辽东半岛东岸碧流河口潮间带柱状样沉积物粒度特征及其环境意义

张 威，苏世兵，李 宁

(辽宁师范大学 地理科学学院，辽宁 大连 116021)

海洋沉积物的粒度特征是沉积物在输移、沉积和再分布过程中的集中表现，包含了沉积物来源、水动力环境、输移距离等诸多环境信息[1-3]。目前对辽东半岛东岸海洋沉积物已有较多关于悬沙分布[4]、磁化率[5]、潮流沙脊[6]、有机物分布[7]等方面的研究，但主要集中于大连湾和大窑湾，还有鸭绿江口附近，而对碧流河到大洋河外部海域的潮间带区研究比较欠缺。而碧流河口附近海域是典型的淤泥质潮滩，受海洋与河口共同作用，研究区地理位置独特，距离物源较近，有充足的泥沙供给，周边河流较多，潮间带发育宽阔，且受黄海暖流和潮流共同影响，具有十分独特的区域特征，研究意义突出。通过对辽东半岛东岸碧流河口口外海滨段潮间带浅滩的实地调查、并采集两根柱状样进行沉积物的粒度分析，探讨碧流河口口外海滨段潮间带沉积物的粒度分布特征及其指示的环境特征。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于辽东半岛东岸碧流河口东北方的海域(图1)。该地属于温带季风气候区，并受一定的海洋性气候影响，年平均温度约7℃左右，沿岸年降水量约为562～775 mm。半岛东侧丘陵坡缓长，流域宽，半岛南端河流湍急短小。经过长时间的风化剥蚀，河流在夏季汛期可以携带大量泥沙入海。长山岛位于碧流口外海域，是内侧海域的屏障，影响着内侧海域的水动力变化和海岸地貌发育[8]。该海域沿岸以正规半日潮居多，规则半日潮为主要潮流形式，近岸区域为往复流，涨潮流速大于落潮流速，潮流方向为东北—西南向[9]。在潮间带上有潮沟发育，不过规模都较小，发源于潮间带中央脊部，一般在数米到十几米范围内，潮沟宽2～3 m，深不足1 m。此外，在潮间带上还广泛的发育着滩鳞、潮蚀坑洼和浪成波痕等微地貌形态[10]。

图1 研究区域与采样站位

1.2 样品采集

采样时间为2020年11月，采样地点位于辽宁省大连市庄河市花园口区东部海域潮间带浅滩，BLH1采集地理坐标北纬39°47′15″，东经122°58′21″；BLH2采集地理坐标北纬39°51′39″，东经122°58′37″。采样点布局原则是从河口附近海域出发，沿潮间带浅滩，寻找合适潮滩布设采集点，采集柱状样2个编号分别为BLH1，BLH2。柱状样分别长71、75 cm。之后按2 cm间隔取样，共取得样品72个，放入冰箱密封保存以备实验分析。2根柱状样的详细状况如下：

BLH1长71 cm，整体以粉砂为主，可划分为：(1)0～26 cm呈浅黄灰色，砂质粉砂；(2)26～62 cm呈青灰色，粉砂质砂；(3)62～71 cm为黑灰浅绿色，粉砂含量渐少，砂含量渐增，底部35、52 cm处有细小贝壳碎片。

BLH2长75 cm，整体以粉砂为主，可划分为：(1)0～4 m呈浅灰色，粉砂；(2)4～6 cm，灰黑浅绿，砂质粉砂；(3)6～52 cm，浅灰色，粉砂质砂；(4)52～75 cm，灰色，砂略多于粉砂，砂质粉砂。整个柱状样由粉砂层与砂质粉砂层交替出现，中下部层位含有机质，另外34～42 cm处可见贝壳碎片。具体粒度参数见图2与表1。

1.3 沉积物样品处理

粒度测试采用LS13320激光衍射粒度分析仪，其测量范围为0.04 μm～2 000 μm，误差小于1%。选取适量样品(0.25～0.28 g)，将其逐一放入烧杯，先后加入适量30%H2O2溶液和0.25 mol/L的盐酸浸泡以消除有机质、去酸，并洗至中性。然后添加分散剂溶液充分分散，上机测试。

2 粒度分析结果

2.1 沉积物粒度组成

按Udden-Wentworth标准划分沉积物粒级为黏土(>8Φ)、粉砂(4～8Φ)和砂(-1～4Φ)3种组分来反映沉积物粒度组成的变化。2根柱状样的粉砂含量分布在40.96%～65.7%，平均为52.61%；砂含量分布在23.9%～53.4%，平均为40.6%；黏土含量分布在4%～12.1%，平均为6.8%，含量最少。由于Folk分类法以代表动力环境较强的“砂”与动力环境较弱的“粉砂与粘土”含量50%为界，因此，用该方法对沉积物进行分类命名具有明显的动力成因意义[11](图2)。

