戚洪帅，陈敏
1. 背景资料——热带风暴与风暴沉积记录
热带风暴是全球最主要的海洋自然灾害之一，是发生在热带或副热带洋面上的中尺度低压涡旋，常见于西太平洋及其临近海域（台风Typhoon）、大西洋和东北太平洋（飓风Hurricane）以及印度洋和南太平洋。全球每年发生80~100个热带风暴，而中国是受热带风暴影响最严重的国家之一。台风是华南地区最主要的自然灾害，不仅会造成沿海地区大量的经济损失和人口伤亡，还会给海岸带的环境造成严重损坏。台风也是海岸变化的主要驱动力，由台风作用引起的大浪在较短时间内搬运大量沉积物，会对海岸地貌、海洋沉积和海底地形带快速变化甚至损毁。
对热带风暴的变化规律研究是揭示全球气候变化和海岸环境演变的重要内容，然而对其的观测资料年限太短，最多也不到150年的观测历史，我国的观测记录则更短，对超强台风的长周期变化规律的认识更是有限。超强台风尽管发生较少，但其破坏力极强，因此人们希望能够掌握其形成原因和活动规律。
与之相对应的是古风暴学的发展。古风暴学通过一些地质记录和历史文献来研究地质历史时期的古风暴的活动规律。古风暴学在二十世纪九十年代逐渐出现在人们的视野中，作为一门新兴学科，其主要是通过沉积物中的地质记录，揭示几百年甚至几千年前热带气旋活动的规律。地质记录里的古风暴一般具有作用时间短、形成突然、强度大等特点，同时也会保留一些标志性的特殊古生物化石。
早在20世纪50至60年代，地质学家就开始对现代风暴沉积进行研究。当时的研究表明，由于暴风浪的影响，沉积物的搬运和沉积都会出现变化。自20世纪70年代以来，对风暴沉积的研究有了迅速的发展，相继发表了大量的科研成果，成为继20世纪50年代浊流沉积理论后，沉积学中出现的新热点。在大量风暴沉积研究的基础上，许多研究人员开始对风暴沉积的构造进行归纳和总结，如Harms 等(1975)提出了丘状交错层理作为风暴沉积构造的典型层理(图1)。
图1 丘状交错层理构造（Harms et al.,1975）
对于不同环境下的沉积特征，提出了不同的风暴沉积层序模式。在碎屑风暴岩研究中，Dott 等(1981,1982)根据研究美国俄勒冈州地区海湾风暴沉积岩的沉积特征，并结合其它地区的风暴岩沉积构造，研究发现了碎屑风暴岩的理想沉积层序（图2a）。由下而上可划分为：侵蚀基底、滞留沉积、丘状交错层理、平坦纹层、交错纹层和泥岩、。Walker(1983)则根据其它地区的研究得出碎屑风暴岩的理想层序中不应缺少丘状层理之间的平行层理和侵蚀基底，由下而上可分为：块状的侵蚀基底、平行层理、丘状交错层理、平坦纹层、交错层理、受扰动的泥岩（图2b）。
图2 碎屑风暴岩理想层序（据Walker，1983）
2. 科学问题的提出----砂质海岸的风暴沉积
古风暴沉积的识别和研究需要综合运用沉积学、古生物学、历史文献以及地球化学等识别记录方法，对这些方法的发掘和完善是古风暴学研究的重要方向之一。粒度分析和微体化石指标常常被应用于古风暴岩的识别，但是有关其在现代风暴沉积过程中的形成和保存机制研究极为匮乏。尤其是对于砂质海岸来说，由于其极强的活动性和强烈的动力环境，在内滨和前滨区域通常难以保存沉积记录，只有在后方潟湖环境中才得以较好的保存，成为研究砂质海岸风暴沉积的关键，而关于中国沿岸沙坝潟湖海岸的风暴沉积记录方面的研究鲜有报道。本研究识别出了砂质海岸后滨潟湖环境中台风成因的粒度和微体化石记录特征，以期为揭示砂质海岸风暴沉积提供新的依据。
3. 研究对象----潟湖与超强台风的相遇
现代风暴沉积过程及其记录的研究较为困难，源于如何在台风前选准取样地点和时机，这有时候可能需要一点运气。目前为止，受到特大台风路径变化、登陆位置的不确定性影响，在现代台风风暴过程中的研究还较为有限，可查询到的文献记录较少。砂质海岸后滨潟湖在正常天气情况下沉积相对稳定，只有受到强风暴作用时，其沉积环境才会因扰动而变化，并在沉积记录中留下风暴的痕迹。而潟湖（海陵岛牛栏冲潟湖）和台风（201409号台风“威马逊”）的相遇为本研究的开展提供了条件（图3，4）。威马逊是建国以来最强的超强台风，因对我国造成重大损失被"永久除名（即这个名称永远命名给这次热带气旋，其他热带气旋不再使用这一名称）"，影响范围覆盖粤西和海南海岸区域（伍志元等, 2018），位于台风路径右侧的海陵岛受到极大影响，在研究区潟湖中留下了沉积记录。
本研究选取牛栏冲潟湖为研究区（图4），赶在2014年台风季节之前的7月13日采获5根柱样（HLD1-A至HLD5-A）。2014年全年影响研究区的台风有2个，分别是台风威马逊和台风海鸥。其中超强台风威马逊于7月18日登陆中国沿海地区。2014年8月22日在台风威马逊影响之后，我们在研究区相同站位采获了5根代表台风后的柱样（HLD1-B至HLD5-B）。
