1. 引言
海洋沉积物粒度特征能够反映出物源、沉积过程、演化趋势等地质和环境信息[1] [2]。东海外陆架分布大面积的砂质沉积组成的沙脊，关于其沉积成因和时代及其在现代的活动性，前人的研究至今仍有分歧[2] [3]。早期的研究认为是低海面时期的残留沉积[4] [5]，而后有学者指出沉积物经历了全新世海侵的改造而形成滨岸滨海相、河口浅海相变余沉积，即物质是老的，形态是新的[5] [6]，甚至可能经历了复杂多变的多期较强的冲积改造旋迴[2]。沙脊主要以大致NW-SE走向呈线状平行分布于水深60~150 m的外陆架，现今大部分的学者认为是全新世高海面(约7 ka BP)之前水深较浅的时期由较强的往复潮流塑造形成的，因此称为线状潮流沙脊[7]-[9]，高海面之后的现代海洋环境中，沙脊有迁移[8]，至少沙脊的顶部仍然具有活动性[10] [11]，因此，不但沙脊形成过程中的潮流冲刷以及波浪对沉积物进行了再悬浮再沉积的改造，而且可能接受了现代沉积[2] [12]；也有学者认为不是潮流沙脊，而是末次海退三角洲体系，上覆海侵时期形成的席状砂体沉积[13]。然而，这些研究集中于对沙脊地貌形态、结构、成因和演化的研究，对典型沙脊区域沉积物的粒度和输运特征的研究仍比较缺乏。
水深60~110 m的区域是东海沙脊的主要分布区域[7]，2022年空间资源调查项目和生态监测项目在东海陆架进行了表层沉积物采样和多波束测量，2023年基础调查项目在研究区进行了柱状样采样，本文根据沉积物粒度测试资料，对东海沙脊区典型沉积物粒度和分布特征及其输运特征进行了分析，探讨了研究区的沉积物在指示潮流沙脊形成演化方面的地质和环境意义。
2. 材料与方法
表层采样网格间距10 Km (见图1)，箱式取样器采样，取表层0~1 cm样，置于聚乙烯袋中密封存于冷藏箱中带回陆地实验室测试。柱状取样采用插管法，在箱式采样的样品中采取0~40 cm的样品，两端盖帽蜡封，存于冷藏箱中。在实验室内，按照2 cm的间隔取样，每个柱状样取得20个样品进行测试分析。样品的采集、贮存、预处理按有关规范进行[14]。采用综合法(筛分法 + 沉析法)进行粒度分析。去除大的贝壳碎屑，取5~10 g样品放入玻璃烧杯，加入分散剂[NaPO3]6溶液和蒸馏水，浸泡一昼夜，倒入孔径0.063 mm孔径的筛子，蒸馏水反复冲洗，留在筛子上的粗粒物质烘干做筛分法分析，小于0.063 mm的物质冲洗入量筒之中，加入蒸馏水制成1000 ml悬液，用来做沉析法分析。根据Stokes沉降定律的原理，分别抽取各个粒级的悬液，烘干后称重，得到各粒级的质量分数。各粒级质量分数之和在95%~105%之间认为合格，并据此进行各粒级质量分数校正，超出上述范围的样品重新进行实验分析，保证粒度分析结果的准确。沉积物粒级采用等比制Φ值(Φ = −log2 D，D为用mm表示的粒径值)粒级标准，根据粒度分析结果采用Shepard分类法对沉积物分类命名，采用图解法公式计算粒度参数。
选用位于主要沙脊分布区的249站表层样和2个柱状样资料(见图1)。图件采用Suffer 16.0和Origin 2018软件制作。
Figure 1. Investigated area and sampling position (modified from literature [3] [7] [8])
图1. 研究区域位置和采样站位(参考文献[3] [7] [8])
3. 结果与讨论
3.1. 沉积物类型和分布
根据采样和测试结果，研究区表层沉积物以细砂为主，含有贝壳碎屑，约占总站位的3/4以上，分布在中部以东以南的大部分区域；西北部以粘土质砂为主，近岸少量站位为砂–粉砂–粘土。
研究区28˚N以北和123.5˚E的西北部海域，水深60~80 m，沉积物从西北到东南外海方向逐渐变粗的趋势相当明显，砂粒级含量从40%左右逐渐增大到70%左右(见图2(a))，同时，粉砂和粘土粒级从各占30%左右逐渐减小到15%左右，可以认为是位于外陆架砂质沉积和西侧内陆架泥质区的过渡区域的砂泥混合沉积[15]，受到了泥质区现代细颗粒沉积物在地形、海流、风浪等条件下向东南侧外海输运的影响[3] [12]。
在该区的东南侧的研究区大片海域，沉积物比较均一，粗细变化小，砂粒级含量基本上在70%~80%，中值粒径在3Φ (125 μm)左右(见图2(b))，受到现代陆源输入物质的影响较小。根据多波束测量结果，选取明显位于峰脊区的67站和相邻的槽洼区的59站的沉积物进行对比(见表1)。峰脊区的表层沉积物总体上比槽洼区稍粗，平均粒径和中值粒径增大，砂粒组百分含量增大8%左右，粉砂粒组和粘土粒组含量相应各减小4%左右，水深变浅5~10 m左右。峰脊区的表层沉积物粒级分布明显更正偏，分选也较槽洼区好。柱状样粒度分析结果表明，沉积物向上粗化，分选性变好，其中沙脊区更加明显(见图3)。上述结果表明，研究区在沙脊地貌形成过程中，沉积物经历了水动力改造，使得粒度粗化，分选性变好。
