金州灣表層沉積物粒度特征及沉積環(huán)境

王天嬌，馬宏偉，倪 金，方 晶*

(1.天津師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，天津 300378；2.中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽 110034)

粒度分析在區(qū)分沉積環(huán)境、判定沉積物搬運(yùn)機(jī)制以及判別水動(dòng)力條件上廣泛應(yīng)用，分析方法從傳統(tǒng)的直接測量法、篩析法、水析法發(fā)展為激光粒度分析法，精確度得到顯著提高[1-2]。粒度分析方法從物理學(xué)的角度去解釋顆粒在介質(zhì)中的搬運(yùn)和沉積過程，通過粒度分布特征與沉積環(huán)境之間的關(guān)系以及顆粒的搬運(yùn)和沉積過程解釋沉積環(huán)境特征。很多學(xué)者利用粒度分析對(duì)沉積物的類型、粒度特征、物源等做了大量研究。通過粒度概率累積曲線圖能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)沉積環(huán)境的判別，不同類別的搬運(yùn)方式在粒度概率累積曲線中有不同的分布特征和線段曲線[3-4]。王曉磊(2015)通過粒度分析得知渤海、黃海部分海域存在明顯的季節(jié)性差異，與地形地貌、沿岸流、黃海暖流、黃海冷水團(tuán)及物源有密切的關(guān)系[5]。馮秀麗(2015)對(duì)表層沉積物樣品進(jìn)行粒度及粘土礦物分析，認(rèn)為渤海灣西部表層沉積物主要來源于海河等西岸入海河流中的陸源碎屑物[6]。張劍(2016)依據(jù)渤海東部和黃海北部表層沉積物粒度組分，得到沉積物主要由砂、粉砂、粉砂質(zhì)砂和砂質(zhì)粉砂組成，研究區(qū)形成平行于岸線的條帶狀分布格局，表現(xiàn)為由岸到海、由北向南粒度由粗變細(xì)的分布特征[7]。雷坤(2006)依據(jù)表層和柱狀樣品綜合分析，發(fā)現(xiàn)渤海灣西岸由北向南表層沉積物逐漸變細(xì)，分選性變差，同時(shí)人類活動(dòng)的影響導(dǎo)致沉積物逐漸粗化[8]。潘隆(2018)通過南港工業(yè)區(qū)表層沉積物的粒度參數(shù)特征得出研究區(qū)西南岸潮間帶為受河流和潮流影響的沉積環(huán)境，東北部為受季節(jié)性灣內(nèi)環(huán)流影響的水動(dòng)力較強(qiáng)的沉積環(huán)境[9]。

對(duì)渤海灣大范圍的沉積環(huán)境進(jìn)行粒度特征的分析，前人已經(jīng)做了不少工作，對(duì)于小范圍區(qū)域的研究也限于渤海灣的東部地區(qū)，針對(duì)金州灣地區(qū)進(jìn)行詳細(xì)的粒度分析較少。隨著近年來圍海造陸的快速發(fā)展，近海區(qū)域沉積環(huán)境發(fā)生了很大變化，大面積的填海造陸工程往往會(huì)改變海區(qū)的水動(dòng)力條件，影響海灣沉積環(huán)境。本研究通過對(duì)金州灣海域開展高密度站位的粒度分析，結(jié)合沿岸流、潮流和海流的變化特征，探討圍海造陸對(duì)海區(qū)沉積環(huán)境演變的影響，旨在為海灣可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

金州灣位于渤海東部，呈橢圓形，灣口朝向西北，水深自東向西遞增至10 m，海灣面積為342.0 km2，灘涂面積為17.0 km2，礁島面積為4.2 km2，為砂礫質(zhì)基巖海岸上的一個(gè)原生灣，岸線長65.7 km[10]。金州灣受季風(fēng)氣候的影響，冬季寒冷干燥，夏季氣候溫暖濕潤，冬季氣溫普遍低于0 ℃，降水季節(jié)變化大，主要集中在7—8月[6]。研究區(qū)風(fēng)場具有典型而獨(dú)特的季風(fēng)特征，冬季以西北風(fēng)為主，夏季以東南風(fēng)為主。研究區(qū)潮汐以不規(guī)則半日潮為主，南部小部分區(qū)域?yàn)橐?guī)則半日潮，潮流以往復(fù)流為主[9]。

