EN中文

热带地理 >

2024 1 - 12

DOI: https://doi.org/10.13284/j.cnki.rddl.20240160

南沙珊瑚礁潟湖坡微地貌对沉积物粒度特征的影响

  • 王明壮 , 1, 2 ,
  • 张喜洋 , 1, 3 ,
  • 谭飞 1, 3 ,
  • 王冠 1, 3 ,
  • 施祺 1, 3 ,
  • 杨红强 1, 3, 4
展开
  • 1. 中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室，中国科学院南海海洋研究所，广州 510301
  • 2. 中国科学院大学，北京 100049
  • 3. 南方海洋科学与工程广东省实验室（广州），广州 511458
  • 4. 中国科学院南沙海洋生态环境实验站，海南 三沙 573199
张喜洋（1990—），男，河南濮阳人，副研究员，主要研究方向为海洋地质，（E-mail）。

王明壮（1999—），男，江苏连云港人，硕士研究生，主要研究方向为海洋地质，（E-mail）；

收稿日期: 2024-03-20

  修回日期: 2024-05-15

  网络出版日期: 2024-09-29

基金资助

国家自然科学基金项目(42306076)

国家重点研发计划(2021YFC3100603)

收起

Influence of Micro-Geomorphology on Sediment Grain Size Characteristics in the Lagoon Slopes of the Nansha Coral Reefs

  • Mingzhuang Wang , 1, 2 ,
  • Xiyang Zhang , 1, 3 ,
  • Fei Tan 1, 3 ,
  • Guan Wang 1, 3 ,
  • Qi Shi 1, 3 ,
  • Hongqiang Yang 1, 3, 4
Expand
  • 1. Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
  • 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 3. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou 511458, China
  • 4. Nansha Marine Ecological and Environmental Research Station, Chinese Academy of Sciences, Sansha 573199, China

Received date: 2024-03-20

  Revised date: 2024-05-15

  Online published: 2024-09-29

Fold

摘要

潟湖坡是礁坪沉积物向潟湖盆搬运的关键地貌带，对了解礁后沉积过程和环礁发育演化至关重要。然而，潟湖坡微地貌特征及其对沉积物粒度的影响还未明确。文章对南沙群岛主权礁与三角礁潟湖坡开展研究，采集表层沉积物并结合水深数据和水下微地貌开展粒度分析，结果表明：1）主权礁与三角礁潟湖表层沉积物以砂级颗粒为主，粉砂与细砾质量分数较少，其中主权礁沉积物中砂级颗粒质量分数为94.55%，细砾为4.18%，粉砂为0.61%；三角礁S1-S1′方位含砂93.96%，细砾4.04%，粉砂1.65%；S2-S2′方位含砂91.73%，细砾为6.84%，粉砂为1.17%。潟湖砂体的中值粒径与水深呈显著负相关，粒度分布曲线在深水区呈单峰式，在浅水区呈双峰式，整体偏态为负偏态。2）物源和水动力特征是影响南沙珊瑚礁潟湖坡砂体粒度分布的主要因素，主权礁潟湖坡点礁密布，周围颗粒粒径显著增大，削弱了水深与粒度的负相关性，表明潟湖点礁亦是重要物源；三角礁潟湖坡发育海草床，减弱了颗粒的动力再分选作用，形成粗粒和细粒混积的双峰形态。3）潟湖坡微地貌对颗粒粒度分布起关键作用。主权礁双峰式分布曲线的形成主要受潟湖点礁的影响，而海草根系的固沙作用减弱了颗粒的动力分选作用，形成三角礁双峰式分布曲线。

关键词： 粒度; 微地貌; 潟湖; 环礁; 南沙群岛

本文引用格式

王明壮 , 张喜洋 , 谭飞 , 王冠 , 施祺 , 杨红强 . 南沙珊瑚礁潟湖坡微地貌对沉积物粒度特征的影响[J]. 热带地理, 2024 : 1 -12 . DOI: 10.13284/j.cnki.rddl.20240160

Abstract

The lagoon slopes of coral atolls, which connect reef flats to lagoon basins, are key geomorphic zones where sediments are physically sorted and transported. These areas are essential for understanding post-reef sedimentary processes and the broader evolutionary dynamics of atolls. However, the influence of the microtopographic features of lagoon slopes on sediment grain size distribution remains unclear. Sediment grain size is a sensitive indicator of environmental and climatic changes and provides valuable insights into sediment transport patterns and depositional environment reconstructions. The spatial distribution of grain size is influenced by the proximity to sediment sources, material availability, and surrounding geomorphological conditions. This study focused on the lagoon slopes of the Shuquan and Jiaojian Reefs in the Nansha Islands, where surface sediment samples were collected and analyzed for grain size, along with depth data and underwater microtopography. The results indicated the following: (1) Surface sediments in the lagoon slopes of the Shuquan and Jiaojian Reefs are predominantly composed of sand-sized particles, with minimal silt and fine gravel content. Specifically, Shuquan Reef sediments comprised 94.55% sand-sized particles, 4.18% fine gravel, and 0.61% silt; the S1-S1' transect contained 93.96% sand, 4.04% fine gravel, and 1.65% silt; and the S2-S2' transect consisted of 91.73% sand, 6.84% fine gravel, and 1.17% silt. (2) The grain size characteristics of lagoon sands were primarily governed by the proximity to sediment sources and hydrodynamic conditions. A significant negative correlation was observed between median grain size and water depth, with grain size decreasing as depth increased. Most lagoon sands originated from reef flats or lagoon slopes, reflecting the diminishing sorting capacity of oceanic wave energy as it moves toward the lagoon center. The grain size distribution curves of lagoon sands are generally unimodal or bimodal, with a trend toward negative skewness. In deeper waters, the curves became sharper, indicating a transition from low-energy to high-energy depositional environments, where finer particles were replaced by coarser ones. Geomorphological changes within the lagoon, particularly in the transition zone from the lagoon slope to the inner reef flat, played a critical role in the grain size distribution. The bimodal distribution in Shuquan Reef was mainly attributed to coarse particles from lagoon pinnacles, whereas in Jiaojian Reef, the bimodal distribution was influenced by reduced dynamic sorting due to seagrass root stabilization. By comparing these distinct reef systems, this study elucidated the impact of localized geomorphic features, such as pinnacles and seagrass beds, on sediment sorting mechanisms. Understanding the grain size characteristics and distribution patterns of sand in natural microtopographic settings on the lagoon slopes of atolls is crucial for the rational use and scientific management of resources, with significant implications for land reclamation and reef engineering projects.

