黄河是世界上著名的多沙河流，虽然近50年来黄河输沙量明显下降，但1964~2012年间年均输沙量仍然高达约5.8亿t，入海沉积物大部分堆积在河口三角洲^[1]，经过海洋的运移机制而对近岸沉积环境产生重大影响. 海洋沉积物的粒度特征是沉积物搬运、 沉积、 再分配过程的集中体现，蕴含了沉积物物源、 水动力环境、 搬运距离等诸多环境信息^{[2, 3, 4, 5]}，研究沉积物粒度特征对有效地判定沉积物的运移方式和识别沉积环境类型具有重要意义. 黏土矿物是组成洋底沉积物的主要成分，由于形成于独特的海洋环境，它们完整地记录了各种地质信息，在物源、 沉积环境、 全球气候变化、 海平面升降、 洋流演化等研究中具有重要意义^[6].

关于粒度分布及黏土矿物的组成特征，当前研究已取得许多重要成果，且研究区域已涵盖渤海、 黄海、 东海等中国近海^{[7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22]}，以及长江、 黄河等中国河流^{[1, 23, 24, 25]}. 调水调沙工程自2002年实施至今已有10多年，当前相关研究主要集中在调水调沙对下游河道^{[26, 27, 28]}及泥沙粒径^[29]、 河口及三角洲^{[30, 31]}的影响上，对近岸沉积物粒度及黏土矿物组分的影响却鲜有报道. 黄河口近岸海域属于渤海海域，虽然前人已对渤海海域的粒度分布和黏土矿物组成特征进行了较多研究，但缺乏对黄河口及近岸局部海域的详细研究，特别是2002年调水调沙工程实施以来，河口入海水沙量发生了明显变化，进而可对河口及近岸的沉积环境产生重大影响，从而可能改变河口及近岸区域的粒度分布及黏土矿物组成特征. 基于此，本文对2013年10月获取的黄河口近岸海域表层沉积物的粒度分布和黏土矿物组成特征进行了研究，结果有助于明确调水调沙工程实施10多年来对河口及近岸沉积环境的影响.

1 材料与方法 1.1 研究区域概况

黄河，中国北部大河，全长约5464 km，流域面积约75.2万km². 黄河中上游以山地为主，中下游以平原、 丘陵为主. 由于河流中段流经黄土高原地区，因此夹带了大量泥沙，被称为世界上含沙量最多的河流，大量泥沙输至河口，年均造陆20 km²左右. 现行河口作为黄河入海地域，位于渤海与莱州湾交汇处，地区幅员辽阔，气候良好，自然资源丰富. 研究区位置如图 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 研究区及采样点位置示意 Fig. 1 Location of study region and sampling sites

2013年10月，于黄河口近岸海域采集表层沉积物样品28个，采样点位置如图 1所示. 受潮流作用和采样航线的影响，样点分布与等间隔的理想状况存在一定差异. 但总体来说，位于黄河口近岸区域(约为2740 km²)的采样点，分布较均匀且样点间距离相近，可较好体现出研究区域沉积物粒度分布与黏土矿物组成特征的局部变化.

沉积物粒度分析过程如下： 取定量样品，加蒸馏水溶解，利用超声充分分散后在中国科学院烟台海岸带研究所测试分析中心用Mastersizer2000型激光粒度仪进行测试. 调水调沙前黄河尾闾河道沉积物粒度数据系东营市水文水资源勘测局提供.

沉积物黏土矿物组成分析过程如下： 取定量的全岩样品，用去离子水浸泡，超声分散后过250目筛； 将筛下部分样品转入800 mL烧杯中，加入去离子水至固定界面； 玻璃棒搅拌均匀后静置； 依照Stokes定律提取出黏土粒级(<2 μm)组分； 将上述提取液离心、 去上清液、 制作定向片. 分别制成自然定向片、 乙二醇饱和定向片(60℃乙二醇蒸汽中12 h)和加热定向片(490℃加热2 h)后，在中国科学院海洋研究所海洋地质与环境重点实验室使用X-射线衍射仪(XRD)进行测试分析. 1.3 数据处理与分析

运用Excle软件分析获取的沉积物粒度组成以及黏土矿物组成数据，运用Origin 8.0软件进行沉积物粒度和黏土矿物三角图式的绘制，运用Arcgis 10.0软件对样点的粒度组成和黏土矿物组成进行反距离权重(IDW)插值处理.

