126 海洋学报 37 卷 为气候变化 物理环境和生态系统变化研究提供有用的基础数据, 必须深入开展海岸与陆架沉积动力学的 [5] 基础研究 沉积动力学的研究, 可以促进海底边界层内悬浮颗粒物与海底沉积物交换物理过程及其控制机制的 [5] 研究, 通过分析悬浮颗粒物及表层沉积物的组成, 并结合底边界

第 37 卷第 1 期海洋学报 Vol.37,No.1 2015 年 1 月 HaiyangXuebao January2015 王爱军, 叶翔, 陈坚, 等. 沉积物捕获器在海岸与陆架沉积动力研究中的应用 : 以罗源湾和台湾海峡为例 [J]. 海洋学报,2015,37 (1):125 136,doi:10.3969/j.issn.0253 4193.2015.01.013 WangAijun,YeXiang,ChenJian,etal.Applicationsofsedimenttrapinsedimentdynamicsincoastandshelfseas:Acasestudyof LuoyuanBayandTaiwanStrait[J].HaiyangXuebao,2015,37(1):125 136,doi:10.3969/j.issn.0253 4193.2015.01.013 沉积物捕获器在海岸与陆架沉积动力研究中的应用 : 以罗源湾和台湾海峡为例 王爱军 1, 叶翔 1, 陈坚 1, 黄财宾 1 (1. 国家海洋局第三海洋研究所海洋与海岸地质环境开放实验室, 福建厦门 361005) 摘要 : 运用时间序列的沉积物捕获器对海岸与陆架海域沉降颗粒物进行采集, 估算沉降通量, 并运用多学科综合研究手段分析沉降颗粒物的来源 组成 时空变化及控制因素, 可以为海岸与陆架沉积动力过程的研究提供新的研究手段 福建罗源湾的实验表明, 夏季罗源湾潮下带小潮至中潮期间的沉降通量为 133.20~256.18g/(m 2 t); 由中潮向大潮变化期间单个潮周期的沉降通量明显增大, 台风过后的大潮期间的沉降通量为 373.99~590.51g/(m 2 t); 台风显著影响期间的沉降通量为 746.34g/(m 2 t); 粒度分析及水动力观测结果显示, 观测期间罗源湾潮下带沉降颗粒物主要来源于海底沉积物的再悬浮 台湾海峡西北部内陆架海域的实验研究表明, 该海域近底部悬浮颗粒物沉降通量最大值为 13.34g/(m 2 d), 由小潮向中潮沉降通量逐渐增大, 这主要是由于近底部温盐跃层层位上移, 近底部垂向混合作用增强, 致使底部再悬浮沉积物向上扩散, 并最终被沉积物捕获器捕获 沉积物捕获器可以接收到再悬浮沉积物, 结合底部边界层过程的观测研究, 可以深入认识海底沉积物的侵蚀 沉降及埋藏过程, 在研究海岸与陆架区沉积动力学 泥质区沉积记录的形成过程与保存潜力中扮演着十分重要的角色 关键词 : 沉积物捕获器 ; 沉降颗粒物 ; 沉降通量 ; 海岸与陆架 ; 沉积动力中图分类号 :P736.21 文献标志码 :A 文章编号 :0253 4193(2015)01 0125 12 1 引言 海岸与陆架属于浅水海域, 是陆地 海洋 大气相互作用的过渡地带, 也是生物作用与人类活动最为强烈的海域 不同来源的细颗粒物质进入海岸与陆架海域后, 在潮流 波浪 河口环流 陆架环流等水动力因素的共同作用下, 频繁发生沉降 侵蚀 再沉降等行 [1 2] 为过程, 在海岸与陆架地区形成了泥质沉积区 国家自然科学基金委员会组织专家编写了 未来 10 年中国科学发展战略 : 海洋科学, 其中明确提出了将海岸 - 陆架沉积体系的形成机制作为海洋地质学科的重点方向, 通过现代过程 地质记录和数值模拟三大方面, 开展陆架环流与物质输运过程 我国近海泥质沉积区演化等核心科学问题的研究工作, 并将其作 [3] 为优先发展领域 细颗粒物质在进入海水后, 经过一系列的物理 化学 生物过程, 最终记录了自然环境变化和人类活动的信息, 通过提取地层中的沉积记 [4] 录, 可以反演沉积环境 为有效提取沉积记录并且 收稿日期 :2013 12 05; 修订日期 :2014 05 10 基金项目 : 国家自然科学基金 (41076035,41376070,41206048); 国家海洋局第三海洋研究所基本科研业务费 ( 海三科 2012009) 作者简介 : 王爱军 (1977 ), 男, 宁夏回族自治区平罗县人, 博士, 副研究员, 主要从事海洋沉积动力学 湿地环境演化等方面的研究 E mail: ajwang@163.com,wangaijun@tio.org.cn

