海南昌化江入海口底表沉积物粒度特征及输运趋势

2022-05-12王雪木瞿洪宝熊元凯

现代地质 2022年1期

王雪木，瞿洪宝，熊元凯，吕琳，胡克

(1.海南省海洋地质调查研究院，海南海口 570206；2.海南省海洋地质资源与环境重点实验室，海南海口 570206；3.中国地质大学(北京)海洋学院，北京 100083)

0 引言

海洋沉积物记录了全球物质交换、气候和环境变化的信息。在陆架地区堆积的大量陆源输入的沉积物在陆架地区沉积，是开展“源—汇”过程、海平面变化和古气候演化等问题的理想材料。昌化江是海南岛的第二大河流，携沙量巨大，大量沉积物在河口处堆积。昌化江口沉积物受北部湾环流、河流输沙径流变化及海陆交互作用影响而被进一步改造[1]。同时，受到北部湾环流的影响，沉积物的搬运及堆积可能具有周期性[2]。对昌化江口沉积物开展详细的沉积学研究，有助于深入了解“河流-海洋”的沉积物输运过程及其控制因素，对南海西部陆架现代物质来源及地质历史时期物质传输模式的建立有重要基础意义。

粒度是沉积物的重要物理指标之一，被广泛应用于揭示沉积物的物质来源、沉积动力和输运趋势等环境信息[3]。20世纪80年代，加拿大地质学家McLaren运用三个粒度参数(平均粒径、分选系数和偏度)的组合来描述沉积物的输运方向[4-5]，后来发展成为“粒度趋势分析方法(Gao-Collins方法)”[6]；在此基础上，Gao等人于20世纪90年代开发完成了二维沉积物粒径趋势分析模型(Grain Size Transport Analysis，简称GSTA模型)[3，6-7]，目前该模型在河口、海岸、潮流沙脊、珊瑚环礁等多种海洋环境沉积物输运规律的研究中获得广泛应用[8-11]。

本文利用采自海南岛昌化江入海口外的110个底表沉积物，开展粒度测试分析，探究不同粒度组分的空间分布特征；利用GSTA模型对沉积物的粒度参数开展输运趋势分析，探讨昌化江口外沉积物输运特征及其可能的影响因素。

1 研究区概况

研究区位于海南岛昌化江入海口(图1(a))。昌化江是海南岛的第二大河流，发源于五指山山脉北麓，横贯海南岛的中西部，在昌化港向西流入北部湾，在入海口形成了一个不对称形状的三角洲。昌化江干流全长232 km，流域面积5 150 km2，年均径流量约36.3亿m3，年输沙量约为77.7万t[12]，雨量充足，径流丰沛。

研究区内海底地形整体较平缓，等深线走向大致平行于海岸线，从昌化江口向研究区西北部逐渐变深，区内整体地貌较平坦。

研究区的沉积作用受海南岛西向入海河流及北部湾海流共同控制，北部湾海流在冬季沿逆时针方向旋转，外海水沿湾的东侧北上，湾内水顺着湾的西边南下，形成环流；夏季，因西南季风的推动，海流形成一个顺时针的环流[13]。

2 材料与方法

2.1 采样及测试

样品采集工作于2016年5至6月完成，在昌化江口外共采集了110个底表沉积物样品，取样站位如图1(b)所示。底表沉积物经密封编号后送至海南省地质测试研究中心进行全样品的粒度分析。

粒度测试分为筛析法和激光粒度仪测试。对于粒径大于2 mm的样品，先称重，再采用传统筛析法对各个粒级范围的样品进行称重分析。对于颗粒均小于2 mm的样品采用激光粒度仪开展粒度测试。测试仪器为马尔文Mastersizer 2000型激光粒度仪，粒度测试范围为0.02～2 000.00 μm，重复测试误差小于2%。测试流程为：取1～2 g沉积物样品，加入过量体积分数为10%的双氧水，搅拌充分后静置约24 h，去除沉积物中的有机质；将沉积物浊液加热煮沸5 min，冷却后逐渐加入体积分数为10%的盐酸至酸性，去除沉积物中的碳酸钙。待反应完毕后加入去离子水将液体洗至中性。加入0.05 mol/L六偏磷酸钠溶液静置30 min，使沉积物颗粒充分分散。利用超声波振荡仪振荡15 min，上机测试。

2.2 数据处理方法

沉积物粒度参数是表征沉积物粒度组成和分布特征的基本参数，包括平均粒径、分选系数、偏度和峰度4个参数。计算粒度参数的方法包括矩值法和图解法。矩值法采用了全部沉积物组分，获得的粒度参数更具有代表性[14-16]，因此本研究使用矩值法计算沉积物的4个粒度参数。粒级标准采用伍登-温特华斯等比制φ值粒级标准[17]，沉积物的分类命名使用Folk分类三角图解法[17]。在此分类基础上，得到了研究区的底质类型图(图2)[18]。

