第四纪研究  2019, Vol.39 Issue (6): 1414-1427   PDF    
渤海莱州湾西南部沉积区划分与分区粒度特征
黄学勇1,2, 张戈1, 高茂生2, 侯国华2, 党显璋2, 刘晓1     
(1 辽宁师范大学地理科学学院, 辽宁 大连 116029;
2 中国地质调查局湿地生物地质重点实验室, 青岛海洋地质研究所, 山东 青岛 266071)
摘要:在充分结合前人研究成果的基础上,通过16个柱状样粒度数据对莱州湾西南部表层以下1~3 m厚度范围内积环境进行了研究。对比前人发表的该地区表层沉积物类型、沉积环境分类等资料,运用系统聚类分析方法,将莱州湾西南部划分为5个沉积区域。通过对莱州湾西南部沉积速率的数据进行系统概况,同时通过比对不同区域沉积厚度,结合岸线变化、河流年代和沉积相特征,对沉积速率缺失区域沉积年代进行了初步标定。研究结果表明:黄河是塑造莱州湾沉积环境的主要动力,由于黄河河口在历史时期内不断变动,沉积环境在沿岸短源河流和海水动力作用下,产生了区域差异。总体而言,受黄河影响程度由北向南减小。现代黄河口南侧主要形成于1976~1996年黄河入海时期,即使黄河1996年后改道向北,现代黄河对沉积环境塑造作用依然明显。废弃黄河水下三角洲沉积环境在不同外力作用改造下,在近岸和中部浅海区形成不同沉积环境。近岸广利河口北潮滩,广利河水系对沉积环境改造作用有限,仅限于表层以下有限范围,1934年以来的沉积厚度不足1 m,因此可以有效反应黄河废弃三角洲沉积物本底。中部浅海区受沿岸河流和海水动力综合影响,原有沉积环境发生变化,形成了新的沉积物质。小清河口及附近海域属于黄河水下三角洲和潍河-弥河水下三角洲过渡区域,主要受小清河入海泥沙影响,但沉积物中的细粒组分,与黄河关系密切。莱州湾南岸基本不受黄河影响,在沿岸一系列短源河流作用下,形成了多河流集群水下三角洲沉积环境,沉积物多是短时间快速沉积的粗颗粒物质。
关键词莱州湾    黄河    粒度    聚类分析    沉积环境    
中图分类号     P736.21                     文献标识码    A

0 引言

河流对海岸沉积环境改造作用明显,其中,大河控制性影响下的河口-陆架地区是研究陆海相互作用的重要场所。研究表明,世界前10条大河输送了全球40 %淡水和颗粒物质入海[1]。黄河、长江等中国大河入海物质排在全球前列,是大河入海物质及其河口海岸带研究热点[2]。除大河外,全球中小河流尤其是山溪性小河入海通量对海岸带的影响可能超过部分大河体系[3],因此,众多的国际地学合作研究计划都极为关注中小河流在圈层相互作用和海陆物质循环过程中的作用[4~5]。河海交互作用主要研究内容为河流入海处的地貌动力学与沉积学,包括河流补给边缘的沉积物搬运、地貌和地层特征等[6]。目前关于中小河流的研究主要有我国台湾岛[7]和浙江省沿岸[8~10]、美国西海岸[11]、意大利北部波河流域[12]等。

莱州湾西南部河流众多,类型多样,既有黄河这条跨区域长源大河,又有众多短源沿岸河流,永丰河、广利河、支脉河、小清河、弥河、白浪河、潍河、胶莱河等沿岸河流发育。莱州湾西南部包括了现代黄河三角洲南部侧缘和受沿岸短源河流作用影响的近岸海域,波浪、潮流作用明显,共同形成了具有区域特色的沉积环境。20世纪80年代以来,有关黄河三角洲形成和演化、河道变迁及沉积作用等方面取得了重要成果[13~17]。但中小河流对莱州湾西部沉积环境影响尚未得到充分认识。

沉积物粒度包含物质来源、搬运历史和沉积过程等重要信息。粒度分析是重建沉积物搬运机制和判别沉积环境的重要手段[18~22]。本文拟通过在在莱州湾西南部采集的16个柱状沉积物粒度数据,结合前人的研究成果,通过对粒度组分与粒度参数分析来研究河流影响下的莱州湾西南部沉积特征与沉积环境区域差异。