Key words： grain size; micro-geomorphology; lagoon; atoll; Nansha Islands

珊瑚礁是生物、地质和海洋互作的复杂生态系统（Montaggioni and Braithwaite, 2009）。其演化发育过程是沉积学、古海洋学和古生物学的研究重点（Harris et al., 2015; Rankey, 2020）。珊瑚礁地貌是一种独特的动力地貌类型，对海平面变化、自然环境变化和动力响应非常敏感（Cuttler et al., 2018；何其江 等，2023），不同地貌单元的发育和迁移亦受沉积动力学和地貌学等诸多因素的制约（Adikaram et al., 2019）。珊瑚和其他附礁生物主要形成于礁坪和礁前斜坡，经波浪作用破碎分解后，搬运至礁后堆积（何其江 等，2023）。潟湖是礁相沉积系统中重要的汇，由环礁或由坝状珊瑚礁与周围水体相隔而成，按地貌特征可划分为潟湖坡、潟湖盆底以及潮汐通道。珊瑚环礁的潟湖坡连接礁坪和潟湖盆底，宽度一般几米到几十米不等，深度变化范围较广，沉积物物理分选显著（Harris et al., 2014），是研究环礁发育演化过程的关键环节。
潟湖坡发育状况与水动力过程密切相关。多数研究者认为动力过程如波浪、海流和潮汐等主导沉积物的运移（O'leary et al., 2009；许眸莹 等，2020）。Harris等（2011； 2014）认为，中等能量条件下，波浪是沉积物移动的主要牵引力，且天文大潮时较大的波浪对沉积物的搬运作用更为显著（Harris et al., 2015）。潟湖坡时常发育珊瑚点礁（黄远静 等，2022）和海草床（Tozaki et al., 2024）等微型地貌。潟湖坡微地貌伴有高强度的生物扰动，生物过程削弱了水流的物理分选作用，深刻地影响和改变沉积物的分布格局，是影响沉积物运移方式和移动路径的重要因素（Rankey and Garza-Pérez, 2012），是环礁横向演化不可或缺的关键环节。目前，大多数学者对珊瑚礁的类型与地貌特征进行总结（余克服 等，1995；董娟 等，2020；张飞飞，2023），探讨了动力因素（风、潮汐和潮流等）对珊瑚礁地貌发育的影响（孙宗勋 等，1996；许眸莹 等，2020）；随着侧扫声纳、遥感等技术的完善，环礁水下精细动力地貌单元及地貌的特征与成因也逐渐明确（何其江 等，2023；郑金辉 等，2023），但对环礁潟湖坡微地貌的关注较少，不同微型地貌环境对颗粒沉积物的物理分选与堆积运移方式尚不明确。而且，潟湖砂疏松易碎，硬度和强度适中（赵焕庭 等，1997；Wang et al., 2020），且颗粒间易胶结（钟冬望 等，2020），是岛礁工程理想的吹填材料（秦志光 等，2021）。了解自然状态下环礁潟湖中砂体的粒度特征和分布规律有利于资源的合理利用和科学调配，对于海洋工程建设（如港口建设、填海造陆等）的规划和设计具有重要意义，可以减少对生态系统的影响，保护海洋环境。
沉积物粒度是环境和气候的敏感指标，是揭示沉积物运动轨迹和重建沉积环境的重要方法（施祺 等，1999；吕顺昌 等，2017；曹奇 等，2018）。物源的远近、物质供应的多寡，以及周围的地貌条件是影响粒度空间分布的重要因素。因此，选定南沙群岛点礁发育的主权礁和海藻床发育的三角礁，采集潟湖坡表层沉积物并开展粒度分析，结合水深数据和水下微地貌，分析潟湖坡松散沉积物的运动轨迹，讨论微地貌和沉积物粒度的变化关系，以期为现代礁相地层表生沉积过程及深时地层的精细化解读提供参考范例。

