苏北浅滩及邻近海域表层沉积物粒度特征及泥沙运移机制

Grain size characteristics of surface sediments and the sediment transport mechanism in the Subei Shoal and its adjacent sea areas

摘要

对苏北浅滩邻近海域196个表层样和4个柱状样沉积物进行了粒度和²¹⁰Pb放射性活度测试,分析了沉积物类型和粒度参数变化特征并计算了沉积速率。结果显示:表层沉积物包括砂、粉砂质砂、砂质粉砂和粉砂4种类型,利用高抒-柯林斯(Gao-Collins)粒径趋势模型对表层粒度参数进行反演,发现潮流沙脊中心区呈现“脊聚槽散”的运移趋势,沙脊区外缘至浅海陆架海域,运移趋势呈顺时针方向变化,逐渐转为东南向。33°N附近海域沉积速率为0~0.68 cm/a,现代沉积作用相对较弱,自西向东呈低-高-低的变化趋势。将粒径运移趋势和沉积速率结合分析,发现受强潮流作用影响,砂质沉积物由涨潮流推动向浅滩沙脊中心区汇聚迁移,细颗粒泥沙被落潮流沿沙槽搬运至陆架区;现代长江物质由冲淡水携带沿岸向北运移,与落潮余流汇合后顺时针偏转向东,遇台湾暖流前缘水阻隔,大部分沉降在研究区南部水深15~25 m区域;长江口外大沙滩的残留沉积受现代潮汐往复搬运,泥沙往东南向深水区运移;现代苏北河流和废黄河三角洲细颗粒泥沙在苏北沿岸水的携带下向东或东南冲溢扩展出沙脊区后,部分被黄海西部沿岸流搬运至东海外陆架,部分沿内陆架平行岸线方向输运南下。沉积物现代沉积速率分布特征表明:水深20~30 m的内陆架区域沉积速率均值为0.57 cm/a,沉降较快,是细颗粒泥沙向东海输运的主要路径,25 m等深线附近沉降速率最高为0.68 cm/a,应为泥沙输运和沉降的中心位置。

Abstract

Grain size and ²¹⁰Pb radioactivity analyses were performed on 196 surface samples and 4 core samples from the adjacent sea area of the Subei Shoal. Sediment types and variations in grain size parameters were analyzed, and sedimentation rates were determined using ²¹⁰Pb dating. The results indicate that the surface sediments comprise four types: sand, silty sand, sandy silt, and silt. Grain size trend analysis using the Gao-Collins model revealed a sediment transport pattern characterized by “ridge convergence and trough divergence” within the central tidal sand ridge area. From the outer edge of the sand ridge region towards the shallow continental shelf, the net sediment transport direction exhibits a clockwise rotation, gradually shifting to the southeast. Sedimentation rates near 33°N range from 0 to 0.68 cm·yr^-1, indicating relatively weak modern sedimentation overall, exhibiting a low-high-low trend from west to east. Integration of sediment transport trends and sedimentation rates indicates that under strong tidal forcing, sandy sediments converge and migrate towards the central shoal ridge area driven by flood tidal currents, while fine-grained sediments are transported by ebb tidal currents along the sand troughs towards the shelf area. Modern Yangtze-derived sediments are carried northward along the coast by the river’s diluted water plume. This material merges with the residual current from the ebb tide and then turns clockwise eastward, where it is blocked by the frontal zone of the Taiwan Warm Current, leading to the deposition of most of the Yangtze-derived sediment in the southern part of the study area at water depths of 15-25 m. Residual sediments from the large sandbank outside the Yangtze River estuary are transported southeastward to deeper waters by modern tidal currents. Fine-grained sediments originating from modern Subei rivers and the abandoned Yellow River Delta are carried eastward or southeastward by the Subei Coastal Current, extending beyond the sand ridge area. A portion of these sediments is transported to the outer shelf of the East China Sea by the western coastal current of the Yellow Sea, while another portion is transported southward along the inner shelf parallel to the coastline. The distribution of modern sedimentation rates shows that relatively rapid sedimentation occurs in the inner shelf area at water depths of 20-30 meters. The average sedimentation rate here is 0.57 cm·yr^-1, identifying this zone as the main pathway for the transport of fine-grained sediments to the East China Sea. Within this area, the highest sedimentation rate (0.68 cm·yr^-1) is observed near the 25-meter isobath, which is identified as the central locus for sediment transport and accumulation.

