Experimental study on the relation between compressional wave velocity and physical properties of sandy sediments
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摘要: 砂土是主要的海底沉积物类型之一，明确砂质沉积物声学与物理性质的关系对海底底质和地层探测至关重要。本文利用超声探测仪和自制的试样制备测试装置，模拟制备不同沉积状态的砂土试样，同步开展超声测试和物理性质测试，探讨砂质沉积物声速测试方法及影响因素，揭示砂质沉积物压缩波速与物理参数的内在联系。试验结果和分析表明：换能器接触管壁的间接测量方法中，声波多路径传播可显著影响沉积物声速测量的准确性，而换能器接触试样的直接测量方法可避免这一影响；30 kHz至100 kHz的不同频率对压缩波速测量结果没有明显影响。砂质沉积物的压缩波速与密度、孔隙度、含水率有较好的相关性，相关系数分别为0.87、0.86、0.84，并且随密度的增大而增大，随孔隙度、含水量的增大而减小。砂质沉积物的压缩波速与中值粒径的相关系数小于0.6，对物质组成不敏感。另外，与声速相比，砂质沉积物的声阻抗与密度、孔隙度、含水量的相关性更高。砂质沉积物压缩波速对饱和度非常敏感，例如，饱和度从0.971增至0.994时，压缩波速从393.3 m·s−1急剧增大到748.5 m·s−1，需特别注意。Abstract: Sand is one of the main type of submarine sediments. Figuring out the relation between acoustic and physical properties of sandy sediments is critical to seafloor and sub-bottom detection. In this paper, by using the ultrasonic detector and the self-developed sample preparation device, sand samples in different physical states are prepared to simulate different natural sedimentary conditions. Acoustic and physical properties are tested simultaneously, so as to reveal the effective measuring methods and its influence factors, and to explore the internal connection between the compressive wave velocity (CWV) and physical parameters of sandy sediments. Results and analysis indicate that the multipath propagation of sound wave can affect the measurement accuracy for the method with ultrasonic transducers touching the side wall of sediment container, while this effect can be avoided by measuring with a direct contact between transducers and sediment. No effects are found with different test frequencies among 30 kHz to 100 kHz. The CWV of sandy sediments, which shows good correlation with density, porosity and water content, with correlation coefficients 0.87, 0.86, and 0.84, respectively, increases with increasing density, while decreases with increasing porosity and water content. While the correlation coefficient between CWV and medium diameter is smaller than 0.6, which shows that the CWV of sandy sediments has no clear link to