江蘇大豐中潮灘大小潮周期沉積特征研究

柏春廣, 龔小輝, 王 建

(1. 東南大學 交通學院, 江蘇 南京 210096; 2. 江蘇第二師范學院 城市與資源環境學院, 江蘇 南京210013;3. 南京師范大學 地理科學學院, 江蘇 南京 210097)

淤泥質潮灘中的沉積韻律層記錄了潮汐周期的變化, 由潮汐周期可以推算出沉積時間和沉積速率,并且由古潮汐韻律的研究還可推算出古地球、月球軌道參數, 因此研究者們一直對該領域的研究非常重視。利用古代潮汐沉積韻律對古環境進行解釋的可靠性在很大程度上需以現場連續的現代潮灘沉積的實地觀測為基礎, 已有研究中不同區域的觀測資料很好地揭示了從漲落潮周期[1]、大小潮周期[2-5]到年周期[6-8]和長周期[9]的“潮灘循環”, 以及風浪在開敞潮灘短期演變中的作用[10], 從而為潮汐韻律層成因機制的解釋及區域差異的分析奠定了良好的基礎。然而關于潮灘不同微地貌的沉積差異的研究仍顯得非常不夠, 為突出微觀尺度上潮灘沉積差異,使潮汐韻律層作為高分辨率測年工具的可適用性得到清晰的展示, 本項研究以江蘇大豐淤泥質潮灘中的中潮灘的現場連續半個月的沉積觀測資料為依據,探討中潮灘不同部位的潮灘沉積隨時間的變化及其空間差異。

1 研究區概況

江蘇大豐海岸為半開敞型邊緣海海岸, 因受北部的廢黃河口和南部長江口的影響, 泥沙來源豐富,淤進型潮灘。灘面寬闊平坦, 平均寬度為 8～10 km,由于多次圍墾, 有的地方已不足5 km, 平均坡度0.5‰。潮汐類型為不規則半日潮, 平均潮差3.68 m, 屬于中等潮差海岸, 潮流類型為旋轉流。全年平均風速, 近海為 4～5 m/s, 海上為 5～7 m/s, 風向以 NNE、NEE為主。盛行偏北向浪, 波高小于l m的波浪的出現頻率為85%[11]。

該區在地貌格局上屬于華東凹陷, 為江蘇輻射沙洲內緣區典型的粉砂淤泥質海岸, 由海向岸沉積物顆粒逐漸變細。較大的潮差和較高的泥沙含量, 使得這里的沉積速率較快, 是研究現代潮汐沉積比較理想的區域。

實地觀測地點位于大豐市川東港閘以北 10 km的粉砂淤泥質光灘上, 樣品采集點為圖 1中的C(33°07′02″N, 120°50′42″E)、D(33°07′26″N,120°51′11″E)、E(33°07′48″N,120°51′34″E)三點, 它們均介于小潮高潮位和小潮低潮位之間, 即屬于中潮灘, 并且分別位于中潮灘的上、中、下部。C點位于大米草灘與光灘交界處, D點位于泥砂混合灘, E點位于粉砂細砂灘。C, D兩點相距約1 000 m, D, E兩點相距約900 m。圖中的A, B兩觀測點是為更長時間尺度潮灘沉積的觀測而設置。

圖1 研究區位置及采樣點分布Fig.1 Study area and sampling sites

2 研究方法

2.1 野外觀測

為了弄清研究區中潮灘的大小潮周期沉積特征,課題組成員于2007年7月28日至8月14日間, 對C, D, E三個點進行了半個月的連續觀測及系統采樣,期間潮汐經歷了從大潮到小潮, 再到大潮的過程。具體采樣方法為: 在每個觀測點分別設置自制的沉降板(50 cm×40 cm)三塊, 使沉降板的表面與灘面保持在同一水平面(圖 2)。漲潮時, 潮水攜帶的泥沙在高平潮時逐步沉降下來, 低平潮時, 到灘面上采集沉降板上的泥砂沉積樣, 裝入采樣袋并密封, 按日期和采樣點編號, 以供室內分析, 觀測了 30個漲落潮周期的沉積, 共采集潮水沉積樣90個。由于灘面沉積物含水量較大, 尤其是位于上部的 C點, 因此灘面柱狀樣的采集往往非常困難。

圖2 沉降板和沉降板上的沉積物照片Fig. 2 Photographs of sedimentation board and the sediments on the board

