, 张振克The sediment sources and quantitative evaluation of tidal flat at Qidong foreland, the Yangtze Estuary in recent 100 years
ZHANGYunfeng, ZHANGZhenke收稿日期:2017-12-8
修回日期:2018-07-2
网络出版日期:2018-11-25
版权声明:2018《地理学报》编辑部本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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1 引言
河口海岸是陆海相互作用最具特色的区域,也是受人类活动影响最为敏感的地区[1,2]。海岸带陆海相互作用研究计划（Land Ocean Interactions in the Coastal Zone, LOICE）是国际科学研究计划,其中一个重要研究内容就是强调对人类活动与“流域—海岸”的相互影响研究[3]。河流入海泥沙是海岸稳定的重要物质来源,基于1930s以来的历史数据,Walling等对世界140余条河流的径流量和输沙量分析表明,河流入海输沙呈普遍减少趋势[4],主要原因是气候变化和人类活动,而后者越来越占据主导地位[5]。入海泥沙的减少会导致河口三角洲延伸淤长减缓,加剧海岸侵蚀[6]。尼罗河三角洲最为典型,自1964年阿斯旺大坝建设后,海岸线严重侵蚀后退[7,8]。中国也面临入海输沙下降的问题[9,10,11]。长江是中国第一大河,历年携带巨量泥沙入海,但从20世纪60年代开始,出现持续下降趋势。水利工程和水土保持等人类活动,尤其是三峡大坝的建设,拦截了大量泥沙,进一步加剧了入海泥沙的减少[12,13,14,15],导致河口三角洲沉积速率减缓,局部岸段发生侵蚀[16,17,18,19]。作为长江入海第一级分汊水道的北支,1970年立新坝的修建使其分流角增大至几乎90度,沉积动力条件显著改变,以潮流作用为主替代径流作用,北支河宽的缩窄和河床的抬高淤浅过程同时发生,大幅度减少了河槽容积,在涨潮流作用下,口外悬沙扩散进入北支沉积,泥沙净向上输移[20]。自20世纪80年代开始,基于物源示踪的定性分析,对长江北支泥沙输移和沉积物来源形成了不同观点,如长江源[21,22,23]、苏北源[24,25,26]、混合源[27,28]等。无论是地质年代、历史年代,还是现代,物源始终对判别沉积物特征和决定演化过程起主要作用[29]。因此,判断物源与物质特性往往成为研究的首要问题。物源分析包括源区位置与环境条件、沉积物的搬运路径及特性等[30]。随着现代技术水平的不断提高,物源分析方法逐渐增多,如沉积学方法、岩石学方法、矿物方法、元素地球化学方法、地质年代学方法、化石及生标化合物方法及地球物理学方法等[31,32]。物源识别研究逐渐由从定性分析向定量分析转变。对于具有混合特征的沉积物而言,物源的定量分析还需要给出不同物源的贡献率。例如,利用线性规划方法定量分离出混合源沉积物的端元[33,34];利用主成分分析方法分离混合源沉积物的成分数据问题[35];借助基于“质量守衡”原理的非线性规划模型定量识别沉积物物源[36];利用成分数据的统计方法处理沉积物样品的地球化学数据[37,38,39],对沉积物源实现了定量分离。
启东嘴潮滩位于长江北支口门,根据野外观测,淤积十分明显,与长江入海泥沙减少相矛盾,也与北支河槽缩窄淤浅相矛盾,大量泥沙从何而来?北支的沉积动力环境发生了根本性变化,对物源又产生怎样的影响?本文使用地球化学元素,做了物源示踪,进而采用物源的端元定量判识方法,分析启东嘴潮滩沉积物质的来源及变化。既对深化认识海岸沉积环境演变提供科学依据,又对合理开发利用潮滩资源提供决策参考。
2 样品采集与研究方法
2.1 样品采集
