海南島東南部海岸砂丘風(fēng)暴沖越沉積記錄

楊保明，高抒，周亮，趙秧秧，屠佳雨，王成龍

1.南京大學(xué) 中國南海研究協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210023 2.南京大學(xué) 海岸與海島開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023 3.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062 4.廈門大學(xué) 海洋環(huán)境科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門 361005

海南島東南部海岸砂丘風(fēng)暴沖越沉積記錄

楊保明1,2，高抒3，周亮3，趙秧秧4，屠佳雨1,2，王成龍1,2

1.南京大學(xué) 中國南海研究協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210023 2.南京大學(xué) 海岸與海島開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023 3.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062 4.廈門大學(xué) 海洋環(huán)境科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門 361005

通過海南島東南部海岸詳細(xì)的古風(fēng)暴學(xué)考察，在尖嶺海岸發(fā)現(xiàn)了含有風(fēng)暴沖越沉積物的海岸沙丘剖面，分別命名為JL-1和JL-2剖面,試圖從海岸沙丘沉積記錄中提取歷史上的風(fēng)暴事件信息。沉積物粒度、磁化率等參數(shù)的指標(biāo)分析表明，這兩個剖面含有典型的風(fēng)暴沖越沉積物，利用放射性核素AMS14C測年、OSL測年分析，并結(jié)合歷史文獻(xiàn)記載，確定這些風(fēng)暴沉積層是多次臺風(fēng)作用的產(chǎn)物，其形成機(jī)制與風(fēng)暴浪越過海岸沙丘的堆積有關(guān)，風(fēng)暴流越過沙丘頂部后不能回流，導(dǎo)致風(fēng)暴流攜帶的沉積物迅速沉積。此外，依據(jù)Stockdon經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果，該地點(diǎn)沉積記錄所代表的最大風(fēng)暴事件相當(dāng)于100到200年一遇的重現(xiàn)期。研究表明，該處海岸沙丘沖越沉積含有南海臺風(fēng)強(qiáng)度與重現(xiàn)期的重要信息。

古風(fēng)暴學(xué)；沖越沉積；風(fēng)暴強(qiáng)度；海岸沙丘；海南島

0 引言

二十一世紀(jì)以來，臺風(fēng)及其引發(fā)的風(fēng)暴潮、暴雨、大風(fēng)等極端災(zāi)害事件已給沿海地區(qū)造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失[1-5]。在全球氣候變暖背景下，隨著全球性的人群和生產(chǎn)力向沿海地區(qū)大規(guī)模集聚，如今同樣強(qiáng)度的災(zāi)害事件可造成數(shù)倍于原先的生命財(cái)產(chǎn)損失。近年來，隨著臺風(fēng)長時間尺度的頻率、強(qiáng)度變化不確定性日益增加[6]，如何預(yù)防臺風(fēng)引發(fā)的極端事件備受關(guān)注。由于現(xiàn)有器測風(fēng)暴記錄時間尺度太短[7]，難以從中分析風(fēng)暴事件的長期演化規(guī)律，因此需借助其他手段來擴(kuò)展風(fēng)暴活動記錄的年限。

古風(fēng)暴學(xué)是近年來全球變化研究的前沿學(xué)科，主要借助地質(zhì)記錄和歷史文獻(xiàn)記錄來研究風(fēng)暴活動規(guī)律[4,8]。歷史文獻(xiàn)記錄具有時間準(zhǔn)確、分辨率高的優(yōu)勢，但與地質(zhì)記錄相比年限較短，且常常受戰(zhàn)亂、朝代更替等影響[4,9]。根據(jù)沉積記錄分析方法，可利用濱岸環(huán)境中的潮灘沉積、灘脊或貝殼堤、澙湖沉積，重建歷史時期的風(fēng)暴事件序列，其中，潮灘和沙壩—潟湖沉積是主要的研究載體之一，這是因?yàn)榇祟惌h(huán)境中正常天氣時沉積環(huán)境相對穩(wěn)定，能夠較好地保存相應(yīng)的沉積記錄[10-12]。對于海岸沙丘環(huán)境，Sallenger[13]給出了海岸沙丘風(fēng)暴沖越沉積的形成模式，當(dāng)臺風(fēng)登陸時風(fēng)暴浪侵蝕少量海灘前沿沉積物向岸輸運(yùn)泥沙，波浪爬升高度RHIGH大于或等于沙丘高度DHIGH，且RLOW不大于DHIGH時，波浪就會越過沙丘，在沙丘陸側(cè)形成沖越沉積。這些條件可表示為：

