0 引言

沉积物粒度分布记录了有关沉积物输运和埋藏的信息，获得这些信息对于揭示区域沉积动力特性、沉积物输运过程和沉积环境演变规律具有重要的意义^[1-2]。应用不同方法可以提取沉积物粒度组分中所蕴含的丰富的环境信息，如Folk^[3]应用非等价的三端元对沉积物进行分类，从而获得具有动力学意义的沉积物类型；McLaren et al.^[4]根据沉积物粒度特征提取了沉积物一维输运趋势，Gao et al.^[5-7]对其进行改进并提出了二维粒径趋势模型，目前得到了广泛的应用^[8-10]；Weltje^[11]提出了对沉积物粒度数据进行分解的端元模型，分离出沉积物端元所指示的物源、环境动力等(Weltie称为“动力组分”)，并将该模型应用于多种沉积环境^[12-13]，Dietze et al.^[14]对该模型进行算法上的优化；孙东怀等^[15-16], Sun et al.^[17]提出从数字特征上对多峰的粒度分布曲线进行参数拟合，得到具有特定分布(如对数正态分布、Weibull分布等)的多个单峰，进而解释其对应的物理过程。此外，许多学者利用多元变量分析的方法(如主成分分析、因子分析、聚类分析等)对粒度数据进行分析，并取得诸多成果^[18-20]。

河流入海物质主要分布在河口附近及内陆架，仅有少量向外陆架及深海输运^[21]。因而，河口水下三角洲地区一般都具有较高的沉降速率^[22-23]，其沉积记录中包含了丰富的流域过程自然变化及人类活动等环境信息，一直以来都是国际上的研究重点区域^[24-26]。通过对河口水下三角洲沉积物中沉积记录的提取，不仅可以反演流域环境变化过程，还可以揭示人类活动对流域环境的影响过程及影响程度^[27-29]。

本文通过对广西南流江河口水下三角洲表层沉积物进行粒度分析，利用端元分析对沉积物粒度数据进行分解，并用参数拟合的方法分离多峰端元，进而揭示端元所指示“动力组分”。最后，结合沉积物粒径趋势分析，初步探讨了南流江河口水下三角洲地区沉积动力作用的空间差异，探讨了沉积动力环境控制下的沉积物输运趋势。

1 研究区域概况

南流江是广西最大的河流，发源于广西大容山、太平山一带，流经六万大山和云开大山，向南注入廉州湾，在合浦县党江附近开始分汊，主要汊道有南干江、南西江和南东江(图 1)。南流江全长287 km，流域面积9 060 km²，年均入海水量51.3×10⁸ m³，年平均输沙量118×10⁴ t；全年中，在外沙附近海域(北海港)，全日潮的天数约占70%，其余的为半日潮或不规则半日潮，平均潮差为2.46 m，最大潮差为5.36 m^[30]。在河口区，悬沙浓度总体为南部海域低于北部，入海汊道口门附近为悬沙浓度的高值区，悬沙浓度可达16.0~24.0 mg/L^[31]。由于受到陆岸的影响，南流江河口区波浪年变化不大，以风浪为主，其次是纯涌浪和混合浪，主浪向(N—NE)出现的频率占36%，次浪向(SW—WSW)出现的频率占19.2%，最大波高为2.0 m，平均波高为0.28 m^[31-32]。南流江水下三角洲呈舌状向海突出，中部较深，向两翼变浅。潮流、波浪和径流是南流江河口水下三角洲泥沙运移的主要动力因素^[31]。河口区地形地貌复杂，根据成因可以分为三类：陆地地貌：包括侵蚀剥蚀残丘、冲积平原、海积平原、沙坝—潟湖等；岸滩地貌：包括海滩、海蚀崖、海蚀平台等；海底地貌：包括水下三角洲、潮流冲刷槽、水下古滨海平原^[33]。

