浙江朱家尖岛早中熟阶段碎石滩沉积物粒度及形态特征

浙江朱家尖岛早中熟阶段碎石滩沉积物粒度及形态特征

碎屑通常形成在岩石海岸附近，这是典型的波浪形成的海岸特征。碎屑海滩在世界海岸带并不广泛，但它是一种稳定性很高的海岸类型，具有良好的沉积物粒径（2.2000mm）和坡度特征。碎石通常存在于以下地区：（1）莫林海岸或寒冷海岸，其物质来源为冰莫登。（2）在构造海岸中，沉积物来自河流。（3）在波浪作用主导的海岸带地区，沉积物来自海岸带。沉积物来源、区域地质形态特征的限制了碎屑海滩的规模、发展时间和砾石海滩的稳定性。在波浪作用主要的海岸区，波浪和趋势的共同作用被用来将碎屑沉积在水平和垂直方向上，形成一条规律的带状地形特征。此外，碎石海滩还可以减少和防止人为的自然现象，如波浪和台风风暴。因此，它具有良好的海岸保护功能。我国海岸地貌类型多样,砾石海滩主要分布在浙江的岛屿海岸,关于砾石海滩的研究较少.本文选择的研究区位于浙江省舟山群岛中的朱家尖岛,陈洪德等曾对该地区大乌石塘砾石海滩做过研究,通过对砾石形状的分析,认为该地区砾石海滩的沉积特征主要是磨蚀作用的结果.本文通过分析研究区地质地貌调查结果、砾石海滩剖面形态测量结果、砾石海滩沉积物粒度及砾石形态等数据,重点探讨朱家尖砾石海滩沉积物粒度及砾石形态的动力形态特征,分析磨蚀和分选搬运作用在研究区两个砾石海滩发育中的相对重要性.1大乌合成岛岩-石漠化朱家尖岛是浙江舟山群岛最东面的一个岛屿,它西邻定海与桃花诸岛,北毗普陀岛.岛上陆域面积61.81km2,滩地面积14.02km2,岸线长80.8km(基岩海岸55.6km,淤泥质海岸0.12km,人工海岸16.89km,砂砾质海岸8.23km).研究区海岸为典型的基岩港湾海岸,岸线呈不规则的锯齿状.岛上基岩主要由侏罗系的凝灰岩和燕山晚期的花岗岩组成,凝灰岩多出露于海岛中部,花岗岩主要分布在大乌石塘北部及岛屿最南端,在沿海各岬角处也有零星分布,北部为粗粒酸性花岗岩,南部为中细粒碱性花岗岩.本区海域处于副热带季风区,风速风向具有明显的季节变化,冬季以西北风为主,夏季以偏南风为主;受风力及风向的影响,本区波浪以风浪为主,涌浪有一定比例,波高、波向具有明显的季节性变化(表1).此外,本地区还是台风风暴严重影响地区,统计资料显示,在浙江沿海登陆的台风风暴平均每年有3.7次.大乌石塘与小乌石塘位于朱家尖岛东面,两个砾石滩分别位于两个海湾内部,属口袋状砾石滩.两个砾石滩湾顶大潮高潮线以上有砾石堤分布,砾石堤上有滩脊-沟槽地貌体系发育;砾石堤背后都有一片小面积的山前冲积平原,两侧都有较高的海蚀崖,两个砾石滩之间的岬角主要为凝灰岩,并伴有少量花岗岩和辉长岩.两个海滩砾石的岩性组成一致,砾石堤宽20m,呈阶梯状向海方向递降,至低潮位高差达8m以上.但两个砾石滩所处海湾规模大小有差异,大乌石塘砾石滩所位于的漳州湾,纵深长度约2.5km,宽度约0.8～1.2km;而小乌石塘砾石滩所位于的海湾纵深长度约0.8km,宽约0.3～0.4km.2学习方法2.1样品的采集和分级2002年5月下旬在浙江朱家尖岛大乌石塘及小乌石塘砾石两个砾石海滩上共选取了8条剖面,剖面形态利用水准仪进行测量,并在每条剖面上采集表层砾石沉积物样品4个,分别位于砾石堤项部、高潮线上部、高潮线下部及低潮线附近(编号分别为1、2、3、4),共采集样品29个(采样位置见图1).