南黄海太阳沙西侧潮流脊槽的沉积物分布特征和沉积环境演变

刘阿成，陆 琦，王百顺，张 杰

（1.上海东海海洋工程勘察设计研究院，上海200137；2.国家海洋局 东海信息中心，上海200136）

0 引言

南黄海辐射沙脊区位于江苏省岸外，南北长约200～250km，东西宽约140km，面积22 000～35 000km2［1－2］，70多条沙脊和潮流通道相间，最大水深约25m，部分沙脊已高出海面［1］。长期以来关于辐射沙脊区的研究较多，在沙脊的成因、物质来源、表层沉积物分布等方面取得了较多的认识［1－9］。但是对于浅表层沉积物的分布规律，以及个体脊槽的沉积环境演变的研究还鲜有报道。这与前人采用表层沉积物调查，且站 位稀疏 有关［1－4，9］，或者虽有钻孔揭示较大的地层厚度，数量却过少［5－8］。本研究布设密集底质取样站位，结合振动活塞沉积物柱状采样器取样，通过粒度分析，比较精细地研究了南黄海太阳沙西侧潮流脊槽浅表层沉积物的分布特征，探讨了沉积物分布的控制因素以及潮流脊槽区的沉积环境演变。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域

王颖［1］将南黄海辐射沙脊区分为4个区：中南部的黄沙洋—烂沙洋枢纽部分、南部冷家沙－小庙洪地区、东北部的蒋家沙－陈家坞槽地区和北部的大北槽－西洋地区。本文研究区属于沙脊区的枢纽部分，位于太阳沙西侧，自海向陆穿越了太阳沙西南部、大洪、大洪梗子、大洪南汊、火星沙、小洪和岸滩等7个地貌单元（图1），其中太阳沙、大洪梗子和火星沙为潮流沙脊，大洪、大洪南汊和小洪为脊间或脊岸间的潮流槽，也称为潮流通道和潮沟。研究区分为长方形区和路由区（图1）。长方形区位于太阳沙南部和大洪水道，长5km，宽3km，呈NWW－SEE走向；路由区从岸滩至太阳沙，长度约23km，前端长约2.5km伸入长方形区。长方形区的水下地形特征详见图2。

图1 研究区位置图Fig.1 Location of the study area

图2 长方形区水深图Fig.2 Water depth of the rectangular study area

太阳沙：为长50km以上（水深10m以浅，以下沙脊同）的大型沙脊，宽度约1.4～3.7km，处于研究区附近的沙脊中段最宽，西部为NWW－SEE走向，东部为E－W向，部分脊顶在低潮时出露海面。大洪：为太阳沙与大洪梗子之间的潮流槽，是大型船舶出入洋口港的主要通道，最大宽度约7.5km，最大水深约21m，位于研究区北部海域。大洪梗子：为相对较短的沙脊，四周被大洪和大洪南汊包围，长约10km，宽1.0～2.5km，近E－W向，脊顶最小水深约2m。大洪南汊水道：宽约5km，最大水深13m左右。火星沙：为靠岸最近的沙脊，长度超过30km，NWW－SEE走向，宽度1.5～3.5km，脊顶水深约1～2m。小洪：为火星沙与岸滩之间的潮流槽，宽度2.0～5.5km，最大水深约13m。岸滩：水深小于0m，宽10～15km，岸滩前沿呈犬牙状凹凸。各沙脊基本上呈平行－近平行关系。

1.2 研究方法

海上调查：上海东海海洋工程勘察设计研究院于2006年8—10月在研究区进行了某项工程的振动活塞沉积物柱状采样调查。一般采用振动活塞柱状取样，但太阳沙部分脊顶和岸滩水深过浅处，采取大潮高潮期间用小船和表层采泥器采样。长方形区站位网格为300m×300m，路由区站距为500m。取得柱状样198站，其中长方形区和路由区各175站和23站；表层样24站，长方形区太阳沙脊顶和路由区岸滩各7站和17站（站位分布如图1所示）。泥样取到船上后进行描述、登记、密封等。大部分柱样长度超过2m，个别不到1m，有9个样长超过3m，最长达到3.25m，平均样长2.26m。定位精度优于3m。

实验室分析：海上调查结束后，泥样送往上海海洋地质试验测试中心，进行岩土测试分析，包括粒度分析。按照工程要求，目标取样长度为2m，分表层、中层和底层3层进行分析，每层长度约0.7m，当样品较长时，分为4层，即0～0.7m、0.7～1.4m、1.4～2.0m和2.0～3.0m（个别到3.25m）。将柱状样按上述长度分段（层）切割。取样时，当段（层）内岩性比较均匀时，在0～0.2m和0.5～0.7m处各取适量泥样混合，代表该段（层）泥样；当段（层）内岩性变化较大时，在各有代表性处取样，混合。粒度分析采用综合法：粒径大于0.063mm的用筛析法，小于0.063mm的用沉析法。泥样的制备、分析方法、资料整理和沉积物命名等按当时的海洋地质地球物理调查规范（GB／T 13909－92）进行，其与现行的海洋调查规范第8部分：海洋地质地球物理调查（GB／T 12763.8－2007）也完全一致。

