珠江三角洲中部大浙江-古珠江河口湾沉积动力过程

珠江三角洲中部大浙江-古珠江河口湾沉积动力过程

1角洲沉积动力的沉积特征三角洲是河流向海洋形成的特殊自然沉积物。当河流注入开阔的浅海陆架时,河流、潮汐和波浪是影响三角洲演变和分类的非常重要的因素,但当河流经过复杂的构造地貌与海洋相通,受水盆地的边界对动力条件有重大重塑改造作用时,地形边界成为影响三角洲演变的重要因素。珠江三角洲就是一个独特的例子。现今珠江三角洲平原上星罗棋布的台地与山丘是古珠江河口湾中大大小小的基岩岛屿,它们对珠江三角洲的发育演变有着深刻的影响和重要作用:一方面成为沉积核心,另一方面也导致网河分叉,更具特色是构成了‘门’。古珠江河口湾的内湾(与河流相连的半封闭浅海湾)和外湾(与海洋相接的开放浅海湾,包括现代的伶仃洋、黄茅海以及30～40m等深线以内的浅海)之间被众多的基岩丘陵与海岛阻隔,二者仅通过若干峡口相通。随三角洲的演进,这些峡口逐渐成为珠江的出海口‘门’。现今珠江河口的8个出海口门在河网形成之前已由古珠江河口湾的地形边界和‘门’的动力泥沙条件所决定。‘门’与三角洲平原是同步耦合演进的,各三角洲子平原所面对的海洋动力因所邻近的“门”不同而各异。‘门’的沉积动力学和地貌动力学分析是解读珠江三角洲沉积过程不可忽视的关键。笔者的研究表明,珠江古河口湾内的三角洲平原沉积并不具有典型Gilbert三角洲的斜积层、顶积层等沉积层序。现代的珠江三角洲是在西、北、东三江等河流沉积物在古珠江河口湾充填而成,在过去6000年,因为河流来自北方,珠江三角洲在总体上自北而南向海推进。但是由于古珠江河口湾复杂的边界条件,海洋动力和河流动力受到重大的重塑,产生多种中小尺度沉积动力结构,沉积模式极其复杂,既有河口拦门砂体沉积,岛屿周边沉积,平行水道出口沉积,还有独特的‘门’的双向射流沉积,形成众多的相对独立的沉积单元。这些沉积体在时空上高度变化,南方的一些沉积体已经成陆,而北方仍然有宽阔的浅海。珠江三角洲主体沉积可以概括为在为原始地形分隔的古珠江河口湾的若干相对独立的充填过程。根据笔者意见,珠江三角洲中部可以分为若干子平原(sub-deltaicplain)。在三角洲发育演变过程中,子平原对应于较复杂的动力系统,有相对独立的边界,到了三角洲演变的后期,子平原才连接起来形成现代的珠江三角洲平原。一般子平原由若干相邻的沉积体构成。沉积体是珠江三角洲最基本的建构单元,受控于相对单一的沉积动力结构。沉积相是沉积学的重要概念,是沉积物特性和沉积环境的综合。沉积相是建立在对特定区域的沉积环境和沉积物来源及特性深入研究的基础上的科学概括。沉积相的建立代表我们对某区域的沉积过程从经验的和描述性的提升到对其机理的认识和理论概括,而沉积相的建立也为我们研究类似沉积过程提供指导。由于珠江三角洲非常特殊的沉积演变特点,我们不可以照搬其他三角洲的沉积相的研究结果。例如天然堤的冲决(crevasse)是密西西比三角洲最重要的沉积过程和机理,但珠江三角洲的沉积主要过程并不是‘冲决’而是对古河口湾的‘充填’过程。我们不仅需要对沉积物从沉积学的角度进行研究,也需要从动力学的角度研究动力要素的性质和变化。同时,还需要研究各种尺度的地貌边界对动力在各种时间尺度上的作用以及最终如何作用于沉积物的输运、侵蚀和沉积。各种尺度的沉积单元(三角洲平原、子平原和沉积体)均是对应于各种动力因素(潮汐、河流、波浪、风等)在不同尺度边界条件下形成的动力结构对沉积物和边界作用的产物。研究需要多学科的有机结合,三角洲的演进是一个具有内在联系的整体,将它分为各学科进行研究并不是由于事物本身的需要,而是人们专业认识能力的局限。