闽江口地区不同砂质沉积的粒度端元特征及其环境指示

解锡豪, 曹向明，李志忠，靳建辉，刘瑞a，王秋霜

(1.福建师范大学 a.地理科学学院,b.湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室,c.地理研究所 福州 350007；2.江西师范大学 地理与环境学院 南昌 330022)

作为重建区域气候与环境、推测海岸变化和探讨区域人地关系的重要载体，海岸沙丘和老红砂在砂质海岸带气候和环境的重建及其与人地关系的探讨上得到了广泛应用[1-6]。关于海岸沙丘发育的气候背景和影响因素研究，胡凡根[4]、Tamura[7]等认为近千年来影响晋江和日本鸟取海岸沙丘发育的关键因素是冬季风和人类活动的强度；Roskin等[8]则认为以色列地区全新世中晚期以来海岸沙丘发育主要受控于海平面波动和人类活动强度；Fruergaard等[9]在丹麦海岸沙丘形态探讨中强调极强风暴事件对海岸沙丘形态和发育的影响。这些结果表明不同学者对海岸沙丘发育的气候背景和影响因素还存在不同的见解，需要学界的进一步探讨。

深入解析海岸沙丘的物质来源、沉积过程是明确海岸沙丘发育的关键。粒度作为判断沉积环境和动力强弱的重要方式，广泛应用于分析老红砂、海岸沙丘和海滩砂的粒度特征和沉积动力之中。Abuodha等[10]对海滩到岸后沙丘砂样粒度分析发现其颗粒变细、分选变好。董玉祥等[11]发现海岸沙丘相对偏粗、一般含有粉砂、分选好。唐丽等[12]认为海滩砂相对略粗、分选略差。由于海岸沙丘与海滩砂存在物源上的联系，两者沉积动力的强度类似，以粒度参数和粒度组分为主的粒度特征并不能对两者进行较好地区别[11-13]。随着端元分析在沉积环境判别的应用中愈加成熟，在黄土的物源示踪与环境重建、河湖相沉积序列中古洪水序列的重建上均取得了不错的效果[14-16]。李越等[14]对伊利盆地黄土的端元分析发现，该区域的黄土以近源为主。Toonen等[16]基于莱茵河下游湖泊沉积的端元特征判别了洪水期与非洪水期的沉积物区别，并基于此重建了区域400多年的洪水事件序列。这表明粒度的端元特征在解释沉积物沉积环境中具有优势，也为进一步区别海滩砂和海岸沙丘的沉积环境提供了新的思路和方法。本研究选取闽江河口段的河流砂、海滩砂、老红砂和海岸沙丘这4类砂质沉积，基于粒度端元分析得出粒度端元特征，结合粒度频数分布曲线、粒度概率累积曲线、粒度参数和粒度组分特征，分析并探讨了各端元指示的环境及其与传统指标的关系，为基于海岸沙丘重建区域环境提供借鉴和参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

闽江河口区地处台湾海峡西侧，西起潮区界竹岐水文站，东至河口口门外15 m等深处，北起连江黄岐半岛，南至长乐江田附近，区域内海岸曲折，湾岬众多，以砂质海岸和基岩海岸为主[18]。气候属于亚热带海洋性季风气候，多年平均气温约19℃，年降水量在1 350 mm左右，降水年内分配不均，干湿季显著[19]。研究区平均潮差在4 m以上，年均浪高约1.66 m[20]，区域盛行东北风，大风日数多，年平均风速可达4 m·s-1以上，1月平均风速接近7 m·s-1，夏秋季受台风影响显著[19]，这为风沙活动提供了强劲的动力。长乐东部沿海和平潭岛风沙活动强烈，长乐东部沿海的梅花至首祉发育了近8 000 a的海岸沙丘，平潭岛的中部平原和东部的丘陵被大面积的风沙覆盖，芦洋埔平原发育了巨大的沙席，是福建主要风沙分布区之一[2]。

1.2 剖面与采样点信息

本研究在闽江河口、长乐东部沿海和平潭岛采集河流砂表层样、海岸沙丘剖面样、海岸沙丘表层样、老红砂剖面样和海滩砂表层样共计98个样品，各采样点与采样过程分别如图1所示。