1 研究区概况与方法

南沙群岛珊瑚礁广布（图1-a），61座环礁构成南沙群岛的主体。礁区常有强风，偶有热带气旋经过。冬季风期间，频率为40%~80%的东北向浪为主，月平均浪高0.7~1.5 m，涌浪高1.0~2.0 m；夏季风期间，频率为40%~60%的南向浪主导北部礁区，月平均浪高0.5~0.9 m，涌浪高1~1.5 m；海流变化复杂，南部海域常年以东北向流为主，北部以北向流为主。南海礁区的潮汐主要是不正规日潮。潮差为0.5~1.0 m，最大潮差1~2 m（聂宝符，1997）。主权礁（9°58′ N，114°35′ E）为九章群礁东北缘的一个暗礁，北部为广海，南部接九章环礁潟湖，礁坪宽度平均800 m，发育宽缓潟湖坡（平均宽度300 m），向潟湖进积。主权礁为半封闭潟湖（图1-b）发育大量点礁（图1-d），礁坪平均深度1~1.5 m。三角礁（10°10—13′ N，115°16—19′ E）为孤立于洋盆中的典型环礁，低潮露出，长4.9 km，礁坪平均宽度约330 m，发育封闭型潟湖（图1-c），无口门，海草大量发育。三角礁为封闭性环礁，其东北角受东北风浪及潮流的长期侵蚀，出现大量脊背-沟槽（钟晋梁，1996）。三角礁潟湖四周均发育潟湖坡，平均宽度120 m，北部发育海草床（图1-e，卫星图片阴影区）。2座珊瑚礁潟湖均位于盛行东北季风的礁坪下风区。
图1 研究区位置和采样点布置（a. 主权礁和三角礁在南沙群岛的位置；b. 主权礁卫星图片；c. 三角礁卫星图片；d. 主权礁Z-Z'剖面和采样点位图；e. 三角礁S1-S1'、S2-S2'剖面和采样点位图）

图片来源：Google Earth。

Fig.1 Location of the study area and sampling sites (a. Location of Zhuquan Reef and Sanjiao Reef in Nansha Islands; b. Satellite image of Zhuquan Reef; c. Satellite image of Sanjiao Reef; d. Z-Z' profile in lagoon of Zhuquan Reef; e. S1-S1', S2-S2' profile in lagoon of Sanjiao Reef)

2020年6月，在主权礁与三角礁潟湖坡进行表层沉积物水下采样。主权礁沿SE-NW向由潟湖到礁坪采集表层沉积物样15个（图1-d），深度范围为2~13.2 m。三角礁潟湖沿剖面S1（SE—NW）和S2（SW—NE）分别采样10和15个（图1-e）。船载GPS记录点位，潜水电脑表记录采样深度，潜水相机（PowerShot D30）采集采样点周围地貌图像。采集0~5 cm表层砂样，每样约2 kg。样品自然风干、混合充分后，取150 g，用10%浓度的过氧化氢溶液，浸泡3~5 d去除样品表面有机质。将样品静置沉淀后用纯水清洗2遍，放置60℃烘箱中干燥2~3 d后进行粒度筛分：1）用电子天平分别称取经预处理的样品120 g；2）将称重后的沉积物放入ϕ值为-1、0、1、2、3、4标准筛网（含顶盖与底盘）中筛分；3）摇动样品筛，待分选均匀后，用电子天平称取各级筛网上沉积物质量；4）用质量法依次计算各级粒度砂质量占总重量的质量分数；5）采用福克和沃德公式计算各样品的粒度参数，中值粒径表示颗粒的总体粗细及集中趋势，分选系数描述沉积粒度的离散程度（颗粒粗细的均匀性），偏度用于反映平均粒径频率曲线的不对称性，峰度表达粒级正态分布曲线尖锐程度（刘秀明 等，2013）。误差主要来源于清洗过程中细颗粒的流失和筛分过程中少量颗粒卡在筛孔，均在允许范围。粒度参数分级标准参考（表1）（卢连战 等，2010）。
表1 沉积物粒度参数分级

Table 1 Classification of grain size parameters

参数 数值范围 定性描述
分选性 <0.35 分选极好
0.35~<0.50 分选好
0.50~<0.71 分选较好
0.71~<1.00 分选中等
1.00~<2.00 分选较差
2.00~<4.00 分选差
>4.00 分选极差
偏度 -1~-0.3 极负偏
>-0.3~-0.1 负偏
>-0.1~0.1 近对称
>0.1~0.3 正偏
>0.3~1.0 极正偏
峰度 <0.67 很平坦
0.67~<0.90 平坦
0.90~<1.11 中等
1.11~<1.56 尖锐
1.56~<3.00 很尖锐
>3.00 极尖锐

2 结果分析

2.1　沉积物粒度级配

采用福克和沃德粒级分级标准，划分砾级（ϕ值<-1），极粗砂（ϕ值在范围-1~0之间），粗砂（ϕ值范围在0~1之间），中砂（ϕ值范围在1~2之间），细砂（ϕ值范围在2~3之间），极细砂（ϕ值范围在3~4之间），粉砂级（ϕ值范围在4~5之间），黏土级（ϕ值<5）8个主要级配。结果表明，主权礁与三角礁潟湖坡表层沉积物粒度以砂级为主，砾级成分和粉砂级组分质量分数较少，无黏土级组分（图2）。
图2 采样点水深和沉积物粒度级[a. 主权礁；三角礁S1-S1'剖面（b）和S2-S2'剖面（c）]

Fig.2 Grain size of sediment in each sampling site with water depth [a. Zhuquan Reef; S1-S1' section(b) and S2-S2' profile(c) of Sanjiao Reef]

主权礁潟湖坡沉积物细砾质量分数范围为0.33%~18.38%，粉砂质量分数为0.06%~2.69%，平均值为0.61%，砂级质量分数范围为81.22%~98.70%。砂级颗粒质量分数为94.55%，细砾为4.18%，粉砂为0.61%，砂级中细砂质量分数最大，平均质量分数为44%，其次为粗砂（21.63%）、中砂（14.31%）、极粗砂（8.30%）与极细砂（6.30%）（图2-a）。三角礁S1-S1'剖面细砾质量分数为0.17%~9.31%，平均值为4.04%；粉砂质量分数为0.17%~9.29%，平均值为1.65%；砂级质量分数为89.76%~98.61%，平均值为93.96%，其中细砂质量分数最大，为13.20%~58.87%，平均质量分数为32.24%，其次依次为粗砂（26.32%）、中砂（15.63）、极粗砂（10.57%）和极细砂（9.21%）（图2-b）。S2-S2'剖面细砾质量分数为0.04%~21.38%，平均值为6.84%；粉砂质量分数为0.15%~9.79%，平均质量分数为1.17%；砂级质量分数为79.10%~98.57%，平均值为91.78%，其中细砂所占比例最高，为10.85%~70.98%，平均值为30.97%，其次依次为粗砂（26.92%）、中砂（15.09%）、极粗砂（12.42%）和极细砂（6.33%）（图2-c）。整体上，潟湖沉积物以细砂组分为主，粗砂次之，细砾和粉砂组分较少。

