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Volume 40 Issue 1
Jan.  2021
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The sensitive grain-size components of core sediments and environmental significance at tidal flat around Qidong cape, Jiangsu province

  • Received Date: 2019-09-19
    Accepted Date: 2019-11-24
  • The sensitive grain-size component is one of the important approaches to analyze sedimentary environment change. Tidal flat around Qidong cape is located at the intersection between the coast of Jiangsu and the river line of the Yangtze River, where with intense land-sea interactivities. With economic development, the area is affected by human activities heavily. Four cores are collected during field investigation. After grain size analysis, the sensitive grain-size components are identified based on standard deviation. The results are as follows: (1) there is a distinct negative correlation between fine components and coarse components. The fine components of <22 μm, <26 μm, <22 μm in the core QDZ-1, QDZ-2 and QDZ-3 sediments gradually increases from bottom to top, which could reflect general law of tidal flat sedimentation. (2) The coarse components suddenly increase under the influence of extreme environmental changes such as floods and storm surges. The coarse components of >22 μm, >26 μm and >22 μm in the core QDZ-1, QDZ-2 and QDZ-3 sediments increased sharply to 84%, 85% and 80% at depths of 172.5 cm, 242.5 cm and 142.5 cm respectively. (3) The fine components are more likely to leach than the coarse components under the influence of human activities, and as a result, that sediment tends to coarsen. The coarse components of >26 μm of QDZ-2 showed an increasing trend in the upper part of the section A. The reason is due to the combined effects of agricultural activities and rainwater leaching. The coarse components of 22 μm~88 μm and >88 μm of QDZ-3 show an increasing trend in the upper part of the section A. The coarse components of >63 μm of QDZ-4 showed the same. The reason is that the sedimentary dynamic enhanced by reclamation dikes constructed. As a result, coarse components are easier than fine components to adapt to high-energy environment and to deposit.
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The sensitive grain-size components of core sediments and environmental significance at tidal flat around Qidong cape, Jiangsu province

  • 1. Research Institute of Jiangsu Coastal Development, Yancheng Teachers University, Yancheng 224007, China
  • 2. School of Geography and Ocean Science, Nanjing University, Nanjing 210023, China
  • 3. School of Geography, Geomatics and Planning, Jiangsu Normal University, Xuzhou 221116, China

Abstract: The sensitive grain-size component is one of the important approaches to analyze sedimentary environment change. Tidal flat around Qidong cape is located at the intersection between the coast of Jiangsu and the river line of the Yangtze River, where with intense land-sea interactivities. With economic development, the area is affected by human activities heavily. Four cores are collected during field investigation. After grain size analysis, the sensitive grain-size components are identified based on standard deviation. The results are as follows: (1) there is a distinct negative correlation between fine components and coarse components. The fine components of <22 μm, <26 μm, <22 μm in the core QDZ-1, QDZ-2 and QDZ-3 sediments gradually increases from bottom to top, which could reflect general law of tidal flat sedimentation. (2) The coarse components suddenly increase under the influence of extreme environmental changes such as floods and storm surges. The coarse components of >22 μm, >26 μm and >22 μm in the core QDZ-1, QDZ-2 and QDZ-3 sediments increased sharply to 84%, 85% and 80% at depths of 172.5 cm, 242.5 cm and 142.5 cm respectively. (3) The fine components are more likely to leach than the coarse components under the influence of human activities, and as a result, that sediment tends to coarsen. The coarse components of >26 μm of QDZ-2 showed an increasing trend in the upper part of the section A. The reason is due to the combined effects of agricultural activities and rainwater leaching. The coarse components of 22 μm~88 μm and >88 μm of QDZ-3 show an increasing trend in the upper part of the section A. The coarse components of >63 μm of QDZ-4 showed the same. The reason is that the sedimentary dynamic enhanced by reclamation dikes constructed. As a result, coarse components are easier than fine components to adapt to high-energy environment and to deposit.