在各学科独立的研究积累了一定的知识的同时,学科本身的局限不可避免地显露出来并在某些方面限制了我们对问题的认识。打破学科界限,面向问题的研究将有助于深化我们对珠江三角洲演变的认识。只有对于沉积体及伴随其形成的动力结构进行深入研究和积累大量资料,才可以为珠江三角洲沉积相的研究奠定坚实的基础,更真实地认识珠江三角洲形成演变的历史。本文主要目的是从沉积学证据,数值模拟和动力结构分析等多学科途径对三角洲中部子平原的形成演变进行初步的探讨,限于篇幅,主要以大鳌平原为例。2子平台子沉积体黄镇国等将珠江三角洲分为若干区域。本文所指的中部平原与之基本一致,范围略大。大体在市桥台地以南,西界江门丘陵,南接五桂山西北麓,东临狮子洋和伶仃洋(图1),是现代珠江三角洲河网集中,密度最大的部分。珠江河网的主干水道,如顺德水道、沙湾水道、鸡鸭水道、东、西海水道和磨刀门水道均通过本区。还包括了珠江8个入海口门中的4个,即虎门、蕉门、洪奇沥和横门及其出海水道,称东四口门。古磨刀门水道也是中部平原形成的重要动力单元。连接无痕的平原,平原的景色一如珠江三角洲的典型景观——河网纵横。其上基岩山丘、台地星罗棋布。河道分叉的顶点往往可见基岩孤丘,指示地形是珠江河道分叉的重要原因。中部平原是珠江三角洲的主要构成部分(见图1和图2),南北长约50km,东西宽70余公里,面积近4000km2,沉积量占整个三角洲的30%。笔者根据其相对独立的形成演变历史、地理位置,特别是相关的水动力结构,可以划分为番禺平原、顺德平原和大鳌平原。珠江三角洲的子平原在时间上基本是同时发展的,在空间上是相邻的沉积体,互不重叠。在海侵盛期,现代三角洲位置是一片河口浅海湾,其后逐渐充填成陆。在距今5000～4000年,沉积物首先堆积在五桂山北麓,番禺台地南面和顺德中部的一些基岩岛屿的周边,并以此为核心各自逐步扩展,其间的海平面变化使得沉积过程更加多变;在距今3000～2500年,各子三角洲基本出露成形,但是子平原之间仍有较大水域相隔(见文献中图5);作为番禺平原和大鳌平原富有特色的沉积体,具有涨潮三角洲性质的海鸥沙和大鳌沙,在距今2000年以后或更晚才出露成陆,但其基底则经历了长期的水下发育演变阶段;现代三角洲平原已经连成一片,其上河网的主干河道仍指示我们追溯其发育演变历史。各子平原分别与相邻的‘门’和周边地形耦合同步演进。西、北江是珠江三角洲中部平原主要的泥沙来源,它的动力主要是潮汐动力和河流动力。在半封闭海湾中波浪作用较小,强季候风对河口环流有一定作用。总体来说,除了洪水和灾害事件期间,潮汐是塑造三角洲中部平原最重要的能量来源。古珠江河口湾是一个半封闭的海湾,湾内散布千百个基岩岛屿,岸线曲折,潮波从外海传入,经过复杂的潮波变形、反射、折射和消能,潮波动力与地貌单元共同作用下形成一系列相对稳定的动力结构。正是这些动力结构,对河口湾的水体和能量输运、泥沙的搬运和沉积,以及三角洲地形演变和河网的形成起了具体的控制作用,这些动力结构随着地貌的演变也不断的变化。认识这些动力结构的形成和变化规律是揭示中部平原几千年来沉积历史的钥匙。距今6000年时,珠江河口湾很少沉积物出露成陆,地形边界由基岩丘陵台地组成。当潮波通过虎门、古磨刀门进入海湾时,形成巨大的双向射流系统,蕉门经横门山至五桂山北麓之间水域与古伶仃洋连接,是半封闭河口湾与外海连接最宽阔的通道,约20余公里。在各‘门’之中潮流量最大,但单位宽度潮能通量反而不如其他各‘门’。