研究区位于防城港南部近岸海域(图1), 水深10~35 m, 西侧为北仑河口— 中越海域分界线, 东侧与钦州湾相接。研究区属南亚热带海洋性季风气候, 年平均温度约为22.5 ℃, 年平均降水量约为2 220 mm, 主要集中在5— 8月。研究海域潮汐属混合潮汐, 每月有6~8 d为不正规半日潮, 其余为正规全日潮, 涨潮历时大于落潮历时, 平均潮差约为2.55 m; 潮流类型以往复流的全日潮为主, 落潮流速大于涨潮流速, 潮流方向主要为SN向^[12]。入海河流主要有北仑河、江平江和防城江, 其余多为间歇性溪流。其中, 防城江年平均径流量为1.79× 10⁹ m³, 年均输沙量为23.7× 10⁴ t^[15]。

根据研究区SN向的潮流特征, 考虑到不同水深地貌部位的水动力条件、沉积速率也不同, 于2021年9月在防城港外浅海区沿垂直海岸线方向并间隔一定距离(5 km), 采用震动活塞式柱状取样器进行取样, 采样位置见图1。共采集5站位柱状沉积物样品, 取样深度为13~29 m, 取样长度均超过1 m。沉积物样品取出后即在船上按照5 cm的间隔分段进行分样, 装入聚乙烯袋中冷冻保存直至送样进行粒度测试。为研究海域沉积速率, 对分别位于剖面顶端、中部和前缘的FC12Z、FC14Z和FC16Z三个柱状样, 分别按照5 cm、16 cm和5 cm的间隔分段进行分样, 装入聚乙烯袋中冷冻保存, 直至送样进行²¹⁰Pb测试。

图1

Fig.1

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	图1 研究区采样位置Fig.1 Sampling location in the study area

1.2.1 粒度分析

沉积物粒度分析测试在自然资源部海洋地质实验检测中心完成。对于粒径均< 1 mm的沉积物样品直接使用MALVERN公司生产的Mastersize2000型激光粒度仪测试, 而对于含有> 1 mm的沉积物样品则采用筛析法和激光粒度仪联用的综合分析法。测试流程为: 取适量解冻后的沉积物样品先烘干称重, 加入适量去离子水浸泡, 而后用标准筛(孔径1.0 mm)进行湿筛, 筛出的粗颗粒(> 1.0 mm)采用筛析法测试; 剩余部分(< 1.0 mm)烘干混合均匀后, 取适量样品放入容器后, 依次加入5 ml的过氧化氢(浓度为30%)和5 ml的稀盐酸(浓度为3%), 静置24 h以上, 以去除沉积物中的生物碳酸盐和有机质; 然后加入去离子水进行离心清洗至pH值为中性, 清洗后, 样品中加入5 ml六偏磷酸钠溶液(浓度为0.5 mol/L)进行浸泡分散24 h; 最后采用激光粒度分析仪进行测试, 测试结果转为Ф 值。所有样品均进行重复测试, 测试误差小于2%。采用Folk和Ward公式^[16]进行粒度参数计算, 采用粒度参数分级(表1)进行定性描述。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 研究区沉积物粒度参数分级 Tab.1 Classification of sediment grain size parameters in the study area 参数 分级 分选系数 [0.35, 0.50) [0.50, 0.71) [0.71, 1.00) [1.00, 2.00) [2.00, 4.00) 定性描述 分选好 分选较好 分选中等 分选较差 分选差 偏态系数 > 1.30 (0.43, 1.30] (-0.43, 0.43] (-1.30, -0.43] ≤ -1.30 定性描述 极正偏 正偏 近对称 负偏 极负偏 峰态系数 < 1.70 [1.70, 2.55) [2.55, 3.70) [3.70, 7.40) ≥ 7.40 定性描述 很平坦 平坦 中等(正态) 尖锐 很尖锐

表1 研究区沉积物粒度参数分级 Tab.1 Classification of sediment grain size parameters in the study area

