钦州湾外湾水下地形地貌特征及沉积物来源

曹 超，吴承强，蔡 锋，郑蔚恒，卢惠泉，鲍晶晶，郑勇玲*，涂武林

(1.自然资源部第三海洋研究所， 福建 厦门 361005； 2.福建省海洋生态保护与修复重点实验室， 福建 厦门 361005；3.华东师范大学、河口海岸学国家重点实验室， 上海 200062)

众所周知，河口海岸作为海陆交汇地带，是人类活动最频繁、开发程度最高的区域[1]。其海陆相互作用来带丰富的初级生产力和泥沙，在河口区形成较为复杂的海底地形地貌和潮流沉积体[2]。在对其沉积环境和沉积过程的研究中，依据沉积物粒径组成、粒级参数及各种成因图可以指示沉积环境特征和物质输运过程[3-4]。粘土矿物可以示踪悬浮体随洋流的迁移变化，碎屑矿物亦可示踪沉积物的从源到汇过程，对揭示河口沉积物来源具有重要意义[5-6]。

钦州湾地理位置优越，具有富饶的水产、矿产、海滩、岛屿、海湾等自然资源，是人类开发利用的活跃场所。近几年，随着经济发展的需要，港口、码头、石化和核电站等围填海设施的建设大幅改变了海岸线形态，海域和滩涂面积骤减，水下地形地貌变化剧烈，给渔业生产和生态环境带来难以逆转的损害。因此，本研究基于“我国近海海洋综合调查与评价”测深数据，揭示钦州湾外湾水下地形地貌特征，结合沉积物碎屑矿物和粘土矿物组分特征及来源分析，探讨研究区水下地形地貌成因机制，为海湾合理开发利用和生态修复保护提供技术支撑。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

钦州湾(21°33′20″～21°54′30″N，108°28′20″～108°45′30″E)位于北部湾湾顶，由内湾(茅尾海)和外湾(钦州湾)构成，中间狭窄，是一个半封闭型天然海湾[7-9]，海湾面积约为380 km2，其中滩涂面积约为200 km2。随着近几年围填海建设，钦州湾海域面积缩减为320 km2左右，滩涂面积也进一步减少，进而改变了钦州湾水文动力条件、泥沙运移和再分配特征，致使钦州湾水下地形地貌和沉积物分布规律随之变化。

钦州湾的地质构造和地貌类型均较复杂，主要受NNE向压扭断裂和SSE向张性断裂的影响，形成溺谷型海湾。湾中部龙门岛为界，东部多为岩岸深水水域；西面小型海湾和浅滩发育，北面茅岭江和钦江注入茅尾海，年均径流量约3.0×109m3，年均输沙量约6.0×105t。河流携沙在河口区附近沉积不断向海推进前展，形成大片砂质和泥质浅滩。龙门岛南面潮流深槽与潮流沙脊相间，呈辐射状向海展布，形成落潮流三角洲[8]。

钦州湾周围出露的地层，主要有古生界的志留系、中生界的侏罗系、新生界的第四系。全新世中细砂、粉砂质粘土和淤泥普遍分布[10](图1)。

图1 钦洲湾外湾区域构造与地层结构示意图Fig.1 Diagram of regional structures and stratum structures in outer Qinzhou Bay

1.2 水下地形测量与样品采集

1.2.1 水下地形测量 2007年3月，利用海鹰HY-1601单波束测深仪在研究区开展水深地形测量，单波束测线垂直海岸线走向布设，比例尺为1∶5 000，测线布设间距为50 m一条，检测线垂直于主测线布设2～3条[11]，共布设主测线300 km，检测线10 km，全面覆盖钦州湾外湾研究区0 m以下深水域。

