黄海东海陆架表层沉积物粒度的空间变异特征

汪成昊，许捍卫

(河海大学 水文水资源学院，南京 211100)

沉积物在搬运和沉积过程中受到生物和外部力量的作用导致其理化性质发生改变，这些性质的变化会记录在沉积物粒度特征中。对粒度进行分析是识别沉积环境和动力因素的重要手段[1-2]。传统的研究方法重在计算粒度及其参数并结合研究区地形、洋流、水深等因素对沉积物进行空间分析[3-6]，这种方法对每类沉积物的类型、组分和物质含量都可以进行详细的解释，但却可能忽略了沉积物间的空间关系。事实上，沉积物的空间变异性是空间位置的函数，可以用地统计学的方法对其进行分析，如刘付程等[7]对海州湾表层沉积物粒度的空间变异特征进行研究，指出沉积物在不同尺度上的空间变异特征；刘昆等[8]以辽河口潮间带典型区域作为研究对象，揭示了沉积物营养元素(TC、TN) 在空间分布上与沉积物粒度组成及分选特征具有较强的相关性，对营养元素分布具有重要的指示作用；Méar等[9]以塞纳河东部海湾为例，对细粒沉积物的空间分布进行地统计分析，并对沿海海面的浅层沉积物分布进行精确的制图，以实现对研究区沉积/侵蚀率的评估；Ma等[10]以中国南海北部湾东部为研究区，运用地统计学方法对粒度趋势进行分析。沉积物的空间分异是搬运、沉积和物质再分配过程的集中表现，蕴含了水动力、物质运移和养分输送等多方面环境条件信息[8]。现有研究多聚焦于小尺度区域，对黄海、东海的研究较少。本研究根据样点粒度及其参数，利用地统计学的方法探讨沉积物组分及参数的各项同性和各项异性特征，结合地形、洋流对影响粒度及参数空间变异性的因素进行分析，从而为理解沉积物空间分布和黄海、东海海底地貌动力过程提供科学依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

黄海位于中国大陆与朝鲜半岛之间，界于31°40′N～39°50′N和119°10′E～126°50′E，是一个浅海陆架堆积盆地。从地理位置上来看，黄海可以分为北黄海和南黄海，其地貌类型丰富，包括陆架地貌和海岸地貌在内的多种地貌类型[11]；黄海冬季以北风和西北风为主，平均风速为6～9 m·s-1，夏季盛行东南风，风速为5～6 m·s-1；黄海流系主要由黄海环流、黄海暖流和黄海沿岸流组成，控制着黄海的沉积格局并影响着沉积模式。东海是中国三大边缘海之一，位于21°54′N～33°17′N和117°05′E～113°03′E之间。北接黄海,南接南海，总体位于东亚第二沉降带内。根据形态特征，沿NE方向分布着3个隆起带和3个沉降带，也称“三隆夹两盆”，来自长江的部分细颗粒物质由冬季沿岸流携带通过台湾海峡，它们的末端可到达南海海域[11-12]；东海流系受沿岸流系和黑潮这两大流系控制，大致以济州岛和台湾岛北端的连线为界。内陆架区的主要流系包括沿岸流与冲淡水；中外陆架区则包括黑潮主干流、对马暖流、黄海暖流、台湾暖流以及一些局部环流。其中黑潮暖流终年往北，是一支高盐、高温的流系，冬季主轴流速平均为35～84 cm·s-1，夏季为100～150 cm·s-1，是北太平洋副热带环流中的重要流系，以台湾暖流、黄海暖流和对马暖流为主的东海环流都由黑潮派生而来。

1.2 数据来源及处理

通过抓斗式采样器获取黄海、东海海域的表层沉积物采样点，位置采用GPS定位，根据经纬度将样点转换成矢量点坐标，并将其与研究区域地图转换到统一的投影坐标系下，产生以m为单位的平面坐标，共187个(图1)。

图1 沉积物样点分布示意 Figure 1 Distribution of sediment samples

采用Mastersizer 2000激光粒度仪进行粒度分析，粒级标准统一使用尤登-温德华氏等比制值Φ粒级标准，得到沉积物中不同粒级的质量分数。本研究主要以黏土(<4 μm)、粉砂(4～63 μm)和砂(63～2 000 μm)这3种粒级来分析，此外计算了3种粒度参数平均粒径(Mz)、分选系数(Sd)和偏度(Sk)。

2 研究方法

地统计学方法是基于区域化变量理论的一种空间统计分析方法，研究空间中对象的相关性。用地统计学进行空间分析的过程如下：(1)数据探索性分析;(2)空间连续性量化模型未知点属性值的估计;(3)对未知点局部、空间整体不确定性的预测[13]。该方法目前已在生态学、环境学和土壤学[14-15]领域都得到了广泛应用。

2.1 半方差函数

地统计学可利用随机函数对不确定的现象进行探索分析，并结合采样点提供的信息对未知点进行估计和模拟，变异函数(半方差函数)是其理论核心[16]。其公式如下：

(1)

