近期長江口表層沉積物時空分布特性

近期長江口表層沉積物時空分布特性

1長江口表層沉積物粒度隨立地環(huán)境的變化規(guī)律粒度及其分布特征是沉積物的基本性質(zhì)，粒度分析也是闡明沉積物動態(tài)過程的主要手段之一。沉積物粒度主要受搬運介質(zhì)、水動力強弱和搬運方式等因素的控制,并且與沉積環(huán)境息息相關(guān),因而眾多學者利用沉積物粒度參數(shù)之間的關(guān)系進行沉積環(huán)境的判別,推斷沉積物發(fā)生沉積時的動力條件。研究長江口現(xiàn)代沉積物粒徑和組分的時空分布,及其在不同沉積環(huán)境和不同動力作用下的粒度分布特征,有助于探討河口沉積動力機制,對進一步深入研究長江口現(xiàn)代沉積動力作用和沉積環(huán)境具有重要的意義。對于沉積物粒度,人們往往更多地關(guān)注其空間上(沿岸和橫向上)的分布變化及其與沉積環(huán)境的響應,而時間上的變化較少引起注意,原因可能是人們通常認為粒度在時間上的變化沒有空間上變化大,而且長期的取樣資料積累不夠。陳沈良等對淤泥質(zhì)潮灘長期取樣的研究發(fā)現(xiàn),由于潮灘的沖淤變化,其粒度也相應變化。戴志軍等在分析長江口南槽沉積物粒度特征時發(fā)現(xiàn),大潮期間的沉積物粒度與中、小潮期間有所不同。因此僅根據(jù)一次取樣不能全面地認識表層沉積物的分布特征。長江口徑流有明顯的洪枯季變化,潮流有大小潮變化,而且汊道眾多,灘槽泥沙交換頻繁,地形沖淤多變。為此,了解長江口表層沉積物粒度的時空變化特征就顯得十分必要。本文將在2003—2005年長江口558個表層沉積物采樣資料分析的基礎(chǔ)上,分析長江口表層沉積物分布的洪枯季、大小潮和年際變化特征,對比15年來長江口表層沉積物分布特性的變化及其原因,并對長江口主要的沉積環(huán)境進行劃分,探討其粒度分布特征。2年輸沙量和懸沙粒徑統(tǒng)計長江口是一個典型的分汊型河口,在徐六涇以下形成“三級分汊,四口入?！钡母窬?圖1)。長江口又是中等強度的潮汐河口,口外為正規(guī)半日潮,口內(nèi)為非正規(guī)半日淺海潮,口門附近中浚站平均潮差2.66m,口內(nèi)吳淞站平均潮差2.21m。據(jù)大通站資料,年徑流總量9051億m3(1950—2000),徑流量有明顯的季節(jié)變化,洪季5～10月流量占全年徑流量的70.8%,流量高峰在7～8月?？菁?月和2月平均徑流量分別占3.2%和3.4%。由于水量大,大通站年平均輸沙量達4.33億t(1950—2000),其中洪季輸沙量約占全年的87%,7月輸沙量最大,占全年的21%,2月輸沙量最小,不足全年的0.7%。2003年全年輸沙2.06億t,相對2002年的2.75億t,減少了大約25%。懸沙年平均粒徑為17μm,2003年實測10μm。近期大通站徑流量、輸沙量和懸沙中值粒徑統(tǒng)計如下(表1):沉積物用“筒式”采樣器采集,具體采樣時間和站位見圖1。在實驗室將采集的沉積物樣品取出5～10g放入5ml的燒杯中,先加入10ml濃度為10%的H2O2去除樣品中的有機質(zhì),微熱后靜置24h,再加入10ml濃度為4%的六偏磷酸鈉([NaPO3]6),然后用超聲波振蕩對樣品進行分散處理后,經(jīng)Coulter(LS-100Q)激光粒度儀測試,分析沉積物粒徑;分選系數(shù)(σI)、偏度(SKI)和峭度(KG)由Folk等公式得到。粘土、粉砂和砂的粒級分類采用國際通用的?分類標準,沉積物采用Shepard方法命名。3表面沉積物的時空分布3.1充填沉積物組分選取2003年2月和2003年7月采集的樣品分析長江口枯季和洪季表層沉積物粒度分布特征(圖3)。