图3 研究区地理位置和2014年7月台风“威马逊”路径
图4 a 研究区在海陵岛的南侧沿岸， b 台风“威马逊”前后的取样位置，HLD1~HLD5代表站位名称，-A代表台风前，-B代表台风后； c 和d 2014年7月牛栏冲潟湖；e 2014年7月潟湖前的海滩； f 牛栏冲潟湖及沙坝的剖面图。其中的Google卫片拍摄于2014年10月
4. 现代风暴沉积的沉积学特征
正常的沉积层210Pb活度曲线会随着深度的增加而呈指数递减，只有在受到扰动的情况下才会发生变化，例如常常在表层0~20 cm出现生物扰动层。通过台风前后柱样210Pb活度的变化来看，台风造成的沉积物搬运和再沉积会导致210Pb含量出现低值（图5）。在美国Chesapeake 湾也有过专门利用210Pb进行事件沉积的研究，表明210Pb曲线低值区为事件影响层(Nie et al., 2001)。研究表明在渤海的潮滩沉积中风暴潮对柱状样中的210Pb活性有影响，风暴潮发生的年代与地层中的210Pb活性低值具有很好的相关性(王福, 2009)。由此可见，这一现象与其他研究者在地层中观察到的结果一致。
台风后沉积物的粒度频率曲线会出现双峰型，说明其受到不同方向两种水动力的影响，但以其中一种为主，粒度组成主要集中于粗颗粒部分，粉砂级含量较低（图6）。由于牛栏冲潟湖附近没有较大河流注入，其沉积特征发生于台风刚过时间段，因此可以认为沉积物的搬运主要受台风作用的影响。从沉积层位上看，各柱样明显分为上、下两部分，其沉积特征差异较大。因此，我们认为上部的沉积物均属于风暴沉积。这表明台风威马逊在研究区砂质潟湖的最大冲越沉积厚度达35 cm。这与Hawkes等人估算的风暴沉积砂层厚度2~28 cm接近(Hawkes and Horton, 2012)。同时展现出风暴沉积自潟湖内部向口门处逐渐变薄的趋势。
这些上部的风暴沉积物自下而上又大致分为两层。上层（②）沉积物较下层（①）粒度变细，分选性变差，粒度频率曲线变为明显的双峰曲线（图6）。这些现象反映了风暴沉积过程的特征，即台风水动力影响下，一部分水流通过口门潮汐通道直达潟湖内部，一部分通过冲越翻过沙坝进入潟湖。在初期强动力环境之下粗颗粒沉积物先沉积下来，并保持较好-中等分选。而后期台风暴雨和洪水冲刷沿岸而来的有机质和其他细粒物质一起混杂沉积下来，其分选差-很差，具有明显的粒度频率双峰曲线，展现双向水流的作用。
图5 台风前后HLD1站位的210Pb特征变化（其中-A为台风前柱样，-B为台风后柱样，X-ray为岩芯扫描结果）
图6 台风前后的沉积特征变化（其中-A为台风前柱样，-B为台风后柱样，X-ray为岩芯扫描结果）
5. 现代风暴沉积的微体化石记录
风暴沉积的上层中具有高的硅藻破碎率（可达约40%到60%）和相对正常天气下较高的硅藻总丰度值（图7）。原本较为贫瘠的砂质潟湖沉积中缺少硅藻，由于台风的作用将近岸水体的硅藻带入潟湖内部，因此使得风暴沉积硅藻总丰度值变高。风暴沉积的上层较下层普遍具有较多的硅藻，这是由于硅藻的大小和比重，使其更易与细粒物质一同沉积下来，因此聚集在风暴沉积的上层。较高的硅藻破碎率代表强大的台风水动力过程，使得壳体破碎，并沉积在上层。研究区正常天气下沉积中有孔虫含量很低，而风暴沉积中含有较多的有孔虫（图8）。这说明一般砂质潟湖正常情况下缺乏有孔虫，风暴沉积中大量的有孔虫是台风作用下从近岸水体搬运而来。
图7 台风前后硅藻含量特征（以HLD2为例，其中HLD2-A为台风前柱样，HLD2-B为台风后柱样）
图8 HLD1-B柱样中风暴沉积的有孔虫含量特征
6. 识别砂质海岸风暴沉积的标志
风暴沉积总体表现为具有较低的210Pb活度值，较粗的粒径和双峰粒度频率曲线，并含有较多的外来有孔虫。且存在明显的双层结构，这是台风水动力过程造成的（图9）。其下层（①）粒径较粗，分选中等，有机质含量也较低。其上层（②）粒径较细，分选差，有机质含量相对较高，同时含有丰富的硅藻。这些硅藻破碎率非常高，可达约40%~60%。其来源于强动力水流作用下硅藻与沙砾的摩擦淘洗导致的壳体破碎。这些硅藻中含有由风暴冲越带来的近海外来种类。研究表明台风事件层可以保存在砂质海岸后滨潟湖内，本研究给出的风暴沉积特征可以作为识别风暴沉积的标志。
图9 砂质海岸现代风暴沉积的标志
本文第一作者系自然资源部第三海洋研究所研究员，第二作者为自然资源部第三海洋研究所正高级工程师。本文属作者认识，相关问题交流可通过邮箱qihongshuai@tio.org.cn或chenmin@tio.org.cn与本人联系。欲知更多详情，请进一步阅读下列参考文献。
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