河口海岸沉積層理特征與形成機制

周曾 劉瑤 吳一鳴 徐凡 范代讀 張長寬

摘要：河口海岸地處海陸交界帶，其沉積層理特征與形成機制是沉積動力學、動力地貌學和地層學等學科方向的研究熱點，對評價海岸工程環境效應、重建沉積古環境等具有重要參考價值。通過梳理河口海岸區域徑流、潮汐、波浪等多種動力因子作用的研究成果，歸納不同動力主導作用形成的沉積層理特征，剖析3種基本動力對沉積層理塑造的動力學機制，闡釋洪水、風暴偶發動力因子以及生物擾動、海平面變化、圍墾工程等其他影響因子對沉積層理形成和保存的作用機理。同時，總結了數值模擬手段在沉積層理形成和破壞機制解譯方面的應用及取得的機理認知，提出在河口海岸沉積層理時空尺度認知、多因素耦合反演模型開發應用等方面有待進一步研究的科學問題。

關鍵詞：沉積層理;河口海岸;動力地貌;形成機制;數值模擬

中圖分類號：TV122??文獻標志碼：A??文章編號：1001-6791（2024）01-0167-16

河口海岸的地貌形態與沉積特征不僅涉及其沉積歷史過程和層序地層分析，而且對沉積物、營養物和其他溶解、懸浮成分在地球表面的運動輸送造成了主要限制［1］，泥沙分層特性還可用于分析地貌演變、生態系統變化以及歷史地理演替規律。近年來，淺海區域沉積層理已經成為地質專業研究熱點，對解釋古水流、沉積物通量類型以及沉積環境演變具有重要參考價值，層序地層演化機制的梳理總結也能為古環境重建提供理論基礎［2-3］。例如，通過分析連續沉積記錄以及數值模擬，重現新石器時代良渚文化由于海平面上升導致風暴水澇災害從而崩潰衰變的發展過程［4］。了解河口海岸區域的沉積層理形成機制有利于跨學科研究，并作為未來河口水動力分析、沉積環境沖淤變化推斷和河口海岸區域可持續管理的理論基礎。

河口海岸區域通過相互連通的水流通道實現海陸間物質輸送交換，這一區域包括陸地-近海連續體的地貌特征以及整個沉積體的地質特征，其演變是高度動態的。沉積層理是沉積物三維排列的表征，由顏色、粒度、礦物組分、沉積結構等特征變化所產生的宏觀特征。泥沙的起動、輸送、沉積等過程是河流、海洋水動力條件的具體表現，也是水動力作用于沉積層理形成過程的媒介。徑流、波浪、潮汐、風暴潮等動力因素通過影響沉積物粒度、沉積物輸送量、生物擾動等方面進一步改變沉積體系構成［5］。除了不同水動力因素，海平面上升、人類活動、泥沙自身的電化學特性及物理特性等也會影響泥沙運動模式［6-7］，從而影響河口海岸沉積形態和層理特征［8-9］。

由于不同類型水動力作用，或是不同水動力相互作用的強度差異，沉積混合過程往往反復疊加或者相互抵消，使得沉積演變更為復雜，呈現不同的沉積層序特性。各組分沉積物的分帶性、分層性會影響河口、潮灘等生態系統的分布以及健康狀況［10］。通過現場觀測、鉆孔取樣分析等方法，有關河口海岸潮灘層理形成破壞過程、作用因素的研究已有了大量討論。作為沉積體系的重點分析內容，早在1965年，Evans［11］選取一系列60 cm長的短柱樣對英國Wash潮灘的沉積環境進行研究，將廣闊的潮灘區域劃分為7個具有不同表面特征、生物量、沉積物組合以及沉積結構的沉積亞環境。此后，有關世界各地河口海岸潮灘的沉積層理特征研究逐漸增加，如英國西威爾士Dyfi河口、澳大利亞南部、中國長江三角洲、韓國西海岸慶吉灣等［12-15］，以及古今的對比研究，如挪威近海Halten階地南部、美國猶他州Ferron Notom三角洲等［16-17］。因此，本文旨在總結河口海岸區域沉積層理特征與形成機制，通過理論分析、數值模擬等來闡述沉積層理形成過程，以期進一步推進各動力作用在沉積層序影響機制的解譯，并對本學科有待更深層次研究的科學問題進行探討。

1 河口海岸沉積層理特征概述

河口海岸沉積物輸送搬運模式、層序地層的三維構形、沉積層理分布及規律等都與潮汐、河流、波浪等水動力因素密切相關?，F代研究者無法身臨其境地觀察歷史地質沉積特征，通常依賴對現代環境中沉積相的深入研究來類比分析。雖然地層絕對年齡可以通過同位素衰變原理確定，但是由于底床差異、事件缺失等原因，同一時空的地層鉆孔取樣插值分析精度有限，地質歷史的多解性仍然存在，層序地層時空尺度的認知有待加強。大量現場觀測和沉積物巖芯取樣分析表明，河口海岸地區存在砂泥交替堆積的沉積層序［12，15］。由于多種動力共同影響，其沉積序列解釋通常復雜且充滿不確定性，不同動力條件下形成的沉積層理特征各異，典型潮汐沉積構造包括雙向交錯層理、潮汐韻律層、S形交錯層理、復合交錯層理等（圖1，據文獻［15，17-27］繪制）。

