北黃海大鹿島附近海域海洋牧場本底地質環境分析*

杜夢迪，張建興，宋永東，欒振東,3**，閻 軍

(1.中國科學院海洋研究所，中國科學院海洋地質與環境重點實驗室，山東青島 266071；2.中國科學院大學，北京 100049；3.中國科學院海洋大科學研究中心，山東青島 266071)

我國是海洋大國，海域面積十分遼闊，海洋資源得天獨厚，漁業產量常年位居世界首位[1,2]。然而，當前我國海域漁業正面臨著漁業資源衰退和海洋生態環境污染等問題，傳統漁業方式已難以滿足漁業資源可持續發展和海洋環境現狀的要求。現代海洋牧場是傳統漁業轉型的新動力，既可以實現海洋環境保護，又能保證漁業資源高效產出[3]，是應對我國漁業資源衰退和海洋生態環境惡化的一個重要舉措，是當前乃至今后較長時期內海洋漁業發展的一個重要方向。

在目前海洋牧場快速發展的背景下，我國淺海近岸海洋牧場建設項目不斷增加。丹東是國家級海洋牧場示范區之一，近年來，在丹東大鹿島附近海域海洋牧場等海上工程建設項目逐漸增多，因此有必要對研究海區進行海洋地質環境綜合調查。聲學探測技術已成為海洋調查最常用和最成熟的手段，獲取高分辨率的海底地形地貌資料和海底底質信息資料是進行海底地質環境綜合調查的首要內容，也是保障海洋牧場建設順利進行的重要前提。此外，表層沉積物調查是了解海底底質類型和沉積環境的重要方法。

雖然前人已經對北黃海海底地形地貌[4-6]和沉積特征[7-11]進行了相關方面的調查和研究，但先前的研究多集中在北黃海西部、山東半島和遼東半島等近岸海域，而對北黃海北部海域研究較少，且前人的研究多基于大范圍海區，對北黃海大鹿島附近小目標區域精細測量的研究欠缺，無法為研究區內海洋牧場建設提供可靠的指導。因此，本研究對丹東大鹿島附近海域海底地形地貌、海洋水質環境及沉積特征開展了詳細研究，有助于對海域內海洋牧場資源環境進行系統評估，對丹東地區新型海洋牧場的構建具有一定的參考意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

北黃海位于中國東部陸架最北端，是典型的半封閉陸緣海，環繞山東半島、遼東半島和朝鮮半島，西北通過渤海海峽與渤海相鄰，南以成山角與朝鮮長山串的連線與南黃海相接[5]。北黃海海底整體呈“簸箕”狀，海底相對平緩，平均水深為38 m，最大水深可達86 m，黃海海槽為水深最深處，由中央海槽向外水深逐漸變淺[12]。研究區位于北黃海北部大鹿島附近海域(圖1)，水深較淺，最大水深為29 m，地形較為平坦。在構造上，研究區屬于海洋島隆起構造單元，北部與遼東隆起相鄰，南部與北黃海盆地相接。

據統計發現，北黃海沉積物的來源有兩類:一類來自沿岸河流，另一類來自海洋。徑流在陸相沉積物的輸送中起著重要的作用，遼東半島近岸河流匯入北黃海的輸沙量可達7×106t·a-1，其中鴨綠江和大洋河占輸沙量的80%[12,13]。海洋的沉積物主要來自渤海和南黃海，通過海洋環流進行物質輸送和物質循環。黃河雖然不直接匯入北黃海，但是因其巨大的入海水沙量，被認為是北黃海陸架沉積的主要物源，占北黃海總沉積物的66%-80%[14]。

北黃海的潮汐類型以規則半日潮為主，遼東半島自旅順至鴨綠江河口的北黃海沿岸均為規則半日潮；潮差分布呈由東北向西南逐漸減小的趨勢，鴨綠江口大潮平均潮差為5 m，至成山角潮差不到1 m[15]。研究區屬于正規半日潮，潮差為4-5 m，潮流流速較大，流速為0.6-1.0 m·s-1。北黃海的潮流強盛，海流較弱，海區內環流主要由遼南沿岸流和黃海暖流兩支組成[10]，其中本研究區域受遼南沿岸流的影響較大。

