天津潮間帶沉積物粒度分布特征及沉積作用

1沉積作用與沉積環(huán)境天津海岸帶位于渤海灣西岸至西岸灣頂部。它是最活躍的陸海相互作用的地區(qū)。該區(qū)沉積物以粉砂淤泥質(zhì)為主，屬潮灘沉積。其特點(diǎn)是岸線平直，潮灘寬廣平坦、分帶明顯，屬于不規(guī)則半日潮影響的以潮汐作用為主的潮間帶。本地區(qū)的潮間帶沉積作用研究開(kāi)始于1960年代，已有多位學(xué)者論述了本區(qū)的沉積物粒度特征和沉積作用[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]。但大多數(shù)研究者只是對(duì)某一區(qū)域的潮間帶沉積物的粒度特征進(jìn)行了研究，僅1980年代的海岸帶調(diào)查對(duì)全區(qū)進(jìn)行了全面的沉積物粒度分析。近年來(lái)，筆者承擔(dān)國(guó)家海洋局的“908專項(xiàng)”和中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的《天津?yàn)I海新區(qū)海岸帶環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)》項(xiàng)目，在天津市潮間帶采集了108個(gè)底質(zhì)樣品，以查明沉積物的粒度組成特征，為該區(qū)的沉積環(huán)境、岸灘演變分析提供可靠的依據(jù)。沉積物粒度是描述沉積環(huán)境的重要參數(shù)之一，特定的沉積環(huán)境必然具有特定的沉積物粒度參數(shù)及其組合特征。粒度參數(shù)可以用來(lái)判析沉積物搬運(yùn)方式和水動(dòng)力條件，提取沉積環(huán)境和物質(zhì)來(lái)源的信息。2樣品采集和分析在天津市潮間帶布設(shè)了8條垂直于海岸線的底質(zhì)取樣主干剖面和19條垂直于海岸線的底質(zhì)取樣輔助剖面，在每條剖面的潮間帶上部、中部和下部分別采集表層沉積物樣品，共計(jì)108個(gè)。樣品使用塑料桶或塑料袋保存，取樣點(diǎn)使用GPS系統(tǒng)定位（圖1）。沉積物粒度分析樣品在南京大學(xué)海岸與海島開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，使用英國(guó)馬爾文公司生產(chǎn)的Mastersizer2000型激光粒度分析儀，該儀器測(cè)量范圍為0.02～2000μm。利用矩法計(jì)算樣品的粒度參數(shù)，并計(jì)算出各粒級(jí)的重量百分比。3結(jié)果與討論3.1粉砂、粘土t沉積物類型劃分采用尤登-溫德華氏等比制Ф值粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將潮間帶沉積物劃分為三大類：砂（S），粒級(jí)范圍0～4Ф（2～0.063mm）；粉砂（T），粒級(jí)范圍5～8Ф（0.063～0.004mm）；粘土（Y），粒級(jí)范圍9～>11Ф（0.004～<0.001mm），再根據(jù)各樣品砂、粉砂、粘土的百分含量，投點(diǎn)于謝帕德松散巖類命名三角圖，按其所占區(qū)位予以命名（圖2）。圖2顯示，潮間帶表層沉積物共有4種類型，分別為粘土質(zhì)粉砂（YT）、砂質(zhì)粉砂（ST）、粉砂質(zhì)砂（TS）和砂（S）。