第四纪研究  2017, Vol.37 Issue (3): 654-666   PDF    
表层沉积物粒度所指示的渤海现代沉积体系
秦亚超 , 李日辉     
( 国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室, 青岛 266071;
青岛海洋地质研究所, 青岛 266071)
摘要:本文基于140个渤海表层沉积物样品的粒度分析,探讨渤海的现代沉积体系。结果表明,渤海现代沉积体系主要分为三类:1)渤东潮流沉积体系,以潮流动力作用为主,包括渤东涨潮流三角洲及其前缘的泥质沉积,以及该三角洲以北的变余沉积和残留沉积;2)河流水下三角洲沉积,以河流与海洋动力交互作用为主,主要包括黄河水下三角洲、滦河水下三角洲、辽河水下三角洲、海河水下三角洲和潍河-弥河水下三角洲等;3)陆架沉积,其中,渤海湾中部发育陆架泥质沉积。渤海东部涨潮流三角洲沉积体呈较为完整的扇形分布,扇形中轴大致由老铁山水道强潮流速区指向秦皇岛至滦河口近海的弱潮流速区,其三角洲前缘发育泥质沉积。渤东涨潮流三角洲以北存在一块面积较大的古河流相沉积洼地,由于周边碎屑物质供应匮乏,尚未被现代沉积物明显覆盖,估计应为渤海面积较大的一处变余沉积-残留沉积区。渤海泥质区(带)由渤海湾内的陆架泥质沉积和渤东涨潮流三角洲的前缘泥质沉积相互叠加、衔接而成。从物源上来看,该泥质区(带)由黄河(再)悬浮的细颗粒物质长期、缓慢沉降堆积而成,由此也构成了黄河物质向北扩散的边界。模式分析显示,落潮流可能是黄河物质向北黄海搬运的主要驱动力。
主题词粒度     表层沉积物     涨潮流三角洲     沉积体系     渤海    
中图分类号     P512.32;P736;P722.4                     文献标识码    A

1 前言

渤海是一个近封闭的陆架浅海,仅在东部以约109km宽的渤海海峡与黄海相通。渤海地形平缓,地势呈由渤海湾、辽东湾和莱州湾向渤海海峡倾斜之势,平均水深仅为18m。全新世以来,以黄河为首的周边河流所携带的陆源碎屑的汇入成为构筑渤海现代沉积体系的主要物质来源。河流碎屑物质的入海过程及其归宿至少包括4个阶段[1]:1) 河口羽状流胁迫下的分散,2) 初始沉积,3) 海洋过程所引起的再悬浮和搬运,4) 长期的净积累。由于渤海相对封闭、狭小,而相对于其他中小河流,黄河输沙量巨大,渤海沉积体系的架构主要反映了黄河等河流的水下三角洲的进积和水动力环境中沉积物净积累的长期趋势。沉积物的扩散、搬运、再悬浮等主要受到近岸波能[2~4]、潮流[5~7]等海洋动力条件的控制以及风暴浪[1, 8]等的事件驱动。

粒度是沉积物颗粒最基本的物理属性[9, 10];很早人们就已经认识到,碎屑沉积物的粒度分布是对沉积介质的流体因素和沉积环境的能量因素的响应[11, 12]。通过粒度分析,可以得到沉积物来源、搬运历史和沉积过程等重要信息,因而早已广泛应用于沉积学研究,成为重建沉积物搬运机制和判别沉积环境的重要手段之一[13~16]。沉积物颗粒在水动力环境中的分散能力,主要取决于环境的能量条件与颗粒粒径大小之间的相对关系。渤海深入内陆,受到大洋和外海潮波系统的影响小,水动力环境能量偏弱。其潮流以半日潮流为主,平均流速通常在0.5~1.0m/s之间;渤海海峡潮流最强,为1.5~2.0m/s;其次是渤海东部;莱州湾和秦皇岛沿海一带流速最低[17]。潮差平均值通常在1~3m之间;辽东湾顶和渤海湾顶潮差大,最大值可达5m以上[17];秦皇岛附近最小,平均潮差仅为0.8m[18]。按照Hayes[19]的分类,渤海应归为弱潮至中潮海区。从沉积物粒度来看,以中、细粉砂为主的黄河物质粒径小,启动速度低,对水动力条件的变化更灵敏、响应更快。通过粒度分析,可以直接揭示水动力环境对沉积物分散过程的控制,认识渤海现代沉积过程。

本文的目标是,通过分析渤海表层沉积物的粒度组成和参数分布特征,结合潮流资料建立沉积模式、辨别沉积物来源、认识其长期运移趋势和分布规律,进而探讨渤海现代沉积体系的架构,揭示潮流在沉积体系构筑过程中所发挥的重要作用。

