**波浪主导海岸滨面流体泥沉积的垂直密度结构与时空分布：双频声学探测与分析**

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Vertical density structure and spatiotemporal distribution of shoreface fluid mud deposits on a wave-dominated coast: detection and analysis

　　

波浪主导海岸滨面流体泥（Fluid Mud，FM）的垂直密度结构和时空分布检测与分析。双频声学方法在波浪主导滨面探测到流体泥。声学-密度一致性对于泥跃层（lutocline）深度高于对泥层厚度。识别出五种观测性声学-密度不匹配类型。两个声学数据集中非典型响应频率存在差异。非渐变密度型-低频不匹配（NGD-L）与非渐变密度剖面和低频不匹配相关。

引言：泥质海岸通常出现在河口、海湾和三角洲等遮蔽环境中，低能条件有利于细颗粒沉积物聚集。然而，在特定的沉积物供给和水动力条件下，流体泥也可能在开放的波浪主导沙质海岸发育。FM是一种高浓度粉砂和黏土悬浮体，容重（bulk density）在1030至1300 kg/m³之间，代表悬浮与固结之间的过渡阶段，在短期海洋强迫下具有高度移动性。FM表现出显著的时空变异性，从微尺度聚集到中尺度输运，给探测带来困难。在暴露海岸，沉积体通常位于水下且短暂存在，深度在10?20 m，受瞬态波浪作用。在此类环境中，高浑浊度限制了光学传感，有利于以原位验证为支撑的声学方法。西非海岸、亚马孙-圭亚那陆架和季风驱动的喀拉拉泥质浅滩等系统塑造了当前对泥质浅滩动力学的理解，但这些系统与高能海岸存在本质差异，后者沉积体短暂、形态动力学不稳定且研究较少。在河口和港口，双频回声测深结合垂直密度剖面被广泛用于探测FM。然而，即使在此类相对稳定的环境中，未固结的FM仍然难以探测。泥跃层附近的急剧密度梯度可能产生假底反射回波或与原位剖面不匹配。此类解释局限性在波浪主导环境中可能尤为突出，因为FM沉积体时空多变且频繁受改造。尽管声学探测在低能系统中已相当成熟，在活跃海岸环境中仍缺乏有效约束。Tuttle（2000）调查了波浪主导滨面，证实了声学探测的可行性但指出显著的解释挑战，尤其是未固结层的低频回波。为低能稳定环境优化的技术需重新评估，因为这些技术在高能、形态动力学活跃滨面的表现仍知之甚少。鲜有研究关注此类环境中的声学-密度对应关系以及双频反射体的解释，限制了高能海岸FM监测的有效性。

本研究检验了低能环境建立的声学响应是否能不经重新解释直接应用于高能滨面。研究人员在巴西南部卡西诺海滩（Cassino Beach），通过整合双频回声测深和原位密度剖面，调查了FM的垂直密度结构和时空分布。具体目标为：(i) 评估波浪主导环境中声学-密度一致性和双频声学解释的局限性；(ii) 根据与密度推导FM边界的对应关系，对典型和非典型声学响应进行分类；(iii) 为支持动态海岸环境FM沉积体解释和监测，建立一个基于观测的声学-密度不匹配模式分类框架。研究区域卡西诺海滩位于巴西南部海岸，靠近帕托斯潟湖（Patos Lagoon）河口系统。毗邻大陆架对应帕托斯相（Patos Facies），是由潟湖外流形成的细粒沉积单元。该区域为波浪主导、微潮汐型，受气象驱动海平面变化塑造。海滩为耗散型至中间型，由极细石英砂组成，具多条沿岸平行沙坝。沉积物扩散以向南为主，受持续的东北风驱动，形成东南向涡度的细粒沉积物羽流。淡水河口外流与咸海水之间的相互作用促进絮凝作用和滨面FM沉积，形成水下、移动且短暂存在的沉积体。Holland等（2009）的高分辨率地球物理调查在2004至2006年间绘制了这些沉积体，揭示高空间变异性，沉积中心距岸约5 km，深度约10 m（等深线6?15 m）。Calliari等（2000）的岩心样品显示泥层（容重1240至1430 kg/m³）与薄层状沙层之间呈急剧过渡。

