江蘇大豐中潮灘大小潮周期沉積特征研究

柏春廣, 龔小輝, 王 建

(1. 東南大學(xué) 交通學(xué)院, 江蘇 南京 210096; 2. 江蘇第二師范學(xué)院 城市與資源環(huán)境學(xué)院, 江蘇 南京210013;3. 南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 210097)

淤泥質(zhì)潮灘中的沉積韻律層記錄了潮汐周期的變化, 由潮汐周期可以推算出沉積時(shí)間和沉積速率,并且由古潮汐韻律的研究還可推算出古地球、月球軌道參數(shù), 因此研究者們一直對(duì)該領(lǐng)域的研究非常重視。利用古代潮汐沉積韻律對(duì)古環(huán)境進(jìn)行解釋的可靠性在很大程度上需以現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)的現(xiàn)代潮灘沉積的實(shí)地觀測(cè)為基礎(chǔ), 已有研究中不同區(qū)域的觀測(cè)資料很好地揭示了從漲落潮周期[1]、大小潮周期[2-5]到年周期[6-8]和長(zhǎng)周期[9]的“潮灘循環(huán)”, 以及風(fēng)浪在開(kāi)敞潮灘短期演變中的作用[10], 從而為潮汐韻律層成因機(jī)制的解釋及區(qū)域差異的分析奠定了良好的基礎(chǔ)。然而關(guān)于潮灘不同微地貌的沉積差異的研究仍顯得非常不夠, 為突出微觀尺度上潮灘沉積差異,使潮汐韻律層作為高分辨率測(cè)年工具的可適用性得到清晰的展示, 本項(xiàng)研究以江蘇大豐淤泥質(zhì)潮灘中的中潮灘的現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)半個(gè)月的沉積觀測(cè)資料為依據(jù),探討中潮灘不同部位的潮灘沉積隨時(shí)間的變化及其空間差異。

1 研究區(qū)概況

江蘇大豐海岸為半開(kāi)敞型邊緣海海岸, 因受北部的廢黃河口和南部長(zhǎng)江口的影響, 泥沙來(lái)源豐富,淤進(jìn)型潮灘。灘面寬闊平坦, 平均寬度為 8～10 km,由于多次圍墾, 有的地方已不足5 km, 平均坡度0.5‰。潮汐類型為不規(guī)則半日潮, 平均潮差3.68 m, 屬于中等潮差海岸, 潮流類型為旋轉(zhuǎn)流。全年平均風(fēng)速, 近海為 4～5 m/s, 海上為 5～7 m/s, 風(fēng)向以 NNE、NEE為主。盛行偏北向浪, 波高小于l m的波浪的出現(xiàn)頻率為85%[11]。

該區(qū)在地貌格局上屬于華東凹陷, 為江蘇輻射沙洲內(nèi)緣區(qū)典型的粉砂淤泥質(zhì)海岸, 由海向岸沉積物顆粒逐漸變細(xì)。較大的潮差和較高的泥沙含量, 使得這里的沉積速率較快, 是研究現(xiàn)代潮汐沉積比較理想的區(qū)域。

實(shí)地觀測(cè)地點(diǎn)位于大豐市川東港閘以北 10 km的粉砂淤泥質(zhì)光灘上, 樣品采集點(diǎn)為圖 1中的C(33°07′02″N, 120°50′42″E)、D(33°07′26″N,120°51′11″E)、E(33°07′48″N,120°51′34″E)三點(diǎn), 它們均介于小潮高潮位和小潮低潮位之間, 即屬于中潮灘, 并且分別位于中潮灘的上、中、下部。C點(diǎn)位于大米草灘與光灘交界處, D點(diǎn)位于泥砂混合灘, E點(diǎn)位于粉砂細(xì)砂灘。C, D兩點(diǎn)相距約1 000 m, D, E兩點(diǎn)相距約900 m。圖中的A, B兩觀測(cè)點(diǎn)是為更長(zhǎng)時(shí)間尺度潮灘沉積的觀測(cè)而設(shè)置。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點(diǎn)分布Fig.1 Study area and sampling sites

