现代滦河口表层沉积物特征对水动力环境的指示

徐国强,杜 军*,于晓晓,李 平,付亦鹏,夏 鹏

(1.自然资源部 第一海洋研究所,山东 青岛266061；2.中国科学院 海洋研究所,山东 青岛266071；3.青岛市勘察测绘研究院,山东 青岛266034)

三角洲沉积作用的自然因素十分复杂,主要受控于河流动力和海洋动力。滦河为华北地区大河之一,是一条频繁改道、往返摆动的多沙性河流,泥沙快速落淤使三角州平原不断向海推进,波浪对三角洲前缘滨岸沙坝的建造也起着积极作用,滦河泥沙供给量影响了三角洲的冲淤动态。表层沉积物粒度分析是揭示沉积动力过程的重要方法,具有经济、便捷、较为可靠等优势,在沉积环境研究中可以用来判断沉积物的来源、水动力条件和搬运方式等[1-4]。河口近岸海域水动力环境复杂,受径流、波浪、潮汐及沿岸流等影响,沉积物类型复杂多变。多元统计分析是运用数理统计研究解决多指标问题的方法,其中最常用的是聚类分析和因子分析,被广泛应用于地质学中的粒度分析、矿物成分、灾害评估、经济地理学和地理要素分析等方面[5-7]。本文分析测试了滦河口近岸海域106个表层沉积物样品的粒度,进行了多元统计分析和沉积动力分区,表层沉积物类型以较粗的砂、粉砂质砂为主,砂组分百分含量分布与表层沉积物类型分布具有很好的一致性,自河口向两侧降低,研究区3个不同沉积区与粒径输运趋势具有较好的对应性。

1 研究区概况

现代滦河三角洲位于渤海西北部沿岸,河北乐亭至昌黎之间,是1915年滦河冲决史家沟后经甜水河入海,并经多次汊道改道形成,发育典型的沙坝-潟湖海岸。研究区潮汐性质为不规则半日潮,受附近秦皇岛无潮点影响,潮差较小,平均潮差0.88 m、最大潮差2.78 m；近岸海域以往复流为主,涨潮流流向为SW向、落潮流流向为NE向,流向与海岸走向一致,涨潮流流速较大,落潮流流速小；波浪以风浪为主,涌浪集中在夏季,浪向特征与风向一致,常浪向为SE向、次常浪向为ESE向,强浪向为ENE向、次强浪向为NE向。

滦河全长877 km,流域面积44 880 km2,1979年之前年均径流量47.2×108m3,年均输沙量22.2×106t。滦河年内径流量变化很大,径流量在7—9月占全年径流量的85%以上(图1)。滦河年内输沙量变化也很大,输沙量的年际变化高于径流量,其丰水年的输沙量可达枯水年的35倍之多。

图1 滦河径流量和输沙量变化Fig.1 Water discharge and sediment load of the Luanhe River

2 材料与方法

沉积物样品采集于2014年10月,数量为106个,采样间隔为1.5 km×3.5 km(图2),采样深度小于10 cm,采样过程同步进行定位工作。采样设备为蚌式取样器,定位所用设备为中海达HD5800G蓝牙一体化RTK GPS,水平与垂直定位精度均优于0.5 m。

图2 表层沉积物取样位置Fig.2 Sampling locations for surface sediments

沉积物粒度分析测试在自然资源部第一海洋研究所粒度实验室完成,共测试样品106个。选取适量样品至50 m L塑料试管中,加入双氧水后热浴,充分去除有机质；加入盐酸去除钙质,之后离心洗盐3次,并置于密封环境准备测试。测试过程中所用仪器为Mastersizer-2000,粒径测试范围为0.02～2 000.00μm。每份样品至少测试2次,2次测试中值粒径差值＜5%,粒径间距为0.25Φ。平均粒径(Mz)、分选系数(σ)、偏态(Sk)、峰态(Kg)采用Mc Manus矩法计算,并利用Folk分类法进行命名[8]。采用Q型聚类法对沉积物样品进行分类,利用R型因子分析研究沉积空间分布差异[9],均利用IBM SPSS Statistics软件处理；采用Flemming三角图分类法对沉积环境进行判别[10-12]。