1.2.2 沉积物测年

沉积物中²¹⁰Pb测定在自然资源部海洋地质实验检测中心完成。具体测试步骤如下: 称取沉积物样品50~80 g放入烘箱, 在100 ℃下恒温静置24 h; 烘干后的样品先称重记录, 然后装入测量盒用蜡密封静置15 d, 使²¹⁰Pb和²²⁶Ra处于永久衰变平衡体系; 最后, 装入仪器进行测量。测量仪器为欧洲Canberra公司生产的BE3830型高纯锗γ 谱仪和美国Ortec公司生产的GEM8295型高纯锗γ 能谱仪, 用以测量²¹⁰Pb和²²⁶Ra。²¹⁰Pb的比活度由46.5 KeV处γ 射线的谱峰面积计算, ²²⁶Ra的测量射线为214 Bi的609.3 KeVγ 射线, 具体测量方法按照土壤中放射性核素的γ 能谱分析方法^[17]进行。测试结果采用常量初始浓度(Constant Initial Concentration, CIC)模式^[18]对柱状沉积物中的²¹⁰Pb测年结果进行计算。CIC模式计算公式为

t=1λlnA0Ak,(1)

S=Zt。(2)

式中: t为沉积物的沉积时的年龄; A₀为柱状样沉积物表层²¹⁰Pb比活度, Bq/kg; A_k为柱状沉积物深度k时²¹⁰Pb的比活度, Bq/kg; S为沉积速率, cm/a; Z为柱状样某一层深度, cm; λ 为²¹⁰Pb的衰变常数, 取值0.031 14。

不同沉积环境表现出的沉积物粒度参数亦不相同, 通过沉积物粒度特征可反演出沉积物堆积过程、输运方向、强度及所处的沉积水动力条件等^[19]。研究海域各柱状样沉积物的平均粒径、分选系数、偏态系数、峰态系数如图2所示。

图2

Fig.2

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	图2 研究区沉积物粒度参数变化Fig.2 Variation of sediment grain size parameters in the study area

平均粒径表示沉积物颗粒大小的概况, 可通过平均粒径的变化了解沉积环境及物质来源等特征。由图2可知: 研究海域FC12Z平均粒径在深度60 cm 以上的沉积中变化幅度相对较小, 深度60~100 cm 的沉积中变化较大, 整体变化范围为5.38~7.35 Ф (平均值6.28 Ф ); FC13Z和FC16Z平均粒径Ф 值较大, 但平均粒径及变化范围均较小, 分别为6.30~7.35 Ф (平均值6.81 Ф )和6.42~7.07 Ф (平均值6.85 Ф ), 二者在深度70 cm以上的沉积中变化幅度均较小, 在深度70 cm处出现极小值; FC14Z和FC15Z平均粒径Ф 值相对较小, 但平均粒径及变化范围均较大, 分别为3.10~6.81 Ф (平均值4.70 Ф )和2.82~6.23 Ф (平均值3.97 Ф ), 沉积物颗粒分布表现为粒径大小交替出现的特征。

沉积物的分选系数表示沉积物颗粒在沉积时大小均匀程度^{[19, 20]}, 利用分选系数可判断沉积时水环境动力条件和追溯物源方向。由图2可知: 研究海域FC12Z、FC13Z和FC16Z分选系数变化范围较小, 分别为1.91~2.72(平均值为2.39)、1.83~2.43(平均值为2.18)和1.96~2.32(平均值为2.14); FC14Z和FC15Z分选系数变化范围相对较大, 分别为2.66~3.47(平均值为3.06)和2.15~3.37(平均值为2.88)。对照分选系数分级及定性描述(表1)可以看出, 研究海域5站位柱状样沉积物分选性属于分选较差— 差级别。

偏态系数可以用来判断沉积物粒度频率曲线的对称程度。当偏态系数=0时, 表示粒度曲线呈对呈分布; 当偏态系数< 0时, 沉积物粒度多集中在细端部分, 反之则偏向粗粒部分^{[19, 20]}。由图2可知: 研究海域FC12Z、FC13Z和FC16Z偏态系数范围分别为-0.092~0.334(平均值为0.068)、-0.009~0.023(平均值为-0.048)和-0.112~0.041(平均值为-0.076), 变化范围较小, 偏态定性描述近对称分布; FC14Z在深度55 cm以上的沉积中偏态系数范围为-0.269~0.313(平均值为-0.053), 属近对称分布, 而深度55 cm以下的沉积表现为明显的正偏; FC15Z偏态系数范围为-0.310~0.612(平均值为0.322), 除少数层位为近对称分布外, 其他均表现为正偏, 颗粒粒径多分布在粗粒的一侧。

