基于GPR圖像的福建長樂海岸沙丘沉積構造與海岸環境演變

鄧 濤,李志忠,3,靳建輝,3,姜 鋒,賴海成,申健玲,于曉莉,苑秀全

(1.福建師范大學 地理科學學院,福建 福州 350007;2.濕潤亞熱帶生態地理過程教育部重點實驗室,福建福州 350007;3.福建師范大學 地理研究所,福建 福州 350007)

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基于GPR圖像的福建長樂海岸沙丘沉積構造與海岸環境演變

鄧 濤1,2,李志忠1,2,3,靳建輝1,2,3,姜 鋒1,2,賴海成1,2,申健玲1,2,于曉莉1,2,苑秀全1,2

(1.福建師范大學 地理科學學院,福建 福州 350007;2.濕潤亞熱帶生態地理過程教育部重點實驗室,福建福州 350007;3.福建師范大學 地理研究所,福建 福州 350007)

為了探討福建長樂東部海岸環境演變,運用探地雷達(GPR)探測了研究區海岸沙丘的沉積構造,初步得出以下結論:(1)研究區海岸沙丘沉積構造主要由海灘沉積和海岸沙丘沉積構成,其中下伏沉積為海灘波浪作用形成的波狀交錯層理,上覆沉積為風成大角度傾斜的交錯層理以及局部的水平層理; (2)上部發育的傾向向背的大角度風成交錯層理,反映了研究區豐富的沙源、寬闊的海灘、植被擴張的進積海岸特點;(3)從沉積序列分析,研究區海岸地貌環境演變經歷了早期的濱岸淺海到晚期的海岸沙丘帶兩個階段,反映了海岸向東的進積過程中,外力作用由波浪作用為主演變為風沙沉積作用為主。

探地雷達(GPR);海岸沙丘;沉積構造;海岸環境;長樂

doi:10.11759/hykx20150614001

海岸沙丘是形成于陸地、海洋和大氣系統交界面的相當復雜的現象[1-3],海岸沙丘的沉積構造類型及其組合特征,反映了砂質海岸特有的沉積相和沉積環境。因此,海岸沙丘是重建海岸環境演變歷史的重要載體。以往對海岸沙丘沉積構造的研究,大多依賴于天然侵蝕剖面、人工探槽的直接觀察和鉆孔地層資料的綜合分析獲得,20世紀90年代以來,探地雷達(Ground Penetrating Radar,GPR)被廣泛運用于探測沙丘的沉積構造。

探地雷達是用高頻電磁波來確定介質內部物質分布規律的一種地球物理探測方法,具有高效率、無損探測、探測深度較深等優越性,不少學者已經運用GPR探測研究了海岸沙丘的沉積構造。例如Bristow 等[4]采用GPR獲取了英國東部諾福克郡北部進積型海岸海岸前丘的GPR圖像并據此解譯了海岸前丘的沉積構造和演變。Pedersen等[5]以GPR為主要研究手段采集了丹麥日德蘭半島西北部海岸沙丘分布區總長約16 km的GPR剖面,并結合鉆孔資料和14C年齡分析了該地區全新世風沙景觀的變化過程。González-Villanueva等[6]綜合運用GPR、歷史航空像片以及鉆孔資料研究了西班牙西北部Traba海岸沙丘上的槽狀風蝕洼槽和碟形風蝕洼槽的演變。Tamura等[7]借助GPR探測了日本海沿岸鳥取海岸沙丘的沉積構造,并結合光釋光測年研究了該地區海岸沙丘的建造過程。Trivedi等[8]采用GPR對印度嘎奇灣沿岸的海岸沙丘進行了探測,綜合粒度分析,解釋了研究區海岸沙丘的起源。Buynevich等[9]報道了GPR在巴西北部赤道附近Atalaia海岸一個入侵海岸森林的拋物線沙丘內部構造探測中的應用。Dougherty[10]運用GPR探測了新西蘭北部Omaha進積障壁沙嘴現代海灘和海岸沙丘的沉積構造,并從GPR圖像中提取了25個全新世風暴侵蝕-沉積界面。

