琼州海峡东口潮流沙脊表层沉积物特征及沉积环境划分

仝长亮，王华强，覃茂刚，王爱军

(1.海南省海洋地质资源与环境重点实验室，海南 海口570206；
2.海南省地质测试研究中心，海南 海口 570206；
3.海南省海洋地质调查研究院，海南 海口 570206；
4.交通运输部南海航海保障中心广州海事测绘中心，广东 广州 510320；
5.自然资源部第三海洋研究所，福建 厦门 361005；
6.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)，广东 珠海 519082)

海底表面绝大部分被沉积物所覆盖，并记录了重要的地质环境信息。沉积物的粒度分析是海洋地质工作一项主要内容，已被广泛应用于海洋沉积环境的研究中，用来判断沉积物的来源、水动力条件、运动方式和运移趋势等[1-5]。近年来，随着调查程度的加大和分析技术的进步，国内沉积物粒度分析研究发展较快，多个学者在粒度分析方法、沉积环境识别、粒径趋势分析、古环境重建、地质环境评价和海砂资源勘查等方面开展了研究，取得了丰富的研究成果[6-15]。

潮流沙脊是在潮流主导作用下，发育在陆架浅海、河口湾和海峡出口处的一种大致与潮流平行的线状沙体，其不同的形态、规模和动态演化，反映了海洋的水动力条件、物质输运过程和沉积环境变化，潮流沙脊沉积体系对于第四纪的环境演化和现代沉积过程研究具有重要的科学意义[16-17]。潮流沙脊的砂质沉积往往是重要的建筑材料——海砂的来源之一[18-20]。

琼州海峡东口的地形地貌和水动力条件，使其形成了独特的指状潮流沙脊，成为第四纪(特别是晚更新世)以来最为活跃的地质单元之一，受到潮流、波浪、径流和地形的影响，大量的物质在此发生聚集和运移，底质类型多样，沉积环境比较复杂，是了解地质环境演化和动态过程的天然试验场[21-24]。前人研究主要从地形地貌、水动力、泥沙运移、沙波活动性、地层结构和资源方面切入，初步分析了往复流情况下的潮流沙脊响应情况，并对其沉积结构进行了探索，但对沉积环境的分析鲜有报道[21,25-27]。本研究以琼州海峡东口海底表层沉积物粒度资料为基础，通过系统聚类分析，结合区域地质背景，划分了该区域的沉积环境，并探讨其沉积特征，以期更好地理解潮流沙脊形成的水动力和物源背景。

1.1 研究区概况

琼州海峡位于雷琼断陷的中部，是我国三大海峡之一，长约80 km，呈近东西走向，是雷州半岛和海南岛的自然分界，亦是北部湾和粤西水沙交换的重要通道[28-29]。研究区位于琼州海峡东口，受东西向往复流的控制和地形狭管效应的影响，口门以西为冲刷性海槽，水深为50～110 m之间，口门则为潮流沙脊区，分布有数十条浅滩，呈开角约50°的放射状排列，浅滩处水深5～25 m，滩间浅槽水深30～40 m，地形起伏较大，浅滩边缘的平均坡度可达0.5°～1.0°；
潮流沙脊区以东，水深超过30 m，地势平缓，等深线与琼州海峡走向基本垂直(图1)。琼州海峡东口是我国重要的海砂成矿区，据估算，仅靠海南岛一侧的三处浅滩海砂资源潜力可达80多亿立方米[30]。

图1 琼州海峡东口地形地貌及采样站位分布Fig.1 Landform at the east entrance of Qiongzhou Strait and sampling stations of surface sediments(a)为地形地貌和站位分布图；
(b)为地形剖面图，粗实折线为坡度，虚直线为坡度等级。

琼州海峡东口主要为不规则半日潮，平均潮差为1.42 m，表层平均流速为1.341 m/s，底层平均流速为0.447 m/s，落潮流速大于涨潮流速，余流一年大部分时间由东向西[25]；
受季风变化的影响，琼州海峡东口的风浪以NE和NNE为主，具有明显的季节变化，平均波高1 m左右，是塑造海岸形态的主要营力[26]。

