南海珊瑚岛礁广泛分布, 其中珊瑚礁岛屿是我国在南海的唯一陆地国土。根据《联合国海洋法公约》, 岛屿可以成为海洋划界中的关键基点, 南海珊瑚礁岛屿具备了海洋划界中岛屿效力的潜力^[1]。因此, 南海珊瑚岛礁对维护我国国家主权以及海洋权益具有重要战略意义, 同时也是开展海洋开发、利用、保护以及科学研究的重要支点。随着我国南海岛礁开发建设的深入, 岛礁工程的选址、建设和维护无不与岛礁的稳定性密切相关, 而珊瑚岛礁地貌特征及其发育演变规律对认识珊瑚岛礁的稳定性具有重要意义。

灰沙岛是珊瑚岛礁中的一类地貌类型, 它隆起出露于珊瑚礁礁坪之上, 由造礁珊瑚及其他钙质生物残体及碎屑松散堆积而成^[2]。我国学者依据灰沙岛发育过程划分5个不同的阶段和地貌类型, 包括潮下砂砾滩-潮间砂砾滩-裸沙洲-草被灌丛沙洲-乔灌林灰沙岛^[2]。国际上则主要根据物质组成和植被覆盖来划分灰沙岛的地貌类型^[3-6], 主要类型包括无植被的砾洲和砂洲以及有植被的砾岛和砂岛, 事实上也反映了灰沙岛两个主要发育阶段。灰沙岛是地质过程和水动力过程相互作用的产物, 地质过程包括沉积物生成、侵蚀和运移, 水动力过程涉及潮汐过程和波浪作用(气旋、台风和飓风活动)^[7]。其中, 砾洲和砂洲是灰沙岛发育早期阶段的两种地貌类型, 砾洲形成于礁坪高能水动力环境下, 组成物质为粒径粗大的珊瑚枝块和其他生物残体; 砂洲则是形成于礁坪低能水动力环境以及风成环境中, 组成物质多为粒径偏细的生物砂堆积^{[5, 7-8]}, 我国学者通常把砾洲和砂洲统称为沙洲^{[2, 9-11]}。砾洲和砂洲是一种典型的动力平衡状态下形成的自然地貌系统^[7], 虽然形成于不同的动力环境, 具有不同大小的物质组成, 但两者的共同特点就是无植物生长, 具有较高的不稳定性, 任何动力条件的改变包括年际和年代际气候波动、季节性季风、周期性潮汐、风暴或海啸事件等, 都会造成砾洲和砂洲的快速响应, 砾洲和砂洲的位置和形态都会发生改变^{[1, 5, 7, 12-17]}。南海珊瑚礁何时何地会形成发育砾洲或砂洲, 砾洲或砂洲的未来是按照灰沙岛的发育模式发展成为植被覆盖稳定的灰沙岛, 还是受周边动力环境变化影响而频繁变动甚至消亡, 这都将会改变南海珊瑚礁岛礁的数量和地貌形态。因此, 砾洲和砂洲地形地貌特征及其动力环境的研究有助于揭示南海珊瑚礁岛屿动态演化规律, 有助于我们对南海珊瑚岛礁未来发展趋势的掌控, 也可为人工岛礁的稳定性研究提供重要参考。

南海珊瑚礁砾洲、砂洲和灰沙岛广泛发育, 主要集中于西沙群岛和南沙群岛中北部。我国对南海灰沙岛及沙洲的调查研究主要集中于20世纪90年代之前, 获得了有关南海珊瑚礁灰沙岛基本地貌特征以及发育模式的初步认识^{[2, 9-11]}, 随后的20多年间对南海珊瑚礁灰沙岛的野外现场调查和研究相对较少, 特别是对砾洲和砂洲的地形地貌特征、地貌发育演化规律及其水动力影响过程和机制缺少详细的调查研究。本文开展了南沙群岛永暑礁、西门礁和安达礁3个砾洲的现场地形测量以及数据分析, 获得了3个砾洲的基本地形特征, 初步探讨了南沙群岛珊瑚礁砾洲的发育模式与地貌分带, 以及砾洲发育的水动力环境影响, 为灰沙岛地貌形成演变机制的深入研究提供重要基础。

