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北部湾表层沉积物粒度分布规律及沉积动力分区❋

2016-06-16石要红冯秀丽徐元芹

关键词:琼州海峡粉砂北部湾

肖 晓, 石要红❋❋, 冯秀丽, 徐元芹

(1.中国海洋大学海洋地球科学学院, 山东 青岛 266100; 2.广州海洋地质调查局, 广东 广州 510760; 3.国家海洋局第一海洋研究所, 山东 青岛 266061)

北部湾表层沉积物粒度分布规律及沉积动力分区❋

肖晓1, 石要红1❋❋, 冯秀丽1, 徐元芹3

(1.中国海洋大学海洋地球科学学院, 山东 青岛 266100; 2.广州海洋地质调查局, 广东 广州 510760; 3.国家海洋局第一海洋研究所, 山东 青岛 266061)

摘要:根据在北部湾东部获得的96个(2006年71个、2010年25个)表层沉积物样的粒度分析,结合水动力、地形地貌条件探讨该区域的沉积物类型和粒度参数特征,并对研究区进行了沉积动力分区。研究区的沉积物类型主要为砂质粉砂和粉砂,二者总量超过60%。对于整个研究区而言,分选系数整体偏高,分选较差,反映了该区复杂的物源和水动力条件。其中在北部湾中部、北部湾北岸、北部湾西南部区域整体上呈现负偏,而在北部湾西北部、琼州海峡西口、海南岛西侧处呈现正偏。研究区峰态极大值出现在北部湾西北部区域,极小值出现在北部湾西南部分。Flemming三角图表明研究区水动力较强,冲刷区位于北部湾南部、海南岛西侧和琼州海峡西口,淤积区位于北部湾中部和西南部。

关键词:表层沉积物; 沉积物类型; Flemming沉积动力分区; 北部湾

引用格式: 肖晓, 石要红, 冯秀丽, 等. 北部湾表层沉积物粒度分布规律及沉积动力分区[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2016, 46(5): 83-89.

XIAO Xiao,SHI Yao-Hong,FENG Xiu-Li, et al. Surface sediment characteristics and dynamics in Beibu gulf [J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(5): 83-89.

表层沉积物粒度特征受物源、水动力条件等因素控制,是描述沉积环境的重要参数之一,特定的沉积环境往往具有特定的沉积物粒度参数特征[1]。表层沉积物粒度数据有助于分析区域沉积环境,反演地质作用过程。前人对北部湾表层沉积物的的研究主要包括物源、水动力及沉积物运移趋势。北部湾内的沉积物主要包括附近众多河流带来陆源碎屑物质,潮流带来的外海物质,以及波浪侵蚀产生的基岩碎屑[2],陈丽蓉等人通过沉积物中的矿物组合鉴定认为北部湾西北部沉积物为海退时期的红河带来的陆源碎屑物[3]。因此,北部湾区域内沉积物的物源多样,沉积时代不同,并且受到波浪和潮流等水动力的改造。本文基于已获取的研究区表层沉积物样品,描述了研究区内表层沉积物粒度分布规律,并对该区域进行了沉积动力分区,初步探讨了研究区表层沉积物类型和水动力作用下的沉积环境,为对该区域的进一步的研究打下基础。

1研究区概况

北部湾位于中国南海的西北部,是一个浅海半封闭性大陆海域。北面是广西壮族自治区,包括钦州湾,廉州湾,铁山港等几个主要的港湾;东面从北至南分别是雷州半岛、琼州海峡和海南岛;西面是越南陆地区域;南面紧临我国南海及越南南部海域,南部湾口以海南岛莺歌海至越南河静省的枚闰角为界。整个北部湾被中越两国陆地与中国海南岛所环抱。