在每个采样点选取1m2大小的样方,取表层10cm厚度,采样重量以GaleandHoare提出的方法为标准.利用筛析法对砾石沉积物进行粒度分析,大于32mm的砾石用游标卡尺以0.5Φ间隔进行分级,小于32mm的沉积物用粗筛按1Φ为间隔进行分级,样品用弹簧秤进行称重,总共取得表层样品1815.7kg.在每个样品中随机选取47～94颗砾石,利用游标卡尺分别测量砾石的长轴(A)、中轴(B)及短轴(C),总共测量砾石1735颗.2.2粗粒沉积物的主要指标沉积物粒度参数不仅可以用来提取沉积物的沉积环境、水动力等信息,还可以用来指示了沉积物的搬运趋势.根据大乌石塘与小乌石塘两个砾石滩的沉积物粒度分析数据,利用矩值法来计算沉积物平均粒径(μ)、分选系数(So)、偏态(SK)及峰态(Ku)等粒度参数.砾石常用的形态参数有球度(MPS:maximumprojectionsphericity)、扁长指数(OPI:oblate_prolateindex)、盘状-杆状指数(DRI:disc_rodindex)及磨圆(Rn),这组参数是粗颗粒沉积物结构分析中的重要参数,可以提供沉积物的产地、搬运特征及沉积动力环境等有关信息.磨圆是表征砾石沉积物的沉积环境、砾石搬运距离的一个重要参数;OPI是用来从扁长(prolate)砾石中分辨出扁圆(oblate)砾石的一个非常有用的指标;MPS反映的是在流体中拖曳力与重力作用的平衡,是表征水中砾石发生搬运或沉降行为的一个重要指标;DRI是用来分辨杆状砾石和盘状砾石的一个非常有效的指标.本文中,砾石的磨圆度是采用Powers提出的6级分类方法(尖棱角:VA、棱角:V、次棱角:SA、次圆:SR、圆:R、浑圆:WR),砾石形态参数MPS、OPI和DRI的计算方法见表2.3结果3.1达到8484水准测量结果显示(图2),研究区砾石海滩规模比较大,在大乌石塘长度达600m左右的砾石海滩上,海滩水平宽度40～50m,砾石堤顶部高出大潮高潮线3m,堤顶宽度较大,整个砾石滩的平均坡度约为10°～20°,最大可达到62°;小乌石塘砾石海滩长度略小,约为400m,海滩平均宽度40～50m,堤顶高出大潮高潮线2m多,整个砾石滩的平均坡度约为10°～11°,最大为25°.两个砾石滩的大潮高潮线附近都有陡坎,在大潮高潮线以上的砾石堤上有滩脊沟槽体系.研究区内台风风暴活动比较频繁,且主要集中在夏季.一次大的风暴可以将直径1m的巨石从低潮线下部搬运至潮间带,将5～10cm的砾石抛到8m高的砾石堤顶部.因此,风暴是塑造研究区内砾石海滩轮廓的主要动力.波浪和潮流作用对风暴过后的砾石海滩具有比较强烈的改造作用.海水从湾外涌入湾内,波浪不断破碎和变形,并产生绕射和反射,使湾内波浪情况复杂多变,并与周围地形相互作用形成沿岸流,不断调整海滩砾石的分布.3.2小乌合成砾石滩沉积物粒度参数在横向和纵向上表现出有规律的变化(表3).砾石滩沉积物平均粒径介于-4.5～-6.45Ф之间(最大块体直径可达1m左右),小乌石塘沉积物平均粒径略大于大乌石塘,平均粒径在横向上,由海堤角下的砾石堤顶部向海递减,但在大潮低潮线附近,砾石粒径又有所增大;在纵向上,沿海砾石滩由南向北,小乌石塘沉积物平均粒径减小,大乌石塘沉积物先增大后迅速减小.