三峡大坝建坝前后长江水下三角洲及邻近陆架沉积速率变化_程鹏.pdf

第 卷第期 年月中 国 海 洋 大 学 学 报 （）：，三峡大坝建坝前后长江水下三角洲及邻近陆架沉积速率变化*程鹏，刘晶晶，张鑫，范德江，*（中国海洋大学海洋地球科学学院，山东 青岛 ；中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东 青岛 ）摘要：沉积速率是沉积物供给和沉积作用的综合结果，也是表征沉积环境状态的重要指标。本文基于长江水下三角洲及邻近海域收集及补充的 个放射性 数据，对数据进行同化处理并使用统一的方法重新估算了沉积速率，分析三峡大坝建成前后研究区沉积速率的变化，探讨了长江入海泥沙减少及性质的变异对河口三角洲冲淤的影响。结果显示，年之后长江水下三角洲及邻近陆架沉积速率明显降低，其中水下三角洲沉积速率由最高 降低到整体不足，而内陆架降幅较小由 降低到不足，水下三角洲还出现了局部无沉积的站位。年之后沉积体表层混合作用增强，混合层厚度从 增加到 。沉积速率改变主要受制于长江入海沉积物的通量的巨减以及沉积物颗粒的粗化，而沉积速率的改变促进了底栖生物发育从而导致混合作用增强。关键词：三峡大坝；沉积速率；混合层；生物扰动中图法分类号：文献标志码：文章编号：（）：引用格式：程鹏，刘晶晶，张鑫，等三峡大坝建坝前后长江水下三角洲及邻近陆架沉积速率变化中国海洋大学学报（自然科学版），（）：，（）：*基金项目：国家自然科学基金项目（）资助 （）收稿日期：；修订日期：作者简介：程鹏（），男，硕士，研究方向为海洋沉积学。：*通讯作者：长江是中国乃至亚洲最长的河流之一，其以高径流量（）高输沙量（）为典型特征。但是近一个世纪长江受人类活动的胁迫加剧，流域重大水利工程兴建数量呈直线升高的趋势，此后记录到长江入海泥沙供给锐减了近，特别是 年流域上游三峡大坝的运营造成了长江入海输沙量断崖式下跌。长江入海泥沙量锐减到 以下，引起中下游河道冲刷侵蚀，以及河口三角洲海洋动力相对增强、沉积作用减弱，其结果导致河口三角洲乃至内陆架沉积状态的系统改变。沉积体中放射性 同位素是表征现代沉积体由沉积到侵蚀状态变化的有效手段并得到广泛应用。前人也已经在长江口以及内陆架海域开展了大量的基于 的沉积速率测定，获得了不同时段大量的沉积速率成果数据。毫无疑问，长江水下三角洲以及内陆架不同时段获得的 剖面以及据此估算的沉积速率蕴含了该区沉积状态的变化信息，是了解三峡大坝建成前后沉积侵蚀状态改变的良好指标。三峡大坝于 年开始蓄水，水位从 年的 、到 年 、年 ，实现了设计蓄水目标，迄今已顺利运行了 年。前人研究发现，三峡截流以后对于下游河道乃至河口地区的影响具有明显滞后性 ，中下游河道及三角洲沉积体的沉积特征变化及河口三角洲沉积体由沉积向侵蚀的转变都是从 年才开始急剧变化的。本文的研究将围绕长江水下三角洲及邻近陆架，以 年为界划分两个阶段。系统收集两个阶段的 数据，并补充新的 数据，在数据同化、校正处理的基础上，通过过剩 （）剖面形态分析、沉积速率估算以及生物扰动状态的变化查明三峡大坝建成前后该海域沉积状态的改变，探讨沉积状态改变与重大人类活动之间的联系。研究区概况长江水下三角洲和东海内陆架属于沉积连续体，中国海洋大学学报 年沉积体厚度可达 。其中，长江水下三角洲沉积体厚度可达到，可以划分为三角洲前缘、前三角洲、过渡带等亚环境，沉积物主要为粉砂、粘土质粉砂，沉积速率高达 ，。东海内陆架沉积体呈带状北东向平行于浙闽沿岸发育，沉积体最厚可达，由北向南变薄，沉积物主要为粉砂质粘土，沉积速率由北 向 南 逐 渐 降 低，由 大 于 变 为 不 足。研究区现代沉积环境以近海流系发育为特色，计有长江冲淡水、浙闽沿岸流、台湾暖流等。这些流系受到东亚季风的影响，夏秋季节台湾暖流增强沿岸流会向北流动，冬春季节台湾暖流减弱沿岸流会沿岸南下。长江水下三角洲和东海内陆架泥质沉积体是末次冰期高海面以来逐渐沉积而成的，沉积物主要来自长江，并具有典型的季风控制下的“夏储冬输”的特点。