圖1 研究區位置與調查站位

1.2 數據來源

利用HY1601單波束測深系統、SBP/AAE淺地層剖面系統、聲學多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP)、溫鹽深(Conductivity Temperature Depth，CTD)測量系統和表層沉積物取樣等調查手段對研究區開展綜合地質環境調查，獲得研究區水深數據、淺地層剖面數據、海水理化數據和表層沉積物樣品等資料。

1.3 方法

1.3.1 單波束地形測量

調查前需對研究區進行測線布設，單波束測量布設按照垂直于等深線的原則，測區共包含12條主測線和2條聯絡線，主測線布設間隔為3.3 km，聯絡線垂直于主測線進行布設，如圖1所示。獲取的水深數據利用CARIS HIPS & SIPS軟件進行數據處理，進行姿態校正、聲速校正和潮位校正，并剔除噪聲和干擾等異常數據，得到高分辨率水深數據，后經Surfer等成圖軟件繪制研究區的水深圖及地形剖面圖。淺地層剖面數據通過SonarWIZ軟件進行成圖和分析，最終導出較高分辨率的淺地層剖面圖像。

1.3.2 海水理化性質測定

海水理化環境調查和沉積物取樣站點見圖1。為掌握研究海域的海洋水質環境，于2020年秋季11月在北黃海北部大鹿島附近海域共設置13個站點，在各調查站點利用CTD測量系統和HQ4300多參數水質分析儀(美國HACH公司)進行水溫、鹽度、溶解氧含量、濁度、葉綠素含量、硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨鹽、活性磷酸鹽等理化參數的測量。海水樣品的采集、保存與檢測分析均嚴格按照《海洋監測規范》(GB 17378.4-2007)[16]的要求進行。根據測定的海水理化參數以及近年來北黃海海水環境狀況，選擇溶解氧、無機氮(硝酸鹽、亞硝酸鹽和銨鹽中N的總量，單位：mg/L)、活性磷酸鹽這3個項目對海域內海水水質狀況進行系統評價，水質標準采用《海水水質標準》(GB 3097-1997)[17]，詳見表1。

表1 水質參數評價標準

1.3.3 沉積物粒度測定

為查明研究區的沉積物特征，在調查區進行表層沉積物采集，首先利用錨式采泥器抓取各站點底質樣本，然后進行室內實驗分析。測量前先加入六偏磷酸鈉分散，然后經超聲波振蕩分散后上機測試，沉積物粒度組成采用篩析法和CILAS-1190激光粒度儀(法國CILAS公司)聯合進行測量。粒度實驗結果在基于MATLAB的粒度分析軟件AnalySize中進行分析計算，并按照Shepard沉積物分類方法對沉積物進行定名。粒級標準采用尤登-溫德華氏等比制Φ值粒級標準，沉積物的命名采用Shepard的沉積物粒度三角圖解法[18]。沉積物的平均粒徑(Mz)、分選系數(δ)、偏態(Sk)和峰態(Ku)通過Folk和Ward粒度參數公式計算，具體如下：

Mz=(Φ16+Φ50+Φ84)/3，

δ=(Φ84-Φ16)/4+(Φ95-Φ5)/6.6，

Sk=[(Φ84+Φ16-2Φ50)/2(Φ84-Φ16)]+

[(Φ95+Φ5-2Φ50)/2(Φ95-Φ5)]，

Ku=(Φ95-Φ5)/2.44(Φ75-Φ25)，

式中，Φ=-log2D，D為沉積物粒徑(mm)。

2 結果與分析

2.1 地形地層特征

2.1.1 海底地形地貌特征

本次調查利用單波束測深系統獲得的水深數據繪制出研究區高分辨率水深地形圖，結果如圖2所示。研究海域水深較淺，水深為1-29 m，平均水深為16 m，最深處位于研究區南部，最淺處位于西北部大鹿島近岸區域，在123.7°-123.9° E內發育有NE-SW向沙脊，海底地貌以水下侵蝕堆積地貌為主。區域整體地形較為平坦，表現為典型的近岸緩坡地形，坡向由北向南。從A-A′與B-B′的海底地形剖面圖可以看出，總體坡度小于12‰，水深5 m內地形起伏較為平緩，坡度小于10‰；水深大于5 m坡度變陡，坡度為12.5‰(圖3)。