1.2 样品的采集与数据处理

海底表层取样来自于3个时段，2008、2015年和2020年，其中2008年(依托于国家“908”专项)的站位采样间距约5 km，均匀分布于琼州海峡东口，共173个站位；
2015年的站位采样网度为2.5 km × 5.0 km，共95个站位，覆盖了西南浅滩、出水浅滩和南方浅滩；
2020年的站位采样网度为1.0 km×1.0 km，覆盖了西南浅滩区域，共108个站位。采样站位分布如图1所示，使用箱式或蚌式采泥器采样，采样厚度为表层5 cm。

样品的制备和前处理参照《海洋调查规范》[31]，包括去除有机质、碳酸钙、盐分等，利用六偏磷酸钠和超声振动使样品分散，对于粒径小于2 mm的样品直接用英国马尔文公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度仪进行测试，对于粒径大于2 mm的样品采用筛分法进行分析，分析经过归一化处理，得到完整的粒度分布[31]。粒度分级采用《海洋调查规范》[31]等比制φ值粒级标准，粒度参数的计算采用矩法[32]，其分级依据参照贾建军等(2002)[33]的分级方案，沉积物类型划分和命名采用福克(Folk)三角形分类系统[34]。

沉积环境的划分采用系统聚类分析方法，该方法是利用粒度组分和参数信息为变量，对样品进行统计分析和类型划分，并作为沉积环境划分的重要依据[35]。通常的分析方法是，首先对样品进行R型聚类分析，压缩变量数，明确参与计算的变量，然后对样品进行Q型聚类，对沉积站位按类别进行赋值，区分沉积环境[36-38]。

2.1 表层沉积物类型

根据Folk三角形对研究区的沉积物进行分类和命名(图2)。结果表明，研究区内底质类型共有17种，主要为泥质砂质砾、砂质砾、砾质泥质砂、砾质砂、含砾砂、砂、粉砂质砂和砂质粉砂，其他类型沉积物呈零星分布。

图2 沉积物福克分类三角图Fig.2 Folk’s classification triangle of sedimentsG为砾，mG为泥质砾，msG为泥质砂质砾，sG为砂质砾，gM为砾质泥，gmS为砾质泥质砂，gS为砾质砂，(g)M为含砾泥，(g)mS为含砾泥质砂，(g)S为含砾砂，S为砂，cS为粘土质砂，mS为泥质砂，zS为粉砂质砂，sC为砂质粘土，sM为砂质泥，sZ为砂质粉砂，C为粘土，M为泥，Z为粉砂；
下同。

从分布位置可知(图3)，琼州海峡东口以砂质沉积物为主，面积占比为59%，主要分布于潮流沙脊区和琼州海峡中央，主要有6种沉积物类型，分别是含砾泥质砂、含砾砂、砾质泥质砂、砾质砂、砂和粉砂质砂，其中以砂、粉砂质砂、砾质泥质砂分布范围最广。砂主要分布于浅滩区；
粉砂质砂主要位于潮流沙脊东部末端，水深为20～30 m的海域，以及西北浅滩和罗斗沙北侧浅滩区；
砾质泥质砂则主要分布于罗斗沙、西方浅滩至北水道之间，以及琼州海峡中部深水区。

泥质沉积主要分布于潮流沙脊以东的海域，水深超过30 m，沉积物类型有砂质粉砂、粉砂、泥、含砾泥、砾质泥和砂质泥，其中砂质粉砂和粉砂分布面积最广，另外在琼州海峡南北沿岸的海湾内，由于水动力较弱，同样分布一定面积的泥质沉积，如铺前湾、海口湾和抱虎湾等，泥质沉积在研究区面积占比为31%。

砾质沉积在全区占比约为10.0%，主要分布于琼州海峡中央，海安至铺前的冲刷海槽内，水深一般超过50 m，此外在岬湾海岸的岬角附近，西南浅滩以北的中水道和南水道海域均有一定范围的砾质沉积物，砾质沉积类型有4种，分别为砾、砂质砾、泥质砂质砾和泥质砾，其中以泥质砂质砾和砂质砾分布最广。基岩区则位于海南角和抱虎角附近。

