百年尺度东海内陆架风暴事件重建:器测记录与沉积记录耦合

未来全球变化可能带来极端事件的强度增加、频度提高,加之海面上升加快,给海岸带防灾减灾工作带来更新防护标准的课题。由于台风的器测记录时间较短,需要从其他载体寻找替代指标以延长台风记录的时间跨度,这样才能更好地估计极端事件的强度–频率关系。陆架泥质区的风暴事件沉积记录和历史文献中的有关灾害记录,是拓展台风记录的两个方向。本文试图通过台风观测记录与沉积记录的耦合,重建百年尺度东海内陆架泥质区的风暴事件沉积记录,并与气象灾害记载的台风暴潮成灾事件相印证,以期探讨陆架泥对台风事件的保存潜力,及其可能反映的台风信息(如路径和强度)。2018年在浙江温岭近海采集了2 m长的柱样沉积物(J1),通过多指标(粒径分布、D₉₀、Zr/Fe、Sr/Al、Ca)综合识别出台风沉积事件;采用放射性同位素210Pb定年法确定沉积物的年代序列,将识别的台风沉积记录与器测台风记录通过时间标尺进行耦合分析。结果显示,J1的沉积速率约为1.1 cm/a,年代跨度大约是1836年至2018年;整根柱样共识别出25次台风沉积事件,其中气象观测时期(1950?2018年)有10次台风事件留下了沉积记录,这10次台风的平均风速与影响J1的所有台风平均风速比较接近,且大多数属于登陆浙闽、成灾较严重的III型和IV型台风。通过多变量综合分析,发现就J1而言,沉积记录中台风事件的保存潜力约为30%;另外,历史文献中记载的台风事件可能偏重于登陆、成灾的较强台风,因而文献记录的台风数量显著少于实际产生影响的台风数量。这些认识有助于更好地利用沉积记录中保存的台风事件拓展台风记录的时间跨度,也有助于指导未来的采样地点,以尽可能多地获得保存更完整的台风沉积记录。     

陆架海岸台风沉积记录及信息提取

长时间尺度风暴强度–频率关系与气候变化相关联,而器测记录和历史记载难以提供充分的信息,因此从沉积记录中提取风暴信息成为一个前沿科学问题。在应用上,这项研究可为海岸带城市群应对未来气候和海面变化提供决策依据。本文回顾了台风沉积记录研究进展,显示陆架泥质沉积、海滩及海岸沙丘、潮滩、潟湖、巨砾是台风事件记录的良好载体,可通过层序形态和物质特性分析而识别。同时,还需进一步完善分析方法,以区分台风、冬季风暴、河流洪水和海啸等不同类型的极端事件沉积。在台风强度信息提取方面,陆架泥质沉积所含贝壳–粗颗粒沉积物可作为海底再悬浮强度的指标,但需更多实测数据的率定;海滩及海岸沙丘顶部的台风沉积分布高程指示了台风激浪流的上冲高度,而台风巨砾的重量可以与近岸波浪的波高建立联系。以上数据经过换算后可以得出台风强度的信息,虽然这些间接的沉积学信息还不足以建立风暴强度–频率关系,但有助于台风强度大数据的建立。潮滩、潟湖沉积连续性好,可构成台风事件的时间序列,然而关于台风强度却是多解的,台风最大风力、持续时间、移动路径、登陆地点的不同组合可能产生同样的事件沉积。我们建议,应发展台风信息提取的新方法,来解决这个问题。进行现代过程模拟,根据已知的台风事件资料构建沉积物输运堆积模型,使之能够复演事件沉积的特征;进行多个地点事件沉积的反演模拟,在此情形下,即便每个站位的结果是多解的,但针对多个站位上求取其解的交集之后,多解性将下降,这种模拟方法可称之为“解空间收缩法”;采用大数据融合方式,将其他来源的台风强度数据纳入模拟体系,可进一步降低风暴信息提取的不确定性。动力过程模拟与大数据融合方法的建立,有助于获得与沉积记录同样时间尺度的台风强度–频率关系曲线,进而分析台风动态与气候变化的关系。     