河口海岸通常向陸方向坡度變大，潮汐受淺水效應影響潮差向陸增大，潮汐能量聚集，潮流作用向陸增強［28］。在潮汐作用顯著的河口海岸區域，受漲落潮流速度或是大小潮周期性變化影響，沉積物在沉積過程中常形成特殊的砂泥互層狀層理，被稱為潮汐層理，其紋層厚度隨著基準面變化和沉積物通量等的相互作用而發展變化。在潮汐水道出現側向加積的規律性砂質紋層，被定義為潮汐束狀體（tidal bundles）沉積層系［29］。受潮汐影響時，河口三角洲前緣環境中存在遠端沉積，輸送到近海區域的泥沙被三角洲前緣和淺陸架上的潮流重新分配。潮汐層理是潮汐作用下橫向、垂向的薄層細砂、粉砂和泥層交疊產生的沉積構造，其層厚、粒度變化呈現出一定規律［30］。在長江三角洲潮坪和江蘇中部潮灘現場觀測中發現，半日潮產生的紋層為毫米級，約1～5 mm，半月潮產生的韻律層為厘米級，約1～3 cm;潮汐紋層數量理論上與漲落潮次數相等，但由于不間斷沖刷，實際觀測層數往往少得多，推算百年尺度潮坪層偶保存率僅有0.74%［31-32］。

河流通過各分流通道向近海區域輸送沉積物。徑流作用強烈的河口流速大，分流河道多，泥沙通過固定河流通道向海方向淤積延伸，如密西西比河三角洲。徑流作用強，相對較弱的波浪、潮汐作用不能完全對沉積地層進行再改造，因此徑流影響的地層層序得以保存，相較潮汐層理厚度更大，通常幾厘米到十幾厘米［33］。三角洲沉積地層通常向上單層厚度增加、粒徑變粗，其上覆分流河道沉積的粒徑最粗，發育正粒序遞變層理、槽狀交錯層理等。在遠三角洲前緣出現的河口壩沉積相與末端分流河道有部分重疊，常見的是粒徑級配變化的板狀交錯層理。由于河流流量較大、河口處鹽度向海單調遞增以及高密度流導致的沉積物異重流，都不利于底棲生物定居，生物擾動程度較低［5］。

波浪對河口海岸沉積層理的影響取決于海岸形態和近岸水深。河流流量減少和相對海平面上升都會加劇波浪對河口海岸的改造作用。波浪能量從陸架向海岸淺水區增加，之后因破碎作用和底摩擦能量耗散等而快速衰減［28］。波浪作用為主的沉積環境通常保存有丘狀交錯層理、低角度交錯層理等。海洋環境中波浪作用主導的沉積往往砂層分選良好，生物擾動程度中等到強烈，并且存在貝殼碎片［34］。前濱被破碎波浪沖刷和反沖，形成獨特的板狀和楔狀層理，并且向海有2°～3°的傾斜［35］。分流河口壩沉積物偏砂質，該區域波浪作用導致細顆粒沉積物再懸浮而阻礙了泥質沉積［28］。

生物擾動會造成層理間不同類型泥沙顆粒的搬運和摻混，形成高多樣性的生物擾動砂巖與粉砂巖或泥巖互層（圖1（d））［20］。風暴潮不斷侵蝕平靜天氣累積的淤積，也會在潮灘上部造成厚度大、含砂量高的淤積帶。江蘇中部潮灘現場觀測表明，灘面侵蝕一般為5～10 cm，淤積層厚度為2 cm［31］。而在其他近岸區，臺風事件沉積層厚為0.5～50 cm（圖1（e））［27］。河流洪水事件層的識別特點是黏土含量高（占總質量的20%～40%）、地層內部分層以及短期內沉積層沉積速率高［36］。

2 不同動力條件下河口海岸沉積層理形成過程

河口海岸沉積層理的形態特征受控于動力條件，最早的試驗研究是Terwindt等［37］通過管流試驗驗證近岸河道中波紋、透鏡狀等層理的形成機制，測量流速和沉積物臨界起動切應力，發現潮流臨界速度的微小差異是形成不同層理形態的重要因素。后續Sato等［38］同樣利用管流試驗探究層理的形成過程和保存潛力，將層理形成過程描述為濃度高的A型泥層先因流速降低而沉降形成波紋狀褶皺，濃度低的B型泥層隨后沉淀，填充波紋凹槽。由于物理模型試驗耗時長、水動力模擬困難，因此相關試驗研究較少。本節重點從現場觀測角度闡釋沉積層理的形成過程。河流入海流量、挾沙量和海洋水動力作用強弱都會改變其所在淺海陸架的沉積層序，由于混合作用往往同時發生，或是前者形成的沉積物被后者中斷甚至再改造，其沉積構造保存在同一地層中，各動力作用的識別、判斷復雜［34］，學界常通過分析河口海岸主導水動力對沉積層理特征的塑造來闡述其形成和演變機制。Rossi等［34］考慮沉積構造形成的復雜性，通過大量文獻調研，建立了描述混合過程的沉積層理巖相解釋，用沉積構造中每個主導過程所占概率或可能性來量化解釋沉積過程的復雜多變性（圖2）。以下基于這個思路，分別介紹不同動力條件主導下河口海岸沉積層理形成、破壞等演變過程。

2.1 潮汐作用主導

河口海岸潮灘沉積物供應豐富，通常由非黏性砂（粉砂、細砂）和黏性沙共同組成，沉積形態多變，尺度跨越大，既有數十米的潮汐韻律巖和水下沙丘又有潮灘上毫米級的微型沉積層理。Reineck等［39］首次將沉積層理按照幾何形態和砂泥成分的不同進行分類，如壓扁層理、波狀層理（圖1（a））和透鏡狀層理，這些較為常見的潮汐層理的形成與潮流或者波浪與潮汐憩流的交替作用有關。在潮流運動時，帶動不同粒徑的砂顆粒運動并沉積形成砂質層;而在漲停、落憩階段，潮流近似停滯，粒徑較小的黏土沉降形成泥質層。強潮流環境中的侵蝕和沉積變化將影響沉積相帶和彼此堆疊模式的變化，反映在不同的沉積構造中。全球范圍內受到強潮汐影響的部分大型河口，例如長江、恒河、亞馬遜河等，寬敞的河-海匯流區域、低緩的坡度都為潮汐作用提供了基礎［28］。Klein［40］發現優勢潮流作用形成的床面在反方向非優勢潮流侵蝕作用參與下的不連續沉積界面，可看作是潮流歷時-速度不對稱性的證據，并將其定義為沉積再作用面（圖1（a））。

