王曉磊, 馮秀麗, 劉 瀟, 劉 杰, 權(quán)永崢

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院, 山東 青島 266100; 2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所, 山東 青島266061)

沉積物粒度特征對(duì)于研究沉積物的物質(zhì)來(lái)源、運(yùn)移機(jī)制及分析沉積環(huán)境具有重要意義[1-2]。沉積物粒度大小與水動(dòng)力大小密切相關(guān), 而沉積物粒度分布受物源、沉積水動(dòng)力環(huán)境等因素的控制[3]。

渤黃海冬夏季季風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)及沉積物輸入有著明顯差異, 沉積環(huán)境區(qū)別大, 這就造成了某些區(qū)域表層沉積物粒度特征在冬、夏兩季存在較大的差異。王偉等[3]、朱玉榮等[4]、張憲軍等[5]對(duì)渤、黃海表層沉積物粒度特征進(jìn)行了不同程度的研究。喬淑卿等[6],藍(lán)先洪等[7]對(duì)渤黃海沉積物粒度運(yùn)移特征也有很多研究。但都沒(méi)有對(duì)季節(jié)性差異進(jìn)行分析。

本文通過(guò)粒度分析對(duì)冬、夏季黃渤海表層沉積物分布特征進(jìn)行分析, 進(jìn)而探討渤黃海冬、夏兩季沉積環(huán)境對(duì)海底表層沉積物粒度特征的影響。本文對(duì)于研究渤黃海表層沉積物沉積特征的影響機(jī)制, 及冬、夏沉積物粒度特征的季節(jié)性差異提供依據(jù)。

1 樣品及分析方法

1.1 樣品采集

分析樣品取自渤海、黃海海底表層沉積物, 分別于2011年12月(冬季)、2012年5月(夏季)取樣, 共75個(gè)樣品, 可大致代表冬、夏兩季的沉積物底質(zhì)狀況, 采樣點(diǎn)離岸較遠(yuǎn), 但分布較為均勻, 基本覆蓋渤黃海大部分主要區(qū)域, 采樣點(diǎn)分布如圖1。

圖1 取樣站位及水深分布Fig.1 Distribution of sampling stations and the bathymetric map

1.2 分析方法

本文采用粒度實(shí)驗(yàn)方法, 實(shí)驗(yàn)流程為: 將樣品置于燒杯中混合均勻, 加入過(guò)量 10%的 H2O2, 浸泡至不再產(chǎn)生氣泡為止, 以去除有機(jī)質(zhì); 之后加入過(guò)量 0.25 mol/L鹽酸繼續(xù)浸泡至不再產(chǎn)生氣泡, 以去除沉積物中的鈣質(zhì)膠結(jié)物及生物貝殼, 將樣品用蒸餾水離心、清洗3到4次, 并用pH試紙測(cè)試燒杯內(nèi)液體的酸度, 直至溶液呈中性。前處理后的樣品經(jīng)超聲波振蕩分散后上機(jī)測(cè)試, 并按照樣品顆粒大小確定樣品量。粒度分析使用的儀器為英國(guó)Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000 型激光粒度儀, 測(cè)量范圍為0.02~2 000 μm。粒級(jí)統(tǒng)一使用尤登-溫德華氏等比值粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表示, 標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行計(jì)算。差異區(qū)沉積物根據(jù)謝帕德三角圖命名法進(jìn)行命名。

2 沉積物粒度特征

2.1 沉積物粒度參數(shù)

2.1.1 平均粒徑

圖2 平均粒徑(Φ)等值線Fig.2 Contour map of mean grain size

北黃海沉積物平均粒徑冬夏兩季相差不大, 僅西北部近渤海海峽附近海域沉積物粒度存在差異。冬季Φ為 1.59, 夏季增至 1.46。此系由北黃海北部沿岸沉積物冬夏季差異所致。

南黃海海域沉積物平均粒徑在冬夏兩季變化不大。南黃海北部冬季較夏季略細(xì), 而南部冬季較夏季略粗, 但相差不大,Φ僅為3左右。

2.1.2 分選系數(shù)