本文暂且称之为古横门,是包括现代蕉门、洪奇沥和横门的开阔潮水通道,宋代仍称乌珠大海1)。番禺台地是广州市南面一片连续但较破碎的丘陵台地,面积达208km2,平均高度为26m,有数级台地。距今6000年时,番禺台地是浅海中的一片较大的陆地,它的西南是虎门射流口。西北江泥沙受到番禺台地的阻隔和虎门涨潮射流顶托的共同作用,就在台地的南面首先沉积下来。虎门和番禺台地是与番禺子平原发育演变密切相关的关键地貌单元。五桂山是珠江三角洲上最壮观的山体,最高海拔531m,它同时阻挡了从北面河流带来的水沙和南海的潮汐。五桂山的北麓是大鳌平原的南缘,西麓和牛牯岭之间是西江大断裂形成的一系列峡口,形成古磨刀门巨大的双向射流。现代的大鳌沙就是由古磨刀门涨潮三角洲演变而来,因此,古磨刀门、五桂山和江门丘陵是影响大鳌平原形成发育的主要地貌单元。3数据和方法3.1mm模型的输出钻孔资料是分析古环境演变、计算冰后期沉积通量、重建古水深以及验证PRD-LTMM(PearlRiverDeltaLong-termMophodynamicModel)模型输出结果的基础。我们使用的钻孔资料可以分为两部分,一部分是现有资料收集,另一部分是本课题在研究关键部位钻孔采样(PRD钻孔系列)。3.1.1国内工程钻孔我们收集到的钻孔主要来源于3个部分:1)各类出版物公开发表的钻孔,包括文献列出的56个钻孔241个全新世测年数据,有较为详细的沉积环境分析;2)广州地理研究所李平日教授提供的1600多个工程钻孔,其中有测年数据的钻孔76个,全新世测年数据的钻孔69个,计全新世测年数据134个,更新世测年数据64个(均与公开发表资料有重复);3)顺德建筑勘察设计院提供了记录比较详尽的80个工程钻孔。3个部分钻孔共计1700余个1),这些测年钻孔和测年数据是进行钻孔对比分析、进而恢复海侵盛期古珠江河口湾水下地形的基础,是验证PRD-LTMM输出结果和理解沉积动力的基础。3.1.2沉积特征及沉积相为了从沉积学角度与数值模拟和动力地貌分析结果相互印证,我们在研究的关键部位钻孔18个(编号PRD系列),取样总长334.49m,集中在珠江三角洲中部平原(见图2)。对钻孔沉积物做了较高分辨的14C测年、古生物鉴定、沉积物粒度分析及颜色反射率等测定2)。测年数据共210个,其中AMS测年数据25个,常规14C测年数据185个。3.1.3资料收集和计算钻孔资料主要应用在以下方面:1)恢复6000aB.P.古珠江河口湾湾水深。结合地形图和海图,用所获得的测年和孔口高程的钻孔资料以及PRD系列的18个钻孔资料。计算公式见文献。2)计算珠江三角洲河口湾沉积容积和估计年均输沙量。对所收集的1700余个钻孔逐个分析后,挑选出269个钻孔计算了珠江三角洲6000年以来的年均输沙量,为长周期模拟提供一个重要的控制变量。3)使用包含6000～2500aB.P.沉积物的30个测年钻孔,计算各钻孔的淤积厚度,与长周期模型对比,调试和验证模型。4)结合模型计算,分析沉积动力环境。3.2模型主要改进情况为了探讨6000年以来珠江三角洲的发育演变,笔者开发了珠江三角洲长周期‘动力-沉积-形态’模型PRD-LTMM。模型建立在水体运动方程和沉积物输运方程的基础上,应用约简技术对模型输入和计算进行了处理以便对海侵盛期以来三角洲地形演变,各时期的水动力和沉积物输运、侵蚀和沉积过程进行长周期模拟计算。并应用30个测年钻孔资料对模型计算结果进行验证,相对误差19%。我们模拟了珠江古河口湾自6000aB.P.至2500aB.P.逐渐充填为三角洲的过程的流场、悬沙浓度场、沉积厚度、地形演变和岸线变化。