2.2 组分含量特征

从组分含量来看，研究区砾、砂、粉砂、粘土的平均占比分别为9.7%、71.0%、15.3%、4.0%，且变化范围均较大(表1)，其中砾质沉积区中，砾石占比为30.0%～84.4%，平均为44.6%，砂占比为7.2%～69.1%，平均为46.6%，粉砂和粘土占比不超过10.0%；
而砂质沉积区，平均砂占比可达86.3%，部分含砾约9.0%，含泥在6.0%～12.0%之间；
泥质沉积区中，砂占比仅为26.0%左右，部分含砾约8.0%，平均粉砂占比为57.2%，平均粘土占比为15.4%。

图3 琼州海峡东口沉积物类型Fig.3 Sediment type distribution at the east entrance of Qiongzhou Strait

表1 沉积物组分含量和粒度参数特征Tab.1 Characteristics of sediment components and grain size parameters

续表

从分布上看，研究区大部分海域沉积物砾石占比小于10.0%，高含量区主要分布于琼州海峡冲刷海槽和浅滩间的海槽内，占比可达40.0%～60.0%。研究区砂普遍较高，大多范围砂占比大于50.0%，其中高值区主要分布于潮流沙脊范围，特别是几处浅滩，砂占比高达95.0%以上。粉砂含量的平面分布与砂含量相反，琼州海峡海槽和潮流沙脊区粉砂占比基本小于20.0%，其中浅滩区小于5.0%，而位于潮流沙脊以东的开阔陆架海域，粉砂占比逐步增大，超过50.0%，在研究区东北角，粉砂占比超过80.0%，此外在部分海湾内，粉砂含量同样较高。研究区粘土含量较低，占比大多不超过5.0%，在潮流沙脊以东的开阔陆架海域，含量稍有增加，占比达到15.0%左右，另外，在铺前湾粘土含量较高(图4)。

图4 琼州海峡东口沉积物各组分占比平面分布Fig.4 Percentage distribution of sediment component at the east entrance of Qiongzhou Strait

2.3 粒度参数特征

研究区表层沉积物粒度平均粒径(Mz)范围为-1.15～8.07 φ，均值为2.15 φ，属细砂粒级；
分选系数(σi)为0.40～4.27，均值为1.69，分选较差；
偏态(Ski)为-3.58～3.49，均值为1.09，正偏态；
峰态(Kg)为0.51～4.82，均值为2.39，较窄(表1)。平面空间分布显示(图5)，琼州海峡海槽和潮流沙脊区，沉积物平均粒径多小于2.00 φ，其中海安至海南角一带，平均粒径小于1.00 φ，属粗砂级，海南角以东，平均粒径逐渐变细，至潮流沙脊以东的开阔陆架，平均粒径将大于5.00 φ。在几处浅滩和研究区东北角的泥质沉积区，分选系数较低，多在0.50～1.00之间，分选较好至中等，其他区域分选系数在1.00～3.80之间，分选较差至分选差。西南浅滩、出水浅滩和南方浅滩海域，以及潮流沙脊以东的泥质区，多为负偏态；
其他区域为正偏态。峰态的平面分布与分选系数呈现较好的一致性，即分选系数较低的区域峰态亦较低。

图5 琼州海峡东口沉积物粒度参数等值线分布Fig.5 Contour map of sediment grain size parameters at the east entrance of Qiongzhou Strait

2.4 沉积环境划分

2.4.1 参数的确定 由于西南浅滩采样密度较大，本次沉积环境划分只选取了部分有代表性的样品进行，全区共选择样品249个。对砾、砂、粉砂、粘土含量以及平均粒径、分选系数、偏态和峰态共8个参数进行R型聚类分析(图6)。结果显示，平均粒径、分选系数、砾含量和砂含量更具变量的代表性和环境指示意义，同时也能很好地反映出水动力、物源、地形和流场相互作用的信息[36]，以此为变量做Q型聚类分析。

2.4.2 沉积物聚类分析结果 根据研究区沉积环境特点，Q型聚类分析将沉积物划分为7类(表2)。

第1类样品分布于研究区东侧和琼州海峡南北岸的海湾中，主要为砂质粉砂，也含有部分粉砂质砂和砾质泥，砂和粉砂占比相当，约为40.0%，砂质略多，平均粒径为5.00 φ，属粗粉砂级，分选差，其粒度分布曲线呈双峰形态，主峰位于1.00～2.00 φ之间，次峰6.00～8.00 φ，主峰略高(图7、8)，表明了两类物源对沉积物的贡献。