此條件下形成的風(fēng)暴沖越沉積物是風(fēng)暴事件的直接證據(jù)(圖1)。

圖1 海岸沙丘風(fēng)暴沖越沉積形成示意圖。一次臺風(fēng)過程中波浪爬升最大高度(RHIGH)、波浪爬升的最低高度(RLOW)，沿岸沙丘最大高程(DHIGH)以及沙丘底層高程(DLOW)(改繪自參考文獻(xiàn)[13])Fig.1 Definition sketch of the parameters used to describe the morphological response in the Storm Impact Scale system; RHIGH and RLOW are representative high and low elevations, respectively, of the landward margin of the swash relative to a fixed vertical datum; DLOW is the elevation of the top of the dune; and DLOW is the elevation of the base of the dune(modified from reference[13])

國內(nèi)外學(xué)者通過對現(xiàn)代風(fēng)暴沉積的調(diào)查研究總結(jié)出風(fēng)暴沖越沉積在野外的一般沉積特征，如沉積厚一般大于30 cm[14]；越岸沉積向案延伸的范圍離海灘小于300 m[15]；由大量近平行的紋層組成，這些紋層可復(fù)合組成多個沉積單元，每個沉積單元沉積物顆粒粗細(xì)呈正向遞變或反向遞變[16-20]；沉積單元中不包含泥質(zhì)沉積層，且在沉積剖面垂直方向上，沉積物的顏色、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和理化指標(biāo)發(fā)生突變[21-26]等。

此外還有學(xué)者對海岸沙丘中風(fēng)暴沖越沉積形成的水動力條件以及沖越沉積對局地生態(tài)環(huán)境的影響等進(jìn)行了研究[27-31]，但目前利用海岸沙丘沉積中風(fēng)暴沖越沉積進(jìn)行風(fēng)暴頻率強(qiáng)度的重建研究較少，且主要集中于美國和大西洋沿岸地區(qū)，國內(nèi)關(guān)于沖越沉積記錄的頻率和強(qiáng)度研究更是缺乏深入認(rèn)識。本文選擇海南島東南部海岸尖嶺附近(圖2)的海岸沙丘作為研究對象，通過識別該地沙丘沉積記錄中的風(fēng)暴沖越堆積體，探討海岸沙丘中風(fēng)暴沖越沉積的特征和形成機(jī)制，并嘗試依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算形成風(fēng)暴沉積的風(fēng)暴強(qiáng)度。

1 研究區(qū)概況

海南島位于南海西北部，地勢四周低平，中間高聳，以五指山、鶯歌嶺為隆起核心，山地、丘陵、臺地、平原構(gòu)成環(huán)形層狀地貌，梯級結(jié)構(gòu)明顯。海南島岸線長1 725 km，以砂質(zhì)海岸為主，基巖海岸、泥質(zhì)海岸次之。東南部岸線長214 km，崎嶇曲折，多港灣和海岸沙丘[32]。本區(qū)屬于熱帶海洋性季風(fēng)氣候，干濕分明，每年11月至翌年3月盛行東北季風(fēng)，天氣干旱；5—9月盛行西南季風(fēng)，多降水。研究區(qū)近岸海域?qū)儆诓灰?guī)則半日潮，潮差較小，平均潮差為0.69～0.93 m，最大潮差為1.32～2.24 m[32]。海南島東南部頻受源自西太平洋和南海臺風(fēng)的影響，登陸該地的臺風(fēng)不僅頻率高強(qiáng)度大，而且季節(jié)范圍特別長[33]。

本文研究的尖嶺地點(diǎn)位于海南島東南部陵水縣新村潟湖東南側(cè)，兩側(cè)均被低山束縛，從整體岸線向外海呈“喇叭”形狀(圖2)，海灘前緣是珊瑚礁和基巖平臺，在正常天氣條件下，到達(dá)海岸的波浪較小，海灘沉積物細(xì)砂為主，海灘之上陸側(cè)存在較大面積的海岸沙丘分布。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

經(jīng)過詳細(xì)的野外考察，根據(jù)Morton[14-26,34]總結(jié)出的野外識別風(fēng)暴沖越沉積的一系列特征，在尖嶺地點(diǎn)海岸沙丘中發(fā)現(xiàn)了多個含有典型風(fēng)暴沖越沉積的沙丘剖面。該處風(fēng)暴沉積以一個巨大的沖越扇為特征，沉積物整體顆粒由海向岸逐漸變細(xì)。在人工開挖的斷面上，本文選擇JL-1剖面和JL-2剖面為研究對象(圖3)。JL-1剖面距岸線100 m，風(fēng)暴沉積層賦存于海岸沙丘頂部，其特征表現(xiàn)為分層特征明顯，具有平行層理結(jié)構(gòu)，厚約2～3 m。JL-2剖面距岸線30 m，風(fēng)暴沉積層位于灰黑色沙壤土層上部，具有典型的平行層理特征。在挖掘過程中，首先去除剖面表層的雜草，垂直鏟去20～30 cm的表層沉積物，使之呈現(xiàn)出原有的沉積地層，隨后根據(jù)土壤學(xué)、沉積學(xué)和地層學(xué)方法對剖面進(jìn)行地層劃分和描述(表1，2)，并用RTK測量各風(fēng)暴層的高程，最后選取剖面中的典型層位(10個)采集樣品，并在尖嶺附近海灘采集沉積物2個，對樣品袋進(jìn)行編號并記錄沉積物類型。同時在兩個剖面中的風(fēng)暴層各采集了2個OSL測年樣品，并選取了炭屑碎片作為14C測年樣品(圖3)。