地形改变的分辨率是10年,空间步长最小约150m。模型运行时考虑到的边界条件和控制参数为:1)海平面变化。对于6000aB.P.以来海平面变化各研究者看法不尽一致,但变化幅度均不大(1～2m之间),模型采用李平日等的曲线。2)新构造运动导致的地面升降范围在-4.75～0.83mm/a之间,分三角洲区、周边地区和万顷沙区。3)沉积物压实率。γ=0.436(1-e-0.0023t),其中γ是压实率(%),t是时间(年)。这是经验公式,有待进一步修正。4)河流输入1)。多年平均径流总量为3600×108m3/a,是多年平均悬移质输沙量8876×104t/a的30%～50%。5)代表潮。大于平均潮差约12.5%的3个代表潮。与文献的模型比较,本文采用模型主要进行了以下改进:1)原来使用的是500m分辨率的正方形网格,本次使用正交曲线网格,对地形边界有较好的拟合。在关键的部分提高了空间分辨率,而在陆架部分则加大网格以提高计算效率。2)对6000aB.P.的古河口湾地形边界和进行进一步细化处理,增加了数十个对河网发育和古动力场有重要影响的基岩岛屿。3)在原来根据测年钻孔和地形边界恢复古河口湾水深基础上,增加193个工程钻孔资料。恢复古水深时根据沉积物特性,考虑钻孔孔口高程、沉积物压实、构造沉降以及海平面变化,作为恢复古水深补充参照。PRD-LTMM的2D模块使用的是美国弗吉尼亚海洋研究所和美国环保总署开发的EFDC2)(environmentalfluiddynanmicscode)模型的模块。结合长周期模拟技术,开发应用于珠江三角洲长周期数值模拟。3.3长时间尺度的沉积、形态和动力过程的相互作用。u地貌动力学(morphodynamics)本文用以指研究对塑造地貌有重要作用的动力过程与机制,特别是本身也在时空中不断变化的地貌单元对动力作用的学科。它的一个重要特点是涉及到不同时空尺度的地貌形态与动力过程的相互作用。近年来,长时间尺度的动力、沉积、形态过程一直为河口海岸学等学科所关注并投入大量的研究力量。就本文而言,我们主要关注地貌动力学分析以下方面。(1)小尺度动力结构一定的地貌形态单元往往产生一定的平均流的动力结构。这种动力结构在物质和能量输运、能量消耗具有相对稳定的模式。动力结构具有明确可以判断的驱动力(惯性与摩擦、压力梯度、密度等),而且相对于地貌单元是稳定的,作用的时间尺度可以从湍流尺度到千年尺度或更长。笔者对珠江河口‘门’的动力结构作了初步的研究。当床面地貌尺度大于底边界层厚度时,这些地貌不再仅是糙率单元,而成为流的地貌控制单元。对于具有流控制机制尺度的地貌,如岬角、弯曲岸线、岛屿、峡口等,以一种特别的方式控制潮流,产生一系列小尺度动力结构,如射流、分离涡和次生环流改变环流与湍流结构。流分离、内波产生等与形态阻力有关的过程控制能量耗散,这完全不同于糙率影响或平坦床面的能量平衡过程。(2)局部地形对湍流强度和能量耗散率的影响潮汐动力是河口最重要的能量来源和建造三角洲的最重要动力。这种能量在口门至潮区界之间通过底摩擦和水体内湍流传输完全消耗。但目前看来,地形急剧变化产生的形态阻力(formdrag)远大于肤面阻力(skinfriction),同时增加能量耗散率、改变水流结构。局部地形也直接影响湍流强度和涡动粘滞系数、涡动扩散系数。Kunze等的研究显示涡动扩散系数K在平滑海底地形小于0.1×10-5m2/s,而在粗糙起伏地形K>10×10-5m2/s。