錢塘江中下游沉積物磁性特征及其對沉積動力環境的指示意義

張敏，時連強，郭俊麗，徐岱璐,3

1.自然資源部第二海洋研究所國家海島開發與管理研究中心，杭州 310012

2.華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海 200241

3.南京大學地理與海洋科學學院，南京 210023

沉積物是河口海岸發育的物質基礎，其組成蘊含著源區巖性、物質自源到匯搬運過程中的動力、途徑及其期間氣候調控等綜合信息，因此，沉積物組成分析在河口海岸動力地貌學研究中備受關注[1-6]。包括IGBP（國際地圈生物圈計劃）核心計劃海岸帶陸海相互作用在內的國際研究計劃將物質“源-匯系統研究”作為其關鍵科學問題和主要研究領域之一。沉積物磁性礦物蘊含著物源、沉積物搬運和分選、沉積環境理化特征等信息，同時磁性測量具有簡便、快速、經濟、無損等重要特征，已成為地球科學、環境科學研究中的重要手段之一[7-13]。錢塘江沉積物是杭州灣沉積物的重要來源之一，具有山溪性特點，同時又遭受極端天氣和季風的影響[14]，因此，研究錢塘江不同季節動力環境下沉積物的磁學特性及其指示意義對于豐富山溪性河流的沉積動力學研究方法具有重要的科學意義。國內學者對錢塘江流域的沉積物開展過許多研究[15-16]，但通過環境磁學對錢塘江進行季節和沿程變化分析的研究較少。本文擬利用冬季和夏季在錢塘江河口段到中游段采集的河床沉積物，通過粒度與磁性測量數據，結合實測流速信息，分析其粒度特征及磁性特征的沿程變化與季節性變化規律，探討沉積物與沉積動力環境之間的關系。

1 研究區概況

錢塘江全長605 km，發源于安徽省休寧縣六股尖，于浙江省北部海鹽市澉浦長山東南嘴至余姚市西三閘一線注入杭州灣，其中310 km在浙江省境內，流域面積達4.99×104km2，是浙江省第一大河（圖1）。

錢塘江流域在浙江省西部有南、北兩源，均發源于安徽省休寧縣，南源衢江與金華江匯入蘭江，至建德梅城與北源新安江匯合后稱富春江，向東北流經東江嘴攬入浦陽江后稱錢塘江，向東匯入東海。自潮區界蘆茨埠（富春江電站）至聞家堰為近口段，長約75 km，該河段以徑流作用為主，基本上不受海洋來沙影響，河床基本穩定；聞家堰至澉浦，長約90 km，稱為河口段，此段徑流與潮流相互作用，河床變化劇烈[17]。根據潮區界蘆茨埠站資料統計，多年平均年徑流量為2.91×1010m3，多年平均年輸沙量為5×106t，徑流輸沙量集中在3——6月，占年輸沙量的60%～85%。

圖1 研究區域與采樣站位分布圖Fig.1 Study area and location map of sampling stations

錢塘江流域處于亞熱帶季風濕潤氣候區，四季分明，氣候溫和，降水充足，光照豐富，年平均氣溫為17 ℃。降水量和徑流量均存在年內和年際的波動，年平均降水量為1 100～2 400 mm，其中大約50%的降水發生在4——6月，而20%發生在7月和9 月[15]。

2 樣品與方法

錢塘江沿程河床沉積物分別采自2010年1月與2010年8月。沿程每隔10 km左右布設一條與岸線垂直的采樣斷面，在每個斷面采集3個河床沉積物樣，采樣點分別位于靠近兩岸處與中泓處，并在不同斷面之間河道中泓采集1個河床沉積物樣，一共采集了77個冬季河床沉積物樣品和62個夏季河床沉積物樣品（圖1）。采樣使用不銹鋼錨式采樣器，用塑料小鏟取其中央的表層沉積物分別置入可密封的聚乙烯塑料袋中，帶回實驗室備測。同時使用SonTek M9 ADCP聲學多普勒流速剖面儀在每個斷面進行流速測量。