2.2 實(shí)驗(yàn)室樣品分析

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室粒度分析時，按粒徑組成情況取適量代表性樣品放入燒杯中，加入10～20 mL濃度為0.5 mol/L的六偏磷酸鈉溶液靜置24小時，使樣品充分分散成沉積時的原始狀態(tài)，再使用2 000 μm樣篩過篩，超過2 000 μm部分由于量少且無法上機(jī)測量，所以預(yù)處理時予以去除，剩余部分使用英國Malvern公司Mastersize 2000型激光粒度儀上機(jī)測試，測量范圍為0.02～2 000 μm，誤差小于1%。粒度參數(shù)(平均粒徑、中值粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)系數(shù)、峰態(tài)系數(shù))的計(jì)算采用Folk-Ward公式[35]。

圖2 海南省東南部尖嶺研究區(qū)域圖(a,b)和研究地點(diǎn)位置圖(c,修改自Google Earth)Fig.2 The study area (a,b) and the location of Jianling site (c) in the southeastern Hainan Island (modified from Google Earth)

圖3 尖嶺地點(diǎn)沉積剖面圖(a)、JL-2剖面(b)、JL-1剖面(c)和JL-2剖面細(xì)節(jié)(d)Fig.3 Photographs showing the storm overwash deposits at the study site (a); Profile JL-2 (b); Profile JL-1 (c) and the detail of a part of Profile JL-2 (d)

深度/cm地層巖性特征描述0～10植被覆蓋層以灰白色細(xì)砂為主，多植物根系和植被碎屑，質(zhì)地松散，大小較均一10～60風(fēng)成砂層灰白色中砂夾薄層黑色砂，質(zhì)地松散，大小較為均一60～150風(fēng)暴沉積層灰色中砂夾灰白色粗砂，成平行狀層理，向陸方向逐漸尖滅，分若干小的紋層，各個紋層之間界限清晰，紋層之間存在較明顯侵蝕界面150～？粗砂層灰白色粗砂，質(zhì)地松散，無結(jié)構(gòu)構(gòu)造

表2 尖嶺JL-2剖面地層劃分和巖性特征

磁化率測試首先稱取20 g左右樣品在低溫條件下(<40℃)烘干，然后用瑪瑙缽磨碎，再稱取樣品5 g裝入無磁塑料樣品盒中，利用英國Bartington儀器公司生產(chǎn)MS2型磁化率儀，測量樣品的低頻(0.47 kHz)和高頻(4.7 kHz)磁化率(Χlf，Χhf)。為保證測試精度，高、低頻磁化率均重復(fù)測試4次，并求其算術(shù)平均值。

OSL測年在室內(nèi)安全紅光下，從鋼管兩端各掏出2～3 cm的樣品(去除曝光部分)，以備測樣品的含水量與環(huán)境劑量。管內(nèi)樣品掏取后進(jìn)行化學(xué)處理，加入H2O2，去除樣品中的有機(jī)物；加入稀鹽酸，溶解碳酸鹽或能被HCl溶解的一些暗色物質(zhì)；之后篩選出150～180 μm的粗顆粒物質(zhì)，用氫氟酸(HF) 浸泡40分鐘，溶解長石等礦物；然后用稀鹽酸沖洗后烘干，以備上機(jī)測試。為了避免樣品中殘留有長石信號，取少許樣品進(jìn)行IR檢測，如果殘存較強(qiáng)的紅外信號，則使用 HF對樣品進(jìn)行再次處理[36]，并最終制得符合測定要求的樣品。處理好的石英顆粒用硅膠油平鋪單層固定在直徑 10 mm 的不銹鋼片上制成靶樣。樣品測定儀器為Ris ?TL/OSL-DA-20釋光儀，最后采用軟件 AGE.exe 計(jì)算得出所有樣品的光釋光年齡值。

在美國邁阿密Beta實(shí)驗(yàn)室完成AMS14C測年。使用分餾效應(yīng)校正后得到慣用年齡，日歷年齡是慣用年齡經(jīng)過CALIB 5.0[37]校正所得。

3 結(jié)果

3.1 剖面粒度特征

粒度分析是識別和判定現(xiàn)代和古風(fēng)暴沉積的重要手段[3,38]。本文在剖面JL-1和JL-2中選取了風(fēng)成砂層、風(fēng)暴層透鏡體、風(fēng)暴夾層、砂壤層的沉積物和外側(cè)海灘沉積物作對比。

