埕北海域底质沉积物粒度分布特征及其动力环境意义

田动会，冯秀丽，姜波，滕珊，姜建新，王晓明，王晓磊

（中国海洋大学海洋地球科学学院，山东青岛266100）

埕北海域底质沉积物粒度分布特征及其动力环境意义

田动会，冯秀丽，姜波，滕珊，姜建新，王晓明，王晓磊

（中国海洋大学海洋地球科学学院，山东青岛266100）

通过分析181个埕北海域底质沉积物样品的粒度资料，并应用Flemming三角图示法对研究区进行沉积动力环境分区，结果表明：研究区底质沉积物主要为粉砂质砂、砂质粉砂、粉砂和黏土质粉砂4种类型，整体上由岸向海粒度呈现细-粗-细的分布特征，且呈条带状与岸线平行；粒度相对较粗，粒径频率曲线多以单峰为主，分选中等偏差，多为正偏；沉积动力环境分区表明该海域沉积物多以悬浮和跃移为主；粒度特征和沉积动力强度以6 m和12 m等深线为轴对称分布，12 m水深等值线两侧沉积物的分布类型和运移趋势主要受季节的风浪变化控制，6 m水深等值线两侧沉积物分布和运移趋势主要受波浪破碎的紊流作用控制。

埕北海域；底质沉积物；粒度分布；沉积动力环境

埕北海域沉积动力环境较为复杂，因其蕴含丰富油气资源，历来颇受专家学者关注。1953年黄河改道流经该区注入渤海，来自黄土高原的大量泥沙及各种沉积物在此沉积，形成了较为复杂的沉积环境。至1976年黄河人工改道之后，物源供给迅速减少，沉积格局由原来的淤积变为侵蚀，沉积动力环境发生改变，存在着诸多不稳定因素。针对本区域，前人研究资料相对较少，冯秀丽等（2007）根据埕北海域的调查资料，结合底质沉积物的分布，对研究海域进行了波浪作用下的液化分区。赵广明等（2013）结合实地取样资料和历史数据总结了现代黄河三角洲底质沉积物类型和沉积环境，并将沉积环境进行了分区。张衍涛等（2009）通过实测资料，对黄河口埕岛海域底质沉积物土性的区域变化及其机理进行了分析。目前，针对埕北海域沉积动力环境的研究相对较少，因此有必要对埕北海域底质沉积物的粒度分布特征和沉积动力环境之间的关系进行探讨。

沉积物的粒度分布特征是反映沉积动力环境重要指标之一，尤其是海底底质沉积物的粒度参数很大程度上表征了沉积环境的水动力条件和沉积物的来源与运移趋势，是目前研究水体动力环境的主要手段。而水体动力环境的改变，一定会在沉积物的粒度参数上有所展现，前人根据底质沉积物的粒度参数及其组合特征对沉积动力环境进行了相关研究（李安龙，2012；许国辉，2012；彭俊，2014；王桂芝，2002；曹兵，2011；丁艳峰，2008）。现利用埕北海域181个站位海底表层沉积物的粒度资料，分析了埕北海域底质沉积物的类型与粒度参数的平面展布特征，并结合各分区典型站位对其动力环境进行了研究。

1 研究区概况

研究区位于埕岛油田中心一号平台附近海域，水深范围0～20 m，海底地形复杂多变，岸线曲折，地势西南高东北低，水深等值线大致平行于岸线。潮流性质属于正规半日潮，以往复运动为主，方向与岸线平行。波浪类型为风生浪，周期短，根据长年统计资料，强浪方向为NNE向，次浪方向为NW向（冯秀丽等，2007）。调查范围及取样站位如图1所示。

图1 研究区及取样站位图

2 样品来源与研究方法

2014年在埕岛附近海域通过取样器获得181个海底表层沉积物样品。样品于室内通过马尔文MS-2000激光粒度分析仪进行粒度分析。首先将样品混合均匀后取样，通过添加适量双氧水去除有机质、添加适量0.25 mol/L稀盐酸去除碳酸盐，然后经过洗酸处理，添加适量0.5 mol/L的六偏磷酸钠浸泡24 h，上机测试前再经过超声仪充分分散样品20 min，最后利用激光粒度仪分析测试样品。粒度分级标准采用Uddeh-Wentworth等比制椎值（Uddeh，1922）。根据《海洋调查规范》第8部分：海洋地质地球物理调查（GB/T12763.8-2007）规定，对沉积物粒度分析结果采用Shepard分类法（shepard，1954）进行分类定名。采用Folk-Ward图解法（Folk et al，1957）计算沉积物粒度参数。

