大笔架山是辽东湾西北部一座孤立的海岛, 在大陆与大笔架山岛之间发育了一条由砾石组成的连接海岛与陆地的天然通道—“天桥”, 这一独特的地质景观吸引了大量游客, 带动了周边区域经济发展。然而, 由于锦州港的建设, 连岛坝被削低1 m有余, 连贯坝体被切割为四段, 严重影响旅游环境和经济发展^[1]。研究连岛坝周边海域的沉积环境及物质来源对于连岛坝修复有极为重要的作用。部分学者从水动力学的角度, 分析了大笔架山连岛坝的形成与演化^[2-4], 但是目前没有人从沉积物类型分布、矿物组成特征等方面, 详细分析大笔架山连岛坝周边的沉积环境与物质来源。

沉积物粒度及其分布是沉积物的基本性质, 粒度分析是揭示沉积动力的主要手段之一。沉积物粒度参数包含了丰富的关于沉积动力条件和沉积物运移方面的重要信息^[5-8]。对沉积物粒度的组成特征进行研究, 可有效用于沉积物运移方式的判定, 以及沉积环境类型的识别。自1980年代开始, 相关研究人员运用沉积物粒度对黄海、渤海、东海的环境演变、沉积过程以及物质来源进行了大量的研究工作, 取得了丰富的成果^[9-21]。

本文通过2011年6—8月大笔架山及其附近海域底质取样的沉积物粒度和矿物数据, 结合周边海域水动力环境, 对大笔架山连岛坝表层沉积物分布特征及物质来源进行了系统的研究, 为大笔架山连岛坝修复工作提供了理论依据, 并为其他地区连岛坝这一地质景观的保护工作起到借鉴作用。

1 区域海洋环境

连岛坝海域波浪作用的常浪和强浪向为SSW、SE向。锦州港建港前偏东向的波浪绕过大笔架山后波向变为SE向与越过连岛坝的波浪汇合。S、SSW向波浪绕过大笔架山后, 连岛坝两侧的波浪强度相差不大。结合大笔架山附近海域1980—1982短期测波资料的分析可知:E~SSW的波浪频率可以占到所有方向波浪作用的73%。

2 资料与方法 2.1 资料来源

在研究区范围之内, 按300 m间距布设77个调查站位, 并在北侧主要影响区域泥沙来源的大凌河和小凌河各布设6个河道调查站位, 开展了89个站位粒度分析、24个站位碎屑矿物分析, 表层样站位分布见图 1。

2.2 分析方法

选取每个站位表层0~5 cm的沉积物样品, 对于样品中有粒径大于2 mm组分的沉积物, 采用综合法(筛析法+沉析法)进行粒度分析, 筛析法用于粒径大于0.063 mm的沉积物, 沉析法用于粒径小于0.063 mm的沉积物。为方便资料的同化、处理、分析和作图, 对粒径小于2 mm的沉积物进行粒度分析时采用Mastersizer2000激光粒度分析仪。实验程序参照《海洋调查规范海洋地质地球物理调查》^[22], 获得1Φ间隔的粒度数据, 运用McManuS矩法^[23-24]计算平均粒径X、分选系数δ、偏态SK, 计算公式如下:

$ X = \sum ({f_i}{m_i})/ \sum {f_i}。$

(1)

$ \delta = {[\sum {f_i}{({m_i}-X)^2}/\sum {f_i}]^{1/2}}。$

(2)

$ SK = \sum {f_i}{({m_i}-X)^3}/\sum {f_i}{\delta ^3} $

(3)

式中:m_i为粒径(用Φ表示); f_i为m_i粒级所占的百分含量, 沉积物分类采用温特沃思分类规则, 即等比制粒级中的Φ标准。沉积物类型划分标准, 按粒组含量多少作为基本标准, 同时参考优势粒度频率曲线的分布进行分类命名^[25-27]。

为了研究大笔架山连岛坝沉积物的物质来源, 本文选取了研究区海域12个站位以及大、小凌河河道内各6个站位的沉积物样品进行矿物分析(见图 1)。同时在笔架山连岛坝、大笔架山岛和连岛坝后缘陆域布设了14个岩石样本采集站位(见图 2), 并进行了岩矿分析。