1.2.2 样品采集 在潮沟、沙脊、深槽、海蚀平台、水下斜坡等不同地貌单元区采集沉积物样品16个，包括10个表层样、6个柱状样(短柱)。表层样每个站位分1个样，柱状样每隔5～10 cm分1个样，供试样品31个，现场测试含水率和Eh等参数，PVC管封装、标记，冷藏保存。室内分别测试沉积物粒径、碎屑矿物和粘土矿物组分。具体采样位置和样品信息见图2和表1。

1.3水深数据处理与样品测试分析

1.3.1 水深数据处理 水深数据处理按照《海底地形地貌调查技术规程》[12]要求。采用Hypack软件进行水深测量数据和潮位数据融合处理。通过软件识别和人工判读的方式，对导航定位数据、单波束数据的连续性和置信度进行甄别，结合潮位改正的数据融合，最终生成有效水深数据及ASCII码文件，在ArcGIS和Fledermaus中生成研究区水深地形图。岸线数据利用“我国近海海洋综合调查与评价”实测资料。

1.3.2 样品测试分析 粒度分析时，取10 g干样，分别加10%(体积分数)的H2O2和0.1 mol/L的盐酸浸泡，以消除有机质和自生碳酸盐的影响[1]，利用Mastersizer2000型激光粒度仪进行测试，采用谢帕德粒度计算公式分别计算平均粒径(Mz)、标准偏差(σi)、偏度(Ski)和峰度(Kg)，沉积物粒度分析在自然资源部第三海洋研究所完成。

图2 研究区沉积物采样站位Fig.2 Distribution of sediments sampling sites in research area本图引自参考文献[9]。

表1 研究区沉积物采样信息

沉积物碎屑矿物鉴定按照《海洋调查规范》[13]进行。碎屑矿物的鉴定在廊坊宇恒岩矿测试中心完成。

粘土矿物分析：样品用0.5%(体积分数)稀盐酸去除碳酸钙后[14]，离子水清洗，直至抗絮凝作用发生[15]，吸出小于2 μm的颗粒，制定薄片。分析使用Philips PW 1710衍射仪测试粘土矿物百分含量[16-17]。粘土矿物测试分析在同济大学海洋地质国家重点实验室完成。

2 结果与讨论

2.1 地形地貌特征

2.1.1 水下地形分区及特征 本研究区域为钦州湾外湾，包含除茅尾海以外的钦州湾海域。根据海岸线形态、等深线展布规律和水下地形起伏度等主要因素，将研究区水下地形划分为4个典型区域，分别为中部钦州湾外湾水下地形区、东部三娘湾水下地形区、西部防城港东侧水下地形区及南部湾外水下地形区(图3)，其主要特征如下：

中部钦州湾外湾水下地形区是本海域的核心区域，为一个面向茅尾海的河口海，水深较浅，水深值基本在5.0 m范围内，总体地形趋势是北部近岸海域水深小，水深值随离岸的距离增大而逐步增大，整体地形非常平坦。湾内等深线整体呈东北向西南方向突出，水下浅滩呈鸭舌状向海延伸。在三娘湾中部同样可见两条明显的等深线相对密集的区域，水深值比附近同纬度区域更大，为水下浅滩中的两个沟槽，其走向大致为SN、NE—SW向。其中一条沟槽长度约4 km，宽度约500 m，水深4.0 m；另外一条沟槽长度约6 km，宽度约700 m，水深4.5～5.5 m。伴随着落差流速大于涨潮的峡道效应，该区水下地形呈现出槽脊规模和高差加剧，内湾和近岸淤积加重的特点[17]。

东部三娘湾水下地形区，水深变化基本在5.0～20.0 m范围内。等深线总体呈东北向西南方向突出，等深线分布较为均匀，反映出近岸海底地形的缓慢渐变。东南侧有一等深线凹凸起伏区，水深在12.0～14.0 m之间，区域内分布有数条呈南北向条带状高低起伏，深度起伏在1.0～2.0 m，条带长度在1.5～3.0 km，是典型的海底活动沙脊地形。另外，在三娘湾西侧，大庙敦东侧，存在一等深线较为密集且圈闭的浅坑区域，直径约2.5 km，水深5.0～8.0 m。