Graphical abstract

关键词

苏北浅滩 / 粒径趋势 / 沉积速率 / 泥沙运移

Key words

Subei shoal / grain size trend / sedimentation rate / sediment transport

0 引言

过去20多年,大陆边缘研究计划(National Science Foundation-MARGINS,NSF-MARGINS)、海岸带陆海相互作用计划(Land-Ocean Interactions in the Coastal Zone,LOICZ)等相关研究表明,陆架边缘海沉积物的“源-汇”作用一直是海洋沉积学的重要研究课题^[1-2]。南黄海作为一个典型的半封闭陆表海,全新世以来接纳了大量周缘河流携带而来的物质,在潮汐、沿岸流、黄海暖流和冷水团等复杂洋流体系影响下,发育了大型辐射沙脊群、泥质沉积体和残留沉积等多种沉积体系,为了解沉积物源汇过程提供了重要信息载体^[3-7],成为研究河海相互作用的天然实验室^[8]。其中,苏北浅滩潮流沙脊区及邻近海域,衔接近岸与浅海陆架,是南黄海泥沙向外海扩散的主要通道和重要的沉积作用区,研究其泥沙沉积分异特征、输运趋势和现代动力过程等具有重要的科学意义^[9]。

海洋沉积物粒度特征是表征沉积环境最敏感的指标之一,被广泛用来研究沉积环境和沉积作用^[10]。粒度数据中保存了大量有关沉积物输运和沉降的信息,能有效揭示沉积区水动力特性、沉积物输运和沉降规律等^[11-13]。许多研究者利用粒度参数的空间变化反演沉积物的搬运方向和输运路径^[14-15],在McLaren^[16]提出运用粒度参数(平均粒径、分选系数和偏态系数)组合的空间变化可以更好地描述沉积物搬运方向之后,Gao等^[17-19]通过实验和理论推导逐步发展为粒径趋势分析方法,建立了二维沉积物粒径趋势分析模型(Gao-Collins模型),该模型在反推海底表层沉积物净输运方向上已有大量成功的实例^[20],在河口^[21]、海湾^[22]、近岸潮间带^[23]和大陆架^[24]等多种海洋沉积环境研究中得到了广泛的应用和验证。同时,沉积速率作为海洋沉积学研究的另一个重要指标,能综合体现沉积过程和环境变化特征,对深入理解陆架边缘海沉积物“源-汇”作用、揭示沉积动力机制等具有重要意义,已成为研究河口、陆架区沉积作用过程的有效手段^[25-26]。放射性核素测年是目前测定现代沉积速率的主要方法,沉积物中赋存的放射性核素²¹⁰Pb具有22.3年的半衰期,是测定百年尺度沉积速率的极好核素,借助²¹⁰Pb测试获得的沉积速率分布特征,在反演长江口现代沉积过程^[27-28]和表征黄河入海沉积物的现代扩散路径及范围等方面已取得了很好的效果^[29]。

目前,已有大量有关南黄海现代沉积物粒度、沉积速率及其与物源、海洋动力环境关系的研究成果,利用表层沉积物粒径趋势分析法反演沉积物搬运方向和输运路径的研究多集中于近岸河口^[30]、海湾^[31]、浅滩潮间带^[32]和陆架中部泥质区^[33],利用沉积速率探讨沉积通量及物源关系的研究则多围绕苏北近岸浅滩^[34]和陆架中部^[35-36]、东部^[37]以及山东半岛近岸泥质区^[29]开展,而针对南黄海西南部近岸至浅海区域范围的粒径运移趋势研究则比较缺乏,基于现代沉积速率分析泥沙运移、沉降过程的研究更是鲜见报道。本文基于苏北浅滩潮流沙脊区及邻近浅海陆架海域表层样和柱状样沉积物,进行粒度特征、沉积规律和环境分析,利用Gao-Collins模型对海底表层粒度参数进行反演,识别二维方向上泥沙沉积物净输运趋势。同时,结合柱状样沉积特征和现代沉积速率分析,清晰地展现泥沙输运路径和范围,有助于加深南黄海西南部现代沉积物的沉积规律和输运机制的认识。

1 区域概况

研究区位于南黄海西南部苏北浅滩潮流沙脊群东缘及邻近的内陆架部分区域,地理范围为32°~34°N,121.5°~123°E(图1a^[3-4,38-40])。区内水深为0~60 m,由岸向海呈北东向逐渐加深,地貌上主要发育苏北浅滩大型潮流沙脊群、浅海陆架过渡沉积区和长江口外大沙滩,海底沉积物偏粗,主要由砂、粉砂质砂和砂质粉砂组成^[41]。