1 研究区概况

我国珊瑚礁广泛分布于南海海域, 按礁体表层范围推算总面积约为7300 km², 占全球的约2.57%, 主要分布于南海诸岛、海南岛、台湾岛和华南大陆沿岸等地^[18]。其中, 南海诸岛礁体面积约为5286.5 km², 又以南沙群岛珊瑚礁分布最广, 礁体面积约为2903.1 km², 礁体数量最多, 总计有113座礁体, 其中干出的环礁或台礁51座, 沉没的环礁、台礁, 或其他水下礁体62座^[18]。20世纪90年代之前的调查记录了南沙群岛植被覆盖的灰沙岛11座, 植被覆盖的沙洲3座以及裸沙洲10座, 面积仅为1.70 km²左右^[2]。新的调查利用遥感技术发现了21世纪以来南沙群岛至少有3个珊瑚礁新发育形成完全出露的沙洲, 包括安达礁、琼台礁以及南薰礁^{[1, 17]}。

南沙群岛海区天气和水文环境对珊瑚礁以及沙洲和灰沙岛的发育演化有重要影响。南沙海区常年受热带天气系统影响, 最主要的风场特征为季风, 表现为NE盛行风向的冬季风和SW盛行风向的夏季风; 此外还受热带气旋的影响, 但多集中在10°N以北海区, 以热带低压和热带风暴为主, 台风较少; 受季风和热带气旋影响, 强风和大风天气频繁^[11]。南沙海区潮汐现象明显, 主要受西太平洋经巴士海峡传入南海的潮波所支配, 以不规则日潮为主, 潮差较小, 潮流为不规则日潮流; 受季风控制, 表层海流冬季为盛行NW向, 夏季为盛行NE向, 波浪也表现出明显的季节变化, 冬季盛行NE向浪, 夏季盛行S和SW向浪^[11]。

本文调查范围自南向北分别为永暑礁(9°32′~ 9°42′N, 112°52′~113°04′E)以及九章群礁的西门礁(9°53′~9°54′N, 114°27′~114°28′E)和郑和群礁的安达礁(10°17′~10°22′N, 114°40′~114°43′E)。20世纪90年代之前的调查未有这3个礁发育沙洲或灰沙岛的报道, 但21世纪以来的卫星影像上清楚地显示3个礁的浅水礁坪上都发育以珊瑚碎屑为主的生物碎屑堆积体, 出露于海面之上, 最初按通常叫法称之为沙洲。现场调查发现, 堆积体的组成物质多为较粗大的珊瑚枝和珊瑚块(图 1), 因此按沉积物组成称之为砾洲更为准确。3个珊瑚礁中, 安达礁和西门礁都发育有单个砾洲, 分别位于各自礁体的东北端礁坪和西北端礁坪, 永暑礁东北侧礁坪则发育有多个砾洲。

2 调查与方法 2.1 现场调查

研究人员于2017年5—6月期间对永暑礁、西门礁和安达礁的砾洲开展了现场调查, 包括砾洲地形测量、砾洲周边礁坪的水深测量以及潮位测量。采用两台国产合众思壮(UniStrong)G10A GPS RTK系统分别作为基站和移动站现场开展砾洲地形测量。首先在砾洲上选择一个合适位置作为临时控制点, 固定设置一台G10A作为RTK基站, 再随机选择散布的10个地点标记作为标志点, 利用RTK多次测量标志点的位置和大地高程。同时采用美国Trimble Dini水准仪对11个标志点进行距离和相对高差测量。随后采用RTK移动站对砾洲进行全覆盖式定位和大地高程测量, 测量范围覆盖砾洲水深1 m以浅以及出露部分, 测点间距约为1 m。测量结果均采用达到RTK固定解的数据。

