山东半岛近海不同粉砂粒级含量分布的空间差异性及其沉积学意义

李军，胡邦琦，李国刚，王利波，白凤龙，赵京涛，邹亮，窦衍光

(1.青岛海洋地质研究所 国土资源部海洋油气地质与环境地质重点实验室，山东 青岛 266071；2.青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋矿产资源评价与探测技术国家功能实验室，山东 青岛 266071；3.国家海洋局 北海海洋工程勘察院，山东 青岛 266033)



山东半岛近海不同粉砂粒级含量分布的空间差异性及其沉积学意义

李军1，2，胡邦琦1，李国刚3，王利波1，白凤龙1，赵京涛1，2，邹亮1，窦衍光1

(1.青岛海洋地质研究所 国土资源部海洋油气地质与环境地质重点实验室，山东 青岛 266071；2.青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋矿产资源评价与探测技术国家功能实验室，山东 青岛 266071；3.国家海洋局 北海海洋工程勘察院，山东 青岛 266033)

粉砂是现代陆架和河口沉积物最主要的粒级组分，但由于其复杂的沉积动力学行为，我们对于不同粉砂粒级的沉积学特征和行为并没有完全掌握。本文分析了山东半岛近海表层沉积物中不同粉砂粒级组分含量的空间分布特征，探讨了其控制因素。结果表明，山东半岛周边近海沉积物类型以泥质沉积为主，但不同粉砂粒级组分具有明显的空间分布差异性。极细粉砂、细粉砂与黏土组分的含量变化一致，表明了其相似的沉积动力学行为。粗粉砂组分的含量空间变化最大，在山东半岛的北部泥质条带、东部“泥楔”和南部近岸具有明显的高含量，其含量与其他各粉砂组分具有明显的负相关性。从表层沉积物的粒度组分与分布规律，可以证明研究区表层沉积物主要以黄河携带物质为主，但流入本区的一些中小型河流也明显提供了部分物源，只是其提供物质的扩散范围有限。结合水动力分析和物理海洋学等方面的认识，我们认为造成不同粉砂组分空间分布差异性的原因主要受物源、区域水动力学条件、局部地形(底形)等因素控制。另外，还发现了山东半岛“泥楔”沉积物的粗粉砂组分含量偏高、现代沉积速率也偏大，这些现象在空间上与“海洋锋面”位置一致，对于海洋锋面的沉积学意义还需要进一步的调查研究和数值模拟工作。

粉砂；空间差异性；粒度分级；海洋锋面；山东半岛近海

1 引言

“源-汇”研究是当前的海洋沉积学的热点问题，具有充沛物源供应、环境稳定的陆架成为开展此项研究的重点区域。在全新世期间，世界上的陆架区多发育了不同规模的泥质沉积体[1]。通过对这些泥质堆积体的沉积物开展粒度、元素地球化学、矿物学等分析，建立相应的指标，获得环境演变的地质“信号”，得到过程-产物研究的基础信息[2]。通过区域性、宏观性的沉积物组分分布及其控制因素研究，总结不同粒级组分的空间分布规律，判别分析不同组分的扩散过程(输运和堆积)、沉积动力机制等，是进一步开展古环境、古海洋学研究的基础，也是区域性海洋生态环境调查的重要内容。

粒度是研究沉积物组成的最基础资料，是划分海洋沉积环境的直接依据[3]，可以用于研究沉积物的输运问题[4]，也可以作为指标反演历史时期的流速变化[5]，甚至区域性季风演化[6]。这些研究中使用的对象主要是沉积物中的细颗粒组分(粉砂和黏土)。

海洋环境中，细颗粒物质的沉积作用是个非常复杂的过程[7]，除受到物源和动力的影响外，还与局部的盐度、温度、微生物作用、有机质和污染物吸附等因素息息相关。絮凝作用的发生，可使得同一粒级细颗粒泥沙的输运和堆积具有明显的区域性差异。沉积物中的粉砂组分的沉积动力学行为最为复杂，较细部分可以发生絮凝，而较粗部分则以单颗粒方式输运。众多的实验和现场测试研究表明，不同河口或海域的细颗粒泥沙发生絮凝作用的最粗粒级(即Df[8])差异性较大，如在长江口为32.5 μm[9]；在亚德里亚海为16 μm[8]，在黄河口和黄海海域还没有此项的研究。但是，通过对区域性表层沉积物的详细粒度分析，通过数值计算，可反演其细颗粒组中的“絮凝”和“单颗粒”动力组分，获得较为理想的结果[10]。

