李艳,刘艳,李安春,王伟,郑琳
(1.国家海洋局烟台海洋环境监测中心站,山东 烟台 264006;2.中国科学院海洋研究所,山东 青岛 266071;3.国家海洋局北海环境监测中心,山东 青岛 266033)
大连湾位于辽东半岛西南端,属于半封闭型海湾(图1),本文的研究区为西起大连湾东至城山头的辽西南近岸海域,水深分布(图2) 范围在8.3~59.9 m 之间,平均水深36.6 m,最深处位于研究区西部。由西南向东北水深逐渐变浅,由近60 m 变为不足20 m,大连湾和大窑湾内水深降至10 m 以下。该区的地形存在两级水下岸坡,一级位于28 m 以浅,另一级位于28~40 m 之间,前者平缓而后者较陡峭,28 m 左右为一平坦而宽阔的水下台地。研究区多是基岩海岸,周边有大沙河、登沙河、马栏河等较小的季节性河流,雨季能冲刷大量沙粒入海(Gao et al,1992),是研究区主要泥沙来源之一。该区受到从渤海海峡北部西进的黄海暖流(缪经榜 等,1989;Liu et al,2007)、潮流(Hu,1984;韩康等,1994)、辽东半岛沿岸流(温国义等,2008) 的作用,水动力环境复杂,附近海域海流主要受潮流控制,M2 分潮流为绝对优势分潮流,其强度占潮流的50%以上(韩康等,1994)。目前国内外对北黄海地区的研究主要集中在山东半岛水下三角洲(Liu et al,2007;2009)和黄海暖流(Naimie et al,2001; Xu et al,2009;Zhang et al,2008),但是对大连湾附近海域沉积以及水动力特征等研究尚未见报道。
图1 黄海以及邻近海区水深及区域环流示意图
图2 大连湾附近海域水深分布图
研究样品为 2006年 908 项目北黄海(121.697°E-122.382°E,38.617°N-39.166°N)底质调查航次中所取得的183 个表层沉积物样。绝大多数沉积物样品是在“科学一号”调查船上用箱式取样器采集,船载GPS 导航系统定位,采样间距3 km,但在岛屿附近水深较浅的海域或养殖区使用调查船配备的小艇(青岛号),用蚌式取样器采集,手持GPS 定位。取样位置如图3 所示。
图3 大连湾附近海域表层沉积物取样站位分布图
粒度分析按有关海洋底质调查技术规程要求进行。取适量湿样品,先后各加入过量的30%的H2O2和0.25 mol/L 的HCl 溶液去除有机质和碳酸盐,离心清洗两次。加少许蒸馏水,经超声波充分分散后在中国科学院海洋研究所用法国产Cilas940L 激光粒度仪上进行测量。测量范围为0.3~2 000 μm,重复测量的相对误差小于2%。部分含有砾石的样品和粗砂样品,用孔径间隔为1/2 Φ的分样筛过筛,粒径大于2 000 μm 的部分采用筛析,小于2 000 μm 的部分经用粒度仪测量。粒级标准采用尤登一温德华氏等比制Φ 值粒级标准。采用矩法计算各粒度参数。
大连湾附近海域表层沉积物粒度参数分布特征(图4) 与矿物分布特征一致(李艳 等, 2009;2011),表现为随水深的增加,粒度参数及粒度组分组成均出现不同分布特征。
3.1.1 平均粒径
粒径的平均值可以反应沉积物的平均粒度,反应搬运作用营力的平均动能。大连湾附近海域沉积物粒度参数分布如图4 所示,平均粒径范围为2.0~7.2Ф,平均5.3Ф。平均粒径与区域水深分布趋势表现一致:水深30 m 以浅,平均粒径大致在5 ~6Ф 之 间,根 据Uddon-Wentworth 粒 级 标 准(表1),属于中粉砂。水深30~40 m 的中部区域,粒径相对较细,Ф 值>6,属于细粉砂,而水深大于50 m 的南部海区,粒径相对较粗(Ф<5),属于粗粉砂及细沙范畴。从近岸到远岸深水区,粒径先变细再变粗,表明该区域沉积物的非同源性。
图4 大连湾附近海域沉积物粒度参数分布图
表1 碎屑沉积物的粒级划分
3.1.2 分选系数
沉积物的分选程度可由标准偏差来反映。大连湾附近海域分选系数变化范围为1.1~2.9,平均2.06,按照福克和沃德分选性等级分类表(1957) (表2),属于分选差或分选较差范围。离岸稍远的深水区,分选最差,其次是近岸浅水区,中部30~40 m 海区分选相对稍好。这种规律与平均粒径变化相一致。
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表2 分选程度等级表
3.1.3 偏态
偏态是表示沉积物粗细分布对称程度的一个定量描述指标(李振山等,1998),正值为粗偏,负值为细偏(张立功等,2007)。偏态值的分布趋势与平均粒径比较一致,多数属于正偏,只有三山岛附近有几个站位沉积物为负偏。研究区不同位置其正偏程度不同,中部正偏置相对较小,南部深水区表现为极正偏。
3.1.4 峰态
图5 大连湾附近海域沉积物粒度组成分布图
峰态能够度量粒度分布的中部和尾部展开度之比,是发现双峰曲线的重要线索。峰态值范围为1.4~3.8,平均2.63。在分选最差,也是水深最深的区域,沉积物偏态为极正偏,峰形很宽。
根据Uddon-Wentworth 标准,可以将沉积物按照平均粒径(Φ 值) 大致划分为:粘土(>8Φ)、粉砂(4~8Φ)、砂(-1~4Φ)。