潮汐沉積保存往往與海侵相關。美國Sego砂巖保存有明顯的潮汐沉積相，主要表現為泥質覆蓋的復合沙壩，沙壩中常見水流波紋交錯層理，少見平行砂質層與含有雙殼軟體動物化石的夾層交替沉積。潮汐主導的砂巖發育向上變粗沉積層序和波狀交錯層理。潮汐作用強烈的沉積構造中單、雙黏土層分布廣泛，橫向分隔砂層，形成砂質和泥質層交替沉積這一典型潮控三角洲沉積特征［41］。潮汐作用還體現在沉積體內部的非均質性，在砂層內部和層理間都留有更多泥質，內部泥質結構更復雜［20］。泥沙表層粒徑對于潮汐能量梯度向陸方向減弱的響應會導致強波浪缺失，僅有潮汐存在時，表層泥沙粒徑向陸變細［30］。而在垂直方向上，Archer［42］將全球各地潮汐測站的數據應用于周期性潮汐韻律的建模研究，指出潮汐漲落速度和周期性變化傾向于形成垂向沉積層理。后續其他實地觀測研究也指出垂向沉積物呈現分層特征。

此外，潮汐層理的韻律性被解釋為對該地區周期性增減潮流的響應，如半日、半月、月、季度到年不等的潮汐周期，表現為不同潮汐層理序列、層紋厚度的循環變化。Visser［29］開創性地將潮灘沉積層理與潮汐作用以及天體運動聯系到一起，將單個砂/泥質層作為一個潮汐周期內的沉積產物。在韓國西海岸貢索灣觀測中，半日潮形成日不均衡的厚薄交替層，疊加組成層紋厚度的正弦變化（大小潮周期），且較厚層粒徑更粗［43］。任美鍔等［44］和李炎等［45］分別在江蘇王港地區、浙江大目涂潮坪的潮灘剖面進行周期性觀測，發現單個潮周期的漲、落循環期間，高潮憩流時間過短不足以形成砂泥交替的薄互層理;半月大小潮循環期間，大、小潮分別沉積砂和泥，形成周期性的砂泥交替薄層層理;并且受到季節性水動力影響，灘面冬淤夏沖動態變化，高潮位的季節變化會對潮間下帶中上部造成不同程度的侵蝕。楊世倫等［46］指出長江三角洲區域的季節性沖淤交替與潮差、風浪、來沙量等因素有關，例如在雨季，由于沙量增加形成異常厚的大小潮潮汐束。

2.2 河流作用主導

河流是河口海岸區域最重要的沉積物來源之一，沉積物輸入通量和持續時間差異是形成不同內部沉積特征的原因。Flaig等［20］嘗試通過巖相分析探究美國科羅拉多州Loyd三角洲的沉積特征，河流流量的季節性變化直接影響輸沙量，短期內輸入的大量泥沙主要以平行層狀砂巖為主（圖1（b））;在長期的低河流流量期間，海洋動力改造和強烈生物擾動形成了細粒為主的泥質蓋層。另一個典型的河控三角洲——美國猶他州Panther Tongue三角洲，被認為泥沙以推移質形式向淺海推進，雖然與Loyd三角洲一樣都受到河流洪水期影響，但主要發育平行層理、浪流復合波紋交錯層理或有機質含量豐富的不對稱波紋狀粉砂層或砂層，生物擾動強度較低，泥質層稀少。軟沉積變形構造出現在濁流和滑塌導致的重力沉積相中，有卷曲層理、倒轉褶皺等（圖1（b）），表明河流作用下，河口壩和上三角洲前緣的泥沙快速沉積負荷或是三角洲前緣坡度過大導致松散沉積物滑塌堆積［47］。

河流中沉積物的存在會影響湍流強度從而進一步改變沉積過程，即使在水流或砂層中添加少量黏土顆粒，也會形成截然不同的床面形態［48］?，F代黃河三角洲研究中，高密度流較為常見，從河口到三角洲前緣呈現出特征性的濁積巖薄層沉積［49］。河流洪水期，高密度流攜帶的陸源有機碎屑會保存在波紋砂層中。波紋狀砂質韻律層理、水平狀泥質層與粉砂層的交替都是由類似水動力反復作用形成的。Baas等［18］總結了水流流速迅速降低時砂、泥混合物在河床形成過程中的作用，發現泥沙濃度高可能會在湍流較強時產生較大的水流波紋，有利于保存坡度低緩的床面，可能產生砂質和泥質混合的交錯層理（這種交錯層理往往出現在流速周期性變化時，例如潮汐環境）。除了河流作用強烈阻礙了其他動力對沉積層理的改造之外，地形地勢的限制和變化也可能有利于河流作用為主的沉積地層的形成和保存。例如，沉積層序發育晚期，珠江口陸架邊緣三角洲集中發育在開平地區，使得后期該地區凹陷并為河流分流、沉積物沉積提供了場所［50］。波浪作用的河口處，波浪形成的障壁島、沙洲也會阻擋后續風暴，得以保留部分河流作用沉積地層。

