2018, Vol. 48
2. 中国海洋大学 海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100
海洋沉积物粒度特征是判别沉积物来源、输运和水动力条件的重要指标，被广泛的应用于识别沉积环境类型、指示水动力条件、推断沉积物扩散搬运过程[1-6]，对物源和输运路径进行判断。
渤黄海是中国重要的陆架海区，受渤海环流和黄海暖流等多种因素的影响，其沉积物类型组成比较复杂，很多学者对其进行了有益研究[1, 7-15]。众多学者公认黄河是渤海沉积物的主要物源，其入海的沉积物及扩散方向对渤海的沉积有显著影响，且扩散方向受水动力影响较大[16-17]。黄海作为半封闭的陆架浅海，其物质来源相对多样，包括山东半岛沿岸流携带物质和辽东半岛、朝鲜半岛陆源入海物质等，部分学者研究认为北黄海沉积物有向中部汇聚的趋势，且山东半岛沿岸流携带的渤海物质是北黄海中部泥质区的主要物源[10, 18]。
目前对渤海和北黄海的研究较多，仅少数将渤黄海结合研究，不利于从整体上认识沉积物特征、物源和输运过程。从渤海至北黄海沉积物来源如何？输运路径如何？本文拟依据北黄海和渤海表层沉积物粒度特征，借助已有研究成果，进行沉积环境分区，探讨渤黄海的沉积物搬运、扩散过程，补充中国渤黄海沉积物物源和输入路径的研究，对揭示中国渤黄海的沉积物输运具有重要意义。
1 研究材料与方法 1.1 样品采集本课题来自于国家自然科学基金委2013—2014年渤、黄海海洋学综合科学考察实验研究共享航次执行计划，于2013年7月和2014年11月由中国海洋大学“东方红2号”海洋调查船采用箱式取样法取得。本文样品共120个，具体取样位置见图 1。
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图 1 研究区表层沉积物样品站位图 Fig. 1 The sampling locations of the surface sediments in research area |
沉积物粒度测试在中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室完成，利用英国Malvern公司所产的Mastersizer2000型激光粒度分布测量仪，将采得的样品称取10~20 g，加入5 mL浓度为30%的过氧化氢去除有机质等杂质，重复此步骤至样品不产生气泡。然后加入蒸馏水并用玻璃棒搅拌，静置24 h吸取并去除上清液中沉积物的盐分。测试前经过超声波震荡直至沉积物中的颗粒充分分散、分离，之后用激光粒度仪对样品的粒度进行测定。粒级使用乌登-温特沃思(Udden-Wentworth)φ粒级标准，平均粒径、分选系数、偏态等粒度参数采用矩法计算，沉积物分类和定名采用Shepard三端元分类法。
2 结果分析 2.1 表层沉积物类型与分布根据Shepard沉积物命名原则，将研究区的沉积物分为六类，分别为砂(S)、粉砂质砂(TS)、砂质粉砂(ST)、粉砂(T)、黏土质粉砂(YT)和砂-粉砂-黏土(STY)。从图 2(a)可以看出，主要为砂质粉砂和黏土质粉砂，其次为粉砂和粉砂质砂，砂-粉砂-黏土和砂分布较少。砂质粉砂和粉砂质砂主要分布在渤海中东部和北黄海偏西的区域。粉砂主要分布在山东半岛北部和辽东半岛以南的区域。黏土质粉砂主要分布在北黄海西部和黄河、滦河及鸭绿江入海口的向外海延伸区域。根据沉积物粒级组分含量分布图(见图 2(b), 2(c), 2(d))可以看出，细粒物质主要分布在黄河入海口向东北延伸至渤海中部的区域及北黄海西部，粗粒物质分布在莱州湾东部、山东半岛北部和老铁山水道附近区域。
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图 2 表层沉积物类型分布(a)及各粒级组分(砂(b)、粉砂(c)、黏土(d))含量分布图 Fig. 2 The surface sediment types of the north Yellow Sea and Bohai Sea(a) and the distribution of the grain size(sand (b), silt (c), clay(d) |
沉积物粒度参数包括平均粒径(Mz)、分选系数(δ)、偏态(SK)、峰态(Kg)，是反映沉积环境的重要依据之一，利用沉积物的粒度参数分布特征可以识别沉积环境和沉积物源[12]。