3 结果与讨论

3.1 沉积物类型及分布

从研究区的底质类型分布图(图2)可知，底表沉积物包括含砾砂、砂、砾质泥质砂、砂质砾、粉砂、泥、砂质泥、砾质砂、砂质粉砂、粉砂质砂共10种类型。其中，砂、粉砂、泥是研究区分布最广泛的沉积物类型，约占总面积的73.4%。整体上，调查区近岸及南部海域沉积物类型复杂多样，且呈现斑块式分布特征，以含砾砂、砾质砂、砂等粗颗粒沉积物为主；而离岸及北部海域沉积物分布类型简单、分布面积大，以粉砂、泥等细颗粒沉积物为主。

砾质、砂质等粗颗粒沉积物主要分布于昌化江入海口南侧海域。其中砾质砂、砾质泥质砂类型主要分布在昌化江河口的潮流通道地区，含砾砂、砂广泛分布于河口以南的浅滩地区。这是由于该区沉积物主要来源于昌化江入海的粗颗粒陆源物质，受波浪作用携带泥沙沿海岸向西南方向移动，形成输运方向上的滨岸沙坝，这说明河口泥沙沉积的外动力作用主要为波浪作用。同时，由于昌化江河口束狭作用使得涨落潮流速度加大，增加了海底沉积物侵蚀搬运的机会，细颗粒沉积物被搬运带走，粗颗粒沉积物堆积，并在南部受水下地形的摩阻和消能作用而沉积下来，从而发育了沙嘴、沙洲和潮流沙脊等堆积地貌；另一方面，这些堆积地貌又阻止了粗颗粒沉积物的进一步向西南运移，使得粗颗粒沉积物得以在近岸沉积。

粉砂质、泥质等细颗粒沉积物主要分布于研究区离岸及北部海域。其中，泥和粉砂是分布最广泛的两种沉积物类型。其物质来源既有昌化江搬运入海的较细颗粒的细砂和粉砂，也有外海带来的悬浮泥沙沉积。在河口地区由于受水面积突然加大，河流挟沙能力下降，较粗的沉积物首先在口门地区沉降保存下来，更细的沉积物则被水流进一步搬运至昌化江河口以西更远的外海地区。

3.2 沉积物粒度组分分布特征

沉积物颗粒按粒径大小可分为砾(>2 mm)、砂(0.063～2.000 mm)、粉砂(0.004～0.063 mm)和泥(<0.004 mm)4个粒级组分[19]。根据调查区海底底质分布类型及粒度分析结果，绘制了砾、砂、粉砂和泥粒级组分百分含量的平面分布图(图3)。

3.2.1 砾

从图3(a)可以看出，研究区砾组分主要分布于昌化江入海口及其南侧近岸海域，且含量普遍不高，一般小于20%，局部可达到40%。在北部，砾高值区自昌化江入海口向西南方向呈条带状分布，自中轴向两边梯次降低至0；在南部，砾高值区分布于浅滩地区，呈同心圆状，中心含量超过40%。砾含量较低的地区主要分布于研究区北部及离岸海域，该区主要受潮流作用影响，水动力条件相对较弱，适宜细颗粒物质沉积；而在昌化江入海口及南侧近岸海域，水动力相对较强，昌化江入海搬运大量泥沙。

3.2.2 砂

从图3(b)可以看出，砂组分与砾组分具有相似的分布趋势。近岸砂含量普遍较高，向北向海逐渐变低，低至10%；在近岸及南部区域，砂组分普遍含量较高，形成了2个高值区，位于昌化江口门和浅滩地区，含量可达90%以上。砂的分布同样反映了相对较强的水动力条件，昌化江入海泥沙受到潮流、径流、波浪的共同作用，较粗颗粒向南部运输，并于浅滩区域沉积。

3.2.3 粉砂

从图3(c)可以看出，研究区内粉砂为优势组分，含量分布与砂组分的分布趋势截然相反，高值区主要分布于北部及离岸区域，可达到65%以上，说明这些区域水动力较弱；近岸及南部区域粉砂含量相对较低，在10%以下。

3.2.4 泥

从图3(d)可以看出，研究区泥含量分布趋势与粉砂具有高度一致性，这与二者同属细颗粒物质有关，但其含量低于粉砂。

砾、砂主要分布在研究区近岸区域，砂是优势粒级，在高值区最高能达到100%。而粉砂、泥主要分布在离岸海域，粉砂是优势粒级，在高值区可以达到70%以上。这些构成了研究区沉积物平面上的两极分布特征。砂含量与粉砂、泥含量呈负相关关系，当砂组分含量高时，粉砂和泥粒级组分含量低；相反，当砂组分含量低时，粉砂和泥粒级组分含量变高。

粒级组分百分含量的平面分布特征受研究区沉积环境及水动力条件的影响，离岸地区主要受到潮流作用影响，水动力相对较弱，沉积物细颗粒组分含量高，离岸越远则粉砂、泥组分相对增加；而在波浪作用为主的近岸岬角地区，水动力相对较强，沉积物粒度则较粗。

