浙江朱家尖島早中熟階段碎石灘沉積物粒度及形態特征

碎屑通常形成在巖石海岸附近，這是典型的波浪形成的海岸特征。碎屑海灘在世界海岸帶并不廣泛，但它是一種穩定性很高的海岸類型，具有良好的沉積物粒徑（2.2000mm）和坡度特征。碎石通常存在于以下地區：（1）莫林海岸或寒冷海岸，其物質來源為冰莫登。（2）在構造海岸中，沉積物來自河流。（3）在波浪作用主導的海岸帶地區，沉積物來自海岸帶。沉積物來源、區域地質形態特征的限制了碎屑海灘的規模、發展時間和礫石海灘的穩定性。在波浪作用主要的海岸區，波浪和趨勢的共同作用被用來將碎屑沉積在水平和垂直方向上，形成一條規律的帶狀地形特征。此外，碎石海灘還可以減少和防止人為的自然現象，如波浪和臺風風暴。因此，它具有良好的海岸保護功能。我國海岸地貌類型多樣,礫石海灘主要分布在浙江的島嶼海岸,關于礫石海灘的研究較少.本文選擇的研究區位于浙江省舟山群島中的朱家尖島,陳洪德等曾對該地區大烏石塘礫石海灘做過研究,通過對礫石形狀的分析,認為該地區礫石海灘的沉積特征主要是磨蝕作用的結果.本文通過分析研究區地質地貌調查結果、礫石海灘剖面形態測量結果、礫石海灘沉積物粒度及礫石形態等數據,重點探討朱家尖礫石海灘沉積物粒度及礫石形態的動力形態特征,分析磨蝕和分選搬運作用在研究區兩個礫石海灘發育中的相對重要性.1大烏合成島巖-石漠化朱家尖島是浙江舟山群島最東面的一個島嶼,它西鄰定海與桃花諸島,北毗普陀島.島上陸域面積61.81km2,灘地面積14.02km2,岸線長80.8km(基巖海岸55.6km,淤泥質海岸0.12km,人工海岸16.89km,砂礫質海岸8.23km).研究區海岸為典型的基巖港灣海岸,岸線呈不規則的鋸齒狀.島上基巖主要由侏羅系的凝灰巖和燕山晚期的花崗巖組成,凝灰巖多出露于海島中部,花崗巖主要分布在大烏石塘北部及島嶼最南端,在沿海各岬角處也有零星分布,北部為粗粒酸性花崗巖,南部為中細粒堿性花崗巖.本區海域處于副熱帶季風區,風速風向具有明顯的季節變化,冬季以西北風為主,夏季以偏南風為主;受風力及風向的影響,本區波浪以風浪為主,涌浪有一定比例,波高、波向具有明顯的季節性變化(表1).此外,本地區還是臺風風暴嚴重影響地區,統計資料顯示,在浙江沿海登陸的臺風風暴平均每年有3.7次.大烏石塘與小烏石塘位于朱家尖島東面,兩個礫石灘分別位于兩個海灣內部,屬口袋狀礫石灘.兩個礫石灘灣頂大潮高潮線以上有礫石堤分布,礫石堤上有灘脊-溝槽地貌體系發育;礫石堤背后都有一片小面積的山前沖積平原,兩側都有較高的海蝕崖,兩個礫石灘之間的岬角主要為凝灰巖,并伴有少量花崗巖和輝長巖.兩個海灘礫石的巖性組成一致,礫石堤寬20m,呈階梯狀向海方向遞降,至低潮位高差達8m以上.但兩個礫石灘所處海灣規模大小有差異,大烏石塘礫石灘所位于的漳州灣,縱深長度約2.5km,寬度約0.8～1.2km;而小烏石塘礫石灘所位于的海灣縱深長度約0.8km,寬約0.3～0.4km.2學習方法2.1樣品的采集和分級2002年5月下旬在浙江朱家尖島大烏石塘及小烏石塘礫石兩個礫石海灘上共選取了8條剖面,剖面形態利用水準儀進行測量,并在每條剖面上采集表層礫石沉積物樣品4個,分別位于礫石堤項部、高潮線上部、高潮線下部及低潮線附近(編號分別為1、2、3、4),共采集樣品29個(采樣位置見圖1).