长江口启东嘴潮滩是长江北支现代人类活动最为活跃的地区之一。早在20世纪50年代,为改善区域交通、抵御风暴潮灾害,修建了海防公路。2006年,广州恒大地产集团有限公司建设了高等级标准的围垦大堤。在海防公路和恒大围垦大堤之间,还有3道大堤,分别建于1970年、1989年和1992年[40,41]。2011年8月在启东嘴潮滩进行了为期3天的野外调查,为保证沉积物样品能够真实反映潮滩沉积环境的变化,沉积物样品的采集选择了未受人类活动直接干扰的圆陀角湿地保护区内的互花米草盐沼滩地。利用重力取样器,采集了长215 cm的岩芯沉积物QDZ-1,如图1所示。采样器是荷兰Eijkelkamp公司生产的半圆形便捷式手持钻,可以很好地避免岩芯沉积物的压缩和变形。样品采集后,用刮刀轻轻除去表层碎屑,现场对沉积岩芯进行了特征描述、拍照和分样。为防止样品受到损失和污染,分样后,立即装进聚乙烯封塑袋内,最后放入冷藏箱中,密封并运回实验室内供实验测试使用。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1研究区及样品采集位置示意图
-->Fig. 1The research area and location of core sediments
-->
2.2 研究方法
2.2.1 沉积物样品分析 沉积物样品的元素分析,采用电感耦合等离子体质谱法（HR-ICP-MS）,所用仪器为德国菲尼根玛特（Finnigan MAT）公司生产的高分辨率ELEMENT 2型等离子质谱仪。在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成样品的测试。沉积物样品前期处理和测试流程参考高剑锋等[42]的研究方法。取混合均匀的样品0.5 g,用玛瑙研钵磨至200目以下,放入微波消解罐的专用杯中加入少量蒸馏水使沉积物样品变得湿润后,加入适量的氢氟酸（HF）和硝酸（HNO3）反复加热蒸干至湿盐状,经过酸溶法消解后,直至硝化液不再出现残留的白色或黑色残渣;然后,用5 ml 30%（v/v）的硝酸溶液（HNO3）提取残渣,加入1 ml 500 mg/ml的Rh内标溶液稀释到50 ml,对检测过程进行全程的质量控制。2.2.2 富集系数的计算 沉积物中微量元素的含量通过地球化学指标标准化处理后,可揭示出相对于地壳的富集程度,即富集系数EF。由于Al在表生环境中非常稳定,因其测量的准确性和精确性,是最常被采用的地球化学指标[43],计算公式如下：
式中：分子是样品的元素与Al的比值;分母是地壳的元素与Al的比值。中国沿海陆架沉积物的物质来源基本上都是来自入海河流的输沙,因此,地壳的元素比值选择中国东部大陆壳的地球化学元素的丰度值作为参考背景值,数据来自迟清华等[44]。
2.2.3 物源定量判识方法 如果将具有多个物质来源的沉积物样品的每一个物源组分称为端元的话,那么物源定量识别的端元模型可基于如下思路进行建立[37,38,39]：假设沉积物样品经过实验测试得到m个地球化学元素,根据元素的含量按照一定的顺序排成一个行向量,那么n个样品可组成元素数据矩阵Xn×m,同nf个端元可组成端元成分矩阵Bnf×m。如果沉积物样品是端元按不同比例混合而成的,那么满足如下线性组合关系：
Ln×nf的第i行向量元素为各端元在第i样品中的相对百分含量。矩阵Xn×m的数据由野外采样样品和实验分析获得,是已知数据。如果从Xn×m出发求得Bnf×m和Ln×nf,便获得了各端元的成分和端元在样品中的百分含量。
第一步,数据成分化和列变换。为保证数据矩阵Xn×m满足成分数据的条件,应对原始数据做成分化调整,使各项指标含量之和为常数。同时对原始数据进行标准化处理,即对数据矩阵的列进行变换：
式中：xminj为第j列的最小值;xmaxj为第j列的最大值。
第二步,求解端元的初始成分。首先,利用成分化Q型因子分析算法,处理元素数据Xn×m。如果研究区沉积物有3个物质来源,就确定因子数为3,也就是定义nf = 3,这样就能够得到成分化正交因子,一共nf个。如果得到的这nf个成分化正交因子有负值的话,还需要进一步通过“最优斜交变换方法”的线性规划方法,将负值的成分化正交因子投影到估计空间的正象限。经过这一系列步骤的处理后,就得到了没有负值的成分化斜交因子
