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2. 广州海洋地质调查局, 广东 广州 510075;
3. 中国地质大学 (武汉), 湖北 武汉 430074;
4. 同济大学, 上海 210092;
5. 南京师范大学, 江苏 南京 210023;
6. 中国海洋大学, 山东 青岛 266100
2. Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510075, China;
3. China University of Geosciences, Wuhan 430074, Hubei, China;
4. Tongji University, Shanghai 210092, China;
5. Nanjing Normal University, Nanjing 210023, Jiangsu, China;
6. Ocean University of China, Qingdao 266100, Shandong, China
沉积物粒度特征是沉积物的基本性质之一，是沉积物物源、地形地貌、水动力条件、搬运距离等综合作用的结果(Mclaren and Bowles, 1985; Gao et al., 1994; 高抒, 2001;殷志强等, 2008; 缪卫东等, 2016; Gao et al., 2019)，在沉积物粒度中包含了沉积物物源、搬运路径、气候环境等丰富信息。因而可以通过沉积物粒度组成、粒度参数及各种图解来分析影响沉积物粒度变化的环境因素，特别是沉积物所处的地形地貌、水动力条件和物源信息。
前人对中国海域表层沉积物粒度分布特征展开了大量研究，如对渤海(乔淑卿等, 2010; 王中波等, 2016; )、北黄海(王伟等, 2009; 张剑等, 2016; 方海超等, 2019)、南黄海(王中波等, 2008; 张晓东等, 2015; 汤世凯等, 2019)、东海(刘升发等, 2009; 王中波等, 2012; 窦衍光等, 2018;段晓勇等, 2019)、南海(邱燕等, 2008; 杨群慧等, 2013; 钟和贤等, 2013; 张晋等, 2016; 赵利等, 2016)等表层沉积物粒度组成及参数研究取得了丰富成果，但这些研究多集中在某一海域或区域，缺乏对整个中国海域的沉积类型宏观的系统认识，仅有少量研究对中国边缘海的沉积类型及沉积环境进行了探讨(刘锡清, 1990, 1996; 杨旭辉等, 2012)。此外，不同人员所开展的调查区域与所采用的分析方法存在一定的差异，如粒度的前处理以及测试方法(筛析法、沉降法、激光粒度法等)及测试精度的差异，求取沉积物粒度参数方法的差异，沉积物分类方法(Shepard与Folk分类)的差异，沉积物粒度参数定性描述术语的差异等，造成了不同海域粒度资料很难进行统一对比与整合的情形(杨旭辉等, 2012)。
本文基于中国地质调查局“1:100万海洋区域地质调查项目”获取的中国海域4300个海底表层沉积物样品，开展沉积物粒度分析，为中国海域沉积学的研究提供基础资料; 通过对粒度数据的分析，进一步了解中国海域海底沉积物的底质类型以及粒度参数受控的主要因素，并在此基础上探讨中国海域表层沉积物的分布规律和沉积分异模式。本成果为中国海洋沉积环境分析提供了基础资料，同时为研究中国海底砂矿分布提供了重要的参考数据。
2 材料与方法 2.1 样品采集中国地质调查局1:100万海洋区域地质调查项目对整个中国管辖海域进行了全覆盖调查，本文所用的表层样品都是采用箱式或抓斗取样器取得，一共4300个样品。样品采集方法按照《1:1 000 000海洋区域地质调查规范》(DZ/T 0247-2009)执行，绝大部分样品采集时间在6—10月，样品采集的网格间距约为20 km×20 km，部分区域加密或抽稀取样，将取得样品顶部5 cm样品装入塑料袋，并标识站位和样品号，样品密封保存。其中部分站位的粒度数据已经发表(邱燕等, 2008; 王中波等, 2008, 2012;杨群慧等, 2013; 钟和贤等, 2013; 王中波等, 2016;张剑等, 2016; 赵利等, 2016)。
