張建興 , 宋永東 , 欒振東 , 楊立建, 甘 雨, 閻 軍

(1. 中國科學院海洋研究所 中國科學院海洋地質與環(huán)境重點實驗室, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院海洋大科學研究中心, 山東 青島 266071; 3. 中國科學院大學, 北京 100049)

21世紀是海洋的世紀, 隨著海洋資源開發(fā)力度的加大, 海底管道、海上風電、海洋平臺等海上工程設施與日俱增。地質條件評估是各類海上工程選址和建設的基礎性工作, 對保障工程安全、維護海洋生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定具有重要意義。近年來, 許多專家學者開展了海上工程目標海域的海底地形地貌及沉積特征等研究工作, 技術手段主要集中在多波束/單波束水深測量、淺地層剖面測量、側掃聲吶測量、沉積物取樣等方面[1-5]。在遼東灣西部覺華島附近海域, 隨著海上工程建設項目的擴增, 底質調查已成為項目實施過程中亟需解決的關鍵問題。借助于我國近海海洋區(qū)域地質調查等項目的實施, 前人已對遼東灣海域的地形地貌[6-9]、沉積特征[10-12]有了系統(tǒng)認識, 但這些研究往往是大范圍、區(qū)域性的, 不能為覺華島附近海域工程建設提供有效精確的指導。因此本研究基于前人研究成果, 對遼東灣西部覺華島附近海域海底地形地貌、淺地層剖面及沉積物分布特征開展精細研究, 這對海區(qū)相關海上工程的建設發(fā)展具有積極意義。

1 研究區(qū)概況

遼東灣是一個西、北、東三面被陸地包圍的半封閉海灣, 南面與渤海相通, 水深普遍小于30 m,坡度較緩, 地形自灣頂及東西兩側向中央傾斜[9]?，F(xiàn)代沉積主要受外動力河流作用控制, 接受大量遼河、大凌河等周邊河流搬運入海的陸源碎屑物質, 形成大面積淺灘沉積。第四系地層厚度為300～500 m, 受海平面變化的影響, 海陸交互相沉積是第四系主要沉積類型, 河流和潮流、波浪等控制著海底的沖淤變化。研究區(qū)位于遼東灣西部覺華島附近, 分為東、西兩個區(qū)塊, 覺華島東北方向的調查區(qū)稱為東區(qū), 覺華島西南方向的調查區(qū)稱為西區(qū), 調查區(qū)最近離岸直線距離約1 km(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置Fig. 1 Location of the study area

研究區(qū)屬于中緯度季風氣候區(qū), 夏季盛行偏南風,冬季盛行偏北風, 區(qū)內年平均氣溫在8.4～9.7 ℃之間,冬季寒冷, 夏季炎熱。遼東灣北部海域潮汐類型主要為正規(guī)半日潮和不正規(guī)半日潮, 目標海域屬于不正規(guī)半日潮, 潮流運動形勢為往復流, 主流向為NE-SW向, 潮差為2.8～0.8 m, 最大潮流流速為0.7～2 m/s。波浪以風浪為主, 常浪向為SSW-SW向, 季節(jié)性變化明顯[13-14]。環(huán)流主要受黃海暖流余脈和沿岸流的影響[15-16]。

2 研究方法

為了解該海域的地質環(huán)境, 為海上工程建設提供科學、準確的基礎資料, 本次研究基于HY1601單波束測深系統(tǒng)、SES2000參量陣淺地層剖面系統(tǒng)、表層沉積物取樣等調查手段對研究區(qū)展開海上調查。

HY1601單波束測深系統(tǒng)工作頻率208 kHz, 測深范圍0.3～300 m, 精度為(0.01 ± 0.1%×所測深度) m,能夠實時監(jiān)測和控制測深全過程, 保證了測深系統(tǒng)的高精度和可靠性; SES2000參量陣淺地層剖面系統(tǒng)利用工作主頻100 kHz產(chǎn)生多個次頻聲波, 工作水深1～400 m, 穿透能力40 m, 分辨率5 cm, 滿足精度要求。通過開展走航式高精度水深測量, 經(jīng)同步潮位觀測數(shù)據(jù)和聲速剖面數(shù)據(jù)校正后, 獲得調查海域精確的水深地形數(shù)據(jù), 利用Caris 9.1等軟件對數(shù)據(jù)進行處理后, 通過Surfer、Global Mapper等繪圖軟件進行成圖, 展示研究區(qū)精細地形地貌特征。