第三步,求解端元的初始含量。采用“最小二乘法”法来求解端元的初始含量,如果端元的初始含量
第四步,对不满足成分条件的初始端元成分进行调整,直到得到最佳的端元成分和含量。当端元成分Bnf×m和端元含量Ln×nf均为不含负数时,可以认为端元的成分及其含量是最优解。Bnf×m和Ln×nf正是定量分离出来的端元成分和端元百分含量。
3 结果分析
3.1 微量元素地球化学特征
微量元素分析结果（表1）显示,根据平均含量可划分为四组。第一组是Ti元素,含量最高,高达5000 μg/g以上。第二组包括Mn、Ba、Zr、Sr、Rb、V等元素,在100 μg/g以上;第三组包括Zn、Cr、Ni、Cu、Pb、Nb、Co、Th、Sc等元素,在10 μg/g以上。第四组包括Hf、Mo等元素,含量较低,低于10 μg/g,其中Mo元素的含量非常少,不到1 μg/g。Tab. 1
表1
表1岩芯沉积物QDZ-1的微量元素含量的统计指标值
Tab. 1The statistical parameters of micro-elements from QDZ-1 core sediments
| 元素 | 最小值(μg/g) | 最大值(μg/g) | 平均值(μg/g) | 标准偏差 | 变异系数(%) |
|---|---|---|---|---|---|
| Sc | 10.33 | 17.73 | 12.91 | 2.17 | 0.17 |
| Ti | 4622.31 | 6166.75 | 5309.01 | 420.01 | 0.08 |
| Zr | 204.96 | 567.74 | 296.27 | 79.00 | 0.27 |
| Nb | 13.09 | 16.58 | 14.47 | 0.89 | 0.06 |
| Hf | 5.24 | 14.78 | 7.77 | 2.10 | 0.27 |
| Th | 10.97 | 18.35 | 13.38 | 1.48 | 0.11 |
| Rb | 79.84 | 154.14 | 109.97 | 21.68 | 0.20 |
| Sr | 138.87 | 176.85 | 155.44 | 10.11 | 0.07 |
| Ba | 336.45 | 424.90 | 378.21 | 24.35 | 0.06 |
| V | 76.91 | 139.42 | 100.41 | 18.69 | 0.19 |
| Cr | 48.22 | 82.05 | 63.13 | 8.98 | 0.14 |
| Mn | 504.04 | 912.69 | 670.27 | 131.74 | 0.20 |
| Co | 10.05 | 18.91 | 14.07 | 2.63 | 0.19 |
| Ni | 23.89 | 50.95 | 35.82 | 7.74 | 0.22 |
| Cu | 11.37 | 32.24 | 19.79 | 6.14 | 0.31 |
| Zn | 45.29 | 153.02 | 73.95 | 20.93 | 0.28 |
| Mo | 0.29 | 0.99 | 0.52 | 0.20 | 0.38 |
| Pb | 13.50 | 30.79 | 19.19 | 4.74 | 0.25 |
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微量元素的垂向变化曲线如图2所示,大部分微量元素有着一致的变化趋势,在深度52.5 cm处可分为上下两段,上段垂向变化规律性显著,下段垂向变化较为复杂,且出现峰值。根据垂向特征,大致可分为三种类别。第一类包括Zr、Hf两种元素,在上段表现为由下向上呈减少趋势。第二类包括Sr、Ba两种元素,在上段的规律性不显著。其余元素可归为第三类,在上段表现为由下向上呈增加趋势。其中,Ti、Zr、Nb、Hf、Th等在深度172.5 cm处出现峰值,其余元素也在此深度表现出了一定程度的峰值变化。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2岩芯沉积物QDZ-1微量元素垂向变化