山东半岛南部近岸全新世泥质区表层沉积物

泥质区沉积记录是全新世海洋环境演变的重要信息载体。中国近海沿岸发育着若干小型泥质沉积体,比较明确的有南海西部近海的泥质区,但尚未进行研究。通过对山东半岛南部近岸海域采集的浅地层剖面资料精细解释后发现,在该区近岸海域存在一个小型泥质沉积区,主要分布在青岛崂山头以北至乳山口附近的近岸海域,整体上平行海岸线呈条带状分布,由近岸向海逐渐变薄,等厚深度分布平行于岸线,沉积中心位于鳌山湾海域,沉积中心最厚可达22.5 m。AMS¹⁴C测年结果表明,该泥质区形成于全新世。本文利用在泥质区采集的表层沉积物的粒度、黏土矿物、碎屑矿物、地球化学元素等分析测试结果,对比研究区周边主要入海中小河流物质成分和黄河物质成分,探讨了山东半岛南部近岸海域泥质沉积区的沉积特征和物源情况。结果表明,该泥质区的形成是黄河与周边入海河流共同作用的结果。     

中国大陆架的沉积物分区

本文试图根据底质类型和水动力环境，并参与沉积物物理、化学、生物特征及堆积地貌等因素，对中国东部及南海北部陆架沉积物进行分区。并将沉积区具体划分九个类型，即：①大河口外泥质沉积区、②沿岩流泥质沉积区、③小环流泥质沉积区、④陆架泥质沉积区、⑤浪控砂沉积区、⑥潮控砂沉积区、⑦残留砂沉积区、⑧现代混合沉积区、⑨改造混合沉积区。这样更清晰地揭示了底质类型与沉积环境的关系及沉积物分布规律。     

黄海与东海泥质区高分辨率沉积记录研究新进展

陆架区沉积物季风代用指标在不同的地区可能具有不同意义,东海陆架泥质区的高分辨率古气候研究率先开始,有一大批成果通过提取敏感粒度指标进行东亚冬季风重建,并讨论了其与全球气候变化之间的驱动和响应关系;但有研究者指出,陆架沉积物的粒度指标更多的代表东亚夏季风信息,因此黄海地区更多的高分辨率沉积物古气候研究对此进行机制解释很有必要;古海洋学研究方面,最初依据有孔虫组合变化规律和AMS14 C年代学结合进行古海洋环境重建,后来不断有学者提供高分辨率古海水温度记录,近期沉积记录中古生态系统信息的提取为古海洋环境演化的研究提供了新的参考;工业革命以来,有机污染物、重金属污染在陆架区泥质沉积记录中变化明显,反映出人类活动对海洋沉积记录的影响。     

