南日水道“泥質(zhì)”楔形沉積體特征及其成因機(jī)制探討

王恒波，張漢女，許 江*，李海東

(1.自然資源部第三海洋研究所，福建 廈門 361005；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074)

興化灣是福建省最大的海灣，灣口朝向SE向，經(jīng)南日群島、興化水道和南日水道與臺灣海峽相通，兩條水道水深大部分在20 m以上。興化灣灣頂有木蘭溪等數(shù)條小型山溪性河流注入[1]。南日水道作為興化灣兩條重要的進(jìn)出水道之一，對南日水道沉積物以及沉積環(huán)境的研究存在重要的意義。

本研究通過淺地層剖面測量和地質(zhì)鉆探的實(shí)測資料，發(fā)現(xiàn)并確定了南日水道發(fā)育較厚的“泥質(zhì)”楔形沉積體，該沉積體以細(xì)粒的粉砂為主，并含較多的黏土質(zhì)成分，這與一般的潮汐通道水動力較強(qiáng)，發(fā)育粗粒沉積物相反?！澳噘|(zhì)”楔形沉積體一般認(rèn)為是河流入海沉積物被海流搬運(yùn)至遠(yuǎn)離河口的位置所形成[2]，在我國的山東半島沿岸[3-4]、閩浙沿岸[5-6]和廣東沿岸[7]均有發(fā)育。國際上對“泥質(zhì)”楔形沉積體的研究，主要在湄公河[8-9]、亞馬遜河[10]、波河(亞德里海)[11]、飛河(新幾內(nèi)亞巴布亞海灣)[12-13]等大型河口，而對中小型河口附近“泥質(zhì)”楔形沉積體的研究尚顯不足。由于中小型河流流域面積小、流程短，其河口子系統(tǒng)在響應(yīng)環(huán)境變化方面更為迅速，更加敏感[14]，越來越多的學(xué)者認(rèn)識到中小型河流在全球物質(zhì)通量以及生物地球化學(xué)循環(huán)中扮演著重要角色[15]。

本研究旨在通過對南日水道“泥質(zhì)”楔型沉積體特征的分析，探討該沉積體的成因機(jī)制，以求窺視南日水道沉積環(huán)境的歷史。

1 材料與方法

2016年6—7月，在南日島與石城半島之間海域的北部和南部分別進(jìn)行了單波束測深、淺地層剖面測量和地質(zhì)鉆探工作，完成淺地層剖面主測線20條，其中海域北側(cè)9條，海域南側(cè)11條，南北側(cè)聯(lián)絡(luò)測線2條，完成地質(zhì)鉆探鉆孔22個(gè)，其中海域北側(cè)12個(gè)，海域南側(cè)10個(gè)(圖1)。導(dǎo)航定位采用美國Trimble公司制造的DSM332全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，儀器走航定位精度優(yōu)于1 m。單波束水深測量采用無錫海鷹加科海洋技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HY1600型回聲測深儀，儀器測深精度為±(0.01 m+0.1%D)(D為水深)。淺地層剖面測量使用美國Edgetech公司制造的Edgetech3200-XS淺地層剖面系統(tǒng)，采用的工作參數(shù)為：脈沖類型為2～12 kHz、20 ms，脈沖頻率為5 Hz。海上測量船速控制在5 kn以下，正常情況下，偏航距小于50 m。地質(zhì)鉆探采用國產(chǎn)XY-Ⅱ型鉆機(jī)自由回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，對粘性土采用薄壁取土器采取原狀樣，對粉土、砂性土采用取砂器采取原狀樣。

圖1 南日水道淺地層剖面測線和地質(zhì)鉆孔位置Fig.1 Lines of sub-bottom profiles and geological core sites in Nanri Waterway

2 結(jié)果與討論

2.1 “泥質(zhì)”楔形沉積體地震特征

對“泥質(zhì)”楔形沉積體位置的淺地層剖面進(jìn)行了分析處理，根據(jù)各測線位置“泥質(zhì)”楔形沉積體厚度，繪制了南日水道北部和南部海域“泥質(zhì)”楔形沉積體等厚圖(圖2)；并對3條主測線剖面(N9、S6、S10)以及北部和南部海域的一條聯(lián)絡(luò)剖面(L1)進(jìn)行了解釋(圖3)，據(jù)此我們對淺地層剖面劃分了4個(gè)地震單元(SU1、SU2、SU3、SU4)。剖面N9、S6、S10在南日水道中心處均具有明顯的楔形沉積體結(jié)構(gòu)，聯(lián)絡(luò)剖面L1除了中間經(jīng)過的礁石區(qū)，其他位置均具有“泥質(zhì)”楔形沉積體結(jié)構(gòu)，說明南日水道北部和南部海域是一個(gè)沉積整體。

