日照市海岸帶海灘沉積物粒度特征及物源分析

張昊，郝義，王惠，李忠涵

(山東省煤田地質局第一勘探隊，山東 滕州 277500)

0 引言

日照因港而立、依海而興，是新亞歐大陸橋東方橋頭堡和“一帶一路”主要節點城市，擁有得天獨厚的海岸線和港口優勢。日照海岸位于黃海中部，北起白馬河口，南到繡針河口，岬灣相連，發育平直的基巖沙礫質海岸。海岸線全長(不含島嶼岸線)168.5km，岸線上綿延分布有64km的優質海灘，從北向南主要有海濱國家森林公園海灘、大陳家村海灘、東小莊村海灘、富蓉村海灘、萬平口海水浴場海灘、金沙島海水浴場海灘、嵐山第一海水浴場海灘等7個海灘(圖1)，其中海濱國家森林公園和萬平口海水浴場海灘各方面條件相對優越，海灘質量評價得分較高。海灘由粗中砂或細中砂組成；低潮線至5m等深線處變為中細砂，距岸距離2.5km；5～15m水深處以粉砂粒級為主，距岸距離約5km，海底坡度變緩；15m水深以外分布含殘留沉積的砂質物[1]。近十幾年來，許多學者對山東半島濱海沙灘現狀評價、侵蝕狀態、保護對策等進行了綜合研究工作[2-7]，但對海岸帶沉積物的物質來源研究的較少。目前，國內外物源分析已發展成為多方法、多技術的一門綜合研究領域，如重礦物法、碎屑巖類法、裂變徑跡法、沉積方法、地球化學和同位素法等，這些都有其應用條件和局限性。元素地球化學方法判別環境領域最初主要應用于火山巖，后期擴展到沉積巖，并在構造背景、物源及沉積環境中得到了廣泛應用[8]。該文在日照市海岸帶海灘調查及侵蝕現狀研究項目的基礎上，結合前人的研究資料，重點對海濱國家森林公園海灘和萬平口海水浴場海灘沉積物類型、分布特征及搬運路徑進行研究，并對日照市海岸帶海灘沉積物的物質來源進行分析，以提高日照市海岸帶海洋環境地質綜合研究程度。

1 數據獲取與處理方法

2017年11月—2018年9月，在研究區重點海灘開展了重復剖面觀測和樣品采集工作。在2個重點海灘的北部、中部和南部分別布設了3條重復觀測剖面(圖1)。觀測過程中，分別從剖面的灘肩、灘面、低潮線3個位置進行了海灘表層物質取樣，6條剖面共采集18件樣品，對樣品進行了粒度分析。取原始樣品10～20g，經雙氧水和稀鹽酸浸泡處理，除掉有機質和碳酸鹽，然后洗鹽，用六偏磷酸鈉溶液分散后，根據規范要求分別選用不同的方法進行測試。粒度分析細顆粒樣品使用激光粒度儀法測定，所用儀器為英國Malvern公司生產的Mastersizer 2000激光粒度分析儀。該儀器粒徑測量范圍0.02～2000μm，分辨率為0.01φ，重復測量的相對誤差<3%。粒度分析粗顆粒樣品使用篩析法測定。將4mm至0.063mm之間的粒度按1/2φ間隔，分離成14個粒級分別稱重，求得以質量分數表示的粒度分布。平均粒徑、分選系數、偏態和峰態等粒度參數的計算和等級劃分，采用Folk等提出的方法[9]。

1—沙灘中心點位置及名稱；2—沙灘范圍；3—剖面位置及編號；4—探槽位置及編號；5—取樣位置及編號圖1 研究區海灘、剖面、探槽、取樣點分布圖

在海濱國家森林公園海灘自北向南布設磁化率測量剖面11條(L1～L15)，在萬平口海水浴場海灘自北向南布設磁化率測量剖面13條(PM6～PM8)。根據對研究區海灘的野外體積磁化率測量結果和室內頻率磁化率測量結果，分析海灘磁性礦物富集規律，并確定沉積物搬運路徑。