此外, 还利用小艇搭载合众思壮G10A RTK和国产中海达HD-370高频测深仪开展礁坪水深测量。艇上RTK作为移动站, 结合砾洲上固定的RTK基站进行礁坪同一地点定位和水面大地高程的测量, 测深仪测量同一地点实时水深。测量过程中, 测深仪探头固定于小艇底部, 同时同一垂向上固定RTK天线, 选择礁坪水面较为平静时, 小艇保持低于2 kn的低速匀速平稳行进。礁坪测量环砾洲进行, 测线间距约为10 m, 测点间距约为1 m。水深测量值都需要进行小艇吃水水深的校正。此外, 在礁坪水深2~3 m位置布设瑞士产Keller DCX-25潮位仪, 实时测量3个珊瑚礁礁区的水位变化, 永暑礁和西门礁各连续测量了13 d和9 d, 安达礁连续测量了一整天。

2.2 数据处理

RTK测量均获得固定解的高精度数据。分别利用RTK和水准仪测量数据计算砾洲上11个标志点之间的距离和高度差进行比对, 两种测量方法水平距离的平均偏差为0.03 m, 高度的平均偏差为0.004 m, 表明现场地形测量方法精度高, 测量数据可信, 满足四等水准测量的精度要求^[19]。为了解3个砾洲的分布范围和地形地貌特征, 需要把现场所获得的砾洲高程数据以及礁坪水深数据统一到同一高度基准面上。考虑到礁区潮汐的影响, 砾洲的出露与潮位变化相关联, 因此以理论最低潮面作为基准, 计算砾洲和礁坪相对于理论最低潮面以及平均海面的高度。

永暑礁具有验潮站, 潮汐表提供该礁区详细的潮位变化资料, 西门礁和安达礁缺少验潮站, 无法直接获取理论最低潮面。考虑到南沙海域开阔, 潮波在研究区内均匀传播, 3个珊瑚礁区潮汐性质相同, 3个地点实测水位变化与永暑礁站潮位变化一致, 因此采用综合传递法进行理论最低潮面的推算^[20-22]。依据永暑礁理论最低潮面, 利用永暑礁潮位数据和西门礁、安达礁的实测水位数据推算西门礁和安达礁两个礁区的理论最低潮面。分别对西门礁和安达礁的实测水位数据与永暑礁潮位数据进行最小二乘法拟合(图 2a), 计算出两个地点的潮差比, 然后再利用潮差比法计算出西门礁和安达礁的理论最低潮面。

H_B(t)=PH_A(t+w)+d, H_A(t)表示永暑礁潮位; H_B(t)表示西门礁或安达礁实测水位; P表示永暑礁和西门礁或安达礁的潮差比; t表示时间; w表示两礁的潮时差; d表示两礁的潮位基面偏差。

根据潮差比求出西门礁或安达礁的理论最低潮面: L_X=PL, L_X表示西门礁或安达礁的理论最低潮面; L表示永暑礁的理论最低潮面。

潮汐表潮位数据是基于理论最低潮面, 潮位计实测水位数据是基于仪器放置点, 同一时间段的潮汐表平均潮位与平均实测水位的差值代表了仪器点与理论最低潮面的高差, 利用这一高差可计算这一时段基于理论最低潮面的实时潮位数据, 3个砾洲的潮位变化与永暑礁站潮位变化一致(图 2b)。礁坪各测量点的实测水深与实时潮位的差值代表了各点相对于理论最低潮面的高度。

Δh=ζ_w–H_t, H_r=ζ_S–Δh, h_f=D_f–H_r, H_t表示潮汐表在测量时段的平均潮位; ζ_w表示相同时段潮位计实测的平均水位; H_r表示潮位计实测的实时潮位; ζ_S表示潮位计实测的实时水位; D_f表示礁坪测量点实测水深; h_f表示礁坪测量点相对于理论最低潮面高度; Δh表示潮位计相对于理论最低潮面高差。

礁坪RTK测量所获得的各测量点对应的水面大地高程与实时潮位的平均差值代表了理论最低潮面的大地高程。砾洲各测量点的大地高程与理论最低潮面大地高程的差值即为砾洲相对于理论最低潮面的高度。

