南海中沙群島海域表層沉積物粒度特征及其輸運(yùn)趨勢

陳俊錦，張經(jīng)緯，劉時橋，陳萬利，秦永鵬，吳時國

1. 中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所，三亞 5720002. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 1000493. 中國地質(zhì)調(diào)查局?？诤Ｑ蟮刭|(zhì)調(diào)查中心，?？?5711274. 海南省海洋地質(zhì)資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，?？?571127

沉積物粒度分析是海洋環(huán)境“源-匯”沉積體系研究的重要環(huán)節(jié)，對海洋沉積動力學(xué)的發(fā)展至關(guān)重要[1]。傳統(tǒng)的粒度分析方法有篩析法、沉降法、圖像分析法等，而激光粒度儀的發(fā)展和廣泛應(yīng)用使得粒度分析的效率有了極大的提升，能夠高效準(zhǔn)確地獲得沉積物粒度的大小[2]。沉積物粒度分布特征是沉積-動力過程綜合效應(yīng)的結(jié)果，主要受沉積物來源和沉積動力過程（顆粒磨損、選擇性搬運(yùn)、不同物質(zhì)來源的混合）等因素的影響[3-5]。沉積學(xué)家可以通過沉積物粒度分布特征的空間變化來揭示物質(zhì)來源、沉積環(huán)境、沉積動力過程以及輸運(yùn)趨勢[6-9]。

McLaren等[3-4]首先提出了利用沉積物的3個粒度參數(shù)（平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)）來研究沉積物輸運(yùn)趨勢的一維模型，該方法的缺點(diǎn)是可能導(dǎo)致高頻噪聲。后來，Gao等[10-11]基于半定量濾波技術(shù)開發(fā)了一種粒度參數(shù)的分析程序，獲得輸運(yùn)矢量的二維模型，代表了沉積物的凈輸運(yùn)方向，稱為“粒徑趨勢分析”方法（GSTA）。這種方法已被廣泛應(yīng)用于河口、海岸、大陸架、海底峽谷等海洋環(huán)境中沉積物輸運(yùn)趨勢研究[9,12-15]，其結(jié)果與流場觀測、人工示蹤實(shí)驗(yàn)和地貌特征所顯示的沉積物輸運(yùn)格局較為一致。通過沉積物輸運(yùn)趨勢的分析，可以推斷出陸源物質(zhì)的搬運(yùn)及其在海洋環(huán)境中的分布和最終沉積，如Sánchez等[16]研究了加利福尼亞Santa Rosalía礦區(qū)前沉積物中潛在的有害元素（銅、鋅）在海洋環(huán)境中的運(yùn)輸和積累，發(fā)現(xiàn)銅和鋅的空間分布與沉積物凈輸運(yùn)趨勢較為吻合。

南海廣泛發(fā)育了許多島嶼、礁、暗沙和淺灘，自北向南可以分為東沙、西沙、中沙和南沙四大群島，島礁海域沉積過程和水動力環(huán)境復(fù)雜，蘊(yùn)含著豐富的生物和油氣資源。前人對南海的沉積物粒徑分析研究主要限于南海北部大陸架和大陸坡[17-20]，而對島礁海域的研究鮮有報道[21]。中沙群島海域的相關(guān)研究主要集中于生物群落特征調(diào)查[22-23]、氣候環(huán)境演變[24-25]和地質(zhì)構(gòu)造[26-28]等方面，而對該區(qū)沉積物的輸運(yùn)趨勢和影響因素，尤其是動力過程及機(jī)制的認(rèn)識還需要更深入的挖掘。本文利用中沙群島海域表層沉積物的粒度分析數(shù)據(jù)，對表層沉積物的沉積物類型、粒度分布特征和輸運(yùn)趨勢開展研究，并結(jié)合海底地形地貌和底流實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了探討，為研究區(qū)災(zāi)害評估及島礁建設(shè)提供重要參考依據(jù)。

1 區(qū)域概況

南海是西太平洋最大的邊緣海之一，是一個半封閉性海域，通過呂宋海峽與太平洋相連通，在東南亞季風(fēng)和黑潮的影響下，具有獨(dú)特而復(fù)雜的環(huán)流模式和海水特性[29]。南海的表層流和深層流為氣旋性，中層流為反氣旋性，稱之為“三明治”型，三者之間的聯(lián)系還需要進(jìn)一步研究[30]。表層流主要由東南亞季風(fēng)驅(qū)動，冬季盛行東北季風(fēng)，夏季盛行西南季風(fēng)，同時，黑潮對表層流也產(chǎn)生了至關(guān)重要的影響；深層流主要由呂宋溢流驅(qū)動，其結(jié)構(gòu)可能受到海底地形的強(qiáng)烈影響[30-32]。

