茅家港潮滩沉积物磁化率变化及其与粒度的关系

王轲道，王金华，王建

（1. 临沂大学 化学与资源环境学院 山东省水土保持与环境保育重点实验室，山东 临沂 276005; 2. 临沂大学 图书馆，山东 临沂 276005；3. 南京师范大学 地理科学学院，江苏 南京 210097; 4. 华东师范大学 河口海岸学国建重点实验室，上海 200062）

茅家港潮滩沉积物磁化率变化及其与粒度的关系

王轲道1,4，王金华2，王建3

（1. 临沂大学 化学与资源环境学院 山东省水土保持与环境保育重点实验室，山东 临沂 276005; 2. 临沂大学 图书馆，山东 临沂 276005；3. 南京师范大学 地理科学学院，江苏 南京 210097; 4. 华东师范大学 河口海岸学国建重点实验室，上海 200062）

根据野外观测资料，客观地分析了江苏茅家港滩面沉积物磁化率变化及其与粒度的关系。研究结果显示：滩面沉积物磁化率随着向海离岸距离的增加逐渐增大，粒径逐渐变粗；粒径D与磁化率呈正相关关系，粒度φ与磁化率呈负相关关系。研究区中离岸距离增加，滩面沉积物的粒径逐渐变粗，滩面沉积物的磁化率逐渐增大，说明滩面水动力变强。

磁化率；粒度；关系；茅家港；江苏省

天然剩余磁化强度是由于过去某段时间内地球磁场的影响，使样品保留一定的磁性。磁化率是指物质放于外磁场中获得的磁化强度与磁场强度的比值，它与天然剩余磁化强度不同，是一种完全独立的不随地球磁场变化的磁性，它反映的是样品的矿物学性质，即表明有磁性铁氧化物存在，也就是说磁化率与铁磁性矿物有关。滩面沉积物的磁化率往往随着时间和空间的不同而不同。王建等对江苏东台海滩沉积物中磁化率与粒度之间的关系进行了探讨，结果显示，沉积物磁化率与粒度的关系密切，且与沉积动力有关：水动力强的地方，粒度粗，沉积物的磁化率大。茅家港突堤航道防护工程建成后，潮滩沉积物的磁化率和粒度都发生了相应的变化。本文在野外观测的基础上，对茅家港突堤航道防护工程建成后磁化率与粒度变化及二者的相互关系进行了深入的研究，探讨了磁化率的空间变化及磁化率在潮滩沉积动力方面的指示意义，对保护、开发和利用茅家港岸段的潮滩资源，具有非常重要的现实意义。

1 茅家港区域概况

茅家港位于长江口北翼的江苏省吕泗海岸中部（32.03ºN，121.72ºE），茅家港岸段属于侵蚀性粉沙淤泥质海岸。该地区为典型的温带季风气候，风向的季节变化十分明显，冬季以偏北风为主，夏季则盛行偏南风。茅家港所属的吕泗海岸一带，岸线向海突出，与东北风几乎成正交，海岸受侵蚀较强。自海堤加固之后，高滩的侵蚀后退已被制止，但堤外的低滩仍在遭受侵蚀，虽海滩上部已基本稳定平衡，下部仍处于冲刷状态。茅家港潮滩较宽阔（宽达4～5 km），坡度较小（0.001），由于低潮滩滩面仍不断被侵蚀，滩面组成物质粗化（3～5φ），且较均一，有由粉沙质向沙质海岸转变的趋势。

图 1 茅家港位置示意图Fig. 1 Sketch map of the position of Maojiagang

图 2 茅家港滩面取样点和剖面位置图Fig. 2 Position of sampling site and section of Maojiagang

2 调查样品分析

本研究所用的环境磁学指标是磁化率，所用的粒度指标则以中值粒径（φ值）为代表指标。利用分别于1993年9月、1994年1月在茅家港滩面的不同位置布设的49个采样点（所选点如图2所示）的表层沉积物样品。在室内对沉积物样品进行了精确的磁化率和粒度测量。以1月份代表该地区冬季，9月份代表该地区夏季。根据所测的磁化率数据绘出冬、夏两季的滩面磁化率分布图（图3、图4），以找出磁化率变化的空间分布和季节变化规律。在此基础上，进一步研究潮滩沉积物磁化率变化及其与粒度的关系，反演岸滩水动力的变化。