在以前的区域性沉积物粒度分布研究中，均将粉砂组分作为一个整体进行分析[11—12]，不考虑粉砂组分内的“差异性”输运和堆积问题。这种分析会忽视不同粉砂粒级沉积动力行为的差异，而得出非常笼统或者错误的结论。本文拟通过对山东半岛近海表层沉积物的粒度分析(图1)，结合水深数据，采用协同克里格差值方法，研究不同粉砂组分含量的空间分布特征，分析它们空间分布的区域性差异，结合相关资料，探讨其物源和物质输运的指示意义，为进一步研究本区的物质输运提供新的基础资料，也为开展海洋区域性沉积物分布规律和控制因素研究提供新的思路和方法。

2 区域背景

本文研究区范围如图1所示，包括从渤海海峡南段至青岛的山东半岛近海海域，水深变化于0～80 m之间。山东半岛被渤海、北黄海和南黄海所围绕，水动力环境较为复杂。在山东半岛北部，发育有套子湾、芝罘湾等，东部发育有荣成湾、桑沟湾、石岛湾等，南部发育有靖海湾、五垒岛湾、乳山湾、丁字湾等。发育的入海河流除黄河外，还有清洋河、辛安河、老母猪河、黄垒河、乳山河、五龙河等小型河流。黄河，位于研究区西部，近年来的年平均入海泥沙量较历史时期明显下降，约为0.32×109t/a[13]；流入乳山湾的乳山河、锯河，向海湾年输沙量为(30～50)×104t/a；流入丁字湾的五龙河，长124 km，多年(1958—1980年)平均输沙量为84×104t/a。

潮流是影响山东半岛近岸沉积物输运的主要因素。已有的研究表明，山东半岛近海海域都属于半日潮区，平均潮差多小于2 m；大部分区域为半日潮流区，在北部烟台附近海域有全日潮流区。而山东半岛近海大潮平均最大流速相对较小，在黄河口南侧莱州湾北部海域、成山头附近海域、楮岛、靖海附近海域、乳山湾东西叉口、丁字湾及胶州湾口处等附近海域的大潮平均最大流速均大于1 m/s[14]。在外海，沉积物的输运则主要由陆架环流引起的[2]。

从区域流场看，山东半岛近海主要受山东沿岸流、黄海暖流的影响[2]。在研究区北部，发育有一个北黄海冷水团，而在石岛外海域，还发育有一个夏季存在的冷涡。另外，山东半岛东端外海的沿岸水与北黄海冷水团、黄海暖流与山东半岛东部沿岸流形成了鲜明的温度锋面[15—17]。

3 材料与方法

2005—2010年，在执行国家海洋地质调查专项期间，利用“箱式”或“蛤式”取样器区获得783个表层沉积物样品。取其表层2 cm作为对象，开展粒度测试。粒度测试方法[18]使用的仪器为法国产Malvern Mistersizer 2000型激光粒度仪，测试范围为0.02～2 000 μm，多次测量误差为3%。

将粉砂按照粒级，分为极细粉砂(VFSt, 4～8 μm)、细粉砂(FSt, 8～16 μm)、中粉砂(MSt, 16～32 μm)和粗粉砂(CSt, 32～63 μm)4种组分，分别计算其百分含量。鉴于沉积物的粒度组成为组分数据(compositional data)，在开展多元统计前，将其采用对数比(log-ratio)的方法进行转换[19]，方法为中心化对数比法(centered log-ratio，clr)，利用转换数据再进行相关性分析和主成分分析(PCA)。在对粒度组成数据开展空间插值分析时，为分析海洋地形对沉积物分布的影响，采用了协同克里格差值方法(Co-Kriging)，即将粒度组成和水深数据作为变量，同时参与插值运算，以获得更为符合实际的分布图像[20—21]。

