风暴与潮汐环境下的海滩表层沉积物特征对比
——以青岛汇泉湾海滩为例

孙娟娟,韦龙明,毛欣茹,李 鑫,孙明行,黎家财,张 静,蔡杏兰

(桂林理工大学 a.地球科学学院;b.广西隐伏金属矿产勘查重点实验室，广西 桂林 541004)

风暴与潮汐环境下的海滩表层沉积物特征对比
——以青岛汇泉湾海滩为例

孙娟娟,韦龙明,毛欣茹,李 鑫,孙明行,黎家财,张 静,蔡杏兰

(桂林理工大学 a.地球科学学院;b.广西隐伏金属矿产勘查重点实验室，广西 桂林 541004)

以青岛汇泉湾为例, 重点开展2011年风暴环境与2015年潮汐环境下海滩表层沉积物特征的差异性对比研究。在两次野外观察对比的基础上, 通过对样品进行筛分和粒度参数分析, 利用轻重矿物分离实验、 扫描电镜观察, 绘制沉积物整体粒度频率曲线、 粒度概率累积曲线及C-M图, 发现风暴改造后的海滩发育横向砾脊, 海滩砂的磨圆度和分选性都变差, 砾石和粗砂比例较高, 石英颗粒表面构造发育;而在潮汐沉积环境下, 砾石和粗砂聚集于高潮线附近形成纵向沙堤, 沙滩沉积物总体分选性和磨圆度较好, 重矿物比例增高, 石英颗粒表面构造趋于简单化。 提出了风暴环境具有快速沉积特点, 而潮汐环境则是海滩砂经受反复冲洗, 沙滩形貌不断演变并最终趋于稳定的认识， 揭示了两种沉积环境下海滩形貌的演化关系。

海滩;沉积物;风暴;潮汐;差异性

青岛汇泉湾位于南黄海的胶州湾, 属岬角型沙质海岸, 岬角由燕山期花岗岩组成。 潮间带为质地相对比较均匀、 宽阔平缓的沙滩。 海滩沉积特征受海岸动力、 物质来源、 岸线轮廓、 地形地貌、 后滨的高度等因素的综合影响。 汇泉湾潮汐类型指标为 0.4, 属正规半日潮。 在潮汐流作用期, 海水周期性涨落, 海滩在周期性的潮汐流及沿岸流复合作用下正常沉积。 风暴潮期间, 由于风暴波能的巨大传播速度, 将海水涌向滨岸, 并形成潮面的巨升。 风暴流是台风作用下发生的, 它一方面可以形成百米甚至数百千米的湍流, 另一方面较强的风暴浪作用可把沉积物扰起[1]。2011年以来,“海滩沉积”大学生创新项目组先后4次赴青岛汇泉湾开展野外工作,其中,2011年8月15—17日是台风“梅花”[2]刚刚过去半个月,风暴改造的痕迹仍然清晰保留；2015年4月18—22日则是在距台风“苏拉”已经过去32个月。两次野外工作均分别实测了三横两纵5条剖面及若干个垂向沙坑(图1),分别代表了风暴沉积环境(图1a)与潮汐沉积环境(图1b),2010年7月,在距离最近一次风暴潮之后的29个月,作者也曾经对汇泉湾海滩进行观察拍照(图2a)。本文重点开展两种环境下海滩沉积特征的对比研究。

1 风暴与潮汐环境下的海滩形貌变化

风暴与潮汐环境下的海滩形貌变化参见图2。台风“梅花”刚刚过后半个月,在青岛汇泉湾海滩高潮线附近出现一系列平行海岸展布的纵向滩角[3](图2b),而在近岬角处潮间带则发育了一系列垂直海岸线的横向砾脊(图2c)。而2010年(距离上一次台风之后29个月)看到的纵向沙堤[3](图2a)被风暴潮摧毁而消失,大量粗大的砾石、粗砂被搬运而扩散到整个海滩上。风暴停息之后,在正常潮汐流的控制下, 海浪作用又重新改造海滩形貌,随着时间的推移,粗颗粒物不断被搬运到高潮线附近聚集。台风之后32个月,新的纵向沙堤(图2d)再次呈现出来[4]。