由圖3可以看出, 渤海海域沉積物分選系數(shù)多在 1.6~2.3, 分選較差。分選系數(shù)在冬、夏兩季存在明顯差異, 由于夏季物源量增大, 夏季較冬季分選明顯變差, 而由于夏季水動(dòng)力較弱, 黃河口以外海域夏季較冬季分選略好。

圖3 分選系數(shù)等值線Fig.3 Contour map of sorting coefficient

北黃海海域沉積物分選系數(shù)多在 1.7~2.4, 受冷水團(tuán)影響夏季比冬季分選更差。

南黃海海域沉積物分選系數(shù)多在1.7~2.2。沉積物分選冬、夏兩季變化特征不明顯, 相鄰海域規(guī)律性較差, 反映了此區(qū)沉積環(huán)境的復(fù)雜性。多數(shù)地區(qū)沉積物分選夏季較冬季變差, 僅北部及中西部部分海域呈現(xiàn)夏季比冬季略好的特征。這些都與冷水團(tuán)的作用密切相關(guān)。

g22g11g23g12-2g12g23g11g23g12-2g13g22g13g21·g12+g13g21g11g22g23+2g11g23g12g21g23-2g13·g21g12g21g23-2g11g23g12g21g13+2g12g23g11g22·g13+2g11g22g12g21g13-2g12g23g12g21g13

2.1.3 偏態(tài)

由圖4可以看出, 沉積物偏態(tài)值變化較明顯。

圖4 偏態(tài)等值線Fig.4 Contour map of skewness

渤海海域總體而言, 夏季沉積物偏態(tài)值較冬季大, 反映夏季沉積物粒度更偏粗的特征。多數(shù)海域沉積物偏態(tài)值相差不大, 僅中北部中部及東南部海域呈現(xiàn)較大差別。中部海域偏態(tài)值從冬季的 0.2~0.38增至夏季0.3~0.47。東南部近渤海海峽南端沉積物偏態(tài)值由冬季的 0.05增至夏季 0.53, 變化較大。渤海中北部遼東灣以南海域呈現(xiàn)出相反的特征, 冬季0.55, 夏季變?yōu)?0.39, 甚至部分海域冬季 0.49, 夏季變?yōu)?.1, 此系與夏季物源量增大有關(guān)。

北黃海沉積物偏態(tài)值冬夏兩季變化較為明顯,呈現(xiàn)出夏季偏態(tài)值較冬季小, 夏季較冬季明顯變粗的特征。受夏季冷水團(tuán)阻隔及物源量增大的影響, 中西部海域沉積物偏態(tài)值冬季0.2, 夏季增至0.5, 而西北部近渤海海峽沉積物夏季較冬季也有著偏態(tài)值明顯變大的特征。

南黃海沉積物偏態(tài)值總體表現(xiàn)為夏季較冬季變大的特征。北部冬季比夏季偏態(tài)值大0.04左右。中部特征相反, 冬季比夏季偏態(tài)值略大。而部分海域呈現(xiàn)相反的特征。中西部海域夏季沉積物偏態(tài)值較冬季略微變小, 但變化不大, 中北部變化值為 0.05左右, 中南部為 0.01左右。這些與冷水團(tuán)的影響密不可分。

2.1.4 峰態(tài)

如圖5, 渤海海域沉積物峰態(tài)值均在 0.075~1.1,變化很小。冬季峰態(tài)值總體較夏季大, 變化值在 0.1左右。渤海東部及東南部近渤海海峽海域, 沉積物峰態(tài)值呈現(xiàn)相反的變化特征, 東部冬季 0.83, 夏季0.92。東南部沉積物峰態(tài)值變化較大, 冬季 1.09, 夏季1.45。造成夏季峰態(tài)值增大與物源量增加, 泥沙來(lái)源區(qū)域增多有關(guān)。

圖5 峰態(tài)等值線Fig.5 Contour map of peak state

北黃海沉積物峰態(tài)值變化較明顯。西部峰態(tài)值冬季較夏季小, 而中部及南部冬季較夏季大, 變化值均在0.01~0.2。此系夏季黃河物源量大, 物質(zhì)來(lái)源較均一所致。

南黃海沉積物峰態(tài)值總體變化不大。部分海域變化較大, 如圖中122°E、34°N附近海域沉積物峰態(tài)值冬季1.38, 夏季1.04。而 123.5°E、35.5°N附近海域峰態(tài)值冬季1.13, 夏季1.63。

