南海北部外陸架沉積物類型及粒度參數分布特征

南海石油資源豐富，石油儲量約230.300億t，占中國總面積的1.3%。這兩個“波斯灣”被稱為海上運輸石油的第二灣。海上運輸管道被用作快速有效的石油輸送工具。海底表層沉積物直接承載著油氣管道,出現水動力對海底沉積物的沖刷過程和沉積物遷移可能導致管線懸跨等風險因素,而底質沉積物特征直接影響到管道附近是否發生局部沖刷及沖刷的嚴重程度,因此,掌握海底沉積物的粒度參數及物源特征對于管道懸跨程度的預測和保證海洋油氣開發的安全運營具有重要指導意義。目前,對南海表層沉積物來源的研究主要集中在南海西部和東部1南海北部陸架研究區位于南海北部大陸架珠江口盆地100~200m水深區域,香港東南約160~240km。南海是西太平洋面積最大的邊緣海,屬于西太平洋邊緣溝-弧-盆體系的一部分。南海北部陸架位于106°~121°E,16°~23°N之間,西起越南,北鄰中國東南大陸,東至臺灣島,長約1600km左右,是我國南海北部大陸邊緣一個重要組成部分。南海北部陸架自NE向SW延伸,形似如意狀,整體上平坦而寬闊,發育海南島和東沙群島兩個大型島嶼。南海北部的潮汐主要是太平洋潮波傳入引起的,兼有月球和太陽的引潮力在南海引起的潮振動2樣品采集與分析2.1樣品采集和封裝2010年9月以中國科學院海洋研究所的“科學三號”作為調查船,使用箱式取樣器對南海北部外陸架的表層沉積物進行取樣,海上定位采用NAVCOMSF3050星站差分GPS,定位誤差小于±15cm,表層沉積物樣品取樣站位共18個(圖1),用于粒度分析的樣品控制在海底0~5cm深度范圍內采取,樣品采集后用PVC袋封裝,并進行樣品編號,備測試用。在海上調查過程中使用走航式ADCP對流速剖面進行了測量。2.2粒度分析測試方法由于多數沉積物樣品較粗,超過激光粒度儀的量程,粒度測試采用篩析法和激光粒度儀相結合的方法,用孔徑間隔為0.5Φ的分樣篩過篩,粒徑大于1000μm的部分采用篩析,小于1000μm的部分采用粒度儀測量。粒度分析按海洋底質調查技術規程要求研究區沉積物的分類和命名采用含礫石沉積物的Folk三角圖解法式中:f——每組粒級的頻率百分數;M——粒級組中值;M3結果3.1沉積相和沉積相南海北部外陸架區細粒沉積物的顏色多為黃褐色,隨著粒徑變粗,顏色逐漸加深,呈灰黑色和青灰色。由于研究表層沉積物樣品中均含有礫石成分,因此采用含礫沉積物的Folk三角圖分類法進行命名,這種方法可以反映沉積區的動力學條件,并進而推斷沉積環境。按此分類方法,南海北部外陸架100~200m水深處表層沉積物可分為礫(G)、砂質礫(sG)、礫質砂(gS)、礫質泥質砂(gmS)、含礫砂((g)S)、含礫泥質砂((g)mS)和含礫泥((g)M)共7種類型,各站位沉積物類型及粒度參數見表1。全區范圍來看,沉積物類型空間分布呈現明顯的區域差異性。研究區南部沉積物成分較粗,沉積物類型以砂質礫為主,這也是研究區內分布最廣的沉積物類型,所占比例達38.90%,這一類型的沉積物物質組成以礫石為主,礫石在沉積物中的質量分數為35.42%~78.41%,礫石質量分數最高值出現在西南端的24號采樣點,礫石質量分數高達78.41%;其次是砂,質量分數為21.52%~37.42%;而泥質(粉砂和黏土)的質量分數均不超過1.00%。研究區北部除了在9站和10站零星分布較粗顆粒沉積物外,相對南部而言表層沉積物顆粒粒度整體較細,廣泛分布成分以砂為主的沉積物,如2站(礫質砂)、3站(含礫砂)、5站(含礫泥質砂),砂質質量分數為73.02%~89.10%。沉積物組成最粗的礫(G)呈斑狀分布于研究區南部(14站及20站)和東北部(10站),沉積物組成最細的為東北部11站的含礫泥。由研究區南部到北部,礫石質量分數逐漸減少,砂、粉砂、黏土質量分數逐漸增加。