日照近海表层沉积物粒度特征与沉积环境*

宋红瑛, 刘金庆,2,3, 印　萍, 王松涛, 吴　振, 衣伟虹

(1.中国海洋大学海洋地球科学学院， 山东 青岛 266100； 2.国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室， 山东 青岛 266071；

3.青岛海洋地质研究所， 山东 青岛 266071； 4.山东省第四地质矿产勘查院， 山东 潍坊 261021)



日照近海表层沉积物粒度特征与沉积环境*

宋红瑛1, 刘金庆1,2,3, 印萍2,3**, 王松涛4, 吴振4, 衣伟虹4

(1.中国海洋大学海洋地球科学学院， 山东 青岛 266100； 2.国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室， 山东 青岛 266071；

3.青岛海洋地质研究所， 山东 青岛 266071； 4.山东省第四地质矿产勘查院， 山东 潍坊 261021)

摘要：对日照近海50个表层沉积物样品进行粒度计算、多元统计分析和沉积环境动力分区，结果表明研究区沉积物类型复杂，从泥质砂质砾到泥均有分布，共11种类型。沉积物粒度组成以砂和粉砂为主，砂含量占绝对优势，多以细砂形式存在。日照港和岚山港附近的沉积物粒径细，分选较差，负偏，峰态平坦，其它区域总体上粒径粗，分选差，正偏，峰态尖锐。研究区分为3个不同的沉积环境区。1区分布在傅疃河口近岸，为河口强动力沉积区；2区分布在东部15～20 m水深区域，为潮流沉积和残留沉积混合作用区；3区分布在日照港和岚山港附近海域，为潮下低能沉积区。

关键词：粒度分析； 多元统计； 沉积环境； 日照近海

SONG Hong-Ying， LIU Jin-Qing， YIN Ping, et al. Grain size characteristics of the surface sediment and sedimentary environment in Rizhao offshore[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(3)： 96-104.

粒度参数作为沉积学研究的一个重要指标，广泛应用于海洋、湖泊、河流等沉积环境的研究中，用于判断沉积物的来源、水动力条件和运移趋势等。沉积物的粒度特征及其类型分布主要受物源和沉积环境等两方面因素的控制，其中沉积环境又包括水动力条件、地貌环境、海平面变化等诸多因素[1-5]。近岸海域由于受到河流径流、沿岸流、波浪和潮汐等综合作用的影响，水动力条件往往复杂，沉积物类型多样。近些年来，多元统计分析作为多个变量(或多个因素)之间相互关联的规律性统计方法，尤其是聚类分析和因子分析在海洋沉积物粒度[6]、地球化学[7]、矿物[8]、污染物[9]等空间分布的研究中得到广泛应用。以往对日照地区开展的工作主要集中在海岸地貌类型[10]、潮流特征[11]、沉积物重矿物分布[12]、岸滩侵蚀监测[13]和港口冲淤模拟[14]等方面，针对日照近岸海域沉积物粒度特征与沉积环境的研究较少。本文利用从日照近岸海域采集的50个表层沉积物样品进行粒度分析和粒度参数的计算，利用多元统计分析和沉积环境动力分区，分析表层沉积物粒度组成与分布特征，探讨该海域的沉积环境。

1研究区概况

研究区位于山东南部的日照海岸带地区，岸线以砂质海岸为主。入海河流有两城河、傅疃河、涛雒河、巨峰河、龙王河和绣针河，均是山溪性河流，其中傅疃河是本区最大河流，主流长51.5 km，流域面积1 060 km2。河流两侧发育较小的带状冲积平原，河口处水深5 m以内具有小规模的水下三角洲，水深15 m以内为坡度较缓的水下浅滩，水深15m以外为平缓的海底冲蚀平原[15]。

日照海域潮汐特征为正规半日潮，潮流方向为SW-NE向，以SW向涨潮流占优势，涨落潮流均与海岸方向平行[16]。海底近岸泥沙由北向南运移，泥沙主要来源为沿岸河流入海物质和沿岸冲刷物[12]。