采用Flemming三角图示法（Flemming，2000）分析研究海域的沉积动力环境，该方法根据沉积物中黏土、粉砂和砂相对含量的多少，把整个三角图划分为25个不同的区域，以此来指示不同的介质运动形式和水动力条件，进而划分为不同的沉积动力环境。

3 底质沉积物分布特征

3.1 海底底质沉积物类型

根据研究区底质沉积物粒度分析结果可知海底底质沉积物主要有粉砂质砂、砂质粉砂、粉砂和黏土质粉砂4种类型，沉积物底质类型分布见图2。从图2中可以明显看出，研究区的底质沉积物粒度由岸向海呈现细-粗-细的特征。其中，研究区的北部区域底质类型为黏土质粉砂，占整个研究区的49.7%，东北角有一小区域的粉砂；研究区的中北部以及沿岸区域底质类型主要为粉砂，占整个研究区的19.9%，中间夹杂零星分布的砂质粉砂和黏土质粉砂；研究区中南部区域底质类型主要为砂质粉砂，占整个研究区的25.4%，中间有两块对称分布的区域底质类型为粉砂质砂，占整个研究区的5%。

图2 研究区底质沉积物底质类型分布图

3.2 海底沉积物粒度分布特征

沉积物的粒度参数特征包括平均粒径、中值粒径、峰态、偏态和粘粒含量等，这些参数很大程度上反映了物源、水动力条件和沉积环境的演化，采用Folk-Ward图解法计算沉积物粒度参数—中值粒径、分选系数、偏态、峰态和粘粒含量，并绘制沉积物粒度参数特征分布图（图3），具体分析如下：

（1）中值粒径：研究区底质沉积物的中值粒径分布与其底质类型的分布有良好的对应关系。从图中可以看出，由岸向海沉积物的中值粒径呈细-粗-细的对称分布特征，且大致呈条带状分布，与岸线基本平行。沿岸沉积物的中值粒径在整个研究区最大，最大值为0.064 mm，等值线的两个极大值区正好对应的底质类型为粉砂质砂；研究区的东北部沉积物的中值粒径最小，最小值为0.004 mm，对应的底质类型为黏土质粉砂；研究区中部过渡区域的沉积物中值粒径范围介于0.014～0.042 mm之间，对应的底质类型主要为粉砂和砂质粉砂。

图3 研究区沉积物粒度参数分布特征

（2）分选系数：研究区底质沉积物分选系数的分布与中值粒径分布对应关系良好，中值粒径较大的区域其分选系数一般较小。整个研究区底质沉积物的分选系数介于1.02～2.20之间，平均值为1.776，分选为中等—差，说明了研究区水动力条件的复杂多变，其中粗颗粒沉积物的分选优于细颗粒的分选。

（3）偏态：研究区底质沉积物的偏态与其中值粒径的分布对应关系良好，大致呈条带状分布，与岸线平行，且由岸向海其偏态数值逐渐减小。整个研究区底质沉积物的偏态最大值为0.62，最小值为0.04，平均值为0.32，属于近对称—正偏—极正偏。

（4）峰态：研究区底质沉积物的峰态数值分布由岸向海呈现先增大后减小的趋势，在研究区中部形成若干极大值区。整个研究区峰态的最大值为1.99，最小值为0.82，平均值为1.16，属于中等尖锐—尖锐峰态。

（5）粘粒含量：粘粒含量是指沉积物中粒径小于0.004 mm的部分占总含量的百分比，对研究沉积物的来源、水动力的搬运能力和沉积环境的变化有着极其重要的作用。研究区海底沉积物的粘粒含量介于3.57%～43.8%之间，平均含量为18.58%。从整体分布来看，离岸边越远，底质沉积物的粘粒含量越高。研究区大部分区域沉积物的粘粒含量并不高，水深小于13 m的研究区域粘粒含量均低于20%。分析认为，沿岸区域由于波浪和海流的簸选作用，将细颗粒的物质带向远海，粗颗粒的物质沉积下来，所以粘粒含量不高，而远离岸边区域粘粒含量变大，所以研究区北部区域粘粒含量均都大于24%。

综上分析，研究区底质沉积物整体上粒度相对较粗，各站位粒度频率分布曲线多以单峰为主，属于中等尖锐—尖锐峰态，分选程度为中等—差，偏态为近对称到正偏态，粘粒平均含量低于20%。说明研究区底质沉积物物源比较单一，主要是历史时期黄河入海所携带的巨量泥沙沉积，水动力环境较为复杂，波浪和潮流作用剧烈，沉积物经过筛选，细颗粒较少，粗颗粒含量较高，有明显粗化的趋势。从表层沉积物的平面分布上看，有两个冲刷严重的中心，粒径较粗，分选较好，主要为三角洲建造期间河口砂坝附近及后期黄河入海口的沙嘴部分。