2.2 分析方法粒度分析时，取适量沉积物样品，分别加入双氧水和稀盐酸进行前处理，以消除有机质和自生碳酸盐的影响，对于粒径小于2000 μm的样品，直接利用英国MALVERN公司产的Mastersizer 2000型激光粒度仪进行测试，测量范围为0.02~2000 μm，粒级分辨率为0.01 Φ，重复测试的相对误差 < 2%。对粒径大于2000 μm的部分，采用传统的筛析法分析(1Φ间隔)，最后利用粒度仪自带软件的仿真程序得到完整的粒度组成。对于典型的深海沉积(水深大于3000 m)，用目镜半定量鉴定分析沉积物涂片中的物质组分(生物和非生物组分，钙质生物和硅质生物组分)、非生物组分的颗粒大小(粒度结构)，鉴定分析沉积物中的黏土、硅质生物、钙质生物这三者的百分含量。
2.3 粒度参数的计算粒度参数采用福克-沃德(Folk, 2010)提出的4种参数，分别是平均粒径(Mz)、标准偏差(σI)、偏态(SKI)和峰态(KG)。Mz是沉积物的主要粒度特征参数，指示了沉积物粒径频率分布的中心趋向，大小反映了沉积物的平均动能情况。标准偏差(σI)是沉积物粒径的分选程度，即颗粒大小的均匀性，若粒级小，主要粒级很突出，百分含量高，分选就好，标准偏差就小; 反之，粒级分布范围很广，主要粒级不突出，甚至是双峰或者多峰沉积物，则分选就差，标准偏差数值就大。偏态(SkI)是一个对沉积环境很灵敏的指标，反映沉积过程中能量的变异。峰态(KG)是用来测量频率曲线两段的分选与曲线中央分选的比率。
计算公式如下：
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陆源碎屑沉积物的命名参照Folk(2010)沉积物分类方法，即按粒度含量的三角形命名方法，Folk法将含砾的沉积物和不含砾的沉积物分别进行命名(图 1)。
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图 1 沉积物三角形分类图解(据Folk, 2010) a—含砾碎屑沉积物的分类: G—砾; sG—砂质砾; msG—泥质砂质砾; mG—泥质砾; gS—砾质砂; gmS—砾质泥质砂; gM—砾质泥; (g)S—含砾砂; (g)mS—含砾泥质砂; (g)M—含砾泥; S—砂; mS—泥质砂; sM—砂质泥; M—泥; b—不含砾碎屑沉积物的分类: S—砂; zS—粉砂质砂; mS—泥质砂; cS—黏土质砂; sZ—砂质粉砂; sM—砂质泥; sC—砂质黏土; Z—粉砂; M—泥; C—黏土 Fig. 1 Sediment triangulation diagram (after Folk, 2010) a-Classification of gravelly clastic sediments: G-Gravel; sG-Sandy gravel; msG-Argillaceous sandy gravel; mG- Argillaceous gravel; gS-Gravelly sand; gmS -Gravelly argillaceous sand; gM- Gravelly mud; (g)S-Gravelly sand; (g)mS-Gravelly argillaceous sand; (g)M-Gravelly mud; S-Sand; ms-Argillaceous sand; sM-Sandy mud; M-Mud; b-Classification of gravel free clastic sediments: S-Sand; zS-Silty sand; mS- Argillaceous sand; cS - Clayey sand; SZ - Sandy silt; sM-Sandy mud; sC- Sandy clay; Z-Silt; M-Mud; C-Clay |
对于大于3000 m的沉积物，目前中国使用的海洋调查规范把深海沉积物分为26种沉积物(Dean et al., 1985; 中国国家标准化管理委员会, 2007)，其种类繁多，混合沉积物分类不明确，每种沉积物的图形和量变指标不相同，实际使用非常困难。近些年，也有中国学者提出了自己的分类办法，如将深海沉积物细分为4类16种沉积物(张富元等, 2010)。本文采用的深海远洋沉积物分类命名方案(Berger, 1974)(表 1)，主要包括远洋黏土和软泥两大类10种沉积物，达到基本了解深海沉积物类型与分布的目的。远洋黏土命名规则为CaCO3和硅质生物化石 > 1%时参加命名; CaCO3含量1%~10%，为含钙质黏土; CaCO3含量10%~30%，为钙质黏土; 硅质化石含量1%~10%，为含硅质黏土; 硅质化石含量10%~30%，为硅质黏土; 当CaCO3含量和硅质化石含量均可参加命名时，则采用混合命名，如CaCO3含量5%，硅质化石4%，命名为含硅质含钙质黏土。软泥的命名规则是当沉积物中CaCO3含量或硅质化石含量 > 30%时参加命名，CaCO3含量 > 30%但<2/3，为钙质软泥，CaCO3含量 < 30%硅质化石含量 > 30%，为硅质软泥(藻软泥或放射虫软泥)。
