現(xiàn)代灤河口表層沉積物特征對(duì)水動(dòng)力環(huán)境的指示

徐國強(qiáng),杜 軍*,于曉曉,李 平,付亦鵬,夏 鵬

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061；2.中國科學(xué)院 海洋研究所,山東 青島266071；3.青島市勘察測(cè)繪研究院,山東 青島266034)

三角洲沉積作用的自然因素十分復(fù)雜,主要受控于河流動(dòng)力和海洋動(dòng)力。灤河為華北地區(qū)大河之一,是一條頻繁改道、往返擺動(dòng)的多沙性河流,泥沙快速落淤使三角州平原不斷向海推進(jìn),波浪對(duì)三角洲前緣濱岸沙壩的建造也起著積極作用,灤河泥沙供給量影響了三角洲的沖淤動(dòng)態(tài)。表層沉積物粒度分析是揭示沉積動(dòng)力過程的重要方法,具有經(jīng)濟(jì)、便捷、較為可靠等優(yōu)勢(shì),在沉積環(huán)境研究中可以用來判斷沉積物的來源、水動(dòng)力條件和搬運(yùn)方式等[1-4]。河口近岸海域水動(dòng)力環(huán)境復(fù)雜,受徑流、波浪、潮汐及沿岸流等影響,沉積物類型復(fù)雜多變。多元統(tǒng)計(jì)分析是運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)研究解決多指標(biāo)問題的方法,其中最常用的是聚類分析和因子分析,被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)學(xué)中的粒度分析、礦物成分、災(zāi)害評(píng)估、經(jīng)濟(jì)地理學(xué)和地理要素分析等方面[5-7]。本文分析測(cè)試了灤河口近岸海域106個(gè)表層沉積物樣品的粒度,進(jìn)行了多元統(tǒng)計(jì)分析和沉積動(dòng)力分區(qū),表層沉積物類型以較粗的砂、粉砂質(zhì)砂為主,砂組分百分含量分布與表層沉積物類型分布具有很好的一致性,自河口向兩側(cè)降低,研究區(qū)3個(gè)不同沉積區(qū)與粒徑輸運(yùn)趨勢(shì)具有較好的對(duì)應(yīng)性。

1 研究區(qū)概況

現(xiàn)代灤河三角洲位于渤海西北部沿岸,河北樂亭至昌黎之間,是1915年灤河沖決史家溝后經(jīng)甜水河入海,并經(jīng)多次汊道改道形成,發(fā)育典型的沙壩-潟湖海岸。研究區(qū)潮汐性質(zhì)為不規(guī)則半日潮,受附近秦皇島無潮點(diǎn)影響,潮差較小,平均潮差0.88 m、最大潮差2.78 m；近岸海域以往復(fù)流為主,漲潮流流向?yàn)镾W向、落潮流流向?yàn)镹E向,流向與海岸走向一致,漲潮流流速較大,落潮流流速??；波浪以風(fēng)浪為主,涌浪集中在夏季,浪向特征與風(fēng)向一致,常浪向?yàn)镾E向、次常浪向?yàn)镋SE向,強(qiáng)浪向?yàn)镋NE向、次強(qiáng)浪向?yàn)镹E向。

灤河全長(zhǎng)877 km,流域面積44 880 km2,1979年之前年均徑流量47.2×108m3,年均輸沙量22.2×106t。灤河年內(nèi)徑流量變化很大,徑流量在7—9月占全年徑流量的85%以上(圖1)。灤河年內(nèi)輸沙量變化也很大,輸沙量的年際變化高于徑流量,其豐水年的輸沙量可達(dá)枯水年的35倍之多。

圖1 灤河徑流量和輸沙量變化Fig.1 Water discharge and sediment load of the Luanhe River

2 材料與方法

沉積物樣品采集于2014年10月,數(shù)量為106個(gè),采樣間隔為1.5 km×3.5 km(圖2),采樣深度小于10 cm,采樣過程同步進(jìn)行定位工作。采樣設(shè)備為蚌式取樣器,定位所用設(shè)備為中海達(dá)HD5800G藍(lán)牙一體化RTK GPS,水平與垂直定位精度均優(yōu)于0.5 m。

