渤海南部 Lz908孔海陸交互沉積的粒度特征及其對沉積環境的指示

李 琰 ,于洪軍,易 亮, ,蘇 喬, ,胡 克徐興永,王 建

(1.中國地質大學(北京)海洋學院,北京 100083;2.國家海洋局第一海洋研究所,海洋沉積與環境地質國家海洋局重點實驗室,山東 青島 266061;3.中國科學院地球環境研究所,黃土與第四紀地質國家重點實驗室,陜西 西安 710075;4.中國海洋大學 環境科學與工程學院,山東 青島 266100)

海岸帶的發育過程受海陸多種因素的影響,交互作用十分復雜,對應的海岸形態也錯綜復雜[1]。因沉積環境與沉積物的組成、形態和沉積顆粒特征有很好的對應關系[2],海岸帶沉積物特征對海岸帶的發育過程具有指示意義。對沉積物進行粒度分析,可以了解物源關系、沉積物屬性、沉積環境,可以幫助人們更好地認識沉積物的巖性、結構、構造等。

粒度在對不同地區不同成因的沉積物成因的研究中有很好的應用[3-9]。其中最典型的應用是利用黃土推演第三紀以來的環境變化[10-15];此外,在海洋沉積物的研究中也有著良好的效果[16-23]。渤海作為一個新生代沉降盆地,沉積了厚達 2 000～3 000 m的湖相、河流相、海相等多種沉積環境地層,為研究東亞季風歷史、內陸干旱化的海洋角色、海陸交互影響以及古人類活動等重要問題提供了豐富的地質材料。然而,在過去 30多年中,并未對蘊涵著大量環境信息的沉積物粒度指標進行詳細而深入的研究。因此,本文利用新近獲取的Lz908鉆孔的粒度資料,運用粒度特征的分析方法,對上部54 m海陸交互相沉積物進行粒度象圖、粒度指數、粒度參數、判別分析特征進行歸納總結,并結合前人研究,提取其中的沉積環境信息,探討其沉積環境的演化。

1 區域背景

萊州灣南岸地處山東中北部,東與煙臺市接壤,西部與東營市隔河相望。區內地形自南向北由高到低,地勢平坦廣闊,地形坡度為 1/3000,海拔標高2～7 m,屬濱海堆積平原地貌。自南而北的地貌類型依次為沖洪積平原、河海積平原和海積平原。萊州灣南岸主要為緩慢淤進或沖(堆)積的粉砂、淤泥質海岸,潮間帶面積233.845 km2。區內分布彌河、濰河、白浪河、膠萊河等入海河流。為淤泥質堆積海岸,河流堆積顯著,沿岸形成寬闊沼澤、鹽堿灘地,水下淺灘寬約10 km。研究表明,晚更新世以來區內共發育3個海侵層位,最大埋藏深度為50～60 m[24]。

2 材料與方法

2.1 材料

Lz908孔位于山東省壽光市大家洼鎮(37°09′ N,118°58′ E,海拔 6 m)(圖 1),2007 年 4 月鉆探取心,獲取了長度為 101.3 m的沉積物柱狀樣,取心率約75%。本文研究用樣品為鉆孔上部54 m沉積物,按20 cm間距獲得,共172個樣品。

圖1 鉆孔位置圖Fig.1 The location of the borehole

2.2 粒度測試

樣品的測量在國家海洋局第一海洋研究所海洋沉積與環境地質國家海洋局重點實驗室完成。采用了較徹底的前處理方法: 在每個樣品中取約0.5 g放入燒杯,加10～15 mL濃度為30%的H2O2,使其充分反應;冷卻后加入5～10 mL濃度為10%的HCl,使其充分反應;給燒杯注滿蒸餾水,靜置 24 h后抽去蒸餾水,用超聲波清洗機振蕩后測量。測量粒度的儀器為英國MALVERN公司生產的MASTERSIZER-2000型激光粒度儀,測量范圍為0.02～2 000 μm,重復測量誤差小于3%。

2.3 粒度參數計算

粒度參數包括平均值、眾數、分選度、偏度和其他統計數據,通過對這些參數特征的分析可以推測沉積條件和環境的變化。本文采用Manus提出的矩值法公式計算樣品的粒度參數(表1)[25]:

上述各式中,md是各粒級組分的中值(mm);mφ、、σφ、Skφ、Kφ分別表示粒徑、平均粒徑、分選系數、偏度和峰態;f為各粒級的百分含量Σf =100。

表1 粒度參數判斷標準Tab.1 Judgement standard of grain-size

3 沉積物粒度特征

3.1 粒度象特征

Passega[26]選擇了一些與沉積搬運有著密切關系的粒度參數: C: 百分之一含量的粒度;F: 小于125 μm組分的百分含量;L: 小于31 μm組分的百分含量;A:小于4 μm組分的百分含量;M: 中位數,即中值粒徑,50%的粒度;分別以C對M、F對M、L對M、A對M作圖,用來判斷沉積物可能的形成環境。其中C-M圖為雙對數坐標軸,其他圖為單對數坐標軸。

沉積物樣品的 C-M 圖投點有明顯的集中性,C介于 150～300 μm,M 介于 10～100 μm。C 較為穩定,M 相對變化較大,與沉積時代水動能的變化及海陸交互作用有直接關系(圖 2)。根據樣品點的 M 的變化與離散程度可以將投點區域可以劃分為兩個,區域一: 90 μm＜C＜200 μm,10 μm＜M＜60 μm;區域二: 150 μm＜C＜300 μm,60 μm＜M＜120 μm。區域一初始水動能較大而平均水動能較小,說明沉積初期物質搬運動能較強而后期沉積水動力較弱;區域二初始水動能較大,平均水動能也較大,對應初始沉積動能對平均動能貢獻較大。區域二的樣品點較區域一更集中,可以反映地質歷史上多數時期以這個投點區域樣品表征的沉積特征為主。

圖2 渤海南部海岸帶沉積物粒度象C-M圖Fig.2 The relationship between C&M of the sediments from the south Bohai Sea

A-M、L-M 和 F-M 對沉積物的組分變化有很好的指示。可以看出,小于4 μm的組分整體上所占比例較小,細粒物質不為優勢組分;小于 31 μm 組分和小于 125 μm組分隨著M值的變化有出現較大的差異。當M ＜ 60 μm時,樣品沉積物顆粒幾乎全部小于125 μm,M 的增加主要由31～125 μm的部分控制,即隨著M值的增大,31～125 μm的含量急劇增大,而A(＜ 4 μm)、F(＜ 31 μm)也均有不同程度的減小。而當M ＞ 60 μm時,沉積物中大于 125 μm的顆粒逐漸增加,31～125 μm組分含量幾乎不變,同時細粒物質含量極低。觀察三個參數對中值粒徑的表現來看,整體上,沉積物的組分變化較大,即使是在M 值趨近10 μm時,細粒組分也沒有占據優勢組分,說明初始沉積動能水平較高,而沉積物整體的分選較差。

3.2 粒度結構散點圖

粒度參數是沉積物特征的直觀體現。沉積物樣品平均粒徑介于 3.3Φ～6.8Φ;分選系數(標準差)介于1～2,分選較差;偏度表現為正偏和極正偏;峰度主要分布在2.55～7.40,沉積物粒度表現為正態、正態-尖銳和尖銳,少數表現為平坦和極尖銳。粒度結構散點圖用于研究粒度參數之間的關系,推斷沉積環境。已有前人做了這方面的研究并取得了一定的效果[11,26]。

圖3 渤海南部海岸帶沉積物粒度象A-M、L-M、F-M綜合圖Fig.3 Relationships between A&M,L&M and F&M of the sediments from the south Bohai Sea

圖4 渤海南岸沉積物粒度結構散點圖(分選系數-平均粒徑)Fig.4 Grain size scatter diagram of the sediments from -thesouth Bohai Sea (σφ-)

樣品沉積物全部正偏,分選(φσ)整體較差;粗粒組分偏度(Skφ)較小,而分選中等。圖 5中反映兩者以負相關關系為主,存在小段正相關。正相關部分為沉積物中最粗粒組分,即隨粒度增加,偏度和分選系數都減小。粗粒組分分選要好于細粒組分。

圖5 渤海南岸沉積物粒度結構散點圖(偏度-分選系數)Fig.5 Grain size scatter diagram of the sediments from the south Bohai Sea (Skφ- σφ)

3.3 判別分析

判別分析是一種多元統計分析,可用來尋找適當的統計值以判斷不同的沉積作用和沉積環境。通過對沉積物粒度參數的統計分析,可以找出判別不同沉積類型的指標值。我們用下面的公式來計算樣品的判別值[26]:

式中Y1為判別參數,、σφ、Skφ、Kφ分別為平均粒徑、分選系數、偏度、峰度。統計結果見圖6。

圖6 渤海南岸Lz908孔三角洲沉積物判別參數圖Fig.6 Y1Values of grain size distribution of the borehole Lz908 from the south Bohai Sea

圖7 海南岸Lz908孔海灘沉積物判別參數圖Fig.7 Y2vlues of grain size distribution of the borehole Lz908 from the south Bohai Sea