3.2不同類型的樹(shù)干和表面積的特征及其分布圖3展示了潮間帶表層沉積物各類型的分布情況。3.2.1砂粒粒級(jí)分析該巖類占潮灘樣品總數(shù)的73.15%，是渤海灣西岸最常見(jiàn)的沉積物。粘土質(zhì)粉砂表層顏色較淺，向下變深，總體呈灰色，富含水，粘、可塑，常有黑色有機(jī)質(zhì)浸染的條紋和斑塊。當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量較高時(shí)，攪動(dòng)會(huì)出現(xiàn)氣泡，底部有泥質(zhì)團(tuán)塊，其核心含有砂粒，遇HCl多數(shù)不起泡。粒度分析結(jié)果顯示，該巖類中粉砂粒級(jí)組分含量平均為65.00%，最多為73.17%，最少為51.18%；粘土粒級(jí)組分含量平均為27.99%，最多為40.40%，最少為20.71%；砂粒級(jí)組分含量平均為7.00%，最多為19.85%，最少為0。平均粒徑介于6.178～7.715Ф之間。該巖類在天津市潮間帶分布廣泛（圖3），主要分布在海河以北和獨(dú)流減河河口—歧口岸段的潮灘區(qū)，呈片狀分布。在海河口以南—塘沽鹽場(chǎng)一分場(chǎng)、獨(dú)流減河口的潮灘區(qū)，粘土質(zhì)粉砂均分布在潮灘的上部和下部，呈條帶狀。3.2.2河口潮灘下、子牙新河河口潮灘下和頭階段圖6僅在大沽排污河河口潮灘中部、獨(dú)流減河河口潮灘上部、子牙新河河口潮灘下部和蟶頭沽潮灘中上部（圖3）等少數(shù)地點(diǎn)發(fā)現(xiàn)該類沉積物，均與現(xiàn)代河口或古河口有關(guān)。3.2.3砂粒級(jí)組分含量該巖類在潮灘樣品總數(shù)中只占7.41%。粉砂級(jí)含量較高，具有高液化性質(zhì)，遇水后呈半液態(tài)，棕灰色，常含有機(jī)質(zhì)和泥質(zhì)團(tuán)粒，有底棲生物擾動(dòng)痕跡。粒度分析結(jié)果顯示，該巖類中砂粒級(jí)組分含量平均為56.30%，最多可達(dá)69.71%，最少為44.39%；粉砂粒級(jí)組分含量平均為34.21%，最多可達(dá)44.15%，最少為24.53%。平均粒徑介于3.935～5.231Ф之間。粉砂質(zhì)砂分布在大沽河口—塘沽鹽場(chǎng)一分場(chǎng)岸段潮灘中下部（圖3）、驢駒河—高沙嶺岸段潮灘的下部、高沙嶺—獨(dú)流減河河口岸段潮灘的中上部及子牙新河河口潮灘的中下部，均平行于岸線呈條帶狀展布。3.2.4砂粒級(jí)組分含量分析該巖類占潮灘樣品總數(shù)的15.74%，是天津岸段最粗的沉積物。砂組分沉積物總體呈濁黃棕色，因含粉砂，遇海水多呈半流動(dòng)性，易液化，有機(jī)質(zhì)含量較少。受海水的淘洗，砂的質(zhì)地干凈，含重礦物較多，有底棲生物活動(dòng)的痕跡。粒度分析結(jié)果顯示，該巖類中砂粒級(jí)組分含量平均為90.62%，最多可達(dá)97.32%，最少為76.03%；粉砂粒級(jí)組分含量平均為8.36%，最多為20.20%，最少為2.68%。平均粒徑介于3.08～3.943Ф之間。該巖類在天津市潮間帶主要分布在塘沽鹽場(chǎng)一分場(chǎng)—高沙嶺岸段潮灘區(qū)（圖3），高沙嶺—獨(dú)流減河河口岸段潮灘的中部也有出現(xiàn)。