2 周边主要河流及其水下三角洲

渤海的现代沉积物绝大多数源于周边河流输入的陆源碎屑,此外还有少部分来自黄海潮流的带入以及少量的大气沉降物质[18]。渤海入海河流主要有黄河、辽河、滦河、海河、大凌河、潍河、弥河等,每年由这些河流输入的泥沙高达1.3×109t,但绝大多数以黄河物质为主[18],对渤海现代沉积体系的形成具有深远影响。

黄河为季节性多沙河流,多年平均含沙量为25.3g/L,多年平均输沙量约为1.08×109t,90 %以上来自黄土高原[20]。黄河入海泥沙以粉砂为主;悬沙中值粒径约为20~40μm,分选程度高;底沙主要是砂质粉砂,平均粒径在4以上[21]。黄河物质入海后,超过80 %堆积在河口三角洲区域[22],余者主要是细颗粒悬浮物质,在潮流和波浪等的作用下向远海扩散、搬运。1976年之前,黄河流路在黄河三角洲北部的神仙沟至刁口附近入海[23],很多黄河泥沙输送至渤海湾,与海河水系输入的陆源碎屑共同沉积;1976年黄河实施人工截流改道,其流路转向东部的清水沟一带[23]

辽河全长1345km,多年平均流量179.0m3/s,平均径流量95.27×108m3。铁岭水文站多年平均含沙量3.6kg/m3,多年平均输沙量2098×104t。辽河水沙量不但年际变化大,年内分配也很集中,流域内洪水主要由暴雨产生,多发生在7、8月间。辽河下游在盘山县沙岭镇六间房村分为两股入海;一支从六间房至三岔河称外辽河,同浑河、太子河汇合称大辽河,从营口入海;另一支穿越盘锦市双台子区,旧称双台子河,现更名为辽河,从盘山入海。后者为辽河水系真正的入海河道[24]

大凌河是辽东湾西岸一条较大的独流入海河流,干流全长435km,多年平均径流量为16.33×108m3,7~9月径流量约占全年的70 %以上。流经碎屑岩、火山岩山区和风化沙土地区,植被条件较差,水土流失严重。大凌河干流凌海站多年平均年输沙量为1770×104t,流域内最大年含沙量可达78.6kg/m3[25]

辽河三角洲范围东起盖州市大清河口,西至锦州市小凌河口。它主要是在辽河、大辽河、大凌河和小凌河等河流共同加积作用下形成的,辽河口门外分布有众多潮流浅滩,其中以盖州滩为最大[26]。辽河口潮差较大,平均约为2.7m,属中等潮差的河口,进出潮量也较大。该海区潮流以往复流为主,主流向为NE-SW向。涨潮流平均流速大于落潮平均流速,涨、落潮平均流速分别介于10~50cm/s和10~40cm/s[26]。水下三角洲表层沉积物以粉砂和粘土为主,粒度较细[27]

滦河全长1200km,根据1950~1977年滦县水文站资料,滦河年平均径流量为45.5×108m3,其中7~9月洪水季节占70 %,年平均输沙量为19×106t,洪水季节占93 %。滦河口区潮差1.0~1.5m,属弱潮汐河口。涨潮流向南西,落潮流向北东[28]。滦河是入海输沙量和含沙量都很高的河流[4],沉积物以砂质为主,细粒级物质较少。与黄河相比,滦河对前三角洲和邻近的渤海陆架供应的沉积物不多,入海泥沙大多沉积在滦河口至曹妃甸一带的沿岸海区,而对渤海沉积的影响主要局限在近岸海域[29]

海河是华北地区的最大水系,由海河干流和其上游的北运河、永定河、大清河、子牙河、南运河五大支流组成。以漳卫河为源,全长1050km。海河流域降水年际丰枯变化很大,年内分配也极不均衡,一般集中在7~9月。20世纪50年代以前,海河干流入海水量丰沛,多年平均径流量为9.87×109m3。建闸前,多年平均入海泥沙量为803.8×104t[30]。入海泥沙颗粒很细,中值粒径大都在5~20μm之间[31]

3 材料与方法

表层沉积物样品共计140个,采集于2009年至2013年,用箱式取样器完成,采样站位呈等间距均匀分布(图 1),基本覆盖了除辽东湾湾顶区之外的渤海大部分海域。按照《海洋调查规范——海洋地质地球物理调查(GB/T 12763.8-2007)》[32]对样品粒度进行分析,于中国地质调查局海洋地质实验检测中心完成。

图 1 渤海表层沉积物采样站位分布 红点代表采样站位位置 Fig. 1 Map of the Bohai Sea showing location of sediment sampling sites. Red dots represent sampling locations of surface sediments

