日照市海岸带海滩沉积物粒度特征及物源分析

张昊，郝义，王惠，李忠涵

(山东省煤田地质局第一勘探队，山东 滕州 277500)

0 引言

日照因港而立、依海而兴，是新亚欧大陆桥东方桥头堡和“一带一路”主要节点城市，拥有得天独厚的海岸线和港口优势。日照海岸位于黄海中部，北起白马河口，南到绣针河口，岬湾相连，发育平直的基岩沙砾质海岸。海岸线全长(不含岛屿岸线)168.5km，岸线上绵延分布有64km的优质海滩，从北向南主要有海滨国家森林公园海滩、大陈家村海滩、东小庄村海滩、富蓉村海滩、万平口海水浴场海滩、金沙岛海水浴场海滩、岚山第一海水浴场海滩等7个海滩(图1)，其中海滨国家森林公园和万平口海水浴场海滩各方面条件相对优越，海滩质量评价得分较高。海滩由粗中砂或细中砂组成；低潮线至5m等深线处变为中细砂，距岸距离2.5km；5～15m水深处以粉砂粒级为主，距岸距离约5km，海底坡度变缓；15m水深以外分布含残留沉积的砂质物[1]。近十几年来，许多学者对山东半岛滨海沙滩现状评价、侵蚀状态、保护对策等进行了综合研究工作[2-7]，但对海岸带沉积物的物质来源研究的较少。目前，国内外物源分析已发展成为多方法、多技术的一门综合研究领域，如重矿物法、碎屑岩类法、裂变径迹法、沉积方法、地球化学和同位素法等，这些都有其应用条件和局限性。元素地球化学方法判别环境领域最初主要应用于火山岩，后期扩展到沉积岩，并在构造背景、物源及沉积环境中得到了广泛应用[8]。该文在日照市海岸带海滩调查及侵蚀现状研究项目的基础上，结合前人的研究资料，重点对海滨国家森林公园海滩和万平口海水浴场海滩沉积物类型、分布特征及搬运路径进行研究，并对日照市海岸带海滩沉积物的物质来源进行分析，以提高日照市海岸带海洋环境地质综合研究程度。

1 数据获取与处理方法

2017年11月—2018年9月，在研究区重点海滩开展了重复剖面观测和样品采集工作。在2个重点海滩的北部、中部和南部分别布设了3条重复观测剖面(图1)。观测过程中，分别从剖面的滩肩、滩面、低潮线3个位置进行了海滩表层物质取样，6条剖面共采集18件样品，对样品进行了粒度分析。取原始样品10～20g，经双氧水和稀盐酸浸泡处理，除掉有机质和碳酸盐，然后洗盐，用六偏磷酸钠溶液分散后，根据规范要求分别选用不同的方法进行测试。粒度分析细颗粒样品使用激光粒度仪法测定，所用仪器为英国Malvern公司生产的Mastersizer 2000激光粒度分析仪。该仪器粒径测量范围0.02～2000μm，分辨率为0.01φ，重复测量的相对误差<3%。粒度分析粗颗粒样品使用筛析法测定。将4mm至0.063mm之间的粒度按1/2φ间隔，分离成14个粒级分别称重，求得以质量分数表示的粒度分布。平均粒径、分选系数、偏态和峰态等粒度参数的计算和等级划分，采用Folk等提出的方法[9]。

1—沙滩中心点位置及名称；2—沙滩范围；3—剖面位置及编号；4—探槽位置及编号；5—取样位置及编号图1 研究区海滩、剖面、探槽、取样点分布图

在海滨国家森林公园海滩自北向南布设磁化率测量剖面11条(L1～L15)，在万平口海水浴场海滩自北向南布设磁化率测量剖面13条(PM6～PM8)。根据对研究区海滩的野外体积磁化率测量结果和室内频率磁化率测量结果，分析海滩磁性矿物富集规律，并确定沉积物搬运路径。

为追踪海滩中磁性矿物的来源，自海向陆分别在磁铁矿含量较多的海滩及基岩中取样：在万平口海水浴场海滩和金沙岛海水浴场海滩磁铁矿含量较多的探槽中采集TC07和TC09样品；在东港区灯塔广场距海滩较近且含磁铁矿的花岗闪长岩中采集DTGC-B1样品；在曾产磁铁矿矿石的岚山高旺铁矿附近围岩花岗斑岩中采集GW-B2样品和磁铁矿矿石中采集GW-H3，GW-H4样品；在向陆一侧岚山车子门附近含磁铁矿的二长花岗岩中采集PJC-H10样品；在陆域且河流入海的花仙子风景区含辉石角闪斜长片麻岩中采集HXZ-H1样品(表1)。通过采集样品中主微量及稀土元素的分析对比，推断沉积物物质来源。