2材料与方法

2012年10月，青岛海洋地质研究所在研究区近岸海域使用箱式取样器采集了50个表层沉积物样品，样品站位间距为5 km×5 km，在中段近岸区按2.5 km×5 km加密部署采集。具体位置见图1。此外，在日照港和岚山港附近收集了部分站位(来自项目组内部交流的环评报告)。

沉积物粒度分析测试由国土资源部海洋地质实验检测中心完成。取原始样品10～20 g，经双氧水和稀盐酸浸泡处理，除掉有机质和碳酸盐，然后洗盐，用六偏磷酸钠溶液分散后，根据规范要求分别选用不同的方法进行测试。激光法采用英国马尔文(MLVERN)公司生产的Mastersizer-2000型激光粒度分析仪(测量范围为0.02～2 000 μm，偏差<1%，重现性φ50<1%)进行粒度测试。平均粒径、分选系数、偏态和峰态等粒度参数的计算和等级划分均采用Folk等提出的方法[17]。采用多元统计分析R型、Q型聚类法对沉积物进行分类，并利用因子分析法来研究沉积物的空间分布差异[6]。其中，R型聚类分析是对变量(粒级含量)进行分类处理，Q型聚类分析是对样本(样品)进行分类处理，R型因子分析是对多个变量进行降维处理后提取公共因子。沉积环境的判别采用Flemming三角图分类法[18-19]。

3分析结果

3.1 沉积物类型和粒度特征

3.1.1 表层沉积物类型研究区沉积物可划分为11种类型：泥质砂质砾、泥质砾、砾质泥质砂、含砾砂、含砾泥质砂、泥质砂、砂、砾质泥、含砾泥、砂质泥和泥(见图1)。

(+为收集的站位。“+”: The collected stations.)

砾质泥质砂和含砾泥质砂分布最广，在研究区西部、中部和东部海域均有大片分布，占整个研究区面积的60%以上。近岸的砾质泥质砂呈现多峰曲线特点(见图2(a))，曲线尖锐，多个峰值在-3～3φ均有出现，表明沉积动力较强，以滚动和跳跃组分为主；东部离岸较远的砾质泥质砂多呈现双峰(见图2(b))，代表了多种物源的混合。含砾泥质砂也呈现双峰和多峰特征(见图2(c))。总体上，两种沉积物类型由陆向海具有一定的分布规律。近岸以中粗砂为主，向海沉积物颗粒变细，以细砂为主，但在东部20 m水深地区出现大量钙质结核，为残留沉积的标志[20]。

在日照港和岚山港附近，沉积了含砾泥、砂质泥和泥等细粒物质，沉积动力较弱，以悬浮组分为主。含砾泥和砂质泥多为双峰(见图2(d)，图2(e))，泥多为平滑的单峰(见图2(f))。其它类型分布范围较小。

图2　表层沉积物粒度频率曲线

3.1.2 粒度参数与粒度组分分布特征沉积物粒度参数是描述沉积环境的重要依据之一，利用沉积物的粒度参数分布特征可以识别出沉积环境或判定物质运动的方式[21]。平均粒径代表沉积物粒度分布总的趋势，能够反映沉积介质的平均动能[22]。分选系数指示了沉积物粒度的分选程度，即颗粒大小的均匀性，与沉积环境的水动力条件密切相关[23]。峰态是度量粒度分布的中部和尾部展形之比，是衡量分布曲线的峰凸程度[24]。偏态可敏感地反映粒度分布两端的微量变化，是判断沉积环境的重要参数[25]。

研究区平均粒径为-0.81～7.13φ，平均值为3.56φ，多以细砂组分(2～4φ)为主。研究区西部近岸、中部和东南部区域，平均粒径小于2φ与泥质砂质砾、含砾泥质砂和砾质泥质砂等类型对应，说明沉积动力较强。日照港北部和岚山港东部，平均粒径大于4φ，对应含砾泥、砂质泥和泥等，属弱动力沉积环境(见图3a)。分选系数在0.63～4.08之间，平均值为2.55，变化范围较大。大部分区域在2～4之间，说明沉积物分选差(见图3b)。峰态值范围为0.70～3.64，平均值为1.36，大部分区域在1.1～1.6之间，说明粒度频率曲线尖锐(见图3c)。偏度变化范围为-0.30～0.76，平均值为0.28，大部分区域偏度大于0.1，属正偏(见图3d)。

