河流沉积物经过分散后最终在海湾、河口和大陆架海域积累,通常经历至少四个阶段:沉积物供应、初次沉积、再悬浮和输送以及长期净积累[1]、[2]。在中国东部边缘海域,风暴是沉积物输送的主要驱动力。风暴会产生强烈的波浪和洋流,增加底部剪切应力,从而在浅水和深水区加剧沉积物的再悬浮[3]。风暴期间沉积物通量可增加近100倍[4],例如长江三角洲的沉积物再悬浮和输出现象就证明了这一点[5]。在渤海(BS),强劲的北风促进了沉积物通过渤海海峡的输送[6]。这种输送主要由风驱动的洋流和潮汐流驱动[7],这一过程被广泛认为是黄海(YS)和渤海(BS)沉积物再悬浮和输送的主要机制。因此,分析季节性风条件下的沉积物行为对于理解河口和沿海环境中的沉积物输送和迁移至关重要。
目前,大多数关于沉积物输送的研究侧重于数学建模,如耦合海洋-大气-波浪-沉积物输送模型[8]和有限体积海岸海洋模型[9]。相比之下,直接测量的方法发展较为缓慢。尽管已经开发了许多海洋模型来描述沉积物动态,但开发测量方法对于模型验证、校准以及加深我们对沉积物输送动态的理解仍然至关重要。然而,由于各种沉积相关过程的复杂性和理解的不完全,实现沉积物输送模拟的同等精度具有挑战性[3]。现有的测量方法(如遥感和流体动力学调查)在数据采集方面存在操作限制,这阻碍了将沉积物输送过程与当地沉积历史相结合的综合性分析。相比之下,像239+240Pu这样的颗粒反应性放射性核素具有很强的细颗粒沉积物吸附能力,并携带独特的同位素特征。这些特性使它们成为重建沉积物输送路径和历史的高效示踪剂,补充了传统的测量方法。
渤海和黄海是半封闭的边缘海域,具有季风风暴的季节性特征,是研究风暴驱动沉积物输送动态的理想天然实验室。人为放射性核素主要通过大气核试验[10]、核处理厂的排放[11]和核事故释放到环境中。239+240Pu由于具有强颗粒反应性和长半衰期,已成为研究海洋过程(包括沉积物输送和颗粒捕获[13])的成熟示踪剂。相比之下,237Np在水环境中的溶解度更高、流动性更强。这种不同的地球化学行为使得239+240Pu和相对较稳定的237Np成为揭示海洋电流和沉积物输送季节性变化的理想示踪剂组合。
本研究探讨了北黄海(NYS)夏季和冬季沉积物中239+240Pu和237Np的分布,利用它们作为互补示踪剂来量化季节性沉积物输送动态和质量平衡。主要目标是:(1)通过绘制Pu和Np的独特空间分布特征,揭示控制夏季沉积和冬季跨锋面交换的流体动力机制;(2)利用239+240Pu的质量平衡模型估算沉积物的来源、汇和输送路径;(3)利用颗粒反应性Pu和更易溶的237Np的不同地球化学行为,区分物理输送和地球化学过程。