样品粒度采用激光粒度分析方法测定。原始样品需要进行前期处理。首先,称取一定量的沉积物样品,将其充分混合,然后,加入6 %的双氧水(H2O2)去除有机质,再加入0.2 N稀盐酸去除钙质胶结物和生物壳体。之后,样品还要用清水清洗除盐,直至清洗液至中性为止。经上述步骤处理后,加入0.5 N的六偏磷酸钠溶液,浸泡24小时,使样品充分分散。原样经上述预处理之后,采用英国Malvern公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度仪进行测定,分析结果用Udden-Wentworth值粒级标准表示,粒级间隔为0.25。利用GRADISTAT粒度处理软件[33]计算粒度参数,MapGIS 6.7软件内置的泛克里金插值法绘制粒度参数的等值线分布并成图。表层沉积物的分类与命名采用Folk分类法[34]

4 结果 4.1 表层沉积物组分特征

渤海表层沉积物由砂(-1~4ϕ)、粉砂(4~8ϕ) 和粘土(>8ϕ)3种组分构成,以粉砂为主,平均可达60.9 %,粘土和砂质组分含量较低,其平均值分别为21.6 %和17.6 %。

粉砂组分的高值区主要出现在渤海湾中部和黄河三角洲近海至渤海中部一带,其含量可达70 %以上(图 2a)。以滦河口为中心的秦皇岛至曹妃甸近海、渤中浅滩以及长兴岛以北海区,粉砂含量低,通常在40 %以下。粘土含量的高值区主要出现在渤海湾内,呈带状分布,有转向北东、向辽东湾延伸的趋势(图 2b)。包括渤中浅滩以及渤海海峡中部在内的渤海东部、莱州湾顶及其以东近海和渤海湾南部,粘土含量低,通常低于10 %。砂质组分的高值区集中于渤海海峡中部至渤中浅滩附近的大片海区,其次还出现在以滦河口为中心的秦皇岛至曹妃甸近海、莱州湾顶及其以东近海和长兴岛以北近海,砂含量大多在50 %以上(图 2c)。砂含量低值区(< 5 %)分布于渤海湾中部,呈东西向带状展布,出湾口之后折向东北,向辽东湾内延伸。

图 2 渤海表层沉积物粉砂(a)、粘土(b)和砂(c)含量分布图 Fig. 2 Spatial distributions of silt(a), clay(b), and sand (c) of surface sediments in the Bohai Sea
4.2 表层沉积物粒度参数特征

表层沉积物平均粒径(Mz)介于5.38~112.4μm之间,均值为25.0μm,以中粉砂为主。平均粒径分布(图 3a)显示,从渤海湾西部至渤海中部,然后折向渤海东北部,存在着一条明显的低值带,其平均粒径通常高于6.5φ(< 11.05μm),为极细粉砂粒级,通常称之为渤海泥质区(带)。平均粒径最粗的海域主要出现在以滦河口为中心的渤海北部近海、莱州湾顶及其以东近海、长兴岛以北近海和渤中浅滩附近,以细砂或粗粉砂粒级为主。平均粒径的分布与沉积物砂含量的分布特征(图 2c)非常相似。

图 3 渤海表层沉积物平均粒径(a)、分选系数(b)、偏度(c)和峰态(d)分布图 Fig. 3 Spatial distributions of mean grain-size(a),sorting(b),skewness(c),and kurtosis (d) of surface sediments in the Bohai Sea

分选系数(σI)介于0.82~3.09之间,均值为2.02,分选程度大多为较差(1.00~2.00) 或差(2.00~4.00) 级别(图 3b)。渤海泥质区粒度最细,但其分选程度并不是最好的;莱州湾顶的碎屑沉积物虽然粒径较粗,但分选程度属中等(0.71~1.00) 水平;渤海北部以滦河口为中心的秦皇岛至曹妃甸近海一带虽然也以细砂为主,但其分选程度是本区最差的。

偏度(SkI)介于-0.31~0.76之间,均值为0.22,可分为负偏(-0.3~-0.1)、近对称(-0.1~0.1)、正偏(0.1~0.3) 和极正偏(0.3~1.0)4个级别(图 3c)。渤海东部、莱州湾以及渤海湾南部等大部分海区主要呈极正偏分布,渤海中西部以泥质区为主的海域多呈近对称分布。渤海北部近海的偏度分布变化较大,海河口至曹妃甸周边呈负偏分布,而秦皇岛至滦河口一带则呈极正偏分布。

峰态(KG)介于0.62~2.50之间,均值为1.01,可分为很平坦(< 0.67)、平坦(0.67~0.90)、中等/正态(0.90~1.11)、尖锐(1.11~1.50) 和很尖锐(1.50~3.00)5个级别(图 3d)。渤海大部分海区,尤其是包括泥质区(带)在内的中西部,以正态分布为主;秦皇岛至曹妃甸近海一带呈很平坦分布;莱州湾沉积物为很尖锐和尖锐分布类型。