表層沉積物的研究首先利用錨式采泥器進行海上取樣, 然后進行室內實驗分析。粒級標準采用尤登-溫德華氏等比制Φ值粒級標準, 定名采用謝帕德沉積物粒度三角圖解法。粒度測試采用篩析法和激光粒度儀相結合的方法, 用孔徑間隔為1/4 Φ的分樣篩過篩, 粒徑大于1 000 μm的部分采用篩析, 小于1 000 μm的部分采用法國CILAS-1190激光粒度儀進行測量, 通過得到的沉積物組分及粒度參數(shù)特征確定研究區(qū)海底表層沉積物類型及分布特征。

3 地形地貌特征

3.1 地形地貌特征

研究區(qū)東區(qū)海域測量水深介于4～22 m之間, 平均水深15 m左右, 其中最淺處位于近岸區(qū)域, 水深小于5 m, 最深處位于工區(qū)南部, 水深超過20 m; 西區(qū)塊水體地形與東區(qū)塊大致相似, 西區(qū)海域測量水深介于5～22 m之間, 平均水深也在15 m左右(圖2)。由水深地形剖面圖(圖3)可以看出, 往岸線方向水深逐漸變淺,遠離岸線一側逐漸加深, 海底地形表現(xiàn)為平緩的近岸緩坡, 總體斜度小于1‰, 整體地形平坦, 在17 m水深處地形變陡, 水體加深。地貌以近岸淺灘地貌為主, 主要為粉砂淤泥質淺灘沉積, 局部發(fā)育微型海底沙波。

圖2 研究區(qū)地形圖Fig. 2 Topographic map of the study area

圖3 研究區(qū)海底地形剖面Fig. 3 Submarine topographic profile of the study area

3.2 淺地層剖面特征

為了解海底淺層的沉積物厚度以及分布范圍,在缺少鉆孔資料的情況下, 聲學探測是主流技術手段。本次研究利用SES2000參量陣淺地層剖面系統(tǒng),結合海底表層沉積物取樣分析結果得出, 研究區(qū)海域海底面(R0反射層)以下以松散沉積的灰黑色淤泥質粉砂為主, 呈欠壓實結構, 反射波易于透射傳遞, 多次波較弱, 層間呈水平、平行反射結構, 與下伏地層呈角度不整合接觸, 屬于全新世晚期現(xiàn)代沉積。淺地層剖面系統(tǒng)穿透地層厚度0.5～5 m不等, 該沉積層底界面劃分為第一反射層(R1反射層), R1反射層聲學界面清楚連續(xù), 具有振幅強、高能量特征, 可全區(qū)追蹤,為本次淺地層劃分識別的主要反射界面。但由于沉積層較薄, 有些地方?jīng)_刷缺失, 這種地層結構多見斜層理或平行層理, 反映出該海域沉積歷史時期多處于較低能的水動力環(huán)境和相對穩(wěn)定的氣候環(huán)境中[14](圖4)。

圖4 研究區(qū)典型淺地層剖面特征Fig. 4 Typical characteristics of the subbottom profile of the study area

4 沉積特征

4.1 表層沉積物類型

為獲取研究區(qū)表層沉積物類型及粒度參數(shù), 利用錨式采泥器獲取海床表層沉積物樣品21個, 其中東區(qū)12個、西區(qū)9個。通過室內分析確定了表層沉積物粘土、粉砂和砂的百分含量, 并計算了沉積物泥沙比、中值粒徑、分選系數(shù)、偏度和峰度等參數(shù)(表1)。已有研究表明遼東灣表層沉積物類型以砂質粉砂、粉砂和泥質砂為主[15-16], 根據(jù)本次取表層沉積物樣品粒度分析結果發(fā)現(xiàn), 沉積物類型與前人研究結果相吻合, 研究區(qū)沉積物類型屬砂質粉砂的站位較多,有11個; 其次是粉砂, 有7個; 剩余3個樣品為粉砂質砂沉積物。

表1 研究區(qū)表層沉積物組分含量及粒度分析結果Tab. 1 Results of component content and grain size analyses of surface sediments in the study area

在東區(qū), 沉積物類型以粉砂和砂質粉砂為主,粉砂主要分布于研究區(qū)中部、南部, 約占沉積物類型的50.00%; 其次為砂質粉砂, 主要分布于研究區(qū)東北部, 約占沉積物類型的41.67%; 粉砂質砂等其他沉積物類型少量發(fā)育。而在西區(qū), 沉積物類型以砂質粉砂為主, 主要分布于研究區(qū)東北部、中部、南部,占到西區(qū)沉積物類型的66.67%; 粉砂和粉砂質砂零星發(fā)育, 不成規(guī)模。