2.3 研究区的矿物组成及组合特征 2.3.1 轻矿物含量

研究区轻矿物含量整体较高, 平均含量为97.51%, 含量变化介于95.74%~98.99%之间, 所有的站位轻矿物含量均大于95%, 其中高值区主要位于研究区东北部海域, 含量普遍大于98%, 而锦州港与连岛坝间的海域含量相对较低(见图 3)。研究区表层沉积物轻矿物中以石英、长石为主, 两者含量均大于30%且远大于其他矿物, 其中石英含量最大可达57.7%, 长石最大含量为48%(见表 1)。

2.3.2 重矿物含量

研究区表层沉积物中重矿物种类繁多, 共鉴定出普通角闪石、绿帘石等29种重矿物, 其中, 普通角闪石和绿帘石含量均在15%以上, 是本区域的主要重矿物, 褐铁矿含量在5%以上, 钛铁矿、磁铁矿、赤铁矿含量在1%, 其它重矿物含量多不足1%, 还有部分重矿物如白云石、铬铁矿、褐帘石等仅出现在个别调查站位且含量很低(见表 2)。本区表层沉积物重矿物含量总体较低, 介于1.1%~4.3%之间, 平均2.5%, 多数站位含量低于3.0%(见图 4)。

2.3.3 研究区的矿物组合特征

锦州港与连岛坝之间海域的表层沉积物中的轻矿物基本以石英-长石组合为主, 且石英含量大于长石含量, 同时云母含量较少, 生物碎屑含量较高, 这说明该区域沉积物受风化、搬运、沉积改造强烈, 成分成熟度较高; 研究区域的东北部海域的表层沉积物中轻矿物同样为石英-长石组合, 但生物碎屑、云母含量较少、岩屑增多, 说明沉积物多为近源物质, 受搬运改造较弱, 成分成熟度较差。

研究区表层沉积物中的重矿物基本以绿帘石-普通角闪石-褐铁矿组合, 属近源矿物组合, 同时, 含较多的磁铁矿、榍石、阳起石, 自生黄铁矿含量较少, 表明研究区内沉积动力较强, 氧化程度较高, 物质来源稳定。此外, 表层沉积物中造岩矿物普通角闪石、绿帘石含量较多, 因此可以判断是由大笔架山岛及海岸基岩提供的。

2.4 周边河流入海物质矿物组合特征

小凌河入海物质中的轻矿物的含量介于78.9%~99.5%之间, 平均值96.2%, 绝大部分站位的值都大于95%。轻矿物以石英-长石组合为主, 二者总含量介于81.3%~94.3%, 其余矿物含量均小于10%, 而方解石仅在一个站位中出现。小凌河入海物质中的重矿物的含量介于0.5%~21.1%之间, 含量相对较小, 平均值3.8%。重矿物组合为普通角闪石-褐铁矿-绿帘石, 含较多的阳起石、普通辉石及磁铁矿。这种矿物组合也表明其来源复杂, 其中变质岩来源和表生带形成的矿物来源占据较明显的贡献。

另外, 季光天等^[28]指出锦州湾东北侧为五里河-小凌河矿物混合区, 该区的矿物组合为磁铁矿-角闪石-绿帘石, 三者总含量为90.4%, 含较多的榍石、钛铁矿和锆石。五里河矿物区的矿物组合为磁铁矿-角闪石-绿帘石, 三者的含量为89.9%, 含较多的钛铁矿、榍石和锆石。

2.5 岩矿分析

连岛坝上采集的5个站位的12个岩石标本中, 变质石英砂岩有6块主要分布在连岛坝的中部和中南部, 岩石多为齿状变晶结构和变余砂状结构, 主要由长石(3%~10%)、石英(40%~90%)、岩屑(5%~15%)和填隙物(3%~15%), 岩屑多为次棱角状、次圆状, 粒径0.27~1.0 mm, 长石为次棱角状, 成分为斜长石, 表面风化较强, 强绢云母化。石英为他形粒状, 三边形或多边形齿状镶嵌, 粒径多在0.15~0.7 mm, 填隙物白云母小片、绢云母鳞片或少量黏土矿物集合体充填, 含电气石、锆石等副矿物(见图 5)。

