馮秀麗,劉文濤,林 霖,尉建功,隋倩倩

(中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院,山東青島266100)

黃河自1976年從刁口河改走清水溝入海以來,老黃河口附近海域沉積物供應(yīng)不足,岸灘及水下岸坡遭受強烈的沖刷。經(jīng)過三十幾年的波浪及潮汐沖刷改造,埕島海域經(jīng)歷了3個沖淤調(diào)整階段[1]?，F(xiàn)已進(jìn)入以沖刷為主的沖淤調(diào)整階段。黃河三角洲埕島海域是勝利油田海上采油的重要區(qū)段,油井分布范圍達(dá)500 km2,在此埕島油田建設(shè)了大量的海上采油平臺和輸油輸水管線,創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。

本文通過對現(xiàn)代黃河三角洲埕島海域146個表層樣的粒度分析研究了該區(qū)沉積物粒度分布特點、沉積物類型與分布以及沉積物的凈輸運趨勢。研究區(qū)所在位置及調(diào)查點站位如圖1所示。研究區(qū)位于老黃河口以東,黃河海港以西的埕島海域(圖中陰影部分)。研究區(qū)靠近黃河三角洲的無潮區(qū),潮流為NW-SE向的往復(fù)流,流速很大。研究區(qū)波浪以風(fēng)浪為主,受冬季東北風(fēng)的影響,區(qū)域強浪向為NE-NNE。李為華等[2]研究表明潮流及波高大于1.5 m的波浪就會對研究區(qū)內(nèi)表層沉積物有明顯的掀沙作用,10 m等深線以外海區(qū)潮流對泥沙的啟動和搬運起主要作用,因水較深,波浪的影響頻率要比岸邊小得多。埕島海域沉積物運移主要有塊體運動和懸浮流動(懸沙或懸移質(zhì))2種方式。此外,還有因風(fēng)暴潮過程引起的海底沖刷侵蝕、沉積物再懸浮產(chǎn)生的高濃度浮流和高密度重力流等作用[3]。懸沙主要由水下岸坡原有沉積物再懸浮而來或是由平行海岸的潮流搬運而來。正常海況下,懸浮沉積物濃度平均為20～50 mg/L,底層濃度可達(dá)100 mg/L以上;有風(fēng)浪時,懸浮沉積物濃度平均可達(dá)250 mg/L左右,底層可達(dá)1 000 mg/L左右。馮秀麗等[4]對本區(qū)海域懸沙運動研究表明秋季懸浮泥沙運移趨勢是由東南向西北,而春季懸浮泥沙的運移趨勢是由東北向西南。埕島海域現(xiàn)在的海底上主要存在5種微地貌形態(tài)區(qū):沖蝕地貌區(qū)、滑動擠壓脊和塌陷凹坑地貌區(qū)、侵蝕殘留崗丘或臺地、斑狀海底地貌區(qū)、粗糙和平滑海底。研究區(qū)海底主要以粗糙和平滑海底為主,海底平坦,坡度平緩[5]。

1 研究資料與研究方法

1998年6月中國海洋大學(xué)在埕島海域共取了146個表層樣,進(jìn)行了粒度分析。粒度參數(shù)的計算采用M cManus提出的矩算法,每個樣品計算3個粒度參數(shù):平均粒徑(μ)、分選系數(shù)(σ)、偏態(tài)(Sk),沉積物命名采用Fo rk命名規(guī)則。通過Gao和Collins提出的粒徑趨勢分析并結(jié)合海底的沖淤演化規(guī)律以及冬夏兩季沉積物運移特點共同闡述埕島海域沉積物的凈輸運方向[6-7]。

通過對沉積物的粒度分析通?？梢垣@得4個表示沉積物粒度分布狀態(tài)或描述粒度頻率曲線和累積曲線形狀的參數(shù),包括平均粒徑(μ)、分選系數(shù)(σ)、偏態(tài)(Sk)、峰態(tài)(Kw)。在同一個沉積環(huán)境中,由于顆粒的磨損、選擇性搬運和不同來源物質(zhì)的混合等造成底質(zhì)的粒度分布往往隨采樣點而異。加拿大地質(zhì)學(xué)家M cLaren提出沉積物凈輸運方向必定與粒度參數(shù)(平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)等)的某種空間變化形式相聯(lián)系。根據(jù)這一思想,逐步建立了“粒徑趨勢分析”的方法,以找出粒度特征與物質(zhì)運動格局之間的聯(lián)系。

