現代灤河口表層沉積物特征對水動力環境的指示

徐國強,杜 軍*,于曉曉,李 平,付亦鵬,夏 鵬

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061；2.中國科學院 海洋研究所,山東 青島266071；3.青島市勘察測繪研究院,山東 青島266034)

三角洲沉積作用的自然因素十分復雜,主要受控于河流動力和海洋動力。灤河為華北地區大河之一,是一條頻繁改道、往返擺動的多沙性河流,泥沙快速落淤使三角州平原不斷向海推進,波浪對三角洲前緣濱岸沙壩的建造也起著積極作用,灤河泥沙供給量影響了三角洲的沖淤動態。表層沉積物粒度分析是揭示沉積動力過程的重要方法,具有經濟、便捷、較為可靠等優勢,在沉積環境研究中可以用來判斷沉積物的來源、水動力條件和搬運方式等[1-4]。河口近岸海域水動力環境復雜,受徑流、波浪、潮汐及沿岸流等影響,沉積物類型復雜多變。多元統計分析是運用數理統計研究解決多指標問題的方法,其中最常用的是聚類分析和因子分析,被廣泛應用于地質學中的粒度分析、礦物成分、災害評估、經濟地理學和地理要素分析等方面[5-7]。本文分析測試了灤河口近岸海域106個表層沉積物樣品的粒度,進行了多元統計分析和沉積動力分區,表層沉積物類型以較粗的砂、粉砂質砂為主,砂組分百分含量分布與表層沉積物類型分布具有很好的一致性,自河口向兩側降低,研究區3個不同沉積區與粒徑輸運趨勢具有較好的對應性。

1 研究區概況

現代灤河三角洲位于渤海西北部沿岸,河北樂亭至昌黎之間,是1915年灤河沖決史家溝后經甜水河入海,并經多次汊道改道形成,發育典型的沙壩-潟湖海岸。研究區潮汐性質為不規則半日潮,受附近秦皇島無潮點影響,潮差較小,平均潮差0.88 m、最大潮差2.78 m；近岸海域以往復流為主,漲潮流流向為SW向、落潮流流向為NE向,流向與海岸走向一致,漲潮流流速較大,落潮流流速??；波浪以風浪為主,涌浪集中在夏季,浪向特征與風向一致,常浪向為SE向、次常浪向為ESE向,強浪向為ENE向、次強浪向為NE向。

灤河全長877 km,流域面積44 880 km2,1979年之前年均徑流量47.2×108m3,年均輸沙量22.2×106t。灤河年內徑流量變化很大,徑流量在7—9月占全年徑流量的85%以上(圖1)。灤河年內輸沙量變化也很大,輸沙量的年際變化高于徑流量,其豐水年的輸沙量可達枯水年的35倍之多。

圖1 灤河徑流量和輸沙量變化Fig.1 Water discharge and sediment load of the Luanhe River

2 材料與方法

沉積物樣品采集于2014年10月,數量為106個,采樣間隔為1.5 km×3.5 km(圖2),采樣深度小于10 cm,采樣過程同步進行定位工作。采樣設備為蚌式取樣器,定位所用設備為中海達HD5800G藍牙一體化RTK GPS,水平與垂直定位精度均優于0.5 m。

圖2 表層沉積物取樣位置Fig.2 Sampling locations for surface sediments

沉積物粒度分析測試在自然資源部第一海洋研究所粒度實驗室完成,共測試樣品106個。選取適量樣品至50 m L塑料試管中,加入雙氧水后熱浴,充分去除有機質；加入鹽酸去除鈣質,之后離心洗鹽3次,并置于密封環境準備測試。測試過程中所用儀器為Mastersizer-2000,粒徑測試范圍為0.02～2 000.00μm。每份樣品至少測試2次,2次測試中值粒徑差值＜5%,粒徑間距為0.25Φ。平均粒徑(Mz)、分選系數(σ)、偏態(Sk)、峰態(Kg)采用Mc Manus矩法計算,并利用Folk分類法進行命名[8]。采用Q型聚類法對沉積物樣品進行分類,利用R型因子分析研究沉積空間分布差異[9],均利用IBM SPSS Statistics軟件處理；采用Flemming三角圖分類法對沉積環境進行判別[10-12]。