結(jié)果表明:總體上從徐六涇到口外,表層沉積物中值粒徑逐漸變小,由江陰附近的217.8μm(2003年2月資料)減小到口門附近的10μm左右,沉積物類型由砂逐漸變?yōu)檎惩临|(zhì)粉砂,長江口表層沉積物中值粒徑和沉積物類型在洪枯季沒有根本性的變化(表2)。渾濁帶海域(橫沙以下,10m等深線以內(nèi))北港表層沉積物粒徑最粗,汊道平均中值粒徑枯季為126.2μm,洪季為127.4μm,沉積物類型主要以砂和粉砂質(zhì)砂為主;北槽其次,汊道平均中值粒徑枯季為48.4μm,洪季為59.8μm,沉積物類型以粉砂、砂質(zhì)粉砂和砂為主;南槽最細,汊道平均中值粒徑枯季為14.2μm,洪季為17.4μm,沉積物類型主要是粘土質(zhì)粉砂。10m等深線以外的口外海域則北槽較大,沉積物類型以粘土質(zhì)粉砂為主。北支受潮流作用的影響,上段粒徑較粗,以砂質(zhì)粉砂和砂為主;下段較細,沉積物類型以粘土質(zhì)粉砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂為主。長江口毗鄰的杭州灣海域表層沉積物粒徑較細,沉積物類型以粘土質(zhì)粉砂為主。無論洪季還是枯季,北港口外橫沙淺灘附近區(qū)域存在一個粒徑較大的“粗砂區(qū)”,沉積物類型以砂為主。渾濁帶海域,洪季表層沉積物粒徑比枯季粗,尤以橫沙淺灘外沿的“粗砂區(qū)”表現(xiàn)更為明顯(表2)。南槽主槽枯季時主要以粘土質(zhì)粉砂為主,洪季也有部分區(qū)域有砂的分布,而口外海域(10m等深線以外)枯季時表層沉積物中值粒徑為12～22μm,洪季時為6～8μm,洪季沉積物中值粒徑比枯季時有所減小,而且枯季時南支三條入海汊道枯季表層沉積物差異明顯,洪季時差別較小(表2)。上述差異主要是由于枯季風浪掀沙作用使口外表層沉積物中細顆粒物質(zhì)再懸浮,因而表層沉積物較粗;而洪季長江徑流攜帶大量的懸沙在口外落淤,表層沉積物粒徑較細?？谕獗韺映练e物中值粒徑的差異說明了口外海域“洪淤枯沖”的特性,無論洪枯季,口外海域表層沉積物類型均以粘土質(zhì)粉砂為主。洪季長江下泄流量比枯季大得多,落潮動力也相應增強。與枯季相比,洪季表層沉積物中砂和粉砂的含量增加,粘土的含量減少,其中北港以砂的含量增加最為明顯,南槽粉砂的含量增加較明顯(圖4)。說明北港無論是洪季還是枯季水動力作用較強,表層沉積物較粗。由于洪季下泄徑流量大,南槽沉積物中粉砂的含量增加,砂的含量部分增加,粘土的含量顯著減少。北支青龍港附近砂的含量洪季比枯季有明顯的增加。而口外海域洪季粘土的含量增加,粉砂的含量降低,砂的含量減少,說明洪季時有更多的細顆粒物質(zhì)攜帶進入10m等深線以外的海域沉積下來。為對比長江口主要汊道表層沉積物中值粒徑洪枯季差異,選取2003年2月(枯季)和7月(洪季)長江口徐六涇—北港口(至10等深線附近)主槽沿程的表層沉積物中值粒徑進行對比(圖5),整個斷面洪季的中值粒徑平均值比枯季略細,枯季為127.1μm,洪季為108.9μm;而在渾濁帶海域枯季表層沉積物中值粒徑平均為113.6μm,洪季平均為121.2μm,洪季比枯季偏粗約7%左右。通過分析對比,我們對長江口洪枯季表層沉積物的粒度及組分特征得到以下認識:(1)從江陰到口外,表層沉積物中值粒徑逐漸變小。就主槽而言,橫沙以上河段無論洪枯季均較粗,沉積物類型以砂為主。最大渾濁帶海域枯季時粒徑較細,洪季時較粗,沉積物類型以粉砂、粘土質(zhì)粉砂和砂為主?？谕夂Ｓ騽t枯季粗,洪季細,沉積物類型以粘土質(zhì)粉砂為主。北支上段以粗顆粒為主,沉積物類型主要是砂質(zhì)粉砂和砂;北支下段以細顆粒為主,沉積物類型主要是粘土質(zhì)粉砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂;洪季時北支上段表層沉積物粒徑變粗。