浙江朱家尖島早中熟階段碎石灘沉積物粒度及形態(tài)特征

浙江朱家尖島早中熟階段碎石灘沉積物粒度及形態(tài)特征

碎屑通常形成在巖石海岸附近，這是典型的波浪形成的海岸特征。碎屑海灘在世界海岸帶并不廣泛，但它是一種穩(wěn)定性很高的海岸類(lèi)型，具有良好的沉積物粒徑（2.2000mm）和坡度特征。碎石通常存在于以下地區(qū)：（1）莫林海岸或寒冷海岸，其物質(zhì)來(lái)源為冰莫登。（2）在構(gòu)造海岸中，沉積物來(lái)自河流。（3）在波浪作用主導(dǎo)的海岸帶地區(qū)，沉積物來(lái)自海岸帶。沉積物來(lái)源、區(qū)域地質(zhì)形態(tài)特征的限制了碎屑海灘的規(guī)模、發(fā)展時(shí)間和礫石海灘的穩(wěn)定性。在波浪作用主要的海岸區(qū)，波浪和趨勢(shì)的共同作用被用來(lái)將碎屑沉積在水平和垂直方向上，形成一條規(guī)律的帶狀地形特征。此外，碎石海灘還可以減少和防止人為的自然現(xiàn)象，如波浪和臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴。因此，它具有良好的海岸保護(hù)功能。我國(guó)海岸地貌類(lèi)型多樣,礫石海灘主要分布在浙江的島嶼海岸,關(guān)于礫石海灘的研究較少.本文選擇的研究區(qū)位于浙江省舟山群島中的朱家尖島,陳洪德等曾對(duì)該地區(qū)大烏石塘礫石海灘做過(guò)研究,通過(guò)對(duì)礫石形狀的分析,認(rèn)為該地區(qū)礫石海灘的沉積特征主要是磨蝕作用的結(jié)果.本文通過(guò)分析研究區(qū)地質(zhì)地貌調(diào)查結(jié)果、礫石海灘剖面形態(tài)測(cè)量結(jié)果、礫石海灘沉積物粒度及礫石形態(tài)等數(shù)據(jù),重點(diǎn)探討朱家尖礫石海灘沉積物粒度及礫石形態(tài)的動(dòng)力形態(tài)特征,分析磨蝕和分選搬運(yùn)作用在研究區(qū)兩個(gè)礫石海灘發(fā)育中的相對(duì)重要性.1大烏合成島巖-石漠化朱家尖島是浙江舟山群島最東面的一個(gè)島嶼,它西鄰定海與桃花諸島,北毗普陀島.島上陸域面積61.81km2,灘地面積14.02km2,岸線長(zhǎng)80.8km(基巖海岸55.6km,淤泥質(zhì)海岸0.12km,人工海岸16.89km,砂礫質(zhì)海岸8.23km).研究區(qū)海岸為典型的基巖港灣海岸,岸線呈不規(guī)則的鋸齒狀.島上基巖主要由侏羅系的凝灰?guī)r和燕山晚期的花崗巖組成,凝灰?guī)r多出露于海島中部,花崗巖主要分布在大烏石塘北部及島嶼最南端,在沿海各岬角處也有零星分布,北部為粗粒酸性花崗巖,南部為中細(xì)粒堿性花崗巖.本區(qū)海域處于副熱帶季風(fēng)區(qū),風(fēng)速風(fēng)向具有明顯的季節(jié)變化,冬季以西北風(fēng)為主,夏季以偏南風(fēng)為主;受風(fēng)力及風(fēng)向的影響,本區(qū)波浪以風(fēng)浪為主,涌浪有一定比例,波高、波向具有明顯的季節(jié)性變化(表1).此外,本地區(qū)還是臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴嚴(yán)重影響地區(qū),統(tǒng)計(jì)資料顯示,在浙江沿海登陸的臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴平均每年有3.7次.大烏石塘與小烏石塘位于朱家尖島東面,兩個(gè)礫石灘分別位于兩個(gè)海灣內(nèi)部,屬口袋狀礫石灘.兩個(gè)礫石灘灣頂大潮高潮線以上有礫石堤分布,礫石堤上有灘脊-溝槽地貌體系發(fā)育;礫石堤背后都有一片小面積的山前沖積平原,兩側(cè)都有較高的海蝕崖,兩個(gè)礫石灘之間的岬角主要為凝灰?guī)r,并伴有少量花崗巖和輝長(zhǎng)巖.