3 分析结果

3.1 表层沉积物类型及组分含量分布特征

研究区表层沉积物包括砂(S)、粉砂质砂(zS)、泥质砂(mS)、砂质粉砂(sZ)和砂质泥(s M)五种类型。其中,粉砂质砂数量最多,约占总样品数量42.5%,主要分布在滦河口北侧5～10 m等深线以及滦河口门外15～20 m等深线之间；砂次之,约占31.1%,主要分布在滦河口门外侧；砂质粉砂约占21.7%,主要分布在15～20 m的深水区；砂质泥和泥质砂含量很少,零星分布。研究区沉积物类型分布见图3,由图3可知研究区表层沉积物以较粗的砂、粉砂质砂为主,两者合计约占总样品数量的73.6%。

图3 沉积物类型分布Fig.3 Distribution map of surface sediment types

3.2 沉积物粒度参数特征

平均粒径与物质来源关系密切,代表沉积物粒度分布总体趋势和沉积介质的平均动能[13]。研究区沉积物粒径为1.46Φ～6.91Φ,平均值为4.06Φ,以砂、粉砂组分(2Φ～6Φ)为主,平均粒径整体呈现从滦河口门向外逐渐变细的趋势。滦河口门至17 m等深线区域以砂组分为主,对应沉积类型为砂和粉砂质砂；滦河口南侧拦门砂外及研究区17 m等深线外以粉砂组分为主,对应沉积类型为砂质粉砂(图4a)。分选系数即颗粒大小的均匀性可以指示沉积环境的水动力条件[14]。研究区分选系数为0.22～2.96,平均值为1.83。在滦河口门砂质富集区分选系数大致介于0.30～1.10,分选性为较好-中等,其余区域呈离口门越远分选性越差的趋势(图4b)。峰态是表示沉积物频率曲线的峰凸程度[15],研究区峰态值为0.07～3.50,平均值为2.40,大部分峰态值＞1.10,说明粒度频率曲线尖锐,尤其是外海部分,峰态＞3,粒度频率曲线非常尖锐(图4c)。偏态可判别分布的对称性[16],研究区偏度为-1.62～2.74,平均值为1.42,大部分偏度值＞0.30,属极正偏,说明沉积物以粗粒为主(图4d)。沉积物粒径参数分布具有很好的一致性,整体而言,较粗的沉积物其平均粒径较小,分选好,偏态值与峰态值均较小。

图4 粒度参数分布Fig.4 Distribution of grain size parameters

研究区沉积物砂组分百分含量分布与表层沉积物类型分布具有很好的一致性,自河口向两侧降低。沉积物砂组分具有含量高、分布广的特征,水下河口含沙量尤甚,砂质量分数超过85%。其中,9个站位砂组分含量高达100%,全区砂含量高于50%的站位有79个,占总样品的70%以上。砂含量最低的站位砂组分含量为14%,砂含量小于50%的站位数量为26个(图5a)。粉砂组分含量介于0～65%,但大多不超过40%,含量高于40%的站位数量仅为11个,占比不超过11%。粉砂含量由水下河口向两侧升高,北部增长较小,仅零星站位超过25%；南部增长较大,大多数站位均超过25%(图5b)。黏土组分质量分数介于0～25%,平均为8.27%,主要分布在东南侧,水深基本大于10 m,西北侧有微量分布,河口区基本无分布(图5c)。

图5 沉积物组分质量分数分布特征Fig.5 Distribution map of sediment components

3.3 多元统计分析

3.3.1 聚类分析

按R型聚类分析,可将研究区106个表层沉积物样品的12个粒级分为3个群组(图6):第一组由5Φ～10Φ和＞10Φ的粒级组成,代表粒度组成的最细部分；第2组由-1Φ～2Φ的粒级组成,代表粒度组成的最粗部分；第3群由2Φ～5Φ的粒级组成,代表粒度组成的中间部分。

图6 表层沉积物R型聚类分析Fig.6 Diagram of R-type cluster analysis for surface sediments

研究区按Q型聚类分区分为3个粒度沉积区(图7),各分区粒度组成和粒度参数区别明显(表1)。A类沉积区位于滦河口口门及近岸区域,底质类型以砂为主,粒径较粗,以砂组分为主,砂含量平均值为93.9%,高于B、C类,粉砂含量平均值为4.4%、黏土含量平均值为1.7%,两者含量低；偏态属极正偏,峰态尖锐,分选系数为中等；图8a为A类沉积物典型频率曲线图,多为单峰型。B类沉积物主要分布在滦河口两侧区域以及外海零星分布,底质类型多为粉砂质砂,砂组分含量相对A类略有减少,粉砂组分增多,整体上砂组分为主,平均质量分数达80.1%,分选较差,极正偏为主,曲线很尖锐；图8b为B类沉积物典型频率曲线图,多为单峰型(第二个峰很小)。C类沉积物主要分布在新开口外侧以及滦河口17 m水深外侧区域,对应含砾粉砂质砂、砂质粉砂、砂质泥等相对较细的沉积物,砂组分平均质量分数降到50%以下,粉砂组分和黏土组分含量增加,后两者的平均质量分数分别为35.9%和14.6%,沉积物分选很差,多数极正偏,曲线非常尖锐；图8c为C类沉积物典型频率曲线图,多为双峰型。