從圖3可以看出，SU4地震單元聲波無法穿透，頂界面為一強(qiáng)振幅反射界面，界面起伏不平，該地震單元為巖石基底，部分區(qū)域露出海底形成礁石。SU3地震單元以弱的聲學(xué)反射為特征，聲波能量在該地震單元迅速衰減直至消失，穿透深度有限，推測該層為厚砂層。SU2地震單元為“泥質(zhì)”楔形沉積體主體，聲信號可以完全穿透，該地震單元中間厚，向兩端逐漸變薄，最大厚度超過20 m，地震單元中間可以分為多個(gè)近水平分布的次級單元，顯示出沉積地層的水平發(fā)育結(jié)構(gòu)。該地震單元在南日水道北部海域和南部海域又有不同，北部海域西低東高，西端向石城方向尖滅，東端向南日島方向尖滅，該地震單元中間位置有較大面積的聲學(xué)屏蔽區(qū)域，該區(qū)域位于海底面以下8 m左右，頂界面模糊，推測為海底淺層氣；南部海域西高東低，西端向石城方向逐漸尖滅，東端向南日島方向被SU4地震單元阻斷，次級水平地震單元分層清晰，除S10和S11號剖面外，南部其他剖面均有類似北部區(qū)域的聲學(xué)屏蔽區(qū)域，該屏蔽區(qū)域較北部面積明顯減少，推測淺層氣由北向南逐漸減少直至消失。SU1地震單元為一薄層反射體，厚約2 m，位于SU2或SU3之上，部分區(qū)域缺失，該地震單元為現(xiàn)代沉積的產(chǎn)物。

圖2 南日水道北部和南部海域“泥質(zhì)”楔形沉積體厚度Fig.2 Thickness of muddy wedge deposit in the northern and southern areas of Nanri Waterway

圖3 南日水道典型測線淺地層剖面Fig.3 Typical sub-bottom profiles set in Nanri WaterwaySU1、SU2、SU3、SU4為對淺地層剖面劃分的4個(gè)地震單元，下同。

圖4 南日水道北部海域鉆孔剖面Fig.4 Geologic profile of cores in northern Nanri Waterway紅色線條為鉆孔剖面，下同。

圖5 南日水道南部海域鉆孔剖面Fig.5 Geologic profile of cores in southern Nanri Waterway

圖6 南日水道海底地形Fig.6 Bathymetric chart of Nanri Waterway

2.2 鉆孔揭示的海域沉積特征

通過對南日水道北部海域和南部海域鉆孔剖面(圖4、5)的分析，我們可以看到，北部海域表層覆蓋有一泥質(zhì)薄層，厚度為0～5 m，“泥質(zhì)”楔形沉積體所處位置表面的泥質(zhì)薄層下面為較厚的粉砂層，“泥質(zhì)”楔形沉積體兩側(cè)區(qū)域泥質(zhì)薄層下面為厚度較大的中砂、粗砂、礫砂層，部分區(qū)域中間夾泥質(zhì)薄層，北部海域“泥質(zhì)”楔形沉積體位置處的鉆孔有Z6和Z7，沉積層的上層為淤泥層，下層為粉砂層，淤泥層顏色為深灰色，呈流塑狀態(tài)，主要由粉土和黏土組成，含少量中、細(xì)砂，可見少量貝殼碎片，土層光滑、無搖震反應(yīng)、干強(qiáng)度高、韌性高，揭露厚度為2.30～2.70 m；粉砂層顏色為灰色、淺黃色，呈松散、飽和狀態(tài)，成分以石英砂為主，含少量黏土，局部含少量貝殼，其中粒級大于2.000 mm的占比為0.5%～3.3%，粒級在0.500～2.000 mm之間的占比為4.7%～13.3%，粒級在0.250～0.500 mm之間的占比為32.5%～40.0%，粒級在0.075～0.250 mm之間的占比為10.0%～44.3%，粒級小于0.075 mm的占比為12.2%～45.5%，該層揭露厚度為10.80～15.10 m。