2 结果与分析 2.1 沉积物粒度的空间分布特征

根据国家海洋局1975年粒度分级标准，沉积物样品的粒度组成可分为黏土(<4 μm)、 粉砂(4~63 μm)和砂(>63 μm). 研究表明，黄河口近岸海域表层沉积物的粒度组成主要以粉砂为主(平均约占59.1%)，其次是砂(平均约占23.5%)，黏土组分相对较少(平均约占17.4%). 通过以沉积物粒度黏土-粉砂-砂为三端元的三角图式亦可以看出沉积物的粒度组成特征(图 2). 样点分布较为分散说明各样点间的粒级组成差异较大，从而使得研究区在沉积物粒度组成上呈现出明显的空间异质性(图 3). 据图 3可知，黏土和粉砂的分布特征相近，砂的分布特征则与二者相反. 具体而言，黏土和粉砂组分含量在现黄河入海口的西侧小范围区域、 东侧小范围区域以及南侧区域(原清水沟入海口近岸区域)均相对较低，而砂组分含量则较高. 与之相比，现黄河入海口近岸区域、 东侧以及东南区域的黏土和粉砂组分含量较高，而砂组分含量较低. 黏土和粉砂组分在现黄河入海口近岸区域的含量分别介于25%~35%和55%~65%； 在现黄河口南侧区域(原清水沟入海口近岸区域)的含量分别介于5%~15%和30%~45%； 在现黄河口东侧区域的含量分别介于20%~25%和65~70%； 在现黄河口东南区域的含量分别介于15%~20%和65%~70%. 尽管黏土和粉砂含量的高、 低值区分布范围相近，但在含量变化趋势上存在较大差异. 除黄河口东侧小范围低值区，粉砂在研究区总体呈现出由近岸向海递增的趋势，而黏土在现黄河入海口近岸-东侧区域呈现由近岸向海递减趋势，在现黄河口南侧-东南区域则呈现出由近岸向海递增趋势. 在现黄河口南侧区域(即原清水沟入海口近岸区域)，砂组分含量介于35%~70%，除东侧小范围的高值区外，在南侧-东南侧区域呈现出由近岸向海递减的趋势； 现黄河口近岸区域及东侧区域的砂含量差异较小，其含量均在10%左右； 黄河入海口西侧近岸区域出现小范围高值区，其砂含量介于30%~55%. 尽管沉积物粒度组成在研究区均存在高值和低值中心，即均呈现出一定的空间差异性，但这种差异的强度并不一致. 从图 3中等值线的疏密可知，砂组分含量的等值线最为密集，粉砂次之，黏土的最为稀疏，说明砂组分含量在研究区内空间差异最大，粉砂组分相对较小，黏土组分差异最小且相对稳定.

图 2

Fig. 2

图 2 近岸区域沉积物粒度的三角图式 Fig. 2 Triangular schema of the grain sizes in sediments of the inshore area

图 3

Fig. 3

图 3 沉积物不同粒级组分的分布特征 Fig. 3 Distributions of different graded components in sediments 单位：%

海洋中广泛存在的黏土矿物有高岭石、 伊利石、 蒙脱石、 绿泥石、 海绿石及其间层矿物^[6]. 蒙皂石包括蒙脱石和皂石两个亚族. 黄河口近岸表层沉积物的分析结果表明，区域内的黏土矿物主要有蒙皂石、 伊利石、 高岭石、 绿泥石四种，平均含量分别为26.5%、 55.4%、 7.8%、 10.3%. 其中，以伊利石含量最高，占整个黏土矿物组分的一半以上，最少的为高岭石，平均含量不足10%. 由以黏土矿物组分伊利石、 蒙皂石和高岭石+绿泥石为三端元的三角图式亦可以看出，黄河口近岸表层沉积物的黏土矿物组分主要为蒙皂石和伊利石，其中又以伊利石居于最高(图 4). 此外，所有样点在沉积物黏土矿物三角图式中的分布较集中，说明各样点间沉积物的黏土矿物组分差异较小，但不同黏土矿物组分在整个研究区内的空间分布却存在明显差异(图 5).