中沙群島海域位于南海北部下陸坡-洋殼盆地過渡帶，三面分別被西北次海盆、東部次海盆和西南次海盆環(huán)繞[33]。研究區(qū)為熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫為24～26℃，降雨量充沛，夏季和秋季之間臺風(fēng)和暴雨較為頻繁，夏季盛行西南季風(fēng)，冬季盛行東北季風(fēng)。研究區(qū)發(fā)育的大型地貌單元包括中沙臺地、西沙隆起、中沙海槽、中沙南盆地、深海平原、中沙北海嶺、中沙南海嶺等，發(fā)育的大型環(huán)礁主要有中沙環(huán)礁、東島環(huán)礁、浪花礁（圖1）。中沙環(huán)礁屹立在中央海盆的西北邊緣，是南海諸島中最大的環(huán)礁，完全被海水淹沒，水深約15～600 m，走向呈NE-SW向，由一系列暗沙和礁灘組成，環(huán)繞著水深為75～85 m的潟湖[34]，其周緣斜坡地形陡峭，發(fā)育大量海底峽谷，東側(cè)陡崖匯聚至深海平原，西側(cè)過渡到中沙海槽，南北側(cè)分別發(fā)育有中沙南海嶺和中沙北海嶺。中沙環(huán)礁的北部被一向海坡的階地環(huán)繞，受季風(fēng)影響在東北部形成一個喇叭形“口門”，使?jié)暫c外海以海底峽谷相連通。西沙隆起位于研究區(qū)西北部，水深約500～2500 m，東島環(huán)礁和浪花礁主要出露其東部，均發(fā)育有通向中沙海槽的海底峽谷。中沙海槽位于中沙臺地和西沙隆起的交界處，水深約2600～3200 m，呈NE-SW向展布的低陷長條帶狀，地形相對較平坦，其北端延伸至深海盆地，南端融匯到中沙南盆地，東側(cè)地形梯度落差大于西側(cè)。中沙南盆地位于研究區(qū)西南部，周圍被高地形環(huán)繞，水深約3380～3840 m，盆地內(nèi)部地形平坦。

2 樣品與方法

2.1 樣品采集和測試

2020年7—11 月，中國地質(zhì)調(diào)查局海口海洋地質(zhì)調(diào)查中心利用重力活塞取樣器、重力柱狀取樣器和箱式取樣器在中沙群島海域（15°～17°N、112.5°～115.5°E）共取得232個表層沉積物樣品（圖1），僅中沙臺地上的樣品中含有珊瑚、介殼碎片等粗顆粒物質(zhì)。沉積物粒度分析測試采用Beckman Coulter LS13320型激光粒度儀。樣品具體處理流程如下：首先向樣品加入適量蒸餾水和0.5 mol/L的六偏磷酸鈉浸泡24 h，再將浸泡樣品全部倒入激光樣品槽中進(jìn)行超聲振動高速離心，使樣品充分分散，然后使用激光粒度儀進(jìn)行測試。激光粒度儀測量范圍為0.01～3500 μm，重復(fù)性誤差≤±0.5%，準(zhǔn)確性誤差≤±0.5%，每個樣品測試3次，測試結(jié)果取平均值，最后獲得不同粒級組分的百分含量。

圖1 研究區(qū)地理位置及采樣站位Fig.1 Location map of the study area and sampling stations

2.2 粒度數(shù)據(jù)處理

粒度分級采用Wentworth等比Φ值粒級標(biāo)準(zhǔn)[35]；由于研究區(qū)沉積物樣品中不含礫級顆粒，故沉積物命名采用Folk不含礫碎屑沉積物分類圖解法[36]；粒度參數(shù)采用McManus矩值法計算[37]，包括平均粒徑（μ）、分選系數(shù)（σ）、偏態(tài)（Sk）、峰態(tài)（Kg）：