圖2 研究區地形圖

圖3 海底地形剖面圖

2.1.2 淺地層剖面特征

根據北黃海東北部的JPL9-1高分辨率淺地層剖面的反射特征，結合海底表層沉積物取樣結果，可以分析出區域內海底淺地層結構、沉積層厚度和分布范圍。由圖4可知，在淺地層剖面圖像上，以海底反射面R0和聲學反射面R1為分界面，可以劃分為U1和U2上下兩套聲學地層。其中U1聲學地層振幅強、連續性好、全區可追蹤，與下伏地層呈侵蝕不整合接觸，厚度約為6 m，其厚度在研究范圍內變化不大，層間具有平行反射結構，無明顯構造變形，以加積反射層為特征，沉積物以砂、粉砂和黏土為主，為全新世以來的陸架環境海相沉積[19]。U2聲學地層與U1聲學地層的地震相特征明顯不同，U2層聲學信號較弱，說明上覆地層含有粗粒物質，阻擋了部分聲學信號的傳播，且該層信號較復雜，連續性較差，厚度為10-15 m，近岸方向厚度逐漸減小，發育有明顯的信號異常區。U1層為本次淺地層劃分的主要聲學地層，該地層的巖性和分布受全新世以來的海平面變化和潮流因素的控制。

圖4 北黃海東北部海域JPL9-1淺地層剖面圖

2.2 海水水質狀況

調查水域各站位表、中、底3層海水的水文和營養鹽情況如表2所示。從調查結果可以看出，溫度為3.23-12.94℃，最大值出現在10站位，最小值出現在9站位，各站位海水溫度隨水深增大而升高；溶解氧濃度為8.13-12.25 mg/L，最大值出現在9站位，最低值出現在13站位，海域溶解氧的平均含量為9.48 mg/L，各站點溶解氧含量隨水深增大而逐漸降低；底層水鹽度為26.33-29.88，變化不大，平均值為28.05；濁度為1.88-222.72 NTU，濁度變化較大，最大值出現在1站位，最小值出現在12站位；葉綠素含量為0.30-4.62 μg/L，最大值出現在1站位，最小值出現在10站位；無機氮(以N計)含量為0.170-0.439 mg/L，最大值出現在5站位，最小值出現在12，13站位；活性磷酸鹽含量為0.004-0.008 mg/L，最大值出現在站位10，最小值出現在3，6,8站位。調查海區海水溫度與鹽度空間分布規律趨于一致，由大鹿島沿岸向海方向逐漸增大，溶解氧、濁度和葉綠素的空間分布特征與之相反；無機氮和活性磷酸鹽含量基本穩定，變化不大。

表2 海水理化參數和營養鹽含量

續表

分析表明，北黃海大鹿島附近海域的溶解氧含量均符合Ⅰ類海水水質標準；75.0%區域的無機氮符合Ⅱ類水質標準，16.7%區域的無機氮符合Ⅰ類水質標準，8.3%的無機氮符合Ⅳ類水質標準；各站位活性磷酸鹽含量均符合Ⅰ類海水水質標準。綜合分析，大鹿島附近海域海水水質良好，主要符合Ⅱ類海水水質標準，符合海水養殖的水質要求。

2.3 沉積特征

2.3.1 表層沉積物類型與分布

由表3可知，研究區表層多為黑色砂質沉積物，底質類型均為砂質沉積，沉積物類型無明顯的空間變化。各采樣點之間的粒度參數差異不大，其中，砂的組分為89.29%-96.85%，粉砂含量次之，黏土最少。平均粒徑的分布為2.65-2.98Φ，平均值為2.83Φ；分選系數為0.42-0.79，平均值為0.53；偏態均為正偏，平均值為0.22；峰態的平均值為1.20。根據Shepard分類命名方法，北黃海表層沉積物均為砂，砂的含量很高，均大于89%，調查區各站位表層沉積物分類和命名詳見圖5。

