闽江河口海岸风沙沉积的粒度特征及古环境意义

林锦秀，李志忠，陈君洁，郑斐

(福建师范大学 地理科学学院，福州350007)

0 引言

海岸沙丘是形成于陆地、海洋和大气系统交界面的相当复杂的自然现象，受控于沙源供应、风况特征、海平面变化、植被覆盖状况和人类活动等因素的影响[1-3]。地质时期的海岸沙丘多被后期外力作用侵蚀破坏或被近现代人类活动所改造，海岸沙丘的残留主要是埋藏的风沙沉积。因此，海岸带埋藏风沙沉积是记录海岸风沙环境演变历史的重要载体。

近年来，国外学者对海岸沙丘以及海岸风沙的形成时代、发育过程、沉积构造及其记录的环境演变进行了广泛研究。Alappat等[4]通过扫描电子显微镜下的石英颗粒表面形貌、颗粒大小和重矿物分析等沉积学方法，综合分析了印度东南海岸风沙沉积的演化历史。Kunz等[5]利用光释光(OSL)测年技术对印度东南部的海岸风沙沉积进行了年代测定，研究了风成沙丘发育和风沙沉积环境变化历史。Hilbert[7]通过对海岸沙丘形态特征的分析，结合风成砂粒度和重矿物分析，研究了现代海岸风成体系的沉积动力学特征。Tamura等[6-8]通过探地雷达探测沙丘沉积序列、OSL测年及多期地形图相结合的方法，研究发现海岸沙丘发育过程主要受东亚冬季风强弱变化的影响。Yu等[9]重建得到的韩国安眠岛西海岸的沙丘活动序列表明，在全新世中晚期以来海岸沙丘有多期发育特征。Clemmensen 等[10-12]研究了丹麦日德兰半岛西海岸的海岸沙丘发育的阶段性特点，发现2 200 BC、800 BC、100 AD、1 050—1 200 AD 以及1 550—1 650 AD 前后均有海岸沙丘发育或再活化记录。

福建长乐海岸带是中国东部海岸带风沙沉积分布面积大、风沙沉积厚度最大的区域之一[13]。原生海岸沙丘主要是顺着海岸线分布的岸前沙丘、抛物线沙丘、灌草丛沙丘、大面积沙席以及少量的新月形沙丘和爬坡沙丘等，大多为半固定和固定沙丘。但近半个世纪以来，绝大部分风成沙丘已在滨海城市化和工业化过程中被夷平改造。前人在长乐海岸沙丘的成因、分布、形态、结构、构造与发展演变等方面做了不少的研究[14-17]，重建了全新世晚期以来海面波动背景下的海岸风沙演变历史，但这些认识均为来自地面以上海岸沙丘剖面的研究结果。

沉积物的粒度组成和粒度参数是沉积相和沉积环境的重要指标，常用于解释沉积物的成因动力和判别沉积环境，在国内外有大量成功的研究案例[18-19]。在野外对闽江河口南岸采沙坑出露剖面的风沙沉积构造进行系统观察基础上，选取典型剖面进行古环境指标样品的采样，通过对样品粒度组分、粒度频率曲线、概率累积曲线以及粒度参数特征的初步分析，结合区域地层测年资料和晚第四纪古地理变化特点，探讨长乐河口海岸风沙沉积的粒度特征及其古环境意义。

1 研究区概况

研究区位于福建省长乐市滨海平原东部、闽江入海口南侧，现代地貌类型为宽阔低平的海积平原和风海积平原(图1)。长乐海岸地势平坦，坡度 0.5°～3°，在向岸风作用下，宽广的潮间带沙滩成为长乐东部海岸风沙沉积的最主要沙源[20]。

研究区属亚热带季风气候，多年平均年降水量1 382.3 mm，降水季节分配不均，主要集中在 5～9月[21]。受季风气候和台湾海峡“狭管效应”的影响，研究区风力强劲，秋冬季 NE、ENE 风频率高,平均风速可达8 m·s-1[22]，为向岸风沙搬运的主要风向(图1b)。长乐海岸带海岸沙丘类型、分布特征在北、中、南3个岸段具有明显的区域分异[23](图1b)。北段风成砂的特征接近于河口砂，沙源供应允足，海岸沙丘带规模大，遵循雏形沙丘—岸前沙丘—横向沙丘和沙丘链—圆形、椭圆形沙丘，抛物线形、U形沙丘—平沙地的分布模式；中段由于海滩坡度小，临界起沙风速低，向岸风的有效作用力大，发育有高大、典型的横向加积性沙丘；南段风沙地貌受海滩坡度和原始地形影响明显，其发育模式类似于北段。