图2 柱状样沉积物三角形分类图

2.2 粒度参数

总体而言，两个柱状沉积物组成均以粉砂为主，黏土含量较少，砂和粘土的含量变化较大，而粉砂含量变化较小(表1、图3)。柱状样粒度参数中值粒径Md分布较分散，分选δ较差至差；偏态Sk多为正偏态；峰态Ku均多是中等尖锐到尖锐。下面是各柱状样粒度参数特征详细内容。

表1 柱状样沉积物粒度特征表

图3 沉积物粒径分析

BLH1柱状样多为砂和粉砂，粉砂分布40.96%～62.93%，砂分布28.77%～51.66%，黏土含量最少，平均只有7.15%。平均粒径变化范围在4.33～5.1Φ，平均值为4.7Φ。中值粒径分布于3.81～4.6Φ，平均值为4.11Φ，中值粒径与平均粒径的形态曲线相似。分选系数介于1.5～1.96，整体分选差，但自上而下分选整体逐渐变差。偏态分布在0.37～0.6，平均值为0.53，为正偏，粒径主要集中在粗颗粒部分。沉积物的峰度在0.79～1.81，属于中等尖锐到尖锐。结合以上参数特征，认为柱状样BLH1粒度自上而下呈“粗—细—粗”的变化趋势，水动力环境复杂，水动力强度较强。

BLH2柱状样多为粉砂，含量介于42.6%～65.7%，砂含量次之，黏土含量最少。平均粒径分布范围在4.25～5.54Φ，平均值为4.73Φ，而中值粒径分布范围在1.66～5.61Φ，平均值为4.15Φ，中值粒径与平均粒径的形态曲线相似。分选系数在0.48～1.91Φ，平均值为1.63，分选差，自上而下分选变化不大。而偏态分布在0.04～0.91，属于正偏。峰度分布于0.8～1.63，平均值为0.99，整体在中等尖锐到尖锐。BLH2自上而下呈由细到粗的变化趋势。

2.3 粒度频率分布及概率累计曲线

频率曲线形态能详细反映沉积物中不同粒径的变化趋势，因此对沉积物粒度频率曲线特征进行如下分析(图4)。由于搬运方式和搬运距离不同，产生多成因组分的存在，单成因组分的频率分布为单峰曲线，多成因组分的频率曲线是多峰分布的连续曲线[12]。2根柱状沉积物频率曲线都以不对称双峰为主，BLH2还有部分层位出现三峰，表明沉积过程中受到至少两种沉积动力的综合作用。不论频率曲线特征表现为不对称双峰还是三峰沉积物，主峰都在4Φ左右，表明以粗颗粒组分为主，砂含量较多。次峰多在6～8Φ，属于粉砂。在8Φ之后出现很低的尾部，表明黏土含量极少。由整体粒度集中在2～8Φ的砂质与粉砂质粒级范围，推测该地沉积样点主要受潮流、波浪等强动力作用。除此之外，不同深度的频率曲线变化也能体现出粒度垂向变化特征。BLH1，BLH2柱状样整体上都呈“粗—细—粗”的变化趋势，BLH1在0～64 cm砂含量随深度而减少，粉砂含量随深度增加；BLH2自上而下砂含量逐渐增加。

图4 沉积物粒度的频率曲线特征

根据沉积物粒度概率累积曲线形态的差异，可以区分沉积物不同的搬运方式和研究区水动力环境[13，14]。沉积物的搬运，主要有悬移、跃移和推移3种方式。概率累积曲线由点组成，可绘成线段，分别表示推移组分、跃移组分和悬移组分，有些组分可能由两个线段组成[15]。分别绘制BLH1，BLH2柱状样样品概率累积曲线和频率分布曲线(见图5)，从图中可以看出，柱状样概率累积曲线大多以三段形式存在，说明水动力环境的复杂性，另外概率累计曲线坡度较缓，说明分选较差。柱状样粒度概率累积曲线形态大体相似，属于滚动—跳跃—悬浮式，呈现出多跃移、少悬浮、少滚动的组合特征，滚动组分是由于没有强烈的水流降至搬走或使之呈跃移状态搬运的缘故。从图5来看，BLH1柱状样滚动组分含量不足1%，跳跃组分含量达到96%以上，只含有极少量的悬浮组分，坡度先陡后缓，总体斜率在40°左右，分选较差，粗截点在2Φ左右，细截点在10Φ左右，按分选角度看，悬浮组分和滚动组分要优于跳跃组分。总体粒径分布在0～12Φ，说明在相对较强的水动力沉积环境下，沉积物粒径分布范围较广，粒度较粗。跳跃组分又可细分为两个个次总体，以2～10Φ粒度组分为主，也暗示可能形成于较为动荡沉积环境。BLH2滚动组分含量同样不足1%，跳跃组分含量约为98%，悬浮组分含量极少。坡度较缓，分选较差，但悬浮组分斜率较大。整体粒度分布范围广，以2～10Φ粒度组分为主，粒度较粗，此外也含两个跳跃次总体，说明水动力环境较强。