4 沉积动力环境分析

4.1 沉积动力环境分区

Flemming三角图根据底质沉积物中砂、粉砂和黏土相对含量的多少将整个三角图划分为25个不同的区域，这25个区域是由S、A、B、C、D、E和I—VI的不同组合构成，不同的区域其介质运动组合方式和水动力条件不同，进而指示不同的沉积环境。基于各站位获得的底质沉积物各组分相对含量的多少，运用Flemming三角图示法对埕北海域研究区进行沉积动力环境分区，结果如图4、图5所示。

图4 Flemming三角图

图5 沉积动力环境分区

由图4、图5分析可知，研究区底质沉积物的粒度组分落点主要分布在B-玉、C-域、D-域、E-域和E-芋五个区域，只有少数的几个站位的粒度组分参数分布在D-玉和D-III区域。同时可以看出其沉积动力环境分布的趋势和底质沉积物的类型及其粒度参数分布特征有很强的相关性。为研究每个分区的沉积环境特征，选取5个主要分区中的典型站位资料，绘制其粒度概率累积曲线，并对其运动组合特征加以分析。

4.2 典型站位的沉积环境响应

根据Flemming三角图示法对研究区进行沉积动力环境分区，其与底质沉积物的粒度累积曲线密切相关，将各分区典型站位的粒度概率累积曲线绘于图6，从图6中可以明显看出，B-玉、C-域、D-域、E-域和E-芋的粒度概率累积曲线呈现明显的三段式，但是小于2椎粒径的组分含量基本为零，说明研究区的底质沉积物运动方式基本上是跃移式和悬移式，基本不含有滚动组分，而悬浮组分又分为两段直线，属于分级悬浮。并且从图中可以明显看出，从玉区到芋区水动力逐渐减弱，跃移组分的含量逐渐减少，悬浮组分含量逐渐增加，同时跃移组分的直线斜率逐渐减小，也印证了水动力的逐渐变弱，与Flemming三角图的分类结果有很好的对应关系。

由于选取的B-玉、C-域和D-域典型站位位于埕北海域研究区的中部以及近岸区域，水深12 m以内，波浪以及潮流的动力作用较强，其中B-玉分区沉积物中值粒径平均值为0.072 mm，分选系数均值为1.643，峰态均值为1.581，偏态均值为0.524，砂含量均值为56.77%，粉砂含量均值为35.74%，粘粒含量均值为7.49%；C-域分区沉积物中值粒径平均值为0.043 mm，分选系数均值为1.855，峰态均值为1.299，偏态均值为0.454，砂含量均值为31.89%，粉砂含量均值为56.76%，粘粒含量均值为11.35%；D-域分区沉积物中值粒径平均值为0.029 mm，分选系数均值为1.781，峰态均值为1.295，偏态均值为0.413，砂含量均值为14.23%，粉砂含量均值为72.22%，粘粒含量均值为13.55%。这三个分区典型站位的粒度概率累积曲线表现基本一致，跃移组分的含量均大于70%，表现为多搬运、少悬浮、无滚动的运动组合特征，悬浮组分又进一步分为两部分，属于分级悬浮，随粒度变化反映水动力强度变化最剧烈。

E-芋分区远离海岸，位于研究区的北部区域，波浪和潮流的动力作用在整个研究区最弱，水深一般大于18 m。该分区沉积物中值粒径平均值为0.007 mm，分选系数均值为1.706，峰态均值为1.002，偏态均值为0.136，砂含量均值为1.55%，粉砂含量均值为65.53%，粘粒含量均值为32.92%。从其典型站位的粒度概率累积曲线来看，也是三段式分布，但是跃移组分占的含量比较少，仅仅只有7%左右，悬浮组分所占比例较多，也是进一步分为两段直线，属于分级悬浮，并且随粒度大小的改变反映水动力条件变化中等，同时不含有滚动组分，主要表现为多悬浮、少搬运、无滚动的运动组合特征。这与该区域底质沉积物类型主要为黏土质粉砂相对应，粒径较细，分选较差。