1 研究区概况

本文采样地点范围为37°05′~37°45′N,118°57′~119°35′E,由南向北包括滨海平原、滩涂和浅海3个地带(图 1)。莱州湾及黄河三角洲全新世(7000 a B.P.)海侵边界达到最南端[23];此后在黄河与莱州湾南岸诸河流(小清河、弥河、白浪河、虞河、潍河及胶莱河)作用下,发育了具有代表性的三角洲沉积环境[23]。南部为集群河流三角洲(潍河-弥河三角洲)[24],北部为单一河流三角洲,即黄河三角洲,二者大致以现代广利河口为界(图 2a)。黄河自1855年决口改道夺大清河入海以来,入海流路以垦利区宁海乡为顶点,有十余次较大改道[25],其中,1897~1904年、1929~1934年、1938~1947年、1947~1953年及1976~1996年在莱州湾西部入海。黄河在摆动过程中,形成了一系列河沟,经过自然和人为的改造,形成了一系列的沿岸河流,主要有广利河、溢洪河、永丰河、小岛河、张镇河等(图 1)。这些河流大多是黄河曾经入海河道在黄河行水期结束后由外部作用改造形成的。

图 1 研究区概况及取样地点示意图 Fig. 1 The study area and location of sampling sites

图 2 莱州湾西南部沉积环境(a)、现代沉积速率、岸段类型和岸线变化(b)示意图(参照文献[37, 39~40, 42]修改) Fig. 2 Sedimentary environment (a), modern deposition rate, shore type and shoreline change (b) in the south-western Laizhou Bay. Modified after references [37, 39~40, 42]
2 数据与方法 2.1 样品采集

2012~2015年,在莱州湾西南部采集了16个柱状样,编号为Z1~Z16。沉积物岩芯长度为1~3 m(表 1)。岩芯采集后严格密封,并在垂直状态下运输和保存。室内对该岩芯进行剖分,其中粒度样品的采样间隔为2~10 cm。所得样品分别放入样品袋内,常温保存,样品信息如表 1所示。

表 1 柱状样地点、水深、长度和取样时间 Table 1 Sampling records of the sediment cores
2.2 粒度分析

海洋沉积物粒度参数反映沉积动力条件和沉积物运移信息[26]。沉积物颗粒形态对沉积动力有显著响应[25~26],因此粒度分析是揭示沉积动力和地貌演变的重要手段。本文所用样品由激光粒度仪进行测定,所用型号为英国Malvern公司生产的Mastersizer 2000型,误差≤1 %,分析结果用Udden-Wentworth ϕ值粒级标准表示,粒级间隔为0.25 ϕ。根据测试结果,计算砂(< 4 ϕ)、粉砂(4~8 ϕ)、粘土(>8 ϕ)含量,根据Fork等[27]无砾沉积物粒度三角分类体系,用砂、粉砂、粘土含量数据编制沉积物三角图。

绘制各样品粒度概率累积曲线,提取其1 %、5 %、16 %、25 %、50 %、75 %、84 %和95 %对应粒径。用Folk和Ward[28]公式计算各个样品中的平均粒径(Mz)、分选系数(SO)、偏态(SkI)和峰度(KG),绘制各粒级构成比例与粒度参数变化曲线,根据粒度概率累积曲线1 %和50 %对应的粒径绘制沉积物C-M图[29]

2.3 沉积区域划分与年代确定

关于莱州湾的沉积区划,目前大多利用表层沉积物粒度特征进行划分[30~35]。这一方法具有非常好的时效性,但要进行较长时间尺度的研究,需要进一步结合沉积环境、外部动力变化等信息。现代黄河三角洲由快速沉积的叶瓣体构成[36],李广雪和薛春汀[37]根据对钻孔岩芯沉积环境的研究,结合黄河三角洲叶瓣变化,对现代黄河三角洲沉积环境进行了划分(图 2a),这一研究成果,结合莱州湾南岸潍河-弥河水下三角洲,成为研究莱州湾西南部沉积环境的重要参考依据。