從表3、表4可以看出，在JL-1剖面，風(fēng)暴沉積物尤其是風(fēng)暴透鏡體(JL-1-1)其沉積物500～2 000 μm粒度百分比含量明顯比其下部砂壤土層高許多，在<63 μm粒度含量顯著小于其下部砂壤土層；風(fēng)暴砂層JL-1-1至JL-1-3的分選為0.69～0.83，要明顯好于其下部灰色砂壤層(1.38～1.45)，灰色砂壤層偏度接近0且呈現(xiàn)略微負(fù)偏態(tài)，中值粒徑和平均粒徑十分接近，表明該沉積物可能來自于海灘沉積物，因?yàn)楹┏练e物受波浪和潮汐的反復(fù)作用，沉積物偏度接近0且多數(shù)呈現(xiàn)近正態(tài)分布。在JL-2剖面，風(fēng)暴沉積物500～2 000 μm粒度百分含量(11.84%～67.80%)同樣比其下部砂壤土層(12.86%)高許多，風(fēng)暴沉積物在<63 μm粒度含量(0.00～1.08%)顯著小于其下部砂壤土層(7.85%)。另外風(fēng)暴沉積物的分選系數(shù)(0.61～0.83)要明顯好于其下部砂壤土層(表4)。

砂壤層沉積物JL-1-4、JL-1-5和JL-2-5，中值粒徑和平均粒徑十分接近，介于248～295 μm，砂壤層在各自剖面的分選都是最差(1.14～1.45)，峰態(tài)最寬(2.26～3.38)，表明該層沉積物受到明顯的成壤改造作用。

表3 尖嶺風(fēng)暴剖面粒度特征

表4 尖嶺風(fēng)暴剖面粒度參數(shù)

海灘沉積物(JL-B上和JL-B下)，平均粒徑分別為227 μm和261 μm，平均粒徑與中值粒徑十分接近，分選較好，正態(tài)分布，峰值略偏正(0.96)。海灘上部沉積物比下部沉積物粗，應(yīng)該是海灘上部受波浪潮汐能量作用更高的結(jié)果。海灘沉積物的平均粒徑均明顯小于風(fēng)暴沉積物，應(yīng)是由于海岸淺水區(qū)域存在珊瑚礁和基巖平臺，耗散了絕大部分的入射波能。因此在正常天氣情況下，該地點(diǎn)波浪較小，使得所形成的海灘沉積物以細(xì)砂為主。

所以，風(fēng)暴層中這些更粗的粗砂質(zhì)沉積物應(yīng)該是高能水動力作用下的產(chǎn)物。

粒度頻率分布曲線可直觀展示沉積物粒度分布特征，是海洋事件沉積研究中常用的方法之一[13,39]。風(fēng)暴砂層粒度要明顯比海灘沉積物更加正偏，表明這些風(fēng)暴沉積物沉積時起動力條件明顯高于常規(guī)海灘沉積物；此外風(fēng)暴砂層粒度比砂壤土層更加正偏，這可能因?yàn)樯叭劳翆邮窃陲L(fēng)成砂的基礎(chǔ)上后期受成壤改造作用形成。

從圖4也可以看出，風(fēng)成砂層與砂壤層粒徑分布曲線十分相似，這說明風(fēng)成砂層與原砂壤層的物源可能是一致的，而砂壤層沉積物左側(cè)出現(xiàn)的小峰值應(yīng)該是較強(qiáng)成壤作用的結(jié)果，形成了部分泥質(zhì)沉積物。風(fēng)暴層中值粒徑峰值達(dá)到850 μm，比風(fēng)成砂層與外側(cè)海灘顆粒粗許多，說明風(fēng)暴沉積層與風(fēng)成砂和砂質(zhì)土壤層的形成原因存在顯著不同，進(jìn)一步表明這些風(fēng)暴沉積物都是高能水動力事件作用的產(chǎn)物。

圖4 尖嶺風(fēng)暴沖越沉積粒度分布曲線Fig.4 Grain size frequency curves of representative sediment samples at Jianling

3.2 剖面磁化率特征

沉積物樣品磁化率反映沉積物中鐵磁性礦物含量的變化，磁化率值的大小變化則主要受到沉積物物源，風(fēng)化成壤作用和沉積動力等因素控制[40]。從尖嶺磁化率結(jié)果來看(表5)，風(fēng)暴層和風(fēng)暴粗砂層的磁化率最低，介于(3.33～18.33)×10-8m3/kg之間，但JL-2剖面中風(fēng)暴層中細(xì)砂夾層的磁化率呈現(xiàn)顯著高值為81.03×10-8m3/kg，這可能是由于細(xì)砂層的顆粒更細(xì)，富集了更多的鐵磁性礦物，也可能是由于該地區(qū)的鐵磁性礦物粒徑與細(xì)砂層所在粒徑的范圍相近，更容易在較細(xì)顆粒的沉積物中富集。另外，從海灘沉積物中也可以看出，海灘上部較粗顆粒物質(zhì)比海灘下部較細(xì)顆粒物質(zhì)的磁化率明顯偏低。此外，砂壤土層的磁化率較高，為65.03×10-8m3/kg，盡管其粒度與風(fēng)成砂層相近，但其磁化率值卻顯著高于風(fēng)成砂層(33.33×10-8m3/kg)，這可能是砂壤曾經(jīng)受到較為強(qiáng)烈的成壤作用所致。