從粉砂和黏土累計質量分數等值線圖(圖2)可以看出,研究區東北部存在一個粉砂和黏土的高值圈閉區,細粒沉積物圈閉通常指示沉積中心的存在沉積物粒徑的概率累積曲線在斜率上呈現分段特征,分為兩到三段,一般沉積物頻率累計曲線由1Φ(粗切點)和3Φ(細切點)將沉積物分為滾動總體、跳躍總體和懸浮總體3個部分,分別代表推移、躍移、懸移3種不同搬運方式所沉積的物質南部的18站和20站沉積物類型為砂質礫和礫質砂,滾動總體組分分別約為90%和75%,跳躍總體組分分別約為5%和20%,砂質礫中幾乎沒有懸浮總體,礫質砂中懸浮總體也少于5%。東北部2站和3站沉積物類型為礫質砂和含礫砂,滾動總體組分約為20%和50%,2站跳躍總體組分比例較大,約為70%,而3站懸浮總體含量較多,達25%左右。沉積物組成中的正態次總體和輸運方式的空間差異體現為:由外陸架向內陸架方向,滾動總體減少,跳躍總體和懸浮總體比例變大,以推移方式搬運的沉積物逐漸減少,而以躍移和懸移方式搬運的沉積物比例逐漸增大。3.2粒度參數分布表層沉積物的粒徑大小及其組合狀況是沉積物物源條件和水力搬運過程等綜合作用的結果,其空間分布特征反映了海底沉積動力過程的能量分配、沉積物輸移等諸多的沉積環境信息,同時也體現了近海沉積物-水界面交換類型的空間差異研究區平均粒徑在-1.108Φ~2.247Φ之間,均值為0.302Φ。平均粒徑最小的沉積物出現在研究區東北部的5號站位,平均粒徑為2.247Φ,粒度最粗的沉積物位于研究區南部的20號站位,平均粒徑達-1.008Φ。研究區表層沉積物平均粒徑與沉積物類型有較好的對應關系,沉積物平均粒徑由南向北逐漸減小,由圖4、表2可以看出,北部6個取樣點平均粒徑的平均值小于南部12個取樣點的平均粒徑。研究區內不同區域表層沉積物分選系數差異較大,δ研究區沉積物的S研究區K為了形象直觀地比較研究區粒度參數的空間差異,在研究區選取北部3號站位(含礫砂),以及南部的18號(砂質礫)的沉積物粒度頻率分布曲線(圖5)進行對比和分析。從典型沉積物頻率分布曲線(圖5)可以看出,研究區南部沉積物粒徑在頻率分布曲線上分布范圍較窄,主峰非常明顯,大概位于-1Φ左右,呈單峰峰型,峰窄而高,峰度值較小,峰所在粒級百分含量均高于65%,是分選性好的表現;而北部的兩個站位的粒度分布較寬,具有雙峰,峰度值較大,峰所在的粒級分數均低于30%,占比并不高,表明沉積物分選較差。自外陸架向內陸架方向,沉積物粒徑分布范圍變寬,沉積物峰態由窄尖的單峰態變為寬平的雙峰態,分選性變差,峰值處所對應的粒徑減小,指示水動力條件由簡單變復雜,且沉積物來源的多元性增強。4沉積物粒度沉積物的粒度特征是沉積物物源、水動力強弱和搬運距離等綜合作用的結果,在沉積物粒度中包含了物源和水動力條件的信息。對于沉積物粒度的分析是判定沉積物來源及輸運方式(懸移、躍移和推移)、區分沉積環境、判別水動力條件和分析沉積物輸運趨勢的主要途徑4.1沉積物來源分析4.1.1底流特征及沉積相通常情況下潮流陸架區域表層沉積物粒徑由外陸架向內陸架呈現增大趨勢,而南海北部外陸架區域表層沉積物平均粒徑由外陸架向內陸架方向逐漸變小,呈現一種和一般陸架沉積相反的沉積變化格局。由于平均粒徑主要受物源區的粒度分布和搬運介質的平均動能的影響,因此在源區一致的情況下,平均粒徑可以作為底流速度的替代性指標反映底流的平均動能。一般來講,粗粒沉積見于高能環境,細粒沉積見于低能環境。在輸運過程中沉積物在重力分異作用下不斷沉降,輸運路徑上游為粗顆粒沉積物,而下游為細顆粒沉積物,從而形成沿輸運方向沉積物逐漸細化的趨勢。本研究中,從表層沉積物粉砂和黏土累計質量分數(圖2)及平均粒徑的空間分布(圖4(a))可以看出,研究區表層沉積物平均粒徑由南向北遞減,北部存在一個細粒徑沉積物閉合區,指示一個沉積中心的存在。在重力分異造成的沉積物分選作用下,底質泥沙在由源到匯的輸運路徑上呈由粗到細的趨勢,粒徑等值線顯示底質泥沙粒徑是由南到北減小的,指示沉積物的大致輸運方向是由外陸架向內陸架。