海南島東南淺海表層沉積物粒度特征及沉積環境

趙利，蔡觀強，鐘和賢，李波，鄒儷琦，李順，韓艷飛

1.自然資源部海底礦產資源重點實驗室，中國地質調查局廣州海洋地質調查局，廣州 510760

2.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州），廣州 511458

海洋沉積物的粒度特征及其空間變化（粒徑趨勢）是海洋沉積及動力學研究的重要方向之一，其主要受物源組分、輸運方式、搬運距離、水動力條件以及地形地貌等多重因素控制[1-2]。多元統計方法主要提取多個變量間相互關聯的規律性，其中對多項替代性指標的聚類分析在海洋沉積物源及環境演化研究中得到廣泛應用[3-5]，粒徑趨勢方法在示蹤濱淺海陸架沉積凈輸運趨勢的研究中效果良好[6]。因此，基于粒度組分含量及參數變化，綜合多元統計結果及沉積粒徑趨勢規律，可有效追蹤物質來源，判別水動力條件，厘清沉積物運移趨勢和劃分沉積環境類型等。

近年來，國內外學者對南海大比例尺、廣深海域的沉積物類型研究已取得了許多基礎、系統的認識和成果[7-8]，尤其是對南海北部及環海南島周邊海域[9-11]、海南島部分近岸小區域的港灣、河口進行了精細研究[12-14]。然而，海南島東南陸架淺海沉積過程受島上徑流、沿岸流、潮汐、風浪及南海暖流等復雜沉積動力環境影響，沉積類型多樣。此外，由于受沉積物分析樣品數量、測試手段及精度差異等多種因素制約，尚未對海南島東南淺海表層沉積物開展系統詳實的研究。本文分析了在海南島東南淺海區獲取的377組表層沉積物樣品的粒度組分，探討了該海區的沉積類型、運移趨勢及沉積環境等，為深入揭示陸架淺海沉積環境演化、重要能源（如天然氣水合物、油氣資源）的勘探開發及區域協調發展和生態環境保護提供了基礎資料。

1 研究區概況

海 南 島東南海 域 研 究范圍為18°～19°N、109°30′～111°E，海域面積 1.13×104km2（圖1），水深范圍為0～1 400 m。大部分區域位于250 m以淺區域，地形自岸向海傾斜，地勢平坦，水深等值線為NE走向，地貌以水下岸坡和陸架平原為主，岸坡上發育小型沙波、淺灘、沙丘，水深250 m以深為陸坡陡坡區域，地形劇烈變化，水深變化較大，坡度較陡[15]。海岸線較為曲折，以砂質岸線為主，基巖岸線為輔，沿海一帶港灣、港口較多。海域沉積受海南島多個入海河流影響，如萬泉河、陵水河、太陽河等。屬于低緯度熱帶季風氣候，冬季盛行東北風，夏季盛行東南鳳和西南風，夏秋期間常受熱帶風暴和臺風侵襲。海域潮流性質為不規則日潮型，以日潮為主，平均潮差0.79 m[16]。

圖1 研究區位置和底質采樣站位黑色圓點為取樣站位。Fig.1 The location of study area and sampling stations Black dots represent sampling stations.

2 材料與方法

2017年7 月廣州海洋地質調查局開展海南島周邊海域1∶25萬海洋區域地質調查工作，利用“奮斗五號”調查船在海南島東南淺海區獲取了377個站位的沉積物樣品。站位間距大體為5 km×5 km，每個站位選取表層0～2 cm 的部分。

沉積物粒度室內分析測試工作在廣州海洋地質調查局實驗測試中心完成。具體方法為：對于最粗粒徑＜2 000 μm的樣品，使用激光粒度儀（Mastersizer-2000）上機分析，儀器測量范圍為0.02～2 000 μm，粒級分辨率 0.01 Φ。測試流程：適量的沉積物樣品中加入5 mL30%的H2O2和0.25 mol/L的HCl，去除有機質和碳酸鹽；攪拌并靜置加滿蒸餾水的溶液以去除鹽分至呈中性；超聲波振蕩分散后上機測試。對含有粒徑＞2 000 μm的樣品，采用傳統篩分法和激光粒度儀測試結合方法：烘干稱重后過1 400 μm孔徑標準篩，激光粒度儀測試細顆粒部分，篩析法分析粗顆粒部分（1Φ間隔），合并獲得完整粒度數據。