中國現代海岸沙丘分布廣泛,從北方溫帶半濕潤地區到南方亞熱帶及熱帶濕潤地區的海岸帶都有分布。其中,福建最大的河流——閩江入海口南側的長樂海岸是中國海岸沙丘的主要分布區之一[11-15]。前人在長樂海岸沙丘的成因、分布、形態、結構、構造與發展演變等方面做了不少研究[16-29],李從先等[16]報道了福建長樂文武砂海岸沙丘中的高角度交錯層理、低角度交錯層理、楔狀層理、發散狀層理等層理類型;劉建輝[26]、楊銳[29]通過觀察野外天然露頭和人工剖面發現了福建長樂海岸沙丘中的板狀交錯層理、楔狀交錯層理、水平層理、準同生變形構造(扭曲層理)等層理類型。但目前長樂海岸沙丘沉積構造研究大多只涉及淺表層、局部的沉積構造,缺少連續的、較大深度的海岸沙丘沉積構造信息,妨礙了對海岸沙丘整體沉積構造和沉積環境的認識。本文以探地雷達(GPR)作為主要研究手段,在較大范圍、較大深度上獲得了福建長樂海岸沙丘連續的沉積構造信息,并據此初步探討了研究區海岸環境的演變。

1 研究區概況

研究區位于福建省長樂市濱海平原東部、閩江入海口南側,現代地貌類型為寬闊低平的海積平原或風海積平原(圖1)。閩江是中國東南沿海最大的河流,水量豐富,多年(1950~2010年)平均年徑流量573.9億m3,多年(1950~2010年)平均年輸沙量637萬t[30]。閩江口的沿岸流和波浪的運動方向和季風有明顯的關系。波浪為風浪和涌浪形成的混合浪,方向以NNE-ENE為主,近岸海流在10月至翌年5月流向S-SW向,7~8月為N-NE向,6月和9月為過渡期。閩江大量的入海泥沙在波浪和南下浙閩沿岸流的作用下向南沿海岸帶運移,并形成閩江口南岸典型的堆積型砂質海岸。該段海岸地勢平坦,潮差大(平均值4.5 m,最大值7 m),退潮后可形成寬廣的砂質海灘(寬250~500 m,坡度0.5°~3°),成為福建長樂東部海岸風沙沉積的最主要沙源[19,23,25]。長樂東部海岸屬進積型海岸,據前人的研究[31],自漢代以來,長樂海岸線不斷向東南方向后退。

圖1 研究區地理位置和海岸風沙地貌Fig.1 Geographical location and coastal aeolian landforms of the study area

研究區屬亞熱帶季風氣候,年平均氣溫19.3℃,最冷月(1月)平均氣溫10.2℃,最熱月(7月)平均氣溫28.3℃,多年平均年降水量1382.3 mm且集中在3~ 9月(圖2A)[32]。受季風氣候和臺灣海峽“狹管效應”的影響,研究區風力強勁,秋冬季NE、ENE風頻率高、平均風速可達8 m/s(圖2B、C)[33],為研究區向岸的風沙活動的主要風向,而此時正值降水較少的旱季,起動風速較小,海灘砂在向岸風作用下,由海灘向岸上運移堆積形成海岸風沙地貌。而SSW風為研究區主要的離岸風,主要發生在夏秋季的臺風盛行季節。

