１期 杨阳等 海南新村港 湖表层沉积物粒度特征及其沉积环境 ９５ 试 ５ ２１ ２２ ２４ 但还存在以下不足 一是粗略的采用所 有粒度特征参数对研究区的沉积环境进行划分 由于 粒度分布的环境解释具有多解性 即不同的环境可能 出 现 相 似 的 水 动 力 条 件 使 得 粒 度 特 征 表 现 出

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1 第 38 卷第 1 期海洋学报 Vol.38,No 年 1 月 HaiyangXuebao January2016 杨阳, 高抒, 周亮, 等. 海南新村港 湖表层沉积物粒度特征及其沉积环境 [J]. 海洋学报,2016,38(1):94-105,doi: /j. issn YangYang,GaoShu,ZhouLiang,etal.GrainsizedistributionofsurfacesedimentsandsedimentaryenvironmentinthelagoonofXin cun,hainanisland[j].haiyangxuebao,2016,38(1):94-105,doi: /j.issn 海南新村港 湖表层沉积物粒度特征及其沉积环境 杨阳 1,2, 高抒 1,2, 周亮 1,2, 王韫玮 2, 李高聪 1,2, 汪亚平 1,2, 贾培宏 1,2 (1. 南京大学中国南海研究协同创新中心, 江苏南京 ;2. 南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室, 江苏南京 ) 摘要 : 对 2013 年 8 月在海南新村港 湖采集的表层沉积物样品进行粒度分析, 揭示了该区表层沉积物的粒度特征和沉积物类型, 结合高空间分辨率的水动力和水深数据, 采用系统聚类和主成分相结合的方法划分现代沉积环境 结果表明, 研究区表层沉积物主要有 4 种类型, 以粉砂和粉砂质砂为主, 分别分布在 湖中部和近岸浅水区域 沉积物平均粒径变化较大 (0~8.0Ф), 均值为 4.6Ф, 沉积物随水深增大而逐渐变细 ; 沉积物粒度组分以砂 ( 平均含量 43%) 和粉砂 ( 平均含量为 52%) 为主, 黏土含量较少, 平均含量为 5% 聚类结果表明, 平均粒径可分为两组 : 第一组平均粒径均大于 5.5Ф, 均值为 6.8Ф; 而第二组平均粒径均小于 3.5Ф, 均值为 2.2Ф 此外, 平均粒径与分选 偏态和峰态系数之间呈现出两种不同的相关关系 研究区大潮和小潮期间的均方根流速 ( 犚犕犛犞 ) 均值是 7.5 和 6.9 cm/s, 标准偏差分别是 15.3 和 14.9cm/s 当犚犕犛犞大于 4cm/s, 犚犕犛犞与极细砂 (63~125μm) 含量呈明显的正相关关系, 这表明犚犕犛犞决定了 湖沉积物中极细砂含量 聚类和主成分分析结果表明, 平均粒径 峰态和分选系数是对沉积环境最为敏感的粒度参数组合, 同时结合高空间分辨率的水动力和水深数据, 将研究区沉积环境划分为 3 类 这样划分充分考虑了水动力 物源 地形及其相互作用, 更能有效地揭示沉积环境的差异, 尤其体现了适宜的粒度参数组合和高空间分辨率的水动力数据在沉积环境划分中的重要性 关键词 : 表层沉积物 ; 粒度 ; 沉积环境 ; 聚类分析 ; 主成分分析 ; 均方根流速 ; 数值模拟 ; 新村港 湖中图分类号 :P 文献标志码 :A 文章编号 : (2016) 引言 沉积物的粒度特征是沉积物的基本性质之一, 是沉积物在搬运 沉积和再分配过程的集中体现, 其分布规律受到沉积物物源 搬运距离, 水动力环境以及 [1 5] 地形等因素的制约 因此, 通过沉积物粒度特征 [6 8] 及其分布规律可以有效的追踪物质来源, 判别水 [9 11] [12 17] 动力条件, 分析沉积物运移趋势和识别沉 [18 21] 积环境类型等 沉积环境主要受物源 水动力 [22 23] 条件 地形和人类活动等因素的共同影响 在利用沉积物的物源 粒度特征 地形和区域水动力条件来识别沉积环境方面, 前人已作了较多尝 收稿日期 : ; 修订日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金重点项目 海岸风暴频率 强度关系的沉积记录分析 ( ) 作者简介 : 杨阳 (1987 ), 男, 安徽省当涂县人, 博士, 主要从事海洋沉积动力学和沉积环境研究 E mail:yangyang.nju@hotmail.com 通信作者 : 高抒, 男, 教授, 主要从事海洋沉积动力学和沉积地质学研究 E mail:shugao@nju.edu.cn

