沉積分異作用與河口海洋沉積

(上海市海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,上海200233)

沉積分異作用與河口海洋沉積

李玉中

(上海市海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,上海200233)

沉積分異作用在解釋表層沉積現(xiàn)象時(shí)具有重要意義。在水流輻聚或輻散區(qū)域，表層沉積物將因輻聚和輻散運(yùn)移而分別呈細(xì)化和粗化狀態(tài)。河口區(qū)細(xì)顆粒沉積區(qū)的形成，是因?yàn)楹涌趨^(qū)存在底層余流輻聚的滯流區(qū)現(xiàn)象；東中國(guó)海渦旋區(qū)泥質(zhì)沉積現(xiàn)象的形成，是因?yàn)闇u旋區(qū)存在指向渦旋中心的底層輻聚流；浙閩沿岸泥質(zhì)沉積現(xiàn)象是近岸的浙閩沿岸流和遠(yuǎn)岸的臺(tái)灣暖流之間存在余流輻聚帶；英吉利海峽寬度最窄處的沉積物粗化現(xiàn)象，是因該處沉積物在水流作用下呈分離運(yùn)移趨勢(shì)所引起。

沉積分異作用；表層沉積物；河口；海洋；潮流

0 引 言

機(jī)械沉積分異現(xiàn)象是指沉積物按顆粒大小、形狀和密度等出現(xiàn)的有規(guī)律分布現(xiàn)象。前蘇聯(lián)學(xué)者普斯托瓦洛夫(Пустовалов)于1937—1940年提出沉積分異作用理論(魯欣，1955；列茲尼科夫，1959)。普斯托瓦洛夫?qū)⒊练e分異作用分為主要受物理原理支配的機(jī)械沉積分異作用和主要受化學(xué)原理支配的化學(xué)沉積分異作用。對(duì)機(jī)械沉積分異作用來(lái)說(shuō)，主要決定因素是沉積物的顆粒大小、形狀、密度以及搬運(yùn)介質(zhì)的性質(zhì)和速度。如在沉積物的搬運(yùn)方向上，按粒度依次出現(xiàn)礫巖、砂巖、粉砂巖和黏土巖的現(xiàn)象或按密度依次出現(xiàn)金、黃鐵礦、鉻鐵礦、石英和石墨的現(xiàn)象(魯欣，1955；列茲尼科夫，1959；曾允孚等，1986)。機(jī)械沉積分異作用常被用以判斷沉積物的物源地，即距物源地越遠(yuǎn)，通常沉積物的粒度越細(xì)。

將沉積物粒度變化與搬運(yùn)距離聯(lián)系起來(lái)，較早可追溯到1875年Sternberg的研究成果。20世紀(jì)30年代以后，將沉積物中卵石大小的區(qū)域變化進(jìn)行制圖以推斷古水流方向已十分普遍(波特等，1984)。

普氏提出沉積分異作用以后，引起了很大的反響和熱烈的爭(zhēng)論(列茲尼科夫，1959；曾允孚等，1986)。沉積分異作用理論在尋找沉積物來(lái)源、分析古水流方向和指導(dǎo)礦產(chǎn)調(diào)查等方面發(fā)揮了重要作用。

沉積分異作用多用于解釋陸域單向水流作用下的沉積現(xiàn)象，對(duì)于入海河口和海洋等受往復(fù)潮流作用的水域，沉積過程復(fù)雜，有時(shí)很難直接運(yùn)用沉積分異作用解釋沉積物的分布特征。但對(duì)于特殊水動(dòng)力條件下的潮流水域，仍可以運(yùn)用沉積分異作用理論解釋部分沉積現(xiàn)象。

1 河口海洋水動(dòng)力作用和沉積分異特點(diǎn)

水流的輻聚和輻散是水流運(yùn)動(dòng)的2種特殊狀態(tài)。根據(jù)沉積分異作用可以推斷：在水流輻聚的水域，表層沉積物將呈細(xì)化狀態(tài)；在水流輻散的水域，表層沉積物將呈粗化狀態(tài)。這可在室內(nèi)水槽中作簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)證明，向水槽中央放水或從水槽中央抽水，即可形成水流輻聚和輻散形態(tài)，一段時(shí)間后，水槽中央的沉積物呈現(xiàn)粗化或細(xì)化狀態(tài)。