东海内陆架泥质沉积体研究进展

陆架海现代泥质沉积研究具有重要的地质学、环境科学和气候学意义,数十年来一直受到海洋科学家的关注,尤其是近年来在我国兴起了一股研究陆架泥质沉积体的热潮,取得一大批重要成果。本文对我国最大的东海内陆架泥质沉积体的研究进展进行回顾,作为典型区域呈献给读者。东海内陆架泥质沉积区从长江口水下三角洲向南,沿闽浙近岸浅海一直延伸到台湾海峡中部,全长800km,宽约100km,面积约80000km2,相当于两个台湾岛的大小,实属我国乃至亚洲浅海规模最大(体积排第二)的楔式泥质沉积体和现代沉积区。该区中晚全新世沉积地层厚度较大,局部厚达40—80m,总体上呈近岸厚、向海方向逐渐变薄,一般在50—60m等深线、局部可达75m甚至90m等深线附近尖灭。该区泥质沉积物粒度较细,主要由黏土和粉砂组成(大于90%),砂含量很低(小于10%),黏土和粉砂含量在泥质沉积区外缘急剧降低,而砂含量突然增加。沉积物类型为粉砂质黏土和黏土质粉砂,外侧与黏土-粉砂-砂(混合沉积)或泥质砂为界。粒度分布南北有一定差异,北段(长江口外至瓯江口外)近岸较粗外侧较细,近岸为黏土质粉砂,外侧为粉砂质黏土;而南段(自瓯江口至台湾海峡北部)则相反;深入台湾海峡中部的远端泥质沉积也较粗,为黏土质粉砂。现代沉积速率从长江口水下三角洲至闽浙沿岸近海以及从近岸向外陆架方向逐渐降低,与地层厚度分布相一致。悬浮体浓度空间分布,尤其是冬季悬浮体的分布与沉积速率的分布基本一致,表明沉积物是从长江口沿闽浙近海向南和从近岸向海输运的。矿物、化学和环境磁学指标等均显示沉积物主要来自长江,老黄河对该区北部,台湾物质对南部有一定影响,闽浙沿岸河流在局部也有少量贡献。该泥质沉积体的形成与全新世中期约7.3ka BP以来持续高海面及相应的总体沉积动力过程密切相关,主要包括闽浙沿岸流将长江物质源源不断地向南输送和沉积过程、台湾暖流、上升流在其外侧的阻挡作用,以及下降流和穿刺锋的横向输运等动力控制因素。沉积物输运主要发生在冬季,冬季风导致海洋动力加强的作用功不可没,热带气旋-台风风暴对泥质体起到了一定助长与破坏的双重作用。由于该泥质沉积体的形成与季风和沿岸流的密切关系,在形成过程中打上了气候环境的烙印,是冬季风和夏季风演化记录的良好载体,近年来的研究成果很好地揭示了中晚全新世以来千年、百年、十年尺度甚至更高分辨率的气候演化历史及气候突变事件。该泥质沉积区对人类活动的响应也较敏感,自3.0ka BP以来对长江流域燃火变化以及历史上中国人口的几次大迁徙均显现在沉积记录中,特别是对近几十年,尤其是三峡水库蓄水以来,长江来沙的变化也有明显的响应。未来的研究需要进一步澄清泥质体形成发育过程不同阶段中长江、黄河、台湾、闽浙河流物质以及残留区物质的定量贡献及时空差异;深入了解人类活动的响应及环境记录研究;加强现代沉积动力过程的观测和精细的数值模拟研究,揭示泥质积区动力背景的空间差异性,这不仅是深化泥质沉积形成机制的需要,也可为古环境恢复提供科学支撑。     

东海陆架北部泥质区沉积动力过程的季节性变化

利用东海陆架北部泥质区（济州岛西南）及其周围不同季节５个航次的悬浮体资料和相应的底质粒度资料,对该泥质区沉积动力过程的季节性变化规律进行了分析。结果表明：东海陆架北部悬浮体的高含量区并不与该区的沉积中心（泥质区）相吻合,泥质区的形成需有物源的充沛供应和涡旋的动力效应相结合。泥质区沉积作用时空变化具有强烈的季节性。冬季泥质区悬浮体供应充足,涡旋中心向泥质区东南扩展,是本区接受悬浮体沉积的关键季节。夏、秋二季泥质区的大部分区域缺少悬浮体物源,涡旋中心向北退缩,致使泥质区沉积作用强度降低,并且主要影响泥质区的西北区域。春季泥质区沉积作用强度和影响范围大于夏、秋两季,但小于冬季。     

东海陆架泥质沉积作用

东海陆架有两大现代泥质沉积区:一是沿着闽浙沿岸分布的沿岸泥质区(以下简称沿岸泥质区);二是东海陆架东北部的济州岛西南外陆架泥质区(以下简称外陆架泥质区).这两个泥质区的现代沉积物直接覆盖在沿岸砂质沉积和陆架残留沉积物之上.陆架其余地区大部分被所谓残留砂所覆盖.关于东海陆架泥质沉积,已有许多人进行过研究,但是多数只限于物质来源和分布特征,而很少探讨过物质沉积过程.然而,查明泥质沉积机制及其控制因素,对沉积学的研究有一定的理论意义,而且还可能有实用意义.因此,作者利用中美海洋沉积作用联合研究的海上调查资料,结合以往各家的研究成果,通过对比分析悬浮体、浮泥及表层沉积物三者的成分和分布特征同水文条件的关系,试图阐明东海陆架泥的沉积作用及其环境意义.     

