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热带海洋学报 >

2020 , Vol. 39 >Issue 2: 44 - 53

DOI: https://doi.org/10.11978/2019041

海洋地质学

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

  • 许眸莹 , 1 ,
  • 高抒 , 2 ,
  • 葛晨东 1 ,
  • 黄梅 1
展开
  • 1. 中国南海研究协同创新中心, 海岸与海岛开发教育部重点实验室, 南京大学地理与海洋科学学院, 江苏 南京 210023
  • 2. 河口海岸学国家重点实验室, 华东师范大学海洋科学学院, 上海 200241
+ 通讯作者 通信作者：高抒。E-mail:

作者简介：许眸莹(1991—), 女, 江苏省南京市人, 硕士研究生, 研究方向为海洋沉积动力学。E-mail:

*南京大学中国南海研究协同创新中心南海科考队提供了牛轭礁和西门礁的表层沉积物样品。感谢审稿专家在本文写作与修改过程中给予的意见和指导。

Editor: 殷波

收稿日期: 2019-04-22

  要求修回日期: 2019-10-15

  网络出版日期: 2020-03-10

基金资助

国家自然科学基金重点项目(41530962)

中国科学院院士咨询项目(2016ZWH005A-005)

版权

版权所有，未经授权，不得转载、摘编本刊文章，不得使用本刊的版式设计。
收起

Characteristics and morphodynamics of newly-formed coral debris deposits on the Niu’e and Ximen Reefs, Jiuzhang Atoll, South China Sea

  • XU Mouying , 1 ,
  • GAO Shu , 2 ,
  • GE Chendong 1 ,
  • HUANG Mei 1
Expand
  • 1. Key Laboratory of Coast & Island Development of Ministry of Education, School of Geographic and Oceanographic Science, Nanjing University, Nanjing 210023, China;
  • 2. Stake Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, School of Marine Sciences, East China Normal University, Shanghai 200241, China

Received date: 2019-04-22

  Request revised date: 2019-10-15

  Online published: 2020-03-10

Supported by

Key Project of the National Natural Science Foundation of China(41530962)

Academician Consulting Project of the Chinese Academy of Sciences(2016ZWH005A-005)

Copyright

Copyright reserved © 2019. Office of Acta Agronomica Sinica All articles published represent the opinions of the authors, and do not reflect the official policy of the Chinese Medical Association or the Editorial Board, unless this is clearly specified.
Fold

摘要

南沙群岛的珊瑚礁以环礁形式存在, 拥有各具特色的地貌形态。九章环礁中的牛轭礁和西门礁是两座发育有新生沙洲的环礁, 代表灰沙岛形成前一个重要的过渡性地貌演化阶段。这两处新生沙洲表层沉积物样品的粒度分析表明: 沉积物主要组分为珊瑚碎屑, 长轴中值粒径在14~45mm之间, 属于砾石级别; 样品分选系数在4.5~31之间, 分选性很差; 球度值为0.52~0.68, 球度差。粒度特征值中, 中值粒径具有随着到水边线距离的增大而升高的趋势, 而分选性和球度与距水边线距离关系不大。整体上中值粒径与分选系数呈正相关关系, 而与球度呈负相关关系。历史文献记载和卫星图像表明, 牛轭礁和西门礁上的新生沙洲都是近年来才形成的, 与风暴过程及冬季风有关。牛轭礁上沙洲向北迁移, 同时其长轴向东南方向延伸; 西门礁上沙洲整体向东南方向迁移, 并形成回弯形沙嘴形态。新生沙洲的出现与珊瑚碎屑物质供给变化或风暴浪作用变化的关系还需进一步探讨。

关键词： 新生沙洲; 粒度; 珊瑚碎屑; 风暴浪作用; 九章环礁; 南海

本文引用格式

许眸莹 , 高抒 , 葛晨东 , 黄梅 . 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[J]. 热带海洋学报, 2020 , 39(2) : 44 -53 . DOI: 10.11978/2019041