该区的水动力条件较为复杂,主要包括潮流系统、苏北沿岸水、黄海西部沿岸流、台湾暖流前缘水和长江冲淡水等^[40]。南黄海西南部潮汐属正规半日潮,苏北浅滩潮流沙脊海域的潮汐受到东海前进潮波和南黄海旋转潮波的影响^[42],两者在辐射沙洲海域相遇,并在弶港附近的水域形成辐聚潮波,在辐聚区内,潮流方向与潮流通道一致,辐射沙洲中心区域潮差大,呈现强烈的往复流^[43],大部分区域平均流速为0.7 m/s,深槽处流速为0.9 m/s,成为塑造海底沙脊间深槽的主要动力条件^[44];沙脊区外缘潮流余流逐渐转为旋转流并汇入临近海域的海洋环流中^[40]。苏北沿岸水主要发育在苏北近岸区域,冬季在季风驱动下顺岸南下,离开浅滩区后转东南进入东海;夏季分为3支,灌河口流出的冲淡水向北偏东进入海州湾,从射阳河口和弶港北流出的冲淡水向东流出浅滩后融入黄海西部沿岸流中^[45]。黄海西部沿岸流通常沿40~50 m等深线南向流动,32°N附近转向东南流至30°N附近,流速约为20 cm/s^[38]。台湾暖流前缘水冬弱夏强,北上至长江口海域与冲淡水相遇产生近岸海洋锋面,余流过长江口后逐渐减弱并流转向东^[46]。长江冲淡水主要影响该区的西南部海域,春夏季冲淡水出口门沿岸北上,在长江口以北产生顺时针偏转,向东遇台湾暖流阻隔后偏转汇入长江口外沿岸流中^[45]。

2 样品采集与测试

2.1 样品采集

本研究依托青岛海洋地质研究所承担的中国地质调查局地质调查项目,于2024年在研究区采集了196个表层样和4根柱状样沉积物样品(图1b^[3-4,38-40])。表层样品基本覆盖大部分海域,水深较深的表层样(>10 m)用箱式取样器取样,其余的用蚌式采样器完成,采样平均厚度在10 cm以内。柱状样利用振动活塞取样器完成,取样长度为0.8~1.85 m。取表层样顶部(0~5 cm)和柱状样(8 cm间隔)沉积物进行粒度分析,同时,获取4根柱状样上部80 cm段(2~10 cm间隔)沉积物进行²¹⁰Pb放射性活度测定。

2.2 分析测试

粒度分析和²¹⁰Pb测年均由青岛海洋地质研究所实验测试中心完成。粒度分析时,取适量样品置于烧杯中,先后各加入过量的30%的H₂O₂和0.25 mol/L的HCl溶液消除有机质和生物贝壳及钙质胶结物的影响,用去离子水加烧杯静置24 h,除去上清液,离心清洗两次去除剩余H₂O₂和HCl,加少许蒸馏水,经超声波充分分散后进行测试。测试所用仪器为英国Malvern公司生产的Mastersizer2000型激光粒度仪。分析结果间隔1/4 Φ分为48个粒级,重复测量的相对误差小于2%。粒级统一使用尤登-温德华氏等比值Φ粒级标准表示,粒度参数和沉积物命名分别采用Folk-Ward计算公式和Folk法^[47-48]。

²¹⁰Pb测年时,将适量样品放入烘箱中,100 ℃条件下恒温24 h,烘干的样品准确称重后装入测量盒中内压实密封15天,再置入仪器的测量室中测量²¹⁰Pb、²²⁶Ra核素的比活度。为保证数据的准确度,测量时间不少于12 h^[49]。测量仪器利用γ-能谱仪(BE3830型高纯锗探测器,系高纯锗多道γ-能谱仪),按照标准操作程序对柱状样样品进行²¹⁰Pb、²²⁶Ra测试分析,样品测量的误差小于10%。计算过剩²¹⁰Pb活度采用岩心下部本底²¹⁰Pb活度直接扣除法,利用恒定初始浓度模型计算柱状样的沉积速率^[34],即假设沉积物中初始的放射性活度为一常量值N₀,根据放射性衰变方程,t时间对应的²¹⁰Pb放射性活度N_t=N₀e^-λt。其中,λ为²¹⁰Pb的衰变常数,取0.031 a^-1,对于某一沉积速率S(cm/a),埋藏深度H(cm)处对应的时间t=H/S,深度H处对应放射性活度N_H=N₀e^-λH/S,放射性活度单位为dpm/g(1 dpm=16.667 mBq),各柱状样均选择过剩²¹⁰Pb活度与深度的对数相关性较好的段落来计算沉积速率,并可简单换算得到年龄^[29]。

