东山乌礁湾海滩表层沉积物粒度时空变化分析

周在明, 杨燕明, 陈本清



东山乌礁湾海滩表层沉积物粒度时空变化分析

周在明, 杨燕明, 陈本清

(国家海洋局第三海洋研究所, 福建厦门361005)

为了进一步了解海岛岬湾海岸表层沉积物粒度的时空分布特征和形成机制, 作者以福建东山岛乌礁湾为典型研究区, 通过秋、春、夏3个不同季节海滩表层沉积物的采集和点位测量, 综合应用激光法和筛析法进行粒度测定。结果表明, 东山乌礁湾海滩表层沉积物以0.16~0.50 mm之间的中、细砂为主, 并含有少量的粗砂和细砾, 这与区域砂质沉积背景有关; 湾内从南到北剖面沉积物粒径由粗砂到细砂逐渐变细, 主要受剖面地形、局地物源、季节性风浪作用和近岸往复水动力的影响。时间变化上, 各取样站位表现出沉积物粒径粗、细不同程度的多种变化趋势, 以秋季为参考, 整体上表现为由南到北粒级的变小、增大和稳定, 这与东北、南南西季风影响下的浪、潮作用以及沿岸流系格局变化下的水动力环境有关。

乌礁湾; 表层沉积物; 时空变化; 粒度参数; 频率曲线

粒度作为沉积物的基本性质之一, 是沉积物物质来源和沉积环境的重要指标, 其组成与相关粒度参数也是识别沉积环境类型、推断沉积物扩散搬运过程的常用手段, 同时粒度分布状况能够反映沉积区的地形和水动力条件。学者们在粒度特征方面进行了较为广泛的研究, 从区域到方法都有丰富的理论成果积累, 渤海、黄海、东海、南海的诸多研究是认识中国各海区表层沉积物粒度分布规律特征的重要依据[1-4]; 聚类分析、因子分析、端元分析、地统计分析等诸多方法的应用是深入剖析粒度成因环境与机制的重要手段[5-7]。近年来中国近海海洋综合调查与评价专项(“908专项”)更是在较大空间尺度上对中国近海底质沉积物和浅地层剖面较为全面的总结[8], 然而在众多的公开资料中对东山乌礁湾的粒度报道还不多见。作者通过东山乌礁湾表层沉积物秋、春、夏不同季节的取样分析揭示其时空变化下的粒度特征, 为进一步认识乌礁湾海滩粒度空间分布特征和形成机制提供一定的参考, 为海洋环境评价和综合管理提供一定的基础支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

东山岛是福建省第二大岛, 位于福建省最南端, 东邻台湾海峡, 南濒南海, 西接诏安湾, 北望云霄县,由一系列东北方向分布的岛屿通过连岛沙坝相互连接组成, 是中国较为典型的岛连岛地貌体。位于东山岛东南的乌礁湾为低山滨海地貌, 地势平坦开阔, 呈弯月形。乌礁湾水动力主要为潮汐和波浪, 潮汐类型为不正规半日潮, 多年平均潮差约2.3 m, 涨潮流为东北向, 落潮流为东南向, 平均潮流速度约1.0 m/s, 且落潮流速大于涨潮流速, 海域波浪以风浪为主。气候类型属于亚热带海洋性季风气候, 年平均气温20.8℃, 多年平均降雨1 224 mm。

1.2 数据来源与分析

以研究区海滩沉积物的代表性为基本原则, 按垂直岸线的方式布设测量剖面与取样站位(图1), 剖面间隔约1 200 m共5条, 按不同季节进行重复取样。重复取样站位号分别是, 剖面1中2、4、5、7、9号站位; 剖面2、3、5中1~5号站位; 剖面4中2~6号站位; 共采集海滩表层0~5 cm沉积物样品79个(表1)。剖面测量与取样时间分别为2013年10月(秋季)、2014年2月(春季)和2014年7月(夏季)。取样站位布设在离岸20~ 180 m的潮间带高潮、中潮和低潮区, 取样同时进行样品编号和特征描述。剖面高程与样点坐标应用Trimble GPS测量, 平面精度≤0.03 m、高程精度≤0.05 m。

表1 东山乌礁湾表层沉积物取样站位对照表

粒度分析按海洋地质地球物理调查规范进行, 取适量样品先后用质量百分浓度为30%的H2O2和体积摩尔浓度为0.25 mol/L的HCl溶液去除有机质和碳酸盐, 再用蒸馏水清洗至样品烧杯液体呈中性, 加少量NaPO3, 经超声充分分散后, 用Mastersizer2000激光粒度分析仪(测量范围0.02~2000 μm)进行沉积物粒度测量, 仪器测量范围之外的粒子采用筛析法。粒度参数计算参考福克-沃德(Folk-Ward)计算公式, 粒级标准采用尤登-温德华氏标准, 沉积物的分类和命名参考海洋底质调查技术规程[9-10]。