為追蹤海灘中磁性礦物的來源，自海向陸分別在磁鐵礦含量較多的海灘及基巖中取樣：在萬平口海水浴場海灘和金沙島海水浴場海灘磁鐵礦含量較多的探槽中采集TC07和TC09樣品；在東港區燈塔廣場距海灘較近且含磁鐵礦的花崗閃長巖中采集DTGC-B1樣品；在曾產磁鐵礦礦石的嵐山高旺鐵礦附近圍巖花崗斑巖中采集GW-B2樣品和磁鐵礦礦石中采集GW-H3，GW-H4樣品；在向陸一側嵐山車子門附近含磁鐵礦的二長花崗巖中采集PJC-H10樣品；在陸域且河流入海的花仙子風景區含輝石角閃斜長片麻巖中采集HXZ-H1樣品(表1)。通過采集樣品中主微量及稀土元素的分析對比，推斷沉積物物質來源。

表1 基巖及探槽樣品坐標

2 沉積物粒度參數特征

通過對采集樣品的粒度分析，可以區分沉積物類型及分布特征、判定水動力條件、確定沉積物搬運方式等。粒度參數主要有平均粒徑(Mz)、分選系數(δi)、偏態(SKi)、峰度(Kg)[10]。該文選取海濱國家森林公園海灘和萬平口海水浴場海灘采集的樣品從平均粒徑(Mz)、分選系數(δi)、偏態(SKi)三方面進行粒度分析。

圖2 海灘剖面樣品粒度參數散點圖

2.1 平均粒徑

沉積物平均粒徑(Mz)可以說明沉積物粒度分布的中心趨勢。平均粒徑(φ值)可以反映沉積介質的平均動能[11-12]。一般來說粗粒沉積常見于高能環境，細粒沉積見于低能環境。當然粒度大小還取決于其原始沉積物顆粒的大小，在同一物源條件下，順流向粒度逐漸遞降(φ值逐漸增大)。研究區內平均粒徑介于-0.96～3.43φ之間，平均為1.2φ，即研究區沉積物類型以砂(-1～4φ)為主，僅探槽底部可見極少細礫(<-1φ)。

海灘剖面樣品化驗結果表明：海濱國家森林公園海灘沉積物以細砂(2～3φ)、中砂(1～2φ)為主，萬平口海水浴場海灘沉積物以中砂(1～2φ)、粗砂(0～1φ)為主。

海灘探槽樣品化驗結果表明：TC02的平均粒徑介于1.57～2.43φ之間；TC03的平均粒徑介于1.35～2.50φ之間；TC06的平均粒徑介于-0.61～2.23φ之間；TC07的平均粒徑介于-0.79～0.93φ之間；TC08的平均粒徑介于-0.96～1.56φ之間。

根據化驗結果分析：兩處海灘沉積物均具有由北向南逐漸變粗的趨勢。從灘肩到灘面再到低潮線處，φ值逐漸增大，沉積物有逐漸變細的趨勢(圖2a)。海濱國家森林公園海灘2個探槽的粒徑變化較小，沉積物粒徑從淺到深均較細，φ值具有先減小后增大的趨勢。萬平口海水浴場海灘探槽的粒徑變化較大，沉積物由細到粗變化較大，沉積物總體具有淺部細深部粗的趨勢(圖3)。

圖3 海灘探槽平均粒徑折線圖 (探槽樣品為自上而下取樣，樣品號為H1～H14)

2.2 分選系數

分選系數(δi)是指示沉積物粒度的分選程度，即顆粒大小的均勻性，若粒級少，主要粒級很突出，百分含量高，分選就好，標準偏差或分選系數的數值小；反之，粒級分布范圍很廣，主要粒級不突出，則分選就差，標準偏差或分選系數的數值就大。