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表 1 水深大于3000 m沉积物分类(据Berger, 1974) Table 1 Classification of sediments in water depth greater than 3000 m (after Berger, 1974) |
根据沉积物分类命名方案，按照1:100万比例尺编制了中国海域沉积物类型图。本文中将原图进行了简化，展示了主要的沉积物类型分布特征(图 2)，部分沉积物类型仅在非常小的区域分布，在本文中不予讨论。从图 3中可以看出主要沉积物类型的分布特征如下：
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图 2 沉积物类型分布图(图例见正文) Fig. 2 Sediment type distribution map(see text for legend) |
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图 3 表层沉积物不同粒级组分(a—砂，b—粉砂，c—黏土)百分含量分布 Fig. 3 Surface sediment percentage distribution of components of different grain sizes (a-sand, b-silty sand, c-clay) |
在水深 < 3 000 m的陆架和陆坡区域，按照Folk沉积物类型命名方法，分为含砾沉积物和不含砾沉积物两大类。
(1) 含砾沉积物类型
中国海域内的砾石沉积物基本上分布在陆架区，主要分布的有5种：砾质砂(gS)、含砾泥((g) M)、泥质砂质砾(msG)、含砾泥质砂((g)mS)、含砾砂((g)S)。含砾沉积物集中分布在废黄河口外、台湾海峡、南海北部陆架以及巽他陆架区，另外在渤海的老铁山水道附近以及海洲湾近岸也有一定的分布。
总体来看，整个中国海域砾石含量分布规模较小，含砾石沉积物类型组合变化较大且混杂分布，没有形成大规模的沉积区。
(2) 不含砾沉积物类型
不含砾表层沉积物主要可以分成7种，分别是砂(S)、粉砂(Z)、泥质砂(mS)、粉砂质砂(zS)、砂质泥(sM)、砂质粉砂(sZ)、泥(M)。
中国海域内分布面积最广的是砂质粉砂，最集中的一块区域位于南海东南部海域，即吕宋岛和巴拉望岛的西部陆坡，其他的多分布在近岸陆架区。粉砂在中国海域的分布面积仅次于砂质粉砂，分布范围最广的在闽浙沿岸的东海内陆架内，而在南黄海泥质区，粉砂为主要组成部分，另外还有泥、砂质粉砂等多种沉积物类型组合。粉砂质砂在东部海域的分布面积明显大于南海海域，在东部海域主要集中分布于32°N以南，28°E以北的东海外陆架区; 块状分布于辽东湾的西部以及渤海海峡的中部，在海洲湾中部地区、苏北浅滩区以及长江口东部海域也有一定面积的粉砂质砂分布; 在近岸地区与砂质粉砂交替出现。砂主要分布于100 m等深线以东的东海外陆架区，也就是所谓的“残留砂”; 北黄海中西部以及江苏岸外的潮流沙脊区有集中分布; 台湾海峡的中南部、中南半岛的东部近岸海域也有一定规模的砂沉积区。泥主要大面积集中分布于南海的西南部陆坡海域，在东部海域主要出现在山东半岛南部近岸以及南黄海中部的泥质区的小块区域。砂质泥和泥质砂主要呈零星小斑块状分布在中国海域的陆架区域，砂质泥和泥质砂这两种沉积物多伴生在一起。