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  • 为获知过去的环境变化,仅分析沉积物的全样粒度数据,并不能很好地解释沉积动力复杂或物质来源多样的沉积环境[1-2]。在沉积物粒度效应的叠加影响下,使沉积环境的识别变得更加困难[3]。为了对沉积环境进行深入分析,需要在全样粒度信息中提取出对环境变化敏感的单一粒度组分[4-5]。当前有多种方法可用于提取敏感粒度组分,主要包括:粒级-标准偏差法[6-7]、主成分因子分析法[8]、Weibull函数拟合法[1-2]、端元粒度模型法[9-10]以及基于人工神经网络的专家系统法[11]

    江苏启东嘴潮滩为典型的粉砂淤泥质潮滩地貌,是长江北支滨海湿地自然保护区的核心区域,主要由粉砂淤泥质光滩和互花米草盐沼滩两部分构成。在围垦堤坝修建和外来植物引种等人类活动的影响下,盐沼潮滩表现出先侵蚀后淤积的变化特征[12],并且与南黄海地区的苏北沿岸流的沿岸输沙关系密切[13]。本文基于岩芯沉积物的粒度分析,提取出对环境变化敏感的粒度组分,分析潮滩沉积地貌在自然因素和人类活动双重影响下的变化过程,既可以深化海岸沉积环境演变的科学认识,又可以为合理开发利用潮滩资源提供决策服务,具有重要的科学意义。

1.   材料与方法

    1.1.   样品采集

  • 在综合考虑自然环境特征与人类围垦活动的前提下,选取了多个不同特征剖面采集样品,包括旱作物农业耕作区、互花米草盐沼保护区、高等级标准的围垦大堤内未开发的盐碱地和大堤外的潮间带光滩。于2011年8月野外调查,用重力取样器采集4个岩芯沉积物,采样点位置如图1所示,其中QDZ-1长215 cm,QDZ-2长300 cm,QDZ-3长190 cm,QDZ-4长86 cm。采样器为荷兰Eijkelkamp公司生产的半圆形便捷式手持钻。按照5 cm间隔,QDZ-1分为43个样品,QDZ-2分为60个样品,QDZ-3分为38个样品;按照2 cm间隔,QDZ-4分为43个样品。现场分样后放进聚乙烯自封袋中,避光运回实验室内供实验测试。这些岩芯沉积物位于不同的特征剖面,分别代表了启东嘴潮滩的自然过程和对人类围垦活动的响应,能够满足提取对环境变化敏感的粒度组分需要。

    Figure 1.  Schematic map of the study area and the core sediments location

  • 1.2.   研究方法

  • 粒度分析采用激光粒度分析法,测试仪器是英国马尔文公司(Malvern)生产的Mastersizer 2000型激光粒度仪,测试范围为0.02~2000 μm。样品测试在南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室进行,主要步骤如下[14]:首先将样品混合均匀,并适量取样,放入100 mL小烧杯中;然后加入10%浓度的过氧化氢(H2O2)溶液去除有机质;用玻璃棒搅拌均匀静置24 h后,取出上层清液,加入10%浓度的盐酸去除钙质胶结物和生物壳体;用玻璃棒搅拌均匀静置24 h后,取出上层清液,加入0.5 mol/L浓度的六偏磷酸钠(NaPO3)6充分分散样品;用玻璃棒搅拌均匀静置24 h后,以备测试。使用仪器对样品进行测试前,用超声波震荡30 s,形成均匀的悬浊液。

    采用计算简便、效果良好、得到广泛运用的粒级—标准偏差方法来提取沉积物对环境敏感的粒度组分。首先,对沉积物做粒度实验分析,获得不同粒级的体积百分含量;然后,计算各个粒级的标准偏差;最后,将粒级的对数作为横坐标,将标准偏差作为纵坐标,得到粒级-标准偏差曲线图[15]。这样就可以清楚地看出不同粒级的离散程度,标准偏差值越大的粒级组分对沉积环境的敏感程度越高。

2.   结果与讨论

    2.1.   结果

    2.1.1.   粒级标准偏差峰型特征
  • 岩芯沉积物粒级组分的标准偏差随粒径的变化曲线如图2所示。岩芯QDZ-1表现为双峰型分布特征,标准偏差峰值出现在9 μm和53 μm粒级处,对环境变化敏感的粒度组分可划分为<22 μm和>22 μm两个组分。岩芯QDZ-2表现为双峰型分布特征,标准偏差峰值出现在16 μm和63 μm粒级处,对环境变化敏感的粒度组分可划分为<26 μm和>26 μm两个组分。岩芯QDZ-3表现为三峰型分布特征,标准偏差峰值出现在9 μm、53 μm和117 μm粒级处,对环境变化敏感的粒度组分可划分为<22 μm、22~88 μm、>88 μm的3个组分。岩芯QDZ-4表现为非典型的三峰型分布特征,较显著的两个标准偏差峰值出现在31 μm和210 μm粒级处,在105 μm粒级处与邻近粒级差异不明显的峰值不予考虑,因此,对环境变化敏感的粒度组分可划分为<63 μm和>63 μm两个组分。