注：图1c改绘自文献[21]图1。

河流砂表层样在福州市闽侯县官洲村闽江南支大堤内侧采集(119.26°E，25.99°N)，选取无植被覆盖，人类扰动小的河滩，采集表层2 cm的砂样，共采集样品9个。海岸沙丘剖面样选自南澳(NO)剖面，该剖面位于福州市长乐区东部的海岸沙丘(119.69°E，25.91°N)，剖面距现代海岸约200 m，剖面厚约7 m，未见底，整个剖面呈灰黄色，水平层理、小角度交错层理发育，2.5 m处发育了厚约2 cm的红褐色砂层，整个剖面以5 cm间距系统采样，共采集样品141个。本研究等距选取其中21个样品进行分析。海岸沙丘表层样在福州市长乐区的梅花(SZ：119.69°E，26.01°N)、文岭(WL：119.72°E，25.99°N)和湖南(HN：119.69°E，25.91°N)采集，选取裸露的沙丘，采集表面2 cm的样品，共采集样品15个。海滩砂表层样在福州市长乐区东澳海滩(DA：119.68°E，25.91°N)采集，沿岸线垂直方向以20 m的间距采集海滩表面2 cm的样品，采集2个段面共19个样品。老红砂剖面样选自青峰(QFS)剖面，该剖面位于福州市平潭县白青乡青峰村(119.66°E，25.66°N)，距现代海岸约700 m，剖面厚约15 m，底部为基岩风化壳，颜色从淡棕黄色到棕红色，依据颜色变化可分为6层，为MIS5以来发育的[22]，整个剖面以2 cm为间隔共采样750个，本研究等距选取其中的34个样品进行分析。

1.3 实验与方法

以激光衍射法分析了样品的粒度，实验前处理参考了鹿化煜等[23]的方法，即在烧杯中倒入适量风干样品，分别加入10 mL 10%的H2O2试剂和10%的HCl试剂后放置在加热板上反应去除有机质和碳酸盐，加蒸馏水水洗至中性后，加入10 mL 5%的六偏磷酸钠溶液分散颗粒物，超声5 min以待测试。测试仪器为Mastersizer 2000型激光粒度仪，测量范围为0.02～2 000 μm，测量3次取平均值，其重复性测试的误差<5%。上述粒度分析在福建省部共建亚热带山地生态过程国家重点实验室培育基地土壤粒度实验室完成。粒度参数的计算依据Flok-Ward[24]图解法，粒度组分划分参考了Udden-Wentworth的分级标准[25-26]，粒度端元分析以Paterson等[27]的改进模型进行，在Matlab中设定了10个端元进行非参数拟合，依据Paterson、李越、王兆夺等[14-15,27]端元数量判别方式并结合拟合结果和角度偏差确定了端元数量。

2 结果与分析

2.1 粒度频数分布与粒度概率累积曲线特征

作为辨识沉积物沉积环境与沉积动力强度的常用手段，粒度频数分布曲线和粒度概率累计曲线有着极为广泛的应用[2,4-6,10-17,21-23]。各砂质沉积的粒度频数分布曲线和粒度概率累积曲线如图2所示：在粒度频数分布曲线中，各砂质沉积均呈不典型双峰分布，主峰在1～2.2φ之间，次峰在6～8φ左右。海岸沙丘表层样和剖面样、海滩砂表层样主峰的位置接近，均在2φ左右。海岸沙丘表层样的主峰尖瘦，分选最好，这与北部湾地区海岸沙丘表层样分选略大于临近的海滩砂类似[13]。海岸沙丘剖面样的主峰高度有所降低，粉砂范围内的峰略有增高，说明经历一定程度风化的海岸沙丘细粒组分有所增加。河流砂表层样的主峰在1.2φ左右，在7φ附近存在不典型的细粒峰，说明闽江河口的沉积动力强于长乐海滩。老红砂剖面样的主峰在1.4φ附近，并存在明显的细粒峰，说明青峰老红砂的沉积动力较强，且经历了较强的风化作用[5,28]。

注：图中数据为各类样品粒度频数分布和粒度概率累计的平均值。图 2 粒度频数分布曲线(a)与粒度概率累积曲线(b) Figure 2 The grain size frequency distribution(a)and the probability cumulative curves(b)