在每個采樣點選取1m2大小的樣方,取表層10cm厚度,采樣重量以GaleandHoare提出的方法為標準.利用篩析法對礫石沉積物進行粒度分析,大于32mm的礫石用游標卡尺以0.5Φ間隔進行分級,小于32mm的沉積物用粗篩按1Φ為間隔進行分級,樣品用彈簧秤進行稱重,總共取得表層樣品1815.7kg.在每個樣品中隨機選取47～94顆礫石,利用游標卡尺分別測量礫石的長軸(A)、中軸(B)及短軸(C),總共測量礫石1735顆.2.2粗粒沉積物的主要指標沉積物粒度參數不僅可以用來提取沉積物的沉積環境、水動力等信息,還可以用來指示了沉積物的搬運趨勢.根據大烏石塘與小烏石塘兩個礫石灘的沉積物粒度分析數據,利用矩值法來計算沉積物平均粒徑(μ)、分選系數(So)、偏態(SK)及峰態(Ku)等粒度參數.礫石常用的形態參數有球度(MPS:maximumprojectionsphericity)、扁長指數(OPI:oblate_prolateindex)、盤狀-桿狀指數(DRI:disc_rodindex)及磨圓(Rn),這組參數是粗顆粒沉積物結構分析中的重要參數,可以提供沉積物的產地、搬運特征及沉積動力環境等有關信息.磨圓是表征礫石沉積物的沉積環境、礫石搬運距離的一個重要參數;OPI是用來從扁長(prolate)礫石中分辨出扁圓(oblate)礫石的一個非常有用的指標;MPS反映的是在流體中拖曳力與重力作用的平衡,是表征水中礫石發生搬運或沉降行為的一個重要指標;DRI是用來分辨桿狀礫石和盤狀礫石的一個非常有效的指標.本文中,礫石的磨圓度是采用Powers提出的6級分類方法(尖棱角:VA、棱角:V、次棱角:SA、次圓:SR、圓:R、渾圓:WR),礫石形態參數MPS、OPI和DRI的計算方法見表2.3結果3.1達到8484水準測量結果顯示(圖2),研究區礫石海灘規模比較大,在大烏石塘長度達600m左右的礫石海灘上,海灘水平寬度40～50m,礫石堤頂部高出大潮高潮線3m,堤頂寬度較大,整個礫石灘的平均坡度約為10°～20°,最大可達到62°;小烏石塘礫石海灘長度略小,約為400m,海灘平均寬度40～50m,堤頂高出大潮高潮線2m多,整個礫石灘的平均坡度約為10°～11°,最大為25°.兩個礫石灘的大潮高潮線附近都有陡坎,在大潮高潮線以上的礫石堤上有灘脊溝槽體系.研究區內臺風風暴活動比較頻繁,且主要集中在夏季.一次大的風暴可以將直徑1m的巨石從低潮線下部搬運至潮間帶,將5～10cm的礫石拋到8m高的礫石堤頂部.因此,風暴是塑造研究區內礫石海灘輪廓的主要動力.波浪和潮流作用對風暴過后的礫石海灘具有比較強烈的改造作用.海水從灣外涌入灣內,波浪不斷破碎和變形,并產生繞射和反射,使灣內波浪情況復雜多變,并與周圍地形相互作用形成沿岸流,不斷調整海灘礫石的分布.3.2小烏合成礫石灘沉積物粒度參數在橫向和縱向上表現出有規律的變化(表3).礫石灘沉積物平均粒徑介于-4.5～-6.45Ф之間(最大塊體直徑可達1m左右),小烏石塘沉積物平均粒徑略大于大烏石塘,平均粒徑在橫向上,由海堤角下的礫石堤頂部向海遞減,但在大潮低潮線附近,礫石粒徑又有所增大;在縱向上,沿海礫石灘由南向北,小烏石塘沉積物平均粒徑減小,大烏石塘沉積物先增大后迅速減小.