grading distribution. The correlation of acoustic impedance with bulk density, porosity and water content is bigger than that of CWV with them. In addition, special attention should be paid to the saturation of sediments because the CWV is very sensitive to saturation, for example, the CWV increases dramatically from 393.3 m·s−1 to 748.5 m·s−1 as the saturation increases from 0.971 to 0.994.
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海洋沉积物的粒度特征及其空间变化（粒径趋势）是海洋沉积及动力学研究的重要方向之一，其主要受物源组分、输运方式、搬运距离、水动力条件以及地形地貌等多重因素控制[1-2]。多元统计方法主要提取多个变量间相互关联的规律性，其中对多项替代性指标的聚类分析在海洋沉积物源及环境演化研究中得到广泛应用[3-5]，粒径趋势方法在示踪滨浅海陆架沉积净输运趋势的研究中效果良好[6]。因此，基于粒度组分含量及参数变化，综合多元统计结果及沉积粒径趋势规律，可有效追踪物质来源，判别水动力条件，厘清沉积物运移趋势和划分沉积环境类型等。
近年来，国内外学者对南海大比例尺、广深海域的沉积物类型研究已取得了许多基础、系统的认识和成果[7-8]，尤其是对南海北部及环海南岛周边海域[9-11]、海南岛部分近岸小区域的港湾、河口进行了精细研究[12-14]。然而，海南岛东南陆架浅海沉积过程受岛上径流、沿岸流、潮汐、风浪及南海暖流等复杂沉积动力环境影响，沉积类型多样。此外，由于受沉积物分析样品数量、测试手段及精度差异等多种因素制约，尚未对海南岛东南浅海表层沉积物开展系统详实的研究。本文分析了在海南岛东南浅海区获取的377组表层沉积物样品的粒度组分，探讨了该海区的沉积类型、运移趋势及沉积环境等，为深入揭示陆架浅海沉积环境演化、重要能源（如天然气水合物、油气资源）的勘探开发及区域协调发展和生态环境保护提供了基础资料。
1. 研究区概况
海南岛东南海域研究范围为18°～19°N、109°30′～111°E，海域面积1.13×104 km2（图1），水深范围为0～1400 m。大部分区域位于250 m以浅区域，地形自岸向海倾斜，地势平坦，水深等值线为NE走向，地貌以水下岸坡和陆架平原为主，岸坡上发育小型沙波、浅滩、沙丘，水深250 m以深为陆坡陡坡区域，地形剧烈变化，水深变化较大，坡度较陡[15]。海岸线较为曲折，以砂质岸线为主，基岩岸线为辅，沿海一带港湾、港口较多。海域沉积受海南岛多个入海河流影响，如万泉河、陵水河、太阳河等。属于低纬度热带季风气候，冬季盛行东北风，夏季盛行东南凤和西南风，夏秋期间常受热带风暴和台风侵袭。海域潮流性质为不规则日潮型，以日潮为主，平均潮差0.79 m[16]。
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图 1 研究区位置和底质采样站位黑色圆点为取样站位。Figure 1. The location of study area and sampling stationsBlack dots represent sampling stations.2. 材料与方法
2017年7月广州海洋地质调查局开展海南岛周边海域1∶25万海洋区域地质调查工作，利用“奋斗五号”调查船在海南岛东南浅海区获取了377个站位的沉积物样品。站位间距大体为5 km×5 km，每个站位选取表层0～2 cm 的部分。
沉积物粒度室内分析测试工作在广州海洋地质调查局实验测试中心完成。具体方法为：对于最粗粒径＜2000 μm的样品，使用激光粒度仪（Mastersizer-2000）上机分析，仪器测量范围为0.02～2000 μm，粒级分辨率0.01 Φ。测试流程：适量的沉积物样品中加入5 mL30%的H2O2和0.25 mol/L的HCl，去除有机质和碳酸盐；搅拌并静置加满蒸馏水的溶液以去除盐分至呈中性；超声波振荡分散后上机测试。对含有粒径＞2000 μm的样品，采用传统筛分法和激光粒度仪测试结合方法：烘干称重后过1400 μm孔径标准筛，激光粒度仪测试细颗粒部分，筛析法分析粗颗粒部分（1Φ间隔），合并获得完整粒度数据。
粒级标准采用温德华氏标准，粒度参数采用矩法计算，采用Folk三端元分类法[17]对各沉积物样品命名。沉积空间分布差异及区划等主要运用多元统计分析中的Q型聚类及因子分析法，沉积物净运移趋势分析主要基于Gao-Collins模型（1994）。