E-域分区主要位于研究区的西部，波浪和潮流的动力作用在整个研究区属于中等强度，水深介于8～20 m范围之内。该分区沉积物中值粒径平均值为0.016 mm，分选系数均值为1.828，峰态均值为1.008，偏态均值为0.291，砂含量均值为4.64%，粉砂含量均值为75.15%，粘粒含量均值为20.21%。从其典型站位的粒度概率累积曲线来看，大致也是三段式分布规律，无滚动组分，跃移组分占总含量的50%左右，其余为悬浮组分，悬浮组分也是进一步分为两段直线，属于分级悬浮，两段直线斜率相差较大，说明水动力条件变化较大。分析认为该分区由岸向海分布范围较大，因此水动力环境变化比较剧烈。整体上该分区底质沉积物表现为无滚动、半搬运、半悬浮的运动组合特征，这与该分区底质沉积物为粉砂、黏土质粉砂、砂质粉砂等多种类型相一致，粒径分布范围较大，有粗有细，分选较差。

图6 典型站位粒度概率累积曲线

5 结果与讨论

由研究区沉积动力环境分区（图5）和各分区典型站位粒度概率累积曲线分布（图6）综合分析，从研究区北部离岸一侧到研究区南部，底质沉积物的粒径表现为细-粗-细的对称分布特征。而沉积动力环境分区同时也表现为E-III、E-域、D-域、C-域、B-玉、C-域、D-域的分布，表现为水动力强度弱-强-弱的对称变化趋势，对称轴大致位于12 m等深线和6 m等深线附近，与粒径分布相一致。据冯秀丽等（2011）研究发现埕岛海域以12 m等深线（参照当地理论深度基准面）为界，近岸一侧的底质沉积物有离岸搬运的趋势，而离岸一侧的沉积物有向岸搬运的趋势，深水区沉积物输运主要受冬季风浪控制，12 m以浅水域沉积物输运主要受夏季风浪控制。据鹿洪友等（2003）和冯秀丽等（2008）研究发现，埕北海区以16 m等深线为界，16m等深线以深区域基本冲淤平衡或略淤。据陈沈良等（2006）的研究，飞雁滩海域波浪破碎位于水深6.5 m等值线左右，波浪破碎带附近为最大侵蚀带。综合前人研究（刘杰等，2015；常方强等，2008；冯秀丽等，2004；2003），以波浪破碎带为中心，波浪破碎引起的强烈紊流作用使得研究区的底质沉积物悬浮起来，细颗粒沉积物进入波浪和潮流随之向两侧搬运，粗颗粒遗留下来。在向岸运动的过程中，由于波浪和潮流的动力逐渐减弱，悬浮的沉积物由于重力作用发生机械分异沉降，所以离岸边越近，沉积物粒径反而越细，导致由海向岸形成以6 m等深线为对称轴，沉积物的粒度呈现细-粗-细的变化趋势，而水动力呈现弱-强-弱的变化趋势。由以上分析可以看出，研究区12 m水深等值线两侧的沉积物的分布类型和运移主要受季节的风浪变化控制，6 m水深等值线两侧的沉积物分布和运移主要受波浪破碎的紊流作用控制。

6 结论

（1）研究区底质沉积物主要为粉砂质砂、砂质粉砂、粉砂和黏土质粉砂4种类型，粒度整体上由岸向海呈现细-粗-细的变化。整体上粒度相对较粗，各站位粒度频率分布曲线多以单峰为主，属于中等尖锐—尖锐峰态，分选程度为中等—差，多为正偏。

（2）采用Flemming三角图示法得到研究区底质沉积物的粒度组分落点主要分布在B-玉、C-域、D-域、E-域和E-芋5个区域，只有少数的几个站位的粒度组分参数落点分布在D-玉和D-III区域。

（3）沉积动力环境分区典型站位的粒度概率累积曲线分析表明，研究区底质沉积物主要以悬浮和跃移为主，不含滚动组分，悬浮部分属于分级悬浮。

（4）研究区沉积物粒度细-粗-细的对称分布和沉积动力环境的对称分布表明，该区域12 m水深等值线两侧的沉积物的分布类型和运移主要受季节的风浪变化控制，6 m水深等值线两侧的沉积物分布和运移主要受波浪破碎的紊流作用控制。

Chen S L,Zhang G A,Chen X Y,2006.Coastal erosion feature and mech-anism at Feiyantan in the Yellow River Delta,MarineScience Bul-letin,8:11-21.

Flemming B W,2000.A revised textural classification of gravel-free muddysediments on the basis of ternary diagrams,Continental Shelf Research,20(10-11):1125-1137.

Folk R L,Ward W C,1957.Brazos River bar:a study in the significance of grain size parameters,Journal of Sedimentary Research,27(1).