表3 研究區表層沉積物組分含量及粒度分析結果

圖5 研究區表層沉積物分類與定名

2.3.2 沉積物粒度參數空間分布

從圖6可以看出，研究區沉積物組分的空間變化不大，3，6，9號站位黏土與粉砂占比略高，但整體上砂的組分占絕對優勢，沉積物粒徑較粗。其他粒度參數中，分選系數、偏態和峰態的空間分布關系較為類似，這三者與平均粒徑的空間變化規律相反。其中，測區南北兩側平均粒徑較大，而測區的西北角和東部9號站位附近平均粒徑偏小，整體變化趨勢為由3，6，9號站位的較小值向南北兩側逐漸增大。相反地，測區內3，6，9號站位附近粒度參數表現為分選系數偏大，偏態偏正，峰態偏大；而測區南北兩側分選系數較小，偏態偏負，峰態偏小。

圖6 研究區表層沉積物組分含量及粒度參數空間分布

3 討論

3.1 研究區沉積物粒度參數特征

沉積物的粒度參數及其空間分布是沉積物的基本屬性之一。沉積物粒度參數是以一定數值定量地表示沉積物的粒徑頻率分布[20]，是用來研究沉積物的沉積特征及沉積環境的統計學方法。粒度參數可以指示沉積物的物源條件、水動力條件等信息，其空間分布特征是沉積物物質循環和外動力輸運的結果。本研究發現，沉積物的來源主要與平均粒徑和分選系數密切相關，而沉積環境主要反映在偏態和峰態上[21]。結合研究區沉積物粒度參數分析，研究區沉積物分選較好，呈正偏態和中等尖銳峰態，峰態的數值變化較大。

3.2 沉積物類型及成因分析

已有的研究表明北黃海北部沉積物類型主要為砂、粉砂質砂和砂質粉砂，且呈自鴨綠江口向西粒徑變細的趨勢[22-25]，其中砂質沉積物占絕大比例，主要分布在123.3° E以東的海域[10]。由此可見，本研究對北黃海大鹿島附近海域表層沉積物類型的研究結果與前人的研究結果能較好地吻合。

沉積物粒度參數和分布特征與沉積物的物源條件、水動力條件等多種因素有關。北黃海的沉積物主要為陸源沉積，其沉積物源主要來自黃河、鴨綠江等沿岸河流[14,26,27]，另外還包括近岸和海底侵蝕。北黃海西部沉積物主要來源以黃河入海物質為主，東部沉積物以鴨綠江入海物質為主。研究區屬于北黃海北部區域，根據其粒度分析結果和沉積物類型，推測其砂質沉積的主要物源為鴨綠江等沿岸河流的入海物質。

研究區砂質沉積形成與遼南沿岸流及區域內強潮流環境密切相關，海底地形地貌、古環境及海平面變化對其也具有一定影響。遼南沿岸流由鴨綠江和沿岸河流沖淡水組成，一直沿遼東半島東南岸由鴨綠江口流向渤海，方向終年穩定不變。夏季降雨導致鴨綠江徑流量增加，遼南沿岸流流速超過10 cm/s，冬季受東北風影響，長山列島海域流速也接近10 cm/s[28]，主要為北黃海北部近岸海域分布的砂質沉積提供了物質來源。區域內強的潮流環境對砂質沉積的形成也起到重要作用，遼東半島東南岸高速的潮流可以為河流攜帶入海的懸移質物質的抬升和搬運提供動力，推動粗粒物質的分選富集，促進砂質沉積的形成。北黃海北部近岸區海底地形較為平坦，有利于沉積物的穩定輸運與沉積，故研究區的沉積組分及空間分布特征也較為穩定。古氣候及海平面變動對沉積特征的形成也具有一定的影響，北黃海長期處于濱海相環境，末次盛冰期以來的沉積被持續地侵蝕和改造，細顆粒物質被搬運，粗顆粒物質被留在原地[26]，因此在北黃海地區形成了大量的砂質沉積。