-->Fig. 2The profile characteristic of micro-elements from QDZ-1 core sediments
-->
3.2 微量元素的物源指示意义
沉积物中的微量元素特征对指示沉积区域的演化历史、沉积环境及沉积物的物质来源具有十分重要的示踪作用[45,46,47]。中国沿海陆架沉积物主要来自长江和黄河,黄河每年有约10×108 t的泥沙入海;长江每年有约5×108 t的泥沙入海[48]。南黄海沉积物受到长江和黄河的共同影响,地质时期主要来自古长江入海泥沙,历史时期又有黄河入海泥沙的加入,在长期的地质过程作用下不断扩散混合,具有混合源特征[49,50]。从表2可以看出,岩芯沉积物QDZ-1微量元素与邻近区域有很好的可比性。富集系数与南黄海最为接近的有Sc、Cr、Mn、Co、Cu、Rb、Zr、Pb、Th等9种元素;与长江最为接近的有Ti、V、Ni、Zn、Nb、Ba等6种元素;与黄河最为接近的只有Sr一种元素。可以推断长江口启东嘴潮滩沉积物受到长江物质和南黄海物质的共同影响,与南黄海物质的关系更为密切。Tab. 2
表2
表2沉积物元素富集系数与邻近区域的比较
Tab. 2Comparison of the micro-elements enrichment coefficient of core sediments with adjacent areas
| 元素 | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Co | Ni | Cu | Zn |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 长江 | 0.84 | 2.16 | 1.60 | 1.31 | 1.30 | 1.02 | 1.68 | 2.33 | 1.95 |
| 黄河 | 0.75 | 1.46 | 1.46 | 1.28 | 0.81 | 0.87 | 1.30 | 1.03 | 1.19 |
| 南黄海 | 1.03 | 2.02 | 1.13 | 1.42 | 1.59 | 1.05 | 1.51 | 1.42 | 1.39 |
| 均值 | 1.41 | 2.46 | 1.66 | 1.54 | 1.53 | 1.37 | 1.69 | 1.41 | 1.80 |
| 元素 | Rb | Sr | Zr | Nb | Ba | Pb | Th | 数据来源 | |
| 长江 | 1.82 | 0.49 | 2.06 | 2.46 | 0.95 | 4.29 | 3.59 | 文献[51] | |
| 黄河 | 1.50 | 0.80 | 2.47 | 2.04 | 1.61 | 2.96 | 4.64 | 文献[51] | |
| 南黄海 | 2.55 | 0.98 | 2.66 | 2.21 | 1.43 | 2.44 | 4.49 | 文献[52] | |
| 均值 | 2.91 | 0.82 | 3.43 | 2.68 | 1.13 | 2.37 | 4.13 | 本文 | |
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3.3 沉积物质不同来源的贡献率