2.2　沉积物粒度参数

主权礁潟湖坡15个表层沉积物样品的中值粒径ϕ值为-0.226~2.509，平均值1.870，为中砂级，除Z14和Z15点外，中值粒径变幅较小（图3-a）；分选系数介于0.664~1.628，平均值是1.136，整体分选较差，Z14样品分选相对稍好（图3-b）；偏态位于-0.620~0.140，平均值为-0.337，整体为极负偏，偏态在浅水区陡然减小，存在点礁的深水区较浅水区接近近似对称（图3-c）。沉积物的峰态在0.761~2.260，样品整体峰态大部分属于中等与平坦，Z3表现得很尖锐（图3-d）。
图3 潟湖坡沉积物粒度参数变化

Fig.3 Variation of particle size parameters of lagoon sediments

三角礁潟湖坡S1-S1'剖面沉积物中值粒径ϕ值为0.486~3.117，平均值为1.489，由深水到浅水平均粒径整体呈变大趋势（图3-a）。分选系数0.786~1.267，平均值1.107，分选较差，而S1-2分选中等（图3-b）。沉积物偏态介于-0.435~0.069（图3-c），偏态为负偏或近似对称。峰态变化范围在0.083~1.882，大部分沉积物峰态呈平坦，而S1-2峰态极尖锐，峰态整体先增加后快速降低并保持稳定（图3-d）。S2-S2'剖面沉积物中值粒径ϕ值为0.147~3.169，平均值为1.250，平均粒径整体由细变粗在变细。沉积物分选系数0.652~1.342，深水区分选较好，浅水区分选较差（图3-b）。沉积物的偏态介于-0.456~0.136，为负偏或正偏（图3-c）。峰态为0.800~3.246，大部分样品呈现中等峰态，S2-14很尖锐（图3-d）。
主权礁潟湖中值粒径与水深之间存在较弱的负相关性（R=0.676，P<0.05），表明表层沉积物随着水深的增加而变细（图4-a）。三角礁潟湖S1-S1'、S2-S2'剖面，中值粒径与水深亦呈负相关关系，相关性显著（R=0.912，P<0.05；R=0.876，P<0.01）（图4-b）。
图4 水深与沉积物中值粒径相关性（a. 主权礁，b. 三角礁）

Fig.4 Correlation between water depth and modal size(a. Zhuquan Reef, b. Sanjiao Reef)

2.3　地貌特征和粒度频率分布曲线

主权礁剖面由深到浅地貌依次为盆底点礁—含仙掌藻砂地—礁坪边缘点礁—珊瑚礁坪。Z1点（19.2 m）周围有点礁分布；Z3（15.2 m）~Z8（11 m）为砂地，上面生长仙掌藻和发育少量点礁；Z11（7.5 m）周围分布大量点礁，Z14和Z15为珊瑚礁坪（图5）。潟湖坡表层沉积物粒度分布曲线满足负偏分布，为单峰式和双峰式（见图5）。对于Z1~Z10，以ϕ 1.15~3峰为主，侧峰较宽且不明显，以ϕ 0.32~1峰为主；样品Z11~Z15，主峰向ϕ 0~2峰偏移，分布逐渐加宽。
图5 主权礁粒径分布

Fig.5 Frequency distribution of Zhuquan Reef

三角礁S1剖面由深到浅地貌为砂地—点礁—海草床。样品S1-1（9.4 m）周围发育大量美人虾（Callianassa）潜穴——“沙火山”，发育点礁。随水深变浅首先出现喜盐草海草床S1-4（6.2 m），并发育少量点礁；向浅处二药草逐渐代替喜盐草（图6，S1-7），深度＜2 m处形成二药草海草床（图6，S1-9）。S2剖面，9.9 m处生长喜盐草（图6，S2-1），向上二药草逐渐增多，形成海草床（图6，S2-10），当水体快速加深时潟湖表层生长喜盐草并发育点礁（图6，S2-14）。三角礁潟湖沉积物粒度分布曲线符合负偏分布，为单峰式和双峰式。S1剖面，随深度变浅粒度分布曲线的双峰样式逐渐显现，深水样品主峰在2.5 ϕ左右，峰态较窄，侧峰ϕ值在0~1.74；浅水样品主峰ϕ值在0~1，侧峰ϕ值在2~3，样品逐渐变粗。三角礁潟湖S2剖面深水区样品主峰ϕ值在2~4，浅水样品双峰显著，主峰ϕ值在0~1，侧峰ϕ值在2~3，分布较窄，颗粒整体变粗。
图6 三角礁潟湖坡沉积物粒度分布