西部防城港东侧水下地形区水深在20.0 m以浅，海底地形较平缓，局部有岛礁、暗礁，总体趋势由陆向海缓缓倾斜，等深线顺岸均匀排列。该区水下岸坡相对较宽，浅滩、沟槽相间其中，水下地形较为复杂。在防城港和钦州湾外的岸坡上有天然及人工开挖的航道[18]。

南部湾外水下地形区为等深线20.0 m以深的中部海底平原。区内总体地形趋势由北向南水深逐渐增大，海底地形向海一侧缓慢倾斜，整体地形非常平坦，平均坡降仅为2‰～4‰，部分区域存在坡度陡然增大，其余海底区域地形变化较小。此区域等深线总体呈东北向西南方向突出，等深线分布较为均匀，反映出近岸海底地形的缓慢渐变，由海底平原逐渐转变为较为陡斜的水下岸坡区。

近30年来，随着钦州湾开发利用强度增大，海岸和水下地形形态发生剧烈的变化，由图4可以看出：八十年代末，钦州湾周边区域尚未开发利用，钦州湾海岸线基本以自然岸线为主，茅尾海与钦州湾外湾峡道较宽，水流通畅，保持着自然原始的海岸带地形地貌特征；九十年代中期，随着钦州港的建设，水井田开始填海造地，七十二泾东部内湾逐步成陆，滩涂面积减小；2005年，钦州港逐步外扩，南缘延伸至钦州湾内，并围海造成东侧水道变窄，形成近20 km2的围填海面积，其东侧的钦州经济开发区填海已初具规模；2008年，钦州经济开发区建成使用，围填海面积达42 km2，钦州湾滩涂面积进一步缩小；2012年，三墩岛石化码头建成，不仅形成2.3 km2的有效填海面积，更使一条长约10 km的运输连接堤阻碍了钦州湾东部径流的淡水输入和湾口的海水交换，严重改变了区域水动力条件和泥沙运移现状；2019年，随着钦州核电在企沙镇红星村的建设，不但形成3 km2的围填海面积，而且构建了2条一南一北取水口防护堤近7 km，改变了钦州湾西部水动力条件和泥沙的运移与再分配特征。至此，近30年的人类活动形成了近70 km2面积的新增土地和约20 km长的人工构筑物，滩涂面积减少为320 km2，形成了现今钦州湾人工海岸、岛礁和自然岸线交错分布，水下地形地貌错综复杂的形态特征。

2.1.2 地貌单元划分及其特征 海底地貌形态分类通常是以形态和成因机制相结合的原则，按照先宏观后微观、先群体后个体的分布规律分为一～四级[19-20]。

遵照上述原则，钦州湾外湾海底可分为4个四级典型的地貌单元，即潮控三角洲、潮流沙脊群、潮流冲刷槽和水下岸坡地貌单元(图5)。

潮流三角洲，即潮流控制的水下三角洲，是河流携带的泥沙入海后，由于搬运能力突然下降，泥沙沉降及淡水与海水混合，促使一些悬浮胶体物质发生絮凝作用，形成的堆积地貌[20]。钦州湾潮流三角洲为钦江和茅岭江注入茅尾海后，在落潮流大于涨潮流的水动力条件下，从茅尾海中带入钦州湾龙门水道外侧，由于河道突然变宽，陆源物质堆积在龙门水道南侧形成潮流三角洲。该三角洲沉积层较为复杂，为黄色砂质泥、细砂和含大量生物碎屑的灰黑色淤泥，向海逐渐为中粗砂或砂砾质沉积。