偶發的洪水事件會導致沉積記錄被大規模侵蝕或覆蓋。洪水的特點是河流流量和含沙量的急速增長［51］。洪水沉積和風暴泥沙再懸浮對三角洲最終地層保存形態影響重大。洪水期間，異重流作為河流的水下延伸，輸送大量沉積物以密度驅動的底流形式進入海水，產生的沉積相與正常情況顯著不同。雖然大部分研究認為粒序遞變層是河流作用的結果（圖1（b）），但是也有部分研究認為粒序遞變層是由風暴洪水造成的，沉積物在風暴減弱階段重新起動并被再改造［17］。洪水過程的增強和短期內大量沉積物的供應，從羽流沉降的沉積物形成了向海變薄和向海變細的沉積楔。洪水情況下的分層是湍流減少的結果，雖然羽流回流有助于沉積物在近岸沉積，在極端洪水排放期間，仍可能發生高分層［52］。河流洪水這一偶發事件引起的快速沉積會抑制泥沙顆粒在被埋藏前的改造作用。此外，漸進交叉分層和爬升波紋的S形斜坡被看作是洪水對沉積環境造成影響的顯著特征，其中爬升波紋層理的形成與高懸沙量的湍流產生的牽引力和沉降過程有關［53］。

2.3 波浪作用主導

波浪對河口沉積層理的改造體現在對河流輸入到沿海和近岸堆積的沉積物的再搬運。在潮灘、海灣實地觀測中，Janssen-Stelder［54］和Allen等［55］實地測量水位、流速、懸沙濃度以及泥沙沉積等數據并進行分析，發現在荷蘭Wadden海域潮灘和英國Severn河口都出現弱波浪作用時，沉積物向岸輸移，發生淤積;而強波浪作用時，沉積物中的細顆粒則大多向海運動，發生潮灘侵蝕。Lee等［56］在韓國西海岸半封閉的Garolim灣布置潮汐沉積動力學監測系統，監測歷時15d的冬季泥沙輸移過程，結果顯示，波浪的存在會引起底部沉積物的再懸浮，使得懸沙濃度增高，從而在退潮過程中隨水流向海輸移，造成侵蝕。

波浪從海到陸相對強度變化，對沉積層理作用呈現出空間差異性。受波浪影響較大的區域，如巴西圣弗朗西斯科河三角洲，一維模型顯示向海岸進積時產生了以砂為主的向上粗化序列。通過對現代三角洲實例的調查，Bhattacharya等［57］發現受波浪影響的三角洲在平面形態和地層沉積相方面都表現出不同的非對稱性。非對稱三角洲上下游不同葉瓣之間存在泥沙分布和巖相結構的差異，上游葉瓣泥沙供給多通常發育成灘脊平原，前三角洲泥質層和三角洲下游葉瓣有關，下游側形成波浪主導的沙嘴和沙壩，保護潟湖和海灣，保留內部徑流和潮汐沉積過程，避免波浪再改造。Li等［22］研究美國猶他州Ferron砂巖沉積學時發現，波浪主導的濱海剖面粒徑向上變粗，層內生物擾動程度為輕度到中度，近海陸架為泥質沉積物，下濱面沉積有丘狀交錯層理（圖1（c）），上濱面則為米級、分米級低角度交錯砂巖層（圖1（c））。由于波浪沖刷和沉積物輸入匱乏，相對海平面、沉積物供應和波浪氣候在10～1 000 a尺度的微小變化，可能會在海岸陸架形成獨立的斜坡表面，生成的斜坡可以幫助識別外側的控制因素。在波浪作用強的河口前緣序列中觀察到沉積記錄中斷，河流洪水事件層厚和混合急速減少，且生物擾動強度增加。

風暴潮等極端氣象條件也會造成垂向泥沙重組現象［23］。風暴具有高能量和偶發性，攜帶的泥沙通量可能比平靜天氣下的泥沙通量大幾個數量級。極端風暴貢獻的沉積物增加量甚至足以抵消幾十年來由于海平面上升而導致的預計海岸線退縮［58］。突發風暴引起床面剪切應力增加，決定沉積物通量和擴散模式，可以將較粗的沉積物帶向近岸沉積，在沉積物水平分布和垂直沉積層理特征上都具有明顯影響效果［59］。風暴期間，水流和波浪組合產生的高床層剪切應力會帶走洪水期間沉積的物質［52］。Fan等［60］分析長江三角洲泥沙沉積層理時，指出強風浪和潮流會形成厚層、粗粒徑層理；并且越靠近海側，風暴影響的沉積越顯著，形成更厚的單層沉積和更多的風暴沉積層。王建等［31］觀測江蘇中部潮灘，收集風暴潮期間柱狀樣，通過粒度統計分析得到泥沙構造變化情況，臺風期間泥沙的沉積變化隨深度增大，粒徑遞增以及泥沙層理都發育顯著。Budillon等［61］在意大利薩勒諾灣的巖石地層和地震勘測研究中指出，風暴沉積也會呈現出砂質層占比多、底接觸面突變、與泥質層互成層理的現象。

