廈門灣及鄰近海域沉積物分布特征和沉積速率

劉治帥, 楊 旸, 陳 堅(jiān), 王愛軍, 李東義, 汪亞平

(1. 南京大學(xué) 海岸與海島開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京210093; 2. 國家海洋局 第三海洋研究所, 福建廈門 361005; 3. 南京大學(xué) 江蘇省海岸與海島開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京210093)

廈門灣及鄰近海域沉積物分布特征和沉積速率

劉治帥1, 楊 旸1, 陳 堅(jiān)2, 王愛軍2, 李東義2, 汪亞平3

(1. 南京大學(xué) 海岸與海島開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京210093; 2. 國家海洋局 第三海洋研究所, 福建廈門 361005; 3. 南京大學(xué) 江蘇省海岸與海島開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京210093)

2007年和2010年在廈門灣及鄰近海域進(jìn)行底質(zhì)表層沉積物和柱狀巖心樣品采集, 并進(jìn)行粒度分析及粒度參數(shù)計(jì)算, 獲得了研究區(qū)底質(zhì)表層和柱狀沉積物樣品的粒度分布特征。結(jié)果表明, 廈門灣海域沉積物類型多樣, 以粉砂質(zhì)砂和砂質(zhì)粉砂為主。平均粒徑介于-1.5Φ～7.5Φ 之間。采用 Gao-Collins粒徑趨勢分析方法, 發(fā)現(xiàn)九龍江口的沉積物主要呈東南方向凈輸運(yùn), 而大金門南側(cè)海域沉積物則有向九龍江口輸運(yùn)的趨勢, 同安灣內(nèi)沉積物由海岸向?yàn)持醒胼斶\(yùn); 廈門東部海域沉積物向北輸運(yùn), 翔安南部海域沉積物向同安灣口以及澳頭近岸輸移。對柱狀巖心進(jìn)行放射性同位素210Pb測年分析, 計(jì)算得到九龍江口沉積速率為2.62 cm/a, 進(jìn)而探討了九龍江口的沉積環(huán)境演化特征, 研究成果可為區(qū)域資源開發(fā)和環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

廈門灣; 沉積物; 粒度特征; 粒徑趨勢分析; 沉積速率

粒度分析是沉積學(xué)、古環(huán)境、海岸帶地貌學(xué)研究以及海岸沉積動力學(xué)研究的基本方法[1-4], 已成功應(yīng)用于風(fēng)成沉積、海洋、湖泊、河流和濁流沉積環(huán)境及土壤學(xué)的研究中。沉積物粒徑趨勢分析是從沉積物的粒度參數(shù)的空間分布規(guī)律中提取沉積物凈輸運(yùn)方向的信息[3]。本文使用 Gao-Collins[4-5]二維沉積物粒徑趨勢分析法探討廈門灣海域的沉積物凈搬運(yùn)趨勢。沉積速率是河口海岸沉積研究的重要方面, 它能綜合體現(xiàn)沉積過程的特征, 是確定沉積環(huán)境的定量指標(biāo)[6]。沉積物中的放射性210Pb, 它的半衰期為223 a, 適用于百年尺度內(nèi)沉積速率的測定。通過柱狀樣中210Pb的測定, 計(jì)算沉積速率, 可以反演現(xiàn)代沉積過程, 更可以得到沉積環(huán)境變化的特征。

本文選取廈門灣及鄰近海域?yàn)檠芯繀^(qū), 分析本地區(qū)的沉積物類型以及粒度分布特征, 通過沉積物輸運(yùn)趨勢分析研究海底沉積物的凈輸運(yùn)格局, 通過同位素測年計(jì)算沉積速率, 探討九龍江口的沉積環(huán)境演化特征。

1 研究區(qū)概況

廈門灣位于臺灣海峽西南, 福建省南部海域,是一個(gè)半封閉型海灣, 地形復(fù)雜, 岸線曲折, 北有眾多的海堤, 東有大小金門島, 西有九龍江徑流流入。由于受到獨(dú)特的海岸線以及眾多島嶼的影響, 廈門灣的水文泥沙狀況比較復(fù)雜。九龍江是流入本區(qū)最大的河流, 年輸沙量約為2.5×106t, 最大輸沙量出現(xiàn)在6月份至9月份, 九龍江淡水主要沿南岸表層向?yàn)晨跀U(kuò)散。

