南日水道“泥质”楔形沉积体特征及其成因机制探讨

王恒波，张汉女，许 江*，李海东

(1.自然资源部第三海洋研究所，福建 厦门 361005；2.中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074)

兴化湾是福建省最大的海湾，湾口朝向SE向，经南日群岛、兴化水道和南日水道与台湾海峡相通，两条水道水深大部分在20 m以上。兴化湾湾顶有木兰溪等数条小型山溪性河流注入[1]。南日水道作为兴化湾两条重要的进出水道之一，对南日水道沉积物以及沉积环境的研究存在重要的意义。

本研究通过浅地层剖面测量和地质钻探的实测资料，发现并确定了南日水道发育较厚的“泥质”楔形沉积体，该沉积体以细粒的粉砂为主，并含较多的黏土质成分，这与一般的潮汐通道水动力较强，发育粗粒沉积物相反。“泥质”楔形沉积体一般认为是河流入海沉积物被海流搬运至远离河口的位置所形成[2]，在我国的山东半岛沿岸[3-4]、闽浙沿岸[5-6]和广东沿岸[7]均有发育。国际上对“泥质”楔形沉积体的研究，主要在湄公河[8-9]、亚马逊河[10]、波河(亚德里海)[11]、飞河(新几内亚巴布亚海湾)[12-13]等大型河口，而对中小型河口附近“泥质”楔形沉积体的研究尚显不足。由于中小型河流流域面积小、流程短，其河口子系统在响应环境变化方面更为迅速，更加敏感[14]，越来越多的学者认识到中小型河流在全球物质通量以及生物地球化学循环中扮演着重要角色[15]。

本研究旨在通过对南日水道“泥质”楔型沉积体特征的分析，探讨该沉积体的成因机制，以求窥视南日水道沉积环境的历史。

1 材料与方法

2016年6—7月，在南日岛与石城半岛之间海域的北部和南部分别进行了单波束测深、浅地层剖面测量和地质钻探工作，完成浅地层剖面主测线20条，其中海域北侧9条，海域南侧11条，南北侧联络测线2条，完成地质钻探钻孔22个，其中海域北侧12个，海域南侧10个(图1)。导航定位采用美国Trimble公司制造的DSM332全球卫星导航定位系统，仪器走航定位精度优于1 m。单波束水深测量采用无锡海鹰加科海洋技术有限公司生产的HY1600型回声测深仪，仪器测深精度为±(0.01 m+0.1%D)(D为水深)。浅地层剖面测量使用美国Edgetech公司制造的Edgetech3200-XS浅地层剖面系统，采用的工作参数为：脉冲类型为2～12 kHz、20 ms，脉冲频率为5 Hz。海上测量船速控制在5 kn以下，正常情况下，偏航距小于50 m。地质钻探采用国产XY-Ⅱ型钻机自由回转钻进，对粘性土采用薄壁取土器采取原状样，对粉土、砂性土采用取砂器采取原状样。

图1 南日水道浅地层剖面测线和地质钻孔位置Fig.1 Lines of sub-bottom profiles and geological core sites in Nanri Waterway

2 结果与讨论

2.1 “泥质”楔形沉积体地震特征

对“泥质”楔形沉积体位置的浅地层剖面进行了分析处理，根据各测线位置“泥质”楔形沉积体厚度，绘制了南日水道北部和南部海域“泥质”楔形沉积体等厚图(图2)；并对3条主测线剖面(N9、S6、S10)以及北部和南部海域的一条联络剖面(L1)进行了解释(图3)，据此我们对浅地层剖面划分了4个地震单元(SU1、SU2、SU3、SU4)。剖面N9、S6、S10在南日水道中心处均具有明显的楔形沉积体结构，联络剖面L1除了中间经过的礁石区，其他位置均具有“泥质”楔形沉积体结构，说明南日水道北部和南部海域是一个沉积整体。

从图3可以看出，SU4地震单元声波无法穿透，顶界面为一强振幅反射界面，界面起伏不平，该地震单元为岩石基底，部分区域露出海底形成礁石。SU3地震单元以弱的声学反射为特征，声波能量在该地震单元迅速衰减直至消失，穿透深度有限，推测该层为厚砂层。SU2地震单元为“泥质”楔形沉积体主体，声信号可以完全穿透，该地震单元中间厚，向两端逐渐变薄，最大厚度超过20 m，地震单元中间可以分为多个近水平分布的次级单元，显示出沉积地层的水平发育结构。该地震单元在南日水道北部海域和南部海域又有不同，北部海域西低东高，西端向石城方向尖灭，东端向南日岛方向尖灭，该地震单元中间位置有较大面积的声学屏蔽区域，该区域位于海底面以下8 m左右，顶界面模糊，推测为海底浅层气；南部海域西高东低，西端向石城方向逐渐尖灭，东端向南日岛方向被SU4地震单元阻断，次级水平地震单元分层清晰，除S10和S11号剖面外，南部其他剖面均有类似北部区域的声学屏蔽区域，该屏蔽区域较北部面积明显减少，推测浅层气由北向南逐渐减少直至消失。SU1地震单元为一薄层反射体，厚约2 m，位于SU2或SU3之上，部分区域缺失，该地震单元为现代沉积的产物。