2 １期 杨阳等 海南新村港 湖表层沉积物粒度特征及其沉积环境 ９５ 试 ５ ２１ ２２ ２４ 但还存在以下不足 一是粗略的采用所 有粒度特征参数对研究区的沉积环境进行划分 由于 粒度分布的环境解释具有多解性 即不同的环境可能 出 现 相 似 的 水 动 力 条 件 使 得 粒 度 特 征 表 现 出 重 复 性 ２２ 二是缺乏高空间分辨率的水动力数据 只是粗 糙的采用个别全潮观测站位或区域水动力条件 划分 沉积环境 ２２ ２４ 海南岛新村港是一个半封闭的沙坝 潮 汐汊道 湖海 岸 体 系 地 貌 格 局 复 杂 地 形 变 化 较 大 ２５ 目前 国内外对新村港的水动力特征 ２５ ２７ 潮汐汊道 的演变及其稳定性 ２８ ３０ 水质 ３１ 和生物特征 ３２ ３５ 等 都进行了比较细致的研究 而对 湖表层沉积物粒度 特征和现代沉积环境研究尚比较欠 缺 本 文以 新村 港 湖为例 揭示其表层沉积物粒度特征和划分现代 沉积环境 首先 利用系统聚类和主成分分析法压缩 粒度参数指标 寻找对沉积环境最为敏感的粒度参数 组 合 并 能 最 大 限 度 的 保 持 指 标 中 所 包 含 的 主 要 信 息 其次 采用数值模拟的方法 获得高空间分辨率的 水动力数据 研究新村港目前的沉积 物分 布格 局和 现代沉积环境 对新村港的海上交通 潮汐汊道整治 养殖活动 旅游开发及海洋生态环境保护等具有重要 的意义 因此 从可持续发展和生态环境保护的角度 来看 对该区深入进行沉积动力学研究是必要的 ２ 研究区概况 图 １ 海南岛东南部新村港 湖研究区及表层沉积物采 样站位 验潮站分布图 Ｆ １ Ｌｏ ｆ ｍｐ ｌ ｇ ｏ ｏ ｆ ｕ ｆ ｄ ｍ ｇ ｄ ｄ ｌｇ ｕｇ ｏ ｈ ｌ ｆｘ ｕ ｇｏ 分析 新村港潮汐属于混合的不 规则 全日 潮 以 当地 新村港位于海南岛东南部海岸的陵水县新村镇 平均海平面为基面 新村港最高潮位为 １ １８ｍ 最低 面朝南海 港区水域宽阔 周围群山环抱 是海南岛不 潮 位 １ １５ ｍ 平 均 高 潮 位 ０ ６５ ｍ 平 均 低 潮 位 可多得的天然避风良港 新村港地处热带 全年各月 平均水温 ２５ ８ ３０ ０ 平均盐度为 ３０ ６４ ３４ ４４ ０ ２８ｍ 最大可能潮差 １ ６３ ｍ 平 均潮 差 ０ ５０ ｍ 同时龚文平等 ２５ ２８ 观测结果表明 新村港潮流表现出 浮游生物丰富 因此 该 湖不但发育 了较 好的 海草 时间 流速不对称性特征 实测口门平均涨潮历时为 群落 还拥有规模较大的水产养殖 其中 麒麟菜 和珍 １３ｈ２０ｍ 平均落潮历时为 １１ｈ２０ｍ 涨潮历时 大 于 落 潮 历 时 口 门 处 最 大 表 层 涨 潮 流 速 为 珠贝的养 殖 尤 为 出 名 ３５ 从 平 面 形 态 上 来 看 新 村 港 湖 实 际 上 由 两 个 次 一 级! 湖 构 成 外 观 如 葫 芦 状 而两个次一级!湖之间由一个次一级的潮汐汊道 相连接 ２６ 图 １ 新村港 湖南北长 ４ｋｍ 东西宽 ６ ｋｍ 面积约 ２２ｋｍ 涨潮三 角洲 落 潮三 角洲都 比较 发育 口门处北岸为新村港码头堤岸 南岸 为由 基岩 ２ 组成的南湾猴岛 ２６ 新村港潮汐汊道是联系新村港 与外海的 唯 一 通 道 长 约 ３ ４ｋｍ 口 门 段 长 约 ０ ５ ０ ８４ｍ 落潮流速为 ０ ８６ ｍ 涨落潮流速基 本相 等 湖 内 大 部 分 区 域 的 最 大 潮 流 流 速 都 小 于 ０ １ ｍ 由于缺乏新村港附近海域实测波浪资料 故采 用三亚西侧 ７５ｋｍ 处的莺歌海海洋站 １９７６ １９９１ 年 的波浪观测资料作为参考 莺歌海站 附近 海区 以风 浪为主 风浪的 年出 现频 率为 ８０ 常 浪 向 是 ＳＥ 向 和 Ｓ 向 平均波高为 ０ ７ｍ 平均周期为 ４ ０２５ ２８ ｋｍ 平均水深 ５ｍ 左右 ２８ ２９ 新村港 湖无明显淡水河流注入 潮流是其主要 动力 但也受 到 波浪作用 的影响 ２８ ３３ 根据 ２０１３ 年 ８ 月在新村港口门及 湖 内两 个 验 潮 站 的 观 测 结 果 ３ 材料与方法 ３ １ 沉积物采样和粒度分析 ２０１３ 年 ８ 月 ２１ ２２ 日 采用抓斗式采泥器在新

3 96 海洋学报 38 卷 村港 湖获得 47 个表层沉积物样品 ( 采样深度在 5~ 10cm 以内, 每个样品约重 0.5~1kg), 手持 GPS 定位,YSI6920 测水深, 研究区及采样站位见图 1 由于 湖内鱼排和网箱养殖广布, 因此, 表层沉积物样品的采集站位无法做到均匀分布 实验室进行粒度分析时, 将每一站位所取表层沉积物样品混合均匀后, 按粒径组成情况取适量代表性样品 ( 泥质约 0.3~ 0.5g 粉砂 细砂约 0.5~1.2g) 放入烧杯中, 加入 10 ~20 ml, 浓度为 0.05 mol/l 的六偏磷酸钠 ([NaPO 3 ] 6 ) 溶液对样品进行预处理 预处理后的样品在南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室采用 