大连湾附近海域表层沉积物粒度特征及水动力环境指示

2014-03-20李艳刘艳李安春王伟郑琳

海洋通报 2014年5期

李艳，刘艳，李安春，王伟，郑琳

（1.国家海洋局烟台海洋环境监测中心站，山东烟台 264006；2.中国科学院海洋研究所，山东青岛 266071；3.国家海洋局北海环境监测中心，山东青岛 266033）

1 研究区概况

大连湾位于辽东半岛西南端，属于半封闭型海湾（图1），本文的研究区为西起大连湾东至城山头的辽西南近岸海域，水深分布（图2）范围在8.3～59.9 m 之间，平均水深36.6 m，最深处位于研究区西部。由西南向东北水深逐渐变浅，由近60 m 变为不足20 m，大连湾和大窑湾内水深降至10 m 以下。该区的地形存在两级水下岸坡，一级位于28 m 以浅，另一级位于28～40 m 之间，前者平缓而后者较陡峭，28 m 左右为一平坦而宽阔的水下台地。研究区多是基岩海岸，周边有大沙河、登沙河、马栏河等较小的季节性河流，雨季能冲刷大量沙粒入海（Gao et al，1992），是研究区主要泥沙来源之一。该区受到从渤海海峡北部西进的黄海暖流（缪经榜等，1989；Liu et al，2007）、潮流（Hu，1984；韩康等，1994）、辽东半岛沿岸流（温国义等，2008）的作用，水动力环境复杂，附近海域海流主要受潮流控制，M2 分潮流为绝对优势分潮流，其强度占潮流的50%以上（韩康等，1994）。目前国内外对北黄海地区的研究主要集中在山东半岛水下三角洲（Liu et al，2007；2009）和黄海暖流（Naimie et al，2001； Xu et al，2009；Zhang et al，2008），但是对大连湾附近海域沉积以及水动力特征等研究尚未见报道。

图1 黄海以及邻近海区水深及区域环流示意图

图2 大连湾附近海域水深分布图

2 样品来源及分析方法

研究样品为 2006年 908 项目北黄海（121.697°E-122.382°E，38.617°N-39.166°N）底质调查航次中所取得的183 个表层沉积物样。绝大多数沉积物样品是在“科学一号”调查船上用箱式取样器采集，船载GPS 导航系统定位，采样间距3 km，但在岛屿附近水深较浅的海域或养殖区使用调查船配备的小艇（青岛号），用蚌式取样器采集，手持GPS 定位。取样位置如图3 所示。

图3 大连湾附近海域表层沉积物取样站位分布图

粒度分析按有关海洋底质调查技术规程要求进行。取适量湿样品，先后各加入过量的30%的H2O2和0.25 mol/L 的HCl 溶液去除有机质和碳酸盐，离心清洗两次。加少许蒸馏水，经超声波充分分散后在中国科学院海洋研究所用法国产Cilas940L 激光粒度仪上进行测量。测量范围为0.3～2 000 μm，重复测量的相对误差小于2%。部分含有砾石的样品和粗砂样品，用孔径间隔为1/2 Φ的分样筛过筛，粒径大于2 000 μm 的部分采用筛析，小于2 000 μm 的部分经用粒度仪测量。粒级标准采用尤登一温德华氏等比制Φ 值粒级标准。采用矩法计算各粒度参数。

3 粒度分析结果

3.1 粒度参数及分布

大连湾附近海域表层沉积物粒度参数分布特征（图4）与矿物分布特征一致（李艳等， 2009；2011），表现为随水深的增加，粒度参数及粒度组分组成均出现不同分布特征。