各砂质沉积的粒度概率累积曲线均呈不典型的三段式。海岸沙丘表层样和剖面样的滚动组分不明显，含量在1%以下，其主要以跳跃组分为主，占90%以上，悬浮组分含量较少，不超过5%。海滩砂表层样的滚动组分在2%左右，跳跃组分含量在90%左右，悬浮组分含量在5%。河流砂表层样的滚动组分约5%，跳跃组分约为85%，悬浮组分略多，约为10%。老红砂剖面样的滚动组分约为2%，跳跃组分最少，为70%左右，悬浮组分最多，约25%。

2.2 粒度参数与粒度组分特征

粒度参数和粒度组分反映了沉积物的沉积环境[4,10-13,28]，各砂质沉积的粒度参数和粒度组分如表1所示。海岸沙丘表层样平均粒径为1.82φ，分选较好，峰态中等，呈对称分布，以中细砂为主，占到了含量的90%以上，粉砂和黏土含量极少。海岸沙丘剖面样平均粒径为1.72φ，分选中等，向细粒端略微偏移，以中细砂为主，含量约为81%，粗砂含量接近15%。海滩砂表层样平均粒径为1.88φ，分选和峰态与海岸沙丘剖面样接近，峰呈对称分布，以中细砂为主，含量在88%左右，

表1 不同沉积环境沉积物粒度参数与粒度组分 Table 1 The grain size parameters and component of sediments in different depositional environment

粗砂含量约为10%。河流砂表层样的平均粒径最粗，为1.31φ，以中粗砂为主，含量约为85%以上，分选差，峰相对尖锐，且向粗粒偏移明显，粉砂和黏土含量约为8%。老红砂平均粒径最细，为2.42φ，分选差，峰相对尖锐，峰明显向粗粒端偏移，以中细砂为主，约为56%，粉砂和黏土含量接近20%，粗砂含量为24.39%。这些结果说明河流砂沉积动力较强，老红砂经历了较强的风化，海岸沙丘表层样和剖面样与海滩砂的粒度特征相似，暗示三者在沉积过程上存在联系[12-13]。

粒度参数散点图尤其是平均粒径-偏态散点图广被应用于区别海滩砂和海岸沙丘[11-13]。在粒度参数散点图中(图3)，海岸沙丘表层样和剖面样与海滩砂表层样投影在相近的区域内(仅在平均粒径-分选的散点图中有部分区别)，且较为聚集，表明海滩砂和海岸沙丘之间“源”与“汇”的关系[13]，说明粒度参数散点图难以对此进行区别。老红砂的散点投影区域相对离散，其分选差，峰态大。河流砂的平均粒径大，分选差。两者与海滩砂和海岸沙丘的投影区域明显不同，这可能与老红砂经历了强烈的风化和河流砂较强且不稳定的沉积环境有关。

图3 粒度参数散点图Figure 3 The scatter diagram of grain size parameters

2.3 粒度端元特征

对98个样品进行了非参数端元分析，结合线性相关性和角度偏差确定了端元数量。当端元数量大于2时，线性相关性大于90%，端元数量大于5时，线性相关性便不再显著增加，角度偏差也小于5。依据端元分析需要最小数量端元这一原则，本研究选取5个端元，各端元的频率分布曲线如图4所示。

图4 端元数量判别(a)和各端元频率分布曲线(b)Figure 4 Determination of number of end-members analysis(a)and the grain size frequency distribution of end-member loadings(b)

EMA1有4个峰，主峰在1φ，剩下3个峰由高到低分别是7φ、3φ和10.5φ，其粉砂粒级和黏土粒级含量丰富，主峰在中粗砂，表示水动力强且不稳定或风化作用强的沉积环境。EMA2主峰在2.3φ，主要是细砂，含极少的粉砂，表示搬运环境是稳定的较弱的风动力。EMA3主峰的位置是1.8φ，以中细砂为主，表示的沉积动力较为稳定，且略强于EMA2组分。EMA4主要呈单峰形态，以中砂为主，峰位约为1.2φ，其沉积动力稳定且较强。EMA5组分以中粗砂为主，主峰在0.7φ左右，含少量粗粉砂到极细砂组分，表示了较强的沉积动力。