4.3 表层沉积物类型

研究结果表明,渤海表层沉积物可分为6类(图 4),以砂质粉砂(sZ)、粉砂(Z)和粉砂质砂(zS)为主,泥(M)、砂质泥(sM)和泥质砂(mS)仅出现于个别站位,很少见。

图 4 渤海表层沉积物类型分布(据Folk分类[34]) Fig. 4 Spatial distribution of surface sediment types in the Bohai Sea based on Folks classification system[34]

砂质粉砂(sZ)是渤海分布最广的沉积物类型,大约覆盖50 %的采样站位,主要分布于渤海中东部、秦皇岛至唐山近海、莱州湾至渤海海峡南部,以及黄河三角洲两侧的近岸浅水区等。沉积物以粉砂为主,含量介于34.3 % ~72.8 %之间,平均为55.4 %;砂含量平均为28.0 %;粘土含量介于3.5 % ~28.9 %之间,变化较大,平均为16.6 %。平均粒径为23.0μm,属于中粉砂。分选系数为2.11,分选程度差。偏度和峰态的平均值分别为0.20和1.02,以正偏、中等/正态分布为主。

粉砂(Z)分布于渤海中西部,以渤海湾、黄河三角洲近海为主,呈面状、条带状分布,大约覆盖28.6 %的采样站位。沉积物以粉砂为主,平均高达70.5 %;粘土含量变化不大,通常在18.3 % ~31.3 %之间,平均为25.2 %;砂含量低,平均仅为4.3 %。平均粒径为8.9μm,分布范围为5.96~14.07μm,以细粉砂为主。分选系数为1.72,分选程度较差。偏度和峰态的平均值分别为0.08和1.01,以近对称、中等/正态分布为主。

粉砂质砂(zS)约占采样站位的17 %,主要分布于渤海东部,比如,渤中浅滩至渤海海峡一带、辽东浅滩北部和长兴岛外海;另外,在滦河口、秦皇岛至唐山近海、莱州湾近岸,呈零星分布。沉积物以砂为主,其含量介于50.4 % ~79.6 %之间,平均为58.3 %;粉砂含量在15.8 % ~44.4 %之间,平均为31.7 %;粘土含量较低,平均为10.1 %。平均粒径为56.4μm,分布范围为38.1~112.4μm,以粗粉砂和极细砂为主。分选系数为2.25,分选程度差。偏度和峰态的平均值分别为0.51和1.02,以极正偏、中等/正态分布为主。

泥(M)、砂质泥(sM)和泥质砂(mS)这3种类型仅见于6个站位,呈零星分布。其中,泥(M)见于渤海湾中部的3个站位,其粘土含量平均为34.5 %,粉砂含量平均为65.4 %,几乎不含砂;沉积物平均粒径仅为5.54μm,以极细粉砂为主。分选系数为1.48,分选程度较差;偏度和峰态的平均值分别为0.13和1.02,以正偏、中等/正态分布为主。砂质泥(sM)仅见于秦皇岛和唐山曹妃甸附近的2个站位,其粉砂含量平均为46.8 %,砂含量平均为29.1 %,粘土含量平均为24.2 %。平均粒径为18.4μm,以中粉砂为主;分选系数为2.52,分选程度差;偏度和峰态的平均值分别为-0.04和0.93,呈近对称、中等/正态分布。泥质砂(mS)仅出现于秦皇岛近海的1个站位,其砂含量为64.4 %,粉砂含量为23.5 %,粘土含量为12.1 %。平均粒径为66.2μm,以极细砂为主;分选系数为2.61,分选程度差;偏度和峰态分别为0.78和0.66,为极正偏、平坦分布。

5 讨论

在海洋动力作用下,渤海周边河流汇入的泥沙通过扩散、搬运、沉积、侵蚀和再悬浮作用,沉积物粒度组成持续簸选,以适应不断变化的水动力环境,直至沉降、稳定堆积,从而构筑了渤海的现代沉积体系。潮流是渤海最重要的海洋动力,对渤海沉积环境和地貌产生了深刻的影响[5~7, 35]。渤海海峡及其邻近的渤海东部是渤海潮流最强的海区,其他大部分海区则潮流较弱。渤海海峡老铁山水道潮流流速通常为2~5节,一般大于3节;辽东浅滩表层最大流速为1.3~2.3节;渤中浅滩表层最大流速为1.2~1.6节[36]。通常1~5节流速的潮流就能够对沉积过程产生显著的影响[37],尤其是在陆架浅海区。渤海东部的辽东浅滩沙脊和渤中浅滩沙席为全新世涨潮流三角洲[6],其沉积物主要源于潮流侵蚀渤海海峡老铁山水道物质的异地堆积,是前全新世老地层的沉积物重新改造的结果[6],此外,还有一些输送至北黄海的黄河物质的回流[38]。从粉砂、砂组分分布(图 2a2c)来看,该涨潮流三角洲不仅包括辽东浅滩和渤中浅滩,还涵盖了其周边的海区,平面上呈较为完整的扇形分布(图 5)。秦皇岛至滦河口一带为渤海最弱的潮流流速区[43]。以该区与老铁山水道中部的连线为轴,可以发现,粒度组成和参数分布基本上是左右对称的(图 5)。这说明,尽管渤海较为封闭、狭小,渤海北部岸线的分布对于渤东潮流沉积体发育的约束并不明显,它依然发育成了一个较为完整的沉积体系。