Abstract

Coral reefs over the Nansha Islands have characteristic geomorphological patterns; they exist in the form of atolls. The Niu’e (also known as Mckennan) and Ximen (Whitsum) reefs of the Jiuzhang Giant Atoll are two secondary atolls with newly-formed debris deposits, which may represent an important stage of landform evolution from a submerged atoll towards a reef island. Grain-size analysis of the surficial sediment samples collected from the two reefs shows that gravel-sized coral debris is the main component of the deposit. Medium grain sizes of the samples (measured by the long axis) range from 14 to 45 mm. Sorting coefficients range from 4.5 (being poorly sorted) to 31 with a sphericity value of 0.52 to 0.68 (far from a sphere shape). Medium grain sizes show a trend of increasing away from the shoreline. Medium grain sizes of the sediment samples are positively correlated with sorting coefficients, whereas they are more or less negatively correlated with sphericity values. Based on an analysis of historical records and satellite images, these beach ridge- or sand bar-like deposits represent modern accumulation landforms; their formations are related to storm waves and to some extent to the winter monsoon waves. The sand bar on the Niu’e reef had been extending towards the southeast and at the same time moving towards the north. The sand bar on the Ximen reef had an overall migration towards the southeast, with recurved sand spits on both sides. The mechanisms for the formulation of these features, in terms of changes in coral material supply and storm wave pattern, need further investigations.

Key words： newly-formed reef top deposits; grain size; coral debris; storm wave; Jiuzhang Atoll; South China Sea

近年来海面上升, 海洋酸化等原因使得珊瑚礁岛研究越来越受到重视(Manzello et al, 2008; Woodroffe, 2008)。我国南海发育较多的灰沙岛, 是珊瑚礁岛的一种, 其特征是礁盘上有一定高程的生物碎屑堆积体覆盖, 往往由沙洲发育而来。因此, 新生沙洲代表灰沙岛形成前的重要过渡性阶段。对南海灰沙岛新生沙洲的研究(曾昭璇 等, 1985; 杨娟 等, 2014), 尤其是对地处“航海危险地带”的南沙群岛(赵焕庭 等, 1992)新生沙洲的研究, 有助于提升对南沙群岛岛礁的认识, 可为开发和管理我国南海疆域提供服务。
前人对珊瑚礁岛组成物质进行了测年和粒度分析, 以沉积层序分析的反演方法研究珊瑚礁岛发育的模式(Woodroffe et al, 1999; Kench et al, 2014), 还有研究者在珊瑚礁岛水域放置沉积物捕获器获取珊瑚礁岛沉积物通量(Morgan et al, 2014), 或通过数值模型来模拟分析珊瑚礁岛发育的过程与机理(Barry et al, 2007), 但多数工作都是对已经发育成型、有植被生长的珊瑚礁岛进行的研究, 有关新生沙洲的研究较少, 需重视和加强。本文以南海九章环礁中牛轭礁和西门礁的新生沙洲为研究对象, 开展表层沉积物粒度分析和研究, 结合文献资料和历史卫星图像, 探讨新生沙洲的特征。

1 研究区概况

1.1 地理环境

南沙群岛岛礁众多、分布广泛, 海底地形大致呈由南向北的三级阶梯地形, 其中第二级的南沙台阶是一座高出深海平原1500~2500m的海底高原, 也是南沙群岛主体坐落的位置, 其上分布众多珊瑚岛礁, 按其地理分布可划为中北群、西群和东群, 其中中北群规模最大, 九章环礁也在其中(赵焕庭, 1996; 曾昭璇, 1997)。
九章环礁位于(9°42′—10°00′N, 114°15′— 114°40′E) (图1), 是由一连串小环礁组成的纺锤形大环礁, 沿东北到西南方向延伸, 长56km, 宽9~14km (曾昭璇, 1997)。图1中的干出礁或岛是指海图深度基准面以上的礁体, 暗礁是指深度基准面以下的礁体。九章环礁在分类上属于开放环礁, 专题绘图仪(Thematic mapper, TM)影像呈链状, 由小环状礁体形成一个大型的复合环形(潘春梅 等, 2002)。大环礁上“门” (小环礁之间的缺口, 连通大环
图1 南海九章环礁研究区(a)及牛轭礁、西门礁采样点位置(b)

图a中方框为研究区。岛/干出礁和暗礁边缘位置据OSM网站数据(http://www.openstreetmap.org)

Fig. 1 Location of Jiuzhang Atoll and the sampling sites at Niu’e and Ximen reefs in the South China Sea. The seaward boundaries of the intertidal and underwater reef platforms are based on the OSM website (http://www.openstreetmap.org)

