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北部湾东南海域海底沙波发育分布特征及控制因素

郭立 马小川 阎军

郭立, 马小川, 阎军. 北部湾东南海域海底沙波发育分布特征及控制因素[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2017, 37(1): 67-76. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.01.008
引用本文: 郭立, 马小川, 阎军. 北部湾东南海域海底沙波发育分布特征及控制因素[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2017, 37(1): 67-76. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.01.008
GUO Li, MA Xiaochuan, YAN Jun. DISTRIBUTION PATTERN AND CONTROL FACTORS OF SAND WAVES IN SOUTHEAST BEIBU GULF[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2017, 37(1): 67-76. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.01.008
Citation: GUO Li, MA Xiaochuan, YAN Jun. DISTRIBUTION PATTERN AND CONTROL FACTORS OF SAND WAVES IN SOUTHEAST BEIBU GULF[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2017, 37(1): 67-76. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.01.008

北部湾东南海域海底沙波发育分布特征及控制因素


doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.01.008
详细信息
    作者简介:

    郭立(1990—), 女, 硕士生, 从事海洋沉积动力学研究,E-mail:guoli1990@163.com

  • 基金项目:

    国家自然科学基金青年基金项目 41406061

  • 中图分类号: P736.21

DISTRIBUTION PATTERN AND CONTROL FACTORS OF SAND WAVES IN SOUTHEAST BEIBU GULF

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出版历程
  • 收稿日期:  2016-03-22
  • 修回日期:  2016-07-15
  • 刊出日期:  2017-02-28

北部湾东南海域海底沙波发育分布特征及控制因素

doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.01.008
    作者简介:

    郭立(1990—), 女, 硕士生, 从事海洋沉积动力学研究,E-mail:guoli1990@163.com

基金项目:

国家自然科学基金青年基金项目 41406061

  • 中图分类号: P736.21

摘要: 北部湾东南海域海底发育大量沙波,利用最新获得的多波束测深、沉积物和水动力数据对沙波形态和分布特征进行综合分析,探讨沉积物特征、水动力条件,海平面变化等不同控制因素对海底沙波发育及分布的影响。结果表明研究区沙波广泛分布于沙脊顶部、沙脊槽中线附近及沙脊槽北端,沙波呈现远岸区尺度较小、对称性较好,近岸区尺度较大、多不对称的分布特征。海底沙波的发育和分布受现代潮流作用和沉积物特征的共同控制。潮流通道及流速的分布情况与沙波形态、规模的差异性分布一致。表层沉积物具有“远岸细、近岸粗”的特点,与沙波远岸尺度小、近岸尺度大的分布规律有较好的对应关系。此外,研究区出现有近对称形态的沙波,可能为海平面变化期间多期潮流共同作用形成的残余沙波。

English Abstract

  • 海底沙波是波脊走向与余流方向近乎垂直的一种海底地貌形态,是对可供沉积物和水动力相互作用的响应[1],普遍存在于潮控陆架海洋环境中。由于海底沙波不是静止不动的,其垂向生长或横向迁移将对海底工程设施、海岸环境、航道安全等造成潜在威胁。虽然沙波的形态受控于水动力条件和沉积物粒度的组成,但其本身的形态又对沙波的活动与否、迁移方向和迁移速度快慢具有指示意义[2]。因此,对海底沙波的形态特征及活动性的研究一直受到各国研究者的重视。

    Allen通过对法国岸外沙波形态的统计,总结了沙波波高、波长和水深之间的相互关系[3]。Flemming通过对全球不同区域的大量沙波(1 491个)进行统计,发现波高与波长存在幂函数关系,即y =0.067 7 x 0.809 8[4],被认为是沙波参数关系的全球平均趋势,并得到广泛认可。Van Landeghem统计并分析了爱尔兰海海底的1 064个沙波,并将不同环境中的沙波进行对比,发现波高与波长的关系与Flemming得出的全球平均趋势极为吻合[1]。近几十年来,许多学者利用理论模型和数值计算模拟的方法来预测沙波活动性,取得了较大进展。但由于海底影响因素较复杂,线性稳定分析[5, 6]、弱非线性分析[7]以及相对简化的模型[8]均具有局限性。21世纪初,空间互相关技术的应用[9, 10]成功重现了海底沙波二维迁移向量,较为全面和可靠,能更好地了解海底沙波的迁移规律。