2 结果

2.1 沉积物的粒度特征

整个研究区的沉积物类型主要有5种，依次为：粉砂质砂、细砂、砂质粉砂、黏土质粉砂和粉砂，各占45.8%、23.8%、20.6%、6.0%和2.7%。砂、粉砂和黏土粒组平均各占49%、43%和8%。

细砂：细砂粒级（0.25～0.125mm）占70%～80%，个别可达80%～90%，极细砂（0.125～0.063 mm）含量一般为20%～30%，个别可达30%～50%，两者含量往往可达95%以上，中砂含量很少，一般＜5%，个别样品贝壳碎屑含量达到10%～30%；中值粒径2.5φ～3.0φ；分选系数＜0.6φ，为分选好～极好。粉砂质砂：细砂占50%～70%，粉砂20%～40%，黏土小于10%，含少量贝壳碎屑；中值粒径3.5φ～4.0φ；分选系数0.6φ～1.0φ，分选好～中等。砂质粉砂：细砂占30%～40%，粉砂50%～60%，黏土10%左右；中值粒径4φ～5φ；分选系数1.0φ～1.5φ，分选中等～差。粉砂：粉砂占绝对优势，含量为75%～80%，砂10%～15%，黏土10%～15%。黏土质粉砂：粉砂占50%～70%，黏土20%～30%，细砂10%～20%；中值粒径5φ～6φ；分选系数1.5φ～2.0φ，分选差。粒径越粗的沉积物分选越好，反之亦然。

图3 长方形区沉积物类型分布和海底等深线图Fig.3 Sedimentary type distribution and the isobaths of the sea bottom in rectangular study area

2.2 沉积物的空间分布特征

2.2.1 长方形区沉积物类型平面和垂直分布

从表层到底层，排在前3位的主要沉积物类型的分布面积有所变化，但优势顺序没有改变；次要类型的黏土质粉砂和粉砂的多少则有换位。长方形区各层的沉积物类型分布见图3。各层的分布特征主要如下：

表层（0～0.7m）：细砂、粉砂质砂、砂质粉砂、粉砂和黏土质粉砂各占23.5%、20.3%、53.5%、2.1% 和0.5% 。细砂分布于太阳沙脊顶至坡脚，距离大洪深泓线200～360m；深泓线及以南分布其它较细的类型，砂质粉砂是分布最广的沉积类型，连片占据了大洪水道的大部分海域；粉砂质砂呈窄条状分布于砂质粉砂的南北两侧，包括深泓主要部分，多少体显出其作为细砂与砂质粉砂之间的过渡带性质；粉砂和黏土质粉砂呈斑块或斑点状分布于大洪水道西部。

第2层（0.7～1.4m）：沉积物分布特点与表层相似，但太阳沙细砂区的中西部向南略有扩展；黏土质粉砂增加到9站（表层仅1站），占4.7%，呈斑块或斑点状分布于大洪西部；粉砂大体与表层相当；中部南侧的粉砂质砂向南略有缩小。

第3层（1.4～2.0m）：与第2层相比较，太阳沙细砂中西部呈两叉状向南延伸；北部的粉砂质砂随细砂向南延伸；砂质粉砂的优势为各层最低，在大洪的连片性较差，普遍为其它沉积类型斑块或斑点状分割；粉砂为各层之最，达到11站，占5.8%，在大洪西部呈较大的斑块分布；黏土质粉砂约占2%。

底层（2.0～3.0m）：该层个别柱状样底部达到3.25m。太阳沙细砂在第3层的基础上，西叉又向西南略有延伸，达到大洪水道深泓附近。与第2层相似，黏土质粉砂较多，约占5%。

可以看出，在平面分布的垂直变化上，主要特点是由底层到表层，太阳沙细砂区的中西部向北退缩，即该部分太阳沙南翼受到侵蚀，而砂质粉砂的分布范围扩大比较明显。表层沉积物的分布与地形地貌的走向有关，尤其细砂的分布更是如此，走向上与地形地貌的一致性较好。

