秦皇岛附近海域表层沉积物粒度分布特征及运移趋势分析*

尉建功，冯秀丽，林 霖，刘 潇，刘 杰

（中国海洋大学海洋地球科学学院，山东 青岛266100）

粒度是沉积物的基本性质之一，粒度分析也是揭示沉积动力过程的主要手段之一。由于沉积物粒度受搬运介质、水动力强弱和搬运方式等多种因素的控制，因此通过研究沉积物粒度组成、粒度参数特征 ，可以间接推断沉积物物源及发生沉积时的动力条件［1－5］。

在海洋环境中，由于动力和物源的复杂性，判断沉积物的输运方向并不是一个简单的问题，但沉积物粒径趋势与沉积动力和沉积环境密切相关［6－9］，这使运用粒度参数分析沉积物输运趋势成为可能。在一维分析的基础上［10－11］，Gao和 Collins发展了二维的“粒度趋势分析”方法［12］，该粒度趋势分析方法在沉积环境及沉积动力研究方面得到了广泛的应用，并取得了很好的效果［13－15］。

本文对研究区域121个沉积物底质样品进行粒度分析，通过对沉积物粒度组成及粒度参数空间分布特征的分析，并结合Gao－Collins二维的“粒度趋势分析”方法，对该地区沉积物物源及沉积环境进行了初步探讨。

1 研究区概况

研究区域为秦皇岛近海海域，位于辽东湾西南部（见图1），入海河流较多，主要包括泽河、戴河、新开河、汤河、石河和九江河。该区N～NE，ESE，SSW～WSW向为强风向，N～NE，SSW～WSW向属于常风向；SE和SW为强浪向，S～SW为常浪向，波浪玫瑰图见图2；该区潮流主要受海底地形影响和海岸形状制约，属于正规半日潮流类型［16］。

本研究区内河流众多，自东向西分布有九江河、石河、新开河、汤河、戴河、洋河等，各河流主要特征见表1。但本研究区内河流均较小，河长、流量及流域面积均较小，总年均输沙量小于40万t，加之近年来各河流上游都修建了水库或防潮蓄水闸，使得入海泥沙量进一步减少。

表1 研究区主要河流特征［17－18］Table 1 The characteristics of rivers in study area

2 材料和方法

2009年5月在秦皇岛近岸海域用抓斗式采样器采集海底表层沉积物样品共121个，样品分布区域大致为39°40′N～40°04′N，119°30′E～120°00′E，取样位置如图1所示。绝大多数情况下样品的取样深度为8～12cm，取样重量约为1.5～2.0kg，进行沉积物粒度分析的亚样品取自每次抓取后样品的顶部。

该区样品的粒径在空间分布和组成上存在巨大差异，这种巨大的差异决定了不能采用单一的试验方法进行粒度分析。本文对样品中大于63μm的组分进行烘干筛分，小于63μm的组分采用激光粒度的方法（Mastersizer 2000激光粒度仪进行分析），采用Udden［19］等比制Ф值粒级标准，粒组间隔为0.5Ф，然后将2种方法得到的数据进行整合，从而获得完整的粒度分布。

粒度参数采用Folk－Ward［20］公式计算，主要的粒度参数包括平均粒径（MZ）、分选系数（δi）、偏态（Ski）和峰态 （KG）。 根 据 《海 洋 调 查 规 范 （GB／T12763.8—2007）》［21］所规定的近海沉积物的分类和命名，将沉积物粒度参数输入到GSTAST（fortran程序）中计算沉积物输运趋势［13］。

3 结果

3.1 沉积物组成与分布

3.1.1 砂粒组分（含砾） 调查区大部分区域内砾含量小于2%，最高值出现在62号站，含量达到41.04%，多个站位无砾粒组分。研究区内砂粒含量普遍大于10%，砂粒组分在研究区的分布如图3a所示，结合典型剖面沉积物砂粒组分含量变化趋势图（见图6），该区砂粒组分分布主要有以下3个特征：

图3 研究区表层沉积物中砂（a）、粉砂（b）和黏土（c）含量Fig.3 Distribution of sand（a），silt（b）and clay（c）contents in surface sediments of study area

（1）砂粒组分含量随水深变大呈逐渐减小的趋势，变化范围在10%～90%之间。

（2）砂粒组分含量在研究区内呈现典型的由西南向东北带状递减的趋势。

（3）河口区普遍存在砂粒组分含量的高值区。

3.1.2 粉砂组分 粉砂级组分的百分含量分布见图3b，研究区内粉砂组分的分布明显可分为3个区域：

（1）东北部：由岸及远增大。

（2）中部：粉砂含量高值区，普遍在60%以上。

（3）西南部：西南向东北递增，含量由5%增大到60%。

3.1.3 黏土组分 黏粒组分在研究区的分布如图3c所示，结合典型剖面沉积物黏粒组分含量变化趋势图（见图6），与砂粒组分相反，该区黏粒组分分布主要有以下3个特征：