东海陆架浙-闽沿岸泥质沉积研究进展

比较全面的回顾了关于东海浙-闽沿岸泥质体以及其形成前的沉积演化历史、泥质沉积的物质来源及其东亚季风/古气候记录等方面的研究进展。分析了目前关于浙-闽沿岸沉积研究中所存在的问题,即,泥质体的物质来源与形成,长江入海历史的陆架沉积物记录,8.2 ka冷事件,年代框架调整及区域对比,代用指标指示意义等多方面问题。提出在东海浙-闽沿岸泥质区,我们需要更多高分辨率的钻孔进行综合研究,其中应该特别加强对泥质沉积物的研究,以期对海陆交界敏感地带的"源到汇"以及全球变化研究取得突破性进展。     

潮流场对渤、黄、东海陆架底质分布的控制作用

运用二维潮流数学模型，模拟了渤、黄、东海陆架的M2潮汐、潮流。结果表明，渤、黄、东海陆架的潮流有强弱之分以及往复流和旋转汉之别。在此基础上，计算了8种粒径沙的湖平均悬移输沙率、潮平均推移输沙以及相应的输沙率散度。根据输沙率散度的正负，划分了海底冲刷区与淤积区。根据不同粒径泥沙输沙率散度的相对大小，确定出海底的主要底质类型为砂质沉积、粉砂质泥沉积和以粉砂为主的混合沉积。计算结果表明，海底3种主要底负类型的分布格局与海底的冲淤格局以及与输沙率矢量的发散和聚合状况基本一致。在渤、黄、东海陆架，沙脊主要在强往复流区形成，沙席主要在强或较强的旋转流区形成，泥质沉积主要在弱潮流区形成。砂质沉积、泥质沉积以及混合沉积这3种主要底质类型并非孤立存在，而是受渤、黄、东海陆架潮流场控制而形成的一个完整的潮流沉积体系。渤、黄、东海陆架的砂质沉积与泥质沉积并非残留沉积，而是潮流沉积。在没有冷涡的情况下，黄、东海陆架的典型泥质沉积在弱潮流环境中同样可以形成，因此，认为冷涡并非黄、东海陆架典型泥质沉积形成的必要条件。     

渤海东部与黄海北部表层沉积物的粒度特征及其沉积环境

渤海东部和黄海北部表层沉积物粒度组成分析揭示,沉积物主要由砂、粉砂、粉砂质砂和砂质粉砂组成,部分海域出现含砾沉积物。总体分布表现为南细北粗、东西分带的特点,形成以平行岸线的条带状分布格局为主体的南北不同的镶嵌形态,由岸及海、由北向南呈现由粗到细的分布特征。沉积物分布主要受物质来源、地形以及海洋环流控制,根据沉积物成因划分出老铁山水道-辽东-渤中浅滩砂质沉积区、山东半岛沿岸流泥质沉积区、北黄海中部泥质沉积、南黄海中部泥质沉积区、西朝鲜湾潮流沙脊沉积区、渤海中部泥质沉积区,并讨论了不同沉积区的沉积环境。     

渤海东部与黄海北部表层沉积物的粒度特征及其沉积环境北大核心CSCD

渤海东部和黄海北部表层沉积物粒度组成分析揭示,沉积物主要由砂、粉砂、粉砂质砂和砂质粉砂组成,部分海域出现含砾沉积物。总体分布表现为南细北粗、东西分带的特点,形成以平行岸线的条带状分布格局为主体的南北不同的镶嵌形态,由岸及海、由北向南呈现由粗到细的分布特征。沉积物分布主要受物质来源、地形以及海洋环流控制,根据沉积物成因划分出老铁山水道-辽东-渤中浅滩砂质沉积区、山东半岛沿岸流泥质沉积区、北黄海中部泥质沉积、南黄海中部泥质沉积区、西朝鲜湾潮流沙脊沉积区、渤海中部泥质沉积区,并讨论了不同沉积区的沉积环境。     

东海内陆架泥质区百年来黏土矿物组成变化及其环境意义

东海内陆架泥质区是东海现代沉积的"汇",其中黏土组分是泥质区沉积物的重要组成部分。沉积物中黏土矿物组合是反映沉积区物质来源和搬运动力状况的良好指标。本文利用XRD方法分析了东海内陆架泥质区两根沉积物岩心中黏土矿物组成和含量变化,结合放射性年代标定,揭示了近百年来黏土矿物组成的演变特征,探讨了黏土矿物的来源及其含量变化的制约因素。结果表明:东海内陆架泥质区沉积物以长江来源物质为主,受黄河及瓯江等河流物质的影响;近百年来内陆架泥质区黏土矿物组合发生显著阶段性变化,它们是东亚季风强弱波动和长江入海悬沙减少的共同作用的结果。     