黄河三角洲叶瓣沉积速率极高,沉积年份每年可沉积数十厘米至数米,一旦废弃,则无沉积甚至被侵蚀[38~39]。黄河口附近海区1855年以来沉积速率为1.29~9.59 cm/a[40~41],通过系统收集现代黄河口及莱州湾己公开发表的有关柱样品的 210Pb测年和沉积速率的研究文献,绘制了莱州湾现代沉积速率分布图,结合前人对不同年代的海图、地形图、卫星图片、潮滩剖面测量数据等成果[37, 39~40, 42],对沉积物年代进行初步确定和划分(图 2b)。

本文综合比较前人对莱州湾西南部表层沉积物类型的研究成果[30, 32, 42](图 3a),结合莱州湾西部水下三角洲的沉积环境、沉积速率分布、岸线变化与淤进程度以及柱状样粒度特征及所处环境等信息,对柱状样进行分类,结合分类结果划分莱州湾西南部沉积区域(图 3b)。在对沉积物粒度组分与粒度参数进行标准化计算后,结合地理空间相近性对柱状样进行系统聚类分析,聚类方法为组间距离法,组间距离测定采用欧氏距离平方[43]。每个柱状样先自成一类,在利用粒度组分与粒度参数进行类别合并时,计算类重心间方差,将离差平方和增加的幅度最小的两类首先合并,再依次将所有类别逐级合并。

图 3 莱州湾西南部表层沉积物分布(a)与沉积分区(b,c)示意图(根据文献[25, 37, 42]修改) Fig. 3 Surficial sediment distribution (a) and sedimentary division(b, c) ofthe south-western Laizhou Bay. Modified after references[25, 37, 42]
3 结果 3.1 沉积分区与粒度特征

系统聚类分析显示(图 3c):当选定判定距离 < 15时可以划分为3个组合。Z1、Z2、Z4、Z5、Z6、Z7、Z12和Z13为一组,沉积物质主要来源于黄河;Z10、Z14、Z15和Z16为一组,沉积物质主要来源与莱州湾南岸诸河流;Z3、Z8、Z9和Z11为一组,处于沉积物质主要来源由黄河向莱州湾南岸诸河流过渡的状态。总体而言,黄河的影响自北向南逐渐减弱,考虑到黄河河道变迁对沉积环境的影响,因此黄河物源区进一步细分,所以选择判定距离距离 < 5,将柱状样划归分为5个组合。

第一组为Z1、Z6和Z13,位于现代黄河口南侧(Ⅰ),基本处于现代黄河水下三角洲南部的侧缘。沉积物类型复杂,由岸向海依次为粉砂质砂-粉砂-粘土质粉砂的变化趋势(图 3a),但在张镇河口和1996年黄河旧河口附近的小范围内,沉积物类型呈现出与附近区域不同的特点。黄河在该区入海时间长达20年(1976~1996年),形成复杂的水下地形,该区水深2~10 m,坡度变化较大(图 3b),虽然1996年黄河向北改道,但依旧是影响沉积环境的最主要动力[15~16]

第二组和第三组位于废弃黄河水下三角洲的主体部分,虽然主要物质来源于黄河,但形成时间要在1938年之前,其中,1929~1934年的作用最大[37]。1938年黄河向北改道后,对沉积环境影响趋于减弱,近岸的广利河口北潮滩和远岸的浅海区域受到不同外力作用的改造,呈现出一定的差异性[32, 40]。Z4和Z5位于广利河口北潮滩(Ⅱ),沉积物类型以粉砂质为主(图 3a),水深不足2 m(图 3b),广利河水系(包括支脉河、溢洪河),对沉积环境有一定的改造作用。第三组为Z2、Z7和Z12(Ⅲ),位于距岸较远的浅海区,物质沉积的持续性比较好,不同层位可以较好的反映一定历史时期内的沉积环境[40, 44~45]

第四组为Z3、Z8、Z9和Z11,位于潍河-弥河水下三角洲与废弃黄河三角洲交界的小清河口附近海域(Ⅳ),该区沉积物来源可追溯至西汉时期[46],如此长的时间跨度加上复杂的物质来源(黄河、小清河及莱州湾南岸诸河流),使得前人在潍河-弥河水下三角洲[23, 31]和废弃黄河水下三角洲[37]的研究中所划定的界线实际上是随着时间发生变化的,因此本文通过聚类分区所划定的界线相比前人划分的废弃黄河三角洲偏北要偏北,与潍河-弥河水系三角洲的北部边界相有所偏南。第五组为Z10、Z14、Z15和Z16,由弥河口向东延伸至白浪河口,是潍河-弥河水下三角洲主体部分(Ⅴ),沉积物质主要来源与莱州湾南岸的一系列短源河流,这一区域内,水下坡度变化平稳,沉积物颗粒向北其他区域偏粗,细砂含量占有较大比例(图 3a)。