3.1.2 深海沉积(水深 > 3000 m)在水深 > 3000 m的南海海盆区域，沉积物既有陆源碎屑，又有生物源沉积。按照上述的分类原则，主要划分为以下9种类型：含钙质黏土(C(Ca))、钙质黏土(CCa)、含硅质黏土(C(Si))、硅质黏土(CSi)、硅质钙质黏土(CSiCa)、含硅质钙质黏土(C(Si)Ca)、含钙质硅质黏土(C(Ca)Si)、含钙质钙质黏土(C(Ca)Ca)和硅质软泥(OSi)。其中含硅质黏土(C(Si))和含硅质钙质黏土(C(SiCa))分布最为广泛。
3.2 沉积物不同粒级组分分布特征 3.2.1 砾石组分中国海域大部分站位不含砾石，即使含砾石的站位，其含量大部分也在20%以下。主要分布在以下几个区域：渤海海峡老铁山水道附近海域; 辽东湾西部近岸海域; 山东与江苏交界处的复洲湾内、台湾海峡西岸的福建省沿岸; 南海砾石含量最高值位于南海西部陆架南部海域，主要分布于南海北部陆架东北部和中部、台湾浅滩、东沙群岛、海南岛周围、北部湾中部、南海北部陆坡北部边缘、南沙岛坡西南部、巽他陆架北部海域，局部分布于南海西部陆坡南部、中沙群岛、南沙群岛南部、台西南岛坡、南海海盆西南部海域，其余海域极罕见。
3.2.2 砂组分中国海域砂含量的分布(图 3a)显示，中国海域的砂含量高值区从东海外陆架的大面积海域沿海岸线穿过台湾海峡至南海北部陆架，一直延伸到海南岛的东部海域。砂的含量普遍高于60%，尤其在东海外陆架的东南部海域以及台湾浅滩地区，砂含量普遍高于80%，有的区域高达100%;位于北黄海东部靠近朝鲜半岛一侧和长江口东部外海以及南海的巽他陆架北部区域，含砂量也普遍高于80%以上，但是分布面积较小。南黄海的海洲湾东部和苏北浅滩的外侧海区，渤海湾内的渤中浅滩、滦河口外近岸海域以及辽东浅滩、南海的南沙群岛的东北部海域沉积物含砂含量也较高的地区，最高含量也可达60%以上。
3.2.3 粉砂组分中国海域粉砂含量的分布趋势(图 3b)正好与砂含量分布趋势相反。整体来看，中国东部海域的粉砂含量为0~100%。含量高值区分布较为分散，主要分布在南黄海中部泥质区、闽浙沿岸泥质区和渤海湾泥质区内，大部分区域含量超过60%以上; 南海的粉砂含量高值区较为集中，大部分海域粉砂含量超过40%，其中接近一半的区域粉砂含量超过60%，包括南海北部陆坡、南海西部陆坡、南沙陆坡海域，南海海盆海域以及南海北部红海湾到雷州湾沿岸陆架海域; 在整个中国海域粉砂含量最高的区域位于台湾岛以东琉球岛坡南部海域以及菲律宾海盆西北部局部海域，这些区域的粉砂平均含量可高达80%以上。东海外陆架、长江口东部外海以及北黄海东部靠近朝鲜半岛一侧区域、台湾浅滩、南海北部陆架东北部以及巽他陆架北部为整个调查区粉砂含量最低的海域，大范围地区粉砂含量小于20%。
3.2.4 黏土组分从中国海域黏土含量的分布(图 3c)。可以看出，黏土含量的分布趋势与粉砂含量趋势较为一致，与砂含量的分布趋势相反。整体看来，中国东部海域粉砂含量的变化幅度较粉砂较小，介于0~ 60%。黏土含量的高值区集中分布在南海的西南部的大面积海域以及台湾岛东南部的菲律宾海盆区域，平均含量值超过30%，有些区域甚至达到40%以上; 而在东部海域的陆架区仅在南黄海中部和东海内陆架的小范围区域存在黏土含量超过30%的高值区。砂含量的高值区对应黏土含量的低值区，在砂含量值最高的东海外陆架、长江口东部外海以及北黄海东部靠近朝鲜半岛一侧区域、台湾浅滩、南海北部陆架东北部以及巽他陆架北部，这些区域的黏土含量不超过10%，有的区域甚至没有黏土分布。
3.3 沉积物粒度参数分布特征 3.3.1 平均粒径调查区的平均粒径在0~8.0 Φ变化(图 4a)。粒径低值区主要分布在台湾海峡东南部的台湾浅滩，其次是南海北部陆架区和东海外陆架的沉积物，平均粒径小于3.0 Φ，这些地区的沉积物类型以砾石和砂为主。平均粒径高值区在东部主要分布在闽浙沿岸泥质区、南黄海泥质区、渤海湾泥质区以及冲绳海槽泥质区; 在南海，水深大于500 m的陆坡区和深海盆区的表层沉积物的平均粒径较细，在6 ~ 8 Φ之间变化。
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图 4 表层沉积物粒度参数等值线 a—平均粒径; b—标准偏差; c—偏度; d—峰度 Fig. 4 Contours of surface sediment grain size parameters a-Average particle size(Mz); b-Standard deviation(σI); c-Skewness(SkI); d-Kurtosis(KG) |
