莱州湾海洋沉积物粒度特征及其环境响应分析

黄学勇,高茂生,侯国华,张 戈,党显璋,3

(1.辽宁师范大学地理科学学院,辽宁 大连 116029;2.中国地质调查局青岛海洋地质研究所,山东 青岛 266071;3.中国地质大学(武汉)环境学院, 湖北 武汉 430074)

山东莱州湾是我国北方重要海湾之一,入海河流众多,波浪、潮汐、海流等过程相互耦合多变,海岸地形地貌及海洋动力环境演变机制复杂[1]。黄河入海物质对莱州湾沉积格局具有重要影响[2],而南岸小清河、弥河、潍河等中小河流,东岸界河、王河、朱桥河等山溪性河流以及沿岸物质侵蚀是沉积物的重要来源[3-6],因此莱州湾海陆交互作用对沉积环境影响的研究非常重要。

作为典型多河流交互影响区域,近30年来,关于莱州湾的研究内容集中于地质构造、沉积环境、海陆交互作用、水动力环境及工程建设数值模拟等方面。莱州湾地质构造研究主要以郯庐断裂作为主线,运用三维地震资料和工程地质钻孔等技术,开展地层格架、油气资源储蓄汇聚等研究[7]。沉积环境研究主要基于不同尺度测年数据[8-9],运用钻孔资料、遥感影像、历史文献等,开展古气候、古生物、海侵及古岸线等研究[10-11]。依托海岸带,采用地形分析与计算机数字图像处理相结合,通过实地取样、实时监测及卫星图片等,开展海岸地貌类型划分、岸线侵蚀与防护、港口及养殖区建设、人工采砂等方面研究[12-13]。数值模拟研究在莱州湾区域主要集中在水动力及冲淤环境方面[14]等。此外,还有重金属污染评价[15]等研究也已开展。

然而,目前莱州湾海陆交互作用下沉积物物源、沉积动力环境以及历史黄河改道在沉积物中的响应(尤其对东岸的影响)等研究仍显不足,还需全面细致探讨。在开展上述科学研究过程中,借助有效替代指标是必要的[16],为此,本研究依托莱州湾海域20个柱状样粒度信息,在收集和整理测年数据后,对海陆交互作用下莱州湾沉积特征及物质运移规律展开分析,以期进一步完善莱州湾河海交互作用的探索,为后续研究和实践提供经验参考。

1 研究区概况

莱州湾是受郯庐大断裂带控制、由断块凹陷形成的NNE向的海湾,以虎头崖和支脉河口为界,分为东、南、西3部分[17](图1)。东岸发育基岩海岸,地势由NE向SW倾斜,沿岸多低缓丘陵,砂嘴、砂坝、潟湖十分发育[18]。南岸发育潍河—弥河三角洲集群,包括滨海平原、滩涂和浅海3个地带,地势南高北低但起伏不大[19],沿岸为狭窄带状冲积-海积平原。支脉河口以北为现代黄河三角洲,黄河对莱州湾沉积环境影响深远而巨大,但莱州湾南岸和东岸的小清河、弥河、潍河、界河、王河等对莱州湾沉积环境影响也同样不可忽视。

图1 莱州湾地质及取样位置图[16]Fig. 1 Simple geology of Laizhou Bay and sampling sites [16]

莱州湾主要受渤海环流的余流影响,大致有西岸顺时针方向流系、中部和北部顺时针方向流系以及渤海湾逆时针方向流系[20]。夏季以东南风为主,余流有明显指向西北方向的趋势,黄河口南部的流系中,余流也有明显的北向分量(图2(a))。冬季由于强劲的北风作用,区域上沿岸海域均为冬季沿岸流所代替,渤海中低盐水在风海流作用下,沿山东半岛北岸东进(图2(b))。

图2 莱州湾海洋沉积动力环境[21]Fig. 2 The marine sedimentary environment of Laizhou Bay[21]