杭州灣海域表層沉積物整體較細,沉積物類型以粘土質(zhì)粉砂為主。(2)無論洪枯季北港表層沉積物最粗,北槽次之,南槽最細。(3)橫沙以上(橫沙的河口上游河段)沉積物以砂組分為主,橫沙以下沉積物以粉砂組分為主。橫沙以上和口外海域表層沉積物類型洪枯季差異不大,其中橫沙以上沉積物中粉砂和砂組分洪季比枯季有明顯的增加,口外海域洪季粘土的含量增加,粉砂和砂的含量減少。3.2表層沉積物粒度2003年7月部分野外觀測站點大小潮分別采集表層沉積物樣品(圖6),據(jù)此討論大小潮表層沉積物粒徑與組分特征的變化。與大潮相比,小潮表層沉積物粒徑總體差別不大,個別站點有差異。選取2003年7月大小潮分別采集的表層沉積物進行對比分析,大部分站點表層沉積物粒徑和類型與大潮相同。經(jīng)計算,大小潮兩次采樣的差值平均為9.7%(圖7,站號見圖6),主要表現(xiàn)為小潮期間粘土和粉砂的含量相對增加,砂的含量稍有減少。分析表明,在南支—北港動力作用強勁的區(qū)域,沉積物相對穩(wěn)定,中值粒徑差別小。綜合以上分析,大、小潮表層沉積物粒度差別不大,總體變化的趨勢不變。但由于個別區(qū)域大小潮水流條件有差異,如北港中部動力作用大潮和小潮小明顯不同,可能會引起表層沉積物隨潮型變化。南槽以下河段,與毗鄰的南匯灘地之間灘槽泥沙交換頻繁,大小潮之間的差異較大;北支上段因涌潮影響的強度有差異,因而表層沉積物粒徑在大小潮有一定波動;其余站點水動力、泥沙場相對較穩(wěn)定,因而表層沉積物粒徑大小有波動而分布的總體趨勢不變。在水動力強勁的區(qū)域,沉積物的粒徑相對較穩(wěn)定。3.3不同海域表層沉積物中值粒徑隨時間的變化特征選取2003年2月和2004年2月采樣資料對比分析表層沉積物粒徑年際變化。與2003年2月相比,2004年2月表層沉積物中值粒徑“從徐六涇向口外逐漸變細”的趨勢不變,但各汊道有差別(圖8)。長興島兩側(cè)的南北港海域,北港粒徑有所增加(由2003年的75.7μm減小到2004年的177.1μm),南港減小(由2003年的155.7μm減小到2004年的108.9μm);青龍港附近的D122中值粒徑相差不大(2003年為110.2μm,2004年為107.5μm),但2004年2月砂的含量明顯增加,沉積物類型由粉砂質(zhì)砂變?yōu)樯?。總體上,橫沙以上海域表層沉積物中值粒徑變化相對較小,沉積物類型也基本相同。選取徐六涇—北港口外一線(圖9),對比2003年和2004年枯季長江口表層沉積物中值粒徑的年際變化,所選取的比較站點均與2003年2月站位相同。徐六涇—北港口外表層沉積物中值粒徑總體由大到小的趨勢不變。但2004年2月表層沉積物中值粒徑比2003年2月總體偏小,比2003年2月平均減少43%。2004年長江干流上各站徑流量和輸沙量大多比2003年有不同程度的下降,因此,2004年屬“平水少沙”年。據(jù)大通站資料(表1),2004年大通站的徑流量與多年平均值相比偏少12.9%,比2003年偏小14.7%;2004年大通站輸沙量比多年平均偏少66.1%,比2003年偏小28.6%;懸沙中值粒徑比多年平均減少53.9%。2004長江流域的來水來沙量減少,是長江口2004年表層沉積物總體上比2003年偏細的主要原因。2004年枯季表層沉積物組分(圖10)延續(xù)了2003年枯季的基本特征,橫沙以上的海域砂的含量高,橫沙以下海域粉砂的含量較高。杭州灣海域除5m等深線以內(nèi)的近岸破波帶內(nèi)砂的含量較高以外,其余站點均以粉砂為主,粘土次之。以上分析說明,長江口表層沉積物中值粒徑的年際變化與上游來水來沙量密切相關(guān)。2003年大通站來水來沙豐沛,枯季表層沉積物粒徑較粗,而2004年來水來沙相對較少,因而枯季表層沉積物粒徑較細。