兩個(gè)海灘礫石的巖性組成一致,礫石堤寬20m,呈階梯狀向海方向遞降,至低潮位高差達(dá)8m以上.但兩個(gè)礫石灘所處海灣規(guī)模大小有差異,大烏石塘礫石灘所位于的漳州灣,縱深長(zhǎng)度約2.5km,寬度約0.8～1.2km;而小烏石塘礫石灘所位于的海灣縱深長(zhǎng)度約0.8km,寬約0.3～0.4km.2學(xué)習(xí)方法2.1樣品的采集和分級(jí)2002年5月下旬在浙江朱家尖島大烏石塘及小烏石塘礫石兩個(gè)礫石海灘上共選取了8條剖面,剖面形態(tài)利用水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量,并在每條剖面上采集表層礫石沉積物樣品4個(gè),分別位于礫石堤項(xiàng)部、高潮線上部、高潮線下部及低潮線附近(編號(hào)分別為1、2、3、4),共采集樣品29個(gè)(采樣位置見(jiàn)圖1).在每個(gè)采樣點(diǎn)選取1m2大小的樣方,取表層10cm厚度,采樣重量以GaleandHoare提出的方法為標(biāo)準(zhǔn).利用篩析法對(duì)礫石沉積物進(jìn)行粒度分析,大于32mm的礫石用游標(biāo)卡尺以0.5Φ間隔進(jìn)行分級(jí),小于32mm的沉積物用粗篩按1Φ為間隔進(jìn)行分級(jí),樣品用彈簧秤進(jìn)行稱重,總共取得表層樣品1815.7kg.在每個(gè)樣品中隨機(jī)選取47～94顆礫石,利用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量礫石的長(zhǎng)軸(A)、中軸(B)及短軸(C),總共測(cè)量礫石1735顆.2.2粗粒沉積物的主要指標(biāo)沉積物粒度參數(shù)不僅可以用來(lái)提取沉積物的沉積環(huán)境、水動(dòng)力等信息,還可以用來(lái)指示了沉積物的搬運(yùn)趨勢(shì).根據(jù)大烏石塘與小烏石塘兩個(gè)礫石灘的沉積物粒度分析數(shù)據(jù),利用矩值法來(lái)計(jì)算沉積物平均粒徑(μ)、分選系數(shù)(So)、偏態(tài)(SK)及峰態(tài)(Ku)等粒度參數(shù).礫石常用的形態(tài)參數(shù)有球度(MPS:maximumprojectionsphericity)、扁長(zhǎng)指數(shù)(OPI:oblate_prolateindex)、盤(pán)狀-桿狀指數(shù)(DRI:disc_rodindex)及磨圓(Rn),這組參數(shù)是粗顆粒沉積物結(jié)構(gòu)分析中的重要參數(shù),可以提供沉積物的產(chǎn)地、搬運(yùn)特征及沉積動(dòng)力環(huán)境等有關(guān)信息.磨圓是表征礫石沉積物的沉積環(huán)境、礫石搬運(yùn)距離的一個(gè)重要參數(shù);OPI是用來(lái)從扁長(zhǎng)(prolate)礫石中分辨出扁圓(oblate)礫石的一個(gè)非常有用的指標(biāo);MPS反映的是在流體中拖曳力與重力作用的平衡,是表征水中礫石發(fā)生搬運(yùn)或沉降行為的一個(gè)重要指標(biāo);DRI是用來(lái)分辨桿狀礫石和盤(pán)狀礫石的一個(gè)非常有效的指標(biāo).本文中,礫石的磨圓度是采用Powers提出的6級(jí)分類(lèi)方法(尖棱角:VA、棱角:V、次棱角:SA、次圓:SR、圓:R、渾圓:WR),礫石形態(tài)參數(shù)MPS、OPI和DRI的計(jì)算方法見(jiàn)表2.3結(jié)果3.1達(dá)到8484水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果顯示(圖2),研究區(qū)礫石海灘規(guī)模比較大,在大烏石塘長(zhǎng)度達(dá)600m左右的礫石海灘上,海灘水平寬度40～50m,礫石堤頂部高出大潮高潮線3m,堤頂寬度較大,整個(gè)礫石灘的平均坡度約為10°～20°,最大可達(dá)到62°;小烏石塘礫石海灘長(zhǎng)度略小,約為400m,海灘平均寬度40～50m,堤頂高出大潮高潮線2m多,整個(gè)礫石灘的平均坡度約為10°～11°,最大為25°.