图 4

Fig. 4

图 4 近岸区域沉积物黏土矿物的三角图式 Fig. 4 Triangular schema of the clay components in sediments of the inshore area

图 5

Fig. 5

单位：% 图 5 沉积物黏土矿物各组分相对含量的分布示意 Fig. 5 Distributions of different clay components in sediments

研究表明，蒙皂石和伊利石在黄河口近岸区域的分布特征几乎完全相反，即蒙皂石的高值区对应伊利石的低值区，反之亦然[图 5(a)、 5(b)]. 现黄河口南侧区域(原清水沟入海口近岸区域)及东侧区域的蒙皂石含量较高，约为28%~36%，大于其在区域内的平均含量(26.5%)； 而伊利石在对应区域内的含量相对较低，约为48%~54%，小于其在区域内的平均含量(55.4%). 反之，蒙皂石在现黄河入海口近岸及东南区域的含量较低，约为18%~24%； 而伊利石在此区域的含量却相对较高，约为58%~62%. 蒙皂石在现黄河入海口近岸-东侧区域的含量分布呈现出由近岸向海逐渐升高趋势，而在现黄河口南侧-东南区域则呈现出由近岸向海逐渐降低趋势； 伊利石的分布特征则相反，在现黄河入海口近岸-东侧区域呈现出由近岸向海逐渐降低趋势，而在现黄河口南侧-东南区域则呈现出由近岸向海逐渐升高趋势.

高岭石和绿泥石的含量分布特征与伊利石相似[图 5(c)、 5(d)]，但不尽相同. 高岭石和绿泥石的含量亦在现黄河入海口近岸区域及东南区域出现高值区，而在黄河口东侧区域出现低值区. 不同的是，高岭石在现黄河入海口处仅有小范围高值出现(含量在8%左右)，而在东南区域则出现大范围高值区(含量介于8%~9.5%). 高岭石在现黄河口南侧区域(原清水沟入海口近岸区域)出现明显的低值区，其中心达到区域该矿物组分含量的最低值(仅有6%左右)； 现黄河口东侧区域的高岭石含量虽亦较低，但分布相对均匀，大多在7%左右. 与高岭石和伊利石相比，绿泥石的空间分异特征并不明显，在现黄河口南侧区域(原清水沟入海口近岸区域)出现小范围的高值区，与现黄河入海口近岸区域的含量相近，其含量介于10%~12%.

通过图 5中等值线的疏密亦可看出，蒙皂石和伊利石含量的等值线较为密集，而高岭石和绿泥石含量的等值线则较为稀疏，说明蒙皂石和伊利石两种黏土矿物组分在研究区内的含量变差较大，空间变异性更明显； 而高岭石和绿泥石的含量变差较小，空间变异性较小，其在研究区内的含量分布相对稳定. 总之，现黄河入海口区域与东南区域的伊利石、 高岭石含量较高，蒙皂石含量较低； 而南侧区域(原清水沟入海口近岸区域)及东侧区域的蒙皂石含量较高，伊利石、 高岭石含量较低. 与其他组分相比，绿泥石含量在现黄河入海口近岸区域以及南侧区域(原清水沟入海口近岸区域)相近且均较高； 而在现黄河入海口东侧区域，其低值区范围较小. 2.3 调水调沙前后沉积物粒度与黏土矿物组成特征对比