3 分析結果

3.1 表層沉積物類型及組分含量分布特征

研究區表層沉積物包括砂(S)、粉砂質砂(zS)、泥質砂(mS)、砂質粉砂(sZ)和砂質泥(s M)五種類型。其中,粉砂質砂數量最多,約占總樣品數量42.5%,主要分布在灤河口北側5～10 m等深線以及灤河口門外15～20 m等深線之間；砂次之,約占31.1%,主要分布在灤河口門外側；砂質粉砂約占21.7%,主要分布在15～20 m的深水區；砂質泥和泥質砂含量很少,零星分布。研究區沉積物類型分布見圖3,由圖3可知研究區表層沉積物以較粗的砂、粉砂質砂為主,兩者合計約占總樣品數量的73.6%。

圖3 沉積物類型分布Fig.3 Distribution map of surface sediment types

3.2 沉積物粒度參數特征

平均粒徑與物質來源關系密切,代表沉積物粒度分布總體趨勢和沉積介質的平均動能[13]。研究區沉積物粒徑為1.46Φ～6.91Φ,平均值為4.06Φ,以砂、粉砂組分(2Φ～6Φ)為主,平均粒徑整體呈現從灤河口門向外逐漸變細的趨勢。灤河口門至17 m等深線區域以砂組分為主,對應沉積類型為砂和粉砂質砂；灤河口南側攔門砂外及研究區17 m等深線外以粉砂組分為主,對應沉積類型為砂質粉砂(圖4a)。分選系數即顆粒大小的均勻性可以指示沉積環境的水動力條件[14]。研究區分選系數為0.22～2.96,平均值為1.83。在灤河口門砂質富集區分選系數大致介于0.30～1.10,分選性為較好-中等,其余區域呈離口門越遠分選性越差的趨勢(圖4b)。峰態是表示沉積物頻率曲線的峰凸程度[15],研究區峰態值為0.07～3.50,平均值為2.40,大部分峰態值＞1.10,說明粒度頻率曲線尖銳,尤其是外海部分,峰態＞3,粒度頻率曲線非常尖銳(圖4c)。偏態可判別分布的對稱性[16],研究區偏度為-1.62～2.74,平均值為1.42,大部分偏度值＞0.30,屬極正偏,說明沉積物以粗粒為主(圖4d)。沉積物粒徑參數分布具有很好的一致性,整體而言,較粗的沉積物其平均粒徑較小,分選好,偏態值與峰態值均較小。

圖4 粒度參數分布Fig.4 Distribution of grain size parameters

研究區沉積物砂組分百分含量分布與表層沉積物類型分布具有很好的一致性,自河口向兩側降低。沉積物砂組分具有含量高、分布廣的特征,水下河口含沙量尤甚,砂質量分數超過85%。其中,9個站位砂組分含量高達100%,全區砂含量高于50%的站位有79個,占總樣品的70%以上。砂含量最低的站位砂組分含量為14%,砂含量小于50%的站位數量為26個(圖5a)。粉砂組分含量介于0～65%,但大多不超過40%,含量高于40%的站位數量僅為11個,占比不超過11%。粉砂含量由水下河口向兩側升高,北部增長較小,僅零星站位超過25%；南部增長較大,大多數站位均超過25%(圖5b)。黏土組分質量分數介于0～25%,平均為8.27%,主要分布在東南側,水深基本大于10 m,西北側有微量分布,河口區基本無分布(圖5c)。

圖5 沉積物組分質量分數分布特征Fig.5 Distribution map of sediment components

3.3 多元統計分析

3.3.1 聚類分析

按R型聚類分析,可將研究區106個表層沉積物樣品的12個粒級分為3個群組(圖6):第一組由5Φ～10Φ和＞10Φ的粒級組成,代表粒度組成的最細部分；第2組由-1Φ～2Φ的粒級組成,代表粒度組成的最粗部分；第3群由2Φ～5Φ的粒級組成,代表粒度組成的中間部分。

圖6 表層沉積物R型聚類分析Fig.6 Diagram of R-type cluster analysis for surface sediments

研究區按Q型聚類分區分為3個粒度沉積區(圖7),各分區粒度組成和粒度參數區別明顯(表1)。A類沉積區位于灤河口口門及近岸區域,底質類型以砂為主,粒徑較粗,以砂組分為主,砂含量平均值為93.9%,高于B、C類,粉砂含量平均值為4.4%、黏土含量平均值為1.7%,兩者含量低；偏態屬極正偏,峰態尖銳,分選系數為中等；圖8a為A類沉積物典型頻率曲線圖,多為單峰型。B類沉積物主要分布在灤河口兩側區域以及外海零星分布,底質類型多為粉砂質砂,砂組分含量相對A類略有減少,粉砂組分增多,整體上砂組分為主,平均質量分數達80.1%,分選較差,極正偏為主,曲線很尖銳；圖8b為B類沉積物典型頻率曲線圖,多為單峰型(第二個峰很小)。C類沉積物主要分布在新開口外側以及灤河口17 m水深外側區域,對應含礫粉砂質砂、砂質粉砂、砂質泥等相對較細的沉積物,砂組分平均質量分數降到50%以下,粉砂組分和黏土組分含量增加,后兩者的平均質量分數分別為35.9%和14.6%,沉積物分選很差,多數極正偏,曲線非常尖銳；圖8c為C類沉積物典型頻率曲線圖,多為雙峰型。

