柏春广, 龚小辉, 王 建

(1. 东南大学 交通学院, 江苏 南京 210096; 2. 江苏第二师范学院 城市与资源环境学院, 江苏 南京210013;3. 南京师范大学 地理科学学院, 江苏 南京 210097)

淤泥质潮滩中的沉积韵律层记录了潮汐周期的变化, 由潮汐周期可以推算出沉积时间和沉积速率,并且由古潮汐韵律的研究还可推算出古地球、月球轨道参数, 因此研究者们一直对该领域的研究非常重视。利用古代潮汐沉积韵律对古环境进行解释的可靠性在很大程度上需以现场连续的现代潮滩沉积的实地观测为基础, 已有研究中不同区域的观测资料很好地揭示了从涨落潮周期[1]、大小潮周期[2-5]到年周期[6-8]和长周期[9]的“潮滩循环”, 以及风浪在开敞潮滩短期演变中的作用[10], 从而为潮汐韵律层成因机制的解释及区域差异的分析奠定了良好的基础。然而关于潮滩不同微地貌的沉积差异的研究仍显得非常不够, 为突出微观尺度上潮滩沉积差异,使潮汐韵律层作为高分辨率测年工具的可适用性得到清晰的展示, 本项研究以江苏大丰淤泥质潮滩中的中潮滩的现场连续半个月的沉积观测资料为依据,探讨中潮滩不同部位的潮滩沉积随时间的变化及其空间差异。

1 研究区概况

江苏大丰海岸为半开敞型边缘海海岸, 因受北部的废黄河口和南部长江口的影响, 泥沙来源丰富,淤进型潮滩。滩面宽阔平坦, 平均宽度为 8～10 km,由于多次围垦, 有的地方已不足5 km, 平均坡度0.5‰。潮汐类型为不规则半日潮, 平均潮差3.68 m, 属于中等潮差海岸, 潮流类型为旋转流。全年平均风速, 近海为 4～5 m/s, 海上为 5～7 m/s, 风向以 NNE、NEE为主。盛行偏北向浪, 波高小于l m的波浪的出现频率为85%[11]。

该区在地貌格局上属于华东凹陷, 为江苏辐射沙洲内缘区典型的粉砂淤泥质海岸, 由海向岸沉积物颗粒逐渐变细。较大的潮差和较高的泥沙含量, 使得这里的沉积速率较快, 是研究现代潮汐沉积比较理想的区域。

实地观测地点位于大丰市川东港闸以北 10 km的粉砂淤泥质光滩上, 样品采集点为图 1中的C(33°07′02″N, 120°50′42″E)、D(33°07′26″N,120°51′11″E)、E(33°07′48″N,120°51′34″E)三点, 它们均介于小潮高潮位和小潮低潮位之间, 即属于中潮滩, 并且分别位于中潮滩的上、中、下部。C点位于大米草滩与光滩交界处, D点位于泥砂混合滩, E点位于粉砂细砂滩。C, D两点相距约1 000 m, D, E两点相距约900 m。图中的A, B两观测点是为更长时间尺度潮滩沉积的观测而设置。

图1 研究区位置及采样点分布Fig.1 Study area and sampling sites

2 研究方法

2.1 野外观测

为了弄清研究区中潮滩的大小潮周期沉积特征,课题组成员于2007年7月28日至8月14日间, 对C, D, E三个点进行了半个月的连续观测及系统采样,期间潮汐经历了从大潮到小潮, 再到大潮的过程。具体采样方法为: 在每个观测点分别设置自制的沉降板(50 cm×40 cm)三块, 使沉降板的表面与滩面保持在同一水平面(图 2)。涨潮时, 潮水携带的泥沙在高平潮时逐步沉降下来, 低平潮时, 到滩面上采集沉降板上的泥砂沉积样, 装入采样袋并密封, 按日期和采样点编号, 以供室内分析, 观测了 30个涨落潮周期的沉积, 共采集潮水沉积样90个。由于滩面沉积物含水量较大, 尤其是位于上部的 C点, 因此滩面柱状样的采集往往非常困难。

