南流江河口水下三角洲表层沉积物端元分析及其沉积动力环境意义

南流江河口水下三角洲表层沉积物端元分析及其沉积动力环境

意义

LIN ZhenKun;WANG AiJun;YE Xiang

【摘要】沉积物粒度分布特征可揭示沉积动力环境.基于广西南流江河口水下三角洲的粒度分析数据,采用Folk分类法进行分类,应用端元分析对其粒度数据进行分解,探讨了南流江河口水下三角洲的物源和现代沉积动力环境.结果表明,研究区表层沉积物可划分为9类,其中含砾沉积物5类,不含砾沉积物4类,沉积物类型与河口环境动力特征相吻合.端元分析结果显示,研究区有5个不同类型的端元,分别代表着5种类型的沉积物动力环境:端元1反映了风浪和潮流对表层沉积物的动力作用;端元2指示了外海涌浪对表层沉积物的作用过程;端元3代表了南流江冲淡水引起的表层沉积物的输运;端元4代表了大陆架残留沉积物;端元5为干扰端元,可能是由于工程建设等人类活动所引起的.利用端元分析探讨复杂环境(如小型山溪性河口)下的沉积动力环境时,一方面需要综合考虑研究区域的物源与环境动力特征;另一方面可以结合参数拟合、粒径趋势分析等研究手段.

【期刊名称】《沉积学报》

【年(卷),期】2019(037)001

【总页数】11页(P124-134)

【关键词】水下三角洲;端元分析;沉积动力;沉积物输运;南流江河口

【作者】LIN ZhenKun;WANG AiJun;YE Xiang

【作者单位】

【正文语种】中文

【中图分类】P512.2

0 引言

沉积物粒度分布记录了有关沉积物输运和埋藏的信息，获得这些信息对于揭示区域沉积动力特性、沉积物输运过程和沉积环境演变规律具有重要的意义[1-2]。应用

不同方法可以提取沉积物粒度组分中所蕴含的丰富的环境信息，如Folk[3]应用非

等价的三端元对沉积物进行分类，从而获得具有动力学意义的沉积物类型；McLaren et al.[4]根据沉积物粒度特征提取了沉积物一维输运趋势，Gao et al.[5-7]对其进行改进并提出了二维粒径趋势模型，目前得到了广泛的应用[8-10]；Weltje[11]提出了对沉积物粒度数据进行分解的端元模型，分离出沉积物端元所指示的物源、环境动力等(Weltie称为“动力组分”)，并将该模型应用于多种沉积环境[12-13]，Dietze et al.[14]对该模型进行算法上的优化；孙东怀等[15-16],Sun et al.[17]提出从数字特征上对多峰的粒度分布曲线进行参数拟合，得到具有特定

分布(如对数正态分布、Weibull分布等)的多个单峰，进而解释其对应的物理过程。此外，许多学者利用多元变量分析的方法如主成分分析、因子分析、聚类分析等对粒度数据进行分析，并取得诸多成果[18-20]。

河流入海物质主要分布在河口附近及内陆架，仅有少量向外陆架及深海输运[21]。因而，河口水下三角洲地区一般都具有较高的沉降速率[22-23]，其沉积记录中包

含了丰富的流域过程自然变化及人类活动等环境信息，一直以来都是国际上的研究重点区域[24-26]。通过对河口水下三角洲沉积物中沉积记录的提取，不仅可以反

演流域环境变化过程，还可以揭示人类活动对流域环境的影响过程及影响程度[27-29]。

本文通过对广西南流江河口水下三角洲表层沉积物进行粒度分析，利用端元分析对沉积物粒度数据进行分解，并用参数拟合的方法分离多峰端元，进而揭示端元所指示“动力组分”。最后，结合沉积物粒径趋势分析，初步探讨了南流江河口水下三角洲地区沉积动力作用的空间差异，探讨了沉积动力环境控制下的沉积物输运趋势。

1 研究区域概况

南流江是广西最大的河流，发源于广西大容山、太平山一带，流经六万大山和云开大山，向南注入廉州湾，在合浦县党江附近开始分汊，主要汊道有南干江、南西江和南东江(图1)。南流江全长287 km，流域面积9 060 km2，年均入海水量

51.3×108 m3，年平均输沙量118×104 t；全年中，在外沙附近海域(北海港)，

全日潮的天数约占70%，其余的为半日潮或不规则半日潮，平均潮差为2.46 m，最大潮差为5.36 m[30]。在河口区，悬沙浓度总体为南部海域低于北部，入海汊

道口门附近为悬沙浓度的高值区，悬沙浓度可达16.0～24.0 mg/L[31]。由于受到陆岸的影响，南流江河口区波浪年变化不大，以风浪为主，其次是纯涌浪和混合浪，主浪向(N—NE)出现的频率占36%，次浪向(SW—WSW)出现的频率占19.2%，

最大波高为2.0 m，平均波高为0.28 m[31-32]。南流江水下三角洲呈舌状向海突出，中部较深，向两翼变浅。潮流、波浪和径流是南流江河口水下三角洲泥沙运移的主要动力因素[31]。河口区地形地貌复杂，根据成因可以分为三类：陆地地貌：包括侵蚀剥蚀残丘、冲积平原、海积平原、沙坝—潟湖等；岸滩地貌：包括海滩、海蚀崖、海蚀平台等；海底地貌：包括水下三角洲、潮流冲刷槽、水下古滨海平原[33]。

2 材料与方法

2.1 样品采集和粒度分析

2015年11月16日至11月18日，在广西南流江河口及水下三角洲地区以3 km 间隔布设采样站位(图1)，使用小型蚌式抓斗式采泥器进行表层沉积物样品采集，

采样厚度为表层5 cm，共获取63个样品。对于粒径< 2 mm的沉积物样品，取

均匀混合的样品约2.5 g，加入0.5%的六偏磷酸钠((NaPO3)6)，浸泡24 h后，

使用英国Malvern公司生产的Mastersizer2000型激光粒度仪(测量范围为

0.01～2 000 μm)进行粒度分析，获得0.25 φ间隔的粒度分布数据；对于含有粒径>2 mm沉积物样品，烘干称重后，用1 mm孔径筛子湿筛，其中细颗粒组分(<1 mm)仍用激光粒度仪进行分析，粗颗粒组分(>1 mm)用传统筛析法进行筛分，称重，最后将两部分数据合并(使用样条函数插值)，获得完整的、间隔为0.25 φ

粒度分布数据。

采用矩法计算沉积物的粒度参数(包括平均粒径Mz、分选系数σi、偏态系数Ski、峰态Kg)[34]，粒度参数等级划分采用贾建军等提出的方法[35]。采用Folk提出

的沉积物分类命名法划分沉积物类型[3]。

2.2 实验数据处理

2.2.1 端元分析模型

端元分析和参数拟合是对粒度分布数据进行组分分解最常用的两种方法。本文应用Dietze等优化后的端元分析模型对南流江表层沉积物粒度数据进行端元分解[14]，该方法对Klovan et al.[36]的端元模型的算法做了优化处理，并在MATLAB平台

上实现对端元模型最优端元分解的筛选和端元模型的质量评价。最优端元分解筛选过程如下：

(1) 通过迭代的方式获得不同权重转换系数Lv下的解释累积方差(explained cumulative variance, ECV)—端元数(end-member′s number, EMN)曲线和平均决定系数(mean coefficient of determination, R2)—端元数(end-mem ber′s number, EMN)曲线。

图1 南流江河口水下三角洲位置及采样站位示意图Fig.1 Locations of the Nanliujiang River subaqueous delta and sampling stations