在入海河口和海洋，由于周期性的潮流作用，水動(dòng)力作用較為復(fù)雜。經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，經(jīng)過1個(gè)或多個(gè)潮周期后，如果去除周期的潮流，會(huì)存在往某個(gè)方向的凈流動(dòng)，稱之為歐拉余流(簡(jiǎn)稱余流)。一般地，余流的方向可近似地看作泥沙運(yùn)動(dòng)的凈方向。在入海河口和海洋等受潮流作用顯著影響的水域，如果存在余流輻聚或輻散的現(xiàn)象，根據(jù)沉積分異作用可以推斷，在輻聚或輻散的水域?qū)⒊霈F(xiàn)表層沉積物粗化或細(xì)化現(xiàn)象。

當(dāng)水流出現(xiàn)環(huán)流時(shí)，在底層也會(huì)出現(xiàn)向中心的水流輻聚現(xiàn)象。同樣地，在環(huán)流中央也會(huì)出現(xiàn)沉積物細(xì)化現(xiàn)象。簡(jiǎn)單的環(huán)流水槽實(shí)驗(yàn)也可證明，在環(huán)流中心出現(xiàn)細(xì)顆粒泥沙的輻聚效應(yīng)。

2 河口海洋沉積分異現(xiàn)象

2.1 河口區(qū)細(xì)顆粒物質(zhì)沉積現(xiàn)象

河口區(qū)普遍存在著表層細(xì)顆粒物質(zhì)沉積現(xiàn)象，而在其向陸和向海一側(cè)均為粒度較粗的沉積物。細(xì)顆粒沉積物在河口區(qū)的富集，是因?yàn)楹涌趨^(qū)存在底層余流輻聚的滯流區(qū)現(xiàn)象所引起。眾所周知，河口區(qū)普遍存在表層余流向海、底層余流向陸的河口余環(huán)流現(xiàn)象，在河口余環(huán)流向陸一側(cè)的端點(diǎn)即為底層余流會(huì)聚的滯流區(qū)(余流值約為0)。在滯流區(qū)向河口上游一側(cè)，徑流的下泄作用居優(yōu)勢(shì)，余流向海；在滯流區(qū)向海一側(cè)，底層向陸的漲潮流居優(yōu)勢(shì)，余流向陸。底層余流輻聚將使細(xì)顆粒泥沙被優(yōu)先輻聚至滯流區(qū)，從而導(dǎo)致河口區(qū)細(xì)顆粒物質(zhì)沉積現(xiàn)象的形成。由于大、小潮和洪、枯季的周期變化，河口區(qū)通常有2個(gè)滯流點(diǎn)的常駐位置。如長(zhǎng)江河口的南港、北槽和南槽水道中央各有2個(gè)細(xì)顆粒物質(zhì)沉積區(qū)(圖1)，分別與滯流點(diǎn)的常駐部位基本一致(陳吉余等，1988；陳吉余，1995)。在Hudson河口也存在2個(gè)表層細(xì)顆粒物質(zhì)沉積區(qū)(Wooddruff et al，2001)。在洋山港海域島鏈峽道的西部存在底層余流會(huì)聚的滯流區(qū)現(xiàn)象，該滯流區(qū)的表層沉積物亦為粒度最細(xì)的黏土(圖2)(李玉中等，2002)。

余流的輻聚不僅會(huì)導(dǎo)致表層沉積物的細(xì)化，也會(huì)導(dǎo)致懸沙濃度的增高。早期和近期的研究成果不斷表明，滯流區(qū)現(xiàn)象是河口區(qū)最大渾濁帶形成的主導(dǎo)機(jī)制(陳吉余等，1988；沈煥庭等，1988；茅志昌等，2001；李玉中等，2002)，高懸沙濃度區(qū)(最大渾濁帶)通常也是細(xì)顆粒泥沙沉積區(qū)，長(zhǎng)江河口和Wester河口(圖3)，甚至洋山港海域都如此(陳吉余，1995；李玉中等，2002；Markofsky et al，1986)。

圖1 長(zhǎng)江河口表層沉積物分布圖(陳吉余，1995)

圖2 洋山港海域表層沉積物分布圖(李玉中等，2002)

圖3 Wester河口懸沙濃度縱剖面和表層沉積物分布圖(Markofsky et al，1986)

2.2 東中國(guó)海渦旋區(qū)泥質(zhì)沉積現(xiàn)象

東中國(guó)海流場(chǎng)的顯著特征是存在幾個(gè)中尺度的渦旋區(qū)，如濟(jì)州島西南、南黃海中部和北黃海中部的渦旋，這些渦旋中心的底質(zhì)均為泥質(zhì)沉積物，而渦旋周邊卻為砂質(zhì)和粉砂質(zhì)沉積物(圖4)(劉錫清，1990；胡敦欣等，2001)。渦旋流動(dòng)的特征是其底層通常存在著指向渦旋中心的輻聚流(表層為輻散流)。正是由于渦旋底部的輻聚流，導(dǎo)致了渦旋中心的泥質(zhì)沉積。

