广西沿岸海域表层沉积物粒度分布与输运特征❋

肖 晓， 冯秀丽， 石要红,2❋❋， 徐元芹

(1.中国海洋大学海洋地球科学学院 海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100；2.广州海洋地质调查局，广东 广州 510000； 3.国家海洋局第一海洋研究所,山东 青岛 266061)

广西近岸海域港口资源丰富，且沉积物中含有大量的砂矿，其作为港口航道和矿产资源等方面的重要性早己被认识。对广西近岸海域沉积环境的研究有利于进一步了解该区域的海底状况，从而更加有效合理的利用其资源。沉积物粒度参数是研究沉积特征及鉴别沉积环境的重要方法之一，沉积物在搬运、沉积过程中不断受到大气、水动力、生物影响等外力作用， 其物理、化学性质随之也发生相应的变化，这些性质的变化都会反映在沉积物粒度参数中[1-4]。因此表层沉积物粒度数据分析有助于了解区域沉积环境，反演地质作用过程[5]。沉积物粒度分析不仅可以用来识别沉积环境和判定物质运动方式，而且可以用于海洋环境中沉积物输运方向的研究。目前最广泛使用的为Gao-Collins粒径趋势分析方法，其主要思路是从沉积物粒度参数的空间分布变化规律中提取沉积物净输运方向的信息[6-9]，该方法被广泛应用于各类型海湾及河口，如渤海湾、连云港、东海内陆架，并且取得了不错的效果[10-12]。泥沙输运是一个比较复杂的问题，目前较广泛使用的表层沉积物的单宽输沙率是Bartholdy等的半经验公式[13]，该公式以Engelund和Hansen的理论为基础,较好的反映了表层沉积物的输运速率[14]，该公式已在国内多个港湾得到应用和实践[15-16]。本文旨在通过广西沿岸海域表层沉积物的粒度特征，阐明该区域的沉积物分布类型，沉积物参数分布特征，探讨物质的输运模式。这对了解该区域的现代沉积作用有重要的科学意义。

1 研究区概况

本文研究区位于中国西南沿海的广西近岸海域，以及隶属广东沿岸的安铺港和雷州半岛西岸，地理坐标为20°50′N～21°50′N，108°00′E～110°00′E，西起中越界河北仑河口，东至雷州半岛西岸，南临北部湾，由陆向海延伸约30 000 m，至等深线20 m海域。研究区为半封闭性的大陆架海域，海岸线曲折，港湾众多，自西向东有珍珠港、防城港、钦州湾、廉洲湾、铁山港、安铺港等七个重要港湾，大部分为微弱充填的曲折溺谷型海湾[17]。沿岸有茅岭江、钦江、南流江等河流分布[18]。其中，铁山港和钦州湾海域为非规则全日潮，其余各海湾均为规则全日潮[19]。研究区海域海底地形起伏不平，在沿岸河流水动力和海洋水动力的作用下，形成各种各样的海底地貌类型等。其中，河口砂坝、潮流砂、潮流脊广泛分布于南流江、钦江、茅岭江等河口地带[20]。廉州湾水下地貌主要为水下三角洲及潮流深槽,其中南流江口一带,为舌状水下三角洲，呈舌状向海突出[21]。北海市地角至冠头岭一带,为潮流深槽,两者构成了廉州湾海域水下地貌的主体[22]。铁山港至安铺港区域发育潮流冲刷深槽和潮流沙脊等较大规模的纵向地貌, 以及水下拦门浅滩的横向地貌[23]。

2 研究数据与方法

数据来源 本文的数据是广州海洋地质调查局于2005—2010年在广西沿岸采集的表层粒度样品，平均采样间隔为5 km，共409个样品；于2008年4月12日12：00～13日13：00连续25 h在钦州湾湾口的测流数据(小潮)和2011年4月10日11：00～11日12：00日连续25 h在雷州半岛西侧测流数据(小潮)，测流方法使用ADCP(声学多普勒流速剖面仪)技术。研究区域位置及观测站位如图1 所示。

室内测试 表层沉积物样品使用激光分析法和传统的筛分法共同完成。细颗粒样品取3～4 g放入小烧杯中，加入六偏磷酸钠(0.5%)浸泡24 h，利用Mastersizer 2000激光粒度仪(粒径范围为0.02～2 000 μm)进行粒度测量，重复测量的误差小于3%。含砾石的砂质粗粒样品采用筛析法，取30～40 g放入烧杯中，烘干称重后用0.063 mm孔径的筛子过湿筛，其中大于0.063 mm的粗颗粒部分用传统筛法分析，获得其质量百分比，在估算其密度后换算成体积百分比，测量误差<1%；小于0.063 mm 的Mastersizer 2000激光粒度仪测量。