海濱國家森林公園海灘剖面樣品化驗結果表明：分選系數主要介于0.35～0.71之間，灘肩、灘面分選狀況較好，低潮線分選狀況好，說明低潮線處的分選性較灘肩、灘面處好(圖2b)。探槽樣品化驗結果表明：分選系數主要介于0.34～0.71之間，平均值為0.55，總體分選狀況較好(圖4)。

萬平口海水浴場海灘剖面樣品化驗結果表明：北部PM6的分選系數介于0.78～1.35之間，平均值為1.03，分選狀況較差，中部PM7和南部PM8海灘分選系數的平均值分別為0.61和0.56，分選狀況較好，具有由北向南逐漸變好的趨勢(圖2b)。探槽樣品化驗結果表明：北部TC06的分選系數介于0.59～1.65之間，平均值為1.16，分選狀況較差；中部TC07的分選系數介于0.39～1.19之間，平均值為0.76，分選狀況中等；南部TC08的分選系數介于0.53～1.22之間，平均值為0.83，分選狀況中等(圖4)。

總體來看，垂直海岸方向，兩處海灘由陸向海分選性均逐漸變好；平行海岸方向，海濱國家森林公園海灘分選性均較好，基本無變化，萬平口海水浴場海灘由北向南分選性逐漸變好。海濱國家森林公園海灘淺部樣品的分選性要好于深部，萬平口海水浴場海灘中間樣品的分選性要好于淺部和深部。海濱國家森林公園海灘的分選性要好于萬平口海水浴場海灘。

圖4 探槽樣品分選系數散點圖 (探槽樣品為自上而下取樣，樣品號為H1～H14)

2.3 偏度系數

偏度(SKi)可判別粒度組分分布的對稱性，并表明平均值與中位數的相對位置。研究區海濱國家森林公園海灘剖面樣品的偏度系數為-0.60～+0.58，探槽樣品的偏度系數主要在-1.08～+0.56之間分布，偏態等級位于極負偏、負偏和正偏之間，在零值之間呈對稱分布。萬平口海水浴場海灘剖面的偏度系數為-1.27～+0.54，探槽樣品的偏度系數主要在-1.27～+1.18之間分布，正偏態、負偏態，極負偏態、極正偏態均存在，在零值兩端呈對稱分布(圖2c、圖5)。

圖5 探槽樣品偏度系數散點圖 (探槽樣品為自上而下取樣，樣品號為H1～H14)

海濱國家森林公園海灘剖面、探槽中樣品的頻率曲線以單峰和雙峰為主；萬平口海水浴場海灘剖面、探槽中樣品的頻率曲線以雙峰和多峰為主，少數為單峰。頻率分布曲線分為單峰態和雙峰態,其中單峰態表明沉積物成分單一,為相對穩定的環境下沉積形成;雙峰態表明沉積物由2種主要成分組成,在沉積過程中有其他作用參加進來,水動力條件較為復雜[13]。說明萬平口海水浴場海灘沉積物的來源比森林公園要復雜。

海濱國家森林公園海灘灘肩和灘面處主要為雙峰曲線，粒級較為分散，分選系數較大，分選性相對較差，而低潮線處主要為單峰曲線，粒級較為集中，分選系數較小，分選性相對較好，主峰尖銳，粒度較細(圖6)。萬平口海水浴場海灘灘肩處自北向南由多峰、雙峰曲線變為單峰曲線，灘面和低潮線處由雙峰曲線變為單峰曲線，說明灘肩和灘面處分選系數較大，分選性較差，低潮線處分選系數較小，分選性較好，且由北向南分選性由差變好(圖7)。

低潮線處樣品相對均勻，物質來源單一，以單峰曲線為主，多為負偏，樣品的粒度代表了海灘總體的一般特征，反映環境能量對沉積物分選改造處于相對平衡狀態；灘肩、高潮線附近受風、海流和波浪等沉積動力影響，頻率曲線以雙峰為主，物質來源較為復雜，是沉積動力與粒度之間尚未達到平衡的表現[14]。

