海岸纳潮盆地地貌与沉积过程模拟

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海岸纳潮盆地对于经济发展、生态和环境都具有重要意义。与其它地貌体系一样,地形和表层沉积物粒度是刻画纳潮盆地特征的两个要素。这两个要素在以下两种类型的纳潮盆地中具有代表性:(半封闭的)障壁岛纳潮盆地(例如德国Wadden Sea海岸)和开敞海岸纳潮盆地(例如中国江苏海岸)。本篇论文尝试用基于过程的数值模拟方法研究这两类纳潮盆地的演化和均衡过程,模拟中考虑了一个和多个(3个)沉积物粒度组分的影响,以解释现场观测获得的相关特征。论文主要涉及三个方面的科学问题:(1)潮沟平面面积及体积的尺度依存关系;(2)障壁岛纳潮盆地体系中潮滩高程概率累积曲线对于盆地尺度的响应;(3)表层沉积物粒度分布格局的形成。  纳潮盆地由潮沟和潮滩两个地貌单元构成。考虑单个和多个(3个)沉积物粒度组分的基于过程的数值模拟均显示,均衡态下纳潮盆地的一些地貌参数与盆地的尺度(大小)有关:潮沟的平面面积和体积分别和纳潮盆地平面面积和纳潮量的1.5次方成正比,而潮沟相对面积、潮沟体积与纳潮量的比值又都和纳潮盆地平面面积的平方根成正比。这些经验关系中的幂前面的系数总是在10-5数量级。这些关系与观察数据相一致,并被理论模型所支持。模拟结果还显示,对于上述尺度依存关系,单粒级和多粒级模拟结果的差别很小。  潮滩高程概率累积曲线是指小于等于某一高程的潮滩所占的面积或体积的分布曲线。障壁岛纳潮盆地的一些观测结果显示,其潮滩高程概率累积曲线具有不同的尺度依存或响应关系,而经典理论把这一现象解释为潮流和风浪作用强弱对比的结果。为了进一步研究这一问题,我们设计了包含一个和多个(3个)沉积物粒度组分的二维垂向平均的数值模型。两种模拟结果均显示,在均衡态下,盆地面积大形成上凹的高程概率累积曲线,而盆地面积小易形成上凸的曲线形状,并且这种响应在只有潮流(无波浪作用)的情形下也能形成。通过和观测得到的经验关系相对比,发现多粒级模拟更好地刻画了系统的这一特征,说明粒度分选作用在潮滩发育中具有重要作用。这一潮滩高程概率累积曲线的响应关系可用纳潮盆地中潮沟或潮滩的相对比例来解释:潮沟的相对比例大,使高潮滩比例减小、低潮滩比例增大,曲线上凹;反之,曲线上凸。  纳潮盆地内的表层沉积物有从海边界向陆变细的趋势。对于这种表层沉积物粒度在向岸-离岸方向上梯度的形成,基于现场观察的经验解释是能量在盆地区域内由海向陆方向上的衰减。除了沉积物粒度的离岸方向的分布格局外,粒度平面分布还显示了一些与潮沟、潮滩平面分布相关的横向的分布趋势。本文用一维垂向平均模型代表开敞海岸纳潮盆地,用二维垂向平均模型代表障壁岛纳潮盆地研究其地貌和粒度的演化。模拟结果与观测相符合,表明纳潮盆地内表层沉积物有由海向陆变细的趋势,并通过代表水流动能的最大流速的向岸衰减趋势证实了能量梯度的经验解释。此外,二维垂向平均模拟的结果也反映出与在东弗里斯兰海岸障壁岛纳潮盆地的观测相一致的表层沉积物粒度的横向分布特征:在潮汐汊道和潮沟中,粗颗粒沉积下来;而细颗粒沉积物则在流域盆地分水岭处和潮滩上堆积。纳潮盆地中潮滩沉积物粒度平面分布格局的成因归结为主要受到到海边界距离的控制,其次是受到到附近潮沟的距离的影响:距海边界越近,潮滩沉积物颗粒越粗;此外距临近的潮沟距离越近,潮滩沉积物颗粒越粗。
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