3.3沉積物起源與水環(huán)境分析3.3.1沉積相與沉積環(huán)境海河口至澗河口的潮間帶沉積了大面積的棕灰色粘土質(zhì)粉砂，富含水，粘性較大，具可塑性，表層有黑色有機(jī)質(zhì)染斑、團(tuán)塊。按沉積物粒度中值粒徑分區(qū)，可以分為2個(gè)區(qū)，即Md=6～7Ф區(qū)（中細(xì)粉砂）和Md≥7Ф區(qū)（極細(xì)粉砂）。Md≥7Ф區(qū)分布在蔡家堡、蟶頭沽潮間帶上部（表1）和永定新河河口。Md=6～7Ф區(qū)分布在潮間帶中下部，只有蟶頭沽南分布在潮間帶上部及潮間帶中下部。造成該區(qū)沉積物偏細(xì)的原因有2個(gè)：(1)該處位于渤海灣西北灣頂部位，潮汐能量衰減較大，到達(dá)該處時(shí)潮流能量已經(jīng)很弱；(2)在該區(qū)東、東南方向有凸出的灤河三角洲地貌單元，對(duì)該地區(qū)形成屏障，也削弱了海流等（波浪和沿岸流）的能量。表1顯示，該地區(qū)潮間帶表層沉積物的砂組分自潮間帶上部向下部呈降低的趨勢(shì)，粉砂和粘土組分則呈增高的趨勢(shì)。潮間帶上部站位6-6的頻率曲線為雙峰形，主峰在4.5～10.5Ф之間，峰頂為6.5Ф，應(yīng)為潮灘沉積環(huán)境。次峰在-1.5～4.5Ф之間，峰頂為3Ф，具有低平前尾的特點(diǎn)，從粗砂到細(xì)砂各粒級(jí)均分選不良，應(yīng)為河口沉積環(huán)境（圖4）。所以，站位6-6反映河口沉積后又被潮汐作用改造成潮灘沉積。潮間帶中部站位6-3的頻率曲線為不對(duì)稱平緩單峰，峰頂在6.2Ф（中粉砂—細(xì)粉砂）附近，含量小于20%，具有粒級(jí)范圍廣、含量低的特征，而且均有波狀短尾。曲線特征表明，該點(diǎn)也具有潮灘環(huán)境的特征，但其前尾粒徑為中粉砂粒級(jí)，說(shuō)明仍保留河流沉積因素，所以站位6-3應(yīng)為受河流影響的潮灘沉積（圖4）。潮間帶下部站位6-1的頻率曲線為對(duì)稱單峰形，峰頂在6.2Ф附近，是潮灘沉積的特征（圖4）。蟶頭沽剖面應(yīng)是以潮灘沉積為主，在潮灘中部保留有古河口沉積物。3.3.2海河口東南部的沉積物沉積物沉積環(huán)境海河口以南的潮間帶，按表層沉積物中值粒徑分布形態(tài)可分為3部分。(1）潮流水動(dòng)力作用機(jī)制該岸段是天津岸段唯一的砂質(zhì)潮灘，砂沉積呈寬平的條帶狀，剖面Ⅰ反映了這一沉積特征（表2）。表2顯示，該岸段從潮間帶上部向下部，砂組分、粉砂組分呈降低的趨勢(shì)，粘土組分則呈增高的趨勢(shì)，平均粒徑3.4Ф→5.23Ф。值得注意的是，該岸段最粗的沉積物分布于潮間帶中部，從高潮灘向低潮灘水動(dòng)力表現(xiàn)為中—強(qiáng)—弱的過(guò)程。潮間帶上部站位Ⅰ-3的頻率曲線呈對(duì)稱的單峰形，主峰在2.5Ф處（在5.5Ф處雖有一對(duì)稱峰形，但因百分含量過(guò)低，可忽略不計(jì)），其偏度為1.57，屬于正偏態(tài)，主要粒級(jí)偏向粗粒一側(cè)，即0～2.5Ф（粗砂—中細(xì)砂）。分選系數(shù)為1.25，近于中等，說(shuō)明潮間帶上部的沉積物是較強(qiáng)潮流水動(dòng)力作用下形成的（圖5）。