山东省威海市刘公岛周边海域海底沉积物粒度特征及沉积动力环境研究

袁星芳 徐昌 李方舟 邢晓平 战蓉蓉 孙萌鑫

收稿日期：20240104；修订日期：20240125；编辑：王敏

基金项目：山东省地质勘查项目，山东省威海市刘公岛及周边海域综合地质调查，鲁勘字〔2021〕54号

作者简介：袁星芳（1990－），女，山西大同人，高级工程师，主要从事水工环地质工作；Email：lywhyxf@163.com  *通讯作者：徐昌（1989－），男，山东宁阳人，高级工程师，主要从事水工环地质工作；Email：xuchang881115@163.com

摘要：为系统分析刘公岛周边海域沉积物粒度特征及沉积动力环境，本次研究在充分收集以往资料的基础上，结合本次测试结果，对沉积物类型及粒度特征进行了总结。研究结果表明：区内沉积物类型主要有4种，分别为

含砾泥（（g）M）、砾质泥（gM）、砂质粉砂（sZ）、粉砂（Z），其中砂质粉砂与粉砂分布最广；区内平均粒径整体呈东南向西北递增的趋势，分选性整体为差，偏态属于正偏范畴，峰态以中等型为主；区内沉积物整体位于三角图的左上部位，黏土和粉砂两端沉积物很少，表明区内水动力条件整体较弱。

关键词：海底沉积物；粒度特征；沉积动力环境；刘公岛；山东威海

中图分类号：P736.21    文献标识码：A    doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.05.004

引文格式：袁星芳，徐昌，李方舟，等.山东省威海市刘公岛周边海域海底沉积物粒度特征及沉积动力环境研究［J］.山东国土资源，2024，40（5）：2430.YUAN Xingfang， XU Chang，LI Fangzhou， et al. Study on Characteristics of Grain Size and Sedimentary Dynamic Environment of Seabed Sediments in the Sea Areas around Liugong Island［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（5）：2430.

0  引言

沉积物类型及分布是沉积物来源、水动力条件、海平面变化及构造运动综合作用的结果，是反映现代和过去沉积环境的一种标志。沉积物的粒度及矿物组成主要受物质来源、搬运介质、搬运方式等因素的共同影响，是沉积物沉积环境研究的重要方面［16］。前人对黄海海域沉积物特征及沉积环境进行了大量的研究并取得了一定成果［710］，如汤世凯等研究了烟台芝罘湾底质沉积物粒度特征和沉积动力环境，刘春秀分析了烟台近海海底表层沉积物粒度分布特征，韩忠等分析了桑沟湾海域表层沉积物粒度特征及其环境意义，李恒猛等进行了威海周边海域表层沉积物沉积环境分区与元素组成控制因素分析研究。以往多为区域研究结果，尚未针对刘公岛周边海域进行系统分析，其周边沉积物特征及水动力条件有待进一步探索。

本次研究在充分收集以往成果资料的基础上，结合本次样品测试结果，划分了刘公岛周边海域海底沉积物类型，计算了沉积物相关粒度参数，探讨了沉积物动力环境，为后期分析研究提供了参考依据。

1  海洋气象水文概况

刘公岛周边海域气象水文特征受海洋调节作用比较明显，春、夏季主导风向为南风、偏南风；秋、冬季主导风向为北风、偏北风。区内常浪向为NE向，频率为28%；次常浪向为NW向，频率为10%；最大波高为1.2m，主要集中在偏北方向。区内潮汐为不正规半日潮，有明显日不等现象，最高水位为1.07m，最低水位为1.07m，日最大潮差为2.09m，日最小潮差为0.65m，1月份平均海平面最低为19cm，8月份平均海平面最高为25cm，年变幅44cm。区内西侧海域潮差为1.75～2.00m，为弱潮海区；东侧海域潮差为2.00～2.25m，为中潮海区。

2  材料与方法

2.1  样品采集

本次研究于2022年5月在刘公岛周边海域布设15站位采集海底表层样（图1），其中B1—B7位于刘公岛西北部海域，B9—B13位于刘公岛东北部海域，B15—B23位于刘公岛东南部海域，B25—B29位于刘公岛西南部海域。采用箱式取样器进行样品采集，重量约500～600g，采集后样品放置于聚乙烯塑料袋中用于分析测试沉积物的粒度。样品登记、保存与运输严格按照《海洋监测规范 第3部分：样品的采集、贮存和运输（GB 17378.3—2007）》［11］中的相关要求执行，并及时送至国土资源部海洋地质实验检测中心进行分析测试。

2.2  测试方法

本次沉积物粒度分析采用筛析法和激光粒度仪法。

筛析法：利用一系列不同大小空隙的标准网筛进行筛选、分离砂土中的粒级组分，并通过质量大小计算各粒级组分的相对含量，进而确定粒度成分。该方法无法对黏土、粉砂等粒径较小的组分进行分析。