2.2 冬、夏季沉積物粒度特征差異區(qū)的分布

通過(guò)以上沉積物粒度特征的分析, 結(jié)果表明渤黃海表層沉積物在冬、夏兩季存在粒度特征差異的區(qū)域主要集中在渤海中北部海域(圖6, A 區(qū)), 渤海中南部地區(qū)(圖6, B區(qū)), 北黃海西北部近渤海海峽北部海域(圖6, C區(qū)), 山東半島東北部(圖6, D區(qū)), 南黃海中部(圖6, E區(qū))。

圖6 沉積物冬、夏季粒度特征差異區(qū)平面分布圖Fig.6 Plane distribution of zones with different sediment's grain size characteristics between winter and summer

3 冬、夏季沉積物粒度特征差異的影響因素分析

影響冬夏季沉積物粒度特征差異的沉積環(huán)境因素有物源、地形地貌、水動(dòng)力環(huán)境等, 而陸架環(huán)流(如黃海暖流、沿岸流)、波浪等為影響水動(dòng)力環(huán)境的重要因素。在這些因素綜合作用下, 形成了冬夏兩季不同的表層沉積物分布格局。

A區(qū)位于渤海中北部, 處于古海灘地貌區(qū)[8]。冬季, 由于渤海海域水深較淺, 冬季風(fēng)作用下水動(dòng)力增強(qiáng)[9], 波浪增強(qiáng), 導(dǎo)致A區(qū)沖刷較為強(qiáng)烈。同時(shí), 冬季黃海暖流流勢(shì)增強(qiáng)[10], 受進(jìn)入渤海海峽的黃海暖流余流影響, 此區(qū)上覆現(xiàn)代沉積在水動(dòng)力較強(qiáng)時(shí)被沖蝕, 暴露出古海灘殘留沉積, 形成平均粒徑較粗、物源較為單一、偏態(tài)值較大的沉積物粒度特征。夏季, 水動(dòng)力相對(duì)較弱, 加之黃河夏季輸砂量增大, 造成A區(qū)淤積, 同時(shí)通過(guò)再懸浮沉積作用, 與殘留沉積混合形成平均粒徑較細(xì)、分選較差、偏態(tài)值較小的沉積物粒度特征。這些就造成了沉積物在冬夏兩季粒度特征的不同。

B區(qū)位于A區(qū)的南部, 在渤海海峽中部以西。此處受渤海海峽地形影響較大。由圖7, B區(qū)主要受由渤海海峽北部進(jìn)入的黃海暖流余流影響, 其沉積物來(lái)源也與渤海海峽東北部密切相關(guān)。所以, C區(qū)夏季較粗冬季較細(xì)的沉積特征就造成了B區(qū)相應(yīng)的特征。

B區(qū)南部受即將出渤海海峽的環(huán)流的影響。如圖7, 環(huán)流包括兩部分水體。渤海海峽北部進(jìn)入的黃海暖流余流向南遷移直接經(jīng)由B南部出渤海海峽南端,形成第一股影響水體。黃海暖流余流進(jìn)入渤海后向西遷移, 轉(zhuǎn)而在渤海灣萊州灣內(nèi)形成環(huán)流最終經(jīng)由B區(qū)南部出渤海海峽, 形成第二股影響水體。第一股水體冬夏兩季差異較小; 第二股水體夏季流逝較弱,冬季較為強(qiáng)盛。冬季第二股水體經(jīng)由渤海西部及黃河口外海域, 再懸浮搬運(yùn)帶來(lái)大量細(xì)粒沉積, 導(dǎo)致冬季B區(qū)南部沉積平均粒徑明顯小于夏季, 且偏態(tài)、峰態(tài)值與渤海西部及黃河口外海域相近。

圖7 黃海、渤海海流分布模式圖(引自文獻(xiàn)[12])Fig.7 Distribution pattern of ocean current in the Yellow Sea and Bohai Sea (from [12] )

表1 粒度特征差異區(qū)粒度參數(shù)及沉積物類型表Tab.1 Grain size parameters and sediment type list of zones with different grain size characteristics