峰态系数是用来衡量沉积物粒度频率曲线的尖锐程度, 即粒度分布中部和尾部的展形比^{[19, 20]}。由图2可知, 研究海域FC12Z— FC16Z峰态系数范围分别为0.75~1.06(平均值为0.85)、0.79~1.12(平均值为0.91)、0.64~1.64(平均值为0.95)、0.64~1.81(平均值为1.03)、0.76~1.05(平均值为0.94), 除FC15Z的深度20 cm处定性描述为平坦外, 其他均表现为很平坦。

根据Folk等^[16]提出的沉积物分类方法, 将研究海域柱状沉积物进行投图(图3)。由图3可以看出, 研究海域柱状沉积物类型可划分为砂质粉砂、粉砂、砂质泥、泥质砂、含砾泥质砂、含砾泥和泥7种类型。

图3

Fig.3

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	图3 防城港海域柱状沉积物Folk分类Fig.3 Folk classification of core sediments in Fangchenggang sea area

防城港海域受控于潮汐、洋流^[21]等的影响, 不同海域的沉积水动力环境亦不相同, 根据研究海域5站位柱状沉积物样品粒度分析结果, 绘制沉积物类型分布剖面图(图4)。

图4

Fig.4

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	图4 研究区沉积物类型分布剖面Fig.4 Sediment type distribution profiles in the study area

由图4可以看出, 由近岸FC12Z至远离岸线FC16Z的方向上沉积物颗粒呈现出细— 粗— 细的变化。FC14Z和FC15Z粒径较粗, 与所处海域发育埋藏古河道^{[22, 23]}以及受越南河流^[12]携带泥沙注入有关。纵向上, 不同的历史沉积阶段, 各柱状样的沉积组合(韵律)也不相同: FC12Z柱状样下部以砂为主, 中部为砂质泥, 上部为砂; FC13Z柱状样下部为泥, 中部以砂为主, 上部为砂-泥; FC14Z柱状样下部和中部主要以含砾泥-砂为主, 上部为砂质泥; FC15Z柱状样下部为含砾泥质砂, 中部为泥-砂组合, 上部主要为含砾泥质砂; FC16Z柱状样下部以砂为主, 上部沉积物类型比较单一, 以泥为主。从柱状沉积物的沉积组合可以看出: FC13Z柱状样沉积环境动力早期弱于晚期; FC12Z、FC14Z和FC15Z柱状样所处的海域沉积环境动力相对稳定; FC16Z柱状样所处的海域早期沉积环境动力明显强于晚期。

结合研究海域历史水深资料^[15]和2018年5月中国航海图书出版社出版发行的防城港及附近区域海图^[24], 防城港海域等深线位置自19世纪初以来未发生明显的变化, 所以研究区选取的3站位柱状样为连续沉积, 选用CIC模式计算沉积年龄是合适的。研究海域3柱状沉积物²¹⁰Pb比活度及沉积速率拟合如图5所示。

图5

Fig.5

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	图5 研究区柱状沉积物210Pb比活度及沉积速率拟合Fig.5 Profiles of 210Pb and sedimentation rate fitting in core sediments in the study area

FC12Z站位距离岸线最近, 水深13 m, 柱状样长度为1.57 m。由图5可知: 该柱状样上层0~10 cm 处²¹⁰Pb比活度低于下层15 cm处的²¹⁰Pb比活度值, 推测表层至10 cm段为混合段; 10~100 cm 段的²¹⁰Pb比活度随深度增加不断减少, 呈现较好的衰减趋势; 100 cm以下²¹⁰Pb比活度随着深度的增加波动较大, 属于海洋动力事件型分布, 推测可能受风暴潮等的影响沉积发生混乱故舍弃。通过计算, FC12Z柱状沉积物在深度10~100 cm段的平均沉积速率为1.18 cm/a。

FC14Z站位位于研究海域中部, 取样水深24 m, 柱状样长度1.76 m, 表层至深度76 cm段。由图5可知: ²¹⁰Pb比活度随着深度的增加呈现出衰减趋势, 76 cm以下层位除去114 cm层位的异常值, ²¹⁰Pb比活度平均值为2.945 Bq/kg, 认为其已到 ²¹⁰Pb本底值, 则表层至76 cm处的平均沉积速率为1.09 cm/a。从²¹⁰Pb比活度的分布情况及粒度信息来看, 该站位的沉积环境相对比较稳定。