2 材料与方法 2.1 样品采集和粒度分析

2015年11月16日至11月18日，在广西南流江河口及水下三角洲地区以3 km间隔布设采样站位(图 1)，使用小型蚌式抓斗式采泥器进行表层沉积物样品采集，采样厚度为表层5 cm，共获取63个样品。对于粒径 < 2 mm的沉积物样品，取均匀混合的样品约2.5 g，加入0.5%的六偏磷酸钠((NaPO₃)₆)，浸泡24 h后，使用英国Malvern公司生产的Mastersizer2000型激光粒度仪(测量范围为0.01~2 000 μm)进行粒度分析，获得0.25 ϕ间隔的粒度分布数据；对于含有粒径>2 mm沉积物样品，烘干称重后，用1 mm孔径筛子湿筛，其中细颗粒组分(< 1 mm)仍用激光粒度仪进行分析，粗颗粒组分(>1 mm)用传统筛析法进行筛分，称重，最后将两部分数据合并(使用样条函数插值)，获得完整的、间隔为0.25 ϕ粒度分布数据。

采用矩法计算沉积物的粒度参数(包括平均粒径Mz、分选系数σ_i、偏态系数Sk_i、峰态Kg)^[34]，粒度参数等级划分采用贾建军等提出的方法^[35]。采用Folk提出的沉积物分类命名法划分沉积物类型^[3]。

2.2 实验数据处理 2.2.1 端元分析模型

端元分析和参数拟合是对粒度分布数据进行组分分解最常用的两种方法。本文应用Dietze等优化后的端元分析模型对南流江表层沉积物粒度数据进行端元分解^[14]，该方法对Klovan et al.^[36]的端元模型的算法做了优化处理，并在MATLAB平台上实现对端元模型最优端元分解的筛选和端元模型的质量评价。最优端元分解筛选过程如下：

(1) 通过迭代的方式获得不同权重转换系数Lv下的解释累积方差(explained cumulative variance, ECV)—端元数(end-member′s number, EMN)曲线和平均决定系数(mean coefficient of determination, R²)—端元数(end-member′s number, EMN)曲线。

(2) 在ECV-EMN图中，选择解释累积方差ECV值达到0.95时所需的端元数量，作为端元模型的最小端元数EMN_min。

(3) 在R²-EMN图中，当R²-EMN曲线开始出现不稳定时所对应的端元数量，作为端元模型的最大端元数EMN_max。

(4) 取最稳定的，即信噪比最好的R²-EMN曲线的权重转换系数Lv，作为端元模型的最优转换系数Lv_opt；其曲线拐点所对应的端元数量作为端元模型最优端元数EMN_opt。

此外，对于端元分析中出现的多峰端元，利用孙东怀等^[15-17]提出的参数拟合的方法，以拟合优度＞0.95为目标，分离多峰端元，进而揭示各端元所蕴含的沉积动力环境和物源特征。

2.2.2 粒径趋势分析(GSTA)

根据沉积物的平均粒径Mz、分选系数σ_i、偏态系数Sk_i、峰度系数Kg，用相邻的两个采样点进行比较，可以定义出在沉积物的净搬运方向上有两种出现概率较高的粒径趋势：沉积物在运移方向上分选变好、粒径变细且更加负偏，沉积物在运移方向上分选变好、粒径变粗且更加正偏^[5-7]。由于本文沉积物采样间距基本相等，故选择最大采样间距作为特征距离，将每个采样点的粒度参数与特征距离范围内采样点的粒度参数进行一一比较，确定各采样点的粒径趋势矢量，对每个采样点得到的矢量进行合成，消除噪声，从而得到研究区沉积物二维搬运格局。