研究区砾石的高值区主要出现在研究区东部和东南部，含量可达30%以上。日照石臼咀附近砾石含量也较高，其它区域含量较低(见图3e)。砂的高值区主要分布在研究区西部的河口近岸区，砂含量一般在50%以上，最高可达到80%～90%。低值区主要出现在日照港东北部和岚山港东部的近岸区域，砂含量一般在30%以下(见图3f)。粉砂含量的分布与砂含量的分布趋势相反。在日照港东北部和岚山港东部近岸区，粉砂含量在50%以上，最高可达60%～70%。其它区域含量普遍较低(见图3g)。黏土含量总体较低，平均含量在10%左右。与粉砂的分布趋势相似(见图3h)。

图3　粒度参数与粒度组分的分布

3.2 多元统计分析

3.2.1 聚类分析对研究区50个表层沉积物样品的15个粒级进行聚类分析(见图4)，由R型聚类分析可获得3群结果：第一群由>4φ的粒级组成，代表粒度组成的最细部分；第2群由2～4φ的粒级组成，代表了粒度组成的中间部分；第3群由-2～2φ和<-2φ的粒级组成，代表粒度组成的最粗部分。

图4　R型聚类分析谱系图

按Q型聚类分析，可将研究区分为3个粒度沉积区(见图5a)，各分区粒度特征明显不同(见表1)。1类沉积物分布在傅疃河口近岸区，主要底质类型为砂、含砾泥质砂和砾质泥质砂，粒径较粗，以中粗砂组分为主，砂含量平均值为79.19%，高于2、3类，砾石含量中等，粉砂和黏土含量较低，平均值分别为5.42%、12.06%和6.90%，沉积物总体分选差，多数正偏，粒度频率曲线很尖锐；2类沉积物除个别站位(RZB48)外均分布在研究区东部15～20 m水深区域，底质类型为含砾泥质砂、砾质泥质砂和泥质砂质砾，含大量钙质结核，个别站位砾石含量达60%以上，砂含量相对1类有所减少，以细砂组分为主，粉砂和黏土含量略有增加，分选差，正偏为主，曲线尖锐；3类沉积物主要分布在研究区南北两侧的港口附近区域，对应含砾泥、砂质泥和泥等细颗粒沉积，几乎不含砾石，砂含量很低，黏土和粉砂含量最高，后两者的平均含量分别为56.78%和21.73%，沉积物分选较差，多数负偏或近对称，曲线平坦。

3.2.2 因子分析R型因子分析获得了3个主控因子，其累计特征值比例达80.82%，因子1为主导因子，其特征值比例为50.93%，因子2和3的特征值比例分别为16.66%和13.23%(见表2)。最大方差旋转因子载荷显示旋转后的各因子反映的粒度变化特征清晰(见图6)。因子1主要由>4φ的正载荷和1～2φ的负载荷组成，正因子得分较高的区域分布在研究区南北两侧港口附近，主要是悬浮体组分，水动力较弱，负因子得分较高的区域分布在巨峰河—龙王河近岸和研究区中部，主要是滚动或跳跃组分，水动力较强；因子2主要由-2～1φ正载荷和2～4φ的负载荷组成，正因子得分较高的区域主要分布在傅疃河河口近岸区，物源主要来自河流输沙，以滚动组分为主，水动力强，负因子得分较高的区域分布在研究区东部，以跳跃组分为主，水动力也较强；因子3主要由<-2φ的正载荷组成，正因子得分在东部和东南部较高，主要是砾质泥质砂等粗颗粒为主，代表残留沉积。