2 结果与分析

2.1 空间分布特征

根据2013~2014年3个不同季节的样品测试结果, 得到沉积物类型统计表(表2)。由表2可见, 研究区海滩以粒径为0.16~0.50 mm的砂为主, 粒径为2~4 mm的细砾组分次之, 较小粒径的粉砂和黏土含量几乎为零, 三者的体积百分含量平均值分别为98.07%、1.92%和0.01%, 从极值和平均值看砂质粒径占绝对优势, 这是砂质海滩的基本表征。东山乌礁湾粒级符合中国华南沿海砂质海滩表层沉积物粒径分布规律[11], 以0.22~0.80 mm之间的细、中砂和粗砂分布为主, 而与中国北方渤海湾和黄海沿岸砂质海滩表层沉积物以细砂和砂质粉砂为主要组分相比, 东山乌礁湾表层沉积物粒级相对较大, 这与物源和水动力环境的差异有关[1, 12-13]。

根据地质统计学相关理论[14], 变异系数值反映样点的离散程度, 根据其值划分不同的变异性强度,<0.1为弱变异性; 0.1≤≤1为中等变异性;>为强变异性。由表2可见, 东山乌礁湾表层沉积物各粒径组分中砂的空间变异性较弱, 属于弱变异强度; 粉砂属于中等变异强度; 砾属于强变异强度。变异性强弱表明研究区表层沉积物不同粒径组分砾、砂和粉砂的空间分布差异性显著, 0.16~0.5 mm的砂质粒径分布相对均一, 离散性小, 是构成乌礁湾表层沉积物的主要粒径成分, 而砾石和粉砂在该区域内的分布变化较大, 具有较强的空间离散性, 这与东山岛以东近岸海域是以中、细砂底质为主的区域砂质海岸地貌有关[15], 在大的区域背景环境中与整个东海陆架是以细砂为主的沉积物分布类型相一致[8]。

表2 乌礁湾表层沉积物粒径类型描述性统计

研究区5条剖面79个表层沉积物样品共分为砂质砾石(SG)、粗砂(CS)、中粗砂(MCS)、粗中砂(CMS)、中砂(MS)、砂(S)、细中砂(FMS)、中细砂(MFS)、细砂(FS)9类, 在各剖面线上表现出不同分布类型(图2)。对图2中的沉积物类型进行统计可见, 东山乌礁湾表层沉积物以中细砂为主, 占沉积物样品总数的42%; 其次是细中砂, 占样品总数的18%; 再者是细砂, 占样品总数的11%; 而砂粒以上组分分别各占样品数的1%~8%。整体看, 东山乌礁湾表层沉积物涵盖砾、砂多种分级, 但以细中砂、中细砂和细砂为主, 这进一步表明了东山岛以东近岸海滩是一套分选性较好的细砂为主且局部含有砾石的沉积物[16]。

在空间分布上, 位于乌礁湾南端的剖面1, 表层沉积物粗、细交替变化, 多种粒级均有出现, 潮间带的中低潮区以粗砂为主, 占该剖面样品数的32%, 细中砂主要分布在高潮区, 占21%。剖面2以细中砂为主, 占53%, 粗砂和粗中砂仅占7%。剖面3以细中砂至细砂组分为主, 占84%。剖面4主要有中细砂和细砂组成, 分别占87%和13%。最北端的剖面5, 中细砂和细砂分别占60%和33%, 细砂显著增多。应用ArcGIS空间分析功能绘制该区海滩表层沉积物粒级空间分布图(图3), 由图3可见, 空间上乌礁湾海滩表层沉积物主要由粗砂至细砂之间的不同等级粒径组分组成, 由南端剖面1至北端剖面5的粒径逐渐变细, 沉积物粒级由粗砂逐渐过渡到细中砂、中细砂和细砂。

