煙臺芝罘灣底質沉積物粒度特征和沉積動力環境研究

湯世凱，于劍峰，李金鵬，趙輝，王偉，扈勝濤，李鵬程

(1.山東省海洋地質勘查院,山東 煙臺 264004；2.山東省第三地質礦產勘查院,山東 煙臺 264004)

0 引言

海底沉積物是水動力條件、物質來源和生物活動等多因素共同作用的結果。通過研究分析沉積物的粒度特征，能夠合理地推測出沉積水動力環境、沉積物運移趨勢和物質來源等信息，前人在河口海岸等區域開展過大量的研究并取得一定成果[1-4]。在芝罘灣及鄰近海域，前人的研究內容多側重于沉積物重金屬污染、地質環境等[5-8]，沉積物粒度及相關方面的研究相對較少，精度較低[9-10]，且未能進一步探索區域水動力條件和運移趨勢等。

該次工作充分利用芝罘灣海域的底質沉積物樣品，進行粒級組分測試，劃分沉積物類型，計算粒度相關參數，分析討論芝罘灣海域沉積物運移趨勢、物質來源和水動力條件。

1 海洋水文概況

芝罘灣海域位于膠東半島東北部，受海洋調節顯著，海洋性氣候特點表現突出，年主導風向春夏季為南風和偏南風，冬季為北風和偏北風。芝罘島東為套子灣(又稱芝罘西灣)，西為芝罘灣。套子灣海區強浪向為NE向，次強浪向為NNE，NNW和NE向；常浪向為NW向，次常浪向為NNE向。潮汐屬于規則半日潮，潮流為不規則的全日潮流，潮流的運動形式以NE—SE向為主。芝罘灣海區灣外常浪向為NW，N和NNW向，強浪向為N向，次強浪向為NNE向。灣內常浪為NW向，強波為NNE向。潮汐屬于規則半日潮，潮流為規則全日潮流和不規則全日潮流，潮流的運動形式以NE—SE向為主。匯入海域的河流主要為夾河、辛安河、魚鳥河、沁水河等。海底地貌受河流與海水的共同影響，由灣頂至灣口依次形成沙洲淺灘、水下岸坡和淺海平原。

2 樣品來源及分析

為開展芝罘灣海岸帶水工環地質調查工作，在芝罘灣海域采取了110個底質沉積物樣品，樣品所處水深<30m等深線。受海水深度以及養殖區的影響，樣品全部利用漁船、蚌式采樣器完成。取樣位置如圖1所示，采樣間距東西平均為2km，南北平均為4km。采樣過程中先進行水深測試，然后再進行表層取樣，取樣后樣品迅速裝入塑料樣品袋中，排氣密封，盡量保持原始狀態，以備實驗室測試分析。

1—取樣點位置；2—等深線；3—地理位置圖1 底質沉積物取樣位置

沉積物粒度分析采用Winner2008激光粒度分析儀(濟南微納顆粒儀器股份有限公司生產)，誤差為0.01%。處理流程如下：首先將取回來的樣品置于玻璃杯中，加純凈水和0.5mol/dm3的六偏磷酸鈉，浸泡24h，并每隔8h輕輕攪拌1次，使樣品充分分散；然后將浸泡樣品倒入激光樣品槽中，加超聲振動、加高速離心，使樣品再次充分分散；最后測定粒級質量分數，分析結果誤差小于3%。分析測試標準依據國家海洋調查規范執行[11]。

粒度分析采用Udden-Wentworth等比制Φ值粒級標準及其術語[12]，沉積物分類和命名采用Folk等人的分類命名圖解[13]，粒度參數(平均粒徑、分選系數、偏度、峰度)計算采用Folk-Ward法[14]。對所取得的粒度參數，用粒度參數分級進行定性分類描述(表1)。

3 結果

3.1 沉積物類型及分布

根據110個底質沉積物樣品測試結果，總結底質沉積物類型組分特征(表2)和分布(圖2、圖3)。芝罘灣海域底質沉積物類型共有礫質砂、砂、粉砂質砂、泥質砂、粉砂、砂質粉砂、泥和砂質泥8種。其中砂質泥、砂質粉砂、粉砂和泥4種沉積物分布最廣泛，另外4種沉積物小面積零星分布。

表1 底質沉積物粒度參數分級[14]

砂質泥：該類樣品占總樣品數量的18.18%，主要分布于套子灣頂、芝罘灣外10～20m等深線的海域。粒級組分中砂含量范圍13.77%～40.94%，平均含量為24.03%；粉砂含量范圍37.28%～55.09%，平均含量為46.94%；黏土含量范圍21.75%～38.63%，平均含量為29.03%。