現代長樂海岸帶,地勢低平寬闊,在強勁的風力作用、充足的沙源供給、平坦的海岸地形條件下發育了典型的海岸風沙堆積地貌。長樂東部沿海一帶為福建省三大風沙分布區之一,全長約 30 km, 呈NNE-SSW條帶狀平行岸線展布,風沙地面積約79 km2,占全縣耕地面積的43%,從北部的梅花鎮至南部的漳港鎮,主要發育有近岸現代沙丘系統——雛形沙丘、岸前沙丘、平行沙丘和內側早期沙丘系統——線形沙丘、拋物線沙丘、穹形沙丘、新月形沙丘、平沙地等(圖1)[20-21]。岸前沙丘帶由梅花鎮東部海岸起自北向南斷續分布,總長約10 km,受下伏地形影響,沙丘高度起伏不一,最高處海拔約為16 m。岸前沙丘向海坡坡腳散布大量貝殼殼體,靳建輝等[34]在長樂市江田鎮東山村的海岸沙丘底部也發現大量貝類殼體,主要為文蛤和牡蠣,并用光釋光(OSL)測年測得該海岸沙丘的最老年齡為5.6 ka BP±0.4 ka BP。

圖2 研究區氣溫、降水、風向頻率和平均風速Fig.2 Temperature,precipitation,wind frequency,and mean wind speed of the study area

2 材料與方法

研究區海岸風沙地貌類型多樣(圖3),發育了風影沙丘、雛形前丘、風蝕洼槽、斜向沙脊等海岸風沙地貌類型,活動性強,植被較少,主要植物有木麻黃科木本植物木麻黃(Casuarina equisetifolia L.)、莎草科草本植物海濱莎(Remirea maritima Aubl.)、旋花科蔓生草本植物馬鞍藤(Ipomoea pes-caprae(L.)R.Brown)等。風影沙丘是研究區最常見的海岸沙丘類型,數量眾多,大小不一但具有一定的共性,即沙丘走向與盛行風向平行,迎風坡短而陡、背風坡長而緩,迎風坡覆蓋著海濱莎等植物、背風坡砂體裸露。風影沙丘之間相互連接構成了與海岸線平行的雛形前丘。研究區西部有幾處風蝕洼槽,從風蝕洼槽中吹蝕出的風沙在其下風向堆積形成了走向與海岸線斜交的斜向沙脊。

圖3 研究區GPR測線(A)及海岸景觀(B)Fig.3 (A)GPR lines and(B)coastal landscape of the study area

采用的探地雷達(GPR)為加拿大探頭與軟件公司(Sensors&Software Inc.,SSI)生產的pulseEKKO PRO探地雷達。為了確定雷達波在研究區砂體中的傳播速度,選取了一塊地形較為平坦的沙丘表面,運用共中心點法(Common Mid-Point,CMP)進行測量(圖4A),起始收發距(接收機與發射機之間的距離,亦稱天線間距)為0.5 m,發射機與接收機以0.1 m的步長同步向外挪動,測得雷達波速為0.14 m/ns。

在研究區沿東西方向布設了兩條GPR測線(圖3A),兩條測線的走向均垂直現代海岸線,同時與研究區年合成風向成65°~70°交角,即與NE、ENE向岸風以及SSW離岸風大致成65°~70°。其中,測線1由高潮線開始自東向西依次橫穿海灘、雛形前丘和斜向沙脊等地貌類型,止于人工木麻黃防風固沙林帶前緣,長度約100 m;測線2在測線1以北約20 m 處,大致與測線1平行,由高潮線開始自東向西依次橫穿海灘、雛形前丘、風蝕洼槽和斜向沙脊等地貌類型,止于人工木麻黃防風固沙林帶前緣,長度約97 m。沿著上述兩條 GPR測線,采用反射法(Reflection survey)進行探測(圖4B),天線頻率為200 MHz、天線間距為0.5 m、步長為0.1 m。在進行GPR探測的同時,運用美國天寶(Trimble)公司生產的R8GNSS RTK(Real time kinematic)測得了測線1和測線2精細的高程變化信息,用于GPR剖面的地形校正。在室內,運用EKKO_View 2和EKKO_View Deluxe軟件對采集的GPR數據進行了數字濾波、增益調適、地形校正等處理,獲得了兩幅GPR圖像(圖5A、圖6A)。

圖4 共中心點法(A)及反射法(B)示意Fig.4 (A)Common mid-point(CMP)survey and(B)reflection survey

圖5 測線1GPR剖面(A)及解譯的沉積構造(B)Fig.5 (A)GPR profile of Detection-line 1 and(B)its corresponding sedimentary structure image

