唐 誠(chéng), 趙 艷, 張 華, 詹文歡, 夏 真

(1. 中國(guó)科學(xué)院 海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 煙臺(tái) 264003; 2. 中國(guó)科學(xué)院 南海海洋研究所, 廣東 廣州 510301; 3. 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局, 廣東 廣州 510760)

海洋沉積物的粒度參數(shù)一直被用作對(duì)沉積環(huán)境進(jìn)行分析, 在許多的潮汐系統(tǒng)中, 表層沉積物粒度參數(shù)分布特征顯示了其在區(qū)域水動(dòng)力環(huán)境控制下的搬運(yùn)、沉積和再分配過程特點(diǎn)[1], 粒度分析在劃分近海底質(zhì)類型、區(qū)分沉積環(huán)境、判定物質(zhì)輸運(yùn)方向和判別水動(dòng)力條件等方面有著重要的作用, 通過對(duì)沉積物粒度的組成及分布特征的研究, 可以有效地判定沉積物的運(yùn)移方式和沉積環(huán)境類型的變遷。

珠江口是一個(gè)典型的弱潮河口灣, 主要接受來自口門的細(xì)顆粒沉積物, 部分區(qū)域的沖淤變化非?；钴S, 在最近幾十年, 由于人類活動(dòng)的加劇, 如聯(lián)圍筑閘、河道采砂、圍海造地、口門導(dǎo)治等工程活動(dòng)的增多, 對(duì)河口沉積環(huán)境造成了顯著影響。本文通過對(duì)珠江口1975年的表層粒度資料與2003～2004年的表層粒度資料進(jìn)行對(duì)比, 結(jié)合歷史文獻(xiàn)資料, 探討了珠江口近30年海底表層粒度分布與沉積環(huán)境變化。

1 區(qū)域概況

珠江口伶仃洋匯集珠江三角洲河網(wǎng)主干道之 4大口門(虎門、蕉門、橫門和洪奇瀝), 是一個(gè)呈喇叭狀的河口灣(圖1), 經(jīng)過4大口門進(jìn)入伶仃洋的年徑流總量為1 670億m3, 占珠江年總徑流量的55%[2]。珠江口的潮汐受南海潮波系統(tǒng)控制, 屬于不正規(guī)半日混合潮類型, 由于喇叭狀灣型的收縮作用, 形成潮汐能量的沿程積聚, 潮差從灣口向?yàn)稠斨饾u增大。水動(dòng)力條件以弱潮作用為特征, 其潮差平均約 1.5 m。灣內(nèi)的水體含沙量具有深槽小、淺灘大, 西部高、東部低的特點(diǎn), 年平均沙質(zhì)量濃度一般在0.1～0.2 kg/m3范圍內(nèi), 其西灘的自然沉積速率約2～ 5 cm/a, 東灘沉積速率僅1 cm/a, 灣內(nèi)的平均沉積速率約1.5～2.5 cm/a[3]。珠江河口夏季鹽度場(chǎng)分布呈高度層化現(xiàn)象, 在內(nèi)伶仃島附近海域, 表層1～3 m鹽度約為10, 而7～8 m水深處則可高達(dá)30[4]。

2 數(shù)據(jù)與方法

用于本次研究的珠江口表層沉積物分別來自1975年夏季中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所(SCSIO)對(duì)珠江口的底質(zhì)調(diào)查, 和2003～2004年夏季中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所、廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局(GMGS) 分別在珠江口的調(diào)查。1975年夏季一共采得樣品 300個(gè), 粒度分析采用篩析法及沉降法; 2003～2004年的數(shù)據(jù)分別來源于中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所2004年夏季所采集的63個(gè)表層樣品及廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局于2003～2004年夏季所采集的80個(gè)表層沉積物樣品(圖1), 2003～2004年采集的樣品使用激光粒度儀測(cè)粒度, 其樣品預(yù)處理過程如下, 將待測(cè)樣品混合均勻, 從中提取適量置入已編號(hào)的燒杯中, 使用含30%的雙氧水靜置24 h, 再用超聲波振蕩器分散約15 min, 然后用激光粒度儀測(cè)量[5-7], 沉積物粒級(jí)采用(Udden-Wentworth)Φ粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn), 利用Folk & Ward的分選性、偏度等級(jí)表計(jì)算其粒度參數(shù)[8], 1975年海岸線底圖采用中國(guó)海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查圖集(1980)[9], 2003～2004底圖采用經(jīng)過校正的2004年TM遙感衛(wèi)星影像資料[10]。