4.2 粒度參數(shù)空間分布特征

粒度參數(shù)是研究沉積特征、鑒別沉積環(huán)境的常用方法, 中值粒徑、分選系數(shù)、偏度、峰度等粒度參數(shù)不僅在統(tǒng)計學上具有意義, 而且在沉積學上具有明確的地質意義。粒徑是沉積物粒度的主要特征之一, 表層沉積物的粒徑大小及其空間分布特征受控于沉積物物源條件、水動力強度等多種因素, 平均粒徑、中值粒徑等能夠反映沉積物粒徑頻率分布的中心趨向, 其值大小代表了沉積物的平均動能情況,其空間分布特征能夠指示沉積物物源、輸運方向等諸多沉積環(huán)境信息[4]。

偏態(tài)是用來描述沉積物粒度頻率曲線不對稱程度的參數(shù), 是能夠指示沉積環(huán)境的靈敏指標, 正偏態(tài)說明沉積物眾數(shù)偏細, 負偏態(tài)則說明沉積物眾數(shù)偏粗; 峰態(tài)可以衡量粒度頻率曲線的尖銳程度, 也就是度量粒度分布的中部與兩尾端的展形之比, 刻畫粒度在平均粒度兩側的集中程度, 峰態(tài)越窄, 表示樣品粒度分布越集中。

根據(jù)粒度分析結果(表1), 東區(qū)和西區(qū)沉積物樣品粒度參數(shù)特征差異明顯。東區(qū)的表層沉積物中值粒徑普遍較小, 介于13～44 μm之間, 平均值為20.4 μm, 組分以粉砂和砂質粉砂為主, 分選較好, 分選系數(shù)平均為3.54; 西區(qū)的樣品平均中值粒徑為30.9 μm, 以砂質粉砂為主, 含少量的粉砂, 其中西區(qū)4、7、9 三個站位樣品中值粒徑較大, 均大于40 μm, 屬于粉砂質砂, 分選性較東測區(qū)更差, 分選系數(shù)平均值為4.35。

對于東區(qū)而言, 組分變化與粒度參數(shù)基本沿西北—東南方向, 由岸向海方向變化, 細顆粒組分逐漸變多, 砂含量逐漸變少, 分選性逐漸變好, 偏度逐漸趨向負偏, 而峰度則逐漸變大。其中, 黏土含量由7號站位最多的16.4%逐漸向海變?yōu)樾∮?0%; 粉砂含量由近岸的65%左右向海逐漸變?yōu)?0%以上; 砂含量普遍較小, 變化不大, 只有近岸的1號站位達到了50%的高值, 其他站位平均值在12%左右。粒度參數(shù)方面,中值粒徑由近岸的1號站位的44 μm向海變?yōu)?5 μm左右; 分選系數(shù)由近岸的4.5左右變?yōu)檫h岸的2.8左右;偏度從北側的最高值0.05向南變?yōu)樨撈? 峰度由近岸的2.6以下向海逐漸增加為4以上(圖5)。

圖5 東區(qū)表層沉積物組分含量及粒度參數(shù)空間分布Fig. 5 Spatial distribution of the component content and the grain size parameters of surface sediments in the east area

對西區(qū)而言, 組分和粒度參數(shù)的空間變化規(guī)律較為復雜。黏土組分含量中部最高, 偏度自西向東變?yōu)檎? 峰度自西向東逐漸變小, 除此之外, 粉砂和砂組分顯示出南北向變化的特征, 分別在空間上變多和變少, 同時, 中值粒徑自北向南增加, 分選性自北向南變好。具體而言, 沉積物組分上, 黏土含量從5號站位的13.1%向兩側逐漸變小; 粉砂含量從測區(qū)西北的大于74%向東南逐漸變化為小于44%; 砂含量由北側的小于17%向南變?yōu)榇笥?7%。粒度參數(shù)上, 中值粒徑由小于25 μm向南增長到大于40 μm;分選系數(shù)由西北側的小于3.1向東南增大至大于4.9;偏度由6站位的-0.14向兩側減小, 最小值出現(xiàn)于最西側, 為西5站的-1.09; 峰度則由4號站位的4.55向東向南逐漸減小到2.4以下(圖6)。

圖6 西區(qū)表層沉積物組分含量及粒度參數(shù)空間分布Fig. 6 Spatial distribution of the component content and the grain size parameters of surface sediments in the west area