由于探測區海岸沙丘為防沙重點保護區域,缺少人工挖沙形成的沙丘剖面,但我們前期在福建漳浦六鰲半島海岸拋物線沙丘沉積構造研究中,附近人工挖沙遺留的沙坑剖面所顯示的層理展布特點,很好地印證了探地雷達探測結果的可靠性[35]。

3 結果分析與討論

圖5A為測線1的GPR剖面(增益類型為AGC6),圖5B為解譯得到的研究區海岸沙丘沉積構造圖。從圖5可知,西側高程0 m附近存在一條連續的、強振幅的雷達反射波同向軸,表明該界面上下介質的理化性質存在較大差異。據Bristow等[4]、Pedersen等[5]、Shukla等[36]對海岸風沙沉積不同類型雷達相的歸納和解讀,解譯為地下水位線。地下水位線以下可能受介質含水量增加、導電性增強的影響,雷達信號較弱,無明顯的沉積構造信息。

圖6 測線2GPR剖面(A)及解譯的沉積構造(B)Fig.6 (A)GPR profile of Detection-line 2 and(B)its corresponding sedimentary structure image

地下水位線以上發育多組傾向相背的交錯層理(圖5BⅠ1~Ⅰ6),交錯層理傾角很大,達30°~45°,可能是海岸沙丘內部疊覆發育的層理構造,很大的層理傾角和海岸帶早期草灌叢沙丘上植物固定作用發育的向上彎曲的弧形層理有關,其中部分是早期發育的兩壁較陡的風蝕洼槽被后期風沙充填后顯示的傾角。Clemmensen[37]在研究丹麥海岸風影沙丘的沉積構造時認為,這種由兩組傾向相背的前積紋層構成的交錯層理是海岸風影沙丘特有的沉積構造類型。關于其成因,據Carter和Hellemaa等[38]對愛爾蘭、芬蘭海岸沙丘沉積構造類型與沉積環境的研究,這種交錯層理指示了充足的沙源供給、加積型沙丘表面、寬闊的海灘、海岸進積和植被擴張,這與長樂海岸歷史變遷特點和現帶海岸環境是一致的。

如前所述,長樂海岸帶地勢平坦開闊,位于閩江河口南部,沿岸流帶來大量泥沙,海灘砂供給充足,年均風速大,強勁的向岸風和離岸風隨季節交替變化發育沙丘兩側傾向相背的前積紋層。中國河北昌黎海岸帶發育的典型海岸沙丘帶,也和豐富的沙源、平坦開闊的地形條件以及強勁的向岸風作用有關[39]。

沙丘交錯層理之間常見水平層理(圖5BⅡ1~ Ⅱ3),同時下伏沙丘外側疊覆發育大規模的傾向相背的交錯層理,層理傾角也達到30°~45°(圖5BⅢ1、Ⅲ2),表明早期的海岸沙丘發育之后,被更為年輕的海岸風沙加積覆蓋。測線1西段上部存在若干組較大規模的、趨于水平的雷達反射波同向軸,是上風方向風蝕洼槽中吹蝕出的風沙在該處堆積形成的層理類型(圖5BⅣ)。

此外,測線東側高潮線附近的海灘內部沉積構造信息缺失,可能是因為此處靠近潮間帶,砂體含鹽量和含水量均較大,導電性強,電磁波強烈衰減,接收機接收到的雷達反射信號微弱。Hede等[40]在丹麥西蘭島東南部Feddet灘脊系統上的GPR探測結果也顯示在靠近海岸的地帶由于受到鹽水入侵的影響,雷達反射信號因雷達波強烈衰減而顯得十分微弱。