从平均粒径分布图 3a可以看出，滦河、黄河口外和北黄海西部沉积物平均粒径较大，在莱州湾、老铁山水道、辽东半岛附近和北黄海北部平均粒径较小。渤海的平均粒径为5.85 φ，北黄海的平均粒径为5.1 φ，整体上渤海平均粒径比北黄海细。黄河、滦河入海的沉积物从河口向外海沉积物粒径呈现先增大后减小的趋势，体现入海物质向渤海中部扩散的过程。北黄海东北部自鸭绿江口向海沉积物颗粒变细，体现鸭绿江入海物质向北黄海西南部扩散。
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(平均粒径(a)、分选系数(b)、偏态(c)、峰态(d)。Mean grain size(a), sorting coefficient(b), skewness(c) and kurtosis(d)) 图 3 粒度参数分布图 Fig. 3 Distributions of grain size parameter |
分选系数与沉积环境的水动力条件密切相关。从分选系数分布图 3(b)可以看出，研究区整体分选较差，北黄海分选系数平均值为1.94，渤海分选系数平均值为1.97。在莱州湾东部、老铁山水道和北黄海北部3个沉积物平均粒径较粗的区域，对应了相对较低的分选系数，反映了区域较强的水动力条件。
从偏态分布图 3(c)可以看出，渤海的偏态值介于0.02~0.72，北黄海偏态值介于0.02~0.53，全部为正偏，即细偏，平均粒径向中值粒径较细的方向移动，粗粒沉积物较多，说明正偏粗化。
研究区峰态值变化较大(见图 3(d))，渤海介于0.66~2.36，北黄海介于0.7~2.23，峰态为宽峰-窄峰。在莱州湾东部、老铁山水道和北黄海东北部峰态值较高，反映其沉积物经历过较强的改造，可能由于水动力较强导致；而其他区域峰态值较低，可能由于沉积物未经改造进入新环境且沉积环境较弱。
2.3 沉积物运移趋势分析采用Gao-Collins二维“粒度趋势分析”方法对研究区沉积物运移趋势进行分析(见图 4)。由于研究区采样间距较大，北黄海取样点较为稀疏，粒度趋势分析不足以反映全区沉积物输运趋势，本文结合沉积物特征对沉积物运输趋势做出综合判断并反映物源。
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图 4 研究区底质沉积物净输运矢量分布图 Fig. 4 Distribution of seabed transport vectors in research area |
从图 4可以看出渤海沉积物有向渤海中部汇聚和沿山东半岛向北黄海扩散的趋势。黄河入海沉积物输运路径主要以向东和东北方向为主，在莱州湾内沉积物输运呈现顺时针趋势，沿山东半岛北部沉积物明显向东和东南方向输运。北黄海西北部取样点的沉积物有向东南运输的趋势，结合程鹏的分析，体现了沉积物总体上向北黄海中部汇聚的趋势[10]。
3 讨论 3.1 沉积物分区沉积物的粒度分布特征主要受控于物源和沉积环境，研究区影响沉积物分布特征的主要因素为物源、地形和水动力条件等。渤海海峡区具有“北进南出”的环流结构，即从海峡北部进入渤海的黄海暖流和辽南沿岸流，在形成各自的环流之后，从海峡南部进入北黄海[10]。本文根据表层沉积物类型(见图 2(a))，结合研究区流系(见图 5)、海底地形地貌特征，利用SPSS软件对沉积物各粒级组分、平均粒径和分选系数等参数进行Q型聚类分析，将研究区分为五个区域(见图 6)。
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图 5 渤海和北黄海流系图[12, 20-21] Fig. 5 The oceanic circulations pattern of the northern Yellow Sea and Bohai Sea |
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图 6 表层沉积物粒度分区 Fig. 6 Division of grain size of surface sediments |
(1) 渤海湾、滦河口粉砂沉积区
该区位于黄河、滦河入海口的近海区域，发育有水下三角洲，沉积物的粒度较细，主要为黏土质粉砂，有少量砂-粉砂-黏土等分选差的沉积物类型。该区砂含量很低，平均粒径在4~6.6 φ之间，分选较差，沿渤海湾和滦河口向外有粒径变细、分选变好的趋势，其沉积物主要是黄河和滦河携带入海的细粒沉积物。
(2) 黄河口、莱州湾砂质沉积区