3 结果 3.1 表层沉积物组成

沉积物的分类结果显示(图 2)，南流江河口水下三角洲及其邻近海域沉积物可以分为九类，其中含砾沉积物五类，分别是含砾泥质砂、砾质泥质砂、含砾砂、砾质砂、泥质砂质砾；不含砾沉积物具体可分为四类，分别是砂、砂质粉砂、粉砂质砂、粉砂。含砾沉积物分布于能量特性完全相反的两个区域，一个是目前处在高能环境下，南流江河口段各汊道的河床沉积，另一个则是目前处在低能环境下，自大风江口至环绕南流江水下三角洲(西侧)分布的大陆架残留沉积。不含砾沉积物的分布具有明显的分带性，砂沉积主要分布于南干江、南西江以外的潮间带中上部和冠头岭附近海域两个区域；从潮间带中下部至廉州湾湾中、湾口的区域，分布着大面积的砂质粉砂和粉砂质砂；粉砂主要分布在南流江滨海沼泽和地角附近的海域，不含砾沉积物在分布上体现出显著的机械分异。在廉州湾东部和南部沿岸附近的海域，即冠头岭—地角—外沙—高德一带，依次分布着砂—粉砂—砾质砂—砂质粉砂，沉积物类型多样，表明廉州湾东部沿岸具有复杂的物源和沉积动力环境。

3.2 表层沉积物粒度参数

表层沉积物平均粒径范围为-2.2~12 ϕ, 与沉积物类型分布有良好的对应关系(图 3a)；分选系数大部分介于1~4(图 3b)，分选性较差或分选性差。在两个砂主要分布区中，粒径频率分布曲线全部为单峰，平均分选系数为1.12，分选性要明显优于周边其他类型的沉积物。且在砂向砂质粉砂、粉砂质砂的过渡过程中，分选性逐渐变差，其中潮间带至水下浅滩的过渡带梯度尤为明显。在砂质粉砂和粉砂质砂主要分布区中，粒径频率分布曲线呈现多峰的站位超过90%。就整个区域而言，偏态系数的范围介于-2.27~3.71(图 3c)，涵盖了所有类型，其中 < -0.33负偏的站位集中在砂质粉砂区和粉砂区；峰度系数范围介于0.71~4.84(图 3d)，平均值为2.94，分布规律不明显。

3.3 粒度数据组分分解

当选择端元数目EMN=5，转换系数Lv=4时，端元模型获得最优分解。从端元荷载(图 4)显示的端元粒度分布特征可以看出，多峰的分解结果并不十分理想。将分解得到的5个端元划分为两种类型，类型1：具有较规则多峰的端元，即EM1、EM2和EM3(图 4a，b，c)；类型2：具有不规则多峰的端元，即EM4和EM5(图 4d)。对于类型1端元，利用参数拟合的方法分离多峰端元。其中EM1为双峰分布，众数分别位于8 μm，500 μm，通过拟合得到两峰面积分别占总面积的80%，20%(图 4a)；EM2为三峰分布，其众数分别落在10 μm，125 μm，1 900 μm，拟合得到三个峰的面积分别占总面积的18%，60%，22%(图 4b)；EM3为三峰分布，众数位置分别位于6 μm，250 μm，3 000 μm，拟合得到三峰面积分别占总面积的15%，80%，5%(图 4c)。

同一采样站位不同端元含量占比可以通过端元得分给出，将端元得分投射到研究区域上即可获得5个端元的端元分布图，(图 5)分别给出5个端元在研究区域上的分布(图 5a~e)和沉积物的搬运格局(图 5f)。

4 讨论 4.1 端元分析的适用性

端元分析的目的是获得较为单纯的动力组分。端元代表的是一系列固定的组合，这些组合可以看作是研究区域内粒度数据集的不同亚群^[37]，而粒度分布曲线通常被认为是多种沉积和输运过程综合作用的结果^[38-39]。因此，可以将分解得到的端元与某些特定沉积和输运过程联系起来。当端元模型结果出现多峰时具有两方面含义：一方面是端元模型分析算法的局限，导致了端元分解的不完全；另一方面是分解出的多峰端元自身就代表着多峰的沉积模式^[37]。当沉积物的沉积与输运过程较为单一时，粒度分布曲线出现单峰；当涉及到多种沉积与输运过程时，粒度分布曲线呈现出多峰分布^{[17, 40]}。多峰端元也可以用同样的方式进行解释^[41]。

南流江河口水下三角洲沉积动力环境复杂，不仅受到波浪、潮流、径流的共同作用，同时，南流江河口小型山溪性河口的特点，也使表层沉积物对上述环境动力的响应更为迅速。复杂的沉积动力环境导致了多峰端元的出现。从沉积物类型图(图 2)可以看出，沉积物类型与河口动力环境特征具有明显的耦合关系，这种耦合关系是进行端元分析的基础。因此，在解释粒度数据的多峰端元时要综合考虑南流江河口物源和环境动力区域性特征。