圖6A為測線2的GPR剖面(增益類型為AGC6), 圖6B為解譯得到的研究區海岸沙丘沉積構造圖。大體上與測線1探測結果類似,高潮線附近的海灘內部沉積構造信息缺失,可能是因為此處靠近潮間帶,砂體含鹽量和含水量均較大,導電性強,電磁波強烈衰減,接收機接收到的雷達反射信號微弱。

高程0 m附近存在一條連續的、強振幅的雷達反射波同向軸,解譯為地下水位線。地下水位線以下可能受介質含水量增加、導電性增強的影響,雷達信號較弱,僅在局部地方出露波狀的雷達反射波同向軸,解譯為波狀交錯層理(圖6BⅠ),可能是波浪和潮汐作用下形成的海灘沉積。

地下水位線以上的雷達反射波同向軸復雜多樣,表征復雜多樣的海岸沙丘沉積構造。與測線1探測結果類似,發育多組傾向相背、呈弧形上凸的交錯層理組合,層理傾角同樣達到30°~45°(圖6BⅡ1~Ⅱ6),推測可能是海岸帶早期發育的草灌叢沙丘的內部層理構造,其中相當部分是現代繼續發育、長軸方向平行盛行風向的風影沙丘。測線2剖面上常見弧形下凹的雷達反射波同向軸,解譯為大型槽狀交錯層理(圖6BⅢ1、Ⅲ2),這可能是在向岸風和離岸風交替作用下,沙丘兩側背風坡季節性交替變化,背風坡風沙下滑在丘間地早期發育的風蝕洼槽基礎上形成的充填構造。測線2西段上部存在若干組較大規模的、趨于水平的雷達反射波同向軸,是上風方向風蝕洼槽中吹蝕出的風沙披覆在下伏沙丘上部所形成的層理類型(圖6BⅣ)。此外,測線2最西端的交錯層理較為破碎(圖6BⅤ),可能是受植物的影響形成的。

綜上所述,長樂海岸沙丘是在亞熱帶濕潤的海洋性季風氣候條件下和晚全新世接近現代海平面背景下形成的。根據兩條GPR測線探測結果顯示,研究區海岸地貌環境經歷了明顯的進積演變過程。早期為濱海淺水,海岸進積之后海水向東退縮,裸露的海灘上部發育植被,植物截留海岸風沙形成若干草灌叢沙丘(風影沙丘),草灌叢沙丘不斷接受風沙堆積而生長壯大,在強勁的向岸風和離岸風交替作用下,草灌叢沙丘之間通過沙丘背風坡風沙的滑落充填作用相互連接在一起。孤立的草灌叢沙丘相互連接在一起構成了海岸前丘帶,海岸前丘之后的有些沙丘上部遭受風力侵蝕形成風蝕洼槽,有些沙丘被來自上風方向風蝕洼槽中吹蝕出的風沙所覆蓋而形成斜向沙脊。

關于研究區下伏濱海沉積層的發育年代,在“福州海侵期”,長樂東部淪為海灣。當時的海岸線在二劉-沙塘坂-渡橋-鶴上-古槐一線,作為當時海侵的證據之一,至今在長樂嶺南還殘留有標高20 m的向風帶浪蝕平臺。此后又逐漸開始海退,閩江輸沙和岸上陸源來沙逐漸在北起沄頭汶石經大宏、厚東、碧嶺、沙堤、鳳洋直至梅花一帶形成了一條沙堤,過梅花、湖南、漳港直至文武砂形成一條砂嘴[26]。約在距今2500年前,研究區已由濱海轉化為澙湖和濱海沼澤環境[21,41]。GPR探測剖面揭示的下伏海灘沉積層主要就是這個時期形成的。

自漢代以來,長樂海岸不斷向東進積,清朝時,海岸線向東推進至研究區西側[30]。因此,GPR探測剖面揭示的上部海岸沙丘的年代非常年輕,可能是清朝末年以來,在出露地表的海灘脊的基礎上形成的。當然,這一結果還需OSL測年、14C測年等絕對年代的進一步驗證。

