(國家海洋局 南海工程勘察中心,廣東 廣州 510300)

沉積物的粒度分析對于研究沉積物的來源、運移機制,了解沉積環(huán)境具有十分重要的意義。沉積物顆粒大小受流水營力的控制,粒度分布特征受物源和沉積水動力環(huán)境控制。從沉積物的粒度特征中能提取沉積環(huán)境的有關信息,或進行沉積環(huán)境的辨識[1-4]。如石英顆粒平均粒徑與重礦物顆粒平均粒徑比率可用來區(qū)分海灘砂和沙丘砂,并作為一種區(qū)分風成成因還是水成成因的途徑。利用C-M圖區(qū)分出砂的推移和懸移搬運方式[5]。隨著激光粒度儀的廣泛應用,使得沉積物粒級頻率分布的細微變化也能反映出來。海洋沉積物粒度與沉積環(huán)境的關系的研究也逐漸多樣化。包括利用沉積物參數(shù)特征探討水動力環(huán)境[6-7]和物源[8];利用粒徑趨勢分析方法來研究沉積物輸運途徑[9-12]。而多元統(tǒng)計方法和地統(tǒng)計分析方法引入到沉積物粒度分析中[13-15],使得定量研究沉積物粒度與水動力的關系成為可能。與此同時,對潮間帶(潮灘)沉積物粒度也開展了大量的研究工作,如潮灘沉積物粒度的時空分布特征[16-19]、潮間帶水動力特征[20-22]等。

本文利用粒度參數(shù)、粒徑分布和多元統(tǒng)計分析方法來探討湛江海區(qū)海島潮間帶表層沉積物的運移方式和沉積環(huán)境。

1 研究區(qū)概況及分析方法

1.1 研究區(qū)概況

湛江海區(qū)地處109°30′～110°40′E,21°10′～21°30′N,該海區(qū)內分布大小島嶼(不含礁石)共 31個(據(jù)廣東省908海島統(tǒng)計數(shù)據(jù)),絕大多數(shù)海島屬于堆積成因島嶼。湛江海區(qū)屬不規(guī)則半日潮,平均潮差2 m左右,潮流類型為往復流,流向受岸線和海底地形控制。漲潮流歷時長于落潮流歷時,落潮流速大于漲潮流速[23]。沿岸表層海流,冬季以SW向漂流為主;夏季以NE向漂流為主,近岸范圍有一股狹窄的SW向沿岸密度流[23]。

現(xiàn)場調查表明,湛江灣及附近海域,除特呈島出露的潮間帶主要為紅樹林灘外,其他海島如東海島、南三島、硇洲島等出露的潮間帶類型以沙灘為主;雷州半島東部海域,北莉島、東松島、六極島等諸島出露潮間帶以粉砂-淤泥質潮灘為主,局部岸段出露紅樹林潮灘。

1.2 分析方法

分析樣品來自 2008年6～12月在廣東省湛江市管轄包括東海島、南三島、硇洲島、北莉島、東松島等在內的29個海島上布設60條調查剖面,分別編號1～60,其中1～43號剖面采集高、中、低潮表層樣品(每條剖面3個樣品),44～60號剖面僅采集中潮表層樣品(每條剖面1個樣品),共計136個樣品,采樣剖面編號示意圖見圖1。沉積物樣品均用采樣勺采集,為保證粒度分析的有效性,所有沉積物樣品都在低潮剖面出露時采集,并控制在表層下 0～10cm 深度范圍內。室內分析流程如下：首先利用篩析法分析大于 0.063 mm的粗顆粒物不同粒級的含量,將小于0.063 mm的細顆粒物置于燒杯中,加入15 mL 3%的雙氧水浸泡 24 h,去除有機質,然后加入 5 mL 3 mol/L的稀鹽酸浸泡24 h,去除沉積物中的鈣質膠結物及生物貝殼,其后將樣品進行反復離心、洗鹽直至溶液呈中性為止。處理后的樣品經(jīng)超聲波振蕩分散后上機測試。粒度分析使用的儀器為英國Malvern公司生產的Mastersizer 2000 型激光粒度儀,測量范圍為0.02～2 000 μm。粒級統(tǒng)一使用尤登—溫德華氏等比值粒級標準表示,平均粒徑(Mz)、標準偏差(σi)、偏態(tài)(Ski)、峰態(tài)(Kg)等粒度參數(shù)采用Folk—Ward圖解法公式進行計算[24-25]。

圖1 湛江海區(qū)海島潮間帶表層沉積物剖面編號Fig.1 The map showing the coding of island intertidal surface sediment sampling section,Zhanjiang offshore area

2 結果與討論

2.1 沉積物命名

研究區(qū)沉積物的分類和命名采用?？说热说某练e物粒度三角圖解法對不含礫和含礫沉積物分別命名[26]。根據(jù) Folk沉積物分類結果,研究區(qū)潮間帶不含礫沉積物主要為砂和粉砂質砂;含礫沉積物主要為礫質砂,其次為含礫泥質砂和含礫砂。粉砂質砂主要發(fā)現(xiàn)于中潮帶和低潮帶,高潮帶沉積物類型基本為砂。含礫泥質砂和含礫砂主要發(fā)現(xiàn)于中潮帶和低潮帶,高潮帶主要沉積物類型為礫質砂(圖2)。