Fig.6 Frequency distribution curve of Sanjiao Reef

3 讨论

3.1　潟湖坡沉积特征

物源的远近，物质供应的多寡，沉积水动力的强弱以及微地貌特征，是控制沉积物颗粒粒径大小的主要因素（吴汉 等，2016）。分析沉积物粒度的空间变化趋势有助于快速确定物质的运移方向（许眸莹 等，2020；张飞飞，2023；何其江 等，2023）。
潟湖坡沉积物主要由海水通过波浪和潮汐作用搬运而来。海水从外海进入环礁，依次通过礁核、礁坪、潟湖坡和潟湖盆，高能水体将其上生长的珊瑚、钙藻、有孔虫和软体动物壳体打碎带至礁后沉积（余克服，2018）。生物侵蚀（如鱼类的啃食和生物钻孔）作用加速了该动力地貌过程。潟湖的水动力最弱，水体平静，以砂质沉积为主，受水动力从边缘向湖心逐渐减弱的影响，潟湖坡多以中粗砂为主，含部分来自礁坪的鹿角珊瑚断枝（施祺 等，2007），水动力分选能力较强，搬运距离短，故潟湖坡沉积物颗粒缺乏粉砂级和黏土级部分。潟湖盆沉积多以中细砂为主，并向湖心逐渐过渡为以细粉砂为主，仅含少量鹿角珊瑚的细碎枝。九章环礁安乐礁潟湖中心沉积物粒度为＜0.25 mm（ϕ=-2）的粉砂-细砂质钙质碎屑（杨红强 等，2022），比主权礁和三角礁潟湖坡沉积物粒度更细。
余克服（2018）根据粒度特征把潟湖沉积物分为2种类型：细砂型（平均粒径0.157~0.344 mm）和中粗砂型（与内礁坪沉积特征类似）。据该标准，主权礁潟湖坡沉积物整体属于中粗砂型，而三角礁潟湖坡沉积物粒度较粗，部分样品已为粗砂型。粒度的差异与礁坪宽度和潟湖坡坡度有关，三角礁礁坪宽约330 m，主权礁约800 m，在礁坪深度相近的情况下，波浪、潮汐经主权礁礁坪的动力衰减作用更为明显。主权礁位于九章环礁的边缘，是半封闭潟湖，周围礁体的障壁作用可削弱到达潟湖坡的水体能量，导致该处的平均水动能较三角礁潟湖坡低。而三角礁潟湖坡海水较浅，水体能量较高，与沉积物粗颗粒特征吻合。
李亮等（2017）的研究表明，南海宣德环礁海域是一个半封闭的沉积系统，南部两侧水深梯度变化大，东西两侧变化相对缓慢。礁盘内沉积物物源主要有3种：1）以细颗粒为主的沉积物随着洋流的搬运作用进入，主要沉积于礁盘内侧；2）礁盘内最主要的沉积物来自珊瑚碎屑砂以及生物贝壳的自然沉降；3）礁盘内部是礁盘外沿被海流不断冲刷而卷起的沉积物区。而主权礁潟湖海域也是一个半封闭系统，西北东南水深梯度变化大，其沉积物主要是生物碎屑，物源为礁坪与点礁，与宣德环礁海域物源相似，所以2个研究区沉积物输运格局相似。可以看出，主权礁在深水区沉积物的搬运主要受海流控制，随着水深的变浅，海流控制减弱，潮汐与波浪开始发挥作用，最后起主导作用。在涨潮期间，沉积物沿礁坪向潟湖坡输送；落潮期间，沉积物随着潮汐和波浪作用向海运动，如此往复。而且，主权礁的水下地形和不断变化的水动力条件也是其分选度波动较大的原因，而三角礁潟湖为封闭型潟湖，其受到潮流、潮汐、波浪等水动力影响较小，所以分选性无明显波动。