表5 尖嶺海岸砂丘風(fēng)暴沉積剖面沉積物磁化率

3.3 風(fēng)暴事件年代

對于海南島東南部海岸砂丘風(fēng)暴事件發(fā)生年代的確定，本文采取14C、OSL測年和歷史文獻(xiàn)記載相結(jié)合的方法。JL-1剖面存在風(fēng)暴沖越沉積層，如表1、表6和表7所示，風(fēng)暴沉積層的深度處于0.6～1.5 m之間，OSL樣品(JL-1)采集于1.05 m，測得的年齡為75 ± 30 a，而采集于1.5 m深處的14C年代樣品植物碎屑年代約為0 a B.P.，結(jié)合歷史文獻(xiàn)記載、釋光年代的誤差及前人統(tǒng)計(jì)(表8)[41-42]，推測在1.5 m深處的風(fēng)暴事件年代應(yīng)該為1954年。在JL-2剖面中，如表2、表6和表7所示，存在三層風(fēng)暴沖越沉積層，風(fēng)暴沉積層的深度處于0.2～3.50 m之間，OSL樣品(JL-2)采集于風(fēng)暴層的1.10 m，測得的OSL年代為120 ± 60 a，而采集于2.5 m深處的14C年代樣品植物碎屑年代約為0 a B.P.，結(jié)合歷史文獻(xiàn)記載、釋光年代的誤差及前人統(tǒng)計(jì)(表8)[41-42]，可以推測JL-2剖面位于0.9～2.5 m深處的風(fēng)暴沉積記錄應(yīng)該為1954年，而0.2～0.9 m深度的風(fēng)暴沉積層應(yīng)該是1973年和1981年2次臺風(fēng)中的單次或者共同作用的結(jié)果，而其下部2.5～3.5 m 深處的風(fēng)暴沉積層可能是1920年、1921年、1925年和1931年中的單次或多次臺風(fēng)作用的共同結(jié)果。

表6 尖嶺樣品的14C年代結(jié)果

4 討論

4.1 海岸砂丘風(fēng)暴沖越沉積的識別和沉積特征

由上述分析可知，尖嶺海岸砂丘沉積中存在典型的沖越沉積(圖3)。從剖面JL-1和JL-2可以看到，風(fēng)暴層具有平行狀、波狀、交錯層理，呈多層狀特征。每個風(fēng)暴層由若干紋層組成，每一紋層應(yīng)該代表了一次風(fēng)暴波浪的沖越過程。這些薄紋層又由粗砂—極粗砂層和大量較厚的細(xì)砂—中砂層交疊在一起構(gòu)成，每個紋層粗砂顆粒單元往往位于下部，而細(xì)砂顆粒位于沉積紋層單元的中下部，與風(fēng)暴沖越層底部弱成壤層形成鮮明對比，而且不同風(fēng)暴事件沉積之間的風(fēng)成作用沉積層。

表7 尖嶺樣品的OSL年代結(jié)果

表8 1900—1985年登陸或影響陵水地區(qū)的臺風(fēng)記錄[42]

另外，在距離海岸較遠(yuǎn)的JL-1剖面可見前積層理，沉積層較薄，主要以平行層理為主，風(fēng)暴層下部可見薄層有機(jī)質(zhì)堆積；在靠海端主要以向陸傾斜層理為主，沉積層較厚，粗顆粒單元和細(xì)顆粒單元分異明顯，風(fēng)暴層下部有機(jī)質(zhì)層較薄。

室內(nèi)粒度和磁化率的分析進(jìn)一步揭示了尖嶺地區(qū)風(fēng)暴沉積特征。該處風(fēng)暴沉積物尤其是風(fēng)暴透鏡體(JL-1-1)的500～2 000 μm粒度百分含量比其下伏砂壤土層明顯偏高，<63 μm粒度含量顯著小于其下伏砂壤土層，風(fēng)暴砂層分選系數(shù)(0.69～0.83)要明顯好于其下部灰色砂質(zhì)壤土層(1.38～1.45)。