粒級標準采用溫德華氏標準，粒度參數采用矩法計算，采用Folk三端元分類法[17]對各沉積物樣品命名。沉積空間分布差異及區劃等主要運用多元統計分析中的Q型聚類及因子分析法，沉積物凈運移趨勢分析主要基于Gao-Collins模型（1994）。

3 結果

3.1 沉積類型和粒度特征

3.1.1 沉積類型及分布特征

海南島東南淺海海域沉積物粒級范圍為-2～11Φ（表1）。由表1可看出，沉積物的優勢粒級5～9Φ 占 55.80%，含量最高（16.82%）粒級為7～8Φ，含量最低（0.81%）粒級是＜-2Φ，表明研究區整體以細粒沉積為主。沉積物類型的命名依據Folk等（1970）提出的分類方案（圖2）：（A）含礫碎屑沉積物；（B）不含礫碎屑沉積物，研究區共分布13種沉積類型：含礫泥、礫質泥、含礫泥質砂、礫質泥質砂、礫質砂、泥質砂質礫、砂質礫、粉砂質砂、泥質砂、砂質泥、砂質粉砂、粉砂、泥等，其中以較細粒的砂質粉砂、粉砂和砂質泥為主，這三種類型約占71.35%，其次為粗粒的礫質泥質砂、泥質砂，約占13.53%，其他類型沉積物較少見（圖3）。

從圖3可看出，砂質粉砂分布最廣，廣泛分布于研究區中部、東北部近120 m等深線附近及西南部近岸等，以粗粉砂組分為主，粒度頻率曲線表現為雙峰態（圖4a），多數 3、7、8Φ 明顯突出，少數2、4和5Φ峰較明顯，反映物質來源的多源性；粉砂較為集中分布于研究區東南部海域（水深＞140 m范圍），及西南部濱海海域等，頻率曲線基本呈單峰態（圖4b），集中于6～8Φ峰明顯突出，表明沉積物來源單一；砂質泥主要分布于中南部海域，同時呈多個斑塊狀分布在水深60～100 m的中北部海域，頻率曲線呈雙峰態（圖4c），與砂質粉砂近似，多數3、4和8Φ峰明顯突出。三種主要沉積類型中細粒組分占優，表明研究區大部分為水動力條件較弱的淺海沉積環境。

表1 海南島東南淺海表層沉積物粒級組成及粒度參數Table 1 Grain size parameters of surface sediments in the southeast of Hainan island

圖2 沉積物分類圖[17]A.含礫碎屑沉積物分類：G-礫，sG-砂質礫，msG-泥質砂質礫，mG-泥礫，gS-礫質砂，gmS-礫質泥質砂，gM-礫質泥，（g）S-含礫砂，（g）mS-含礫泥質砂，（g）M-含礫泥，S-砂，m S-泥質砂，s M-砂質泥，M-泥；B.不含礫碎屑積物分類：S-砂，zS-粉砂質砂，mS-泥質砂，cS-黏土質砂，sZ-砂質粉砂，sM-砂質泥，sC-砂質黏土，Z-粉砂，M-泥，C-黏土。Fig.2 The classification of sediments[17]A.Textural classification of gravel-bearing sediments: G-gravel, sG-sandy gravel, msG-muddy sandy gravel, mG- muddy gravel, gS-gravelly sand, gmS-gravelly muddy sand, gM- gravelly mud, (g)S-slightly gravelly sand, (g)mS- slightly gravelly muddy sand, (g)M- slightly gravelly mud, S-sand, mS- muddy sand, sM- sandy mud, M-mud；B.Textural classification of gravel-free sediments and sedimentary rocks:S- sand, zS- silty sand, mS- muddy sand, cS-clayey sand, sZ-sandy silt, sM- sandy mud, sC- sandy clay, Z-silt, M-mud, C-clay.