2002年黄河实施调水调沙工程10多年来，尾闾河道(入海口)、 黄河口近岸、 渤海湾和莱州湾区域沉积物的粒度与黏土矿物组成特征较调水调沙前均发生一定改变(表 1). 就沉积物粒度而言，尾闾河道(入海口)的沉积物粒度在调水调沙前后存在显著差异. 调水调沙前的沉积物类型以粉砂为主(平均含量约占79.5%)，砂次之(平均约占19.7%)； 调水调沙后，砂含量显著增加(平均约占85.4%)，粉砂含量则明显下降(平均约占14.3%)，黏土组分含量变化不大. 调水调沙后，黄河口近岸沉积物中砂含量尽管较尾闾河道明显降低，但其平均含量仍高达23.5%. 黄河口近岸沉积物粒度在调水调沙前虽未有明确报道，但其调水调沙后的砂含量较调水调沙前尾闾河道的砂含量仍有明显增加，且黏土组分也较渤海湾略低. 渤海湾和莱州湾的沉积物粒度在调水调沙前亦无定量报道，但通过调水调沙后的结果显示，其沉积物类型均以粉砂(平均含量分别为52%和62.4%)为主. 渤海湾沉积物的黏土含量较高，平均约占25.9%； 莱州湾沉积物的砂含量次之，平均约占21.6%. 就黏土矿物组分而言，尾闾河道(入海口)沉积物的黏土矿物诸组分平均含量在调水调沙前后相近，组合特征均为伊利石>蒙皂石>绿泥石>高岭石. 调水调沙前后，黄河口近岸沉积物黏土矿物中的伊利石含量变化不大，但蒙皂石平均含量较调水调沙实施前明显增加(高达26.5%)，仅次于伊利石. 渤海湾和莱州湾的黏土矿物较调水调沙前变化最明显的亦是蒙皂石. 渤海(包括渤海湾和莱州湾)沉积物的黏土矿物在调水调沙前以伊利石含量最高(平均约占60%)，高岭石次之，平均约占18%，绿泥石和蒙皂石含量相对较低； 调水调沙后，蒙皂石含量在渤海湾(平均23.6%)和莱州湾(平均22.7%)均明显增加，高岭石平均含量皆有所下降，而伊利石和绿泥石含量变化不大.

表 1(Table 1)

表 1 黄河尾闾河道、 黄河口近岸、 渤海湾及莱州湾沉积物粒度和黏土矿物组成 Table 1 Composition of grain size and clay in sediments of the tail channel of the Yellow River,inshore area,Bohai Sea and Laizhou Bay 时间 区域 粒度组成/% 黏土矿物组成/% 文献 黏土 粉砂 砂 伊利石 蒙皂石 绿泥石 高岭石 黄河尾闾河道(入海口) 0.81) 79.51) 19.71) 62.5 15.2 12.5 9.7 [1] 调水调沙前 黄河口近岸 — — — 55~62 5~7 18~22 15~17 [32] 渤海湾 粉砂质黏土 黏土质粉砂 粉砂 60 10 10 18 [33] 莱州湾 粉砂质黏土 粉土质粉砂 粉砂 [8] 黄河尾闾河道(入海口) 0.3 14.3 85.4 62 16 12 10 [9] 黄河尾闾河道(入海口) 0.3 14.3 85.4 62 16 12 10 本研究 调水调沙后 黄河口近岸 17.4 59.1 23.5 55.4 26.5 10.3 7.8 本研究 渤海湾 25.9 52 22 59 23.6 10.2 7.3 本研究 莱州湾 16 62.4 21.6 57.8 22.7 10.9 8.6 本研究 1)东营市水文资源勘测局提供

表 1 黄河尾闾河道、 黄河口近岸、 渤海湾及莱州湾沉积物粒度和黏土矿物组成 Table 1 Composition of grain size and clay in sediments of the tail channel of the Yellow River,inshore area,Bohai Sea and Laizhou Bay

3 讨论

调水调沙工程不仅能够减少河道淤积，而且可有效增大主槽的过流能力，改善下游河道的排沙条件^[26]. 已有研究表明，调水调沙工程使得下游河道泥沙中数粒径呈现出粗化趋势^[29]. 黄河沉积物的颗粒组成比较细，主要为黏土质粉砂^[9]，统一到同一粒级标准^[34]，即黄河沉积物中粉砂含量最高，黏土次之. 本研究表明，黄河口近岸沉积物粒度组成中的粉砂平均含量达59.1%，居于最高； 其次是砂，平均含量为23.5%； 黏土含量相对较低，平均约占17.4%. 与黄河沉积物相比，尾闾河道和黄河口近岸区域沉积物的粒度组成在砂含量上均呈增加趋势，且尾闾河道沉积物粒度在调水调沙后砂含量明显增加(即粒径粗化). 可见，调水调沙工程不仅使得下游河道沉积物的粒径粗化，而且其对黄河口近岸沉积物的粒度粗化亦有重要影响. 渤海(包括渤海湾和莱州湾)沉积物中粒度分布范围最广泛的是粉砂，黏土和砂含量相对较低. 与渤海湾沉积物相比，黄河口近岸沉积物的砂含量较高，黏土含量较低. 究其原因，黄河入海水沙携带的主要为风成黄土，颗粒较细，其中粉粒占黄土总重量的50%，这就使得受黄河入海水沙影响较大的黄河口近岸以及渤海沉积物的粒度组成都以粉砂为主； 调水调沙使得泥沙粒径粗化，泥沙入海使得黄河口近岸沉积物在砂含量上较高. 但对于渤海湾，黏土组分颗粒细，在海洋水动力条件下其不断悬浮搬运向海侧输运^[35]，由此使得渤海湾黏土组分相对近岸区域较高.