(3)相控沉积特征钻孔资料可以提供有限地点的沉积记录,通过对沉积物测年、沉积物理化分析以及对它们的构造和结构分析提供真实的沉积过程,如沉积速率、沉积物特性,甚至沉积物来源和大体的沉积环境(海相、陆相、河口相、海滩相等)。当我们有许多钻孔时,就可以将这些信息综合起来,推断沉积的时空变化过程。但传统沉积学的方法很难解释其具体成因,更难以定量地反演空间动力场。如我们通过钻孔可以判断某点在7000～5500aB.P.沉积速率达到10mm/a,而其余时间的平均沉积速率只有2mm/a,但却不易解释其具体原因而往往将其归结到较笼统的成因,如气候变化,沉积物来量增加等。对于珠江三角洲这样时空高度变化的沉积盆地,变化往往是局部的沉积动力结构所导致的,因为高沉积速率只发生在个别的钻孔和特定的时间段。普遍的原因显然不能完全解释局部时空变化。当传统沉积学止步之时,通过基于物理原理对水流和沉积物运动模拟的长周期数值模型可以计算各种局部沉积变化。经过钻孔资料的验证,模型可以较真实地模拟三角洲在各种复杂因素作用下的形成演变,不仅在少数钻孔点,而且提供整个沉积空间在不同时间的沉积演变过程。当模型结果较真实地模拟了沉积过程时,一方面表明我们一定程度上正确掌握了演变过程的机理;另一方面,模型结果并不直接对所发生的事件提供综合的解释,尤其对关键地貌尺度造成的沉积事件仍然需要做深入分析,此时我们已经有了模型输出的海量资料。需要一种方法,进一步解释和阐述模型的结果和归纳三角洲的演变规律,揭示物理原理如何在具体的边界条件下起作用和概化为一定的模式,地貌动力学提供了这种方法。4大鳌子沉积的动力学解释现代珠江河口的8个出海口门中的7个在河网形成之前已由古珠江河口湾相应的基岩峡口,即后来演化成‘门’的地貌动力条件所决定。‘门’与三角洲平原是同步耦合演进的,各三角洲子平原所面对的海洋动力因所邻近的‘门’不同而各异。“门”的沉积动力学和地貌动力学分析是解读珠江三角洲沉积过程的重要途径。大鳌子平原处在古磨刀门通道的北端,南临五桂山(530m)和牛牯岭北麓,西界为江门丘陵,东北以小榄水道为界与顺德平原分开。从钻孔资料和PRD-LTMM模型输出均表明,大鳌子平原有自南而北的沉积趋势,随着大鳌子平原向北淤涨,射流通道也随之向北延伸,穿行于大鳌子平原之间。注意此段的西江干流是自南而北形成,古磨刀门以南的磨刀门水道也逐渐成型。此时广州以南、佛山、龙江一带仍是较开阔的浅海。大鳌子平原不是单一的沉积体,从沉积动力系统和演变发育过程判断,在过去6000年间,它包括若干个沉积体。我们分析其中最具代表性的其中3个,它们分别是:大鳌沙沉积体、五桂山北麓边沿沉积体和古磨刀门-古横门汇潮点沉积体。沉积体是一定地貌动力结构的沉积结果,以下简述各沉积体及其相关的动力结构。4.1磨刀门的大小现在的大鳌沙是西江磨刀门水道上的一个大沙洲,南北长16.5km,东西最宽为4.5km,它位于古磨刀门的北端。洪水季节位于潮区界上游,枯水季仍受潮水影响。从冰后期演变看,是磨刀门双向射流系统的涨潮三角洲性质的沉积体。4.1.1孔身沉积相序PRD05该孔位于江门市大鳌沙北端(113°11′02″E,22°31′24″N)(见图2),钻孔地面高程为1.12m(85高程,下同)。钻进到基岩全风化层,总进尺34.99m,取芯率90%;33.90m以下为基岩全风化层;26.61～26.78m为泥炭层,与下伏地层呈整合接触关系,而与上覆地层不整合接触;26.61m和3.30m处为不整合面。其沉积特征概括为表1。距今8000年以来,本孔自下而上沉积相序为滨海沼泽→低潮坪→浅海→涨潮三角洲水下浅滩→河口沙坝→滨海沼泽。