莱州湾波浪主要受季风控制,以风浪为主,受地形影响,主要为由偏东风引起的NE-SE向浪。一年中,冬季波浪最大,其次为春季。潮流运动形式主要为往复流,主流方向与湾的走向一致。涨落潮流历时和流速较为复杂,历时差以湾口东部最大,流速差以湾口西部最大;潮汐为不规则半日潮区(图2(c))。西部海域在黄河入海泥沙影响下,形成较高的含沙量中心。南部海域在潮流动力作用下,海床底部沉积物发生再悬浮,呈现出西高东低的分布特征(图2(d))。莱州湾附近区域多大风天气,遇到大风浪时,海底泥沙冲淤的平衡状态被破坏,泥沙被掀起成为悬沙;风停后,随着水体紊动强度减弱,超饱和悬沙沉降,含沙量逐渐减小,突然大风天气常引起海底的强烈侵蚀或淤积(图2(e)和2(f))。

2 样品采集与数据分析

2.1 柱状样采集

20个柱状样于2015年12月采用振动取样器进行采集,具体位置如图1所示。样品在封盖前描述顶、底岩性,密封后标明顶、底层位,在垂直状态下运输和保存。野外采集完成后,用岩心切割仪将柱状样沿直径分成2份,用刻度尺标好刻度及记号、拍照,对岩心进行岩性描述,并做好相应记录。依据刻度,按5 cm厚度的等间距取子样品,用于粒度测试。

2.2 样品测试方法

粒度由山东省第四地质矿产勘查院实验测试中心负责测定,采用国产Winner2008激光粒度分析仪进行测试,仪器测试范围为0.01～2 000 μm,误差<1%,满足实验要求。测试前首先取沉积物样品放置于烧杯中,分别用H2O2除去有机质,用HCL去碳酸盐,用蒸馏水除去Ca2+、H+等离子,然后加入分散剂用超声波清洗震荡10 min,最后将处理好的样品用激光粒度仪进行测量。粒级划分标准用Udden-Wentworth φ值表示,间隔为0.25 φ。根据每一粒级百分含量,用GRADISTAT 粒度处理软件[21]计算平均粒径(MZ)、分选系数(σ)、偏态(SK)和峰度(KG)。根据测试结果,计算砾(<2 φ)、砂(2～4 φ)、粉砂(4～8 φ)、黏土(>8 φ)含量,根据 FOLK沉积物粒度三角分类体系编制沉积物三角图,绘制粒度频率曲线和概率累积曲线[22]。其中,平均粒径(MZ)、分选系数(σ)、偏态(SK)和峰度(KG)评价标准参照FOLK图解法公式[23]。

2.3 沉积速率数据收集与分析

放射性核素210Pb(半衰期为22.3年)已被证实是一种适用于百年尺度的较为可靠的测年方法,近年来己被广泛应用于中国东部海域的现代沉积速率研究[24]。自20世纪80年代来,诸多学者利用210Pb测年法开展了渤海现代沉积速率的研究工作。本次研究经过收集相关文献资料,选取了24组210Pb沉积速率数据[25-32],基本覆盖了整个莱州湾海域,测得年代跨度为20世纪30年代至21世纪初。运用Sufer15软件进行空间插值分析后,绘制莱州湾沉积速率分布图。

3 研究方法

3.1 萨胡(SAHU)沉积环境判别图

3.2 环境敏感粒度组分分析

依据粒度组分变化来反演物质输送过程及环境变化的方法被广泛用于深海河口海岸带区域,并取得了良好的效果[34-35]。本研究采用了粒级-标准偏差法,根据粒度组分的个数和分布范围计算每一粒级在样品中的标准偏差值,标准偏差值最大的粒级称为环境敏感粒度组分[36]。标准偏差计算公式为:

其中:s为偏差;si为样本值;n为样本数。

4 结果与分析

4.1 沉积速率变化特征

黄河口附近海域沉积速率为1. 29～9. 59 cm/a[27,30],在莱州湾乃至渤海沉积速率最高,沿黄河水下三角洲向外侧沉积速率逐渐减小,莱州湾中部受黄河泥沙的影响已很小,沉积速率约为 0.31 cm/a[31],莱州湾东部沉积速率略有所增大[25,29](图3(b)、(c)、(d)、(e))。莱州湾南部海域在20世纪90年代前沉积速率为 0.31～0.61 cm/a,自1997年后,由于潍坊港等工程建设,局部海域沉积速率骤增至0.5～10 cm/a[26](图3(f))。

图3 莱州湾20世纪30年代以来沉积速率变化示意图[25-32]Fig. 3 Changes of sedimentation rate in Laizhou Bay since 1930s[25-32]

4.2 粒度特征

本次采集的各柱状样粒度参数如图4所示,柱状样平均粒径(MZ) φ总体值为-0.07～7.83,平均值4.98,属于粗粉砂粒级,除莱州湾东部屺岛—刁龙嘴海域个别站位的部分层位粒径较粗外,大部分沉积物粒径φ值>4,说明沉积物主要颗粒组分为粉砂。分选系数σ为0.56～3.12,平均值1.47;偏态(SK)为-2.81～2.42,平均值为0.06;峰度(KG)为0.75～3.82,平均值2.02。根据FOLK图解公式标准[22],大部分柱状样沉积物分选较差,整体上呈近对称;但就单个柱状样而言,多表现为极正偏或极负偏,峰度多呈尖锐峰,指示沉积物在沉积过程中明显受到周边环境的改造。

图4 莱州湾柱状样粒度组分与参数垂向变化示意图Fig. 4 Vertical distribution of the grain size and composition and granularity parameters from Laizhou Bay

依据20个柱状样所处地理位置和粒度特征可划分为4组:①东部屺岛—刁龙嘴海域(Z1～Z5),含有较多的细砾组分;②西部黄河水下三角洲平原(Z14、Z15、Z18～Z20),黏土质组分明显高于其区域;③南部水下岸坡(Z7～9、Z11、Z12、Z16、Z17),粒度组分中,砂质含量占60%～80%,黏土质含量几乎为0;④中部浅海平原(Z6、Z10、Z13),粒度组分虽然也以砂质含量占优势,但粉砂质和黏土质含量明显增加,且在50～60 cm深度内均有明显的变化。

FOLK粒度三角图(图5)显示,莱州湾浅部海域整体上由东(屺坶岛—刁龙嘴海域)向西(黄河水下三角洲)粒度组分逐渐变细,表现为屺坶岛—刁龙嘴海域柱状样多有含砾组分,莱州湾南部水下岸坡多为粉砂质砂,中部浅海平原沉积物主要为砂质粉砂,至黄河水下三角洲沉积物中则多含粉砂和泥。与莱州湾现代表层沉积物类型对比(图6)可以发现,刁龙嘴以西海域柱状样沉积物类型与表层沉积物大致相对应,而屺坶岛—刁龙嘴海域柱状样则呈现出砾含量偏高的特点。砾质含量相对明显的柱状样有Z1、Z3和Z5,有所不同的是Z5砾质组分多分布在柱状样顶层,这与Z5所处位置靠近莱州浅滩有关(图1)。Z1、Z3中砾质组分则集中分布在柱状样中的70 cm、140 cm以下。根据Z1附近海域沉积速率<0.5 cm/a,Z3附近海域沉积速率约为0.9 cm/a(图3),从取样时间(2015年)开始推测沉积年代,至Z1孔深70 cm和Z3孔深140 cm处年代在1855年左右,与黄河改道入渤海的时间基本上可以对应起来。因此,屺坶岛—刁龙嘴海域现代沉积物中粉砂质、黏土质等颗粒较细组分的增加与黄河1855年改道存在一定的关系。

图5 莱州湾柱状样沉积物FOLK粒度三角图Fig. 5 FOLK grain triangular diagram of core samples in Laizohu Bay

图6 莱州湾表层沉积物类型[37]Fig. 6 Surficial sediments types in Laizhou Bay[37]