大连湾附近海域沉积物粒度组分分布如图5 所示,砂含量范围为0~86%,平均34%;粉砂是研究区含量最多的粒度组分,含量为11~81%,平均值52%;粘土则最低,含量范围3~32%,平均为14%。离岸较远的深水区,沉积物以砂为主,粘土含量较少;向北砂含量急剧减少,粉砂和粘土含量有所增加,粉砂成为主导成分;再向北靠近辽东半岛南岸海域,砂含量又有所增多,但仍然少于南部深水区,粉砂仍然是主导组分。沉积物分类和命名采用福克等人的沉积物粒度三角图解法(Folk et al,1970)。研究区沉积物类型以砂质粉砂为主,粉砂质砂主要分布在南部深水区及常江海岬附近。
分别在不同的底质类型中,按照平均分布的原则,选取3-4 个站位(图6),绘制频率分布曲线(图7) 及概率累计曲线(图8)。概率累积曲线一般都为两段式,主要由悬浮组份和跳跃组份构成,个别站位出现牵引组份。
图6 不同沉积类型中按平均分布原则选取站位位置示意图
离岸较远的南部深水岸坡区沉积物粒径较粗,频率分布曲线主要呈现单峰状态(图7a),众数出现在2.0~3.0Φ,个别出现0.7Φ 的极高值。概率累计曲线(图8a) 中跳跃组份含量40~80%,跳跃组份和悬浮组份的分界点大致在3~4Φ,沉积物概率累计曲线变化较大,各组分分选系数也变化较大。
北部沿岸水下岸坡区,粗颗粒沉积物仍占主体,但是比深水岸坡区有所减少,频率分布曲线(图7b) 主要呈双峰状态,众数为3.5~4.0Φ 和1.8~2.0Φ,个别出现在6.2Φ。概率累计曲线(图8b) 中跳跃组份含量较中部水下台地有所升高,一般在30-60%之间,与悬浮组份的分界点大约在2~4Φ,分选系数变化不大,尤其是悬浮组份分选系数较为一致。
中部的水下台地,粒径最细,频率分布曲线(图7c) 呈现单峰状态,众数为3.4~4.0Φ,个别出现6.4Φ。概率累计曲线(图8c) 中粗颗粒组份明显减少,跳跃组份含量大都在30%以下,个别站位含量在50%左右,与悬浮组份的分界点在4Φ 附近。
图7 大连湾附近海域沉积物频率分布曲线
图8 大连湾附近海域沉积物粒度概率累积
对比地形与粒度分布可知,研究区砂粒级高含量带基本位于外侧岸坡以下水深较大的区域,另外在近岸岸坡以里也存在一个高含量带。而粉砂和粘土高含量区则位于水下平坦的台地之上,其中又以粉砂占绝对优势。
一般来说,局地沉积物特征及分布受沉积物物源及水动力的综合作用的控制。离岸较远的南部深水岸坡区沉积物粒径较粗,平均粒径>5Φ,分选系数均在2.1 以上,分选差,大部分站位为不对称正偏态,偏度>1.6,峰度一般都在2.5 以上,甚至出现3.8 的极高值。用概率累计曲线图方法可以揭示沉积物与搬运营力间的关系,搬运条件的微弱变化也能反映到曲线上(周丹丹等,2008)。该区频率分布曲线主要呈现尖锐单峰状态,反映了较强的水动力条件和不稳定的沉积环境。各站位概率累计曲线变化较大,跳跃组分含量最高,各组分分选系数也变化较大,说明该区域水动力条件较强,且变化较大,沉积环境多变。北部沿岸水下岸坡区,除大连湾内个别站位,分选系数均在1.9 以上,分选较差,大部分站位为正偏,偏度1.0~1.6 之间,频率分布曲线主要呈双峰状态,众数为3.5~4.0Φ 和1.8~2.0Φ,个别出现在6.2Φ,概率累计曲线中跳跃组份含量较中部水下台地有所升高,分选系数变化不大,尤其是悬浮组份分选系数较为一致,也揭示了近岸区物质来源复杂,水动力条件较强的特点。中部的水下台地,粒径最细,分选系数均在1.9 以下,大部分站位呈现不对称正偏,偏度较小。频率分布曲线呈现单峰状态,概率累计曲线中粗颗粒组份明显减少,各站位概率累计曲线较为一致,各组分分选系数也比较接近,说明沉积环境最为稳定。该区域概率累计曲线陡直,跳跃组分含量较细,分选相对较好,说明颗粒活动较频繁(李森等,1999)。偏度值正偏较小,甚至出现负偏,表明沉积物经过远源搬运,水动力分选造成沉积物中细颗粒物质含量增加。
研究区沉积物粒径由岸向外有逐渐变细的趋势,大连湾、大窑湾内粒度较细则可能因为此处的水动力条件较弱;近岸浅水海域,海湾、岛屿较多,物质来源和水动力条件都比较复杂,含有较多的近岸侵蚀物质(王伟,2009)。向外海方向,随水深增加水动力条件逐渐减弱,沉积物粒径变细。离岸较远的深水区,因较靠近南部黄河水下三角洲(Liu et al,2009),且受到黄海环流体系的影响,沉积物颗粒较粗。
(1) 研究区沉积物粒度组分以砂和粉砂为主,粘土含量比较少,且主要分布在研究区中部水下台地之上。砂含量在深水岸坡区含量较高,直接导致此处平均粒径最粗,中部水下台地区域,粉砂含量较高,砂含量最低,平均粒径最细,分选亦最优。
(2) 研究区沉积物粒度分布特征与地形分布趋势存在较高的一致性。近岸浅水区区物源和水动力条件都比较复杂,沉积物颗粒较粗;向海水深增加,水下台地上沉积环境较稳定,远源搬运的细颗粒物质增多;最南部的深水岸坡区可能因为受到环流因素的影响,接受了较多的粗颗粒沉积。
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