根据沉积速率推算,大鳌沙顶部大约在距今1000年左右成为滨海沼泽。PRD04该孔位于大鳌沙中部(22°29′23″N,113°11′38″E)(见图2),钻孔地面高程为1.14m(85m高程)。钻到基岩全风化层,总进尺31.4m,取芯率为91%。30.66m之下为基岩全风化层;埋深27.75m处为不整合面,与下伏砂砾层呈突变接触。本孔自下而上的沉积相序为河床→河漫滩→拦门沙坝→浅海→水下浅滩→河口沙坝→滨海沼泽,是河漫滩～滨海沼泽相沉积,大约在2230aB.P.左右成为滨海沼泽。图3是PRD04的综合柱状图。图4是大鳌沙3个钻孔的剖面。3个钻孔分别位于现在大鳌沙的北端、中部和南端(见图2)。从沉积速率看,PRD05和PRD04自8000aB.P.以来的平均沉积速率3mm/a左右,两孔均经历了海侵盛期(7000～6000aB.P.)和3000～2500aB.P.两次快速沉积期,其时沉积速率达到15～20mm/a;在距今8000～3000年时,泥沙首先在沙体北端(PRD05孔)沉积,逐渐沙体北面的水下地形略高于中南部,至距今3000年以后中部的地形逐渐高于北端。大鳌沙中部较北端成陆早数百年。4.1.2射流口水流特征使用PRD-LTMM长周期动力地貌模型计算了距今6000年以来珠江三角洲演变。图5是6000aB.P.大鳌平原的涨落潮流场,图6是6000～2500aB.P.的古磨刀门冲淤分布。在图5中,PRD03涨潮时位于古磨刀门和古横门汇潮点,落潮时位于落潮流的分流点,由此判断为汇潮沉积体;ZK03,PRD04,PRD05位于由蛇地山和北围长山所形成的双向射流系统的涨潮射流范围(见图2),由此从地貌动力角度判断沉积体的涨潮三角洲性质;PRD01位于五桂山北麓(见图2),原始地形水深仅-3m左右,是边沿沉积。从以上模拟计算可以看到以下情况:(1)在五桂山和牛牯岭之间存在的一系列古磨刀门峡口造成了多个连续的射流系统,其中北围长山和蛇地山之间(蛇山门)的射流核心区,流速可达2m/s左右。蛇山门以北有另外一个双向射流体。由于两个射流体接近,流态复杂。(2)分析ZK03,PRD04和PRD05站点6000aB.P.的潮位和流速过程线可知,在距今6000年时,3个站点的潮波都兼有驻波和前进波的性质。2500aB.P.时3个站点的潮波均为比较典型驻波。2500aB.P.时的潮差要比6000aB.P.时大,说明随河道的逐步形成,两岸的束窄作用加强。(3)水体所受的纵向的水平压力梯度。∂p可以分解为正压部分与斜压部分:∂p∂x=ρg∂ξ∂x+∫−ξhρg∂ρ∂xdz(1)∂p∂x=ρg∂ξ∂x+∫h-ξρg∂ρ∂xdz(1)公式(1)中ρ为水体密度(kg/m3);g为重力加速度(m/s2);ξ为水面高程(m);h为水深(m);x为水流主要方向,向海为正。垂向坐标z,零点在海平面,向下为正。方程右边第一项为自由表面坡度引起的正压力项,落潮时指向海,涨潮时指向陆,大小与密度和水深无关;第二项是密度不均匀引起的斜压力项。河口双向射流是一种强迫射流,即∂ρ/∂x,主要来自正压力。正压力的变化反映了射流强度的变化。模型正压梯度力计算表明,涨落潮射流在6000～5000aB.P.时有所加强,4500年以来的涨落潮射流均弱于6000aB.P.,且不断减弱。(4)从模型模拟的地貌演进可以看到(见图6),在6000～2500aB.P.的3500年间,在射流口部位由于流速强劲,处于微冲状态,但幅度不大(1～3m,淤积率-0.28～-0.85mm/a),基本稳定。