2 研究方法

2.1 野外觀測(cè)

為了弄清研究區(qū)中潮灘的大小潮周期沉積特征,課題組成員于2007年7月28日至8月14日間, 對(duì)C, D, E三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了半個(gè)月的連續(xù)觀測(cè)及系統(tǒng)采樣,期間潮汐經(jīng)歷了從大潮到小潮, 再到大潮的過(guò)程。具體采樣方法為: 在每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置自制的沉降板(50 cm×40 cm)三塊, 使沉降板的表面與灘面保持在同一水平面(圖 2)。漲潮時(shí), 潮水?dāng)y帶的泥沙在高平潮時(shí)逐步沉降下來(lái), 低平潮時(shí), 到灘面上采集沉降板上的泥砂沉積樣, 裝入采樣袋并密封, 按日期和采樣點(diǎn)編號(hào), 以供室內(nèi)分析, 觀測(cè)了 30個(gè)漲落潮周期的沉積, 共采集潮水沉積樣90個(gè)。由于灘面沉積物含水量較大, 尤其是位于上部的 C點(diǎn), 因此灘面柱狀樣的采集往往非常困難。

圖2 沉降板和沉降板上的沉積物照片F(xiàn)ig. 2 Photographs of sedimentation board and the sediments on the board

2.2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析

將野外采集到的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室, 進(jìn)行粒度、沉積通量及磁化率等指標(biāo)的測(cè)定, 樣品的測(cè)試工作是在南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室完成的。

在粒度測(cè)定之前, 對(duì)沉積樣品進(jìn)行了預(yù)處理,具體步驟為: 利用H2O2去除沉積物樣品中的有機(jī)質(zhì);用 HCl去除碳酸鹽、鈣膠結(jié)物; 用清水中和并清洗鈣、氯離子; 用六偏磷酸鈉(NaPO3)6溶液作為分散劑,用超聲波對(duì)樣品進(jìn)行分散。樣品預(yù)處理完畢后, 利用Mastersizer 2000激光粒度儀進(jìn)行測(cè)試, 粒度參數(shù)采用?？撕臀值略?957年提出的公式進(jìn)行計(jì)算的。

樣品沉積通量的測(cè)定, 是通過(guò)室內(nèi)對(duì)樣品烘干稱重, 用所得值減去包裝袋的重量, 獲得每次潮水沉積物的凈沉積量。再將沉積量除以沉積面積, 得出沉積通量。用公式表示為:Q=M/S, 其中M代表沉積物質(zhì)量, 單位為g;S代表沉積面積, 單位為cm2;Q代表沉積通量, 單位為g/cm2。

對(duì)取自C點(diǎn)、D點(diǎn)、E點(diǎn)的共計(jì)90個(gè)沉積物樣品在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了磁化率的測(cè)試。具體方法是: 將樣品在低于 40℃的烘箱內(nèi)烘干, 在瑪瑙研缽中碾碎干樣, 以不損壞自然顆粒為度, 用 10 cm3無(wú)磁性圓柱形聚乙烯樣品測(cè)量盒裝滿碾碎后的樣品, 壓實(shí)、固定并稱重。用英國(guó)產(chǎn)Bartington MS2型磁化率儀對(duì)樣品進(jìn)行低頻(0.47 kHz)磁化率的測(cè)試。為保證樣品的測(cè)量精度, 每個(gè)樣品從不同角度至少重復(fù)測(cè)量四次,取其平均值。為避免人為因素的影響, 對(duì)異常高值重復(fù)測(cè)量多次, 誤差不超過(guò)3%, 以保證測(cè)量的精度。