4 结果

4.1 黏土、粉砂和砂粒级含量的空间分布

黏土组分含量变化于6.9%～35.2%之间(图2a)，总体具有随水深增加而减小的趋势，研究区南部近海黏土组分含量明显大于北部。半岛北部的套子湾—芝罘湾和威海东部近海黏土组分含量明显较高；在山东半岛南部的乳山湾海域黏土组分较高，分布面积也较大，与南黄海中部泥质区连接。山东半岛东部近海50 m以浅区域黏土组分含量较低，仅在近岸荣成湾、桑沟湾外的局部区域其含量在20%～25%间，多数区域的黏土组分含量不足20%；50 m以深海域的黏土组分含量多小于15%。

砂质组分含量总体较低(图2b)，高值区主要发育于山东东部近海水深大于50 m的区域，也就是一般称为”残留砂“的区域[18]。在北部也有一个相对高值条带(10%～20%)，以渤海海峡南部起，至烟台北部，大致沿20 m等深线、呈北西方向展布；半岛南部近海总体砂质组分含量较低(多低于3%)，在老母猪河口外、石岛湾以南有一片相对高值区(6%～10%之间)，研究区最南部也发育有一片砂质组分较高的区域(10%～15%之间)。

粉砂组分是山东半岛周边海域表层沉积物最主要的粒度组分(最高可达80%)，其含量的分布比较复杂，总体上也表现出近岸高、远岸低的特征(图2c)。在渤海海峡南段至烟台北部，发育近东西向的一个粉砂相对高值条带；在成山头以北海域，发育了近南北向的高值条带；在山东半岛东部水深20～50 m之间，发育了一个规模巨大的粉砂高值带；在五垒岛湾—老母猪河口外和丁字湾口，发育了规模较小的粉砂高值区。另外，在烟台东部、威海东部近岸区均发育有粉砂含量相对低、近NNE向的小型“团块”。

研究区内一个重要的现象是，粉砂/黏土含量比值以大于2∶1为特征(图2d)，这与南黄海基本一致。我们认为这个现象是由物源控制所造成，粉砂/黏土含量比值大于2∶1可能代表了黄河来源沉积物的特征。

4.2 不同粉砂组分含量的空间分布

图2c示出了粉砂组分总体含量的分布趋势。但是，如果将粉砂组分进一步划分，即极细粉砂、细粉砂、中粉砂和粗粉砂，则表现与粉砂总体的分布特征的显著差异，如图3a～d所示。

图2 研究区表层沉积物中黏土(a)、砂(b)和粉砂(c)含量的空间分布和砂—粉砂—黏土三角图解(d，Fork’s法)Fig.2 The distribution pattern of clay(a), sand(b), silt(c) contents and the Fork’s sand-silt-clay ternary diagram(d) in the surficial sediments of the study area

图3 研究区表层沉积物中极细粉砂(a)、细粉砂(b)、中粉砂(c)和粗粉砂(d)含量的空间分布Fig.3 Spatial distribution of very fine silt (VFSt, a), fine silt (FSt, b), medium silt (MSt, c) and coarse silt (CSt, d) contents in the surficial sediments of the study area

极细粉砂组分在山东半岛北部总体表现出低值(图3a)，除在威海东部与成山头之间表现出较高值，外多数区域的含量均低于10%；而在半岛东部近海，在20 m水深以浅表现为低值(小于10%，在50 m以深，则表现为高值(大于15%)，在研究区的最东南端发育了最高值；在南部的丁字湾—乳山湾外海域，发育了极细粉砂的高值团块，即所谓的山东半岛南部泥质区[22]。细粉砂组分的含量分布与极细粉砂基本一致(图3b)。

中粉砂含量的分布与极细粉砂、细粉砂有明显的不一致性(图3c)。在山东半岛北部海域，烟台以西表现为近岸的高值区，其高值位于20 m等深线以浅区域；在威海以东近岸，有一个范围较小的低值区。在东部海域，高值均位于50 m水深以浅，向外海随水深加大逐渐降低。在南部，从石岛湾至靖海湾外，有一个高值条带；乳山湾-丁字湾临近海域，也相对较高，但分布范围较窄。