但長江口地區(qū)表層沉積物的長期連續(xù)觀測資料有限,長江口表層沉積物隨大通流量和輸沙量變化的規(guī)律還需要更全面的資料支持和更深入的研究。3.4口表層沉積物類型眾多學者對長江口表層沉積物的分布特征做了大量相關(guān)研究,所用資料是很多年積累的表層沉積物資料的集成,而且大多是上世紀八十年代采集的樣品。近二十年來,長江河口水文、泥沙、地貌狀況已經(jīng)有了一定的變化,了解近期長江口表層沉積物分布特征就顯得尤為必要。本文根據(jù)2003—2005在長江口采集的558個表層沉積物樣品,并綜合近期橫沙淺灘表層沉積物分布特征,繪制了長江口表層沉積物中值粒徑和沉積物類型分布圖(圖11,12)。由圖12得到,長江口表層沉積物類型主要有砂、粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂與粘土質(zhì)粉砂。▼細砂主要分布在江陰—橫沙以上的河段、北港下段、橫沙淺灘、崇明東灘、南匯嘴近岸等區(qū)域,其他汊道有零星分布;▼粉砂質(zhì)砂主要分布在北支上段、下段沙體和潮流脊、南支橫沙以上的河段,南匯嘴、九段沙淺灘、橫沙東灘、北港、崇明東灘均有分布;▼砂質(zhì)粉砂分布在扁擔沙下段、北支上段、北支下段沙體和潮流脊、北港下段、崇明東灘和南匯東灘;▼粉砂主要分布在橫沙淺灘、北港口外、北槽、南槽上段、九段沙、南匯嘴外沿;▼粘土質(zhì)粉砂是河口邊灘、沙體外圍以及橫沙—口外廣泛分布的一種沉積物類型。將本文研究成果與劉蒼字等的研究成果(沉積物樣品于1990年前后采集)比較(圖13),中值粒徑變化較大的主要集中在以下幾個區(qū)域:北支青龍港以上、南支白茆沙南水道、吳淞口附近河段、北港上段、南港上段及渾濁帶海域,近十五年來變化的量值統(tǒng)計如下(表3)。表層沉積物類型變化較大的區(qū)域主要是在北支上段、南北港分流口、北槽和南槽渾濁帶海域。上述這些差異產(chǎn)生的原因可能有以下幾個方面:(1)河槽的自然演變。因為進入的徑流量少,北支日益淤淺,河槽已逐漸萎縮,大潮時涌潮作用加強,北支上段沉積物變粗;南北港分流口近百年來沖淤演變劇烈,地形變化復雜,表層沉積物也會隨之變化;南槽近年來漲潮優(yōu)勢流加強,沉積物變細。以上這些差異是河槽自然演化的結(jié)果。(2)人工干預。北槽深水航道建設(shè)以后,對北槽表層沉積物分布有了較大的改變,因航道加深,水流通暢,沉積物中值粒徑也明顯變粗。4沉積環(huán)境亞區(qū)表層沉積物粒度特征丹麥學者Pejrup等提出了新的三角圖,從沉積物的結(jié)構(gòu)組成及其反映的水動力強度來區(qū)分現(xiàn)代河口環(huán)境及其不同的亞環(huán)境。Pejrup等以砂的百分含量為10%、50%、90%將沉積物分為A、B、C、D四大類,然后用粘土粉砂+粘土粘土粉砂+粘土的百分比為20%、50%、80%的三條輻射線將沉積物分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四類。前者反映沉積物的基本粒度組成和分選程度,進而反映介質(zhì)的流動強度和混濁度,砂的含量越大,介質(zhì)的流動強度越大;而后者則反映遞變懸浮組分(粉砂)與均勻懸浮組分(粘土)的量比,是介質(zhì)擾動度的反映,其值越低(Ⅲ、Ⅳ區(qū)),說明水動力作用越強。Pejrup三角圖有重要的成因意義和顯著的解釋功能。A、B、C、D反映沉積物中砂、粉砂的含量比,取決于物源區(qū)的距離、搬運介質(zhì)的強弱。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ代表了沉積物的水動力學特征。