天津潮间带沉积物粒度分布特征及沉积作用

天津潮间带沉积物粒度分布特征及沉积作用

1沉积作用与沉积环境天津海岸带位于渤海湾西岸至西岸湾顶部。它是最活跃的陆海相互作用的地区。该区沉积物以粉砂淤泥质为主，属潮滩沉积。其特点是岸线平直，潮滩宽广平坦、分带明显，属于不规则半日潮影响的以潮汐作用为主的潮间带。本地区的潮间带沉积作用研究开始于1960年代，已有多位学者论述了本区的沉积物粒度特征和沉积作用[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]。但大多数研究者只是对某一区域的潮间带沉积物的粒度特征进行了研究，仅1980年代的海岸带调查对全区进行了全面的沉积物粒度分析。近年来，笔者承担国家海洋局的“908专项”和中国地质调查局的《天津滨海新区海岸带环境地质调查评价》项目，在天津市潮间带采集了108个底质样品，以查明沉积物的粒度组成特征，为该区的沉积环境、岸滩演变分析提供可靠的依据。沉积物粒度是描述沉积环境的重要参数之一，特定的沉积环境必然具有特定的沉积物粒度参数及其组合特征。粒度参数可以用来判析沉积物搬运方式和水动力条件，提取沉积环境和物质来源的信息。2样品采集和分析在天津市潮间带布设了8条垂直于海岸线的底质取样主干剖面和19条垂直于海岸线的底质取样辅助剖面，在每条剖面的潮间带上部、中部和下部分别采集表层沉积物样品，共计108个。样品使用塑料桶或塑料袋保存，取样点使用GPS系统定位（图1）。沉积物粒度分析样品在南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室测试，使用英国马尔文公司生产的Mastersizer2000型激光粒度分析仪，该仪器测量范围为0.02～2000μm。利用矩法计算样品的粒度参数，并计算出各粒级的重量百分比。3结果与讨论3.1粉砂、粘土t沉积物类型划分采用尤登-温德华氏等比制Ф值粒级标准，将潮间带沉积物划分为三大类：砂（S），粒级范围0～4Ф（2～0.063mm）；粉砂（T），粒级范围5～8Ф（0.063～0.004mm）；粘土（Y），粒级范围9～>11Ф（0.004～<0.001mm），再根据各样品砂、粉砂、粘土的百分含量，投点于谢帕德松散岩类命名三角图，按其所占区位予以命名（图2）。图2显示，潮间带表层沉积物共有4种类型，分别为粘土质粉砂（YT）、砂质粉砂（ST）、粉砂质砂（TS）和砂（S）。3.2不同类型的树干和表面积的特征及其分布图3展示了潮间带表层沉积物各类型的分布情况。3.2.1砂粒粒级分析该岩类占潮滩样品总数的73.15%，是渤海湾西岸最常见的沉积物。粘土质粉砂表层颜色较浅，向下变深，总体呈灰色，富含水，粘、可塑，常有黑色有机质浸染的条纹和斑块。当有机质含量较高时，搅动会出现气泡，底部有泥质团块，其核心含有砂粒，遇HCl多数不起泡。粒度分析结果显示，该岩类中粉砂粒级组分含量平均为65.00%，最多为73.17%，最少为51.18%；粘土粒级组分含量平均为27.99%，最多为40.40%，最少为20.71%；砂粒级组分含量平均为7.00%，最多为19.85%，最少为0。平均粒径介于6.178～7.715Ф之间。该岩类在天津市潮间带分布广泛（图3），主要分布在海河以北和独流减河河口—歧口岸段的潮滩区，呈片状分布。在海河口以南—塘沽盐场一分场、独流减河口的潮滩区，粘土质粉砂均分布在潮滩的上部和下部，呈条带状。3.2.2河口潮滩下、子牙新河河口潮滩下和头阶段图6仅在大沽排污河河口潮滩中部、独流减河河口潮滩上部、子牙新河河口潮滩下部和蛏头沽潮滩中上部（图3）等少数地点发现该类沉积物，均与现代河口或古河口有关。3.2.3砂粒级组分含量该岩类在潮滩样品总数中只占7.41%。粉砂级含量较高，具有高液化性质，遇水后呈半液态，棕灰色，常含有机质和泥质团粒，有底栖生物扰动痕迹。粒度分析结果显示，该岩类中砂粒级组分含量平均为56.30%，最多可达69.71%，最少为44.39%；粉砂粒级组分含量平均为34.21%，最多可达44.15%，最少为24.53%。平均粒径介于3.935～5.231Ф之间。