粗粉砂含量的分布最为特殊，空间变化性最强(图3d)。研究区北部的近岸区含量较低，如烟台以北和威海以东；高值线大致沿20 m等深线分布。在东部，高值均位于50 m以浅区域，最高值发育于山东半岛东部泥楔[22]顶部，其展布方向大致平行于陆地岸线。在南部，靖海湾、五垒岛湾近海发育高值区；而丁字湾口外值相对较高。其他区域均较低(小于10%)。

因此，从4个不同粉砂组分含量的空间分布可以看出，表层沉积物中的粉砂颗粒的搬动与堆积行为具有明显的差异，极细粉砂、细粉砂与黏土组分含量的分布近于一致，表现出相近的沉积动力学行为；而中粉砂和粗粉砂含量分布虽有一定的差异性，但总体表现相近，表明其沉积动力学行为比较接近。同时，在一些河口外海域，粗粉砂和中粉砂含量的明显增高也预示着了这些河流提供部分沉积物来源的可能性。

4.3 主成分分析

为进一步研究不同粒级组分间的关系，采用主成分分析法，获得两个主要的主成分(图4)，解释了粒度数据97.7%的变量，其中PC1(72.4%)和PC2(25.3%)。PC1以砂质组分(sand) 的高负因子载荷为特点，PC2以粗粉砂(CSt)的高正因子载荷为特点。各样品的PC1因子得分与粗粉砂含量具有一定的负相关性(R2=0.62)，与细粉砂、极细粉砂具有强的正相关性(R2值分别为0.80和0.78)。样品PC2的因子得分与砂质组分含量具有强负相关(R2=0.87)，而与中粉砂等其他组分含量无显著相关性。

图4 转换后粒度组分数据的主成分分析结果(PCA)Fig.4 Results of principal components analysis for the centered-log ratio data of the study 图中clr代表中心化对数比法的数据；sand为砂，CSt为粗粉砂，MSt为中粉砂，FSt为细粉, VFSt为极细粉砂，clay为黏土clr indicates the centered-log ratio data, CSt. coarse silt, MSt. medium silt, FSt.fine silt, VFSt. very fine silt

因此，粗粉砂组分含量的空间变化是造成本区表层沉积物类型和粒度特征差异性的最主要因素。也可以说，粗粉砂是本区的沉积环境敏感粒度组分，在今后的古环境研究中可以加以应用。

5 讨论

5.1 影响不同粉砂粒级含量差异性空间分布的可能因素

粒级组分是沉积物最基本的组成特征，主要受到物质来源、局部沉积动力条件和区域地理地貌或海底底形的制约。对于局部海域的表层沉积物而言，其可能还会受到人为活动的干扰(如疏浚、采砂等)。

根据粒度趋势分析的认识，从粉砂组分含量的空间分布规律可以大致追溯其物质来源(图5)。从山东半岛周边海域的表层沉积物粒度组成上看，粉砂组分是本区最主要的沉积物组分，且以粗粉砂和中粉砂为主。对不同季节黄河口悬浮体粒度特征的研究表明，粉砂是其主要组分，其中粗粉砂和中粉砂的含量相对较高[24—25]。黄河水下三角洲的表层沉积物也以中粉砂—粗粉砂组分为主[26]。来自黄河物质最主要来源——黄土高原的沉积物粒度组成研究表明，中粉砂—粗粉砂也是黄土的最主要粒度组分[27—28]。这些证据表明，研究区内细颗粒沉积物主要来源于黄河。

在几条小型河流河口外，粗粉砂组分的含量明显较高，表明其提供了一定量的粉砂组分物质入海，最为显著的是母猪河、乳山河等。五龙河则提供的粗粉砂组分较少，以细粉砂为主。

因此从不同粉砂粒级含量的差异性空间分布，可以得出其物质来源以黄河来源沉积物为主，入海小型河流来源次之的认识(图5)，间接证实了前人的判断[23,29]和来自元素地球化学、矿物学等方面的物源认识[30—31]。这些入海物质在山东半岛沿岸流的携带下，基本沿平行于岸线的方向进行搬运，由于局部海洋动力环境的改变，而发生沉降堆积。