图 5 潮流影响下的渤海现代沉积模式 沉积区划分主要基于粒度数据(图 23),同时参考相关文献;底图为渤海表层沉积物砂含量分布(图 2c)
渤东涨潮流三角洲(A)及其前缘泥质沉积(B)是渤海潮流沉积的主体;渤东涨潮流三角洲以北发育变余沉积(C)和残留沉积(D);河流水下三角洲沉积主要包括黄河水下三角洲(E),潍河—弥河水下三角洲(F)、海河水下三角洲(G)、滦河水下三角洲(H)和辽河水下
三角洲(I);其余归为陆架沉积(J),其中,渤海湾中部发育陆架泥质沉积(K)
渤海东部优势潮流方向的判断依据表层沉积物粒度分布(图 23)、文献报道的实测资料(如,汤毓祥等[5],Liu等[6])和涨潮流三角洲沉积模式[19];黄河口侧翼的两个小的泥质沉积区(北烂泥湾和南烂泥湾[21])分别对应于入海径流所致的两个方向相反的局部环流;黄河口区
优势潮流方向可参考Li等[41]和Wang等[42]
Fig. 5 Sketch pattern of tidal current induced modern depositional systems of the Bohai Sea. The depositional areas are recognized on the basis of grain-size analysis(Figures 2 and 3), and relevant references. This depositional pattern is sketched based on the distribution of sand content(Fig. 2c). The eastern flood-tidal delta(A) and its front mud deposit(B) are the main body of the tidal deposit in the Bohai Sea. Palimpsest(C)and relict(D)deposits occur to the north of the eastern flood-tidal delta. The fluvial subaqueous deltas mainly include those of the Yellow River(E), the Weihe-Mihe River(F), the Haihe River(G), the Luanhe River(H), and the Liaohe River(I). The other areas are attributed to continental shelf deposit(J), among which mud deposit(K)develops in the central Bohai bay. Arrows indicate dominant direction of tidal currents in the eastern Bohai Sea on the basis of grain-size analysis(Figures 2 and 3), references(e.g. Tang et al[5], Liu et al[6])and a depositional pattern of flood-tidal delta from Hayes[19]. Two small mud areas(the north and south Lanni bays[21])are present on the opposite sides of the Yellow River mouth, coinciding with local conjugate circulation currents induced by the pouring stem stream, respectively. For the dominant direction of tidal currents off the Yellow River mouth, please refer to Li et al[41] and Wang et al[42]

在河口区,河流碎屑物质的搬运和沉积过程主要取决于河流和海洋作用的相对强弱[44]。黄河的季节性非常显著,这使得控制河口区沉积过程的主导因素在丰水期和枯水期具有明显的差异。黄河来水来沙主要在秋汛(7~10月),约占全年入海径流量和输沙量的70 %,并且集中于少数的几次洪峰[20]。在丰水期,高含沙量的河口羽状流是黄河泥沙向海输送的主要方式。河水在口门附近呈狭长水体沿着水下河道向海延伸,在水深2~5m处,下部高含沙量水体潜入海底形成异重流[45, 46],上部低含沙量水体在海水之上呈漂浮扩散[21]。丰水期的黄河入海干流因惯性摩擦力带动两侧的水体运动,在其南北两侧形成了两个旋转方向相反的小环流区(图 5)。在清水沟黄河口两侧,分布有两个小的泥质沉积区(图 2c),分别对应于北烂泥湾和南烂泥湾,其成因即受到该局部水体环流的控制[21]。在枯水期,黄河流量小,河口冲淡水羽状流不明显,入海的河水与海水高度混合,在垂向上盐度无明显变化[21],黄河泥沙的向海扩散由潮流动力所主导[41, 42, 47]

1976年之前,黄河流路在三角洲北部神仙沟至刁口一带入海,黄河悬浮物质在渤海湾内扩散,并与海河水系输入的陆源碎屑共同沉积,难以区分;1976年以后,其流路向东改在清水沟附近入海[23]。黄河北向流路废弃以后,渤海湾南岸马颊河口至东营港一带近海沉积物由于波浪作用已明显砂化[2],向砂质浅滩演进,向北粒度逐渐变细,呈带状分布(图 2c)。渤海湾中部东西向延展的泥质带,平均粒径在5.38~7.80μm之间(图 3a),为渤海粒度最细的沉积区,是黄河细颗粒悬浮物质长期、缓慢沉积的结果。清水沟入海口向东至渤海海峡南部,是黄河细颗粒悬浮物质向北黄海输送的通道。从平均粒径、分选系数等参数分布来看,变化较小(图 3),说明水动力分选作用不明显。