3.3 沉积物粒度参数分布特征

沉积物粒度参数主要包括平均粒径、分选系数、偏度和峰度，它们不仅记录了沉积动力条件和沉积物运移信息，同时也是识别沉积环境类型、推断沉积物来源以及搬运方式的常用手段[11]。研究区底表沉积物粒级组分统计见表1。

表1 研究区底表沉积物粒级组分及粒度参数结果

平均粒径反映了沉积介质的平均动能大小。研究区平均粒径介于-0.87φ～7.74φ之间，平均为4.19φ(表1)。从图4(a)可以看出，整个研究区平均粒径大部分大于4φ，颗粒组分为粉砂级和小于粉砂级，平均粒径最大可达7.74φ，属极细粉砂粒级，最小值为-0.87φ，为细砾级。平均粒径低值区主要分布在研究区近岸及南部区域，在2.2φ以下，主要为中砂、粗砂组分，主要是由于这些区域是波浪、潮流和径流共同作用区，水动力较强，海水可以对海底沉积物进行侵蚀搬运，将细颗粒泥沙搬运走而留下砾质、砂质沉积物。平均粒径高值区分布在研究区离岸及北部大片区域，平均粒径一般在5φ以上，局部达7.4φ以上，为粗粉砂-极细粉砂粒级[19]。总体来看，研究区平均粒径的平面分布特征与沉积物类型具有很好的对应关系。

分选系数是沉积物粒径分选程度的体现，研究区分选系数介于0.48～3.62之间，平均为1.56(表1)。从图4(b)可以看出，研究区的近岸和北部区域，分选系数大部分大于2，分选性差[19]，该区域为河口，受到波浪、径流和潮流的共同作用，水动力条件较强，能够将不同粒级的颗粒一起搬运。而在研究区的离岸和南部区域，由于昌化江为主要物源，供应稳定，且较长距离沿岸的搬运使沉积物遭受了长时间的分选，该区域分选系数为全区最小，大部分小于0.8，分选性好[19]。

偏度反映了沉积物粒度频率曲线的对称程度，研究区的偏度介于-0.01～0.66之间，平均为-0.63(表1)，偏度与分选系数的对应关系较好，分选差的区域普遍为正偏，分选好的区域普遍为负偏(图4(c))。

峰度反映了粒度分布曲线的峰凸程度，研究区的峰度分布介于0.59～2.82之间，平均为0.96(表1)，说明研究区大部分区域沉积物来源复杂，频率曲线多表现为平坦或多峰特征，尤其是昌化江河口地区，峰度为全区最低，在0.9以下，说明沉积物为河流入海物质和外海来源物质直接混合(图4(d))。

沉积物的粒度组分特征和粒度参数特征共同表明，研究区可以大致分为两大沉积环境区，即近岸及研究区南部主要受昌化江径流影响的区域和离岸及研究区北部主要受北部湾环流影响的区域。

4 沉积物粒径趋势分析

采用GSTA模型，利用研究区底表沉积物的平均粒径、分选系数和偏度的空间分布计算了研究区沉积物的粒径输运趋势(图5)。

从图5可以看出，昌化江在研究区北部入海后，沉积物运移方向可大体分为两支，一支向北西方向运移，与北部湾环流所携带的物质形成一个沉积中心，且地势较为平坦，由图3和图4可知，该沉积中心主要汇聚沉积细粒的沉积物；另一支沿岸向南运输，并在四更沙角外的浅滩区形成另一处沉积物汇聚中心，且中心位置是一处水下沟谷，同样由图3和图4可知，该沉积中心主要汇聚沉积粗颗粒的沉积物。同年的流场实测资料显示，研究区内无论是涨潮流还是落潮流，近岸区域流速均较小，潮流作用较弱，沉积物主要受强烈的波浪掀沙和搬运作用；在昌化江入海口一带则以径流作用为主，动能较强；在离岸区域流速逐渐增大，尤其在研究区西部，流速可达0.8 m/s以上，流向基本与岸线平行。据研究区附近东方(八所)水文站多年波浪要素统计，研究区全年常浪向为夏季SSW，冬季NNE，波浪作用在夏季将昌化江入海的粗颗粒物质沿海岸向南输运，并在南部发育了一系列北东—南西向的水下沙洲、沙嘴等堆积地貌，而冬季输沙量降低，这种周期性使得四更沙角处形成了条带状的沙坝[24]，也反映了昌化江携带的泥沙入海后向南运移的规律。

在研究区的离岸区域，水深超过20 m处，波浪作用减弱，潮流输沙作用增强。北部湾环流受季风控制明显，夏季为顺时针环流，冬季为逆时针环流[25-27]。在此环流大背景下，夏季，研究区的潮流方向由北向南，西部深水区的沉积物向南输运，这些物质应该既有环北部湾近海的海岸侵蚀及河流输入物质，也有外海物质；与昌化江径流搬运的物质在研究区的南部浅水区域汇聚，形成汇聚沉积中心。冬季，研究区的潮流方向由南向北，西部深水区的沉积物向北输运，与昌化江径流搬运的物质交汇之后，此时的汇聚沉积中心可能北移。推测四更沙角沙坝的周期性变化也与这种环流模式有关。