3. 结果
3.1 沉积类型和粒度特征
3.1.1 沉积类型及分布特征
海南岛东南浅海海域沉积物粒级范围为–2～11Φ（表1）。由表1可看出，沉积物的优势粒级5～9Φ占55.80%，含量最高（16.82%）粒级为7～8Φ，含量最低（0.81%）粒级是＜–2Φ，表明研究区整体以细粒沉积为主。沉积物类型的命名依据Folk等（1970）提出的分类方案（图2）：（A）含砾碎屑沉积物；（B）不含砾碎屑沉积物，研究区共分布13种沉积类型：含砾泥、砾质泥、含砾泥质砂、砾质泥质砂、砾质砂、泥质砂质砾、砂质砾、粉砂质砂、泥质砂、砂质泥、砂质粉砂、粉砂、泥等，其中以较细粒的砂质粉砂、粉砂和砂质泥为主，这三种类型约占71.35%，其次为粗粒的砾质泥质砂、泥质砂，约占13.53%，其他类型沉积物较少见（图3）。
表 1 海南岛东南浅海表层沉积物粒级组成及粒度参数Table 1. Grain size parameters of surface sediments in the southeast of Hainan island粒级/Φ 全区（n=377） I区（n=36） II区（n=101） III区（n=240） 最大值 最小值 平均值 最大值 最小值 平均值 最大值 最小值 平均值 最大值 最小值 平均值 ＜−2 28.39 0.00 0.81 28.39 1.80 7.42 10.93 0.00 0.30 2.83 0.00 0.03 –2～−1 29.98 0.00 1.02 29.98 4.56 9.28 6.95 0.00 0.35 4.97 0.00 0.06 −1～0 46.24 0.00 1.68 46.24 3.48 14.64 12.75 0.00 0.75 6.02 0.00 0.12 0～1 34.77 0.00 2.59 34.77 5.41 18.12 12.55 0.00 2.61 9.79 0.00 0.25 1～2 40.81 0.00 4.92 40.81 2.06 15.53 32.09 1.07 10.24 14.91 0.00 1.09 2～3 43.26 0.00 8.67 18.93 0.15 4.98 43.26 8.20 22.24 12.66 0.00 3.51 3～4 29.29 0.04 7.62 13.96 0.13 3.71 29.29 3.25 13.29 18.18 0.04 5.82 4～5 21.71 0.24 6.71 12.78 0.24 3.52 14.57 1.16 4.84 21.71 1.67 7.97 5～6 25.48 0.00 11.09 8.28 0.00 3.65 11.31 0.00 6.83 25.48 7.55 14.00 6～7 27.25 0.00 15.96 10.87 0.00 5.20 17.29 0.00 10.18 27.25 11.35 20.00 7～8 29.38 0.00 16.82 11.74 0.00 5.66 19.92 0.00 11.76 29.38 10.08 20.63 8～9 21.78 0.00 11.93 9.32 0.00 4.37 15.66 0.00 8.83 21.78 4.86 14.37 9～10 10.88 0.00 5.78 4.84 0.00 2.27 7.92 0.00 4.29 10.88 1.77 6.94 ＞10 9.26 0.00 4.41 3.50 0.00 1.67 6.39 0.00 3.48 9.26 1.46 5.21 砾石 45.33 0.00 1.83 45.33 6.37 16.70 12.55 0.00 0.64 6.69 0.00 0.09 砂 92.8 0.04 25.47 92.80 24.64 56.97 89.90 20.17 49.14 43.12 0.04 10.78 粉砂 76.04 0.24 50.58 36.31 0.24 18.03 53.52 6.63 33.61 76.04 38.27 62.60 黏土 37.86 0.00 22.12 17.36 0.00 8.30 29.31 0.00 16.59 37.86 8.09 26.52 Mz 7.83 −0.67 5.73 3.75 −0.67 1.97 6.23 2.35 4.77 7.83 4.40 6.69 si 6.39 0.91 2.32 6.39 0.91 3.25 3.77 1.42 2.61 3.50 1.42 2.05 Ski 0.73 −0.25 0.06 0.55 −0.23 0.26 0.73 −0.22 0.21 0.31 −0.25 −0.03 Kg 2.23 0.64 0.97 2.03 0.66 1.05 2.23 0.64 0.91 1.18 0.69 0.98 Md 7.83 −0.75 5.63 4.11 −0.75 1.33 6.72 2.24 4.46 7.83 4.61 6.77 ![]()