圖7 沉積物Q型聚類分區Fig.7 Diagram of Q-type cluster partition for surface sediments in the study area

表1 Q型聚類分析中沉積物粒度參數特征Table 1 Grain size parameters of surface sediments by Q-type cluster analysis

圖8 沉積物粒度頻率曲線Fig.8 Frequency curves of sediment grain size

3.3.2 因子分析

本文對灤河口表層沉積物粒度組分采用R型因子分析,分析結果見表2。共獲得3個主控因子,特征值比例分別為58.7%、20.6%和14.3%,其中因子1為主導因子,3個因子累計特征值比例達93.6%。分析最大方差旋轉因子載荷可知,旋轉后的各因子反映的粒度變化特征清晰(圖9)。

圖9 各因子得分Fig.9 Distribution of score of each factor

表2 最大方差旋轉因子載荷Table 2 Maximal variance revolving factor load matrix of surface sediments

因子1的組成部分主要為＞5Φ的正載荷和1Φ～2Φ的負載荷,正因子得分較高的區域分布在灤河口外側深水區,主要為砂質粉砂、砂質泥等懸浮體組分,水動力較弱,負因子得分較高的區域分布在灤河口門附近,主要是以砂為主的跳躍組分,水動力作用較強；因子2組成部分為3Φ～5Φ正載荷和1Φ～2Φ的負載荷,正因子得分較高的區域主要分布在灤河口至新開口沿岸,以砂、粉砂質砂等跳躍組分為主,水動力作用較強,推測其物質來源為河流輸沙,負因子得分較高的區域分布在灤河口15 m等深線以外,以跳躍組分為主,水動力也較強；因子3主要由0～1Φ的正載荷和2Φ～3Φ的負載荷組成,正因子得分較高的區域主要分布在灤河口攔門砂外以及灤河口和新開河口之間,負因子得分較高的區域主要分布在灤河口攔門砂內側,水動力較強。

3.4 沉積動力分區

利用Flemming的沉積物三角分類方案[10]對研究區進行分區,從沉積結構組成及其反映的水動力強度來區分沉積環境及其亞沉積環境。在Flemming沉積物分類方案中,按砂含量分成S、A、B、C、D、E六組(分類界線為5%、25%、50%、75%和95%),從S至E砂的百分含量依次降低,沉積物粒徑越細；同時按黏土比例分成Ⅰ～Ⅵ共6個水動力分區(分類界線為10%、25%、50%、75%和90%),離黏土端元越近水動力越弱。

將研究區沉積物粒度數據點繪制到Flemming三角圖中(圖10),可見絕大多數沉積物樣品點分布在S區～C區,說明沉積物粒徑整體較粗；所有沉積物樣品點均分布在Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ區,表明研究區的總體水動力條件較強,但不同的亞沉積環境有所區別。Ⅰ區的沉積物類型以粒徑較粗的砂為主,多分布在灤河口口門及近岸處,對應Q型聚類分析中的A區,該區水動力環境強,受灤河入海、沿岸流及波浪影響顯著；Ⅱ區沉積物以粉砂質砂和砂質粉砂為主,主要分布在灤河口兩側區域,主要對應于Q型聚類分析中的B區,水動力較強；Ⅲ區沉積物主要分布在新開口外側和灤河口外17～20 m水深范圍內,對應Q型聚類分析中的C區,水動力較Ⅰ區和Ⅱ區弱,以砂質粉砂和粉砂質砂為主,研究區內發現的細顆粒砂質泥和泥質砂均分布在該區內?？梢钥吹絈型聚類分析與Flemming沉積動力分區具有較好的對應性。