3.1.1 平均粒径

粒径的平均值可以反应沉积物的平均粒度，反应搬运作用营力的平均动能。大连湾附近海域沉积物粒度参数分布如图4 所示，平均粒径范围为2.0～7.2Ф，平均5.3Ф。平均粒径与区域水深分布趋势表现一致：水深30 m 以浅，平均粒径大致在5 ～6Ф 之间，根据Uddon-Wentworth 粒级标准（表1），属于中粉砂。水深30～40 m 的中部区域，粒径相对较细，Ф 值＞6，属于细粉砂，而水深大于50 m 的南部海区，粒径相对较粗（Ф＜5），属于粗粉砂及细沙范畴。从近岸到远岸深水区，粒径先变细再变粗，表明该区域沉积物的非同源性。

图4 大连湾附近海域沉积物粒度参数分布图

表1 碎屑沉积物的粒级划分

3.1.2 分选系数

沉积物的分选程度可由标准偏差来反映。大连湾附近海域分选系数变化范围为1.1～2.9，平均2.06，按照福克和沃德分选性等级分类表（1957）（表2），属于分选差或分选较差范围。离岸稍远的深水区，分选最差，其次是近岸浅水区，中部30～40 m 海区分选相对稍好。这种规律与平均粒径变化相一致。

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表2 分选程度等级表

3.1.3 偏态

偏态是表示沉积物粗细分布对称程度的一个定量描述指标（李振山等，1998），正值为粗偏，负值为细偏（张立功等，2007）。偏态值的分布趋势与平均粒径比较一致，多数属于正偏，只有三山岛附近有几个站位沉积物为负偏。研究区不同位置其正偏程度不同，中部正偏置相对较小，南部深水区表现为极正偏。

3.1.4 峰态

图5 大连湾附近海域沉积物粒度组成分布图

峰态能够度量粒度分布的中部和尾部展开度之比，是发现双峰曲线的重要线索。峰态值范围为1.4～3.8，平均2.63。在分选最差，也是水深最深的区域，沉积物偏态为极正偏，峰形很宽。

3.2 粒度组成及分布

根据Uddon-Wentworth 标准，可以将沉积物按照平均粒径（Φ 值）大致划分为：粘土（＞8Φ）、粉砂（4～8Φ）、砂（-1～4Φ）。

大连湾附近海域沉积物粒度组分分布如图5 所示，砂含量范围为0～86%，平均34%；粉砂是研究区含量最多的粒度组分，含量为11～81%，平均值52%；粘土则最低，含量范围3～32%，平均为14%。离岸较远的深水区，沉积物以砂为主，粘土含量较少；向北砂含量急剧减少，粉砂和粘土含量有所增加，粉砂成为主导成分；再向北靠近辽东半岛南岸海域，砂含量又有所增多，但仍然少于南部深水区，粉砂仍然是主导组分。沉积物分类和命名采用福克等人的沉积物粒度三角图解法（Folk et al，1970）。研究区沉积物类型以砂质粉砂为主，粉砂质砂主要分布在南部深水区及常江海岬附近。

3.3 沉积物粒度频率分布曲线及概率累计曲线

分别在不同的底质类型中，按照平均分布的原则，选取3-4 个站位（图6），绘制频率分布曲线（图7）及概率累计曲线（图8）。概率累积曲线一般都为两段式，主要由悬浮组份和跳跃组份构成，个别站位出现牵引组份。

图6 不同沉积类型中按平均分布原则选取站位位置示意图

离岸较远的南部深水岸坡区沉积物粒径较粗，频率分布曲线主要呈现单峰状态（图7a），众数出现在2.0～3.0Φ，个别出现0.7Φ 的极高值。概率累计曲线（图8a）中跳跃组份含量40～80%，跳跃组份和悬浮组份的分界点大致在3～4Φ，沉积物概率累计曲线变化较大，各组分分选系数也变化较大。

北部沿岸水下岸坡区，粗颗粒沉积物仍占主体，但是比深水岸坡区有所减少，频率分布曲线（图7b）主要呈双峰状态，众数为3.5～4.0Φ 和1.8～2.0Φ，个别出现在6.2Φ。概率累计曲线（图8b）中跳跃组份含量较中部水下台地有所升高，一般在30-60%之间，与悬浮组份的分界点大约在2～4Φ，分选系数变化不大，尤其是悬浮组份分选系数较为一致。