    在现今水动力条件下,水流方向的稳定性和供沙量的多少控制了形成沙波的类型[11]。而海底沙波的形态特征受到沉积物供给、原有地貌和水动力条件的共同控制[12]。虽然海底沙波形态具有重现性,但现代潮流流场和海底沉积物分布的非均匀性也导致其在形态和空间分布上具有区域差异性[13]。另外,海平面的变化会对沉积物输运产生严重的影响,因为水深及潮流系统发生变化将使海底底形产生复杂特征[14]

    近年来,随着电子科学、声学和定位技术的进步,多波束测深、旁扫声纳和浅地层剖面等手段对海底沙波的研究十分普遍[15]。许多研究者基于实测数据已对我国不同海域的海底沙波进行了研究,取得了一定进展。但我国对海底沙波的研究相对国外起步较晚, 对海底沙波的研究仍十分有限,目前的研究多集中在对沙波成因、特征及现今稳定性的讨论上[2]。已有数据表明,北部湾东南海域分布大量不同形态特征的沙波[16]。但由于野外观测成本较大,目前获得的数据尚不全面,对该区海底沙波分布特征及演化规律认识有限,对不同控制因素的具体作用认识也较模糊。另外,对海平面变迁过程中残余沙波的演化规律目前研究较少。本研究基于20 km×20 km最新全覆盖多波束测深、水动力条件及沉积物参数等实测数据对北部湾东南海域海底沙波形态和分布特征进行综合分析,探讨沉积物特征、水动力条件、海平面变化等不同控制因素对海底沙波发育及分布的影响,并揭示该区末次盛冰期以来海进过程带来的海平面变化对海底沙波多样性的影响。

    • 研究区位于北部湾东南部(图 1)。北部湾是一个在末次盛冰期之后形成的半封闭年轻海湾,三面受陆地包围,大部分水深为20~60 m,最大水深可达100 m[17]。末次盛冰期相对海平面在现今海平面之下100 m以上。当时,北部湾大部分暴露海平面之上遭受侵蚀并接受陆源沉积[18]。之后,海平面上升,约在11.5 kaBP时形成了接近现代环境的狭长半封闭海湾。末次盛冰期以来北部湾最老的海洋沉积物是在12~11.5 kaBP形成的,这与已有钻孔数据符合[19]。水文资料调查结果显示,北部湾主要分潮为全日潮性质。受热带季风控制,每年10月到次年3月盛行NE向风,5月到8月盛行S—SSW向风,4月和9月转换风向。夏季常受台风影响,而冬季则常有寒潮影响。潮流主要为往复流,流向与东方附近岸线基本平行,内陆架浅水区大潮潮流流速可达近1m/s,涨潮流偏北向,落潮流偏南向,近岸落潮流常大于涨潮流。研究区表层沉积物主要来自于河流输入、海流运输和近岸侵蚀[20],物源充裕,主要为细粒沉积和分选较好的砂质沉积物构成,这些沉积物在水动力作用下形成了不同形态的海底地貌。

      图  1  研究区位置图(北部湾东南海域海南东方岸外)

      Figure 1.  Location of the study area (in the southeast of Beibu Gulf near Dongfang city)

    • 通过SeaBat8101多波束水深测量系统获得了研究区全覆盖高精度水深数据。SeaBat8101多波束水深测量系统,工作频率240 kHz,波束角1.5°×1.5°,同时发射101个波束,最大测量深度达300 m,测量精度为5 cm。定位利用GBX2PRO信标和DGPS导航测量系统,差分定位精度小于±1 m,输出频率为5 Hz。潮位校正使用国家海洋局东方海洋站的水位观测数据和东方1-1平台水位实测水深数据,且全部校正到榆林基准面。多波束原始数据利用CARIS HIPS软件处理,数据由Surfer软件成图,数字化后测量新月形沙丘的几何参数。