3 結(jié)果和討論

3.1 沉積物粒度的變化

在本項(xiàng)研究的潮灘沉積觀測(cè)時(shí)期, 潮汐經(jīng)歷了從大潮到小潮、再到大潮的半個(gè)月的變化,這在潮位的變化中可以得到很好的體現(xiàn)。其中, 8月8日下午的沉積為臺(tái)風(fēng)“帕布”形成的風(fēng)暴潮沉積, 在“帕布”的影響下, C點(diǎn)沉積物的顆粒較風(fēng)暴潮前要明顯粗很多, E點(diǎn)沉積物顆粒則較風(fēng)暴潮前要細(xì), D點(diǎn)變化不明顯, 關(guān)于其詳細(xì)變化特征與成因?qū)⒃诹硗獾恼撐闹凶魈接? 在此不進(jìn)行詳細(xì)描述。在進(jìn)行沉積物大小潮周期的粒度變化與潮位及波浪關(guān)系分析時(shí)未將風(fēng)暴潮沉積計(jì)入其中。文中所用的潮位資料來(lái)源于大豐港, 風(fēng)速和浪高等氣象資料為鹽城氣象網(wǎng)的對(duì)近海海面天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。

粒度測(cè)試結(jié)果顯示, 觀測(cè)期間C, D, E點(diǎn)的沉積物平均粒徑變化范圍分別為: 4.94Φ～7.29Φ,4.48Φ～5.48Φ, 4.24Φ～5.55Φ。C, D, E 點(diǎn)的中值粒徑變化范圍分別為: 4.67Φ～7.17Φ, 4.30Φ～4.99Φ, 4.05Φ～4.91Φ, 圖3顯示了觀測(cè)期間沉積物粒徑的變化與高潮位潮高及近海浪高的對(duì)比關(guān)系。由圖可見(jiàn): 就同一次漲落潮而言, 位于中潮灘上部的 C點(diǎn)的沉積物顆粒明顯比中部的D點(diǎn)和下部的E點(diǎn)要細(xì)。這是因?yàn)镃點(diǎn)離岸最近, 高程最高, 水位較淺, 潮能也稍弱,潮水?dāng)y帶泥沙的能力最弱, 細(xì)顆粒的物質(zhì)才能被帶到該位置形成沉積, E點(diǎn)情況相反。

圖3 沉積物中值粒徑變化與高潮位潮高、近海浪高的對(duì)比Fig. 3 Variation comparison of median grain size of sediments, high-tide level and wave height in the offshore area

在8月8日受臺(tái)風(fēng)影響之前, 三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)總體顯示出隨著高潮位潮高的不斷降低, 沉積物顆粒不斷變粗, 即在大潮期間, 沉積物顆粒反而較細(xì)?？赡苁怯捎诔蔽惠^高時(shí), 水深較深, 潮流速較大, 潮水中的泥沙在中潮灘不能沉降; 而在水深較淺、落潮流速較小時(shí), 一些細(xì)粒物質(zhì)才沉積下來(lái), 從而使沉積物顆粒較細(xì)。同樣, 在風(fēng)暴潮過(guò)后, 高潮位的潮高在不斷增大, 而中值粒徑的變化除 C點(diǎn)顯示出顆粒變粗外,其他兩點(diǎn)并未出現(xiàn)這一現(xiàn)象。相反, 中值粒徑與波浪卻有著較為密切的關(guān)系: 在浪高較大時(shí), 沉積物的顆粒較粗, 浪高較小時(shí), 沉積物的顆粒較細(xì)?？梢?jiàn),若波浪作用較強(qiáng), 超過(guò)了潮流對(duì)沉積物的影響, 從而可能成為決定潮灘泥沙沉降的主要因子, 并且對(duì)中潮灘不同部位的影響也有明顯差異。這一點(diǎn)與以往研究中所觀測(cè)到的高潮灘沉積物顆粒的粗細(xì)變化與潮位之間的強(qiáng)相關(guān)性有著明顯區(qū)別。

粒度參數(shù)的計(jì)算結(jié)果顯示, 三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)自7月28日至8月14日, 沉積物平均粒徑總體變粗, 分選變好。在沉積物粒度組成的變化上表現(xiàn)為: C點(diǎn)與D點(diǎn)在該時(shí)間段, 極細(xì)砂和粗粉砂的含量逐漸增大, 細(xì)粉砂和黏土的含量逐漸減少; E點(diǎn)在該時(shí)間段, 細(xì)砂與極細(xì)砂含量增大, 細(xì)粉砂與黏土含量逐漸減少, 在臺(tái)風(fēng)期間, 粗粉砂的含量也較少。這就進(jìn)一步顯示了: 在中潮灘, 波浪對(duì)沉積物的影響可能比潮汐的影響更加明顯。