126 海洋学报 37 卷 为气候变化 物理环境和生态系统变化研究提供有用的基础数据, 必须深入开展海岸与陆架沉积动力学的 [5] 基础研究 沉积动力学的研究, 可以促进海底边界层内悬浮颗粒物与海底沉积物交换物理过程及其控制机制的 [5] 研究, 通过分析悬浮颗粒物及表层沉积物的组成, 并结合底边界的物理过程, 可以探讨悬浮颗粒物的沉 [6] 降与埋藏过程 沉积物捕获器主要收集水体中的沉降颗粒物, 起到了连接水体悬浮颗粒物与海底表层沉积物的中间过程, 并可以直接接收到沉降颗粒物, 结合海底沉积动力学观测, 可以揭示出悬浮颗粒物的沉降与埋藏过程及其控制机制, 因而得到广泛的应用 本文基于沉积物捕获器的实际应用案例, 探讨沉积物捕获器在海岸与陆架海域沉积动力学研究中的应用前景及存在问题 2 沉积物捕获器的类型及应用 沉积物捕获器是为了收集水柱中自然沉降的颗粒物质而设计的 最初投入使用的是单一样品收集 [7] 器, 即每次只能采集一段时期内的单个样品 为了满足高精度研究工作的需要, 自动化的沉积物捕获器被研制出来并得到广泛应用使用, 从而实现了 [8 9] 时间序列高分辨率样品的采集 目前科学研究中应用比较广泛的沉积物捕获器主要有 3 种, 一种是沉降管为锥形的沉积物捕获器 ( 图 1a), 一种是沉降管为圆柱形的沉积物捕获器 ( 图 1b), 第三种则是前面两种交叉结合, 与单一沉积物捕获器相似的沉积物捕获器 ( 图 1c) 目前, 应用最为广泛的一种沉积物捕获器是锥形沉积物捕获器, 主要用于深海与 [10 15] 极地生物地球化学研究, 在 1983-2008 年间全球共有 436 组沉积物捕获器在 240 多个深海站位被投放使用, 主要用于深海生物地球化学过程的研 [16] 究 ; 该类型设备的典型代表是 McLane 公司的 PARFLUX 系列沉积物捕获器 柱状沉积物捕获器由于其截面积较小, 一般用于内陆架 河口 海湾环境, 多用于开展沉积动力学和生物地球化学研 [17] 究 ; 目前该类型设备的典型代表是德国 Hydro Bios 公司生产的多通道沉积物捕获器 (MultiSedi menttrap,mst) 锥形- 柱状沉积物捕获器早期 [18] 应用于深海沉积物矿物及地球化学特征研究, 后增加时间标志物而用于海底峡谷事件沉积动力学观 [6,19] 测研究 此外, 在陆架及深海研究中, 也有应用简易柱状 PVC 多管沉积物捕获器进行生物地球化 [20 23] 学和沉积动力学研究 图 1 沉积物捕获器类型示意图 Fig.1 Sketchmapofdiferentsedimenttrap

１期 王爱军等 沉积物捕获器在海岸与陆架沉积动力研究中的应用 以罗源湾和台湾海峡为例 １２７ ３ 沉积物捕获器在海岸与陆架沉积动 力研究中的应用实例 物捕获器 投 放 站 位 见 图 ２ 该 站 位 大 潮 低 潮 最 小 水 ３ １ 研究方法 本文选择两个区域开展实验研究 分别为福建罗 架尺寸为 ０ ８ｍ ０ ８ｍ １ ０ｍ 为柱状沉积物捕获 源湾潮下带及台湾海峡西北部内陆架海域 仪器座底投放 捕获 器沉 降管 口距 离海 底 高 度 １ ｍ 深为 １ ７５ｍ 大潮高潮最大水深为 ８ ７９ｍ 海底沉积 物主要由细颗粒物质组成 该类型沉积 物捕获器框 器 接收口 截 面 直 径 为 １６ｃｍ 装 备 有 ２４ 个 采 样 瓶 实验 １ 罗源湾潮下带 为了充分认识沉降通量的潮周期变化过程 根据罗源 罗源湾位于福建省东北部沿海 整个海湾被罗源 湾的潮汐性质 设置为 １２ ５ｈ 更换一个采样瓶 即每 半岛和黄歧半岛环抱 湾口宽仅 ２ｋｍ 是一个典型的 个潮周期采集 １ 次沉降颗粒物样品 本 次投放共获 半封闭海湾 属构造成因海湾 湾内海底地貌较为单 得 ２１ 个沉降颗粒物样品 仪器安装见图 ３ 在沉积 调 主要为潮滩 水下浅滩和潮汐通道 潮滩和水下浅 物捕获器投放之前 采集了该站位的表 层沉 积物 表 滩沉积物主要为黏土质粉砂组成 根据 历史 观测资 层 １ｃｍ 厚 度 的 混 合 样 带 回 实 验 室 进 行 粒 度 分 析 料 罗 源湾属正规 半日潮 平均潮 差为 ４ ９８ ｍ 平均 观测期间在沉积物捕获器投放站位附近 距离 ５ｍ 左 涨潮历时为６ｈ２１ｍ 平均落潮历时为６ｈ４ｍ 平 均每年有 ５ ６ 次强热带风暴影响罗源 湾 罗源湾的 右 投放座底三脚架 安装了一台美国 ＲＤＩ公司生产 潮流系地形控制的稳定的往复流 潮流流速由湾口向 湾内逐渐减小 波浪作用弱 ２４ ２０１２ 年 ７ 月 ２６ 日 ８ 月 ６ 日 在福 建罗源湾 潮 下带投放了德国 Ｈｙｄ ｏ Ｂ ｏ ｓ公司生产的多通道沉积 的声学多普 勒流 速剖 面 仪 Ａｃ ｏｕ ｓ ｃｄｏｐｐ ｌ Ｃｕ ＡＤＣＰ 进行波浪观测 同时安装了一台挪威 Ｐ ｏ ｆ ｌ Ｎｏ ｋ 公司生产的声学多普勒点式流速仪 Ａｃ ｏｕ ｓ ｃ Ｄｏｐｐ ｌ Ｖ ｌ ｏ ｃ ｍ ＡＤＶ 进 行 近 底 层 距 离 海 底 １ ｍ 层位 流速观测 图 ２ 研究区位置示意图 Ｆ ２ Ｌｏ ｃ ｏｍ ｆｓ ｕｄｙ ｇ ｐｏ 实验 ２ 台湾海峡西北部内陆架 海流 主 要 有 浙 闽 沿 岸 流 黑 潮 暖 流 及 南 海 暖 流 的 台湾海峡作为连通中国东海与南海的通道 水深 延伸 ２５ 换过程中起着非常重要的作用 台湾 海峡环 流受季 ２０１２ 年 ７ 月 ２２ ２９ 日 在台湾海峡西北部海域 投放了美 国 ＭｃＬ 公 司 生 产 的 多 通 道 沉 积 物 捕 获 风控制 夏季受西南季风影响 主要为东北向海流 冬 器 投放站位见 图 ２ 该 站 位 大 潮 高 潮 最 大 水 深 为 季 受东北季风及黑潮暖流的影响 影响 台湾 海峡的 ４７ １５ｍ 左右 小潮最小水深 ４１ ６２ｍ 海底沉积物由 一般小于 ６０ ｍ 在东海 与南 海之 间的物 质 与 能 量 交

