萊州灣海洋沉積物粒度特征及其環境響應分析

黃學勇,高茂生,侯國華,張 戈,黨顯璋,3

(1.遼寧師范大學地理科學學院,遼寧 大連 116029;2.中國地質調查局青島海洋地質研究所,山東 青島 266071;3.中國地質大學(武漢)環境學院, 湖北 武漢 430074)

山東萊州灣是我國北方重要海灣之一,入海河流眾多,波浪、潮汐、海流等過程相互耦合多變,海岸地形地貌及海洋動力環境演變機制復雜[1]。黃河入海物質對萊州灣沉積格局具有重要影響[2],而南岸小清河、彌河、濰河等中小河流,東岸界河、王河、朱橋河等山溪性河流以及沿岸物質侵蝕是沉積物的重要來源[3-6],因此萊州灣海陸交互作用對沉積環境影響的研究非常重要。

作為典型多河流交互影響區域,近30年來,關于萊州灣的研究內容集中于地質構造、沉積環境、海陸交互作用、水動力環境及工程建設數值模擬等方面。萊州灣地質構造研究主要以郯廬斷裂作為主線,運用三維地震資料和工程地質鉆孔等技術,開展地層格架、油氣資源儲蓄匯聚等研究[7]。沉積環境研究主要基于不同尺度測年數據[8-9],運用鉆孔資料、遙感影像、歷史文獻等,開展古氣候、古生物、海侵及古岸線等研究[10-11]。依托海岸帶,采用地形分析與計算機數字圖像處理相結合,通過實地取樣、實時監測及衛星圖片等,開展海岸地貌類型劃分、岸線侵蝕與防護、港口及養殖區建設、人工采砂等方面研究[12-13]。數值模擬研究在萊州灣區域主要集中在水動力及沖淤環境方面[14]等。此外,還有重金屬污染評價[15]等研究也已開展。

然而,目前萊州灣海陸交互作用下沉積物物源、沉積動力環境以及歷史黃河改道在沉積物中的響應(尤其對東岸的影響)等研究仍顯不足,還需全面細致探討。在開展上述科學研究過程中,借助有效替代指標是必要的[16],為此,本研究依托萊州灣海域20個柱狀樣粒度信息,在收集和整理測年數據后,對海陸交互作用下萊州灣沉積特征及物質運移規律展開分析,以期進一步完善萊州灣河海交互作用的探索,為后續研究和實踐提供經驗參考。

1 研究區概況

萊州灣是受郯廬大斷裂帶控制、由斷塊凹陷形成的NNE向的海灣,以虎頭崖和支脈河口為界,分為東、南、西3部分[17](圖1)。東岸發育基巖海岸,地勢由NE向SW傾斜,沿岸多低緩丘陵,砂嘴、砂壩、潟湖十分發育[18]。南岸發育濰河—彌河三角洲集群,包括濱海平原、灘涂和淺海3個地帶,地勢南高北低但起伏不大[19],沿岸為狹窄帶狀沖積-海積平原。支脈河口以北為現代黃河三角洲,黃河對萊州灣沉積環境影響深遠而巨大,但萊州灣南岸和東岸的小清河、彌河、濰河、界河、王河等對萊州灣沉積環境影響也同樣不可忽視。

圖1 萊州灣地質及取樣位置圖[16]Fig. 1 Simple geology of Laizhou Bay and sampling sites [16]

萊州灣主要受渤海環流的余流影響,大致有西岸順時針方向流系、中部和北部順時針方向流系以及渤海灣逆時針方向流系[20]。夏季以東南風為主,余流有明顯指向西北方向的趨勢,黃河口南部的流系中,余流也有明顯的北向分量(圖2(a))。冬季由于強勁的北風作用,區域上沿岸海域均為冬季沿岸流所代替,渤海中低鹽水在風海流作用下,沿山東半島北岸東進(圖2(b))。

圖2 萊州灣海洋沉積動力環境[21]Fig. 2 The marine sedimentary environment of Laizhou Bay[21]