Figure 2. Distribution of sand concentration (%) (a), and median particle size (Φ) (b) of surface sediments in the study area
图2. 研究区表层沉积物砂粒级含量(%)，(a)和中值粒径(Φ)，(b)分布图
Table 1. Characteristics of particles concentrations and grain-size parameters of surface sediments in ridge- and swale-region in the study area
表1. 研究区峰脊区和槽洼区表层沉积物粒组含量和粒度参数特征值统计表
区域 |
特征值 |
粒组含量(%) |
粒度参数(Φ值) |
参考
水深(m) |
砂 |
粉砂 |
粘土 |
平均粒径 |
中值粒径 |
偏态值 |
峰态值 |
分选系数 |
峰脊区(n = 67) |
平均值 |
77.36 |
10.05 |
12.59 |
3.52 |
2.63 |
0.82 |
2.27 |
1.99 |
79 |
最大值 |
90.33 |
18.82 |
25.73 |
5.65 |
6.13 |
0.95 |
6.18 |
2.98 |
85 |
最小值 |
57.56 |
4.49 |
7.77 |
2.39 |
2.08 |
0.62 |
0.60 |
1.44 |
67 |
槽洼区(n = 59) |
平均值 |
70.42 |
13.56 |
16.03 |
4.45 |
3.36 |
0.68 |
1.54 |
2.52 |
86 |
最大值 |
84.43 |
29.08 |
35.22 |
5.70 |
6.52 |
0.90 |
2.58 |
2.90 |
105 |
最小值 |
55.30 |
8.96 |
11.13 |
2.44 |
2.03 |
0.60 |
0.67 |
2.19 |
77 |
Figure 3. Vertical distribution of sand concentration (%), median particle size (Φ) and sorting coefficient(Φ) of core sediments in the study area: (a) ST93 in swale-region; (b) ST62 in ridge-region
图3. 研究区柱状样砂粒级含量(%)、中值粒径(Φ)和分选系数(Φ)剖面分布图：(a) 槽洼区ST93站；(b) 峰脊区ST62站
3.2. 沉积物粒度参数和曲线特征
以研究区东南部槽洼区和峰脊区典型细砂沉积各粒级含量值做粒级分布的频率曲线和概率累积曲线(见图4)。两个区的沉积物粒度曲线特征差别不大。研究区沉积物频率曲线总体上呈现正偏的单峰态，峰态较尖，优势粒级集中在2~3Φ (0.25~0.125 mm)粒级和3~4Φ (0.125~0.063mm)，分别占35%~45%和20%~30%左右，4~10 Φ (0.063~0.001 mm)各粒级含量一般都在5%左右。说明研究区沉积物有一个突出的粗粒组份(细砂)，但也含有多种粒级大小的细颗粒粉砂和粘土物质，使得研究区沉积物分选性总体上较差[14]，分选系数基本上都在1Φ以上(见表1)。说明原始沉积物分布比较均匀，后期水动力的改造主要表现为沙脊区和浅表层沉积物粗化，4~10Φ的细颗粒沉积物在潮流和波浪作用下再悬浮和再沉积，可能在较低海面时期浅水往复潮流的作用下形成脊槽地貌，但随着海平面的进一步上升，水动力条件变弱，冲刷改造作用结束[6] [16]，地貌和沉积物组成趋于稳定。高海面之后，研究区也可能受到现代沉积作用的影响，陆源细颗粒成分通过跨陆架搬运混入该区沉积物[12]，和前述再悬浮作用共同形成了各占5%左右的4~10Φ各粒级(见图4(a))。因此，研究区沉积环境比较复杂，很可能是一种多源和多期沉积[2]。
典型沉积物粒度概率曲线可分5段(图4(b))，极少量滚动组分，跃移段较陡，可分2段，第一段显著，第二段稍弱，分别占40%和30%左右，截点3Φ左右；悬移组分占30%左右，可分为2段，并有一个翘尾部分。沉积物的这种粒度概率图形与沙丘砂、海滩砂、浅海砂和一般河流砂都有较大差异，更接近于是一种河口三角洲或天然堤及其附近浅水弱流沉积[17]。与长江河口细砂沉积和陆架晚更新世三角洲砂质沉积物总体形态类似[18]，但与之相比，研究区沉积物含有较多的悬移组分。双跃移组份说明物质沉积过程和/或后期可能受到不对称的双向水流的作用，70%左右的跃移组份占比显示沉积物的主体形成于低于现代海面的水动力较强的时期，总体上是一种河海交界处滨海、浅海相沉积[7]-[9]，而30%左右的悬移组份又说明了沉积物受到后期改造和/或现代悬浮细粒物质的混杂[10]-[12]。