廈門灣屬于正規(guī)半日潮[7], 潮流急, 以往復(fù)流為主, 潮差較大。潮流是本海域的主要?jiǎng)恿? 分潮 M2,S2, O1的調(diào)和常數(shù)分別為182.4 , 52.8, 27.6 cm, 一般表層的落潮流速大于漲潮流速, 底層則相反。潮流的流速、流向受地形影響, 主流向多與岸線和水下地形一致, 從灣口到九龍江, 一般為東西向流, 西港海域?yàn)槟媳毕蛄? 表層落潮流歷時(shí)長于漲潮流歷時(shí), 底層則漲潮流歷時(shí)長于落潮流歷時(shí)。

2 研究材料與方法

2.1 資料來源

2007年7月在廈門海域使用抓泥斗采集底質(zhì)表層沉積物樣品(采樣站位見圖 1), 共采集底質(zhì)表層沉積物樣品204個(gè), 對樣品進(jìn)行粒度分析和計(jì)算, 同時(shí)使用李霞[8]在廈門灣采集和分析的40個(gè)底質(zhì)表層沉積物樣品粒度數(shù)據(jù), 共獲取 244個(gè)底質(zhì)表層沉積物樣品的粒度數(shù)據(jù)。于2010年3月使用重力采樣器在九龍江口采集柱狀巖心樣1根(183 cm)(采樣位置見圖1), 巖心按照2 cm間隔分樣, 并對樣品進(jìn)行粒度分析和計(jì)算。

圖1 研究區(qū)位置與采樣站位Fig. 1 Location of investigation areas and sampling stations

2.2 粒度分析及粒度參數(shù)計(jì)算

獲取的沉積物樣品中, 對于粒徑＜2 mm 樣品,采用英國Malvern公司生產(chǎn)的MasterSizer 2000型激光粒度儀(測量范圍為0.02～2 000 μm)進(jìn)行粒度分析,獲得了0.25Φ間隔的粒度分布數(shù)據(jù)。

對于粒徑＞ 2 mm 樣品, 先稱質(zhì)量, 用 1.4 mm孔徑的篩子濕篩; 細(xì)顆粒部分仍用激光粒度儀進(jìn)行分析, 粗顆粒部分用傳統(tǒng)篩法分析(使用樣條函數(shù)插值獲得0.25Φ間隔的粒度分布數(shù)據(jù)), 兩部分?jǐn)?shù)據(jù)合并獲得完整的粒度分布數(shù)據(jù)。

采用矩法[9]計(jì)算沉積物的粒度參數(shù)(平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)系數(shù)、峰態(tài)), 粒度參數(shù)的分級采用McManus[9-10]的分級方法。

對于含有粒徑小于-1Φ組分的沉積物, 采用Folk[11]和 Blair-McPherson[12]的沉積物分類方案,按礫(＜-1Φ)、砂(-1Φ～4Φ)、泥(＞4Φ)劃分類型; 否則采用 Shepard[13]分類方案, 按砂(＜4Φ)、粉砂(4Φ～8Φ)、黏土(＞8Φ)劃分類型。

2.3 粒徑趨勢分析

二維粒徑趨勢是指沉積物粒度參數(shù)平面分布的變化趨勢。根據(jù)沉積物的3種粒度參數(shù)(平均粒徑、分選系數(shù)和偏態(tài)), 用相鄰的兩個(gè)采樣點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行比較可定義8種粒徑趨勢。其中2種類型的粒徑趨勢在沉積物的凈搬運(yùn)方向上有較高的出現(xiàn)概率： (1) 平均粒徑變細(xì)、分選更好且更加負(fù)偏; (2) 平均粒徑變粗、分選更好且更加正偏。因此,以這兩種粒度趨勢所指示的方向來代表沉積物凈輸運(yùn)方向, 具有最佳的可靠性。根據(jù)Gao等[3,14]提出的二維沉積物粒徑趨勢分析模型, 可用沉積物的3種粒度參數(shù)(平均粒徑、分選系數(shù)及偏態(tài))的平面分布特征, 獲得各采樣點(diǎn)的粒徑趨勢矢量; 對其進(jìn)行平滑處理, 以消除“噪聲”,從而可得到研究區(qū)沉積物的凈搬運(yùn)方向[15]。由于沉積物粒徑趨勢分析是基于長時(shí)間尺度的, 因此可以選取不同時(shí)期的樣品進(jìn)行分析。