式中：Pi為粒級Si（以Φ為單位）對應(yīng)的百分含量，n為粒級組分的總數(shù)量。

粒徑趨勢分析采用Gao-Collins的GSTA二維模型，假設(shè)了某種粒徑趨勢出現(xiàn)在凈輸運(yùn)方向上的概率遠(yuǎn)高于在任何其他方向上出現(xiàn)的概率，利用表層沉積物的3個粒度參數(shù)（平均粒徑、分選系數(shù)和偏態(tài)）來反演研究區(qū)內(nèi)沉積物的凈輸運(yùn)趨勢[10-11,38]，通過Fortran語言實(shí)現(xiàn)[39]。3個粒度參數(shù)可以組合成8種可能的粒徑趨勢類型，水槽實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)以下兩種類型的粒徑趨勢出現(xiàn)的概率最大：沿沉積物輸運(yùn)方向，①平均粒徑變細(xì)、分選更好、更負(fù)偏（低能環(huán)境）；②平均粒徑更粗、分選更好、更正偏（高能環(huán)境）[4]。粒徑趨勢方法如下：首先通過比較每兩個相鄰采樣站位的粒度參數(shù)來獲得所有的趨勢矢量，該矢量無量綱，具有單位長度，矢量的長度并不完全代表沉積物的輸運(yùn)強(qiáng)度，二者之間的關(guān)系還尚未清楚[40]；其次，再對每個采樣站位的趨勢矢量求和，得到合矢量，代表了該站位沉積物的輸運(yùn)趨勢；最后，對該合矢量進(jìn)行平均處理來消除噪聲，即對每個站位與周圍直接相鄰的站位進(jìn)行矢量平均，得到余矢量，更好地反映了沉積物的凈輸運(yùn)趨勢[10]。

3 結(jié)果

3.1 各粒級組分分布特征

研究區(qū)沉積物粒度主要由砂、粉砂、黏土組成，遍布于整個海域，其含量分布如圖2所示。

圖2 研究區(qū)表層沉積物粒級組分百分含量分布a. 砂，b. 粉砂，c. 黏土。Fig.2 Percentage contents of the sand (a), silt (b), and clay (c) of the surface sediments in the study area

砂含量為0～100%，平均含量為22.80%，以中砂和細(xì)砂為主。砂含量以中沙臺地為中心向四周逐漸降低（圖2a），砂含量高值區(qū)（＞30%）主要分布于研究區(qū)中部的中沙臺地海域，砂含量低值區(qū)（＜30%）主要分布于中沙海槽、中沙北海嶺和西沙隆起東北部斜坡附近海域。粉砂含量為0～67.8%，平均含量為49.53%，以細(xì)粉砂為主，粗粉砂較少。粉砂含量以中沙臺地為中心向四周逐漸升高（圖2b），粉砂含量低值區(qū)（＜30%）主要分布于研究區(qū)中部的中沙臺地海域，除中沙臺地海域外的其他海域都是粉砂含量高值區(qū)（＞30%），粉砂含量分布趨勢與砂含量幾乎相反。黏土含量為0～45.46%，平均含量為27.67%。黏土含量以中沙臺地為中心向四周逐漸升高（圖2c），黏土含量低值區(qū)（＜30%）主要分布于研究區(qū)中部的中沙臺地海域以及深海平原和西沙隆起附近海域，黏土含量高值區(qū)（＞30%）主要分布于中沙海槽和中沙北海嶺附近海域，黏土含量分布趨勢與粉砂含量分布趨勢相一致，與砂含量分布趨勢相反。各粒級組分分布特征總體上表現(xiàn)為靠近中沙臺地海域粗粒級組分含量高，而遠(yuǎn)離中沙臺地海域細(xì)粒級組分含量高，與研究區(qū)物質(zhì)來源、水動力環(huán)境和沉積環(huán)境密切相關(guān)。

3.2 粒度參數(shù)分布特征

沉積物粒度參數(shù)包括平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)和峰態(tài)，粒度參數(shù)及其組合在一定程度上可以反映沉積物來源和沉積動力特征[41]。研究區(qū)表層沉積物粒度參數(shù)的平面分布如圖3所示。