相关资料显示,渤海周边中小河流输入的陆源碎屑物质主要堆积在其水下三角洲,扩散不远[27, 29, 39, 40]。考虑到本次调查在这些河口区布设的站位少,分辨率低,另辽河水下三角洲无站位控制,根据本文粒度数据,参考相关文献[27],对其沉积物分布大致进行了划分(图 5)。滦河水下三角洲及滦河物质主要分布在滦河口至曹妃甸一带的渤海北部近岸海区,水深通常在20m以浅。滦河沉积物以砂质为主,粒度较粗[39],进入20m等深线附近后,在波浪、潮流较弱的情况下,难以启动。辽河水系和大凌河、小凌河等共同加积所形成的辽河水下三角洲沉积体以粉砂和粘土为主,粒度较细,也分布在水深20m以浅[27]

辽东湾顶平均潮差为2.7m,在潮流作用下,湾顶的泥沙主要向西南方向运动[7]。海河水系碎屑物质颗粒较细,与黄河物质非常接近。历史上,黄河曾经在海河口附近入海,而现代海河水下三角洲受黄河物质向北扩散的影响也很大,因此,海河水下三角洲及其碎屑沉积物分布难以与黄河物质区分。莱州湾内的潍河-弥河水下三角洲由弥河、白浪河、潍河和北胶莱河共同堆积而成。这些山东半岛的短源河流输沙量小,年均都在100×104t左右及以下[40],碎屑物质以粉砂质砂或砂质粉砂为主,粒度偏粗。莱州湾西部受黄河物质分散的影响很大,粒度较细,湾顶向东,粒度逐渐变粗(图 2c)。

莱州湾内峰态呈很尖锐和尖锐分布,渤海湾南岸徒骇河至刁口一带,峰态也为尖锐分布类型(图 3d)。也就是说,这两个海区粒度窄峰态曲线中部的分选性较尾部好,另外,其分选系数在本区也是较好的(图 3b)。这主要是由于两者具有相似的成因环境。莱州湾和渤海湾南部均位于渤海南部,两者都是浅水区,潮流作用弱,波浪簸选较强。在以东北风为优势风向的主导下,波浪以南西向为主,导致粒度细小的沉积物被波浪生成的沿岸流带走,分别向莱州湾西部和渤海湾西部搬运,因此,较粗的砂质碎屑得以富集。莱州市虎头崖至屺姆岛一带近岸砂化明显,也具有类似的成因[3]

将渤海视为一个大型海湾,老铁山水道则为潮流入口,参照Hayes[19]的潮口沉积模式来描述潮流影响下的渤海现代沉积体系(图 5)。渤东涨潮流三角洲呈较为完整的扇形分布,其中轴大致由老铁山水道强潮流速区指向秦皇岛至滦河口近海的弱潮流速区,包含了辽东浅滩沙脊、渤中浅滩沙席和一些大型沙波等地貌单元。涨潮流以西向、北西向为主[48]。在该三角洲的前缘,涨潮流逐渐减弱,转变为以北东向或南西向落潮流为主导,形成泥质沉积(图 5)。粒度趋势分析也显示,泥质区通常出现于潮流搬运路线的末端[49],而且大多水深较大。从粒度分布上来看,渤东涨潮流三角洲与该带状泥质沉积的关系,符合水下三角洲-三角洲前缘的平面分布序列,也与潮口沉积模式[19]一致。从涨潮流三角洲南侧沿着扇形的横截面顺时针向北转,不同的涨潮流流线所携带的悬浮体含量也是不同的。由于黄河悬浮物质从渤海海峡南部进入北黄海,显然,与之相邻的涨潮流三角洲南侧涨潮流的悬浮体浓度是最大的,从南转向北,其悬浮体浓度逐渐降低。从老铁山水道北侧进入渤海的涨潮流,所携带的悬浮物质主要来自输入黄海的黄河物质的回流,悬浮体浓度应该是最低的。相应地,在渤东涨潮流三角洲前缘,沿着扇形弧线从西南向东北,粘土含量、泥质区厚度和分布范围也都呈逐步缩减的趋势。至涨潮流三角洲以北,泥质沉积完全消失。渤东涨潮流三角洲前缘的泥质沉积带与从渤海湾延伸出来的泥质沉积区相互叠加,相互衔接,构成渤海泥质区(带)。由于细颗粒悬浮物质在渤海东部主要沿着西向、北西向涨潮流方向运移,从物源上分析,渤海泥质区(带)是由黄河细颗粒物质长期、缓慢沉降堆积而成的,由此也构成了黄河物质向北扩散的边界。需要说明的是,渤海东部的沉积体系是潮流长期作用下沉积物净积累的结果,根据粒度分析,参照文献报道的实测资料(如,汤毓祥等[5],Liu等[6])和潮流沉积模式[19],所推断的渤海东部优势潮流方向,主要指示近7000年以来高海平面时期[50, 51]长时间尺度下沉积物的运移趋势,并不一定会与短期内的实际观测结果相符。