在粒度三角图示上,沉积物类型主要有粉砂、砂质粉砂和粉砂质砂3种类型(图 4)。莱州湾南岸(Ⅴ)Z10、Z14、Z15和Z16粒径最粗;中部浅海区(Ⅲ)Z2、Z7和Z12粒径最细,含有大量泥质组分。位于现代黄河口南侧(Ⅰ)和广利河口北潮滩(Ⅱ)柱样沉积物类型同为砂质粉砂,现代黄河口南侧缘砂质含量偏少,粘土质含量较多,粒径较广利河口北潮滩偏细。小清河口及附近海域(Ⅳ)位于黄河水下三角洲与潍河-弥河水下三角洲过渡区域,虽然粒径整体偏粗,但受黄河泥沙影响,含有一定细粒组分,由Z8向东Z3再至Z11,沉积物类型由砂质粉砂逐步过渡到粉砂质砂。

图 4 柱状样沉积物三角形分类图(根据Fork等[27]分类体系) Fig. 4 Triangle diagrams of core sediments based on Folk et al.[27] classification system

各柱样粒度组分与粒度参数如图 5所示:现代黄河口南侧(Ⅰ)Z1、Z6和Z13粒度组分以粉砂质为主,平均粒径垂向上呈变细的趋势。分选系数在1.6左右,偏态在0.4左右,峰度在1.2左右。广利河口北潮滩(Ⅱ)Z4和Z5粒度组分与粒度参数随深度呈阶段性变化,Z4以55 cm和92 cm为界,分为3段;Z5以30 cm、52 cm和86 cm为界,分为4段。中部浅海区(Ⅲ)Z2、Z7和Z12,粒度组分以粉砂质和粘土质为主,在一定深度范围内砂质含量相对较高。Z7砂质含量的高值在150 cm以下,Z2范围为100~130 cm,Z12范围为80~140 cm,埋深逐渐变浅,范围逐渐扩大。小清河口及附近海域(Ⅳ)粒度组分中砂质含量极高,受黄河泥沙影响,含有一定细粒物质,在一定深度粘土质组分相对较高。莱州湾南岸(Ⅴ)基本不受黄河影响,粒度组分最粗,Z10、Z14、Z15和Z16砂质含量都在80 %左右。

图 5 莱州湾西南部柱状样粒度组分与参数垂向变化示意图(沉积速率数据源自文献[40~41, 44~45]) Fig. 5 Vertical distribution of the grain size composition and granularity parameters from the south-western Laizhou Bay(sediment rate data derived from references[40~41, 44~45])
3.2 沉积物C-M图分布特征

C-M图由Passega[47]提出,C值是累积曲线上1 %含量处对应的粒径,代表了水动力搅动开始搬运的最大能量;M值是中值粒径(累积曲线50 %含量对应的粒径),代表了水动力的平均能量[48]。C-M图既考虑了沉积环境整体动力和搬运机制,又兼顾了粗颗粒组分,可以有效地反映沉积环境和沉积动力特征[49~50]

莱州湾西南部沉积物在C-M图上的投点(图 6),以广利河口为界,北部相对分散,南部比较集中。现代黄河口南侧,沉积物C值比较稳定,基本在40 μm左右;M值变化较大,Z6>Z13>Z1。广利河口北潮滩相南到莱州湾南岸,投点分布密集,总体趋势与C=M平行,由均一悬浮逐(RS)步过渡到递变悬浮(QR)。中部浅海区投点分布最为分散,Z2沉积物有向静水悬浮(T)演变的趋势,C值与M值呈正相关关系;Z7和Z12沉积物C值偏大,与M值呈负相关关系。