4.2 最优端元的筛选

通过引入不同权重转换系数Lv(2.5~10)对原始数据进行权重转换，可以避免由于零值的存在引起的粒度数据矩阵计算的不稳定^[14]。当Lv=10时，其相应ECV-EMN关系曲线(图 6)在端元数EMN=3时，值为0.96>0.95，故取端元模型的最小端元数EMN_min=3。通过R²-EMN图中可以看出(图 7)，当EMN=6时，大部分的曲线开始变得不稳定，即信噪比变差，所以取端元模型的最大端元数EMN_max=6；当EMN=5时，大部分曲线达到拐点，且当Lv=4时的曲线表现稳定性最强，故端元模型最优端元数EMN_opt=5，其相应的权重转换系数Lv_opt=4。通过对端元数量EMN_min=3至EMN_max=6之间不同端元数的拟合优度的比较可以看出(图 8)，当选取端元数EMN=3时，粒径 < 40 μm的组分拟合度较好，大部分可以达到0.6以上，但在粒径大于>40 μm时拟合优度开始变差，在粒径>1 000 μm时，拟合优度开始急剧降低；在选取端元数EMN=4时，粒径>1 000 μm的区域拟合度得到改善，但总体与EMN=3相差不大。当端元数EMN=5时大部分粒径区间的拟合优度达到0.8以上，在端元数增加至EMN=6时，拟合优度度并没有得到明显的提升，因此选择EMN_opt=5作为研究区域的端元数是合理的。粒径拟合优度表示的是在该端元模型中各粒级被代表的程度；样品拟合优度表示的是各沉积物样品在该端元模型中被代表的程度。当端元数EMN_opt=5，权重转换系数Lv_opt=4时，粒径的平均拟合优度达到0.83，样品的平均拟合优度达到0.80(图 9)。

4.3 类型1端元指示的沉积动力环境 4.3.1 端元1

从端元1(图 5a)区域含量分布特征可以看出，端元1在南流江河口潮间带为低值区，而在廉州湾东部和南部沿岸大部分海域皆受到端元1的强烈影响，且端元1在所有端元中的分布最为广泛。从形态上看，端元1在向廉州湾湾外展布的过程中与南流江水下三角洲的形态具有一定的对应关系。以上分布特征表明端元1可能反映的是以风浪和潮流为代表的水动力对沉积物的输运。在廉州湾风浪和潮流往往互相作用，从水动力作用上看，在不同季节的风引起的风浪对潮流起到加强或者减弱的作用^[42]，从物源上看，被风浪所扰动的沉积物则增强了潮流对沉积物的作用。这种相互作用的复杂性可能导致在端元模型中将潮流风浪作用划分为同一端元。此外，南流江河口潮间带退潮时露出的大面积浅滩，风浪与潮流作用有限，可能导致端元1在该区域的低值分布。

通过参数拟合的方法对类型1多峰端元进行分离可以发现，类型1端元皆在6~10 μm之间分离出单峰；类型2端元虽未进行分离，但仍可以看出在对应的位置同样也出现峰值。对于端元1而言，在上述粒级区间内单峰p1占到总面积80%，占主导地位，在端元2、端元3中则分别只占到总面积18%和15%。端元1反映的环境动力是风浪和潮流，因此，我们可以认为端元2、端元3中出现p1单峰可能是由风浪造成的干扰。虽然主导风浪在端元模型中被识别出来，但由风引起的风浪作用范围广，且风向多变，作用复杂，导致在端元模型中所有端元都受到其影响。