2.2 表層沉積物粒度參數(shù)特征

沉積物粒度參數(shù)的計算,Folk-Ward 公式物理意義明確,精確度很高,應用最為廣泛[27]。計算的結果表明研究區(qū)潮間帶表層沉積物平均粒徑為-0.36φ～5.98φ,平均值為2.55φ;標準偏差為0.43～4.76,平均值為 1.38;偏態(tài)為-4.39～0.72,平均值為0.10;峰態(tài)為0.10～6.63,平均值為1.36。

Folk和 Ward建立了一套使用標準偏差、偏態(tài)和峰態(tài)來評價沉積物分選性、粒度分布對稱性和粒度頻率曲線尖銳程度標準[28],本文使用該標準評價研究區(qū)潮間帶表層沉積物粒度特征。從圖3可以看出沉積物平均粒徑主要分布在 1φ～3φ之間;多數(shù)沉積物分選較差,其次為分選較好和分選差,少數(shù)為分選好和分選中等;粒度分布曲線有一半以上呈近對稱狀,其余曲線基本呈正偏態(tài),尖銳度多數(shù)呈中等尖銳狀,其次呈很尖銳狀和尖銳狀。

2.3 表層沉積物粒度C-M圖解

以累積 1%最粗顆粒粒徑值和中值粒徑值投影在對數(shù)坐標平面上,得到研究區(qū)海島潮間帶表層沉積物粒度C-M圖[5,25]。

利用粒度象分析沉積作用水動力狀況,可以反映一定粒級顆粒主要搬運機制。根據(jù)常見的搬運和沉積類型,利用C=1000、M=200,100和15 μm將沉積物分為Ⅰ～Ⅸ區(qū)[25]。從C-M圖上看(圖4),研究區(qū)海島潮間帶沉積類型主要分為 3類：第一類分布在Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū),含滾動顆粒,為靠近源區(qū)處沉積;第二類分布在Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū),以中等—高擾動遞變懸浮沉積為主;第三類分布在Ⅵ區(qū)和Ⅶ區(qū),為遞變懸浮和均勻懸浮沉積。

圖2 湛江海島潮間帶表層沉積物?？朔诸惾菆DFig.2 The Folk classification map of island intertidal surface sediments,Zhanjiang offshore area

圖3 湛江海島潮間帶表層沉積物平均粒徑、分選性、分布曲線對稱性和尖銳度頻率分布圖Fig.3 The frequency distribution maps of mean grain-size,grading and symmetry and acutance of distribution curve of the island intertidal surface sediment of Zhanjiang offshore area

圖4 湛江海島潮間帶表層沉積物粒度C-M圖解Fig.4 The grain-size C-M diagram of island intertidal surface sediments of Zhanjiang offshore area

2.4 表層沉積物粒度頻率曲線與概率累積曲線

研究區(qū)海島潮間帶表層沉積區(qū)粒度頻率曲線主要為單峰態(tài)和雙峰態(tài),兩者所占比例大致相等,三峰態(tài)則相對較少。單峰態(tài)、雙峰態(tài)對應的概率累積曲線多數(shù)為三段式,三峰態(tài)對應的概率累積曲線多為二段式。典型粒度頻率曲線與概率累積曲線見圖5。

三段式曲線由躍移組分和懸移組分組成,普遍缺乏滾動組分,從躍移組分延伸的情況看,即使存在滾動組分,其含量一般在 1%～2%以下;躍移組分具有明顯的兩段式特征;粗細兩段的截點位于4φ～6φ之間;粗粒段的斜率明顯大于細粒段,即粗粒段分選比細粒段好。這反映了潮間帶雙向流沉積作用;粗粒段代表動力較強的落潮流沉積,細粒段代表動力較弱的漲潮流沉積。懸移組分斜率明顯地小于躍移組分,其含量一般在 10%以下,躍—懸移組分分界點一般位于 6φ～8φ之間。

圖5 湛江海島潮間帶表層沉積物典型粒度頻率曲線與概率累積曲線Fig.5 Typical grain-size frequency curves and probability cumulative curves of island intertidal surface sediments of the Zhanjiang offshore area

二段式曲線由躍移組分和懸移組分組成,其截點變化區(qū)間較寬(一般介于 2φ～4φ)。截點的大小可以反映搬運介質的擾動強度,強度高的在較粗粒度上發(fā)生截斷。從截點區(qū)間來看,調查區(qū)二段式曲線所對應沉積物搬運強度為中等～高。

一段式由單一的直線段組成,為單一方式搬運,這種直線的斜度都小于 50°,在寬的區(qū)間內延伸,本類曲線可能代表水速及密度均較大,全部沉積物均呈懸浮負載。

粒度累積曲線與C-M圖存在較好的對應關系,如一段式全部分布在C-M圖中的Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)內;二段式主要分布在C-M圖中的Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)內;三段式較復雜,一部分分布在C-M圖中Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)內,另一部分分布在Ⅵ區(qū)和Ⅶ區(qū)內。