5 讨论

5.1 粒度组分对海洋环境的响应

屺坶岛—刁龙嘴海域 (Z1—Z5)概率累积曲线表现为低斜的一段式,表明悬移质占绝对优势。粒度直方图显示,细砾和黏土含量都比较高(图7)。结合FOLK粒度三角图信息(图5),屺坶岛—刁龙嘴海域柱状样多含泥砾组分,具有典型重力流特征,分选性极差,说明该海域的动力条件相对较弱,且底床沉积物的颗粒略粗,需要较大的临界起动速度。在较弱的动力条件下,发生再悬浮的几率相对较小,致使东部海域的含沙量低于西部(图2(d))。

图7 粒度含量直方图与概率累积曲线图Fig. 7 Histogram of grain size content and probability accumulation curves

黄河水下三角洲(Z14、Z15、Z18～Z20)概率累积曲线表现为低斜多段式跃移质总体含量较多,粒度直方图呈负偏态,黏土含量较高(图7)表明所处环境比较动荡,能量不稳定,处于重力流后期,能量衰减并向牵引流转化,沉积物分选逐渐变好。

南部水下岸坡(Z7—Z9、Z11、Z12、Z16、Z17)粒度组分主要为砂质和粉砂质,粒度直方图呈正偏态并具尖锐的峰,概率累积曲线具有较高斜率,说明主要由推移质和跃移质2段组成,仅在靠近黄河水下三角洲和屺坶岛—刁龙嘴海域有一定悬移质(图7)。这一现象反映受多组多向水流反复冲刷环境影响,分选较好。底质属细砂和粉砂质(图2(b)),这种泥沙活动性强,在波浪、潮流作用下易于起动悬浮、推移搬运,是本区水域泥沙淤积的主要来源。莱州湾南部地势自岸向中心呈箕状缓倾,等深线与岸线基本平行,河口水深浅,小清河、弥河、潍河等中小河流入海口多海底冲刷槽,破波带范围较宽,具备形成多组多向水流的条件。

中部浅海平原(Z6、Z10、Z13)粒度直方图大致呈对称分布,相比南部水下岸坡,黏土含量有所增加,概率累积曲线整体斜率较高,包括了推移质、跃移质和悬移质3段(图7)。结合莱州湾内洋流季节性变化,可以认为中部海域沉积环境水动力较强,物质来源多样。

5.2 沉积环境与浅部海域地形

各柱状样在萨胡沉积环境判别图(图8(a))上,屺姆岛—刁龙嘴海域和黄河水下三角洲的柱状样均落点在重力流区域内,虽然重力流沉积多形成于(半) 深海和深湖环境[38],但结合莱州湾东西等深线变化可以发现,该区域高差变化较大(图8(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)),存在形成类似重力流沉积的斜坡[39-40],因此在该浅海区形成了类似于重力流沉积环境。但是,二者沉积环境在成因上是存在差别的,屺姆岛—刁龙嘴海域等深线变化剧烈,在极短的水平距离内,高程迅速降至海平面10 m以下,岸线与河流输送物质在重力作用下沿陡坡向下,堆积在等深线10 m附近的范围;黄河水下三角洲等深线在2～10 m变化,主要沉积物形成于1976—1996年黄河行水期间,1996年黄河向北改道后,莱州湾内的水下三角洲在波浪、潮汐、极端天气等因素影响下整体进入侵蚀状态[31]。相关研究表明,黄河入海泥沙难以跨越等深线传输,而基本在近岸海域发生快速沉积,例如,在黄河口海域的南北近岸,入海沉积物在潮流切变锋的作用下输运方向相反而无法沉积,从而形成了近岸侵蚀区[41-42]。Z14、Z18、Z19位于黄河水下三角洲斜坡,与莱州湾浅海平原存在5～7 m 的高差;Z15、Z20处于黄河旧河道冲刷形成的凹槽中,与周边拦门沙也有5～7 m的高差[43],原有水下三角洲沉积物(1976—1996年)在重力作用下形成了再次沉积。南部水下岸坡柱状样在萨胡沉积环境判别图(图8(a))上相对分散,包含了风、滨海、河流、浅海等多种成因类型,说明外部动能由西向东减小。中部浅海平原沉积环境以浅海为主,但柱状样因所处位置不同,沉积环境也存在差异,其中Z6所在位置流动性较小,表现为重力流沉积,靠近黄河水下三角洲的Z13相比Z10也有向重力流沉积靠近的趋势。