粒度分析：將每個沉積物充分混合后，稱取0.06～0.10 g采用激光粒度儀進行測量，重復相對誤差＜3%，得到沉積物粒徑＜0.5 、0.5～1 、1～2 、2～4 、4～8 、8～16 、16～32 、32～63 、63～125、125～250 、250～500 、500～1 000 、＞1 000 μm 的各組分占比。對原始粒度數據進行分析，統計出黏土（＜4 μm）、粉砂（4～63 μm）和砂（＞63 μm）不同粒級的百分含量，并根據福克-沃德公式[18]計算海灘沉積物的中值粒徑（Mz）。

磁性分析：首先將樣品在35 ℃溫度下烘干，烘干后研磨，取7.8～8.0 g樣品裝入圓柱狀聚乙烯樣品盒中進行測量。采用BartingtonMS2磁化率儀測量低頻磁化率（0.47 kHz）和高頻磁化率（4.7 kHz），使用英國Molspin交變退磁儀和Minispin旋轉磁力儀測量在0.04 mT的直流磁場和100 mT的交變磁場峰值下獲得的無磁滯剩磁ARM，隨后用Molspin脈沖磁化儀和Minispin旋轉磁力儀測量在1T磁場下獲得的飽和等溫剩磁SIRM=IRM1T/m×10，再在其反方向依次加-100 mT和-300 mT磁場獲得相應等溫剩磁。根據測量結果，分別計算質量磁化率 χ、頻率磁化率 χfd%= （ χlf- χhf） /χlf×100%、硬剩磁HIRM=（SIRM+IRM-300mT）/2、非磁滯剩磁磁化率 χARM=ARM/0.318 4和比值參數S-100=100×（SIRM-IRM-100mT）/（2×SIRM）、 χARM/χ 等。

相關性分析：利用統計軟件SPSS20版中的相關分析模塊，對沉積物粒度參數和磁性參數進行相關性分析，得到兩者之間的Pearson相關系數，其絕對值的大小表示相關程度，相關系數越大，則相關性越強，正值代表正相關，負值代表負相關。

3 結果分析

3.1 沉積物粒度特征

從表1可以看出，錢塘江中下游流域冬夏兩季的沉積物粒度組分中，粉砂含量最高，其中河口段和近口段冬季含量比夏季多，中游段冬季含量比夏季少。砂和黏土不同河段不同季節的含量不同，河口段冬夏兩季砂的含量遠高于黏土的含量；近口段冬季砂的含量比黏土少，夏季砂的含量比黏土多；中游段冬夏兩季砂的含量都比黏土少。在砂組分中，河口段和近口段冬季含量比夏季少，中游段冬季含量比夏季多；而在黏土組分中，錢塘江中下游流域冬季含量都比夏季高。從圖2中值粒徑（Mz）的沿程變化圖可以進一步發現，冬夏兩季沉積物粒度從中游到富春江水庫逐漸變細，而近口段到河口段沉積物粒度逐漸變粗，并且冬季粒度總體上細于夏季。

表1 錢塘江中下游流域河床沉積物粒度參數統計Table 1 Statistics of grain size parameters of bed sediments in the middle and lower reaches of the Qiantang River

圖2 錢塘江中下游流域河床沉積物中值粒徑沿程變化Fig.2 Changes of median grain size of bed sediments along the middle and lower reaches of the Qiantang River

3.2 沉積物磁性特征

3.2.1 磁性礦物含量

質量磁化率（χ）可以反映亞鐵磁性礦物的含量，同時其值也受到磁性礦物的類型和晶粒的影響，常常被用來粗略地估計磁性礦物含量。飽和等溫剩磁（SIRM）是沉積物樣品中磁性礦物富集程度的代表參數，硬剩磁（HIRM）反映不完整反鐵磁性礦物的富集程度，其主要的影響因素為磁性礦物的含量和類型，晶粒大小對其也有一定影響[15,19]。