礁潟湖与外部水域)很多, 其总长度可超过礁体长度。九章环礁周长约142km, 其中“门”的长度总计81km (曾昭璇, 1997)。九章环礁的环礁发育指数(Adi), 即礁盘面积(SR)和潟湖面积(SL)的比值为0.086, 远小于开放环礁和半开放环礁之间的界限0.12。环礁中部的潟湖水深超过50m, 其中有少数点礁发育。
牛轭礁位于九章环礁东北角(9°57′—10°00′N, 114°36′—114°40′E), 礁盘平面形态呈向东北伸展的“V”字形, 裸沙洲位于礁盘西南部, 整个沙洲的位置高出低潮位约2m, 长约112m, 最宽处约25m。初步观察沙洲全部由珊瑚礁碎屑堆积而成, 粒度粗, 有3级明显的沙堤, 其坡度分别为23°、8°和44°。
西门礁为西北—东南向椭圆形礁盘, 位于(9°54′N, 114°28′E)附近, 沙洲出露水面部分沉积物颗粒较粗, 地表坡度较陡, 其西侧有明显的3级地形。沙洲东西长58m, 最宽处约30m, 似心形。向海侧礁平台宽广, 向潟湖侧平台窄, 且沉积物颗粒变细。

1.2 海洋水文条件

灰沙岛发育所需的基本条件包括丰富的珊瑚碎屑来源、足够碎屑堆积的礁盘宽度和有利于碎屑堆积的风浪条件等(赵焕庭, 1996)。
珊瑚礁产生的碎屑沉积物大多都被搬运到了系统之外, 沉积物生产量远大于滞留量(Stoddart, 1969), 而珊瑚礁沉积物的主要组成成分90%来源于珊瑚礁内部的生物碎屑(Fagerstrom, 1987)。因此, 珊瑚生长情况影响礁盘的大小, 进而影响珊瑚礁沉积物堆积形成沙洲的规模大小。南沙海区气温的平均日、月、年变化和冬、夏半年之间相差都很小, 整个海区海表水温平均值均在27℃以上(赵焕庭, 1996), 水质清澈, 盐度分布均匀, 非常适合珊瑚生长。现场观测也表明, 九章环礁附近珊瑚生长良好, 碎屑物源丰富。
南沙群岛地处热带海洋季风气候区, 主要表现为冬季的东北季风和夏季的西南季风(林锡贵, 1990)。普遍来说, 冬季东北季风强, 持续时间长, 而夏季西南季风相对较弱, 持续时间短。此外, 南沙地区也受热带气旋的影响, 其中秋冬季占多, 为73%, 移动路径在九章环礁北部经过次数较多, 一般情况下风力为8~11级, 极大情况12级(赵焕庭, 1996; 文日凤 等, 1999)。影响本区的强风天气基本发生在冬季11月至1月, 风暴中心移动方向大体自东向西(表1)。本区的波浪以风浪为主, 涌浪少于风浪但波高和周期略大于风浪(俞慕耕, 1984)。波向和表层海流受季风影响显著, 11月至次年3月中旬为东北浪期, 5月下旬至9月为西南浪期, 剩余时间为两个过渡浪期(Gan et al, 2006; 李文波 等, 2010), 潮汐性质属不规则日潮, 潮差小, 一般为0.5~1.5m (赵焕庭, 1996), 不同方位上综合极值海流相差较大, 其中NE、SSW方位较显著, 显示出季风海流为主的特征(朱良生 等, 2005)。

2 材料与方法

2.1 样品采集

沉积物样品由南京大学中国南海研究协同创新中心组织的南海科考队于2016年11月28日—29日采集于中国南沙群岛九章群礁的牛轭礁和西门礁, 采样地点见图1。样品均为新生沙洲的表层沉积物。
表1 2012年至2018年影响九章环礁的热带气旋数据

Tab. 1 Tropical cyclones affecting Jiuzhang Atoll during 2012-2018

编号 名称 日期/(年.月.日) 中心气压/hpa 中心风力/级 最大风速/(m·s-1) 移动速度/(km·h-1) 中心移动方向
1224 宝霞(Bopha) 2012.12.06 970 12 35 10 北西北
1330 海燕(Haiyan) 2013.11.09 950 14 45 35 西北西
1331 杨柳(Podul) 2013.11.14 1002 7 15 25 西
1421 森拉克(Sinlaku) 2014.11.28 993 8 20 23~28 西北西
1723 达维(Damrey) 2017.11.02-03 985 10~11 25~30 15~18 西/西南西
1726 启德(Kai-Tak) 2017.12.19-20 995 8 18~20 18~20 西南西/南西
1727 天秤(Tembin) 2017.12.24 970~975 12 33~35 23~25 西
1801 布拉万(Bolaven) 2018.01.03 1000 8 18 22 西/西北西