兩個礫石灘沉積物分選程度都很高,在橫向上,隨著向海推進,分選系數逐漸變小,而在縱向上,由南向北,大烏石塘與小烏石塘呈現出相反的變化趨勢,前者先增大后減小,后者先減小后增大.由海堤向低潮線方向,小烏石塘沉積物由負偏逐漸趨于正態分布,大烏石塘則由負偏迅速達到正態分布,再向下又達到負偏狀態;在縱向上,小烏石塘沉積物在灣頂達到正態分布,兩端都為負偏,大烏石塘則在礫石灘南部為負偏,到北部則迅速變為正偏.在橫向上,峰態值變化很小,在縱向上與分選系數具有相似的變化趨勢,優勢粒組含量高且粒徑范圍比較窄(圖3).3.3磨圓度的統計與算例根據Powers提出的磨圓六級分類標準及相應的數值,統計了各采樣點礫石磨圓級別的百分比,并換算為數值計算了每個樣品的磨圓度平均值(表4).3.4大烏社會主義與小烏合成礫石的形態特征根據測量得到的A、B、C三軸的數據,利用表2所列公式進行計算,得到了兩個礫石海灘各樣品的平均礫石形態參數,并給出了標準偏差值(表5).由表5可知,大烏石塘礫石球度比較高,但仍較小烏石塘礫石為低,由標準偏差可知,兩個海灘的礫石球度值變化都不大,大烏石塘礫石球底離散程度更小一些.OPI和DRI都揭示了大烏石塘礫石扁長、桿狀礫石所占比例比小烏石塘要大一些,標準偏差值表明小烏石塘海灘礫石的扁長礫石和桿狀礫石的分布較大烏石塘為分散.兩個礫石灘的礫石形態參數在橫向和縱向上都發生了不同程度的分選,其分布特征既有相同部分,也有不同之處(圖3).4國際形勢和運動學特征在礫石海灘的形成過程中,臺風風暴起著非常重要的作用,臺風風暴將大量礫石拋到岸上發生堆積,該堆積體在風暴過后又被波浪長期作用才塑造了一個完整的礫石海灘.根據大于0.5mm的沉積物的經驗臨界起動軌跡流速:ρut2/(ρs?ρ)gD=0.46π(utT/πD)1/4(1)ρut2/(ρs-ρ)gD=0.46π(utΤ/πD)1/4(1)式中ut為臨界起動軌跡流速,ρs、D分別為礫石的密度和粒徑,ρ為海水密度,T為波周期,根據張國棟等的統計,臺風風暴的波周期約為10s.將公式(1)計算得到的臨界軌跡流速代入式(2)可以計算出臨界波高;ut=πH/Tsinh(2πh/L)(2)ut=πΗ/Τsinh(2πh/L)(2)式中H為波高,h為水深,L為波長,本文設海灘頂部礫石對波浪的響應是灣口處波浪,灣口處的水深為5m,根據淺水波波長的公式L=T(gh)1/2計算出波長.根據以上兩式計算結果表明(表6),小烏石塘海灘頂部礫石對應的最大臨界起動軌跡流速、臨界波高分別為3.28m/s和4.84m,大烏石塘的最大臨界起動軌跡流速、臨界波高分別為3.17m/s和4.69m.在波浪的往復推動作用下,海灘礫石之間相互碰撞磨損,并在沿岸流的搬運作用下不斷地發生粒度、形狀分選,在海灘的橫向和縱向上形成了有規律的地貌特征.磨蝕過程是礫石表層物質損失的主要過程,可以用來估量礫石結構和組成的成熟度.隨著礫石粒徑的減小,其磨圓度增加;隨著磨蝕作用的長期進行,由抗磨蝕強度弱的礫石比例逐漸減小,抗磨蝕強度強的礫石比例增大;搬運分選是在考慮礫石組分及形狀的情況下優先搬運或沉積而形成礫石粒徑和形狀富集的過程;礫石在搬運過程中,由棱角狀逐漸變為磨圓,并又逐漸變化為盤狀或扁平狀.