2.2.2 剖面分布

AA’剖面：图4所示的AA’剖面是从岸滩前部至太阳沙脊顶（位置见图1）。由图可见，细砂主要分布在沙脊和岸滩上，即正地形上。不同的沙脊，细砂分布范围和垂向厚度不同，距岸越远的沙脊，无论在平面上还是垂向上，细砂的分布范围都越大，如太阳沙从脊顶至南翼坡脚，从柱状样表层到底部都为细砂；在大洪梗子，细砂缩小至水深约10m以浅的沙脊上，宽度约1.1km，但柱状样表层至底部仍都为细砂；而在火星沙，细砂仅分布在脊顶上部不到1m的深度范围内，往下以砂质粉砂为主，局部夹黏土质粉砂。在沙脊之间的潮流槽内，沉积物较细，类型较多，以粉砂质砂和砂质粉砂为主，局部夹有黏土质粉砂和粉砂等沉积类型，分布变化比较复杂，规律性较差，但是大洪和小洪内似有自下向上颗粒变细的趋势。

图4 AA’地质剖面图Fig.4 AA’geological profile

BB’剖面：图5所示的BB’剖面是顺大洪水道深泓延伸的地质剖面图（位置见图1和图2）。该剖面的上部基本上为砂质粉砂，仅中东部局部分布有粉砂质砂和粉砂；西北部（图中左侧）和中部的中层为多个粉砂质砂的透镜体，底部为细砂；东南部（图中右侧）则以砂质粉砂为主，局部夹粉砂或粉砂质砂。总体上表现出由下向上，沉积物由粗变细的趋势。

图5 BB’地质剖面图Fig.5 BB’geological profile

3 讨论

3.1 沉积物分布的主要控制因素

研究区的沉积物分布明显与潮流脊槽的地貌部位有关，沿地形走向呈条带状，细砂主要分布于沙脊和岸滩上，其它较细的沉积类型主要发育于潮流槽内。殷勇等［5］研究了烂沙洋内段通道的3个钻孔，位于本区西侧不远，沙脊附近的钻孔上部为极细砂和粉砂质极细砂，而潮流槽为细砂质粉砂和粉砂质黏土；王嵘等［9］在整个辐射沙脊区采集了117个站位的表层底质样品，其主要沉积物的种类与本文是相同的，且显示沙脊主要为砂质沉积，潮流槽多为粉砂质沉积。这些研究的沉积物主要分布特征与本文结果相吻合。

研究区的这种“脊砂槽泥”式沉积物分布特征与塑造地貌的水动力环境密切相关。现代潮流沙脊常呈多列近平行出现，发育于开敞浅水海域［1，10－13］，也有孤立出现的［14］。HOUBOLT［10］研究了欧洲北海南部Southern Bight的潮流脊群，这些沙脊多列近平行，顶部已处在波浪作用深度内，在风暴时遭到破坏，由脊顶向槽沟输沙，但是已知有些沙脊存在了至少300 a，因此必定存在沙脊的维持机制，提出了螺旋流概念：潮流在沙脊之间的槽沟内流动，在垂直潮流的断面上产生两个方向相反的螺旋环流：在槽内底层流向沙脊扩散，在沙脊顶部产生辐聚，将物质由槽底搬向沙脊。这种双螺旋环流也适用于南黄海辐射沙脊群［8］或者解释沙脊群的维持机理［1］。潮流沙脊的形成或维持也有其它的解释，但其核心的“辐聚”说与上述的原理是相似的［11，13］。SIMARRO et al［15］提出近底波浪流的切应力将砂从槽区带到脊顶堆积。在宏观上，南黄海辐射沙脊群的发育与东海和南黄海两个潮波系统在弶港汇合形成的辐射状潮流有关［1，16］，杜家笔等［16］成功地运用数学模型进行了验证。现代潮流脊发育的基本条件是存在较强的潮流和砂质沉积物，前者提供动力，后者提供物源；沙脊发育的动力条件是流速0.51～1.80m／s（1～3.5节），以1.03～1.54m／s（2～3节）流速为好［1，12］。大洪梗子南北两侧的大洪和大洪南汊的潮流槽内，实测大潮期垂线平均流速各为1.28m／s和1.12m／s，小潮期为0.62 m／s和0.52m／s［1］。在研究区附近的脊槽海域，潮流流速大体在上述的动力条件范围内［17－18］，因此研究区的潮流具有沙脊发育的动力条件。细砂主要分布于沙脊和岸滩上也与波浪作用有关。波浪既限制了沙脊顶部增高，又通过淘洗和筛选将细颗粒带走，使沙脊顶部物质粗化［1］。尽管 SIMARRO et al［15］的波生近底流输沙的机理与上述有区别，但在底质分布效果上是相似的。