風暴引起的迅速增水與強潮共同作用會改變海岸沉積物的運輸格局，在潮灘和沙質海岸呈現出明顯的演變特征差異［62］，并且存在向陸方向砂層厚度減小、出現非常態的砂礫質層和生物擾動跡象等其他特征。Peng等［23］對Orinoco三角洲的地層結構及演替進行了分析，佐證了河流、潮汐、波浪的相互作用，并且風暴潮改造占主導作用時，三角洲前緣泥沙組成向上變粗、加厚，形成波紋狀分層砂巖，由于該地區異?？焖俚某两担ㄆ骄笥? km/Ma）會阻礙風暴潮對河流、潮汐形成沉積層的再改造。白令海以北的育空河呈現出粗顆粒砂和粉砂、陸源淤泥交錯的夾層，厚度為厘米/分米級，該夾層被認為是風暴或者風海流引發的泥沙通量變化記錄。偶發的高能量風暴事件造成的沉積往往呈現出厚層狀（可達60 cm）的丘狀交錯層理，臺風期間的強浪會使得底床受到強烈侵蝕，風暴會造成砂巖層之間泥巖夾層的丟失，丘狀交錯層理和含有生物擾動跡象的砂巖層交替是平靜天氣和風暴交替情況下風暴占主導地位的沉積特征［5］。

2.4 波浪、潮汐、河流共同作用

隨著對河口海岸沉積體系以及沉積層理研究的不斷深入，一些研究發現，現代很多河口區域的沉積特征不僅僅受到單一水動力因素控制［28，63］，混合過程在時間和空間尺度上的共同作用使得沉積系統更為復雜。例如，潮汐運動抵消了河流向海岸輸沙能力的降低，使沉積重心向海移動，并且受潮汐影響的分流河道遷移率較低，潮汐的存在減少了三角洲分流河道流量分配的不對稱性［64］。潮汐和徑流的共同作用往往會使三角洲河口的沉積層反復疊加。河流主導的沉積在經歷較強潮汐變化時，徑流和沉積物輸入保持在較低水平，可能會在砂質前積層之間呈現出更厚、更細、更廣泛的生物擾動互層［20］?；趧恿^程的三端元法現代海岸地貌分類中，有近3成的海岸受到波浪、潮汐、河流混合作用的控制［65］。由于河口海岸的存在歷時久，覆蓋范圍廣，其沉積過程也會隨著動力作用在時間和空間上的差異性而有所不同。在全新世三角洲演替過程研究中發現，大型三角洲由于水動力強度交替變化，可能經歷3種常見的動力過程變化：從徑流主導轉變為波浪主導，如密西西比河三角洲;從潮汐主導轉變為波浪主導，如湄公河三角洲;從徑流主導轉變為潮汐主導，如印度尼西亞馬哈坎三角洲［66］。波浪控制的三角洲或者濱海沉積物通常被受河流、潮汐影響的分流河道阻斷，而后被潮汐形成的砂泥互層和陸架沉積物覆蓋［67］。不同強度的潮汐和波浪作用會在潮灘底床產生交錯層理，如雙向或人字交錯層理、沉積再作用面。珠江口水動力特征研究指出，徑流作用和潮汐作用在河口處相互對立，此消彼長，豐、枯水期，徑流和潮汐交替占主導地位［68］?？臻g位置不同也會導致動力因素差異，例如，珠江三角洲西北部分流河口是以河流作用為主的徑流動力體系，而北部和中部則是潮汐為主導因素，納潮量是徑流量的3.6倍。

Flaig等［20］對美國科羅拉多州Campanian三角洲在河流、潮汐交替影響下的沉積特征進行分析，在河流洪水期大量泥沙輸入河口區，洪水期結束河流流量逐漸減小，泥沙被潮汐改造并受到強烈生物擾動，形成生物多樣性豐富的砂泥互成層理。Gugliotta等［69］采集湄公河三角洲在河流-海洋過渡帶的沉積物樣本，分析沉積過程，結果表明，上游河道砂較多，泥沙供應和沉積受徑流影響；下游河道懸浮泥沙受潮汐主導、徑流次要影響，出現泥砂交替的潮汐韻律層，且旱季雨季沉積變化顯著。波浪和徑流相互作用的影響由波浪強度和入射方向決定。波浪相對較弱時，將河口沉積物向兩側搬運，并且水流的摻混運動會增加河口底床切應力，增加射流擴散;波浪作用過強時，會帶走河流沉積物，限制河口壩發育。有波浪情況和無波浪情況相比，形成的河口壩距離河口近35%，且形成速度快40%［70］。Zhang等［67］重新解釋了墨西哥灣Lower Wilcox三角洲的地層變化過程。過去認為該三角洲是典型的河控三角洲，而最新研究發現，因為沉積物供應減少，相對海平面上升，以及陸架邊緣不斷進積形成的寬闊陸架，晚期Lower Wilcox三角洲受到河流、波浪和潮流的復雜相互作用，波浪影響形成的向上變粗層序會被河流洪水期異重流沉積和潮汐韻律層改造。

2.5 其他因素作用

除了上述水動力作用，生物擾動、相對海平面變化以及人類活動等因素也會在各類水動力作用形成的沉積層理基礎上疊加偶發事件沉積，或是造成層序間斷缺失等。由于潮流混合作用周期性將富氧的表層水輸送至底層，三角洲前緣的沉積物可能受到高度生物擾動，生物擾動增加了細?；又械纳皫r含量，并提供了砂導管，增加了床層之間的連通性［20］。以螃蟹、蛤類為主的底棲動物的挖洞行為會直接影響海岸沉積物穩定性，甚至可能造成對沉積歷史記錄的錯誤解讀［71］。在大型底棲動物建造及維持其洞穴期間，底床下層沉積物被帶到地表再沉積，增加海岸沉積物周轉率并改變沉積層理結構。底棲生物還可以分泌胞外聚合物，和微生物共同構成生物膜（Biofilms）。生物膜增強沉積物凝聚力并降低底床糙率，使得底床沉積物更難被侵蝕，被稱為“生物穩定劑”［72］。