圖2 表層沉積物取樣位置Fig.2 Sampling locations for surface sediments

沉積物粒度分析測(cè)試在自然資源部第一海洋研究所粒度實(shí)驗(yàn)室完成,共測(cè)試樣品106個(gè)。選取適量樣品至50 m L塑料試管中,加入雙氧水后熱浴,充分去除有機(jī)質(zhì)；加入鹽酸去除鈣質(zhì),之后離心洗鹽3次,并置于密封環(huán)境準(zhǔn)備測(cè)試。測(cè)試過程中所用儀器為Mastersizer-2000,粒徑測(cè)試范圍為0.02～2 000.00μm。每份樣品至少測(cè)試2次,2次測(cè)試中值粒徑差值＜5%,粒徑間距為0.25Φ。平均粒徑(Mz)、分選系數(shù)(σ)、偏態(tài)(Sk)、峰態(tài)(Kg)采用Mc Manus矩法計(jì)算,并利用Folk分類法進(jìn)行命名[8]。采用Q型聚類法對(duì)沉積物樣品進(jìn)行分類,利用R型因子分析研究沉積空間分布差異[9],均利用IBM SPSS Statistics軟件處理；采用Flemming三角圖分類法對(duì)沉積環(huán)境進(jìn)行判別[10-12]。

3 分析結(jié)果

3.1 表層沉積物類型及組分含量分布特征

研究區(qū)表層沉積物包括砂(S)、粉砂質(zhì)砂(zS)、泥質(zhì)砂(mS)、砂質(zhì)粉砂(sZ)和砂質(zhì)泥(s M)五種類型。其中,粉砂質(zhì)砂數(shù)量最多,約占總樣品數(shù)量42.5%,主要分布在灤河口北側(cè)5～10 m等深線以及灤河口門外15～20 m等深線之間；砂次之,約占31.1%,主要分布在灤河口門外側(cè)；砂質(zhì)粉砂約占21.7%,主要分布在15～20 m的深水區(qū)；砂質(zhì)泥和泥質(zhì)砂含量很少,零星分布。研究區(qū)沉積物類型分布見圖3,由圖3可知研究區(qū)表層沉積物以較粗的砂、粉砂質(zhì)砂為主,兩者合計(jì)約占總樣品數(shù)量的73.6%。

圖3 沉積物類型分布Fig.3 Distribution map of surface sediment types

3.2 沉積物粒度參數(shù)特征

平均粒徑與物質(zhì)來源關(guān)系密切,代表沉積物粒度分布總體趨勢(shì)和沉積介質(zhì)的平均動(dòng)能[13]。研究區(qū)沉積物粒徑為1.46Φ～6.91Φ,平均值為4.06Φ,以砂、粉砂組分(2Φ～6Φ)為主,平均粒徑整體呈現(xiàn)從灤河口門向外逐漸變細(xì)的趨勢(shì)。灤河口門至17 m等深線區(qū)域以砂組分為主,對(duì)應(yīng)沉積類型為砂和粉砂質(zhì)砂；灤河口南側(cè)攔門砂外及研究區(qū)17 m等深線外以粉砂組分為主,對(duì)應(yīng)沉積類型為砂質(zhì)粉砂(圖4a)。分選系數(shù)即顆粒大小的均勻性可以指示沉積環(huán)境的水動(dòng)力條件[14]。研究區(qū)分選系數(shù)為0.22～2.96,平均值為1.83。在灤河口門砂質(zhì)富集區(qū)分選系數(shù)大致介于0.30～1.10,分選性為較好-中等,其余區(qū)域呈離口門越遠(yuǎn)分選性越差的趨勢(shì)(圖4b)。峰態(tài)是表示沉積物頻率曲線的峰凸程度[15],研究區(qū)峰態(tài)值為0.07～3.50,平均值為2.40,大部分峰態(tài)值＞1.10,說明粒度頻率曲線尖銳,尤其是外海部分,峰態(tài)＞3,粒度頻率曲線非常尖銳(圖4c)。偏態(tài)可判別分布的對(duì)稱性[16],研究區(qū)偏度為-1.62～2.74,平均值為1.42,大部分偏度值＞0.30,屬極正偏,說明沉積物以粗粒為主(圖4d)。沉積物粒徑參數(shù)分布具有很好的一致性,整體而言,較粗的沉積物其平均粒徑較小,分選好,偏態(tài)值與峰態(tài)值均較小。