粉砂质砂分布在大沽河口—塘沽盐场一分场岸段潮滩中下部（图3）、驴驹河—高沙岭岸段潮滩的下部、高沙岭—独流减河河口岸段潮滩的中上部及子牙新河河口潮滩的中下部，均平行于岸线呈条带状展布。3.2.4砂粒级组分含量分析该岩类占潮滩样品总数的15.74%，是天津岸段最粗的沉积物。砂组分沉积物总体呈浊黄棕色，因含粉砂，遇海水多呈半流动性，易液化，有机质含量较少。受海水的淘洗，砂的质地干净，含重矿物较多，有底栖生物活动的痕迹。粒度分析结果显示，该岩类中砂粒级组分含量平均为90.62%，最多可达97.32%，最少为76.03%；粉砂粒级组分含量平均为8.36%，最多为20.20%，最少为2.68%。平均粒径介于3.08～3.943Ф之间。该岩类在天津市潮间带主要分布在塘沽盐场一分场—高沙岭岸段潮滩区（图3），高沙岭—独流减河河口岸段潮滩的中部也有出现。3.3沉积物起源与水环境分析3.3.1沉积相与沉积环境海河口至涧河口的潮间带沉积了大面积的棕灰色粘土质粉砂，富含水，粘性较大，具可塑性，表层有黑色有机质染斑、团块。按沉积物粒度中值粒径分区，可以分为2个区，即Md=6～7Ф区（中细粉砂）和Md≥7Ф区（极细粉砂）。Md≥7Ф区分布在蔡家堡、蛏头沽潮间带上部（表1）和永定新河河口。Md=6～7Ф区分布在潮间带中下部，只有蛏头沽南分布在潮间带上部及潮间带中下部。造成该区沉积物偏细的原因有2个：(1)该处位于渤海湾西北湾顶部位，潮汐能量衰减较大，到达该处时潮流能量已经很弱；(2)在该区东、东南方向有凸出的滦河三角洲地貌单元，对该地区形成屏障，也削弱了海流等（波浪和沿岸流）的能量。表1显示，该地区潮间带表层沉积物的砂组分自潮间带上部向下部呈降低的趋势，粉砂和粘土组分则呈增高的趋势。潮间带上部站位6-6的频率曲线为双峰形，主峰在4.5～10.5Ф之间，峰顶为6.5Ф，应为潮滩沉积环境。次峰在-1.5～4.5Ф之间，峰顶为3Ф，具有低平前尾的特点，从粗砂到细砂各粒级均分选不良，应为河口沉积环境（图4）。所以，站位6-6反映河口沉积后又被潮汐作用改造成潮滩沉积。潮间带中部站位6-3的频率曲线为不对称平缓单峰，峰顶在6.2Ф（中粉砂—细粉砂）附近，含量小于20%，具有粒级范围广、含量低的特征，而且均有波状短尾。曲线特征表明，该点也具有潮滩环境的特征，但其前尾粒径为中粉砂粒级，说明仍保留河流沉积因素，所以站位6-3应为受河流影响的潮滩沉积（图4）。潮间带下部站位6-1的频率曲线为对称单峰形，峰顶在6.2Ф附近，是潮滩沉积的特征（图4）。蛏头沽剖面应是以潮滩沉积为主，在潮滩中部保留有古河口沉积物。3.3.2海河口东南部的沉积物沉积物沉积环境海河口以南的潮间带，按表层沉积物中值粒径分布形态可分为3部分。(1）潮流水动力作用机制该岸段是天津岸段唯一的砂质潮滩，砂沉积呈宽平的条带状，剖面Ⅰ反映了这一沉积特征（表2）。表2显示，该岸段从潮间带上部向下部，砂组分、粉砂组分呈降低的趋势，粘土组分则呈增高的趋势，平均粒径3.4Ф→5.23Ф。值得注意的是，该岸段最粗的沉积物分布于潮间带中部，从高潮滩向低潮滩水动力表现为中—强—弱的过程。潮间带上部站位Ⅰ-3的频率曲线呈对称的单峰形，主峰在2.5Ф处（在5.5Ф处虽有一对称峰形，但因百分含量过低，可忽略不计），其偏度为1.57，属于正偏态，主要粒级偏向粗粒一侧，即0～2.5Ф（粗砂—中细砂）。分选系数为1.25，近于中等，说明潮间带上部的沉积物是较强潮流水动力作用下形成的（图5）。潮间带中部站位Ⅰ-2的频率曲线是典型的对称型单峰曲线，主峰在2.3Ф处，偏度为0.15，粒径范围0.5～3.4Ф（粗砂—细砂），呈对称分布，分选程度中等。上述粒度参数特征表明，潮间带中部沉积物也是较强的潮流水动力作用形成的（图5）。潮间带下部站位Ⅰ-1的频率曲线是双峰形曲线，主峰位于2.4Ф处，粒径范围为-0.5～4Ф（极粗砂—极细砂），偏度为2.02，极对称，略有正偏态，即粗的尾部较长（粗粒径组分较多）。次峰位于6.5Ф处，粒级范围为4～10.5Ф（极细砂—粘土），峰态较平缓，曲线首与主峰尾相接，尾部较平缓，从8.5Ф直拖至10.5Ф，分选系数为2.55，分选很差。曲线从4～8.5Ф为平缓对称形，具有受涨潮流和落潮流2个作用影响的海滩砂的特点，大于8.5Ф的部分（尾部）含量很少，说明落潮流能量也很大。