图 1 研究区地理位置和剖面特征Figure 1 Geographical location and coastal aeolian landforms of the study area

采样地位于长乐北部梅花镇南部至文岭东部的近海岸风沙沉积带，区域表层为上全新统江田组风积层Q43jeol，平缓的海岸风积平原上，零星分布NE-SW走向的、低矮的侵蚀剥蚀花岗岩低丘陵，附近交错分布有NE-SW方向排列的天塌湖、东湖、大漏湖等，地表覆盖人工麻黄林和灌木草丛。

2 材料与方法

2.1 采样剖面描述

文岭剖面(119°40′41″E、25°59′32″N)位于长乐区文岭镇岐山南麓后董村(图1b)。地貌上位于岐山南段、东西走向的垭口内，距离海岸线约3.2 km。采砂坑暴露的地层，呈现大范围分布的淡黄色(2.5Y 8/3)～淡黄棕色(10YR 7/8)、具有典型斜层理的风砂沉积，层理倾角普遍为10～15°，倾向SW，出露厚度达20～30 m，未见底。

采样剖面位于采砂坑西部，剖面走向NE-SW，总厚度15～16 m。根据颜色、层理构造与风蚀面(不整合面)的组合特征，自上而下可划分为3段(图1c)：

第I段：0～2 m，淡黄(2.8Y 8/3)～淡黄棕(10YR 7/6)色细砂，结构均匀疏松，层理典型，整体上发育大范围的席状层理，层理倾角平缓5°～15°，局部倾角可达20°。下部为灰棕(5YR 4/2)细砂。上部为淡黄橙色(7.5YR 8、6)细砂为主，夹有棕色细砂(7.5 YR4/4)。

第II段：2～5.5 m，棕色(7.5 YR4/4)～淡黄色(2.5Y 8/3)细砂，结构均匀疏松，由不同矿物组成或不同粒级砂构成的旋回层理明显。大型斜层理，倾角20°～25°，最大倾角可达28°～32°，倾向SW。下部为棕色细砂(7.5 YR4/4)，上部为淡黄色(2.5Y 8/3)细砂。在采样位置上，本段以发育典型斜层理为特征，上下以风蚀面(不整合面)与其他层段分开，其中下部风蚀面呈明显的下凹形状，上部风蚀面大致呈水平展布。因此采样位置上本层段厚度2～4 m不等，中间较厚，向两侧变薄呈透镜体状，尤其朝SW方向减薄。

第III段：5.5～10.5 m，棕色(7.5 YR4/4)细砂，结构均匀疏松，倾斜层理，倾角12°～15°较平缓，倾向SW。由不同矿物组成或不同粒级砂构成的旋回层理明显。本段下部风砂层被坍塌的坡积砂层掩埋，高度约4～5 m，未采样。

在野外对文岭剖面间隔10 cm等间距采样，共计104个指标分析样品。

2.2 粒度参数实验

样品粒度测量按常规方法前处理[25]，上机测试采用英国Malvern Instrument公司生产的Mastersizer-2000型激光粒度仪，该机粒度测量范围为0.02～2 000 μm，粒级分辨率0.01Φ。每个样品重复测试3次，以检验其重复性，重复测量误差小于2%，最后取其平均值。粒度实验在福建师范大学湿润亚热带山地生态省部共建国家重点实验室的土壤粒度分析实验室完成。

采用的粒径分组划分方如下：黏土(0～2 μm)、粉砂(2～63 μm)、极细砂(63～125 μm)、细砂(125～250 μm)、中砂(250～500 μm)、粗砂(500～1 000 μm)和极粗砂(1 000～2 000 μm)[26]。依据福克-沃德(Folk-Word)公式[27]计算平均粒径(Mz)、标准偏差(σ)、偏度(SK)、峰态(Kg)等粒度参数。

