湛江海区海岛潮间带表层沉积物特征及对沉积环境的指示

(国家海洋局 南海工程勘察中心,广东 广州 510300)

沉积物的粒度分析对于研究沉积物的来源、运移机制,了解沉积环境具有十分重要的意义。沉积物颗粒大小受流水营力的控制,粒度分布特征受物源和沉积水动力环境控制。从沉积物的粒度特征中能提取沉积环境的有关信息,或进行沉积环境的辨识[1-4]。如石英颗粒平均粒径与重矿物颗粒平均粒径比率可用来区分海滩砂和沙丘砂,并作为一种区分风成成因还是水成成因的途径。利用C-M图区分出砂的推移和悬移搬运方式[5]。随着激光粒度仪的广泛应用,使得沉积物粒级频率分布的细微变化也能反映出来。海洋沉积物粒度与沉积环境的关系的研究也逐渐多样化。包括利用沉积物参数特征探讨水动力环境[6-7]和物源[8];利用粒径趋势分析方法来研究沉积物输运途径[9-12]。而多元统计方法和地统计分析方法引入到沉积物粒度分析中[13-15],使得定量研究沉积物粒度与水动力的关系成为可能。与此同时,对潮间带(潮滩)沉积物粒度也开展了大量的研究工作,如潮滩沉积物粒度的时空分布特征[16-19]、潮间带水动力特征[20-22]等。

本文利用粒度参数、粒径分布和多元统计分析方法来探讨湛江海区海岛潮间带表层沉积物的运移方式和沉积环境。

1 研究区概况及分析方法

1.1 研究区概况

湛江海区地处109°30′～110°40′E,21°10′～21°30′N,该海区内分布大小岛屿(不含礁石)共 31个(据广东省908海岛统计数据),绝大多数海岛属于堆积成因岛屿。湛江海区属不规则半日潮,平均潮差2 m左右,潮流类型为往复流,流向受岸线和海底地形控制。涨潮流历时长于落潮流历时,落潮流速大于涨潮流速[23]。沿岸表层海流,冬季以SW向漂流为主;夏季以NE向漂流为主,近岸范围有一股狭窄的SW向沿岸密度流[23]。

现场调查表明,湛江湾及附近海域,除特呈岛出露的潮间带主要为红树林滩外,其他海岛如东海岛、南三岛、硇洲岛等出露的潮间带类型以沙滩为主;雷州半岛东部海域,北莉岛、东松岛、六极岛等诸岛出露潮间带以粉砂-淤泥质潮滩为主,局部岸段出露红树林潮滩。

1.2 分析方法

分析样品来自 2008年6～12月在广东省湛江市管辖包括东海岛、南三岛、硇洲岛、北莉岛、东松岛等在内的29个海岛上布设60条调查剖面,分别编号1～60,其中1～43号剖面采集高、中、低潮表层样品(每条剖面3个样品),44～60号剖面仅采集中潮表层样品(每条剖面1个样品),共计136个样品,采样剖面编号示意图见图1。沉积物样品均用采样勺采集,为保证粒度分析的有效性,所有沉积物样品都在低潮剖面出露时采集,并控制在表层下 0～10cm 深度范围内。室内分析流程如下：首先利用筛析法分析大于 0.063 mm的粗颗粒物不同粒级的含量,将小于0.063 mm的细颗粒物置于烧杯中,加入15 mL 3%的双氧水浸泡 24 h,去除有机质,然后加入 5 mL 3 mol/L的稀盐酸浸泡24 h,去除沉积物中的钙质胶结物及生物贝壳,其后将样品进行反复离心、洗盐直至溶液呈中性为止。处理后的样品经超声波振荡分散后上机测试。粒度分析使用的仪器为英国Malvern公司生产的Mastersizer 2000 型激光粒度仪,测量范围为0.02～2 000 μm。粒级统一使用尤登—温德华氏等比值粒级标准表示,平均粒径(Mz)、标准偏差(σi)、偏态(Ski)、峰态(Kg)等粒度参数采用Folk—Ward图解法公式进行计算[24-25]。

图1 湛江海区海岛潮间带表层沉积物剖面编号Fig.1 The map showing the coding of island intertidal surface sediment sampling section,Zhanjiang offshore area

2 结果与讨论

2.1 沉积物命名

研究区沉积物的分类和命名采用福克等人的沉积物粒度三角图解法对不含砾和含砾沉积物分别命名[26]。根据 Folk沉积物分类结果,研究区潮间带不含砾沉积物主要为砂和粉砂质砂;含砾沉积物主要为砾质砂,其次为含砾泥质砂和含砾砂。粉砂质砂主要发现于中潮带和低潮带,高潮带沉积物类型基本为砂。含砾泥质砂和含砾砂主要发现于中潮带和低潮带,高潮带主要沉积物类型为砾质砂(图2)。