河口区初始沉积的黄河泥沙的再悬浮过程主要通过冬季风暴浪启动,其次为潮流驱动,形成高悬浮体浓度的水体[8],向渤海海峡南部运移。在渤东涨潮流三角洲中部,以旋转性潮流为主;而在其两侧,往复性潮流强[48]。如果说涨潮流是渤东潮流沉积体形成的主要动力,相应地,根据上述沉积模式(图 5)推断,落潮流也应该是渤海南部细颗粒悬浮体向北黄海输送的主要动力。通常认为,渤莱沿岸流(或渤莱海流[3])是黄河物质向北黄海搬运的主要动力。事实上,不论是风海流、环流[43],还是潮余流[5],与渤海潮流相比,都是弱的,而且不稳定。现场观测表明,渤海的环流无法用海流仪器直接观测到,只能借助于相关资料的分析或者通过数值计算来确定[43]。由此,我们认为,落潮流很可能是渤莱沿岸流起源的主要驱动力,其影响力向东可传导至山东半岛沿岸流。

在渤东涨潮流三角洲以北海区,自西向东粒度逐渐变粗(图 3a),从泥质沉积逐渐转变为砂质粉砂和粉砂质砂(图 4)。碎屑矿物分析(内部资料)显示,该海区石英含量(>50 %)和成分成熟度指标都很高,明显高于其南侧的辽东浅滩。从地形上来看,该区存在两处30m以深的洼地,明显低于包括辽东浅滩在内的周边地区(图 1)。而现代辽河水系陆源碎屑主要堆积在辽东湾顶20m以浅海区[27],部分细颗粒悬浮物质主要沿着辽东湾西岸搬运,因此,可以认为该区沉积物供应匮乏,尚未被现代沉积物明显覆盖。耿秀山等[52]将其归为古河道沉积。在末次海侵过程中,古河流相沉积物经波浪反复淘洗改造,有向古沙滩相演化的趋势,这是该区成分成熟度明显提高的主要原因。全新世以来,渤东潮流沉积体系的形成[6]对该区有一定的改造,由西向东形成泥质沉积向变余沉积至残留沉积的演变趋势(图 5)。

全新世以来,尤其是在近7000年来的高海平面时期[50, 51],由于受到渤海海峡口门的约束(即所谓的狭口效应),潮口潮流活动强盛。渤东涨潮流三角洲的形成和发育是构筑渤海现代沉积体系最重要的沉积事件之一。潮流影响下的沉积范围很大,并不仅仅局限于辽东浅滩和渤中浅滩,还包括了其周边的海域。三角洲前缘潮流活动明显减弱,由于细颗粒悬浮体供应量在前缘弧线上沿顺时针旋转是逐渐降低的,相应地,在三角洲前缘,从西南至东北依次发育泥质沉积、变余沉积和残留沉积(图 5)。根据表层沉积物粒度分布特征(图 23)和潮口沉积模式(图 5),可将渤海的沉积体系归为三类:1) 渤东潮流沉积体系,以潮流动力作用为主,包括渤东涨潮流三角洲及其前缘泥质沉积、变余沉积和残留沉积;2) 河流水下三角洲,以河流与海洋动力交互作用为主,以黄河水下三角洲为主,其次是滦河和辽河水下三角洲,海河和潍河-弥河水下三角洲沉积范围较小;3) 陆架沉积,其中,渤海湾中部发育陆架泥质沉积,反映了弱水动力条件。黄河水下三角洲以东至渤海海峡南部,是黄河物质向北黄海搬运的通道。该区的沉积物粒度分布(图 2~4)反映了较强的水动力条件,以往的研究[3]认为以沿岸流作用为主。如前文所述,该区沿岸流的性质,实质上应该为落潮流,因此,渤东涨潮流三角洲以南也以潮流动力作用为主。

6 结论

渤海表层沉积物的粒度分析显示,沉积物组分以粉砂为主,平均可达60.9 %;粘土和砂含量较低,平均分别为21.6 %和17.6 %。从粒度参数来看,沉积物平均粒径为25.0μm,以中粉砂为主,分选程度差;粒度分布曲线以正偏、中等/正态分布为主。按照Folk分类[9],沉积物类型绝大多数为砂质粉砂、粉砂和粉砂质砂,泥、砂质泥和泥质砂仅出现于个别站位,呈零星分布。