平均粒徑代表沉積物粒度分布的集中趨勢，受沉積介質(zhì)平均動能和沉積物原始大小的控制，是沉積物粒度特征中最主要的特征之一[42]。研究區(qū)表層沉積物平均粒徑為0.62～7.81 Φ，平均值為6.21 Φ。中沙臺地海域沉積物的平均粒徑最粗，為0.5～4.5 Φ，反映其水動力環(huán)境較強(qiáng)；西沙隆起和深海平原海域次之，為4～7 Φ；中沙海槽和中沙北海嶺附近海域的平均粒徑最細(xì)，大部分都＞7 Φ（圖3a）。研究區(qū)整體呈現(xiàn)出中沙臺地海域沉積物較粗，而其他海域較細(xì)的特點(diǎn)，說明中沙臺地海域?yàn)橹饕练e物來源。中沙臺地海域沉積物類型主要以砂和粉砂質(zhì)砂等粗粒沉積物為主，由于水深較淺且水動力較強(qiáng)，細(xì)粒沉積物被流體沖刷向臺地四周搬運(yùn)，而粗粒沉積物則在臺地上沉積下來。

分選系數(shù)表示沉積物顆粒大小的均勻程度，分選系數(shù)越小，分選越好，反之，分選系數(shù)越大，分選越差[42]。研究區(qū)表層沉積物分選系數(shù)為0.58～3.16，平均值為2.07，總體上沉積物分選較差。中沙臺地海域沉積物的分選系數(shù)主要為0.5～1.7，局部偏大，分選較好—較差；中沙海槽、中沙北海嶺、中沙南盆地和東島附近海域次之，分選較差，為1.7～2.1；東島東南部和深海平原海域的分選差，分選系數(shù)＞2.1，高值呈散點(diǎn)狀分布，不存在分選極差（分選系數(shù)＞4）（圖3b）。研究區(qū)整體上呈現(xiàn)出中沙臺地海域分選較好，而其他海域較差的特點(diǎn)，說明研究區(qū)水動力差異明顯。中沙臺地海域水動力較強(qiáng)，受季風(fēng)、潮流、波浪的分選作用，沉積物不斷被流體沖刷磨圓，總體上分選較好，而其他海域的物源和地形較為復(fù)雜，水動力條件變化強(qiáng)烈，因此沉積物分選差。

偏態(tài)可以反映沉積物粒度分布的不對稱程度[42]。研究區(qū)表層沉積物偏態(tài)為-1.32～2.71，平均值為0.09。中沙臺地海域沉積物的偏態(tài)主要為0.4～2.5，為正偏（偏態(tài)＞0.33）。此外主要還有西沙隆起北部和中沙北海嶺海域偏態(tài)呈正偏；而中沙海槽、深海平原、中沙南盆地海域的偏態(tài)為-1.4～1，大部分以負(fù)偏為主（偏態(tài)＜- 0.33），正偏呈斑點(diǎn)狀分布于其中（圖3c）。粗粒沉積物容易在近物源區(qū)沉積，因此研究區(qū)正偏態(tài)主要集中在中沙臺地和西沙隆起海域，而其他海域由于遠(yuǎn)離物源區(qū)搬運(yùn)距離較遠(yuǎn)，流體中富含懸浮的細(xì)粒沉積物，為負(fù)偏態(tài)。

峰態(tài)可以衡量粒度頻率曲線的尖銳程度[42]。研究區(qū)表層沉積物峰態(tài)為0.76～3.65，平均值為2.60。研究區(qū)大部分海域?yàn)閷挿鍛B(tài)（峰態(tài)＞1.42），窄峰態(tài)（峰態(tài)＜1.03）主要分布于中沙臺地海域南部和北部邊緣，有4個低值區(qū)（圖3d），說明研究區(qū)的粒度分布范圍較寬，整體上細(xì)粒沉積物占優(yōu)勢。

圖3 研究區(qū)表層沉積物粒度參數(shù)分布a. 平均粒徑，b. 分選系數(shù)，c. 偏態(tài)，d. 峰態(tài)。Fig.3 Distribution of grain size parameters of the surface sediments in the study areaa. Mean diameter, b. sorting coefficient, c. skewness, d. kurtosis.