表1 基岩及探槽样品坐标

2 沉积物粒度参数特征

通过对采集样品的粒度分析，可以区分沉积物类型及分布特征、判定水动力条件、确定沉积物搬运方式等。粒度参数主要有平均粒径(Mz)、分选系数(δi)、偏态(SKi)、峰度(Kg)[10]。该文选取海滨国家森林公园海滩和万平口海水浴场海滩采集的样品从平均粒径(Mz)、分选系数(δi)、偏态(SKi)三方面进行粒度分析。

图2 海滩剖面样品粒度参数散点图

2.1 平均粒径

沉积物平均粒径(Mz)可以说明沉积物粒度分布的中心趋势。平均粒径(φ值)可以反映沉积介质的平均动能[11-12]。一般来说粗粒沉积常见于高能环境，细粒沉积见于低能环境。当然粒度大小还取决于其原始沉积物颗粒的大小，在同一物源条件下，顺流向粒度逐渐递降(φ值逐渐增大)。研究区内平均粒径介于-0.96～3.43φ之间，平均为1.2φ，即研究区沉积物类型以砂(-1～4φ)为主，仅探槽底部可见极少细砾(<-1φ)。

海滩剖面样品化验结果表明：海滨国家森林公园海滩沉积物以细砂(2～3φ)、中砂(1～2φ)为主，万平口海水浴场海滩沉积物以中砂(1～2φ)、粗砂(0～1φ)为主。

海滩探槽样品化验结果表明：TC02的平均粒径介于1.57～2.43φ之间；TC03的平均粒径介于1.35～2.50φ之间；TC06的平均粒径介于-0.61～2.23φ之间；TC07的平均粒径介于-0.79～0.93φ之间；TC08的平均粒径介于-0.96～1.56φ之间。

根据化验结果分析：两处海滩沉积物均具有由北向南逐渐变粗的趋势。从滩肩到滩面再到低潮线处，φ值逐渐增大，沉积物有逐渐变细的趋势(图2a)。海滨国家森林公园海滩2个探槽的粒径变化较小，沉积物粒径从浅到深均较细，φ值具有先减小后增大的趋势。万平口海水浴场海滩探槽的粒径变化较大，沉积物由细到粗变化较大，沉积物总体具有浅部细深部粗的趋势(图3)。

图3 海滩探槽平均粒径折线图 (探槽样品为自上而下取样，样品号为H1～H14)

2.2 分选系数

分选系数(δi)是指示沉积物粒度的分选程度，即颗粒大小的均匀性，若粒级少，主要粒级很突出，百分含量高，分选就好，标准偏差或分选系数的数值小；反之，粒级分布范围很广，主要粒级不突出，则分选就差，标准偏差或分选系数的数值就大。

海滨国家森林公园海滩剖面样品化验结果表明：分选系数主要介于0.35～0.71之间，滩肩、滩面分选状况较好，低潮线分选状况好，说明低潮线处的分选性较滩肩、滩面处好(图2b)。探槽样品化验结果表明：分选系数主要介于0.34～0.71之间，平均值为0.55，总体分选状况较好(图4)。

万平口海水浴场海滩剖面样品化验结果表明：北部PM6的分选系数介于0.78～1.35之间，平均值为1.03，分选状况较差，中部PM7和南部PM8海滩分选系数的平均值分别为0.61和0.56，分选状况较好，具有由北向南逐渐变好的趋势(图2b)。探槽样品化验结果表明：北部TC06的分选系数介于0.59～1.65之间，平均值为1.16，分选状况较差；中部TC07的分选系数介于0.39～1.19之间，平均值为0.76，分选状况中等；南部TC08的分选系数介于0.53～1.22之间，平均值为0.83，分选状况中等(图4)。

总体来看，垂直海岸方向，两处海滩由陆向海分选性均逐渐变好；平行海岸方向，海滨国家森林公园海滩分选性均较好，基本无变化，万平口海水浴场海滩由北向南分选性逐渐变好。海滨国家森林公园海滩浅部样品的分选性要好于深部，万平口海水浴场海滩中间样品的分选性要好于浅部和深部。海滨国家森林公园海滩的分选性要好于万平口海水浴场海滩。

图4 探槽样品分选系数散点图 (探槽样品为自上而下取样，样品号为H1～H14)

2.3 偏度系数

偏度(SKi)可判别粒度组分分布的对称性，并表明平均值与中位数的相对位置。研究区海滨国家森林公园海滩剖面样品的偏度系数为-0.60～+0.58，探槽样品的偏度系数主要在-1.08～+0.56之间分布，偏态等级位于极负偏、负偏和正偏之间，在零值之间呈对称分布。万平口海水浴场海滩剖面的偏度系数为-1.27～+0.54，探槽样品的偏度系数主要在-1.27～+1.18之间分布，正偏态、负偏态，极负偏态、极正偏态均存在，在零值两端呈对称分布(图2c、图5)。