图2 沉降板和沉降板上的沉积物照片Fig. 2 Photographs of sedimentation board and the sediments on the board

2.2 室内实验分析

将野外采集到的样品带回实验室, 进行粒度、沉积通量及磁化率等指标的测定, 样品的测试工作是在南京师范大学地理科学学院环境演变与生态建设实验室完成的。

在粒度测定之前, 对沉积样品进行了预处理,具体步骤为: 利用H2O2去除沉积物样品中的有机质;用 HCl去除碳酸盐、钙胶结物; 用清水中和并清洗钙、氯离子; 用六偏磷酸钠(NaPO3)6溶液作为分散剂,用超声波对样品进行分散。样品预处理完毕后, 利用Mastersizer 2000激光粒度仪进行测试, 粒度参数采用福克和沃德在1957年提出的公式进行计算的。

样品沉积通量的测定, 是通过室内对样品烘干称重, 用所得值减去包装袋的重量, 获得每次潮水沉积物的净沉积量。再将沉积量除以沉积面积, 得出沉积通量。用公式表示为:Q=M/S, 其中M代表沉积物质量, 单位为g;S代表沉积面积, 单位为cm2;Q代表沉积通量, 单位为g/cm2。

对取自C点、D点、E点的共计90个沉积物样品在实验室进行了磁化率的测试。具体方法是: 将样品在低于 40℃的烘箱内烘干, 在玛瑙研钵中碾碎干样, 以不损坏自然颗粒为度, 用 10 cm3无磁性圆柱形聚乙烯样品测量盒装满碾碎后的样品, 压实、固定并称重。用英国产Bartington MS2型磁化率仪对样品进行低频(0.47 kHz)磁化率的测试。为保证样品的测量精度, 每个样品从不同角度至少重复测量四次,取其平均值。为避免人为因素的影响, 对异常高值重复测量多次, 误差不超过3%, 以保证测量的精度。

3 结果和讨论

3.1 沉积物粒度的变化

在本项研究的潮滩沉积观测时期, 潮汐经历了从大潮到小潮、再到大潮的半个月的变化,这在潮位的变化中可以得到很好的体现。其中, 8月8日下午的沉积为台风“帕布”形成的风暴潮沉积, 在“帕布”的影响下, C点沉积物的颗粒较风暴潮前要明显粗很多, E点沉积物颗粒则较风暴潮前要细, D点变化不明显, 关于其详细变化特征与成因将在另外的论文中作探讨, 在此不进行详细描述。在进行沉积物大小潮周期的粒度变化与潮位及波浪关系分析时未将风暴潮沉积计入其中。文中所用的潮位资料来源于大丰港, 风速和浪高等气象资料为盐城气象网的对近海海面天气预报数据。

粒度测试结果显示, 观测期间C, D, E点的沉积物平均粒径变化范围分别为: 4.94Φ～7.29Φ,4.48Φ～5.48Φ, 4.24Φ～5.55Φ。C, D, E 点的中值粒径变化范围分别为: 4.67Φ～7.17Φ, 4.30Φ～4.99Φ, 4.05Φ～4.91Φ, 图3显示了观测期间沉积物粒径的变化与高潮位潮高及近海浪高的对比关系。由图可见: 就同一次涨落潮而言, 位于中潮滩上部的 C点的沉积物颗粒明显比中部的D点和下部的E点要细。这是因为C点离岸最近, 高程最高, 水位较浅, 潮能也稍弱,潮水携带泥沙的能力最弱, 细颗粒的物质才能被带到该位置形成沉积, E点情况相反。

图3 沉积物中值粒径变化与高潮位潮高、近海浪高的对比Fig. 3 Variation comparison of median grain size of sediments, high-tide level and wave height in the offshore area