本研究在卡西诺滨面开展了前所未有的监测活动，包括2018年4月至2020年2月间的12次野外调查，旨在探测FM存在并考察高能条件下的垂直密度结构和回声-密度相关性。

本文以波浪主导海岸滨面流体泥（Fluid Mud, FM）为研究对象，通过整合双频单波束回声测深与振动音叉密度计（RheoTune vibrating fork densimeter）原位垂直密度剖面测量，系统评估了该类高能海岸环境中声学探测的适用性及其与密度结构之间的对应关系，提出了基于观测的声学-密度不匹配类型分类框架。

研究背景与科学问题：泥质海岸通常发育于河口、海湾、三角洲等低能遮蔽环境。然而，在特定沉积物供给和水动力条件下，流体泥——一种容重介于1030至1300 kg/m³的细粒高浓度悬浮体——亦可出现于波浪主导的开放沙质海岸。FM是悬浮与固结之间的过渡相，对短期海洋强迫高度敏感，且从微尺度聚集到中尺度输运均表现出显著时空变异性。在暴露海岸，FM沉积体通常位于水下10?20 m深度，短暂存在且受瞬态波浪作用，高频改造使得高浑浊度水体中光学传感受限，声学方法成为主要探测手段。西非、亚马孙-圭亚那陆架及印度喀拉拉邦等地的泥质浅滩系统虽已为泥质浅滩动力学提供了重要认知，但其处于相对可预测的水动力条件，与高能海岸存在本质差异。传统上，双频回声测深在河口和港口等低能环境中的FM探测已有较成熟应用，但高能滨面环境沉积体短暂、形态动力学不稳定、空间连续性差，且泥跃层（lutocline，即泥质悬浮体与上覆水体间密度急剧变化的界面）附近急剧的密度梯度可能产生假底反射或与原位剖面不匹配。目前，针对此类环境中声学-密度对应关系及双频反射体解释的研究极为有限，严重制约了高能海岸FM的有效监测。为此，研究人员在巴西南部卡西诺海滩（Cassino Beach），开展了为期约两年的系统监测，旨在检验低能环境建立的声学响应能否不经重新解释直接应用于高能滨面。

关键技术方法：研究区域为卡西诺海滩毗邻大陆架的帕托斯相（Patos Facies）细粒沉积区，属波浪主导、微潮汐海岸。2018年4月至2020年2月间，研究人员沿10条预设的岸线垂直断面（各长约8 km，间距1 km，水深2?14 m）开展了12次野外调查。声学数据采集采用两套双频单波束回声测深系统（TechGeo TGE系统，频率33/200 kHz；Lowrance HDS-10 Gen2系统，频率50/200 kHz，均以200 kHz为高频HF通道，33或50 kHz为低频LF通道），共获得240组声学-密度配对剖面（TGE系统113组，Lowrance系统127组）。原位密度测量采用RheoTune振动音叉密度计，该仪器通过沉积物穿透过程中的频率和振幅响应实现实时密度估算，并利用现场泥样稀释为13个密度等级进行标定，水密度设定为1020 kg/m³。表层沉积物样品在2018年4月和5月的两次调查中通过箱式采样器（Box Corer）采集，粒度采用激光衍射法分析并按温特沃斯分级标准（Wentworth scale）分类。声学记录经质量控制去除异常值和波浪引起的噪声，反射体深度基于横向连续性和采样区间内短尺度变异性确定。HF反射体与密度剖面识别的第一泥跃层比较，LF反射体与第二界面或沉积体声学基底比较，FM厚度由两个界面的垂直偏距计算。声学-密度对应关系采用线性回归、均方根误差（RMSE）和相对偏差评估。沉积体在GIS中制图，并利用Topo to Raster插值生成季节性等厚图，季节性分析使用206组剖面。

主要研究结果：(1) 沉积物组成与FM存在——2018年4月和5月表层样品显示平均组成为40%沙、38%粉砂、17%黏土，平均粒径51 μm，粉砂/黏土比>2。37组剖面中25组显示不同厚度的FM层，12组为无FM沙质底床。含FM剖面一般划为粉砂质砂或砂质粉砂，具发育良好的泥跃层和急剧密度梯度；无FM剖面则两者均缺。

