沉积物粒度特征及其时空分布规律是沉积物的基本性质之一，它是反映沉积物迁移、搬运、分配的重要参数，不仅可以判别研究区水动力条件，还可以追溯物质来源，是一种常规的沉积学研究方法(Pedreros et al.，1996；Chang et al.，2001；le Rouxa et al.，2002；马菲等，2008；郑晓丹等，2009)。粒度参数特征可以通过频率曲线、概率累积曲线定性描述，并通过计算平均粒径、分选系数、偏态、峰态、粒级组成等参数定量分析。因此，通过沉积物粒度参数的综合分析及各种图解来解释其所代表的不同沉积地质意义，从而更好地进行物质运动方式的判定和沉积环境的识别。

曹妃甸地处河北唐山市南部的渤海湾西岸，位于天津港和京唐港之间。其中一条深27 m的天然水道由曹妃甸延伸到渤海海峡直通黄海。曹妃甸(陡河以东至滦河口以西)地形破碎复杂，由全新世中期的古滦河扇形三角洲发展成如今地貌独特的障壁岛潟湖海区，其中最大的障壁岛为曹妃甸，是一个离岸18 km的带状沙岛，海岸线平缓，海岸为淤泥质。独特的地形地貌优势适于建成中国北方地区最大的深水港(索安宁等，2012)，也是中国目前最大的填海造陆区域，2004—2020年规划面积为310 km²(吴越等，2013)。围填海造地工程虽然缓解了港湾地区严峻的“土地赤字”问题，但也导致海域面积减少，滩涂底栖生物生存空间缩小，给海域生态环境带来一定的负面影响。

目前，一些学者针对整个渤海区域(杨华等，2005；张宁等，2009；季荣耀等，2011；于文金等，2011；Yi et al.，2012)沉积物粒度及曹妃甸区人工填海对海岸线、地形变化以及对生态环境的影响做了相关的研究(乔淑卿等，2010；李建伟等，2011；田立柱等，2010；王伟伟等，2013)，但是针对该区表层沉积物粒度方面的研究较少，仅限于部分地区(老龙沟地区、沙坝-潟湖海岸)(贾玉连等，1999，2000；王勇智等，2012)。本文通过对河北曹妃甸近岸海域表层沉积物的粒度组成和粒度参数的分析，探究其所反映的动力沉积环境，以期为该区今后人工填海提供基础资料。

于2014年7～8月份对河北曹妃甸近岸海域13个站位表层沉积物进行样品采集，乘船使用蚌式采样器取样，并手持GPS定位记录坐标(图 1)，各站点采集一瓶沉积物，用棕色玻璃瓶盛装，每瓶约2 kg，测定前放在冰箱内保存。样品采集、保存与分析等按照《海洋监测规范》(GB17378-2007)和《海洋调查规范》(GB/T12763-2007)等规定进行。

图 1

Fig. 1

图 1 研究区域及表层沉积物采样站位 Fig. 1 A sketch map showing the study area and sites for sampling surficial sediments

实验条件：温度22℃，湿度48%。沉积物粒度分析使用LS13320系列激光粒度分析仪(美国贝克曼库尔特公司生产)，有效粒径测量范围在0～2000 μm，粒级分辨率为0.01 Φ，重复测量相对误差小于0.5%。数据分析所用的粒级标准为乌顿-温德华氏等比制Φ值粒级标准，沉积物分类和命名采用Shepard的沉积物粒度三角图解法(国家技术监督局，1992)。采用Folk和Ward公式(Fork et al.，1957)提出的4种参数，即平均粒径(M_z)、分选系数(σ_i)、偏态(S_ki)、峰态(K_g)对各样品进行粒度参数计算，所用参量见 表 1。

表 1 (Table 1)

表 1 概率累积曲线上不同累积含量对应的粒径值 Table 1 Corresponding grain-sizes of different contents in the cumulative probability curve 站号 φ5 φ16 φ25 φ50 φ75 φ84 φ95 1 1.91 3.61 5.37 18.65 45.47 55.92 72.36 2 3.45 9.74 17.07 35.58 55.23 67.93 115.01 3 3.83 12.05 19.62 38.33 57.12 69.32 112.79 4 2.57 4.22 6.32 23.96 94.25 120.47 161.22 5 2.95 6.61 14.65 93.96 158.74 185.25 270.29 6 3.21 6.29 10.91 71.96 177.75 203.83 262.42 7 2.64 4.79 8.56 113.61 183.44 228.17 363.90 8 3.22 9.34 35.95 141.57 201.63 239.66 395.51 9 0.22 3.00 4.44 18.84 139.21 167.83 206.56 10 2.11 3.24 4.13 8.30 19.21 28.96 69.80 11 0.18 1.97 2.84 5.68 14.25 21.46 61.76 12 0.20 2.27 3.21 7.35 21.88 41.07 97.64 13 0.17 1.99 2.85 5.63 12.76 17.97 43.50 注：φ5、φ16、φ25、φ50、φ75、φ84、φ95分别为粒度概率累积曲线上5%、16%、25%、50%、75%、84%、95%所对应的Φ值粒径。