图1 研究区位置及站位图

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[24]，沉积物净输运趋势分析采用目前应用广泛的Gao-Collins粒径趋势分析方法；表层沉积物输运通量采用bartholdy等提出的半经验公式：

(1)

式中：qsb为单宽输沙率(kg·m-1·s-1)；0.5为经验系数(kg·s4·m-5)；d为中值粒径(m)。

(2)

式中：uf为摩阻流速(m·s-1)；u为实测流速(m·s-1)；z为潮流测量高度(m)；k为底床粗糙度(m，k=d/12)[25]。

VD=(6+2.5ln(D/k)uf。

(3)

式中：VD为垂线平均流速(m·s-1)；D为水深(m)。

3 沉积物粒度分析

3.1 沉积物类型分布

根据Folk分类命名法，研究区海域沉积物包含泥、砂质泥、粉砂、泥质砂、砂、含砾泥质砂、含砾砂、砾质砂。由于广西沿岸外力地质作用，如河流、潮汐、波浪等水动力作用强烈，沉积物类型分布比较复杂。

总体而言，珍珠港，防城港内部、大风江口、北海、雷州半岛西侧附近海域表层沉积物较粗，大部分为含砾沉积物；钦州湾和安铺港附近海域为大部分为砂，砂泥混合物；廉州湾内表层沉积物粒度是整个研究区最细的，为砂质泥。廉州湾区域物质来源主要为南流江，南部海岸附近的海岸侵蚀也提供了部分物质[26]，廉州湾大部分区域的潮流为NE-SW 方向，落潮流速大于涨潮流速。南流江携带的陆源物质，被落潮流携带沉积在湾中，为该海域沉积物来源的主体[21]；防城港外的海域为粉砂沉积。

图2 研究区表层沉积物类型图

3.2 沉积物粒度组分分布

研究区表层沉积物各粒级含量分布如图3所示，经分析测定研究区样品以粉砂和砂为主。研究区各粒级百分含量:砾为0.07%～25.63%，均值为2.93%；砂含量1.03%～100%，均值为65.99%；粉砂含量为0.01%～72.37%，均值为16.51;黏土含量为0.41%～62.06%，均值为14.28%。

砾石离岸较远的大部分区域没有分布，高值区(>20%)主要分布于大风江口，铁山港和防城港的近岸区域，并呈现出由岸向海递减的趋势，在北海南侧和雷州半岛西侧局部区域也出现了砾石。砂含量总体上向海递减，高值区(>80%)出现在近岸，在防城港南侧出现最低值(<20%)。粉砂含量呈现出由岸向海逐渐递增的趋势，且在防城港南侧海域出现集中，粉砂含量大于60%；黏土含量与粉砂含量的分布情况非常类似，并且钦州湾湾内，防城港南侧海域出现了高值区(>50%)。

图3 研究区表层沉积物各组分百分含量分布

3.3 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、分选系数、偏态以及峰态共4种粒度参数[27]，通过surfer软件克里格插值法做出研究区表层粒度中值粒径图。

由图看出，研究区中表层粒度中值粒径范围在-1.0～9.0 Φ之间，跨度较大，且没有明显的规律。其中表层沉积物较细的区域包括：防城港至大风江口海域附近为6.5～9.5 Φ；南流江出海口附近，由于岸上河流带来了细粒物质，该区域为冲积—洪积平原，地势平坦[22]，粒度为3.5～7 Φ；安铺港西南侧海域，隐蔽与湾内，且离岸较远，水动力较弱，为5～7.5 Φ；表层沉积物较粗的区域包括：大风江口与廉州湾的岬角处，为0.5～2 Φ，以及北海岬角附近海域为0～2 Φ，由于这两个区域为海岸岬角，水动力较强，因此粒径较粗。雷州半岛西侧海域，呈现出由岸向海逐渐变细的特征，为0.5～4 Φ。