Malvern Mastersizer 2000 型激光粒度仪进行粒度测试, 测量范围为 0.02~2000μm, 误差小于 1% 所有样品测试时, 遮光度均控制在 10%~20% 沉积物粒级采用 (Udden Wentworth)Ф 粒级标准, 粒度参数 ( 平均粒径 分选系数 偏态系数 峰态系数 ) 采用矩值 [36 37] 法进行计算 此外, 沉积物的分类和定名采用 Folk 三端元分类法 [38] 3.2 水动力参数 本文采用 Delft3D 数值模型对新村港 湖的潮汐水位和流场进行数值模拟 Delft3D 由荷兰代尔夫特水力学所研发, 用于河口海岸等环境的水动力和沉积物输运等方面的模拟, 是目前国际上最先进的海岸 [39 41] 模拟系统之一 由于潮汐是新村港 湖的主要 [28] 水动力, 因此, 在模型中只考虑潮汐引起的流场变化 利用新村港 湖口门及内部两个验潮站 ( 图 1) 为期 1 个月 (2013 年 8-9 月 ) 的潮位数据计算模型所需参数, 并用于验证模型输出结果 湖口门及内部的水位分别使用 SBE26 型浪潮仪和 XR620 RBR CTD 多参数水质仪观测 通过对比两种仪器测量的平均高潮位 (0.61 m 和 0.69 m) 和平均低潮位 (-0.26m 和 -0.29m) 可知, 利用 XR620RBRCTD 多参数水质仪进行验潮, 误差较小, 精度较高 使用新村港 湖口门处的实测水位序列作为模型输入边界, 模拟得到各网格点的水位序列 将 湖内部验潮站实测水位序列与此处模拟得到的水位序列进行对比, 结果如图 2 所示 对比结果表明, 模型输出结果和实测结果吻合良好 为了探讨沉积物的分布特征及其与水动力的关系, 根据模型结果计算了表层沉积物采样站位的深度平均的均方根流速 ( 犚犕犛犞 ), 公式如下 [42] : 犚犕犛犞 ( 狓, 狔 )= 槡狏犲犾 2 ( 狓, 狔 ), (1) 式中, 狏犲犾 ( 狓, 狔 ) 是点 ( 狓, 狔 ) 处的深度平均的流速, 上横线指示适当时间范围内的平均值 虽然犚犕犛犞较好地反应了 湖内的水动力条件, 但是底床沉积物的侵蚀一般由底部切应力 ( 犅犛犛 ) [43] 控制, 可由下式表示 : 犅犛犛 = 狆 犆犱 犚犕犛犞 2, (2) 式中, 狆是海水密度, 犆犱是底床拖曳系数 由式 (2) 可知, 底部切应力的变化主要由犚犕犛犞控制, 因此, 犚犕犛犞可以作为一个较合适的参数来表征 湖内水 [42 43] 动力条件 图 2 新村港 湖实测和模拟水位对比 Fig.2 ObservedandsimulatedwaterlevelinthelagoonofXincun 4 结果与讨论 4.1 表层沉积物粒度参数新村港 湖表层沉积物样品以砂和粉砂组分为主, 平均含量为 43% 和 52%( 图 3a,3b), 黏土含量最低, 平均为 5%( 图 3c) 平均粒径在 0~8.0Ф 之间变化, 平均值为 4.6Ф( 图 4a), 水深与平均粒径为正相关关系 ( 犚 =0.47, 双侧检验狆 =0.01), 平均粒径随水深增加而增大 ( 图 5a) 总体上, 湖沉积物粒径由近岸向内有逐渐变细的趋势 采用 K Mean 型聚类法 [44] 对沉积物平均粒径进行分析, 结果显示, 沉积物平均粒径可分为两组, 第一组沉积物 (25 个站位 ) 平均粒径均大于 5.5Ф, 平均值为 6.8Ф; 第二组沉积物 (22 个站位 ) 平均粒径均小于 3.5Ф, 平均值为 2.2Ф 同时, 平均粒径与分选系数, 偏态系数和峰态系数之间存在着两种不同的相关关系 ( 图 5b,5c,5d), 这说明了 湖内不同沉积环境的存在 分选系数的变化范围为 0.6~3.2 Ф, 均值为 1.7Ф, 分选较差, 其中分选相对较好的 ( 小于 1.6 Ф) 分布在 湖中部及南部, 而分选较差的 ( 大于 2.2 Ф) 分布在 湖北部及东北部 ( 图 4b) 对于第一组

4 １期 杨阳等 海南新村港 湖表层沉积物粒度特征及其沉积环境 ９７ 随之增大 正相关 犚 ０ ６８ ０１ 图 ５ 狆 ０ 峰态系数的最 小值 为 ０ ７ 最 大 值 为 １２ ５ 平 均 值为 ４ ４ 属于很宽平类型 图 ４ｄ 对于第一组沉积 物 随着平均粒径 Ф 值 变 大 峰 态系 数轻 微减 小或 基本保持不变 保持在 ３ 左右 而对于第二组沉积物 峰态系数随着平均粒径 犚 Ф 值 变大而减小 负相关 图 ０ ７６ ０ ０ １ ５ ｄ 狆 ４ ２ 水动力参数 根据数值模型输出结果 计算 了 ４７ 个 表层 沉积 物站位大潮 ２０１３ 年 ８ 月 １９ 日 ０ ００ ２０ 日 ６ ００ 和 小潮 ２０１３ 年８ 月２４ 日１４ ００ ２５ 日６ ００ 的 犚犕犛犞 图 ６ 结果表明 新村港 湖大潮期间涨潮流占主 