基于上述5个端元，各沉积环境沉积物粒度端元分析的结果如图5所示。在海岸沙丘表层样中，基本不含EMA1和EMA5组分，以EMA3组分为主，占到60%以上，EMA2和EMA4组分含量分别为24%和10%左右。海岸沙丘剖面样中基本不含EMA1组分，EMA5组分含量达到5%，大于表层样的含量，EMA2、EMA3和EMA4组分接近，含量在30%左右。海滩砂表层样以EMA2组分为主，接近50%，EMA3组分占到30%左右，EMA1和EMA5组分含量略大于海岸沙丘表层样，含量在2%～3%之间。老红砂剖面样中EMA1和EMA4组分含量较多，分别为27.74%和22.04%，其余组分含量在14%～19%之间。河流砂表层样中以EMA4和EMA5组分为主，占到54%和27%左右，EMA1和EMA3组分含量较少，约为10%，不含EMA2组分。

图5 不同沉积环境沉积物粒度端元分析结果Figure 5 The grain size of end-members analysis sediments in different depositional environment

为更好地区别各砂质沉积的端元特征，分析沉积环境与端元特征的关系(图6)。海岸沙丘、海滩砂、河流砂和老红砂的投影区域存在明显区别。在EMA1-EMA2和EMA1-EMA3中：海岸沙丘和海滩砂均在Y轴附近并分别占据投影区域的两端，仅个别点相互重合，海岸沙丘剖面样的大多数样品与海岸沙丘表层样重合，河流砂和老红砂在图像的右侧。EMA2-EMA3和EMA2-EMA4的投影特征类似：在EMA2-EMA3中，海岸沙丘表层样和海滩砂表层样的投影区呈自左上向右下倾斜的特征，海岸沙丘表层样投影在左上区域，两者样品有少部分的重叠。海岸沙丘剖面样投影区域落在其表层样和老红砂剖面样之间，老红砂整体投影在图像的左下侧。河流砂在Y轴上，这种投影特征充分揭示了海滩砂、海岸沙丘和老红砂沉积过程上的关系[2,5,10-13,28]。

图6 粒度端元散点图Figure 6 The scatter diagram of grain size end-members analysis

3 粒度端元与粒度参数和粒度组分之间的关系及其环境指示

为进一步探讨粒度端元特征与传统粒度指标的关系，明确各端元的环境指示意义，本研究分析了各个端元与粒度参数和粒度组分的相关性，并结合散点图探讨了它们之间的关联，如表2和图7所示。

表2 各端元与粒度参数和粒度组分的相关性统计 Table 2 Correlation coefficient of grain size end-members analysis with grain size parameters and component

图7 端元与粒度参数和粒度组分散点图Figure 7 The scatter diagram of grain size end-members analysis with grain size parameters and component

平均粒径(φ)与EMA1和EMA2组分正相关，与EMA3、EMA4和EMA5组分负相关，说明各端元粒径粗细区别明显，较好地反映了沉积动力的强弱。分选和偏态与EMA1组分正相关，这和EMA1组分分选差、存在多个细粒峰有关。峰态与EMA3和EMA4组分正相关，这对应了EMA3和EMA4组分的频数分布曲线中主峰尖而瘦的特征，即反映了较为稳定的沉积环境。 粉砂+黏土组分与EMA1组分呈正相关。细砂组分除与EMA2组分正相关外，与EMA3、EMA4和EMA5组分均呈负相关关系。中砂组分主要与EMA3和EMA4组分正相关，与EMA1和EMA5组分负相关。粗砂组分与EMA3到EMA5组分正相关，与EMA2组分负相关。各端元与粒度组分相关性的结果说明各端元的主要粒级分布范围所对应的粒度组分密切相关，即EMA2组分主要以细砂为主，与细砂组分呈高度的正相关；EMA5组分以粗砂为主，EMA5与粗砂正相关且相关系数最大，为0.91。

在平均粒径-EMA1图(图 7a )中，老红砂和河流砂沿着拟合线延伸方向分布，说明老红砂剖面样的EMA1组分与颗粒物粗细关系密切。海岸沙丘和海滩砂聚集在拟合线的左下端的下方。在分选-EMA1图(图7b)中，老红砂和河流砂沿线性拟合线延展方向分布，海岸沙丘和海滩砂主要拟合线的左下端，并呈线状向右上角延伸。这两个图中的海岸沙丘和海滩砂投影区相对聚集，这与粒度参数散点图类似，暗示这三者的密切联系[2,10-13]。