3.3 沉積物類型及分布特征

在砂、粉砂、黏土含量的三元圖中對研究區(qū)232個表層沉積物進(jìn)行分類投點(diǎn)。研究區(qū)表層沉積物主要分為6種類型（圖4）：砂（S）、粉砂質(zhì)砂（zS）、砂質(zhì)粉砂（sZ）、粉砂（Z）、砂質(zhì)泥（sM）、泥（M）。砂質(zhì)泥和泥是研究區(qū)主要的沉積物類型，較粗沉積物主要分布在中沙臺地及其周緣海域，較細(xì)沉積物廣泛分布于研究區(qū)中沙海槽、深海平原、中沙南盆地等海域，總體上沉積物普遍偏細(xì)。砂質(zhì)泥（40.95%）在研究區(qū)分布最廣泛，主要沉積在西沙隆起東部斜坡、中沙臺地斜坡、中沙海槽、深海平原和中沙南盆地附近海域；泥（34.05%）主要分布在研究區(qū)北部的中沙海槽、中沙北海嶺和西沙隆起北部斜坡附近海域，由北向南延伸；砂質(zhì)粉砂（9.48%）主要沉積在東島海域、中沙臺地及其北部階地，砂（6.90%）和粉砂質(zhì)砂（6.03%）絕大部分主要沉積在中沙臺地海域；粉砂（2.59%）占比最少，零散分布于中沙海槽海域（圖5）。

圖4 研究區(qū)表層沉積物分類三元圖Fig.4 Classification of surface sediments in the study area

圖5 研究區(qū)表層沉積物類型空間分布Fig.5 Spatial distribution of surface sediment types in the study area

4 討論

4.1 沉積環(huán)境分區(qū)

利用粒度分析數(shù)據(jù)劃分現(xiàn)代沉積環(huán)境是現(xiàn)今較常用的方法。由于各項(xiàng)粒度相關(guān)參數(shù)之間可能存在不同程度的內(nèi)在聯(lián)系，采用所有的粒度相關(guān)參數(shù)（組分含量、粒度參數(shù)等）直接進(jìn)行聚類分析不能有效揭示研究區(qū)內(nèi)的沉積環(huán)境差異。因此，需要壓縮指標(biāo)，并最大限度地保持指標(biāo)中所包含的特征信息[43-44]。

首先通過R型聚類分析，以各項(xiàng)粒度相關(guān)參數(shù)為變量，對變量進(jìn)行分類，把具有相同聚集趨勢（即距離較近）的變量合并，結(jié)合主成分分析法，提取出對環(huán)境鑒別最敏感的指標(biāo)，再根據(jù)提取出的指標(biāo)進(jìn)行Q型聚類分析，研究沉積物分布的區(qū)域性差異，劃分研究區(qū)沉積環(huán)境。

4.1.1 R型聚類分析和主成分分析

將表層沉積物的組分含量（砂、粉砂、黏土）、粒度參數(shù)（平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)、峰態(tài)）和水深作為聚類指標(biāo)，進(jìn)行R型聚類分析。結(jié)果顯示，這8個聚類指標(biāo)可劃分為4個聚類（圖6），聚類1為粉砂含量、平均粒徑、黏土含量，聚類2為水深，聚類3為分選系數(shù)和峰態(tài)，聚類4為砂含量和偏態(tài)。

圖6 表層沉積物R型聚類分析譜系Fig.6 R type cluster analysis of surface sediments

為了提取出對沉積環(huán)境鑒別最敏感的因子，采用主成分分析法對研究區(qū)232個表層沉積物樣品的組分含量、粒度參數(shù)和水深進(jìn)行降維處理，篩選出對數(shù)據(jù)方差貢獻(xiàn)最大的成分。以方差貢獻(xiàn)＞10%為標(biāo)準(zhǔn)，得到了4個起主要控制作用的因子，它們的特征值方差分別為49.09%、24.14%、13.49%和11.58%，累積特征值方差達(dá)到98.3%。

因子1主要受砂含量、平均粒徑、粉砂含量和黏土含量的控制作用，因子2主要受峰態(tài)和分選系數(shù)的控制作用，因子3主要受偏態(tài)的控制作用，因子4主要受水深的控制作用（表1），與R型聚類分析的結(jié)果較一致。

表1 主成分分析因子載荷矩陣Table 1 Principal component analysis factor loading matrix

結(jié)合R型聚類分析和主成分分析的結(jié)果，本文最后采用平均粒徑、峰態(tài)、偏態(tài)和水深作為劃分沉積環(huán)境的指標(biāo)。

4.1.2 Q型聚類分析

根據(jù)選定的平均粒徑、偏態(tài)、峰態(tài)和水深4個指標(biāo)進(jìn)行Q型聚類分析，研究區(qū)232個表層沉積物樣品可分為4類，分別位于臺地區(qū)、臺地周緣斜坡區(qū)、海槽海嶺區(qū)和深海盆地區(qū)，結(jié)合多波束地形數(shù)據(jù)，考慮到中沙臺地特殊地形地貌的影響，最終將中沙群島海域劃分為5類沉積區(qū)，分別代表了不同的沉積環(huán)境。