萊州灣波浪主要受季風控制,以風浪為主,受地形影響,主要為由偏東風引起的NE-SE向浪。一年中,冬季波浪最大,其次為春季。潮流運動形式主要為往復流,主流方向與灣的走向一致。漲落潮流歷時和流速較為復雜,歷時差以灣口東部最大,流速差以灣口西部最大;潮汐為不規則半日潮區(圖2(c))。西部海域在黃河入海泥沙影響下,形成較高的含沙量中心。南部海域在潮流動力作用下,海床底部沉積物發生再懸浮,呈現出西高東低的分布特征(圖2(d))。萊州灣附近區域多大風天氣,遇到大風浪時,海底泥沙沖淤的平衡狀態被破壞,泥沙被掀起成為懸沙;風停后,隨著水體紊動強度減弱,超飽和懸沙沉降,含沙量逐漸減小,突然大風天氣常引起海底的強烈侵蝕或淤積(圖2(e)和2(f))。

2 樣品采集與數據分析

2.1 柱狀樣采集

20個柱狀樣于2015年12月采用振動取樣器進行采集,具體位置如圖1所示。樣品在封蓋前描述頂、底巖性,密封后標明頂、底層位,在垂直狀態下運輸和保存。野外采集完成后,用巖心切割儀將柱狀樣沿直徑分成2份,用刻度尺標好刻度及記號、拍照,對巖心進行巖性描述,并做好相應記錄。依據刻度,按5 cm厚度的等間距取子樣品,用于粒度測試。

2.2 樣品測試方法

粒度由山東省第四地質礦產勘查院實驗測試中心負責測定,采用國產Winner2008激光粒度分析儀進行測試,儀器測試范圍為0.01～2 000 μm,誤差<1%,滿足實驗要求。測試前首先取沉積物樣品放置于燒杯中,分別用H2O2除去有機質,用HCL去碳酸鹽,用蒸餾水除去Ca2+、H+等離子,然后加入分散劑用超聲波清洗震蕩10 min,最后將處理好的樣品用激光粒度儀進行測量。粒級劃分標準用Udden-Wentworth φ值表示,間隔為0.25 φ。根據每一粒級百分含量,用GRADISTAT 粒度處理軟件[21]計算平均粒徑(MZ)、分選系數(σ)、偏態(SK)和峰度(KG)。根據測試結果,計算礫(<2 φ)、砂(2～4 φ)、粉砂(4～8 φ)、黏土(>8 φ)含量,根據 FOLK沉積物粒度三角分類體系編制沉積物三角圖,繪制粒度頻率曲線和概率累積曲線[22]。其中,平均粒徑(MZ)、分選系數(σ)、偏態(SK)和峰度(KG)評價標準參照FOLK圖解法公式[23]。

2.3 沉積速率數據收集與分析

放射性核素210Pb(半衰期為22.3年)已被證實是一種適用于百年尺度的較為可靠的測年方法,近年來己被廣泛應用于中國東部海域的現代沉積速率研究[24]。自20世紀80年代來,諸多學者利用210Pb測年法開展了渤?，F代沉積速率的研究工作。本次研究經過收集相關文獻資料,選取了24組210Pb沉積速率數據[25-32],基本覆蓋了整個萊州灣海域,測得年代跨度為20世紀30年代至21世紀初。運用Sufer15軟件進行空間插值分析后,繪制萊州灣沉積速率分布圖。

3 研究方法

3.1 薩胡(SAHU)沉積環境判別圖

3.2 環境敏感粒度組分分析

依據粒度組分變化來反演物質輸送過程及環境變化的方法被廣泛用于深海河口海岸帶區域,并取得了良好的效果[34-35]。本研究采用了粒級-標準偏差法,根據粒度組分的個數和分布范圍計算每一粒級在樣品中的標準偏差值,標準偏差值最大的粒級稱為環境敏感粒度組分[36]。標準偏差計算公式為:

其中:s為偏差;si為樣本值;n為樣本數。

4 結果與分析

4.1 沉積速率變化特征

黃河口附近海域沉積速率為1. 29～9. 59 cm/a[27,30],在萊州灣乃至渤海沉積速率最高,沿黃河水下三角洲向外側沉積速率逐漸減小,萊州灣中部受黃河泥沙的影響已很小,沉積速率約為 0.31 cm/a[31],萊州灣東部沉積速率略有所增大[25,29](圖3(b)、(c)、(d)、(e))。萊州灣南部海域在20世紀90年代前沉積速率為 0.31～0.61 cm/a,自1997年后,由于濰坊港等工程建設,局部海域沉積速率驟增至0.5～10 cm/a[26](圖3(f))。

圖3 萊州灣20世紀30年代以來沉積速率變化示意圖[25-32]Fig. 3 Changes of sedimentation rate in Laizhou Bay since 1930s[25-32]

4.2 粒度特征

本次采集的各柱狀樣粒度參數如圖4所示,柱狀樣平均粒徑(MZ) φ總體值為-0.07～7.83,平均值4.98,屬于粗粉砂粒級,除萊州灣東部屺島—刁龍嘴海域個別站位的部分層位粒徑較粗外,大部分沉積物粒徑φ值>4,說明沉積物主要顆粒組分為粉砂。分選系數σ為0.56～3.12,平均值1.47;偏態(SK)為-2.81～2.42,平均值為0.06;峰度(KG)為0.75～3.82,平均值2.02。根據FOLK圖解公式標準[22],大部分柱狀樣沉積物分選較差,整體上呈近對稱;但就單個柱狀樣而言,多表現為極正偏或極負偏,峰度多呈尖銳峰,指示沉積物在沉積過程中明顯受到周邊環境的改造。

圖4 萊州灣柱狀樣粒度組分與參數垂向變化示意圖Fig. 4 Vertical distribution of the grain size and composition and granularity parameters from Laizhou Bay

依據20個柱狀樣所處地理位置和粒度特征可劃分為4組:①東部屺島—刁龍嘴海域(Z1～Z5),含有較多的細礫組分;②西部黃河水下三角洲平原(Z14、Z15、Z18～Z20),黏土質組分明顯高于其區域;③南部水下岸坡(Z7～9、Z11、Z12、Z16、Z17),粒度組分中,砂質含量占60%～80%,黏土質含量幾乎為0;④中部淺海平原(Z6、Z10、Z13),粒度組分雖然也以砂質含量占優勢,但粉砂質和黏土質含量明顯增加,且在50～60 cm深度內均有明顯的變化。

FOLK粒度三角圖(圖5)顯示,萊州灣淺部海域整體上由東(屺坶島—刁龍嘴海域)向西(黃河水下三角洲)粒度組分逐漸變細,表現為屺坶島—刁龍嘴海域柱狀樣多有含礫組分,萊州灣南部水下岸坡多為粉砂質砂,中部淺海平原沉積物主要為砂質粉砂,至黃河水下三角洲沉積物中則多含粉砂和泥。與萊州灣現代表層沉積物類型對比(圖6)可以發現,刁龍嘴以西海域柱狀樣沉積物類型與表層沉積物大致相對應,而屺坶島—刁龍嘴海域柱狀樣則呈現出礫含量偏高的特點。礫質含量相對明顯的柱狀樣有Z1、Z3和Z5,有所不同的是Z5礫質組分多分布在柱狀樣頂層,這與Z5所處位置靠近萊州淺灘有關(圖1)。Z1、Z3中礫質組分則集中分布在柱狀樣中的70 cm、140 cm以下。根據Z1附近海域沉積速率<0.5 cm/a,Z3附近海域沉積速率約為0.9 cm/a(圖3),從取樣時間(2015年)開始推測沉積年代,至Z1孔深70 cm和Z3孔深140 cm處年代在1855年左右,與黃河改道入渤海的時間基本上可以對應起來。因此,屺坶島—刁龍嘴海域現代沉積物中粉砂質、黏土質等顆粒較細組分的增加與黃河1855年改道存在一定的關系。

圖5 萊州灣柱狀樣沉積物FOLK粒度三角圖Fig. 5 FOLK grain triangular diagram of core samples in Laizohu Bay