4.3.2 端元2

端元2(图 5b)含量的高值区主要出现在廉州湾湾口以外的海域，与南流江水下三角洲水深变化较大区域相吻合。端元2在进入湾内后其含量迅速减小，说明端元2所指示的沉积动力环境在廉州湾口处表现最强，而对湾内的影响有限。这种作用特点与外海的涌浪对河口海湾的影响相一致。所以，端元2反映的可能是以外海涌浪为代表的环境动力对沉积物的输运。由外海传入廉州湾的涌浪，由于廉州湾湾口处水深迅速减小，波能在湾口处集中释放，同时，由于海湾的对涌浪的辐散效应，传入湾内的波能扩散减弱。此外，南流江河口水下三角洲面积达165.78 km²，约占整个廉州湾水域面积的70%^[43]，这种大浅滩的地貌特点也是导致涌浪对南流江河口水下三角洲影响微弱的重要因素。陈波对南流江河口地区的波浪研究结果表明：夏季从外海传来偏南的涌浪虽频率较高，能量大，但经折射和绕射后，传入湾内的能量已经显著减弱^[32]。因此也可以认为，在廉州湾湾内的波浪作用主要是由风引起的风浪。

从含量高值分布形态上看，端元2含量的高值区覆盖整个廉州湾湾口，而是在冠头岭以西的海域留有“缺口”，暗示着波浪在此处对表层沉积物影响较弱，但在冠头岭至地角沿岸均发育有海蚀崖和海蚀平台，又说明该海域同样受到较强波浪作用。造成这种矛盾的原因有可能是冠头岭以西的海域存在潮流深槽，深度普遍大于5 m，波浪对湾底的沉积物影响有限；也可能是由于全新世中，晚期以来，海平面长期稳定和廉州湾沿岸堆积作用及发展，波浪作用于海岸的强度减弱，海岸后退作用基本上停止或减缓，波浪侵蚀产物很少^[43]，在沉积物的记录中没有留下明显的涌浪作用过程。端元2中通过参数拟合分离出的p2和p3两个单峰可能分别指示的是受到涌浪作用的两种不同的底质类型。

4.3.3 端元3

端元3参数拟合结果显示(图 4c)。端元3虽然呈三峰分布，其主峰p2面积占比达80%，主峰众数落在250 μm。从沉积物沉积上也可以看出，端元3所处区域的沉积物类型主要为分选性良好的砂，说明端元3所指示的环境动力应具有作用较强，且较为稳定的特点。端元3含量的高值区主要在南流江河口潮间带和冠头岭以西海域两个海域分布。结合上述特征，说明端元3指示可能代表的是南流江冲淡水对沉积物的输运。已有研究结果表明^[44]，南流江径流和来沙随季节变化而变化，在6至8月的洪水季节，径流量占全年的50%，输沙量占全年的61%，在12月至2月的枯水季节，径流仅占全年的7%，输沙量占0.093%。因此，洪水季节时期带来的大量泥沙聚集在潮间带。在无大量淡水下泄时，泥沙经潮流充分分选，细颗粒随落潮流进入廉州湾，形成分选性良好的砂。

端元3在冠头岭以西海域含量高值区可能与潮流深槽存在有关。在潮流深槽区水深大波浪作用不能到达，同时，南流江河口地形地貌态势有利于涨潮流在湾顶辐聚，形成落潮流速大于涨潮流速^[43]，流速大，对深槽底进行冲刷，且其作用过程和强度变化具有规律性，因而在此处形成分选性良好的砂。

4.4 类型2端元指示的沉积动力环境

端元分布图中端元4(图 5d)与端元5(图 5e)含量高值区和Folk分类法中含砾沉积物所在的区域几乎重合(图 2)。虽然从粒级上端元4和端元2都指示出高能沉积环境，但由于所处海域的物源与环境动力的组合不同，在端元分析中可以将二者区分开来。端元4的主要在大风江口至环南流江河口水下三角洲分布，根据廉州湾沉积相研究成果中对大陆架残留沉积分布范围的界定^[45]，结合端元4分选性极差的粒度分布曲线(图 4d)，我们可以认为端元4反映的可能是南流江河口的大陆架残留沉积，结合沉积物净搬运图，可以看出沉积物产生向南和东南向的净搬运趋势，因此该区域的沉积物所受的环境动力可能与大风江口的径流作用有关。从高值区分布形态上看，端元4由大风江口外海域向南呈S形展布，其分布形态与物源输入密切相关。由于大风江年平均输沙量为118×10⁴ t，且大风江口的主槽水流偏西侧，泥沙以偏西输移为主^[43]，不利于在此处淤积。同时，从(图 5d)中可以看出，在S形分布的上半部分处于南流江水下三角洲的前缘斜坡地带，受到南流江的输沙“侵入”，残留砂被改造，形成残留砂S形分布的上部缺口；在S形分布的下半部分则处于前三角洲地带，从南流江所输送的沉积物减少，残留砂“保留”形成S形分布的下部突出。