冬季錢塘江河床沉積物 χ 的變化范圍為29.40×10-8～110.03×10-8m3/kg，SIRM 的變化范圍為4 057.22×10-6～29 755.00×10-6Am2/kg，HIRM 的變化范圍為 117.82×10-6～796.77×10-6Am2/kg；夏季錢塘江河床沉積物 χ 的變化范圍為38.25×10-8～244.35×10-8m3/kg， SIRM的 變 化 范 圍 為 3 272.30×10-6～34 948.41×10-6Am2/kg，HIRM 的變化范圍為7.09×10-6～949.99×10-6Am2/kg。從圖3、圖4和圖5可以看出，χ、SIRM與HIRM都呈現出從中游到河口段逐漸減少的趨勢，指示磁性礦物從中游到河口段逐漸減少，冬夏兩季磁性礦物含量相差較小，但夏季含有較多的亞鐵磁性礦物，冬季含有較多的不完整反鐵磁性礦物。其中，SIRM在樣品18——23號之間相較于平均值含量較低，呈現一個普降的變化趨勢，在54——56號之間呈現一個陡降的變化趨勢。從圖1可以看出，18——23號位于新安江、蘭江和富春江三江匯合處，很可能是因為蘭江和新安江沉積物的混合造成了沉積物磁性礦物含量發生了明顯變化；54——56號位于浦陽江和錢塘江的匯合處，其陡降的趨勢可能受到浦陽江沉積物的影響，具體原因需要做進一步的深入研究予以證實。

圖3 錢塘江中下游流域河床沉積物質量磁化率（χ）沿程變化Fig.3 Changes of mass magnetic susceptibility （χ） of bed sediments along the middle and lower reaches of the Qiantang River

圖4 錢塘江中下游流域河床沉積物飽和等溫剩磁（SIRM）沿程變化Fig.4 Changes of saturation isothermal remanent magnetization(SIRM) of bed sediments along the middle and lower reaches of the Qiantang River

3.2.2 磁性礦物類型

SIRM-χ相關曲線指示磁性礦物的變化，如果SIRM-χ呈線性分布，則說明沉積物中有一種磁性礦物存在或一種磁性礦物的含量占絕對優勢[20]。

將研究區冬季和夏季河床沉積物樣品的質量磁化率（χ）和飽和等溫剩磁（SIRM）做相關性分析（圖6），發現兩個季節河床沉積物 χ和SIRM的相關性系數R2均大于0.7，說明兩季的沉積物磁性特征均由一種磁性礦物主導。

圖5 錢塘江中下游流域河床沉積物飽和硬剩磁（HIRM）沿程變化Fig.5 Changes of hard remanent magnetization (HIRM) of bed sediments along the middle and lower reaches of the Qiantang River

圖6 磁性參數 χ和SIRM之間的相關關系Fig.6 Correlation between magnetic parameter χ and SIRM

不完全反鐵磁性礦物和亞鐵磁性礦物的相對組成可以用退磁參數S-100反映，當S-100值大于70%時，即可判定亞鐵磁性礦物占主導地位。研究區域冬季和夏季河床沉積物的S-100平均值分別為79.00%和82.76%，說明亞鐵磁性礦物主導樣品磁性特征，但不完全反鐵磁性礦物也有一定貢獻。從圖7與圖8可以看出，冬夏兩季的S-100總體上均呈現自中游至河口段逐漸遞增的變化趨勢，其中蘭江以上亞鐵磁性礦物冬季含量最少，夏季逐漸升高；富春江水庫季節性變化不明顯，含量較低；近口段亞鐵磁性礦物冬夏兩季均呈遞增趨勢，而河口段則呈遞減趨勢。從總體上看，夏季亞鐵磁性礦物的含量高于冬季，但冬季的不完全反鐵磁性礦物含量比夏季多。

圖7 錢塘江中下游流域冬季河床沉積物S-100插值圖Fig.7 S-100 interpolation map of bed sediments in the middle and lower reaches of the Qiantang River in winter