3 结果

3.1 表层沉积物分布特征

3.1.1 沉积物类型及分布特征

研究区内表层样品均为不含砾沉积物,将粒度分析组分统计结果(表1)按Folk法进行分类命名(图2),绘制沉积物类型分布图(图3)。结果显示,表层沉积物主要包括砂、粉砂质砂、砂质粉砂和粉砂4种类型。其中,砂质粉砂和粉砂质砂分布广泛,砂的分布面积相对较小,粉砂分布面积最小。总体来看,底质沉积物类型分区差异性明显,这与区域性地貌特征较为一致,除长江口外大沙滩海域分布残留成因的砂质沉积物外^[50],以上4种沉积物类型分布具有明显的分带性,自岸向海,砂质组分逐渐减少,粉砂和黏土组分则逐渐增多。西部近岸浅滩潮流沙脊海域位于南黄海高能沉积环境区^[51],底质主要为砂质沉积,以粉砂质砂和砂为主,粉砂质砂为浅滩和沙脊的主体物质,砂则主要分布于沙脊的中心区域,沙槽内物质相对较细,主要为砂质粉砂,局部为粉砂。随着水深增加,东部浅海陆架海域由高能沉积环境转为低能区,在沉积分异作用下,粉砂和黏土质细颗粒组分增多,底质类型主要为砂质粉砂,而粉砂区域面积较小,呈零星分布。

3.1.2 沉积物粒度参数分布特征

粒度参数计算结果和分布特征显示(表1、图4),近岸浅滩潮流沙脊区与浅海陆架及长江口外大沙滩海域分布特征存在明显差异。沉积物粒度参数平均粒径为1.72~6.68 Φ,平均值为4.47 Φ,以砂质沉积物为主(图4a),细砂和粗粉砂粒级(<5 Φ)分布面积超过50%。其中,长江口外大沙滩海域平均粒径<2.4 Φ,此处的砂质沉积物属残留沉积^[43],形成于低海平面时期的滨岸相高能环境。近岸浅滩潮流沙脊区平均粒径为1.72~4.2 Φ,沙槽和浅海陆架区域平均粒径为4.8~6.68 Φ。从图4a可以看出,由浅滩沙脊向沙槽和陆架区平均粒径值逐渐增大,分布趋势与沉积物类型分布相符,反映了沉积环境逐渐由高能过渡为低能,是水动力作用的结果。分选系数为0.49~2.78,变化较大,平均值为1.71,分选性较差(图4b)。整体来看,砂含量高值区分选相对较好,近岸浅滩潮流沙脊和长江口外大沙滩区分选系数<1,分选等级达到中等及以上,其他区域均较差,分选系数随着沉积物粒径的增大呈减小的趋势,与较强的沉积动力分选作用有关。沉积物偏态值为-0.15~0.71,平均值为0.24,大部分表现为正偏-极正偏,少部分站位偏态呈近对称,总体粗偏,近对称站位主要零星分布于沙槽和浅海陆架区域(图4c)。沉积物峰态值为0.69~2.93,平均值为1.11,中等宽平峰态分布范围较大(图4d),尖锐-很尖锐峰态面积较小,主要分布于浅滩沙脊和长江口外大沙滩区域。

3.1.3 沉积物粒径趋势分析

海底表层沉积物粒径趋势分析采用Gao-Collins模型^[17],将沉积物的平均粒径、分选系数和偏态值输入此模型,在给定的比较距离内,两两比较得出相邻点的运输趋势矢量,再将该点与周围所有点运输矢量相加,即可得到沉积物输移方向的合成矢量,进而得到沉积物输运的粒径趋势。通过在众多不同海域的应用和验证发现,复杂的沉积物类型变化对该模型影响较小^{[20-24,30-33]},结合水动力条件分析效果会更加客观。Gao-Collins模型中最理想的采样点为等间距网格,以最大程度地降低“噪声”误差^[20],但限于实际工作环境条件,经常导致不同海域采样点间距大小不一,针对这种情况,往往把间距大致相当的采样点划分为若干小区,并结合相邻小区的边缘点分别进行粒径趋势分析,以消除边缘效应的影响,也能取得很好的效果^[21,31]。基于这一方法,本文将研究区划分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ共3个分区(图1b^[3-4,38-40]),各分区特征距离选取大致为$\sqrt{2}$倍采样间距,以保证粒径趋势判别的各向同性^[52],得到如图5所示的趋势矢量分析结果。图5中沉积物净输运方向由矢量箭头表示,箭头长度仅表示粒径趋势的显著性,并不能定量表示搬运率的大小^[31]。