注: 数据总结于typhoon.zjwater.gov.cn

选取牛轭礁的3个断面(NEJ-Ⅱ、NEJ-Ⅲ和NEJ- Ⅴ)和西门礁的一个断面(XMJ-Ⅰ)的连续样品进行分析。采样所处的牛轭礁上的沙洲北面是外海方向, 南面是潟湖方向, 采样断面均在沙洲上, NEJ-Ⅱ断面是从沙洲外海一侧的水边线向潟湖取样, 断面包含7个采样点, 采样断面走向220° (图2a); NEJ-Ⅲ断面位于沙洲西南部, 从外海一侧向沙洲中心取样, 包含5个采样点, 采样断面走向40° (图2b)。各采样点离外海水边线距离见表2, 第一个点距离都为0, 表示采样均从沙洲水边线开始。其中NEJ-Ⅱ和NEJ-Ⅲ断面位于同一个出露沙洲上, NEJ-Ⅴ断面则位于靠东侧的另一个小沙洲上, NEJ-Ⅴ包含8个采样点, 走向200° (图2c)。
西门礁只有一个连续采样断面, 从西北向东南方向, 起于外海一侧的水边线, 止于潟湖水边线, 共20个采样点, 选取其中19个样品进行分析, 因XMJ-7样品与XMJ-6距离较近, 未对XMJ-7样品进行分析(图2d)。
参考永暑礁(9°32′N, 112°53′E)潮站的潮汐表, 牛轭礁采样时间11月18日10:00, 潮高121cm, 当日高潮为22:00的180cm; 西门礁采样时间11月29日12:43, 潮高132cm, 当日高潮为22:00的185cm。潮高基准面在平均海面下130cm。

2.2 粒度分析

样品采集后, 用类似四分法处理, 每个采样点尽量随机地选取100个左右的颗粒, 用刻度板和直尺手工测量每个颗粒3个互相正交的直径a、b、c。采用长轴a作为颗粒的特征长度, 计算样品的中值粒径、分选系数和球度。因沉积物的粒径范围变化较大有极值, 平均值受极值影响大, 故用中值粒径代表一个采样点的群体粒径特征。关于颗粒球度的计算, 有很多定义和不同的计算方法, 本文选用Sneed-Folk球度计算公式(Sneed et al, 1958; Barrett, 1980):
球度 = $\sqrt[3]{\frac{bc}{a^2}}$
式中: a、b、c分别表示沉积物颗粒长轴、中轴和短轴的长度(单位: mm)。球度数值区间为(0,1], 越接近1表示颗粒形状越接近球形。

3 分析结果

3.1 沉积物粒度和球度分析数据

牛轭礁和西门礁出露沙洲上的表层样品主要成分是珊瑚碎屑, 含少量贝壳。颗粒多保留珊瑚断枝形状, 松散堆积, 还未经受成岩作用。样品粒度、球度参数如表2所列。以长轴a作为颗粒的特征长度, 粒径变化于5~120mm之间, 变化范围较大, 但均在砾石级别。

3.2 沉积物粒度累积频率曲线

从牛轭礁3个断面采样点样品的累积频率曲线(图3)来看, 离外海水边线距离近的沉积物颗粒粒径比较集中, 总体偏小, 离外海水边线远的沉积物粒径范围相对较大。这一点在NEJ-Ⅱ和NEJ-Ⅲ断面表现得比较明显, NEJ-Ⅴ断面的颗粒粒径累积频率变化不大。
图2 采样剖面

a. 牛轭礁NEJ-Ⅱ剖面采样点; b. 牛轭礁NEJ-Ⅲ剖面采样点; c. 牛轭礁NEJ-Ⅴ剖面采样点; d. 西门礁XMJ-Ⅰ剖面采样点

Fig. 2 Sediment sampling sites along the four profiles. (a) Niu’e reef, Profile NEJ-Ⅱ; (b) Niu’e reef, Profile NEJ-Ⅲ; (c) Niu’e reef, Profile NEJ-Ⅴ; and (d) Ximen reef, Profile XMJ-Ⅰ