2.2 时间变化特征

通过对2013~2014年秋、春、夏不同季节的同名站位进行取样分析获取各粒度参数和其平均值, 平均粒径均值()、分选系数与均值()、偏度与均值()和峰度与均值()(表3)。由表3可以看出, 较之2013年10月秋季的粒径组分, 剖面1在春季表现出粒径的减小, 而夏季表现出粒径的增大并与秋季相似,和值秋季为–1.29Φ~ 1.59Φ、0.26Φ, 春季0.12Φ~1.73 Φ、1.24Φ, 夏季0.09Φ~1.67Φ、0.41Φ; 剖面2秋、春季粒径一致,值为0.35Φ~2.04 Φ和0.77 Φ~2.03 Φ, 夏季粒径增大,值为0.88Φ~1.23Φ, 以粗、中砂为主; 剖面3~5秋、春、夏 3季粒径组分较为稳定, 粒径集中在中、细砂区, 尤以剖面5的粒径组分变化最小, 以细砂分布为主,值为2.12 Φ~2.49 Φ。从分选系数看, 各剖面在不同季节的分选性变化不大, 其中以剖面3~5的分选性较好,值为0.46~0.70。从偏度和峰度看, 各剖面粒径在秋、春、夏不同季节均呈现出近似正态的窄峰分布特征。

以秋季站位粒径组分为参考, 通过粒径频率曲线进行粒径季节变化的对比分析(图4), 可见, 不同站位在不同季节表现出粒度级别不尽相同的变化规律分别是: 较之秋季粒径组分, 春、夏粒径变细(图4a); 秋、春粒径一致, 夏季粒径变粗(图4b); 春、夏季节粒径变粗(图4c); 秋、夏季节粒径一致, 春季粒径较粗(图4d); 秋、夏季节粒径一致, 春季粒径较细(图4e); 和秋、春、夏三季粒径一致(图4f)等6种变化方式。这也反映了沉积物在秋、春、夏不同季节时空变化过程中存在的不同输运形式和沉降过程。

表3 乌礁湾表层沉积物参数季节变化

各剖面的具体表现为, 剖面1所选的5个站位中2号站位粒径组分较为稳定, 以中、细砂为主; 4号站位粒径组分逐渐变细; 5号站位秋、夏季节较为一致, 春季粗砂含量增多; 7、9号站位秋、夏一致, 春季1.5~2.0 mm之间的粗砂组分减少。剖面2中1、2、4号站位秋、春季节相似, 夏季变粗, 其中1.0~1.5 mm之间的极粗砂粒径组分增多。3号站位秋、夏季节粒度分布相似而春季大于1.0 mm的粗粒成分明显减少; 5号站位则表现出春、夏极粗砂粒组分较之秋季增多的特征。剖面3中1、3、4号站位秋、春、夏不同季节的粒度分布较为一致, 以细砂和中砂为主, 2号站位的春、夏季节粒度分布相似, 较之秋季则粗粒组分显著减少, 中、细砂含量增多。5号站位秋、夏细粒组分集中, 春季粗粒含量增多。剖面4中2、3、6号站位秋、春、夏粒径分布一致, 以细砂和中砂为主, 4号站位则表现出春、夏粒径组分相似, 秋季粗粒含量较多的特点。5号站位秋、夏粒级组成相似, 有少量的细砾出现, 而春季细、中砂组分居多。剖面5中1号站位秋、夏季节粒径组分较为一致, 春季粗粒含量增多, 以0.50~2.0 mm的粗砂和极粗砂粒级组分增加明显。2~5号站位秋、春、夏的粒径组分一致, 以细砂和中砂为主。

3 讨论

海洋沉积物的粒度特征受沉积物物源、沉积区水动力条件以及地形地貌等多种因素的制约[1]。乌礁湾海滩表层沉积物粒度特征的空间分布和季节性变化差异表现出海岸动力条件的季节性变化, 也反映了海滩各局部岸段因平面位置和地形掩护条件的差异而处于不尽相同的水动力条件下, 且物源上所受的影响也会有一定的差别。