整体来看,受潮汐、冲淡水和海洋环流等多种水动力影响,研究区底质沉积物粒径运移趋势表现出了一定的区域性特征(图5),近岸浅滩潮流沙脊中心区呈现“脊聚槽散”的运移趋势,而沙脊外缘至陆架深水区则主要呈现向东南方向的扩散趋势。大致以33°N为分界线,随水深由浅至深,南北两部泥沙运移趋势方向分别呈现顺时针变化。西南部近岸浅滩沙脊(<10 m)区域,输运趋势较为紊乱,砂质沉积物主要向潮流沙脊中心区域(33°N)呈汇聚趋势,运移方向为北西向、北向和北东向,随着水深增加,自蒋家沙—黄沙洋—太阳沙—烂沙洋—冷家沙一线外围边缘(>10 m),粒径运移趋势逐渐顺时针转向东北或东,沿潮流沙槽至浅海陆架区后转为东南向。东南部长江口外大沙滩海域,底质沉积类型明显与现代低能水动力环境不符,属于低海平面时期形成的滨岸沉积,粒径运移趋势也朝向东南。西北部东沙外缘—陈家坞槽—草米树洋附近运移趋势为北东向,出潮流沙槽后,自毛竹沙—草米树洋—外毛竹沙—苦水洋—蒋家沙—黄沙洋外围边缘(>10 m)开始外扩至浅海陆架海域,运移趋势由北东向转为东向,再逐渐转为东南向。

3.2 柱状样沉积特征和现代沉积速率

根据4根柱状样沉积物粒度分析和²¹⁰Pb放射性活度测试结果,于研究区中部33°N附近海域(图1b^[3-4,38-40])呈EW向(A-A'剖面)绘制沉积特征(图6)和现代沉积速率分布图(图7)。

3.2.1 柱状样沉积物特征

自近岸潮流沙脊至浅海陆架海域受控于不同的沉积水动力环境,各站位沉积物类型存在明显差异。从A-A'剖面图中可以看出(表1,图6),Z01站沉积物平均粒径为2.69 Φ,由较粗的砂质组成。Z02、Z03和Z04站沉积物平均粒径分别为4.59 Φ、5.84 Φ和4,85 Φ,粒级明显变细,沉积物以粉砂组分为主。各站位的沉积特征与分别所处的海底地貌环境较吻合,指示由近岸浅滩沙脊向浅海陆架海域水动力环境逐渐减弱。

在不同的沉积时期,柱状样的沉积组合特征也不同(图6)。Z01柱长为0.8 m,沉积物类型单一,以细砂沉积为主,砂组分含量均值为98.42%,平均粒径几乎无变化;Z02柱长为1.85 m,黏土含量较低,砂质和粉砂质组分含量在下部(0.65~1.85 m)呈韵律波动,上部(0~<0.65 m)粉砂含量较高且稳定,顶部0.1 m混入少量砂。Z03柱长为1.85 m,整体以粉砂质沉积为主,粉砂含量均值为68.45%,黏土和砂质含量较低(<20%),平均粒径变化不大。Z04柱长为1.5 m,以粉砂质和砂质沉积为主,黏土含量较低,下部(0.8~1.5 m)砂质含量较高,上部(0~<0.8 m)粉砂成为主要组分,由下而上,平均粒径呈变细趋势。

由以上沉积组合(韵律)可以发现,Z01和Z03所处的海域沉积环境动力相对稳定,近岸的Z01位于沙脊中心附近海域,一直处于较强的动力环境,远岸的Z03所处浅海海域则相反,沉积动力环境变化不大,一直处于低能区。Z02靠近沙脊外缘,水动力变化较为频繁,经常受到强水动力的影响。Z04附近海域则处于早期强、晚期弱的水动力环境。

3.2.2 柱状样现代沉积速率

受物质来源和水动力条件(潮流、风暴)等因素的影响,4根柱状样沉积物²¹⁰Pb放射性活度在岩心中的垂向分布表现为一段式(混合层)、二段式(衰变层-平衡层)和三段式(混合层-衰变层-平衡层)3种模式(图7)。