圖6 萊州灣表層沉積物類型[37]Fig. 6 Surficial sediments types in Laizhou Bay[37]

5 討論

5.1 粒度組分對海洋環境的響應

屺坶島—刁龍嘴海域 (Z1—Z5)概率累積曲線表現為低斜的一段式,表明懸移質占絕對優勢。粒度直方圖顯示,細礫和黏土含量都比較高(圖7)。結合FOLK粒度三角圖信息(圖5),屺坶島—刁龍嘴海域柱狀樣多含泥礫組分,具有典型重力流特征,分選性極差,說明該海域的動力條件相對較弱,且底床沉積物的顆粒略粗,需要較大的臨界起動速度。在較弱的動力條件下,發生再懸浮的幾率相對較小,致使東部海域的含沙量低于西部(圖2(d))。

圖7 粒度含量直方圖與概率累積曲線圖Fig. 7 Histogram of grain size content and probability accumulation curves

黃河水下三角洲(Z14、Z15、Z18～Z20)概率累積曲線表現為低斜多段式躍移質總體含量較多,粒度直方圖呈負偏態,黏土含量較高(圖7)表明所處環境比較動蕩,能量不穩定,處于重力流后期,能量衰減并向牽引流轉化,沉積物分選逐漸變好。

南部水下岸坡(Z7—Z9、Z11、Z12、Z16、Z17)粒度組分主要為砂質和粉砂質,粒度直方圖呈正偏態并具尖銳的峰,概率累積曲線具有較高斜率,說明主要由推移質和躍移質2段組成,僅在靠近黃河水下三角洲和屺坶島—刁龍嘴海域有一定懸移質(圖7)。這一現象反映受多組多向水流反復沖刷環境影響,分選較好。底質屬細砂和粉砂質(圖2(b)),這種泥沙活動性強,在波浪、潮流作用下易于起動懸浮、推移搬運,是本區水域泥沙淤積的主要來源。萊州灣南部地勢自岸向中心呈箕狀緩傾,等深線與岸線基本平行,河口水深淺,小清河、彌河、濰河等中小河流入?？诙嗪５讻_刷槽,破波帶范圍較寬,具備形成多組多向水流的條件。

中部淺海平原(Z6、Z10、Z13)粒度直方圖大致呈對稱分布,相比南部水下岸坡,黏土含量有所增加,概率累積曲線整體斜率較高,包括了推移質、躍移質和懸移質3段(圖7)。結合萊州灣內洋流季節性變化,可以認為中部海域沉積環境水動力較強,物質來源多樣。

5.2 沉積環境與淺部海域地形

各柱狀樣在薩胡沉積環境判別圖(圖8(a))上,屺姆島—刁龍嘴海域和黃河水下三角洲的柱狀樣均落點在重力流區域內,雖然重力流沉積多形成于(半) 深海和深湖環境[38],但結合萊州灣東西等深線變化可以發現,該區域高差變化較大(圖8(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)),存在形成類似重力流沉積的斜坡[39-40],因此在該淺海區形成了類似于重力流沉積環境。但是,二者沉積環境在成因上是存在差別的,屺姆島—刁龍嘴海域等深線變化劇烈,在極短的水平距離內,高程迅速降至海平面10 m以下,岸線與河流輸送物質在重力作用下沿陡坡向下,堆積在等深線10 m附近的范圍;黃河水下三角洲等深線在2～10 m變化,主要沉積物形成于1976—1996年黃河行水期間,1996年黃河向北改道后,萊州灣內的水下三角洲在波浪、潮汐、極端天氣等因素影響下整體進入侵蝕狀態[31]。相關研究表明,黃河入海泥沙難以跨越等深線傳輸,而基本在近岸海域發生快速沉積,例如,在黃河口海域的南北近岸,入海沉積物在潮流切變鋒的作用下輸運方向相反而無法沉積,從而形成了近岸侵蝕區[41-42]。Z14、Z18、Z19位于黃河水下三角洲斜坡,與萊州灣淺海平原存在5～7 m 的高差;Z15、Z20處于黃河舊河道沖刷形成的凹槽中,與周邊攔門沙也有5～7 m的高差[43],原有水下三角洲沉積物(1976—1996年)在重力作用下形成了再次沉積。南部水下岸坡柱狀樣在薩胡沉積環境判別圖(圖8(a))上相對分散,包含了風、濱海、河流、淺海等多種成因類型,說明外部動能由西向東減小。中部淺海平原沉積環境以淺海為主,但柱狀樣因所處位置不同,沉積環境也存在差異,其中Z6所在位置流動性較小,表現為重力流沉積,靠近黃河水下三角洲的Z13相比Z10也有向重力流沉積靠近的趨勢。