海侵期間相對海平面的持續上升，特別是在陸架邊緣附近，往往會導致更強的波浪和潮汐影響。相對海平面變化通過改變各位置水動力條件間接影響河口沉積特征。在珠江口盆地陸架邊緣三角洲的研究中，相對海平面下降，陸架邊緣的波浪和沿岸流作用增強，大部分沉積由波浪作用控制;而相對水平面的上升，岸線向陸側移動，水深的增加削弱了波浪能，河流逐漸占主導地位［50］。

人類活動引起的河流流量減弱將不可避免地導致三角洲受到更強的波浪改造作用，形成沿岸流重新分布河口三角洲的沉積物。大規模、高頻次的人類活動，尤其是圍墾工程和防波堤等海工結構物的建設對海陸水動力環境、泥沙輸移格局等的改變也不可忽視［73］。張長寬等［74］對灘涂圍墾等大規模工程對近海環境的影響展開探討。大規模人類活動會對近海生態系統造成不同程度的破壞，特別是圍墾工程，需要考慮到近海水動力以及泥沙等自然條件。Wang等［75］通過對比江蘇大豐港區圍墾前后各參數變化，分析圍墾工程對泥沙輸移的影響。圍墾后潮間帶的潮流作用減小，泥沙輸移情況更加復雜;泥質區域會向海方向延伸，潮灘下部沙粒徑增大。目前，沉積動力學重點探究沉積物在流體環境下的起動、輸運過程和堆積產物，并對整體沉積體系的宏觀演化規律進行討論，缺乏對其他因素影響的綜合考慮。結合實際觀測數據，建立多種動力共同作用、多因素耦合作用的反演模型，最小化觀測數據和模型模擬之間的差異，以獲得最匹配實際情況的模型，在環境勘測、預測領域都能發揮重要作用。

3 河口海岸沉積層理形成機制的數值模擬

河口海岸沉積層理的形成涉及多個復雜的物理過程，如水流輸運、沉積顆粒起動、輸移、沉降等。收集整合大量實測數據并以此進行數學建模和數值模擬是探究復雜沉積過程、揭示層理形成機制的重要手段之一。相較現場觀測和鉆孔資料分析，目前對于河口海岸沉積層理形成機制的數值模擬較少，但由于數值模擬成本低，可設計性高，現階段正蓬勃發展。目前用于泥沙輸運和沉積模擬的模型主要分為概念模型和基于動力過程的數學模型，這些模型旨在描述和預測河口、海岸、湖泊等地形地貌演變。概念模型用于探究長周期地形地貌變化，通過概念理論框架來解釋泥沙輸移和沉積過程，能夠提供對長周期地貌演化的定性洞察，但是用于處理短時或細節的泥沙運動時效果有限；基于動力過程的數學模型主要通過計算水體和泥沙顆粒的運動參數，探究短期或中長期泥沙輸運和地形變化，通過數學方程來描述波浪、潮汐、徑流動力學過程以及泥沙懸浮輸運，由于考慮水-沙耦合以及其他相互關聯的因素，數學模型能夠提供更精確的定量分析。已有的數學模型更多聚焦于宏觀地貌演變，對于準確描述各影響因子對沉積層理耦合作用的研究仍處于起步階段。然而，沉積層理的模擬相對于上述2種模型而言要更復雜，計算要求更精確細致，目前很難實現，對于多因子相互作用的長周期時間尺度的沉積層理模擬更是難上加難。

3.1 數值模擬簡述

在地質學和地球物理學中常用地層正、反演模型來估計地質結構和物化參數，數值模擬則是用數學控制方程來描述水動力、泥沙運動、層理形成、底床地貌變化過程中不同關鍵因子的相互作用、守恒關系和動態演化。越來越多的研究采用基于動力過程的數值模型，通過考慮水動力、泥沙輸運和地貌演變對水動力的反饋機制（圖3（a）），模擬沉積物顆粒在水體中的輸運和沉積，更準確地描述水流、泥沙與底床相互作用，建立基于過程的沉積層理分析數值模型。

一般而言，基于過程的河口海岸沉積層理模型通?？紤]水動力、泥沙輸運、底床分層、地貌演化等模塊的相互耦合作用，不同的模塊采用相應的控制方程［78-79］。

（1） 水動力模塊。在一維條件下，通過求解描述質量守恒和動量守恒的一維淺水方程來模擬流體運動。風浪的公式描述則是根據風區長度、風速和水深估算浪高和周期，可以很好地描述風浪對淺海潮灣和灘地的影響。對于淺水波浪，采用線性波理論計算底部最大波軌道速度。在水動力模塊中，潮汐和風浪的聯合床切應力通常超出兩者作用的線性總和，但是簡化計算考慮假設為線性總和。潮汐和波浪共同作用產生的最大底部切應力驅動泥沙輸移［78-79］。

（2） 多組分泥沙輸移模塊。在評估泥沙輸運時，黏性沙和非黏性沙組分采用不同的計算公式，忽略了不同泥沙組分混合后再懸浮閾值與單一泥沙組分黏性沙臨界值的差異，且不考慮黏性沙和非黏性沙之間的相互作用。

黏性沙采用經典的Patheniades-Krone 公式［80］計算，對于非黏性沙，可采用Soulsby-VanRijn 公式［81］來解釋各項水動力作用的綜合效應，總輸沙量為推移質和懸移質輸沙量之和。