Z01柱状样²¹⁰Pb放射性活度随深度变化如图7所示,呈一段式分布模式,曲线整体近似为一条垂线,²¹⁰Pb质量活度变化较大,呈现大幅波动或倒置,明显为混合层,且混合层深度较厚(0~0.8 m)。这种分布模式反映了水动力动荡的高能沉积环境,结合其所处沙脊核心附近海域,应该与强潮流的频繁扰动有关。Z03和Z04站²¹⁰Pb放射性活度随深度变化曲线表现为二段式。²¹⁰Pb放射性活度随深度呈指数衰减,到一定深度基本达到恒定值,上部斜线段为衰变层,下部垂线为²¹⁰Pb母体²²⁶Ra的平衡层或本底层,两站的区别仅在于衰减层深度的不同。Z03的0~<0.49 m为衰变层,放射性活度随岩心深度衰变较有规律,0.49~0.8 m段为平衡层,²¹⁰Pb放射性活度衰变较小,可把0.49 m处作为本底位置。Z04的0~<0.33 m为衰变层,0.33~0.8 m段为平衡层,可将0.33 m处作为本底位置。这种分布模式表明,近百年来Z03和Z04站附近海域的沉积环境、物质来源和沉积作用都处于较稳定状态^[26]。Z02站²¹⁰Pb变化曲线表现为“混合层-衰变层-平衡层”三段式,0~<0.16 m段为混合层,混合层深度较浅且²¹⁰Pb质量活度变化幅度较小,可能与强潮流或风暴等导致的沉积物扰动有关。在0.16~<0.49 m为衰变层,0.49~0.80 m段为平衡层,可把0.49 m深度作为本底位置。

通过恒定比活度模式计算过剩²¹⁰Pb质量活度衰变层的现代沉积速率,结果显示,Z01站沉积速率约为0 cm/a,Z02、Z03和Z04站分别为0.55、0.68和0.47 cm/a,均值约为0.43 cm/a(图7),相较于周边海域^[29,36,53],整体较低的沉积速率表明,近百年来苏北浅滩及邻近海域现代沉积作用相对较弱。

4 讨论

研究区包括浅滩潮流沙脊东缘及邻近浅海陆架和长江口外大沙滩海域,是南黄海泥沙向东海扩散的主要通道和重要的沉积作用区,如图1~4所示,底质沉积物类型分布规律随地貌单元的变化,出现明显的分区差异性特征,影响其现代沉积分布格局的因素主要有物源和水动力条件两个方面。

江苏岸外浅滩潮流沙脊群的发育时间可以追溯到全新世早期^[54],物质来源具有复杂性和多样性特征,组成物质主要是古长江、古黄河、古淮河和陆架残留物质再侵蚀的混合物^[42]。受黄河改道和近几十年水坝、水闸对苏北入海河流泥沙拦截作用的影响,废黄河三角洲和苏北现代入海河流往南黄海的输沙量较古黄河大幅降低^[55]。现代长江入海泥沙则大部分沉降在河口三角洲和浙闽沿岸泥质区,仅有少量沉积物影响到长江口北部的近岸海域^[49]。而长江口外大沙滩,底质分布的砂质沉积物与现代陆架区低能沉积环境明显不符,被认为主要是低海平面时期由古长江源物质形成的残留沉积^[50,56]。在大致明确物质来源的基础上,将底质沉积物分布类型、粒径运移趋势、现代沉积速率、水动力条件和海底水深地形等结合分析,有助于更深入地理解研究区现代泥沙沉积物运移路径和机制(图8^{[42,49-50,55-56]})。