在8月8日受台风影响之前, 三个观测点总体显示出随着高潮位潮高的不断降低, 沉积物颗粒不断变粗, 即在大潮期间, 沉积物颗粒反而较细。可能是由于潮位较高时, 水深较深, 潮流速较大, 潮水中的泥沙在中潮滩不能沉降; 而在水深较浅、落潮流速较小时, 一些细粒物质才沉积下来, 从而使沉积物颗粒较细。同样, 在风暴潮过后, 高潮位的潮高在不断增大, 而中值粒径的变化除 C点显示出颗粒变粗外,其他两点并未出现这一现象。相反, 中值粒径与波浪却有着较为密切的关系: 在浪高较大时, 沉积物的颗粒较粗, 浪高较小时, 沉积物的颗粒较细。可见,若波浪作用较强, 超过了潮流对沉积物的影响, 从而可能成为决定潮滩泥沙沉降的主要因子, 并且对中潮滩不同部位的影响也有明显差异。这一点与以往研究中所观测到的高潮滩沉积物颗粒的粗细变化与潮位之间的强相关性有着明显区别。

粒度参数的计算结果显示, 三个观测点自7月28日至8月14日, 沉积物平均粒径总体变粗, 分选变好。在沉积物粒度组成的变化上表现为: C点与D点在该时间段, 极细砂和粗粉砂的含量逐渐增大, 细粉砂和黏土的含量逐渐减少; E点在该时间段, 细砂与极细砂含量增大, 细粉砂与黏土含量逐渐减少, 在台风期间, 粗粉砂的含量也较少。这就进一步显示了: 在中潮滩, 波浪对沉积物的影响可能比潮汐的影响更加明显。

3.2 沉积通量的变化

沉积通量的变化和潮水能够携带的泥沙量、沉积时间、沉积滩面的粗糙程度、退潮时带走的沉积物多少等存在密切关系。理论上由小潮向大潮的过程中, 潮水的能量逐渐增大, 潮水能够携带的泥沙量逐渐增加, 沉积的泥沙量也逐渐增加, 到大潮时, 潮水的能量达到最大值, 能够携带的泥沙量最大, 同时滩面过水时间长, 大潮时的沉积通量应该最大。大潮向小潮的过程中, 沉积通量逐渐减小。然而, 本项研究中实际测得的沉积通量并不完全符合这一理论, 具体见图4。

由图4中3个观测点的沉积通量的变化不难看出: 在中潮滩, 弱浪期间的大潮向小潮转化过程中,在中潮期间沉积通量达到高峰值, 且达到峰值的时间自陆向海推迟; 强浪期间的小潮向大潮转化过程中, 达到峰值的时间自海向陆推迟。这种中潮滩不同部位沉积通量峰值出现时间的差异, 与潮汐作用过程中不同部位的水深变化时间差异相关, 水深先变浅的部位先达到沉积通量的峰值。

就每一次涨落潮而言, 三个观测点沉积通量值基本表现为C点最小, E点最大, D点介于其间, 这可以从C点到E点水动力增强, 海水浸没时间延长得到解释。

3.3 沉积物磁化率的变化

对C, D, E三个观测点的沉积物样都进行了磁化率测试, 每个样品重复测量四次, 取其平均值, 其结果如图5所示。

图4 沉积通量及其与潮差、近海浪高对比Fig. 4 Variation comparison of sedimentary mass per unit area, tidal range and wave height in the offshore area

图5 沉积物样品质量磁化率变化Fig. 5 Variation of mass susceptibility of sedimentary samples

各观测点沉积物的质量磁化率在连续半个月中都出现了多个峰值, 无明显的时间变化规律。但三个观测点之间仍存在明显差异, C点距离海岸最近, 沉积物粒径最小, 其连续半个月沉积物的磁化率平均值最小, 为5.35×10-7m3/kg, D点距离海岸居中, 其连续半个月沉积物的磁化率平均值为8.42×10-7m3/kg, E点距离海岸最远, 沉积物粒径最粗, 其连续半个月沉积物的磁化率平均值最大,为8.54×10-7m3/kg。这与前人研究的粉砂淤泥质海岸, 自陆向海沉积物磁化率逐渐增大[12]的结论相一致。