因此,一般情況下,沿著海灘物質搬運方向,沉積物粒徑減小,盤狀和扁平狀礫石含量增高.海灘礫石的磨蝕作用主要發生在礫石的運動過程和搬運中,怎樣判斷磨蝕作用和搬運作用在礫石海灘的形成過程中的相對重要性,是一個值得探討的問題.沉積物巖性分析也表明,大烏石塘和小烏石塘的海灘沉積物均來源于港灣兩側岬角侵蝕下來的物質,并沒有經過長距離的搬運,但其磨圓度都非常高,說明它們必然是在海洋環境中經歷了長時間的磨蝕而形成的.為了進一步揭示礫石的磨蝕和搬運作用在兩個海灘中所起的作用,用礫石的MPS、OPI作為磨蝕作用的代用指標,平均粒徑作為搬運作用的代用指標,兩種過程都對磨圓度有很大影響.根據礫石形態參數和平均粒徑在海灘縱向和橫向上的變率分析(表7)可知,大烏石塘的海灘礫石主要發生磨蝕作用,在橫向上的搬運作用非常微弱,而在縱向上的搬運作用略弱于磨蝕作用;小烏石塘在橫向上的磨蝕作用略強于搬運作用,縱向上的搬運作用略強于磨蝕作用.Komar的研究表明,球度大的礫石由于轉動角比較小,在粒徑組份差不多的條件下被優先起動,并以跳躍形式運動;由于小烏石塘海灘礫石的球度大于大烏石塘,在相同的海洋動力條件下必然先被起動、搬動.因此,小烏石塘海灘礫石的搬運作用較大烏石塘為大,兩個海灘的礫石都由南向北發生搬動.該研究結果一方面進一步說明了磨蝕作用在朱家尖島礫石海灘的形成演化過程中起著重要作用,與陳洪德等的研究結果一致;另一方面,根據兩個礫石海灘的礫石形態參數和平均粒徑的變率,分析了分選搬運作用在兩個礫石海灘中的作用,結果表明,在大烏石塘的形成演化過程中,磨蝕過程起著非常重要的作用,而搬運過程相對較弱,但在小烏石塘,搬運過程在縱向上較強,在橫向上較弱,磨蝕作用在橫向上較強,在縱向上較弱.礫石海灘的組成是否已達到成熟主要取決于礫石的磨損(包括磨蝕和搬運),同樣地在構造上是否成熟主要取決于礫石的磨圓度,因為磨圓度是礫石磨損的結果.大烏石塘海灘礫石的磨圓度在0.756～0.808之間,小烏石塘海灘礫石的磨圓度在0.646～0.769之間,兩者的磨圓度都很高且變化比較小,說明礫石的磨損強度已經很弱,表面在橫向和縱向上的變率非常小(表7),因此可以說,兩個海灘的礫石都已經達到了發育成熟階段,而大烏石塘的成熟度相對更高.但由于臺風對海灘剖面的改造和破壞很強烈,因此,兩個礫石海灘剖面形態都處于動態平衡狀態.作為高能環境下的巨大堆積體,礫石海灘的形成與當地波浪、潮流等海洋動力條件密切相關,是水動力與局部地質地貌形態相互作用的結果.為了進一步研究朱家尖兩個礫石海灘的成因,需要對當地海洋動力條件進行長期觀測,尤其是波浪和臺風風暴的作用,對海灘的穩定性具有非常重要的影響.5小烏合成人工懸架根據以上數據分析及結果討論,得到以下結論:(1)水準測量結果顯示,研究區礫石海灘規模大、坡度陡,其中大烏石塘礫石海灘規模大于小烏石塘,礫石堤頂部發育溝槽相間的地貌體系,由于波浪潮流的作用,在大潮低潮線上部形成陡坎;(2)橫向上,兩個礫石灘的沉積物平均粒徑由陸向海遞減,但在大潮低潮線附近又增大,分選變好,潮間帶礫石球度較海灘上部及下部低,海灘礫石的扁長度及桿狀程度由礫石堤頂部向海方向遞增;(3)縱向上,大烏石塘礫石灘由灣頂向南北兩個方向沉積物平均粒徑遞減,分選變好,礫石球度降低,桿狀程度提高;小烏石塘礫石灘由海灘南部