本研究依據北黃海大鹿島附近表層沉積物類型、粒度參數及空間分布特征，分析了沉積物的物質來源和水動力條件，并總結出了研究區沉積特征的形成原因，分析認為研究區內沉積物整體粒度較粗，以砂質沉積為主，其物質來源主要為鴨綠江等沿岸河流的入海物質；沉積特征還受到遼南沿岸流、海洋潮流、海底地形地貌及古氣候等多種因素的影響。

3.3 海洋牧場本底地質環境分析與評估

為促進海洋牧場的選址與建設，從水深地形、水質環境、海底底質類型等3個方面對研究區海洋牧場本底地質環境進行分析與評估。第一，從水深地形條件來看，一般而言，水深適宜、地形平坦的區域有利于海洋牧場工程的順利開展，考慮到光照和溫度對人工魚礁的影響以及波浪對海洋牧場構建物的沖刷作用，海洋牧場的海區一般位于水深5-30 m的海域[29]。北黃海大鹿島附近海域平均水深為16 m，地形為典型的近岸緩坡地形，適于海洋牧場的構建和布局。第二，從水質環境來看，海水水質是海洋牧場選址的一個重要環境參數，養殖水域的海水環境應滿足不受污染，透明度好，不渾濁，水質應符合漁業水質標準[30]。大鹿島附近海域海水主要處于國家Ⅱ類海水水質標準，透明度較好，水溫適宜，理化環境優越，營養鹽含量豐富，具有沿岸河流攜帶的豐富有機質，適于多種海洋生物的生長，尤其是丹東海域的優勢種中國蛤蜊(Mactrachinensis)的活動受水溫影響顯著，在一定溫度范圍內，中國蛤蜊的跳躍頻率和跳躍高度隨水溫的升高呈上升趨勢。調查海域海水的溫度等環境參數適合中國蛤蜊的活動和生長，該海域具備建設丹東特色海洋牧場的海水水質環境。第三，從海底底質類型來看，在選擇海底底質時一般選取海底表層含有薄層泥沙的較硬質底質，而避免人工魚礁投放后因底質太軟而沉入海底，大鹿島附近海域表層沉積類型均為硬質砂質沉積，淤泥含量較少，該海域的海底底質類型有利于人工魚礁的投放和海洋牧場構建物的布設。

綜合多種環境因素對大鹿島附近海域的海底地質環境進行綜合評估，最終可為丹東特色灘涂型海洋牧場的選址、布局和建設提供科學指導。

4 結論

本研究對北黃海大鹿島附近海域海底地形地貌、海水水質狀況、沉積物類型及分布等方面進行了地質環境綜合調查和分析，得出了以下結論：(1)北黃海大鹿島附近海域水深較淺，平均水深為16 m。區域整體地形較為平坦，表現為典型的近岸緩坡地形，地貌以水下侵蝕堆積地貌為主；(2)淺地層剖面資料顯示，研究區海底面以下沉積物為松散的砂質沉積物，U1聲學地層信號清晰連續，全區可追蹤，沉積層厚度約6 m且分布穩定，為全新世以來的陸架環境海相沉積；(3)北黃海大鹿島南部海域海水水質良好，主要處于Ⅱ類海水水質標準，該區域水質環境符合海水養殖的水質要求；(4)研究區表層沉積物類型均為砂質沉積，大部分海域沉積物分選較好。研究區沉積物類型及分布是沉積物物源和水動力環境等多種因素共同作用的結果。研究區沉積物主要來源于大洋河和鴨綠江等沿岸河流的入海物質，沿岸流、海洋潮流及古氣候對沉積物分布具有明顯控制作用；(5)研究海域地形地貌和沉積物反映出北黃海大鹿島附近海域為地形平坦的近岸砂質淺灘沉積且海水水質較好，整體工程環境良好，適于進行丹東灘涂型海洋牧場的構建。