兩個(gè)礫石灘的大潮高潮線附近都有陡坎,在大潮高潮線以上的礫石堤上有灘脊溝槽體系.研究區(qū)內(nèi)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴活動(dòng)比較頻繁,且主要集中在夏季.一次大的風(fēng)暴可以將直徑1m的巨石從低潮線下部搬運(yùn)至潮間帶,將5～10cm的礫石拋到8m高的礫石堤頂部.因此,風(fēng)暴是塑造研究區(qū)內(nèi)礫石海灘輪廓的主要?jiǎng)恿?波浪和潮流作用對(duì)風(fēng)暴過(guò)后的礫石海灘具有比較強(qiáng)烈的改造作用.海水從灣外涌入灣內(nèi),波浪不斷破碎和變形,并產(chǎn)生繞射和反射,使灣內(nèi)波浪情況復(fù)雜多變,并與周?chē)匦蜗嗷プ饔眯纬裳匕读?不斷調(diào)整海灘礫石的分布.3.2小烏合成礫石灘沉積物粒度參數(shù)在橫向和縱向上表現(xiàn)出有規(guī)律的變化(表3).礫石灘沉積物平均粒徑介于-4.5～-6.45Ф之間(最大塊體直徑可達(dá)1m左右),小烏石塘沉積物平均粒徑略大于大烏石塘,平均粒徑在橫向上,由海堤角下的礫石堤頂部向海遞減,但在大潮低潮線附近,礫石粒徑又有所增大;在縱向上,沿海礫石灘由南向北,小烏石塘沉積物平均粒徑減小,大烏石塘沉積物先增大后迅速減小.兩個(gè)礫石灘沉積物分選程度都很高,在橫向上,隨著向海推進(jìn),分選系數(shù)逐漸變小,而在縱向上,由南向北,大烏石塘與小烏石塘呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì),前者先增大后減小,后者先減小后增大.由海堤向低潮線方向,小烏石塘沉積物由負(fù)偏逐漸趨于正態(tài)分布,大烏石塘則由負(fù)偏迅速達(dá)到正態(tài)分布,再向下又達(dá)到負(fù)偏狀態(tài);在縱向上,小烏石塘沉積物在灣頂達(dá)到正態(tài)分布,兩端都為負(fù)偏,大烏石塘則在礫石灘南部為負(fù)偏,到北部則迅速變?yōu)檎?在橫向上,峰態(tài)值變化很小,在縱向上與分選系數(shù)具有相似的變化趨勢(shì),優(yōu)勢(shì)粒組含量高且粒徑范圍比較窄(圖3).3.3磨圓度的統(tǒng)計(jì)與算例根據(jù)Powers提出的磨圓六級(jí)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的數(shù)值,統(tǒng)計(jì)了各采樣點(diǎn)礫石磨圓級(jí)別的百分比,并換算為數(shù)值計(jì)算了每個(gè)樣品的磨圓度平均值(表4).3.4大烏社會(huì)主義與小烏合成礫石的形態(tài)特征根據(jù)測(cè)量得到的A、B、C三軸的數(shù)據(jù),利用表2所列公式進(jìn)行計(jì)算,得到了兩個(gè)礫石海灘各樣品的平均礫石形態(tài)參數(shù),并給出了標(biāo)準(zhǔn)偏差值(表5).由表5可知,大烏石塘礫石球度比較高,但仍較小烏石塘礫石為低,由標(biāo)準(zhǔn)偏差可知,兩個(gè)海灘的礫石球度值變化都不大,大烏石塘礫石球底離散程度更小一些.OPI和DRI都揭示了大烏石塘礫石扁長(zhǎng)、桿狀礫石所占比例比小烏石塘要大一些,標(biāo)準(zhǔn)偏差值表明小烏石塘海灘礫石的扁長(zhǎng)礫石和桿狀礫石的分布較大烏石塘為分散.