该区位于渤海南部的莱州湾内，主要发育有莱州湾平原，有较厚的现代沉积物[22]，该海区内存在顺时针环流，主要为黄河入海沉积物向东输运沉积形成。莱州湾东部较西部水动力强，沉积物经过强水动力的来回冲刷，粒度相对较粗，平均粒径 < 5 φ，分选程度相对较好 < 1.2；西部水动力条件较弱，粒度较细。莱州湾内东部分选好于西部。
(3) 渤海中部粉砂质沉积区
区域位于渤海的中央区域，主要发育渤海中部平原，其分布呈现条带状，沉积物的粒径相对较细，主要为黏土质粉砂和粉砂质黏土，两侧沉积物向中部依次变细、分选变好。该区主要是黄河入海的挟砂流与黄海暖流余脉携带的细粒沉积物以悬移的方式经过长期搬运沉积而成，有向中部汇聚的趋势。
(4) 北黄海西部黏土质粉砂沉积区
该区位于北黄海西部，其主要发育有水下阶地，沉积物以细颗粒为主，为粉砂和黏土质粉砂，平均粒径介于5.7~6.9 φ，分选较差。表现为山东半岛北部、老铁山水道东部、辽东半岛沉积物向该区平均粒径变细，推测由于北部的黄海环流余脉与南部的山东半岛沿岸流形成海水涡旋，内部水动力较弱，各部分细粒沉积物输运至此沉积。
(5) 北黄海北部砂质沉积区
该区域位于北黄海中北部，发育有多条平行的水下沙脊，呈北东走向，与该区域潮流方向一致[10]，主要沉积物类型为粉砂质砂，砂含量较高，平均粒径 < 3.9 φ，分选较好 < 1.5，呈现沿鸭绿江口向西南平均粒径变细、分选变好的趋势。该处沉积物来源可能主要为鸭绿江携带入海和近岸风化剥蚀的近源沉积物，在该区域强潮流、强水动力条件的作用下，沉积物类型偏粗。
3.2 沉积物源及其输运路径根据研究区沉积物粒度特征、运移趋势及沉积物分区，笔者将沉积物输运路径进行了总结。
黄河物质入海后，一部分向偏北方向扩散沉积，在渤海中部与辽东半岛侵蚀产物、滦河、黄海暖流余脉的细粒沉积物在渤海中部沉积；一部分向东部扩散经过莱州湾，在莱州湾东部水动力较强，与沿岸风化基岩碎屑被冲刷、粗粒沉积，细粒级被山东半岛沿岸流带走；山东半岛沿岸流携带的细粒物质，跨过山东半岛向北黄海和南黄海输送，在北黄海中遇到北上的黄海暖流，限制了山东半岛沿岸流携带的物质向北黄海东部和东北部扩散[23]。在北黄海西部，北部的黄海环流余脉与南部的山东半岛沿岸流形成可一个海水涡旋，内部水动力较弱[24-25]，形成了一个细粒物质沉积区。在北黄海东北部，入海的鸭绿江物质与近源沉积物由于强潮流的作用，沉积了较粗的砂质沉积区，而细粒物质向北黄海西南部扩散、沉积。
4 结论通过对渤黄海表层沉积物类型、粒度参数及分区的研究，结合区域环流结构和地形地貌分析，得出以下结论：
(1) 研究区沉积物分为砂、粉砂质砂、砂质粉砂、粉砂、黏土质粉砂和砂-粉砂-黏土六类。沉积物粒度整体平均粒径较细，粉砂为优势粒级，在莱州湾东部、辽东半岛、老铁山水道和北黄海北部沉积物较粗，其粒度分布与物源、环流、水动力密切相关。
(2) 根据沉积物类型、流系等特征，将研究区划分为渤海湾、滦河口粉砂沉积区，黄河口、莱州湾砂质沉积区，渤海中部粉砂质沉积区，北黄海西部黏土质粉砂沉积区，北黄海北部砂质沉积区五个区域判断沉积物源。
(3) 物源和水动力条件是控制沉积物粒度特征的主要因素。受控于潮流、山东半岛沿岸流、渤海环流、黄海暖流，沉积物向渤海中部汇聚；受黄海暖流和强潮流影响，北黄海西南和东北两侧沉积物特征有明显差异，西南部沉积物主要来源于黄河携带入海物质和黄海暖流携带的细粒物质，东北部沉积物可能来源于鸭绿江的近源沉积物。
| [1] |
乔淑卿, 石学法, 王国庆, 等. 渤海底质沉积物粒度特征及输运趋势探讨[J]. 海洋学报, 2010, 32(4): 139-147. QIAO Shu-qing, SHI Xue-fa, WANG Guo-qing, et al. Discussion on grain-size characteristics of seafloor sediments and transport pattern in the Bohai Sea[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2010, 32(4): 139-147. (  0) |
| [2] |
Wang L, Sarnthein M, Erlenkeuser H, et al. East Asian monsoon climate during the Late Pleistocene: high-resolution sediment records from the South China Sea[J]. Marine Geology, 1999, 156(1): 243-282.