激光粒度仪法：首先，取20g左右样品，经双氧水和稀盐酸处理后，采用超声波振荡仪振荡；然后，利用Mastersizer 2000型激光粒度仪进行粒度分析［1215］。平均粒径（Mz）、分选系数（σi）、偏态（Sk）、峰态（Kg）等粒度参数采用Folk＆Ward法计算［16］，分级描述见表1。

目前，国内沉积学研究主要使用2种分类方法，分别为Shepard和Folk等提出的沉积物分类方法及图解。由于Folk分类法［17］在沉积动力及成因方面具有明显指示意义，本次研究参照《1∶1000000海洋区域地质调查规范（DZ/T 0247—2009）》［18］中Folk等（1970）分类方法，即按粒度含量的三角形命名方法进行分类（图2）。

2.3  测试结果

表层沉积物的粒度分析由国土资源部海洋地质实验检测中心测试完成，仪器为英国马尔文公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度仪。该仪器具有测速快、测试范围大、重复性、真实性高和操作简便等优点，同时不受温度、介质和密度等条件影响。仪器的测量范围为0.02～2000μm，重复测量误差小于2%。测试结果见表2。

3  结果与讨论

3.1  沉积物类型及分布

在以往资料收集的基础上，结合本次测试结果，根据Folk等（1970）沉积物命名原则，将研究区海底沉积物划分为4类：含砾泥（（g）M）、砾质泥（gM）、砂质粉砂（sZ）、粉砂（Z）。其中，砂质粉砂（sZ）与粉砂（Z）分布最广，约占研究区总面积的75%（图3）。

砂质粉砂（sZ）：分布在研究区西、西北部海域，面积约13.40km2，约占研究区面积的44.7%。该类型砂组分含量为10.19%～42.72%，平均值为17.48%；粉砂组分含量为40.18%～69.99%，平均值为63.10%。

粉砂（Z）：分布在研究区东部海域，面积约8.98km2，约占研究区面积的29.9%。该类型粉砂组分含量为64.21%～73.34%，平均值为69.36%。

含砾泥（（g）M）：分布相对离散，主要分布在研究区东部、西部和南部海域，面积约4.17km2，约占研究区面积的13.9%。该类型砾石组分含量为0.15%～3.81%，平均值为1.71%。

砾质泥（gM）：主要分布在研究区西部海域，与含砾泥（（g）M）分布区相邻，面积约0.20km2，约占研究区面积的0.7%。该类型砾石组分含量为5.36%～9.21%，平均值为6.81%。

3.2  沉积物粒度参数特征

（1）平均粒径（Mz）

平均粒径代表沉积物平均颗粒的大小，反映物质来源和沉积环境的变化。在强水动力条件下，细粒物质被搬运、筛选，而粗粒物质被沉积下来；反之，在弱水动力条件下，粗粒物质被搬运、筛选，而细粒物质被沉积下来。因此，根据沉积物平均粒径大小，可以大致推测沉积环境水动力条件强弱。平均粒径大，反映水动力条件强；平均粒径小，反映水动力条件弱［5，15，19］。

研究区平均粒径变化范围为4.71Φ～6.95Φ，平均值为5.96Φ，反映水动力条件较弱。高值区分布在刘公岛西北部海域，低值区分布在刘公岛东南部海域（图4）。

（2）分选系数（σi）

分选系数代表沉积物粒径的分选程度，即颗粒大小的均匀性。若粒级小，主要粒级突出，百分含量高，则分选性好，分选系数小；反之，粒级分布范围广，主要粒级不突出，甚至是双峰或多峰沉积物，则分选性差，分选系数大［5，15，19］。

研究区分选系数变化范围为1.78～2.62，平均值为2.10，整体呈西南部海域分选性差、东北部海域分选性很差的态势（图5），与沉积物类型大致对应，分选性差的区域沉积物类型以砂质粉砂为主，分选性较差的区域沉积物类型以粉砂为主。说明在相同物源条件下，搬运距离越远，越远离物源区，分选性越明显，进一步说明海域沉积物的来源主要为近岸侵蚀供砂以及陆源碎屑物补给等。

（3）偏态（Sk）

偏态反映沉积过程中能量的变异，可以通过判断粒度组分分布的对称性，来表示平均值与中位数的相对位置：负偏代表平均值将向中位数的较粗方向移动，正偏代表平均值将向中位数的较细方向移动［5，15，19］。

研究区偏态变化范围为0.01～0.36，平均值为0.19，大部分区域偏度大于0.1，属于正偏范畴（图6）。从偏态平面分布图可知，研究区东北角区域偏度普遍小于0.1，局部区域小于0.1，表明沉积物频率曲线近对称或负偏。