圖4 粒度參數(shù)分布Fig.4 Distribution of grain size parameters

研究區(qū)沉積物砂組分百分含量分布與表層沉積物類型分布具有很好的一致性,自河口向兩側(cè)降低。沉積物砂組分具有含量高、分布廣的特征,水下河口含沙量尤甚,砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過85%。其中,9個(gè)站位砂組分含量高達(dá)100%,全區(qū)砂含量高于50%的站位有79個(gè),占總樣品的70%以上。砂含量最低的站位砂組分含量為14%,砂含量小于50%的站位數(shù)量為26個(gè)(圖5a)。粉砂組分含量介于0～65%,但大多不超過40%,含量高于40%的站位數(shù)量?jī)H為11個(gè),占比不超過11%。粉砂含量由水下河口向兩側(cè)升高,北部增長(zhǎng)較小,僅零星站位超過25%；南部增長(zhǎng)較大,大多數(shù)站位均超過25%(圖5b)。黏土組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于0～25%,平均為8.27%,主要分布在東南側(cè),水深基本大于10 m,西北側(cè)有微量分布,河口區(qū)基本無分布(圖5c)。

圖5 沉積物組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布特征Fig.5 Distribution map of sediment components

3.3 多元統(tǒng)計(jì)分析

3.3.1 聚類分析

按R型聚類分析,可將研究區(qū)106個(gè)表層沉積物樣品的12個(gè)粒級(jí)分為3個(gè)群組(圖6):第一組由5Φ～10Φ和＞10Φ的粒級(jí)組成,代表粒度組成的最細(xì)部分；第2組由-1Φ～2Φ的粒級(jí)組成,代表粒度組成的最粗部分；第3群由2Φ～5Φ的粒級(jí)組成,代表粒度組成的中間部分。

圖6 表層沉積物R型聚類分析Fig.6 Diagram of R-type cluster analysis for surface sediments

研究區(qū)按Q型聚類分區(qū)分為3個(gè)粒度沉積區(qū)(圖7),各分區(qū)粒度組成和粒度參數(shù)區(qū)別明顯(表1)。A類沉積區(qū)位于灤河口口門及近岸區(qū)域,底質(zhì)類型以砂為主,粒徑較粗,以砂組分為主,砂含量平均值為93.9%,高于B、C類,粉砂含量平均值為4.4%、黏土含量平均值為1.7%,兩者含量低；偏態(tài)屬極正偏,峰態(tài)尖銳,分選系數(shù)為中等；圖8a為A類沉積物典型頻率曲線圖,多為單峰型。B類沉積物主要分布在灤河口兩側(cè)區(qū)域以及外海零星分布,底質(zhì)類型多為粉砂質(zhì)砂,砂組分含量相對(duì)A類略有減少,粉砂組分增多,整體上砂組分為主,平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)80.1%,分選較差,極正偏為主,曲線很尖銳；圖8b為B類沉積物典型頻率曲線圖,多為單峰型(第二個(gè)峰很小)。C類沉積物主要分布在新開口外側(cè)以及灤河口17 m水深外側(cè)區(qū)域,對(duì)應(yīng)含礫粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂、砂質(zhì)泥等相對(duì)較細(xì)的沉積物,砂組分平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)降到50%以下,粉砂組分和黏土組分含量增加,后兩者的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為35.9%和14.6%,沉積物分選很差,多數(shù)極正偏,曲線非常尖銳；圖8c為C類沉積物典型頻率曲線圖,多為雙峰型。