图2 南日水道北部和南部海域“泥质”楔形沉积体厚度Fig.2 Thickness of muddy wedge deposit in the northern and southern areas of Nanri Waterway

图3 南日水道典型测线浅地层剖面Fig.3 Typical sub-bottom profiles set in Nanri WaterwaySU1、SU2、SU3、SU4为对浅地层剖面划分的4个地震单元，下同。

图4 南日水道北部海域钻孔剖面Fig.4 Geologic profile of cores in northern Nanri Waterway红色线条为钻孔剖面，下同。

图5 南日水道南部海域钻孔剖面Fig.5 Geologic profile of cores in southern Nanri Waterway

图6 南日水道海底地形Fig.6 Bathymetric chart of Nanri Waterway

2.2 钻孔揭示的海域沉积特征

通过对南日水道北部海域和南部海域钻孔剖面(图4、5)的分析，我们可以看到，北部海域表层覆盖有一泥质薄层，厚度为0～5 m，“泥质”楔形沉积体所处位置表面的泥质薄层下面为较厚的粉砂层，“泥质”楔形沉积体两侧区域泥质薄层下面为厚度较大的中砂、粗砂、砾砂层，部分区域中间夹泥质薄层，北部海域“泥质”楔形沉积体位置处的钻孔有Z6和Z7，沉积层的上层为淤泥层，下层为粉砂层，淤泥层颜色为深灰色，呈流塑状态，主要由粉土和黏土组成，含少量中、细砂，可见少量贝壳碎片，土层光滑、无摇震反应、干强度高、韧性高，揭露厚度为2.30～2.70 m；粉砂层颜色为灰色、浅黄色，呈松散、饱和状态，成分以石英砂为主，含少量黏土，局部含少量贝壳，其中粒级大于2.000 mm的占比为0.5%～3.3%，粒级在0.500～2.000 mm之间的占比为4.7%～13.3%，粒级在0.250～0.500 mm之间的占比为32.5%～40.0%，粒级在0.075～0.250 mm之间的占比为10.0%～44.3%，粒级小于0.075 mm的占比为12.2%～45.5%，该层揭露厚度为10.80～15.10 m。

南日水道南部海域“泥质”楔形沉积体位置处为较厚的淤泥、淤泥混砂层，“泥质”楔形沉积体南日岛侧为礁石区，石城半岛侧表层偶见薄层淤泥或淤泥混砂层，其下为厚度较大的细砂、中粗砂、砾砂层，局部区域夹有黏土质薄层。“泥质”楔形沉积体位置处钻孔有K8和K9，主要沉积层为淤泥和砂混淤泥，淤泥层颜色为深灰色，呈流塑-软塑状态，饱和、质纯、厚度较大，K8揭露厚度为9.50 m，K9未揭穿；砂混淤泥层颜色为浅灰色，呈饱和、松散-稍密状态，以中细砂为主，不均匀混有黏土，黏土占比约为10%～30%，厚度较大，K8未揭穿。

通过分析我们可以看到，南日水道海域钻孔揭露的地层特征与浅地层剖面揭露的地震相有较好的对应关系。

2.3 地形因素

研究区海底沉积物的分布与海底地形有密切的关系，南日水道是位于石城半岛和南日岛之间的狭长通道，是兴化湾潮流进出的通道之一，涨潮时潮流由南向北进入兴化湾，落潮时潮流由北向南进入台湾海峡。从图6可以看出，南日水道两侧石城半岛和南日岛海岸类型多为基岩海岸，沿岸礁石林立，水深由两岸向水道中间逐渐变深，最大水深大于30 m，在中间形成一条狭长通道，即南日水道。

2.4 物源分析

南日水道位于兴化湾南侧，石城半岛与南日岛之间，是兴化湾潮流进出的通道之一，南日水道泥沙来源主要有以下几种：

2.4.1 河流输入 兴化湾西部湾顶有木兰溪和荻芦溪等几条小型河流注入，兴化湾泥沙主要来源于木兰溪的入海泥沙及沿岸小溪或冲沟向海的输沙[1]，木兰溪和荻芦溪长度分别为105、74 km，流域面积分别为1 732、1 070 km2。据1959—1979年的统计资料显示，两条溪流年均入海泥沙量为7.57×105t[1]。河流入海泥沙主要沉积于兴化湾内，使港湾淤积现象日趋严重，南日水道作为兴化湾两个通道之一，河流入海泥沙不可避免的需要运移至南日水道海域，由浅地层剖面我们也可以看到，“泥质”楔形沉积体中含有丰富的浅层气，说明该沉积体有机质含量丰富，表明河流输入应为该沉积体的主要物质来源。

