鸭绿江中水道沉积物敏感粒度揭示的沉积环境变化

鸭绿江中水道沉积物敏感粒度揭示的沉积环境变化赵婷婷;刘月;张亮;张春鹏;刘敬伟;郑存德【摘要】在对鸭绿江中水道K5柱状样进行粒度分析和年代测定的基础上,探讨了粒度参数的垂向分布规律,提取了K5柱状样的敏感粒度.结果显示,K5柱状样所在区域的基础是河床沉积,1960年以来沉积了69 cm厚的三角洲沉积物.底部的水动力条件比较强,向上逐渐减弱.与鸭绿江径流和输沙的逐年递减、最大浑浊带不断上移的河口地貌变化总趋势保持一致.细粒敏感粒度组分来源于鸭绿江径流,粗粒敏感粒度组分来自潮流的“刷粗”效应.【期刊名称】《辽东学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(022)004【总页数】5页(P246-250)【关键词】敏感粒度;沉积环境;鸭绿江;年代测定;三角洲沉积【作者】赵婷婷;刘月;张亮;张春鹏;刘敬伟;郑存德【作者单位】辽东学院城市建设学院,辽宁丹东118003;辽东学院城市建设学院,辽宁丹东118003;辽东学院城市建设学院,辽宁丹东118003;辽东学院城市建设学院,辽宁丹东118003;辽东学院城市建设学院,辽宁丹东118003;辽东学院城市建设学院,辽宁丹东118003【正文语种】中文【中图分类】P343.9沉积物粒度记录着沉积物源和沉积环境等信息，所以常被用来反演沉积环境、沉积过程、搬运过程和搬运机制［1］。

但是由于物源和沉积动力的复杂性，现代和地质时期的沉积物普遍表现出多成因组分的混合，全样的粒度参数只可以近似作为沉积环境的代用指标，因为并非所有的粒级组分都对环境敏感，所以必须进行环境敏感粒度组分的提取［2］。

可以用 Weibull函数拟合法［3］，端元模型法［4］、粒径 - 标准偏差法［5］、因子分析法［2］等提取敏感粒级来揭示环境变化的信息。

文章提取河口沉积物中的敏感粒度组分采用的是粒径-标准偏差方法。

鸭绿江口受人类活动影响越来越大，突出的表现是在流域水库建设上，随着1941年水丰水库的修建，到20世纪60年代，鸭绿江流域共修建了大中小型水库41座［6］，造成大量泥沙被拦截在水库内。

这不仅造成了水库的迅速淤积，也造成了入海泥沙的迅速减少。

鸭绿江三角洲发育对入海径流和泥沙减少的响应问题近几年研究逐渐增多，备受关注。

20世纪90年代初，程岩利用水文地貌资料并参照有关历史文献，首次提出了鸭绿江河口的发育模式:在鸭绿江干流一系列水库调流截沙的影响下，西汊道淤积向西并岸，开阔东汊道散乱的浅滩受到控制，河道逐渐成形，河槽不断加深，从斗流浦开始，呈“二级分汊，三口入海”的形势［6］。

绸缎岛将鸭绿江口分隔为西汊道和东汊道，西汊道脱离径流影响成为以潮流为主的“废弃”河道(俗称西水道);东汊道被水下沙洲分隔为中水道和东水道，中水道是目前鸭绿江主要的水沙通道［7］。

2000年以来，又有许多学者利用水文地貌资料、沉积学、地球化学等手段研究了鸭绿江口近百年来的河势、水动力的变化，并取得丰硕成果［7-12］。

这些研究多基于西汊道和西岸潮滩的研究，对于东汊道的研究还不是很多。

文章依据鸭绿江东汊道的中水道柱状样沉积物的粒度分析，特别是敏感粒度的分析，探讨鸭绿江河口沉积环境变化的信息。

作者使用的柱状样采集于2014年，鸭绿江东汊道的中水道附近，地理坐标为N39°52＇35″N;E124°18＇16″E，样品编号为 K5。

现场计算压缩比后回到实验室后按2 cm间隔分样用于粒度测定，按4～6 cm间隔分样用于137Cs同位素测年。

采用美国ORTEC公司生产的由高纯锗井型探测器 (Ortec HPGe GWL)与Ortec 919型谱控制器和计算机构成的16K多道分析器所组成的γ谱分析系统进行测定137Cs的比活度，用中国原子能研究院提供137Cs定年标准样品进行结果对比校正。