夏季，长江入海水沙量巨大，入海沉积物主要沉积于水下三角洲；冬季，长江入海水沙减少，夏季沉积于三角洲之上的沉积物在冬季强劲风浪作用之下再悬浮，并被南向的浙闽沿岸流搬运到内陆架而沉积。长江入海沉积物在三角洲、内陆架两处分别占比 和 。数据来源和处理方法 数据来源本文对长江水下三角洲及其邻近内陆架已发表的 数据进行收集整理，并严格按照论文中所记录的沉积物岩心实际采取时间以 年为界划分前后两个阶段，并新增了部分未发表的 数据，三根岩心具体信息见表。岩心间隔 取样进行 年代测定，分析测试在中国科学院南京地理与湖泊研究所完成，方法同文献。本文岩心的 剖面如图所示。为探究 年前后长江水下三角洲及东海内陆架 剖面及初始活度变化特征，将收集的 数据划分 年前后两部分（见图），收集数据部分信息见表。表岩心站位信息表 站位 经度 纬度 水深 长度 日期 图岩心 剖面特征 数据处理和沉积速率计算文中对收集的过剩 （）数据处理包括数据化处理、单位同化、混合层判断和沉积速率重新计算等步骤。数据化处理前人发表的数据大多数为 剖面图像数据，为此，通过图像数据化方法进行精细的数据化，得到各个站位的 活度数据和对应的岩心深度数据。数据化处理时包含了对数据的精选，只选择数据分析测试质量高、剖面数据正常的站位。单位同化不同的学者 活度单位不同，既有，也有 和 ，本次研究统一处理成 ，且统一活度坐标为对数单位。因测试仪器不同导致 活度值差别较大，但计算显示不影响岩心 剖面垂向变化趋势、沉积速率计算与混合层判断，不影响本文结果分析。混合层判断长江口及邻近陆架沉积环境背景下，大多数 剖面的顶部 发育一层相对均匀或者是活度异常的层位，这可能是表层易受到强烈物理或者生物混合作用的结果，抑或是与两者综合作用有关。剖面形态，以均一段、近乎均一段、倒置等来判断混合层的厚度，混合层的存在，影响了沉积速率的估算，沉积速率的估算时混合层不列入计算。沉积速率估算岩心的沉积速率估算受到多种因素的干扰，计算方式也差别较大。岩心是否进行压实校正、岩心的拟合方式及岩心表层混合层是否去除等都对计算结果产生影响。为最大限度的减少误差，首先会对收集数据进行同化处理，并去除表层混合层的影响。其次，依据长江口和内陆架的沉积物来源、沉积作用特征，所有 剖面均采用恒定的初始浓度（）模式计算沉积速率，以利于减少误差和进行沉积速率数据对比。最后，对有明显分段的 剖面要分段计算各段的沉积速率，以便获得沉积体不同时段的沉积速率信息。期程鹏，等：三峡大坝建坝前后长江水下三角洲及邻近陆架沉积速率变化图 年前后岩心站位空间分布 表收集 数据信息表 岩心数 取样时间 采样方法 仪器 分析方法 数据来源 箱式 本文 箱式 箱式 重力柱 重力柱 重力柱 重力柱 箱式重力柱 重力柱 重力柱 箱式重力柱 重力柱 重力柱 重力柱 箱式重力柱 重力柱 箱式 重力柱 重力柱 重力柱 箱式重力柱 研究结果建坝前后 剖面变化将所有经同化处理后的岩心 剖面数据精选后重新绘图，年前后的 剖面分别如图和图所示，图中 剖面依据岩心的纬度坐标由北向南排布。年之前，长江水下三角洲及邻近东海内陆架沉积体中的 剖面总体上表现为常态衰变剖面，剖面中包含混合段、衰变段、背景段等，如若不考虑岩心中国海洋大学学报 年（蓝色阴影代表表层混合层的深度大小，红色虚线为拟合曲线，其他参数分别为岩心站位、沉积速率及相关系数。，）图 年以前 剖面特征图 期程鹏，等：三峡大坝建坝前后长江水下三角洲及邻近陆架沉积速率变化图 年之后 剖面特征图 中国海洋大学学报 年混合段则剖面组合形式为一段式或者两段式构成（见图）。一段式：剖面仅发育衰变段，未见背景段，如 、等站位；部分一段式剖面的顶部发育混合层，如 、等站位。一段式 剖面见于研究区南部，主要分布于浙闽沿岸泥质区，反映沉积环境和沉积物供给较为稳定的连续沉积状态。两段式：剖面由衰变段和本底段构成，如、等站位，部分两段式剖面的顶部发育混合层，如 、等站位。