過去30年, 沉積物粒徑的測(cè)定方法也在不斷發(fā)展, 從最初傳統(tǒng)的沉降法、篩析法到現(xiàn)在比較通用的激光粒度測(cè)量[11], 由于測(cè)試方法的原理和天然沉積物不規(guī)則的形狀, 激光粒度測(cè)量?jī)x測(cè)得較粗顆粒(0.063 mm)的百分含量小于傳統(tǒng)的篩析法、沉降法, 測(cè)得小于0.004 mm的黏土含量也小于傳統(tǒng)方法, 其所得到的粒度參數(shù)如平均粒徑(Mz)、標(biāo)準(zhǔn)離差(σ1)、偏度(SK)按順序相關(guān)性遞減, 盡管現(xiàn)在比較通用的激光粒度測(cè)量與傳統(tǒng)的沉降法、篩析法的測(cè)試結(jié)果有一定差異, 但這種差異對(duì)不同沉積相的沉積影響很小, 而且粒度參數(shù)的變換趨勢(shì)比較接近[12-13], 很多情況下, 水下地形和水動(dòng)力環(huán)境的復(fù)雜性導(dǎo)致沉積物粒度的空間分布差異, 雖然測(cè)量沉積物粒度的手段不同, 但是表層沉積物粒度參數(shù)的時(shí)空變化可以為我們提供一個(gè)區(qū)域沉積環(huán)境演化的指示。在珠江口中部淇澳島附近, 選取東西向(剖面1, I-I′)與東南向(剖面2, II-II′)對(duì)比其分選與偏度的變化(剖面位置見圖1)。

圖1 珠江口海底沉積物表層樣品及剖面位置示意 Fig. 1 Surface sediment samples and section locations in the Zhujiang River Estuary

沉積物的分類和定名采用Flemming[1]的三角圖分類方法, 該法利用砂-粉砂-黏土的比例所組成的三角圖反映海岸沉積環(huán)境能量的變化, 將底質(zhì)沉積物劃分為25種類型(表1), 同一個(gè)海域內(nèi)采集的樣品投影在三角圖上, 如果靠近粉砂端元的樣品越多, 則代表沉積環(huán)境的能量越高, 反之靠近黏土端元的沉積物組分越多, 則反映的沉積環(huán)境能量越低, Flemming 據(jù)此劃分了河口、 潟湖、潮間帶、陸架沉積等5個(gè)不同的沉積環(huán)境。

表1 根據(jù)Flemming[1]分類法的25種海洋沉積物類型 Tab. 1 Descriptive terminology for the 25 kinds of marine sediment based on Flemming[1] definition

3 結(jié)果

3.1 表層沉積物平均粒徑分布及特征

由圖2看出, 1975年和2003～2004年的表層沉積物分布由北往南呈粗-細(xì)-粗的變化趨勢(shì), 北部為徑流型河口砂質(zhì)沉積區(qū), 中部為過渡相的混合沉積, 是河口泥沙混合沉積區(qū)和陸架淺海泥沙混合沉積區(qū), 再往南部為海相環(huán)境的砂質(zhì)沉積。利用Flemming沉積物分類法對(duì)沉積物類型進(jìn)行劃分, 結(jié)果表明研究區(qū)的表層沉積物可分為16種類型, 分別對(duì)應(yīng)表1中的S, A-I, A-II, B-II, B-III, B-IV, C-III, C-IV, C-V, D-III, D-IV, D-V, E-III, E-IV, E-V, E-VI, 是一個(gè)典型的河口沉積動(dòng)力環(huán)境, 1975年的表層沉積物主要集中在E-IV, D-IV區(qū)上(圖3中的橢圓1區(qū)域), 相對(duì)應(yīng)Flemming分類法的粉砂質(zhì)黏土和黏土質(zhì)少量砂質(zhì)淤泥, 而2003～2004年的表層沉積物從1975年集中分布的D-IV, E-IV區(qū)(圖3中的橢圓3區(qū)域)向E-V, D-V區(qū)(圖3中的橢圓2區(qū)域)分散, 其主要沉積物類型是少量粉砂質(zhì)黏土、許多黏土質(zhì)少量砂質(zhì)淤泥, 黏土含量增大, 顯示過去30年河口動(dòng)力能量環(huán)境一個(gè)減弱的趨勢(shì), 這一點(diǎn)也可以從兩個(gè)不同時(shí)段的平均粒徑的頻率分布圖看出來(圖4): 1975年的平均粒徑8Φ附近呈現(xiàn)一個(gè)峰狀, 而2003～2004年的粒徑分布呈現(xiàn)一個(gè)雙峰狀。對(duì)比平均粒徑(圖2), 珠江口南部海相沉積分布區(qū)域在過去30年沒有明顯變化, 在中部區(qū)域, 平均粒徑＞8Φ的區(qū)域在淇澳島南部變小, 極細(xì)粒沉積物的分布有向南部收縮的趨勢(shì); 平均粒徑7Φ的分布范圍向北部擴(kuò)大, 而＜7Φ的粒徑分布在珠江口幾個(gè)口門附近有不同程度的改變, 這說明珠江口河口的沉積環(huán)境在過去30年發(fā)生了改變。