而在射流口两端形成典型的马鞍形沉积体,沉积厚度达15m,平均沉积速率4.3mm/a,大于三角洲的平均沉积速度。具体到PRD05和PRD04钻孔,6000～2500aB.P.时,PRD05钻孔位置沉积了7.24m,钻孔值为7.12m,相对误差1.6%;PRD04孔位置为8.09m,钻孔值为11.00m,相对误差26.4%。模型无论在整体还是局部,均较好地反映了大鳌沙的沉积特点和趋势。4.1.3双向射流动力系统与地形地貌的耦合作用磨刀门水道是现代珠江主要入海水道。多年平均水沙分别占珠江总量的24.9%和29.0%。现在的磨刀门是巨大的单向射流河口,但是在珠江演变的历史上,磨刀门曾经是一个大规模的双向射流体系。西江干流出口段发育于东北西南向的五桂山与黄杨山(581m)之间西北东南向的西江大断裂带。黄杨山与五桂山遥遥相对,当海进盛期时两山之间形成数十公里长的较为宽阔的峡口,而两山之间分布着一系列破碎的基岩丘陵,当南海潮汐涌进时,与潮流方向相同的岛丘之间又形成若干双向射流动力结构。自北而南有蛇山门1):2100m2)(北围长山,159m;蛇地山,158m)3);磨刀门:2750m(小托山,123m;炮台山,86m);横琴门:3200m(横洲的横洲头,52m;大横琴的大井角,92m);龙屎窟:1200m(尖峰山,192m;横洲,132m)。与‘门’对应的动力结构是双向射流系统。古磨刀门南北依次分布的‘门’地形造就了多个双向射流系统,流态更加复杂。但是无论从动力结构或是沉积特点均反映了地形边界对潮流和河流的重要控制作用。‘门’的双向射流动力沉积系统是珠江河口的特色,它所形成的沉积体类似于沙坝泻湖海岸的涨潮三角洲沉积,但由于位于大河河口,河流的作用更显著,而且逐步增强。结合钻孔资料和模型结果,我们可以追溯大鳌沙海侵盛期以来的‘地貌-动力-沉积’耦合作用过程。海侵盛期(7000～6000aB.P.)古珠江河口湾腹地还是一片浅海,纳潮量巨大,涨潮射流强劲。泥沙首先在沙体北端附近沉积,造成大鳌沙体(PRD04和PRD05)的第一次高速沉积期。根据李平日等研究,在距今3000～2500年有一次短暂的海平原上升,上升幅度在2.0～2.5m左右。古河口湾的纳潮量增加,涨潮流加强,古磨刀门的涨潮三角洲经历的第二次快速沉积可能与此有关。整体来说,大鳌平原以及古河口湾不断淤积而导致纳潮容积减小,由正压力所驱动的古磨刀门涨潮射流不断减弱。动力和地形地貌相互作用的结果是随大鳌子平原的逐渐形成,双向射流逐渐向单向的河口射流演变。大鳌沙沉积体和古磨刀门双向射流动力系统的局部变化过程受到古河口湾与潮汐和河流动力相互作用下的整体演变的重要影响,亦是其中一个有机组成部分。4.2快速沉积体的出现在五桂山西北约15～20km处,靠近现在的小榄水道的右岸一块约数十平方公里面积的区域,在6000～5000aB.P.时有比较周边高出很多的沉积速率(表2),而且在5000aB.P.左右,在淤积了10m多的厚度以后,水深已经小于-2m(图7)。这个现象发生在区域内的多个钻孔,钻孔2和PRD03均位于这一区域(见图2)。但是仅从钻孔资料难以确切解释这一现象。PRD-LTMM模型结果也得到与钻孔资料相近的结果,表明这个区域在海侵盛期以后,经历了较三角洲平均沉积速率高一个数量级的高速沉积,而且在5000aB.P.就进入潮间带附近出露,但这时古河口湾仍然是大片浅海。由于模型可以正确地正演这一过程,在很大的程度上我们可以断言,造成这个现象的机理已经正确地包含在模型的方程和参数中。模型并没有直接提供问题的答案,我们需要通过提取模型的信息以得到答案。