式(1)中：h为采样点间隔，即步长。z(μα)和z(μα+h)分别表示区域变化量z(μα+h)在μα和μα+h处的实测值。N(h)为距离相隔步长h的所有点对的个数，其核心思想是把所有的点对按照两点间的距离和方向进行分组，将每个点内属性差异的平均值作为属性的变异值[16]。

通过以上公式求得沉积物样本点的半变异函数。根据函数的拟合图像，选择最佳半变异函数拟合模型。常用的理论模型有：球状模型、高斯模型、指数模型、线性模型等，并用块金值、基台值和变程来描述样点的空间分布结构。本研究用地统计学软件GS+9.0对最佳半变异函数进行拟合。

2.2 Kriging插值

Kriging插值的方法思维与空间统计相融合，是一种对主要数据进行空间插值的地统计学方法，它对空间中的属性变化做了进一步的限定。该方法是指定数量的点或半径内所有点的数学导数函数，以确定每个位置的输出值。线性组合的系数称为权重，其取决于样本点和估计点之间的距离以及变量的空间结构[17]。公式如下：

z(x)=μ+∈(x)

(2)

式(2)中:μ代表未知常数，通常被视为区域变量的平均值；z(x) 和∈(x)分别代表在任意位置x上具有随机残差和均值、单位方差均为零的局部变量。

3 结果分析

3.1 沉积物粒度组分及参数的各项同性特性

3.1.1沉积物粒度组分的各向同性特征

块金值C0表示在最小采样尺度下随机因素造成的空间变异特性，理论上C0越小越好，即拟合出的曲线与Y轴的交点越低越好，通常这种变异性难以预测。基台值为C0+C(其中C为偏基台值)，表明研究区域内各种沉积物的总体变异性，理论上变异函数越接近基台值，函数曲线越平缓。C0/(C0+C)为块金值与基台值之比，反映了沉积物组分的空间自相关程度，比值小于0.25则说明变量的空间相关性较强；反之若大于0.75则相关性较弱[18]。变程反映了沉积物组分空间自相关范围的大小，样点在变程以内越靠近，同一组分沉积物含量就越相似[19]。

表1记录了不同组分的半方差模型及参数，其中砂和粉砂的最佳拟合模型为球面模型，黏土的最佳拟合模型为指数模型。3种沉积物组分的比值项都远小于0.25，说明它们之间有着很强的空间自相关性，其中粉砂的空间相关程度最强，砂最弱。沉积物组分粒级可以反映区域沉积动力条件的强弱。砂的搬运距离受粒径影响，导致其空间变异性与地质和潮流分选作用有很强的联系，水动力的强弱与砂的粒级呈正相关。粉砂和黏土质量小于砂，较砂来说更易受到水力的搬运，潮流、波浪的周期性运动和海槽地貌的稳定性使得粉砂和黏土在一定范围内表现出较强的空间自相关性。

表1 表层沉积物不同组分的理论半方差模型及其参数 Table 1 Theoretical semivariance model and parameters for different components of surface sediments

从表1可以看出黏土的变程最大，这进一步表明了海流对黏土空间变异性的影响。砂和粉砂的空间自相关范围较小，通常砂粒主要分布于大型洋流形成的沙脊、台地和盆地中，其搬运困难、依赖潮流和地形；粉砂的分布除了受到沿岸流的影响，还可能由于近海区域人类活动频繁，空间变异性受不确定因素的影响较多。

3.1.2沉积物粒度参数的各向同性特征

沉积物平均粒径的大小反映了沉积物的平均动能和粒径频率的中心趋向[20]。从表2可以看出沉积物平均粒径的分布具有很强的空间自相关性,其与海水动力条件有着密切的关系。与砂类似，平均粒径的高值区对应较低能的沉积环境，低值区则对应高能的沉积环境，并且其影响因素是沉积介质的速度和物源的大小，因此黄海、东海海域的水流动力强度变化会直接作用于沉积物，导致其平均粒径随空间发生规律性的变化；分选系数表明了沉积物粒度的分选程度，受到物源和水动力条件的双重影响，分选系数越大则表现出较差的分选性。分选系数和平均粒径的标准差之间存在正相关，分选程度好的沉积物粒径相对较粗[21]。平均粒径的变程最小，分选系数其次，两者的变程较为接近，这主要是由南黄海冷水团和黄海东海中的大型海流和泥质区所致，使得处于其控制下的沉积物粒度参数表现出规律性的分布；偏度主要反映了沉积过程中的能量变异，物源对偏度有着较大的影响，黄海、东海的物源主要分布于汇入两海域的各大河流，其中以长江和黄河及其主要支流为主，这使得偏度值的分布范围跨度很大。

表2 表层沉积物粒度参数的理论半方差模型及其参数 Table 2 Theoretical semivariance model of grain size parameters of surface sediments and parameters