3.2　潟湖坡微地貌对潟湖砂粒度特征影响

潟湖坡微地貌对粒度颗粒质量分数空间分布起重要作用。主权礁潟湖内点礁（近物源区）密布（见图1-b），Z1和Z2点位于点礁附近，其中值粒度比深度较浅的Z3还粗，而Z2与Z3样品分选度与峰态出现明显突变的原因是，由点礁过渡为砂地，极细砂质量分数增大，因而分选系数变大，峰形很尖锐。充足的物质供应和较为狭小的潟湖空间导致Z3~Z13粒度空间分选很弱，中值粒径随深度的变化不显著；其中，深水点礁处Z2分选性较差，浅水礁坪边缘点礁处Z14分选性较好，2处样品都靠近物源但分选性差异较大，说明水深是影响粒度分选性强弱的重要因素，且点礁等近物源可以削弱粒度分选性（见图2-b，图5）。地貌从潟湖坡到内礁坪的突变造成Z14和Z15的粒度陡然加粗（见图5），周围大量珊瑚生长为礁坪洼地提供充足的弱分选颗粒。
三角礁S1剖面随着水深变浅，潟湖微地貌经历盆底点礁—喜盐草海草床—二药草海藻床的转变；S2剖面随着水深由深变浅再变深，潟湖微地貌经历盆底点礁—喜盐草海草床—二药草海藻床—喜盐草海草床—盆底点礁的转变（见图6）。三角礁沉积物分选性基本处于较差等级，S1剖面只有并未生长海草的盆地砂地S1-1与S1-2处样品分选性较好，S2剖面分选性较好的S2-1、S2-14与S2-15处的样品也未生长海草，说明潟湖坡海草对沉积物的分选性也有一定的削弱作用，其中，S2-14地貌为砂地并没有点礁与海草微地貌，分选性最好，峰态最尖锐（见图2、6）。三角礁分布曲线在深水点礁处为细组分为主的单峰，而在浅水海草床处为显著双峰（见图6）。
主权礁和三角礁粒度频率分布曲线的变化基本一致，由深到浅依次从细组分为主的单峰式经不显著双峰式向显著双峰式过渡，粗组分侧峰逐渐明显，整体为负偏状态（见图5、6），这是由于礁坪物源搬运距离短，且潟湖中含有大量点礁与海草，使沉积物的搬运破碎及物源的输入受影响，生物碎屑来不及分解为更细小的微粒，使得浅水区沉积物整较粗。偏态出现差异是潟湖沉积物的物质来源、机械破碎、物理化学分异作用不同造成的。主权礁Z1~Z12潟湖坡沉积物均靠近点礁与砂地，其粒度频率分布曲线是细颗粒为主的双峰模式，粗组分侧峰没有三角礁沉积物明显，造成该现象的原因是主权礁为半封闭潟湖，水动力较弱。Z13~Z15样品，粗组分骤增，最后转为粗组分为主的双峰，该差异主要是由于该样品靠近礁坪边缘点礁，物质供应增加导致的。Z14与Z15分布曲线的明显差异可能是受物源类型与水动力强弱的影响，Z14沉积物主要来源于礁坪边缘受潮汐、波浪影响严重的点礁，因而Z14曲线存在一个不规则的粗粒径单峰，而Z15分布曲线是明显的双峰，其明显双峰的原因是靠近珊瑚礁坪（物源）未经分选的物质快速堆积的结果（见图5）。
三角礁潟湖为封闭型，因水体能量有别，三角礁峰态的变化在较深的水深中出现，且峰态转变的深度与潟湖地貌的变化关系密切。三角礁靠近礁坪的潟湖坡生长喜盐草和二药草，形成海草床地貌（见图6）。其中，喜盐草深度较深，可达10 m，向上逐渐转变为二药草。S1剖面双峰式转变的位置出现在S1-4点（深度6.2 m），S2剖面显著双峰式转变的位置出现在S2-2点（深度9.9 m）与S2-13点（深度为6 m），均与喜盐草的出现和生长高度吻合（见图6）。极浅处高密度二药草海草床植被使粒度曲线的主峰变得更宽。海草可降低波浪能等水体能量（Infantes et al., 2022），从而降低水动力对沉积物粒度的分选性，并且海草强大根系的物理障积减弱了颗粒的动力分选作用（Ambo-Rappe, 2022），并造成粒度曲线峰态的渐变。

4 结论

本文分析了主权礁与三角礁潟湖坡表层沉积物的粒度特征，并探讨了微地貌和沉积物粒度的变化关系，得到以下主要结论：
1）主权礁与三角礁潟湖表层沉积物砂级质量分数在90%左右，粉砂与细砾质量分数极少，分选性较差，主权礁潟湖砂峰态较平坦，三角礁潟湖砂峰态接近中等。
2）物源远近和水动力特征是主导南沙珊瑚礁潟湖坡砂体粒度组合特征的主要因素。潟湖砂体的中值粒径与水深呈显著负相关，中值粒级随着水深的增加而变小，潟湖砂大部分来源于礁坪或潟湖坡，是来自外海波浪能向潟湖中心分选能力逐渐减弱的结果。潟湖砂的分布曲线主要是单峰式和双峰式，偏态整体为负偏状态，深水区潟湖砂分布曲线较尖锐，由低能水环境逐渐转变为高能水环境过程中沉积物由细颗粒转变为粗颗粒。
3）潟湖地貌对颗粒分布起重要作用，特别是从潟湖坡到内礁坪的过渡区域，地貌变化会引起颗粒粒径分布的显著变化。主权礁分布曲线双峰式原因主要是源自潟湖点礁粗颗粒；海草根系的固沙作用减弱了颗粒的动力分选作用形成三角礁双峰式分布曲线。

脚注

王明壮：数据处理、论文撰写与修改、图制作；

张喜洋：论文修改与提升指导、数据分析、基金支持；

谭 飞、施 祺：样品采集、实验分析；

王 冠、杨红强：技术支持。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
Adikaram M, Pitawala A, Ishiga H, and Jayawardana D. 2019. Geochemistry and Grain Size Distribution of Surface Sediments of a Large Semi-Enclosed Lagoon Connected to the Western Bay of Bengal. Estuarine Coastal and Shelf Science, 216: 4-13.

Ambo-Rappe R. 2022. The Success of Seagrass Restoration Using Enhalus Acoroides Seeds is Correlated with Substrate and Hydrodynamic Conditions. Journal of Environmental Management, 310: 114692.

Cuttler M V W, Hansen J E, Lowe R J, Trotter J A, and McCulloch M T. 2018. Source and Supply of Sediment to a Shoreline Salient in a Fringing Reef Environment. Earth Surface Processes and Landforms, 44: 552–564.

曹奇，雷国良，蔡炳贵，张江燕. 2018. 福建斗湖表层沉积物的粒度特征及其环境意义. 亚热带资源与环境学报，13（1）：81-87.

Cao Qi, Lei Guoliang, Cai Binggui, and Zhang Jiangyan. 2018. Effects of Simulated Sulfate Deposition on Carbon Dioxide Emissions from a Freshwater Tidal Wetland in the Min River Estuary. Journal of Subtropical Resources and Environment, 13(1): 81-87.

董娟，任广波，胡亚斌，逄今朝，马毅. 2020. 基于高分辨率遥感的珊瑚礁地貌单元体系构建和分类方法——以8波段Worldview-2影像为例. 热带海洋学报，39（4）：116-129.

Dong Juan, Ren Guangbo, Hu Yabin, Pang Jinzhao, and Ma Yi. 2018. Construction and Classification of Coral Reef Geomorphic Unit System Based on High-Resolution Remote Sensing: Using 8-Band Worldview-2 Image as an Example. Journal of Tropical Oceanography, 39(4): 116-129.