2.2 表层沉积物粒度参数特征

沉积物粒度参数的计算,Folk-Ward 公式物理意义明确,精确度很高,应用最为广泛[27]。计算的结果表明研究区潮间带表层沉积物平均粒径为-0.36φ～5.98φ,平均值为2.55φ;标准偏差为0.43～4.76,平均值为 1.38;偏态为-4.39～0.72,平均值为0.10;峰态为0.10～6.63,平均值为1.36。

Folk和 Ward建立了一套使用标准偏差、偏态和峰态来评价沉积物分选性、粒度分布对称性和粒度频率曲线尖锐程度标准[28],本文使用该标准评价研究区潮间带表层沉积物粒度特征。从图3可以看出沉积物平均粒径主要分布在 1φ～3φ之间;多数沉积物分选较差,其次为分选较好和分选差,少数为分选好和分选中等;粒度分布曲线有一半以上呈近对称状,其余曲线基本呈正偏态,尖锐度多数呈中等尖锐状,其次呈很尖锐状和尖锐状。

2.3 表层沉积物粒度C-M图解

以累积 1%最粗颗粒粒径值和中值粒径值投影在对数坐标平面上,得到研究区海岛潮间带表层沉积物粒度C-M图[5,25]。

利用粒度象分析沉积作用水动力状况,可以反映一定粒级颗粒主要搬运机制。根据常见的搬运和沉积类型,利用C=1000、M=200,100和15 μm将沉积物分为Ⅰ～Ⅸ区[25]。从C-M图上看(图4),研究区海岛潮间带沉积类型主要分为 3类：第一类分布在Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区,含滚动颗粒,为靠近源区处沉积;第二类分布在Ⅳ区和Ⅴ区,以中等—高扰动递变悬浮沉积为主;第三类分布在Ⅵ区和Ⅶ区,为递变悬浮和均匀悬浮沉积。

图2 湛江海岛潮间带表层沉积物福克分类三角图Fig.2 The Folk classification map of island intertidal surface sediments,Zhanjiang offshore area

图3 湛江海岛潮间带表层沉积物平均粒径、分选性、分布曲线对称性和尖锐度频率分布图Fig.3 The frequency distribution maps of mean grain-size,grading and symmetry and acutance of distribution curve of the island intertidal surface sediment of Zhanjiang offshore area

图4 湛江海岛潮间带表层沉积物粒度C-M图解Fig.4 The grain-size C-M diagram of island intertidal surface sediments of Zhanjiang offshore area

2.4 表层沉积物粒度频率曲线与概率累积曲线

研究区海岛潮间带表层沉积区粒度频率曲线主要为单峰态和双峰态,两者所占比例大致相等,三峰态则相对较少。单峰态、双峰态对应的概率累积曲线多数为三段式,三峰态对应的概率累积曲线多为二段式。典型粒度频率曲线与概率累积曲线见图5。

三段式曲线由跃移组分和悬移组分组成,普遍缺乏滚动组分,从跃移组分延伸的情况看,即使存在滚动组分,其含量一般在 1%～2%以下;跃移组分具有明显的两段式特征;粗细两段的截点位于4φ～6φ之间;粗粒段的斜率明显大于细粒段,即粗粒段分选比细粒段好。这反映了潮间带双向流沉积作用;粗粒段代表动力较强的落潮流沉积,细粒段代表动力较弱的涨潮流沉积。悬移组分斜率明显地小于跃移组分,其含量一般在 10%以下,跃—悬移组分分界点一般位于 6φ～8φ之间。

图5 湛江海岛潮间带表层沉积物典型粒度频率曲线与概率累积曲线Fig.5 Typical grain-size frequency curves and probability cumulative curves of island intertidal surface sediments of the Zhanjiang offshore area

二段式曲线由跃移组分和悬移组分组成,其截点变化区间较宽(一般介于 2φ～4φ)。截点的大小可以反映搬运介质的扰动强度,强度高的在较粗粒度上发生截断。从截点区间来看,调查区二段式曲线所对应沉积物搬运强度为中等～高。

一段式由单一的直线段组成,为单一方式搬运,这种直线的斜度都小于 50°,在宽的区间内延伸,本类曲线可能代表水速及密度均较大,全部沉积物均呈悬浮负载。

粒度累积曲线与C-M图存在较好的对应关系,如一段式全部分布在C-M图中的Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区内;二段式主要分布在C-M图中的Ⅳ区和Ⅴ区内;三段式较复杂,一部分分布在C-M图中Ⅳ区和Ⅴ区内,另一部分分布在Ⅵ区和Ⅶ区内。