2.3 剖面年代学分析

通过广泛收集文岭剖面邻近区域各类钻孔沉积样品的14C年代，地表残留海岸沙丘光释光(OSL)年代和沙丘底部贝壳碎片的MIS14C年代等，根据这些地层与文岭剖面地层的水平延伸和相变接触关系，综合判断和建立文岭剖面的年代学标尺。

3 结果分析

3.1 粒度组成特征

表 1 文岭剖面各段样品粒度组成的平均值/% Table 1 The average of grain size fraction in Wenling Profile

层段 极粗砂>1 000 μm粗砂500～1 000 μm 中砂250～500 μm细砂125～250 μm极细砂63～125 μm粉砂2～63 μm黏土<2 μmI 0.67 2.96 19.02 48.38 2.26 26.48 0.23 II 0.21 0.7320.81 55.12 1.1021.88 0.15 III 0.59 2.20 22.25 51.14 2.82 20.77 0.24 全剖面 0.47 1.84 21.13 51.99 2.12 22.25 0.21

粒度组成是样品各个粒级的百分含量，是碎屑沉积物特征的重要指标之一。根据粒度组成分析结果(表1)，文岭剖面的各级粒度组分有如下特征：以细砂、中砂和粉砂为主，平均占51.99%、21.13%和22.25%；极细砂和粗砂含量很少，平均含量分别为2.12%和1.84%；极粗砂和黏土含量极少，平均值总和占不到1%。

图 2 文岭剖面不同粒级含量随深度的变化Figure 2 The variations of different grain size fractions with depth of Wenling Profile

不同粒级含量随深度的变化显示(图2)，3个层段中粗砂、极粗砂平均值的变化幅度有较明显的波动变化特征，可能反映了搬运沉积动力强度的阶段性变化。其中，第II层段的极粗砂、粗砂和极细砂含量与上下两段相比相对较少，且大部分粒度组分含量变化幅度相对较小。

3.2 频率曲线和概率累积曲线特征

频率曲线能较直观地显示出各个样品的粒度分布特征。从文岭剖面各层段代表样品的频率曲线(图3a)看，总体上基本相似，均呈现出单峰宽度窄、峰值高的特点，分布区间一致，粒度分布较为集中，反映比较稳定的沉积环境和单一的物质来源。从细节上看，自下而上，从III段、II段到I段，砂样粒度峰值所对应的Φ值由1.6Φ到1.8Φ，总体上看风沙粒径有波动细化趋势。

概率累积曲线能够反映出沉积物的搬运方式并为其沉积环境的解释提供依据。从图3b可看出，文岭剖面样品概率累积曲线呈现滚-跳-悬三段式的特点，滚动组分(0～1Φ之间的组分)约占12%，跳跃组分总体(1～3.32Φ之间的组分)约占78%～85%，而悬浮组分的含量(>3.32Φ的组分)含量<10%。概率累积曲线整体上以跃移组分为主，该段斜率较大，介于70°～85°之间。

注：WL028样品选自剖面Ⅲ层段，WL082样品选自剖面Ⅱ层段，WL095样品选自剖面Ⅰ层段。图 3 文岭剖面各层代表样品粒度分布的频率曲线(a)及概率累积曲线(b)Figure 3 The grain size frequency curve and The long-probability curve of Wenling Profile

3.3 粒度参数特征

粒度参数是对碎屑沉积物粒度特征的定量描述。一般常用的粒度参数有平均粒径(Mz)、标准偏差(σ)、偏度(SK)、峰态(Kg)等。

平均粒径Mz体现粒度分布的集中趋势，反映了搬运沉积物外力作用的平均动能。如果沉积物粒度较细，Mz较大，表明搬运动力较弱；如果沉积物粒度较粗，Mz较小，表明搬运动力较强；Mz值变化幅度越大，沉积环境和动力条件越不稳定。在风成沉积物中，平均粒径Mz可作为风力作用大小的代用指标。文岭剖面的Mz值变化范围是0.89～2.23Φ，平均值是1.58Φ，总体上以细砂和中砂为主。但不同层段的Mz有较明显变化，例如I、II、III段的Mz平均值分别为1.69Φ、1.52Φ、1.57Φ，自下而上，从III段到I段Mz值变化幅度呈减小的趋势。从Mz波动幅度看，III段的变化幅度最大，Mz最大值2.23Φ，最小值0.89Φ，深度10 m、7.2 m为整个剖面的最粗部分。