表 1 概率累积曲线上不同累积含量对应的粒径值 Table 1 Corresponding grain-sizes of different contents in the cumulative probability curve

按照Shepard的沉积物粒度三角图解法(图 2)，曹妃甸近岸海域13个表层沉积物主要由黏土质粉砂(YT)、砂质粉砂(ST)和粉砂质砂(TS)3种沉积物粒度类型组成(表 2)。其特征描述如下：

图 2

Fig. 2

图 2 曹妃甸近岸海域表层沉积物在Shepard分类三角图中的分布 Fig. 2 Distribution of the surficial sediment samples from the Caofeidian offshore area in the Shepard's triangle diagram

表 2 (Table 2)

表 2 表层沉积物粒度参数表 Table 2 Grain-size parameters of the surficial sediments 站位 粒级组分 平均粒径 Mz/Φ 中值粒径 Md/Φ 标准偏差 Sd/Φ 分选系数 σi 偏态 Ski 峰态 Kg 沉积物命名 黏土/% 粉砂/% 砂/% 1 22.61 40.28 37.11 3.98 5.61 5.25 0.95 0.81 0.63 砂质粉砂 2 6.50 74.73 18.77 4.73 4.68 4.75 1.06 0.27 1.20 砂质粉砂 3 5.37 74.64 19.99 4.65 4.57 4.79 1.08 0.22 1.19 砂质粉砂 4 14.66 51.02 34.31 4.33 5.25 4.04 0.98 0.70 0.74 砂质粉砂 5 9.27 32.53 58.20 3.39 3.28 3.19 1.05 0.17 0.76 粉砂质砂 6 8.49 40.69 50.82 3.41 3.66 3.13 1.02 0.40 0.64 粉砂质砂 7 12.61 30.35 57.04 3.11 3.00 2.94 1.02 0.21 0.85 粉砂质砂 8 7.43 20.28 72.29 2.94 2.69 2.93 1.05 0.07 0.97 粉砂质砂 9 18.38 71.15 10.47 5.26 5.60 3.58 1.03 0.47 0.72 黏土质粉砂 10 23.79 70.37 5.84 6.21 6.78 5.22 0.95 0.71 1.84 黏土质粉砂 11 37.58 57.55 4.87 6.69 7.32 5.31 0.92 0.72 2.21 黏土质粉砂 12 32.09 56.88 11.03 5.89 6.95 4.84 0.91 0.80 2.14 黏土质粉砂 13 37.34 59.46 3.20 6.87 7.34 5.42 0.96 0.65 1.79 黏土质粉砂 平均值 18.16 52.30 29.53 5.05 5.13 4.26 1.00 0.48 1.21

表 2 表层沉积物粒度参数表 Table 2 Grain-size parameters of the surficial sediments

砂质粉砂：主要分布在研究区的北部近海区域(1、2、3、4站位)，位于研究区2003年填海后形成的3号港池及规划的化工产业区东侧，主成分为粉砂，平均含量可达60.17%。砂、粉砂、黏土在不同站点含量变化较大，平均粒径介于3.98～4.73 Φ之间，平均值为4.42 Φ。中值粒径、标准偏差、分选系数、偏态、峰态的平均值分别为5.03 Φ、4.71 Φ、1.02、0.5、0.94，沉积物分选中等偏差，标准偏差变化范围大，为正偏态，峰度成正态和尖锐。

粉砂质砂：主要分布于研究区中部(5、6、7、8站位)1、2号港池航道内及钢铁产业区东侧近岸海域，主成分为砂，平均含量达59.59%。平均粒径为3.21 Φ。中值粒径、标准偏差、分选系数、偏态、峰态的平均值分别为3.16 Φ、3.05 Φ、1.04、0.21、0.81。沉积物整体分选性差，呈正偏态，峰较平坦。

黏土质粉砂：主要分布于研究区南部海域。主成分粉砂平均含量为63.01%。平均粒径为6.18 Φ。中值粒径、标准偏差、分选系数、偏态、峰态的平均值分别为6.80 Φ、4.87 Φ、0.95、0.67、1.74，大部分沉积物分选性中等，呈很正偏态，峰度尖锐。 表 2