( 0) |
| [3] |
Xiao Shangbin, Li Anchun, Liu J Paul, et al. Coherence between solar activity and the East Asian winter monsoon variability in the past 8000 years from Yangtze River-derived mud in the East China Sea[J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2006, 237(2-4): 293-304. DOI:10.1016/j.palaeo.2005.12.003
( 0) |
| [4] |
宋红瑛, 刘金庆, 印萍, 等. 日照近海表层沉积物粒度特征与沉积环境[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2016, 46(3): 96-104. SONG Hong-Ying, LIU Jin-Qing, YIN Ping, et al. Grain size characteristics of the surface sediment and sedimentary environment in Rizhao Offshore[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(3): 96-104. ( 0) |
| [5] |
孙千里, 周杰, 肖举乐. 岱海沉积物粒度特征及其古环境意义[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2001, 21(1): 93-95. Sun Qianli, Zhou jie, Xiao Jule. Grain-size characteristics of Lake Daihai sediments and its paleaoenvironment significance[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2001, 21(1): 93-95. ( 0) |
| [6] |
高抒. 沉积物粒径趋势分析:原理与应用条件[J]. 沉积学报, 2009(5): 826-836. Gao Shu. Grain size trend analysis: principle and applicability[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2009(5): 826-836. ( 0) |
| [7] |
董太禄. 渤海现代沉积作用与模式的研究[J]. 海洋地质与第四纪地质, 1996, 16(4): 43-53. Dong Tailu. Modern sedimentation models in the Bohai Sea[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 1996, 16(4): 43-53. ( 0) |
| [8] |
王伟伟, 付元宾, 李树同, 等. 渤海中部表层沉积物分布特征与粒度分区[J]. 沉积学报, 2013, 31(3): 478-485. Wang Weiwei, Fu Yuanbin, Li Shutong, et al. Distribution on surface sediment and sedimentary divisions in the middle part of Bohai Sea[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2013, 31(3): 478-485. ( 0) |
| [9] |
中国科学院海洋研究所海洋地质研究室. 渤海地质[M]. 北京: 科学出版社, 1985, 13-49. Department of Marine Geology, Institute of Oceanology, Academia Sinica. Geology of the Bohai Sea[M]. Beijing: Science Express, 1985, 13-49. ( 0) |
| [10] |
程鹏, 高抒. 北黄海西部海底沉积物的粒度特征和净输运趋势[J]. 海洋与湖沼, 2000, 31(6): 604-615. Cheng Peng, Gao Shu. Characteristic of grain size and transport trend of sediment in the west of the northern Yellow Sea[J]. Oceanologia Et Limnologia Sinica, 2000, 31(6): 604-615. DOI:10.11693/hyhz200006004004 ( 0) |
| [11] |
王海龙, 李国胜. 黄河入海泥沙在渤海中悬移输送季节变化的数值研究[J]. 海洋与湖沼, 2009(2): 129-137. Wang Hai-Long, Li Guo-Sheng. Numerical simulation on seasonal transportation of suspended sediment from Huanghe(Yellow) River to Bohai Sea[J]. Oceanologia Et Limnologia Sinica, 2009(2): 129-137. DOI:10.11693/hyhz200902004004 ( 0) |
| [12] |
王伟, 李安春, 徐方建, 等. 北黄海表层沉积物粒度特征及其沉积环境分析[J]. 海洋与湖沼, 2009, 40(5): 525-531. Wang Wei, Li An-Chun, Xu Fang-Jian, et al. Distribution of surface sediments and sedimentary environment in the north Yellow sea[J]. Oceanologia Et Limnologia Sinica, 2009, 40(5): 525-531. DOI:10.11693/hyhz200905001001 ( 0) |
| [13] |
林承坤. 黄海黏土沉积物的来源与分布[J]. 地理研究, 1992, 119(2): 41-51. Lin Chengkun. A study on the source and the distribution of clay at the Yellow Sea[J]. Geographical Research, 1992, 119(2): 41-51. ( 0) |
| [14] |
李艳. 北黄海末次冰消期以来沉积特征及物源环境指示[D]. 青岛: 中国科学院海洋研究所, 2011. Li Yan. Sedimentary Characteristics and Implication to Provenance and Sedimentary Environment Since the Last Deglaciation in the North Yellow Sea[D]. Qingdao: Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, 2011. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=degree&id=Y2035723 ( 0) |