图 4 文岭剖面粒度参数随深度的变化Figure 4 The variations of grain size parameters with depth of Wenling Profile

标准偏差σ可反映沉积物的分选性，分选好坏与沉积物搬运动力、搬运距离及沉积环境等因素密切相关。文岭剖面样品的σ介于0.49～1.5Φ之间，平均值0.73Φ，分选性较好。从随剖面深度的变化特征看(图4)，I、II、III段σ的平均值分别为0.79Φ、0.64Φ、0.77Φ，σ值的阶段性变化特征较明显，其中I、III两段波动幅度较大，中间的II段波动幅度相对较小。

偏度SK用以判断粒度分布的对称性，反映粒度分布两端的微量变化。负偏表示沉积物粗偏，平均值向中位数较粗方向移动；正偏表示细偏，平均值向中位数较细方向移动。文岭剖面的SK值介于-0.35～0.01之间，平均值是-0.15，属于负偏。其中，I、II、III三段SK的平均值分别为-0.19、-0.08、-0.17；而I、II、III三段SK的变化范围分别为0.01～-0.44、-0.02～-0.25、0～-0.53。即，I、III两段的SK变化幅度较大，中间II段的SK变化幅度较小。

尖度Kg用以衡量粒度频率曲线的尖锐程度，用频率曲线尾部展开度与中部展开度之比表示。文岭剖面Kg值介于0.9～2.5，平均值为1.13，以中等到窄峰态为主。其中I、II、III三段的Kg值分别为1.73、0.99、1.21。从随剖面深度的变化特征看，Ⅰ、Ⅲ 两段的Kg值相对较大，表明Ⅰ、Ⅲ段的分选性比其他层段的分选性要好。

4 讨论

4.1 文岭剖面成因及物源分析

文岭剖面位于闽江入海口南侧，闽江入海泥沙在向岸风浪和南下浙闽沿岸流的共同作用下向西南海岸带运移，形成闽江口南岸典型的堆积型砂质海岸，为发育风砂层和海岸沙丘提供了丰富的沙源。同时，台湾海峡西岸秋冬季盛行向岸的起沙风，闽江河口南岸有宽广平坦的地形，均有利于海岸沙丘发育和风沙沉积。

一般来说，典型风成砂多为正偏至近对称，偏度多为-0.24～0.41，平均值为0.12；海滩砂则主要为负偏，偏度多于-0.12～-0.89，平均值为-0.45。文岭剖面的SK介于-0.53～0.01之间，平均值是-0.15。其中，I、II、III三段SK的平均值分别为-0.19、-0.08、-0.17。此外，内陆沙漠风砂以极细砂和细砂为主，粒度众数区间为0.86～3.03Φ[28](图5a)，而文岭剖面样品中细砂和极细砂占54.11%，粒度众数区间为0.95～1.65Φ，在沙漠风成砂的粒度众数区间内。如果将沙漠风成砂概率累积曲线与文岭剖面的概率累积曲线进行对比(图5b)，两者均呈现“滚-跳-悬”的三段结构，且以斜率较大的跃移组分为主，两者在概率累积曲线的段式、截点、斜率、含量等特征上相似。因此，可以认为文岭剖面砂样具有典型的风成特点。而文岭剖面砂样负偏情况较多，可能是研究区从海滩向内陆搬运距离较短，风积物粒度特征受海滩砂的影响较大所造成的。

图 5 文岭剖面样品与沙漠风成砂样频率曲线(a)和概率累计曲线(b)对比Figure 5 Comparison of frequency curve (a) and probability accumulation curve (b) between Wenling Profile sample and inland desert dune sand

粒度参数散点图是综合表现粒度参数特征的一种图解，可以直观地描述不同沉积环境的特征。从文岭剖面代表砂样和典型海滩砂[2]的粒度参数散点图来看(图6)，文岭剖面砂样和海滩砂有明显的环境分界线，说明文岭剖面沉积物呈现风积砂粒度组成的特征，但继承了海滩砂的某些特点。