图 2 沉积物分类图[17]A.含砾碎屑沉积物分类：G-砾，sG-砂质砾，msG-泥质砂质砾，mG-泥砾，gS-砾质砂，gmS-砾质泥质砂，gM-砾质泥，（g）S-含砾砂，（g）mS-含砾泥质砂，（g）M-含砾泥，S-砂，m S-泥质砂，s M-砂质泥，M-泥；B.不含砾碎屑积物分类：S-砂，zS-粉砂质砂，mS-泥质砂，cS-黏土质砂，sZ-砂质粉砂，sM-砂质泥，sC-砂质黏土，Z-粉砂，M-泥，C-黏土。Figure 2. The classification of sediments[17]A. Textural classification of gravel-bearing sediments: G-gravel, sG-sandy gravel, msG-muddy sandy gravel, mG- muddy gravel, gS-gravelly sand, gmS- gravelly muddy sand, gM- gravelly mud, (g)S-slightly gravelly sand, (g)mS- slightly gravelly muddy sand, (g)M- slightly gravelly mud, S-sand, mS- muddy sand, sM- sandy mud, M-mud；B. Textural classification of gravel-free sediments and sedimentary rocks:S- sand, zS- silty sand, mS- muddy sand, cS-clayey sand, sZ-sandy silt, sM- sandy mud, sC- sandy clay, Z-silt, M-mud, C-clay.![]()
图 3 海南岛东南浅海海域沉积类型分布图Figure 3. The distribution of sediments in the southeast of Hainan Island从图3可看出，砂质粉砂分布最广，广泛分布于研究区中部、东北部近120 m等深线附近及西南部近岸等，以粗粉砂组分为主，粒度频率曲线表现为双峰态（图4a），多数3、7、8Φ明显突出，少数2、4和5Φ峰较明显，反映物质来源的多源性；粉砂较为集中分布于研究区东南部海域（水深＞140 m范围），及西南部滨海海域等，频率曲线基本呈单峰态（图4b），集中于6～8Φ峰明显突出，表明沉积物来源单一；砂质泥主要分布于中南部海域，同时呈多个斑块状分布在水深60～100 m的中北部海域，频率曲线呈双峰态（图4c），与砂质粉砂近似，多数3、4和8Φ峰明显突出。三种主要沉积类型中细粒组分占优，表明研究区大部分为水动力条件较弱的浅海沉积环境。
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图 4 海南岛东南浅海表层沉积物各沉积类型频率曲线n为样品数，不同颜色曲线代表不同站位样品。Figure 4. Grain size frequency curves of surface sediments in the southeast of Hainan islandn is the number of samples, different color curves represent different station samples.砾质泥质砂主要分布在研究区中部离岸80～100 m水深海域，少量呈斑状分布于东北部，频率曲线呈双峰态（图4d），多数站位的1、2Φ较突出，7、8Φ次之，滚动组分占比接近50%，悬浮组分次之，跳跃组分含量较低，表明该区域水动力条件较强，细颗粒沉积物被带走，剩余较粗颗粒沉积物。泥质砂主要分布在研究区中部偏西南海域，分布范围较少，频率曲线呈双峰态（图4e），多数样品的2、3Φ明显突出，7、8Φ略突出，跳跃、悬浮组分含量近似，沉积物处于中等水动力条件。其余沉积类型多呈较小范围的斑块状分布，频率曲线见图4f—4l。
总体来看，研究区近岸海湾以粉砂和泥为主，西南部和中部以砂质粉砂和粉砂为主，东北部沿岸以粉砂质砂为主，含砾沉积物主要分布于东北部和中部，东南部远岸海域以粉砂为主。从海岸到滨海，再到浅海区域，变化趋势由沉积类型单一、颗粒较粗逐渐至类型复杂、颗粒粗再到类型单一、颗粒较细。底质沉积类型的分布格局与物源、地形和沉积动力条件关系密切。
3.1.2 沉积物粒度参数及组分特征
粒径参数作为研究沉积特征及鉴别沉积环境的主要依据，对其深入分析有助于阐明海底沉积物来源、判定物质搬运方式和识别沉积作用环境类型等[18-19]。海南岛东南浅海站位各沉积类型比例及对应的粒度参数见表2，各站位粒度参数的分布规律见图5a—5d。