北部湾海底地形平坦,自西北向东南倾斜,坡度约为0.3%[4]。等深线分布趋势大致与海岸平行,平均水深为39 m,大部分区域在20~60 m之间,最大水深约100 m。北部湾南部与南海相接的湾口处,等深线密集,部分区域水深陡增至1 000余米。流入北部湾内的河流较多,广西沿岸有南流江、钦江、茅岭江,越南沿岸有红河,海南岛西岸有南渡江、昌化江等[5]。北部湾区域波浪浪向取决于风向,冬季北部湾北部波浪多为东北向,夏季以西南向居多[6]。北部湾内潮汐以全日潮为主,潮差由湾口向湾顶增大[7],潮流受地形影响,以往复流为主[8]。北部湾北部近岸海底地形主要有河口砂坝、潮流脊,分布于广西沿岸的南流江、钦江、茅岭江等河口地带;琼州海峡西口发育指状潮流沙脊群,长轴的展布与潮流方向一致为E-W向,并呈脊、槽相间排列[9];海南岛西岸发育S-N、NW-SE向潮流砂脊和E-W向沙波,它们随时间移动[10],曹立华等人通过多波束探测系统调查进一步表明海南岛西部岸外从海岸到陆架底形具有明显的分带性, 依次出现近岸底形段、沙波沙脊段和平坦底形段。沙波沙脊段发育在水深20~ 50 m 之间[11]。

图1 北部湾采样站位图

2资料来源与数据分析

资料来源本论文数据为在北部湾东部于2010年及2006年获得的25个和71个表层沉积物样,共96个样品。

粒度测试2006年的表层沉积物样和2010年的表层沉积物样使用激光分析法和传统的筛分法共同完成。粒径小于500 μm 样品,取3~4 g 放入小烧杯中,加入六偏磷酸钠(0. 5%)浸泡24 h,然后采用英国Malvern 公司生产Mastersizer 2000 型激光粒度仪(粒径范围为0.02~ 2 000 μm)进行粒度分析。粒径大于500 μm 的样品,烘干称重后用500 μm 孔径的筛子过湿筛;其中大于500 μm 的粗颗粒部分用传统筛法分析,小于500 μm 的细颗粒部分用激光粒度仪进行分析。然后把两部分数据合并得到完整的粒度分布。

数据处理沉积物粒径采用乌顿-温德华氏粒级标准;粒度参数计算采用Folk-Ward 图解法计算公式得到;沉积物的分类和命名采用Folk分类法[12];动力分区采用Flemming三角图式法[13]。

3结果与讨论

3.1 沉积物类型分布

根据Folk分类命名法,北部湾海域沉积物包含砂质粉砂、粉砂、砂质泥、泥、泥质砂、粉砂质砂、砂、含砾砂、砾泥质砂。其中以粉砂和砂质粉砂为主。根据计算结果,北部湾区域砂质粉砂占34%,粉砂占27%,砂质泥占10%,泥占9%,粉砂质砂占8%,泥质砂占6%,砂占3%,含砾砂与砾砂质泥占3%。主要分布趋势是北部湾中部较细;北岸、海南岛沿岸、琼州海峡西口、北部湾西部较粗。

表1 研究区调查站位表层沉积物类型

如图2,左图为研究区表层沉积物类型分布图,右图为根据以往文献及资料描绘的研究区海底地貌分布图。北部湾北岸河流、港口众多,钦州湾、铁山港处发育向南延伸的潮流三角洲[14],因此该区域表层沉积物粒度分布杂乱,铁山港附近表层沉积物包含砂、砂质泥、条带状泥区,个别站位含砾石。通过以往的矿物研究,北岸物源主要来自湾北沿岸侵蚀、琼州海峡和雷州半岛西部的沿岸侵蚀[15]。北部湾中部广泛分布粉砂,该区域地形平坦开阔,受沿岸河流和潮汐影响较小,水动力较弱,因此表层沉积物较细。琼州海峡西口表层沉积物主要为砂质粉砂,该区域广泛发育指状潮流三角洲,是潮流携带的泥沙堆积而成,故该区表层沉积物相比北岸粒度较粗。北部湾西部区域表层沉积物为泥质砂,粒度与相比中部有明显的增大,不符合现代水动力环境,陈丽蓉等人通过重矿物分类认为该区沉积物为红河三角洲残留沉积[3];北部湾西南部表层沉积物比中部粗,广泛分布砂质粉砂,推测是潮流频繁进出北部湾造成的冲刷地貌;海南岛西岸表层沉积物是整个区域最粗的部分,为砂和粉砂质砂,个别站位为砾泥质砂,董志华等人的调查表明该区域潮流作用较强,发育沙波砂脊[10]。