南日水道南部海域“泥質(zhì)”楔形沉積體位置處為較厚的淤泥、淤泥混砂層，“泥質(zhì)”楔形沉積體南日島側(cè)為礁石區(qū)，石城半島側(cè)表層偶見薄層淤泥或淤泥混砂層，其下為厚度較大的細(xì)砂、中粗砂、礫砂層，局部區(qū)域夾有黏土質(zhì)薄層?！澳噘|(zhì)”楔形沉積體位置處鉆孔有K8和K9，主要沉積層為淤泥和砂混淤泥，淤泥層顏色為深灰色，呈流塑-軟塑狀態(tài)，飽和、質(zhì)純、厚度較大，K8揭露厚度為9.50 m，K9未揭穿；砂混淤泥層顏色為淺灰色，呈飽和、松散-稍密狀態(tài)，以中細(xì)砂為主，不均勻混有黏土，黏土占比約為10%～30%，厚度較大，K8未揭穿。

通過分析我們可以看到，南日水道海域鉆孔揭露的地層特征與淺地層剖面揭露的地震相有較好的對應(yīng)關(guān)系。

2.3 地形因素

研究區(qū)海底沉積物的分布與海底地形有密切的關(guān)系，南日水道是位于石城半島和南日島之間的狹長通道，是興化灣潮流進(jìn)出的通道之一，漲潮時(shí)潮流由南向北進(jìn)入興化灣，落潮時(shí)潮流由北向南進(jìn)入臺灣海峽。從圖6可以看出，南日水道兩側(cè)石城半島和南日島海岸類型多為基巖海岸，沿岸礁石林立，水深由兩岸向水道中間逐漸變深，最大水深大于30 m，在中間形成一條狹長通道，即南日水道。

2.4 物源分析

南日水道位于興化灣南側(cè)，石城半島與南日島之間，是興化灣潮流進(jìn)出的通道之一，南日水道泥沙來源主要有以下幾種：

2.4.1 河流輸入 興化灣西部灣頂有木蘭溪和荻蘆溪等幾條小型河流注入，興化灣泥沙主要來源于木蘭溪的入海泥沙及沿岸小溪或沖溝向海的輸沙[1]，木蘭溪和荻蘆溪長度分別為105、74 km，流域面積分別為1 732、1 070 km2。據(jù)1959—1979年的統(tǒng)計(jì)資料顯示，兩條溪流年均入海泥沙量為7.57×105t[1]。河流入海泥沙主要沉積于興化灣內(nèi)，使港灣淤積現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，南日水道作為興化灣兩個(gè)通道之一，河流入海泥沙不可避免的需要運(yùn)移至南日水道海域，由淺地層剖面我們也可以看到，“泥質(zhì)”楔形沉積體中含有豐富的淺層氣，說明該沉積體有機(jī)質(zhì)含量豐富，表明河流輸入應(yīng)為該沉積體的主要物質(zhì)來源。

2.4.2 海岸侵蝕 興化灣是福建省最大的基巖海灣，地貌類型多，周邊陸地為構(gòu)造侵蝕低山、丘陵和臺地。研究海域地處亞熱帶，周邊海岸洪季沖蝕和風(fēng)浪侵蝕入海物質(zhì)也是泥沙來源之一，但量級有限[14]。

2.4.3 外海泥沙 南日水道為興化灣與外界聯(lián)系的潮汐通道之一，潮汐作用攜帶的外海泥沙也會成為南日水道沉積物的來源之一[16-18]。

2.4.4 閩浙沿岸流及閩江徑流輸沙 閩浙沿岸流起源于長江口和杭州灣一帶，由長江和錢塘江的徑流入海后與海水混合形成，主要分布在長江口以南的浙、閩沿岸，沿途還有甌江和閩江的徑流加入，主要出現(xiàn)在春、秋、冬3 季。閩浙沿岸流具有明顯的季節(jié)變化特征，向南可影響到東山至南澳島附近海域[19-22]，閩江徑流在南下的過程中與閩浙沿岸流匯合，其入海泥沙隨落潮流向海域擴(kuò)散運(yùn)移，其中底沙基本沉積在閩江口廣大的淺灘中，而懸沙向東、南方向擴(kuò)散。在懸沙向南擴(kuò)散的過程中，首先受到影響的是興化灣北側(cè)的福清灣和海壇島周圍，并主要沉積在福清灣附近[16]，因此，閩浙沿岸流及閩江徑流對南日水道輸沙的影響很小。