研究区表层沉积物砂、粉砂和黏土的质量分数平均值分别为29.53%、52.30%和18.16%，说明该区沉积物以中粗颗粒为主。砂粒级(-1～4 Φ)含量分布范围较大，在3.20％～72.29%，平均值29.53%，高值区分布在化工产业区东部近岸海域，含量多高于50%，南、北部含量分布趋势相反(图 3a)。粉砂(5～8 Φ)的含量一般在20.28％～74.64%，平均值52.30%，在研究区含量分布整体较高(图 3b)，高值区分布在人工填海造陆工业园区南北两侧的海域，低值区位于化工钢铁产业园区东侧。黏土(大于8 Φ)含量一般在5.37％～37.58%，平均值为18.16%，高值区位于研究区西南侧近岸海域(图 3c)。

图 3

Fig. 3

图 3 砂(a)、粉砂(b)和黏土(c)含量的等值线图(%) Fig. 3 Isoline maps of sand(a)，silt(b)and clay(c)contents(%)

沉积物粒度参数主要用来分析沉积物来源和沉积环境。通常认为，沉积物平均粒径和分选系数与沉积物来源紧密相关，偏态和峰态显示了粒度输运形式及沉积环境对粒度的改造结果(张富元等，2003)。粒度参数平面分布图(图 4)显示，曹妃甸近岸海域表层沉积物的平均粒径(M_z)介于2.94～6.87 Φ之间，平均为(5.05 Φ)，整体上粒径偏小，在研究区中部近岸海域沉积物粒度最粗，北部次之，南部最细，与沉积物类型分布规律一致。分选系数(σ_i)为0.91～1.08，平均值为1.00，根据沉积物分选系数等级表，研究区南北部分选性中等和中部区域分选性差，其原因可能与南北部水动力条件复杂，人为活动频繁有关。沉积物的偏态S_ki介于0.07～0.81之间，平均为0.48，偏态变化范围较大，但大多数大于0.1，沉积物粒度呈正偏态及很正偏，粒度分布整体偏向粗端，可能与多种物源混合后沉积改造有关。沉积物的峰度K_g介于0.63～2.21之间，平均值为1.21，中部峰态相对较宽，北部次之，南部峰态最窄。

图 4

Fig. 4

图 4 表层沉积物粒度参数分布图 Fig. 4 The distribution of grain size parameters of the surficial sediments

通过对表层沉积物粒度参数双变量进行分析，发现沉积物平均粒径与分选系数、偏态、峰态等粒度参数之间存在一定的相关性变化形态，与粒度参数平面分布规律相一致(图 5)。

图 5

Fig. 5

图 5 粒度参数之间双变量相关性散点图 Fig. 5 Bi-variable scatter diagrams between various grain-size parameters

标准偏差、偏度、峰度与平均粒径呈正相关性，分选系数与平均粒径呈不显著负相关。随着沉积物平均粒径的增大，标准偏差变大，偏态变大，峰态愈窄，分选呈逐渐变差的趋势。研究站位偏态均大于0且逐渐增大，说明峰偏向粗粒度一侧，细粒一侧有低的尾部，表明沉积物以粗组分为主偏态逐渐增大，在3.98 Φ处达到最大值形成很正偏，随后减小，在4.65 Φ处降至0.22，呈正偏(图 6)。海滩沉积物由于潮汐、波浪高能量作用的结果多数为近对称，偏度值近于零，但有些呈微弱的负偏态，本文研究区现象相反，说明水力动能较小，为人工填海造成水动力条件削弱提供了新的证据。峰度大部分介于0.5～1之间，在3.98 Φ处为最小值，峰很平坦，随后除在5.26 Φ处有一个极小值0.72，整体呈增大趋势，峰态逐渐尖锐。

图 6

Fig. 6

图 6 研究区表层沉积物粒度频率曲线和概率累积曲线 Fig. 6 The grain size frequency curve and probability cumulative curve of surficial sediments in the study area

偏度、峰度与分选系数呈负相关，可推断随着分选性变好，偏度减小，频率曲线越接近于正态，峰两侧粗细组分的百分比越少且峰态愈尖锐。

曹妃甸工业区由于人工填海工程，受到海洋动力、河流动力双重作用呈现双重岸线(方成等，2014)。北部为浅滩潟湖区，2007年数据显示沉积物主要为粉砂质黏土、黏土质粉砂和粉砂， 局部为细砂(闫新兴和霍吉亮，2007；尹延鸿，2007)，沉积物粒径较细，松散，抗波浪潮流冲刷能力弱。本文数据显示该区域沉积物类型为砂质粉砂，代表性站位2、3站位频率曲线(图 6)呈现突出的主峰，表明其物源单一，受强动力条件作用(纳潮河冲刷)明显。同样，位于该区域的1号站位频率曲线呈主峰和多峰结合特征，说明该站点沉积物组成复杂，不仅受强动力条件(纳潮河)作用，还受到其他流系(青龙河、潮汐)动力叠加作用，经历了多变的沉积改造旋回。