圖8 錢塘江中下游流域夏季河床沉積物S-100插值圖Fig.8 S-100 interpolation map of bed sediments in the middle and lower reaches of the Qiantang River in summer

3.2.3 磁性礦物的晶粒特征

根據磁鐵礦的磁疇結構，一般可將磁鐵礦分為多疇（MD，＞10 μm）、假單疇（PSD，0.70～10 μm）、單疇（SD，0.03～0.70 μm）和超順磁（SP，＜0.03 μm）。沉積物中SP成分的存在和相對含量可由頻率磁化率（χfd%） 的數值來表征：當 χfd%＜2%時，可以認為樣品中基本不含SP；當 χfd%為2%～10%，表示MD、SD和SP晶粒同時存在； χfd%為10%～14%時，則表明基本上全部為SP晶粒，其含量在75%以上[21]。

錢塘江中下游流域冬季河床沉積物中 χfd%為1.05%～13.25%，平均值為5.62%，其中78.38%的樣品χfd%值 介于2%與10%之間，10.81%的樣品 χfd%值介于10%與14%之間，表明冬季SP晶粒含量較多。夏季河床沉積物 χfd%主要集中在＜10%的范圍內，17.74%的樣品 χfd%＜ 2%，80.65%的樣品 χfd%值介于2%與10%之間，表明夏季SP晶粒含量較冬季少。

χARM受磁性礦物晶粒大小影響顯著，對粗粒穩定單疇（SSD）較為敏感。比值參數 χARM/χ可指示亞鐵磁性礦物晶粒大小，較高比值反映了SSD晶粒，較低比值則顯示了較多的MD或SP晶粒。χARM/ SIRM與 χARM/χ 類 似 ，但 χARM/SIRM不 受SP晶粒的影響，較低比值則反映了較粗的MD晶粒[22]。錢 塘 江 河 床 沉 積 物 χARM、 χARM/χ 和 χARM/SIRM這3個參數冬季和夏季所分布的趨勢大體一致（圖9、圖10），低值區主要出現在河口段以及蘭江以上區域，高值區出現在富春江水庫和新安江流域，指示了河口段及蘭江以上區域沉積物亞鐵磁性礦物晶粒以PSD-MD為主。

從圖9和圖10還可以發現，冬夏兩季χfd%、 χARM、χARM/χ 和 χARM/SIRM值都呈現出從中游段到富春江水庫逐漸增大、從近口段到河口段逐漸變小的趨勢。

3.3 錢塘江中下游流速特征

由于夏季是錢塘江的洪季，流量最大，更具有代表性，因此對錢塘江2010年夏季的流速數據進行插值分析，從圖11中可以看出，河口段的流速最強，流速為 0.35～4.00 m/s，平均值為 1.53 m/s；近口段次之，流速為0.03～0.65 m/s，平均值為0.44 m/s；富春江水庫以上的流速較弱，流速為0.07～0.43 m/s，平均值為0.21 m/s。這表明受潮流和徑流的相互作用，河口段有最強的水動力條件，流速強弱分布呈現從河口段到中游段逐漸減弱的趨勢。

圖9 錢塘江中下游流域冬季 χ fd% 、 χ ARM、 χ ARM/ χ 和 χ ARM/SIRM參數的沿程變化Fig.9 Changes of χ fd% , χ ARM, χ ARM/ χ and χ ARM/SIRM parameters along the middle and lower reaches of the Qiantang River in winter

圖10 錢塘江中下游流域夏季 χ fd% 、 χ ARM、 χ ARM/ χ 和 χ ARM/SIRM參數的沿程變化Fig.10 Changes of χ fd% , χ ARM, χ ARM/ χ and χ ARM/SIRM parameters along the middle and lower reaches of the Qiantang River in summer

圖11 錢塘江中下游流域夏季流速大小分布圖Fig.11 Flow velocity distribution of the middle and lower reaches of the Qiantang River in summer