表 2 海南岛东南浅海各沉积类型及粒度参数特征Table 2. Characteristics of grain size parameters of various types of sediments in the southeast of Hainan island沉积类型 所占比例/% Mz Md Si Ski Kg 1 砂质粉砂（sZ） 26.79（n=101） 6.15 6.27 2.29 −0.04 0.90 2 粉砂（Z） 26.53（n=100） 6.98 6.96 1.77 0.03 1.00 3 砂质泥（sM） 18.04（n=68） 6.24 6.43 2.46 −0.07 0.87 4 砾质泥质砂（gmS） 7.16（n=27） 2.33 1.43 3.46 0.35 1.08 5 泥质砂（mS） 6.37（n=24） 4.06 3.12 2.53 0.54 1.08 6 泥（M） 4.51（n=17） 7.20 7.23 1.92 −0.04 1.06 7 含砾泥（（g）M） 2.39（n=9） 4.56 4.49 3.09 0.03 0.78 8 砾质泥（gM） 3.39（n=9） 3.88 3.94 3.74 −0.02 0.79 9 粉砂质砂（zS） 2.39（n=9） 4.12 3.45 2.18 0.47 1.35 10 含砾泥质砂（（g）mS） 1.59（n=6） 3.37 2.74 2.74 0.27 1.10 11 砾质砂（gS） 1.06（n=4） 0.34 0.32 1.25 0.02 1.20 12 砂质砾（sG） 0.53（n=2） −0.65 −0.71 1.14 0.08 0.92 13 泥质砂质（msG） 0.27（n=1） 0.83 1.03 6.39 −0.18 1.25 总 100（n=377） 5.73 5.63 2.32 0.06 0.97 ![]()
图 5 海南岛东南浅海粒度参数与各粒级组分含量分布图Figure 5. Distribution of grain size parameters and grain size fractions in the southeast of Hainan island平均粒径大体反映沉积物的平均动能，沉积物Mz为–0.67～7.83Φ，均值为5.73Φ，多以细粉砂组分（6～8Φ）为主。分布上表现为北部万宁近岸滨海海域粒径最粗，MZ＜1Φ，为粗砂及砾级，与砂质砾、砾质砂、泥质砂质砾等含砾沉积类型对应，为近岸强动力（高能）沉积环境。粗粒沉积向外延伸至研究区中部（基本呈NE向，80～120 m水深等深线范围内），为相连斑块状展布，平均粒径MZ＜4Φ，多为砂级，基本对应砾质泥质砂、砾质泥、泥质砂、粉砂质砂等砂质沉积，代表过渡区域复杂的物质来源及沉积环境；其余大部分海域如研究区西南近岸滨海、北中部海域，以及东南部＞120 m水深等深线海域，MZ普遍＞6Φ，多为细粉砂级，与砂质粉砂、砂质泥、粉砂、泥等粉砂、黏土质沉积对应，代表弱动力（低能）沉积环境。
沉积物分选系数为0.91～6.39，均值为2.32，因研究区沉积物粒级范围广，优势粒级不明显，属分选差的等级。研究区近岸、东南部＞140 m水深等深线海域的粉砂、泥等细粒沉积及近岸北部少量的砾质砂、砂质砾等粗粒沉积，其分选系数＜2.0，粒径频率曲线的扩散程度较低，属分选较差等级，近岸可能与较强风浪作用导致砂的均一化有关。80～140 m等深线范围内沉积物分选系数均大于2.0，分选差，其中中北部海域含砾泥、砾质泥质砂、砾质泥等含砾沉积物分选系数均大于3.0，呈斑块状分布，分选程度更差，推测可能是残留砂经改造后的沉积区。
偏态变化范围为–0.25～0.73，平均值为0.06，一半样品（50%）偏度（Ski）为−0.1～0.1，粒度频率曲线为对称—近对称分布，正负偏态分布区域差异明显，其中正偏态（28.6%）多分布于北部近岸，呈NE向中部、少部分东南部海域，粒度分布曲线偏向粗颗粒端，水动力作用较强的区域沉积物颗粒通常偏粗；负偏态（21.4%）分布于研究区西南海域，其他零星分布，粒度分布曲线偏向细颗粒端。
峰态范围为0.64～2.23，平均值为0.97，其中粉砂质砂、砾质砂、砾质泥质砂峰态较大，频率曲线尖锐，高值主要呈斑块状分布于中西部海域，说明沉积物的砂粒级含量较高，其他曲线多为中等—平坦。
海南岛东南浅海沉积物各粒级组分含量见图5e—5h。由图可看出，沉积物组分以粉砂为主，均值50.58%，砂和黏土含量相近，砂含量为25.47%，黏土含量为22.60%，砾石少量，平均含量为1.35%。砾石主要分布于北部海域，特别是西北部近岸海域，含量差异较大，个别站位高达45%，大部分海域均不含砾石，呈分布范围较小且集中的特征。砂含量变化趋势明显，西北部近岸海域，并向东南外延伸至研究区中部为其高值区，近似呈NE向展布，含量在40%以上，西南近岸及东南部水深＞120 m海域为低值区，含量基本在20%以下。粉砂含量的分布特征及规律与砂含量基本呈此消彼长的关系，黏土与粉砂的分布变化较相似，整体上多呈斑块状分布趋势。
3.2 聚类统计分析