Ⅰ類沉積區(qū)為臺地區(qū)，分布在中沙臺地和西沙隆起碳酸鹽臺地（圖7），水深較淺，平均水深108 m。沉積物粒度最粗，其底質(zhì)主要為砂、粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂，平均粒徑的均值為3.04 Φ，砂、粉砂、黏土的平均含量分別為72.98%、19.01%和8.01%；分選系數(shù)為0.58～2.74，分選較好—差，總體上較差；偏態(tài)為-0.66～2.70，主要為正偏；峰態(tài)的均值為2.38，呈寬峰態(tài)（表2）。該沉積區(qū)為主要物源區(qū)，發(fā)育大量島礁，水動力較強(qiáng)，沉積物粒徑較粗，同時受到潮汐、波浪的往返沖刷和季風(fēng)流的影響，分選相對較好。

圖7 研究區(qū)沉積環(huán)境分區(qū)Fig.7 Sedimentary environments of the study area

表2 研究區(qū)各沉積環(huán)境分區(qū)相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計值Table 2 Statistical values of relevant parameters in subareas of the study area

Ⅱ類沉積區(qū)為臺地階地區(qū)，位于中沙臺地北部，由臺地后退形成的一個階地（圖7），平均水深373 m。沉積物粒度較粗，其底質(zhì)主要為粉砂質(zhì)砂，平均粒徑的均值為4.36 Φ，砂、粉砂、黏土的平均含量分別為51.19%、39.51%和9.30%；分選系數(shù)為1.90～2.28，分選差；偏態(tài)為2.08～2.28，為正偏；峰態(tài)很寬，均值為2.95（表2）。該沉積區(qū)南部緊靠物源區(qū)，受物源影響明顯，沉積物粒徑較粗，可通過重力流將臺地區(qū)沉積物搬運(yùn)至該區(qū)，因此分選差。

Ⅲ類沉積區(qū)為臺地周緣斜坡區(qū)，位于中沙臺地周緣斜坡和西沙隆起碳酸鹽臺地東部斜坡（圖7），平均水深1904 m。沉積物粒度較細(xì)，其底質(zhì)主要為粉砂質(zhì)砂和砂質(zhì)泥，平均粒徑均值為6.68 Φ，砂、粉砂、黏土平均含量分別為14.91%、54.78%和30.31%；分選系數(shù)為1.67～3.16，分選差；偏態(tài)為-1.23～2.39，主要為正偏；峰態(tài)均值為2.63，呈寬峰態(tài)（表2）。多波束地形數(shù)據(jù)顯示（圖1），該沉積區(qū)發(fā)育了大量的海底峽谷，是將沉積物從臺地向深海搬運(yùn)的主要通道，水深和地形變化大，水動力較強(qiáng)。

Ⅳ類沉積區(qū)為海槽海嶺區(qū)，分布在中沙海槽、中沙北海嶺和中沙南海嶺（圖7），水深較深，平均水深2784 m。沉積物粒度較細(xì)，其底質(zhì)主要為砂質(zhì)泥和泥，平均粒徑的均值為7.01 Φ，砂、粉砂、黏土的平均含量分別為10.14%、56.09%和33.77%；分選系數(shù)為1.57～3.05，分選差；偏態(tài)為-1.32～2.10，主要為負(fù)偏；峰態(tài)均值為2.56，呈寬峰態(tài)（表2）。該沉積區(qū)兩側(cè)為物源區(qū)，地形較低，起伏變化較小，是沉積物的有利匯聚區(qū)，沉積物分布可能受到底流的影響。

Ⅴ類沉積區(qū)為深海盆地區(qū)，分布在深海平原和中沙南盆地（圖7），為研究區(qū)水深最深的海域，平均水深4077 m。沉積物粒度較細(xì)，其底質(zhì)主要為砂質(zhì)泥，平均粒徑的均值為6.50 Φ，砂、粉砂、黏土的平均含量分別為18.69%、53.26%和28.05%；分選系數(shù)為1.95～3.06，分選差；偏態(tài)為-1.29～1.77，主要為負(fù)偏；峰態(tài)很寬，均值為2.80（表2）。該沉積區(qū)遠(yuǎn)離物源，地形平坦，水動力條件較弱，以沉積作用為主，沉積物分布主要受底流的作用。