3.3 沉积动力分区

根据Flemming的沉积物三角分类方案，将日照近海沉积物粒度数据投到三角图中(见图5b)。绝大多数数据点均分布在Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ区，这说明研究区的水动力条件总体上较强，但不同的亚沉积环境存在差异(见图5a)。Ⅰ区沉积物主要分布在傅疃河口近岸到15 m水深范围内，河流入海汇流、沿岸流和波浪作用强烈，水动力最强，以粗颗粒的砂质沉积为主。Ⅱ区沉积物主要位于Ⅰ区外缘，河口区及东部15~20 m水深区域均有分布，范围较大，水动力较强，以砂为主，在东部出现较多的钙质结核砾石，为典型的残留沉积。Ⅲ区沉积物主要分布在远离河口汇流区的南北两侧近岸区域，水动力条件较Ⅰ区和Ⅱ区弱的多，以泥和砂质泥等细颗粒物质为主。

4讨论

沉积物受物源、地形地貌、波浪、潮流等综合作用的影响显著。根据研究区沉积物类型、粒度组分、粒度参数分布特征、粒度多元统计以及沉积环境动力分区，总体上可大致划分为3个沉积区：河口强动力沉积区；现代沉积和残留沉积混合区；潮下低能沉积区。不同的沉积区在沉积环境和物源上具有明显的空间分异特征。

河口强动力沉积区主要位于河口近岸到水深15 m范围内，地貌类型为河口三角洲和水下浅滩。根据日照石臼港海洋站水文观测资料[16]，海域常浪向为E向，频率为18%，次浪向为SEE、SE向，频率为12%，强浪向为SE向，最大波高5.7 m，次强浪向SSE，最大波高4.6 m。海岸总体呈NNE-SSW向，岸线方向均面对常浪向和强浪向，波浪横向运动强烈，对近岸沉积物的改造起着重要作用。根据泥沙起动速度公式[26]，大致估算出海域18 cm/s的潮流流速足以起动粒径小于0.16 mm(大于2.6Φ)的细颗粒物质。而日照海域大潮涨潮流速介于7~81 cm/s，落潮流速介于6~70 cm/s，因此NE-SW向的潮流既可输沙也可掀沙。在波流综合作用下，来自河流的入海物质可进一步发生再悬浮，大部分细颗粒物质被潮流带往它处，剩下粗颗粒物质就地沉积[19]。R型因子分析中因子1中的负因子和因子2中的正因子得分较高，代表了该区中粗砂和砾石等粗颗粒物质，符合较强的海洋动力背景。这也与Flemming的沉积环境动力Ⅰ区比较一致。

表1　Q型聚类分析各类粒度组成和粒度参数

Note：①Gravel；②Sand；③Silt；④Clay；⑤Mean grain size；⑥Median grain size；⑦Sorting coefficien；⑧Skewness coefficient；⑨Kurtosis coefficient

表2　最大方差旋转因子载荷

潮流沉积和残留沉积混合区主要位于水深15 m以外的海底冲蚀平原。一般情况下，潮流流速不足以起动粗颗粒的沉积物，但可将细颗粒物质冲刷带走，造成沉积物粗细不一，分选差。根据浅地层剖面和水深测量成果，发现该区存在两条规模较大的冲蚀沟槽，分别沿NE和NNE轴向延伸，也说明了该区NE-SW向的潮流改造能力。因子2中负因子得分较高，代表了该区细砂粒级跳跃组分。总体沉积水动力条件较强，绝大部分沉积物落在沉积环境动力Ⅱ区。

潮下低能沉积区该区物质以悬浮体组分为主，由于突堤、岬角、港池以及航道等阻挡作用，水动力较弱，从北向南输运的细颗粒物质便在港区附近沉积下来。因子1中正因子得分较高，代表了该区细颗粒泥质沉积物，该区物质以悬浮体组分为主，由于突堤、岬角、港池以及航道等阻挡作用，水动力较弱，从北向南输运的细颗粒物质便在港区附近沉积下来。因子1中正因子指示了较弱的动力条件。把该区沉积物归属于沉积动力Ⅲ区也符合该区较弱的动力背景特点。