128 海洋学报 37 卷 图 3 实验 1(a) 与实验 2(b) 沉积物捕获器安装示意图 Fig.3 Deploymentsketchmapofsedimenttrapinexperiment1(a)and2(b) 细颗粒物质组成 该型沉积物捕获器框架高 1.64 m, 直径 0.91m, 属锥形沉积物捕获器, 接收口截面直径为 0.8m, 备有 21 个采样瓶 本次沉积物捕获器投放深度为距离海底 8m, 设置采样间隔为 24h, 即每天采集 1 个沉降颗粒物样品, 共获得 8 个沉降颗粒物样品 仪器安装与投放见图 3b 在沉积物捕获器投放之前, 采集了该站位的表层沉积物 ( 表层 1cm 厚度的混合样 ) 带回实验室进行粒度分析 在仪器投放期间, 利用美国 SeaBird 公司生产的 SBE25 型温盐深剖面仪在船上每 6h 做一次剖面水体温度和盐度观测 两次实验所采用的两种类型的设备均为时间序列沉积物捕获器, 可以根据设定时间间隔采集连续的沉降颗粒物 设备下部均装有驱动马达, 在仪器操作软件中根据需要设置采样开始时间和采样时间间隔, 在到达开始时间时, 驱动马达会在 5s 的时间内将设定的第 1 个采样瓶转动到沉降管下部的通道, 使之与沉降管连通, 开始接受沉降颗粒物 ; 在采样时间间隔到达后, 驱动马达再次启动, 更换至下一个采样瓶, 如此反复, 直至最后一个采样结束, 仪器停止工作 在仪器回收至岸上后, 将采样瓶旋转取下, 将采集得到的沉降颗粒物回收至准备好的合适的采样瓶中带回实验室, 以备分析 3.1 3 样品处理与数据分析沉积物捕获器获得的沉降颗粒物由采样瓶取出 后, 利用德国 FRITSCH 公司生产的锥形分样器均匀分成 8 份, 取其中一份用孔径 0.45μm 的醋酸纤维膜进行过滤, 过滤完成后用恒温烘箱以 40 烘干, 用称量精度为 10-5 g 量级的天平进行称重, 以计算沉降通量 另取一份子样, 与表层沉积物样品一批处理与分析 : 加入浓度为 0.5% 的六偏磷酸钠溶液, 搅拌器搅拌均匀, 待样品充分分散后静置 24 h, 用英国 Malvern 公司生产的 Mastersize2000 型激光粒度仪进行粒度测试 ; 在进行粒度测试前及测试过程中均采用超声波进行震荡 测试结束后利用仪器自带软件导出间隔为 1/4Φ 的粒度频率分布数据及中值粒径 3.2 结果与讨论 3.2 1 罗源湾沉降通量及沉降颗粒物来源实验 1 沉降通量计算结果见图 4a 在投放时的潮周期沉降通量明显较大, 其沉降通量约为 372.98 g/(m 2 t), 由第二个潮周期开始至中潮期间, 单个潮周期内的沉降通量较为一致, 为 133.20~256.18 g/(m 2 t); 由中潮向大潮变化期间单个潮周期的沉降通量明显增大, 并且变化较为一致, 沉降通量为 284.07~456.13g/(m 2 t); 大潮期间的沉降通量变化较大, 为 373.99~746.34g/(m 2 t) 观测期间 2012 年第 7 号台风 苏拉 由罗源湾外

1 期王爱军等 : 沉积物捕获器在海岸与陆架沉积动力研究中的应用 : 以罗源湾和台湾海峡为例 129 图 4 实验 1(a) 与实验 2(b) 沉积物捕获器采集获得的沉降通量 Fig.4 Setlingfluxesobtainedbysedimenttrapinexperiment1(a)and2(b) 经过, 并且于 8 月 1 日晚间台风七级风圈开始覆盖罗源湾海域, 至 8 月 2 日晚上开始显著影响罗源湾海域, 台风于 8 月 3 日凌晨由罗源湾北部秦屿登陆, 登陆后继续向西北延伸, 强度逐渐减弱 由图 4a 可以看出, 在台风登陆后, 观测站位所在海域单个潮周期内的沉降通量快速增大至 746.34g/(m 2 t), 并且随时间推移, 单个潮周期内的沉降通量逐渐减小 水动力观测结果显示 ( 见图 5), 由小潮向大潮方向, 观测站位最大淹没水深逐渐由小潮期间的 7.41 m 增大至大潮期间的 8.63m; 小潮期间近底部流速最大值为 0.363m/s, 大潮期间近底部流速最大值为 0.461m/s, 台风显著影响期间近底部流速最大值为 0.483m/s, 最大值均出现在涨潮中期的涨急时刻 在正常天气情况下, 观测海域波高多小于 0.10m, 但在台风影响下, 波高逐渐增大, 在台风影响最显著的时段, 波高最大值可达到 0.30m, 随着台风强度的减弱, 波高迅速减小 实验 1 沉降颗粒物和表层沉积物的粒度分析结果见图 6a 观测海域表层沉积物以细颗粒物质为主, 其砂 粉砂和黏土含量分别为 1.46% 67.50% 和 31.04%, 峰值出现在 6.75Φ~7.25Φ 之间, 与沉降颗粒物频率分布峰值一致, 但表层沉积物中大于 8.00Φ 以上的细颗粒部分含量较沉降颗粒物高 尽管不同时段沉降颗粒物的粒度频率分布一致, 但由图 6a 可以看出, 由小潮向大潮变化期间, 沉降颗粒物粒径略有变粗 ; 在台风过后的第一个快速沉降过程中, 沉降颗粒物粒径略有变细, 随着台风影响的逐渐减弱, 沉降颗粒物粒径又逐渐略微变粗 已有研究结果显示, 在潮间带及近岸浅水海域, 涨落潮流的大小变化是影响海底沉积物活动性的重要因 [26 27] 素 随着潮流周期性变化, 海底冲淤变化也表现出潮周期变化特征, 从而影响水体悬沙浓度的周期变 [26] 化 罗源湾内由于无河流注入, 泥沙来源主要为湾外输入及海底沉积物再悬浮供应 实验 1 所在海域表层沉积物为细颗粒物质, 根据实验 1 同步水文观测结果, 由小潮向大潮过渡期间, 水动力作用明显增强, 并且本次观测期间台风显著影响时间正好位于大潮初期, 波浪作用显著, 因此大潮期间海底沉积物的侵蚀明显大于小潮 已有研究结果也表明, 台风显著影响期 [28 29] 间潮间带及海湾浅水海域海底发生侵蚀 从实验 1 沉降颗粒物粒度分布结果可以看出, 小潮期间沉降颗粒物中值粒径为 7.08Φ, 在大潮及台风显著影响期间, 沉降颗粒物中值粒径为 7.02Φ 从沉降通量观测结果也可以看出, 由小潮向大潮过渡期间, 沉降通量总体

海洋学报 ３７ 卷 １３０ 增大 但在台风显著影响期间 沉降通量达到最大 而 速淤积的研究结果一致 ２８ ２９ 在台风过后 也出现了快速的沉降 与台风过后出现快 图 ５ 实验 １ 观测期间淹没水深 近底部流速及波高的时间序列变化 Ｆ ５ Ｔ ｍ ｓ ｓｖ ｏｏ ｆ ｕｄ ｏｈ ｂ ｄｃ ｕ ｓ ｄ ｄｗ ｖ ｈ ｘｐ ｍ １ ｇ ｇｈ ｐ ｇｈ 图 ６ 实验 １ 和实验 ２ ｂ 沉降颗粒物及表层沉积物粒度频率分布对比 Ｆ ６ Ｃｏｍｐ ｓ ｏｏ ｆｇ ｓ ｚ ｆ ｃ ｗ ｓ ｕ ｆ ｃ ｓ ｄ ｍ ｓ ｄｓ ｌ ｇｐ ｃ ｌ ｓ ｘｐ ｍ １ ｄ２ ｂ ｇ ｑｕ ｙｂ ３ ２ ２ 台湾海峡西北部内陆架沉降通量及沉降颗粒 物来源 实验 ２ 沉 降 通 量 计 算 结 果 见 图 ４ｂ 总 体 上 观 测期间每天的沉降通量逐渐增加 但总体上每天的沉 降通量数值很小 一般都小于 １０ｇ ｍ２ ｄ 仅在小 潮期间 ７ 月 ２７ 日 出现沉降通量最大值 约为 １３ ３４ ２ ｍ ｄ 总体上表现为由中潮向小潮近底部沉降 ｇ 通量逐渐增大的变化趋势

1 期王爱军等 : 沉积物捕获器在海岸与陆架沉积动力研究中的应用 : 以罗源湾和台湾海峡为例 131 沉降颗粒物和表层沉积物粒度分析结果见图 6b 观测海域表层沉积物以细颗粒物质为主, 其砂 粉砂和黏土含量分别为 7.15% 74.84% 和 18.01%; 其频率分布出现两个峰值, 分别出现在 6.75Φ~7.00 Φ 和 4.50Φ~4.75Φ 沉降颗粒物的粒度频率分布形态较为接近, 其砂 粉砂和黏土含量也基本一致, 平均值分别为 2.30% 81.28% 和 16.42%; 频率分布为单峰, 出现在 6.75Φ~7.00Φ 之间 沉降颗粒物粒度分布中, 由 7 月 23 日开始, 细颗粒组份逐渐减少, 粗颗粒组份逐渐增加, 但变化幅度都很小 研究表明, 在水动力作用较强的地区, 海底沉积物再悬浮作用显著, 在距离海底 25~30m 处仍然可 [21,30] 以接收到较明显的再悬浮物质, 东海近岸和中陆架区的近底部沉降颗粒物分别有 67% 和 89% 来自底 [23] 部沉积物再悬浮, 而黄海陆架区夏季近底部沉降颗粒物再悬浮比率可达到 90%~96% [22] 海底三脚 [31] 架观测结果显示, 观测期间海底再悬浮过程强烈 ; 粒度分析频率曲线分布也显示, 沉降颗粒物的粒径分布与表层沉积物细颗粒部分的分布趋势一致 ( 见图 5b) 观测期间水体温度 盐度剖面观测结果显示 ( 图 7), 在观测初期 (7 月 23-24 日 ), 近底部温 盐度跃层一般出现在 30~40m 水层 ; 在观测中期, 近底部跃层则提高至 25~30m 水层, 并且近底部水体盐度略有减小, 而温度略有升高, 表明下部水体混合强度增强 因此, 虽然观测后期已经接近小潮, 但近底部沉积物捕获器仍然接受了较多由垂向混合作用向上部水体输运的再悬浮沉积物 图 7 实验 2 观测期间海水盐度 (a) 温度 (b) 的剖面变化 Fig.7 Time seriesvariationsofwatersalinity(a)andtemperature(b)inexperiment2 4 沉积物捕获器的应用评述 通过对近底层沉积物捕获器的观测研究, 获得具有时间序列的沉降颗粒物样品, 不仅可以分析与计算海底再悬浮过程与再悬浮通量 再悬浮颗粒物的输运 [21 23] 过程等, 还可以揭示沉降颗粒物的物质来 [32 33] 源, 尤其是在极端事件影响下的海底沉降颗粒物的来源, 为事件沉积过程的研究提供了新的研究手 [6,19] 段 沉积物捕获器在投放后, 水流在流经沉降管口 时, 必然会在管内产生一定程度的涡流, 该涡流强度的大小及影响深度不仅受现场水动力条件的影响, 也 [30,34 35] 受沉积物捕获器类型的影响 ( 见图 8) 根据量纲分析结果,Butman 认为有 3 个无量纲参数对沉 [35] 积物捕获器在海洋中的应用具有重要意义 :(1) 捕获器的雷诺数 ( 犚狋 ), 犚狋 = 狌犳犇 ν -1, 其中狌犳是水平流速, 犇是捕获器直径,ν 是水流运动黏滞系数 ;(2) 捕获器纵横比 ( 犃 ): 犃 = 犎 / 犇, 其中犎是捕获器高度 ;(3) 水流速度 ( 狌 ) 与颗粒沉降速度 (ω) 的比值, 即狌 /ω 综合分析大量水槽实验及野外观测的结果, 沉积物捕获