近岸浅滩潮流沙脊区以砂质沉积物为主,浅滩、沙脊底质沉积物主要由粉砂质砂和细砂组成,沙槽内为较细的砂质粉砂,明显是现代高能沉积环境下形成的沉积类型。随着潮流观测和数值模拟工作的深入,越来越多的结果表明:苏北海域的潮汐受到东海前进潮波和南黄海旋转潮波的影响,两者在33°N附近的辐射沙洲海域相遇,并形成潮差较大的辐聚辐散潮流系统,成为塑造潮流沙脊区的主要动力条件^[42-44]。自1855年黄河改道以来,潮控作用影响下的辐射沙脊群动力调整历时约170年,特别是近30年来,浅滩沙脊区内部的物质运移趋势趋于稳定,整体上动力调整已接近均衡状态^[55]。潮流沙槽以较细颗粒沉积物为主,一般是落潮流将再悬浮的细颗粒沉积物向外输运的通道,浅滩沙脊区处于强动荡的沉积环境,汇聚了涨潮流作用下分选改造再沉积的砂质沉积物^[10]。苏北辐射沙洲属沉积速率低值区^[34],沉积速率基本都保持在0.5 cm/a以下,部分区域沉积速率为0 cm/a,Z01柱状样砂质沉积特征及²¹⁰Pb混合型变化曲线也证明沙脊中心较长期处于高能沉积环境(图6),无现代沉积,说明现代细粒级沉积物在浅滩、沙脊附近区域的运移量非常低,基本不产生影响。如图5所示,位于西南部近岸浅滩和沙脊中心区域(<10 m)的底质沉积物运移趋势较为紊乱,运移方向主要朝北西向、北向和北东向,反映了受辐射沙脊中心区域强烈涨潮流影响,浅滩和沙脊表面较粗的推移质组分呈现向北辅聚中心(33°N附近)运移的趋势。随着水深增加,底质沉积物逐渐由砂质变成粉砂质,自蒋家沙—黄沙洋—东太阳沙—烂沙洋—冷家沙一线外围边缘(>10 m)运移趋势逐渐呈顺时针转向东北或东,沿潮流沙槽至浅海陆架区(15~25 m)后转为东南向,主要指示沙脊区细颗粒悬浮泥沙的运移趋势。

研究区南部水深15~25 m陆架区域分布的底质沉积物以细颗粒粉砂为主,再往东则是与现代陆架区低能沉积环境明显不符的长江口外大沙滩海域,这些细颗粒泥沙主要来自现代长江。已有研究表明,长江北向冲淡水流速较慢,春夏季冲淡水出口门沿岸北上,与潮流沙槽的落潮余流汇合后产生顺时针偏转,继续东流遇台湾暖流余流的阻隔,最终向东南汇入长江口外部的沿岸流中^[38]。冲淡水携带的细颗粒泥沙在重力分异作用下可能主要沉降在该海域,可将此区间视为现代长江北向冲淡水悬浮泥沙向海运移、扩散和沉降的主要位置。东南部长江口外大沙滩海域运移趋势朝向东南,该区域主要潮汐作用影响较大,受现代海洋环流影响较小^[38],其分布的砂质沉积物类型与现代低能水动力环境明显不符,推测主要受控于地形条件,现代潮汐往复性运动搬运底质泥沙往深水陆架区缓慢运移,导致粒径运移趋势朝向东南。

研究区西北部东沙外缘—陈家坞槽—草米树洋附近的沉积物运移趋势表现为东北向,推测主要是落潮流将沙脊区再悬浮泥沙沿东北向发育的潮流沙槽带出至浅海陆架。而北部自毛竹沙—草米树洋—外毛竹沙—苦水洋—蒋家沙—黄沙洋的外缘(>10 m)至浅海陆架海域,底质沉积物平均粒径逐渐变细,由砂质转为粉砂质,细颗粒沉积物逐渐增多,整体运移方向由东北向转为东向,再逐渐转为东南向,主要反映了现代苏北河流和废黄河三角洲细颗粒泥沙的运移趋势。发育在苏北浅滩北部的灌河、灌溉总渠和射阳河等现代河流冲淡水入海后通常沿河口向东或东南冲溢扩展,由于沙脊区外缘旋转潮流的顶托,冲淡水汇聚近岸海水形成苏北沿岸水,前锋能达到122.5°E以东,出沙脊区后继续沿平行岸线方向南下,影响范围可扩展到32°N附近^[38],但苏北沿岸水流速较小,不足以搬运砂质组分,仅能将悬浮态的细颗粒泥沙输运至浅海陆架区。研究区中部33°N附近海域浅层沉积物东西向断面的沉积特征和现代沉积速率结果显示(图6,7),水深20~30 m陆架区浅层沉积物以较细的粉砂组分为主,现代沉积速率为0.47~0.68 cm/a,均值为0.57 cm/a,与南黄海西部海域现代黄河物质输运通道处的沉积速率相似(0.33~0.76 cm/a)^[29],远低于长江口附近海域3 cm/a的沉积速率^[34],这主要与废黄河三角洲和现代苏北入海河流较低的输沙量有关^[55]。结合表层沉积物呈现的东南向输运趋势,推测该区域是南黄海西南部内陆架海域细颗粒泥沙向东海输运的主要路径。随水深增加,陆架区沉积速率断面呈低-高-低的变化趋势,位于20 m等深线附近的Z02柱状样靠近蒋家沙的边缘位置,0.16~0.49 m段以粉砂沉积物为主,沉积较为稳定,平均沉积速率为0.55 cm/a,反映了较弱的水动力沉积环境,顶部0.1 m沉积物中砂质组分增多,表现为混合层,推测受到沙脊区强潮流作用或风暴潮的影响,将蒋家沙附近的砂质沉积物搬运到该处。Z03和Z04分别位于25 m和30 m等深线附近,浅层沉积物均以粉砂质为主,相比较而言,Z03的现代沉积速率更高,沉积物粒级更细,且细颗粒沉积物的厚度更大(图6),说明近现代以来一直处于较弱的水动力沉积环境中,推测沿25 m等深线附近可能是南黄海西南部内陆架泥沙往东海输运和沉降的中心位置。而黄海西部沿岸流主要沿40~50 m等深线南下,越过长江口外大沙滩后侵入东海,与研究区东北部东南向的粒径输运趋势一致,这可能主要是指示南黄海细颗粒泥沙往东海外陆架海域的搬运沉积。