图 3 1993年9月滩面沉积物的磁化率分布图Fig. 3 Beach surface distribution picture of magnetic susceptibility of sediments in Sep. of 1993

图 4 1994年1月滩面沉积物的磁化率分布图Fig. 4 Beach surface distribution picture of magnetic susceptibility of sediments in Jan. of 1994

3 沉积物的磁化率变化

根据所测得的磁化率数据，绘出了不同季节茅家港滩面沉积物的磁化率空间分布图（如图 3、图4所示）。

从图3和图4可以看出，夏季和冬季茅家港滩面沉积物的磁化率分布均呈如下变化趋势：在西坝外侧，随着向海离岸距离的增加，磁化率逐渐增大；东坝外侧，随着向海离岸距离的增加，整体上也有增大的趋势，但磁化率增幅变小。

由此可见，冬季和夏季，茅家港潮滩沉积物的磁化率均随着向海离岸距离的逐渐增加，磁化率值有逐渐增大的趋势。就平均情况来说，9月的磁化率略小于1月的磁化率。

4 磁化率变化与粒度变化的关系

将同一季节的滩面沉积物的磁化率变化和粒度变化绘在同一图上（图5、图6所示），可以很方便地比较磁化率与粒度的变化趋势和相互关系。

图 5 1993年9月茅家港滩面沉积物磁化率与中值粒径的对比图Fig. 5 Beach surface contrast picture of sediment magnetic susceptibility and the median grain size in Sep. of 1993

用SPSS软件计算，夏季的49个样品的磁化率与中值粒径φ值的相关系数r＝-0.348，并通过了α＝0.01的显著水平检验；将中值粒径φ值转换成中值粒径D（mm），经计算样品的磁化率与中值粒径D的相关系数r=0.416，经检验通过α＝0.01的显著水平。说明磁化率与粒度φ值呈负相关关系，即磁化率与粒径D呈正相关关系，沉积物粒径越大颗粒越粗的位置，磁化率往往越大。

图 6 1994年1月茅家港滩面沉积物磁化率与中值粒径的对比图Fig. 6 Beach surface the contrast picture of sediment magnetic susceptibility and the median grain size in Jan. of 1994

用SPSS软件计算，冬季的49个样品的磁化率与中值粒径φ值的相关系数r＝-0.185，通过α＝0.1的显著水平检验，将中值粒径φ值转换成中值粒径D（mm），经计算样品的磁化率与中值粒径D的相关系数r=0.289，经检验通过α＝0.05的显著水平检验。说明磁化率与中值粒径φ值呈负相关关系，磁化率与中值粒径D呈正相关关系，沉积物颗粒越粗的位置，磁化率也越大。

由图5、图6可明显地看出：大多数样点都是磁化率曲线的波峰与中值粒径φ值曲线的波谷相对应，即磁化率与中值粒径（φ值）呈负相关关系，φ值越小（颗粒粒度越大），磁化率越大。

此外，从图中也可看出，9月磁化率的值在30～70之间变化，1月磁化率的值在30～60之间变化；9月沉积物中值粒径（φ值）在3～6.5φ之间变化，1月在3～7φ之间变化。

5 原因机制分析

根据风速风向资料统计，茅家港的常风向主要为东到南向，而强风向主要为东北到西北向，因茅家港海岸线走向为西北西—东南东，岸线的北部为海域，自东北到西南方向吹的风主要是海向风，形成的风浪较大。该地区年平均风速为6.8 m/s，最大风速为25 m/s，风向为北北西，该地区冬季以偏北风为主，夏季则盛行偏南风。

近岸水域波浪总的来说比较小，据吕泗海洋站的波浪资料统计，无浪天数约占全年的50%。常浪向方位在NW～SE之间，季节变化明显，强浪向主要是NNW～NE，时间为每年的10月到第2年的3月。

该海域地处江苏近海辐射沙脊群以南，受其掩护，近海潮汐主要受东海前进波控制，该地区的潮汐为正规半日潮型。由于受吕泗岸段近岸地形的影响，近岸地区潮流较复杂。茅家港地区的涨潮历时大于落潮历时，潮流基本作沿岸运动。最大潮流流速达0.36 m/s。若将潮流分解成平行于海岸的向东南水流和向西北水流两股水流，向东南水流平均流速为0.19 m/s，向西北水流平均流速为0.08 m/s，近岸向东南的落潮流流速远大于向西北的涨潮流流速。因此，沿岸泥沙主要是向东南输移。