图5　Q型聚类分区和沉积动力分区

图6　表层沉积物因子得分分布图

5结论

(1)表层沉积物粒度组成以砂和粉砂为主，砂含量占绝对优势，多以细砂存在。总体上，沉积物粒度参数和粒度组分具有一定的对应性。研究区南北两侧的港口附近，粒径细，分选较差，负偏，峰态平坦。其它区域粒径粗，分选差，正偏，峰态尖锐。

(2)多元统计分析和Flemming沉积环境动力分区，可将研究区分为3个不同的沉积环境亚区：Ⅰ区为河口强动力沉积区，位于傅疃河口近岸到15m水深范围内，径流、波浪、潮流作用强烈；Ⅱ区位于15 m水深以外的海底冲蚀平原，为潮流沉积和残留沉积混合作用区，海底冲刷较强；Ⅲ区位于日照港和岚山港附近，为海洋动力较弱的细粒沉积区。

致谢：郭建卫高工、田会波博士协助野外取样，刘杰博士和权永峥工程师在粒度参数计算中给予了帮助，陈小英高工和两位审稿人对本文提出了很多宝贵意见，在此一并致谢。

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责任编辑徐环

Grain Size Characteristics of the Surface Sediment and

Sedimentary Environment in Rizhao Offshore

SONG Hong-Ying1，LIU Jin-Qing1,2,3，YIN Ping2,3，WANG Song-Tao4，WU Zhen4，YI Wei-Hong4

(1.College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China;2.The Ley Laboratory of Marine Hydrocarbon Resources and Environmental Geology,Ministry of Land and Resources, Qingdao 266071, China; 3.Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao 266071, China;4.Shandong Provincial NO. 4 Institute of Geological and Mineral Survey，Weifang 261021, China)

Abstract:50 surface sediment samples were studied by Grain size calculation, multivariate statistical analysis and sedimentary dynamic classification, which were collected from the Rizhao offshore area. The grain size results show that the sediments types in the study area are complex, and there are 11 types of sediments distributed from gravel to clay. Among them, the sand and silt are dominant components, of which contents are up to 49.50%. The sand is accounted for an absolute advantage, mostly exist in the form of fine sand. The sediments near the Rizhao and Lanshan port with finer sizes are poorly sorted with negative skewness and flaty kurtosis, and the other sediments with coarser sizes are poorly sorted with positive skewness and sharp kurtosis. R-type cluster analysis shows that there are three clusters. The first cluster is composed of the sediments of more than 4φ, the second cluster consists of the sediments of 2～4φ, and the third cluster is composed of the sediments of less than 2φ. The study area can be partitioned into three divisions by Q-type cluster analysis which correspond with sedimentary dynamic classification. The fisrt zone located in Futuan estuarine modern depositional region with intense hydrodynamics, is a strong power sedimentary area in the estuary. The second area is a tidal sedimentary and residual sediment mixing zone in the 15 ~ 20m depth of eastern region. The third region near the Rizhao and Lanshan port where have weak hydrodynamic conditions, is a low-energy subtidal deposition area.

Key words:grain size; multivariate statistics; sedimentary environment; Rizhao offshore

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20140413

中图法分类号：P736.21

文献标志码：A

文章编号：1672-5174(2016)03-096-09

作者简介：宋红瑛(1986-)，女，博士生。E-mail: songhongying629@163.com**通讯作者：E-mail: pingyin@fio.org.cn

收稿日期：2014-12-18；

修订日期：2015-02-02

*基金项目：科技部基础性专项(2013FY112200)；海洋地质调查专项(GZH201100203)；山东地勘专项(201129)资助

引用格式：宋红瑛, 刘金庆, 印萍， 等. 日照近海表层沉积物粒度特征与沉积环境[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版)， 2016, 46(3)： 96-104.

Supported by Basic Fund of Ministry of Science and Technology (2013FY112200)；Marine Geology Survey Project (GZH201100203)；Geologic Exploration Project of Shandong Province (201129)