图 6 莱州湾西南部各沉积分区柱状样C-M图 NO:滚动(Rolling);OP:滚动和悬浮(Bottom suspension and rolling);PQ:悬浮和滚动(Rolling and Bottom suspension);QR:递变悬浮(Grade suspension);RS:均匀悬浮(Uniform suspension);T:远洋悬浮(Pelagic suspension) Fig. 6 The C-M plot of core sediments in sedimentary division of the south-western Laizhou Bay
4 讨论 4.1 沉积年代的标定

本文所引用的沉积速率由210 Pb测年得出,通过收集到前人在莱州湾及附近区域的210 Pb沉积速率数据[40~41, 44~45, 51~55]绘制了除广利河口北潮滩附近海域以外的莱州湾西部现代沉积速率分布示意图(图 2b),对除了位于广利河口北潮滩以外的Z4和Z5柱状样的沉积年代进行了大致划分。王志豪和黄世光[56]1988年研究发现在1855~1988年,广利河口蚀退6 km,而尹延鸿等[57]2004年研究表明广利河口附近岸段处于弱淤进状态。通过对2014年采集Z5柱状样中210 Pb和137 Cs分析发现,同位素大量缺失,剩余210 Pb无法计算沉积速率,137 Cs峰值也无法准确标定年代。说明该区域在黄河行水期(1929~1934年)结束后,岸线虽然在个别时间段有微弱蚀退,但总体上处于弱淤进状态,有一定厚度的沉积物,但沉积年代不连续。

为了说明标定广利河口北潮滩柱状样沉积年代及河流之间沉积关系,选取了前人在莱州湾西部采集研究的YDZ2、YDZ3[58]和WF01[59]柱状样,相关信息如图 2b表 2所示。其中本文选取YDZ2孔深0~15 m、YDZ3孔深0~10 m粒度组分与沉积相相关信息和WF01粒度组分与测年信息,结合黄河河道变化的年代特征[60],综合对比分析广利河口北潮滩附近沉积年代(图 7)。

表 2 YDZ2、YDZ3和WF01基本信息[58~59] Table 2 Basic information of YDZ2, YDZ3 and WF01

图 7 YDZ2、YDZ3和WF01粒度组分、沉积厚度与黄河三角洲演变示意图(沉积相源自于文献[58],沉积速率数据源自文献[59]) Fig. 7 Grain size composition, sediment thickness of YDZ2, YDZ3 and WF01 and evolution of the Yellow River Delta(sedimentary facies derived from reference[58], sediment rate data derived from reference[59])

黄河三角洲以1855年古岸线为界,上部为三角洲相沉积,1996年黄河人为改道后,现代河口附近区域沉积环境有所变化[52]。YDZ2三角洲前缘相厚度(1855~1996年)为8.4 m;YDZ3三角洲沉积相厚度5.7 m,其中,沉积速率较快的河口沙坝相(1897~1904年)厚度为2.1 m,相对沉积较慢的三角洲侧缘相厚度3.6 m。WF01自1855年至1997年沉积厚度为1.15 m,这一时期,莱州湾南岸沉积速率为0.31~0.61 cm/a[40, 53~54],因此,这一时期,YDZ1沉积厚度是WF01的7~8倍,YDZ3沉积厚度是WF01的4~5倍。反映在粒度组分变化上,行水期间砂质组分含量增大,粒度组分变化频繁,符合现行黄河三角洲沉积特征。根据这一沉积厚度推算,1934年岸线埋深小于1 m。

4.2 沉积环境空间差异

根据前人关于沉积速率的研究[61],标定柱状样沉积年代(图 5),柱状样不同深度粒度频率曲线与概率累积曲线如图 8所示,根据概率累积曲线计算各柱状样粒度参数特征值(表 3)。现代黄河口南侧柱状样有Z6、Z1和Z13,黄河曾在1938~1947年、1947~1953年和1976~1996年在该区域入海,其中,1976~1996年沉积厚度最大。1996年黄河改道向北后,该区域黄河沉积基本处于停滞。Z6位于现代黄河三角洲侧缘,由于海水搬运沉积和沿岸张镇河、小岛河、永丰河向海输运泥沙,在1996年后,仍有一定厚度的沉积。Z13位于1976~1996年黄河入海口前端,1996年后沉积处于停滞,沉积厚度极小;Z1在0~120 cm砂质含量明显偏高(图 5),在C-M图上,Z1初始水动能与平均水动能明显偏小,与其位于黄河口南侧环流有关[62]。Z1频率曲线为单峰型,由上至下逐渐成对称趋势,概率累积曲线为两段式,分为悬移质和越移质(图 8);Z6上部(0~80 cm)和Z13频率曲线为尖锐的单峰型(图 8);Z6下部(80~120 cm)频率曲线为双峰型,说明Z6所在区域曾是一个物质来源多样的区域,黄河改道后物质来源变少。Z6和Z13概率累积曲线为三段式,有较多底面推移质,说明水动力类型复杂,搬运方式多样(图 8)。