对377组表层沉积物样品的14个粒级使用SPSS软件进行聚类分析，选取平均粒径、峰态和分选系数3个粒度参数，同时结合水深数据对沉积物样品的4个参数进行Q型聚类分析，据此可分为3类不同的沉积区，并绘制了沉积环境分区图（图6），各沉积环境分区的粒度特征差异明显（表1）。
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图 6 海南岛东南浅海沉积物Q型聚类沉积分区图不同点代表聚类分析中不同类别取样站位。Figure 6. Q-cluster diagram for the sediments in the southeast of Hainan IslandDifferent points represent different types of sampling stations.I沉积区主要分布于西北部近岸海域，并向南延伸至研究区中部约120 m水深等深线，底质类型基本为砾质泥质砂、砾质泥、砾质砂、砂质砾等含砾沉积为主，为3个沉积区中粒径最粗区域，粒级组分中砂含量最高，均值达56.97%，砾石含量均值高达16.70%，粉砂及黏土分别为18.03%、8.30%，含量相对较低。平均粒径为1.97Φ，分选最差，偏态基本为正偏。
II沉积区被I分割为NW向两部分，其中东北部的II1区范围较小，基本位于100～120 m等深线范围内，西南部的II2区延伸至研究区南部边界，位于80～120 m等深线范围内。以砂质粉砂、砂质泥、粉砂质砂、泥质砂等砂质沉积类型为主，砂含量均值达49.14%，粉砂及黏土分别为33.61%、16.59%，较I区显著增加，平均粒径为4.77Φ，分选差，基本为正偏。
III 沉积区分布于万宁以南的近岸80 m水深以浅的滨海及北中部海域（III1），以及东南部120 m水深以深海域（III2），底质类型多为粉砂、砂质粉砂、砂质泥、泥等细粒粉砂黏土质沉积，粉砂及黏土组分含量均值分别高达62.60%、26.52%，远高于I、II沉积区，砂含量均值为10.78%，平均粒径为6.69Φ，分选差但较上两个沉积区相对较好，偏度多数呈负偏，粒度频率曲线表现为较平坦特征。
3.3 粒径趋势分析
物质来源不同以及多种沉积环境下的差异搬运、分选等均为影响沉积物粒径趋势的重要因素。在Gao-Collins粒径趋势分析中，特征距离Der的选取对最终沉积输运趋势分析的影响较大[20-22]。本次粒径趋势矢量的计算中，经对比发现最终选取0.15°为特征距离，每站位分析时只与其相邻站位进行比较，以求获得合理的沉积物净输运趋势（图7），同时结合研究区海洋沉积水动力条件（主要是环流及风浪）进行了探讨。
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由图6可以看出，研究区沉积运移主要呈与海南岛岸线近乎平行的西南向，北部万泉河等径流入海物质在华南近岸流、粤西沿岸流以及南海季风漂流（冬季）等的控制下，整体自东北向西南方向输运，此趋势向岸外延伸至约160 m等深线。东南部（水深＞160 m）深水区域，沉积物输运方向为东北向，可能主要受自西南-东北向暖流影响。在中部以北水深80～100 m的位置，存在一小区域范围的东北向输运趋势，可能为河流入海或残留物质受到南海季风漂流（夏季）影响，向东北方向运移；西北部海域基本为东北向输运趋势，可能主要受冬季与台风季节东北向与偏北向风浪作用影响；西南部海域则为东南及南向近垂直岸线输运趋势，主要与夏季海南岛东岸多东南与东向风浪及南岸多偏南向风浪影响有关。部分沿岸区域输运趋势多变，可能与海岸多港湾，风浪与潮流均为沿岸沉积主要动力有关。
4. 讨论
4.1 物质来源及沉积动力
沉积类型分布主要受控于沉积物源、流场动力、地形地貌、海区本底物质组成等因素。前人基于不同尺度、多种方法对南海北部沉积物源及环境进行了探讨，如粒度[21,22]、元素地球化学[24-28]、碎屑矿物[29]、单矿物成因[30]、黏土矿物[31]以及环境磁学[32]等，结果表明，物源方面，南海北部周边众多河流，包括珠江、红河、湄公河、台湾岛河流、海南岛河流等陆源物质的汇入，以及绵长岸线的风化剥蚀沉积，为海南岛周边海域提供了充足的物质来源。研究区主要位于海南岛东南陆架浅水海域，岛上汇入河流主要为东部河流，特别是海南岛第三、四大河流万泉河和陵水河在流域面积、径流量等方面较大，现代河流沙多堆积于宽阔的海岸平原或沙坝潟湖带，进而影响到近海陆架的沉积作用[24]，因此，物质来源主要为海南岛径流输入和沿岸侵蚀搬运物质。其次，珠江流域物质在粤西沿岸流作用下向西南输送，以及南海表层流所携的复杂来源物质，均会对该区域沉积作用产生部分影响。