图5 探槽样品偏度系数散点图 (探槽样品为自上而下取样，样品号为H1～H14)

海滨国家森林公园海滩剖面、探槽中样品的频率曲线以单峰和双峰为主；万平口海水浴场海滩剖面、探槽中样品的频率曲线以双峰和多峰为主，少数为单峰。频率分布曲线分为单峰态和双峰态,其中单峰态表明沉积物成分单一,为相对稳定的环境下沉积形成;双峰态表明沉积物由2种主要成分组成,在沉积过程中有其他作用参加进来,水动力条件较为复杂[13]。说明万平口海水浴场海滩沉积物的来源比森林公园要复杂。

海滨国家森林公园海滩滩肩和滩面处主要为双峰曲线，粒级较为分散，分选系数较大，分选性相对较差，而低潮线处主要为单峰曲线，粒级较为集中，分选系数较小，分选性相对较好，主峰尖锐，粒度较细(图6)。万平口海水浴场海滩滩肩处自北向南由多峰、双峰曲线变为单峰曲线，滩面和低潮线处由双峰曲线变为单峰曲线，说明滩肩和滩面处分选系数较大，分选性较差，低潮线处分选系数较小，分选性较好，且由北向南分选性由差变好(图7)。

低潮线处样品相对均匀，物质来源单一，以单峰曲线为主，多为负偏，样品的粒度代表了海滩总体的一般特征，反映环境能量对沉积物分选改造处于相对平衡状态；滩肩、高潮线附近受风、海流和波浪等沉积动力影响，频率曲线以双峰为主，物质来源较为复杂，是沉积动力与粒度之间尚未达到平衡的表现[14]。

图6 滨海国家森林公园海滩剖面频率曲线变化图

图7 万平口海水浴场海滩剖面频率曲线变化图

3 海滩磁化率特征分析

3.1 海滨国家森林公园海滩剖面磁化率特征

根据海滩磁化率剖面分布趋势图分析：在平行海岸方向上，北部海滩磁化率值偏高，磁化率平均值在1.51×10-3SI～2.55×10-3SI之间，南部海滩磁化率值偏低，磁化率平均值在0.33×10-3SI～0.80×10-3SI之间，总体具有北部高南部低的趋势(图8a)，该趋势与北部海滩侵蚀较为严重而南部海滩侵蚀较弱的现象相对应。这种现象的产生可能是由于侵蚀过程中高密度的重矿物易发生浓缩聚集形成矿砂，而低密度的轻矿物易优先搬运的原因[13-14]。在垂直海岸方向上，靠近滩肩高潮线与冲流带处磁化率较高：L7剖面磁化率最大值为19.17×10-3SI；滩肩向陆一侧及滩面处磁化率值较低，磁化率值一般在0.2×10-3SI左右；低潮线处磁化率又略有升高，磁化率值一般在0.5×10-3SI左右。

3.2 万平口海水浴场海滩剖面磁化率特征

根据海滩磁化率剖面分布趋势图分析：在平行海岸方向上，磁化率由北向南具有先增大后减小，然后又略有增大的趋势(图8b)。总体来看，北部、中部磁化率值偏高，磁化率平均值在1.07×10-3SI～3.93×10-3SI之间，南部磁化率值偏低，磁化率平均值在0.68×10-3SI～2.52×10-3SI之间，与北部、中部海滩侵蚀较为严重而南部海滩侵蚀较弱的趋势相对应。在垂直海岸方向上，靠近滩肩高潮线与冲流带处磁化率较高：L23剖面磁化率最大值为86.82×10-3SI；滩肩向陆一侧及滩面处磁化率值较低，磁化率值一般在0.5×10-3SI左右；低潮线处磁化率又略有升高，磁化率值一般在1.5×10-3SI左右。

图8 海滩磁化率剖面分布趋势图

3.3 海滩磁性矿物富集规律分析

冲流带是动力和地形高频变化最明显的区域，该处的冲洗作用大于波浪作用，低密度的粗颗粒首先被搬运至滩肩区，高密度的细颗粒(磁铁矿)因波能变小而发生淤滞，低密度的粗颗粒被更弱的回流搬运回海，从而引起高密度的细颗粒在冲流带聚集[15-17]，导致该处轻重矿物的分选性较好，磁性矿物富集。这可能是体积磁化率在冲流带附近区域出现高值的原因。