G_t=Σ(G_f–H_r)/n, h_c=G_c–G_t, G_t表示理论最低潮面大地高程; G_f表示礁坪测量点对应的水面实测大地高程; h_c表示砾洲各测量点相对于理论最低潮面的高度; G_c表示砾洲各测量点实测大地高程; n表示礁坪测量点对应的水面实测大地高程的测点个数。

由此可获得同时基于理论最低潮面的砾洲和礁坪各测量点高度数据, 同时也可计算获得基于平均海面的砾洲和礁坪各测量点高度数据。砾洲和礁坪各测量点RTK测量获得的大地坐标系定位数据转换为高斯坐标系的位置数据, 结合各点的相对于理论最低潮面和平均海平面的高度数据分别组成砾洲和礁坪的三维地形数据集。利用Surfer软件对砾洲和礁坪地形数据集进行数据插值获得网格数据文件用于三维地形成图和地形特征的分析。其中, 砾洲网格数据分辨率为1 m, 礁坪网格数据分辨率为10 m。以理论最低潮面为基准, 3个珊瑚礁砾洲及邻近礁坪地形分布见图 3。

3 结果与讨论

现场调查发现, 永暑礁、西门礁和安达礁3个砾洲组成物质多为几厘米到十几厘米不等的珊瑚枝和珊瑚块(图 1), 未见有生物碎屑砂的堆积, 因此属于典型的砾洲。理论最低潮面以上是潮汐变化影响的区域, 可以看作是砾洲可能形成的主要范围。而平均海面之上则是砾洲出露的平均范围。基于理论最低潮面和平均海面两个基准面, 结合现场调查获得地形数据的分析, 获得3个砾洲的基本地形特征, 并探讨砾洲发育模式与地貌分带以及砾洲发育的水动力环境影响。

3.1 砾洲的基本地形特征

3个珊瑚礁砾洲的形态和大小各异, 安达礁砾洲明显要小于永暑礁和西门礁砾洲。但3个砾洲的主体都表现出北东-南西向的展布, 并且砾洲西北侧外凸, 东南侧内凹, 呈现弧形的特征, 西门礁的弯曲程度要明显大于安达礁和永暑礁。砾洲及邻近礁坪地形分布显示(图 3a), 3个礁的礁坪调查区域整个地形都呈现中部砾洲凸起, 高度向周边礁坪降低。永暑礁和西门礁砾洲高度较大, 安达礁砾洲高度相对较低; 砾洲周边礁坪则是以永暑礁的深度较大, 并且向东南方向增大, 安达礁和西门礁砾洲礁坪深度较小, 前者西南向有小幅增大, 后者则较为平缓。分别以理论最低潮面和平均海面作为起算面可以基本确定3个砾洲的可能分布范围和平均出露范围(图 3b和图 3c), 并计算出现场调查区域内3个砾洲的基本地形数据(表 1)。

以理论最低潮面为基准面, 图 3b显示出3个砾洲可能分布范围。其中, 西门礁砾洲分布范围和面积最大, 几乎涵盖调查范围内的整个邻近礁坪区域, 这与西门礁礁坪深度小, 大部分处于理论最低潮面之上有关; 永暑礁和安达礁砾洲的面积相近。计算的砾洲体积表明, 西门礁砾洲可能的堆积量也是最大的, 其次是永暑礁砾洲, 安达礁砾洲的堆积量最小, 与砾洲的高度分布有关。整个可能的砾洲范围内高度分布差别明显, 砾洲凸起部分高度大, 而分布范围较大的外围砾滩部分高度低。其中, 西门礁和安达礁砾洲的平均高度相近, 分别约为0.31 m和0.32 m, 永暑礁砾洲平均约为0.49 m; 最大高度出现在永暑礁砾洲, 约为3.67 m, 其次为西门礁砾洲, 约为3.37 m, 安达礁砾洲最大高度为2.46 m。