FC16Z站位位于研究海域最南端, 取样水深29 m, 柱状样长度1.5 m。由图5可知: 该柱状样表层至5.5 cm的²¹⁰Pb比活度, 低于11 cm处²¹⁰Pb的比活度, 可以认为0~5.5 cm段为混合段; 11~50 cm段随着深度增加²¹⁰Pb的比活度分布呈衰减趋势; 50 cm以下层段的沉积物中含有大量的贝类生物质。由其对²¹⁰Pb的比活度值影响可以看出, 50 cm 以下层位²¹⁰Pb的比活度分布近似等幅摆动, 因此50 cm以下层位未纳入计算。11~50 cm 段的平均沉积速率为0.611 cm/a。60 cm以下沉积物粒度明显变粗, 60 cm之上的沉积物粒度组成较稳定, 推测该站位后期沉积稳定。

由以上3站位的沉积速率可以看出, 由近岸到前缘, 防城港海域的沉积速率逐渐降低, 这与其所处海域的沉积水动力环境及与物源距离密切相关, 近岸海域水动力条件相对较强, 加之波浪对岸线的侵蚀冲刷及河流泥沙的汇入, 多在此沉积, 远离岸线的水动力条件相对较弱, 且远离物源区域的沉积速率相对较低。

沉积物类型的分布主要受控于沉积物源、海区本底物质、地形地貌以及海水动力流场等因素。首先, 研究海域位于防城港南部的近岸海域, 沿岸汇入的河流主要为防城江、江平江、北仑河以及沿岸的溪流, 入海河流携带的泥沙受潮流等的影响多在近岸海域堆积。其次, 防城港市沿岸人类活动频繁, 通过虾塘养殖、围填海、港口建设等一系列活动影响岸线变化促使沿岸侵蚀加剧^[25]。

防城湾被渔万岛分隔成东湾和西湾两部分, 呈Y形分布, 防城江携带泥沙经西湾入海, 东湾沉积物主要来自沿岸剥蚀, 由于研究海域落潮流速大于涨潮流速, 防城湾底质沉积物经潮沟向湾口输送, 汇合后向南运移。江平江携带泥沙汇入珍珠湾海域, 由于珍珠湾湾口较小, 湾内冬夏季余流方向均指向湾外^[26], 加之落潮流速较快, 珍珠湾沉积物受潮流影响向湾外运移。此外, 钦州湾西侧沿岸及企沙半岛沿岸被波浪侵蚀下来的泥沙, 受北部湾逆时针环流作用向西南运移^[20], 被白龙半岛阻挡后向南运移。北仑河携带泥沙, 越南入海河流携带泥沙, 以及其近岸剥蚀物在海流影响下也会对研究海域沉积物堆积造成影响。此外, 北部湾表层流所携带的物质均会对研究海域的沉积作用产生一定的影响。

沉积动力方面, 研究海域为港口近岸海域, 主要受海流和波浪的影响。防城港海域的海流主要有潮汐、入海河流等构成, 由于入海河流多经过港湾使其流域面积变得宽广, 流速减缓, 对海流影响甚微, 起主导作用的为潮流。防城港海域潮流的运动形式以往复流为主, 涨潮最大流速约0.4~0.6 m/s, 落潮最大可达0.6~0.9 m/s^[15], 这就为湾内沉积物向外迁移提供了动力。研究海域波浪受季节影响显著, 多集中在6— 9月份的台风季, 以风浪为主, 常浪向为NNE向^[15], 这就导致沿岸剥蚀加剧, 为防城港海域沉积提供物源。此外, 在北部湾还发育有逆时针环流^[20], 在防城港近岸还发育有防城湾气旋型环流、珍珠湾余流等^[25], 这些都为海底沉积物的运移提供动力。

防城港海域发育有潮间浅滩、潮流沙脊、槽沟、水下岸坡、水下拦门浅滩、海底平原、埋藏古河道以及浅埋基岩^{[12, 27]}等, 沉积环境受沿岸河流、海湾泥沙输入量、潮流以及人类工程建设等的影响。研究区布设的柱状剖面位于防城湾和珍珠湾南部, 一方面, 其湾内沉积物受潮流及近岸余流的影响向南输运, 另一方面, 港口建设、虾塘养殖等沿岸人类经济活动加速近岸泥沙的剥蚀, 剥蚀下的泥沙在落潮流及近岸余流^[28]的作用下向南运移, 随着沉积动力的减弱而沉积。综合以上原因, 使得研究海域沉积速率相较于国内近岸的其他海域^[29]处于相对较高的水平。由近岸到前缘, 受落潮流的影响逐渐减少, 沉积环境趋于稳定, 这就导致其沉积速率逐渐降低。