      沉积物采用蚌式取样器获得,对获得的沉积物进行粒度分析。小于710 μm的部分用激光粒度仪测量。取适量样品首先进行预处理。先后加入过量的30%的H2O2和0.25 mol/L的HCl溶液去除有机质和碳酸盐(至不起气泡为止),然后将样品进行反复离心、洗盐至溶液呈中性为止。处理好的样品经超声波充分分散后用法国产Cilas940L激光粒度仪(测量范围0.3~2 000 μm,重复测量相对误差小于2%)测量。大于710 μm的部分用传统筛析法。然后将两部分合并得到完整的粒度分布,并用矩法计算平均粒径、分选系数、偏态等粒度参数。

      为了对整个海区海流作了解,在2009、2010年度航次调查期间利用船载ADCP进行了连续走航式海流剖面测量。经室内初步处理,消除船速等干扰,获得了调查期间流场分布数据。并分别对底层(离海底1.2 m范围内)、近底层(离海底8 m范围内)和中层(离海底约12~20 m)水体进行了流速和流向统计,以便于了解不同深度处的流速、流向分布情况。

    • 实测数据表明,研究区沙波广泛分布于沙脊顶部、沙脊槽中线附近及沙脊槽北端,形态和规模具有空间差异性。通过全覆盖高精度多波束水深测量,获得了研究区的海底底形信息,并用Surfer软件成图(图 2)。从图 2可以看出,研究区的沙波存在一定规律:沙脊顶部一般发育规模较大的沙波,翼部沙波规模大小不等,根部则发育倾向相反的新月形沙丘;沙脊槽发育的沙波,从南向北依次为向北倾斜的新月形沙丘、对称的直线型沙波、向南倾斜的三维沙波。

      图  2  北部湾东南部东方岸外海底底形及典型沙波形态

      Figure 2.  Submarine bedforms and morphology of typical sediment waves in the southeast of Beibu Gulf near Dongfang City

      沙脊Ⅱ、Ⅳ顶部北端发育大量大型沙波,这些沙波均具有“槽缓脊尖”的特点,在潮流的作用下,其沙波对称性稍有差异。沙脊Ⅱ顶部发育略向北倾的沙波,沙脊Ⅳ顶部发育稍向南或东南倾的沙波,其间的开阔区域则发育向南倾的新月形沙丘。

      从上图可以明显看出沙脊Ⅰ、Ⅱ之间的槽内南部较平坦,几乎没有较大的沙波,中部发育过渡性的直线形沙波,到北部则发育大量规模较大的新月型沙丘。沙波的形态受水动力条件的强烈影响也有所差异,沙脊西侧槽的北端,沙脊的限制作用削弱了北向涨潮流,松散的砂质沉积物被搬运至此,聚集形成砂体。而南向落潮流则相对变强,沙波改变了倾斜方向,由北倾变为南倾,两侧有限的砂质沉积限制了线形沙波的发育,从而形成了新月形沙丘。

      在沙脊Ⅲ和Ⅳ之间的沙脊槽内也发现了类似特征的砂体,它的东西两侧发育了倾向相反的沙波,在砂体的东侧向NNE方向倾斜,而由于沙脊Ⅲ的阻挡,在砂体的西侧发育SSE倾向的沙波。这很可能是受沙脊两端和沙脊主体的限制及科氏力的影响,涨潮流在沙脊槽内偏向东,落潮流则偏向西,这种动力过程造就了沙脊两侧倾向相反的沙波,同时在槽内也会形成了倾向相反的沙波。

    • 全新世以来,潮流成为改造陆架沉积物和地貌的主要营力[21]。沙波是定向往复流作用下的产物,是潮流动力对海底沙砾物质作用的结果[22]。沙波的形成需要一定的流速。流速过大,侵蚀作用显著,沉积物难以沉积;流速过小,搬运力不足,只能形成较小的沙纹。研究表明,沙波的流速要求一般为40~100 cm/s,在此范围内,较高的流速条件下常发育新月形沙波,反之则发育形态规则的直线型沙波[2, 23]。因此,我们利用研究区的实测海流对沙波分布的位置和形态进行了分析。