以平均海面为基准面, 图 3c显示了3个砾洲平均出露的分布范围。其中, 永暑礁砾洲出露面积最大, 西门礁砾洲其次, 面积都在2000 m²以上, 安达礁砾洲出露面积仅有334.7 m²; 砾洲出露部分堆积量也以永暑礁砾洲最大, 其次是西门礁, 安达礁砾洲出露堆积量要小一个数量级。永暑礁和西门礁出露砾洲长度都超过100 m, 西门礁出露砾洲长度要大于永暑礁, 但宽度则要小于永暑礁, 安达礁出露砾洲的长宽都是最小的。永暑礁和西门礁出露砾洲的平均高度分别为1.14 m和0.91 m, 安达礁出露砾洲平均高度仅为0.47 m; 永暑礁和西门礁出露砾洲的最大高度分别为2.40 m和2.02 m, 都位于砾洲的西侧, 而安达礁出露砾洲最大高度仅为1.21 m, 位于砾洲的中北部。

3个砾洲面积大的外围砾滩部分地势较为平缓, 坡度较低, 而砾洲凸起部分地势增大, 呈现差异性的坡度分布(图 3d)。砾洲凸起周边呈明显的斜坡, 坡度一般在10°以上; 砾洲内部整体较平缓, 坡度一般小于10°。永暑礁和西门礁东南向内凹侧的坡度要大于西北向外凸侧的坡度(表 1), 其中永暑礁砾洲两侧的平均坡度分别要小于西门礁砾洲, 但两侧的坡度差则要明显大于西门礁。安达礁砾洲外凸侧平均坡度则略小于内凹侧平均坡度。此外, 永暑礁和西门礁砾洲两侧坡度具有明显的转折变化, 下部坡度较上部坡度有显著增大。永暑礁砾洲约1 m以下, 内凹侧和外凸侧坡度分别可达35°~50°和10°~20°, 比上部坡度分别高出约20°和6°~7°; 西门礁砾洲约1.6~1.8 m以下外侧坡度高出上部约10°~20°。

3.2 砾洲发育模式与地貌分带

3个砾洲中, 安达礁出露砾洲地势呈现中部高, 周边低的特点; 而永暑礁和西门礁出露砾洲地势呈现周边高, 内部低, 西侧高, 东侧低的特点, 并且砾洲存在多条地势较高坡度增大的砾脊(图 3c)。其中, 沿砾洲外凸侧都形成一条连续较大的主砾脊, 而在砾洲腹地则形成数条与其相交的次砾脊。砾脊的长度由几米到二十几米不等, 高度则由外凸侧向内凹侧逐渐降低。

永暑礁出露砾洲外凸侧主砾脊呈弧形, 主体由东西向转为北南向, 主砾脊长度约为114.1 m, 出露平均海面高度约为1.93~2.33 m。砾洲内部与该砾脊交汇有6条次砾脊, 其中北部4条呈西北-东南走向, 南部2条呈东北-西南走向, 长度约为18.0 m, 高度约为1.53~1.93 m(图 3c, 图 4)。这6条砾脊在砾洲东部汇聚, 地势相对较低, 高度约为1.33~1.43 m。西门礁出露砾洲外凸侧主砾脊的形态和走向与永暑礁外凸侧砾脊相似, 长度约为145.6 m, 出露平均海面的高度约为1.65~1.85 m。砾洲内部次砾脊共有14条, 其中较为明显的有12条, 与外凸侧主砾脊交汇, 走向多为西北-东南向; 这些次砾脊的长度约为13.8 m, 高度约为1.05~1.65 m(图 3c, 图 4)。安达礁出露砾洲范围较小, 呈中部凸起, 向北南两端降低, 未有砾脊分布(图 3c, 图 4)。