（4）峰态（Kg）

峰态用来测量频率曲线两端分选与曲线中央分选的比率，即衡量分布曲线的峰凸程度。峰态是发现双峰曲线的重要线索，如若峰态值很低或趋于0，说明该区海底沉积物未经改造便进入新环境，而新环境对它的改造亦不明显［5，15，19］。

研究区峰态变化范围为0.84～1.03，平均值为0.96，大部分区域为0.90～1.11（图7），与砂质粉砂分布范围大致相同，表现为中等的粒度频率曲线。而研究区东北部海域峰态值小于0.90，粒度频率曲线大致呈平坦分布。

（5）沉积物粒度参数相关性分析

J.P.Le Roux等人研究认为，沉积物的平均粒径、分选系数与其物源母岩位置和搬运介质的运移路径相关，偏态、峰态反映沉积环境对沉积物粒径的二次改造［20］。由平均粒径相关性分析图可知，平均粒径与分选系数相关性较好，与偏态、峰态相关性较差，反映沉积物形成时的沉积环境和水动力条件相对较复杂（图8）。

3.3  沉积水动力环境特征

为分析刘公岛周边海域沉积动力环境特征，本文采用Flemming三角图式法［21］，该法定义1Φ～4Φ的颗粒为砂，4Φ～9Φ的颗粒为粉砂，＞9Φ的颗粒为黏土；并以沉积物中砂的百分含量分为S、A、B、C、D、E共6个组，以5%、25%、50%、75%、95%作为结构分类标志线，从S－E表示砂含量逐渐减少，粉砂含量逐渐增加，沉积物粒径逐渐变细；再以沉积物中粉砂在泥质成分（粉砂+黏土）的百分含量分为Ⅰ～Ⅵ共6个区，以10%、25%、50%、75%、90%作为结构分类标志线，从Ⅰ～Ⅵ表示水动力逐渐减弱。按上述方法将三角形分为25个区：从S到E，沉积物粒径逐渐变细；从I到Ⅵ沉积动力环境越来越弱。

图9  研究区海底沉积物动力分区三角图

由图9可知，B5、B7位于SⅥ区，B1、B3、B9、B15、B17、B19、B25、B27、B29位于AⅥ区，B11、B13、B21、B23位于BⅥ区。从S到E分区来看，沉积物大多集中在A和B区，粒径较粗；从Ⅰ到Ⅵ分区来看，沉积物全部投于Ⅵ区，沉积动力环境较弱。

由图10可知，研究区等深线整体呈西南至东北递增的趋势，在刘公岛西部局部地段存在冲刷沟槽，水深较深。整体来说，在水深＜20m的区域内，受潮流和波浪的共同影响，水动力稍强，形成以砂质粉砂为主的沉积物；在水深＞20m的区域内，波浪作用减弱，水动力以潮流作用为主，水动力稍弱，形成以粉砂为主的沉积物。

综上所述，研究区内沉积物整体位于三角图的左上部位，黏土和粉砂两端沉积物较少，表明该区域水动力条件整体较弱。

4  结论

（1）研究区沉积物类型主要有4种：含砾泥（（g）M）、砾质泥（gM）、砂质粉砂（sZ）、粉砂（Z）。其中，砂质粉砂（sZ）与粉砂（Z）分布最广，约占研究区总面积的75%。

（2）研究区平均粒径变化范围为4.71Φ～6.95Φ，平均值为5.96Φ，整体呈东南向西北递增的趋势。受潮流和波浪等多种水动力共同影响，区内沉积物分选性整体为差，偏态属于正偏范畴，峰态以中等型为主。

（3）采用Flemming三角图式法分析研究区沉积物的动力环境，区内沉积物整体位于三角图的左上部位，黏土和粉砂两端沉积物很少，表明该区域水动力条件整体较弱。

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Study on Characteristics of Grain Size and Sedimentary Dynamic Environment of Seabed Sediments in the Sea Areas around Liugong Island

YUAN Xingfang， XU Chang，LI Fangzhou， XING Xiaoping，ZHAN Rongrong，SUN Mengxi

（No.6 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources， Shandong Weihai 264209， China）

Abstract：In order to systematically analyze the characteristics of grain size and sedimentary dynamic environment of sediments around Liugong Island， on the basis of fully collecting the previous data， combining with the test results， characteristics of the sediment types and grain size have been studied summarized. It is showed that there are four main sediment types in the area， namely （g） M-gravel mud， gM-gravel mud， sZ-sandy silt and Z-silt. Among them， sandy silt and silt are the most widely distributed. The average particle size in the area increases from southeast to northwest. The sorting ability is poor， the skewness belongs to the positive skewness category， and the peak is mainly medium type. The overall sediment in the area is located in the upper left part of the triangle diagram， and there are few sediments at both ends of the clay and silt. It is indicated that the overall hydrodynamic conditions in the area are weak.

Key words：Submarine sediment；characteristics of particle size；sedimentary dynamic environment; Liugong Island；Weihai city in Shandong province