2.4 沉積速率分析

柱狀巖心樣品長度為 183 cm。采集樣品后, 現(xiàn)場密封保存運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室, 隨即對巖性、沉積結(jié)構(gòu)等進(jìn)行詳細(xì)的描述, 以2 cm間隔對巖芯進(jìn)行取樣, 將其烘干、研磨細(xì)攪勻后, 利用Po—α法[6]對其進(jìn)行210Pb測年分析, 依據(jù)初始濃度恒定(CIC)模式, 由下式求得沉積速率[16]：

式中：S為沉積速率(cm/a);λ為210Pb衰變常數(shù), 取值0.03114a-1;H為深度(cm);A0和Ai分別為表層和深度為H層的210Pb過剩值, 其中H/ln(A0/Ai)可由210Pb放射性活度過剩值取自然對數(shù)后與深度之間線性擬合直線的斜率求出。

3 結(jié)果與討論

3.1 研究區(qū)底質(zhì)表層沉積物粒度參數(shù)空間分布特征

由圖2～圖5所示, 研究區(qū)沉積物以粉砂(粉砂質(zhì)砂及砂質(zhì)粉砂)為主, 粗顆粒物質(zhì)主要集中于翔安南部海域以及九龍江灣口處。整個(gè)區(qū)域平均粒徑、分選系數(shù)范圍分別為-1.5Φ～7.5Φ, 0.4～4.4, 其中粒徑較粗(＜0.65Φ)分選較好的(＜2)沉積物主要分布于九龍江內(nèi)側(cè)。大部分地區(qū)分選較差或分選差, 僅在九龍江灣內(nèi)部分地區(qū)分選好或分選較好, 整個(gè)區(qū)域以負(fù)偏為主, 大金門島北部部分地區(qū)負(fù)偏, 而大小金門島南部海域極正偏以及極負(fù)偏。廈門島北部及東部海域地區(qū), 含砂量較低, 均低于 50%, 分選較差, 且負(fù)偏。此海域以落潮流為主, 落潮流大于漲潮流, 因此含砂量較高。金門島北部地區(qū)的粒度以少于 25%以及 50%到 70%含砂量為主, 分選較差或者差, 以負(fù)偏和正偏為主。九龍江地區(qū)灣口向?yàn)硟?nèi), 含砂量逐漸增加, 且由負(fù)偏過度為極正偏, 分選由較差到較好過渡。由于此區(qū)域主要物質(zhì)來源于九龍江, 粗顆粒物質(zhì)由灣內(nèi)向?yàn)晨谥饾u沉積, 因此呈現(xiàn)出含砂量的遞減變化。大小金門島南部及其附近海域由于與外海相連, 特殊的地理位置, 水動力條件復(fù)雜, 因此沉積物類型相對比較復(fù)雜。

3.2 沉積物輸運(yùn)趨勢

由圖 6可以看出, 九龍江口的海底沉積物凈輸運(yùn)方向向東南, 來自九龍江徑流的物質(zhì)在九龍江口附近受到潮流作用沉積, 大金門南側(cè)海域沉積物有向九龍江口輸運(yùn)的趨勢。這與九龍江灣口處顆粒較粗, 分選較差相一致。同安灣沉積物由海岸輸向?yàn)持醒? 自灣頂向?yàn)硟?nèi), 廈門東部海域沉積物有向北的輸運(yùn)趨勢, 翔安南部海域沉積物輸運(yùn)方向向同安灣口以及澳頭岸邊輸移。廈門灣物質(zhì)輸運(yùn)方向主要受漲、落潮方向控制。九龍江口沉積物隨退潮流向廈門灣內(nèi)輸運(yùn), 通過嶼仔尾, 在大擔(dān)島附近轉(zhuǎn)向南偏東方向擴(kuò)散。廈門外港以及翔安南部海域沉積物輸運(yùn)的方向與漲潮流總體一致, 表明漲潮流對廈門外港以及翔安南部海域沉積物輸運(yùn)方向起著決定作用。