圖7 沉積物Q型聚類分區(qū)Fig.7 Diagram of Q-type cluster partition for surface sediments in the study area

表1 Q型聚類分析中沉積物粒度參數(shù)特征Table 1 Grain size parameters of surface sediments by Q-type cluster analysis

圖8 沉積物粒度頻率曲線Fig.8 Frequency curves of sediment grain size

3.3.2 因子分析

本文對(duì)灤河口表層沉積物粒度組分采用R型因子分析,分析結(jié)果見表2。共獲得3個(gè)主控因子,特征值比例分別為58.7%、20.6%和14.3%,其中因子1為主導(dǎo)因子,3個(gè)因子累計(jì)特征值比例達(dá)93.6%。分析最大方差旋轉(zhuǎn)因子載荷可知,旋轉(zhuǎn)后的各因子反映的粒度變化特征清晰(圖9)。

圖9 各因子得分Fig.9 Distribution of score of each factor

表2 最大方差旋轉(zhuǎn)因子載荷Table 2 Maximal variance revolving factor load matrix of surface sediments

因子1的組成部分主要為＞5Φ的正載荷和1Φ～2Φ的負(fù)載荷,正因子得分較高的區(qū)域分布在灤河口外側(cè)深水區(qū),主要為砂質(zhì)粉砂、砂質(zhì)泥等懸浮體組分,水動(dòng)力較弱,負(fù)因子得分較高的區(qū)域分布在灤河口門附近,主要是以砂為主的跳躍組分,水動(dòng)力作用較強(qiáng)；因子2組成部分為3Φ～5Φ正載荷和1Φ～2Φ的負(fù)載荷,正因子得分較高的區(qū)域主要分布在灤河口至新開口沿岸,以砂、粉砂質(zhì)砂等跳躍組分為主,水動(dòng)力作用較強(qiáng),推測(cè)其物質(zhì)來源為河流輸沙,負(fù)因子得分較高的區(qū)域分布在灤河口15 m等深線以外,以跳躍組分為主,水動(dòng)力也較強(qiáng)；因子3主要由0～1Φ的正載荷和2Φ～3Φ的負(fù)載荷組成,正因子得分較高的區(qū)域主要分布在灤河口攔門砂外以及灤河口和新開河口之間,負(fù)因子得分較高的區(qū)域主要分布在灤河口攔門砂內(nèi)側(cè),水動(dòng)力較強(qiáng)。

3.4 沉積動(dòng)力分區(qū)

利用Flemming的沉積物三角分類方案[10]對(duì)研究區(qū)進(jìn)行分區(qū),從沉積結(jié)構(gòu)組成及其反映的水動(dòng)力強(qiáng)度來區(qū)分沉積環(huán)境及其亞沉積環(huán)境。在Flemming沉積物分類方案中,按砂含量分成S、A、B、C、D、E六組(分類界線為5%、25%、50%、75%和95%),從S至E砂的百分含量依次降低,沉積物粒徑越細(xì)；同時(shí)按黏土比例分成Ⅰ～Ⅵ共6個(gè)水動(dòng)力分區(qū)(分類界線為10%、25%、50%、75%和90%),離黏土端元越近水動(dòng)力越弱。