中部为原古滦河三角洲的海岸线，独特的障壁岛地形，沉积物粒度相对较粗、密实，为粉砂淤泥质潮滩(王勇智等，2012)。4、5、6站位均位于该区域化工产业区东侧近岸海域，受到海浪、潮流的双重冲刷，水动力频繁，沉积物粒度较粗。填海规划中的通岛公路阻断了浅滩潮道，老龙沟深槽淤积变浅，间接影响整个潮流系统。新形成的纳潮河不断冲刷海岸，岸线轮廓产生变化，丰水期大量的碎屑物质被冲到浅海处堆积，在波浪和外缘潮道的共同作用下沉积物得到进一步分选，细颗粒物质被潮流携走，粗颗粒物质在波浪作用下被推向陆地方向，如此往复，研究区中部沉积物以粗颗粒为主，演变成了砂质环境。由于4站位东北方向的西坑坨与东坑坨之间的带状岛屿削减了海洋动力的影响，因此，4站位比5、6站位沉积物粒度细，为砂质粉砂。7、8站位位于一号、二号港池内部，受到河道与海洋双重作用，因此沉积物粒度比南部海域沉积物粒度粗。 图 6可以看出，4、5、6、7、8、9站位频率曲线呈明显的主峰和微弱的多峰结合特征，说明该区域物缘复杂，水动力频繁。概率累积曲线表现为“滚动-跳跃-悬浮”三段式，一般以跳跃组分为主，滚动和悬浮组分较少，水动力条件强，物源复杂。

曹妃甸南部及西南侧水域宽阔，临岸水深较深，深水区沉积物受到的水动力条件相对较弱，潮汐的往复运动仅使细颗粒沉积，形成了黏土质粉砂沉积环境(侯庆志等，2013)。代表性站位10、11、12、13站位的频率曲线呈一致性，主峰不明显，正偏。概率累积曲线显示主要成分集中位于6～8 Φ，中等组分为主，细组分次之(图 6)。

特殊的底质及潮流场形成了研究区特殊的地貌，研究区北部-中部-南部沉积物颗粒为砂质粉砂-粉砂质砂-黏土质粉砂，与该区域原来的沉积环境有一定差异。大规模填海造陆工程使曹妃甸周围地形发生较大变化，改变了原有的海岸线轮廓，海浪、潮流和入海河流水动力条件都随之改变(尹延鸿等，2011，2012；尹聪等，2012)。沉积环境的改变与沉积物粒度变化具有一致性。

(1)曹妃甸近岸海域表层沉积物主要由黏土质粉砂(YT)、砂质粉砂(ST)和粉砂质砂(TS)3种类型组成。其中粒级组分黏土、粉砂和砂的质量分数平均值分别为18.16%、52.30%和29.53%。研究区中部沉积物粒度相对较粗，南部最细且南部沉积区由陆向海粒度变粗，可见水动力环境和地形是影响沉积物粒度分布的主要因素。

(2)研究区沉积物的平均粒径(M_z)介于8.53～130.19 μm(2.94～6.87 Φ)之间，分选系数(σ_i)介于0.91～1.08之间，偏态S_ki介于0.07～0.81之间，峰态K_g介于0.63～2.21之间。沉积物粒径整体偏细，分选性偏差，正偏，主峰较明显，受渤海潮流及研究区内河流冲刷作用影响。

(3)1、2、3、4、5、6、7、8、9站位的沉积物以粗组分为主；10、11、12、13站位的沉积物以细组分为主。从沉积物粒度概率累积曲线可以看出该研究区域的沉积物一般以跳跃组分为主，滚动和悬浮组分较少，水动力条件强，物源复杂。总体分为3个沉积区，不同沉积区成因机制不同。

曹妃甸人工填海工程至今10年，填海面积的剧增，地形变化较大。人工码头、港池均影响了原有的河流、潮汐水动力。其中，北部与中部人工构筑物较多，人为活动影响大，沉积物类型与填海工程前明显不一致，沉积物粒度粗化。南部区域海域水深较深，未被列入人工填海范畴，海岸线变化小，海洋动力占主导，所以沉积物类型变化较小。因此，有理由认为人工填海工程影响了曹妃甸近岸海域沉积环境。

致谢： 感谢国家海洋局秦皇岛海洋环境监测中心站、天津科技大学沙作良教授课题组，以及许世杰、艾芮玄的帮助!