图7 沉积物Q型聚类分区Fig.7 Diagram of Q-type cluster partition for surface sediments in the study area

表1 Q型聚类分析中沉积物粒度参数特征Table 1 Grain size parameters of surface sediments by Q-type cluster analysis

图8 沉积物粒度频率曲线Fig.8 Frequency curves of sediment grain size

3.3.2 因子分析

本文对滦河口表层沉积物粒度组分采用R型因子分析,分析结果见表2。共获得3个主控因子,特征值比例分别为58.7%、20.6%和14.3%,其中因子1为主导因子,3个因子累计特征值比例达93.6%。分析最大方差旋转因子载荷可知,旋转后的各因子反映的粒度变化特征清晰(图9)。

图9 各因子得分Fig.9 Distribution of score of each factor

表2 最大方差旋转因子载荷Table 2 Maximal variance revolving factor load matrix of surface sediments

因子1的组成部分主要为＞5Φ的正载荷和1Φ～2Φ的负载荷,正因子得分较高的区域分布在滦河口外侧深水区,主要为砂质粉砂、砂质泥等悬浮体组分,水动力较弱,负因子得分较高的区域分布在滦河口门附近,主要是以砂为主的跳跃组分,水动力作用较强；因子2组成部分为3Φ～5Φ正载荷和1Φ～2Φ的负载荷,正因子得分较高的区域主要分布在滦河口至新开口沿岸,以砂、粉砂质砂等跳跃组分为主,水动力作用较强,推测其物质来源为河流输沙,负因子得分较高的区域分布在滦河口15 m等深线以外,以跳跃组分为主,水动力也较强；因子3主要由0～1Φ的正载荷和2Φ～3Φ的负载荷组成,正因子得分较高的区域主要分布在滦河口拦门砂外以及滦河口和新开河口之间,负因子得分较高的区域主要分布在滦河口拦门砂内侧,水动力较强。

3.4 沉积动力分区

利用Flemming的沉积物三角分类方案[10]对研究区进行分区,从沉积结构组成及其反映的水动力强度来区分沉积环境及其亚沉积环境。在Flemming沉积物分类方案中,按砂含量分成S、A、B、C、D、E六组(分类界线为5%、25%、50%、75%和95%),从S至E砂的百分含量依次降低,沉积物粒径越细；同时按黏土比例分成Ⅰ～Ⅵ共6个水动力分区(分类界线为10%、25%、50%、75%和90%),离黏土端元越近水动力越弱。

将研究区沉积物粒度数据点绘制到Flemming三角图中(图10),可见绝大多数沉积物样品点分布在S区～C区,说明沉积物粒径整体较粗；所有沉积物样品点均分布在Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ区,表明研究区的总体水动力条件较强,但不同的亚沉积环境有所区别。Ⅰ区的沉积物类型以粒径较粗的砂为主,多分布在滦河口口门及近岸处,对应Q型聚类分析中的A区,该区水动力环境强,受滦河入海、沿岸流及波浪影响显著；Ⅱ区沉积物以粉砂质砂和砂质粉砂为主,主要分布在滦河口两侧区域,主要对应于Q型聚类分析中的B区,水动力较强；Ⅲ区沉积物主要分布在新开口外侧和滦河口外17～20 m水深范围内,对应Q型聚类分析中的C区,水动力较Ⅰ区和Ⅱ区弱,以砂质粉砂和粉砂质砂为主,研究区内发现的细颗粒砂质泥和泥质砂均分布在该区内。可以看到Q型聚类分析与Flemming沉积动力分区具有较好的对应性。