| [15] |
塔金璐. 渤黄海黏土粒级沉积物地球化学记录对物源和沉积环境的释读[D]. 青岛: 中国海洋大学, 2014. Ta Jinlu. Geochemical Records of Clay-Grain Size Sediments and Their Implications for the Provenance and Sedimentary Environments in Bohai Sea and Yellow Sea[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2014. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10423-1014328785.htm ( 0) |
| [16] |
尹延鸿, 周青伟. 渤海东部地区沉积物类型特征及其分布规律[J]. 海洋地质与第四纪地质, 1994(2): 47-54. Yin Yanhong, Zhou Qingwei. Characteristics and distribution of sediment types in eastern Bohai Sea[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 1994(2): 47-54. ( 0) |
| [17] |
袁萍. 渤海表层沉积物的空间分布及其与物源和沉积动力环境的关系[D]. 青岛: 中国海洋大学, 2015. Yuan Ping. Distribution of Surface Sediment in the Bohai Sea and Its Relationship with Sediment Supply and Sedimentary Dynamic Environment[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2015. https://www.cnki.com.cn/lunwen-1015714733.html ( 0) |
| [18] |
程鹏. 北黄海细颗粒物质的沉积特征与输运过程[D]. 青岛: 中国科学院海洋研究所, 2000. Cheng Peng. Sediment Characteristics and Transport Processes of Fine-Grained Material over the Northern Yellow Sea[D]. Qingdao: Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, 2000. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-80068-2000000924.htm ( 0) |
| [19] |
王中波, 杨守业, 张志珣, 等. 东海陆架北部沉积物粒度特征及其沉积环境[J]. 海洋与湖沼, 2012, 43(6): 1039-1049. Wang Zhong-bo, Yang Shou-Ye, Zhang Zhi-Xun, et al. The grain size composition of the surface sediments in the east China Sea: indication for sedimentary environments[J]. Oceanologia Et Limnologia Sinica, 2012, 43(6): 1039-1049. DOI:10.11693/hyhz201206003003 ( 0) |
| [20] |
Yang S Y, Jung H S, Lim D I, et al. A review on the provenance discrimination of sediments in the Yellow Sea[J]. Earth-Science Reviews, 2003, 63: 93-120. DOI:10.1016/S0012-8252(03)00033-3
( 0) |
| [21] |
蓝先洪, 蜜蓓蓓, 李日辉, 等. 渤海东部和黄海北部沉积物中重金属分布特征[J]. 中国环境科学, 2014, 34(10): 2660-2668. Lan Xianhong, Mi Beibei, Li Rihui, et al. Distribution of heavy metals in surface sediments in the eastern Bohai Sea and the northern Yellow Sea[J]. China Environmental Science, 2014, 34(10): 2660-2668. ( 0) |
| [22] |
徐晓达, 曹志敏, 张志珣, 等. 渤海地貌类型及分布特征[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2014(6): 171-179. Xu Xiaoda, Cao Zhimin, Zhang Zhixun, et al. The types and distribution pattern of geomorphology in the Bohai Sea[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2014(6): 171-179. ( 0) |
| [23] |
李乃胜, 赵松龄, 鲍·瓦西里耶夫, 等. 西北太平洋边缘海地质[M]. 哈尔滨: 黑龙江教育出版社, 2000, 22. Li Naisheng, Zhao Songling, Boris Wasiliev, et al. Geology of Marginal Seas in the Northwest Pacific[M]. Harbin: Heilongjiang Education Press, 2000, 22. ( 0) |
| [24] |
杨旭辉, 冯秀丽, 褚忠信, 等. 中国东部陆架表层沉积物粒度特征及其沉积环境浅析[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2012, 42(7-8): 126-134. Yang Xu-Hui, Feng Xiu-Li, Chu Zhong-Xin, et al. Surface sediment distribution and sedimentary environment on the East China Continental Shelf[J]. Periodical of Ocean University of China, 2012, 42(7-8): 126-134. ( 0) |
| [25] |
Hu D X. Upwelling and sedimentation dynamics Ⅰ: The role of upwelling in sedimentation in the Yellow Sea and East China Sea[J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnolog, 1984, 2(1): 12-19. DOI:10.1007/BF02888388
( 0) |
2. Ocean University of China Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, MOE, Qingdao 266100, China