大笔架山岛上采集的7个站位的11个岩石标本中, 7个为变质石英砂岩(见图 6), 主要位于大笔架山的东南部, 岩石多为齿状变晶结构和变余砂状结构, 主要由长石(2%~10%)、石英(60%~95%)、岩屑(5%~10%)和填隙物(2%~10%), 岩屑多为次棱角状、次圆状, 粒径0.27~1.4 mm, 长石为次圆状, 成分为斜长石, 表面模糊风化较强。石英为他形粒状, 粒径多在0.5~0.7 mm, 填隙物多为在石英间彼此镶嵌, 局部见绢云母。这些岩石标本的矿物含量和岩石结构可以初步说明连岛坝上的砾石矿物成分和大笔架山岛东南侧上的岩石矿物成分基本一致。

后缘陆域采集2个站位3个岩石标本主要位于和连岛坝相接的海蚀崖附近(见图 8), 3个岩石标本为变质粗粒长石砂岩、安山岩和变质含砾砂岩(见图 7)。其变质砂岩的石英和长石的含量比基本为1:1, 长石的含量高于40%, 与坝体上的岩石标本差异较大, 是同一物源的可能性较小。

3 讨论 3.1 研究区地形及海流分布特征

沉积物颗粒大小受流水营力的控制, 而物源特征、海底地形特征和沉积水动力环境则直接控制沉积物的粒度分布, 因此, 为探讨笔架山周边海域底质物源, 首先要了解海域地形特征及水动力环境。从图 9可以看出, 测区内海底高程在-3.8~1 m之间, “天桥”处地势明显高于两次海域, “天桥”与锦州港挡浪墙之间构成一个近封闭海域, 低潮时仅通过南侧口门与外海相连, 水动力较弱, 因此, 西侧海域处于一个逐渐淤积的状态, 且以细粒沉积物为主。与风成沙丘类似(迎风面缓背风面陡), 冲刷纹理同样存在迎流面缓背流面陡这个特征, 实测数据表明, “天桥”西坡陡东坡缓, 这是因为受锦州港挡浪墙阻挡, 缺乏西侧来浪, 东侧来浪变为单一浪向, “天桥”类似于一个巨大的海底纹理构造, 在单一流向海流作用下, 造成“天桥”不断被冲刷, 形成西坡陡东坡缓的构造单元。2011年6月, 国家海洋环境监测中心在大笔架山东北方向进行了四个点位的海流定点观测。实测数据表明, 四个潮流站的涨、落潮流向都大致呈NE—SW向, 这也印证了上面所述, NE为单一浪向, 使得“天桥”处于不断被侵蚀状态。

3.2 表层沉积物分布特征

研究区海域表层沉积物类型主要有砾石(G)、粉砂-砂-砾石(T-S-G)、砾石质砂(GS)、粉砂-砾石-砂(T-G-S)、砂(S)、粉砂质砂(TS)、砂质粉砂(ST)、粉砂(T)和黏土质粉沙(YT)共9种, 砾石基本呈NW-SE条带状分布, 与连岛坝走向平行, 砾石带中零星分布有GS、ST、TS、GS、T-G-S及S等沉积物。由砾石带向东北和西南两侧, 沉积物大致呈对称分布, 粒径由粗变细, 东北侧依次为TS、ST和T, 西南侧为TS、T和YT。区域粒径最细的沉积物出现在笔架山岛西侧的近封闭海域(见图 10, 11)。

砾石组分含量与表层沉积物类型的分布大致相同, 以121°5′E为轴线向东西两侧对称降低, 轴线附近砾石含量在80%以上, 向两侧逐渐降低, 连岛坝附近砾石含量大于60%, 西侧锦州港突堤与连岛坝间的狭长海域砾石含量最低小于20%;砂组分含量则以121°5′E为轴线向东西两侧逐渐增加, 相对高值区出现在锦州港与连岛坝的间的海域, 含量大于40%, 在大笔架山岛东南侧出现闭合高值区, 含量大于60%;粉砂组分含量的分布规律与砂组分含量分布大致相同, 即以121°5′E为轴线向东西两侧呈对称状逐渐增加, 轴线附近基本没有粉砂出现, 在锦州港与大笔架山间和研究区域东侧的海域含量大于60%;黏土的含量与粉砂的含量分布规律基本一致, 但在大笔架山附近大部分海域低于10%(见图 10)。