北黄海西部泥质区全新世以来沉积有机碳埋藏特征

北黄海西部泥质区沉积环境稳定、沉积记录连续,是重建过去周边流域变化与黄海海洋环境信息的良好载体。目前围绕北黄海西部泥质区沉积有机碳的研究工作多局限于通过表层沉积物揭示其现代分布特征,对于该泥质区长时间尺度沉积有机碳埋藏过程与机制的研究相对薄弱。通过北黄海西部泥质区W03岩芯的总有机碳指标,重建了全新世以来北黄海西部沉积有机碳的埋藏特征,探讨了气候及海洋环境变化对北黄海西部沉积有机碳埋藏的控制机制。研究表明：海平面上升的停滞期（10.3～9.8 cal.kaBP）,发育硬质黏土层,有机碳以陆源输入为主（60.7%）,动荡的沉积环境导致总有机碳含量相对较低,平均含量仅为0.22%;海平面上升期（9.8～7.0 cal.kaBP）,海源有机碳的贡献增加（47.7%）,相对稳定的沉积环境有利于该时期有机碳的埋藏;高海平面以来（7.0 cal.kaBP至今）,黄海环流体系逐渐形成,陆源有机碳输入随着东亚冬季风驱动的沿岸流强度变化发生相应的改变,海源有机碳的贡献继续增加（50.0%）,总有机碳的含量升高至0.58%。北黄海西部泥质区全新世以来沉积有机碳埋藏主要受控于海平面变化和海洋环流体系的运动。     

黄、渤海泥质沉积区现代沉积速率

利用α多道能谱仪对黄、渤海泥质沉积区岩芯的2 1 0 Pb放射性活度进行测定 ,并结合历史数据 ,对2 1 0 Pb放射性活度在岩芯中的垂向分布和现代沉积速率的平面分布进行了分析。研究区岩芯的2 1 0 Pb放射性活度垂向分布表现出 5种形式。从沉积速率来看 ,渤海东北部泥区、南黄海中部和东部泥区 ,以及北黄海中部泥区的沉积速率小于 0 .2cm/a ,为低速沉积区 ;黄河三角洲海域和莱州湾西部的沉积速率大于 1cm/a,为高速沉积区 ;山东半岛南部沿岸海域的沉积速率也较高 ;山东半岛成山头及苏北辐射沙脊群外缘海域的沉积速率为 0 ,属于无沉积区或侵蚀区。黄、渤海泥质沉积区现代沉积速率的分布特征的解释有待于沉积动力过程的深入分析     

东海陆架中北部沉积物粒度特征及其沉积环境

通过对东海陆架表层沉积物粒级组成、粒度参数、14C年龄和微体古生物组合的综合分析,绘制了东海陆架的沉积物类型分布图;运用Folk等(1970)沉积物分类方法将东海表层沉积物分成砂、粉砂、粉砂质砂、砂质粉砂、砂质泥5种类型,其中粉砂质砂分布最广,砂质泥分布最少;沉积物由陆向海粒度变粗,反映沉积过程中的物源和沉积动力控制作用。根据沉积环境及成因分析,可将东海陆架沉积分为3类:分别是长江口外席状砂沉积区、现代泥质沉积区和陆架中部砂质沉积区。长江口外砂质沉积是全新世冰消期晚期潮流作用及风暴潮流共同作用的产物,是高海平面以来太平洋潮波系统作用下的潮流沙沉积,沙波地貌仍在发生变化。现代泥质沉积区包括长江前三角洲沉积、浙闽沿岸流沉积和济州岛西南泥质沉积三个区域,不同沉积区的成因机制不同。陆架中部砂质沉积是末次冰盛期之后海侵作用下发育的砂质沉积物,在海侵的不同阶段中沉积物被冲刷改造,具有不等时性特征,沉积环境与现代陆架海洋环流的动力特征不一致,现代沉积作用较弱,仅接受悬浮体细粒沉积。     

南黄海冷涡沉积和通道沉积的发现

为解决南黄海及东海北部的沉积环境和物质来源问题,１９９２年５月对黄海和济州岛西南的泥质沉积进行了多方面调查和研究,发现济州岛西南、南黄海中部和北黄海西部泥质沉积区,分别与那里的冷涡活动区相对应。因此,这些泥质沉积应属于“冷涡沉积“;而在冷涡之间又出现连接它们的“通道“,形成了具有特殊结构的“通道沉积“,它分布于黄海暖流之下,呈南北向延伸。表明冷涡沉积和通道沉积是受控于冷涡、黄海暖流及其相关的环流体     