表2 九章环礁采样点数据及粒度、球度参数

Tab. 2 Sampling site data, grain size parameters and sphericity values of Jiuzhang Atoll

采样时间 岛礁名称 断面长度/m 采样点编号 到水边线距离/m 中值粒径/mm 分选系数 球度
2016
11.28
10:00		 牛轭礁 18.9 NEJ-Ⅱ-1 0 15.0 6.97 0.618
NEJ-Ⅱ-2 3 19.0 13.30 0.603
NEJ-Ⅱ-3 6 30.0 16.10 0.631
NEJ-Ⅱ-4 9 16.0 6.63 0.625
NEJ-Ⅱ-5 12 27.0 17.30 0.678
NEJ-Ⅱ-6 15 41.0 12.70 0.618
NEJ-Ⅱ-7 18 31.5 10.50 0.584
14 NEJ-Ⅲ-1 0 15.0 7.07 0.641
NEJ-Ⅲ-2 3 16.0 10.50 0.630
NEJ-Ⅲ-3 6 18.0 11.30 0.608
NEJ-Ⅲ-4 9 25.0 11.00 0.639
NEJ-Ⅲ-5 12 20.0 14.10 0.640
58 NEJ-Ⅴ-1 0 22.0 13.60 0.599
NEJ-Ⅴ-2 10 16.5 9.12 0.596
NEJ-Ⅴ-3 20 15.0 8.31 0.631
NEJ-Ⅴ-4 30 14.0 7.52 0.651
NEJ-Ⅴ-5 37 15.0 6.81 0.667
NEJ-Ⅴ-6 41 16.0 6.69 0.676
NEJ-Ⅴ-7 49 14.0 4.86 0.666
NEJ-Ⅴ-8 58 14.0 7.31 0.658
2016
11.29
12:43		 西门礁 68.5 XMJ-Ⅰ-1 0 22.5 21.40 0.526
XMJ-Ⅰ-2 5 19.0 13.30 0.634
XMJ-Ⅰ-3 10 32.0 20.90 0.612
XMJ-Ⅰ-4 15 15.0 12.70 0.657
XMJ-Ⅰ-5 20 28.5 16.20 0.565
XMJ-Ⅰ-6 24 35.5 17.10 0.610
XMJ-Ⅰ-8 26.5 22.0 11.10 0.625
XMJ-Ⅰ-9 28 33.0 13.80 0.602
XMJ-Ⅰ-10 31 41.0 15.50 0.610
XMJ-Ⅰ-11 34 43.0 15.30 0.621
XMJ-Ⅰ-12 36 26.5 15.10 0.625
XMJ-Ⅰ-13 39 44.0 30.60 0.644
XMJ-Ⅰ-14 43 23.5 15.10 0.616
XMJ-Ⅰ-15 49 32.5 17.10 0.611
XMJ-Ⅰ-16 51 22.5 10.20 0.623
XMJ-Ⅰ-17 57 35.0 21.20 0.538
XMJ-Ⅰ-18 60 17.0 7.71 0.641
XMJ-Ⅰ-19 64 14.0 11.90 0.679
XMJ-Ⅰ-20 68.5 21.0 11.20 0.604
图3 牛轭礁沉积物粒径累积频率

a. NEJ-Ⅱ剖面; b. NEJ-Ⅲ剖面; c. NEJ-Ⅴ剖面

Fig. 3 Cumulative percentage curves of Niu’e reef sediments: (a) NEJ-Ⅱ, (b) NEJ-Ⅲ and (c) NEJ-Ⅴ

3.3 沉积物中值粒径、分选性与球度特征

样品中值粒径、分选性和球度的断面分布见图4。
图4 沉积物粒度参数与到外海水边线距离的关系

a. 中值粒径; b. 分选系数; c. 球度

Fig. 4 Relationships between grain size parameters and distance from shoreline: (a) medium grain size, (b) sorting coefficient and (c) sphericity