圖6 濱海國家森林公園海灘剖面頻率曲線變化圖

圖7 萬平口海水浴場海灘剖面頻率曲線變化圖

3 海灘磁化率特征分析

3.1 海濱國家森林公園海灘剖面磁化率特征

根據海灘磁化率剖面分布趨勢圖分析：在平行海岸方向上，北部海灘磁化率值偏高，磁化率平均值在1.51×10-3SI～2.55×10-3SI之間，南部海灘磁化率值偏低，磁化率平均值在0.33×10-3SI～0.80×10-3SI之間，總體具有北部高南部低的趨勢(圖8a)，該趨勢與北部海灘侵蝕較為嚴重而南部海灘侵蝕較弱的現象相對應。這種現象的產生可能是由于侵蝕過程中高密度的重礦物易發生濃縮聚集形成礦砂，而低密度的輕礦物易優先搬運的原因[13-14]。在垂直海岸方向上，靠近灘肩高潮線與沖流帶處磁化率較高：L7剖面磁化率最大值為19.17×10-3SI；灘肩向陸一側及灘面處磁化率值較低，磁化率值一般在0.2×10-3SI左右；低潮線處磁化率又略有升高，磁化率值一般在0.5×10-3SI左右。

3.2 萬平口海水浴場海灘剖面磁化率特征

根據海灘磁化率剖面分布趨勢圖分析：在平行海岸方向上，磁化率由北向南具有先增大后減小，然后又略有增大的趨勢(圖8b)。總體來看，北部、中部磁化率值偏高，磁化率平均值在1.07×10-3SI～3.93×10-3SI之間，南部磁化率值偏低，磁化率平均值在0.68×10-3SI～2.52×10-3SI之間，與北部、中部海灘侵蝕較為嚴重而南部海灘侵蝕較弱的趨勢相對應。在垂直海岸方向上，靠近灘肩高潮線與沖流帶處磁化率較高：L23剖面磁化率最大值為86.82×10-3SI；灘肩向陸一側及灘面處磁化率值較低，磁化率值一般在0.5×10-3SI左右；低潮線處磁化率又略有升高，磁化率值一般在1.5×10-3SI左右。

圖8 海灘磁化率剖面分布趨勢圖

3.3 海灘磁性礦物富集規律分析

沖流帶是動力和地形高頻變化最明顯的區域，該處的沖洗作用大于波浪作用，低密度的粗顆粒首先被搬運至灘肩區，高密度的細顆粒(磁鐵礦)因波能變小而發生淤滯，低密度的粗顆粒被更弱的回流搬運回海，從而引起高密度的細顆粒在沖流帶聚集[15-17]，導致該處輕重礦物的分選性較好，磁性礦物富集。這可能是體積磁化率在沖流帶附近區域出現高值的原因。

綜上分析：萬平口和森林公園海灘北部磁化率是南部磁化率的2～3倍，這是由于海灘的沿岸流優先搬運低密度的粗顆粒礦物，導致在海灘侵蝕區域磁性礦物濃度較高，磁化率較高，而在海灘淤積區域磁性礦物濃度較低，磁化率值較低。進一步表明萬平口和森林公園海灘北部侵蝕區有較多細顆粒的磁鐵礦滯留(北部磁化率較高)而南部淤積區有較多粗顆粒的輕礦物聚集(南部磁化率較低)是受自北向南的黃海沿岸流影響[18]，使沉積物多自北向南運移。

4 沉積物物源分析

近年來，許多學者從重礦物富集規律、沉積動力環境、沉積物粒徑趨勢[19-20]等多方面對日照近岸帶物質來源進行了分析。稀土元素和Zr，Th，Sc，Y等微量元素具有良好的穩定性[21]，受風化、搬運、沉積、成巖等地質作用的影響較小。故該文借鑒前人對沉積物物源分析的地球化學方法：利用稀土元素和微量元素作為沉積物物源指示劑[22-23]，對日照海岸帶物質來源進行定性分析(圖9)。