除安达礁砾洲为单个凸起无砾脊之外, 永暑礁和西门礁砾洲呈现围绕内部凸起向外以砾脊形式向外扩展的分布模式(图 3c, 图 4), 表明这两个砾洲经历多次的砾脊堆积, 也清楚地反映出砾洲的发育模式。在合适的水动力环境下, 以珊瑚枝和珊瑚块为主的生物碎屑物质最先在理论最低潮面之上开始形成砾滩, 随后加积增高形成砾滩凸起, 这代表了砾洲发育的雏形阶段, 安达礁砾洲目前相当于这一阶段, 处于砾洲发育的初期。在差异性的水动力作用下, 持续地搬运堆积围绕砾洲凸起部分先后形成多道砾脊, 砾洲不断向外扩大, 代表了砾洲发育的活跃阶段, 永暑礁和西门礁的砾洲已经进入了发育的活跃期, 发育有大小高低不等的多条砾脊。这一时期的砾洲并不稳定, 水动力强弱变化会造成砾洲形态的改变, 永暑礁和西门礁砾洲形态随砾脊分布的不同展现出形态的变化(图 3c)。永暑礁和西门礁的砾洲形态不尽相同, 反映了各自所在礁坪水动力环境的差异, 但两个砾洲的砾脊分布还是表现出相似的特点。永暑礁砾洲凸起位于西南部, 砾脊主要向东北、东和东南方向扩展, 西门礁砾洲凸起位于西北部, 北部和南部砾脊分别向东和东南向扩展, 两个砾洲西侧都只有一条主砾脊分布, 并且高度明显高于其他砾脊, 可能反映了多次的重复堆积, 亦或是多条砾脊汇聚, 代表了两个砾洲西侧相似的水动力作用。

综合3个砾洲的地形和地貌特征, 初步可以给出一个处于发育活跃期完整砾洲的地貌分带(图 5)。一般中部偏潟湖或内礁坪位置是砾洲发育早期形成的凸起, 随着砾洲堆积不断向周边发展, 这一区域成为整个砾洲地势较低的洼地或平地。周边先后形成的砾脊自内向外相互叠加向外扩展, 砾洲地势由内向外增大, 在水动力条件的差异影响下, 砾洲向海侧形成较高的砾脊分布, 而潟湖或内礁坪侧的砾脊高度相对平缓。砾脊外侧为理论最低潮面之上堆积分布低缓较宽的砾滩。砾洲的地貌分带特征初步展现出珊瑚礁灰沙岛典型的滩脊-洼地的地貌形态和结构^{[9-11, 23]}。与南沙群岛这三个砾洲不同的是, 西沙群岛发育的沙洲或灰沙岛在迎风面多形成砾滩和砾脊, 而背风面多为细颗粒的沙滩和沙堤^{[9-11, 23]}。

3.3 砾洲发育的水动力环境影响

南沙群岛珊瑚礁主要在南沙台阶上以NE向的断隆为基础发育起来的, 多呈NE-SW向展布^[24], 其上发育的砾洲或灰沙岛一定程度上受礁体形态的影响倾向于NE-SW向发育。南沙群岛现代珊瑚礁随冰后期海平面上升而向上生长, 至全新世中期海平面基本稳定而横向扩展, 最终形成现代珊瑚礁礁坪^[25]。研究发现第四纪以来区域地壳处于缓慢沉降中, 珊瑚礁的堆积速率大于地壳沉降速率, 认为灰沙洲和灰沙岛将会不断扩大甚至出现更多新的灰沙洲和灰沙岛^{[24, 26]}。珊瑚礁灰沙岛一般形成于沉积物来源充足和水动力过程集中的区域^[7]。永暑礁、西门礁和安达礁的3个砾洲位于各自礁坪中部, 现场调查发现砾洲组成多为珊瑚枝和珊瑚块, 明显搬运自周边礁体的死亡珊瑚残体。3个砾洲邻近礁坡、潟湖坡和礁坪有着大量的活珊瑚分布, 水下初步调查发现, 礁坡活珊瑚覆盖率可达到约20%~40%, 主要以指状杯型珊瑚、枝状鹿角珊瑚和块状的蜂巢珊瑚、圆盘状石芝珊瑚为主。这些活珊瑚为砾洲的形成提供了丰富的物质来源。