圖3 海南島東南淺海海域沉積類型分布圖Fig.3 The distribution of sediments in the southeast of Hainan Island

圖4 海南島東南淺海表層沉積物各沉積類型頻率曲線n為樣品數，不同顏色曲線代表不同站位樣品。Fig.4 Grain size frequency curves of surface sediments in the southeast of Hainan island n is the number of samples, different color curves represent different station samples.

礫質泥質砂主要分布在研究區中部離岸80～100 m水深海域，少量呈斑狀分布于東北部，頻率曲線呈雙峰態（圖4d），多數站位的 1、2Φ 較突出，7、8Φ次之，滾動組分占比接近50%，懸浮組分次之，跳躍組分含量較低，表明該區域水動力條件較強，細顆粒沉積物被帶走，剩余較粗顆粒沉積物。泥質砂主要分布在研究區中部偏西南海域，分布范圍較少，頻率曲線呈雙峰態（圖4e），多數樣品的2、3Φ明顯突出，7、8Φ略突出，跳躍、懸浮組分含量近似，沉積物處于中等水動力條件。其余沉積類型多呈較小范圍的斑塊狀分布，頻率曲線見圖4f——4l。

總體來看，研究區近岸海灣以粉砂和泥為主，西南部和中部以砂質粉砂和粉砂為主，東北部沿岸以粉砂質砂為主，含礫沉積物主要分布于東北部和中部，東南部遠岸海域以粉砂為主。從海岸到濱海，再到淺海區域，變化趨勢由沉積類型單一、顆粒較粗逐漸至類型復雜、顆粒粗再到類型單一、顆粒較細。底質沉積類型的分布格局與物源、地形和沉積動力條件關系密切。

3.1.2 沉積物粒度參數及組分特征

粒徑參數作為研究沉積特征及鑒別沉積環境的主要依據，對其深入分析有助于闡明海底沉積物來源、判定物質搬運方式和識別沉積作用環境類型等[18-19]。海南島東南淺海站位各沉積類型比例及對應的粒度參數見表2，各站位粒度參數的分布規律見圖5a——5d。

平均粒徑大體反映沉積物的平均動能，沉積物Mz為-0.67～7.83Φ，均值為5.73Φ，多以細粉砂組分（6～8Φ）為主。分布上表現為北部萬寧近岸濱海海域粒徑最粗，MZ＜1Φ，為粗砂及礫級，與砂質礫、礫質砂、泥質砂質礫等含礫沉積類型對應，為近岸強動力（高能）沉積環境。粗粒沉積向外延伸至研究區中部（基本呈NE向，80～120 m水深等深線范圍內），為相連斑塊狀展布，平均粒徑MZ＜4Φ，多為砂級，基本對應礫質泥質砂、礫質泥、泥質砂、粉砂質砂等砂質沉積，代表過渡區域復雜的物質來源及沉積環境；其余大部分海域如研究區西南近岸濱海、北中部海域，以及東南部＞120 m水深等深線海域，MZ普遍＞6Φ，多為細粉砂級，與砂質粉砂、砂質泥、粉砂、泥等粉砂、黏土質沉積對應，代表弱動力（低能）沉積環境。

沉積物分選系數為0.91～6.39，均值為2.32，因研究區沉積物粒級范圍廣，優勢粒級不明顯，屬分選差的等級。研究區近岸、東南部＞140 m水深等深線海域的粉砂、泥等細粒沉積及近岸北部少量的礫質砂、砂質礫等粗粒沉積，其分選系數＜2.0，粒徑頻率曲線的擴散程度較低，屬分選較差等級，近岸可能與較強風浪作用導致砂的均一化有關。80～140 m等深線范圍內沉積物分選系數均大于2.0，分選差，其中中北部海域含礫泥、礫質泥質砂、礫質泥等含礫沉積物分選系數均大于3.0，呈斑塊狀分布，分選程度更差，推測可能是殘留砂經改造后的沉積區。

偏態變化范圍為-0.25～0.73，平均值為0.06，一半樣品（50%）偏度（Ski）為-0.1～0.1，粒度頻率曲線為對稱——近對稱分布，正負偏態分布區域差異明顯，其中正偏態（28.6%）多分布于北部近岸，呈NE向中部、少部分東南部海域，粒度分布曲線偏向粗顆粒端，水動力作用較強的區域沉積物顆粒通常偏粗；負偏態（21.4%）分布于研究區西南海域，其他零星分布，粒度分布曲線偏向細顆粒端。