3.1 岸线轮廓和物源影响

岸线轮廓和物源特点是影响沉积物粒径特征变化的重要因素[17]。岸线轮廓会对海域波能产生显著的作用, 是影响波能强弱的重要因素。东山乌礁湾为岬湾海岸, 海滩在基岩岬角之间开敞于海湾内, 受波浪的作用海滩成弧形结构, 岬湾海岸的主要物质来源为海岸侵蚀供沙, 砂质海岸遭受近岸海洋动力的侵蚀并向海湾供沙, 其动力沉积系统相对独立。根据实地调查乌礁湾海滩上部发育有不同程度大小的侵蚀陡坎, 剖面上部陡下部缓, 整体下凹呈侵蚀状态。秋、春、夏不同季节的GPS测量结果发现, 研究区海滩相对高差在2.5~4.1 m(图5), 与东山海洋站累年平均潮差2.1 m和最大潮差4.1 m一致(累年最大潮位4.46 m和最低潮位–0.35 m)。由图5可见, 经过不同季节的水动力变化过程, 海滩剖面经历侵蚀、淤涨等不同程度的改变, 其中剖面1和剖面2春、夏季节表现出较为明显的下蚀, 由2013年10月秋季到2014年7月夏季剖面1的平均下蚀高度约为0.29 m, 剖面2的平均下蚀高度约为0.70 m。剖面3、4则表现出先淤涨后下蚀的特征, 其剖面高程平均变化值约为0.25 m。剖面5表现出小幅度的堆积淤涨现象, 其值约为0.20 m。因此乌礁湾剖面表现出, 剖面1和剖面2下蚀, 剖面3和剖面4先淤涨升高后下蚀变低, 剖面5淤涨升高。整体看海滩剖面的整体走势未变, 研究区海滩剖面中1~4下凹侵蚀现象明显, 而位于研究区最北部岸段的剖面5滩面近似呈直线倾斜向侵蚀状海滩转变。

海滩后滨高度与沉积物粒度的相关性分析表明滩面颗粒粒径与后滨高度具有较好的同向性, 随着后滨高度的增加, 颗粒物粒径逐渐增加[18]。这与乌礁湾自南向北剖面(1~5)的后滨高度降低, 沉积物粒径逐渐变小的规律较为一致。从局地地形看研究区南岸剖面1受大肉山基岩的掩护, 北岸剖面5受亲营山、苏峰山岬角以及近岸构筑物的掩护, 中间剖面2~4位于弧形海湾凹入处, 岸线内有众多大小不等的排水口, 其中剖面2和剖面3位于排水口沿线(图1), 剖面2处为滨海公路下的泄洪涵洞, 挟带岸上剥蚀碎屑物质入海, 尤其是夏季台风暴雨多发季节会有较多碎屑物质进入海滩, 因此剖面2更多地得到岸上侵蚀物质的冲刷供给, 沉积物粒径总体较粗, 在季节变化过程中剖面2夏季表现出较之秋、春季节粒径变粗。与剖面2的排水口不同的是剖面3上游为养殖排水区, 水流较小, 因此剖面3受到的冲刷作用较弱, 沉积物物源变化较小, 粒级较细, 季节变化上剖面3沉积物粒径相对稳定。因此岸线轮廓形状是沉积物不同粒度形成与分布的重要基础条件, 而局地物源的输入进一步影响了有限范围内的沉积物再分配过程。

3.2 外动力条件影响

波浪、潮汐、径流和风等外动力条件是塑造海岸地貌的重要因素, 其中波浪向岸传播引起的质量输送流、破碎波产生的沿岸流以及海岸水体堆积引起的离岸流等近岸流系对砂质岸滩的形成和发育是最活跃的动力因素[19-20]。

该区水动力以波浪能为主, 其次受潮汐的影响, 形成研究区近岸水域水动力波浪和潮汐流的共同作用机制, 这与华南砂质海岸形成的主要外动力条件相符合[18-19]。

东山乌礁湾波浪以风浪为主混合有涌浪的作用, 盛行风向从海上吹来, 根据国家海洋局东海预报中心资料显示, 东山岛常风向为东北, 其频率约为26%, 其次是东北东向, 频率为22%, 强风向为东北至东北东向, 最大风速为40 m/s, 年内除夏季(6~8月)以南南西风为主, 其余季节均以东北向为主, 尤以秋季风速较大, 平均值为8 m/s。采样季节主导风向为东北和南南西, 因此在东北浪向盛行的秋、春季节, 波浪绕过北部亲营山、苏峰山岬角, 波向线与本区岸线斜交, 乌礁湾北段岸线剖面3-4-5波浪能主要释放于驱动沿岸流, 而随着海湾岸线的转折, 南端岸向线与波向线的交角变大, 加之该区涨潮流为东北方向, 从而在波浪能的驱动下对南端岸线沉积物进行簸选改造, 尤其是靠近大肉山岬角的部分, 波浪与潮汐作用加大, 动能变强, 沉积物簸选强烈, 从而使得南端剖面1表层沉积物中粗粒组分含量高, 且分选性较好。而夏季南南西风向盛行, 波浪离岸传输, 对沉积物的簸选作用减弱。