5 结论

(1)苏北浅滩邻近海域底质沉积物类型主要有砂、粉砂质砂、砂质粉砂和粉砂4种类型,沉积物类型分区差异性明显,除长江口外大沙滩海域分布残留成因的砂质沉积物外,自近岸向外海方向,逐渐由砂质沉积物转为粉砂质沉积物。沉积物平均粒径值为1.72~6.68 Φ,变化趋势与沉积物类型分布相符;分选系数为0.49~2.78,变化较大,砂含量高值区分选较好,达到中等及以上等级,其他区域较差,分选系数随着平均粒径的增大呈减小的趋势,与较强的沉积动力分选作用有关;偏态和峰态分别为-0.15~0.71和0.69~2.93,大部分表现为正偏-极正偏、中等宽平的峰型。

(2)Gao-Collins粒径趋势模型分析显示,底质沉积物运移趋势表现出一定的区域性特征,苏北浅滩潮流沙脊中心区呈现“脊聚槽散”的运移趋势,浅滩和沙脊部位的砂质沉积物向中心区域(33°N)呈汇聚趋势,细颗粒沉积物沿沙槽向陆架呈输散趋势。随水深加深,由沙脊区外缘至浅海陆架海域,运移趋势呈顺时针方向变化,并逐渐转为东南向的扩散趋势。

(3)对33°N附近海域4根柱状样进行²¹⁰Pb放射性活度分析,并计算近百年来的沉积速率。结果表明:沙脊附近柱状样²¹⁰Pb质量活度变化曲线呈现大幅波动或倒置,具有明显的混合沉积特征,表明近百年来在该海域无沉积作用或沉积物频繁遭受侵蚀。陆架区²¹⁰Pb沉积速率自西向东呈低-高-低的变化趋势,3根柱状样沉积速率分别为0.55、0.68 和0.47 cm/a,均值为0.57 cm/a,对比长江口附近海域沉积物现代沉积速率结果明显偏低,反映苏北浅滩邻近海域的现代沉积作用相对较弱。

(4)粒径运移趋势、现代沉积速率和水动力条件结合分析发现,浅滩区受强潮流影响,砂质沉积物随涨潮流向中心区汇聚迁移,较细粒泥沙被落潮流搬运至陆架区;长江北向冲淡水携带的细颗粒泥沙沉降在南部水深15~25 m区域;长江口外大沙滩海域,受现代潮汐往复搬运,泥沙往东南向深水区运移;苏北河流和废黄河三角洲细颗粒泥沙在苏北沿岸水携带下向东或东南冲溢扩展出沙脊区后,部分继续向东,被黄海西部沿岸流搬运至东海外陆架,其余沿内陆架平行岸线方向输运南下。沉积物现代沉积速率分布特征表明,水深20~30 m的内陆架区域沉积速率均值为0.57 cm/a,沉降较快,是细颗粒泥沙向东海输运的主要路径,25 m等深线附近沉降速率最高为0.68 cm/a,应为泥沙输运和沉降的中心位置。

感谢青岛海洋地质研究所孙军博士野外采样中给予的帮助,以及青岛海洋地质研究所何乐龙工程师在样品放射性测试中的大力支持。审稿人在审阅文章时给出的意见和建议,促进了论文内容的完善,在此一并谨致谢忱!

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基金资助

中国地质调查项目(DD20242758)

中国地质调查项目(DD20221710)

中国地质调查项目(DD20243114)

中国地质调查项目(DD20240089)