結合以往在不同年份水深資料基礎上進行的沙波區水深剖面對比由沉積物的輸運趨勢可以推論,沉積物來源于當地或研究區以南。有文獻指出,在末次冰盛期,南海北部海岸線曾降至現在180m等深線的位置4.1.2不同流速下沉積物中鈣生物碎屑含量的差異性樣品前處理過程中,使用鹽酸對沉積物樣品進行處理前后沉積物的干質量差可大致代表沉積物中鈣質生物碎屑(主要是貝殼碎屑和珊瑚碎屑)的質量。由于個體較大的貝殼碎屑不易被海流帶走,因此在輸運方向上貝殼碎屑大小和含量存在空間差異,在上游強流速區沉積物中大而完整的貝殼含量高,而在下游低流速區僅有小而破碎的貝殼碎屑,且含量相對低。本次調查中,研究區西南部多數站位(15,16,17,23,24站)的表層沉積物樣品中鈣質生物碎屑含量相對高,質量百分比均超過20%,且多為個體較大的貝殼,而其他站位的沉積物樣品中鈣質生物碎屑含量較少,多少于10%,且為細小的貝殼和珊瑚碎屑。通過沉積物中鈣質生物碎屑含量的這種空間差異性能夠定性分析得出:沉積物中鈣質生物碎屑的由南部向北、西搬運,佐證了對沉積物由外陸架向內陸架方向輸運的推測。結合本次調查中應用SONIC2024多波束系統獲取的水深資料4.1.3區域表土沉積來源隨沉積物粒徑的變化物源和水動力的強弱變化能夠形成差異性的沉積環境,而不同的沉積環境又能直接通過沉積物粒度及粒度參數組合特征反映出來。為分析物源和水動力的變化,對粒度參數進行了相關分析(表3),計算結果顯示,分選系數與峰態呈顯著正相關關系(r=0.91,p<0.01),平均粒徑與分選系數和峰態也具有顯著相關性,由于Φ值越大,粒徑越小。因此,平均粒徑與分選系數和峰態都呈顯著負相關關系,隨著沉積物粒徑的減小,分選性變差。通常情況下,在沉積物輸運方向上,隨著沉積物粒徑的減小,分選性變差,偏態更加正偏,而南海北部外陸架的海底表層沉積物在由外陸架向內陸架方向上,平均粒徑變小,沉積物分選變差,偏態更加正偏。前人研究表明,沉積物粒徑和分選性的這種負相關關系是沉積物在粒徑減小方向上物源多元性增強的結果。研究區粒徑減小方向上沉積物分選性變差指示:由外陸架向內陸架方向,水動力逐漸減弱,物源的多元化特征逐漸增強。沉積物頻率分布曲線由單峰轉變為雙峰,也指示了可能有其他物源加入到沉積物中。南海北部外陸架沉積物來源以末次冰期前后的殘留沉積物為主,在研究區靠近陸坡方向的區域,殘留沉積物是表層沉積物的絕對優勢組分,愈向內陸架靠近,沉積物來源的多元性增強,其他來源的沉積物所占比重越來越大。對于除了殘留沉積物以外的其他沉積物來源,推測主要是華南大陸的陸源碎屑。研究區西北方向的珠江是注入南海北部的最大河流,年輸沙量8.3×10綜上,南海北部外陸架表層沉積物來源并不是單一的,而是具有多元性和空間差異性,外陸架沉積物中末次冰期殘留沉積物占絕對優勢,隨著與華南大陸海岸距離的靠近,華南大陸通過珠江和韓江等水系輸運而來的陸源碎屑在表層沉積物中所占比例逐漸增大,物源多元化加強。4.2輸運沉積物的水動力來源沉積物來源是控制沉積物粒度參數空間差異形成的內在因素,而水動力條件是外因。南海北部陸架區存在潮汐、南海北部環流和南海暖流,這些海流的活動能夠產生推動沉積物由SE向NW輸運的流速分量,為表層沉積物的輸運提供必要的水動力條件。此次海上調查過程中使用走航式ADCP獲得了大量的流速剖面資料5外陸架至陸坡的沉積物物質來源南海北部外陸架100~200m水深處表層沉積物可分為礫、砂質礫、礫質砂、礫質泥質砂、含礫砂,含礫泥質砂和含礫泥共7種類型。研究區南部沉積物以砂質礫居多,礫石成分占絕對優勢,沉積物多以推移質的形式輸運,愈向內陸架方向,沉積物中砂和粉砂的比例逐漸大于礫石,以躍移質和懸移質形式輸運的沉積物含量增加。從外陸架向內陸架方向,沉積物平均粒徑減小分選變差,沉積物頻率分布曲線更加正