從磁化率分析結(jié)果來看，風(fēng)暴層和風(fēng)暴粗砂層的磁化率最低，介于(3.33～18.33)×10-8m3/kg之間，砂壤層中磁化率呈顯著高值，為(44.33～65.03)×10-8m3/kg之間，但JL-2剖面中風(fēng)暴層中細(xì)砂夾層的磁化率呈現(xiàn)顯著高值為88×10-8m3/kg，這可能是由于細(xì)砂層的顆粒相比砂壤層更細(xì)，富集了更多的鐵磁性礦物，也可能是該地區(qū)的鐵磁性礦物粒徑與細(xì)砂層所在粒徑的范圍相近、更容易在較細(xì)顆粒的沉積物中富集所致。綜上所述，尖嶺風(fēng)暴沉積物相對于風(fēng)成砂丘和灰色砂壤土，其粒度更粗，分選更好。另外，風(fēng)暴沉積物磁化率更低，表明其風(fēng)暴成壤作用較弱，粗顆粒沉積中鐵磁性礦物含量較低，與灰色砂壤土顯著磁化率高值存在明顯差異。這些理化指標(biāo)特征都顯著不同上部風(fēng)成砂層和地步磚紅色砂壤土層，可進(jìn)一步判定這些平行狀和波狀層理沉積物為典型的沖越風(fēng)暴沉積物。由此通過野外宏觀特征考察判斷和室內(nèi)分析結(jié)果可以總結(jié)出，JL-1和JL-2剖面中風(fēng)暴沉積層具有以下特征：1) 風(fēng)暴沉積層與其下伏砂壤土層在顏色上存在顯著差異，砂壤土的顏色更加偏暗，且有一定程度成壤；2) 風(fēng)暴沉積層的平行層理結(jié)構(gòu)非常明顯，微層理厚度2～10 cm，每個微層理包括一個粗砂層和一個粗砂質(zhì)細(xì)砂層，這些特點(diǎn)與其下部無層理結(jié)構(gòu)砂壤土有十分明顯的差異；3) 風(fēng)暴沉積物沉積厚度為50～70 cm，粗砂層粒度比砂壤土更粗，細(xì)砂層粒度則與風(fēng)成砂相近或者偏細(xì)，但質(zhì)地較均一，結(jié)構(gòu)疏松；4) 風(fēng)暴層中間存在較明顯的風(fēng)成砂夾層，夾層無層理結(jié)構(gòu)，質(zhì)地不均一。

盡管海嘯事件也可能形成海岸砂丘中的極端事件沉積，但在海南島東南部近幾百年歷史文獻(xiàn)記載中，并未發(fā)現(xiàn)任何海嘯事件影響該區(qū)域的文獻(xiàn)記載[42]，所以可以排除尖嶺地區(qū)的高能堆積物為海嘯事件導(dǎo)致的可能。

4.2 海岸砂丘沉積記錄中風(fēng)暴沉積的形成機(jī)制

近岸帶主要分為波破線以外的近海區(qū)，激浪帶和波浪爬高帶。波浪爬高區(qū)處于水陸相互作用區(qū)域，是陸地上風(fēng)暴潮沉積的主要堆積區(qū)。但是風(fēng)暴潮期間，波浪作用傾向于將海岸泥砂向海搬運(yùn)[43]，在增水面以上特別是波浪爬高區(qū)形成風(fēng)暴沉積較為困難，需要具備一定的條件[43]，即向岸輸砂率要大于離岸輸砂率，但是如果在波浪爬高區(qū)受到地形影響只有上沖流沒有回波流，則也可以在波浪爬高區(qū)形成風(fēng)暴沉積。形成風(fēng)暴沉積的另一個必須條件是近岸帶泥砂中沉積物顆粒較大，因?yàn)樵陲L(fēng)暴潮期間，波浪強(qiáng)度增大，泥砂如果不夠粗，近岸物質(zhì)會以懸移質(zhì)形式被離岸搬運(yùn)，所有泥砂都會被風(fēng)暴浪以離岸流形式帶到水下砂壩[44-45]。

尖嶺灘脊的后濱地區(qū)地勢較為平坦(圖1，3)，當(dāng)特大風(fēng)暴在尖嶺附近海岸登陸或者影響到該地區(qū)時，風(fēng)暴浪挾帶巨量泥砂沉積物越過灘脊后，迅速向內(nèi)陸蔓延，由于后濱海拔低于灘脊，從而導(dǎo)致風(fēng)暴沖越流無法形成回流，使得攜帶的細(xì)顆粒沉積物全部在灘脊后緣及后濱迅速沉積，形成沖越扇(圖5)。此外，尖嶺風(fēng)暴沉積層自下而上出現(xiàn)粒度變細(xì)的遞變趨勢，這說明風(fēng)暴浪越過灘脊后水動力能力迅速下降，沉積物逐漸沉積，形成粒度自下而上逐漸變細(xì)的遞變趨勢[46-47]。因?yàn)槊看物L(fēng)暴事件會產(chǎn)生大量風(fēng)暴浪，這些風(fēng)暴浪挾帶泥砂越過灘脊后在灘脊后緣及后濱共同形成了一系列沖越沉積紋層，所以在JL-1和JL-2剖面中形成了上百層紋層。