砂質粉砂：該類樣品占總樣品數量的37.27%，是研究區分布最廣泛的沉積物，大面積分布于芝罘灣<20m等深線海域，部分樣品分布于套子灣10～20m等深線的海域。粒級組分中砂含量范圍10.53%～41.66%，平均含量為23.64%；粉砂含量范圍43.27%～69.67%，平均含量為55.51%；黏土含量范圍10.55%～28.39%，平均含量為20.85%。

粉砂：該類樣品占總樣品數量的11.82%，主要分布于芝罘灣外>20m等深線的海域。粒級組分中砂含量范圍1.66%～9.68%，平均含量為5.70%；粉砂含量范圍60.58%～69.48%，平均含量為65.30%；黏土含量范圍24.00%～31.24%，平均含量為28.99%。

泥：該類樣品占總樣品數量的23.64%，分布于芝罘灣外>20m等深線的海域。粒級組分中砂含量范圍0.55%～9.21%，平均含量為3.73%；粉砂含量范圍54.23%～64.27%，平均含量為59.83%；黏土含量范圍32.12%～44.33%，平均含量為36.44%。

從圖3可以看出，區內的沉積物類型分布具有明顯的分帶性：套子灣海域，從灣頂向灣口方向，沉積物類型依次為礫質砂、砂質泥、砂和砂質粉砂。芝罘灣海域沉積物類型由南向北依次為砂、砂質粉砂、砂質泥(粉砂)、泥。這種沉積規律反映了底質沉積物從近岸向海域，粒度逐漸變細的特征。

3.2 沉積物粒度參數特征

為了獲得沉積物粒度參數特征，該文利用GRADISTAT粒度數據處理軟件和Sufer軟件，對該次110個粒度數據進行處理，并選取8種沉積物典型樣品做粒徑頻率曲線和粒徑概率累計曲線圖，結果見表2、圖4、圖5。

表2 底質沉積物類型粒度參數及組分特征

圖2 底質沉積物三角圖分類命名(底圖據Folk等，1970)

1—礫質砂；2—砂；3—粉砂質砂；4—泥質砂；5—砂質粉砂；6—粉砂；7—砂質泥；8—泥圖3 底質沉積物類型分布

從圖4的百分含量曲線中可以看出，各沉積物組分主峰值多在粒徑Φ值為5以下，且存在多個弱峰值，表明粒度組分較為復雜。概率累計曲線圖中顯示砂、礫質砂和泥質砂等相對較粗的沉積物曲線斜率小于泥、粉砂等沉積物曲線，直觀地反映出粗粒沉積物的分選性差。

1—泥；2—砂；3—粉砂質砂；4—礫質砂；5—粉砂；6—砂質粉砂；7—泥質砂；8—砂質泥圖4 底質沉積物粒徑概率曲線

(1)平均粒徑：研究區底質沉積物的平均粒徑Φ值變化范圍為0.69～7.85，平均值為6.19(圖5a)，研究區內由近岸向遠岸，整體呈帶狀分布，平均粒徑值逐漸增大，沉積物顆粒逐漸變細。

(2)分選系數：研究區底質沉積物的分選系數變化范圍為0.39～3.18，平均值為2.41(圖5b)，分選系數變化較大，分選性級別屬于差，表明沉積物的主要粒級不突出。可以看到從芝罘島至崆峒島再向東南一線，是分選系數最大等值線所在的區域，表現為砂質粉砂中零星見泥和砂質泥等沉積物，由此線向兩側分選系數減小，分選性較之好轉。

(3)偏度：研究區底質沉積物的偏度變化范圍為-0.10～0.63，平均值為0.31(圖5c)，區內沉積物偏度類型幾乎全部為正偏—極正偏，近對稱區域極小面積零星分布，這反映了沉積物(砂、粉砂和黏土)中細粒部分的含量比粗粒部分的含量高，沉積物被改造過程中普遍趨向于細粒化。

(4)峰度：研究區底質沉積物的峰度變化范圍為0.61～3.77，平均值為0.93(圖5d)，峰度表現為平坦和中等2種類型。平坦型峰度值分布于等深線高的區域，能夠和砂質泥、粉砂和泥所分布的區域很好地對應；中等型峰度值分布于海岸線沿岸，等深線低的區域；另外尖銳型和很尖銳型峰度值在研究區內小面積分布于套子灣近岸海域和養馬島附近海域。

a—平均粒徑；b—分選系數；c—偏度；d—峰度圖5 底質沉積物粒度參數等值線分布圖

4 討論

4.1 泥沙運移趨勢分析

20世紀80年代初，McLaren[15]認為，沉積物凈搬運方向必定與粒度參數(平均粒徑、分選系數、偏度等)的某種空間變化相聯系。之后，Gao and Collins[2,4,16-18]在一維粒徑趨勢分析模型基礎上，提出了二維沉積物粒徑趨勢分析模型(GSTA)，該模型已得到廣泛的應用和驗證。