3.2 沉积物粒度参数分布

本文粒度参数计算采用Folk-Ward 图解法计算中值粒径、平均粒径、分选系数、偏态以及峰态共5种粒度参数[16]。根据3.1节沉积物类型分布,本文将研究区域分成6个区,分别为北部湾中部、北部湾北岸、琼州海峡西口、北部湾西北部、北部湾西南部、海南岛西岸,如图3和表2所示。

图2 研究区沉积物类型与海底地貌分布图

图3 研究区分区图

通过surfer软件克里格插值法做出的北部湾表层粒度中值粒径图(见图4)。北部湾中部表层沉积物中值粒径在4.5Φ~7.7Φ之间;钦州湾湾口表层沉积物中值粒径在2.9Φ~4.5Φ之间,张伯虎等人研究表明大致在5 m 水深处存在一个明显的界限,该水深以浅区域的砂含量较高, 该水深以深区砂含量较低[17]。铁山港表层沉积物中值粒径在1.3Φ~2.9Φ之间;琼州海峡西口表层沉积物中值粒径为4.5Φ~6.1Φ之间;北部湾西北部区域表层沉积物粒度明显加粗,沉积物中值粒径在2.1Φ~3.7Φ之间,并且以该区域为中心,外侧沉积物粒度逐渐变小;北部湾西南部表层沉积物中值粒径在5.3Φ~6.9Φ之间;海南岛西岸沿岸表层沉积物中值粒径在0.5Φ~3.7Φ之间。

分选系数表示粒径频率曲线的扩散程度,是衡量相对于平均粒径而言粒径分布范围的大小,反映沉积分选的好坏。物源,水动力,沉积物搬运距离等都是影响沉积物分选系数的因素。由图5可知,北部湾中部分相比整个区域,分选较好。由于该区离岸较远,水动力较弱,且沉积物经过一定距离的搬运,粗粒物质在岸边沉积,细颗粒均匀物质在中部沉积;琼州海峡西口分选差,该区受来自琼州海峡的潮流影响,水动力环境发生变化,较为复杂;北部湾西部表层沉积物物源复杂,是现代沉积的粉砂、泥质与残留沉积的粗砂,砂的混合区域,故分选差;北部湾西南部总体分选较差;海南岛西侧是沙波砂脊区,且岸线造成的挑流作用使得该区潮流流速增大,水动力环境发生变化,分选较差。研究区整体分选系数偏高,分选较差,充分反映了该区复杂的物源和水动力条件。

偏态表明平均值与中值粒径的相对位置,沉积物偏粗时即正偏,在频率曲线上平均值的位置在中位数的较细方向一边;反之当沉积物偏细时即负偏,这时在频率曲线上平均值的位置将在中值粒径的较粗方向一边。由图5可知,北部湾中部,北部湾北岸、北部湾西南部区域表层沉积物总体而言为负偏,而北部湾西部、琼州海峡西口、海南岛西侧为正偏。