潮間帶中部站位Ⅰ-2的頻率曲線是典型的對(duì)稱型單峰曲線，主峰在2.3Ф處，偏度為0.15，粒徑范圍0.5～3.4Ф（粗砂—細(xì)砂），呈對(duì)稱分布，分選程度中等。上述粒度參數(shù)特征表明，潮間帶中部沉積物也是較強(qiáng)的潮流水動(dòng)力作用形成的（圖5）。潮間帶下部站位Ⅰ-1的頻率曲線是雙峰形曲線，主峰位于2.4Ф處，粒徑范圍為-0.5～4Ф（極粗砂—極細(xì)砂），偏度為2.02，極對(duì)稱，略有正偏態(tài)，即粗的尾部較長(zhǎng)（粗粒徑組分較多）。次峰位于6.5Ф處，粒級(jí)范圍為4～10.5Ф（極細(xì)砂—粘土），峰態(tài)較平緩，曲線首與主峰尾相接，尾部較平緩，從8.5Ф直拖至10.5Ф，分選系數(shù)為2.55，分選很差。曲線從4～8.5Ф為平緩對(duì)稱形，具有受漲潮流和落潮流2個(gè)作用影響的海灘砂的特點(diǎn)，大于8.5Ф的部分（尾部）含量很少，說(shuō)明落潮流能量也很大。所以，潮間帶下部也具有較強(qiáng)的水動(dòng)力（圖5）。據(jù)潮間帶上部、中部和下部沉積物的成因分析，該段應(yīng)是受較強(qiáng)的海洋動(dòng)力作用影響的潮灘環(huán)境。(2）帶下高壓旋轉(zhuǎn)軸-3粗粉砂的充填體本岸段潮間帶表層沉積物呈多巖類條帶狀分布，北端與驢駒河砂質(zhì)潮灘相接，南端逐漸變?yōu)槠瑺钫惩临|(zhì)粉砂潮灘，是2種沉積環(huán)境的過(guò)渡帶（表3）。表3顯示，該剖面沉積物組成從潮間帶上部向下部具有明顯的差異性，砂組分呈中→高→低的趨勢(shì)，粉砂、粘土組分呈中→低→高的變化。中值粒徑表明，潮間帶中部最粗，為3.19Ф（細(xì)砂），上部為4.13Ф（粗粉砂），下部是6.08Ф（中—細(xì)粉砂），粘土含量均比較低，所以該潮間帶仍是由粗粒徑物質(zhì)組成的。潮間帶上部站位G-3、中部站位G-2的頻率曲線形態(tài)與高沙嶺剖面Ⅰ站位Ⅰ-3、Ⅰ-2的頻率曲線相似，是較強(qiáng)的潮流水動(dòng)力作用形成的。潮間帶下部站位G-1的頻率曲線表現(xiàn)為低平的雙峰形態(tài)，主峰位于3.2Ф處（細(xì)砂），兩側(cè)不對(duì)稱，粗粒組分由0～3.2Ф（粗砂—細(xì)砂）構(gòu)成較陡的長(zhǎng)尾，細(xì)粒組分由3.2～4.5Ф（極細(xì)砂—粗粉砂）組成并與次峰相接。次峰位于6.3Ф處（中粉砂粒級(jí)），有較長(zhǎng)的波狀長(zhǎng)尾，粒徑達(dá)10.5Ф（細(xì)粘土），是不對(duì)稱偏態(tài)的次峰。該特點(diǎn)表明沉積物受3種動(dòng)力的影響：(1)較強(qiáng)的動(dòng)力，形成以粗粒級(jí)為主峰，并有粗、中砂前尾的頻率曲線；(2)中能量、平穩(wěn)的動(dòng)力，形成次峰；(3)與主峰能量相接的低能量，使粘土沉積。判斷站位G-1的沉積物是在漲潮流、平潮期和落潮流混合沉積的潮間帶砂泥坪沉積環(huán)境中形成的（圖6）。綜上所述，高沙嶺—獨(dú)流減河河口南岸段潮間帶中部的水動(dòng)力較強(qiáng)，而潮間帶上部和下部的水動(dòng)力則相對(duì)較弱。(3）潮灘沉積相特征本岸段的潮間帶表層沉積物是片狀粘土質(zhì)粉砂，只在子牙新河河口附近有島狀粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂沉積出現(xiàn)（表4）。