导 犞 犞ｆ 落潮平均 犚犕犛犞 涨潮平均 犚犕犛犞 均值为 ０ ７ 而小潮期间落潮流占优势 犞 犞ｆ 均值在 １ ２ 左 右 大潮和小潮 犚犕犛犞 变化范围为０ ８５ ９ｍ 和 ０ ８３ ９ｍ 大 潮 和 小 潮 犚犕犛犞 的 平 均 值 是 ７ ５ 和 标 准 偏 差 为 和 ｍ ６ ９ｍ １５ ３ｍ １４ ９ ｍ 犚犕犛犞 的高值出现在 湖口门附近 低值出现 在 湖内部 而在次一级潮汐汊道处 犚犕犛犞 也较大 犚犕犛犞 大致可以反应 湖的水动力条件 由图 ６ 可以 看出 水动力强度由口门潮汐汊道向 湖内部逐渐减 小 湖内的水动力整体较弱 第一 组 和 第 二 组 沉 积 物 所 对 应 的 犚犕犛犞 的 平 均值是２ ８ｍ 和８ ５ｍ 由此可以看出 第一 组和第二组沉积物在粒度和水动力参数方面都存在 着显 著 的 差 异 针 对 第 二 组 沉 积 物 大 潮 和 小 潮 犚犕犛犞 和沉积物 中 极 细 砂 ６３ １２５μｍ 含 量 存 在 显著的 正 相 关 相 关 系 数 为 ０ ８９ 和 ０ ９０ 图 ７ 这 图 ３ 新村港 湖表层沉积物粒度组成分布 Ｆ ３ Ｄ ｂｕ ｆ ｄ ｌ ｂ ｄ ｌ ｇ ｙ 表明 犚犕犛犞 决定了 湖中 ６３ １２５μｍ 含量 图 ７ 说明 当 犚犕犛犞 大于 ４ｍ 时 犚犕犛犞 和 ６３ １２５ ｐ ｈ ｌ ｆｘ ｕ ｇ ｇｏ μｍ 含量的正 相 关 关 系 更 明 显 而 当 犚犕犛犞 小 于 ４ 犚犕犛犞 和 ６３ １２５ μｍ 含 量 的 相 关 性 较 ｍ 时 差 这是因为 当 犚犕犛犞 小于４ｍ 水动力较弱 沉积物 平均粒径 Ф 值 与 分 选 系 数 呈 反 相 关 关 系 沉积物一般难以 起 动 对 于 第 一 组 沉 积 物 由 于 其 犚 ０ ８８ ０１ 而对于第二 组沉积 物 平 均 粒 狆 ０ 大部分的 犚犕犛犞 都小于 ４ｍ 因此 犚犕犛犞 和 ６３ １２５μｍ 含量的相关关系不显著 径与分选系数则呈正相关关系 犚 ０ ７０ ０１ 狆 ０ 图 ５ｂ 偏态系数的分布趋势与平均粒径较为一致 在 ４ ３ 表层沉积物类型 新村港 湖沉积物类型 较多 主要包括 粉砂 砂 １ ６ ３ ４ 之间变化 均值为 ０ ９ 其 中 多 数 属 于 正 偏 质粉砂 粉砂质砂和砂 ４ 种类型 以粉 砂和 粉砂 质砂 或极正偏 图 ４ 平均粒径与偏态系数的相关关系 为 主 沉 积 物 各 类 型 粒 度 和 水 动 力 参 数 特 征 值 见 表 表明 对于第二组沉积物 随着平均粒径 Ф 值 变大 偏态系数减小 负相关 犚 ０ ５０ ０１ 而对于第 狆 ０ １ 粉砂分布范围最广 主要分布 在 湖中 部深 水区 域 粉砂质砂和砂分布范围较广 在近 岸浅 水区 域和 一组沉积物 随着平均 粒径 Ф 值 变 大 偏 态系 数亦 湖中部均有分布 砂质粉砂则呈零星状分布

5 海洋学报 ３８ 卷 ９８ 图 ４ 新村港 湖表层沉积物粒度参数分布 Ｆ ４ Ｄ ｂｕ ｆｇ ｚ ｐ ｍ ｏ ｆ ｕ ｆ ｄ ｍ ｈ ｌ ｆｘ ｕ ｇ ｇｏ 平均粒径 ｂ 分选系数 偏态系数 ｄ 峰态系数 Ｍ ｇ ｚ ｂ ｏ ｇ ｋ ｗ ｄ ｋｕ ｏ 粉砂分布的平均水深和 犚犕犛犞 分别是 ６ ７ｍ 和 选较差 偏态系数均值为 １ ７ 属极正偏 峰度系数均 值为 ７ ８ 为非常宽类型 粉砂质砂和砂的频率分布 ２ ７ｍ 平均粒径均值为 ７ ０Ф 其中以粉砂含 量 为主 约占 ８８ ８ 分选系数均值 １ ４Ф 分选较差 曲线类似 图８ 主要以双峰为主 表明沉积物所处的 偏态系数均 值 为 ０ ５ 属正偏 峰度 均 值 为 ３ ０ 为 很 沉积环境物质来源复杂 水动力也较强 宽 平 类 型 砂 质 粉 砂 分 布 的 平 均 水 深 是 ４ ０ ｍ 犚犕犛犞 均值为 ３ ７ｍ 平均粒径为 ５ ５Ф 粉砂含 量为主 ７４ ４ 粉砂 和砂 质粉砂的 频率 分 布 曲 线 将新村港 湖表层沉积物平面分布与 湖地 形 图 １ 相比 可以发现沉积物类型与水深的关系十分 类似 图８ 主要呈单峰 表明沉积物所处的沉积环境 密切 在 湖内 粉砂和砂质粉砂基本分布在 ４ｍ 等 深线以上 这是由于粉砂颗粒沉 积物最 容易 起动 也 水动力较弱 沉积物来源单一 容易沉降 常被带到动力较弱的 湖中部区域沉降下 粉砂质砂分布的平均水深和 犚犕犛犞 为 ３ ０ｍ 和 ５ １ｍ 平均粒径为２ ５Ф 砂含量为７９ ２ 粉砂 含量 为 １９ ４ 黏 土 含 量 为 １ ４ 分 选 系 数 均 值 １ ９Ф 分选较差 偏态系数为 ０ ３ 属近对称 峰度系 数１ ９ 为宽平类型 砂分布的平均水深和 犚犕犛犞 是 ３ ２ｍ 和１４ ７ｍ 平均粒径均值为１ ８Ф 砂含量 为主 平均含 量 为 ９３ １ 分 选 系 数 均 值 １ ４Ф 分 来 ４５ 而粉砂质砂 和砂 主要 分布 在 ４ ｍ 等 深 线 以 下 的浅水区域 因为该区域水动力 较强且 物源 较复 杂 易于起动的细颗粒沉积物都被带走 留下颗粒较粗难 于起动的沉积物 由此可见 沉积物类型的这种分布 格局 是物源 地形和水动力分选共同作用的结果 ４ ４ 沉积环境划分 沉积环境的识别主要依靠粒度参数 水动力条件