综上分析：万平口和森林公园海滩北部磁化率是南部磁化率的2～3倍，这是由于海滩的沿岸流优先搬运低密度的粗颗粒矿物，导致在海滩侵蚀区域磁性矿物浓度较高，磁化率较高，而在海滩淤积区域磁性矿物浓度较低，磁化率值较低。进一步表明万平口和森林公园海滩北部侵蚀区有较多细颗粒的磁铁矿滞留(北部磁化率较高)而南部淤积区有较多粗颗粒的轻矿物聚集(南部磁化率较低)是受自北向南的黄海沿岸流影响[18]，使沉积物多自北向南运移。

4 沉积物物源分析

近年来，许多学者从重矿物富集规律、沉积动力环境、沉积物粒径趋势[19-20]等多方面对日照近岸带物质来源进行了分析。稀土元素和Zr，Th，Sc，Y等微量元素具有良好的稳定性[21]，受风化、搬运、沉积、成岩等地质作用的影响较小。故该文借鉴前人对沉积物物源分析的地球化学方法：利用稀土元素和微量元素作为沉积物物源指示剂[22-23]，对日照海岸带物质来源进行定性分析(图9)。

图9 探槽样品稀土元素球粒陨石标准化配分曲线(a)及微量元素原始地幔标准化蛛网图(b) (标准化数据据文献[24])

通过主微量及稀土元素分析发现(图9)，TC07，TC09探槽中上部样品的稀土元素和微量元素含量变化曲线一致(TC07-H4和TC09-1，TC09-H4)，下部样品的变化曲线一致(TC07-H8和TC09-H14)，但上部和下部曲线存在差异，稀土元素配分曲线图中上部样品主要表现为Eu负异常，下部样品主要表现为Eu正异常，元素含量也存在差异性，微量元素曲线图中也存在多个元素含量的差异，说明2个探槽中磁性矿物的物质来源相同，但探槽上部与下部磁性矿物的形成原因及物源不一致，可能存在不同期次的不同成因。

将探槽中的样品与采集的基岩样品进行对比(图10a、图10b)，发现探槽上部样品的元素变化曲

线与日照水库附近花仙子风景区含辉石角闪斜长片麻岩、车子门含磁铁矿二长花岗岩的元素变化曲线较为一致(图11)，斜长片麻岩及二长花岗岩中含有较多的磁性物质。

图10 研究区采集手标本

图11 探槽上部及相关基岩样品稀土元素球粒陨石标准化配分曲线(a)及微量元素原始地幔标准化蛛网图(b) (标准化数据据文献[24])

图12 探槽下部及相关基岩样品稀土元素球粒陨石标准化配分曲线(a)及微量元素原始地幔标准化蛛网图(b) (标准化数据据文献[24])

图13 探槽及磁铁矿样品稀土元素球粒陨石标准化配分曲线(a)及微量元素原始地幔标准化蛛网图(b) (标准化数据据文献[24])

探槽下部样品的元素变化曲线与高旺铁矿花岗斑岩、灯塔广场花岗闪长岩的变化曲线基本一致(图10c、图10d、图12)，而与高旺磁铁矿矿石的变化曲线存在较大差异(图13)，说明海滩中的磁性矿物来源与岩体关系较为密切，而与高旺磁铁矿矿石的联系并不明显。

通过上述元素分析，推测日照海岸带海滩中浅部物质的来源与陆内一侧基岩中斜长片麻岩和二长花岗岩的关系较为密切，深部物质的来源与靠海一侧基岩中花岗斑岩和花岗闪长岩的关系较为密切，海滩中的磁性矿物与岚山高旺铁矿磁铁矿矿石的联系并不明显。

5 结论

(1)根据沉积物粒度参数分析可知：研究区沉积物类型以砂(-1～4φ)为主，仅探槽底部可见极少细砾(<-1φ)。平行海岸方向上，海滨国家森林公园海滩以细砂、中砂为主，万平口海水浴场海滩以中砂、粗砂为主，总体上自北至南沉积物由细变粗。垂直海岸方向上，两处海滩从滩肩到滩面再到低潮线处，沉积物均有逐渐变细的趋势。海滨国家森林公园海滩的分选性要好于万平口海水浴场海滩。

(2)根据海滩磁性矿物富集规律分析，确定沉积物受黄海沿岸流影响，海滩北部侵蚀区磁化率较高，有较多细颗粒的磁铁矿滞留；南部淤积区磁化率较低，有较多粗颗粒的轻矿物聚集。沉积物多自北向南运移。

(3)日照市海岸带海滩中浅部物质的来源与陆内一侧基岩中斜长片麻岩和二长花岗岩的关系较为密切，深部物质的来源与靠海一侧基岩中花岗斑岩和花岗闪长岩的关系较为密切。