（3） 底床分層與地貌演變模塊。不同于傳統的泥沙均勻底床模塊，多組分泥沙分層效應模擬需要構建底床分層模塊對每個薄層沉積物組成變化的詳細記錄來實現對沉積層理演變的模擬。該模塊將初始底床分為數個薄層，薄層數量和厚度均可按需設置，最上層為沖淤層，層厚為δa，最下層為基準層，中間所有薄層共同組成交換層。在計算過程中，1個時間步長內僅由最上層活動層與水體進行泥沙交換，當沖淤層的厚度小于δa或者大于δa時，即床層狀態變為B1或B1′，累計發生的侵蝕或淤積在下個時間步長開始前由交換層進行補充，恢復成B2或B2′狀態，確保每個時間步長計算開始時沖淤層厚度恒定，在整個形態動力學模擬中重復該過程，當交換層的泥沙厚度達到設定最大厚度δu時，會產生新的交換層，或是當交換層的泥沙全部補充至沖淤層后，該交換層消失，以此來反映整個底床的泥沙沖淤變化（圖3（b），h為水深，zb為床面高程，η為水位，δu1，…，δuN分別為交換層第1層至第N層的厚度）。

除此之外，Viparelli等［82］以三角洲前緣沉積物粒度分布函數構建數學模型。將靜水水域、傾斜基底情況下進積三角洲的一維遷移模型和實驗三角洲地層觀察結果進行了比較。假設三角洲前緣沉積過程以顆粒流為主，三角洲前緣的遷移和頂部沉積采用總質量和粒度質量守恒進行建模。通過模型記錄三角洲沉積物粒度隨空間的分布變化，描述三角洲前緣顆粒流沉積和向上變細以及三角洲頂部的河流沉積。數值和實驗結果表明，雖然粒度分布與推移質公式存在小幅偏差，但是該模型為三角洲前緣進積和三角洲頂部、前緣沉積物粒度分布的現場和實驗室研究提供了理論基礎。Leonardi等［83］在河口潮汐層理的數值模擬研究方面開展了一些開創性的工作，基于河口湍流射流的理論框架，提出了一個基于過程的河口壩相分布分析模型，并與數值模型比較，量化河口壩潮汐層理的層紋特征。從海洋泥沙動力學角度，Gao等［84］、高抒［85］對已有的全新世大陸架泥沙輸運及沉積體系形成過程進行了考察，發現沉積記錄通常是對單個片層進行高分辨率分析，每個記錄分辨率在10 a內，涵蓋時期較短。根據沉積過程-結果的關系理解，將不同沉積記錄按照一定時間順序連接在一起，制定沉積記錄形成的建模方法，則可以將記錄涵蓋時間延長。

通過各類數值模擬分析方法，模擬不同物理過程的相互作用，探究各因素對沉積層理形成的影響，進一步評估沉積系統的形成機制和保存潛力，預測沉積地層的演變趨勢。在研究和工程應用中意義重大，有助于理解和解釋沉積層理的形成機制和演化過程。

3.2 沉積韻律層理的形成機制模擬

沉積層序這類復雜自然現象的解譯工作困難并且具有很大不確定性，不論是理論概念模型的建立還是數值模擬都需要經過一定簡化，隨著計算機技術和現場測量取樣技術的飛速發展，河口三角洲沉積層理、沉積過程的數值模擬工作取得了一系列研究成果［86］。Boudet等［87］對羅納河三角洲的風暴和洪水事件下的泥沙輸送進行了模擬，發現河流入?？诘目傒斏沉績H受河流流量影響，而河口壩處的總輸沙量取決于風暴、洪水影響和偶發事件的連續性。洪水不僅在大量降雨導致江河水位急速上漲時出現，還可能由于風暴潮引起河口異常增水。Leonardi等［83］對河口壩的潮汐層理進行模擬，以解釋潮汐層理的特征并量化其在河口壩中的范圍，分析結果表明，無潮汐時，從陸向海依次分布砂為主區域、砂泥混合區、泥為主區域;隨著潮汐作用的增強，原本砂泥混合區會被交替潮汐層理的分層帶取代（圖4）；采用分層區域的范圍和相鄰粗、細砂泥層的含泥量差值來描述河口壩的層理特征，這2個量都隨著潮汐振幅的增加而增加。徐孟飄等［77］通過數值模擬的方式證明了潮汐層偶結構會在一個大小潮周期中產生，并且在大潮期間會形成以粗顆粒沉積物為主導的砂質沉積層，在小潮期間會形成以細顆粒沉積物為主導的泥質沉積層。Chen等［88］以江蘇潮灘為參考，模擬了圍墾對潮灘形態和泥沙粒度分布的影響，發現持續地圍墾會改變潮灘剖面形態并且使得潮灘泥沙粒徑變粗。Vona等［89］運用數值模擬技術量化了不同波浪條件下防波堤對沉積物輸送和潮灘演變的影響，指出防波堤可以保護海岸，減少波浪沖擊，但是同樣也會阻礙沉積物的向岸運輸，長期來看，需要平衡其抵御波浪和海岸線泥沙供給的作用。目前大尺度的沉積地貌演化理論蓬勃發展，也能夠通過鉆孔取樣分析了解歷史沉積特征，但是微觀層序特征與宏觀演化理論之間關于過程和機制的關聯探討較為缺乏。