3.2 不同時(shí)期沉積物的分選系數(shù)和偏度分布變化

分選系數(shù)是反映沉積介質(zhì)荷載篩選能力的標(biāo)志, 當(dāng)分選程度σ1≥0時(shí),σ1值越大, 分選越差, 反之分選越好,SK表示沉積物粗細(xì)分布的對(duì)稱程度, 表明沉積物粒度平均值和中位數(shù)的相對(duì)位置, 沉積物向粗粒偏時(shí)偏度為負(fù)偏, 向細(xì)粒偏時(shí)偏度為正偏。珠江口沉積物分選系數(shù)、偏度系數(shù)1975年與2003～2004年的分布顯示兩者過去30年總體趨勢(shì)是相同的(圖5、圖6), 河口北部沉積區(qū)的分選和偏度值高, 中間河口與海洋混合沉積區(qū)值低, 往南其值又變高, 這也反映了河口沉積的一個(gè)規(guī)律, 在河流徑流作用強(qiáng)的區(qū)域, 沉積物的平均粒徑粗化, 分選變差, 正偏減弱, 在海洋潮流作用加強(qiáng)的地區(qū), 平均粒徑細(xì)化, 分選良好, 正偏增強(qiáng)[14]。從圖5、圖6可以看到在珠江口北部口門附近, 其沉積物的分選和偏度系數(shù)的分布在過去30年有顯著變化, 1975年部分采樣地點(diǎn)現(xiàn) 在已經(jīng)被圍墾成陸地, 口門的地形地貌已經(jīng)發(fā)生了很大的變化, 其分選、偏度的等深線圖也隨著口門岸線向海的位置改變而改變。所選取的剖面1經(jīng)過河口灣區(qū), 為潮流徑流的相互作用區(qū), 以潮流作用為主, 1975年與2003～2004年分選系數(shù)、偏度系數(shù)在近岸段與近潮道處有變化, 而在河口的中部區(qū)域其值基本相似(圖7), 剖面2通過等深線10 m及以外的內(nèi)陸架淺海區(qū)[2], 該區(qū)域除受沖淡水流、潮流等作用外, 主要還受到深層陸架水的入侵和影響, 其沉積環(huán)境相對(duì)均一簡(jiǎn)單, 1975年與2003～2004年的分選系數(shù)、偏度系數(shù)基本近似(圖8)。

圖2 1975年與2003～2004年珠江口平均粒徑分布對(duì)比 Fig. 2 Comparison of mean grain size distribution data between 1975 and 2003～2004 collected in the Zhujiang River Estuary

圖3 根據(jù)Flemming(2000)三角分類法的珠江口表層沉積物1975年與2003～2004年組成對(duì)比 Fig. 3 Comparison of surface sediment components between 1975 and 2003～2004 in the Zhujiang River Estuary on the basis of Flemming(2000)