上述的动力环境条件下，向海离岸距离的增加，海水动力逐渐增强。

滩面沉积物的磁化率分布和变化，主要与以铁磁性矿物为代表的重矿物有关。而重矿物的分布与水动力条件的变化有显著的关系。由于在相同的水动力情况下，轻矿物更易于启动而被搬运，因而重矿物多富集在水动力较强处，轻矿物则多沉积在水动力较弱处。因此，磁化率和粒度的变化可以反演岸滩水动力的变化，水动力强的地方，沉积物的粒度粗，重矿物含量高，铁磁性矿物含量高，沉积物磁化率大。

为了更清楚地从沉积动力学的角度说明以磁铁矿为代表的重矿物在沉积过程中的聚散规律。这里采用文献[1]中的泥沙起动公式：

式中：Je为临界剪应力；β为颗粒形状及颗粒雷诺数有关的系数；γs与D分别为泥沙颗粒密度与粒径；γ为水的密度。

从式(1)可见，在一定动力（剪应力）条件下，泥沙能否起动取决于泥沙颗粒粒径 D与泥沙密度γs，对密度不同（分别为γ1与γ2）的两种泥沙颗粒，所能起动的颗粒粒径（分别为D1与D2）是不同的。由于动力条件相同，故有：

假设颗粒形状与介质性质相同，即β1=β2，式(2)可简化为：

由式(3)可以看出，在相同动力条件下，泥沙颗粒密度越大，所能起动、搬运的颗粒粒径越小；颗粒密度越小，则能启动和搬运的颗粒粒径越大。因此，重矿物往往伴生在更粗粒径的轻矿物中。在水动力强的地方，泥沙颗粒沉降时，以铁磁性矿物为代表的重矿物就相对富集于较粗粒径的轻矿物中，致使平均粒度大的地方，铁磁性矿物含量高，磁化率的值大。某一粒级重矿物往往与更粗粒级的轻矿物伴生、富集于粗一级沉积物中。

中值粒径越大、沉积物颗粒越粗的地方，往往磁化率的值越大，说明滩面水动力越强。

6 结 语

随着离岸距离的逐渐增加，茅家港滩面沉积物磁化率和粒度值有逐渐增大的趋势，且冬季的值大于夏季的值。

滩面沉积物磁化率的变化和粒度的变化及二者的关系，都说明本研究区的水动力条件的时空变化：随着离岸距离的增加，以波浪为主的水动力逐渐增强，导致滩面沉积物的粒径逐渐变粗，磁化率变大；冬季，滩面沉积物的粒度大、磁化率大，说明该研究区内水动力强。其原因在于：对以铁磁性矿物为代表的重矿物富集的位置，滩面沉积物的粒度粗，相应的磁化率大，说明此处水动力强。

茅家港岸段滩面沉积物粒度、磁化率时空变化以及二者的关系反映了滩面水动力的时空变化，对保护、开发和利用潮滩资源就有非常重要的现实意义。

致谢：徐孝彬、王艳红等一起进行野外采样测量搜集资料，在此谨致谢忱!

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Susceptibility of Maojiagang Sands and relation of Grain-size with it

WANG Ke-dao1,4, WANG Jin-hua2, WANG Jian3

(1. Department of Chemistry and Resource Environment, Linyi Normal University, Linyi 276005, China; 2. Library of Linyi Normal University, Linyi Normal University, Linyi 276005, China; 3. College of Geographical Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210097, China;4. State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China)

The paper drew susceptibility distributing map and different section chart by the data that we observed on Maojiagang sands, and impersonally analyzed susceptibility distributing, season change and the relation between change of susceptibility and grain-size. We found that with distance to coast increasing, susceptibility decreasing. With distance to coast increasing, and because it enriched weighty mineral, it leaded to susceptibility decreasing and grain-size gradually become bigger, which indicated that water dynamics was strong.

susceptibility; grain-size; relation; Maojiagang; Jiangsu Province

P736.221

A

1001-6932(2011)05-0562-04

2009-03-25；

2011-05-06

山东省自然科学基金项目（ZR2009EM008）；华东师范大学河口海岸学国建重点实验室开放基金项目（200912）；临沂大学博士启动基金（BS07009）。

王轲道（1968－），男，山东临沂人，博士，副教授，研究方向：海岸地貌与海岸环境演变。电子邮箱：lywkd@163.com。