3.2 沉積通量的變化

沉積通量的變化和潮水能夠攜帶的泥沙量、沉積時(shí)間、沉積灘面的粗糙程度、退潮時(shí)帶走的沉積物多少等存在密切關(guān)系。理論上由小潮向大潮的過(guò)程中, 潮水的能量逐漸增大, 潮水能夠攜帶的泥沙量逐漸增加, 沉積的泥沙量也逐漸增加, 到大潮時(shí), 潮水的能量達(dá)到最大值, 能夠攜帶的泥沙量最大, 同時(shí)灘面過(guò)水時(shí)間長(zhǎng), 大潮時(shí)的沉積通量應(yīng)該最大。大潮向小潮的過(guò)程中, 沉積通量逐漸減小。然而, 本項(xiàng)研究中實(shí)際測(cè)得的沉積通量并不完全符合這一理論, 具體見(jiàn)圖4。

由圖4中3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的沉積通量的變化不難看出: 在中潮灘, 弱浪期間的大潮向小潮轉(zhuǎn)化過(guò)程中,在中潮期間沉積通量達(dá)到高峰值, 且達(dá)到峰值的時(shí)間自陸向海推遲; 強(qiáng)浪期間的小潮向大潮轉(zhuǎn)化過(guò)程中, 達(dá)到峰值的時(shí)間自海向陸推遲。這種中潮灘不同部位沉積通量峰值出現(xiàn)時(shí)間的差異, 與潮汐作用過(guò)程中不同部位的水深變化時(shí)間差異相關(guān), 水深先變淺的部位先達(dá)到沉積通量的峰值。

就每一次漲落潮而言, 三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)沉積通量值基本表現(xiàn)為C點(diǎn)最小, E點(diǎn)最大, D點(diǎn)介于其間, 這可以從C點(diǎn)到E點(diǎn)水動(dòng)力增強(qiáng), 海水浸沒(méi)時(shí)間延長(zhǎng)得到解釋。

3.3 沉積物磁化率的變化

對(duì)C, D, E三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的沉積物樣都進(jìn)行了磁化率測(cè)試, 每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)量四次, 取其平均值, 其結(jié)果如圖5所示。

圖4 沉積通量及其與潮差、近海浪高對(duì)比Fig. 4 Variation comparison of sedimentary mass per unit area, tidal range and wave height in the offshore area

圖5 沉積物樣品質(zhì)量磁化率變化Fig. 5 Variation of mass susceptibility of sedimentary samples

各觀測(cè)點(diǎn)沉積物的質(zhì)量磁化率在連續(xù)半個(gè)月中都出現(xiàn)了多個(gè)峰值, 無(wú)明顯的時(shí)間變化規(guī)律。但三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)之間仍存在明顯差異, C點(diǎn)距離海岸最近, 沉積物粒徑最小, 其連續(xù)半個(gè)月沉積物的磁化率平均值最小, 為5.35×10-7m3/kg, D點(diǎn)距離海岸居中, 其連續(xù)半個(gè)月沉積物的磁化率平均值為8.42×10-7m3/kg, E點(diǎn)距離海岸最遠(yuǎn), 沉積物粒徑最粗, 其連續(xù)半個(gè)月沉積物的磁化率平均值最大,為8.54×10-7m3/kg。這與前人研究的粉砂淤泥質(zhì)海岸, 自陸向海沉積物磁化率逐漸增大[12]的結(jié)論相一致。

為探討質(zhì)量磁化率與樣品粒級(jí)組分之間的關(guān)系,對(duì)每一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)取30個(gè)樣用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 質(zhì)量磁化率值與樣品各粒級(jí)組分百分比的相關(guān)性見(jiàn)表1。