端元5只存在于南流江各汊道以及外沙附近海域个别站位，其粒度分布曲线亦极不规则。外沙是北海港口的所在地，南流江汊道底质则会受到航道疏浚影响。根据其分布区域特征和分布曲线，端元5可能是港由于口建设和航道疏浚等工程活动所引入的干扰端元。

4.5 沉积动力环境与沉积物净搬运

将研究区域粒度数据应用GSTA模型，得到南流江河口水下三角洲及其邻近海域的沉积物净搬运格局(图 5f)。从图中可以看出，在廉州湾湾内的沉积物总体上都向冠头岭附近海域净搬运，而在廉州湾西部外海的表层沉积物总体上向南和东南方向净搬运，二者都在研究区域南部海域净输出。南流江河口水下三角洲沉积物净搬运与物源、环境动力、地形地貌之间的关系，通过各端元的高值区分布可以得到更加合理的解释。

在残留沉积区，端元4的相对含量达到60%以上，端元1和端元2分布很少，说明残留沉积区所受到的环境动力是以大风江口的径流为主导，涌浪和潮流、风浪作用在此处相对较弱，在大风江径流的作用下残留砂产生向南和东南方向的净搬运趋势；在廉州湾湾口至残留沉积区之间海域，端元1与端元2都存在大于50%的高值区，说明该海域的沉积物同时受到潮流和外海传来涌浪的作用，此消彼长，这可能是造成该海域个别站位的沉积物净搬运矢量出现混乱的原因；在潮间带区域的沉积物，端元3占主导，其净搬运趋势显示沉积物在南流江冲淡水的挟带进入廉州湾内；在冠头岭附近海域的潮流深槽，反映外海涌浪的端元2含量从60%迅速减弱至20%，位于潮流深槽的沉积物受到涌浪的作用很小。在该区域主要是受到潮流的作用，在潮流的作用下，沉积物沿深槽向外海方向的净输运。

5 结论

(1) 南流江河口水下三角洲的沉积物可分为九类，其中含砾沉积物为五类，不含砾沉积物为四类，平均粒径与沉积物类型的相吻合，在砂沉积区域分选性最好。粒径趋势分析结果表明沉积物总体上冠头岭附近海域汇集，并向南和东南方向向外海输运。

(2) 通过端元分析获得指示南流江河口水下三角洲物源和沉积动力环境的5个端元，平均粒径拟合优度达为0.83，平均样本空间拟合优度达到0.80。通过参数拟合的方法分离多峰端元，结合河口地区环境的物源与水动力特征，可以较好的揭示南流江河口的沉积动力环境。其中端元1指示的是以风浪和潮流为主的沉积环境动力；端元2反映的是以外海涌浪为主的沉积环境动力；端元3指示的是以南流江冲淡水作用为主的环境动力；端元4则代表着大陆架残留沉积物对大风江口径流的响应；端元5可能是由于工程建设等原因引入的干扰端元。

(3) 由于南流江河口沉积环境的复杂性，利用端元模型研究其沉积动力环境时会出现多峰端元。在揭示端元所反映的沉积动力环境时，一方面要综合考虑研究区域的物源与环境动力特征；另一方面可以结合其他研究手段，如参数拟合、粒径趋势分析等方法，发挥其各自优势，互为补充。

致谢 国家海洋局第三海洋研究所的黄财宾、黄书仁、陈海煌等参加了野外观测。王亮对论文撰写和实验数据处理提供许多建设性的建议，谨致谢忱。