該次利用GSTA模型對研究區沉積物運移趨勢進行分析，特征距離取值為4.1km，分析結果見圖6。圖中沉積物運輸方向由矢量箭頭表示，箭頭的長度不代表運輸速率，僅表示沉積物運輸的趨勢強度。

已有研究表明[19-21]，該海域處于黃海北部半日分潮波系統和渤海南部半日分潮波系統的交界處，M2潮波從黃海向渤海傳播過程中，一部分潮波自東向西進入渤海，一部分潮波轉向，沿著山東半島沿岸自西向東傳播。西黃海沿岸流沿山東半島北岸東流，在成山頭附近轉向南或西南流動。研究區底質沉積物運移趨勢表現為如下特征：

套子灣海區，芝罘島附近的泥沙、夾河的入海射流攜帶的泥沙等物質，在NNE向波浪和NE—SW向潮流以及由西向東運動的潮波共同影響下，運移方向主要為W，SW向，即向灣內運移；芝罘灣及以東的海域，受NW向波浪和NE—SW向潮流以及西黃海沿岸流的共同作用，泥沙運移趨勢整體表現為順時針方向運移(箭頭越長，沉積物運移越明顯)。由于波浪和海流的影響，崆峒島等島嶼附近的沉積物有從北側向南側(灣內)運移的趨勢。

4.2 沉積水動力環境

沉積物的粒度結構能夠反映其沉積時的水動力強度。Pejurp從沉積物的結構來區分水動力強度時，提出了一種判別三角圖[22]，許多學者應用該圖解對不同的沉積環境進行探討時取得了可信成果[23-24]。

將8種底質沉積物投于該圖解中(圖7)，可以看出4種主要的沉積物：砂質泥和砂質粉砂投于CⅢ區，泥和粉砂投于投于DⅢ區。

圖7 沉積動力分區三角圖(底圖據Pejrup M，1988)

從Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ 4個分區來看，沉積物幾乎全部投于Ⅲ區，靠近粉砂端，和黏土端相比，沉積水動力稍強。從A，B，C，D 4個分區來看，沉積物幾乎全部投于C區和D區，從C區到D區，水動力強度逐漸減弱。在水深<20m等深線的區域內潮流和波浪等因素的共同作用，水流能動性較強，形成相對較高能環境下的砂質粉砂、砂質泥沉積物，從而形成沙洲淺灘和水下岸坡海底地貌。在水深>20m等深線的海域，波浪作用減弱，甚至達不到形成大浪的條件，水動力以潮流作用為主，潮流流速隨水深遞增而明顯減小，水流能動性相較于砂質沉積物區變弱，沉積物顆粒變的更細，形成低能環境下的粉砂和泥沉積物，從而形成淺海平原海底地貌。

綜上，研究區內沉積物類型在三角判別圖中位于下半部分和右半部分，黏土和砂兩端沉積物都很少，表明該區域的水動力條件整體較弱。

5 結論

(1)芝罘灣海域底質沉積物類型主要有8種：礫質砂、砂、粉砂質砂、泥質砂、砂質粉砂、粉砂、泥和砂質泥。其中砂質泥、砂質粉砂、粉砂和泥分布最廣泛。

(2)從灣頂向外海方向，沉積物粒度呈帶狀分布，逐漸變細，Φ值變化較大，為0.69～7.85，平均值為6.19。受多種水動力的共同作用，沉積物分選性差，偏度以正偏—極正偏為主，峰度以平坦—中等型為主。

(3)采用Gao and Collins粒徑趨勢分析模型(GSTA)分析，研究區沉積物運移趨勢比較有規律，套子灣海區泥沙向西、西南向運移，芝罘灣及以東海區的泥沙則呈順時針方向運移。

(4)將沉積物類型投于Pejrup判別水動力三角圖中，主要沉積物類型落于CⅢ和DⅢ動力區內，芝罘灣海域沉積水動力整體較弱，動力強度向水深方向變的更弱，這與研究區內沉積物由灣頂向灣口方向依次為砂質沉積物、粉砂和泥的分布相吻合。