      图 3为水体底层、近底层和中层的流速、流向统计图。从统计图上可见,各层流场存在差异,底层、近底层的流向多为北偏东方向和南偏西方向,流速多分布在10~60 cm/s之间,而中层流向则多为E和W方向,流速多在20~80 cm/s之间,大于底层流速。

      图  3  底层、近底层、中层流速流向频率统计图

      Figure 3.  Direction frequencies of bottom, subbottom and middle flows

      另外,对ADCP获得的不同时期的流速剖面进行了分析,发现涨潮和落潮期在研究区有不同的流速分布和不同的潮流通道。这个区别是造成研究区地貌差异的主要因素。同时,地形的差异对流速分布具有显著影响。以沙脊Ⅰ和沙脊Ⅱ为例,在两侧沙脊的限制作用下,在研究区沙脊Ⅰ和沙脊Ⅱ西侧槽中存在涨潮优势流,而在靠近沙脊Ⅱ东部的槽中为落潮优势流。特别是规模较大的沙脊Ⅰ,其东西两侧水深发生了巨大变化,水动力条件有明显差异。潮流通道及流速的分布情况与沙波形态、规模的差异性分布一致。

      结果表明,落潮阶段,潮流通道主要分布在离岸较远的深水区以及沙脊Ⅱ、Ⅳ之间的开阔区域(如图 4所示)。高流速值主要出现在沙脊槽内,顶部一般流速相对较小,且在沙脊槽内西侧流速大于东侧,表明潮流能量在两个沙脊之间向西偏移。涨潮时,潮流通道则以离岸较远的深水区和沙脊Ⅰ、Ⅱ之间的沙脊槽为主(图 5)。流速分别由沙脊槽两侧的翼部向外辐散,逐渐增大,在沙脊Ⅰ的北端和沙脊Ⅱ的中部的脊顶出现高值。而在沙脊Ⅱ的东侧槽内的流速则较小。所以此时沙脊顶部流速高于槽内流速,沙脊槽内流速的分布为中间流速小,两侧流速较大。沙脊Ⅰ、Ⅱ之间的沙脊槽中西侧槽内出现低流速区域,均小于两侧的流速,可能是沙脊Ⅰ的阻挡使得流速突然下降。

      图  4  落潮中期流速剖面[24]

      Figure 4.  Velocity profile of ebb tide

      图  5  涨潮初期和中期流速剖面[24]

      Figure 5.  Velocity profile of high tide

    • 沙波形成和发育的物质基础来源于陆架沉积物,包括沉积物供给量多少和沉积物粒度两个参数。输沙率丰富的海区是沙波形成的基础[25, 26]。输沙量丰富的陆架区,沙波的高度和规模大,且易形成不对称沙丘[3],而当沉积物供应有限时,极易形成新月形沙丘。沉积物粒度对沙波形成也有显著影响,粗颗粒的沉积物通常形成较大规模的沙波[1]。这两个结论在研究区都得到了验证。

      通过2009、2010年两个调查航次,共取得32个站位的29个表层沉积物样品,进行室内处理和分析。结果表明,研究区大部分沉积物为砂质的粗颗粒沉积物(砂质沉积物),且粒度分异明显,主要分布在沙波或沙脊之上。部分沉积物为粉砂质或黏土质的细粒沉积物,如A1+、A1、A3、B1、B+站位(图 6中所示),分选性较差,多分布在沙脊槽内或远岸区。例外的是,沙脊Ⅰ基部南端A4站位的沉积物平均粒径较大(1.635 mm),大于周围沉积物的粒度,接近于近岸区站位B4(1.563 mm)、B5(1.963 mm)、B++(2.104 mm)样品沉积物的粒度。虽然其样品组分有细微差别,考虑到水深和水动力的差异,这种差异是可以理解的。而A4站位与周围沉积物相差悬殊的粗粒沉积物特征,反映了残留沉积物的特性,也表明沙脊Ⅰ可能是残余地貌改造形成的。