圖5 尖嶺風(fēng)暴沖越沉積模式圖Fig.5 The schematic pattern of the overwash deposits at Jianling

4.3 風(fēng)暴事件的強(qiáng)度

與沖越沉積的識別相比較，由沖越沉積特征來確定古風(fēng)暴的強(qiáng)度存在很多挑戰(zhàn)。一般來說，臺風(fēng)強(qiáng)度與風(fēng)暴增水有著較好的對應(yīng)關(guān)系，臺風(fēng)越強(qiáng)，對應(yīng)的風(fēng)暴增水越高，在同一個海岸上的波浪越高，相應(yīng)形成的沖越扇就越大[4]。在風(fēng)暴增水的影響下，風(fēng)暴浪挾帶外海粗顆粒泥砂在爬高過程沖刷和侵蝕灘面，當(dāng)風(fēng)暴浪足夠大時，風(fēng)暴浪能越過灘脊，在灘脊后緣及后濱形成沖越扇，在蔓延過程中，速度會逐漸降低，沉積物隨之沉降下來。因此風(fēng)暴沉積物的高程的最高點(diǎn)(即風(fēng)暴沉積物尖滅點(diǎn)的高程)可近似代表風(fēng)暴波浪的最大爬高。

為了計(jì)算波浪爬升高度，前人做了許多研究[48-52]。本文采用Stockdonetal.[53]基于Holman等[48-49,54-55]的數(shù)據(jù)和美國東西部海岸海灘的觀測數(shù)據(jù)而建立的風(fēng)暴波浪爬高經(jīng)驗(yàn)公式：

(1)

式中R2%是超過平均波浪爬高高度2%的高度值；H0是深水波高的顯著波高，L0是深水波長；βf是海灘前沿的水下坡度。其中L0是由波浪周期T決定的：

(2)

式中T是深水波浪周期，g是重力加速度。

Stockdon波浪經(jīng)驗(yàn)公式[52]中，海灘前沿水下坡度β的確定本文根據(jù)海圖中的水深數(shù)據(jù)，建立海灘前沿?cái)嗝妫?zhǔn)確計(jì)算出尖嶺剖面的海灘前沿水下坡度為7°。尹紅強(qiáng)[56]基于SWAN模型對1949—2013年達(dá)到臺風(fēng)級別的471次熱帶氣旋進(jìn)行臺風(fēng)浪模擬，給出了南海海域65年間有效波高及其對應(yīng)的平均周期，研究表明南海地區(qū)1949—2013年間臺風(fēng)風(fēng)暴波浪的最大平均周期約為10～13 s，海南島東南部地區(qū)最大有效波高為15～18 m?；跇O值公式計(jì)算獲得百年一遇的有效波高約為15～16 m，200年一遇的有效波高為18～19 m。

假定有效波高為H0=15 m，波浪周期為T=12 s，則L0=224.71 m，根據(jù)公式(1)計(jì)算可得，在JL地點(diǎn)的波浪爬高高度約為6.21 m；假定有效波高為H0=18 m，波浪周期為T=13 s，則L0=263.72 m，根據(jù)公式(1)計(jì)算可得，尖嶺的波浪爬高約為7.47 m。

為驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，我們對2013年臺風(fēng)“海燕”在尖嶺的實(shí)際爬高和范圍進(jìn)行了調(diào)查，測量得到“海燕”引起的波浪爬高約為4.64 m。根據(jù)前人研究，該臺風(fēng)靠近海南島三亞地區(qū)時最高風(fēng)速為42 m/s，最大有效波高超過10 m[57-58]，平均波周期約為8 s。設(shè)H0為10 m，波浪平均周期為8 s，基于公式(1)計(jì)算可得，其波浪爬高約為4.16 m，與實(shí)際調(diào)查結(jié)果十分接近，誤差約為10%。

如表9所示，根據(jù)假定的100年一遇臺風(fēng)風(fēng)浪條件計(jì)算得到的尖嶺波浪爬高為6.21 m，對比實(shí)測的風(fēng)暴沉積物的海拔高度，可以發(fā)現(xiàn)100年一遇臺風(fēng)風(fēng)浪爬高明顯低于JL-2剖面中風(fēng)暴層最高點(diǎn)高程，但卻高于JL-1剖面中風(fēng)暴層頂部的高程。而根據(jù)200年一遇臺風(fēng)風(fēng)浪條件計(jì)算得到的波浪爬高分別為7.47 m，接近JL-2剖面最高層風(fēng)暴沉積層頂部高程。由于JL-1剖面位于灘脊后部，海拔較低，不能代表實(shí)際風(fēng)暴時間的風(fēng)暴波浪時間的爬高，因此位于海灘頂部的JL-2剖面可以較好地代表風(fēng)暴事件的波浪爬高。而JL-2剖面風(fēng)暴層上的高程(7.62 m)應(yīng)為登陸該地點(diǎn)強(qiáng)度最大的風(fēng)暴事件，由此推斷登陸該地點(diǎn)的最大臺風(fēng)強(qiáng)度介于100～200年一遇。