4 結論

1)研究區海岸沙丘沉積構造類型主要有海灘沉積和風沙沉積兩大類。其中,下伏沉積構造類型主要是產狀平緩的波狀交錯層理,反映了早期潮間帶波浪作用下的海灘沉積作用。上部沉積構造類型主要是風成的大傾角交錯層理以及局部的水平層理。

2)上部廣泛發育的傾向相背的大角度交錯層理,反映了研究區海岸帶豐富的沙源、寬廣低平的海灘、植被不斷擴張的進積海岸沉積地貌環境特征。傾向相背的交錯層理,反映了向岸風和離岸風交替變化作用下的風沙沉積,而較大的層理傾角反映了海岸帶較為普遍的植物固定風積作用的沉積環境特點。

3)從沉積序列分析,研究區的海岸環境經歷了早期的濱海淺灘到晚期的海岸沙丘帶兩個階段,反映了海岸向東的進積過程中,外力作用由波浪作用為主演變為風沙沉積作用為主。若干草灌叢沙丘相互連接在一起構成了海岸前丘帶,海岸前丘之后的有些沙丘遭受風力侵蝕形成風蝕洼槽,有些沙丘被來自上風方向風蝕洼槽中吹蝕出的風沙所覆蓋而形成斜向沙脊,顯示了海岸風沙活動的多樣性與復雜性。

4)從本次探測結果分析,雷達波遭遇海洋鹽水信號會發生強烈衰減,因此GPR不太適合探測海灘的沉積構造,但卻是探測海岸風沙沉積構造的良好手段。

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(本文編輯:劉珊珊)

Sedimentary structure of coastal dunes and evolution of coastal environment in Changle,Fujian,China,by groundpenetrating radar

DENG Tao1,2,LI Zhi-zhong1,2,3,JIN Jian-hui1,2,3,JIANG Feng1,2,LAI Hai-cheng1,2, SHEN Jian-ling1,2,YU Xiao-li1,2,YUAN Xiu-quan1,2

(1.College of Geographical Sciences,Fujian Normal University,Fuzhou 350007,China;2.Key Laboratory of Humid Subtropical Eco-geographical Process(Fujian Normal University),Ministry of Education,Fuzhou 350007,China;3.Institute of Geography,Fujian Normal University,Fuzhou 350007,China)

Jun.14,2016

ground-penetrating radar(GPR);coastal dune;sedimentary structure;coastal environment;Changle City

The east coast of Changle City,Fujian Province,China,is famous for its marvelous coastal dunes.Located to the south of the Min River Estuary,it receives large volumes of sediment from the northeast wind waves and Zhemin coastal currents.Using two parallel lines perpendicular to the shoreline,we applied ground-penetrating radar as a non-invasive technology to determine the sedimentary structure of the coastal dunes.Some preliminary conclusions are as follows:(1)The coastal dunes mainly comprise two parts—wave-deposited beach sands at the bottom capped by aeolian sands,which present hummocky cross stratification and high-angle cross bedding mingled with horizontal bedding,respectively.(2)High-angle cross bedding dipped inversely corresponds to abundant sand sources,a wide beach,and vegetation expansion,which are the characteristics of a progradational coast.(3)On the basis of our sedimentary structure sequence analysis,we infer that two stages occurred in the coastal environment evolution:a shallow sea in the early times and the occurrence and development of coastal dunes.

P92

A

1000-3096(2016)05-0088-09

2015-06-14;

2015-10-10

國家自然科學基金項目(41271031,41301012,U1405231);福建省自然科學基金項目(2013J01153,2014J01151)

[Foundation:National Natural Science Foundation of China,No.41271031, No.41301012,No.U1405231;Provincial Natural Science Foundation of Fujian,No.2013J01153,2014J01151]

鄧濤(1989-),男,福建寧化人,碩士研究生,主要從事地貌過程與環境演變研究,電話:15259841905,E-mail:dt_2158@126.com;李志忠,通信作者,教授,博士,主要從事地貌過程與環境演變研究,電話:13799382329,E-mail:lizz@fjnu.edu.cn