为探讨质量磁化率与样品粒级组分之间的关系,对每一个观测点取30个样用SPSS软件进行统计分析, 质量磁化率值与样品各粒级组分百分比的相关性见表1。

从表 1可以看出, 本区中潮滩磁化率总体上与细砂(2Φ～3Φ)、极细砂(3Φ～4Φ)关系最为密切, 可能是磁性矿物更多地富集在细砂、极细砂中。

表1 质量磁化率与沉积样品不同粒级组分百分比之间的相关性比较Tab. 1 The correlation coefficients of mass susceptibility and grain sizes of sedimentary samples

4 结论

通过以上对研究区所采集的沉积物样品的粒度、沉积通量及磁化率等的分析可以得出如下结论:(1)与高潮滩不同, 中潮滩沉积物颗粒粗细的变化在大小潮周期中即使在弱浪期间与潮汐周期变化也不具有很好的对应关系; 而强浪对中潮滩沉积的影响往往明显超过潮汐的作用。(2)中潮滩不同微地貌部位的沉积无论在颗粒大小, 还是沉积通量方面都有着明显的差异, 上部的沉积物颗粒明显细于中部和下部, 并且沉积通量自岸向海也呈增加的趋势。(3)在一个大小潮周期中, 中潮滩不同地貌部位出现沉积通量峰值的时间差异与滩面高程、潮汐和波浪共同作用的水深有着比较密切的关系。(4)研究区中潮滩沉积物质量磁化率与粒径组分中的细砂和极细砂关系密切, 并且磁化率呈现由陆向海增加的趋势。

[1]Reineck H E. Layered sediments of tidal flats, beaches,and shelf bottoms of the North Sea[C]//Lauff G H.Washington, D.C.: American Association for the Advancement of Science, 1967:191-206.

[2]任美锷, 张忍顺, 杨巨海. 江苏王港地区淤泥质潮滩的沉积作用[J]. 海洋通报, 1984, 3(1): 40-54.

[3]Choi K S, Park Y A. Late Pleistocene silty tidal rhythmites in the macrotidal flat between Youngjong and Yongyou Islands, west coast of Kore a[J]. Marine Geology, 2000,167: 231-241.

[4]Storms J E A, Hoogendoorn R M H, Dam R A C, et al.Late-Holocene evolution of the Mahakam delta, East Kalimantan, Indonesia[J]. Sedimentary Geology, 2005,180: 149-166.

[5]Bai Chunguang, Wang Jian, Xu Yonghui. Tidal couplet formation and preservation, and criteria for discriminating storm-surge sedimentation on the tidal flats of central Jiangsu Province, China[J]. Journal of Coastal Research,2010, 26(5): 976-981.

[6]杨世伦.长江三角洲潮滩季节性冲淤循环的多因子分析[J]. 地理学报, 1997, 52(2): 123-130.

[7]Cowan E A, Cai J, Powell R D, et al. Modern tidal rhythmites deposited in a deep-water estuary[J].Geo-Marine Letters, 1998, 18: 40-48.

[8]宋召军, 黄海军, 王珍岩, 等. 苏北潮滩的近期变化分析[J]. 海洋科学, 2008, 32(6): 25-29.

[9]李炎, 张立人, 谢钦春. 浙江象山大目涂淤泥质潮滩发育的周期性[J]. 海洋学报, 1987, 9(6): 725-734.

[10]杨世伦. 风浪在开敞潮滩短期演变中的作用——以南汇东滩为例[J]. 海洋科学, 1991, 2:59-64.

[11]李占海. 江苏大丰潮滩沉积动力过程研究[R]. 上海:华东师范大学, 2005.

[12]姜文英. 江苏海岸现代和晚第四纪沉积物磁化率分析及其环境意义[D]. 南京: 南京师范大学, 1992.