为了分析研究区表层沉积物的沉积动力环境特征, 本文采用Flemming三角图示法^[30], 从沉积物组成及其反映的水动力强弱来区分沉积物的沉积环境和亚沉积环境。为了指示不同的沉积动力环境, Flemming三角图示法将三角图划分为代表不同沉积结构的25个区块, 从A到D, 从Ⅰ到Ⅵ, 表征的沉积动力环境越来越弱。

根据Flemming三角图示法的沉积物粒度分类方法, 本文将各站位沉积物样品中黏土、粉砂和砂的百分含量落在Flemming三角图中, 从图 13可以看出, 各站位粒度参数主要落在B、CⅡ、DⅡ三个区域, 其中B、CⅡ对应较强的沉积动力环境, 这两个区域中的站位主要分布在砾石组分和砂组分含量高值区, 而DⅡ对应较弱的沉积动力环境, 该区域中的站位则主要落在粉砂组分含量高值区, 这也进一步说明沉积物粒径是对沉积动力环境的良好响应。

3.3 表层沉积物粒度参数分布特征 3.3.1 平均粒径

平均粒径是反映沉积动力环境的最直接指标, 高能环境下沉积物粒径较粗, 低能环境下沉积物粒径较细。研究区内平均粒径变化范围为-1~6.28 Ф, 平均值为1.96 Ф, 平均粒径的变化趋势与砾石粒级含量的变化趋势基本一致, 以121°5′E为轴线, 自轴线向西部锦州港与连岛坝间的海域呈现逐渐变细的趋势, 自轴线向东部海域呈现逐渐变细的趋势。中轴处沉积物搬运方式以推移为主, 向两侧逐渐过渡为跃移和悬移。中部轴线靠近大笔架山东侧沉积物最粗平均粒径达-1 Ф, 锦州港与连岛坝间的海域沉积物平均粒径最细达6.28 Ф。

3.3.2 分选系数

分选系数用来指示沉积物粒度的分选程度, 与平均粒径之间具有协变性, 随着平均粒径的增加分选系数增加(分选逐渐变差)^[31], 水动力条件和物源供给是控制沉积物分选程度的两个重要因素, 沉积物在较强水动力分选作用下, 分选程度趋向变好, 反之亦然, 多物源供给则会使沉积物分选变差。研究区内分选系数变化范围为0.66~3.63, 平均值为2.19, 分选性大致为中等至较差。分选系数最小的区域分布在笔架山岛西南侧, 该海域水动力较强, 细粒物质不断悬浮被带走, 促使沉积物粗化, 分选变好。分选系数最大的区域分布在研究区域东部海域, 该区位于小凌河口附近, 水动力条件较为复杂且物源较多, 因此沉积物分选差。

3.3.3 偏度

从图 9可以看出, 研究区内偏度大致呈对称分布, 即自121°5′向两侧逐渐增大, 偏度变化范围为-0.38~0.58, 平均值为0.11, 大部分站位偏度值介于±0.3之间, 以正偏态为主, 说明研究区总体上以粗粒沉积物为主, 包含细粒沉积物尾部, 进一步表明在粗粒沉积基础之上有悬浮的细粒沉积物加入。正偏幅度最大的站位出现在锦州港与连岛坝间的海域。

3.3.4 峰度

研究区内峰度值变化于0.7~2.0之间, 平均值为0.95, 大部分站位其值小于1.0, 粒度频率曲线为单峰, 接近常态, 说明研究区海域水动力和物源相对比较单一, 沉积环境比较稳定。锦州港与连岛坝间的海域和研究区域东部海域偏度值在整个区域内较大, 指示粒度频率曲线峰态更窄, 说明其物源相对比较复杂。