從表 1可以看出, 本區(qū)中潮灘磁化率總體上與細(xì)砂(2Φ～3Φ)、極細(xì)砂(3Φ～4Φ)關(guān)系最為密切, 可能是磁性礦物更多地富集在細(xì)砂、極細(xì)砂中。

表1 質(zhì)量磁化率與沉積樣品不同粒級(jí)組分百分比之間的相關(guān)性比較Tab. 1 The correlation coefficients of mass susceptibility and grain sizes of sedimentary samples

4 結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)研究區(qū)所采集的沉積物樣品的粒度、沉積通量及磁化率等的分析可以得出如下結(jié)論:(1)與高潮灘不同, 中潮灘沉積物顆粒粗細(xì)的變化在大小潮周期中即使在弱浪期間與潮汐周期變化也不具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系; 而強(qiáng)浪對(duì)中潮灘沉積的影響往往明顯超過(guò)潮汐的作用。(2)中潮灘不同微地貌部位的沉積無(wú)論在顆粒大小, 還是沉積通量方面都有著明顯的差異, 上部的沉積物顆粒明顯細(xì)于中部和下部, 并且沉積通量自岸向海也呈增加的趨勢(shì)。(3)在一個(gè)大小潮周期中, 中潮灘不同地貌部位出現(xiàn)沉積通量峰值的時(shí)間差異與灘面高程、潮汐和波浪共同作用的水深有著比較密切的關(guān)系。(4)研究區(qū)中潮灘沉積物質(zhì)量磁化率與粒徑組分中的細(xì)砂和極細(xì)砂關(guān)系密切, 并且磁化率呈現(xiàn)由陸向海增加的趨勢(shì)。

[1]Reineck H E. Layered sediments of tidal flats, beaches,and shelf bottoms of the North Sea[C]//Lauff G H.Washington, D.C.: American Association for the Advancement of Science, 1967:191-206.

[2]任美鍔, 張忍順, 楊巨海. 江蘇王港地區(qū)淤泥質(zhì)潮灘的沉積作用[J]. 海洋通報(bào), 1984, 3(1): 40-54.

[3]Choi K S, Park Y A. Late Pleistocene silty tidal rhythmites in the macrotidal flat between Youngjong and Yongyou Islands, west coast of Kore a[J]. Marine Geology, 2000,167: 231-241.

[4]Storms J E A, Hoogendoorn R M H, Dam R A C, et al.Late-Holocene evolution of the Mahakam delta, East Kalimantan, Indonesia[J]. Sedimentary Geology, 2005,180: 149-166.

[5]Bai Chunguang, Wang Jian, Xu Yonghui. Tidal couplet formation and preservation, and criteria for discriminating storm-surge sedimentation on the tidal flats of central Jiangsu Province, China[J]. Journal of Coastal Research,2010, 26(5): 976-981.

[6]楊世倫.長(zhǎng)江三角洲潮灘季節(jié)性沖淤循環(huán)的多因子分析[J]. 地理學(xué)報(bào), 1997, 52(2): 123-130.

[7]Cowan E A, Cai J, Powell R D, et al. Modern tidal rhythmites deposited in a deep-water estuary[J].Geo-Marine Letters, 1998, 18: 40-48.

[8]宋召軍, 黃海軍, 王珍巖, 等. 蘇北潮灘的近期變化分析[J]. 海洋科學(xué), 2008, 32(6): 25-29.

[9]李炎, 張立人, 謝欽春. 浙江象山大目涂淤泥質(zhì)潮灘發(fā)育的周期性[J]. 海洋學(xué)報(bào), 1987, 9(6): 725-734.

[10]楊世倫. 風(fēng)浪在開(kāi)敞潮灘短期演變中的作用——以南匯東灘為例[J]. 海洋科學(xué), 1991, 2:59-64.

[11]李占海. 江蘇大豐潮灘沉積動(dòng)力過(guò)程研究[R]. 上海:華東師范大學(xué), 2005.

[12]姜文英. 江蘇海岸現(xiàn)代和晚第四紀(jì)沉積物磁化率分析及其環(huán)境意義[D]. 南京: 南京師范大學(xué), 1992.