1.2 樣品采集與實(shí)驗(yàn)分析

2019年9月在金州灣海域布設(shè)了72個(gè)站位，利用蚌式采樣器現(xiàn)場采集表層10 cm以內(nèi)沉積物，采樣點(diǎn)分布如圖1所示。沉積物樣品取1～2 cm3，置于錐形瓶中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的雙氧水，使用電熱板加熱，并不斷攪動(dòng)，直到將有機(jī)質(zhì)完全去除。加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的鹽酸，除去碳酸鈣。再將錐形瓶中注滿蒸餾水，去除靜置至分層的上層清液，反復(fù)多次至溶液呈中性，加濃度為0.5 mol/dm3的六偏磷酸鈉5 cm3，并用超聲波儀器進(jìn)行分散。由于沉積物無大于2 mm的礫石，樣品直接上機(jī)進(jìn)行測試，采用Mastersizer 3000型激光粒度儀(測量范圍為0.02～2 000.00 μm)進(jìn)行分析。每個(gè)樣品測試3次，重復(fù)測試誤差小于3%，結(jié)果取平均值。

圖1 2019年9月金州灣采樣點(diǎn)分布

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

沉積物的分類和命名采用謝帕德的沉積物粒度三角圖解法，對(duì)粒度分析結(jié)果運(yùn)用福克和沃德公式法進(jìn)行粒度參數(shù)的計(jì)算，包括平均粒徑(Mz)、分選系數(shù)(σi)、偏度(Ski)和峰度(Kg)，采用尤登-溫德華氏等比制φ值粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[11]。粒度分析按《海洋調(diào)查規(guī)范》[12]進(jìn)行。根據(jù)激光粒度儀測得的數(shù)據(jù)，繪制不同粒級(jí)粒度頻率分布曲線和粒度概率累積曲線；以粒度概率累積曲線上顆粒含量50%處對(duì)應(yīng)的粒徑為橫坐標(biāo)，顆粒含量1%處對(duì)應(yīng)的粒徑為縱坐標(biāo)，繪制成C-M圖；利用SPSS 22.0軟件對(duì)沉積物粒度參數(shù)進(jìn)行聚類分析[9]。

2 結(jié)果與討論

2.1 表層沉積物類型

金州灣表層沉積物類型主要為粘土質(zhì)粉砂(共28個(gè)站位，占采樣總站位的38.9%)、粉砂質(zhì)砂(共21個(gè)站位，占采樣總站位的29.2%)和砂質(zhì)粉砂(共14個(gè)站位，占采樣總站位的19.4%)，其次為砂(共8個(gè)站位，占采樣總站位的11.1%)，砂-粉砂-粘土僅有1個(gè)站位，占采樣總站位的1.4%(圖2)。

圖2 沉積物粒度三角圖分類和投點(diǎn)示意

2.2 表層沉積物粒度特征

粒度參數(shù)可以定量地表示碎屑沉積物的粒度特征，其組合特征能夠判別水動(dòng)力條件和沉積環(huán)境特征。研究區(qū)表層沉積物粒度參數(shù)分布如圖3所示。