渤海及邻近海区表层沉积物粒度组成及沉积分区

通过渤海及邻域海区表层沉积物粒度实测数据,采用Folk三角图解分类方法,对比已有Shepard分类沉积物类型图对近岸的沉积物类型进行相应补充,编制沉积物类型图,并进行沉积分区。沉积物类型主要为砂质粉砂、粉砂质砂、砂质泥、泥质砂、粉砂和砂。根据沉积物类型分布特征、海洋环流、地形地貌及物质来源(入海河流物质影响程度),划分为4个沉积区,分别是辽东湾混合沉积区、渤海湾-莱州湾及周边泥质沉积区、老铁山水道-辽东-渤中浅滩砂质沉积区和北黄海西部泥质沉积区。渤海表层沉积物的分布受控于近源河流物质和海洋环流变化。渤海的潮流场控制泥沙输运,弱潮流区对应细颗粒沉积物沉降,强潮流控制区发育粗粒级潮流沙脊和沙席沉积。     

东海闽浙沿岸泥质区沉积特征与古环境记录

2007—2009年执行"我国近海海洋综合调查与评价"专项过程中,对东海闽浙沿岸泥质区进行了系统的底质调查,取得表层沉积物样品2949个、柱状沉积物样品148个。基于上述样品的研究,得到以下认识:(1)以6.5Φ粒径为界线详细划分出泥质区的分布范围,主要位于26°～29°N之间,水深90m以浅的区域。(2)粒径趋势分析结果表明泥质区现代沉积物总体趋势是由东北向西南运移,但研究区的两侧又稍有不同,均表现出明显的向外偏转趋势;南部闽江河口外沉积物运移模式大致表现为由河口向周围呈散射状的输运趋势,最北影响可到27°N附近。(3)泥质区黏土矿物可明显划分为2个组合区,Ⅰ区覆盖了从长江口到南部闽江口外的大片海域,富集伊利石(平均含量为64%),沉积物主要来自于长江;Ⅱ区主要集中在闽江口附近的小区域,富集高岭石和绿泥石(两者平均含量之和为50%),推断其沉积物可能主要来自于闽江。(4)常量元素的R型因子分析表明闽浙沿岸泥质区沉积主要以陆源碎屑沉积为主,伴有少量生物沉积。(5)利用210Pb法测试了研究区百年来沉积速率,结果表明闽浙沿岸泥质区近百年来沉积速率介于0.79～3.34cm/a之间,平均值为1.97cm/a,属于东海次高沉积强度区,明显低于长江口泥质区沉积速率。(6)对闽浙沿岸泥质区南部的MZ01孔进行了综合分析,恢复了中全新世以来泥质区的古环境演变过程,识别出10次极值事件,可能主要由东亚冬季风的增强所引起,推测中全新世以来泥质区东亚冬季风演化过程大致可以分为4个阶段:8400～6300aBP为季风较强且波动期、6300～3800aBP为季风较弱且稳定期、3800～1400aBP为季风高波动期、1400aBP以来为季风稳定增强期。     

近百年鸭绿江口常量元素沉积记录对物源变化的响应

为了解近百年来鸭绿江口常量元素的沉积记录对物源变化的响应,对采自鸭绿江西汊道的YLJ-40柱状样的21个样品进行了常量元素组成分析,为了对比的需要还测试了邻近浅海及各物源区56个表层沉积物中的常量元素。通过柱状样各层与各物源区的Q型聚类分析、常量元素的垂向变化分析及判别函数计算,表明西汊道的沉积记录分为上下2个沉积单元5个时段,这与前期的研究成果基本一致。另外,1932、1977、1983、1985、1995年发生在鸭绿江口的大洪水(或台风)在沉积记录中留有"痕迹",可以做为辅助定年时标与210 Pb测年相互印证。判别函数的分析结果证实柱状样下部单元为河流沉积,物质来源于鸭绿江;上部单元以海滩沉积为主,沉积物来自浅海或河流泥沙的再悬浮,偶有来自大洪水(或台风)等极端事件带来的鸭绿江河流沉积。