(a).萨胡沉积环境判别图;(b).莱州湾等深线图;(c).莱州湾地形图;(d).A-A’剖面图;(e).B-B’剖面图;(f).C-C’剖面图;(g).D-D’剖面图图8 莱州湾柱状样萨胡沉积环境判别图与地形信息图Fig. 8 Discriminant diagram of Sahu sedimentation setting and the terrain of Laizhou Bay

5.3 物源差异与环境敏感粒度组分

目前,莱州湾沉积物物源主要来自3个方向:西部黄河,南部小清河、弥河、潍河等中小河流及岸滩侵蚀,东部的海岸侵蚀和界河、朱桥河等短源河流。粒径-标准偏差曲线(图9(a))显示,屺坶岛—刁龙嘴海域包含最粗的环境敏感粒度组分(φ=-2),这与东岸海岸性质和沿岸河流输入物质有一定的关系[44]。屺坶岛—刁龙嘴海域、黄河水下三角洲、中部浅海平原以及南部水下岸坡Z9、Z17的环境敏感粒度组分(φ=8)与莱州湾内的沉积环境存在一定关系[19]:在东西部各有一支南向的泥沙流,但强度都不大,东部由屺坶岛起始只能抵达胶莱河口以东(Z9),西部由黄河口最远到达小清河口(Z17)。

图9 柱状样粒径-标准偏差曲线(a)与3≤φ≤4 组分含量特征(b)Fig. 9 Grain size-standard deviation curves(a) and 3≤φ≤4 content in cores(b)

3≤φ≤4为所有柱状样共有的环境敏感粒度组分,通过对比其含量特征值变化,可有效分析莱州湾浅部海域地貌单元的沉积特征(图9(b))。目前,大风天气对莱州湾南岸的影响较黄河水下三角洲要小得多,主要影响近岸泥沙输运[20],这是因为南部水下岸坡的柱状样大多位于水下2～5 m,距岸相对较远;而南岸由于气候和人为原因,小清河、弥河、潍河等河流的入海水、沙量急剧减少,对水下岸坡影响极小[45]。南部水下岸坡((Z7—Z9、Z11、Z12、Z16、Z17)的环境敏感粒度组分最低含量大多>80%,且含量变化非常小,结合沿岸河流及大风天气影,可以说明该区域虽然受到沿岸河流及大风天气影响,但其所处的沉积环境总体上比较稳定。

6 结论

(1)莱州湾现代沉积环境受洋流、潮汐、波浪、极端天气、水下地貌、沿岸河流等一系列外力因素的影响,虽然存在沉积物粒度特征的区域差异,但成因和分布特征具有明显的关联,可以划分为屺坶岛—刁龙嘴海域、黄河水下三角洲、南部水下岸坡和中部浅海平原4个地貌单元,其中黄河水下三角洲形成时间略晚于其他3个地貌单元。

(2)东部屺坶岛—刁龙嘴海域粒度组分突变与黄河1855年改道在时间上有较好的对应关系,其与黄河水下三角洲表现为类似重力流沉积环境,但屺坶岛—刁龙嘴海域更多是由于高程的急剧变化引起的,而黄河水下三角洲主要成因是早期三角洲沉积物在一系列外力作用下的再次沉积。

(3)南部水下岸坡沉积环境虽然受风、河流及海洋多种因素影响,但整体上处于一个相对稳定的沉积环境中。中部浅海平原因所处位置不同,表现为不同类型的沉积环境。