4.3 沉積物分布特征分析

根據(jù)沉積物類型、粒度參數(shù)空間分布特征確定研究區(qū)表層沉積物分布特征(圖7), 東區(qū)表層沉積物主要類型為粉砂和砂質粉砂, 分布面積大體相當, 二者分布面積占到了東區(qū)面積的90%以上。其中砂質粉砂多分布于東區(qū)東北部, 在西南部也有小范圍的分布,而粉砂則集中分布于研究區(qū)南部和遠岸一側, 近岸區(qū)域還分布有粉砂質砂, 面積較小。對西區(qū)海底表層沉積物而言, 西區(qū)60%以上的面積分布砂質粉砂, 從近岸到遠岸區(qū)域均有分布。此外, 在西區(qū)近岸的西北側分布有粉砂沉積物, 在西側及東南側小部分區(qū)域, 還零星分布有粉砂質砂沉積物, 發(fā)育規(guī)模較小。

圖7 研究區(qū)表層沉積物類型平面分布圖Fig. 7 Plane distribution of the surface sediment types in the study area

海洋沉積物的粒度特征主要受沉積物物源供給、沉積區(qū)水動力條件(波浪、潮流、洋流、密度流等)、地形地貌等多種因素的影響, 同時也受海平面變動、氣候、生物和化學作用的影響。遼東灣整體為半封閉海灣, 沉積物物源包括周邊入海河流攜帶的泥沙、外來海水帶入的懸浮物質、沿岸島嶼及基巖的侵蝕等, 其中主要以河入海流的輸入物質為主[16-17]。遼東灣海域潮流主要為不規(guī)則半日潮, 潮流以往復流為主, 主流向為NE-SW向, 強潮流區(qū)見于入海河口附近。遼東灣內環(huán)流主要為黃海暖流余脈和遼東灣沿岸流, 冬季呈順時針方向環(huán)流, 夏季呈逆時針方向, 一年中多數(shù)月份是穩(wěn)定的順時針環(huán)流[18]。在遼東灣近岸地區(qū), 沿岸流的控制作用顯著, 沿岸流季節(jié)變化顯著, 水團源于入海徑流的沖淡水, 鹽度較低, 分布在20 m等深線以內的沿岸帶[16]。在遼東灣西部, 沿岸流平行岸線方向向北延伸, 動力較強, 至錦州港附近逐漸轉為偏東方向, 至大、小凌河口附近,流速在入?？谧饔孟虏诺靡韵魅鮗13]。

依據(jù)遼東灣表層沉積物類型、粒度分布特征及沉積物分布格局, 綜合考慮沉積物物源和海洋水動力條件的影響, 認為研究區(qū)沉積物分布特征多受到往復流、沿岸流的影響。在往復流的周期作用下, 東區(qū)沉積物以粉砂和砂質粉砂為主, 表現(xiàn)出自陸向海、自北向南方向粒度逐漸變細的特征; 西區(qū)沉積物整體較東區(qū)較粗, 以砂質粉砂為主, 分析認為可能由遼東灣西部六股河、煙臺河等季節(jié)性山地河流在汛期徑流量增加, 攜帶大量粗粒泥沙入海導致。入海后河流徑流動能瞬間降低, 大量粗粒沉積物在河口快速堆積, 在北向沿岸流控制作用下, 西區(qū)形成了以砂質粉砂為主的沉積特征。

5 結論

1) 遼東灣覺華島附近海域測量水深在4～22 m之間, 平均水深約15 m, 海底地形總體平坦, 水深往岸線方向逐漸變淺, 遠離岸線一側逐漸加深, 海底地形表現(xiàn)為平緩的近岸緩坡, 總體斜度小于1‰,地貌以近岸淺灘地貌為主, 局部發(fā)育微型海底沙波。

2) 淺地層剖面資料顯示研究區(qū)海底面以下主要為松散砂泥質沉積物, 沉積結構單一, 多次波較弱,第一聲學反射界面清楚連續(xù), 具有振幅強、高能量特征, 可全區(qū)追蹤, 穿透地層深度0.5～5 m不等, 屬于全新世晚期現(xiàn)代沉積, 沉積物厚度相對穩(wěn)定。

3) 研究區(qū)海底表層沉積物粒徑普遍較小, 沉積物類型包括砂質粉砂、粉砂質砂、粉砂, 東區(qū)表層沉積物以粉砂和砂質粉砂為主, 占到了東區(qū)面積的90%以上, 粉砂質砂在近岸區(qū)域少量分布; 西區(qū)表層沉積物主要為砂質粉砂, 粉砂、粉砂質砂零星分布。

4) 沉積物物源供給和水動力環(huán)境決定了沉積物組分以及粒度參數(shù)的分布趨勢。研究區(qū)沉積物主要來源于沿岸河流攜帶的入海泥沙, 組分與粒度參數(shù)的空間變化規(guī)律較為復雜, 東西兩區(qū)分布差異特征明顯, 周期性的往復流和沿岸流對沉積物的分布具有明顯的控制作用。