表9 尖嶺砂丘剖面中風(fēng)暴層尖滅點(diǎn)高程

5 結(jié)論

本文基于沉積學(xué)分析，結(jié)合沉積物粒度和磁化率理化指標(biāo)的分析，識別出海南島東南部尖嶺兩個海岸砂丘剖面(JL-1和JL-2)中的風(fēng)暴沖越沉積物；通過14C和OSL測年并結(jié)合歷史文獻(xiàn)記載，判定JL-1中風(fēng)暴事件應(yīng)該是1954年臺風(fēng)作用的結(jié)果；而JL-2中的2.5～3.5 m深處的風(fēng)暴事件則可能是1920年、1921年、1925年、1931年中的單次或者多次風(fēng)暴作用的共同結(jié)果，上部0.9～2.5 m深度的風(fēng)暴沉積層記錄了1954年的風(fēng)暴沉積事件，而最上部0.2～0.9 m深度的風(fēng)暴記錄則可能代表1973年和1981年兩次臺風(fēng)中的單次或者兩次臺風(fēng)事件共同作用的結(jié)果。根據(jù)尖嶺地貌特征和砂丘中風(fēng)暴沉積特征的對比，得出該地風(fēng)暴沖越沉積的形成應(yīng)是由于尖嶺海灘灘脊海拔較低、風(fēng)暴浪挾帶泥砂沖越過灘脊后無法回流、繼續(xù)向?yàn)┘购蟛科教沟暮鬄I地帶輸運(yùn)并迅速沉降堆積而形成。由于一次臺風(fēng)事件會產(chǎn)生大量風(fēng)暴增水，因此每個事件層包含了多個風(fēng)暴沖越沉積紋層。依據(jù)Stockdon經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算了尖嶺兩個海岸砂丘剖面沉積中記錄的風(fēng)暴事件的波浪爬高，判定登陸該地點(diǎn)風(fēng)暴事件的最大臺風(fēng)事件強(qiáng)度應(yīng)介于100～200年。

致謝 感謝高建華老師對本文粒度實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)幫助，感謝王丹丹、張龍輝參加野外調(diào)查工作。南京大學(xué)海岸與海島開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室協(xié)助完成磁化率測試，美國邁阿密Beta實(shí)驗(yàn)室?guī)椭瓿葾MS14C測年。感謝匿名審稿專家對本文提出的寶貴意見。

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ACoastalDuneOverwashRecordofTyphoonStormEventsfromSoutheasternHainanIsland

YANG BaoMing1,2, GAO Shu3, ZHOU Liang3, ZHAO YangYang4, TU JiaYu1,2, WANG ChengLong1,2

1.CollaborativeInnovationCenterofSouthChinaStudies,NanjingUniversity,Nanjing210023,China2.MinistryofEducationKeyLaboratoryforCoastandIslandDevelopment,NanjingUniversity,Nanjing210023,China3.StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China4.StateKeyLaboratoryofMarineEnvironmentalScience,XiamenUniversity,Xiamen,Fujian361005,China

In the present study, coastal dune deposits are analyzed to derive the information on historical storm events. Paleotempestology investigations were carried out for the southeastern part of Hainan Island. The storm deposits identified are interbedded within the aeolian coastal dune proles on the Jianling coast. They are characterized by coarse-grained overwash deposits during the extreme storm events, as revealed on the basis of detailed stratigraphic division, grain size and magnetic susceptibility analyses. The age of the storms events was determined using the14C and OSL dating methods, in combination with historical documents. When a storm surge hits the coast, the coastal dune may be overtopped or breached, and a low-lying dune associated with a large, flat terrain at the backshore is suitable for trapping the storm sediment to form a thick-bedded, sandy washover deposit. The Stockdon empirical equation was used to calculate the overwash height, indicating that the storm record at the Jianling site represents the product formed by several storms, with their return periods being 100 to 200 years. The result obtained implies that the coastal dune here contain important information on the intensity and frequency of occurrence of the South China Sea typhoons.

paleotempestologic analysis; storm deposits; coastal dunes; storm intensity; Hainan Island

1000-0550(2017)06-1133-11

10.14027/j.cnki.cjxb.2017.06.005

2017-03-31；收修改稿日期2017-04-28

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41530962,41706096)[FoundationKey Program of National Natural Science Foundation of China, No. 41530962,41706096]

楊保明，男，1992年出生，碩士研究生，海洋地質(zhì)學(xué)，E-mail: sgao@sklec.ecnu.edu.cn

高抒，男，教授，E-mail: sgao@sklec.ecnu.edu.cn

P512.2

A