3.3 各級(jí)配泥沙分布

對(duì)比珠江口1975年與2003～2004年表層沉積物的泥沙級(jí)配分布(圖9～圖11), 可以看到一個(gè)基本的趨勢(shì)是粉砂含量最多, 黏土次之, 砂含量最少。砂主要分布在萬頃沙東南面, 在伶仃洋水道附近, 并且砂的含量一般在40%以下, 1975年在口門外, 有一個(gè)沉降中心, 但是在2003～2004年的分布上卻不明顯 (圖9)。粉砂主要以懸移運(yùn)動(dòng)為主, 在落潮時(shí)被搬運(yùn)到河口灣外, 在外海潮流作用較弱時(shí), 直接沉積在灣外, 在外海潮流作用較強(qiáng)時(shí), 又可以隨著漲潮流重新運(yùn)回灣內(nèi), 受來自河口灣的徑流作用影響, 沉積在灣內(nèi)潮灘中, 對(duì)比1975年和2003～2004年粉砂分布數(shù)據(jù), 淇澳島、內(nèi)伶仃島南部的含量較高, 部分地區(qū)粉砂的含量超過60% (圖10)。黏土由于粒徑小, 可以懸浮于水中, 故其含量普遍不高, 表層沉積物中的黏土顆粒其運(yùn)動(dòng)形式和沉積作用與粉砂相同, 但是可以在潮流作用下輸送到更遠(yuǎn)的地區(qū), 1975年與2003～2004年的表層黏土含量呈現(xiàn)一個(gè)北低、中高、南低的格局, 與珠江口的水動(dòng)力結(jié)構(gòu)有緊密聯(lián)系, 由于測(cè)量方法的不同, 尤其是激光粒度儀與傳統(tǒng)篩析、沉降法在對(duì)細(xì)顆粒沉積物上有所差別, 這也可能是造成圖11的黏土分布中部區(qū)域有部分差異的原因。

圖4 1975年與2003～2004年珠江口表層平均粒徑的頻度曲線 Fig. 4 The average frequency curve of mean grain size in the Zhujiang River Estuary in 1975 and 2003～2004

4 討論

4.1 珠江口表層沉積物粒度分布特征主要受水動(dòng)力過程影響, 與河口最大渾濁帶可能有對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖5 1975年與2003～2004年珠江口分選系數(shù) Fig.5 Comparison of sorting distribution of the Zhujiang River Estuary in 1975 and 2003～2004

圖6 1975年與2003～2004年珠江口偏度系數(shù) Fig. 6 Skewness distribution of the Zhujiang River Estuary in 1975 and 2003～2004

圖7 1975年與2003～004年珠江口剖面1的分選系數(shù)、偏度系數(shù) Fig. 7 Sorting and skewness comparison along profile 1 in 1975 and 2003～2004 data set in the Zhujiang River Estuary

圖8 1975年與2003～2004年珠江口剖面2的分選系數(shù)、偏度系數(shù) Fig. 8 Sorting and skewness comparison along profile 2 in 1975 and 2003～2004 data set in the Zhujiang River Estuary

圖9 珠江口1975年與2003～2004年表層沉積物中砂百分含量 Fig. 9 Sand percentage distribution in surface sediment of the Zhujiang River Estuary in 1975 and 2003～2004

圖10 珠江口1975年與2003～2004年表層沉積物中粉砂百分含量 Fig. 10 Silt percentage distribution in surface sediment of the Zhujiang River Estuary in 1975 and 2003～2004

在1975年海洋地質(zhì)調(diào)查的同時(shí)也展開了大規(guī)模的水文站位連續(xù)測(cè)量, 由1975年的多個(gè)觀測(cè)站鹽度 測(cè)量資料所做的底層和表層的鹽度分布(圖12)與2000年的珠江口調(diào)查所獲得的鹽度分布進(jìn)行對(duì)比[4], 可以看到珠江口的夏季鹽度底、表層分布基本相似, 其水動(dòng)力特征在過去30年沒有大的變化。1999年夏季調(diào)查的珠江口水文站位C1[15]與珠江口1975年夏季水文觀測(cè)站位Ⅲ3相距很近, 對(duì)比其觀測(cè)資料顯示, 潮汐觀測(cè)值為不規(guī)則半日潮, 表層和底層的含沙量較低(圖13), 1975年該站位的鹽度剖面測(cè)量顯示一個(gè)明顯的鹽度分層, 這與C1站位所揭示的鹽度分層是一致的[15]。

圖11 珠江口表層沉積物中黏土百分含量 Fig. 11 Clay percentage distribution in surface sediment of the Zhujiang River Estuary in 1975 and 2003～2004

圖12 1975年珠江口夏季底層、表層鹽度分布 Fig. 12 Bottom and surface salinity distribution of the Zhujiang River Estuary in summer of 1975