中值粒径变化范围为14~45mm, 整体颗粒很大。牛轭礁上的NEJ-Ⅱ和NEJ-Ⅲ的中值粒径按离外海水边线的距离呈现曲折上升的趋势, NEJ-Ⅴ断
面的样品粒径变化范围不大, 西门礁上XMJ-Ⅰ断面从外海水边线到潟湖水边线, 中值粒径大致有先上升后下降的趋势。
分选系数的变化范围为4.5~31, 分选性非常差, 变化幅度也较大。NEJ-Ⅴ断面的颗粒样品相对来说分选性较好也较稳定, 其他断面变化都很大, 与样品位置的相关性不明显。
球度的变化范围为0.52~0.68。所采集的表层沉积物样品基本是珊瑚碎屑, 或为枝杈状、条状, 或为片状, 球度很差, 球度数值与样品位置也没有明显的相关性。
综合牛轭礁和西门礁所有采集样品来看, 表层沉积物颗粒的分选系数与中值粒径呈正相关关系, 决定系数r2=0.5291, 相关性较显著(图5a), 即颗粒越大, 分选性越差; 球度与中值粒径呈负相关关系, 决定系数r2=0.1391, 相关性弱(图5b), 即颗粒越大, 球度有变差的趋势。

4 讨论

4.1 新生沙洲形成动力

粒径分析显示, 组成牛轭礁和西门礁沙洲的珊瑚碎屑中值粒径在10mm以上, 分选性很差, 多保留着珊瑚断枝的形状, 未受到胶结作用。碳酸盐沉积物易受磨损侵蚀, 因此珊瑚碎屑分选性差, 说明
图5 沉积物中值粒径与分选系数(a)和球度(b)的关系

Fig. 5 Relationships between medium grain size and sorting coefficient (a) and between medium grain size and sphericity (b)

此处的沉积物搬运距离短, 未经波浪长期改造。整体沉积物颗粒的分选性和球度都随粒径变大而变差, 粒径小的颗粒是破裂磨损后的珊瑚碎屑, 和大块的珊瑚断枝相比, 分选性和球度得以提高。
从粒度特征与地理方位的关系来看, 两处新生沙洲的表层沉积物特性与方位的对应关系并不显著。在横向上, 沙洲堆积体有滩、脊等多种微地貌变化, 不同地貌部位的沉积物特性也没有显著差别。面积、形态、地理位置和发育阶段不同的灰沙岛, 其表层沉积物粒径的相对方位变化也不同, 例如永乐环礁北部的全富岛, 其E、N、S、WS 4个方位的样品粒度中值变化明显, N方向达7.8mm, E方向则为0.65mm; 而位于西沙群岛最西南部的中建岛, 北西西岸与南东东岸样品粒度中值分别为0.62mm和0.8mm, 差异不大(钟晋樑 等, 1979)。
西门礁上沙洲距礁盘前缘的距离要比牛轭礁近(图6, 图7), 搬运距离近, 沉积物的中值粒径整体比牛轭礁大, 分选性更差。这两处新生沙洲表层沉积物粒径总体较大, 说明波浪是其主要的搬运动力。
沙洲是在珊瑚礁平台上有充足物源和风浪作用时堆积形成出露海面的地形, 在强大风浪如台风影
图6 牛轭礁历史卫星图像

Fig. 6 Historical satellite images of the Niu’e reef

图7 西门礁历史卫星图像

Fig. 7 Historical satellite images of the Ximen reef

响下, 可能会形成临时性的沙坝, 这类地形有利于沉积物的后续堆积。现场考察发现, 牛轭礁和西门礁礁盘宽阔, 在沙洲附近的礁盘上有风暴巨砾堆积, 尤其是牛轭礁, 这说明研究区经受过风暴浪的作用, 近几年也多次受到台风或热带风暴作用(表1), 有利于沙洲形成。