图1 汇泉湾海滩实测剖面及采样位置示意图

图2 汇泉湾海滩不同时期的地貌变化

2 沉积物特征与粒度频率曲线差异分析

在野外海滩观察、拍照的基础上布置沉积物采样(图1),于室内按泰勒标准筛制对样品进行筛分,进行各个粒级所占比例计算,再把各个采样点的每个粒级区间的频率相加,然后除以采样点数,得出整体的每个粒级区间的频率(表1),绘制出海滩整体粒度频率曲线图(图3),两条曲线均为不对称双峰式形态。

其中,风暴环境沉积物的砾级颗粒含量比例最高,达36%；极粗砂和细砂含量比例也较高,均为20%左右；粗砂、中砂和极细砂的含量较低,并有少量粉砂出现。而潮汐环境沉积物的砾级颗粒含量比例明显降低至25%左右；细砂含量则呈现最高峰,高达28%左右；海滩沙粒度整体上变细,海滩质量提高。通过对比可看出, 风暴环境下砾-极粗砂比例比潮汐环境相对增多,而粗砂和细砂比例却相对减少, 说明风暴流作用把高潮线上的砾堤破坏, 砾石和粗砂被搬运分散到整个海滩上, 从而使它们在样品中的比例增大, 风暴停息后又有悬浮的粉砂沉积下来; 而潮汐环境下水动力比较稳定, 主要以机械搬运中的分选和磨圆作用为主,从而致使海滩砂细化,且分选性提高,细砂比例增加,海滩质量变好。

表1 汇泉湾表层沉积物整体粒度频率统计

Table 1 Particle size frequency statistics of surface sediment in Huiquan Beach

%

图3 汇泉湾表层沉积物整体粒度频率曲线

3 沉积物粒度累积概率曲线与C-M图的差异性分析

利用沉积物粒度数据绘制概率累积曲线图(图4)。通过两组曲线对比分析, 在高潮线附近的纵剖面,风暴沉积环境下滚动组分[5]的粒径明显小于潮汐环境下滚动组分的粒径,表明经过潮汐作用改造,高潮线附近的细粒沉积物不断被带离,留下砾石和粗粒砂的跳跃组分比例增大,而粉砂的悬移组分被带到潮下带沉积,以致滚动组分比例明显增大;在横向剖面和垂向剖面上,风暴沉积环境下的滚动组分段含量较高且斜率较小,而潮汐沉积环境下的滚动组分含量相对较少,斜率相对较大,表明受风暴影响的沉积物分选性较差,因为风暴作用后使沙滩整体覆盖着砾石和极粗砂与细砂混合;而潮汐环境下滚动组分以及悬移组分斜率逐渐变大,分选性变好。

应用每个样品的C值和M值绘制C-M图(图5),其中C值是粒度累积曲线上颗粒含量1%处对应的粒径,M值是累积曲线上50 %处对应的粒径, 即粒度中值。C值与样品中最粗颗粒的粒径相当, 代表了水动力搅动开始搬运的最大能量;M值是中值, 代表了水动力的平均能量。

图4 两种沉积环境下概率累积曲线

图5 两种沉积环境下的海滩沉积物粒度C-M投影

两种沉积环境下的海滩沉积物粒度C-M图对比同样发现, 潮汐沉积环境的C-M图C值较大, 常构成海滩的砂坝砾石堆积物; 风暴沉积环境的C-M投影图中,递变悬浮沉积物组分更明显,而且C与M成比例地增加,而牵引流作用稍减弱。另外,从图中可以看出,相比潮汐沉积的沉积物,风暴形成的最细的颗粒(即粉砂级及以下的颗粒)在水中呈悬浮搬运的规律性不如潮汐沉积物明显, 说明随着

地质营力的减弱,滚动组分的颗粒越小。在牵引流沉积中,C值常代表最大的地质营力,而风暴沉积中C—D段基本平行于C-M基线,即此处C值与M值相应地变化,表示在风暴作用下,水动力搅动的开始搬运的最大能量与水动力的平均能量基本相同,而此值在潮汐作用下并不明显。

4 重矿物组成差异性分析

经过重矿物初步鉴定,青岛汇泉湾海滩上的重矿物种类较少,主要包括磁铁矿、绿帘石、褐铁矿和赤铁矿。通过对沉积物砂样的轻重矿物分离实验,并进行轻、重矿物含量统计(表2),分析可知,在Z1纵向剖面,越远离岬角基岩,表层沉积物样品中重矿物的含量比例越大,由于越远离岬角,细砂比例越大,沉积物受到的分选作用越明显,越有利于重矿物的聚集;在垂向剖面中,代表风暴沉积环境下形成的粗粒层的重矿物含量比例较潮汐沉积环境下形成的细粒层重矿物少。初步分析得出,由于风暴沉积环境下水动力太强,沉积物被强烈搅动而后迅速沉积下来,无法较好地进行分选;而潮汐沉积环境下,水动力条件正常,经过海浪的反复分选作用,重矿物得到相对聚集[6]。