Mz分布的變化范圍在2.80～7.55φ之間，機(jī)場人工島西部Mz主要集中在2.80～4.70φ范圍內(nèi)，沉積物粒徑較粗；東部灣內(nèi)廣泛分布著Mz在5.65～7.55φ范圍內(nèi)的較細(xì)顆粒物[圖3(a)]。研究區(qū)沉積物類型由粉砂質(zhì)砂經(jīng)過砂質(zhì)粉砂過渡到粘土質(zhì)粉砂，碎屑沉積物類型與Mz之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系較好，即沉積物與其空間分布特征呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系。研究海域海底表層沉積物的σi介于0.87～3.97之間，總體分選差，σi整體上呈現(xiàn)出由西向東逐漸變大的趨勢，高值區(qū)在金州灣的東北部，大部分采樣點(diǎn)在2.73～3.97范圍內(nèi)[圖3(b)]，分選很差，表明該區(qū)水動(dòng)力較弱。由圖3(c)可以看出，金州灣海域Ski整體上呈現(xiàn)由東向西增大的趨勢，東部海域Ski數(shù)值小，主要集中在-0.46～0.02范圍內(nèi)，為顯著負(fù)偏態(tài)到近于對(duì)稱，沉積物以較細(xì)組分為主；西部海域多數(shù)采樣點(diǎn)Ski數(shù)值集中在0.26～0.74范圍內(nèi)，為正偏態(tài)到顯著正偏態(tài)，沉積物主要以粗組分為主。由圖3(d)可以看出，Kg值呈現(xiàn)西高東低的趨勢，由西南向東北峰態(tài)由尖窄向?qū)捚竭^渡。研究區(qū)西部沉積物Kg值主要集中在1.06～1.98范圍內(nèi)，為近于常態(tài)-很尖銳，東部海域Kg值主要集中于0.60～1.06范圍內(nèi)，峰態(tài)平坦-近于常態(tài)。研究海域沉積物Ski與Kg具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，西部海域?yàn)榉鍛B(tài)尖銳的粗顆粒沉積物，沉積環(huán)境較為復(fù)雜，水動(dòng)力較強(qiáng)；東部海域?yàn)榉鍛B(tài)較為平坦的細(xì)顆粒物質(zhì)，表明沉積過程較為單一，水動(dòng)力較弱。

圖3 金州灣沉積物粒度參數(shù)分布

對(duì)金州灣表層沉積物粒度參數(shù)進(jìn)行均值-標(biāo)準(zhǔn)化處理后采用Q型聚類分析，根據(jù)聚類分析結(jié)果將研究區(qū)劃分為3組沉積區(qū)(圖4)。

圖4 各采樣點(diǎn)聚類分析結(jié)果

2.3 沉積物粒度頻率分布曲線

沉積物粒度頻率分布曲線可用來分析粒度分布特征，判斷沉積物的物源特征，進(jìn)而指示不同的水動(dòng)力環(huán)境[9]。研究海域3組沉積區(qū)沉積物粒度頻率分布曲線如圖5所示。

從圖5(a)可以看出，粒度頻率分布曲線表現(xiàn)為雙峰，第一峰值區(qū)間較窄，主要集中在-1.00～0.00φ范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)砂顆粒組分；第二峰值區(qū)間主要集中在3.99～6.57φ范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)粉砂顆粒組分，表明該海域沉積環(huán)境較為復(fù)雜，沉積物受多種水動(dòng)力條件的作用。采樣點(diǎn)主要位于機(jī)場人工島周圍，機(jī)場人工島的建設(shè)改變了其所處的沉積環(huán)境。圖5(b)為單峰型粒度頻率分布曲線，峰值較低，峰值眾數(shù)介于為6.00～6.59φ之間，對(duì)應(yīng)粉砂顆粒組分，說明該組沉積區(qū)沉積物分選較好，沉積環(huán)境的水動(dòng)力較強(qiáng)。圖5(c)的粒度頻率分布曲線為單峰型，眾數(shù)介于2.70～3.63φ之間，對(duì)應(yīng)粉砂顆粒組分，該組沉積區(qū)主要位于研究海域西部，較為突出的單峰表明沉積物分選性好，沉積環(huán)境的水動(dòng)力較強(qiáng)。

圖5 各組沉積區(qū)粒度頻率分布曲線

2.4 粒度概率累積曲線

粒度概率累積曲線一般為三段式，推移組分、躍移組分和懸移組分，曲線的陡緩反映分選的好壞，可用于推斷沉積物的運(yùn)移方式，識(shí)別沉積環(huán)境的動(dòng)力條件[12-16]，研究海域各組沉積區(qū)沉積物粒度概率累積曲線如圖6所示。