实验在中国科学院南京地理与湖泊研究所国家重点实验室完成。

采用BT-9300HT激光粒度仪对样品进行粒度测量 (仪器的测量范围为0.1～2 000 μm，重复测量的误差小于3%)。

测试步骤是:取沉积物样品0.3 g左右)加入蒸馏水100 mL和10 mL浓度为0.05 mol/L的六偏磷酸钾 (分散剂)，将振荡后的样品用激光粒度仪进行测试。

粒级标准采用尤登-温德华氏等比制Φ值和μm两种方式表示。

Φ值的换算公式为:Φ=-log2D，D为颗粒直径，单位mm)。

敏感粒度组分采用粒级-标准偏差算法提取。

其原理是通过研究激光粒度仪给出的每一粒级所对应含量的标准差变化而获得粒度组分的个数和分布范围［2］。

标准偏差是体现数据离散趋势的常用指标。

标准偏差越大，说明观测值的变异程度愈大，标准偏差越小，说明观测值的变异程度愈小。

用对数粒级为横坐标，用标准偏差为纵坐标作粒级-标准偏差图，就可以了解各粒级所对应的体积百分含量离散程度的大小，某一粒级所对应的标准偏差越大，说明该粒级对环境的变化也就越敏感，从而可以获得不同沉积水动力的环境敏感粒度组分［5］。

137Cs计年是基于该放射性核素在沉积物记录中的层位对比，其出现的峰值分别对应大气核试验的峰值年代1963年及1986年切尔诺贝利核泄漏事件产生137Cs 的散落峰［13］。

鸭绿江中水道沉积物137Cs的垂向分布图上(见图1)，在67 cm和34 cm附近各有一个明显的峰值，分别对应于1963年和1986年，对应沉积速率分别为1.31cm/a和1.21 cm/a，不同层段计算获得的沉积速率几乎一致，表明岩性均匀，取平均沉积速率为1.26 cm/a。

据此给出柱状样不同深度对应的年代 (表1)。

由表1可以看出，K5柱状样揭示的是1960年以来的三角洲沉积，K5柱状样的下面是PVC管难以插入的坚硬细砂层，推测应该是鸭绿江口三角洲沉积以前，原鸭绿江河道的河床物质。

它与上覆三角洲沉积不连续，代表一个明显的沉积间断。

137Cs的垂向分布图上在近地表的2 cm还有一个137Cs蓄积峰，推测可能是2010年鸭绿江全流域洪水留下的沉积记录。

因为流域的大洪水往往会引起富含137 Cs的表层土壤强烈流失，从而在河口产生137Cs蓄积峰的沉积记录［13］。

K5柱状样粒度参数随深度的垂向变化如图2所示，根据粒度参数剧烈变化的节点(16 cm和54 cm)，可以将剖面分为3个段:下段平均粒径为4.92Φ，其中砂占33.9%，粉砂占59.45%，黏土占6.65%。