Harris D L, Webster J M, De Carli E V, and Vila-Concejo A. 2011. Geomorphology and Morphodynamics of a Sand Apron, One Tree Reef, Southern Great Barrier Reef. Journal of Coastal Research, 64: 760-764.

Harris D L, Vila-Concejo A, and Webster J M. 2014. Geomorphology and Sediment Transport on a Submerged Back-Reef Sand Apron: One Tree Reef, Great Barrier Reef. Geomorphology, 222: 132-142.

Harris D L, Vila-Concejo A, Webster J M, and Power H E. 2015. Spatial Variations in Wave Transformation and Sediment Entrainment on a Coral Reef Sand Apron. Marine Geology, 363: 220-229.

何其江，沈爱斯，刘刚，丁咚，瞿洪宝，刘根，苟鹏飞. 2023. 西沙群岛宣德环礁水下沙洲动力地貌特征及其成因机制. 海洋地质与第四纪地质，43（1）：1-12.

He Qijiang, Shen Aisi, Liu Gang, Ding Dong, Qu Hongbao, Liu Gen, and Gou Pengfei. 2023. Morphodynamic Characteristics and Genetic Mechanism of the Submarine Sandbanks in Xuande Atoll, Xisha Islands. Marine Geology & Quaternary Geolog, 43(1): 1-12.

黄远静，胡心迪，张永战. 2022. 南沙郑和环礁小南薰礁的点礁地貌特征及其控制因素. 海洋地质与第四纪地质，42（3）：25-35.

Huang Yuanjing, Hu Xindi, and Zhang Yongzhan. 2022. Distribution and Morphological Features of the Patch Reefs at Xiaonanxun Reef, Zhenghe Atoll of the Nansha Islands, South China Sea. Marine Geology & Quaternary Geology, 42(3): 25-35.

Infantes E, Hoeks S, Adams M P, van der Heide T, van Katwijk M M, and Bouma T J. 2022. Seagrass Roots Strongly Reduce Cliff Erosion Rates in Sandy Sediments. Marine Ecology Progress Series, 700: 1-12.

李亮，何其江，龙根元，贺超，杨凡. 2017. 南海宣德海域表层沉积物粒度特征及其输运趋势. 海洋地质与第四纪地质，37（6）：140-148.

Li Liang, He Qijiang, Long Genyuan, He Chao, and Yang Fan. 2017. Sediment Grain Size Distribution Pattern and Transportation Trend in the Xuande Water, South China Sea. Marine Geology & Quaternary Geology, 37(6): 140-148.

刘秀明，罗祎. 2013. 粒度分析在沉积物研究中的应用. 实验技术与管理，30（8）：20-23.

Liu Xiuming and Luo Yi. 2013. Application of Grain Size Analysis in Sediments Research. Experimental Technology and Management, 30(8): 20-23.

卢连战，史正涛. 2010. 沉积物粒度参数内涵及计算方法的解析. 环境科学与管理，35（6）：54-60.

Lu Lianzhan and Shi Zhengtao. 2010. Analysis for Sediment Grain Size Parameters of Connotation sand Calculation Method. Environmental Science and Management, 35(6): 54-60.

吕顺昌，鄂崇毅，孙永娟，张晶，赵亚娟，杨龙. 2017. 小柴旦湖表层沉积物粒度分布特征. 地球环境学报，8（5）：427-438.

Lyu Shunchang, E Chongyi, Sun Yongjuan, Zhang Jing, Zhao Yajuan, and Yang Long. 2017. Grain Size Distribution Characteristics of Surface Sediments in Xiao Qaidam Lake. Journal of Earth Environment, 8(5): 427-438.

Montaggioni L F and Braithwaite C J R. 2009. Quaternary Coral Reef Systems: History, Development Processes and Controlling Factors. Amsterdam, Netherlands: Elsevier, 1-532.

聂宝符. 1997. 南沙群岛及其邻近礁区造礁珊瑚与环境变化的关系. 北京：科学出版社.

Nie Baofu. 1997. The Relationship Between Reef Coral and Environmental Changes of Nansha Islands and Adjacent Regions. Beijing: Science Press.

O'Leary M J, Perry C T, Beavington-Penney S J, and Turner J R. 2009. The Significant Role of Sediment Bio-Retexturing within a Contemporary Carbonate Platform System: Implications for Carbonate Microfacies Development. Sedimentary Geology, 219(1/4): 169-179.

秦志光，袁晓铭，曹振中，莫红艳. 2021. 吹填珊瑚礁砂地基处理方法适用性与加固效果应用研究. 自然灾害学报，30（1）：78-88.

Qin Zhiguan, Yuan Xiaomin, Cao Zhenzhon, and Mo Hongyan. 2021. Applicability and Quality Evaluation of Foundation Treatment Method for Backfilied Coral Sand Site. Journal of Natural Disasters, 30(1): 78-88.

Rankey E C and Garza-Pérez J R. 2012. Seascape Metrics of Shelf-Margin Reefs and Reef Sand Aprons of Holocene Carbonate Platforms. Journal of Sedimentary Research, 82: 53-71.

Rankey E C. 2020. Eustatic, Climatic, and Oceanographic Influences on Geomorphology and Architecture of Isolated Carbonate Platforms: Miocene, Northwest Shelf, Australia. Lithosphere, (1): 8844754.

施祺，王建民，陈发虎. 1999. 石羊河古终端湖泊沉积物粒度特征与沉积环境初探. 兰州大学学报，35（1）：198-202.