5 石英颗粒表面构造差异性分析

本文所研究的样品均采自青岛汇泉湾海滩(图1), 首先利用浓盐酸(HCl)、 氯化亚锡(SnCl2)、 双氧水(H2O2)等药品对海滩砂样品进行纯净处理； 然后在广西壮族自治区有色金属及特色材料加工省部共建国家重点实验室培育基地对石英颗粒样品进行扫描电镜观测照相, 扫描电镜型号为S-4800，日本高新技术公司及英国牛津公司生产； 最后， 对石英颗粒表面特征构造(图6)进行分类统计(表3)。

5.1 纵向剖面石英颗粒表面构造发育情况对比

数据对比分析(表3)发现,纵剖面中距离岬角由近到远(TZ1-27→TZ1-56→TZ1-97),棱角状颗粒(图6a)和次棱角状颗粒(图6b)以及具有贝壳状断口的颗粒含量均由大到小变化,显示磨圆度越来越高;而圆球状颗粒和次圆球状颗粒(图6c)以及具有擦痕构造颗粒(图6d)的含量均由小到大变化，表明随着潮汐作用时间的增加,搬运作用和分选作用的加强,沉积物颗粒的磨圆度越来越好，相对而言,具有裂纹(图6e)、大量机械撞击坑(图6f)等颗粒表面构造的含量占比则出现无规律变化,这可能是风暴作用影响的结果。

5.2 垂向剖面石英颗粒表面构造发育情况对比

观察发现,相对远离岬角的垂向剖面中存在明显的粗细分层,粗颗粒层代表风暴沉积环境下形成的,而细颗粒层则是在潮汐沉积环境下形成。采用分层采样并对比分析(表3)发现：整体上,细颗粒层样品中圆球状颗粒、次圆球状颗粒含量均比粗颗粒层中相应形态颗粒含量高,而次棱角状颗粒、棱角状颗粒含量均低于粗颗粒层样品； 同时,细颗粒层样品中具有擦痕构造、裂纹构造及大量机械撞击坑的颗粒含量均低于粗颗粒层,同样说明,在风暴沉积环境下,由于强大的风暴流作用,水动力明显增大,造成粗颗粒层样品中的次棱角状、棱角状颗粒,具有裂纹构造、擦痕构造颗粒以及具有大量机械撞击坑的颗粒比例明显多于潮汐沉积环境下形成的细颗粒层样品,这是风暴流影响下颗粒相互撞击作用的结果;而代表潮汐作用环境下的细颗粒层样品,圆球状、次圆球状颗粒含量高于受风暴作用影响的样品,这是长期潮汐-海浪反复冲刷磨蚀作用的结果[6],也是潮汐-海浪的水动力条件相对较稳定的反映。

表2 轻重矿物分选及重矿物含量统计

注:Z1表示纵向剖面,其中27离基岩较近,56、70逐渐相对较远;C、TC表示垂向剖面,C1、C7系2011年采的样，TC1、TC3 系2015年采的样;粗表示垂向剖面中的粗砂层,细表示垂向剖面中的细砂层。

图6 石英颗粒表面构造特征

表3 石英颗粒表面构造特征类型统计

Table3Structuralcharacteristictypesofquartzsurface

%

注:TZ、TC均采自2015年4月,风暴过去32个月,代表潮汐环境;C采自2011年,风暴刚刚过去半个月,代表风暴环境;“粗”代表垂向剖面中的粗颗粒层,“细”代表样品采自细颗粒层。

6 结 论

(1)风暴潮来临,海平面明显升高,整个海滩被淹没,风暴浪的巨大能量,使海岸遭到强烈侵蚀,打破潮汐环境下海滩原有的平衡,砾石和粗砂被扩散到整个海滩,风暴流造成沙粒之间摩擦碰撞作用大幅度增强,棱角状和次棱角状颗粒的比例增高,石英颗粒的各类表面构造发育,重矿物比例降低。