4.2 新生沙洲生长移动

文献记载和历史卫星图像均能很好地反映两处沙洲的形态变化。南海诸岛的不少现代灰沙岛是从全新世中期以来出露的(赵焕庭 等, 1997)。曾昭璇 (1997)统计的南沙环礁目录里, 九章环礁记录为“洲”的地貌有3处, 即染青沙洲、鬼喊沙洲和琼礁沙洲。当时未观察到西门礁与牛轭礁有明显出露海面的沙洲形态, 但牛轭礁退潮时礁盘已有部分可露出, 涨潮时的浪花可以指出其位置; 礁盘上受风暴巨浪作用而堆积的孤立风暴巨砾称为“礁头”, 牛轭礁礁盘上礁头也较多。
Duan等(2016)分析了2013—2014年间南海群岛海域50多幅Landsat-8 OLI影像, 统计得出高潮时出露的珊瑚岛礁(包括沙洲、自然岛屿和人工岛屿) 24个, 牛轭礁与西门礁未计为岛礁。根据影像判定, 牛轭礁干出礁(高潮线与低潮线之间的礁体, 低潮位时出露海面)面积为8.90km2, 淹没礁(即“暗礁”, 低潮位时也不会出露的礁平台, 其边界大致位于暗礁顶部向水下边坡的坡度转折处, 因而并非与特定的等深线相联系)的面积为2.96km2; 西门礁干出礁面积2.85km2, 淹没礁面积0.65km2。
关于灰沙岛的演化阶段, 王国忠(2001)将灰沙岛演化分为砂砾滩-灰沙/砾洲-灰沙岛3个阶段, 曾昭璇等(1985)则分为潮汐浅滩-沙洲-沙岛3个阶段。不论采用哪种分类, 沉积物堆积体出露水面、超过高潮位而成为沙洲, 都代表着一个重要的演化阶段, 牛轭礁和西门礁上的堆积体正处于“新生沙洲”的阶段, 其波浪破碎带地貌的长时间存在就是明证。现场观测沙洲顶部高出水面1~2m (图2), 采样时牛轭礁潮高121cm, 当日高潮180cm, 西门礁潮高132cm, 当日高潮185cm, 也可以看出两处沙洲当时均已超过高潮位。浅滩不断加积高于高潮线后进入沙洲阶段, 使得堆积体有一定抵挡风浪破坏作用的能力, 但台风作用仍可使其发生大规模变形(曾昭璇 等, 1985)。
图6和图7分别显示了4个时间点牛轭礁和西门礁上新生沙洲的历史卫星图像, 截取于google earth。图像直观地显示了沙洲的形态和位置变化。这两处沙洲都是现今堆积产物。
灰沙岛的雏形有新月形沙堤、横向沙堤和似纵向沙堤几种(吕炳全 等, 1987)。从卫星图像上看, 牛轭礁上的新生沙洲呈纵向沙坝形, 西门礁则是属于明显的新月形。从2012年到2014年, 牛轭礁上沙洲向东南延伸了很长一段距离, 同时也在整体上向北迁移; 2014至2015年, 在向东南方向伸展的同时, 沙坝似乎被截断为两段。在西门礁, 2014年有了明显的沙洲出露, 2014到2016年沙洲整体向东南迁移, 2015至2016年沙坝两端均形成朝向潟湖方向的回弯形沙嘴。在海滩环境, 此类回弯沙嘴的末端通常是向岸弯曲的(King, 1972), 该处向环礁潟湖的弯曲可能是北向风浪作用的结果, 表明这种弯曲形态可能不仅与风暴浪有关, 还与东北季风相联系。此处冬季东北季风和夏季西南季风形成稳定的东北向浪和西南向浪。两处礁体位于九章环礁北面一侧, 东北季风直接对其影响, 西南季风则受到大环礁南侧礁体和潟湖的阻隔。
文献和图像资料综合表明了牛轭礁和西门礁上的新生沙洲都是近年才发育形成的, 沙洲从水下生长到出水成洲经历的时间很短, 新生沙洲的形态也很不稳定, 沙洲的珊瑚碎屑沉积物都是来自于新近生长的珊瑚。关于沙洲本身的地貌形态, 其形成机理还需进一步探讨, 重点应考虑新生成珊瑚碎屑物质供给的增加以及风暴浪作用的增强等因素。

5 结论

1) 牛轭礁和西门礁新生沙洲上的表层沉积物主要成分为珊瑚碎屑, 长轴中值粒径变化范围在14~45mm, 粒径大, 整体分选系数在4.5~31, 分选性很差, 球度0.52~0.68, 颗粒球度差。沉积物粒径与到水边线距离大致呈越远越大的关系。分选系数和球度与距水边线距离没有明显相关关系。中值粒径与分选系数呈正相关关系, 相关性较强, 而与球度呈负相关, 相关性较弱。
2) 牛轭礁和西门礁上的新生沙洲都是近年才形成的珊瑚礁碎屑堆积产物, 与本区域的风暴浪作用有关。沙洲从水下生长到出水成洲经历的时间很短。牛轭礁上沙洲向东南方向生长迅速; 西门礁上沙洲的西南和东南端形成两个回弯形沙嘴, 沙洲整体向东南方向迁移。新生沙洲与珊瑚碎屑沉积物供给变化或风暴浪作用变化的关系需进一步探讨。

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