2.5 沉積環(huán)境分析

通過與其他河口研究結(jié)果的對比，以及對淺地層剖面和鉆孔沉積物的綜合分析，我們認(rèn)為南日水道“泥質(zhì)”楔形沉積體是晚更新世末次冰期以來的產(chǎn)物，淺地層剖面中的4個(gè)地震單元分別對應(yīng)著晚更新世末次冰期以來的4個(gè)沉積階段(圖7)。

圖7 南日水道晚更新世以來的地層演化Fig.7 Stratigraphic evolution in Nanri Waterway since the Late Pleistocene

A階段：與地震單元SU4對應(yīng)，晚更新世末次冰盛期全球海平面達(dá)到低谷，中國沿海海平面在現(xiàn)今海平面下120～130 m[3]，研究區(qū)裸露成陸，該時(shí)期構(gòu)造運(yùn)動比較活躍，研究區(qū)地形經(jīng)過構(gòu)造活動改造，逐漸形成了兩側(cè)高、中間低的地形雛形。

B階段：與地震單元SU3對應(yīng)，隨著大陸冰川的快速消融，該階段海平面快速上升，7.0 ka BP左右，海平面上升到現(xiàn)今海平面高度，平均上升速率為(13.7±2.7)mm/a[23]。沿岸河流攜帶大量泥沙進(jìn)入南日水道及其附近海域，導(dǎo)致該時(shí)期南日水道及其附近海域沉積了大量的粗粒沉積物；同時(shí)，由于較強(qiáng)的亞洲冬季季風(fēng)將更多的陸源碎屑物質(zhì)從北向南輸送[24]，也為南日水道的泥沙供給提供了一定的貢獻(xiàn)。

C階段：與地震單元SU2對應(yīng)，7.0 ka BP之后，海平面雖有波動，但變化不大，潮流作用減弱。同時(shí)，沿岸河流流量減少，流速減弱，沿岸河流攜帶的粗粒沉積物難以到達(dá)南日水道。此時(shí)，較多的細(xì)粒沉積物在南日水道沉積，形成厚層的細(xì)粒沉積體，而受地形影響，南日水道兩岸海流流速較大，潮汐作用相對南日水道處較強(qiáng)，兩岸以沖刷為主，細(xì)粒沉積物難以沉積下來。這段時(shí)間由于海平面的振蕩波動，在南日水道沉積的厚層細(xì)粒沉積體呈現(xiàn)水平分層結(jié)構(gòu)，沉積體中含有大量有機(jī)質(zhì)，淺層氣的形成即來源于有機(jī)質(zhì)的分解。

D階段：與地震單元SU1對應(yīng)，為近現(xiàn)代沉積階段，隨著人類活動的顯著增加，尤其是圍填海等人類活動對興化灣岸線的改造，興化灣納潮量減少，南日水道潮汐作用進(jìn)一步減弱，南日水道大部分區(qū)域開始接受細(xì)粒沉積物，在表層形成泥質(zhì)薄層。

3 結(jié)論

本研究通過單波束測深、淺地層剖面測量和地質(zhì)鉆探等方法對南日水道“泥質(zhì)”楔形沉積體的位置、形態(tài)和沉積物進(jìn)行了研究，分析了其成因和沉積歷史，獲得如下結(jié)論：

(1)“泥質(zhì)”楔形沉積體沿南日水道發(fā)育，寬度約2 km，最大厚度大于20 m，沉積體北段以淤泥和粉砂為主，南段以淤泥和砂混淤泥為主。該“泥質(zhì)”楔形沉積體東西兩側(cè)沉積物以粗粒砂質(zhì)沉積為主，“泥質(zhì)”楔形沉積體內(nèi)發(fā)育豐富的淺層氣。

(2)南日水道受地形影響，水道兩側(cè)潮流流速大，水道內(nèi)潮流流速小，導(dǎo)致南日水道持續(xù)接收細(xì)粒沉積物。

(3)“泥質(zhì)”楔形沉積體物質(zhì)來源主要為興化灣近岸木蘭溪和荻蘆溪等河流輸入，其次海岸侵蝕和外海來沙也有一定的貢獻(xiàn)。

(4)晚更新世末次冰期以來，南日水道經(jīng)歷了裸露成陸、快速沉積、穩(wěn)定沉積、現(xiàn)代沉積4個(gè)沉積階段，最終形成了現(xiàn)在具有獨(dú)特特征的“泥質(zhì)”楔形沉積體結(jié)構(gòu)。