3.3.5 平均粒径与各组分粒级间的相关关系

平均粒径与砂粒级组分间有较明显的负相关性(见图 14a), 随着砂粒级组分含量的减小, 平均粒径值相应变小, 沉积物变粗; 而平均粒径与粉砂粒级组分则呈较强的正相关性(见图 14b), 随着粉砂粒级组分含量增加, 平均粒径值相应的变大, 沉积物变细; 相比于与粉砂组分相关性, 平均粒径与黏土粒级组分之间的相关性较差, 但是也呈较强的正相关性(见图 14c), 随着黏土粒级组分含量增加, 平均粒径值相应的变大, 沉积物变细。

3.4 沉积物运移趋势分析

采用Gao-Collins方法对研究区内底质沉积物运移趋势进行分析, 从图 12可以看出, 在研究区东部海域形成一个沉积物汇集区, 说明该区域为多物源沉积区, 也与该海域沉积物分选差相一致。研究区及附件海域潮流数据表明, 该海域内涨、落潮流向大致呈NE—SW向, 是悬移物质搬运的主要地质营力。从物源供给来看, 北部海域大、小凌河输入物质在海流作用下直接为该海域提供了物质来源, 南部海域再悬浮物质也有向北输运趋势, 西部锦州港的挡浪墙使得波浪在此发生折射、反射, 促使沉积物发生物理沉积分异作用, 由于“天桥”处地势高, 波浪冲刷淘洗作用强烈, 促使“天桥”上部细粒物质不断向西输运再沉积, 这也与“天桥”东坡缓西坡陡的地貌特征相吻合, 进一步说明“天桥”正在不断遭受侵蚀。

3.5 沉积物物源分析

根据对研究区表层沉积物的分布特征, 粒度参数分析等对该区域水动力环境有了清晰的认识。结合该海域水动力环境特征大致可以看出大笔架山海域表层沉积物可能来自于东南部。

通过对研究区表层沉积物矿物组合和各河流的入海沉积物中矿物组合对比可知:研究区重矿物组成与小凌河的矿物组成比较接近, 说明小凌河输沙是研究区表层沉积物物源之一。然而, 研究区沉积物中绿帘石含量明显高于小凌河, 且石英含量较高, 而小凌河下游入海物质中长石含量高于石英, 这说明海岛或海岸基岩侵蚀风化的产物也是研究区表层沉积物来源之一。

同时, 通过对比连岛坝坝体与大笔架山岛上的岩石标本的矿物含量、岩石结构可知, 连岛坝坝体上砾石的矿物成分与大笔架山岛东南侧上的岩石矿物成分基本一致, 说明大笔架山岛周缘基岩侵蚀风化的产物也是研究区表层沉积物, 尤其是连岛坝处的物质来源之一。

4 结论

(1) 研究区表层沉积物中矿物种类众多, 共发现34种矿物, 其中重矿物29种, 以普通角闪石、阳起石、褐铁矿、磁铁矿、绿帘石为主, 重矿物组合为绿帘石-普通角闪石-褐铁矿, 轻矿物5种, 组合为长石-石英。

(2) 研究区表层沉积物类型主要有砾石、粉砂-砂-砾石、砾石质砂、粉砂-砾石-砂、砂、粉砂质砂、砂质粉砂、粉砂和黏土质粉砂共9种, 连岛坝周边表层沉积物类型主要为砾石、粉砂-砂-砾石、砾石质砂, 沉积物大致呈对称分布, 即沉积物粒径由笔架山连岛坝向两侧逐渐变细。

(3) 研究区表层沉积物粒度参数分布特征与沉积物类型分布基本一致, 且平均粒径与砂组分呈负相关性, 与粉砂、黏土组分均呈正相关性。

(4) 在单一流向的海流冲刷作用下, “天桥”不断被冲刷侵蚀, 形成东坡缓西坡陡的地貌构造特征, 同时在“天桥”东西两侧各形成一个细粒沉积物汇集区。

(5) 岩矿和沉积物粒度分析表明:研究区表层沉积物主要物质来源为大、小凌河输入物质、再悬浮物质以及笔架山基岩风化侵蚀产物。