根据137Cs蓄积峰时标,岩芯沉积物QDZ-1的平均沉积速率为2.61cm/a[53],据此估算,在深度52.5cm处的时标为1972年,在深度172.5 cm处的时标为1930年。因此,以深度52.5 cm、172.5 cm将岩芯沉积物QDZ-1分成3段。基于地球化学元素的沉积物端元定量判识方法,得到沉积物质不同来源分别在上段、中段、下段等层位的贡献率。如表3可以看出,在1930年以前,长江物质的贡献率最大,为68.1%,其次为南黄海物质,贡献率为27.1%,黄河物质的贡献最小,为4.8%。此后,长江物质的贡献逐渐减少,在1930-1972年间下降到38.5%,在1972年后更是减少到17.5%。南黄海物质的贡献率增加显著,在1930-1972年间增加到55.6%,在1972年后增加到75.9%,成为长江口启东嘴潮滩的主要物质来源。Tab. 3
表3
表3沉积物不同端元物质贡献率变化的定量识别
Tab. 3The quantification of contribution rate among different sediment sources
| 深度 | 上段(0~52.5 cm) | 中段(52.5~172.5 cm) | 下段(172.5~212.5 cm) |
|---|---|---|---|
| 长江贡献(%) | 17.5 | 38.5 | 68.1 |
| 黄河贡献(%) | 6.6 | 5.9 | 4.8 |
| 南黄海贡献(%) | 75.9 | 55.6 | 27.1 |
| 时间 | 1972年后 | 1972-1930年 | 1930年前 |
| 河槽性质 | 涨潮型 | 过渡型 | 落潮型 |
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4 讨论
4.1 北支沉积动力变化与阶段划分
长江口启东嘴潮滩处于长江北支下段连兴港附近,长江北支沉积动力环境的变化,必然对进入启东嘴潮滩的悬浮泥沙的输运和沉降有着重要影响。长江北支由河控通道转变为潮控通道,不断缩窄淤浅,大致可分为3个阶段[54,55,56]：第一阶段（1931年之前）：在自然因素作用下河势演变缓慢,水动力以径流作用为主。第二阶段（1931-1970年）：人类活动对北支演变的影响逐渐增强,水动力由河控型向潮控型转变。第三阶段（1970年后）,人类围垦进一步加剧北支的缩窄淤浅,涨潮流为主要动力,净向上输沙,北支趋于淤废。根据137Cs沉积速率分析可知[53],在深度52.5 cm处的时标为1972年,这与长江北支分流角增大到几乎90°直角的1970年,在时间上非常接近;在深度172.5 cm处的时标为1930年,长江北支水道在1915年之前基本稳定,长江流域在20世纪的1931、1954和1998年发生了全流域性大洪水,考虑测年误差,微量元素的垂直剖面在深度172.5 cm处出现的极值变化,可能是受到1931年大洪水极端环境变化的影响。4.2 启东嘴邻近海域动力环境与沿岸输沙
长江口启东嘴潮滩近海海域的沉积动力主要有苏北沿岸流、浙闽沿岸流、台湾暖流、长江冲淡水等[57,58]。台湾暖流在远离长江口的海区,位置偏东南且流向东北[54]。浙闽沿岸流位置偏南,冬季流向偏南,夏季主流在远海区转向东北[29]。长江冲淡水主要通过南支入海,在冬季沿岸南下,在夏季受苏北沿岸流和台湾暖流的合力作用,在远海区转向东北[59,60]。可以认为对沉积物搬运和扩散起关键作用的是苏北沿岸流。苏北沿岸流流向终年偏南,甚至有越过长江口向南侵入东海的趋势[61]。根据长江北支水道萎缩与入海输沙减少的时间节点,可以初步确定自20世纪70年代后,长江口启东嘴潮滩的物质来源已不再是长江的入海输沙,贡献率由68.1%减少到17.5%。沉积物主要来源于南黄海的悬浮泥沙输运,包括苏北废黄河三角洲和南黄海辐射沙洲沉积物,贡献率由27.1%增加到75.9%。黄河北归渤海入海后,在海洋动力作用下,苏北废黄河三角洲受到大面积的冲刷,在苏北沿岸流的影响下悬沙输运以南向为主[62]。辐射沙洲自形成以来,始终处于动态变化之中,近半个世纪以来沙脊群普遍存在整体逐渐南移的趋势,尤其是辐射沙洲南翼的小庙洪、网仓洪、烂沙洋和黄沙洋等水道及其之间的沙洲南移趋势更为显著[63,64]。4.3 涨潮动力作用与泥沙扩散倒灌