132 海洋学报 37 卷 器的捕获效应与区域水动力条件 悬浮颗粒物特征 [36] 沉积物捕获器类型及投放方式等有关 无论经过什么途径进入沉积物捕获器的颗粒, 他们能否保留在沉积物捕获器内并沉降至采样瓶内则取决于沉降管内水动力条件, 而沉降管内水动力条件又受沉积物捕获器类型的影响显著 例如, 柱状沉积物捕获器的沉降管开口小, 在沉降管内形成的涡流强度相对较弱, 沉降颗粒物进入沉降管后不容易被带出 ; 相反, 锥形沉积物捕获器因开口较大, 在沉降管内形成的涡流强 度相对较大, 沉降颗粒物在进入沉降管后很容易被涡 [35] 流再次带出 因此, 在使用沉积物捕获器进行沉降通量观测过程中, 必须要了解沉降管口附近的水动力状况, 并要综合考虑沉积物捕获器的沉降管口直径 [37] 及纵横比 尤其是在水平输运通量比较大的时候, 水流携带大量泥沙在经过沉积物捕获器管口时将 [16,38 39] 会有更多的泥沙被带入沉降管, 从而明显高 1) 估了垂向沉降通量 图 8 不同类型沉积物捕获器涡流强度变化及倾斜影响示意图 ( 据参考文献 [30]) Fig.8 Sketchmapofeddyvariationandtiltefectindiferenttypeofsedimenttrap(accordingreference[30]) 一般在海岸与陆架海域有两种投放方式, 即锚系模式的悬浮投放和座底投放 座底投放即沉积物捕获器直接固定在海底 ( 见图 3a), 始终保持垂直, 在计算沉降通量过程中不用考虑倾斜校正 ; 但由于座底投放受多种条件限制 ( 如区域海底地形地貌特征 沉积物类型 区域水深条件 水动力环境状况 沉积物捕获器尺寸等 ), 在实际应用中比较少 悬浮投放即将沉积物捕获器悬挂在锚链上, 底部由沉块负重, 沉积物捕获器悬浮在水体中 ( 见图 3b); 如采用该投放方式, 沉积物捕获器将在海流或波浪的影响下发生倾 [30] 斜, 在一定程度上将会导致高估或低估实际沉降通量 因此, 在悬浮投放的情况下计算沉降通量时需 [21,30] 要根据仪器的倾斜参数进行校正 : 犉 = 犉犜 Δ 犜 1 0 1+1.4sin2θ d 狋, (1) 其中, 犉为校正后的沉降通量, 犉犜为沉积物捕获器倾斜角度为 θ 的情况下接受到的实际沉降通量,Δ 犜为沉积物捕获器设置的采样间隔 ( 如在本文实验 2 中采 1)WangAJ,LiuJT,YeX,etal.Setlingfluxesofcohesivesedimentsmeasuredbysedimenttrapinasemi enclosedembaymentwithstrongtidal environments.

1 期王爱军等 : 沉积物捕获器在海岸与陆架沉积动力研究中的应用 : 以罗源湾和台湾海峡为例 133 样间隔为 1d) 研究结果显示, 柱状沉积物捕获器在部分最大倾角超过 30 的情况下, 校正后的沉降通量比观测值低约 0.2%~12.8%, 并且校正后的沉降通 [21] 量时间序列变化趋势与实际观测值一致, 但沉积物捕获器倾斜幅度过大也会导致细颗粒沉积物 ( 小于 [30] 63μm) 优先被沉降管接收, 从而影响了沉降颗粒物的粒度分布特征 倾斜校正一般来说主要是针对纵横比小于 5 的沉积物捕获器 ( 如锥形沉积物捕获器 锥形 - 柱状沉积物捕获器 ), 而纵横比大于 5 的柱 [21] 状沉积物捕获器则对倾斜效应不敏感 本文实验 2 利用锥形沉积物捕获器在台湾海峡进行的观测结果显示 ( 见图 4b), 在观测期间沉积物捕获器倾斜角度为 0.8 ~25.5, 根据公式 (1) 计算得到的校正后的沉降通量较实测值低约 14.5%~30.6% 尽管沉积物捕获器的应用具有一定的缺陷, 但多次水槽实验及野外观测结果的高度一致性及广泛应用都证明了利用沉积物捕获器获得的沉降通量结果 [36,40] 的可信度及该设备的应用价值 我国海岸带地区有多条河流入海, 潮汐动力作用强, 河流携带的大量泥沙入海后在潮汐动力的作用下不断发生输运与堆积, 在河口 海湾及口外陆架地区形成了大片的泥质沉积体系, 这些沉积体系显然是多种过程的综合产物, 但目前来看, 对沉积动力过程与沉积记录的关系是一个尚未清楚的问题 什么样的动力过程能够在地层中记录下来, 或者说底层记录含有什么样的过 [5] 程信息, 仍是当前急需要解决的科学问题 由于沉积物捕获器起到了连通沉积物与悬浮颗粒物之间的 [6] 桥梁作用, 有望在解决沉积动力过程与沉积记录之间的关系方面发挥非常重要的作用 5 结论 本项研究运用了不同类型的时间序列的沉积物捕获器对半封闭海湾及内陆架泥质沉积区开展了沉降颗粒物的采集工作, 估算了沉降通量, 并结合粒度分析结果与同步观测数据, 综合分析了两个研究区观测期间的沉降颗粒物的来源及其控制因素, 得到如下结论 : (1) 罗源湾潮下带地区夏季小潮期间近底部沉降通量为 133.20~256.18g/(m 2 t), 中潮期间为 284.07~456.13g/(m 2 t), 大潮期间为 373.99~ 746.34g/(m 2 t), 