從圖6(a)可以看出，I組沉積區(qū)粒度概率累積曲線表現(xiàn)為三段式，推移組分占比約為10%，躍移組分包含兩個(gè)次總體，占比約為30%和55%，懸移組分占比約為5%，由推移組分向躍移組分過渡較為平緩，表明沉積環(huán)境較為穩(wěn)定[9]，同時(shí)躍移組分分為兩個(gè)次總體，反映了研究區(qū)沉積物來源較為復(fù)雜，是不同物源沉積物混合的結(jié)果。采樣點(diǎn)主要位于機(jī)場人工島周圍，機(jī)場人工島建成后對(duì)研究區(qū)物質(zhì)來源產(chǎn)生一定影響。從圖6(b)可以看出，II組沉積區(qū)粒度概率累積曲線顯示為三段式，推移組分占比約為1%，躍移組分占比約為94%，懸移組分占比約為5%，躍移組分斜率較小，變化較慢，采樣點(diǎn)主要位于研究海域東部，水動(dòng)力較弱，分選性相對(duì)較差。從圖6(c)可以看出，III組沉積區(qū)粒度概率累積曲線為三段式，其中躍移組分占比約為80%，推移和懸移組分占比約為20%，粒度概率累積曲線坡度較大，表明該區(qū)域沉積物分選性較好，海域水體的動(dòng)能較強(qiáng)。采樣點(diǎn)多位于金州灣的西部，該海域沉積物分選較好，沉積環(huán)境的水動(dòng)力較強(qiáng)，沉積物顆粒較粗，顆粒成分以砂為主。

圖6 各組沉積區(qū)粒度概率累積曲線

2.5 沉積物C-M圖

根據(jù)C-M圖的形態(tài)、分布范圍以及數(shù)據(jù)投點(diǎn)與C=M基線的關(guān)系特點(diǎn)，同已知沉積環(huán)境的C-M圖進(jìn)行比對(duì)，結(jié)合沉積構(gòu)造以及其他特征，對(duì)研究海域沉積環(huán)境進(jìn)行判斷[17]。對(duì)研究區(qū)的72個(gè)表層沉積物樣品進(jìn)行投點(diǎn)(圖7)，可以看出，采樣點(diǎn)分異較為明顯，Ⅰ組沉積區(qū)為平行于M軸的的圖形，以滾動(dòng)搬運(yùn)為主，滾動(dòng)顆粒物與懸浮顆粒物混合存在，C值整體大于1 000 μm，由于懸浮組分的增加，M值變化較為明顯。Ⅱ組沉積區(qū)投點(diǎn)表現(xiàn)為兩部分，一部分為平行于C軸的圖形，以懸浮搬運(yùn)為主，其中含有滾動(dòng)搬運(yùn)顆粒物，滾動(dòng)組分較少，另一部分為平行于C=M基線的圖形，C與M成比例的增加，為遞變懸浮沉積，密度逐漸降低，水動(dòng)力較小[18]。Ⅲ組沉積區(qū)采樣點(diǎn)C值與M值靠近，表明沉積物分選性較好，為均勻懸浮沉積，粒徑與密度不隨深度改變，表明該組水動(dòng)力較強(qiáng)。

圖7 研究海域各站位粒度參數(shù)在C-M圖中的位置

2.6 沉積環(huán)境

根據(jù)聚類分析的結(jié)果，結(jié)合粒度頻率分布曲線、粒度概率累積曲線和C-M圖將研究區(qū)沉積環(huán)境劃分為3組，其結(jié)果如圖8所示。

圖8 金州灣沉積環(huán)境分區(qū)

