysis of the 25 surface sediment samples and 71 surface sediment samples collected in Beibu Gulf in 2010 and 2006 were combined with hydrodynamic conditions and topography to determine the spatial distribution of sediment types,granularity characteristics and dynamic partition.Sediment types in the study area are mainly sandy silt and silty sand, and the total amount is more than 50%.Sorting coefficient is large which reflecting the complexity of provenance and hydrodynamic conditions. Skewness of surface sediment in middle of Beibu gulf,north shore of Beibu gulf and southwest of Beibu gulf is negative,and in west of Beibu gulf,Qiongzhou strait west exports and west of Hannan island is positive. The maximum of the kurtosis appeares in the west of the Beibu Gulf and the minimum appeares in the southwest of the Beibu Gulf;Flemming triangle chart indicates that hydrodynamic is strong in the study area,erosion area is located in the south of Beibu Gulf,west of Hainan Island and the Qiongzhou Strait west exports and deposition area is located in the middle and southwest of Beibu Gulf.

Key words:surface sediment； sediment type； sedimentation dynamic partitions； Beibu Gulf

基金項目：?國家自然科學(xué)基金項目(41506071)資助

收稿日期：2015-02-04；

修訂日期：2015-04-28

作者簡介:肖曉(1990-)，女，碩士生，主要從事海洋地質(zhì)方面研究。E-mail: oucxiaoxiao@163.com ??通訊作者：E-mail: yaohongshi@126.com

中圖法分類號:P736.21

文獻標(biāo)志碼:A

文章編號：1672-5174(2016)05-083-07

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20150037

Supported by the National Natural Science Foundation of China(41506071)