將研究區(qū)沉積物粒度數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制到Flemming三角圖中(圖10),可見絕大多數(shù)沉積物樣品點(diǎn)分布在S區(qū)～C區(qū),說明沉積物粒徑整體較粗；所有沉積物樣品點(diǎn)均分布在Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ區(qū),表明研究區(qū)的總體水動(dòng)力條件較強(qiáng),但不同的亞沉積環(huán)境有所區(qū)別。Ⅰ區(qū)的沉積物類型以粒徑較粗的砂為主,多分布在灤河口口門及近岸處,對(duì)應(yīng)Q型聚類分析中的A區(qū),該區(qū)水動(dòng)力環(huán)境強(qiáng),受灤河入海、沿岸流及波浪影響顯著；Ⅱ區(qū)沉積物以粉砂質(zhì)砂和砂質(zhì)粉砂為主,主要分布在灤河口兩側(cè)區(qū)域,主要對(duì)應(yīng)于Q型聚類分析中的B區(qū),水動(dòng)力較強(qiáng)；Ⅲ區(qū)沉積物主要分布在新開口外側(cè)和灤河口外17～20 m水深范圍內(nèi),對(duì)應(yīng)Q型聚類分析中的C區(qū),水動(dòng)力較Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)弱,以砂質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)砂為主,研究區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的細(xì)顆粒砂質(zhì)泥和泥質(zhì)砂均分布在該區(qū)內(nèi)?？梢钥吹絈型聚類分析與Flemming沉積動(dòng)力分區(qū)具有較好的對(duì)應(yīng)性。

圖10 沉積動(dòng)力分區(qū)Fig.10 partition of sedimentary dynamics

4 討 論

根據(jù)研究區(qū)沉積物類型、粒度參數(shù)、粒組組分、多元統(tǒng)計(jì)分析及沉積動(dòng)力分區(qū)的分析,研究區(qū)分為3個(gè)不同的沉積區(qū):河口強(qiáng)動(dòng)力砂質(zhì)沉積區(qū)(A)、濱岸潮流砂質(zhì)沉積區(qū)(B)和低能泥砂混雜區(qū)(C)。據(jù)于曉曉等[17]通過粒徑輸運(yùn)趨勢(shì)表明,研究區(qū)存在2個(gè)“源”,即南部沙壩(“源”一)和正對(duì)河口的砂質(zhì)地區(qū)(“源”二)。本文劃分的強(qiáng)動(dòng)力砂質(zhì)沉積區(qū)對(duì)應(yīng)2個(gè)“源”的所在地,2處濱岸潮流砂質(zhì)沉積區(qū)分別對(duì)應(yīng)南部沙壩和正對(duì)河口砂質(zhì)地區(qū)向兩側(cè)輸運(yùn)過程,低能泥砂混雜區(qū)對(duì)應(yīng)河口砂質(zhì)地區(qū)受灤河洪峰噴射流影響并受潮流侵蝕細(xì)顆粒的輸運(yùn)過程。

圖11 沉積物輸運(yùn)與Q型聚類分析比對(duì)Fig.11 Comparison of sediment transport pattern and Q-type cluster partition

河口強(qiáng)動(dòng)力砂質(zhì)沉積區(qū):主要位于灤河口口門及近岸區(qū),主要底質(zhì)類型為砂,粒徑較粗,以砂組分為主,砂組分含量平均值為93.92%,明顯高于B類和C類,粉砂和黏土含量極低,分選中等,極正偏,粒度頻率曲線尖銳。該區(qū)受灤河影響明顯,灤河在雨季形成淡水舌浮于海水之上,向海延伸達(dá)5 km,會(huì)對(duì)表層沉積物產(chǎn)生較大影響。研究區(qū)2個(gè)“源”均位于該區(qū),其中南部沙壩區(qū)一般認(rèn)為是灤河入海攜帶泥沙和三角洲廢棄后被沿岸流改造形成[18],正對(duì)河口沙質(zhì)區(qū)是冰消期海平面上升過程中濱海相或低海平面時(shí)期河流相沉積的產(chǎn)物[19]。該區(qū)泥質(zhì)缺失或含量極少,近岸沙壩區(qū)推測(cè)在沿岸流作用下被搬運(yùn),導(dǎo)致沙壩侵蝕；正對(duì)河口砂質(zhì)區(qū)推測(cè)可能受灤河三角洲發(fā)育的扇形影響,導(dǎo)致波浪疊加,在波浪的作用下細(xì)粒沉積物懸浮并且在潮流等的作用下發(fā)生了搬運(yùn)[17]。