      图  6  沉积物取样站位分布图

      Figure 6.  Sampling locations map

      沉积物的粒径与水动力成正相关,粗颗粒的沉积物起动速率较大,因而容易沉积下来。相对于粗粒沉积物,细粒沉积物更容易被搬运到离岸较远的区域。A2、12、B4 3个站位均位于沙脊槽的北端沙波发育区,且其周围动力条件相似,因此选择A2-12-B4剖面探讨向岸方向沉积物粒径变化规律。从图 7中可以看出,由站位A2到B4,离岸越来越近,沉积物颗粒的平均粒径呈增大趋势,粗颗粒组分含量逐渐增多,细颗粒组分逐渐减少,由于3个站位受近南北向的盛行水动力作用,3个站位显著不同的粒度特征表明了其物源的差异,也能反映离岸由远及近,沉积物粒度由细变粗的特征,而这一特征与东西向水动力作用关系不大。

      图  7  A2、12、B4 3个站位表层沉积物由海向岸粒度特征

      Figure 7.  Shoreward grain size distribution of the surface sediment at site A2、12、B4

      多波束资料显示,研究区近岸和远岸沙波具有明显的空间差异性。如图 4所示,在研究区按离岸距离由远及近选取D、E、F 3个沙波发育区,分析沙波的形态特征。从图 24可以看出,水深较深处发育的沙波大多对称性较好,而近岸处沙波多呈现不对称性。与由D到F沉积物量由少到多的分布规律一致。取D、E、F 3区的沙波剖面分析,提取波高、波长、深度、沉积物粒度等参数(表 1),描述沙波形态特征。

      表 1  D、E、F区沙波和沉积物基本参数

      Table 1.  The basic parameters of sand waves and sediments in district D、E、F

      区域 D E F
      平均波高/m 1.8 2.63 3.79
      平均波长/m 54 80.27 112.9
      平均水深/m 31 19 17
      平均粒径/mm 0.2 0.511 0.693

      表 1可以看出,离岸越近,表层沉积物粒度越大,且沙波的规模也较大。离岸较近的沙波波高和波长都较大,平均波高3.6 m,平均波长100 m,多呈现三维形态。而离岸较远的沙波规模小于近岸区,前者的波高和波长约是后者的1/2,远岸区沙波平均波高为1.4 m,波长为55.6 m,多呈二维形态。这种差异与不同的水深、水动力条件以及沉积物特征有关。远岸区受波浪的影响较小,潮流占主导作用,细粒沉积物更易发育对称性二维沙波。而近岸区则发育大型不对称性三维沙波,与近岸浪流联合的水动力条件和粗颗粒的沉积物特征相适应。同时,从基于对数尺度做出的图(图 8)可以看出,D、E、F 3个区域的沙波波高和波长的关系,符合Flemming提出的幂函数关系,但波高值略偏大,表明这3个区域的沙波可能是在现代环境条件下形成的活动沙波[27]

      图  8  D、E、F区域沙波波高与波长关系

      Figure 8.  Relation between wave height and length in district D、E、F

    • 海洋环境变幻莫测,台风等极端天气对海底地形塑造起着十分关键的作用。很多学者强调了极端天气对沉积物运输和沙波迁移的重要性[13, 28]。马小川通过对台风“康森”和“凯萨娜”过境的水动力、多波束及沉积物等数据的分析,认为台风虽然能够导致短期高强度沉积物运输,甚至改变沙波的形态,但其难以在长时间尺度改变沙波的发育规律,起主要作用的仍为正常状态下的潮流条件[24]。董志华则通过对2003年该区5次台风过境的声纳和多波束数据进行理论计算和现实资料对比,认为海南东方岸外沙波沙脊发育区是在台风引起的强底流和潮流作用下共同形成的。台风引起的强底流作用能造成沙波的迅速迁移,而潮流则主要起修复台风造成的沙波形态的改变及维持沙波的形态的作用[29]。台风引起的强水动力条件的改变,可以在短时间内造成海底底形的巨大改变,这在实测资料上可以得到验证。台风等极端天气引起的强对流过程在短时间内能改变海底沙波的形态,但是无法改变海底沙波在研究区的分布规律,常态下海底沙波的发育和演变仍主要受潮流作用的控制。研究区的潮流作用将修复台风等导致的沙波形态特征的瞬间变化。