第2类样品只有5个站位，零散分布，平面上规律性不强，以泥质砾为主，含砾42.0%，砂和粉砂占比略多于20.0%，平均粒径为1.99 φ，粒度分布曲线呈多峰形态，主峰约在3.00 φ，表明该类样品来源复杂。

第3类样品主要位于研究区东侧和铺前湾一带，以粉砂和砂质粉砂为主，泥质占比约为85.0%，砂占比为13.0%，基本不含砾，平均粒径为6.45 φ，细粉砂级，粒度分布曲线呈单峰形态(少数双峰)，负偏态，峰值约在6.00～9.00 φ之间，显示了较弱的水动力环境和相对单一的物质来源。

图6 沉积物R型聚类分析树状图Fig.6 R type cluster analysis dendrogram of sediments

表2 不同类别沉积物组分和参数特征Tab.2 Sediment component characteristics and grain size parameters of different type sediments

图7 不同类别沉积物粒度分布Fig.7 Grain size distribution of different type sediments

第4类样品主要分布在潮流沙脊区，也在冲刷槽和海湾内有少量分布，以砂和砾质泥质砂为主，平均粒径为1.90 φ，平均砂占比为86.0%，部分样品含有少量的粉砂和砾，粒度分布曲线呈单峰形态(图7中的4-2曲线)或多峰形态(图7中的4-1曲线)，主峰0.00～2.00 φ，次峰-2.00～-1.00 φ和4.00～7.00 φ，主峰显著高于次峰，表明样品处于相对较强和单一的水动力环境。

第5类样品只有7个站位，分别位于西南浅滩西侧深槽和抱虎湾，分布比较分散，规律性不强，含砾58.0%，含砂37.0%，主要类型为砂质砾和泥质砂质砾，平均粒径为-0.63 φ，粒度分布曲线呈单峰形态(或不明显双峰)，主峰-2.00～0.00 φ，反映出较强的水动力环境。

第6类样品主要位于琼州海峡中央海槽和沙脊间浅槽，平均含砂55.0%，含砾36.0%，含少量粉砂，平均粒径为0.37 φ，粗砂级，以砂质砾、泥质砂质砾和砾质泥质砂为主，呈显著双峰形态，分别位于-2.00～-1.00 φ和1.00～2.00 φ之间，峰值相当，物质来源多样。第7类样品含砾84.4%，位于琼州海峡中央海槽，但仅有1个站位，代表性不强，周边站位多为第6类样品。

2.4.3 沉积环境划分 根据沉积物聚类分析结果，第2、5、7类的沉积物数量少，分布分散，均不能单独反映物源条件和水动力环境，且它们与地形地貌不具显著的相关性，开展分析时应充分考虑周边其他站位的类型。再者，虽然聚类分析在沉积环境划分方面具有良好效果[36-37,39]，但物源和动力环境复杂多样，且并非恒量，它们也会随着区域地质和气候背景的变化发生深刻的改变，因此在分析现代沉积环境时，在单纯考虑统计学结果的同时，也要结合地质背景条件开展研究[40-42]。本研究在充分考虑了第1、3、4、6类沉积物分布，结合地形和水动力条件，将琼州海峡东口沉积环境划分为6类(编号为Ⅰ至Ⅵ)，结果如图8所示。

Ⅰ类沉积区主要位于潮流沙脊区及白沙浅滩处，水深一般小于30 m，绝大多数为第4类样品，并零星分布第1类和第5类样品，以砂、砾质泥质砂、砾质砂为主，分选较好至一般。潮流沙脊沉积物主要受到琼州海峡往复流的控制，同时海峡东口喇叭口的地形条件，使得该区域潮流流速发生较大变化[43]，来自于海峡内部的沉积物经过再悬浮和搬运，沉积于该区域，形成了厚度超过30 m，连续分布约50 km的指状沙脊，但由于该区域流速仍然较快，使得很少的细粒物质能够保存，且沙脊也具有一定的活动性[20,25,44]。白沙浅滩的物源可能主要来自于南渡江，受琼州海峡往复潮流、沿岸流和波浪的作用，在铺前湾口形成了近东西向的沙坝[17,45]。