4 討論

4.1 磁性特征與粒度組成的關系

沉積物磁性特征主要受磁性礦物的種類、含量和磁性晶粒大小控制，而這些因子又受沉積物來源、搬運過程的水動力條件以及沉積環境影響[1]。通過對沉積物粒度及其磁性特征關系進行分析，可以反演磁性特征所反映的動力沉積環境信息。

從表2和表3可以看出，參數 χ冬夏兩季幾乎與粒度參數沒有相關性。SIRM冬季與各粒級的相關性不顯著，但夏季與32～63 μm粒徑呈明顯負相關。HIRM 冬季與 32～63 μm 呈負相關，夏季與＜2 μm、＜4 μm、＜8 μm、＜16 μm、＜32 μm、2～4 μm、4～8 μm粒級及黏土、平均粒徑和中值粒徑呈正相關，其中與 ＜2 μm的 相 關 性 最 為 顯 著 。 冬 季 χfd%、 χARM、χARM/ SIRM 和 χARM/χ 與 ＜2 μm、 ＜4 μm、 ＜8 μm、＜16 μm、＜32 μm、＜63 μm、2～4 μm、4～8 μm、8～16 μm粒級及黏土含量、平均粒徑和中值粒徑呈正相關，其中與＜16 μm的相關性呈逐漸增大的趨勢，而與＞16 μm的相關性則呈逐漸減小的趨勢；與 16～32 μm、32～63 μm、砂含量和粉砂含量呈負相關關 系。夏季 χARM、 χARM/SIRM與各 粒級的相關性規律不明顯，不過 χARM/SIRM與8～16 μm粒級 呈 顯 著 正 相 關 。 夏 季 χfd%和 χARM/χ與 ＜2 μm、＜4 μm、＜8 μm、＜16 μm、＜32 μm、＜63 μm、2～4 μm、4～8 μm、8～16 μm 粒級以及黏土含量、平均粒徑和中值粒徑呈正相關，其中與＜32 μm的相關性呈逐漸增大的趨勢，與＞32 μm的相關性逐漸減小；與32～63 μm和砂含量呈負相關關系。

通過以上分析可以看出，沉積物磁學參數 χfd%、χARM、 χARM/ SIRM和 χARM/χ可 以 作 為 這 個 區 域 冬季 ＜16 μm細 顆 粒 沉 積 物 的 代 用 指 標 ， χfd%和χARM/χ可以作為夏季＜32 μm細顆粒沉積物的代用指標。鑒于細顆粒泥沙在沉積動力、環境污染等研究中的重要性，這種磁學替代指標具有重要的應用價值[9]。

4.2 沉積物磁性特征對動力沉積環境的響應

沉積物的中值粒徑（Φ）呈現出從中游到富春江水庫逐漸變大，而從近口段到河口段逐漸變小的趨勢，這與錢塘江沿程流速分布特征大致是相對應的（圖2、圖11）。錢塘江流域來水豐沛，有豐富的水能資源，多年平均年徑流總量為2.91×1010m3，中游徑流作用強，但由于水庫的修建，徑流流速減緩，即使是在夏季，富春江水庫段水流流速也僅有0.20 m/s，細顆粒沉積于水庫中[15]，因此，沉積物粒徑從中游到富春江水庫變細。杭州灣是一典型的喇叭型河口灣，水面寬由灣口的100 km至澉浦驟減至20 km，同時澉浦以西沙坎急速升高，水深變淺。當較大潮差的潮波進入河口后，受束窄影響，潮波急劇變形，至尖山形成涌潮，一般上溯至杭州閘口以上，河口段潮流和徑流相互作用，總體上水動力比近口段強，流速較大（圖11），因此河口段沉積物顆粒比近口段的粗[23-24]。

表2 錢塘江中下游流域冬季河床沉積物磁性參數與粒度參數的相關性Table 2 Correlations between magnetic parameters and grain size characteristics of bed sediments in the middle and lower reaches of the Qiantang River in winter

表3 錢塘江中下游流域夏季河床沉積物磁性參數與粒度參數的相關性Table 3 Correlations between magnetic parameters and grain size characteristics of bed sediments in the middle and lower reaches of the Qiantang River in summer