水动力条件包括潮汐、潮流和波浪, 是控制珊瑚礁砾洲形成发育的主要动力因素^{[4, 8, 27-28]}。理论最低潮面是珊瑚礁区潮汐可能出现的最低水位, 也就是说高于该水位的区域会受到潮汐涨落和潮流进退的影响, 往复的潮汐涨落和潮流进退有利于珊瑚礁区碎屑物质的搬运与堆积。因此, 理论最低潮面以上区域可以看作是砾洲可能形成的范围。而平均海面之上则是砾洲完全出露部分。潮位和潮流周期性的改变也会造成物质运移的变化, 涨潮时, 潮流推进, 易造成碎屑物质的加积, 是堆积的旺盛时期; 退潮时, 潮流退却, 易造成碎屑物质的侵蚀, 是堆积的间歇时刻^[2]。

珊瑚礁砾洲形成发育的关键动力因素是礁区波浪的折射汇聚^{[7-8, 28]}。虽然波浪在珊瑚礁前缘因深度变浅而破碎, 波能被消减, 但剩余的能量足以搬运珊瑚碎屑进入礁坪, 而在风暴潮条件下, 波浪更能携带更大粒径的物质深入礁坪内部。单向风影响下, 波浪由外海进入礁区, 经过礁缘发生折射, 进入礁坪后由单一波向转变为多方向, 根据礁体形状的不同, 在珊瑚礁某个水动力平衡位置形成波浪汇聚区^[8], 波浪汇聚区在礁坪上的位置由波浪折射模式决定^{[8, 29]}。根据珊瑚礁的大小和形状, 如果波浪平衡点处于礁坪范围之内, 在礁坪形成波浪汇聚区, 有利于搬运物质在礁坪的堆积; 如果波浪平衡点出现在礁外或潟湖, 无法在礁坪上形成波浪汇聚区, 沉积物不会在礁坪堆积^[30]。在多数中等及较大的珊瑚礁多在礁坪背风面形成沉积物堆积中心点; 而在更大的珊瑚礁, 物质输送区域可能存在多个集中区域, 导致礁坪中部形成广泛的沉积物沉积区^[7]。也就是说, 在波浪传递的方向上, 只要礁坪足够地长, 总存在波浪的汇聚区, 导致波浪搬运物质堆积于礁坪形成滩或洲, 否则沉积物被搬运到礁外或潟湖, 在礁坡和潟湖坡底形成堆积。通常进入礁坪的波浪会形成两个汇聚区, 礁坪前端形成高波能汇聚区, 礁坪后端则形成低能汇聚区^{[8, 29]}。粗颗粒的物质诸如珊瑚枝、珊瑚块容易在高能汇聚区堆积, 先形成砾滩, 逐步发展形成砾洲(图 6a); 而细颗粒的珊瑚砂及其他生物碎屑则被搬运到较远距离的低能汇聚区沉积, 先后形成砂滩和砂洲(图 6a)。

南海海区受季风的影响, 主风向呈季节性的转变, 夏半年(5—9月)盛行西南季风, 冬半年(11—4月)盛行东北季风, 南海波浪的主要波向夏半年以西南向为主, 冬半年以东北向为主^{[2, 10-11]}。因此, 季风和波浪的交替变化影响着珊瑚礁灰沙岛的形成发育^{[9, 31]}。盛行风向的季节性转变, 导致南海珊瑚礁礁坪水动力条件也出现季节性改变(图 6b、6c), 两个盛行风向期, 礁坪交替处于迎风面和背风面, 高能环境和低能环境交替出现。一般来说, 冬(夏)季风盛行期, 在礁坪东北(西南)上风向区域形成波浪高能汇聚区, 堆积砾滩或砾洲, 而在西南(东北)下风向区域形成波浪低能汇聚区, 堆积砂滩或砂洲。但水动力条件的季节改变, 会导致冬(夏)季风盛行期礁坪西南(东北)遭受夏(冬)季风盛行期高能波浪作用, 导致波浪低能汇聚区堆积的砂滩或砂洲会被波浪搬运侵蚀掉。因此, 在冬、夏季风共同作用下, 冬、夏季风两个阶段礁坪上分别发育的砂洲消失, 而砾洲则合为一体(图 6d), 形成狭长状的砾洲。