研究区分选系数在0.2～6.1之间，平均为2.4，总体而言，由岸向海逐渐变大。岸边岬角处分选系数较小，平均在0.2～1.4之间，离岸较远的区域分选较大，为3.5～5.3，分选最小的区域为雷州半岛西侧，为-0.7～0.5，最大的区域为北海港南部离岸最远处，达到6.1。偏态分布范围为-0.7～0.9，平均为0.2，大部分区域呈极正偏态。钦州湾内、铁山港内，以及铁山港西南侧海域为极正偏，雷州半岛西侧和其它零星区域呈现负偏。峰态分布范围为0.6～7.5之间，平均为1.4，研究区大部分区域峰态在0.5～1.5之间，北海港岬角附近出现了极大值7.5，雷州半岛附近较大为2.5～4.5左右。

图4 研究区表层沉积物粒度参数平面分布图

类型Type砾石Gravel/%砂Sand/%粉砂Silt/%黏土Clay/%中值粒径Md/Φ分选系数σ偏态Sk峰态Kg最大09.7161.839.084.020.311.0162.06泥Mud最小01.0332.327.221.920.810.8130.99平均05.4742.018.433.010.920.9252.43最大049.3358.138.565.440.791.3254.62砂质泥Sandymud最小010.1718.653.882.18-0.210.6324.45平均031.9830.756.173.890.290.8936.97最大09.0472.377.321.980.001.1531.52粉砂Silt最小02.0561.906.711.47-0.120.9822.14平均05.3166.667.121.77-0.051.0028.03最大082.4922.394.496.050.847.4629.70泥质砂Mudsand最小050.106.991.622.480.050.8710.52平均066.5414.083.123.900.591.9518.95最大0100.019.933.041.620.574.240砂Sand最小090.080.010.500.24-0.600.810平均097.992.011.870.690.011.280最大4.7987.5635.994.244.830.785.8230.31含砾含泥砂Pebblymudsand最小0.1549.930.870.210.9-0.190.640.00平均1.9469.8114.412.743.080.491.9512.99最大4.5699.9157.206.724.990.673.9137.37含砾砂Pebblysand最小0.0784.330.010.310.35-0.700.660.00平均1.7089.276.201.841.15-0.071.232.71最大25.6393.518.522.752.250.362.640砾质砂Gravelly最小5.0671.150.01-0.410.73-0.50.790平均11.2486.532.090.601.17-0.061.220

4 flemming沉积物动力分区

由于研究区受到波浪和潮流等不同水动力的影响，本文采用的Flemming三角图式法对研究区进行动力分区。基本原理是:沉积物的粒级划分标准为粒径在0.063～2 mm 之间的颗粒为砂,在0.002～0.063 mm 的为粉砂,小于0.000 2 mm的为黏土；根据沉积物中砂的百分含量为5%、25%、50%、75%、95%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；按“粉砂/泥(粉砂+黏土)土 的值为10%、25%、50%、75%、90% 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。其中，从S到E，沉积物粒级逐渐减小，从Ⅰ到Ⅵ,沉积动力环境越来越弱。

如图5，6所示，研究区表层沉积物几乎完全分布于Ⅲ、Ⅳ和A区这几个水动力较强，砂含量较高的区域，表明研究区受到的冲刷和侵蚀作用较大。其中，珍珠港局部表层沉积物分布于Ⅲ区，且有砾石分布，代表该区域水动力较强；钦州湾至大风江口，该区域的沉积物也呈现出由岸向海逐渐变细的特征，水动力从海向陆逐渐变弱，因为随着近岸水深的减小，波浪与海底面的摩擦增大，波浪能量急剧变小。雷州半岛西侧海域水动力最强，部分区域有砾石分布，并且从陆向海逐渐减小，这是由于从琼州海峡带来的潮水沿雷州半岛西侧向北运动导致的。

图5 研究区表层沉积物Flemming三角图Fig.5 Flemming ternary diagram of surface sediments in the study are

图6 研究区表层沉积物Flemming分区图Fig.6 Flemming division map of surface sediments in the study area

5 沉积物输运分析

5.1 Gao-Collins运移趋势

本来使用Gao-Collins粒度趋势分析方法，并通过计算机程序实现。特征距离选20 km，计算结果较能反应该区域的运移趋势。图中矢量箭头表示沉积物净搬运方向, 矢量长度仅表示粒径趋势的显著性, 而不代表搬运速率大小。