中国海域的沉积物的标准偏差指示的分选程度主要为分选较差和分选差(图 4b)，其中在东部陆架的近岸区以及南海中部的大部分区域分选程度较差; 南海北部陆架、南海中东部的巴拉望岛以西海域以及中国东部海域的中部陆架区，分选程度为差; 分选好或较好的区域仅在东海外陆架以及台湾浅滩有小面积分布，这两个区域的沉积物以残留砂为主，粒径较粗，分选程度较好。
3.3.3 偏度东部海域偏度分布较为复杂，以极正偏和近对称分布为主(图 4c)，极正偏的海域沉积物多以砂质沉积为主，南黄海中南部海域沉积物偏度为极负偏-负偏，粒径偏细，以粉砂和黏土为主; 而在南海海域，绝大部分区域的偏度为近对称分布，仅在台湾海峡以及海南岛的西北部近岸区域有正偏和极正偏分布。
3.3.4 峰度中国海域沉积物的峰度分布具有陆架区复杂，陆坡和深海盆较为单一的特点(图 4d)。东部海域的近岸区峰态中等，在南黄海和东海北部越往外陆架区峰度有变平坦的趋势; 峰度最尖锐的区域分布在东海外陆架区。在南海北部陆架区，海南岛周边及东部海域峰度主要为平坦-很平坦，珠江入海口和台湾海峡之间的近岸区峰态较为尖锐; 广大的南海陆坡及海盆区峰态基本无变化，为中等峰态。
4 讨论 4.1 沉积物粒度的主要控制因素物源和水动力条件是影响海洋沉积物分布格局的最重要两个因素，其中物源是海陆相互作用和气候变化的物质表现，水动力是沉积物搬运路径的基础(何起祥等, 2011; 李亮等, 2017)。此外，海底地形也是影响沉积物分布格局的因素(秦亚超等, 2017)。
4.1.1 物源众多的河流注入中国东部陆架，这些河流平均每年入海输沙量超过12亿t (Chu et al., 2009)，这些河流输入的大量陆源碎屑物质直接影响到整个东部陆架的沉积作用(Chu et al., 2006)。一般认为东部陆架现代细颗粒沉积物主要来自于长江与黄河(老黄河)的物质输入(Milliman et al., 1985)。中国东部陆架区的细颗粒泥质沉积区主要位于渤海黄河口外、辽东湾北部浅滩、南黄海中部泥质区、苏北老黄河口外泥质区以及长江口外—浙江沿岸的东海内陆架泥质区(图 4c)。由于黄河口外泥质区邻近黄河，苏北老黄河口外泥质区邻近老黄河，长江口外泥质区邻近长江，从邻近物源的角度推断这些泥质沉积很可能受到这些河流的控制，应主要属于这些河流水下三角洲部分的前三角洲亚相(杨旭辉等, 2012)。从中国海域沉积物类型分布图(图 2)上可以看出，在海洲湾、东海外陆架、台湾海峡以及南海外陆架等存在大规模的陆源碎屑砂质沉积区，这些区域的沉积类型与现代水动力条件和物质来源不符，据研究这是晚更新世低海面时期形成的残留沉积，后经现代水动力改造而形成了现在的分布特征(Saito et al., 1998)。在东海外陆架区，既无强劲的水动力条件，也无充足的砂质沉积物来源，却形成了中国海域范围最大的砂质沉积物分布区，其成因是晚更新世低海平面时期形成的滨岸带沉积，不仅沉积物粒径较粗且发育有贝壳堤(Wu et al., 2006)。台湾海峡海域，常年水动力强劲，沉积物粒度较粗，来源包括来自福建和台湾省河流的入海泥沙、海峡两岸的侵蚀和剥蚀物质，台湾海峡晚更新世残留物及部分自生矿物等(方建勇等, 2012)。
每年由河流注入南海的陆源碎屑沉积物超过6亿t(Milliman and Meade, 1983; Milliman and Syvitski, 1992; 黄维和汪品先, 2007)，主要河流有：北部韩江和珠江、西部红河、西南部湄公河，南部加里曼岛上的拉让河等，除湄公河外，其他均为短源性河流。南海北部陆架珠江口及粤东近岸沉积区物质来源主要是珠江、韩江等河流输运物质及近岸基岩风化、岛屿剥蚀作用产物为主，少量东沙群岛海底冲刷剥蚀物; 台湾浅滩及珠江古三角洲残留沉积区，以晚更新世的残留沉积为主，同时可能接受了少量现代沉积物质。此外，在两个区之间还存在混合沉积区域，为珠江和台湾浅滩的混合陆源沉积物质为主(赵利等, 2016)。前人研究资料表明，南海南部的外陆架区主要为残留沉积作用区(吴时国和罗又郎, 1994; Wang and Li, 2009)，冰期低海平面时期巽他陆架大部分暴露或处于潮间带(Wang and Wang, 1990)，古巽他等河流沉积物直接沉积于巽他陆架上，强水动力条件作用下，细粒黏土被带走，剩下较粗的稳定碎屑物质，属近源沉积; 冰后期随着海平面上升，逐渐沉积以悬移方式搬运的粉砂和黏土为主的远源沉积物，形成了现代沉积与残留沉积的混合区(Pelejero et al., 1999; Wang, 1999)。