3.2 沉积物粒度组分及其参数的各项异性特性分析

3.2.1沉积物粒度组分空间变异的各向异性特征

粒度组分与沉积物所处环境有很好的相关性，计算了砂、粉砂和黏土3种组分在NE45°、SE135°和E90°、S180°两组垂直方向上的各项异性比。

如图2所示，20 km范围内，沉积物各组分在E90°、S180°这一组垂直方向上的各向异性特征较为明显，而在NE45°和SE135°这组方向上则主要表现出各项同性的特征。这是由于在小尺度范围内，沉积物组分受到水流扰动的影响较大，而在S180°方向上，由于波浪的周期性影响导致潮流分异的结果在小尺度上被抵消。在大于120 km的范围上，砂和黏土的各项异性变化趋势类似。在NE45°和SE135°这组垂直方向上，砂和黏土的空间各项异性特征趋于明显。这与黄海、东海的物源、地形和水流流向等因素有关。首先，黄海、东海的盆地、海槽大多是NE-SW走向，导致沉积物沿着地形走向发生分异，而在其垂直方向上，由于地形变化起伏导致沉积物跨地形运输较为困难。粉砂粒级介于砂和黏土之间，广泛分布于东海外陆架之外的海域(图3)，其空间变异性在大尺度上与方向的关系偏弱。粉砂由于粒级适中、易于起动，主导其搬运方式的除了波浪、潮流等周期性因素之外，还有一些人为因素如航运、捕捞等。

图2 沉积物粒度组分的各项异性比Figure 2 Anisotropy ratio of components of sediment grain size

图3 黄海、东海海域表层沉积物粒度组分的分布特征Figure 3 Distribution characteristics of grain size components of surface sediments in the Yellow Sea and the East China Sea

3.2.2沉积物粒度参数空间变异的各向异性特征

选取平均粒径、分选系数和偏度3种粒度参数，计算平均粒径在NE45°、SE135°和E90°、S180°两组垂直方向上的各项异性比；分选系数、偏度在NEE80°、SSE170°和SE125°、SW215°两组垂直方向上的各项异性比。

如图4所示，平均粒径在两组垂直方向上的各项异性比和砂、黏土类似。在小于20 km的范围内，两组垂直方向上的各向异性差异都比较明显，造成这种结果的原因是在小尺度上沉积物的粒度易受到多种海流的随机影响。根据图5所给出的平均粒径分布特征可以看出，在大于135 km的范围上，在黄海海域平均粒径沿NE45°方向逐渐增加，在东海区域则逐渐降低，这与不同区域的水动力条件有关。在SE125°和SW215°这组垂直方向上，分选系数的各向异性比在120～170 km的距离显著提升，这是由于在SE125°方向上不同物源的沉积物受到了黄海、东海沿岸流的分选作用，导致其在海流方向上出现分异，而在其垂直方向上缺少大型海流导致其各向异性特征不是很明显。图5可以看出黄海、东海海域的沉积物偏度大多是正偏分布，且在大部分海域沿E方向呈现由高到低的分布格局，由于沿岸河流入海处附近泥沙含量较多，造成较差的分选性和较高的偏度值。此外，在E方向上由于不同物源和沉积环境的影响加上黄海冷水团的作用，导致此方向上的偏度值逐渐降低。而在SSE170°方向，由于长江口泥质区和闽浙泥质区的存在，使此方向上沉积物的偏度较大，和黄海沿岸共同呈现偏度高值区的空间分布格局。

图4 沉积粒度参数的各项异性比Figure 4 Anisotropy ratio of grain size parameters of sediment

图5 黄海、东海海域表层沉积物粒度参数的分布特征Figure 5 Distribution characteristics of grain size parameters of surface sediments in the Yellow Sea and the East China Sea

4 结论

利用半变异函数和kriging插值对黄海、东海海域陆架表层沉积物的空间分异特性进行分析并制图。结论如下：

(1)沉积物3种组分均表现出较强的空间自相关性，黏土的空间自相关范围最大，砂和粉砂其次，表明沉积物组分中黏土受到潮流搬运的影响最为明显；3种粒度参数空间自相关性显著，平均粒径和分选系数的空间自相关范围较为接近，分别为245 km和284 km，说明这两者与水动力条件周期性的规律变化有着密切的联系。偏度由于易受不同物源和黄海、东海泥质区的影响，使其变程大于前两者，达到了245 km。

(2)在20 km范围内，3种沉积物组分均在E和S这一组垂直方向上表现出明显的各项异性特征，表明沉积物组分在小范围中受E方向上的水流扰动较为明显。在大于120 km的范围，砂和黏土在NE45°和SE135°这组垂直方向上的各项异性差异增大，其影响因素不仅与水流的流向和能量有关，还与不同海域的地形分布有关。

(3)平均粒径的各向异性特征和砂、黏土类似，在小于20 km的小范围内表现出各项异性。在大于135 km范围上，NE45°和SE135°这组垂直方向上的各向异性差异逐渐增大；在120～170 km的范围内，受河流入海口和近海岸区域复杂水动力条件的影响，粉砂在SE125°和SW215°这组垂直方向上各项异性比显著提升；偏度的各向异性特征则在NEE80°、SSE170°这组垂直方向上表现得较为显著，除了海区的水动力条件，长江口外、北黄海等泥质区也对偏度值的空间分异特征有着一定的影响。