图 8 莱州湾西南部柱状样粒度频率曲线与概率累积曲线 Fig. 8 Grain size frequency and probability accumulation curve of the cores in south-western Laizhou Bay

表 3 莱州湾西南部柱状样粒度参数 Table 3 Grain size Parameters of the core sediments of the cores in south-western Laizhou Bay

广利河口北潮滩主要在黄河1897~1904年、1929~1934年两次行水期塑造的沉积格局下,目前主要受广利河及其汇入的溢洪河、支脉河影响。Z4、Z5粒度组分都以砂质和粉砂质为主(图 5),粉砂质含量最多,其次为砂质,粘土质含量最少。频率曲线均为单峰型正偏,概率累积曲线为两段式,跃移质和悬移质呈平稳过渡,反应了该区域物质来源与外部水动力较为稳定的特点(图 8)。为了进一步说明广利河口北潮滩沉积环境演变过程,根据Z4、Z5粒度参数值,运用萨胡判别公式[63]对沉积环境进行判别:

(1)

其中:Y为判别参数,Y>-7.4190为浅海沉积,Y<-7.4190为河流沉积。浅海沉积物平均值为-5.3167,河流沉积物平均值为-10.4418。相关研究表明,1996年黄河人为改道向北入渤海,沉积速率急剧降低至1 cm/a以下[52]。在深度20 cm左右,Z4萨胡Y值在-20~-10之间,Z5萨胡Y值在-7.4190左右。由于Z4位于广利河北侧岸线,而Z5更靠近广利河口,说明这一深度范围内,河流对沉积环境有较强影响,沉积环境初步呈现由浅海沉积向河流沉积转化的趋势,说明此时广利河及其支流开始对原有沉积环境进行了改造,由于广利河入海泥沙量远不如黄河,因此在Z4、Z5柱状样的影响范围仅限于0~20 cm(图 9)。

图 9 Z4、Z5沉积类型变化示意图 Fig. 9 Sediment type change of Z4 and Z5

岸线资料[56~57]显示,广利河口现代岸线较1934有微弱的淤进,Z4和Z5在55~80 cm处萨胡Y值较大,说明这一时期海水动力对沉积环境影响较大,结合对YDZ3沉积厚度的判断[58]和1934年黄河曾发生改道的历史事件[56~57],1934年在Z4、Z5内最深可初步判定在80 cm处。在55 cm深度以上至20 cm深度,Z4萨胡Y值数值在-20左右,沉积环境受河流影响明显;Z5萨胡Y值则呈变大趋势,最大值> -7.4190(图 9),沉积环境处于河流与浅海交互影响的环境下,说明黄河在1938年形成稳定入海流路后,Z4、Z5由于所处位置不同,影响沉积环境的外部因素呈现分异。Z4距离1938年黄河入海口不远,黄河在摆动过程中形成的永丰河、小岛河也可对沉积环境产影响;Z5距岸相对较远,而黄河在1934~1938年实际上距离Z5越来越远,河流在沉积环境形成中的影响逐渐变弱。由于1938年后黄河一度在莱州湾西部断流[25],加上沿岸河流、海水动力及人为等因素影响,无法准确判断沉积年代,而通过萨胡Y值可以判断深度55 cm处沉积物形成时间不会早于1938年。

广利河口北潮滩在黄河1934年改道至今[25, 44],处于弱蚀退-弱淤进交互的状态,总体上淤进程度略高于蚀退程度,因此,该区域在1934年后仍有一定厚度的沉积,但准确的沉积年代暂时无法判定。广利河入海泥沙在一定深度范围内对沉积环境有改造作用,但不足以改变原有沉积格局(图 9)。