因河流带来的陆源物质的影响，南海陆架区和上陆坡区主要沉积陆源碎屑沉积物和少量陆源碎屑-生物源沉积物; 下陆坡区由于陆源稀释作用逐渐减少，沉积物中生物的含量大大增加，分布陆源碎屑-生物源沉积为主的沉积物类型。岛礁附近的生物生产力较高，则主要为生物碎屑沉积，因此南海岛礁附近海域碳酸钙含量较高，珊瑚碎屑、有孔虫等为主要的物源。深海盆由于远离河流入海口，受其影响甚微，随着水深的增加，生物含量也发生变化，钙质生物大部分溶解，硅质生物较多。南海作为西太平洋一个较大的热带边缘海，沉积物类型和整个太平洋相似，根据水深的变化，具有从陆源碎屑到钙质沉积、硅质沉积和深海黏土沉积的完整系列(刘锡清, 1996)。
4.1.2 水动力东部陆架海的主要流系，暖流系统主要包括台湾暖流与黑潮及其分支黄海暖流及对马暖流，沿岸流系统主要包括闽浙沿岸流、苏北沿岸流、山东半岛沿岸流与朝鲜半岛西部沿岸流等; 此外，还可识别出渤海海峡“北进南出”的流场分布(图 5a)。受山东半岛沿岸流的影响，黄河入海的部分泥沙经过莱州湾沿山东半岛北部往南黄海输送，从而沉积从黄河口外绕山东半岛至南黄海中部分布的细颗粒沉积物; 少量或微量夹杂着苏北老黄河口外的再悬浮物质可能越过长江口继续往南面的东海输运。东海陆架沿岸流的流向有随季节变化的特点，其中流向变化最明显的是闽浙沿岸流与苏北沿岸流，即在夏季因东南季风盛行流向北，而在冬季由于偏北风盛行而向南运移。考虑到东部陆架海悬浮体具有“夏储冬输”的沉积物输运格局(杨作升等, 1992)，长江入海的部分泥沙在冬季主要随着闽浙沿岸流往南输运，并受到北上的台湾暖流影响，即在相反流向的2个流系分界附近存在1个南北向的狭长的弱海流区，从而沉积浙江沿岸细颗粒沉积物(图 4c)。东部陆架区内细颗粒沉积物大致沿等深线分布，但南黄海中部与北黄河西部泥质沉积区例外(图 4c)，二者位于地形起伏较大的斜坡上。在南黄海中部，黄海暖流与山东半岛沿岸流及苏北沿岸流等流系形成了1个中尺度的逆时针海水涡旋; 在北黄海西部，北部的黄海环流余脉与南部的山东半岛沿岸流形成一海水涡旋。涡旋内部水动力较弱，从而搬运沉积了细颗粒的泥质沉积(Hu, 1984)。在位于渤海海峡北部老铁山水道附近与长江口外20~ 50 m水深的扬子浅滩上，这些站位所在的海域水动力较强，主要沉积了砂质粗颗粒物质(图 4a)。
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图 5 中国海域主要表层海流分布(a, 修改自Bao et al., 2018; b, 修改自Wang and Li, 2009) Fig. 5 The distribution of main surface currents in China's sea areas (a, modified from Bao et al., 2018; b, modified from Wang and Li, 2009) |
低海平面时期(末次盛冰期)，陆架及坡折区沉积物主要来源于古巽他等河流沉积物，洋流的影响仅限于陆坡区; 而现今南海主要受东亚季风的影响形成不同的环流(图 5b)，来源于河流的粗粒沉积物大多数沉积于河口近岸区，只有少数河流输运的悬浮组分(粉砂和黏土)可以随洋流搬运到更远的陆坡乃至深海(Liu et al., 2011)，而受季风驱动的南海洋流是远源搬运的主要动力，洋流对南海的表层沉积物的分布格局起着重要作用。除表层洋流，南海的深水底流和重力流也对沉积物的沉积格局起到重要作用。1994年德国太阳号“Sonne95”航次首次在中国南海北部陆坡取得1315 cm长的岩心柱(SO17940)，40 ka以来沉积速率达33 cm/ka(Wang, 1999a)。1999年ODP184航次在南海北部更取得51900 cm的连续柱状岩心(ODP1144孔)，1050 ka以来平均沉积速率高达49 cm/ka(邵磊等, 2001)。2005年在南海开展的Marco-Polo航次中从该海区获取1192 cm长的箱式柱状岩心(MD05-2905), 其12 ka来沉积速率更是高达97 cm/ka(杨文光等, 2007)，是南海目前所知沉积速率最高的海区，沉积速率在全球深海沉积中也十分罕见。