图7 研究区表层沉积物运移趋势图Fig.7 Transport patterns of surface sediments in the study area

从沉积物输运趋势计算结果中可以看出：研究区的表层沉积物运移存在明显的分区，呈现出在几个区域从四周向中心输运的趋势。在防城港南侧海域，存在一个明显的汇聚中心，沉积物在此汇集。大风江口附近，沉积物明显由海向岸边运移；廉州湾沿岸沉积物和外海沉积物分别从北东和南西方向往廉州湾内汇聚；铁山港和安铺港内的沉积物向南和西南运移，北海岬角东侧的沉积物向东运移，最终在雷州半岛西侧形成汇聚中心。

防城港南侧的汇聚中心，以及大风江口附近沉积物的运移应该与余流作用有关。研究表明余流与泥沙运移的方向关系密切，余流的分布和变化规律对研究海湾泥沙运移方向有重要意义[28]，而钦州湾的余流存在一个逆时针的涡旋环流，因此会导致泥沙主要向西部区域输送[29-30]。大风江口附近，受北部湾潮汐顶托和沿岸NE-SW 余流的影响，河流入海物质主要在河口落淤和沿岸输移[31]，因此表层沉积物向岸运移。在廉州湾附近，重矿物分布表明北海北侧,在NE方向潮流的作用下,南流江附近来沙沿海岸向SW运移[32]。铁山港区域的沉积物来源为沿岸侵蚀物质和潮水经过琼州海峡西口带入的[33]，邓朝亮通过重矿物研究，认为铁山港湾内物质由湾内向海方向运移[23]。此外，琼州海峡余流作用明显，余流方向基本都是由东向西，西北岸物质净输运方向为西向[34-35]，从琼州海峡带来的物质在涨潮流的作用下，沿雷州半岛西岸向北运移，输运过程中部分沉积[36]。

5.2 潮流作用下泥砂输运通量分析

由于研究区主要为往复流，涨潮和落潮可分别简化为单向流作用，且研究区潮流作用明显，表层沉积物以推移质为主，故采用Bartholdy等提出的半经验公式，得到涨潮和落潮表层沉积物的单宽输沙瞬时通量(分别使用涨落潮时的平均流速)，然后分别乘以25h内的涨落潮时间，得到研究区代表站位的日平均单宽输沙通量。站位A的观测时间为2008年4月12日13时—13日14时，站位B观测时间为2011年4月10日11时—11日12时。

表2 表层沉积物输运通量

注：+为涨潮方向，-为落潮方向。+：flow tides;-：Ebb tides.

从计算结果可以看出，研究区涨潮和落潮瞬时单宽通量相差不大，这也表明研究区潮流作用下的表层沉积物净输沙量较小。研究区总体上落潮瞬时单宽通量大于涨潮瞬时单宽通量，这主要是由于落潮平均流速大于涨潮平均流速，使得落潮摩阻流速大于涨潮摩阻流速，从而引起落潮瞬时单宽通量大于涨潮瞬时单宽通量。就两个站位而言， A站位净输砂80.25 kg·m-1·d-1，大于B站位的5.29 kg·m-1·d-1。

从研究区日单宽通量可以看出，表层沉积物净输运方向在A站向落潮方向，即向外海输砂，在B站向涨潮流方向，即向岸输砂。A和B号两个站位结果均与3.3节通过Gao-Collins粒度趋势分析方法计算的表层沉积物的运移趋势基本吻合。A站位的落潮流流速大于涨潮流流速，导致了该站位向落潮方向输砂；而B站位涨落潮流速相差不大，但涨潮时间持续较长，导致了向涨潮方向输砂。

6 结论

(1)研究区表层沉积物以砂和粉砂为主，主要类型主要为泥、砂质泥、粉砂、泥质砂、砂、含砾泥质砂、含砾砂、砾质砂。研究区表层粒度中值粒径范围跨度较大，且没有明显的规律；分选系数由岸向海逐渐变大；大部分区域呈极正偏态。沉积物动力分区表明研究区受到的水动力作用较大。

(2)根据flemming三角图，砂含量较高的区域，水动力也较强，表明研究区受到的冲刷和侵蚀作用较大。

(3)研究区沉积物输运趋势整体上有向岸输运的趋势。在防城港南侧海域有一个汇聚中心；大风江口附近沉积物由海向岸边运移；廉州湾附近沉积物自西北向东南方向运移，并在湾内堆积；铁山港和安铺港内的沉积物向南和西南运移，北海岬角东侧的沉积物向东运移，最终在雷州半岛西侧形成汇聚中心。

(4)潮流作用下表层沉积物输运通量的研究表明，该海域的日平均单宽输沙通量较小，表层沉积物的运移趋势一致，净输砂方向受潮流流速和持续时间的影响。

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