两个砾石滩沉积物分选程度都很高,在横向上,随着向海推进,分选系数逐渐变小,而在纵向上,由南向北,大乌石塘与小乌石塘呈现出相反的变化趋势,前者先增大后减小,后者先减小后增大.由海堤向低潮线方向,小乌石塘沉积物由负偏逐渐趋于正态分布,大乌石塘则由负偏迅速达到正态分布,再向下又达到负偏状态;在纵向上,小乌石塘沉积物在湾顶达到正态分布,两端都为负偏,大乌石塘则在砾石滩南部为负偏,到北部则迅速变为正偏.在横向上,峰态值变化很小,在纵向上与分选系数具有相似的变化趋势,优势粒组含量高且粒径范围比较窄(图3).3.3磨圆度的统计与算例根据Powers提出的磨圆六级分类标准及相应的数值,统计了各采样点砾石磨圆级别的百分比,并换算为数值计算了每个样品的磨圆度平均值(表4).3.4大乌社会主义与小乌合成砾石的形态特征根据测量得到的A、B、C三轴的数据,利用表2所列公式进行计算,得到了两个砾石海滩各样品的平均砾石形态参数,并给出了标准偏差值(表5).由表5可知,大乌石塘砾石球度比较高,但仍较小乌石塘砾石为低,由标准偏差可知,两个海滩的砾石球度值变化都不大,大乌石塘砾石球底离散程度更小一些.OPI和DRI都揭示了大乌石塘砾石扁长、杆状砾石所占比例比小乌石塘要大一些,标准偏差值表明小乌石塘海滩砾石的扁长砾石和杆状砾石的分布较大乌石塘为分散.两个砾石滩的砾石形态参数在横向和纵向上都发生了不同程度的分选,其分布特征既有相同部分,也有不同之处(图3).4国际形势和运动学特征在砾石海滩的形成过程中,台风风暴起着非常重要的作用,台风风暴将大量砾石抛到岸上发生堆积,该堆积体在风暴过后又被波浪长期作用才塑造了一个完整的砾石海滩.根据大于0.5mm的沉积物的经验临界起动轨迹流速: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为临界起动轨迹流速,ρs、D分别为砾石的密度和粒径,ρ为海水密度,T为波周期,根据张国栋等的统计,台风风暴的波周期约为10s.将公式(1)计算得到的临界轨迹流速代入式(2)可以计算出临界波高;ut=πH/Tsinh(2πh/L)(2)ut=πΗ/Τsinh(2πh/L)(2)式中H为波高,h为水深,L为波长,本文设海滩顶部砾石对波浪的响应是湾口处波浪,湾口处的水深为5m,根据浅水波波长的公式L=T(gh)1/2计算出波长.根据以上两式计算结果表明(表6),小乌石塘海滩顶部砾石对应的最大临界起动轨迹流速、临界波高分别为3.28m/s和4.84m,大乌石塘的最大临界起动轨迹流速、临界波高分别为3.17m/s和4.69m.在波浪的往复推动作用下,海滩砾石之间相互碰撞磨损,并在沿岸流的搬运作用下不断地发生粒度、形状分选,在海滩的横向和纵向上形成了有规律的地貌特征.磨蚀过程是砾石表层物质损失的主要过程,可以用来估量砾石结构和组成的成熟度.随着砾石粒径的减小,其磨圆度增加;随着磨蚀作用的长期进行,由抗磨蚀强度弱的砾石比例逐渐减小,抗磨蚀强度强的砾石比例增大;搬运分选是在考虑砾石组分及形状的情况下优先搬运或沉积而形成砾石粒径和形状富集的过程;砾石在搬运过程中,由棱角状逐渐变为磨圆,并又逐渐变化为盘状或扁平状.