粒徑趨勢是指沉積物粒度參數(shù)平面分布的變化趨勢。假設(shè)2個采樣點A、B,利用平均粒徑(μ)、分選系數(shù)(σ)和偏態(tài)(Sk)可以構(gòu)成8種從采樣點A到采樣點B的粒徑趨勢。其中基于經(jīng)驗的證據(jù),在凈輸運方向上有2種類型的粒徑趨勢有更高的出現(xiàn)頻率。

圖1 研究區(qū)位置及調(diào)查點站位圖Fig.1 The study area and stations of surface sediment samp ling

一是沉積物在運移方向上分選更好、粒徑變細(xì)且更加負(fù)偏;二是沉積物在運移方向上分選更好、粒徑變粗且更加正偏。這2種粒徑趨勢可表示為σA>σB,μA<μB,SkA>SkB;σA>σB,μA>μB,SkA

Gao S等提出了1個二維的粒徑趨勢分析方法:首先在采樣點網(wǎng)格上對每2個相鄰的采樣點進(jìn)行比較,找出所有的粒徑趨勢矢量。2個采樣點是否“相鄰”,可用特征距離Dcr來衡量(Dcr通常用最大采樣間距)。如果2采樣點的實際間距小于Dcr,則判定為“相鄰”,否則判定為“不相鄰”。然后求出每個采樣點的趨勢矢量的和。合矢量由下式計算:

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積物類型與粒度參數(shù)特征

埕島海域沉積物類型分布和粒度參數(shù)(平均粒徑、分選系數(shù)和偏態(tài))的等值線的特點都是呈斑塊狀分布,見圖2～5。

根據(jù)粒度分析成果繪制了研究區(qū)沉積物類型分布圖(見圖2)。該區(qū)沉積物可劃分為砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂、粉砂、砂質(zhì)泥和泥5中類型。如圖該研究區(qū)沉積物以砂質(zhì)粉砂為主體,其它類型沉積物呈斑塊狀分布其中。其中以粉砂分布面積最大,區(qū)塊最多。砂質(zhì)泥有幾處零星分布,面積不大。粉砂質(zhì)砂和泥分別有一處分布。該區(qū)沉積物類型以砂質(zhì)粉砂為主,僅局部存在少量泥和砂質(zhì)泥分布,反映了經(jīng)過幾十年的沖淤調(diào)整,該區(qū)底質(zhì)已普遍粗化。

砂質(zhì)粉砂分布于整個研究區(qū),是該區(qū)最主要的沉積物類型。粉砂粒級含量在47%～80%,平均含量70%,以粗粉砂為主,平均含量為45%;砂粒級(主要為極細(xì)砂)含量在10%～40%;黏土含量較低,平均在8%左右;平均粒徑為4.4～6.0Φ,分選差,普遍正偏。

粉砂主要分布在研究區(qū)的中部,呈離散的孤島分布在砂質(zhì)粉砂之中,有3個主要分布區(qū),最大一處位于研究區(qū)東南,全部面積不超過1.8 km2。粉砂粒級含量在74%～88%之間,以粗粉砂和中粉砂為主;砂粒級含量較少,一般在9%以下;黏土含量在5%～19%之間,變化較大,平均含量為12%;平均粒徑為5.3～6.0Φ,分選差。

粉砂質(zhì)砂只出現(xiàn)在研究區(qū)的西南部,分布面積不大。砂粒級含量占50%～66%,主要是極細(xì)砂,含量可占到總重的50%～65%;粉砂(主要是粗粉砂)含量在34%～48%之間,極細(xì)砂和粗粉砂2個粒級的含量可占到85%以上;黏土含量極少,不到2%;平均粒徑為4.0～4.3Φ,分選較好。

砂質(zhì)泥在本研究區(qū)有二處分布,面積都不大。粉砂含量在49%～54%之間,黏土含量大于30%,砂粒級(主要是極細(xì)砂)含量在15%～21%之間;平均粒徑為6.0～6.2Φ,分選很差。

泥質(zhì)沉積只出現(xiàn)在研究區(qū)的東北部,只有1個調(diào)查站位位于其中。樣品粉砂含量達(dá)50%,黏土含量在46%左右,砂粒級含量較少,在4%左右;平均粒徑7Φ,分選差。