首先5500aB.P.的涨落潮流场(见图5)表明,这一区域,在涨潮时,位于经古横门和古磨刀门进入河口湾的涨潮的汇潮点。两股水流以接近垂直的角度交汇,流场混乱,旋涡发育,消能明显。此时涨潮水流的泥沙浓度约为80mg/L,提供了沉积物落淤的条件。在落潮时,由于五桂山的阻隔,西、北江和落潮流构成的冲淡水在此分流,在分流点由于地形阻隔造成局部水流流速明显降低。落潮水流的泥沙含量比涨潮流大,约为100g/L。淤积作用可能比涨潮更大,最终造成了这一范围不大的快速沉积体。通过测年钻孔我们可以判断快速沉积体的存在。而应用长周期模型,直接模拟6000～5000aB.P.发生在三角洲某个局部区域发生的沉积动力过程,进一步提取模型信息和动力地貌学分析,使我们可以解释钻孔所揭示沉积现象和认识其沉积动力机理。4.3地形地貌和泥沙五桂山是珠江三角洲上最大的山体,由于它的阻隔,南海潮波自它的西侧和北面,通过古磨刀门和古横门进入古珠江河口湾。而落潮时,落潮水流和西、北江的冲淡水也被山体分为两支进入南海。由于山体北麓东西横亘,直接阻挡自北而南的西江干流来水,而西江是主要沉积物来源,其中携带的泥沙易于沿五桂山北麓沉积。从钻孔资料看,PRD01孔位处山麓,由于原始(6000aB.P.)水深较浅,约-5m,5000aB.P.时水深已淤浅至约-2m,接近潮间带(见图7)。从模型结果看,西、北江带来的泥沙,距今6000年以来,自北而南的输移时,大量受阻于五桂山北麓,加以涨落潮流速降低,落淤是意料之中。从计算结果看,五桂山北麓的淤积与其北50km的市桥台地南的番禺平原是同时进行的,但成陆更早。5讨论和结论5.1角洲变岩的概念本文提出珠江三角洲的子平原或子三角洲的概念用以概括珠江三角洲中部平原特殊的发育演变过程和机理。在密西西比河的三角洲研究中,使用了子三角洲的概念(sub-delta)并且至今沿用,这一概念很好地概括了密西西比三角洲的演变发育特点。我们知道,密西西比河千年尺度和百年尺度的三角洲叶(deltalobe)或子三角洲(sub-delta)是在不同时间由于冲决作用,主干河流反复冲决天然堤,河流改道而形成一系列的三角洲沉积体。其子三角洲在空间上可以重叠,而在形成时间上一般不相同。与此不同,珠江三角洲的子平原在时间上基本是同时发生的,而在空间上是相邻的沉积体,互不重叠。珠江三角洲不仅有多条河流入注河口湾,而且原始地形复杂,海洋和河流动力被复杂的地形所改造与重塑,形成许多相对独立的沉积动力环境。因此,理想三角洲的沉积概念,如前积层、顶积层等基本不适用于描述珠江三角洲的沉积演变特征。我们提出珠江三角洲的子三角洲或子三角洲平原的概念主要是基于如下考虑:(1)在海侵盛期以来,中部平原各子三角洲是相对独立的形成发育起来的,在形成演变的各阶段,它们在空间上是各自独立的。至2500aB.P.,各个子三角洲平原之间仍然有开阔的浅海分隔,其后各子三角洲逐渐连接成片,浅海演变成河网河道。(2)影响控制各子三角洲的地貌动力环境各不相同,而且富有特色。我们知道,潮汐和河流是建造三角洲的主要动力和沉积物来源,但是进入珠江古河口湾后,受到地形边界的作用,往往形成若干在能量分配、输运能力和动力平衡各重要方面各具特色的动力系统,如影响大鳌平原形成演变的主要地貌单元有五桂山、江门丘陵以及五桂山和牛牯岭之间的断裂峡谷。由这些地貌单元作用于潮汐和河流动力所形成的地貌动力结构主要有古磨刀门双向射流系统、古磨刀门-古横门汇潮分流区和五桂山北麓边沿浅水消能区等。而番禺子平原和顺德子平原也有各自相应的控制地貌单