兩個(gè)礫石灘的礫石形態(tài)參數(shù)在橫向和縱向上都發(fā)生了不同程度的分選,其分布特征既有相同部分,也有不同之處(圖3).4國(guó)際形勢(shì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征在礫石海灘的形成過(guò)程中,臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴起著非常重要的作用,臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴將大量礫石拋到岸上發(fā)生堆積,該堆積體在風(fēng)暴過(guò)后又被波浪長(zhǎng)期作用才塑造了一個(gè)完整的礫石海灘.根據(jù)大于0.5mm的沉積物的經(jīng)驗(yàn)臨界起動(dòng)軌跡流速:ρut2/(ρs?ρ)gD=0.46π(utT/πD)1/4(1)ρut2/(ρs-ρ)gD=0.46π(utΤ/πD)1/4(1)式中ut為臨界起動(dòng)軌跡流速,ρs、D分別為礫石的密度和粒徑,ρ為海水密度,T為波周期,根據(jù)張國(guó)棟等的統(tǒng)計(jì),臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴的波周期約為10s.將公式(1)計(jì)算得到的臨界軌跡流速代入式(2)可以計(jì)算出臨界波高;ut=πH/Tsinh(2πh/L)(2)ut=πΗ/Τsinh(2πh/L)(2)式中H為波高,h為水深,L為波長(zhǎng),本文設(shè)海灘頂部礫石對(duì)波浪的響應(yīng)是灣口處波浪,灣口處的水深為5m,根據(jù)淺水波波長(zhǎng)的公式L=T(gh)1/2計(jì)算出波長(zhǎng).根據(jù)以上兩式計(jì)算結(jié)果表明(表6),小烏石塘海灘頂部礫石對(duì)應(yīng)的最大臨界起動(dòng)軌跡流速、臨界波高分別為3.28m/s和4.84m,大烏石塘的最大臨界起動(dòng)軌跡流速、臨界波高分別為3.17m/s和4.69m.在波浪的往復(fù)推動(dòng)作用下,海灘礫石之間相互碰撞磨損,并在沿岸流的搬運(yùn)作用下不斷地發(fā)生粒度、形狀分選,在海灘的橫向和縱向上形成了有規(guī)律的地貌特征.磨蝕過(guò)程是礫石表層物質(zhì)損失的主要過(guò)程,可以用來(lái)估量礫石結(jié)構(gòu)和組成的成熟度.隨著礫石粒徑的減小,其磨圓度增加;隨著磨蝕作用的長(zhǎng)期進(jìn)行,由抗磨蝕強(qiáng)度弱的礫石比例逐漸減小,抗磨蝕強(qiáng)度強(qiáng)的礫石比例增大;搬運(yùn)分選是在考慮礫石組分及形狀的情況下優(yōu)先搬運(yùn)或沉積而形成礫石粒徑和形狀富集的過(guò)程;礫石在搬運(yùn)過(guò)程中,由棱角狀逐漸變?yōu)槟A,并又逐漸變化為盤(pán)狀或扁平狀.因此,一般情況下,沿著海灘物質(zhì)搬運(yùn)方向,沉積物粒徑減小,盤(pán)狀和扁平狀礫石含量增高.海灘礫石的磨蝕作用主要發(fā)生在礫石的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和搬運(yùn)中,怎樣判斷磨蝕作用和搬運(yùn)作用在礫石海灘的形成過(guò)程中的相對(duì)重要性,是一個(gè)值得探討的問(wèn)題.沉積物巖性分析也表明,大烏石塘和小烏石塘的海灘沉積物均來(lái)源于港灣兩側(cè)岬角侵蝕下來(lái)的物質(zhì),并沒(méi)有經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的搬運(yùn),但其磨圓度都非常高,說(shuō)明它們必然是在海洋環(huán)境中經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的磨蝕而形成的.為了進(jìn)一步揭示礫石的磨蝕和搬運(yùn)作用在兩個(gè)海灘中所起的作用,用礫石的MPS、OPI作為磨蝕作用的代用指標(biāo),平均粒徑作為搬運(yùn)作用的代用指標(biāo),兩種過(guò)程都對(duì)磨圓度有很大影響.