长江北支在自然河床演变和人类围垦活动的影响下,北支水沙分流比不断减少,河槽性质发展变化,涨潮流成为主要动力作用,水沙净输向上呈现倒灌[65,66]。涨潮流的含沙量远远大于落潮流的含沙量,在大潮时更为明显,泥沙在涨潮流和落潮流的携带下做往复运动,但总的趋势是往上输移。北支已由落潮流占优势的河段转变为涨潮流占优势的河段,进潮量大是导致北支水沙倒灌南支及北支河段衰退的主要动力机制[66]。如表4所示,连兴港断面,潮量大进大出,水沙净输向上,呈现倒灌;从潮型比较,涨、落潮量和进、出沙量均为大潮>中潮>小潮;倒灌沙量也以此为序;而倒灌水量相反,为大潮<中潮<小潮,但相差不大。青龙港断面,进、出潮量均小于5.5×108 m3,较连兴港断面小一个量级;各潮型的净输水量均为下泄,但量值很小,大、小潮均不足1×108 m3,大潮泥沙净输上溯,倒灌入南支1.69×104 t。已有研究表明,长江北支口门外发生强烈的侵蚀[67,68],在1997-2012年间,侵蚀率高达-7.1 cm/a,侵蚀下来的泥沙在涨潮动力作用下,为周边潮滩淤积提供大量泥沙物源。Tab. 4
表4
表4长江北支水沙的全潮通量值
Tab. 4The flow and sediment flux at the north branch of Yangtze River
| 潮型 | 水沙通量 | 青龙港断面 | 连兴港断面 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 涨潮 | 落潮 | 净输 | 涨潮 | 落潮 | 净输 | |||
| 大潮 | 水通量(108m3) | 4.80 | 5.42 | 0.62 | 19.59 | 18.09 | -1.50 | |
| 沙通量(104t) | 60.10 | 58.41 | -1.69 | 293.7 | 221.20 | -72.50 | ||
| 中潮 | 水通量(108m3) | 2.46 | 4.90 | 2.44 | 14.81 | 13.23 | -1.58 | |
| 沙通量(104t) | 22.07 | 39.20 | 16.13 | 165.00 | 107.00 | -58.00 | ||
| 小潮 | 水通量(108m3) | 0.97 | 0.27 | -0.70 | 8.64 | 6.84 | -1.80 | |
| 沙通量(104t) | 2.55 | 7.38 | 4.83 | 29.27 | 15.45 | -13.82 | ||
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在洪水作用以及北支上口河床弯曲作用下,北支河槽动力发生了变化,涨潮动力占主导作用,携带的口外泥沙扩散倒灌成为主要的物质来源,所占比重较大。这并不否认北支对物源的贡献,虽然长江北支由河控通道转变为潮控通道,不断缩窄淤浅,但是实际上北支仍分流了部分泥沙,这也是启东嘴潮滩的物质来源之一,只不过所占比重较小。由于受到研究条件的限制,在野外调查时只采集了一个岩芯,且在现场按5 cm间隔分样,采样间距较大,定量估算的结果可能会出现偏差。但是在综合考虑长江北支水道萎缩的时间节点和沉积动力的阶段性变化,与物源变化的定性认识基本吻合。
5 结论
长江口启东嘴潮滩采集的岩芯沉积物QDZ-1记录了物质来源及变化的环境信息。地球化学元素标准化处理后,与源区有很好的可比性,根据富集系数得到研究区沉积物受到长江和南黄海的共同影响,与南黄海物质的关系更为密切。与南黄海物质接近的元素占56.3%;与长江物质接近的元素占37.5%。分3个阶段定量估算了物质来源及变化,在1930前沉积物主要来自长江的入海输沙,贡献率为68.1%,在1930-1972年间为38.5%,到1972年后减少到17.5%。苏北沿岸流携带向南输运的南黄海物质,贡献率逐渐增加,在1930年前为27.1%,在1930-1972年间为55.6%,到1972年后增加到75.9%,成为启东嘴潮滩主要物质来源。The authors have declared that no competing interests exist.