沉积动力方面，研究区主要发育流系包括华南近岸流、广东沿岸流、南海表层环流、南海暖流以及局部上升流[33-35]。具体来看，靠近陆地的西南向华南近岸流，不随季节变化而改变；广东沿岸流（粤西沿岸流）主要源于江河淡水，方向终年由东北流向西南；夏季和冬季的表层环流随季风方向的转变而方向相反：冬季为东北-西南的逆时针向环流，流向西南，夏季为西南-东北向的顺时针向环流，流向东北或偏东；南海暖流沿海南岛以东100 m等深线，终年由西南流向东北。潮流与风浪方面，海南岛东南部为不规则日潮混合潮，潮差0.7～0.8 m，最大潮差1.89 m，大潮平均最大流速45 cm/s，为弱流区。海南岛东南临开阔外海，季风性风浪对其近岸作用显著，具体表现为冬季与台风季节风浪多东北与偏北向且风力强劲，夏季多东南与东向且风浪频繁，大浪甚至高达6 m[16]。因此，研究区主要受海南岛上径流输送、近岸流系及海浪作用等动力条件影响。
4.2 沉积环境区划
根据以上研究区粒度分析结果，并结合地理位置、物质来源、输运距离、水动力影响及沉积环境变迁等差异，划分为3个沉积环境区（图6）。
砂砾质沉积区（I区）：自西北部近岸向南延伸至研究区中部约120 m等深线，呈不规则带状，底质类型以含砾沉积为主，代表该区多为较粗粒物质沉积，为强动力沉积环境。输运趋势显示：该区受岛上地表径流影响较大，北部的万泉河河流输沙量丰富，在西南向表层流及强风浪作用影响下，大量河流入海及岸线侵蚀物质堆积至此，经分选细粒物质再悬浮搬运，导致此区沉积了许多较粗的沉积物。推测此沉积区主要受控于岛上径流及强风浪作用，物质来源以万泉河等河流输运及岸线侵蚀物质为主，搬运距离较近，沉积动力条件强。
砂质沉积区（II区）：包括东北部的II1区及西南部的II2区（水深80～120 m范围），与水深关系密切，底质类型以砂质沉积为主，粒径中等，该区较I沉积区砂质组分含量增加，分选度提高，水动力条件中等。粒径输运趋势显示，II1呈砂质沉积小区域范围的东北向输运趋势，可能为河流入海物质输运至I沉积区后，受到南海季风漂流（夏季）影响；II2区北部主要在西南向的粤西沿岸流、南海季风漂流（冬季）等水动力条件控制下，海南岛径流及岸线侵蚀、少量珠江流域物质自东北向西南方向输运，输运趋势及范围高于II1区，南部则为东南向近垂直岸线输运趋势，主要为外海复杂来源物质，在夏季海南岛东南与东向风浪、南岸偏南向风浪的作用下运移有关。II沉积区可能主要是以前低海平面时的残留滨海沉积，受到表层流及风浪等现代沉积动力共同作用，混入海南岛径流及岸线侵蚀、少量珠江流域及外海复杂来源等现代细粒物质的混合沉积，应当属于再造沉积，沉积动力条件中等。
泥质沉积区（III区）：分布于万宁以南的滨浅海区、北部浅海及东南部深水区，占研究区面积最大，底质类型多为粉砂及黏土质沉积，粒径较细，为弱动力沉积环境。粒径输运趋势显示，万宁以南水深较浅的滨海区域，主要受华南近岸流、风浪的作用，因发育较宽海岸平原或沙坝潟湖带，河流输入泥沙较少，且区域植被覆盖良好，在内陆架滨海区沉积细粒物质，物质来源以岸线侵蚀及河流细粒物质的悬浮扩散为主。北部为东北向输运趋势，主要受冬季与台风季节东北向与偏北向风浪作用影响，推测可能接受了珠江流域物质。东南部外陆架深水区沉积水动力条件较弱，多沉积细粒物质，沉积物输运方向为东北向，可能受南海暖流携带的复杂来源物质的影响。
5. 结论
（1）海南岛东南浅海表层沉积物共有13种类型，包括含砾泥、砾质泥、含砾泥质砂、砾质泥质砂、砾质砂、泥质砂质砾、砂质砾、粉砂质砂、泥质砂、砂质泥、砂质粉砂、粉砂、泥等。沉积物不同类型其平均粒径、分选系数、偏态、峰态差异显著，整体表现为粒径较细、分选差、偏态多近于对称分布、峰态多中等。
（2）海域沉积特征及环境差异明显，北部近岸以含砾沉积为主，强动力（高能）沉积环境，研究区中部为呈NE-SW向的砂质沉积区（水深80～120 m范围），中等动力沉积环境，西南近岸滨海、北中部海域以及东南部海域多为粉砂、黏土质沉积，弱动力（低能）沉积环境。
（3）研究区可分为3个沉积区：I区受控于海南岛上径流及强风浪作用，物质来源可能以万泉河等河流输运及岸线侵蚀物质为主；II区可能主要是低海平面时的残留滨海沉积，受到表层流及风浪等共同作用，混入海南岛径流及岸线侵蚀、少量珠江流域及外海复杂来源等现代细粒物质的混合沉积；III区主要受华南近岸流、风浪作用及南海暖流影响，推测物质来源主要为海南岛河流输入、岸线侵蚀及复杂外海来源细粒物质的加入。
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图 2 不同测试频率下的砂质沉积物压缩波速
F-细砂，M-中砂，C-粗砂；G-级配良好，N-级配不良；C-击实，I-无击实；1-直接法，2-间接法。
Figure 2. Compression wave velocity of sandy sediments at different test frequencies
F-fine sand, M-medium sand, C-coarse sand; G-good gradation , N-poor gradation; C-compaction, I-no compaction; 1-direct method, 2-indirect method.