（1）黏粒组分含量随水深变大呈逐渐增大的趋势，其变化范围为3%～30%。

（2）黏粒组分含量在研究区内呈现典型的由西南向东北带状递增的趋势。

（3）河口区普遍存在黏粒组分含量的低值区。

3.2 粒度参数的分布

沉积物的粒度参数主要反映沉积物来源和沉积动力条件。一般认为，沉积物平均粒径和分选系数与沉积物来源关系密切，偏态和峰态则反映的是沉积环境对粒度的改造结果［10］。

3.2.1 平均粒径 研究区表层沉积物平均粒径为0.67～7.16Φ，平均粒径等值线图（见图4a）一方面从整体上呈现了研究区内沉积物中值粒径由岸向海递减的特点，与粒度分异规律，即由岸向海粒度变细一致，另一方面在局部又呈现变异的特点。

3.2.2 分选系数 研究区内沉积物分选系数为0.67～4.03，分选性普遍差，分选系数等值线图（见图4b）反映了沉积物由岸及远、自西南向东北分选性变差的特点，与砂粒组分和黏土组分含量的变化趋势吻合。

3.2.3 偏态 通过样品统计分析，Ski最小值为－1.84，最大值为0.72，平均值为－0.09。

沉积物的偏态等值线图（见图4c）和Ski与MZ散点图（见图5a）显示调查区的沉积物粒度偏态值大部分在－0.5～0.5之间，处于极负偏态到极正偏态之间。

3.2.4 峰态 通过样品统计分析，研究区内KG最小值为0.24，最大值为3.08，平均值为1.02。

从沉积物的峰态等值线图（见图4d）和KG与 MZ散点图（见图5c）上可以看出，大部分沉积物峰态值在0.5～1.5之间，属于很宽～尖峰态。

4 讨论

采用Gao－Collins二维“粒度趋势分析”方法对研究区沉积物运移趋势进行预测，发现研究区沉积物运移趋势（见图8）具有如下特点：

（1）沉积物整体呈现离岸输运，河口处尤为明显，近岸处沉积物的输运主要受河流控制。

（2）在研究区东北部为输运集中区，即周围沉积物都在此沉积，可能与该处动力较弱有关。（3）在研究区西南部沉积物呈现由西南向东北的运移趋势，与研究区的强浪向和常浪向一致，这主要是因为研究区基本上属于砂质海岸，而砂质海岸的沉积物动力过程主要受波浪控制。

为了能够更直观的反映沉积物粒度空间分布特征，设置2个典型剖面prof－1和prof－2（见图1），分别绘制砂含量、粉砂含量、黏土含量及中值粒径随空间的变化图（见图6、7）。

图4 表层沉积物粒度参数等值线Fig.4 Isoline of grain size parameters

图5 沉积物粒度参数散点图Fig.5 Scatter plots of grain size parameters

通过对2个典型剖面prof－1和prof－2粒度频率分布曲线（见图1）的分析，样品频率曲线主要分为单峰和双峰及两者之间的过渡态3种。单峰态表明沉积物成分单一，为相对稳定的水能条件下形成，双峰表明沉积物受2种主要动力作用，或者存在2种主要的沉积物来源。由于该区沉积物主要来源为河流来砂，因此频率曲线的峰数主要体现了该区的沉积动力多样性。

根据站位的不同位置，曲线形态变化具有一定的规律性。prof－1上各站位自西南向东北呈现出“单峰－双峰－单峰”且粒径减小特点，表明沉积物动力 “单一动力－双动力－单一动力”的特点；prof－2上各站位自岸及远呈现出“单峰－双峰”且粒径减小特点，表明随着水深增加，沉积物动力“单一动力－多动力”变化的特点，结合该区自然概况，近岸主要受河流控制，离岸端受潮流和河流共同控制。

通过Gao－Collins粒度趋势分析所得到的沉积物运移趋势与粒度组分及粒度参数分析的结果相吻合，该区沉积物的输运一方面有一般近海沉积的典型特征，一方面又受地形和自然条件影响，具有地区特点。

5 结论

（1）研究区域沉积物粒径呈现整体自岸及远减小、局部由西南向东北减小的趋势，既符合粒度分异规律，又受地形和自然条件的影响，存在局部差异性。（2）沉积物具有河砂的特点，岸滩沉积物以河流来沙为主。（3）通过对典型剖面的分析，并结合Gao－Collins粒度趋势分析，该区沉积物整体上呈离岸输运的趋势，且自岸及远沉积物呈现“单一动力－双动力－单一动力”特点，在研究区西南部，沉积物由西南向东北输运，沉积物呈现“单一动力－多动力”特点，近岸主要受河流控制，离岸端受潮流和河流共同控制。

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