研究表明，濟(jì)州島西南的渦旋區(qū)還有著相對(duì)高的懸沙濃度(高抒等，1999)，這與河口滯流區(qū)呈現(xiàn)高懸沙濃度是一致的，也進(jìn)一步說(shuō)明細(xì)顆粒泥沙較之粗顆粒泥沙更容易被輻聚。濟(jì)州島西南的泥質(zhì)沉積區(qū)較之周邊陸架砂質(zhì)沉積區(qū)有著更高的沉積速率(李凡等，2001)，這與河口區(qū)的高沉積速率也是一致的。

圖4 東中國(guó)海流系和泥質(zhì)沉積區(qū)分布圖(據(jù)劉錫清，1990；胡敦欣等，2001；Park et al，1999改編)①-北黃海泥質(zhì)沉積區(qū)；②-南黃海中部泥質(zhì)沉積區(qū)；③-南黃海東部泥質(zhì)沉積區(qū)；④-濟(jì)州島西南泥質(zhì)沉積區(qū)；⑤-浙、閩沿岸泥質(zhì)沉積區(qū)

水流的輻聚導(dǎo)致泥沙的輻聚，容易形成水下地形的隆起(水流輻散導(dǎo)致沖刷)，在河口滯流區(qū)附近即存在攔門沙現(xiàn)象，渦旋區(qū)應(yīng)有類似的效應(yīng)。盡管濟(jì)州島西南、南黃海中部和北黃海的渦旋區(qū)的海底地形并沒有隆起特征，一個(gè)實(shí)例來(lái)自南黃海東部。南黃海的泥質(zhì)沉積區(qū)有中部和東部2塊(圖4)，2塊泥質(zhì)沉積區(qū)均為渦旋區(qū)，中部為氣旋型渦旋，東部為反氣旋型渦旋。東部的泥質(zhì)沉積區(qū)的地形凸起，且泥質(zhì)沉積物厚度遠(yuǎn)比南黃海中部的泥要高，最厚達(dá)50 m以上，這與東部泥區(qū)的流速?gòu)?qiáng)于中部泥區(qū)有關(guān)，該處的流速已達(dá)泥質(zhì)沉積物的侵蝕流速(李紹全等，1998；趙一陽(yáng)等，1998；申順喜等，2000)，這說(shuō)明較強(qiáng)的輻聚流導(dǎo)致高沉積速率。

2.3 浙、閩沿岸泥質(zhì)沉積現(xiàn)象

浙閩沿岸的泥質(zhì)沉積物主要源自長(zhǎng)江入海泥沙向南的擴(kuò)散，冬季是長(zhǎng)江入海泥沙向南擴(kuò)散的主要季節(jié)，冬季北風(fēng)所致的南向浙、閩沿岸流是長(zhǎng)江入海泥沙向浙、閩沿岸輸運(yùn)的主要?jiǎng)恿Γh(yuǎn)岸的臺(tái)灣暖流終年向北流動(dòng)，在近岸的浙、閩沿岸流和遠(yuǎn)岸的臺(tái)灣暖流之間(圖4)存在著接近0流速的余流輻聚帶，該帶具有渦旋的性質(zhì)。根據(jù)沉積分異作用的推論，流的輻聚是導(dǎo)致浙、閩沿岸泥質(zhì)沉積的主導(dǎo)機(jī)制。浙、閩沿岸細(xì)粒沉積帶的中央沉積物最細(xì)，兩側(cè)變粗，即由岸向海方向，沉積物的變化規(guī)律是粗→細(xì)→粗(秦蘊(yùn)珊等，1982)，這正是流的輻聚所致的沉積特征。

浙、閩沿岸的泥質(zhì)沉積和南黃海東部的泥質(zhì)沉積在成因上是相似的，即都是因近岸的沿岸流和遠(yuǎn)岸的海流反向(前者是浙、閩沿岸流和臺(tái)灣暖流反向，后者是朝鮮沿岸流和黃海暖流反向，圖4)，在2個(gè)反向的海流之間形成渦旋，這也是浙、閩沿岸存在上升流的原因之一。