前人的研究也显示与本文一致的结论。东海陆架砂质沉积的碎屑矿物特征、粘土矿物特征、地球化学特征以及生物面面貌等可以推断沉积物主体形成时属于水动力较强的河口海岸或滨海浅海环境[4] [5]，但是，在现代海平面背景下，海洋动力对沉积物进行了改造，比如重矿物增加和自生矿物的形成等[6]-[11]。
Figure 4. Grain-size frequency curves (%) (a) and cumulative frequency curves (b) of surface sediments in the study area
图4. 研究区表层沉积物粒级频率曲线(a)和概率累积曲线(b)
3.3. 沉积物动力和沉积环境
沉积动力分区图利用沉积物组成和水动力情况来区分沉积环境[19] [20]，以砂粒级百分含量的10%、50%和90%将沉积物分为A、B、C、D四类，反映沉积动力的强度大小，砂含量越高，水动力强度越强。根据粉砂/粘土组份含量的比值的1/4、1和4的三条辐射线将沉积物分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类，反映水体的紊动程度。研究区沉积物主要落入到BⅡ、BⅠ和A区域(见图5)表明其形成时的水动力条件较强但介质紊动性不强[20]，主体很可能是低海面时期滨岸浅海沉积。
典型沉积物的粒级–标准差曲线显示出两个主要峰值(见图6)，177 μm~250 μm (2.5~2Φ)峰值最为突出，代表了含量最高的砂粒级，88 μm~125 μm (3.5~3Φ)附近峰值也较为突出，上述两个环境敏感粒级代表了沉积物中占主体地位的两段跃移组份。细颗粒部分曲线较为平直，出现较多的微弱峰值，显示出细颗粒组份的影响。
Figure 5. Pejrup ternary diagram for sedimentary environment dynamic classification of surface sediments in the study area
图5. 研究区表层沉积物沉积环境动力分区Pejrup图
Figure 6. Grain-size grade (μm) and standard deviation curves of typical sediments in the study area
图6. 研究区表层沉积物粒级–标准偏差曲线
3.4. 表层沉积物运移方向及其意义
依据粒径趋势分析方法做出沉积物运移趋势图[3] [21] (见图7)。图像显示，研究区表层沉积物总体上呈现向东南外海输运的趋势，表明了东海外陆架砂质沉积主体仍然是来自西北侧陆域，很可能是古长江入海物质[7] [16]，低海面时期形成滨岸浅海相沉积，冰后期海面上升过程中受到潮流、风浪的改造，表层沉积物粗化，粘土和粉砂粒级再悬浮并扩散到其他海域[5] [6]，并形成大致NW-SE走向的潮流沙脊地貌[7] [8]。至7 ka BP左右到达最高海面后，由于台湾暖流对长江入海泥沙的阻隔作用[2] [3]，同时由于该区水深大于60 m，水动力条件较弱，现代沉积作用基本停止[9]。
研究区西北部沉积物含有较多的粉砂和粘土，在28.5˚N，123˚E附近以此为中心呈现辐散状输运趋势，可能是受到东海陆架上常年存在的上升流和下降流影响[3] [22]。中南部水深大于90 m海域少量站位显示NW-SE双向的输运趋势，比如在28˚N，123˚E和28.5˚N，124.5˚E附近，符合该区沙脊的潮流成因[8] [9]。
Figure 7. Transport tendency of the surface sediments in the study area
图7. 研究区表层沉积物输运趋势
4. 结语
1) 研究区表层沉积物以细砂为主，峰脊区沉积物比槽洼区稍粗，分选也较槽洼区好，柱状样沉积物向上粗化，分选性变好。研究区沉积物有一个突出的细砂组份，但也含有多种粒级大小的细颗粒粉砂和粘土物质，沉积环境比较复杂，很可能是一种多源和多期沉积。
2) 典型沉积物概率曲线表明沉积物类似于河口三角洲或天然堤及其附近浅水弱流沉积，沉积动力分区图表明其形成时的水动力条件较强但介质紊动性不强，主体很可能是低海面时期滨岸浅海沉积。典型沉积物的粒级–标准差曲线显示出两个位于砂粒级的主要峰值，但也显示出沉积物受到后期改造和/或现代悬浮细粒物质的混杂。
3) 粒径趋势分析图像显示，研究区表层沉积物总体上呈现向东南外海输运的趋势，表明了东海外陆架砂质沉积主体来自西北侧陆域，少量站位显示NW-SE双向的输运趋势显示了该区沙脊的潮流成因。