二段式剖面形式不仅见于长江水下三角洲，浙闽沿岸泥质区及内陆架区域的站位也有分布，与一段式指示的沉积作用相同，反映了相对稳定的沉积环境和较稳定沉积物供给的连续沉积状态，该时期沉积物岩心的表层 活度变化集中于 ，南部岩心的表层活度相对要更高。年之后，长江水下三角洲以及东海内陆架沉积体中 剖面发生了显著的改变，岩心剖面虽然都发育混合层、衰变段、背景段，但是组合形式发生了改变（见图），除了出现一段式、两段式外，也出现了近似一条直线的均一一段式剖面。一段式由衰变段构成，出现于 、等站位；两段式由衰变段和背景段构成，见于 、等站位。均一的一段式剖面 活度值为 ，明显低于该区岩心的初始 值，应属于背景段，主要出现在 、等站位，站位分布大多分布在长江河口地区，纬度分布则主要见于 以北。年之后的沉积物岩心表层 活度变化主要集中于 ，空间分布依然是南部岩心的表层 活度高于北部。除了一段式以及两段式剖面，年前后也都出现了部分多段式剖面，即剖面形态经过多次变化，年前如 和 等站位，年之后如 和 等站位，这往往代表沉积岩心所受物理或生物混合的周期性重复，或者是与研究区的沉积速率突变等有关。近似一条直线的一段式 剖面则比较特殊，这种剖面整段波动极小或者只有本底值，表明近百年沉积体被完全扰动混合或者没有沉积物堆积；背景一段式剖面分布于河口地区，它整段剖面的低 值揭示了该站位没有近期沉积，表明此种剖面代表岩心遭受了长期的冲刷侵蚀而处于侵蚀状态，在浙闽沿岸泥质区及内陆架稳定沉积环境则未见此种剖面。建坝前后混合层的改变柱状岩心表层混合层受控于其水动力变化以及生物扰动作用，是表征沉积环境状态的重要指标，它可以依据 活度剖面识别。图和图中用蓝色阴影厚度代表了岩心表层混合层的深度大小。年以前的 个岩心 剖面有约三分之一剖面发育表层混合层，混合层厚度介于 之间，平均厚度为，沉积岩心表层混合层厚度及空间分布密度呈由北向南逐渐减少的趋势。含有表层混合层的岩心主要分布于长江河口水下三角洲地区，而内陆架含有混合层的岩心则很少。河口水下三角洲的岩心 剖面混合层深度能达到 ，而内陆架的岩心混合层厚度一般不超过（见图）。图 年以前混合层空间分布特征 年之后，长江河口水下三角洲以及东海内陆架沉积岩心的 剖面表层混合层发生了显著的改变，表层混合层不仅深度变大，混合层的分布范围以及数量也都明显增加了。年之后的 个 剖面有近三分之二的剖面存在表层混合层，混合层厚度介于 之间，平均厚度能达到 ，沉积岩心表层混合层的厚度及空间分布密度同样呈由北向南逐渐衰减的趋势。年之后三角洲混合层深度最大甚至能达到 （站）。内陆架泥质区相比于河口三角洲沉积物供给大幅减少且沉积环境更为稳定，表层混合层平均深度约，最大能达到 （和 站），详细如图所示。年之后 剖面有多个站位的沉积速率已为，结果显示扰动较强的站位与沉积速率为的站位分布一致均处于三角洲前缘地区，沉积减缓与扰动增强说明 年之后河口三角洲地区沉积环境发生了较大的改变。建坝前后河口及内陆架沉积速率的改变沉积速率是沉积物供给和沉积作用的综合结果，亦是表征沉积环境状态的重要指标，。我们将收集的岩心重新计算沉积速率并绘制沉积速率空间分布等期程鹏，等：三峡大坝建坝前后长江水下三角洲及邻近陆架沉积速率变化值线图。图 年之后混合层空间分布特征 年以前，已有的研究主要聚焦于长江水下三角洲地区，相应的浙闽沿岸泥质区的研究成果较少。图（）显示 年以前沉积速率呈河口水下三角洲高内陆架低的空间分布格局，沉积速率的高值区主要是河口水下三角洲的泥质沉积中心，最高可达 。年以前三峡大坝建设的影响还未给近海沉积带来明显的影响，长江水下三角洲沉积体能得到大量陆源沉积物补充，岩心的沉积速率较大，大部分区域平均沉积速率大小约为，极少的区域沉积速率超过。远距离输送沉积到偏南部浙闽沿岸泥质带的沉积物有限，平均沉积速率介于。而内陆架的沉积速率则相对较低，岩心沉积速率不足。图的 剖面图显示长江水下三角洲地区岩心的的表层比活度要更高，而基本趋势是越往内陆架及更南部地区则表层 比活度越低。年之后沉积岩心的沉积速率发生了较大变化，但沉积速率的空间分