2.5 表層沉積物粒度聚類分析和因子分析

2.5.1 聚類分析

為分析表層沉積物的粒級組成及其相互關系,對研究區(qū)海島潮間帶表層沉積物粒度數(shù)據(jù)進行了 R型聚類分析和 R 型因子分析。沉積物φ粒度聚類分析結果見圖6,以距離15為界,14個粒級基本可劃分為 4 組：＜-1φ～2φ、3φ、4φ和 5φ～＞11φ。沉積物相關性分析結果見表1,根據(jù)相關性可以將粒徑分為兩組：一組為細粒組分(5φ～＞11φ),另一組為粗粒組分(＜-1φ～4φ)。細粒組分之間的相關性較大,該粒徑范圍代表粉砂和黏土;粗粒組分之間的相關性較小,該粒徑范圍代表礫石和砂;粗、細組分之間的相關性也較小。

粉砂和黏土為沉積物中的懸移(包括遞變懸移和均勻懸移)組分,系弱水動力沉積的產物,含量較穩(wěn)定,因此相關性也很大。礫石和砂為沉積物中的推移組分,在機械搬運和沉積作用過程中,一般呈側向加積,系較強水動力沉積的產物,可能由于海灘受海水作用而被擾動,再沉積過程中,粗粒物質來不及分異,而混雜在一起,含量變化較大,因此相關性也較小。

圖6 湛江海島潮間帶沉積物粒度R型聚類分析Fig.6 The grain-size R-type clustering analysis of island intertidal surface sediment of the Zhanjiang offshore area

表1 湛江海區(qū)海島表層沉積物各粒級相關系數(shù)Tab.1 The correlation coefficients among different grain-size grades of island intertidal surface sediments of the Zhanjiang offshore area

2.5.2 因子分析

研究區(qū)海島潮間帶表層沉積物粒度資料的 R型因子分析主要結果見表2。表2中方差極大因子載荷表明,因子1特征值比例占49.89%,因子2特征值比例占16.88%,因子3特征值比例占14.397%,因子4特征值比例占7.84%,前4個因子特征值比例累計占88.58%。將粒級變量與 4個主因子載荷值投影到坐標平面上,得到因子載荷圖(圖7)。

表2 湛江海島潮間帶表層沉積物粒度方差極大旋轉因子載荷Tab.2 The grain-size varimax rotation factor loading values of island intertidal surface sediments,the Zhanjiang offshore area

圖7 湛江海島潮間帶表層沉積物粒度因子載荷圖Fig.7 The grain-size factor loading map of island intertidal surface sediments of the Zhanjiang offshore area

因子1主要由5φ～＞11φ的正載荷組成,該粒徑范圍代表黏土和粉砂組分;因此,因子1在黏土和粉砂組分上有較大的正載荷。從因子載荷圖上看,該粒徑范圍以懸移沉積為主,為極細組分的均勻懸移沉積。

因子 2主要由＜-1φ～1φ的正載荷組成,該粒徑范圍為沉積物中的極粗砂到粗砂組分;因此,因子 2在極粗砂到粗砂組分上有較大的正載荷。從因子載荷圖上看,該粒徑范圍以推移沉積為主。

因子 3主要由 4φ的正載荷和 2φ的負載荷組成,4φ是極細砂與粗粉砂的分界,2φ是中砂與細砂的分界;因此,因子3在極細砂與粗粉砂的分界處有較大的正載荷,而在中砂與細砂的分界處有較大的負載荷。從因子載荷圖上看,該粒徑范圍代表以躍移沉積為主。

因子 4主要由 3φ的負載荷組成,3φ是細砂與極細砂的分界;因此因子 4在細砂與極細砂的分界上有較大的負載荷。從因子載荷圖上看,該粒徑范圍以躍移沉積為主。

3 結論

(1)粒度概率累積曲線反映出 3類水動力環(huán)境：第一類曲線為三段式,搬運方式包括懸移和躍移,躍—懸移分界點為 6φ～8φ,由于潮間帶雙向流沉積,根據(jù)水動力強弱,分為兩段,截點為 4φ～6φ;第二類曲線為二段式,搬運方式包括懸移和躍移,躍—懸移分界點2φ～4φ,反映的沉積物搬運強度中等;第三類曲線為單一直線段,水動力強,僅懸浮一種搬運方式。第一、二類曲線代表強、弱水動力共同作用的沉積;第三類曲線為單一強水動力沉積。(2)粒度R型聚類分析結果表明弱水動力沉積的細顆粒物含量穩(wěn)定,不同粒級間相關性大;強動力沉積的粗顆粒物由于海水擾動,含量變化大,不同粒級間相關性小。(3)R型因子分析與粒度概率曲線有較好的一致性。從粒度R型因子分析來看,因子1由5φ～＞11φ的正載荷組成,為均勻懸移沉積;因子2由＜-1φ～1φ的正載荷組成,以推移沉積為主;因子 3由 4φ的正載荷和2φ的負載荷組成;因子4由3φ的負載荷組成,以躍移沉積為主。

致謝：兩位審稿專家提出了寶貴的修改意見,在此表示衷心的感謝！

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