细砂-EMA3图(图7c)中样品投影区域相对分散，整体上从左下角向右上角延伸，河流砂表层样集中在拟合线的左端，老红砂剖面样在拟合线的下侧，海岸沙丘表层样和剖面样主要在拟合线的右上侧，海滩砂表层样在拟合线的右下侧。细砂-EMA4图(图7e)中样品投影区域从左上角向右下延伸，河流砂表层样主要在左上角，老红砂剖面样在左下侧，海岸沙丘和海滩砂表层样主要在拟合线的右下端，海滩砂在拟合线的上侧，海岸沙丘在下侧，海岸沙丘剖面样在拟合线中段偏上的位置。粗砂-EMA5图(图7f)中投影区域分布特征与平均粒径-EMA1的类似，即海滩砂和海岸沙丘分布在拟合线的左下端并相对聚集，老红砂剖面样沿拟合线延伸方向分布，不同的是河流砂表层样主要分布在拟合线的下侧，海滩砂和海岸沙丘分布在拟合线的两侧。这3个图显示EMA3到EMA5组分与粒度组分之间存在密切关联，很好地区分了河流砂和老红砂与海滩砂和海岸沙丘沉积环境。

在细砂-EMA2图(图7d)中，拟合线自左下向右上延伸，河流砂表层样主要集中在左下角的X轴上，老红砂剖面样主要在拟合线的左下端，海岸沙丘剖层样投影在拟合线的中端并和老红砂的投影区域有一定重合。海滩砂表层样主要分布在拟合线右上端，海岸沙丘表层样投影在拟合线中端偏下的位置，延伸线的斜率略大于拟合线的斜率。这些特征说明河流砂表层样不存在EMA2组分，其余样品的EMA2组分和细砂线性相关关系较好。不同沉积环境下，各样品细砂与EMA2组分的线性关系不同，投影区域存在明显差异，较好地区别了各类沉积环境，这种特征与粒度端元散点图类似，暗示它们沉积过程上的联系，即海岸沙丘由海滩砂风力搬运形成，后期强烈风化形成老红砂[2,10-13,28]。

4 结论

本研究选取闽江口地区河流砂、海滩砂、老红砂和海岸沙丘这4类砂质沉积，通过端元分析得出粒度端元特征，结合粒度频数分布曲线、粒度概率累积曲线、粒度参数和粒度组分分析和探讨了各端元指示的环境和与传统指标的关系，其结果如下：

1)粒度频数分布曲线、粒度概率累积曲线、粒度参数和粒度组分反映出老红砂剖面样经历了较强的风化，河流砂表层样的沉积动力较强且不稳定，海岸沙丘表层样和海滩砂表层样沉积动力较为稳定，海岸沙丘剖面样经历了一定的风化。

2)在粒度参数散点图中，河流砂表层样较强且不稳定的动力环境和老红砂剖面样后期较强的风化作用使其与别的样品投影区域区别明显，海滩砂表层样、海岸沙丘表层样和剖面样因为其相近的沉积动力条件和沉积过程上的联系聚集在一起，粒度参数散点图中难以区别三者的沉积环境。

3)粒度端元分析结果显示：98个样品的粒度存在5个端元组分，分别表示了强而不稳定的沉积动力和由弱到强且较为稳定的沉积动力。海岸沙丘表层样以EMA3组分为主，海岸沙丘剖面样的EMA2、EMA3和EMA4组分各占30%左右，海滩砂表层样EMA2组分约占一半，老红砂的EMA1组分含量相对最多，河流砂则是以EMA4和EMA5组分为主。

4)在粒度端元的散点图中，各样品投影区域相对离散，其中EMA1-EMA2和EMA2-EMA3图明显区别了老红砂、河流砂、海滩砂和海岸沙丘，海岸沙丘与海滩砂表层样投影区域呈带状分布并分别占据带状区域的两端，海岸沙丘剖面样投影区域在海岸沙丘表层样和老红砂剖面样之间，这一投影特征暗示海岸沙丘、海滩砂和老红砂在沉积过程上的联系。

5)各端元的含量与各端元主要颗粒粒径对应的粒度组分呈正相关关系，即EMA1组分含量与粉砂+黏土含量正相关，EMA2与细砂含量正相关。各类沉积在端元与粒度参数和粒度组分的散点投影有明显区别，尤其是细砂-EMA2图中的散点投影区域及其形态存在明显差异，极好地区别了4类砂质沉积的沉积环境，也暗示海滩砂、海岸沙丘和老红砂之间在沉积过程上的关联。