6 １期 杨阳等 海南新村港 湖表层沉积物粒度特征及其沉积环境 ９９ 图 ５ 新村港 湖表层沉积物平均粒径与水深 分选系数 ｂ 偏态系数 峰态系数 ｄ 的关系 Ｆ ５ Ｔｈ ｌ ｏ ｈ ｂ ｗ ｍ ｇ ｚ ｄｄ ｈ ｏ ｇ ｂ ｋ ｗ ｄｋｕ ｏ ｄ ｏ ｆ ｕ ｆ ｇ ｐ ｐ ｄ ｍ ｈ ｌ ｆｘ ｕ ｇｏ 图 ６ 新村港 湖表层大潮 和小潮 ｂ 犚犕犛犞 Ｆ ６ Ｄ ｂｕ ｆｒｍｓｖｄｕ ｇ ｇ ｄ ｂ ｈ ｌ ｆｘ ｕ ｇ ｐ ｐ ｇｏ 和水深等指标 为了能够更有效的反 映沉 积环 境的 差异 本文首先采用系统聚类分析法 ４４ ４６ 对粒度参数 ２ 为 了 选 择 最 佳 的 粒 度 参 数 组 合 主 成 分 分 析 法 ４７ ４９ 被用于判定这 ３ 组中各粒度参数的相对重要 指标进行压缩 以沉积物的粒度参数 平均粒径 Ｖ１ 性 巴特利特球形检验说明各粒度参数 适合 做主 成 分选 系 数 Ｖ２ 偏 度 系 数 Ｖ３ 峰 度 系 数 Ｖ４ 砂 含 量 Ｖ５ 粉砂含量 Ｖ６ 和 黏 土 含 量 Ｖ７ 为 聚 类 标 准 对 其 分分析 ４４ 结果表明 平均粒径 峰态和分选系数是 进行聚类分析 将具有相同聚集趋势 即相 关系 数较 ３ 组中关键的粒度参数 能够包含所以粒度参数的关 键信息 其中 平均粒径是对水动力和物源相互作用 高 的参数合并 结果说明 粒度参数可分为 ３ 组 表 较为敏感的参数 分选是对研究区地形和流场相互作

7 100 海洋学报 38 卷 表 1 新村港 湖表层沉积物类型各粒度参数和水动力参数特征值 犜犪犫.1 犌狉犪犻狀狊犻狕犲狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊犪狀犱犺狔犱狉狅犱狔狀犪犿犻犮狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊狅犳狊狌狉犳犪犮犲狊犲犱犻犿犲狀狋狊犻狀狋犺犲犾犪犵狅狅狀狅犳犡犻狀犮狌狀 名称 水深 /m 犚犕犛犞 /cm s -1 特征值 黏土 /% 粉砂 /% 砂 /% 犕狕 /Ф 分选 /Ф 偏态 峰态 粉砂 平均 最小 最大 砂质粉砂 平均 最小 最大 粉砂质砂 平均 最小 最大 砂 平均 最小 最大 图 7 大潮 (a) 和小潮 (b) 水动力参数 ( 犚犕犛犞 ) 与极细砂 (63~125μm) 含量的关系 Fig.7 Therelationshipsbetweenveryfinesandfraction(63~125μm)andhydrodynamic parameter( 犚犕犛犞 )duringspring(a)andneap(b)tides 用最为敏感的参数之一, 而峰态反应了粒度分布的集 [22,50] 中程度, 与水动力强度与物源密切相关 因此, 本文根据选定的平均粒径 峰态和分选系数这 3 个粒度参数, 同时结合高分辨的水动力和水深数据, 对沉 [44] 积物样品的这 5 个参数进行 Q 型聚类分析, 再根据各样品所属类别绘制沉积环境分区图 ( 图 9) 结果表明, 新村港 湖沉积环境可分为 3 类, 分别代表不同的沉积环境 由此看出, 利用系统聚类和主成分分析相结合的方法可以有效的划分现代沉积环境 第 Ⅰ 类沉积区粒度最细, 主要分布在 湖中部 平均粒径为 6.4 Ф, 砂 粉砂和黏土含量分别为 11.8% 80.2% 和 8.0%, 主要沉积物类型为粉砂和砂 质粉砂 分选系数均值为 1.7Ф, 分选较差 ; 偏态为 0.3, 近乎对称 ; 峰态主要呈很宽平类型 ( 均值 3.0) 该区沉积物较细主要受水动力和物源条件影响, 水深较大 (6.0m), 犚犕犛犞较小 ( 均值为 2.0cm/s), 水动力较弱, 有利于外海来的细颗粒沉积物沉积在该区 第 Ⅱ 类沉积区粒度相对较粗, 主要分布在 湖口门附近区域 平均粒径为 3.3Ф, 砂 粉砂和黏土含量分别为 64.9% 31.9% 和 2.5%, 沉积物类型以砂为主 分选系数为 1.6Ф, 相对于第 Ⅰ 和 Ⅲ 类沉积区, 分选较好, 偏态呈正偏 ( 均值为 1.0), 峰态为 5.5, 呈非常宽平类型 平均水深为 4.5m,RMSV 均值为 16.7 cm/s, 水动力较强, 侵蚀近岸粗颗粒沉积物沉积在该