(a).薩胡沉積環境判別圖;(b).萊州灣等深線圖;(c).萊州灣地形圖;(d).A-A’剖面圖;(e).B-B’剖面圖;(f).C-C’剖面圖;(g).D-D’剖面圖圖8 萊州灣柱狀樣薩胡沉積環境判別圖與地形信息圖Fig. 8 Discriminant diagram of Sahu sedimentation setting and the terrain of Laizhou Bay

5.3 物源差異與環境敏感粒度組分

目前,萊州灣沉積物物源主要來自3個方向:西部黃河,南部小清河、彌河、濰河等中小河流及岸灘侵蝕,東部的海岸侵蝕和界河、朱橋河等短源河流。粒徑-標準偏差曲線(圖9(a))顯示,屺坶島—刁龍嘴海域包含最粗的環境敏感粒度組分(φ=-2),這與東岸海岸性質和沿岸河流輸入物質有一定的關系[44]。屺坶島—刁龍嘴海域、黃河水下三角洲、中部淺海平原以及南部水下岸坡Z9、Z17的環境敏感粒度組分(φ=8)與萊州灣內的沉積環境存在一定關系[19]:在東西部各有一支南向的泥沙流,但強度都不大,東部由屺坶島起始只能抵達膠萊河口以東(Z9),西部由黃河口最遠到達小清河口(Z17)。

圖9 柱狀樣粒徑-標準偏差曲線(a)與3≤φ≤4 組分含量特征(b)Fig. 9 Grain size-standard deviation curves(a) and 3≤φ≤4 content in cores(b)

3≤φ≤4為所有柱狀樣共有的環境敏感粒度組分,通過對比其含量特征值變化,可有效分析萊州灣淺部海域地貌單元的沉積特征(圖9(b))。目前,大風天氣對萊州灣南岸的影響較黃河水下三角洲要小得多,主要影響近岸泥沙輸運[20],這是因為南部水下岸坡的柱狀樣大多位于水下2～5 m,距岸相對較遠;而南岸由于氣候和人為原因,小清河、彌河、濰河等河流的入海水、沙量急劇減少,對水下岸坡影響極小[45]。南部水下岸坡((Z7—Z9、Z11、Z12、Z16、Z17)的環境敏感粒度組分最低含量大多>80%,且含量變化非常小,結合沿岸河流及大風天氣影,可以說明該區域雖然受到沿岸河流及大風天氣影響,但其所處的沉積環境總體上比較穩定。

6 結論

(1)萊州灣現代沉積環境受洋流、潮汐、波浪、極端天氣、水下地貌、沿岸河流等一系列外力因素的影響,雖然存在沉積物粒度特征的區域差異,但成因和分布特征具有明顯的關聯,可以劃分為屺坶島—刁龍嘴海域、黃河水下三角洲、南部水下岸坡和中部淺海平原4個地貌單元,其中黃河水下三角洲形成時間略晚于其他3個地貌單元。

(2)東部屺坶島—刁龍嘴海域粒度組分突變與黃河1855年改道在時間上有較好的對應關系,其與黃河水下三角洲表現為類似重力流沉積環境,但屺坶島—刁龍嘴海域更多是由于高程的急劇變化引起的,而黃河水下三角洲主要成因是早期三角洲沉積物在一系列外力作用下的再次沉積。

(3)南部水下岸坡沉積環境雖然受風、河流及海洋多種因素影響,但整體上處于一個相對穩定的沉積環境中。中部淺海平原因所處位置不同,表現為不同類型的沉積環境。