峰態范圍為0.64～2.23，平均值為0.97，其中粉砂質砂、礫質砂、礫質泥質砂峰態較大，頻率曲線尖銳，高值主要呈斑塊狀分布于中西部海域，說明沉積物的砂粒級含量較高，其他曲線多為中等——平坦。

表2 海南島東南淺海各沉積類型及粒度參數特征Table 2 Characteristics of grain size parameters of various types of sediments in the southeast of Hainan island

圖5 海南島東南淺海粒度參數與各粒級組分含量分布圖Fig.5 Distribution of grain size parameters and grain size fractions in the southeast of Hainan island

海南島東南淺海沉積物各粒級組分含量見圖5e——5h。由圖可看出，沉積物組分以粉砂為主，均值50.58%，砂和黏土含量相近，砂含量為25.47%，黏土含量為22.60%，礫石少量，平均含量為1.35%。礫石主要分布于北部海域，特別是西北部近岸海域，含量差異較大，個別站位高達45%，大部分海域均不含礫石，呈分布范圍較小且集中的特征。砂含量變化趨勢明顯，西北部近岸海域，并向東南外延伸至研究區中部為其高值區，近似呈NE向展布，含量在40%以上，西南近岸及東南部水深＞120 m海域為低值區，含量基本在20%以下。粉砂含量的分布特征及規律與砂含量基本呈此消彼長的關系，黏土與粉砂的分布變化較相似，整體上多呈斑塊狀分布趨勢。

3.2 聚類統計分析

對377組表層沉積物樣品的14個粒級使用SPSS軟件進行聚類分析，選取平均粒徑、峰態和分選系數3個粒度參數，同時結合水深數據對沉積物樣品的4個參數進行Q型聚類分析，據此可分為3類不同的沉積區，并繪制了沉積環境分區圖（圖6），各沉積環境分區的粒度特征差異明顯（表1）。

圖6 海南島東南淺海沉積物Q型聚類沉積分區圖不同點代表聚類分析中不同類別取樣站位。Fig.6 Q-cluster diagram for the sediments in the southeast of Hainan Island Different points represent different types of sampling stations.

I沉積區主要分布于西北部近岸海域，并向南延伸至研究區中部約120 m水深等深線，底質類型基本為礫質泥質砂、礫質泥、礫質砂、砂質礫等含礫沉積為主，為3個沉積區中粒徑最粗區域，粒級組分中砂含量最高，均值達56.97%，礫石含量均值高達16.70%，粉砂及黏土分別為18.03%、8.30%，含量相對較低。平均粒徑為1.97Φ，分選最差，偏態基本為正偏。

II沉積區被I分割為NW向兩部分，其中東北部的II1區范圍較小，基本位于100～120 m等深線范圍內，西南部的II2區延伸至研究區南部邊界，位于80～120 m等深線范圍內。以砂質粉砂、砂質泥、粉砂質砂、泥質砂等砂質沉積類型為主，砂含量均值達49.14%，粉砂及黏土分別為33.61%、16.59%，較I區顯著增加，平均粒徑為4.77Φ，分選差，基本為正偏。

III 沉積區分布于萬寧以南的近岸80 m水深以淺的濱海及北中部海域（III1），以及東南部120 m水深以深海域（III2），底質類型多為粉砂、砂質粉砂、砂質泥、泥等細粒粉砂黏土質沉積，粉砂及黏土組分含量均值分別高達62.60%、26.52%，遠高于I、II沉積區，砂含量均值為10.78%，平均粒徑為6.69Φ，分選差但較上兩個沉積區相對較好，偏度多數呈負偏，粒度頻率曲線表現為較平坦特征。

3.3 粒徑趨勢分析

物質來源不同以及多種沉積環境下的差異搬運、分選等均為影響沉積物粒徑趨勢的重要因素。在Gao-Collins粒徑趨勢分析中，特征距離Der的選取對最終沉積輸運趨勢分析的影響較大[20-22]。本次粒徑趨勢矢量的計算中，經對比發現最終選取0.15°為特征距離，每站位分析時只與其相鄰站位進行比較，以求獲得合理的沉積物凈輸運趨勢（圖7），同時結合研究區海洋沉積水動力條件（主要是環流及風浪）進行了探討。

圖7 海南島東南淺海表層沉積物粒徑運移趨勢灰色箭頭表示潛在物源，流向示意圖引自文獻[23]。Fig.7 Grain size net trend for the surface sediments in the southeast of Hainan island Grey arrows indicate potential provenance and flow direction, from reference[23].