4.2 沉積物凈輸運(yùn)趨勢分析

研究區(qū)采樣站位之間的間隔不規(guī)則且不均勻，采用地質(zhì)統(tǒng)計方法未能有效獲取粒徑趨勢分析模型所需的特征距離，因此，本文取最大采樣間距0.3作為特征距離[21,44]，通過Gao-Collins模型獲得研究區(qū)沉積物的凈輸運(yùn)趨勢，已剔除邊緣效應(yīng)。研究區(qū)物源復(fù)雜且水深梯度變化大，為避免水深和地形的影響，本文根據(jù)沉積環(huán)境分區(qū)進(jìn)行了粒徑趨勢分析，得到研究區(qū)的沉積物凈輸運(yùn)趨勢，趨勢矢量箭頭表示沉積物的凈搬運(yùn)方向，趨勢矢量長度僅表示粒徑趨勢的顯著性，不代表沉積物搬運(yùn)速率的大小。研究區(qū)涉及了淺水碳酸鹽環(huán)境和周緣深水環(huán)境，為了研究淺水碳酸鹽臺地生源沉積與深水盆地的源匯關(guān)系，樣品處理過程中均沒有加鹽酸，因此自生生物碎屑的存在會影響沉積物的輸運(yùn)趨勢，但臺地區(qū)（源）到深水區(qū)（匯）的趨勢矢量方向幾乎不受影響，僅趨勢矢量的長度受到一定影響。

研究區(qū)沉積環(huán)境和水動力條件復(fù)雜，臺地海域水深較?。〝?shù)十至數(shù)百米），受表層流影響顯著，而其他海域水深較大（數(shù)百米至數(shù)千米），受中—深層流影響顯著，不同的沉積環(huán)境具有獨(dú)特的沉積物輸運(yùn)趨勢，如圖8所示，沉積物整體上以中沙臺地和西沙隆起海域?yàn)橹行南蛑芫壿斶\(yùn)，在中沙海槽海域形成匯聚區(qū)。

圖8 研究區(qū)沉積物凈輸運(yùn)趨勢Fig.8 The net sediment transport pattern in the study area

Ⅰ臺地區(qū)：中沙臺地之上的沉積物主要從臺地周緣的礁灘/暗沙向臺地內(nèi)部輸運(yùn)，以NE向和SW向?yàn)橹?，整體上受季風(fēng)的影響較明顯，中沙臺地西側(cè)的礁灘發(fā)育較弱，受潮流和波浪的往返作用，沉積物由西向東從邊緣往中心輸運(yùn)。

Ⅱ臺地階地區(qū)：沉積物輸運(yùn)方向主要為N向，沉積物由中沙臺地向階地輸運(yùn)，受表層流和低地形的控制，該區(qū)可能沉積了大量從中沙臺地搬運(yùn)來的重力流沉積。

Ⅲ臺地周緣斜坡區(qū)：中沙臺地斜坡沉積物具有以中沙臺地為中心向四周海域輸運(yùn)的特征，輸運(yùn)方向與海底峽谷延伸方向一致，其北部以NW-NE向?yàn)橹飨蛑猩澈２郾倍屋斶\(yùn)，西部以NW-W向?yàn)橹飨蛑猩澈２壑卸屋斶\(yùn)，南部以SW向?yàn)橹飨蛑猩澈２勰隙魏椭猩衬虾X輸運(yùn)，東部以SE向?yàn)橹飨蛏詈Ｆ皆斶\(yùn)。西沙隆起斜坡沉積物具有以西沙隆起碳酸鹽臺地為中心向四周海域輸運(yùn)的特征，其東部和東南部沉積物輸運(yùn)方向主要為SE-E向，輸運(yùn)方向與海底峽谷延伸方向一致，而東北部由于緊靠西北次海盆，當(dāng)呂宋溢流（沿海盆逆時針流動）[30-31]流經(jīng)西北次海盆時會對該區(qū)的沉積物輸運(yùn)產(chǎn)生較大影響，表現(xiàn)為SW向輸運(yùn)。中沙臺地斜坡向西輸運(yùn)的沉積物與西沙隆起斜坡向東輸運(yùn)的沉積物在中沙海槽海域相遇，形成了一個匯聚區(qū)。