对于黏土矿物，黄河口近岸沉积物在调水调沙工程实施前伊利石含量最丰富，绿泥石和高岭石含量较丰富，而蒙皂石含量最低^[32]. 本研究表明，黄河口近岸区域的伊利石平均含量最高(55.4%)，蒙皂石含量高达26.5%，居第二位，绿泥石(10%)和高岭石(7%)含量较低. 与调水调沙实施前相比，调水调沙后蒙皂石含量明显增加. 调水调沙前，渤海表层沉积物中广泛存在的黏土矿物是伊利石、 高岭石、 绿泥石和蒙脱石，伊利石为优势矿物，平均含量为60%； 次之为高岭石，平均为18%； 绿泥石与蒙脱石为次要矿物，平均都在10%左右^[8]. 研究区的伊利石平均含量与渤海基本一致，但第二优势矿物却存在较大差别，高岭石的平均含量(7.8%)与渤海相比较低； 而绿泥石的平均含量(10%)与渤海海区相近. 黄河沉积物的黏土矿物组分含量由高到低依次为伊利石、 蒙皂石、 绿泥石、 高岭石^[1,9]，由此可见，研究区沉积物的黏土矿物与黄河沉积物的黏土矿物组成特征一致，体现了黏土矿物组分在河口近岸沉积物中的分布受陆源沉积物的控制. 2003~2012年间，受各种因素影响，特别是调水调沙工程使得黄河下游的年均径流量和输沙量明显增加(图 6)，其在该时段内的多年平均径流量和输沙量分别为193.2亿m³和1.68亿t. 黄河流经黄土高原地区，可携带大量黄土入海. 黄土受黄土高原气候影响风化后可形成一些富钾和富钙的黏土矿物，如富钾伊利石、 钙蒙脱石和方解石等^[24]. 入海径流量及输沙量的增加，可携带大量黄土在河口近岸堆积^[1]，使得黄河口近岸区域沉积物中的黏土矿物组分含量与调水调沙前存在较大差异. 另外，黄河口近岸沉积物在水动力作用下可进入渤海湾和莱州湾^[36]，致使调水调沙后渤海湾和莱州湾黏土矿物中的蒙皂石含量较调水调沙前高. 这也说明黄河口近岸小范围区域的黏土矿物组成相对于渤海海域受黄河入海泥沙的影响更为显著.

图 6

Fig. 6

图 6 1995~2012年利津站的水沙年际变化 Fig. 6 Annual runoff and sediment of the Lijin station from 1995 to 2012

(1)黄河口近岸海域表层沉积物的粒度组成主要以粉砂为主，砂次之，黏土组分相对较少，与渤海和黄河沉积物的粒度组成存在较大差异； 调水调沙工程使得沉积物粒径粗化，说明其粒度受陆源的影响更为显著.

(2)黄河口近岸海域的黏土矿物组成与黄河沉积物的组成相近，但较调水调沙工程实施前存在较大差异，其不同组分含量整体表现为伊利石＞蒙皂石＞绿泥石＞高岭石.

(3)相对渤海海域大范围的研究，对黄河口近岸海域的小范围研究更能揭示黄河入海水沙对其沉积环境的影响.

致谢： 本研究在采样过程中，得到黄河水利委员会东营水文水资源勘测局付作民高级工程师以及中国科学院烟台海岸带研究所河口物质输运与沉积课题组孙万龙、 孙文广、 郭兴森、 祝贺同学的帮助，在此表示感谢.