根據(jù)礫石形態(tài)參數(shù)和平均粒徑在海灘縱向和橫向上的變率分析(表7)可知,大烏石塘的海灘礫石主要發(fā)生磨蝕作用,在橫向上的搬運(yùn)作用非常微弱,而在縱向上的搬運(yùn)作用略弱于磨蝕作用;小烏石塘在橫向上的磨蝕作用略強(qiáng)于搬運(yùn)作用,縱向上的搬運(yùn)作用略強(qiáng)于磨蝕作用.Komar的研究表明,球度大的礫石由于轉(zhuǎn)動(dòng)角比較小,在粒徑組份差不多的條件下被優(yōu)先起動(dòng),并以跳躍形式運(yùn)動(dòng);由于小烏石塘海灘礫石的球度大于大烏石塘,在相同的海洋動(dòng)力條件下必然先被起動(dòng)、搬動(dòng).因此,小烏石塘海灘礫石的搬運(yùn)作用較大烏石塘為大,兩個(gè)海灘的礫石都由南向北發(fā)生搬動(dòng).該研究結(jié)果一方面進(jìn)一步說(shuō)明了磨蝕作用在朱家尖島礫石海灘的形成演化過(guò)程中起著重要作用,與陳洪德等的研究結(jié)果一致;另一方面,根據(jù)兩個(gè)礫石海灘的礫石形態(tài)參數(shù)和平均粒徑的變率,分析了分選搬運(yùn)作用在兩個(gè)礫石海灘中的作用,結(jié)果表明,在大烏石塘的形成演化過(guò)程中,磨蝕過(guò)程起著非常重要的作用,而搬運(yùn)過(guò)程相對(duì)較弱,但在小烏石塘,搬運(yùn)過(guò)程在縱向上較強(qiáng),在橫向上較弱,磨蝕作用在橫向上較強(qiáng),在縱向上較弱.礫石海灘的組成是否已達(dá)到成熟主要取決于礫石的磨損(包括磨蝕和搬運(yùn)),同樣地在構(gòu)造上是否成熟主要取決于礫石的磨圓度,因?yàn)槟A度是礫石磨損的結(jié)果.大烏石塘海灘礫石的磨圓度在0.756～0.808之間,小烏石塘海灘礫石的磨圓度在0.646～0.769之間,兩者的磨圓度都很高且變化比較小,說(shuō)明礫石的磨損強(qiáng)度已經(jīng)很弱,表面在橫向和縱向上的變率非常小(表7),因此可以說(shuō),兩個(gè)海灘的礫石都已經(jīng)達(dá)到了發(fā)育成熟階段,而大烏石塘的成熟度相對(duì)更高.但由于臺(tái)風(fēng)對(duì)海灘剖面的改造和破壞很強(qiáng)烈,因此,兩個(gè)礫石海灘剖面形態(tài)都處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài).作為高能環(huán)境下的巨大堆積體,礫石海灘的形成與當(dāng)?shù)夭ɡ?、潮流等海洋?dòng)力條件密切相關(guān),是水動(dòng)力與局部地質(zhì)地貌形態(tài)相互作用的結(jié)果.為了進(jìn)一步研究朱家尖兩個(gè)礫石海灘的成因,需要對(duì)當(dāng)?shù)睾Ｑ髣?dòng)力條件進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè),尤其是波浪和臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴的作用,對(duì)海灘的穩(wěn)定性具有非常重要的影響.5小烏合成人工懸架根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析及結(jié)果討論,得到以下結(jié)論:(1)水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果顯示,研究區(qū)礫石海灘規(guī)模大、坡度陡,其中大烏石塘礫石海灘規(guī)模大于小烏石塘,礫石堤頂部發(fā)育溝槽相間的地貌體系,由于波浪潮流的作用,在大潮低潮線上部形成陡坎;(2)橫向上,兩個(gè)礫石灘的沉積物平均粒徑由陸向海遞減,但在大潮低潮線附近又增大,分選變好,潮間帶礫石球度較海灘上部及下部低,海灘礫石的扁長(zhǎng)度及桿狀程度由礫石堤頂部向海方向遞增;(3)縱向上,大烏石塘礫石灘由灣頂向南北兩個(gè)方向沉積物平均粒徑遞減,分選變好,礫石球度降低,桿狀程度提高;小烏石塘礫石灘由海灘南部