2.4 英吉利海峽沉積特征

英吉利海峽存在表層沉積物運(yùn)移分離現(xiàn)象，分離帶位于海峽寬度最窄處的科唐坦半島和懷特島之間，分離帶以東的沉積物向東運(yùn)移，以西的沉積物向西運(yùn)移(Kenyon et al，1970；Grochowski et al，1993)。英吉利海峽表層沉積物的分離運(yùn)移趨勢(shì)與優(yōu)勢(shì)潮流方向一致(Kenyon et al，1970)，由此可知，在分離帶兩側(cè)存在余流分離現(xiàn)象，即余流分離導(dǎo)致了表層沉積物分離運(yùn)移現(xiàn)象。由于細(xì)顆粒沉積物更容易被分離運(yùn)移，分離區(qū)的表層沉積物將呈粗化狀態(tài)，這與英吉利海峽的沉積特征是吻合的。分離帶的沉積物是粒度最粗的卵礫，自分離帶向東或向西，表層沉積物粒度依次變細(xì)，即依次為礫、砂質(zhì)礫。

3 結(jié) 論

將沉積分異現(xiàn)象的形成機(jī)制與水動(dòng)力特點(diǎn)結(jié)合，可以解釋部分入海河口和海洋的沉積現(xiàn)象。根據(jù)沉積分異作用可以推斷，在水流輻聚或輻散區(qū)域，表層沉積物將因輻聚和輻散運(yùn)移而分別細(xì)化和粗化狀態(tài)。據(jù)此可以認(rèn)為：河口區(qū)細(xì)顆粒沉積區(qū)的形成，是因?yàn)楹涌趨^(qū)存在底層余流輻聚的滯流區(qū)現(xiàn)象；東中國(guó)海渦旋區(qū)泥質(zhì)沉積現(xiàn)象的形成，是因?yàn)闇u旋區(qū)存在指向渦旋中心的底層輻聚流；浙、閩沿岸泥質(zhì)沉積現(xiàn)象是近岸的浙閩沿岸流和遠(yuǎn)岸的臺(tái)灣暖流之間存在余流輻聚帶；英吉利海峽寬度最窄處的沉積物粗化現(xiàn)象，是因該處沉積物在水流作用下呈分離運(yùn)移趨勢(shì)所引起。

亦如早期的文獻(xiàn)指出，沉積分異作用闡述的是沉積過程中的一般性原則，它無(wú)疑會(huì)受到地貌條件、不同物源的摻混作用以及分異作用進(jìn)行得不夠完全等實(shí)際因素的制約，但認(rèn)識(shí)到沉積分異作用基本原理的重要意義，仍有助于認(rèn)識(shí)自然界許多沉積現(xiàn)象形成的主導(dǎo)機(jī)制。

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Sedimentation differentiation and surface deposition for estuary and oceans

LIYu-zhong

(Shanghai Institute of Ocean Planning and Design, Shanghai 200233, China)

Sedimentation differentiation was helpful to explain the phenomenon of surface deposit. Based on the theory, it could be deduced that in the area with convergent currents, the surface deposit would be finer and in the area with divergent currents, the surface deposit would be coarser. According to this deduction, the author considered that: the finer surface deposit in estuaries was formed by the bottom convergent residual current. The surface muds in eddies of the East China Sea were formed by the convergent currents in the bottoms of the eddies. The surface muds along the coasts of Zhejiang and Fujian Provinces were formed by the convergent residual currents, which were distributed between the coastal currents and Taiwan warm current. The coarsening phenomenon of the deposit in the narrowest of English Channel was resulted by the divergent trend of sediment transportation there.

Differentiation of sedimentation; Surface deposit; Estuary; Seas and oceans; Tidal current

10.3969/j.issn.1674-3636.2014.04.556

2014-02-26；

：2014-03-17；編輯：侯鵬飛

上海市海洋局科研專項(xiàng)“上海市科技興海戰(zhàn)略研究”(滬海科2013-05)，“江海聯(lián)動(dòng)水動(dòng)力水質(zhì)基礎(chǔ)調(diào)查及數(shù)值模擬研究”(滬海科2011-06)，“上海市近岸海域功能區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀、存在問題及對(duì)策研究”(滬海科2012-04)，“長(zhǎng)江口杭州灣水域納污能力及限制排污總量研究”(滬海科2014-01), 上海市科委科研計(jì)劃項(xiàng)目“長(zhǎng)江口泥沙資源可持續(xù)利用方案研究”(12231203104)資助

李玉中(1970— )，男，高級(jí)工程師，碩士，自然地理學(xué)專業(yè)，主要從事海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究,E-mail：lyzshy@sina.com

P731.2；P736.2

：A

：1674-3636(2014)04-0556-05