濱岸潮流砂質(zhì)沉積區(qū):主要位于灤河口兩側(cè)區(qū)域(南側(cè)區(qū)和北側(cè)區(qū))。該區(qū)底質(zhì)類型多為粉砂質(zhì)砂,砂組分含量相對(duì)A類略有減少,粉砂組分增多,極正偏為主,曲線很尖銳。因子分析中因子1和因子2中的正因子得分較高,代表了該區(qū)細(xì)砂和粉砂粒級(jí)的跳躍組分,總體水動(dòng)力條件較強(qiáng)。與Flemming沉積動(dòng)力分區(qū)中的Ⅱ區(qū)比較一致。其中南側(cè)區(qū)為近岸沙壩搬運(yùn)形成,該區(qū)較秦皇島無潮點(diǎn)較近,潮差較小,潮流流速較慢,只能沖刷粒徑較細(xì)的沉積物質(zhì),造成該區(qū)分選差。北側(cè)區(qū)同時(shí)受近岸沙壩潮流搬運(yùn)和河口沙質(zhì)區(qū)波浪搬運(yùn)的影響。

低能泥砂混雜區(qū):主要位于新開口外側(cè)和灤河口外17～20 m水深范圍內(nèi),水動(dòng)力較弱,砂組分平均含量降到50%以下,粉砂組分和黏土組分含量增加,沉積物分選很差,多數(shù)極正偏,曲線非常尖銳,沉積物典型頻率曲線圖,多為雙峰型。R型因子分析中因子1中的正因子得分較高,代表了該區(qū)粉砂、黏土等細(xì)顆粒成分,水動(dòng)力條件較弱。與Flemming沉積動(dòng)力分區(qū)中的Ⅲ區(qū)比較一致。該區(qū)主要是河口沙質(zhì)區(qū)在波浪的作用下細(xì)粒沉積物懸浮并且在潮流等的作用下發(fā)生搬運(yùn)。

5 結(jié) 論

本文對(duì)灤河口近岸海域的106個(gè)表層沉積物樣品進(jìn)行了粒度分析、多元統(tǒng)計(jì)分析和沉積動(dòng)力分區(qū),結(jié)果表明:

①研究區(qū)表層沉積物類型以較粗的砂、粉砂質(zhì)砂為主,砂組分含量為主。研究區(qū)沉積物砂組分百分含量分布與表層沉積物類型分布具有很好的一致性,自河口向兩側(cè)降低。平均粒徑整體呈現(xiàn)從灤河口門向外逐漸變細(xì)的趨勢(shì),分選系數(shù)在灤河口門分選性較好-中等,其余區(qū)域呈離口門越遠(yuǎn)分選性越差的趨勢(shì),峰態(tài)大部分區(qū)域大于1.1,粒度頻率曲線尖銳,尤其是外海部分,粒度頻率曲線尤為尖銳。大部分區(qū)域偏度屬極正偏,說明沉積物以粗粒為主。沉積物粒徑參數(shù)分布具有很好的一致性。整體而言,較粗的沉積物其平均粒徑較小,分選好,偏態(tài)值與峰態(tài)值均較小。

②研究區(qū)分為3個(gè)不同的沉積環(huán)境亞區(qū):河口強(qiáng)動(dòng)力砂質(zhì)沉積區(qū),位于灤河口口門及近岸區(qū),河流、沿岸流、潮流等水動(dòng)力作用強(qiáng)；濱岸潮流砂質(zhì)沉積區(qū),位于灤河口兩側(cè)區(qū)域,主要受潮流影響,沉積物分選差；低能泥砂混雜區(qū),位于新開口外側(cè)和灤河口外17～20 m水深范圍內(nèi),水動(dòng)力環(huán)境較弱,主要為細(xì)粒沉積區(qū)。