在潮汐和風浪對泥沙沉積層理作用的數值模擬方面，Geleynse等［90］指出僅在河流動力下形成的三角洲通過河口壩誘發的水流分汊和上游河道轉移而向前發展，風浪抑制了發育中的三角洲前緣細顆粒泥沙固存，形成相對光滑的海岸線，并受到分流河道擾動;而受潮汐影響的河流三角洲通過延伸最初形成的相對穩定的分流河段，并以沉積物的旋回性（砂和粉砂互層）為特征向前推進。Zhou等［78］在Roberts等［91］開發的垂向一維潮灘地貌模型中加入底床分層模塊，耦合波浪運動，模擬外邊界無泥沙補給時泥沙在波浪下的分布，發現潮流和風浪在泥沙分選過程中作用不同：風浪對潮間帶沉積物的再懸浮作用明顯，強風浪更有利于近海泥沙輸移，更有效地侵蝕泥沙;潮流主導時，潮灘中下部的黏性泥沙易被攜帶至上部落淤。Zhou等［59，92］后續又分別探討了不同潮汐、泥沙特性、風暴條件下的潮灘泥沙分選和層理特征，并與現場觀測結果進行比較（圖5），數值模擬結果圖（圖5（a），N為小潮，S為大潮，左側數據表示柱狀樣在地面以下高程，cm，右側數據表示模型中以水面為基準面的柱狀高程，m）中顏色越紅表示粗粒徑粉砂含量越多，顏色越藍表示層中細粒徑黏土越多，很好地模擬長江三角洲現場柱狀樣中由大小潮周期形成的砂/泥質主導層交替沉積現象，模擬得出的沉積層理厚度變化也與柱狀樣觀測厚度變化趨勢一致（圖5（b））。對潮灘形態動力演化機制進行深入探討，指出風暴歷時、強度、風暴頻率和間隔等對潮灘層理形成和破壞具有重要影響，特別地，潮間上帶的粗顆粒層理通常與風暴密切相關，可指征風暴事件。Guerin等［93］對法國大西洋沿岸的寬河口沙壩形態和地層演化進行了數值模擬，考慮了數十年來潮汐、波浪影響，發現波浪氣候的季節性變化有效地解釋了地震反射剖面中觀察到的淺灘垂直于主流方向的韻律性側向加積。

4 結論與展望

河口海岸沉積記錄和層序特征研究為其發育過程中所處動力環境分析、沉積體系的不同時空演化提供了依據。海陸過渡帶動力過程復雜，本文分析各主導動力在河口海岸沉積層理形成破壞過程中的作用，進一步闡述層理演變機制。一般來說，徑流主導形成的沉積層理在河口附近發育，呈現粒徑向上變粗的粒序遞變層等，洪水期異重流的存在可能會形成爬升波紋。潮汐作用形成的層理構造和潮汐周期相關，通常為潮汐韻律層、潮汐束等。波浪作用時層理的形成受其相對徑流強度差異影響，形成對稱性互層沙紋等，偶發風暴潮會使層厚明顯增加或是侵蝕造成部分層理特征缺失。徑流、潮汐、波浪水動力的混合作用廣泛存在，當單一動力不占據絕對主導時，混合水動力作用的討論必不可少，需根據區域條件進行深入研究。

盡管河口海岸沉積層序及其沉積過程的研究已取得了一些進展，但為了更準確地探尋歷史沉積地貌，預測全球變暖和海平面上升背景下的河口海岸層序地層和沉積體系的演變趨勢，仍有以下幾方面研究有待進一步深入：

（1） 宏觀理論與微觀特征之間的關聯探討。目前，雖然對氣候、水動力、海平面變化等因素在沉積環境演化中的作用有了理論認識;并且已經能夠通過鉆孔取樣、地層剖面儀等技術對地層中生物化石、巖芯巖性以及環境沉積物進行細致分析，提高了沉積特征時空分辨率。但由于地質歷史的時空跨度大、演變分析復雜，微觀層序特征與宏觀演化理論之間缺乏過程和機制的探討。未來有必要采用多尺度分析方法，與理論模型、地質剖面對比分析，將宏觀理論與微觀特征有機結合起來。

（2） 沉積特征及層序地層時空尺度的認知。加強多源數據整合，結合遙感、地球物理勘探、鉆孔數據等現代觀測技術，多學科協作，運用地質學、物理學、化學等知識多角度分析，構建更精確的時空尺度沉積特征演變認知框架。對河口海岸沉積體系的分類和主導沉積作用動力的識別需要在分析總體地層堆疊模式或是優勢沉積相的基礎上，進一步考慮復雜的內部地層變化和遺跡特征。

（3） 基于過程的、物理動力機制的多因素耦合作用反演模型的開發及應用。為了更好地理解不同作用因子（如水動力、生物過程、初始地形、海平面上升等）在時空尺度上對層序地層的影響，開發基于綜合動力過程的沉積記錄反演模型有助于分析不同作用因子耦合作用，揭示多因素作用下的層序構建機制，從而更準確地預測氣候變化背景下突發事件（洪水、風暴）對沉積環境的改造及層序特征的長期演變趨勢。

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Sedimentary Stratigraphic Characteristics and Formation Mechanisms of Estuarine Coasts

Abstract：Estuarine and coastal areas，located at the interface between the sea and land，are heavily impacted by human activities such as coastal engineering projects.Strategies for managing impacts are diverse，and depend on the geomorphology，evolution history and dominant processes shaping the system.Techniques such as observing the sedimentary stratigraphic characteristics and coastal numerical modelling have been used to better understand these formative processes.Here we review research findings linking hydrodynamic factors （e.g.，river，tide，and wave） in estuarine and coastal regions to the sedimentary stratigraphic characteristics that are associated with different hydrodynamic processes.The mechanisms through which these forces shape the sedimentary stratigraphy are analyzed，along with episodic dynamic factors such as floods and storms，along with other influencing factors like biological disturbance，sea-level changes，and reclamation projects;all of these affect the formation and preservation of sedimentary stratigraphy.Additionally，the application and mechanistic understanding of numerical methods of interpreting the formation and destruction mechanisms of sedimentary layering are discussed.Finally，some future research directions are proposed，including e.g.，the need of research at the spatiotemporal scales of estuarine and coastal sedimentary layering，and the development of multifactor coupled numerical models.

Key words：sedimentary stratigraphy;estuarine coast;dynamic geomorphology;formation mechanisms;numerical simulation