Li Jiabiao,Li Peiying,Chen Shang,等,2011.海洋调查规范,中国标准化:英文版,(2).

Shepard F P.1954.Nomenclature Based on Sand-silt-clay Ratios,Journal of Sedimentary Research,Vol.24(3):151-158.

Wentworth C K A.1922.A Scale of Grade and Class Terms of Clastic Sed-iments,Journal of Geology,30(5):377-392.

曹兵,马越,王长海,2011.海洋表层沉积物类型分布图绘制方法研究,海洋通报,30(6):615-618.

常方强,孟祥梅,刘景昆,等,2008.黄河口埕岛海域土性特征的统计分析,海洋地质与第四纪地质,28(6):35-40.

丁艳峰,潘少明,2008.黄河入海水沙通量年内变化规律分析,海洋通报,27(3):49-56.

冯秀丽,林霖,庄振业,等,1999.现代黄河水下三角洲全新世以来土层岩土工程参数与沉积环境之间的关系,海岸工程,(4):1-7.

冯秀丽,刘文涛,林霖,等,2011.黄河三角洲埕岛海域底质特征与泥沙净输运研究,中国海洋大学学报:自然科学版,41(1):151-154.

冯秀丽,刘晓瑜,董立峰,2007.波浪作用下埕岛海域海底土液化分区,中国海洋大学学报:自然科学版,37(5):815-818.

冯秀丽,戚洪帅,王腾,等,2004.黄河三角洲埕岛海域地貌演化及其地质灾害分析,岩土力学,25(z1):17-20.

冯秀丽,王园君,黄明全,等,2008.黄河三角洲桩西至黄河海港海域冲淤演化特征研究,海洋科学,32(9):12-17.

冯秀丽,吴世强,林霖,等,2003.黄河三角洲埕岛近岸海域悬浮泥沙运动,海洋科学,27(12):66-70.

李安龙,李广雪,林霖,等,2012.波浪作用下粉土海床中的孔压响应试验研究,海洋通报,31(1):15-20.

刘杰,刘潇,冯秀丽,2015.潍坊港附近海域表层沉积物粒度分布特征与动力环境响应,海洋地质前沿,31(3).

鹿洪友,李广雪,2003.黄河三角洲埕岛地区近年海底冲淤规律及水深预测,长安大学学报:地球科学版,25(1).

彭俊,陈沈良,陈一强,等,2014.黄河三角洲侵蚀性岸段水下岸坡地质灾害及其空间分布,海洋通报,(1):1-6.

王桂芝,高抒,2002.黄渤海水体交换、悬沙特征及其对渤海海峡沉积的影响,海洋通报,21(1):43-48.

许国辉,孙永福,于月倩,等,2012.黄河水下三角洲浅表土体的风暴液化问题探讨,Marine Science Bulletin,14(1):80-89.

张衍涛,常方强,孟祥梅,等,2009.黄河口埕岛海域表层沉积物土性的区域变化及其机理分析,海洋科学进展,27(3):351-356.

赵广明,叶青,薛春汀,等,2013.现代黄河三角洲陆上表层沉积物类型与沉积环境分区及岸线演变.海洋地质与第四纪地质,(5):47-52.

Surface sediment distribution and dynamic environment characteristics in the Chengbei sea area

TIAN Dong-hui,FENG Xiu-li,JIANG Bo,TENG Shan,JIANG Jian-xin,WANG Xiao-ming,WANG Xiao-lei

(College of Marine Geosciences,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

Based on the analysis of 181 grain size testing data which sampled in Chengbei sea area,and the application of Flemming triangular diagram method in the study area,the results show that the sediments are mainly composed of silty sand,sandy silt,silt and clayey silt.Grain size is comparatively coarse,and the grain size frequency curves are mostly unimodal pattern.Dynamic environment analysis shows that the sediments in the study area are mostly suspensible and saltatory.Grain size characteristics and sedimentary response strength are symmetrical along the water depth of 6 m and 12 m.Distribution and transport of sediments along the water depth of 12 m are mainly controlled by the seasonal variation of wind wave,and controlled by the zone of wave breaking along the water depth of 6 m.

Chengbei sea area;surface sediment;sediment distribution;dynamic environment

P736.21

A

1001原6932（圆园17）05原园554原07

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.05.011

2016-05-09；

2016-06-19

田动会（1990-），硕士研究生，主要从事海洋工程环境研究工作。电子邮箱：18765951032@163.com。

冯秀丽，教授，主要从事海洋工程环境研究工作。电子邮箱：fengxiuli@ouc.edu.cn。

（本文编辑：袁泽轶）