Shi Qi, Wang Jianmin, and Chen Fahu. 1999. Preliminary Study on Grain Size Characteristics of Sediments and Depositional Environment of Palaeo-Terminal Lake of Shiyang River. Journal of Lanzhou University, 35(1): 198-202.

施祺，余克服. 2007. 南沙群岛永暑礁澙湖沉积的晚全新世风暴事件记录. 热带地理，27（1）：1-5.

Shi Qi and Yu Kefu. 2007. Storm Event Records from the Lagoon Sediment on Yongshu Reef of the Nansha Islands since Late Holocene. Tropical Geography, 27(1): 1-5.

孙宗勋，赵焕庭. 1996. 南沙群岛珊瑚礁动力地貌特征. 热带海洋，15（2）：53-60.

Sun Zongxun and Zhao Huanting. 1997. Features of Dynamic Geomorphology of Coral Reefs in Nansha Islands. Journal of Tropical Oceanography, 15(2): 53-60.

Tozaki K, Nishihara G N, Kawate A, Konishi T, Sato Y, Ito M, Fujimura H, and Tanaka, A. 2024. Vegetation Variety Affected by Local Environments in a Coral Reef Lagoon. Phycological Research, 72: 112-122.

Wang C T, Chen M, Qi H S, Intasen W, and Kanchanapant A. 2020. Grain-Size Distribution of Surface Sediments in the Chanthaburi Coast, Thailand and Implications for the Sedimentary Dynamic Environment. Journal of Marine Science and Engineering, 8: 16.

吴汉，常凤琴，张虎才，李华勇，蒙红卫，段立曾，刘东升，李楠，朱梦妹. 2016. 泸沽湖表层沉积物粒度空间分布特征及其影响因素. 沉积学报，34（4）：679-687.

Wu Han, Chang Fengqin, Zhang Hucai, Li Huayong, Meng Weihong, Duan Lizeng, Liu Dongsheng, Li Nan, and Zhu MengShu. 2016. Grain-Size Distribution Patterns of the Surface Sediments and Their Influential Factors in Lake Lugu. Acta Sedimentologica Sinica, 34(4): 679-687.

许眸莹，高抒，葛晨东，黄梅. 2020. 南海九章环礁中牛轭礁和西门礁新生沙洲沉积特征与动态. 热带海洋学报，39（2）：44-53.

Xu Mouying, Gao Shu, Ge Chendong, and Huang Mei. 2020. Characteristics and Morphodynamics of Newly-Formed Coral Debris Deposits on the Niu'e and Ximen Reefs, Jiuzhang Atoll, South China Sea. Journal of Tropical Oceanography, 39(2): 44-53.

杨红强，谭飞，徐辉龙，张喜洋，施祺，陶士臣. 2022. 环礁潟湖沉积物重建南沙群岛小冰期以来的热带气旋活动. 热带海洋学报，41（6）：171-182.

Yang Hongqiang, Tan Fei, Xu Huilong, Zhang Xiyang, Shi Qi, and Tao Shichen. 2022. Reconstruction of the Tropical Cyclones Activity in the Nansha Islands since the Little Ice Age from the Atoll Lagoon Sediments. Journal of Tropical Oceanography, 41(6): 171-182.

余克服，宋朝景，赵焕庭. 1995. 西沙群岛永兴岛地貌与现代沉积特征. 热带海洋学报，14（2）：24-31.

Yu Kefu, Song Chaojing, and Zhao Huanting. 1995. The Characters of Geomorphology and Modern Sediments of Yongxing Island,Xisha Islands. Journal of Tropical Oceanography, 14(2): 24-31.

余克服. 2018. 珊瑚礁科学概论. 北京：科学出版社.

Yu Kefu. 2018. Introduction to the Science of Coral Reefs. Beijing: Science Press.

张飞飞. 2023. 基于多尺度遥感的珊瑚礁地貌类型深度学习分类方法研究. 呼和浩特：内蒙古大学.

Zhang Feifei. 2023. Research on Deep Learning Classification Method of Coral Reef Geomorphic Types Based on Multi-Scale Remote Sensing. Hohhot: Inner Mongolia University.

赵焕庭，宋朝景，卢博，汪稔杨，杨志强. 1997. 珊瑚礁工程地质研究的内容和方法. 工程地质学报，（1）：22-28.

Zhao Huanting, Song Chaojing, Lu Bo, Wang Ren, and Yang Zhiqiang. 1997. The Contents and Methods of the Research of Coral Reef Engineering Geology. Journal of Engineering Geology, (1): 22-28.

郑金辉，任广波，胡亚斌，张飞飞，马毅，李明杰，马毅，李明杰，王瑞富. 2023. 生物天敌暴发导致珊瑚礁退化的高分遥感监测与分析——以南海太平岛为例. 热带地理，43（10）：1856-1873.

Zheng Jinhui, Ren Guangbo, Hu Yabin, Zhang Feifei, Ma Yi, Li Mingjie, and Wang Ruifu. 2023. High Resolution Remote Sensing Monitoring and Analysis of Coral Reef Degradation Caused by Outbreaks of Biological Natural Enemies: A Case Study of the Taiping Island in the South China Sea. Tropical Geography, 43(10): 1856-1873

钟冬望，伍岳，孟庆山，司剑峰，杜泉. 2020. 爆炸荷载作用下礁砂地基信号塔位移特性试验研究. 爆破，37（2）：8-19.

Zhong Dongwang, Wu Yue, Meng Qingshan, Si Jianfeng, and Du Quan. 2020. Experimental Study on Displacement Characteristics of Signal Tower on Calcareous Sand Foundation under Blasting Loads. Blastin, 37(2): 8-19.

Options
文章导航

/

〈 〉