其中最大值出现在台风显著影响下的大潮初期 ; 粒度分析结果对比及近底部水动力观测结果显示, 观测期间近底部沉降颗粒物主要来源于海底沉积物的再悬浮 (2) 台湾海峡西北部内陆架泥质区的观测结果显示, 观测期间近底部沉降通量最大值为 13.34 g/(m 2 d), 一般小于 10g/m 2 d, 并且在时间上表现为由中潮向小潮近底部沉降通量逐渐增大的变化趋势, 这主要是由于观测中后期近底部温盐跃层界面上移, 近底部垂向混合作用加强, 从而使得更多的再悬浮颗粒物向上部扩散, 并最终被沉积物捕获器捕捉 (3) 尽管沉积物捕获器的应用具有一定的缺陷, 但目前较为常用的沉积物捕获器是经过多次水槽实验及野外观测验证后不断完善的产品, 其观测结果具有高度一致性, 因而得到广泛应用 ; 由于沉积物捕获器起到了连通沉积物与悬浮颗粒物之间的桥梁作用, 有望在解决沉积动力过程与沉积记录之间的关系方面发挥非常重要的作用 (4) 根据本文实验效果, 柱状沉积物捕获器的座底观测由于不仅可以消除倾斜影响, 而且有比较高的纵横比, 可以在水流作用比较强的时候具有更好的捕获效应, 因此建议在浅水 潮汐动力作用比较强 底质为泥质沉积物 水体中的悬浮泥沙浓度相对较高的海域采用该类型的投放观测, 可以获得非常好的观测效果 ; 锥形沉积物捕获器具有较大的沉降管截面积, 但由于该设备一般体积相对较大, 在浅水区不太适用, 并且座底观测的稳定性较柱状沉积物捕获器差, 因此建议在水深相对比较大 悬浮泥沙浓度相对较低 水动力不是很强的陆架海域, 以锚系方式投放观测, 在经过倾斜校正后也可以获得较好的观测效果 然而, 平流作用下的泥沙水平输运会使得更多的悬浮颗粒物进入沉积物捕获器, 从而影响了利用沉积物捕获器估算沉降通量的准确度, 尤其是在近岸地区泥沙水平输运量比较大的时候, 将会明显高估垂向沉降通量 因此, 在今后的应用过程中, 需要充分了解沉积物捕获器的适用环境, 并且深入探讨水动力环境对沉积物捕获器捕获效应的影响 同时, 在近岸泥沙输运比较复杂的地区 ( 如河口区 ), 在现有沉积物捕获器的基础上, 开展实验研究, 进一步完善沉积物捕获器的设计, 使之更好地应用于各种复杂的近岸海域 致谢 : 当地居民陈脃发 陈海深 陈忠武参与了野外观测工作, 国家海洋局第三海洋研究所的施娟娟参与了室内样品处理, 于力 刘静萍 蒋敏参与了粒度分析, 谨致谢忱!

134 海洋学报 37 卷 参考文献 : [1] MilimanJD,ShenH T,YangZS,etal.TransportanddepositionofriversedimentintheChangjiangEstuaryandadjacentcontinentalshelf[J]. ContinentalShelfResearch,1985,4 37-45. [2] 李从先, 陈刚, 姚明. 我国河流输沙对海岸和大陆架沉积的影响 [J]. 同济大学学报,1988,16(2):137-147. LiCongxian,ChenGang,YaoMing.InfluenceofdischargeloadinChinaoncoastalandcontinentalshelfsedimentation[J].JournalofTongjiUni versity,1988,16(2):137-147. [3] 国家自然科学基金委员会. 未来十年中国学科发展战略 : 海洋科学 [M]. 北京 : 科学出版社,2012:194. NationalNaturalScienceFoundationofChina.DevelopmentStratagemofSubjectofChinaintheFuture10years:OceanSciences[M].Beijing: SciencePress,2012,194. [4] 刘升发, 石学法, 刘焱光, 等. 中全新世以来东亚季风的东海内陆架泥质沉积记录 [J]. 科学通报,2010,55(14):1387-1396. LiuShengfa,ShiXuefa,LiuYanguang,etal.RecordsoftheEastAsianwintermonsoonfromthemudareaontheinnershelfoftheEastChina Seasincethemid Holocene[J].ChineseScienceBuletin,2010,55(14):1387-1396. [5] 高抒. 海岸与陆架沉积 : 动力过程 全球变化影响和地层记录 [J]. 