(2)风暴过后,海滩沉积物形貌被潮汐-海浪作用不断再改造,在海浪反复冲洗下,石英颗粒磨圆度和分选性越来越好,表面构造被磨蚀掉而趋于简单化,散乱排布的沉积物也呈规律性重新排布,显示汇泉湾沙滩在整体上呈现自我恢复的趋势。

(3)在潮汐-海浪的长期作用下,粗颗粒物不断向高潮线附近聚集,逐步形成纵向砾堤,风暴潮摧毁原有的纵向砾堤,并生成横向砾脊,随后的潮汐流又进一步塑造，形成纵向滩角,最终与沿岸流共同作用,粗颗粒逐步聚集形成纵向砾滩,天长日久,最后生成新的纵向砾堤[3]。

致谢: 本文是前期多个大学生科技项目成果的积累,陈雪峰、孙积悦、王潇潇、王然、赵霞等同学参与了室内外研究工作,室内工作得到了朱文凤、刘莹红、刘奕志、邵亚、杨峰、吴杰等老师的热心帮助与指导,提供了相关仪器、实验工具以及实验室，在此一并表示衷心感谢!

[1]马永生,仲力.风暴沉积、风暴岩的研究现状[J]. 地质科技情报,1990,9(3):9-14.

[2]徐美中. 台风曾两次登陆岛屿[N]. 青岛晚报,2012(9):6.

[3]王潇潇,周旻玥,韦龙明,等.青岛汇泉湾海滩地貌与沉积物变化特征探讨[J]. 桂林理工大学学报,2013,33(2):266-272.[4]孙娟娟,王潇潇,韦龙明,等.青岛汇泉湾现代海滩形貌演化阶段划分[J]. 地质论评,2015,61(S):108-109.

[5]李萍,王靖泰.几种现代砂的概率累积曲线[J]. 同济大学学报：自然科学版,1979(2):27-34.

[6]杨群慧,林振宏,张富元,等. 南海东部重矿物分布特征及其影响因素[J]. 青岛海洋大学学报：自然科学版,2002,32(6):956-964.

[7]杨慧宁,陈绍谋.南海石英颗粒表面结构特征的初步研究[J]. 海洋学报：中文版,1996,18(3):133-138.

Comparison on characteristics of beach surface sediments after storm and tide —A case study of Huiquan Bay in Qingdao

SUN Juan-juan,WEI Long-ming,MAO Xin-ru,LI Xin,SUN Ming-xing,LI Jia-cai,ZHANG Jing,CAI Xing-lan

(a.College of Earth Sciences;b.Key Laboratory of Guangxi Nonfewous and Precious Metal Deposits, Guilin University of Technology, Guilin 541004,China)

The study focused on different characteristics of beach surface sediments under the storm in 2011 and tide in 2015 from Huiquan Bay. Screening and particle size analyses were done after 2 field observations. The experiments of light/heavy mineral sorting，SEM observation，statistics of particle size frequency andC-Mprojection diagrams of sediments were done after tide/storm. It’s found that the sands of beach were shaped into lateral gravel ridges. The roundness and sorting of sand are poor. The higher proportion of gravel and coarse sand, the better formation of surface of quartz grains after storm. In tidal environment，gravels and coarse sands were accumulated at high tide line and shaped into longitudinal sand dikes. The roundness and sorting of sediments are better. The more proportion of heavy mineral，the simpler surface structure of quartz particles. The evolutionary relationships of beach morphology in two sedimentary environments are revealed. It is proposed that the sedimentary in storm is fast, but the beach sands are flushed repeatedly in tidal environment. The morphology of beach is evolving constantly and stabilized eventually. Key words: beach; sediment; storm; tide; difference

1674-9057(2015)04-0817-06

10.3969/j.issn.1674-9057.2015.04.021

2015-05-26

国家大学生创新创业训练计划项目(201510596040);广西大学生创新创业训练计划项目(2012DXCX004);“基础地质”国家教学示范中心立项项目；广西矿冶与环境科学实验中心项目

孙娟娟(1995—),女,地质工程专业,1377209513@qq.com。

韦龙明,博士,教授,963966515@qq.com。

孙娟娟,韦龙明,毛欣茹,等.风暴与潮汐环境下的海滩表层沉积物特征对比——以青岛汇泉湾海滩为例[J].桂林理工大学学报，2015,35(4):817-822.

P736.21

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