2.2 室內實驗分析

將野外采集到的樣品帶回實驗室, 進行粒度、沉積通量及磁化率等指標的測定, 樣品的測試工作是在南京師范大學地理科學學院環境演變與生態建設實驗室完成的。

在粒度測定之前, 對沉積樣品進行了預處理,具體步驟為: 利用H2O2去除沉積物樣品中的有機質;用 HCl去除碳酸鹽、鈣膠結物; 用清水中和并清洗鈣、氯離子; 用六偏磷酸鈉(NaPO3)6溶液作為分散劑,用超聲波對樣品進行分散。樣品預處理完畢后, 利用Mastersizer 2000激光粒度儀進行測試, 粒度參數采用福克和沃德在1957年提出的公式進行計算的。

樣品沉積通量的測定, 是通過室內對樣品烘干稱重, 用所得值減去包裝袋的重量, 獲得每次潮水沉積物的凈沉積量。再將沉積量除以沉積面積, 得出沉積通量。用公式表示為:Q=M/S, 其中M代表沉積物質量, 單位為g;S代表沉積面積, 單位為cm2;Q代表沉積通量, 單位為g/cm2。

對取自C點、D點、E點的共計90個沉積物樣品在實驗室進行了磁化率的測試。具體方法是: 將樣品在低于 40℃的烘箱內烘干, 在瑪瑙研缽中碾碎干樣, 以不損壞自然顆粒為度, 用 10 cm3無磁性圓柱形聚乙烯樣品測量盒裝滿碾碎后的樣品, 壓實、固定并稱重。用英國產Bartington MS2型磁化率儀對樣品進行低頻(0.47 kHz)磁化率的測試。為保證樣品的測量精度, 每個樣品從不同角度至少重復測量四次,取其平均值。為避免人為因素的影響, 對異常高值重復測量多次, 誤差不超過3%, 以保證測量的精度。

3 結果和討論

3.1 沉積物粒度的變化

在本項研究的潮灘沉積觀測時期, 潮汐經歷了從大潮到小潮、再到大潮的半個月的變化,這在潮位的變化中可以得到很好的體現。其中, 8月8日下午的沉積為臺風“帕布”形成的風暴潮沉積, 在“帕布”的影響下, C點沉積物的顆粒較風暴潮前要明顯粗很多, E點沉積物顆粒則較風暴潮前要細, D點變化不明顯, 關于其詳細變化特征與成因將在另外的論文中作探討, 在此不進行詳細描述。在進行沉積物大小潮周期的粒度變化與潮位及波浪關系分析時未將風暴潮沉積計入其中。文中所用的潮位資料來源于大豐港, 風速和浪高等氣象資料為鹽城氣象網的對近海海面天氣預報數據。

粒度測試結果顯示, 觀測期間C, D, E點的沉積物平均粒徑變化范圍分別為: 4.94Φ～7.29Φ,4.48Φ～5.48Φ, 4.24Φ～5.55Φ。C, D, E 點的中值粒徑變化范圍分別為: 4.67Φ～7.17Φ, 4.30Φ～4.99Φ, 4.05Φ～4.91Φ, 圖3顯示了觀測期間沉積物粒徑的變化與高潮位潮高及近海浪高的對比關系。由圖可見: 就同一次漲落潮而言, 位于中潮灘上部的 C點的沉積物顆粒明顯比中部的D點和下部的E點要細。這是因為C點離岸最近, 高程最高, 水位較淺, 潮能也稍弱,潮水攜帶泥沙的能力最弱, 細顆粒的物質才能被帶到該位置形成沉積, E點情況相反。

圖3 沉積物中值粒徑變化與高潮位潮高、近海浪高的對比Fig. 3 Variation comparison of median grain size of sediments, high-tide level and wave height in the offshore area

在8月8日受臺風影響之前, 三個觀測點總體顯示出隨著高潮位潮高的不斷降低, 沉積物顆粒不斷變粗, 即在大潮期間, 沉積物顆粒反而較細。可能是由于潮位較高時, 水深較深, 潮流速較大, 潮水中的泥沙在中潮灘不能沉降; 而在水深較淺、落潮流速較小時, 一些細粒物質才沉積下來, 從而使沉積物顆粒較細。同樣, 在風暴潮過后, 高潮位的潮高在不斷增大, 而中值粒徑的變化除 C點顯示出顆粒變粗外,其他兩點并未出現這一現象。相反, 中值粒徑與波浪卻有著較為密切的關系: 在浪高較大時, 沉積物的顆粒較粗, 浪高較小時, 沉積物的顆粒較細。可見,若波浪作用較強, 超過了潮流對沉積物的影響, 從而可能成為決定潮灘泥沙沉降的主要因子, 并且對中潮灘不同部位的影響也有明顯差異。這一點與以往研究中所觀測到的高潮灘沉積物顆粒的粗細變化與潮位之間的強相關性有著明顯區別。