從圖2可以看出，錢塘江中下游沉積物粒度呈現出夏粗冬細的變化特征，這與夏季有洪水影響、水動力比冬季強相對應。利用Morten Pejrup提出的三角圖分類方法[25]，從沉積物結構組成及其反映的水動力強度來看，兩個季節的錢塘江中下游流域沉積物主要分布在III、IV區（圖12），說明了錢塘江中下游流域河流的水動力相對較強。從不同區域來看，冬夏季河口段沉積物主要集中分布在IV區，說明河口段水動力比近口段和中游段都強。其中，夏季河口段主要分布于B-IV和C-IV，少量分布于D-III和D-IV；而冬季則主要分布于C-IV，少量分布于B-IV和D-IV，總體上砂組分含量夏季較冬季高，表明夏季水動力比冬季強。近口段沉積物冬季多集中于D-III，夏季則分散于C-IV、D-III和D-IV，粉砂含量較多，季節變化比較明顯。

與沉積物中值粒徑分布特征一樣，沉積物磁性參 數 χfd%、 χARM、 χARM/χ 和 χARM/SIRM同 樣 呈 現 出從中游到富春江水庫逐漸變大、而從近口段到河口段逐漸變小的趨勢（圖9、圖10），顯然，這與沉積物磁性礦物晶粒對沉積動力環境的響應是密切相關的。在自然狀況下，磁性礦物晶粒會遵循水力學原理，按其粒徑大小分異和沉積，因此指示磁性礦物晶 粒 大 小 的 參 數 χfd%、 χARM、 χARM/χ 和 χARM/SIRM在判別水動力能量上具有一定的價值[26]。 χfd%、 χARM、χARM/χ 和 χARM/SIRM較大時表明沉積物的顆粒比較 細 ， 指 示 較 弱 的 沉 積 動 力 環 境 ， χfd%、 χARM、χARM/χ 和 χARM/SIRM較小時則相反，指示較粗的沉積物和較強的沉積動力環境。但是，從表2和表3可看出，參數 χ、SIRM與粒度的相關性都比較低，因此， χfd%、 χARM更能有效地反映沉積動力環境。

圖12 錢塘江中下游冬夏季河床沉積物各組分含量分布圖Fig.12 Content distribution of each component of bed sediments in the middle and lower reaches of the Qiantang River in winter and summer

5 結論

（1）錢塘江冬夏兩季由于水動力條件的不同，河床沉積物類型占比也會產生差異，冬季河床沉積物以粉砂和黏土為主，夏季以粉砂和砂為主，沉積物粒度從中游到富春江水庫逐漸變細，而近口段到河口段沉積物粒度逐漸變粗，并且冬季粒度總體上細于夏季。

（2）對于磁性礦物含量，錢塘江中下游磁性礦物從中游到下游呈現逐漸減少的趨勢，夏季磁性礦物含量比冬季高。對于磁性礦物類型，兩季的亞鐵磁性礦物占主導地位，夏季亞鐵磁性礦物的含量高于冬季，但冬季的不完全反鐵磁性礦物比夏季多。

（3）χfd%等磁性礦物參數與細粒級組分高度正相 關 。 χfd%、 χARM、 χARM/ SIRM和 χARM/χ可 以 作 為這個區域冬季＜16 μm的細顆粒沉積物的代用指標， χfd%和 χARM/χ可以作為夏季＜32 μm的代用指標。

（4） 沉 積 物 磁 性 參 數 χfd%、 χARM、 χARM/χ和χARM/SIRM同樣呈現出從中游到富春江水庫逐漸變大、而從近口段到河口段逐漸變小的趨勢，這與沉積物磁性礦物晶粒對沉積動力環境的響應是密切相關的，其中參數 χfd%與 χARM更能有效地反映沉積動力環境。

致謝：華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室張衛國教授給予筆者磁學測試和計算方法的指導，在此表示真摯的感謝，同時感謝審稿專家對本文提出的寶貴意見。