Ⅱ类沉积区主要位于琼州海峡中央海槽和沙脊间冲刷槽，水深较深，主要为第6类样品，并包含第5和第4类样品，含砾组分较多是其主要特征，分选较差，呈双峰或多峰形态，显示了较强的水动力环境和较多的物质来源。在中央海槽，强烈的冲刷环境使部分区域前第四纪沉积层已经出露[44,46]，其沉积类型多样，多种物质发生再悬浮和搬运，造成砾、砂、泥的混合，样品类型多样。而在浅滩间冲刷槽，可能由于局部环流或横向环流的作用，砂被搬运至浅滩，而砾石组分多留在原地[20]。

Ⅲ类沉积区主要位于海口湾、铺前湾和抱虎湾一带，离岸较近，由于岬角的遮蔽，水动力相对较弱，以第1类样品为主，泥质沉积居多，并包含少量砂质和砾质组分，可能主要受陆源物质沉积和沿岸流的控制，北东向的波浪对其沉积也有一定的作用[26,47]。

Ⅳ类沉积区主要位于潮流沙脊前缘(东端)，水深20～50 m，均为第1类样品，沉积物类型多为砂质粉砂和粉砂质砂，本区泥质组分含量较高，也含有相当数量的砂质组分，形成两类物源，一类可能来自琼州海峡内部物质，经过海峡东口逐渐变弱的水动力的分选，沉积了一定量的中细砂至粗粉砂级物质，另一类可能来自于南海北部陆架，受粤西至琼州海峡自东向西沿岸流的搬运[48-49]，一部分细粉砂至粘土级的物质，沉降于该区域，物质可能来自于珠江，也可能来自于粤西的一些河流，如鉴江[24,50-51]。

Ⅴ类沉积区位于Ⅳ类沉积区以东，水深超过50 m，地貌上属南海陆架的开阔海域，均为第3类样品，即粉砂和砂质粉砂，主要呈现宽单峰形态，优势粒级为6.00～9.00 φ，分选较差，但在整个研究区内，该沉积区分选系数较低，呈典型的负偏态，比较符合单一的浅海沉积环境[35]。该区域主要受到南海北部环流的影响，从较宽的单峰形态推出，该沉积区的物源可能不止一类，主要是沿岸流的携带和外海洋流的带入[24]。

图8 琼州海峡东口沉积环境分区Fig.8 Sedimentary environments at the east entrance of Qiongzhou StraitⅠ～Ⅵ为沉积环境分区编号。

Ⅵ类沉积区位于南渡江口，属河口水下三角洲沉积环境，由于河流物质的输入，以砾质成分占比为主，受地形、潮流和沿岸流的共同影响，砂质和泥质也具有一定的比例，显示了比较复杂的动力环境和物质来源。

(1)研究区内底质类型共17种，主要为泥质砂质砾、砂质砾、砾质泥质砂、砾质砂、含砾砂、砂、粉砂质砂和砂质粉砂，其中，砂质沉积物分布最广，主要分布于潮流沙脊区，泥质沉积物则主要分布于海湾内和潮流沙脊以东的开阔陆架，砾质沉积则多位于海峡中部和冲刷槽内。

(2)研究区沉积物砾、砂、粉砂、粘土的平均占比分别为9.7%、71.0%、15.3%、4.0%。其中潮流沙脊区砂含量最高，浅滩区的砂占比普遍高于95.0%，泥含量高值区主要位于潮流沙脊前缘，及其以东的陆架区，砾含量高值多位于海峡中央。研究区沉积物平均粒径为2.15 φ，属细砂粒级，分选系数为1.69，分选较差，偏态为1.09，峰态为2.39。粒度组分和参数的平面分布呈现东西向地带性。

(3)利用平均粒径、分选系数、砾含量和砂含量为指标，开展系统聚类分析，研究区共分为7类沉积物，结合琼州海峡东口地形地貌、水动力条件和物源条件等因素，将研究区共划分为6类沉积区，代表不同的沉积环境。