图10 沉积动力分区Fig.10 partition of sedimentary dynamics

4 讨 论

根据研究区沉积物类型、粒度参数、粒组组分、多元统计分析及沉积动力分区的分析,研究区分为3个不同的沉积区:河口强动力砂质沉积区(A)、滨岸潮流砂质沉积区(B)和低能泥砂混杂区(C)。据于晓晓等[17]通过粒径输运趋势表明,研究区存在2个“源”,即南部沙坝(“源”一)和正对河口的砂质地区(“源”二)。本文划分的强动力砂质沉积区对应2个“源”的所在地,2处滨岸潮流砂质沉积区分别对应南部沙坝和正对河口砂质地区向两侧输运过程,低能泥砂混杂区对应河口砂质地区受滦河洪峰喷射流影响并受潮流侵蚀细颗粒的输运过程。

图11 沉积物输运与Q型聚类分析比对Fig.11 Comparison of sediment transport pattern and Q-type cluster partition

河口强动力砂质沉积区:主要位于滦河口口门及近岸区,主要底质类型为砂,粒径较粗,以砂组分为主,砂组分含量平均值为93.92%,明显高于B类和C类,粉砂和黏土含量极低,分选中等,极正偏,粒度频率曲线尖锐。该区受滦河影响明显,滦河在雨季形成淡水舌浮于海水之上,向海延伸达5 km,会对表层沉积物产生较大影响。研究区2个“源”均位于该区,其中南部沙坝区一般认为是滦河入海携带泥沙和三角洲废弃后被沿岸流改造形成[18],正对河口沙质区是冰消期海平面上升过程中滨海相或低海平面时期河流相沉积的产物[19]。该区泥质缺失或含量极少,近岸沙坝区推测在沿岸流作用下被搬运,导致沙坝侵蚀；正对河口砂质区推测可能受滦河三角洲发育的扇形影响,导致波浪叠加,在波浪的作用下细粒沉积物悬浮并且在潮流等的作用下发生了搬运[17]。

滨岸潮流砂质沉积区:主要位于滦河口两侧区域(南侧区和北侧区)。该区底质类型多为粉砂质砂,砂组分含量相对A类略有减少,粉砂组分增多,极正偏为主,曲线很尖锐。因子分析中因子1和因子2中的正因子得分较高,代表了该区细砂和粉砂粒级的跳跃组分,总体水动力条件较强。与Flemming沉积动力分区中的Ⅱ区比较一致。其中南侧区为近岸沙坝搬运形成,该区较秦皇岛无潮点较近,潮差较小,潮流流速较慢,只能冲刷粒径较细的沉积物质,造成该区分选差。北侧区同时受近岸沙坝潮流搬运和河口沙质区波浪搬运的影响。

低能泥砂混杂区:主要位于新开口外侧和滦河口外17～20 m水深范围内,水动力较弱,砂组分平均含量降到50%以下,粉砂组分和黏土组分含量增加,沉积物分选很差,多数极正偏,曲线非常尖锐,沉积物典型频率曲线图,多为双峰型。R型因子分析中因子1中的正因子得分较高,代表了该区粉砂、黏土等细颗粒成分,水动力条件较弱。与Flemming沉积动力分区中的Ⅲ区比较一致。该区主要是河口沙质区在波浪的作用下细粒沉积物悬浮并且在潮流等的作用下发生搬运。

5 结 论

本文对滦河口近岸海域的106个表层沉积物样品进行了粒度分析、多元统计分析和沉积动力分区,结果表明:

①研究区表层沉积物类型以较粗的砂、粉砂质砂为主,砂组分含量为主。研究区沉积物砂组分百分含量分布与表层沉积物类型分布具有很好的一致性,自河口向两侧降低。平均粒径整体呈现从滦河口门向外逐渐变细的趋势,分选系数在滦河口门分选性较好-中等,其余区域呈离口门越远分选性越差的趋势,峰态大部分区域大于1.1,粒度频率曲线尖锐,尤其是外海部分,粒度频率曲线尤为尖锐。大部分区域偏度属极正偏,说明沉积物以粗粒为主。沉积物粒径参数分布具有很好的一致性。整体而言,较粗的沉积物其平均粒径较小,分选好,偏态值与峰态值均较小。

②研究区分为3个不同的沉积环境亚区:河口强动力砂质沉积区,位于滦河口口门及近岸区,河流、沿岸流、潮流等水动力作用强；滨岸潮流砂质沉积区,位于滦河口两侧区域,主要受潮流影响,沉积物分选差；低能泥砂混杂区,位于新开口外侧和滦河口外17～20 m水深范围内,水动力环境较弱,主要为细粒沉积区。