中部的水下台地，粒径最细，频率分布曲线（图7c）呈现单峰状态，众数为3.4～4.0Φ，个别出现6.4Φ。概率累计曲线（图8c）中粗颗粒组份明显减少，跳跃组份含量大都在30%以下，个别站位含量在50%左右，与悬浮组份的分界点在4Φ 附近。

图7 大连湾附近海域沉积物频率分布曲线

图8 大连湾附近海域沉积物粒度概率累积

4 沉积环境分析

对比地形与粒度分布可知，研究区砂粒级高含量带基本位于外侧岸坡以下水深较大的区域，另外在近岸岸坡以里也存在一个高含量带。而粉砂和粘土高含量区则位于水下平坦的台地之上，其中又以粉砂占绝对优势。

一般来说，局地沉积物特征及分布受沉积物物源及水动力的综合作用的控制。离岸较远的南部深水岸坡区沉积物粒径较粗，平均粒径＞5Φ，分选系数均在2.1 以上，分选差，大部分站位为不对称正偏态，偏度＞1.6，峰度一般都在2.5 以上，甚至出现3.8 的极高值。用概率累计曲线图方法可以揭示沉积物与搬运营力间的关系，搬运条件的微弱变化也能反映到曲线上（周丹丹等，2008）。该区频率分布曲线主要呈现尖锐单峰状态，反映了较强的水动力条件和不稳定的沉积环境。各站位概率累计曲线变化较大，跳跃组分含量最高，各组分分选系数也变化较大，说明该区域水动力条件较强，且变化较大，沉积环境多变。北部沿岸水下岸坡区，除大连湾内个别站位，分选系数均在1.9 以上，分选较差，大部分站位为正偏，偏度1.0～1.6 之间，频率分布曲线主要呈双峰状态，众数为3.5～4.0Φ 和1.8～2.0Φ，个别出现在6.2Φ，概率累计曲线中跳跃组份含量较中部水下台地有所升高，分选系数变化不大，尤其是悬浮组份分选系数较为一致，也揭示了近岸区物质来源复杂，水动力条件较强的特点。中部的水下台地，粒径最细，分选系数均在1.9 以下，大部分站位呈现不对称正偏，偏度较小。频率分布曲线呈现单峰状态，概率累计曲线中粗颗粒组份明显减少，各站位概率累计曲线较为一致，各组分分选系数也比较接近，说明沉积环境最为稳定。该区域概率累计曲线陡直，跳跃组分含量较细，分选相对较好，说明颗粒活动较频繁（李森等，1999）。偏度值正偏较小，甚至出现负偏，表明沉积物经过远源搬运，水动力分选造成沉积物中细颗粒物质含量增加。

研究区沉积物粒径由岸向外有逐渐变细的趋势，大连湾、大窑湾内粒度较细则可能因为此处的水动力条件较弱；近岸浅水海域，海湾、岛屿较多，物质来源和水动力条件都比较复杂，含有较多的近岸侵蚀物质（王伟，2009）。向外海方向，随水深增加水动力条件逐渐减弱，沉积物粒径变细。离岸较远的深水区，因较靠近南部黄河水下三角洲（Liu et al，2009），且受到黄海环流体系的影响，沉积物颗粒较粗。

5 结论

（1）研究区沉积物粒度组分以砂和粉砂为主，粘土含量比较少，且主要分布在研究区中部水下台地之上。砂含量在深水岸坡区含量较高，直接导致此处平均粒径最粗，中部水下台地区域，粉砂含量较高，砂含量最低，平均粒径最细，分选亦最优。

（2）研究区沉积物粒度分布特征与地形分布趋势存在较高的一致性。近岸浅水区区物源和水动力条件都比较复杂，沉积物颗粒较粗；向海水深增加，水下台地上沉积环境较稳定，远源搬运的细颗粒物质增多；最南部的深水岸坡区可能因为受到环流因素的影响，接受了较多的粗颗粒沉积。

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