C區(qū)位于渤海海峽東北部。如圖7所示, C區(qū)受遼南沿岸流和黃海暖流余流影響較大。但冬、夏兩季沉積物粒度特征的差異主要與冷水團(tuán)有關(guān)。冬季, 遼南沿岸流及黃海暖流余流經(jīng)由C區(qū)后進(jìn)入渤海[11]。而夏季, 由于冷水團(tuán)的存在, 兩股水體匯合后受冷水團(tuán)影響爬升, 水動(dòng)力減弱而將粗顆粒沉積下來(lái), 造成C區(qū)夏季沉積物明顯粗于冬季。

D區(qū)位于山東半島東北部, 屬于泥質(zhì)沉積區(qū)。此區(qū)的形成與冬夏季沉積環(huán)境密切相關(guān)。夏季, 出渤海海峽南端的沿岸流經(jīng)北黃海西部海域時(shí)遇冷水團(tuán)受阻, 細(xì)顆粒沉積物開(kāi)始沉積, 此時(shí)其受到北黃海密度環(huán)流的影響, 轉(zhuǎn)而向南, 沉積于山東半島北部泥質(zhì)區(qū)上[12](D區(qū))。冬季, 海水表層水溫降低, 上下層混合均勻, 冷水團(tuán)不復(fù)存在。此時(shí)受到冬季風(fēng)影響,沿岸流在風(fēng)海流的耦合下更加迅猛, 使山東半島北部泥質(zhì)區(qū)沉積物再懸浮。其中一部分細(xì)粒沉積物向東北擴(kuò)散, 但受到 M2分潮流及黃海暖流的影響, 細(xì)粒沉積在北黃海中部沉積下來(lái)[3]。同時(shí)受到黃海暖流輸運(yùn), 一部分沉積物被帶到北黃海中西部甚至經(jīng)由渤海海峽進(jìn)入渤海。

E區(qū)位于南黃海中部。此區(qū)冬夏兩季表層沉積物粒度特征相差較大。夏季, 此區(qū)為黃海冷水團(tuán)南部邊緣。北上的黃海暖流遇冷水團(tuán)受阻, 向上爬升, 爬升過(guò)程中水動(dòng)力減弱, 較粗顆粒發(fā)生沉積, 于是就造成此區(qū)夏季沉積較粗的態(tài)勢(shì)。而爬升于上部的流場(chǎng)將較細(xì)顆粒帶往北部。冬季, 黃海暖流流勢(shì)增強(qiáng), 將此區(qū)較粗顆粒帶走。同時(shí)受M2分潮流影響, E區(qū)接受西部及西南部長(zhǎng)江源的較細(xì)顆粒的沉積[7], 使此區(qū)沉積冬季較細(xì)。

4 結(jié)論

1) 渤黃海多數(shù)海域冬、夏季表層沉積物粒度特征差異較小, 但某些海域, 如渤海中南部、北黃海西部、南黃海中部, 由于其特殊的地理位置、地形地貌特征, 在冬夏兩季不同的水動(dòng)力環(huán)境下, 會(huì)存在沉積物粒度特征的差別。其中, A區(qū)冬季到夏季平均粒徑減小、分選系數(shù)增大、偏態(tài)值減小、峰態(tài)值減小; B、C區(qū)冬季到夏季平均粒徑增大、分選系數(shù)增大、偏態(tài)值增大、峰態(tài)值增大。D區(qū)冬季到夏季平均粒徑不變、分選系數(shù)減小、偏態(tài)值增大、峰態(tài)值減小。E區(qū)冬季到夏季平均粒徑增大、分選系數(shù)減小、偏態(tài)值增大、峰態(tài)值增大。

2) 渤黃海冬、夏兩季表層沉積物粒度特征差異主要受到地形特征、地貌特征、物源、冷水團(tuán)及沿岸流、黃海暖流等水動(dòng)力環(huán)境特征的影響。

A區(qū)表層沉積物粒度特征差異主要受到物源、地形地貌的影響; B區(qū)受渤海海峽地形、進(jìn)渤海海峽的黃海暖流余流影響較大; C區(qū)主要受物源、渤海環(huán)流影響; D區(qū)差異性主要與遼南沿岸流、黃海暖流余流及冷水團(tuán)有關(guān); E區(qū)主要受冷水團(tuán)、黃海暖流的影響。

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