图5 沉积物粒度的概率累积曲线特征

作C-M图进一步对沉积物粒度特征进行解析。C值为累积含量达到1%时的粒径，C值代表样品的最粗粒径，反应样品搬运介质的上限；M值为累积含量达50%的沉积物粒度，反映了平均动力。C-M图用来推断沉积物形成的沉积环境[16]。C-M图综合考虑沉积动力环境和运移方式以及粗颗粒组分，能够有效反映沉积环境和沉积动力特征[17，18]。

样品在C-M图上分布较分散(见图6)，C值介于140～280 μm，平均值约为183 μm；M介于18～66 μm，平均值约为44.8 μm，说明搬运动力上限和平均动力都较大。C值变动较大，同样，M值的变化也很大，这表明沉积物在形成过程中受到了强烈的水动力和海陆相互作用的影响，产生了较大的平均水动能。样品大部分分布在均匀悬浮沉积区，反映了较不稳定的高能环境。递变悬浮区处于QR段，该区大多数是由最粗的悬浮物组成，特点是粒度和浓度向上方规则地下降[19]。均匀悬浮的最粗粒级通常细于250 μm，一般来说，均匀悬浮中粗粒组分的分选好，且随着M值的减小，分选效果变差。

图6 柱状样C-M图

σi-d(0.5)图以分选系数σi为纵坐标，中值粒径d(0.5)为横坐标制图(图7)。两根柱状样样品中值粒径d(0.5)主要落在4～6Φ，分选系数σi0.48～1.96，中值粒径分布相对较集中，分选较差至差，反映了沉积环境的不稳定性与复杂性，水动力整体较强。

图7 粒度σi-d(0.5)散点图

3 讨论

3.1 柱状样沉积物粒度特征

特定的沉积环境有特定的沉积粒度参数特征，利用沉积物粒度参数不仅可以反演沉积物的堆积过程、沉积水动力特征，还可以指示沉积物的输运方向及输运强度[20]。一般而言，搬运动力越强，沉积颗粒越粗，而细颗粒的沉积物质则指示弱的搬运动力[21]；平均粒径能反映沉积介质的平均动能，与源区物质密切相关；分选系数也受源区物质与沉积介质作用，当有新物质加入时，分选变差，分选曲线变为不对称，为正偏或负偏[22]。

整体来看，辽东半岛东岸碧流河口口外海滨段潮间带浅滩柱状样沉积物BLH1、BLH2主要为粉砂质砂与砂质粉砂，是由于潮间带波浪的推移作用使得中粗砂堆积，因而主要以中粗砂为主。分选差平均粒径分布在4.25Φ～5.54Φ，中值粒径分布在1.66Φ～5.61Φ；分选系数分布在0.48～1.96，分选较差至差；偏态在0.04～0.91，基本都为正偏态；峰态在0.79～1.81，以中等尖锐到尖锐为主。该区沉积物粒度频率分布曲线以不对称双峰或三峰状态居多，并且偏向粗颗粒一侧，反映了较为高能的沉积环境与水动力。各柱状样的概率累积曲线变化相似，其中跳跃组分居多，且跳跃组分还可细分为两段，说明该区域水动力条件较强，沉积环境多变。柱状样沉积物粒度从底部向上表现为由粗变细的趋势，反映了随着潮滩沉积的增加，潮滩由中部向上部变化，并逐步达到潮滩平衡的过程[23]。其中，柱状样砂含量分别在62 cm、40 cm之后突然增大，粉砂和黏土的含量相应减少，分选变差，表明沉积动力发生了巨大变化，这可能与河口和海岸演化过程中的环境事件有关，例如极端气候事件，如台风、风暴潮等，还有人类活动有关。此前已有学者研究表明，有一种独特的风暴潮存在于渤海与北黄海，是寒潮和冷空气共同作用的[24]。同时，柱状样中的一部分沉积构造含有贝壳碎片，映了沉积过程中波浪和潮流动力对其造成的影响。此外，该地区柱状沉积物分布的另一个主要特征是表层沉积物粒度粗化，深度不均匀但主要为0～10 cm，可能是受到辽东半岛东岸沿岸泥沙流移动方向的影响。