潮流沙脊群，是在砂质底质上发育的一种垄状地貌，宽度可达几十米至几千米，长度可达几千米至几十千米，因常成群分布，故称潮流沙脊群[20]。本区潮流沙脊群主要发育在钦州湾口一带，规模较大，呈脊槽相间、辐射状向南展布，总体呈NNW—SSE走向。其中，规模最大的老人沙长约7.5 km，宽约0.7 km，沙体走向为NNW，相邻两侧均发育较小规模的潮流沙脊。其物质组成为细沙或粘土质砂，粉砂含量较低，分选性中等。

潮流冲刷槽，是一种发育在狭窄水道中，由于潮流侵蚀形成的长条形负地形[20]。本区的潮流冲刷槽发育在潮流沙脊相邻的沟槽内，为较强动力的落潮流冲刷潮流三角洲形成。从龙门水道(深槽)沿潮流沙脊沟槽处一直延展至湾外水下岸坡处，最大一条冲刷槽长约15 km，与潮流沙脊群展布一致。槽内物质粗细无规律，分选性差。

钦州湾外湾及湾口海区为往复流，流速和历时落潮流大于涨潮流，最大落潮流速约200 cm/s。如此大流速的往复流不仅具备了冲刷潮道的能力，还可使海底推移质泥沙沿床面运移和堆积。由于龙门水道狭窄，外湾海域开阔，落潮流携带茅尾海物质沿峡道至外湾运移和扩散。因此，钦州湾外湾发育潮控三角洲并伴生其上的潮流沙脊群和潮流冲刷槽的复合型地貌单元[20-22]。

图4 近30年(1989—2019年)钦州湾外湾围填海多期影像Fig.4 Multi-phase images of sea reclamation in outer Qinzhou Bay in recent 30 years (1989—2019)

水下岸坡，是指低潮线到陆架平原边缘的倾斜坡面。岸坡的坡度变化很大，可从3′至11°，宽度可以从3～5 km至几十千米。坡度与宽度常常成反比关系。本区水下岸坡宽度较窄，为0.6～1.0 km。近岸的水下岸坡坡度较陡，一般为0.2‰～1.0‰，远岸的水下岸坡坡度较缓，一般为0.1‰～0.4‰。沉积物组分为细砂，向海则变为泥质沉积。由于大量的河口物质堆积在潮流沙脊上，其整体呈平坦的潮流三角洲堆积地貌体，而钦州湾外海地势亦较为平坦，该水下岸坡为潮流三角洲和陆架平原的过渡地貌单元，规模较小。

除上述4类海底地貌外，钦州湾外湾近岸发育潮滩、海蚀平台等潮间带地貌。其中，潮滩主要发育于簕沟墩周边沿岸，根据沉积物特征分为低潮滩、中潮滩、高潮滩，自低到高沉积物由粗变细，含泥量增高，分选性由好变差。海蚀平台发育于龙门、犀牛脚以及零星基岩海岛，其岩性为志留系泥质砂岩、砂页岩和千枚岩等[23-25]。

图5 研究区海岸带和海底地貌Fig.5 Coastal zone and submarine geomorphology in research area

2.2 沉积物类型

钦州湾表层沉积物主要为中砂(MS)、细砂(FS)、粘土质砂(YS)、粉砂质砂(TS)、砂质粉砂(ST)以及砂-粉砂-粘土(STY)等6类(根据谢帕德分类)。研究区砂质沉积分布广泛，占70%，砂质泥和粉砂质泥分布较为局限。砂质沉积物呈条带状或斑块状分布，自湾顶向海沉积物逐渐变粗。外湾砂体呈典型的潮流指状沙脊展布(图6)。湾口地区东西两侧沉积物差异较为明显。东侧海岛周边含粗粒分布较广；西侧沉积物偏细，以砂质粉砂和泥质砂为主，低潮时砂体出露，海岸淤长较为迅速，沿岸存在多列消坡堤[26-27]。