研究结果表明南海北部陆坡区存在NE-SW向的深水底流搬运沉积作用，使源自南海北部地区的陆源物质大致沿陆坡等深线位置由东北向西南方向搬运，沿途形成水道以及水道边侧断续分布的高沉积速率堆积体，深水底流的源头极有可能是侵入南海的西太洋流在科氏力的作用下演变而来, 造成南海北部深海区复杂的搬运沉积格局, 也揭示了南海深水沉积物源的多样性、复杂性(邵磊等, 2007)。在南海西南部巽他陆坡底部深水区的MD05-2895柱状样发现了数层保存完好的浊流沉积，认为主要来自末次冰期时海平面快速变化形成的快速沉积(赵玉龙等, 2011)。在南海东部，北部陆坡区、中部深海区和南部陆坡区的柱状样中也都发现了正递层理和浊流沉积特征(张富元等, 2003; 李梦君等, 2019)。本次研究发现在南海西南深海盆水深超过4000 m的深海海域(图 6)，有粗粒的砾石分布，可见该海域有异常的沉积环境存在，推测该海域可能有现代深水浊流的存在。
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图 6 南海表层沉积物砾石百分含量分布图(红框内为水深4000 m的砾石区) Fig. 6 Gravel percentage distribution map of surface sediments in the South China Sea (gravel area with a water depth of 4000m shown in the red box) |
中国海域覆盖了大陆架、陆坡以及深海盆等多种地貌。中国东部海域大部分地区为平坦宽阔的大陆架地貌，仅在东海的冲绳海槽附近存在陆坡地貌及浅海盆地貌; 东部陆架区以及边缘主要以粗粒的砂砾质和粉砂质沉积物为主(图 2)，沉积物类型多样，其中粉砂质砂、粉砂、砂质粉砂是陆架区最主要的沉积物类型，其分布范围覆盖渤海、黄海以及东海的大部分海区。沉积物类型分布图(图 2)显示，由于受地形、地貌的影响，东部海域沉积类型沿着等深线呈不规则条带状分布。
南海陆架较东部海域窄，位于200 m水深之内，南北向狭长，东西向略窄，为浅海沉积环境; 陆坡地貌占大部分，北、西、南都分布不同坡度的陆坡地形，西、东部陡、北部和南部较缓，为陆坡、半深海沉积环境。西北次海盆水深位于3400~4200 m，东部次海盆水深大致为4000~4700 m，西南次海盆水深大致为4000~4400 m为下陆坡和深海盆沉积环境。图 3显示陆坡区主要分布细粒沉积物，泥、粉砂、砂质粉砂、砂质泥分布极为广泛。粗粒沉积物分布面积较小，均呈斑块局部分布，一般分布在水动力较强海域。南海海盆区的硅质黏土(C(Si))、含硅质含钙质黏土(C(SiCa))、砂质粉砂分布广泛，含钙质黏土(C(Ca))、含钙质硅质黏土(C(Ca)Si)、含硅质钙质黏土(C(Si)Ca)、硅质黏土(CSi)分布较广泛，钙质黏土(CCa)、硅质钙质黏土(CSiCa)、硅质软泥(OSi)、砂质泥(sM)、砂质粉砂(sZ)、含砾泥((g)M)、砂(S)局部分布。沉积物类型分布图(图 2)显示，由于受地形、地貌的影响，南海沉积类型较明显呈不规则环带状分布。
4.2 中国海域表层沉积物的沉积分异模式中国东部陆架底质沉积物类型分布的基本格局，是在砂质沉积区的背景上分布着呈斑块状发育的泥质沉积区(刘锡清, 1990)。广泛分布的东海陆架砂质沉积物主要形成于末次冰期的海退时期，是在冰后期的海流改造下形成的以砂为主的残留沉积体(Saito et al., 1998)，而北黄海北部西朝鲜湾与南黄海苏北浅滩等的砂质沉积均为现代潮流沙脊群(李广雪等, 2005)。东部陆架细粒沉积区是全新世高海面以来的沉积物堆积中心，是大型河流搬运的沉积物主要的“汇”(李军等, 2012)。总而言之，东部陆架海的沉积物以大型河流输入的陆源碎屑为主，在东部海域的泥质区表现为现代沉积速率高，而在广泛发育的东海外陆架砂质沉积区现代沉积速率很低，现代沉积物很难保留，东部海域沉积总体表现为“大江大河-陆源碎屑-条带状-慢速沉积(东海外陆架)”的沉积分异模式。
南海由大陆架向海盆中心方向，陆源碎屑粒度变细，沉积速率相对变小，沉积厚度变薄。相应的底质类型也由细砂、粉砂、粉砂质黏土，变为深海黏土。而生物组分在南海深海的沉积物中占有重要地位，决定沉积作用的一些生物地球化学因素，明显受海水深度控制。南海中央海盆沉积由浅到深具有钙质生物沉积、硅质生物沉积和深海黏土的完整系列。整个南海沉积物沉积总体表现为“短源河流-混合物源-环状分布-快速沉积(深水底流、重力流)”的沉积分异模式。