2.4.2 海岸侵蚀 兴化湾是福建省最大的基岩海湾，地貌类型多，周边陆地为构造侵蚀低山、丘陵和台地。研究海域地处亚热带，周边海岸洪季冲蚀和风浪侵蚀入海物质也是泥沙来源之一，但量级有限[14]。

2.4.3 外海泥沙 南日水道为兴化湾与外界联系的潮汐通道之一，潮汐作用携带的外海泥沙也会成为南日水道沉积物的来源之一[16-18]。

2.4.4 闽浙沿岸流及闽江径流输沙 闽浙沿岸流起源于长江口和杭州湾一带，由长江和钱塘江的径流入海后与海水混合形成，主要分布在长江口以南的浙、闽沿岸，沿途还有瓯江和闽江的径流加入，主要出现在春、秋、冬3 季。闽浙沿岸流具有明显的季节变化特征，向南可影响到东山至南澳岛附近海域[19-22]，闽江径流在南下的过程中与闽浙沿岸流汇合，其入海泥沙随落潮流向海域扩散运移，其中底沙基本沉积在闽江口广大的浅滩中，而悬沙向东、南方向扩散。在悬沙向南扩散的过程中，首先受到影响的是兴化湾北侧的福清湾和海坛岛周围，并主要沉积在福清湾附近[16]，因此，闽浙沿岸流及闽江径流对南日水道输沙的影响很小。

2.5 沉积环境分析

通过与其他河口研究结果的对比，以及对浅地层剖面和钻孔沉积物的综合分析，我们认为南日水道“泥质”楔形沉积体是晚更新世末次冰期以来的产物，浅地层剖面中的4个地震单元分别对应着晚更新世末次冰期以来的4个沉积阶段(图7)。

图7 南日水道晚更新世以来的地层演化Fig.7 Stratigraphic evolution in Nanri Waterway since the Late Pleistocene

A阶段：与地震单元SU4对应，晚更新世末次冰盛期全球海平面达到低谷，中国沿海海平面在现今海平面下120～130 m[3]，研究区裸露成陆，该时期构造运动比较活跃，研究区地形经过构造活动改造，逐渐形成了两侧高、中间低的地形雏形。

B阶段：与地震单元SU3对应，随着大陆冰川的快速消融，该阶段海平面快速上升，7.0 ka BP左右，海平面上升到现今海平面高度，平均上升速率为(13.7±2.7)mm/a[23]。沿岸河流携带大量泥沙进入南日水道及其附近海域，导致该时期南日水道及其附近海域沉积了大量的粗粒沉积物；同时，由于较强的亚洲冬季季风将更多的陆源碎屑物质从北向南输送[24]，也为南日水道的泥沙供给提供了一定的贡献。

C阶段：与地震单元SU2对应，7.0 ka BP之后，海平面虽有波动，但变化不大，潮流作用减弱。同时，沿岸河流流量减少，流速减弱，沿岸河流携带的粗粒沉积物难以到达南日水道。此时，较多的细粒沉积物在南日水道沉积，形成厚层的细粒沉积体，而受地形影响，南日水道两岸海流流速较大，潮汐作用相对南日水道处较强，两岸以冲刷为主，细粒沉积物难以沉积下来。这段时间由于海平面的振荡波动，在南日水道沉积的厚层细粒沉积体呈现水平分层结构，沉积体中含有大量有机质，浅层气的形成即来源于有机质的分解。

D阶段：与地震单元SU1对应，为近现代沉积阶段，随着人类活动的显著增加，尤其是围填海等人类活动对兴化湾岸线的改造，兴化湾纳潮量减少，南日水道潮汐作用进一步减弱，南日水道大部分区域开始接受细粒沉积物，在表层形成泥质薄层。

3 结论

本研究通过单波束测深、浅地层剖面测量和地质钻探等方法对南日水道“泥质”楔形沉积体的位置、形态和沉积物进行了研究，分析了其成因和沉积历史，获得如下结论：

(1)“泥质”楔形沉积体沿南日水道发育，宽度约2 km，最大厚度大于20 m，沉积体北段以淤泥和粉砂为主，南段以淤泥和砂混淤泥为主。该“泥质”楔形沉积体东西两侧沉积物以粗粒砂质沉积为主，“泥质”楔形沉积体内发育丰富的浅层气。

(2)南日水道受地形影响，水道两侧潮流流速大，水道内潮流流速小，导致南日水道持续接收细粒沉积物。

(3)“泥质”楔形沉积体物质来源主要为兴化湾近岸木兰溪和荻芦溪等河流输入，其次海岸侵蚀和外海来沙也有一定的贡献。

(4)晚更新世末次冰期以来，南日水道经历了裸露成陆、快速沉积、稳定沉积、现代沉积4个沉积阶段，最终形成了现在具有独特特征的“泥质”楔形沉积体结构。