研究区潮流脊表层沉积物分布的另一特点是：沙脊上细砂的分布范围大小与其距岸远近有关：距岸远的分布广，反之则窄。如太阳沙的细砂分布在脊顶至南翼坡脚，而火星沙的细砂局限于脊顶（图4）。这主要与两个因素有关：一是潮流槽的规模（实际上也与潮流强度有关），二是波浪作用。首先，太阳沙与大洪梗子之间的大洪水道是主要的潮流通道，宽而深，在研究区最大水深达到约21m，潮流作用强；而大洪梗子与火星沙之间的大洪南汊，水深和宽度缩小；火星沙南侧的小洪进一步缩窄、变浅，潮流作用相对较弱。潮流作用弱有利于细颗粒沉积，砂的分布范围就小；潮流作用强，不利于细颗粒沉积，砂的分布范围就大。其次，太阳沙处于研究区外侧，其北面为开阔的南黄海，波浪掀沙和淘洗作用强，而且沙脊呈“潜坝”或堤坝（低潮时脊顶出露）对位于内侧的沙脊起到消浪作用，而大洪梗子又进一步对火星沙起到消浪作用，因此火星沙的细砂分布范围最小。有研究者也指出近岸沙 脊 对 向 岸 传 播 的 波 浪 有 消 能 作 用［15，19－20］。SIMON et al［19］对英吉利海峡的法国Aldemey岛东侧海域进行了数学模型计算，证实近岸的潮流沙脊消耗了向岸传播的波浪能量，对海岸保护起到了重要作用。

3.2 沉积环境演变

上已述及，研究区表层沉积物分布有“脊砂槽泥”的特点，据此可以从柱状样沉积物类型的垂向变化粗略地探讨潮流脊槽的沉积环境变化。

（1）潮流脊：太阳沙从脊顶至南翼坡脚，柱状样的沉积物类型都为细砂（图3和图4）。若以10m等深线作为太阳沙沙脊和大洪潮流槽的分界线，10m等深线以上为沙脊，以深为潮流槽，则太阳沙一直处于沙脊环境，而其南翼坡脚现在为大洪深泓附近，相当于从沙脊环境演变为现在的潮流槽，处于侵蚀后退状态，与其较陡的坡度特征（坡度4°，图2）也是适应的，这对于大洪作为洋口港主要进港航道是有利的。在长方形研究区，太阳沙的细砂分布与地形地貌走向一致性向上趋好（图3），显示表层沉积物的潮流作用增强，也反映了这种沉积环境的演变。

大洪梗子脊部柱状样都为细砂（图4），沉积环境与太阳沙相似，为稳定的沙脊环境，但沙脊（细砂）比较狭窄。火星沙则是从底部和中部的砂质粉砂（局部黏土质粉砂）过渡为上部的细砂（图4），相当于从潮流槽演变为沙脊沉积环境。

（2）潮流槽：总体上，潮流槽的沉积环境演变似乎没有潮流脊的显著，但在局部也是比较明显的。例如，在长方形研究区，大洪水道深泓线的西北部和中部，沉积物类型从底部至表层的变化趋势为细砂→粉砂质砂→砂质粉砂（图5），即逐渐由粗变细的过程，底部可能曾经为沙脊环境，经历了由沙脊至潮流槽的沉积环境变化，这与毗邻的太阳沙南翼受到侵蚀退缩是相辅相成的；在其东南部，沉积环境变化似乎不太明显，也可能与该部分柱状样的长度较短有一定关系（图5）。此外，小洪水道的沉积类型从底部的砂质粉砂为主变为上部的黏土质粉砂（图4），也是向上变细，反映水动力作用减弱，水道趋向淤积，如果进一步发展，是否会发生火星沙并岸？也是今后值得关注的。

4 结论

本研究采用密集站位的振动活塞柱状沉积物采样器取样和粒度分析对南黄海太阳沙西侧潮流脊槽区进行了底质调查，得到结论如下：

（1）研究区厚度约2～3m的浅表层沉积物类型主要有5种，依次为：粉砂质砂、细砂、砂质粉砂、黏土质粉砂和粉砂；粒组顺序为细砂、粉砂和黏土。

（2）表层沉积物中，细砂主要分布于潮流脊和岸滩上，其它较细的沉积类型主要分布于潮流槽内，明显与地形地貌有关，呈现“脊砂槽泥”的沉积－地貌分布特征，实际上是受控于塑造潮流脊槽的潮动力条件。同时，沙脊上的表层细砂分布特征明显地与沙脊至海岸的距离有关，这种现象除了潮流影响外，主要与外侧沙脊的消浪作用有关。

（3）表层沉积物分布与地形地貌的关系，即 “脊砂槽泥”的分布特征，也为我们研究该区沉积环境的演变提供了可能性。

致谢上海东海海洋工程勘察设计研究院王西蒙负责海上采样和协调实验室分析，张树海、吴巍、唐建忠和万天鹏等同仁参加了海上采样，上海海洋地质试验测试中心承担了泥样分析和数据整理工作，在此一并表示衷心的感谢！

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