3.3 柱狀樣粒度分布特征

圖2 沉積物平均粒徑分布圖Fig. 2 Surfical sediments mean particle sizes distribution

圖3 沉積物含砂量分布圖Fig. 3 Sand content in the surfical sediments

圖4 沉積物分選系數(shù)分布圖Fig. 4 Sorting coefficient of the surfical sediments

沉積物柱狀樣粒度組分含量百分比如圖7所示,由圖中可以清晰地看到整個(gè)柱狀樣粒度以粉砂為主,粉砂含量的平均值達(dá)到 53.65%, 砂和黏土的含量平均值分別占到了25.66%和20.69%。從圖中可以看出各種指標(biāo)的垂向變化大致可以分為幾個(gè)部分： 0～40 cm之間砂和黏土含量相當(dāng), 40～70 cm黏土和粉砂含量相當(dāng), 70～140 cm 砂和黏土同步增加或減少,140～183 cm黏土的含量很少。整個(gè)柱子的垂向變化表明, 此沉積區(qū)粉砂的含量在逐年增加, 而黏土的含量基本呈現(xiàn)減少的趨勢, 而在60 cm和120 cm附近出現(xiàn)粉砂增加的現(xiàn)象。

圖5 沉積物偏態(tài)分布圖Fig. 5 Skewness of the surfical sediments

圖6 沉積物粒徑輸運(yùn)趨勢Fig. 6 Net sediment transport pathway derived by grain size trend

就整個(gè)巖心(圖 8)而言, 其巖性剖面及粒度特征的變化較大, 沉積物平均粒徑在 3.257Φ～7.395Φ之間波動, 平均值為 5.87Φ, 由底層到表層出現(xiàn)明顯的變粗, 變細(xì), 再變粗然后再變細(xì)最后趨于穩(wěn)定的變化, 反映了不同時(shí)期沉積環(huán)境的變化; 而與此對應(yīng)的是沉積物分選特征, 沉積物分選系數(shù)在1.559～2.909之間, 平均值為2.377, 從底層到表層呈現(xiàn)分選變差, 變好又變差最后趨于穩(wěn)定的變化特征。沉積物偏態(tài)用以度量頻率曲線的不對稱程度, 反映的是沉積過程中的能量變異。由圖可知沉積物的偏態(tài)在-2.225～2.573之間, 平均值為-0.301, 屬于負(fù)偏態(tài); 沉積物峰態(tài)表征了沉積物頻率曲線的尖銳或鈍圓程度, 用來指示沉積物來源及環(huán)境對沉積物的改造程度, 此研究區(qū)沉積物的峰態(tài)在2.042～3.647之間,平均值為2.976, 呈現(xiàn)尖銳的特點(diǎn)。

圖7 柱狀巖心沉積物各粒度組分含量的垂向變化Fig. 7 Sediment component percentage variations in the core sediments

從圖8中可以看出, 從柱樣底部向上, 平均粒徑呈現(xiàn)變粗—變細(xì)—變粗—變細(xì)的趨勢, 與之對應(yīng)的是分選系數(shù)呈變大(分選變差)—變小(分選變好)—變大—變小的趨勢, 體現(xiàn)了沉積物柱樣的年際變化特征。沉積物分選越好(分選系數(shù)變小), 平均粒徑越大(細(xì)), 其中砂組分含量相對越小, 沉積物主要是細(xì)顆粒物質(zhì)沉積。反之, 分選越差(分選系數(shù)變大), 平均粒徑越小(粗), 沉積物砂組分含量增加, 粗顆粒物質(zhì)在此處沉積下來。因此沉積物平均粒徑的變化主要是由粗顆粒物質(zhì)(砂)組分含量的變化所引起的。上述特征表明九龍江河口區(qū)沉積環(huán)境的年際變化特征主要是受到潮流動力及物源變化的影響, 其過程和機(jī)制有待于進(jìn)一步研究。

3.4 沉積速率

運(yùn)用α能譜儀法測定柱狀巖心210Pb活度, 從210Pb活度垂向變化圖(圖 9)中可以看出, 巖心的210Pb活度在87 cm處呈現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折, 而其下210Pb的活度基本不變(即本底值) 。在本底上方,210Pb活度呈現(xiàn)顯著的指數(shù)衰減模式, 剔除異常點(diǎn), 可計(jì)算出沉積速率。210Pb放射性活度過剩值取自然對數(shù)后與深度之間線性相關(guān)性為：Y= -1.187031X+ 0.6044177, 由此計(jì)算出九龍江河口區(qū)沉積速率為2.62 cm/a。