Ⅰ類屬懸浮組分均為粘土的情況,Ⅳ代表懸浮組分均為粉砂的情況,代表擾動的環(huán)境,Ⅱ、Ⅲ類介于其間。Pejrup三角圖中16個區(qū)分別代表不同的沉積動力環(huán)境,對河口亞環(huán)境具有相當好的分辨能力。2003年2月表層沉積物資料是近期野外觀測中采樣范圍最大的一次,也是準同步采集的樣品,代表性較強。根據(jù)上述原理和方法,將2003年枯季長江口表層沉積物資料點繪于Pejrup三角圖中(圖14),所有的點均落在Ⅲ、Ⅳ動力區(qū),說明長江口水動力作用較強,但不同的環(huán)境水動力條件也有差異,大致可以分為以下四種沉積環(huán)境:河口主槽、河口淺灘、渾濁帶主槽、河口邊灘和口外。根據(jù)徑流和潮流相互作用的強弱,將長江口分為徑流作用為主(江陰—徐六涇)、徑潮流相互作用(徐六涇—長興以及渾濁帶海域)、潮流作用為主(北支和口外)等幾個動力區(qū),各個動力區(qū)內(nèi)又根據(jù)Pejrup三角圖結(jié)合地貌形態(tài)劃分為若干個沉積環(huán)境亞區(qū)。將2003—2005年采集的表層沉積物樣品在各沉積環(huán)境亞區(qū)內(nèi)求取平均值,分別討論各沉積環(huán)境亞區(qū)表層沉積物的粒度特征(表4),從而能更好的了解長江口各沉積環(huán)境亞區(qū)在不同的動力條件下表層沉積物的粒度分布及粒度參數(shù)特征。對長江口各沉積環(huán)境區(qū)表層沉積物粒度特征的分析表明:(1)長江口主槽沉積物較粗,沉積物類型以砂、粉砂質(zhì)砂、粉砂為主,而南槽主槽較細,以粘土質(zhì)粉砂為主;渾濁帶、邊灘和口外海濱較細,以粘土質(zhì)粉砂和粉砂為主。(2)橫沙以上區(qū)域主槽沉積物比附近淺灘和沙體粗;渾濁帶海域北港主槽沉積物粗于附近淺灘,北槽和南槽主槽沉積物比附近淺灘細;北支下段主槽沉積物要比沙洲和潮流脊細。(3)從粒度參數(shù)特征反映,南支河段沙體中,扁擔沙和中央沙從沉積物粒徑、粒度參數(shù)和粒度組分上看具有更多的相似性,其沉積動力特征相近,白茆沙的沉積動力條件似乎與二者不同。(4)在渾濁帶海域,主槽和淺灘的表層沉積物中值粒徑均表現(xiàn)為“北粗南細”的特征。由北向南,主槽和淺灘的表層沉積物中砂的含量逐漸減少,粘土和粉砂的含量逐漸增加,體現(xiàn)了渾濁帶海域動力條件由北向南逐漸減小的特征。5大河口表層沉積物組分含量的差異將黃河口、長江口、珠江口這三大河口粒度參數(shù)相互比較發(fā)現(xiàn)(表5),長江口中值粒徑平均值最大,為70.7μm,黃河口平均中值粒徑為49.8μm,珠江口平均中值粒徑最小,只有12.2μm。長江口表層沉積物類型主要以砂、粘土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂為主;黃河口表層沉積物類型主要以粉砂質(zhì)砂、粉砂質(zhì)粘土、粘土質(zhì)粉砂為主;珠江河口表層沉積物類型主要以粘土質(zhì)粉砂、粉砂、砂質(zhì)粉砂為主。由沉積物類型和各組分含量的對比分析發(fā)現(xiàn),三大河口由北往南,粘土的含量逐漸增高,以珠江河口最大,粉砂含量以黃河口最大,砂的含量長江口最大。長江口以粉砂和砂組分為主,其中砂的含量達到41.5%,黃河口和珠江口以粉砂組分為主。長江口表層沉積物分選最好,黃河口其次,珠江口最差。黃河口沉積物偏度最大,長江口其次,珠江口最小。長江口沉積物峭度最大,黃河口其次,珠江口最小。粘土是能直接搬運到河口區(qū)以遠的物質(zhì),大多以沖泄質(zhì)形式輸送到河口。粘土粒級是研究沉積物物源的重要手段,粘土含量的高低代表了三大流域巖石風化作用的強弱。據(jù)研究,黃河沉積物90%來自中游的黃土高原,長江沉積物80%來自川江,珠江沉積物70