2.6.1 Ⅰ組沉積環(huán)境 Ⅰ組沉積區(qū)位于金州灣的東北部近岸和西南部離岸區(qū)域，沉積物主要為砂質(zhì)粉砂、粘土質(zhì)粉砂及少量的粉砂質(zhì)砂；Mz分布的變化范圍在3.02～6.59φ之間，粒徑較小；σi介于1.67～3.97之間，分選較差-分選差，表明該區(qū)域水體動(dòng)能較低；粒度頻率分布曲線表現(xiàn)為平坦的的正偏雙峰型，主峰值眾數(shù)介于3.99～6.57φ，以粉砂為主，沉積環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，粒度概率累積曲線表現(xiàn)為三段式分布，以躍移組分為主，推移和懸移組分占比較少，沉積環(huán)境較為穩(wěn)定，C-M圖顯示，沉積物以滾動(dòng)搬運(yùn)為主，滾動(dòng)顆粒與懸浮顆粒混合存在，整體表現(xiàn)為較為穩(wěn)定的沉積環(huán)境。I組沉積區(qū)位于灣內(nèi)，沉積環(huán)境穩(wěn)定，受到漲落潮帶來的水體運(yùn)動(dòng)影響較小，水體與外界海域的交換能力弱，沉積物的運(yùn)移、混合受到抑制。同時(shí)機(jī)場人工島建設(shè)過程中，泥沙入海為研究區(qū)帶來新的物源。由于機(jī)場人工島-施工通道-陸地的截流，導(dǎo)致機(jī)場人工島周圍流場形態(tài)變化明顯，機(jī)場人工島南、北有阻流現(xiàn)象，流速減慢；機(jī)場人工島與海岸之間的過流斷面流速較大[19]，但相對(duì)于Ⅱ、Ⅲ組沉積區(qū)而言，本組沉積區(qū)的沉積環(huán)境仍呈靜穩(wěn)狀態(tài)。

機(jī)場人工島的建設(shè)帶來諸如泥沙淤積、海洋環(huán)境質(zhì)量下降等問題[20-21]。機(jī)場人工島的建設(shè)阻礙了潮流的運(yùn)移，導(dǎo)致機(jī)場人工島東部區(qū)域與西部區(qū)域沉積環(huán)境差異較為明顯。在正常天氣情況下，機(jī)場人工島正北角的灘面、機(jī)場人工島與陸域之間的通道水域出現(xiàn)沖刷，沉積物類型為砂-粉砂-粘土，粒徑較大；人工島南側(cè)和北側(cè)近岸水域有一定量的淤積[19]，沉積物類型為粘土質(zhì)粉砂，粒徑較小。總體而言，Ⅰ組沉積區(qū)為受潮流和新建機(jī)場人工島影響的靜穩(wěn)環(huán)境。

2.6.2 Ⅱ組沉積環(huán)境 Ⅱ組沉積區(qū)位于金州灣的東部和東螞蟻島東部區(qū)域，沉積物類型以粘土質(zhì)粉砂為主；Mz分布的變化范圍在6.15～7.57φ之間，粒徑小；σi值介于0.87～3.34，分選較差，水動(dòng)力較弱；粒度頻率分布曲線為尖銳負(fù)偏的單峰型曲線，峰值眾數(shù)介于2.34～3.26φ，主要為細(xì)砂和極細(xì)砂，相對(duì)于整個(gè)研究區(qū)，顆粒粒徑中等；粒度概率累積曲線為三段式分布，躍移組分含量最高，占比約為97%，推移組分和懸移組分占比較小，約為3%；C-M圖顯示，該區(qū)域以懸浮搬運(yùn)為主，為遞變懸浮沉積，水動(dòng)力較弱。Ⅱ組沉積區(qū)一部分在金州灣的東側(cè)，位于灣內(nèi)，受到潮流影響較小，另一部分位于東螞蟻島東部區(qū)域，由于島嶼的存在，對(duì)潮流產(chǎn)生一定的阻擋作用，水動(dòng)力減弱，沉積物的分選性較差。總體看來，此沉積區(qū)為受潮流影響的沉積環(huán)境。