此外, 流系格局对于海洋沉积物的搬运和沉积也起着十分重要的作用, 影响着沉积物的空间分布及其沉积模式。研究区季节性强劲东北季风作用下的浙闽南下沿岸流对区域水动力环境会造成一定程度的影响, 然而浙闽沿岸流在该区域并不是终年存在, 它的出现时间具有明显的季风性。总体来说, 浙闽沿岸流存在于冬半年, 10月随着东北季风的增强而出现; 翌年6月, 随着东北季风的衰减而消失。研究表明东山海域的悬浮泥沙主要来自浙闽沿岸流的输入[15], 因此浙闽沿岸流也可能是影响沉积物搬运与沉积的一个不容忽视的因素[21-22]。

就潮间带而言, 由于水深向岸变浅造成的非线性地形效应和底部摩擦力变化的影响使得剖面内部近岸水流往复运动过程中水动力作用具有强弱差异性, 其横向分选作用改变, 已有研究表明近岸水深较浅的海滩区域水动力状况较为复杂[23], 加之不同季节侵蚀、淤涨造成的剖面地形坡度改变(图5), 其共同作用造成了沿程粒度季节分布的变化。另一方面可能是由于生物碎屑的混入, 会改变局地沉积物的粒度组成与分布, 因而生物碎屑也可能是造成这一区域粒度差异的原因[6, 15]。此外, 对于表层沉积物而言即使同一类型沉积物因时间和空间上的不同其粒度分布曲线峰的位置也不尽完全相同, 这也造成了沉积物粒度分布上的微小差异性。

4 结论

东山乌礁湾表层沉积物由粗砂至细砂之间的不同等级粒径组分组成, 在分布空间上由南端剖1至北端剖面5粒径逐渐变细, 沉积物粒级由粗砂逐渐过渡到中细砂和细砂。

在时间变化上, 东山乌礁湾各取样站位在不同季节表现出粒度不尽相同的变化规律, 春季粒径变粗或细、夏季粒径变粗、春与夏粒径同时变粗或细、以及3季粒径一致等。整体上剖面1春季粗砂组分减少表现出粒径减小; 剖面2夏季粒径增大, 以中、粗砂为主; 剖面3~5秋、春、夏3季粒径较为稳定, 集中在中、细砂区。

东山乌礁湾近岸海洋动力侵蚀供沙是其主要的沉积物质来源, 山体基岩、地形轮廓、泄洪和养殖排水等进一步影响了沉积物的再分配, 使得研究区呈现南北岸段粒度特征的分异和粒度的沿程变化。湾内水动力以风浪为主, 秋、春季节东北浪向盛行, 夏季为南南西向, 形成对沉积物的簸选作用的季节性改变, 加之浙闽沿岸流系格局的变化引起的水动力环境的改变影响, 研究区海滩沉积物出现季节性的复杂变化。

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Spatial and temporal characteristics of surface sediment grain size in Wujiao Bay, Dongshan Island

ZHOU Zai-ming, YANG Yan-ming, CHEN Ben-qing

(Third Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Xiamen 361005, China)

In order to further understand the spatial and temporal grain size distribution of surface sediments in a cape-bay coastal environment, Wujiao Bay, Dongshan Island, Fujian province was studied as a representative area. Surface sediment samples were collected during October 2013 (autumn), February 2014 (spring), and July 2014 (summer). Sediment grain size was analyzed using a Mastersizer 2000 laser particle size analyzer and a sieve method. Sampling position and profile altitude were measured using a GPS. Results showed that sandy sediments (0.16–0.500 mm) were the dominant particles. Moreover, a small quantity of coarse sand or fine gravel existed, which was in agreement with the sandy sedimentary environment. From south to north, the sediments gradually changed from coarse to fine sand, and the grain size distribution tended to be smaller. This may be caused by the cape-bay coastal geomorphology, dynamic effects of wind and waves, and local sediment provenance. Seasonal variation of sediment grain sizes at each sampling point changed complicatedly with different degree. In general, grain sizes changed from smaller to larger and were more stable from south to north along the Wujiao Bay coastline, compared with sediments from autumn 2013. This may be due to different marine hydrodynamics during different seasons or due to the effects of the NE and SSW monsoon, wave, tide, and current systems.

Wujiao Bay; surface sediment; temporal and spatial variation; grain size parameter; frequency curve

(本文编辑: 谭雪静)

Mar.13, 2015

[Public Science and Technology Research Funds Projects of Ocean, No. 201005010]

P736.2

A

1000-3096(2016)10-0082-09

10.11759//hykx20150313001

2015-03-13;

2015-06-13

海洋公益性行业科研专项经费资助(201005010)

周在明(1980-), 男, 山东淄博人, 博士, 助理研究员, 主要从事近岸海洋环境研究, E-amil: tougaozhou@163.com