第四纪研究,2010,30(5):856-863. GaoShu.Coastalandshelfsedimentationinassociationwithdynamicprocesses,globalchangeimpacts,andstratigraphicrecords:anoverviewof thescientificproblems[j].quaternarysciences,2010,30(5):856-863. [6] LiuJT,HungJJ,LinHL,etal.Fromsuspendedparticlestostrata:ThefateofterrestrialsubstancesintheGaoping(Kaoping)submarinecanyon [J].JournalofMarineSystem,2009,76:417-432. [7] HonjoS.SedimentationofmaterialsintheSargassoSeaata5367mdeepstation[J].JournalofMarineResearch,1978,36:469-492. [8] BakerET,MilburnHB.Aninstrumentsystemfortheinvestigationofparticlefluxes[J].ContinentalShelfResearch,1983,1:425-435. [9] HonjoS,DohertyK W.Largeaperturetime seriessedimenttrap:designobjectives,constructionandapplication[j].deepsearesearch,1988,35: 133-149. [10] Pu karics,fowlersw,miquelj C.Temporalchangesinparticulateflux,inthenorthernAdriaticSea[J].Estuarine,CoastalandShelfScience, 1992,35:267-287. [11] RamseierRO,BauerfeindE,GarityC,etal.SeasonalvariabilityofsedimenttrapcolectionsintheNortheastWaterPolyuya.PART1:sea ice parametersandparticleflux[j].journalofmarinesystems,1997,10:359-369. [12] 陈建芳, 郑连福,WiesnerM G, 等. 基于沉积物捕获器的南海表层初级生产力及输出生产力估算 [J]. 科学通报,1998,43(6):639-642. ChenJianfang,ZhengLianfu,WiesnerMG,etal.EstimationsofprimaryproductionandexportproductionintheSouthChinaSeabasedonsedi menttrapexperiments[j].chinesesciencebuletin,1998,43(6):639-642. [13] TakahashiK,FujitaniN,YanadaM.LongtermmonitoringofparticlefluxesintheBeringSeaandthecentralsubarcticPacificOcean,1990-2000 [J].ProgressinOceanography,2002,55:95-112. [14] 张海生, 扈传昱, 潘建明, 等. 南极普里兹湾北部深海沉降颗粒物通量的季节性变化 [J]. 地球化学,2003,32(4):358-362. ZhangHaisheng,HuChuanyu,PanJianming,etal.SeasonalvariabilityindeepoceanparticlefluxesinthenorthopenseaofPrydzBay[J]. GeoChimica,2003,32(4):358-362. [15] MiquerlJC,MartínJ,GasserB,etal.DynamicsofparticlefluxandcarbonexportinthenorthwesternMediterraneanSea:Atwodecadetime se riesstudyatthedyfamedsite[j].progressinoceanography,2011,91:461-481. [16] HonjoS,ManganiniSJ,KrishfieldRA,etal.Particulateorganiccarbonfluxestotheoceaninteriorandfactorscontrolingthebiologicalpump:A synthesisofglobalsedimenttrapprogramssince1983[j].progressinoceanography,2008,76:217-285. [17] KerfootW C,BuddJW,EadieBJ,etal.Winterstorm:Sequentialsedimnenttrapsrecord 犇犪狆犺狀犻犪 ephippialproduction,resuspension,andsedi mentinteractions[j].limnology& Oceanography,2004,49:1365-1381. [18] AokiS,KohyamaN.ModernsedimentationintheJapanTrench:implicationsofthemineralogyandchemistryofclayssampledfromsediment