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图 3 不同工况下的间接法超声测试波形图
Figure 3. Waveforms of indirect ultrasonic testing under different working conditions
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图 4 不同工况下的间接法超声测试传播路径及走时
Figure 4. Propagation path and travel time of indirect ultrasonic testing under different working conditions
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图 5 密度对砂质沉积物压缩波速的影响
Figure 5. The effect of density on the compression wave velocity of sandy sediments
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图 6 孔隙度对砂质沉积物压缩波速的影响
Figure 6. The effect of porosity on the compression wave velocity of sandy sediments
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图 7 含水量对砂质沉积物压缩波速的影响
Figure 7. The effect of water content on compressional wave velocity of sandy sediments
表 1 直接测量法获得的砂质沉积物物理和声学参数值
Table 1 Physical and acoustic parameters of sandy sediment obtained by direct measurement
试验组别 中值粒径d50 /mm 密度ρ /g·cm−3 含水量ω /% 孔隙度n /% 饱和度Sr 压缩波速Vp /m·s−1 声阻抗Z /kg·m−2·s−1 FGI-1 0.246 2.033 23.005 38.329 0.992 616.9 1254.0 FGC-1 0.246 2.162 16.450 30.724 0.994 747.5 1616.3 FNI-1 0.230 1.930 29.002 44.175 0.982 444.2 857.1 FNC-1 0.230 2.047 22.301 37.547 0.994 506.6 1036.9 MGI-1 0.374 1.997 25.137 40.453 0.992 481.8 962.0 MGC-1 0.374 2.128 17.877 32.639 0.989 598.2 1272.7 MNI-1 0.460 1.943 28.030 43.373 0.981 405.6 788.0 MNC-1 0.460 2.001 24.230 39.898 0.978 426.4 853.3 CGI-1 0.973 2.079 20.366 35.551 0.989 552.8 1149.2 CGC-1 0.973 2.170 16.048 30.227 0.993 748.5 1624.1 CNI-1 0.587 1.918 30.102 44.991 0.986 393.3 754.4 CNC-1 0.587 2.017 22.970 38.797 0.971 438.0 883.6 
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表 2 间接测量法获得的砂质沉积物物理和声学参数值
Table 2 Physical and acoustic parameters of sandy sediment obtained by indirect measurement
试验组别 中值粒径d50 /mm 密度ρ /g·cm−3 含水量ω /% 孔隙度n /% 饱和度Sr 压缩波速Vp /m·s−1 声阻抗Z /kg·m−2·s−1 FGI-2 0.222 1.959 32.102 44.666 1.000 1488.5 2915.9 FGC-2 0.222 2.076 25.028 38.055 1.000 1531.0 3177.8 FNI-2 0.211 1.937 31.967 45.237 1.000 1511.2 2926.9 FNC-2 0.211 2.011 26.774 40.797 1.000 1521.1 3059.6 MGI-2 0.381 1.965 27.976 42.720 1.000 1454.4 2857.3 MGC-2 0.381 2.066 24.966 38.307 1.000 1469.8 3036.8 MNI-2 0.450 1.861 35.116 48.604 0.995 1514.1 2817.9 MNC-2 0.450 1.997 31.081 43.155 1.000 1544.3 3083.9 CGI-2 0.905 2.092 20.857 35.418 1.000 1488.0 3112.7 CGC-2 0.905 2.131 21.288 34.455 1.000 1510.6 3218.5 CNI-2 0.685 1.936 29.572 44.259 0.998 1525.1 2952.1 CNC-2 0.685 1.973 26.861 41.956 0.996 1542.0 3043.1
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表 3 不同工况下的间接法超声测试走时
Table 3 Travel time of indirect ultrasonic test under different working conditions
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表 4 砂质沉积物声学与物理参数的经验公式
Table 4 Empirical formula of acoustic and physical parameters of sandy sediment
物理力学参数 经验公式 R2 密度ρ /g·cm−3 Vp = 3729.2ρ2 − 13933ρ + 13415 0.87 Z = 8975.6ρ2 − 33447ρ + 31922 0.91 孔隙度n /% Vp = 1.1174n2 − 106.37n + 2934.1 0.86 Z = 2.6851n2 − 257.23n + 6926.9 0.90 含水量ω /% Vp = 1.6054ω2 − 96.921ω + 1876.5 0.84 Z = 3.8943ω2 − 236.37ω + 4382.9 0.88 中值粒径d50 /mm Vp = 1479.3d502− 1652.2d50 + 894.35 0.44 Z = 3453.1d502 − 3821.8d50 + 1921.6 0.42
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