2.6.3 Ⅲ組沉積環(huán)境 Ⅲ組沉積區(qū)位于金州灣西部以及機(jī)場人工島東北部區(qū)域，沉積物類型主要為粉砂質(zhì)砂、砂及少量的砂質(zhì)粉砂；Mz分布的變化范圍在2.85～5.56φ之間，粒徑較大；σi值介于1.86～2.89之間，分選較差，分選性相比Ⅱ組沉積區(qū)要好，表明該區(qū)水動(dòng)力強(qiáng)，受海洋影響較大；粒度頻率分布曲線為較為尖銳的負(fù)偏單峰型曲線，主峰值眾數(shù)介于2.52～3.26φ，以細(xì)砂和極細(xì)砂顆粒為主；粒度概率累積曲線表現(xiàn)為三段式分布，推移組分不足1%，躍移組分最高，占比約為98%，懸移組分約占1%，C值與M值靠近，表明沉積物分選性較好，同時(shí)粒徑不隨深度變化，反映水動(dòng)能相對(duì)較大。一方面由于此區(qū)域離岸較遠(yuǎn)，更多地受到整個(gè)渤海灣潮流的影響[21-22]，在渤海東部發(fā)育了典型的潮流沉積，由老鐵山水道沖刷槽、遼東淺灘沙脊和渤中淺灘沙席組成，Ⅲ組沉積區(qū)位于渤中淺灘沙席的東側(cè)，受渤海半日潮的影響[23-24]，老鐵山水道是沙脊和沙席的主要物源區(qū)，水道沖刷槽不斷地遭受高速潮流的侵蝕，水深逐步增加，沙脊沙席的地層厚度也隨之不斷地發(fā)生變化，從而影響到金州灣西部海域沉積物顆粒含量。漲潮時(shí)，黃海北部海區(qū)的潮流向北經(jīng)過金州灣西側(cè)沿線流入遼東灣，攜帶一定的砂顆粒物質(zhì)在Ⅲ組沉積區(qū)沉積，由于經(jīng)過一定的運(yùn)移作用，顆粒分選性好；落潮時(shí)，遼東灣潮流經(jīng)過金州灣西側(cè)通過老鐵山水道離開渤海，為Ⅲ組沉積區(qū)海域帶來一定量的顆粒物質(zhì)，相較于漲潮，落潮時(shí)水動(dòng)力相對(duì)減弱[25]。另一方面，冬季海流南下、夏季海流北上經(jīng)過Ⅲ組沉積區(qū)，為該海域帶來較強(qiáng)的水動(dòng)力，造成其復(fù)雜的沉積環(huán)境。由此可見，Ⅲ組沉積區(qū)海域整體應(yīng)為受潮流和海流共同影響的沉積環(huán)境。

3 結(jié)論

金州灣海域表層沉積物類型有5種，以粉砂質(zhì)砂和粘土質(zhì)粉砂為主。通過聚類分析，結(jié)合粒度參數(shù)、粒度頻率分布曲線、粒度概率累積曲線以及C-M圖，將研究區(qū)劃分為3組沉積區(qū)。其中Ⅰ組沉積區(qū)位于機(jī)場人工島東北部近岸和西南部離岸區(qū)域，沉積物類型以砂質(zhì)粉砂和粘土質(zhì)粉砂為主，表現(xiàn)為機(jī)場人工島建設(shè)后灣內(nèi)靜穩(wěn)的環(huán)境；Ⅱ組沉積區(qū)位于金州灣的東部和東螞蟻島東部區(qū)域，沉積物類型以粘土質(zhì)粉砂為主，表現(xiàn)為受潮流影響的沉積環(huán)境；Ⅲ組沉積區(qū)位于金州灣西部以及機(jī)場人工島東北部區(qū)域，沉積物以粉砂質(zhì)砂和砂為主，一方面受漲落潮的影響，另一方面受到西側(cè)海流影響，表現(xiàn)為受潮流和海流影響的沉積環(huán)境。