分选系数为1.74，偏态为0.21，峰态为0.97。

中段平均粒径为5.48Φ，其中砂占18.77%，粉砂占72.87%，黏土占8.36%。

分选系数为1.63，偏态为0.14，峰态为1.00;上段平均粒径为5.76Φ，其中砂占11.16%，粉砂占79.47%，黏土占9.37%。

分选系数为1.53，偏态为0.16，峰态为1.04。

从平均粒径和物质组成上这里可以明显看出“向上细化”(根据尤登-温德华氏等比制Φ值计算，Φ值越大，粒径越细)的趋势。

分选系数越来越差，峰态越来越宽，偏态也越来越小。

反应出这里的沉积动力逐渐减弱、沉积环境逐渐稳定、物源变化逐渐复杂的趋势，这与鸭绿江径流和输沙的逐年递减、最大浑浊带不断上移的河口变化过程保持了一致。

K5柱状样全样的粒级-标准偏差曲线呈现双峰分布 (见图3)，可分为细、粗两个环境敏感粒度组分:分别是21.12 μm和117.1 μm，二者的分界点为44.69 μm。

细组分 (＜44.69 μm，组分Ⅰ)和粗组分 (＞44.69 μm，组分Ⅱ)表明本区域长期由两种不同的动力条件提供物源沉积而成。

组分Ⅰ代表的细粒组分可能来源于鸭绿江径流，反映的是河流动力的直接影响，其证据是与河流输沙的粒度组成一致，已有研究表明，鸭绿江口悬沙组成的平均粒径也是44.69 μm［12］，说明细粒组分应为鸭绿江来源。

组分Ⅱ代表的粗粒组分可能代表着潮流对河流沉积物改造后形成的沉积物。

因为K5柱状样的沉积地点处在鸭绿江水动力交换频繁的最大浑浊带。

鸭绿江喇叭状的河口地形引起潮波变形在这里形成了径流与潮流反复交替的往复流，这种往复流使细粒沉积物很难稳定下来，造成强烈的泥沙再悬浮现象，这是本区域形成最大浑浊带的最主要动力因素。

底层泥沙的强烈再悬浮作用使细颗粒物质被潮流或风浪带走(潮流也可能将浅海粗颗粒泥沙直接带入)，从而构成沉积物的粗敏感粒度组分。

两个标准偏差的峰值差异较大，分别是0.74和1.06，说明粗细两个环境敏感粒度组分对环境变化的敏感程度不尽相同，再悬浮作用造成的沉积物粗敏感粒度组分对环境变化更敏感。

根据K5粒度参数垂向的分段变化，结合137Cs测年结果，提取各沉积时段的敏感粒度见图4。

K5柱状样的上段和中段 (1971年以后):粗、细组分敏感粒度都与全样相同，说明1971年以来的沉积环境与柱状样总体的沉积环境相一致，但分界点粒径为40.15 μm，明显比全样偏细，反映了水动力条件的弱化趋势。

K5柱状样的下段 (1971年以前):粗、细组分敏感粒度都比中、上段粗 (同样也比全样粗)。

细组分敏感粒度由21.12 μm变粗为23.51 μm，说明1971年以前的鸭绿江输沙相比较而言比今天要粗，分析原因可能是在大跃进期间，受到“以粮为纲”政策的影响，水土流失带来的后果，1970年以后政策有所调整，鸭绿江流域的植被逐步得到恢复，河流输沙逐渐变细。

粗组分敏感粒度为由117.1 μm变粗为145.1 μm，表明K5柱状样早期的水动力条件明显比今天要强，展示了由河床沉积向三角洲沉积转化过程初期的水动力条件特点。

根据137Cs计年的结果，K5柱状样是1960年以来的沉积。

表层的137Cs蓄积峰可能是2010年大洪水的沉积记录。

柱状样的底部是河床沉积，应该是鸭绿江河口地貌发生巨变前的河道。

粒度参数随深度的变化显示“向上细化”的趋势，这是水动力条件逐渐减弱的标志，与鸭绿江径流和输沙的逐年递减、最大浑浊带不断上移的河口地貌变化总趋势保持一致。

全样敏感粒度的细粒组分直接来源于鸭绿江径流，粗粒组分产生于潮流产生的再悬浮作用对三角洲沉积物的“刷粗”效应。

分时段的敏感粒度还展示了由河道沉积向三角洲沉积转化过程中的水动力变化过程。

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