因此,一般情况下,沿着海滩物质搬运方向,沉积物粒径减小,盘状和扁平状砾石含量增高.海滩砾石的磨蚀作用主要发生在砾石的运动过程和搬运中,怎样判断磨蚀作用和搬运作用在砾石海滩的形成过程中的相对重要性,是一个值得探讨的问题.沉积物岩性分析也表明,大乌石塘和小乌石塘的海滩沉积物均来源于港湾两侧岬角侵蚀下来的物质,并没有经过长距离的搬运,但其磨圆度都非常高,说明它们必然是在海洋环境中经历了长时间的磨蚀而形成的.为了进一步揭示砾石的磨蚀和搬运作用在两个海滩中所起的作用,用砾石的MPS、OPI作为磨蚀作用的代用指标,平均粒径作为搬运作用的代用指标,两种过程都对磨圆度有很大影响.根据砾石形态参数和平均粒径在海滩纵向和横向上的变率分析(表7)可知,大乌石塘的海滩砾石主要发生磨蚀作用,在横向上的搬运作用非常微弱,而在纵向上的搬运作用略弱于磨蚀作用;小乌石塘在横向上的磨蚀作用略强于搬运作用,纵向上的搬运作用略强于磨蚀作用.Komar的研究表明,球度大的砾石由于转动角比较小,在粒径组份差不多的条件下被优先起动,并以跳跃形式运动;由于小乌石塘海滩砾石的球度大于大乌石塘,在相同的海洋动力条件下必然先被起动、搬动.因此,小乌石塘海滩砾石的搬运作用较大乌石塘为大,两个海滩的砾石都由南向北发生搬动.该研究结果一方面进一步说明了磨蚀作用在朱家尖岛砾石海滩的形成演化过程中起着重要作用,与陈洪德等的研究结果一致;另一方面,根据两个砾石海滩的砾石形态参数和平均粒径的变率,分析了分选搬运作用在两个砾石海滩中的作用,结果表明,在大乌石塘的形成演化过程中,磨蚀过程起着非常重要的作用,而搬运过程相对较弱,但在小乌石塘,搬运过程在纵向上较强,在横向上较弱,磨蚀作用在横向上较强,在纵向上较弱.砾石海滩的组成是否已达到成熟主要取决于砾石的磨损(包括磨蚀和搬运),同样地在构造上是否成熟主要取决于砾石的磨圆度,因为磨圆度是砾石磨损的结果.大乌石塘海滩砾石的磨圆度在0.756～0.808之间,小乌石塘海滩砾石的磨圆度在0.646～0.769之间,两者的磨圆度都很高且变化比较小,说明砾石的磨损强度已经很弱,表面在横向和纵向上的变率非常小(表7),因此可以说,两个海滩的砾石都已经达到了发育成熟阶段,而大乌石塘的成熟度相对更高.但由于台风对海滩剖面的改造和破坏很强烈,因此,两个砾石海滩剖面形态都处于动态平衡状态.作为高能环境下的巨大堆积体,砾石海滩的形成与当地波浪、潮流等海洋动力条件密切相关,是水动力与局部地质地貌形态相互作用的结果.为了进一步研究朱家尖两个砾石海滩的成因,需要对当地海洋动力条件进行长期观测,尤其是波浪和台风风暴的作用,对海滩的稳定性具有非常重要的影响.5小乌合成人工悬架根据以上数据分析及结果讨论,得到以下结论:(1)水准测量结果显示,研究区砾石海滩规模大、坡度陡,其中大乌石塘砾石海滩规模大于小乌石塘,砾石堤顶部发育沟槽相间的地貌体系,由于波浪潮流的作用,在大潮低潮线上部形成陡坎;(2)横向上,两个砾石滩的沉积物平均粒径由陆向海递减,但在大潮低潮线附近又增大,分选变好,潮间带砾石球度较海滩上部及下部低,海滩砾石的扁长度及杆状程度由砾石堤顶部向海方向递增;(3)纵向上,大乌石塘砾石滩由湾顶向南北两个方向沉积物平均粒径递减,分选变好,砾石球度降低,杆状程度提高;小乌石塘砾石滩由海滩南部