研究區(qū)內(nèi)沉積物的平均粒徑的范圍在4～7Φ之間,以5～6Φ的中粉砂所占面積最大,4～5Φ的粗粉砂只出現(xiàn)在研究區(qū)的西北和西南兩處,6～7Φ的細(xì)粉砂只在東北偏西的地方有2處,分布面積很小。研究區(qū)內(nèi)沉積物整體正偏且普遍分選差,中等分選只集中在西南部。

圖2 底質(zhì)沉積物類型分布圖Fig.2 Distribution of categories of surface sediment

圖3平均粒徑等值線(Φ)Fig.3 Contoursof mean grain size(Φ)

圖4 分選系數(shù)等值線Fig.4 Contours of sorting coefficient

圖5 偏態(tài)等值線Fig.5 Contours of skew ness沉積物凈輸運趨勢

研究區(qū)內(nèi)沉積物凈輸運趨勢(見圖6),以近平行海岸的南東向的凈輸運趨勢為界,可以將研究區(qū)內(nèi)沉積物凈輸運趨勢分為向岸與離岸兩種趨勢。這條界線大致位于12 m水深處(以當(dāng)?shù)乩碚撋疃然鶞?zhǔn)面為參照面)。研究區(qū)內(nèi)位于界線向岸一側(cè)的沉積物凈輸運趨勢呈離岸輸運。位于界線離岸一側(cè)的沉積物呈向岸輸運且大部分區(qū)域有近垂直于海岸的輸運趨勢。

本海區(qū)海岸朝向北,與NNE向的強風(fēng)向相對。波浪作用是本區(qū)水下岸坡塑造的主要動力因素。風(fēng)浪場具明顯的季節(jié)變化。冬季常風(fēng)向及強風(fēng)向均為北向風(fēng),朝向海岸,風(fēng)力強,形成的波浪大;夏季常風(fēng)向為西南向風(fēng),背向海岸,風(fēng)力弱,波浪小[8]。這種不同的水動力條件造成本區(qū)海岸及水下岸坡沉積物不同的運移方向。冬季海岸及水下岸坡經(jīng)過冬季強風(fēng)浪的作用,深水區(qū)沉積物向岸輸運造成沖刷,淺水區(qū)淤積,岸坡坡度整體變陡。夏季風(fēng)浪作用弱,波浪作用使深水區(qū)淤積,淺水區(qū)沖刷。由研究區(qū)內(nèi)沉積物凈輸運趨勢可以看出,大約以12 m水深為界,深水區(qū)的凈輸運趨勢向岸,冬季時沉積物的向岸輸運的作用大于夏季時沉積物的離岸輸運的作用;12 m以淺的海域,沉積物具有離岸的凈輸運趨勢,夏季沉積物的離岸輸運的作用大于冬季沉積物的向岸輸運的作用。

1976年黃河改走清水溝流路,該區(qū)海域陸源物質(zhì)斷絕,海岸及水下岸坡遭受強烈的沖刷作用。1992年后該區(qū)進(jìn)入以沖為主的沖淤調(diào)整階段,水下地形坡度和波浪能量整體向岸衰減的速度之間已逐漸趨于平衡,凈沖刷量明顯小于由于季節(jié)變化造成的水下岸坡沖淤調(diào)整幅度[1],沉積物運移的季節(jié)變化已成為研究區(qū)海域沉積物運移的主要控制因素。

圖6 底質(zhì)沉積物凈輸運矢量分布圖Fig.6 Distribution of seabed sediment transport vectors

3 結(jié)論

(1)埕島海域沉積物類型呈斑塊狀分布,該區(qū)沉積物可劃分出砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂、粉砂、砂質(zhì)泥和泥等5中類型,以砂質(zhì)粉砂為主體。極細(xì)砂與粗粉砂是沉積物的主要粒級。沉積物分選差,整體呈正偏,反映該區(qū)底質(zhì)普遍粗化。

(2)研究區(qū)的沉積物的凈輸運趨勢大致以12 m水深為界,深水區(qū)的沉積物凈輸運趨勢向岸,12 m以淺海域的沉積物具有離岸的凈輸運趨勢,說明深水區(qū)沉積物運移受冬季風(fēng)浪作用向岸運移作用顯著,12 m以淺海域的沉積物受夏季風(fēng)浪作用離岸運移作用顯著,沉積物運移的季節(jié)變化成為研究區(qū)海域沉積物凈運移的主要控制因素。

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