圖8 柱狀巖心沉積物分選系數(shù)、偏態(tài)、峰態(tài)、平均粒徑垂向變化Fig. 8 Sediment sorting coefficient, skewness, kurtosis, and mean particle size variations in the core sediments

4 結(jié)論

對廈門灣附近所采集的底質(zhì)樣品的粒度分析可得, 廈門灣地區(qū)沉積物種類較多, 以粉砂質(zhì)砂以及砂質(zhì)粉砂為主, 九龍江口顆粒較粗, 翔安南部以及廈門東海中等粗細(xì), 同安灣顆粒較細(xì)。其中較粗的(＜0.65Φ)分選較好的(＜2)的沉積物主要分布于九龍江內(nèi)側(cè)。

圖9 柱狀巖心的210Pb比活度垂向分布Fig. 9 210Pb specific activity variations in the core sediments〇實(shí)測210Pb比活度; ?過剩210Pb比活度〇 Measured 210Pb specific activity; ? Excess 210Pb specific activity

運(yùn)用Gao-Collins模型得出該區(qū)域的沉積物凈輸運(yùn)趨勢, 九龍江口的海底沉積物凈輸運(yùn)方向向東南,大金門南側(cè)海域沉積物有向九龍江口輸運(yùn)的趨勢。同安灣沉積物由海岸輸向?yàn)持醒? 自灣頂向?yàn)硟?nèi),廈門東部海域有向北的輸運(yùn)趨勢, 翔安南部海域沉積物輸運(yùn)方向向同安灣口以及澳頭岸邊輸移。

該區(qū)域的沉積環(huán)境較為復(fù)雜, 柱狀樣沉積物的平均粒徑自下向上呈變粗—變細(xì)—再變粗—再變細(xì)的特征, 表明九龍江河口區(qū)沉積環(huán)境的年際變化特征主要是受到潮流動力及物源變化的影響。柱狀樣210Pb同位素測年計(jì)算得到九龍江河口區(qū)沉積速率為2.62 cm/a。

致謝： 南京大學(xué)冉隆江、魏曉、杜家筆參加了野外采樣及室內(nèi)樣品分析處理工作, 南京大學(xué)毛鹍給予繪圖幫助, 謹(jǐn)致謝忱。

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Sediment distribution and deposition rate in the Xiamen Bay and adjoining waters

LIU Zhi-shuai1, YANG Yang1, CHEN Jian2, WANG Ai-jun2, LI Dong-yi2,WANG Ya-ping3
(1. Key Laboratory of Ministry of Education for Coast and Island Development, Nanjing University, Nanjing 210093, China; 2. Third Institude of Oceanography, State Oceanic Administration, Xiamen 361005, China; 3. Jiangsu Key Laboratory of Coast and Island Development, Nanjing University, Nanjing 210093, China)

Mar.,28,2012

the Xiamen Bay; sediment; particle size; grain size trend analysis; deposition rate

The bottom, surficial, and core sediments were collected from the Xiamen Bay and adjoining waters in 2007 and 2010. The sediments were analyzed to obtain the particle sizes distribution and parameters. The analysis showed that the contents of sediments varied, mainly including silty sand and sandy silt. The mean particle size was-1.5Φ ～ 7.5Φ. The Gao-Collins grain size trend model was applied to estimate the net sediment transport pathways in the investigation areas. The sediment transported southeastward in the Jiulong River Estuary, and towards this estuary from Dajinmen area. In addition, the sediment transported offshore to the central bay in Tonganwan area.The sediment transported towards north in the eastern Xiamen sea, and towards the mouth of Tonganwan and onshore of Aotou. The sediment core was analyzed using the210Pb dating method. The deposition rate was 2.62 cm / a in the Jiulong River Estuary. The above results and conclusions could be utilized in regional resource exploitation and environmental protection.

P734

A

1000-3096(2012)06-0001-08

2012-03-28;

2012-04-12

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40876043, 40906042); 江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目

劉治帥(1986-), 男, 山東煙臺人, 碩士研究生, 主要從事海洋地質(zhì)學(xué)研究, E-mail： lzs04010088@126.com; 旸楊, 通信作者, E-mail：yangy@nju.edu.cn

(本文編輯：劉珊珊)