中部浅海区处于废弃黄河三角洲叶瓣远岸区域,在受外力改造过程中,也形成了自己的沉积物[64]。Z2、Z7和Z12以粉砂质和粘土质为主,在一定深度范围内砂质含量相对较高。Z2在C-M图上呈向静水悬浮(T)趋势,反映了渤海环流在莱州湾的作用[65~67];Z7砂质含量的高值在150 cm以下,Z2范围为100~130 cm,Z12范围为80~140 cm,埋深逐渐变浅,范围逐渐扩大(图 5)。这一现象与该区域在1976~1996年行水期间形成了规模较大的拦门沙有关[68~69];频率曲线多为尖锐的负偏态(图 8),有2~3个峰值,反映了沉积物来源多样;概率累积曲线多为三段式和多段式,说明搬运方式多样,沉积类型复杂。

小清河口及附近海域处于由黄河水下三角洲向潍河-弥河水下三角洲过渡区域。在历史时期,黄河曾在小清河口入海[46, 70~72],但在现代沉积环境塑造中,总体上黄河影响作用较小,小清河在环境塑造中起主导作用,总体粒度组分偏粗,但细粒组分与黄河有关。1980年前后,小清河入海水、沙量急剧减少[69, 73~74],这一时期海岸受外力侵蚀,粗颗粒物质向海搬运,整体粒度组分偏粗,加上1997年后,莱州湾南岸沉积速率加快[59],因此,形成了很大厚度的砂层。Z3和Z11粒度组分变化界限为120 cm,Z8为180 cm。频率曲线为尖锐单峰型,概率累积曲线多为三段式,外部动力复杂,搬运方式多样。由Z8向东Z3再至Z11频率曲线呈正-负-正变化(图 8表 3)。至莱州湾南岸,基本不受黄河影响,沿岸弥河、白浪河、潍河、胶莱河等在沉积环境的塑造中起着主导作用,整体粒度组分更粗,砂质含量向东越来越大。频率曲线对称分布,概率累积曲线为单一直线,说明粒度呈正态分布,搬运方式单一(图 8)。

4.3 沉积物质来源区域差异

为了说明沿岸短源河流对物质来源的影响,根据粒度-标准偏差的算法[75~76]获得位于不同沉积分区中柱状样粒级组分的标准偏差,较高标准偏差值所对应的粒级反映对沉积环境动力环境对粒度组分的影响比其他粒度组分大,称之为环境敏感粒度组分。不同区域典型柱状样绘制粒径-标准偏差曲线(图 10),Z4和Z5粒级-标准偏差曲线峰值相似,分别位于20~30 μm和60~110 μm范围内,粗粒组分来自黄河行水期间,由于河道变化频繁,大多属于短时间快速沉积,因此颗粒物质粒径粗大,细粒组分反映了广利河水系对沉积环境的改造。

图 10 典型柱状样粒级-标准偏差曲线 Fig. 10 Classification-standard deviation curve of typical core samples

位于现代黄河口南侧缘的Z1,细粒组分与粗粒组分以15.59 μm为界,结合粒度组分垂向变化(图 5),说明沉积动力经历了由弱变强的突变化。中部浅海区Z2粒级组分过渡相对平稳,而粒度组分上呈剧烈变化,说明其外部动力持续平稳变化,而搬运的物质粒径不同。位于莱州湾南岸的Z3细粒组分与粗粒组分以7.14 μm为界,说明其沉积动力在由弱变强的过程中,不如现代黄河口南侧剧烈(图 10),粒径-标准曲线(图 10)显示:细粒组分上现代黄河口南侧(8.57 μm)>中部浅海区(3.73 μm)>小清河口及附近海域(2.69 μm);粗粒组分上中部浅海区(52.91 μm)>小清河口及附近海域(44.09 μm)>现代黄河口南侧(37.71 μm)。说明在细粒组分搬运上,黄河强于小清河等沿岸河流;而在粗粒组分搬运过程中,沿岸短源河流则强于黄河。

5 结论

(1) 莱州湾西南部沉积环境根据物质来源可以分为黄河水下三角洲和潍河-弥河水下三角洲两部分,根据河流年代变化和相互关系,可以对沉积环境进行进一步划分。总体而言,现代黄河在莱州湾西南部的影响由北向南逐渐减小,除黄河外,沿岸一系列短源河流以及海水动力作用在沉积环境形成与改造过程中也有明显的作用。