2.5 表层沉积物粒度聚类分析和因子分析

2.5.1 聚类分析

为分析表层沉积物的粒级组成及其相互关系,对研究区海岛潮间带表层沉积物粒度数据进行了 R型聚类分析和 R 型因子分析。沉积物φ粒度聚类分析结果见图6,以距离15为界,14个粒级基本可划分为 4 组：＜-1φ～2φ、3φ、4φ和 5φ～＞11φ。沉积物相关性分析结果见表1,根据相关性可以将粒径分为两组：一组为细粒组分(5φ～＞11φ),另一组为粗粒组分(＜-1φ～4φ)。细粒组分之间的相关性较大,该粒径范围代表粉砂和黏土;粗粒组分之间的相关性较小,该粒径范围代表砾石和砂;粗、细组分之间的相关性也较小。

粉砂和黏土为沉积物中的悬移(包括递变悬移和均匀悬移)组分,系弱水动力沉积的产物,含量较稳定,因此相关性也很大。砾石和砂为沉积物中的推移组分,在机械搬运和沉积作用过程中,一般呈侧向加积,系较强水动力沉积的产物,可能由于海滩受海水作用而被扰动,再沉积过程中,粗粒物质来不及分异,而混杂在一起,含量变化较大,因此相关性也较小。

图6 湛江海岛潮间带沉积物粒度R型聚类分析Fig.6 The grain-size R-type clustering analysis of island intertidal surface sediment of the Zhanjiang offshore area

表1 湛江海区海岛表层沉积物各粒级相关系数Tab.1 The correlation coefficients among different grain-size grades of island intertidal surface sediments of the Zhanjiang offshore area

2.5.2 因子分析

研究区海岛潮间带表层沉积物粒度资料的 R型因子分析主要结果见表2。表2中方差极大因子载荷表明,因子1特征值比例占49.89%,因子2特征值比例占16.88%,因子3特征值比例占14.397%,因子4特征值比例占7.84%,前4个因子特征值比例累计占88.58%。将粒级变量与 4个主因子载荷值投影到坐标平面上,得到因子载荷图(图7)。

表2 湛江海岛潮间带表层沉积物粒度方差极大旋转因子载荷Tab.2 The grain-size varimax rotation factor loading values of island intertidal surface sediments,the Zhanjiang offshore area

图7 湛江海岛潮间带表层沉积物粒度因子载荷图Fig.7 The grain-size factor loading map of island intertidal surface sediments of the Zhanjiang offshore area

因子1主要由5φ～＞11φ的正载荷组成,该粒径范围代表黏土和粉砂组分;因此,因子1在黏土和粉砂组分上有较大的正载荷。从因子载荷图上看,该粒径范围以悬移沉积为主,为极细组分的均匀悬移沉积。

因子 2主要由＜-1φ～1φ的正载荷组成,该粒径范围为沉积物中的极粗砂到粗砂组分;因此,因子 2在极粗砂到粗砂组分上有较大的正载荷。从因子载荷图上看,该粒径范围以推移沉积为主。

因子 3主要由 4φ的正载荷和 2φ的负载荷组成,4φ是极细砂与粗粉砂的分界,2φ是中砂与细砂的分界;因此,因子3在极细砂与粗粉砂的分界处有较大的正载荷,而在中砂与细砂的分界处有较大的负载荷。从因子载荷图上看,该粒径范围代表以跃移沉积为主。

因子 4主要由 3φ的负载荷组成,3φ是细砂与极细砂的分界;因此因子 4在细砂与极细砂的分界上有较大的负载荷。从因子载荷图上看,该粒径范围以跃移沉积为主。

3 结论

(1)粒度概率累积曲线反映出 3类水动力环境：第一类曲线为三段式,搬运方式包括悬移和跃移,跃—悬移分界点为 6φ～8φ,由于潮间带双向流沉积,根据水动力强弱,分为两段,截点为 4φ～6φ;第二类曲线为二段式,搬运方式包括悬移和跃移,跃—悬移分界点2φ～4φ,反映的沉积物搬运强度中等;第三类曲线为单一直线段,水动力强,仅悬浮一种搬运方式。第一、二类曲线代表强、弱水动力共同作用的沉积;第三类曲线为单一强水动力沉积。(2)粒度R型聚类分析结果表明弱水动力沉积的细颗粒物含量稳定,不同粒级间相关性大;强动力沉积的粗颗粒物由于海水扰动,含量变化大,不同粒级间相关性小。(3)R型因子分析与粒度概率曲线有较好的一致性。从粒度R型因子分析来看,因子1由5φ～＞11φ的正载荷组成,为均匀悬移沉积;因子2由＜-1φ～1φ的正载荷组成,以推移沉积为主;因子 3由 4φ的正载荷和2φ的负载荷组成;因子4由3φ的负载荷组成,以跃移沉积为主。

致谢：两位审稿专家提出了宝贵的修改意见,在此表示衷心的感谢！

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