圖10 沉積動力分區Fig.10 partition of sedimentary dynamics

4 討 論

根據研究區沉積物類型、粒度參數、粒組組分、多元統計分析及沉積動力分區的分析,研究區分為3個不同的沉積區:河口強動力砂質沉積區(A)、濱岸潮流砂質沉積區(B)和低能泥砂混雜區(C)。據于曉曉等[17]通過粒徑輸運趨勢表明,研究區存在2個“源”,即南部沙壩(“源”一)和正對河口的砂質地區(“源”二)。本文劃分的強動力砂質沉積區對應2個“源”的所在地,2處濱岸潮流砂質沉積區分別對應南部沙壩和正對河口砂質地區向兩側輸運過程,低能泥砂混雜區對應河口砂質地區受灤河洪峰噴射流影響并受潮流侵蝕細顆粒的輸運過程。

圖11 沉積物輸運與Q型聚類分析比對Fig.11 Comparison of sediment transport pattern and Q-type cluster partition

河口強動力砂質沉積區:主要位于灤河口口門及近岸區,主要底質類型為砂,粒徑較粗,以砂組分為主,砂組分含量平均值為93.92%,明顯高于B類和C類,粉砂和黏土含量極低,分選中等,極正偏,粒度頻率曲線尖銳。該區受灤河影響明顯,灤河在雨季形成淡水舌浮于海水之上,向海延伸達5 km,會對表層沉積物產生較大影響。研究區2個“源”均位于該區,其中南部沙壩區一般認為是灤河入海攜帶泥沙和三角洲廢棄后被沿岸流改造形成[18],正對河口沙質區是冰消期海平面上升過程中濱海相或低海平面時期河流相沉積的產物[19]。該區泥質缺失或含量極少,近岸沙壩區推測在沿岸流作用下被搬運,導致沙壩侵蝕；正對河口砂質區推測可能受灤河三角洲發育的扇形影響,導致波浪疊加,在波浪的作用下細粒沉積物懸浮并且在潮流等的作用下發生了搬運[17]。

濱岸潮流砂質沉積區:主要位于灤河口兩側區域(南側區和北側區)。該區底質類型多為粉砂質砂,砂組分含量相對A類略有減少,粉砂組分增多,極正偏為主,曲線很尖銳。因子分析中因子1和因子2中的正因子得分較高,代表了該區細砂和粉砂粒級的跳躍組分,總體水動力條件較強。與Flemming沉積動力分區中的Ⅱ區比較一致。其中南側區為近岸沙壩搬運形成,該區較秦皇島無潮點較近,潮差較小,潮流流速較慢,只能沖刷粒徑較細的沉積物質,造成該區分選差。北側區同時受近岸沙壩潮流搬運和河口沙質區波浪搬運的影響。

低能泥砂混雜區:主要位于新開口外側和灤河口外17～20 m水深范圍內,水動力較弱,砂組分平均含量降到50%以下,粉砂組分和黏土組分含量增加,沉積物分選很差,多數極正偏,曲線非常尖銳,沉積物典型頻率曲線圖,多為雙峰型。R型因子分析中因子1中的正因子得分較高,代表了該區粉砂、黏土等細顆粒成分,水動力條件較弱。與Flemming沉積動力分區中的Ⅲ區比較一致。該區主要是河口沙質區在波浪的作用下細粒沉積物懸浮并且在潮流等的作用下發生搬運。

5 結 論

本文對灤河口近岸海域的106個表層沉積物樣品進行了粒度分析、多元統計分析和沉積動力分區,結果表明:

①研究區表層沉積物類型以較粗的砂、粉砂質砂為主,砂組分含量為主。研究區沉積物砂組分百分含量分布與表層沉積物類型分布具有很好的一致性,自河口向兩側降低。平均粒徑整體呈現從灤河口門向外逐漸變細的趨勢,分選系數在灤河口門分選性較好-中等,其余區域呈離口門越遠分選性越差的趨勢,峰態大部分區域大于1.1,粒度頻率曲線尖銳,尤其是外海部分,粒度頻率曲線尤為尖銳。大部分區域偏度屬極正偏,說明沉積物以粗粒為主。沉積物粒徑參數分布具有很好的一致性。整體而言,較粗的沉積物其平均粒徑較小,分選好,偏態值與峰態值均較小。

②研究區分為3個不同的沉積環境亞區:河口強動力砂質沉積區,位于灤河口口門及近岸區,河流、沿岸流、潮流等水動力作用強；濱岸潮流砂質沉積區,位于灤河口兩側區域,主要受潮流影響,沉積物分選差；低能泥砂混雜區,位于新開口外側和灤河口外17～20 m水深范圍內,水動力環境較弱,主要為細粒沉積區。