    Figure 2.  The curve between grain-size and standard deviation from core sediments

  • 2.1.2.   敏感粒度组分垂向特征
  • 对环境变化敏感的粒度组分随深度变化的曲线如图3所示。岩芯QDZ-1的组分1(<22 μm)由底部的31%增加到顶部的79%,组分2(>22 μm)由底部的69%减少到顶部的21%。岩芯QDZ-2的组分1(<26 μm)由底部的35%增加到顶部的43%,组分2(>26 μm)由底部的65%减少到顶部的57%。岩芯QDZ-3的组分1(<22 μm)由底部的13%增加到顶部的44%,组分2(22~88 μm)由底部的76%减少到顶部的35%,组分3(>88 μm)随深度变化的平均含量为5%,变化较小,对环境变化的敏感性不如前两个组分。在自然环境下,沉积物在潮滩面上由海向陆具有分带性,粗粒级部分的含量随着离岸距离的增加而增高;细粒部分则反之[16]。随着潮滩逐渐淤高,由低潮滩向高潮滩转变,沉积动力不断减弱,造成细颗粒物质沉降和堆积在潮滩的上部,粗颗粒物质沉降和堆积在潮滩的下部。岩芯QDZ-1、QDZ-2、QDZ-3整体上由下向上表现为逐渐变细的沉积特征,较好地体现了粉砂淤泥质潮滩的沉积规律。

    Figure 3.  The vertical curve of different grain-size components from core sediments

    但是岩芯QDZ-4表现出与QDZ-1、QDZ-2和QDZ-3不同的沉积特征,剖面下部的C段<63 μm的组分呈增大趋势,从下向上由7%增大至34%,>63 μm的组分由93%减少至66%。从剖面中部的B段开始,沉积物呈粗化趋势,<63 μm的组分逐渐减少,到上部的A段不含<63 μm的细组分,几乎全是>63 μm的粗组分。

    需要注意的是,岩芯QDZ-1在剖面下部B段表现出较大的波动,在172.5 cm处>22 μm的组分含量突然增大至84%,<22 μm的组分减少至16%。岩芯QDZ-2在剖面下部的C段波动较大,在深度242.5 cm处>26 μm的组分含量突然增大至85%,<26 μm的组分减少至15%。岩芯QDZ-3在剖面下部的C段波动较大,在深度142.5 cm处22~88 μm的组分含量突然增大至80%,<22 μm的组分减少至3%。说明水动力突然增强,导致沉积物颗粒变粗,可能是受到极端环境变化的影响。但是岩芯QDZ-2和QDZ-3在剖面上部的A段沉积物呈现粗化的趋势。由于QDZ-2位于旱作物农田耕作区,可能反映了人类农业生产活动的影响。QDZ-3和QDZ-4靠近围垦大堤,可能反映了堤坝修建的影响。

  • 2.2.   讨论

    2.2.1.   敏感组分对环境变化的响应
  • 根据岩芯QDZ-1沉积物的137Cs分析结果,推算出QDZ-1在深度172.5 cm处的时标为1930年[17]。已有研究表明,长江流域每隔8~10 a就要发生一次洪水,在1931年、1954年和1998年发生了3次全流域性大洪水[18]。汛期时暴雨集中携沙量大,考虑到放射性核素137Cs的测年误差,岩芯QDZ-1的粗组分(>22 μm)在深度172.5 cm处出现的变化峰值应该是长江流域1931年的洪水所致。岩芯QDZ-2在深度242.5 cm处>26 μm的组分含量突然增加,QDZ-3在深度142.5 cm处22~88 μm的组分含量突然增加,与QDZ-1一样可能也是受到极端环境变化的影响。QDZ-2成陆时间最早,随后是QDZ-1,最后是QDZ-3,因此反映极端环境变化的敏感粒度组分出现的深度也逐渐变浅,依次为QDZ-2(242.5 cm处)、QDZ-1(172.5 cm处)和QDZ-3(142.5 cm处)。