該區(qū)域是底層陸架高鹽水和淡水徑流水體強(qiáng)烈交匯和相互作用的區(qū)域, 懸沙被潮流搬運(yùn)和沉積, 部分在低流速期間落淤, 泥沙運(yùn)動(dòng)以懸移為主, 因此粒徑很小, 而近底流速較弱, 水流對(duì)泥沙改造不大, 因而分選較差。由于水流擴(kuò)散, 挾沙能力降低, 河流挾帶的泥沙進(jìn)入伶仃洋后將逐漸沉降, 當(dāng)受到潮流沖刷或波浪掀動(dòng), 沉積的細(xì)顆粒泥沙將重新懸浮起來, 在上游, 底層環(huán)流向海運(yùn)動(dòng), 而在中下段, 底層環(huán)流向陸運(yùn)動(dòng)[16-17], 因此再懸浮的泥沙被底層環(huán)流搬運(yùn)到上、中段之間的匯聚地帶, 形成最大渾濁帶(ETM)。珠江口ETM隨著潮汐周期變化, ETM即不斷變動(dòng), 漲潮時(shí), ETM移向上游, 落潮時(shí), 則移向下游, 范圍約2～5 km, 同時(shí)最大渾濁帶的運(yùn)動(dòng)還受徑流量影響, 在洪季, 最大渾濁帶向下游方向移動(dòng), 枯季則向上游方向運(yùn)動(dòng), 季節(jié)變化引起的ETM擺動(dòng)范圍約8～13 km[17-18], 珠江口的底層粒度分布特征顯示一個(gè)南北分帶, 中部似紡錘狀結(jié)構(gòu), 中部區(qū)域的表層沉積物的平均粒度分布、粉砂與黏土的分布在1975年和2003～2004年時(shí)的差異可能與文獻(xiàn)[17]所描繪的ETM的分布有著對(duì)應(yīng)關(guān)系, 其相關(guān)關(guān)系需要更多深入的研究。

圖13 1975年珠江口III3站位水文觀測(cè)值 Fig. 13 Observation data profile of hydro station III3 in the Zhujiang River Estuary in 1975

4.2 珠江口口門附近表層粒度分布變化主要受人類活動(dòng)影響

對(duì)比1975年與2003～2004年珠江口表層沉積物的粒度特征分布, 可以看到珠江口表層沉積的分布在過去30年總體來說沒有大的變化, 主要的擾動(dòng)集中在口門附近, 這與過去30年該區(qū)域密集的人類活動(dòng)是分不開的。人類活動(dòng)對(duì)于珠江口區(qū)域沉積環(huán)境的影響主要有3個(gè)方面: 首先, 珠江口區(qū)域在過去30年的來水來沙有顯著改變, 始于20世紀(jì)80年代至今仍在進(jìn)行的珠江三角洲大規(guī)模的河道采沙活動(dòng), 使得珠江三角洲河道的床沙明顯細(xì)化, 間接地使三角洲河網(wǎng)的分流比發(fā)生了重大的變化, 珠江八大口門中東四口門分流比增加, 輸入珠江口伶仃洋的水、沙量在過去30年增加了近1倍[19-20], 當(dāng)徑流運(yùn)動(dòng)到口門附近時(shí), 由于河床變寬、坡度變緩、加之受潮流頂托, 水流挾沙能力下降, 泥沙迅速沉積于口門外中心側(cè), 輸沙量的變化勢(shì)必加速口門的淤積, 對(duì)該區(qū)域的表層沉積分布造成影響; 其次, 人類活動(dòng)巨大地改變了珠江口的地形地貌[21], 對(duì)比過去40年的遙感衛(wèi)星影像和地形圖資料, 可以看到珠江口伶仃洋的海岸線發(fā)生了很大的變化, 總體以自然沉積為主, 人工圍海造地和海岸開發(fā)造成岸線向海延伸, 海岸侵蝕后退很少[22], 口門附近地形地貌的改變?cè)斐闪鹘?jīng)口門后的沉降中心的改變, 也影響了表層沉積物分布; 再次, 在口門附近頻繁的工程活動(dòng)如清淤和挖沙會(huì)使海底地形急劇起伏, 凹凸不平, 內(nèi)伶仃洋原有的水下地形遭到破壞, 洼地和淺灘增多, 并呈無規(guī)律分布, 改變了其水動(dòng)力特征, 造成了珠江口伶仃洋段的表層粒度差異性分布[23]。

致謝: 感謝中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所趙煥庭研究員提供1975年珠江口伶仃洋采樣調(diào)查數(shù)據(jù), 感謝Bjoern Heise博士、施祺博士、Peter Rueckert對(duì)PECAI項(xiàng)目的樣品進(jìn)行粒度測(cè)量。

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