圖9 探槽樣品稀土元素球粒隕石標準化配分曲線(a)及微量元素原始地幔標準化蛛網圖(b) (標準化數據據文獻[24])

通過主微量及稀土元素分析發現(圖9)，TC07，TC09探槽中上部樣品的稀土元素和微量元素含量變化曲線一致(TC07-H4和TC09-1，TC09-H4)，下部樣品的變化曲線一致(TC07-H8和TC09-H14)，但上部和下部曲線存在差異，稀土元素配分曲線圖中上部樣品主要表現為Eu負異常，下部樣品主要表現為Eu正異常，元素含量也存在差異性，微量元素曲線圖中也存在多個元素含量的差異，說明2個探槽中磁性礦物的物質來源相同，但探槽上部與下部磁性礦物的形成原因及物源不一致，可能存在不同期次的不同成因。

將探槽中的樣品與采集的基巖樣品進行對比(圖10a、圖10b)，發現探槽上部樣品的元素變化曲

線與日照水庫附近花仙子風景區含輝石角閃斜長片麻巖、車子門含磁鐵礦二長花崗巖的元素變化曲線較為一致(圖11)，斜長片麻巖及二長花崗巖中含有較多的磁性物質。

圖10 研究區采集手標本

圖11 探槽上部及相關基巖樣品稀土元素球粒隕石標準化配分曲線(a)及微量元素原始地幔標準化蛛網圖(b) (標準化數據據文獻[24])

圖12 探槽下部及相關基巖樣品稀土元素球粒隕石標準化配分曲線(a)及微量元素原始地幔標準化蛛網圖(b) (標準化數據據文獻[24])

圖13 探槽及磁鐵礦樣品稀土元素球粒隕石標準化配分曲線(a)及微量元素原始地幔標準化蛛網圖(b) (標準化數據據文獻[24])

探槽下部樣品的元素變化曲線與高旺鐵礦花崗斑巖、燈塔廣場花崗閃長巖的變化曲線基本一致(圖10c、圖10d、圖12)，而與高旺磁鐵礦礦石的變化曲線存在較大差異(圖13)，說明海灘中的磁性礦物來源與巖體關系較為密切，而與高旺磁鐵礦礦石的聯系并不明顯。

通過上述元素分析，推測日照海岸帶海灘中淺部物質的來源與陸內一側基巖中斜長片麻巖和二長花崗巖的關系較為密切，深部物質的來源與靠海一側基巖中花崗斑巖和花崗閃長巖的關系較為密切，海灘中的磁性礦物與嵐山高旺鐵礦磁鐵礦礦石的聯系并不明顯。

5 結論

(1)根據沉積物粒度參數分析可知：研究區沉積物類型以砂(-1～4φ)為主，僅探槽底部可見極少細礫(<-1φ)。平行海岸方向上，海濱國家森林公園海灘以細砂、中砂為主，萬平口海水浴場海灘以中砂、粗砂為主，總體上自北至南沉積物由細變粗。垂直海岸方向上，兩處海灘從灘肩到灘面再到低潮線處，沉積物均有逐漸變細的趨勢。海濱國家森林公園海灘的分選性要好于萬平口海水浴場海灘。

(2)根據海灘磁性礦物富集規律分析，確定沉積物受黃海沿岸流影響，海灘北部侵蝕區磁化率較高，有較多細顆粒的磁鐵礦滯留；南部淤積區磁化率較低，有較多粗顆粒的輕礦物聚集。沉積物多自北向南運移。

(3)日照市海岸帶海灘中淺部物質的來源與陸內一側基巖中斜長片麻巖和二長花崗巖的關系較為密切，深部物質的來源與靠海一側基巖中花崗斑巖和花崗閃長巖的關系較為密切。