8 1 期杨阳等 : 海南新村港 湖表层沉积物粒度特征及其沉积环境 101 用, 能有效地揭示 湖内沉积环境的差异, 体现了适宜的粒度参数组合和高空间分辨率的水动力数据在沉积环境划分中的重要性 此外, 人类活动 ( 湖围垦和鱼排 / 网箱养殖 ) 和极端天气现象 ( 台风 ) 对新村港 湖的沉积环境影响也较大, 未来工作可在本文研究的基础上, 进一步考虑人类活动和极端天气对沉积环境的影响 表 2 粒度参数聚类过程表 图 8 新村港 湖 4 种沉积物类型的频率分布曲线 Fig.8 Averagegrainsizedistributioncurvesofthefour sedimenttypesinthelagoonofxincun 犜犪犫.2 犜犺犲犮犾狌狊狋犲狉犻狀犵狆狉狅犮犲狊犲狊犪犿狅狀犵犵狉犪犻狀 狊犻狕犲狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊 聚类阶段 聚合组合 相关系数 第一组 第二组 第三组 1 V1,V V1 V3 V2 2 V1,V V5 V4 3 V3,V V6 V7 4 V3,V V2,V V1,V 结论 图 9 新村港 湖沉积环境分区图 Fig.9 SedimentaryenvironmentsinthelagoonofXincun 区, 说明沉积物主要受水动力条件的强烈影响 第 Ⅲ 类沉积区的粒度最粗, 主要分布在 湖的近岸区域 平均粒径为 1.9Ф, 砂 粉砂和黏土含量分别为 87.5% 11.2% 和 0.4%, 沉积物类型主要为粉砂质砂和砂 分选系数为 1.8 Ф, 分选最差, 偏态为 1.7, 呈极正偏态, 峰态为非常宽平类型 ( 均值为 6.8) 该区平均水深为 2.0m, 犚犕犛犞均值为 2.2cm/s, 水动力较弱, 由于离近岸区域较近, 可能只有部分近岸风化粗颗粒物质参与沉积, 这说明物源是该区沉积物特征的主要控制因素 在这 3 类沉积区中, 第 Ⅰ 类与第 Ⅱ 类沉积区在水动力条件, 沉积物特征和物源等方面都具有明显的差异 ; 第 Ⅰ 类与第 Ⅲ 类沉积区在水动力条件上较为相似, 而在沉积物特征和物源方面差异显著 ; 第 Ⅱ 和 Ⅲ 类沉积区在沉积物特征和物源方面较为相似, 但在水动力强度方面存在显著差异 因此将研究区沉积环境划分成 3 类, 充分考虑了水动力 物源 地形及其相互作 (1) 新村港 湖表层沉积物主要包括粉砂 砂质粉砂 粉砂质砂和砂 4 种类型 其中以粉砂和粉砂质砂为主, 分别分布在 湖中部区域和近岸浅水区域 (2) 研究区表层沉积物平均粒径变化较大 (0~ 8.0Ф), 均值为 4.6Ф, 沉积物随水深增大而逐渐变细 ; 沉积物粒度组分以砂 ( 平均含量 43%) 和粉砂 ( 平均含量为 52%) 为主, 黏土含量较少, 平均含量为 5% 聚类分析表明平均粒径可分为两组 : 第一组平均粒径均大于 5.5Ф, 均值为 6.8Ф; 第二组平均粒径均小于 3.5Ф, 均值为 2.2Ф 此外, 平均粒径与分选系数 偏态和峰态之间呈现出两种不同的相关关系 (3) 研究区大潮和小潮期间犚犕犛犞均值是 7.5 cm/s 和 6.9cm/s, 标准偏差分别是 15.3cm/s 和 14.9cm/s, 犚犕犛犞的高值出现在 湖口门附近, 低值出现在 湖内部 大潮期间涨潮流占主导, 犞 e/ 犞 f 均值为 0.7; 而小潮期间落潮流占优势, 犞 e/ 犞 f 均值为 1.2 当犚犕犛犞大于 4cm/s 时, 犚犕犛犞与极细砂 (63 ~125μm) 含量呈显著的正相关关系, 这表明犚犕犛犞决定了 湖沉积物中极细砂含量 (4) 聚类和主成分分析结果表明平均粒径 峰态和分选是对沉积环境最为敏感的粒度参数组合, 同时

9 102 海洋学报 38 卷 结合高分辨率的水动力和水深数据, 将研究区沉积环境划分为 3 类 这样划分充分考虑了水动力 物源 地形及其相互作用, 更能有效地揭示沉积环境的差异, 尤其体现了适宜的粒度参数组合和高空间分辨率的水动力在沉积环境划分中的重要性 致谢 : 南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室杜永芬 陈蕴真 王丹丹 李润祥 戴晨 赵秧秧 朱东 韩卓尘 许振 徐粲 柳润启 陈景东 朱庆光 高明哲参加了野外采样 ; 张响协助部分粒度分析实验 ; 另外, 审稿专家和编辑部老师对文章修改提出了宝贵意见 谨致谢忱! 参考文献 : [1] McCaveIN.Grainsizetrendsandtransportalongbeaches:examplefromeasternEngland[J].MarineGeology,1978,28(1):M43-M51. [2] GaoS,ColinsMB,LanckneusJ,etal.Grainsizetrendsassociatedwithnetsedimenttransportpaterns:AnexamplefromtheBelgiancontinental shelf[j].marinegeology,1994,121(3): [3] FlemmingB W.Theinfluenceofgrain sizeanalysismethodsandsedimentmixingoncurveshapesandtexturalparameters:implicationsforsedi menttrendanalysis[j].sedimentarygeology,2007,202(3): [4] 高抒. 