    潮滩悬沙粒径>32 μm的粗颗粒泥沙遵循动力机械分异规律,以单颗粒方式沉降;粒径<16 μm的黏性细颗粒泥沙,在流速小于絮凝临界流速时,表现为絮凝沉积,两者交替作用,形成潮滩薄层理互层[19]。长江口沉积物中>20 μm的粗颗粒敏感组分与风暴潮、中下游强降水等极端天气事件有关系[20-21]。因此,岩芯QDZ-1、QDZ-2、QDZ-3沉积物中<22 μm、<26 μm、<22 μm的细粒级组分是潮流携带的悬浮体沉降的结果;而>22 μm、>26 μm、22~88 μm的粗粒级组分是频发的风暴潮和流域强降雨共同作用的结果。

  • 2.2.2.   敏感组分对人类活动的响应
  • 岩芯QDZ-2位于1958年修建的海防公路与1970年围垦大堤之间的旱作物农田耕作区,土壤耕作层深达50 cm。随着熟化土壤层的不断加厚,土壤在雨水的自然脱盐作用下,改良效果显著。在人类活动的影响下,土壤受到不断地轮作翻种,又因该区域属于典型季风气候区,雨量丰沛,主要集中在6月、7月和8月[22],当汛期暴雨集中时,易发生洪涝,强降雨引起的洪水和风暴潮是主要气象灾害[23]。在雨水的淋溶作用下,细颗粒组分相对于粗颗粒组分更容易流失,最终使得沉积物不断变粗。因此,可以推断岩芯QDZ-2在剖面上部A段>26 μm的粗组分呈增加趋势,原因就是在丰富的降水量气候环境背景下,轮作翻种的农业生产活动,导致细颗粒组分流失,粗颗粒组分滞留,沉积物不断变粗。

    潮滩围垦工程可以改变局部海岸的地形特征和附近海域的水动力环境[24-25]。岩芯QDZ-3位于1992年围垦大堤与2006年恒大集团围垦大堤之间,在剖面上部A段22~88 μm、>88 μm的粗组分呈增加趋势,应该是1992年大堤建设后,海岸动力环境发生改变所致。通过与岩芯QDZ-4的沉积物进行比较,进一步证实了这一观点。岩芯QDZ-4处于2006年建设的恒大围垦大堤外侧的互花米草前缘潮水沟附近的凹形湾处。初期水动力较弱,并且发育有盐沼植物互花米草,一些较细的颗粒能够迅速大量沉积,在剖面下部的C段<63 μm的组分呈增大趋势。随后修建的恒大围垦堤坝使岸线整体向海突出,水动力增强,只有较粗的颗粒能够沉积下来。在潮流作用下,颗粒物不断向近岸迁移,至此形成下细上粗的反序沉积,剖面中上部的B段和A段>63 μm的粗组分呈增加趋势。

3.   结 论
  • (1)岩芯沉积物QDZ-1、QDZ-2、QDZ-3对环境变化敏感的细组分与粗组分具有明显的负相关关系,<22 μm、<26 μm、<22 μm的细组分的含量由下向上逐渐增加,岩芯剖面较好地体现了粉砂淤泥质潮滩下粗上细的沉积规律。

    (2)对环境变化敏感的粒度组分在剖面下部表现出较大的波动,QDZ-1、QDZ-2、QDZ-3的粗组分(>22 μm、>26 μm、>22 μm)分别在深度172.5 cm、242.5 cm、142.5 cm处突然增大,导致沉积物颗粒变粗,是因为受到流域强降雨引发的洪水和风暴潮等极端环境变化的影响。

    (3)在轮作翻种的农业生产活动和雨水的淋溶作用下,沉积物细组分比粗组分更容易淋失,进而导致岩芯QDZ-2在剖面上部A段>26 μm的粗组分呈增加趋势。围垦建堤增强了原有的水动力,粗颗粒物质因为能够适应高能环境而得以沉积,最终使岩芯QDZ-3剖面上部的A段22~88 μm、>88 μm的粗组分和岩芯QDZ-4剖面>63 μm的粗组分呈增加趋势。

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