粒度參數的計算結果顯示, 三個觀測點自7月28日至8月14日, 沉積物平均粒徑總體變粗, 分選變好。在沉積物粒度組成的變化上表現為: C點與D點在該時間段, 極細砂和粗粉砂的含量逐漸增大, 細粉砂和黏土的含量逐漸減少; E點在該時間段, 細砂與極細砂含量增大, 細粉砂與黏土含量逐漸減少, 在臺風期間, 粗粉砂的含量也較少。這就進一步顯示了: 在中潮灘, 波浪對沉積物的影響可能比潮汐的影響更加明顯。

3.2 沉積通量的變化

沉積通量的變化和潮水能夠攜帶的泥沙量、沉積時間、沉積灘面的粗糙程度、退潮時帶走的沉積物多少等存在密切關系。理論上由小潮向大潮的過程中, 潮水的能量逐漸增大, 潮水能夠攜帶的泥沙量逐漸增加, 沉積的泥沙量也逐漸增加, 到大潮時, 潮水的能量達到最大值, 能夠攜帶的泥沙量最大, 同時灘面過水時間長, 大潮時的沉積通量應該最大。大潮向小潮的過程中, 沉積通量逐漸減小。然而, 本項研究中實際測得的沉積通量并不完全符合這一理論, 具體見圖4。

由圖4中3個觀測點的沉積通量的變化不難看出: 在中潮灘, 弱浪期間的大潮向小潮轉化過程中,在中潮期間沉積通量達到高峰值, 且達到峰值的時間自陸向海推遲; 強浪期間的小潮向大潮轉化過程中, 達到峰值的時間自海向陸推遲。這種中潮灘不同部位沉積通量峰值出現時間的差異, 與潮汐作用過程中不同部位的水深變化時間差異相關, 水深先變淺的部位先達到沉積通量的峰值。

就每一次漲落潮而言, 三個觀測點沉積通量值基本表現為C點最小, E點最大, D點介于其間, 這可以從C點到E點水動力增強, 海水浸沒時間延長得到解釋。

3.3 沉積物磁化率的變化

對C, D, E三個觀測點的沉積物樣都進行了磁化率測試, 每個樣品重復測量四次, 取其平均值, 其結果如圖5所示。

圖4 沉積通量及其與潮差、近海浪高對比Fig. 4 Variation comparison of sedimentary mass per unit area, tidal range and wave height in the offshore area

圖5 沉積物樣品質量磁化率變化Fig. 5 Variation of mass susceptibility of sedimentary samples

各觀測點沉積物的質量磁化率在連續半個月中都出現了多個峰值, 無明顯的時間變化規律。但三個觀測點之間仍存在明顯差異, C點距離海岸最近, 沉積物粒徑最小, 其連續半個月沉積物的磁化率平均值最小, 為5.35×10-7m3/kg, D點距離海岸居中, 其連續半個月沉積物的磁化率平均值為8.42×10-7m3/kg, E點距離海岸最遠, 沉積物粒徑最粗, 其連續半個月沉積物的磁化率平均值最大,為8.54×10-7m3/kg。這與前人研究的粉砂淤泥質海岸, 自陸向海沉積物磁化率逐漸增大[12]的結論相一致。

為探討質量磁化率與樣品粒級組分之間的關系,對每一個觀測點取30個樣用SPSS軟件進行統計分析, 質量磁化率值與樣品各粒級組分百分比的相關性見表1。

從表 1可以看出, 本區中潮灘磁化率總體上與細砂(2Φ～3Φ)、極細砂(3Φ～4Φ)關系最為密切, 可能是磁性礦物更多地富集在細砂、極細砂中。

表1 質量磁化率與沉積樣品不同粒級組分百分比之間的相關性比較Tab. 1 The correlation coefficients of mass susceptibility and grain sizes of sedimentary samples

4 結論

通過以上對研究區所采集的沉積物樣品的粒度、沉積通量及磁化率等的分析可以得出如下結論:(1)與高潮灘不同, 中潮灘沉積物顆粒粗細的變化在大小潮周期中即使在弱浪期間與潮汐周期變化也不具有很好的對應關系; 而強浪對中潮灘沉積的影響往往明顯超過潮汐的作用。(2)中潮灘不同微地貌部位的沉積無論在顆粒大小, 還是沉積通量方面都有著明顯的差異, 上部的沉積物顆粒明顯細于中部和下部, 并且沉積通量自岸向海也呈增加的趨勢。(3)在一個大小潮周期中, 中潮灘不同地貌部位出現沉積通量峰值的時間差異與灘面高程、潮汐和波浪共同作用的水深有著比較密切的關系。(4)研究區中潮灘沉積物質量磁化率與粒徑組分中的細砂和極細砂關系密切, 并且磁化率呈現由陸向海增加的趨勢。

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