Ⅳ海槽海嶺區(qū)：中沙海槽海域是沉積物匯聚區(qū)，沉積物由兩側(cè)的中沙臺地和西沙隆起海域向中沙海槽內(nèi)輸運(yùn)，中沙北海嶺和中沙南海嶺海域的沉積物分別由中沙臺地經(jīng)斜坡向北和向南輸運(yùn)。中沙海槽北段和中沙北海嶺北部由于緊靠西北次海盆，受呂宋溢流的影響，沉積物輸運(yùn)方向主要為SW向和SE向，由于呂宋溢流在中沙北海嶺處受到了海山的阻擋，中沙北海嶺南北兩側(cè)沉積物輸運(yùn)方向呈現(xiàn)相反的趨勢。

Ⅴ深海盆地區(qū)：中沙南盆地海域沉積物具有由盆地四周向盆地中心輸運(yùn)的特征，沉積物來源為中沙臺地和西沙隆起海域，以及中沙南盆地西南部的中建南海域。深海平原海域地勢平坦，沉積物輸運(yùn)方向主要為NE-E向，主要受中沙臺地物源和底流的影響。

通過ADCP（聲學(xué)多普勒流速剖面儀）獲取了研究區(qū)4個站位（MX1—MX4）的底流流速和流向分布（圖9）。MX1站位位于西沙隆起東南部，水深為2424 m，流速整體上小于0.1 m/s，主要流向?yàn)镹E向，流向變化較強(qiáng)烈，與該站位附近的沉積物輸運(yùn)趨勢方向一致。MX2站位位于中沙海槽北部，水深為2653 m，流速整體為0.1～0.2 m/s，流向呈順時針旋轉(zhuǎn)變動，該站位可能位于不同流體的交匯區(qū)。MX3站位位于中沙海槽東北部，水深為2709 m，流速整體上小于0.15 m/s，主要流向?yàn)镹W-N向，較為穩(wěn)定，與該站位附近的沉積物輸運(yùn)趨勢方向一致。MX4站位位于中沙北海嶺東部，水深為3733 m，流速整體上小于0.08 m/s，流向以SW-NW向?yàn)橹?，與該站位附近的沉積物輸運(yùn)趨勢方向一致。粒徑趨勢分析得到的沉積物輸運(yùn)方向與實(shí)測底流流向一致，反映了Gao-Collins模型在研究區(qū)的適用性和可靠性。

圖9 研究區(qū)MX1—MX4站位底流流速及流向Fig.9 The flow velocity and direction of the bottom currents at stations MX1—MX4 in the study area

5 結(jié)論

（1）中沙群島海域的表層沉積物可劃分為6種沉積物類型：砂、粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂、砂質(zhì)泥和泥，其中砂質(zhì)泥和泥是主要的沉積物類型。表層沉積物中粉砂含量最高，平均含量為49.53%，黏土和砂含量次之，平均含量分別為27.67%和22.80%。平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)和峰態(tài)的平均值分別為6.21 Φ、2.07、0.09和2.60。沉積物來源主要為中沙臺地和西沙隆起海域，近物源區(qū)沉積物粒徑較粗，遠(yuǎn)物源區(qū)沉積物粒徑較細(xì)。

（2）通過對組分含量、粒度參數(shù)和水深進(jìn)行聚類分析和主成分分析，綜合考慮沉積物來源和海底地形地貌的影響，將研究區(qū)劃分為5類沉積區(qū)，分別代表不同的沉積環(huán)境：Ⅰ類沉積區(qū)為臺地區(qū)，Ⅱ類沉積區(qū)為臺地階地區(qū)，Ⅲ類沉積區(qū)為臺地周緣斜坡區(qū)，Ⅳ類沉積區(qū)為海槽海嶺區(qū)，Ⅴ類沉積區(qū)為深海盆地區(qū)。

（3）沉積物粒徑趨勢分析結(jié)果顯示，研究區(qū)沉積物主要以中沙臺地和西沙隆起海域?yàn)橹行南蛑芫壿斶\(yùn)，在中沙海槽海域形成了一個匯聚區(qū)。沉積物輸運(yùn)格局與研究區(qū)沉積物來源、海底地形地貌和實(shí)測水動力條件相吻合，主要受季風(fēng)、海流、潮汐和波浪等因素的共同控制。