局部海岸地形对沿岸细颗粒物质输运和堆积也具有显著的影响。在山东半岛北部的烟台东部、威海东部的海湾外海域，其中粉砂和粗粉砂组分的含量具有明显的低值。这是因为烟台、威海海域岬角的发育会使得其右侧的局部海域(小型海湾)形成弱能环境，使得其更细颗粒物质易于沉积，而使得黏土、极细粉砂等组分含量相对较高，而粗粉砂、中粉砂组分含量相对较低。

5.2 不同粉砂组分含量差异性分布的沉积动力学意义探讨

以前的研究中，较多地使用砂/泥、粉砂/黏土含量的比值作为衡量区域动力强度的指标之一[32]。事实上，这些比值的使用是基于来自同一物源的假设。但是，从本区看，由于砂质组分具有多种来源，且是不同时代的产物(如残留砂[18])，因此砂/泥比值并不适用于本研究区。粉砂/黏土含量比值与平均粒径间并没有明显的相关性(图6)，没有显著的沉积学意义，表明粉砂/黏土含量比值并不适用于本区的沉积动力研究。

图5 研究区表层沉积物细颗粒组分的可能来源和输运方向Fig.5 The potential resources and sediment dispersal direction of the fine-grained components in the study area箭头代表输运方向，点和数字代表现代沉积速率的站位和数值，底图为水深(图例同图1)，沉积速率的数值见文献[33]The arrows indicate the dispersal direction,dot and numbers indicate the locations and values of the modern sedimentation rates[33]，and the basemap is the bathymetry of the study area

图6 表层沉积物中粉砂/黏土比值与平均粒径关系图Fig.6 The relationship between the silt/clay ratio and mean grain size of the surficial sediments

事实上，在开放的海洋环境中，尤其是在河流控制明显的内陆架环境，由于粉砂沉积动力行为的特殊性[5]，使得仅用粉砂/黏土比值来代表其动力强度，明显不符合实际情况。在此，为进一步研究黏性颗粒(絮凝)与单颗粒沉降的空间差异性，我们引入

M=ln(mc/mf)，

(1)

式中，mf为易于发生絮凝作用而沉降的细颗粒粒级组分的含量；mc为以单颗粒形式沉降细颗粒粒级组分的含量。当M<0时，表明其主要以絮凝作用形成的颗粒形式沉降，动力条件较弱；而M>0时，表明其主要以单颗粒形式沉降，动力条件较强。在本文中，依据各粒度组分间的空间分布关系及其含量间的相关性，我们将mf定义为黏土+极细粉砂+细粉砂；mc定义为中粉砂+粗粉砂。

因此，M值的空间分布表现为近岸正值和外海负值的特征(图7a)，表明山东半岛多数近岸海域(40～50 m水深以浅)以单颗粒沉降为主，具有较强的水动力条件；而在外海(50 m以深)，多以絮凝作用沉降为主。特殊的是烟台北和威海东部的近岸海域，也具有明显的M<0特征，表明其沉积动力环境比较弱。另外，M值的空间分布特征与粗粉砂含量变化特征几近一致(图3d)，它们具有很强的正相关性(图7b)，从而也再次证明了粗粉砂组分是研究区内最重要的粒级敏感组分的认识。

图7 ln(mc/mf)的空间分布(a)和粗粉砂(CSt)组分含量与ln(mc/mf)间关系(b)Fig.7 Spatial distribution of ln(mc/mf) (a) and the relationship between the coarse silt content vs. ln(mc/mf) (b)

为进一步了解不同粉砂粒组含量空间变化的沉积动力学意义，我们收集了已经发表的本海域内的210Pb和137Cs测定的现代沉积速率的空间分布[33](图5)。在山东半岛北部，沉积速率表现出由近岸高、向外低的特征；在南部，沉积速率却表现出相反的趋势，即近岸低、向外高(图5)，而在山东半岛东部的泥楔上，沉积速率由近岸的0.16 cm/a，逐步增大到50 m水深的0.86 cm/a，而再向外则极低(近于零)。对比各粒级组分含量与现代沉积速率的空间分布，可以看出，在沉积速率高的区域都具有高的粉砂组分含量(尤其是粗粉砂)。