表4顯示，砂組分從潮間帶上部向下部呈馬鞍形變化，粘土組分則不斷降低，平均粒徑由7.34Ф降至6.42Ф，即由極細(xì)粉砂漸變?yōu)橹小?xì)粉砂，具逐漸粗化的現(xiàn)象。站位A-1～A-4四條頻率曲線可分為2種形態(tài)：?jiǎn)畏逍魏碗p峰形。單峰形為A-2、A-3、A-4三個(gè)站位，只有靠近平均大潮低潮線的站位A-1為雙峰形頻率曲線。單峰形的3個(gè)站位峰頂處的粒徑均處于6.0～6.5Ф（中粉砂—細(xì)粉砂）之間，分選系數(shù)在1.56～1.94之間，分選偏差。從以上2點(diǎn)可以看出，這3個(gè)站位的水動(dòng)力強(qiáng)且不穩(wěn)定。3個(gè)單峰形曲線中只有站位A-4曲線的偏度為負(fù)偏態(tài)，說(shuō)明該曲線不對(duì)稱而且偏向細(xì)的方向，在粗的一端有長(zhǎng)尾，曲線左側(cè)沉積物粒級(jí)處于-0.5～3.5Ф（細(xì)砂—極粗砂）之間，應(yīng)為水動(dòng)力強(qiáng)的沉積環(huán)境，而曲線的粗尾則表明潮水的強(qiáng)動(dòng)力將攜帶的粗粒物質(zhì)堆積到近岸高潮灘上；而站位A-2、A-3兩條曲線的偏度均為正偏態(tài)，曲線近于對(duì)稱，屬于潮灘沉積環(huán)境。所以站位A-2、A-3、A-4均為潮灘沉積（圖7）。該剖面潮間帶下部的站位A-1是雙峰形曲線，主峰與站位A-2、A-3、A-4曲線相似，也是潮灘沉積物，但在3.7Ф左側(cè)出現(xiàn)了次峰，說(shuō)明在潮灘沉積物的基礎(chǔ)上又增加了粗尾（屬于新增加的粒級(jí)組組分）。次峰峰頂處的粒級(jí)是2.5Ф（中細(xì)砂），含量?jī)H為10%，其左側(cè)平尾粒徑處于1.5～0.5Ф（中粗砂）之間。偏度為-1.56，是負(fù)偏態(tài)，曲線呈不對(duì)稱形態(tài)，與左側(cè)新增的粗粒的平尾符合，反映站位A-1除有正常潮汐水動(dòng)力外，還有較強(qiáng)的其他動(dòng)力使潮灘增加了粗粒組分，即向岸風(fēng)浪攜帶海底砂堆積在潮間帶下部，使潮灘粗化（圖7）。剖面A應(yīng)屬潮灘沉積環(huán)境，靠近岸線處的站位A-4增加了大潮時(shí)的粗粒級(jí)沉積物；潮間帶下部的站位A-1增加了海洋動(dòng)力作用下來(lái)自鄰近潮下帶的砂粒級(jí)沉積物。4頭碳-水資源分布及沉積環(huán)境(1）天津市潮間帶表層沉積物分為3個(gè)巖性區(qū)，分別以海河口、獨(dú)流減河口為界。海河口以北至澗河口為片狀粘土質(zhì)粉砂分布區(qū)；海河口以南至獨(dú)流減河口為多巖性、條帶狀的砂—砂質(zhì)粉砂分布區(qū)；獨(dú)流減河口至歧口為片狀粘土質(zhì)粉砂分布區(qū)。海河口以北的粘土質(zhì)粉砂區(qū)中，蟶頭沽潮間帶中上部有略粗的巖性（砂質(zhì)粉砂）帶出現(xiàn)。在獨(dú)流減河口以南的片狀粘土質(zhì)粉砂區(qū)也有一處略粗的巖性（粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂）帶分布于歧口潮灘的中下部。(2）天津市岸段潮間帶表層沉積物類型比較簡(jiǎn)單