综上判别分析，文岭剖面砂样的粒度参数具有典型的风成砂特征，是由风力作用将海滩砂近距离搬运堆积形成的。

4.2 文岭风积剖面年代及其记录的风沙环境演变

4.2.1 文岭剖面的年代学讨论

据程乾盛等[29]研究，长乐江田ZK3钻孔记录的高潮位附近，在黑色砂质中，14C同位素年龄为距今2 470±90年，且该层中有微体古生物，淡盐水微体都有存在，因此将该层划为海-陆过渡相，大致可以代表全新世末期海侵高程。在长乐山前-3.50 m处、首祉-4.49 m处、坑田-2.61 m处及琅岐板顶-5.69 m处均发现过渡相淤泥，分别距今5 110±130 a B.P.，9 340±760 a B.P.，8 300±120 a B.P.，7 300±360 a B.P.，7 480±140 a B.P.[30]。

注：海滩砂资料来源于文献[2]。图 6 文岭剖面砂样和海滩砂样粒度参数散点图Figure 6 Scatter diagram of wenling section and beach sand size parameters

张景文等[32]对莆田海岸沙丘岩年代的研究表明，莆田1号岩体14C年龄为2 747±100～2 700±115 a B.P.，之后有一段时间的沉积间断。对长乐区不同高程沉积的研究数据显示，福州远洋高程1.26 m处的过渡相黏土中，黏土样品的14C测年为4 045±75 a B.P.；连江南墙高程6 m的淡水沼泥炭中，泥炭样品的14C测年为3 110±125 a B.P.；福清大邱高程3 m的贝壳沙堤中，测得贝壳样品的14C测年为4 300±85 a B.P.。

靳建辉等[14]测得长乐江田东山沙丘剖面埋深1.5 m处OSL年龄为800±60 a B.P.，埋深8 m处年龄为2 800±100 a B.P.。于晓莉等[16]测得江田东海沙丘剖面埋深1～5.6 m处OSL年龄为92±13 a B.P.～302±9 a B.P.。这些地表海岸沙丘的测年结果表明，现代海岸沙丘大致是在近3 000年以来的晚全新世发育而成的。

综上所述，文岭剖面底部风沙层的年代大致在琅岐板顶的过渡相淤泥埋藏层以下，绝对年代应大于9 000 a B.P.，大致是从10 000年前持续到现代的风沙沉积层。

4.2.2 文岭剖面记录的风沙沉积环境变化

海岸沙丘的发育演变和海岸风沙沉积空间分布变化，反映了风力强度和作用范围的时空变化，而这些变化又是海平面变化和气候变化的响应(图7)。 近10 000 a以来，文岭剖面记录的海岸带风沙气候演变历史大致可以划分为3个阶段：

注：a.戈壁沙漠冬季风指标曲线[31]，b.福建沿海全新世以来 的海平面变化曲线[30]，c.本研究文岭样品Mz/Φ值变化曲线。图 7 全新世文岭剖面样品Mz/Φ值与海平面变化和冬季风变化的对比Figure 7 Holocene Wenling Profile sample Mz/Φ value and sea level change and winter wind change contrast

深度5.5～10.5 m(III段)，约10 000～8 000 a B.P.。以细砂和中砂为主，含少量粗砂和极粗砂，平均粒径较粗，粒度参数变化幅度很大，如深度10 m、7.2 m粒度处为整个剖面最粗层次，反映此阶段台湾海峡西岸冬季风风力作用很强，且波动变化很大。据曾从盛[34]、王绍鸿[30]福州沿海泥炭分析结果，早全新世海面上升，大约在9 000 a前后达到最高海平面，高潮线距离采样剖面较近，强劲的向岸风就近搬运较粗的海滩砂向陆堆积风成砂。新仙女木事件[35]是进入全新世以前的一次快速变冷事件，降温幅度大。在早全新世北大西洋和GISP2记录中，10.3 ka 和9.4 ka左右发生了冷事件，在亚洲季风演变中也有相应的记录[36]。文岭剖面深度10 m和7.2 m的粗沙层可能是这2次冷事件的响应。