(2) 根据粒度三角图显示结果,由现代黄河口南侧至莱州湾南岸砂质含量逐渐曾大,颗粒逐渐变粗。由沿岸到中部浅海,物质来源逐渐复杂,粒径-标准偏差曲线显示,广利河口北潮滩沉积动力环境最强,中部浅海区外部动力相对稳定。通过对比现代黄河口南侧和小清河附近海域柱状样环境敏感粒度组分可以发现,细粒物质受黄河影响明显,而沿岸短源河流搬运粗粒物质能力更强。

(3) 现代黄河口南侧沉积环境主要形成于黄河1976~1996年入海期间,沉积厚度大,持续时间长,在1996年后,黄河依旧是塑造沉积环境的主要动力。广利河口北潮滩和中部浅海区域沉积物质在1934年后经广利河水系及海水动力作用改造,形成了新的沉积物质。目前广利河口北潮滩1934年左右沉积物质在表层以下约80 cm。小清河口及附近海域整体受黄河影响较小,但细颗粒沉积物质受黄河影响明显。莱州湾南岸沉积物质基本不受黄河影响,沿岸弥河、白浪河、潍河、胶莱河等成为塑造沉积环境的主要外部动力。

致谢: 非常感谢山东省第四地质矿产勘查院实验测试中心和青岛海洋地质研究所测试中心提供的粒度数据;感谢匿名审稿专家和编辑部赵淑君、杨美芳老师建设性的修改意见。

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Sedimentary area division and regional granularity characteristics in south-western Laizhou Bay, Bohai Sea
Huang Xueyong1,2, Zhang Ge1, Gao Maosheng2, Hou Guohua2, Dang Xianzhang2, Liu Xiao1     
(1 School of Geography, Liaoning Normal University, Dalian 116029, Liaoning;
2 Key Laboratory of Coastal Wetland Biogeosciences, Ministry of Natural Resources, Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao 266071, Shandong)

Abstract

Based on the previous research, this paper studied the internal environment of the 1~3 m thickness in the south-western part of Laizhou Bay through 16 core samples grain size components and parameters. Summarizing the previous research results on surface sediment types and sedimentary environment classification, this study used the system cluster analysis method to divide the south-western of Laizhou Bay into five sedimentary areas. After systematically summarizing the sedimentation rates in the southwestern of Laizhou Bay, the sedimentary ages in the study area were preliminarily divided by the combination of sediment thickness, shoreline variation and river channel change. The results show that the Yellow River is the main driving force for the formation of the sedimentary environment in Laizhou Bay. Due to the historical changes in the location of the Yellow River estuary, the sedimentary environment has regional differences under the action of coastal short-source rivers and sea water dynamics. In general, the impact of the Yellow River has gradually weakened from north to south. The side edge of modern yellow river estuary was mainly formed during the Yellow River 1976~1996 period. Even though the Yellow River was diverted to the north after 1996, the modern Yellow River has a significant effect on the sedimentary environment. The sedimentary environment of the abandoned Yellow River Subaqueous Delta is transformed into different sedimentary environments in the near-shore and shallow sea areas under different external force transformations. The influence of the Guangli River system in the tidal flat sedimentary environment is limited. The sediment thickness since 1934 is less than 1 m, so it can effectively reflect the Native sediment of the abandoned Yellow River subaqueous delta. The central shallow sea area is affected by the combined effects of coastal rivers and seawater dynamics, and the original sedimentary environment changes, forming new sedimentary materials. The Xiaoqing River estuary and its adjacent waters belong to the abandoned Yellow River subaqueous delta and the Weihe-Mihe River subaqueous delta transition area, which is mainly affected by the sedimentation of the Xiaoqing River into the sea, but the fine-grained components in the sediments are closely related to the Yellow River. The south bank of Laizhou Bay is basically unaffected by the Yellow River. Under the action of a series of short source rivers along the coast, the underwater delta sedimentary environment of multi-river clusters is formed. The sediments are mostly coarse particulate matter deposited rapidly in a short time.
Key words: the south-western Laizhou Bay    Yellow River    grain size    system cluster analysis    sedimentary environment