    • 研究区除了常见的剖面不对称的沙波,还发现有近对称形态的沙波,主要分布在沙脊以西、沙脊北部以及沙脊之间的区域,如图 2中A、B、C区域。这些沙波大多具有脊尖槽缓的特征,从形态上难以分辨迎流面和背流面(如图 2的d, e,g)。浅地层剖面显示,该类沙波内部结构存在反转。如图 9为C区沙波的内部结构,红色和蓝色斜线分别代表倾向相反的两组层理,从图中可以看出,向南东方向倾斜的层理覆盖于北西向倾斜的层理之上,表明该区域的沉积物运输方向发生了改变。研究发现,该区域近对称形态的沙波波高与波长的关系明显偏离这一规律[28]。同时,现代沙波波高最大可达0.25倍水深[1],这些区域波高波长的关系仍大于这一极限值,与现代成因的沙波波高特征不一致[28],表明该区域的沙波可能为残余沙波。

      图  9  C区近对称沙波内部结构的浅地层剖面图

      Figure 9.  The shallow seismic profile for internal structure of symmetrical sand waves near district C

      末次盛冰期后,海平面快速上升,使得北部湾海域相对高度从-100多米变化到现今的高度[30],海岸线发生了巨大的变迁。海平面上升过程中有若干次停顿,留下几条古岸线遗迹。根据前人重建的海岸线迁移数据,作出不同时期的古海岸线图,如图 10所示。全新世海侵时期,海平面快速上升,岸线后退,使得北部湾大部分区域被淹没,约在11.5 kaBP时形成了接近现代环境的狭长半封闭海湾[19]。全新世后期,海平面继续上升,通过前人的沉积物、海洋水文以及古生物地理资料等推算,至约8.5 kaBP时,琼州海峡完全打开,现今的海陆格局基本形成[31]。之后经过几次上升和回落,达到现在的海平面高度[32]。海平面的变化带来动力环境和沉积物运输条件的改变,原有的底形相应发生变化[33]。潮流和潮汐活动受海平面的波动而发生变化。尤其是琼州海峡的贯通,改变了原来相对平衡的海洋动力环境,余流方向发生反转,引起沙波内部结构的改变。同时,模拟研究表明,海底地形及岸线轮廓在沙脊形成过程中起到重要的约束作用,海平面上升会导致岸线边界及水深发生变化,导致潮波系统改变[34],从而也会造成沙波结构的改变。

      图  10  北部湾古海岸线变迁图(改编自文献[27])

      Figure 10.  The paleocoastline map of Beibu Gulf (adapted from[27])

    • (1) 北部湾东南海域海底发育大量沙波,主要发育于沙脊上、沙脊槽内以及沙脊两侧。沙波的规模和形态具有显著空间差异,是水动力条件、沉积物类型、沉积物供应多寡、海平面变化等多种因素共同作用下的结果。

      (2) 研究区近底层的流向多为北偏东或南偏西方向,流速多分布在10~60 cm/s。研究区流速受沙脊影响较大,沙脊的阻挡限制了流速,流速又反过来影响了沙脊的演化。潮流通道及流速的分布情况与沙波形态、规模的差异性分布一致。

      (3) 研究区沉积物特征与海底地貌分布具有一致性,存在“远岸细近岸粗”的特点。同时沉积物的供应差异也导致波形分布存在差异性,即远岸尺度小、沙波对称性好,近岸尺度大、多呈现不对称性的分布特征。

      (4) 研究区部分区域出现有近对称形态的沙波,浅地层剖面显示该类沙波内部结构存在反转,且其几何参数特征有别于现代成因的沙波,认为该类沙波可能为受海平面上升期间多期潮流共同作用的结果。

参考文献 (34)

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