4 沉積環境討論

綜合上述沉積物粒度特征,可以大致判斷地質歷史時期萊州灣南岸地區發生過沉積環境的變動,這與該時期海進海退的程度和河流輸運的變動有直接的關系。已有研究表明,萊州灣在第四紀以來發生過多次海侵事件[26],而對該區域物質輸運的研究揭示了彌河攜帶了魯中山區的物質沉積于此[27],雖然我們沒有區分剖面上的變化,但是仍舊可以對不同粒度特征的表現進行初步沉積環境的判定。

粒度象圖反映了沉積過程的水動力條件。初始水動能(C為主要的替代指標)較大,說明物質來源比較穩定,而高值與主要的輸運河流——彌河有直接的關系。彌河有搬運距離短、高程變化大的特點,這對高初始水動能是很好的響應。平均水動能(M為主要替代指標)變化較大,其中M高值部分投點較為集中,反映了與初始水動能的正相關關系,對沉積物的改造作用不大,應以河流相或三角洲相為主;M低值部分投點分散,M變動較大,指示了不同程度的靜水環境,反映了后期對沉積物改造作用強烈,鑒于該區域對沉積物改造作用的營力不外乎潮汐與波浪和風動能,而判別公式 Y2得到該區域的沉積非風成沉積,故判定粒度象反映了一定水深下的海相沉積。A-M、L-M和F-M對沉積初始動能有很好的指示,平均水動能較小時,控制沉積物粒度的為中粗粒組分而非細粒組分;平均水動能較大時,控制沉積物粒度的為粗粒組分。沉積物多種組分各占一定比例,分選較差,這與高能河流的輸運有較好的對應。整體看來,粒度象圖反映了沉積過程所處的地質歷史時期,研究區的沉積相經歷了河流相、三角洲相和淺海相的多次變化,其中以河流相和三角洲相為主[24,26]。

根據前人對粒度參數結構散點圖的研究,對樣品沉積物在圖中落點的區域和形狀進行對比和劃分。分析偏度–分選系數散點圖和分選系數–平均粒徑散點圖。與現代長江口三角洲近海區域的沉積物的粒度參數散點圖對比發現,Lz908的沉積物與多種不同的底表沉積物,包括三角洲、三角洲前緣、陸架沙脊沉積相似[28]。與西峰取得的河流沉積物樣品[11]相比,兩者在散點圖上投影形狀很相似,但是西峰樣品缺少細粒部分,說明樣品沉積物不僅僅受到河流的沉積作用,并且受到了其他水動力作用對沉積物進一步淘洗和剝蝕而形成的。而判別分析公式對沉積物的沉積類型的進一步的界定反映了沉積物以三角洲沉積與海岸帶淺水沉積為主[26]。

綜合以上沉積物的各項粒度特征,萊州灣南岸沉積物為彌河攜帶魯中山區的物質沉積于此。高能條件下,沉積物粒度組分以粗粒組分為主,細粒組分很少,這響應了彌河的高能性和持續性,并體現了該區域河流控制沉積的特征。而在某些時期,由于高海面的影響,沉積物受到潮流和波浪的淘洗和分選,沉積物的細粒物質增加,粗粒組分減少,但這種作用對沉積物組分變化影響不大,沉積物仍以中粗粒組分為主,此時平均動能較小,細粒組分占據一定比例。整體上看,這段沉積物反映了沉積歷史時期,研究區主要以河流相和三角洲相為主,而夾有幾個淺海相的沉積階段,但鑒于彌河高能的特點,淺海相特點并不明顯。極細粒物質分布較少而分散,可能與萊州灣南岸的幾次海侵過程相對應。

5 結論

本文通過對渤海南岸 Lz908孔沉積物粒度特征的分析,得到了以下幾點結論: 1)樣品平均粒徑介于3.3Φ～6.8Φ,以極細砂和粗粉砂為主,含有少量的黏土質;2)分選系數(分選系數)介于1～2,分選較差,偏度表現為正偏和極正偏,峰度主要分布在2.55～7.40,沉積物粒度表現為正態、正態-尖銳和尖銳,少數表現為平坦和極尖銳;3)河流對沉積物的作用較為穩定,整體上沉積區的物質反映了一種河流相和三角洲相的沉積特征,而極細粒物質分布較少而分散,體現潮流、波浪對沉積物的改造作用存在多個期次并且影響有限,這可能反映了萊州灣南岸多次海侵過程。

[1]馮士筰,李鳳歧,李少菁.海洋科學導論[M].北京:高等教育出版社,1999: 25-78.

[2]里丁H G.沉積環境和相[M].周明鑒,陳昌明,張疆,等譯.北京: 科學出版社,1985: 5-18,127-178.