深度2～5.5 m(II段)，约8 000～2 700 a B.P.。平均粒径中等，极粗砂和粗砂含量极少，粒度参数波动变化幅度为整个剖面最小的层段。曾从盛[30]福州沿海泥炭分析结果中，中全新世随气候变暖变湿，海进范围扩大，海平面相对较高。王绍鸿等[33]对福州盆地、平潭岛等地孢粉分析结果表明，此时进入全新世高温期，出现大量热带亚热带常绿季雨林植被，气候热暖湿润。从粒度组成和粒度参数特征看，本阶段冬季风风力作用强度较小，波动幅度小，为稳定的风沙沉积环境。北大西洋8.2 ka事件[37]是全新世冷事件中最强的，在北半球的分布范围也很广，印度季风区和东亚季风区都有弱季风事件的记录，文岭剖面深度5.5 m左右样品粒度参数的大幅度波动变化，可能是这次冷事件的响应。在5～4 ka B.P.时期，反映含较多针叶和落叶阔叶成分的亚热带常绿阔叶林，显示此时福州沿海气温下降，比现今略低，是高温期中的一个低温亚期；对4～2.5 ka B.P.莆田后珠剖面的孢粉分析，反映多为中亚热带南部-南亚热带常绿阔叶林植被，气温较上一时期略升，为温暖稍干气候。文岭剖面4 m、3 m等深度粒度组成和参数的变化，可能是这一阶段气候变化的响应。

深度0～2 m(I段)，大约2 700 a B.P.以来。平均粒径较细，Mz值和粒度参数变化幅度均较大，但波动性由大变小，反映沉积环境逐渐趋于稳定。在全新世晚期变冷背景下，冬季风风力作用增强，但因海平面不断下降、海岸线向海移动，剖面所在地逐渐远离海岸带砂源，导致风沙沉积粒度越来越细。曾从盛[34]对福州沿海泥炭研究表明，晚全新世早期，海平面开始下降，沿海平原逐渐露出海面；晚全新世中期，海平面已逐步下降到了接近现在的海面高度。王绍鸿等[33]对1.5～0.7 ka B.P.福州浪岐岛西部码头孔的孢粉研究表明，该时期气温比福州现今略低，为暖和-温暖湿润气候；闽南漳浦下蔡剖面的孢粉研究结果反映0.7 ka B.P.以来，气温与现代相当，但向偏干的方向转化。

5 结论

(1)文岭剖面的粒度特征总体上表现出明显的海岸风成砂特点：以细砂和极细砂为主，两者总含量为74.24%；频率曲线呈单峰宽度窄、峰值高的特点；概率累积曲线呈现“滚-跳-悬”的结构，跳跃组分含量高，分选好。粒度组成总体上偏粗，各段平均粒径和中值粒径呈现明显的峰谷值变化，说明文岭风沙沉积期的风力总体上较强且强度有明显波动变化。

(2)文岭剖面砂样的平均粒径、标准偏差、偏度、峰态值分别介于0.89～2.23Φ、0.49～1.5Φ、-0.35～0.01、0.9～2.5，平均值分别为1.58Φ、0.73Φ、-0.15、1.13，总体具有典型风成砂的特点，其中，负偏情况较多可能是搬运距离较短，风积物粒度特征受海滩砂的影响较大所造成的。粒度参数在剖面中表现出明显的阶段性变化特征，可以作为风力作用强弱变化的有效代用指标。

(3)根据邻近区域各类沉积的绝对年代分析，文岭剖面可能跨越了全新世大部分时期，约为10 000年前到现代的风砂沉积。可以划分为3个阶段，即：10 000～8 000 a B.P.、8 000～2 700 a B.P.、 2 700 a B.P.以来。这3个阶段均与全新世以来东亚冬季风、海平面变化序列有很好的对应关系，因此，文岭剖面可能记录了全新世以来研究区冬季风变化以及沉积环境演变过程。

(4)文岭剖面所记录的风沙沉积时期区域风力条件和沉积环境发生了较明显的变化。10 000～8 000 a B.P.，冬季风风力作用强度大、波动幅度大，风沙沉积活动比较活跃；8 000～2 700 a B.P.，冬季风风力作用强度较小，波动幅度小，为稳定的风沙沉积环境；2 700 a B.P.以来，在变冷背景下冬季风风力作用增强，波动性由大变小，沉积环境逐渐趋于稳定。