表2研究区样品粒度指标统计表

Table 2Grain-size parameters of the samples in the study area

区域Areas指标Indexs平均粒径Mz中值粒径Md分选系数σ偏态Sk峰态Kg中部Themiddle平均值Ave6.766.691.92-0.452.22最大值Max7.467.513.201.343.63最小值Min5.235.121.32-2.320.83北岸Thenorthcoast平均值Ave6.577.281.79-0.502.41最大值Max7.647.592.341.753.02最小值Min1.316.501.13-2.041.81琼州海峡西口ThewestopeningoftheQiongZhoustrait平均值Ave6.376.422.22-0.262.78最大值Max7.387.452.632.053.31最小值Min4.974.251.57-2.222.06西北部Thenorthwest平均值Ave4.914.472.500.252.53最大值Max6.506.963.202.693.64最小值Min3.572.451.33-2.320.83西南部Thesouthwest平均值Ave6.035.991.980.432.23最大值Max7.157.122.812.003.14最小值Min4.784.181.32-1.800.83海南岛西岸ThewestcoastoftheHainanIsland平均值Ave4.025.661.980.912.23最大值Max6.886.883.443.454.37最小值Min0.533.361.08-1.670.83

图4 研究区表层沉积物中值粒径平面分布

峰态用来量度粒度分布曲线的尖锐或钝圆的程度。由图5可知,北部湾中部表层沉积物峰态很窄,北部湾西部和琼州海峡西口表层沉积物峰态非常窄,北部湾西南部表层沉积物峰态窄。其中,峰态极大值出现在北部湾西部区域,极小值出现在北部湾西南部分。

3.3 沉积动力分区

北部湾内的表层沉积物除了物源不同,还受到波浪和潮流的改造,因此形成了不同的沉积物类型及参数特征。为分析北部湾现代沉积分区,本文采用Flemming三角图式法,从沉积结构组成及其反映的水动力强度来区分沉积环境及其亚沉积环境。

由于研究区较大,水动力条件随时间和区域变化而不同。冬季北部湾北部最多浪为东北向,频率在30%~60%之间,夏季最多浪向为西南向。北部湾潮流受地形影响,以往复流为主[8]。其中琼州海峡内潮流为E-W向,中部表层流速达到300 mm/s[18],海南岛西侧为强潮流区,潮流方向为NNW-SSE向,表层流速超过100 cm/s[14]。

本文采用的Flemming三角图式法的基本原理是:(1)沉积物的粒级划分标准为粒径在0.063~2mm 之间的颗粒为砂,在0.002~0.063mm的为粉砂,小于0.000 2mm的为黏土;(2)首先,根据沉积物中砂的百分含量为5%、25%、50%、75%、95%5个数据作为界线将 Flemming 三角划分为 6 个区域,依次为 S、A~E,从S区到E区沉积物中砂含量减少,粉砂含量增加。沉积物粒径变细;(3)然后,按“粉砂/泥(粉砂+黏土)”的值为10%、25%、50%、75%、90% 4个数据作为界线,划分为6个不同的水动力区,从I到VI表示水动力逐渐减弱。这样,Flemming 三角图示法将三角图划分为25 个区域,每个区域代表不同的沉积动力环境。因此,在Flemming三角图示中,从 S到 E,沉积物粒级逐渐增大;从Ⅰ到Ⅵ,沉积动力环境越来越弱。

(a:分选系数σ;b:偏态Sk;c:峰态Kg)

由图6可知,研究区所有采样点均分布于在Ⅰ~Ⅲ区,说明研究区整体水动力较强;而采样点在S~E区均有分布,说明研究区沉积物粒径较分散。根据flemming三角图示数据点所在的区域,将数据点划分成a,b两类。a类数据点集中在Ⅱ区,水动力极强;b类数据点集中在Ⅲ区,水动力相对较弱。将a、b两类数据分别投射到站位图上发现这两类数据点分别集中于特定的区域。

由于a类数据点代表极强的水动力环境,本文认为它们反应了该区域有相对冲刷的趋势,与之相反,b类数据点反应了该区域有相对淤积的趋势。即研究区表层沉积物基本可划分为两大类型:冲刷区的a类数据点和淤积区的b类数据点。此外,根据3.1~3.5节所述,研究区西北部沉积物为残留沉积,之后被现代水动力条件改造,为“变余”沉积,不能恰当的反应现代水动力条件,故单独划出(见图7)。