沉积物粒径趋势分析 : 原理与应用条件 [J]. 沉积学报,2009,27(5): GaoShu.Grainsizetrendanalysis:principleandapplicability[J].ActaSedimentologySinica,2009,27(5): [5] 李艳, 刘艳, 李安春, 等. 大连湾附近海域表层沉积物粒度特征及水动力环境指示 [J]. 海洋通报,2014,33(5): LiYan,LiuYan,LiAnchun,etal.GrainsizedistributioncharacteristicsinsurfacesedimentsneartheDalianBayandtheirhydrodynamicenviron mentalimplications[j].marinesciencebuletin,2014,33(5): [6] YangSY,JungHS,LimDI,etal.AreviewontheprovenancediscriminationofsedimentsintheYelowSea[J].EarthScienceReviews,2003, 63(1): [7] LimDI,JungHS,ChoiJY,etal.GeochemicalcompositionsofriverandshelfsedimentsintheYelowSea:grainsizenormalizationandsediment provenance[j].continentalshelfresearch,2006,26(1): [8] 周连成, 李军, 高建华, 等. 长江口与舟山海域柱状沉积物粒度特征对比及其物源指示意义 [J]. 海洋地质与第四纪地质,2009,29(5): ZhouLiancheng,LiJun,GaoJianhua,etal.Comparisonofcoresedimentgrain sizecharacteristicsbetweenyangtzeriverestuaryandzhoushan Islandsanditssignificancetosedimentsourceanalysis[J].MarineGeology& QuaternaryGeology,2009,29(5): [9] 蒋东辉, 高抒. 渤海海峡潮流底应力与沉积物分布的关系 [J]. 沉积学报,2002,20(4): JiangDonghui,GaoShu.Relationshipbetweenthetidaly inducednear bedshearstressandthedistributionofsurficialsedimentsinthebohaistrait [J].ActaSedimentologySinica,2002,20(4): [10] 彭晓彤, 周怀阳, 叶瑛, 等. 珠江河口沉积物粒度特征及其对底层水动力环境的指示 [J]. 沉积学报,2004,22(3): PengXiaotong,ZhouHuaiyang,YeYing,etal.Characteristicsofsedimentgrainsizeandtheirimplicationsforbotomhydrodynamicenvironment inthepearlriverestuary[j].actasedimentologysinica,2004,22(3): [11] 刘红, 何青, 孟翊, 等. 长江口表层沉积物分布特征及动力响应 [J]. 地理学报,2007,62(1): LiuHong,HeQing,MengYi,etal.CharacteristicsofsurfacesedimentdistributionanditshydrodynamicresponsesintheYangtzeRiverestuary [J].ActaGeographicaSinica,2007,62(1): [12] McLarenP.Aninterpretationoftrendsingrainsizemeasures[J].JournalofSedimentaryResearch,1981,51(2): [13] GaoS,ColinsM.Netsedimenttransportpaternsinferedfromgrain sizetrends,basedupondefinitionof transportvectors [J].Sedimentary Geology,1992,81(1): [14] GaoS.AFortranprogramforgrain sizetrendanalysistodefinenetsedimenttransportpathways[j].computers& Geosciences,1996,22(4): [15] 程鹏, 高抒. 