[3]劉興起,王蘇民,沈吉.青海湖QH-2000鉆孔沉積物粒度組成的古氣候古環境意義[J].湖泊科學,2003,15(2): 112-117.

[4]隆浩,王乃昂,李育,等.毛烏素沙地北緣泊江海子剖面粒度特征及環境意義[J].中國沙漠,2007,27(2):187-193.

[5]殷志強,秦小光,吳金水,等.中國北方部分地區黃土、沙漠沙、湖泊、河流細粒沉積物粒度多組分分布特征研究[J].沉積學報,2009,27(2): 343-351.

[6]翟新偉,謝榮,杜芳芳,等.蒙古高原北部全新世風成沉積粒度分析及沉積環境[J].西北師范大學學報(自然科學版),2010,46(5): 108-113.

[7]黃臻,王建力,王勇.長江三峽巫山第四紀沉積物粒度分布特征[J].熱帶地理,2010,30(1): 30-33.

[8]錢亦兵,吳兆寧,陳冬梅,等.準噶爾中南部沙塵暴源區地表沉積物粒度特征[J].中國沙漠,2005,25(6):831-837.

[9]高抒,程鵬,汪亞平,等.長江口外海域 1998年夏季懸沙濃度特征[J].海洋通報,1999,18(6):44-50.

[10]鹿化煜,安芷生.黃土高原黃土粒度組成的古氣候意義[J].中國科學(D輯: 地球科學),1998,28(3):278-283.

[11]鹿化煜,安芷生.黃土高原紅粘土與黃土古土壤粒度特征對比——紅粘土風成成因的新證據[J].沉積學報,1999,17(2): 226-232.

[12]丁仲禮,楊石嶺,孫繼敏,等.2.6Ma前后大氣環流重構的黃土——紅粘土沉積證據[J].第四紀研究,1999,3: 277-281.

[13]喬彥松,郭正堂,郝青振,等.中新世黃土-古土壤序列的粒度特征及其對成因的指示意義[J].中國科學(D輯: 地球科學),2006,36(7): 646-653.

[14]彭淑貞,高志東,吳秀平,等.山東青州地區黃土的粒度組成及成因分析[J].地質力學學報,2007,13(4): 315-321.

[15]孫千里,周杰,肖舉樂.岱海沉積物粒度特征及其古環境意義[J].海洋地質與第四紀地質,2001,21(1): 93-95.

[16]程鵬,高抒.北黃海西部海底沉積物的粒度特征和凈輸運趨勢[J].海洋與湖沼,2000,31(6): 604-615.

[17]孫有斌,高抒,李軍.邊緣海陸源物質中環境敏感粒度組分的初步分析[J].科學通報,2003,48(1): 83-86.

[18]李軍,高抒,賈建軍,等.1998年11月長江河口懸浮體粒度特征的空間分布[J].海洋通報,2003,6: 21-29.

[19]李軍,高抒,孫有斌,等.沖繩海槽南部沉積層序的粒度特征[J].沉積學報,2003,21(3): 461-466.

[20]肖尚斌,李安春,蔣富清,等.近 2ka來東海內陸架的泥質沉積記錄及其氣候意義[J].科學通報,2004,49(21): 2233-2238.

[21]徐方建,萬世明,李安春,等.中國邊緣海陸源沉積物粒度與礦物組成的關系[J].自然科學進展,2008,18(11): 1271-1278.

[22]鄭洪波,陳國成,謝昕,等.南海晚第四紀陸源沉積:粒度組成、動力控制及反映的東亞季風演化[J].第四紀研究,2008,28(3): 414-424.

[23]徐方建,李安春,萬世明,等.東海內陸架泥質區中全新世環境敏感粒度組分的地質意義[J].海洋學報,2009,31(3): 95-102.

[24]中國科學院海洋研究所,海洋地質研究室.渤海地質[M].北京: 科學出版社,1984: 6-11,204-210.

[25]Blott S J,Pye K.GRADISTAT: A grain size distribution and statistics package for the analysis of unconsolidated sediments[J].Earth Surface Processes and Landforms,2001,26: 1237–1248.

[26]成都地質學院陜北隊.沉積巖(物)粒度分析及其應用[M].北京: 地質出版社,1976: 44-54,66-106.

[27]薛春汀,丁東.渤海萊州灣南岸濰河–彌河三角洲: 沉積序列和沉積格架[J].地理科學,2008,28(5): 672-676.

[28]竇衍光.長江口鄰近海域沉積物粒度和元素地球化學特征及其對沉積環境的指示[D].青島: 國家海洋局第一海洋研究所,2007.