另外，在山东半岛东部，“泥楔”主要以粗粉砂组分为主，大致以50 m等深线为界，其以深海域的粗粉砂组分含量明显减少，因此，粗粉砂组分的沉降是非常迅速的，这也是造成此处现代沉积速率很高的原因。来自物理海洋学方面的证据表明，这个界面正是“海洋锋面”发育的位置[15—17]。粗粉砂组分含量的差异性分布表明海洋锋面可能对其沉降堆积有一定的控制作用[34—35]。当然，对于海洋锋面的沉积动力意义还需要进一步的深入研究和探索。

6 结论

山东半岛近海表层沉积物以粉砂组分为主，而极细粉砂、细粉砂、中粉砂和粗粉砂含量的空间分布具有显著的“局地差异性”，造成这种差异的原因主要是局部沉积动力环境、小河流的输入等因素。其中，粗粉砂组分含量的空间变化最为显著，可以作为研究区泥质沉积的敏感粒级组分，在古环境研究中可以加以使用。相对于粉砂/黏土比值，本文提出使用粉砂分级的M值(即ln(mc/mf))较为理想地判定近海沉积环境的相对强弱和细颗粒组分的搬运堆积方式。同时，本文的研究还表明“海洋锋面”可能是造成“泥楔”区粗粉砂组分急剧沉降、沉积速率明显增高的主要因素，而对于海洋锋面的沉积学意义研究是今后努力的方向。

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Spatial variability of different silt components and its sedimentary significance offshore Shandong Peninsula

Li Jun1,2, Hu Bangqi1,2, Li Guogang3, Wang Libo1, Bai Fenglong1, Zhao Jingtao1,2,Zou Liang1, Dou Yanguang1

(1.KeyLaboratoryofMarineHydrocarbonGeologyandEnvironmentalGeology,MinistryofLandandResources,QingdaoInstituteofMarineGeology,Qingdao266071,China;2.LaboratoryforMarineMineralResources,QingdaoNationalLaboratoryforMarineSciencesandTechnology,Qingdao266071,China;3.MarineEngineringandProspectingInstituteofNorthChinaSea,StateOceanicAdministration,Qingdao266033,China)

To achieve a more robust understanding of the transport pattern of silt components in offshore areas, the grain size characteristics of 783 surface samples of fine-grained sediments are used to interpret the sediment transport pathways and predominant sedimentological conditions offshore the Shandong Peninsula, Yellow Sea. Based on the variation in the grain size composition, a regional “silt fractionation” was observed, and the very fine silt (VFSt) and the fine silt (FSt) displayed similar dynamic behaviors to that of the clay fraction during transportation and deposition, and these silts all acted as flocs. By contrast, the coarse silt (CSt) was primarily transported and deposited as single grains, indicating that the CSt content was the environmentally sensitive component in the sediments in the study area. The sediments displayed complicated sources based on the grain size analysis. In the northern part of the study area, the fine-grained sediment primarily originated from the Huanghe River Estuary (suspended or reworked, whereas in the eastern Shandong Peninsula, the sediments of the mud wedge were primarily composed of Huanghe-derived sediments and characterized by CSt-enriched, and in the southern Shandong Peninsula, the sediments primarily originated from the small rivers nearby. The marine fronts in the study area were thought to be the major factor controlling the settling and deposition of coarse silt. Further study should be carried out on the mechanisms that the fronts control the deposition of silty fractions in shelf settings.

silt; spatial variability; grain size fractionation; oceanic fronts; offshore Shandong Peninsula

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.01.007

2016-04-10；

2016-07-25。

国家自然科学基金项目(41476052，41406074，41576058)。

李军(1974—)，男，山东省腾州市人，研究员，从事海洋沉积方向研究。E-mail：junli741001@gmail.com

P736.21

A

0253-4193(2017)01-0064-12

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Li Jun, Hu Bangqi, Li Guogang, et al. Spatial variability of different silt components and its sedimentary significance offshore Shandong Peninsula[J]. Haiyang Xuebao, 2017, 39(1): 64-75, doi: 10.3969/j.issn.0253-4193.2017.01.007