北黄海西部海底沉积物的粒度特征和净输运趋势 [J]. 海洋与湖沼,2000,31(6): ChengPeng,GaoShu.NetsedimenttransportpaternsoverthenorthwesternYelowSea,basedongrainsizetrendanalysis[J].Oceanologyet LimnologiaSinica,2000,31(6): [16] ChengP,GaoS,BokuniewiczH.NetsedimenttransportpaternsovertheBohaiStraitbasedongrainsizetrendanalysis[J].Estuarine,Coastal andshelfscience,2004,60(2): [17] 马菲, 汪亚平, 李炎, 等. 地统计法支持的北部湾东部海域沉积物粒径趋势分析 [J]. 地理学报,2008,63(11): MaFei,WangYaping,LiYan,etal.TheapplicationofgeostatisticstoanalysisofgrainsizetrendintheeasternBeibuGulf[J].ActaGeographica Sinica,2008,63(11): [18] HailsJR.SignificanceofstatisticalparametersfordistinguishingsedimentaryenvironmentsinNewSouth Wales,Australia[J].JournalofSedi mentaryresearch,1967,37(4): [19] VisherGS.Grainsizedistributionsanddepositionalprocesses[J].JournalofSedimentaryResearch,1969,39(3): [20] 孙有斌, 高抒, 李军. 边缘海陆源物质中环境敏感粒度组分的初步分析 [J]. 科学通报,2003,48(1):83-86.

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12 1 期杨阳等 : 海南新村港 湖表层沉积物粒度特征及其沉积环境 cm/sduringspringandneaptide;standarddeviationis15.3cm/sand14.9cm/s,respectively.Thereisasig nificantpositiverelationshipbetweenveryfinesandfraction (63to125μm)and 犚犕犛犞 when 犚犕犛犞 >4cm/s. Theresultssuggestedthat 犚犕犛犞 determinesthevariabilityofveryfinesandfractioninthelagoon.systemcluster andpca wereusedtoidentifythepropergrainsizeparametersassociatedwithmeangrainsize,kurtosis,andsor ting.therefore,themodernsedimentaryenvironmentcanbewelclassifiedintothreetypesusingmeangrainsize, kurtosis,sorting,high spatialresolution 犚犕犛犞 andwaterdepth.inparticular,theresultssuggesttheimportance ofpropergrainsizeparametersandhigh spatialresolutionhydrodynamicdataindiferentiatethecoastalsedimenta ryenvironments. 犓犲狔狑狅狉犱狊 :surfacesediment;grainsize;sedimentaryenvironment;clusteranalysis;pca;rootmeansquareve locity;numericalsimulation;thelagoonofxincun