(2) 声学-密度一致性——HF反射体与第一泥跃层深度相关性最高，R²值可达0.99，RMSE低于0.13 m；LF反射体方面，Lowrance系统RMSE为0.08 m，TGE系统RMSE为0.12 m，偏差均可忽略（<0.02 m）。但需注意两套系统在不同调查中使用且未同步运行，差异不应解释为仪器性能的直接对比。FM厚度估算的声学-密度一致性低于单个界面深度，TGE系统R²=0.83，Lowrance系统R²=0.72。HF反射体与第一泥跃层匹配紧密，而LF反射体离散度更大。

(3) 声学响应分类——基于声学-密度对应关系，将响应分为典型与非典型两大类、共五种非典型亚型。在TGE系统113组剖面中，典型响应占57.5%（54.0%为有FM型，3.5%为无FM型），非典型响应占42.5%。Lowrance系统127组剖面中，典型响应占52.0%（7.9%为有FM型，44.1%为无FM型），非典型响应占48.0%。五种非典型响应类型为：①HF-LF-DIV——HF和LF反射体均与密度推导FM边界错位（TGE 15.0%，Lowrance 18.1%）；②HFA-L——HF反射体位于第一泥跃层之上（TGE 3.5%，Lowrance 0.8%）；③HFB-L——HF反射体位于第一泥跃层之下（TGE 1.8%，Lowrance 11.0%）；④NGD-L——非渐变密度剖面中，LF反射体位于第二泥跃层之上或密度递减区间内（TGE 6.2%，Lowrance 3.9%），该型普遍伴随FM厚度低估；⑤LF-DIV——LF反射体与密度推导下边界不匹配（TGE 15.9%，Lowrance 14.2%），含三个亚型，分别对应LF反射体低于无FM剖面的密度定义底床、低于有FM剖面第二泥跃层、在渐变分层FM剖面中高于第二泥跃层的情况。

(4) FM厚度时空分布——12次调查揭示FM厚度具有显著的时空变异性。季节等厚图显示两个重复出现的沉积中心：中南部扇区（深度4?8 m）的沿岸平行延长状沉积体，以及中部扇区（深度10?12 m）的岸线垂直状沉积体。在监测期内，春季和夏季调查记录到最厚的沉积体（可达1.5 m）和最大面积覆盖（可达39.8 km²），秋冬季则为FM层最薄时段。非典型响应在所有代表性季节均有记录，且跨越不同空间尺度和垂直结构的沉积体。HF-LF-DIV和LF-DIV为两套数据集中出现最一致的非典型类型，NGD-L则在多次调查中均有出现。

讨论与结论：研究表明，卡西诺滨面单个FM界面（尤其是第一泥跃层）的声学-密度一致性较高，甚至可与伊塔雅伊港（Itajaí）等较平静环境的结果相媲美。然而，FM厚度估算的变异性更大，厚度偏差可达1.2 m。研究表明，声学反射响应于声阻抗（acoustic impedance）差异而非直接对应容重绝对值，弱差异、弥散性或非渐变密度结构以及空间不连续沉积体与较大的声学-密度偏差相关。本文所提分类为观测性描述框架，五种不匹配类型背后的物理和沉积学机制——包括可能存在的富沙夹层、混合粘性-非粘性沉积物中的垂向粒度分异等——尚需补充观测加以约束。研究还发现，沉积体对特定深度带（4?8 m和10?12 m）及南部扇区的倾向性分布可能与滨面形态（约7.5 m处坡折）和帕托斯潟湖羽流影响有关，卡西诺可能处于南部主沉积中心与北部不连续堆积区之间的过渡带。本文的主要贡献在于提供了一个基于野外数据的波浪主导滨面FM声学探测评估框架，并建立了五种声学-密度不匹配类型的观测性分类体系。该分类为识别常规声学-密度对应关系降低的情形提供了实用参考，但其推广至其他环境需要针对当地的沉积结构、声学配置和水动力条件进行独立验证。研究结论指出，双频声学方法对单个FM界面具有强一致性，而FM厚度估算不确定性更大；非典型响应为识别声学-密度分歧提供了有用的观测类别；后续研究需整合声学和密度测量与沉积物岩心、浊度观测、流速测量及垂向分辨的沉积学数据，以深入揭示不匹配类型的物理和沉积学成因。