3.2 物质来源

在碧流河口潮滩的塑造过程中，径流泥沙、外海潮流携带悬浮沙入海与周围海岸基岩风化是研究区的主要物源供应方式，其中又以碧流河入海输送泥沙与辽东半岛沿岸泥沙流为主。此外，在辽东半岛东侧，有一条与海岸线平行的东北—西南方向的沿岸泥沙流。从鸭绿江口开始，中途汇合河口区局部泥沙流向外延伸，当进入长山列岛内侧，泥沙流强度受岛屿的屏障作用逐渐减弱，至登沙河口外消失[8]，另外还有多项研究表明[25-27]，辽东半岛河流泥沙填充和沿岸泥沙流在浅滩物质来源供应中起重要作用。

3.3 水动力作用与沉积环境

水动力强弱(沉积环境高能或低能)是影响沉积物粒度分布的主要原因。碧流河口附近海域柱状样沉积物表现出自上而下逐渐变粗的趋势。在潮间带浅滩的塑造过程中，波浪、潮汐和潮流均起重要作用，其申潮流作用更为突出，而各采样点位于不同陆缘或岛屿的海陆交界潮滩，沉积物的粒度分布特征深受所在地陆源或岛屿物质影响。本区夏半年以东南风浪为主，冬半年则多西北风浪，且波浪较大，全年最大波高不超过2～3 m。潮汐类型为规则半日潮，潮流方向多与海岸平行，呈往复流性质。涨潮流向东北，落潮流向西南，涨潮流强于弱潮流[8]。潮流因摩擦消耗能量，沿海岸方向流速逐渐减慢。高流速的远岸潮流可将较细小的粉砂颗粒推向海岸[28]。此外，研究区周边海域地貌出现岬角、小型岛礁、潮沟潮道等，地貌类型复杂，也对沉积物粒度造成影响。岬角、岛礁等突入海中的地形构造造成波浪辐聚，从而形成了水动力较强的沉积环境，强水动力使得沉积物以正偏为主，黏土含量极少。BLH、BLH2柱状样沉积物粒径横向分布与涨潮流的流向一致，即从东北指向西南，潮流作用对沉积物输移影响很大。碧流河口附近海域存在较多耐侵蚀的细粒物质，属于强潮流冲刷环境[29]。

3.4 人类活动的影响

人类活动影响水动力条件，进而影响沉积分布特征。从柱状沉积物粒度的垂向变化来看，总体趋势呈现为自下而上逐渐变细，粒度组分的突然变化这可能与水库的修建有关。始建于1975年，1986年竣工的碧流河水库是处于碧流河中游的大型水库。水库建成后，上游涵养林密度增大，水土流失状况不断改善，下游的洪涝灾害也得到控制，水环境得到改善[30]。始建于1998年，2001年开始蓄水的玉石水库是一座位于碧流河支流的中型水库。随着两座水库的建设，碧流河入海水量明显减少，水动力逐渐减弱，潮流成为主要控制因素，导致柱状样沉积物自上而下呈逐渐变粗趋势。前文提到各柱状样表层沉积物的粒度出现粗化现象，一方面归因于辽东半岛东岸沿岸泥沙流，另一方面也可能与人类活动有关。符文侠[27]等早在20世纪80年代辽东半岛东岸出现较大规模填海用于水产养殖后，发现当潮流推进到养殖区时，潮流受阻，流速迅速降低，但潮汐能并不立即降低，剩余的潮汐能会带走潮间带上部的细颗粒，使得上部沉积物出现粗化。

4 结论

(1)辽东半岛东岸碧流河口口外海滨段潮间带浅滩柱状样沉积物BLH1、BLH2主要为粉砂质砂与砂质粉砂，平均粒径分布在4.25～5.54Φ间，分选较差至差，偏态基本都为正偏态，峰态以中等尖锐到尖锐为主。该区频率分布曲线主要呈现不对称双峰或三峰状态，并且偏向粗颗粒一侧，反映了不稳定、复杂的沉积环境和强烈的水动力条件。各柱状样概率累计曲线变化相似，以跳跃组分居多，且跳跃组分还可细分为两段或三段，说明该区域水动力条件较强，沉积环境多变。沉积物粒度从底部向上表现为由粗变细的趋势，表层沉积物0～10 cm有粗化现象。

(2)碧流河口潮滩的塑造过程中，河流泥沙填充和沿岸泥沙流、外海潮流携带悬浮沙入海与周围海岸基岩风化是研究区的主要物源供应方式。此外，所在陆源或岛礁基岩，潮流波浪等动力以及人为活动共同影响了其沉积特征，造就了水动力较强、较为多变的沉积环境。柱状样砂含量分别在62 cm、40 cm处增大可能与河口和海岸演化过程中的环境事件有关，例如一些极端气候事件，如台风、风暴潮等，还有人类活动有关。

(3)水动力条件和物质来源也受到人类活动的影响，从而影响沉积物粒度特征。在上世纪80年代与世纪末修建的碧流河水库与玉石水库，以及在潮上带人工修建的养殖区，导致沉积物来源和沉积动力条件发生了变化，从而反映在柱状沉积物的粒度分布特征。