由圖6可以看出，研究區沉積運移主要呈與海南島岸線近乎平行的西南向，北部萬泉河等徑流入海物質在華南近岸流、粵西沿岸流以及南海季風漂流（冬季）等的控制下，整體自東北向西南方向輸運，此趨勢向岸外延伸至約160 m等深線。東南部（水深＞160 m）深水區域，沉積物輸運方向為東北向，可能主要受自西南-東北向暖流影響。在中部以北水深80～100 m的位置，存在一小區域范圍的東北向輸運趨勢，可能為河流入海或殘留物質受到南海季風漂流（夏季）影響，向東北方向運移；西北部海域基本為東北向輸運趨勢，可能主要受冬季與臺風季節東北向與偏北向風浪作用影響；西南部海域則為東南及南向近垂直岸線輸運趨勢，主要與夏季海南島東岸多東南與東向風浪及南岸多偏南向風浪影響有關。部分沿岸區域輸運趨勢多變，可能與海岸多港灣，風浪與潮流均為沿岸沉積主要動力有關。

4 討論

4.1 物質來源及沉積動力

沉積類型分布主要受控于沉積物源、流場動力、地形地貌、海區本底物質組成等因素。前人基于不同尺度、多種方法對南海北部沉積物源及環境進行了探討，如粒度[21,22]、元素地球化學[24-28]、碎屑礦物[29]、單礦物成因[30]、黏土礦物[31]以及環境磁學[32]等，結果表明，物源方面，南海北部周邊眾多河流，包括珠江、紅河、湄公河、臺灣島河流、海南島河流等陸源物質的匯入，以及綿長岸線的風化剝蝕沉積，為海南島周邊海域提供了充足的物質來源。研究區主要位于海南島東南陸架淺水海域，島上匯入河流主要為東部河流，特別是海南島第三、四大河流萬泉河和陵水河在流域面積、徑流量等方面較大，現代河流沙多堆積于寬闊的海岸平原或沙壩潟湖帶，進而影響到近海陸架的沉積作用[24]，因此，物質來源主要為海南島徑流輸入和沿岸侵蝕搬運物質。其次，珠江流域物質在粵西沿岸流作用下向西南輸送，以及南海表層流所攜的復雜來源物質，均會對該區域沉積作用產生部分影響。

沉積動力方面，研究區主要發育流系包括華南近岸流、廣東沿岸流、南海表層環流、南海暖流以及局部上升流[33-35]。具體來看，靠近陸地的西南向華南近岸流，不隨季節變化而改變；廣東沿岸流（粵西沿岸流）主要源于江河淡水，方向終年由東北流向西南；夏季和冬季的表層環流隨季風方向的轉變而方向相反：冬季為東北-西南的逆時針向環流，流向西南，夏季為西南-東北向的順時針向環流，流向東北或偏東；南海暖流沿海南島以東100 m等深線，終年由西南流向東北。潮流與風浪方面，海南島東南部為不規則日潮混合潮，潮差0.7～0.8 m，最大潮差1.89 m，大潮平均最大流速45 cm/s，為弱流區。海南島東南臨開闊外海，季風性風浪對其近岸作用顯著，具體表現為冬季與臺風季節風浪多東北與偏北向且風力強勁，夏季多東南與東向且風浪頻繁，大浪甚至高達6 m[16]。因此，研究區主要受海南島上徑流輸送、近岸流系及海浪作用等動力條件影響。