(1)冲刷区。在Fleming三角图中,冲刷区数据点主要分布在Ⅱ区。冲刷区位于北部湾南部、海南岛西侧和琼州海峡西口,这与该区发育沙波砂脊的地貌条件相吻合。根据3.1节和3.2节,该区主要沉积物类型为砂质粉砂,粉砂质砂和砂。该区水动力环境较强,来自琼州海峡的潮流携带粗颗粒物质在琼州海峡西口堆积,海南岛西侧由于地形导致的挑流作用造成流速增加。

(2) 淤积区。在Fleming三角图中,淤积区数据点主要分布在Ⅲ区。该区位于北部湾中部和西南部分,根据3.1节和3.2节,该区主要沉积物类型为粉砂,小部分区域为泥,砂质泥。

图6 研究区表层沉积物三角图

图7 研究区冲淤分区图

4结语

北部湾海域沉积物包含砂质粉砂、粉砂、砂质泥、泥、泥质砂、粉砂质砂、砂、含砾砂、砾泥质砂,粉砂和砂质粉砂为主。研究区中值粒径平面分布的总体特征与该区沉积物类型分布相吻合,北部湾中部表层沉积物较细,而北部湾北岸、海南岛西岸、琼州海峡西口表层沉积物较粗,北部湾西部表层沉积物不符合现代水动力条件,为残留沉积。

研究区分选系数的整体偏高充分反映了研究区内物源和水动力条件的复杂性,其中北部湾中部,北部湾北岸、北部湾西南部区域表层沉积物总体而言为负偏,而北部湾西北部、琼州海峡西口、海南岛西侧为正偏。研究区峰态极大值出现在北部湾西北部区域,极小值出现在北部湾西南部分。

根据Flemming三角图对研究区进行动力沉积分区,冲刷区位于北部湾南部、海南岛西侧和琼州海峡西口,其数据点集中于II区,表明该区动力条件整体较强。淤积位于北部湾中部和西南角,其数据点主要分布在Ⅲ区,水动力整体较弱。

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责任编辑徐环

Surface Sediment Characteristics and Dynamics In Beibu Gulf

XIAO Xiao1, SHI Yao-Hong1, FENG Xiu-Li1, XUN Yuan-Qin3

(1.College of Marine Geosciences,Ocean University of China,Qingdao 266100,China; 2.GuangZhou Marine Geological Survey,Guangzhou 510760,China; 3.First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration, qingdao 266061,China)

Abstract:Grain size analysis of the 25 surface sediment samples and 71 surface sediment samples collected in Beibu Gulf in 2010 and 2006 were combined with hydrodynamic conditions and topography to determine the spatial distribution of sediment types,granularity characteristics and dynamic partition.Sediment types in the study area are mainly sandy silt and silty sand, and the total amount is more than 50%.Sorting coefficient is large which reflecting the complexity of provenance and hydrodynamic conditions. Skewness of surface sediment in middle of Beibu gulf,north shore of Beibu gulf and southwest of Beibu gulf is negative,and in west of Beibu gulf,Qiongzhou strait west exports and west of Hannan island is positive. The maximum of the kurtosis appeares in the west of the Beibu Gulf and the minimum appeares in the southwest of the Beibu Gulf;Flemming triangle chart indicates that hydrodynamic is strong in the study area,erosion area is located in the south of Beibu Gulf,west of Hainan Island and the Qiongzhou Strait west exports and deposition area is located in the middle and southwest of Beibu Gulf.

Key words:surface sediment; sediment type; sedimentation dynamic partitions; Beibu Gulf

基金项目:❋国家自然科学基金项目(41506071)资助

收稿日期:2015-02-04;

修订日期:2015-04-28

作者简介:肖晓(1990-),女,硕士生,主要从事海洋地质方面研究。E-mail: oucxiaoxiao@163.com ❋❋通讯作者:E-mail: yaohongshi@126.com

中图法分类号:P736.21

文献标志码:A

文章编号:1672-5174(2016)05-083-07

DOI:10.16441/j.cnki.hdxb.20150037

Supported by the National Natural Science Foundation of China(41506071)

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