traps[j].estuarine,coastalandshelfscience,1992,35:267-287. [19] XuJP,SwarzenskiP W,NobleM,etal.Event drivensedimentfluxinhuenemeandmugusubmarinecanyons,southerncalifornia[j].marine Geology,2010,269:74-88. [20] PejrupM,ValeurJ,JensenA.VerticalfluxesofparticulatematerinAarhusBight,Denmark[J].ContinentalShelfResearch,1996,16:1047-1064. [21] BonninJ,vanRaaphorstW,BrummerGJ,etal.Internsemid sloperesuspensionofparticulatematerinthefaeroe ShetlandChannel:short term deploymentofnear botomsedimenttraps[j].deep SeaResearch,2002,49:1485-1505. [22] 张岩松, 章飞军, 郭学武, 等. 黄海夏季水域沉降颗粒物垂直通量的研究 [J]. 海洋与湖沼,2004,35(3):230-238. ZhangYansong,ZhangFeijun,GuoXuewu,etal.VerticalfluxofthesetlingparticulatematerinthewatercolumnoftheYelowSeainsum mer[j].oceanologiaetlimnologiasinica,2004,35(3):230-238. [23] 张岩松, 章飞军, 郭学武, 等. 东海秋季典型站位沉降颗粒物通量 [J]. 海洋与湖沼,2006,37(1):28-34. ZhangYansong,ZhangFeijun,GuoXuewu,etal.AutumnfluxofparticlesetlingobservedatthreerepresentativestationsinEastChinaSea[J]. OceanologiaetLimnologiaSinica,2006,37(1):28-34.

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136 海洋学报 37 卷 tidetospringtide.duringtheneaptide,thenear bedsetlingfluxesrangedfrom133.20to256.18g/(m 2 t), whilethevaluesinspringtiderangedfrom373.99to590.51g/(m 2 t),andthemaximumvaluewas746.34 g/(m 2 t)whichoccuredattheearlyspringtidewithstrongefectoftyphoonevent.theresultsofgrainsizea nalysisandhydrodynamicmeasurementindicatedthatthenear bedsetlingparticlesoriginatedfromsurfacesedi mentresuspension.themaximumnear bedsetlingfluxoftheexperimentintaiwanstraitbyconetrapduring theobservationwas13.34g/(m 2 d)whichoccuredatneaptide,whilethesetlingfluxesincreasedfrominter mediatetidetoneaptide.duringthemiddle latestageofthemeasurement,thenear bedthermoclineandhalocline variedupwardandtheverticalmixturewasenhanced,whichledtheresuspendedsedimentdifusedupwardandin creasedthesetlingfluxultimately.thesetwoexperimentalresultsindicatethatthesedimenttrapcombinedwith themeasurementofbotomboundarylayermayplayanimportantroleintheresearchofsedimentdynamicproces ses,sedimentrecordformationandpreservationinthemuddydepositedsystemincoastandinnershelfseas. 犓犲狔狑狅狉犱狊 :sedimenttrap;setlingparticles;setlingflux;coastandinnershelfseas;sedimentdynamic