5 粒度特征对中国海域海底砂矿分布的指示意义海砂是目前海洋固体矿产中开采最广泛、利用最多的矿产资源，已成为仅次于石油天然气的第二大海洋矿产。中国海域沿海分布着漫长的海岸线，所属海域陆架宽广，蕴藏着较为丰富的海洋砂矿资源。海洋砂矿一般按照重矿物成矿环境可分为滨海砂矿和浅海砂矿(谭启新，1998)。全国现已探明具工业价值的滨海砂矿矿种有钛铁矿、金红石、锆英石、磷钇矿、独居石、磁铁矿、锡砂矿、铬铁矿、铌铁矿、钽铁矿、砂金、玻璃用石英砂、金刚石、砷铂矿等，主要分布于海南岛、辽宁、山东、广东、广西、福建和台湾临近海域(孙岩和韩昌甫, 1999; 黄龙等, 2012; 潘燕俊等, 2017)。此外，建筑用海砂也是重要的海洋资源。海洋砂砾石(即海砂)，是指分布于海岸线和浅海陆架区域，以中砂和粗砂为主，包括部分细砂和砾石的砂质堆积。砂体类型主要有岸外沙脊(砂堤)体系、潮流沙脊/沙席体系、进积三角洲和滨海平原体系、古海进沙席、古滨岸沉积及残留砂等等，其成因和分布与近海沉积过程或水动力过程密切相关。中国海域用于建筑用途的海洋砂砾石资源包括细砂、中砂、粗砂和砾质粗砂等。建筑用砂评价不仅受沉积物粒级方面的制约，而且还需要满足沉积物颗粒级配、化学组成、含泥量、泥块含量和有害物质(云母、轻物质、有机物、硫化物及硫酸盐、氯盐)等方面的评价标准要求。
本研究主要基于小比例尺(1:100万)的海洋区域调查项目实测海底表层沉积物的粒度分析数据为标准，其目的主要是圈定广义的、具有产出可能的建筑用海砂资源潜力区，而非实际可供开采的建筑用砂砾石资源。本次评价依据表层沉积物粒度分析结果4300组，绘制了中国海域表层沉积物的砂质(粒径大于63 μm)百分含量分布图(图 3a)与平均粒径分布图(图 4a)。根据中国海域底质沉积物平均粒径和砂质(粒径大于63 μm)百分含量揭示的分布特征来看，海域粗粒沉积物(海砂)可以确定为9个主要的分布区，它们分别是：渤海辽东湾砂质沉积区、北黄海东部中细砂、细砂沉积区、海州湾中部砂质沉积区、苏北浅滩砂质沉积、长江口外大沙滩、东海外陆架砂质沉积区、台湾浅滩及海峡砂质堆积、南海北部陆架砂质区和海南岛周边砂质沉积区，这些区域将成为建筑用海砂的主要分布区域。
6 结论对在中国管辖海域获取的4300个表层沉积物样品，开展了粒度测试分析，基于Folk分类法划分了研究区沉积物类型，初步讨论了物源、水动力条件和地形地貌对沉积物分布格局的影响。
(1) 中国海域内的砾石沉积物基本上分布在陆架区，主要分布的有5种：砾质砂(gS)、含砾泥((g) M)、泥质砂质砾(msG)、含砾泥质砂((g)mS)、含砾砂((g)S)。整个中国海域砾石含量分布规模较小，含砾石沉积物类型组合变化较大且混杂分布，没有形成大规模的沉积区。不含砾表层沉积物主要可以分成7种，分别是砂(S)、粉砂(Z)、泥质砂(mS)、粉砂质砂(zS)、砂质泥(sM)、砂质粉砂(sZ)，泥(M)，中国海域内分布面积最广的是砂质粉砂。
(2) 南海中央海盆沉积物既有陆源碎屑，又有生物源沉积。主要划分为9种类型：含钙质黏土(C(Ca))、钙质黏土(CCa)、含硅质黏土(C(Si))、硅质黏土(CSi)、硅质钙质黏土(CSiCa)、含硅质钙质黏土(C(Si)Ca)、含钙质硅质黏土(C(Ca)Si)、含钙质钙质黏土(C(Ca)Ca)和硅质软泥(OSi)。南海深海沉积由浅到深具有钙质生物沉积、硅质生物沉积和深海黏土的完整系列。
(3) 表层沉积物粒度分布特征主要受物源、水动力条件、水深与地形及洋流等影响因素控制。东部海域沉积总体表现为“大江大河-陆源碎屑-条带状-慢速沉积(东海外陆架)”的沉积分异模式。南海沉积物沉积总体表现为“短源河流-混合物源-环状分布-快速沉积(深水底流、重力流)”的沉积分异模式。
(4) 中国海域粗粒沉积物(海砂)可以确定为9个主要的分布区：渤海辽东湾砂质沉积区、北黄海东部中细砂、细砂沉积区、海州湾中部砂质沉积区、苏北浅滩砂质沉积、长江口外大沙滩、东海外陆架砂质沉积区、台湾浅滩及海峡砂质堆积、南海北部陆架砂质区和海南岛周边砂质沉积区，这些区域将成为建筑用海砂的主要分布区域。
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