永暑礁和安达礁所在礁坪为北东-南西向延展, 西门礁礁坪虽然呈北西-南东向, 但在北东-南西方向上礁坪也有较大宽度, 3个礁的礁坪在空间上已经具备了达到波浪平衡点并形成波浪汇聚区的水动力环境, 3个礁区波浪主要受季风影响呈现显著的季节转变, 从而在礁坪形成波浪高能汇聚区和低能汇聚区的转变, 有利于砾洲而非砂洲的发育。永暑礁、西门礁和安达礁3个砾洲均位于礁坪的北部, 整体上呈北东-南西方向展布, 表明控制3个砾洲形成发育的波浪主波向为北东-南西向, 与季风的盛行风向一致, 反映出季风季节性变化的影响。可见, 3个砾洲所在位置处于冬、夏季风盛行期波浪影响的礁坪高能汇聚区, 来自北部和南部礁坡或潟湖坡以及礁坪的丰富珊瑚枝和珊瑚块很容易在此堆积成砾滩并发展成为砾洲。这种受季风影响的砾洲发育在印度洋和南太平洋都有发现^{[28, 32-33]}。

此外, 台风或飓风也被认为是珊瑚礁灰沙岛特别是砾洲形成的主要机制之一^[34-35], 台风或飓风及其形成的强波浪控制着灰沙岛发育的位置和规模。研究表明, 台风及风暴潮形成的强波浪通常造成粗颗粒物质的堆积有助于砾洲发育, 但也会造成细颗粒物质的搬离导致沙洲的侵蚀^[36]。永暑礁、西门礁和安达礁3个砾洲的形成发育也必然受到南海中北部热带气旋和风暴潮的影响。南海热带气旋和台风多集中在10°N以北, 主要来自于西北太平洋, 集中出现在10—11月, 平均每年侵袭南沙群岛的台风仅2~2.5次^{[11, 37]}, 台风浪多是从东北向袭击礁体^[38]。从时空分布来看, 热带气旋和台风对本区珊瑚礁的影响相对较少。由于主要出现时间的集中性以及其产生波浪方向与东北季风浪方向的一致性, 热带气旋和台风进一步加强了东北季风性波浪对研究区砾洲发育的影响。

4 结论

现场调查发现南沙群岛永暑礁、西门礁和安达礁礁坪发育出露有粒级粗大的松散堆积体, 属于珊瑚礁灰沙岛发育早期阶段的砾洲。地形调查数据的分析获得了3个砾洲基于理论最低潮面和平均海面的可能分布和平均出露分布的面积、体积、高度和坡度, 揭示出砾洲地貌发育过程和地貌分带模式。3个砾洲中, 以永暑礁和西门礁砾洲平均出露面积和高度都较大, 发育有多重砾脊, 地貌分带清晰, 处于砾洲发育的成熟阶段; 安达礁砾洲平均出露面积和高度较小, 无多重砾脊发育, 地貌分带简单, 处于砾洲发育的初期阶段。3个砾洲的地形地貌特征初步表明, 砾洲的发育主要受南海盛行季风影响下北东和南西向季节交替的水动力条件的控制。砾洲地形地貌特征为认识南海珊瑚礁灰沙岛的发育演化规律和动力机制提供了基础数据, 未来还需要结合沉积地层、遥感影像和水动力条件的现场调查和监测深入开展南海珊瑚礁砾洲组成结构、沉积-地貌-水动力过程和发育模式的研究。

致谢: 感谢调查船“琼琼海渔82006”黄克雄船长和全体船员的保障和服务; 潜水员谢向伟、王宝强、杨儒平、蔡汝飞的潜水协助; 广州慧洋信息科技有限公司蓝方宝工程师对RTK测量仪器的技术支持。