渤海现代沉积体系主要分为三类:1) 渤东潮流沉积体系,以潮流动力作用为主,包括渤东涨潮流三角洲及其前缘的泥质沉积、变余沉积和残留沉积;2) 河流水下三角洲沉积,以河流与海洋动力交互作用为主,主要包括黄河水下三角洲、滦河水下三角洲、辽河水下三角洲、海河水下三角洲和潍河-弥河水下三角洲等;3) 陆架沉积,其中,渤海湾中部发育陆架泥质沉积,反映了弱水动力条件。此外,波浪作用主要体现在以渤海南部为主的近岸浅水区,沉积物组成向砂化演进。

全新世以来,尤其是在近7000年来的高海平面时期,由于受到渤海海峡口门的约束,潮口潮流活动强盛。这是渤东潮流沉积体系得以形成、发育的主要原因。渤东涨潮流三角洲沉积体的平面分布呈较为完整的扇形,扇形中轴大致由老铁山水道强潮流速区指向秦皇岛至滦河口近海的弱潮流速区,其三角洲前缘发育泥质沉积,呈北东-南西向展布。渤东涨潮流三角洲以北存在一块面积较大的古河流相沉积洼地。该区在末次海侵过程中经历了波浪作用的改造;全新世以来,也受到潮流作用的影响。由于周边碎屑物质供应匮乏,尚未被现代沉积物明显覆盖,由西向东形成泥质沉积向变余沉积至残留沉积的演变趋势,估计应为渤海面积较大的一处变余沉积-残留沉积区。

渤海泥质区(带)由渤海湾内的陆架泥质沉积和渤东涨潮流三角洲的前缘泥质沉积相互叠加、衔接而成。从物源上来看,该泥质区(带)由黄河(再)悬浮的细颗粒物质长期、缓慢沉降堆积而成,由此也构成了黄河物质向北扩散的边界。

本文提供了一个简单的潮流沉积模式,用以判别渤海东部的优势潮流方向,分析沉积物搬运和净积累的长期趋势。模式分析也显示,落潮流可能是黄河物质向北黄海搬运的主要动力,或许也是渤莱沿岸流产生的动力源泉。换言之,渤莱沿岸流的性质,实质上应该为落潮流。

致谢 青岛海洋地质研究所薛春汀研究员、周良勇研究员对本文进行了审阅,并提出了宝贵意见;杨美芳编辑和匿名审稿人对文稿提出了修改建议并与作者进行了讨论,在此一并致谢。

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Qin Yachao, Li Rihui     
( Key Laboratory of Marine Hydrocarbon Resources and Environmental Geology, Ministry of Land and Resources, Qingdao 266071;
Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao 266071)

Abstract

Grain-size analysis was carried out for 140 surface sediment samples collected from the Bohai Sea to discriminate sediment provinces and to explain the distributions of grain-size parameters observed. A sedimentation pattern is used to describe the tidal current induced modern depositional systems in the Bohai Sea. Results show that silt is the main component of surface sediments, with an average of 60.9%. Clay and sand concentrations average 21.6% and 17.6%, respectively. The major sediment types include sandy silt, silt, and silty sand, based on Folk's classification system. The modern Bohai depositional systems are classified into 3 categories:(1) The eastern Bohai tidal delta system dominated by tidal dynamics, including the eastern Bohai flood-tidal delta and its front mud deposit as well as palimpsest and relict deposit occurred to the north of this flood-tidal delta; (2) Fluvial subaqueous deltas dominated by interaction of fluvial and marine dynamics, mainly including those deltas of the Yellow, Luanhe, Liaohe, Haihe and Weihe-Mihe rivers; (3) Continental shelf deposits, among which mud deposit has developed in the central Bohai bay due to weak hydrodynamic conditions. The eastern Bohai flood-tidal delta is present in almost completely fan-like appearance, with an axis roughly from the Laotieshan channel characterized by strong tidal currents to an offshore regime between Qinhuangdao and the Luanhe river mouth, where the tidal currents are invariably weak. Mud deposit develops in front of this flood-tidal delta, extending in SW-NE direction. There is a large depression deposited by paleo-fluvial sediments to the north of the eastern Bohai flood-tidal delta. It is speculated as a large palimpsest to relict deposit, because it has not covered obviously by Holocene sediments due to poor supply of terrigenous detritus from surrounding areas. The Bohai mud area/zone is comprised of the mud shelf deposit in the Bohai bay combined with the delta front of the eastern flood-tidal delta. This mud area/zone is built up by long-term slow settling of(re-)suspended fine-grained particles from the Yellow River and thus forms the northernmost dispersal boundary of the Yellow River derived materials. Pattern analysis suggests that ebb-tidal currents are likely to be an important hydrodynamics transporting Yellow River derived materials eastward to the northern Yellow Sea.
Key words: grain size     surface sediment     flood-tidal delta     depositional system     Bohai Sea