2.3 碎屑、粘土矿物特征及来源

钦州湾沉积物轻矿物主要由石英、长石和岩屑组成。石英多为次棱角状，含量为75%～85%(表2)，呈淡褐黄色、褐红色、乳白色等。潮滩沉积多为淡褐黄色和褐红色石英，外湾沉积物多为淡黄绿色和浅色石英。长石多为柱状，含量为11%～17%，多为淡褐黄色和淡褐色。岩屑主要为石英和长石两类矿物，含量变化较大，近岸礁石及潮流通道中含量较高，约15%，但在湾口两侧砂体沉积物中含量极低。

重矿物以钛铁矿、白钛石和电气石为主。其中，钛铁矿含量约52%，白钛矿含量约18%，电气石含量约11%，其余种类含量较少(图7)。重矿物分布与砂体分布较为一致。轻重矿物均显示与钦江和茅岭江源区矿物组合相似。

图6 研究区沉积物类型分布Fig.6 Distribution of sediments type in research area

表2 钦州湾外湾和钦江表层沉积物中轻矿物含量对比

图7 钦州湾外湾和钦江陆源碎屑重矿物组合Fig.7 Comparison of terrestrial heavy mineral assemblage of surface sediments between outer Qinzhou Bay and Qinjiang River

钦州湾粘土矿物以高岭石为主，其次为伊利石、蒙脱石。这三种粘土矿物的含量自北向南呈规律性变化。高岭石含量逐渐降低，伊利石和蒙脱石含量逐渐增高，但蒙脱石含量增幅不大。蒙脱石的变化与海水的氯度呈正相关关系，但不同的粘土矿物在不同盐度的海水中沉降速率也有差异。从粘土矿物三端元物源指示意义图(图8)中可以看出，钦州湾沉积物粘土矿物与全国主要河流的沉积物粘土矿物组分差异较大，季风带来的土尘远距离输入的可能性也不大。故本区域粘土矿物主要是近岸河流的近源输入为主(与碎屑矿物物源相似)，潮流带来的陆海混合物质输入为辅[27-30]。

图8 粘土矿物组分物源指示意义Fig.8 Indication of clay mineral assemblages for sediments sources

3 结论

(1)钦州湾外湾水下地形复杂多变，水深0～20 m，分为中部钦州湾外湾水下地形区、东部三娘湾水下地形区、西部防城港东侧水下地形区及南部湾外水下地形区等4个区域；地貌分为潮控三角洲、潮流沙脊群、潮流冲刷槽和水下岸坡4个主要海底地貌单元以及潮滩、海蚀平台等次要潮间带地貌单元。钦江和茅岭江入海物质在落潮流的动力作用下，经历龙门水道的峡道效应和咸淡水混合的泥沙絮凝作用，发育形成潮控三角洲并伴生其上的潮流沙脊群和潮流冲刷槽的复合型地貌单元。

(2)钦州湾外湾砂质沉积物发育广泛，约70%，沉积物自湾顶向外湾逐渐变粗。外湾砂体呈长条形顺潮流展布，是典型的潮流沙脊。沉积物碎屑矿物主要有石英、长石、岩屑、钛铁矿、白钛石和电气石组成，粘土矿物以高岭石为主，其次为伊利石、蒙脱石，沉积物来源为近源河流的陆源输入为主，潮流的海相输入为辅。

(3)随着围填海和堤坝建设，钦州湾海岸形态变化巨大，近30年的人类活动形成了近70 km2面积的新增土地和约20 km长的人工构筑物，滩涂面积减少为320 km2，形成了现今钦州湾人工海岸、岛礁和自然岸线交错分布，水下地形地貌错综复杂的形态特征。伴随着落潮流速大于涨潮的龙门水道峡道效应，钦州湾外湾水下地形呈现出槽脊规模和高差加剧，近岸淤积加重的特点。

致谢：感谢自然资源部第三海洋研究所刘春庚助理工程师、李永保助理工程师、宋志晓助理工程师在水深测量和样品采集中给予的帮助。