4.2 沉積環境區劃

根據以上研究區粒度分析結果，并結合地理位置、物質來源、輸運距離、水動力影響及沉積環境變遷等差異，劃分為3個沉積環境區（圖6）。

砂礫質沉積區（I區）：自西北部近岸向南延伸至研究區中部約120 m等深線，呈不規則帶狀，底質類型以含礫沉積為主，代表該區多為較粗粒物質沉積，為強動力沉積環境。輸運趨勢顯示：該區受島上地表徑流影響較大，北部的萬泉河河流輸沙量豐富，在西南向表層流及強風浪作用影響下，大量河流入海及岸線侵蝕物質堆積至此，經分選細粒物質再懸浮搬運，導致此區沉積了許多較粗的沉積物。推測此沉積區主要受控于島上徑流及強風浪作用，物質來源以萬泉河等河流輸運及岸線侵蝕物質為主，搬運距離較近，沉積動力條件強。

砂質沉積區（II區）：包括東北部的II1區及西南部的II2區（水深80～120 m范圍），與水深關系密切，底質類型以砂質沉積為主，粒徑中等，該區較I沉積區砂質組分含量增加，分選度提高，水動力條件中等。粒徑輸運趨勢顯示，II1呈砂質沉積小區域范圍的東北向輸運趨勢，可能為河流入海物質輸運至I沉積區后，受到南海季風漂流（夏季）影響；II2區北部主要在西南向的粵西沿岸流、南海季風漂流（冬季）等水動力條件控制下，海南島徑流及岸線侵蝕、少量珠江流域物質自東北向西南方向輸運，輸運趨勢及范圍高于II1區，南部則為東南向近垂直岸線輸運趨勢，主要為外海復雜來源物質，在夏季海南島東南與東向風浪、南岸偏南向風浪的作用下運移有關。II沉積區可能主要是以前低海平面時的殘留濱海沉積，受到表層流及風浪等現代沉積動力共同作用，混入海南島徑流及岸線侵蝕、少量珠江流域及外海復雜來源等現代細粒物質的混合沉積，應當屬于再造沉積，沉積動力條件中等。

泥質沉積區（III區）：分布于萬寧以南的濱淺海區、北部淺海及東南部深水區，占研究區面積最大，底質類型多為粉砂及黏土質沉積，粒徑較細，為弱動力沉積環境。粒徑輸運趨勢顯示，萬寧以南水深較淺的濱海區域，主要受華南近岸流、風浪的作用，因發育較寬海岸平原或沙壩潟湖帶，河流輸入泥沙較少，且區域植被覆蓋良好，在內陸架濱海區沉積細粒物質，物質來源以岸線侵蝕及河流細粒物質的懸浮擴散為主。北部為東北向輸運趨勢，主要受冬季與臺風季節東北向與偏北向風浪作用影響，推測可能接受了珠江流域物質。東南部外陸架深水區沉積水動力條件較弱，多沉積細粒物質，沉積物輸運方向為東北向，可能受南海暖流攜帶的復雜來源物質的影響。

5 結論

（1）海南島東南淺海表層沉積物共有13種類型，包括含礫泥、礫質泥、含礫泥質砂、礫質泥質砂、礫質砂、泥質砂質礫、砂質礫、粉砂質砂、泥質砂、砂質泥、砂質粉砂、粉砂、泥等。沉積物不同類型其平均粒徑、分選系數、偏態、峰態差異顯著，整體表現為粒徑較細、分選差、偏態多近于對稱分布、峰態多中等。

（2）海域沉積特征及環境差異明顯，北部近岸以含礫沉積為主，強動力（高能）沉積環境，研究區中部為呈NE-SW向的砂質沉積區（水深80～120 m范圍），中等動力沉積環境，西南近岸濱海、北中部海域以及東南部海域多為粉砂、黏土質沉積，弱動力（低能）沉積環境。

（3）研究區可分為3個沉積區：I區受控于海南島上徑流及強風浪作用，物質來源可能以萬泉河等河流輸運及岸線侵蝕物質為主；II區可能主要是低海平面時的殘留濱海沉積，受到表層流及風浪等共同作用，混入海南島徑流及岸線侵蝕、少量珠江流域及外海復雜來源等現代細粒物質的混合沉積；III區主要受華南近岸流、風浪作用及南海暖流影響，推測物質來源主要為海南島河流輸入、岸線侵蝕及復雜外海來源細粒物質的加入。