所以，潮间带下部也具有较强的水动力（图5）。据潮间带上部、中部和下部沉积物的成因分析，该段应是受较强的海洋动力作用影响的潮滩环境。(2）带下高压旋转轴-3粗粉砂的充填体本岸段潮间带表层沉积物呈多岩类条带状分布，北端与驴驹河砂质潮滩相接，南端逐渐变为片状粘土质粉砂潮滩，是2种沉积环境的过渡带（表3）。表3显示，该剖面沉积物组成从潮间带上部向下部具有明显的差异性，砂组分呈中→高→低的趋势，粉砂、粘土组分呈中→低→高的变化。中值粒径表明，潮间带中部最粗，为3.19Ф（细砂），上部为4.13Ф（粗粉砂），下部是6.08Ф（中—细粉砂），粘土含量均比较低，所以该潮间带仍是由粗粒径物质组成的。潮间带上部站位G-3、中部站位G-2的频率曲线形态与高沙岭剖面Ⅰ站位Ⅰ-3、Ⅰ-2的频率曲线相似，是较强的潮流水动力作用形成的。潮间带下部站位G-1的频率曲线表现为低平的双峰形态，主峰位于3.2Ф处（细砂），两侧不对称，粗粒组分由0～3.2Ф（粗砂—细砂）构成较陡的长尾，细粒组分由3.2～4.5Ф（极细砂—粗粉砂）组成并与次峰相接。次峰位于6.3Ф处（中粉砂粒级），有较长的波状长尾，粒径达10.5Ф（细粘土），是不对称偏态的次峰。该特点表明沉积物受3种动力的影响：(1)较强的动力，形成以粗粒级为主峰，并有粗、中砂前尾的频率曲线；(2)中能量、平稳的动力，形成次峰；(3)与主峰能量相接的低能量，使粘土沉积。判断站位G-1的沉积物是在涨潮流、平潮期和落潮流混合沉积的潮间带砂泥坪沉积环境中形成的（图6）。综上所述，高沙岭—独流减河河口南岸段潮间带中部的水动力较强，而潮间带上部和下部的水动力则相对较弱。(3）潮滩沉积相特征本岸段的潮间带表层沉积物是片状粘土质粉砂，只在子牙新河河口附近有岛状粉砂质砂、砂质粉砂沉积出现（表4）。表4显示，砂组分从潮间带上部向下部呈马鞍形变化，粘土组分则不断降低，平均粒径由7.34Ф降至6.42Ф，即由极细粉砂渐变为中—细粉砂，具逐渐粗化的现象。站位A-1～A-4四条频率曲线可分为2种形态：单峰形和双峰形。单峰形为A-2、A-3、A-4三个站位，只有靠近平均大潮低潮线的站位A-1为双峰形频率曲线。单峰形的3个站位峰顶处的粒径均处于6.0～6.5Ф（中粉砂—细粉砂）之间，分选系数在1.56～1.94之间，分选偏差。从以上2点可以看出，这3个站位的水动力强且不稳定。3个单峰形曲线中只有站位A-4曲线的偏度为负偏态，说明该曲线不对称而且偏向细的方向，在粗的一端有长尾，曲线左侧沉积物粒级处于-0.5～3.5Ф（细砂—极粗砂）之间，应为水动力强的沉积环境，而曲线的粗尾则表明潮水的强动力将携带的粗粒物质堆积到近岸高潮滩上；而站位A-2、A-3两条曲线的偏度均为正偏态，曲线近于对称，属于潮滩沉积环境。所以站位A-2、A-3、A-4均为潮滩沉积（图7）。该剖面潮间带下部的站位A-1是双峰形曲线，主峰与站位A-2、A-3、A-4曲线相似，也是潮滩沉积物，但在3.7Ф左侧出现了次峰，说明在潮滩沉积物的基础上又增加了粗尾（属于新增加的粒级组组分）。次峰峰顶处的粒级是2.5Ф（中细砂），含量仅为10%，其左侧平尾粒径处于1.5～0.5Ф（中粗砂）之间。偏度为-1.56，是负偏态，曲线呈不对称形态，与左侧新增的粗粒的平尾符合，反映站位A-1除有正常潮汐水动力外，还有较强的其他动力使潮滩增加了粗粒组分，即向岸风浪携带海底砂堆积在潮间带下部，使潮滩粗化（图7）。剖面A应属潮滩沉积环境，靠近岸线处的站位A-4增加了大潮时的粗粒级沉积物；潮间带下部的站位A-1增加了海洋动力作用下来自邻近潮下带的砂粒级沉积物。4头碳-水资源分布及沉积环境(1）天津市潮间带表层沉积物分为3个岩性区，分别以海河口、独流减河口为界。海河口以北至涧河口为片状粘土质粉砂分布区；海河口以南至独流减河口为多岩性、条带状的砂—砂质粉砂分布区；独流减河口至歧口为片状粘土质粉砂分布区。海河口以北的粘土质粉砂区中，蛏头沽潮间带中上部有略粗的岩性（砂质粉砂）带出现。在独流减河口以南的片状粘土质粉砂区也有一处略粗的岩性（粉砂质砂、砂质粉砂）带分布于歧口潮滩的中下部。(2）天津市岸段潮间带表层沉积物类型比较简单