遼東灣表層沉積物碎屑礦物組合分布及其對物源和沉積物擴散的指示意義

王利波，李軍＊，趙京濤，竇衍光，胡邦琦，孫榮濤

（1.國土資源部 海洋油氣資源與環境地質重點實驗室，山東 青島266071；2.國土資源部 中國地質調查局 青島海洋地質研究所，山東 青島266071；3.山東理工大學 資源與環境工程學院，山東 淄博255049）

1 引言

國際“大陸邊緣計劃”（MARGINS program）將“從源到匯”（Source to Sink）作為其核心科學研究領域之一［1］。陸源入海沉積物的來源和在大陸架地區的分布、擴散模式是“源－匯”過程的重要研究內容。中國東部陸架海沉積物的物質來源研究成果豐碩，但主要集中在細顆粒沉積物區［2－9］。對于粗顆粒沉積物而言，特征碎屑礦物組合因其物源繼承性以及在表生環境中的穩定性，被廣泛應用于物質來源的研究［10－20］。

遼東灣位于渤海北部，是一個西、北、東三面被遼寧省包圍，僅南面與渤海相通的半封閉海灣。周邊主要有灤河、六股河、小凌河、大凌河、雙臺子河、大遼河、復州河等中小型河流注入。雖然黃河每年向渤海注入十億噸級的巨量泥沙［21－22］，但絕大部分都沉積于河口地區［23］，其余主要向南、東南方向搬運［24－25］，對遼東灣的影響不大［2，12，26］，而灣周邊河流沉積物直接注入其中，對表層沉積物的物質組成有很大的影響。遼東灣海底大部分被現代陸源碎屑沉積物所覆蓋，但在遼東淺灘處存在爭議，一種觀點認為它是殘留沉積［26－27］，另一種觀點認為它是全新世潮流沉積，物質來自老鐵山水道的侵蝕［28－29］。表層沉積物粒度在灣頂和灣西南部較細，為泥質沉積，在灣東、西近岸及遼東淺灘處粒度較粗，為砂質沉積，在灣中部為過渡區［26，30－31］。潮流場在沉積物輸運中起主導作用［32］。

前人已對渤海表層沉積物中的碎屑礦物進行了研究［12－13］，將遼東灣海域劃分為六股河、遼河、長興島和過渡礦物亞區，并分析了物質的來源，為后期研究奠定了基礎，但取樣點較少。本文利用取樣間隔較密集的調查數據，在前人基礎上，分析遼東灣表層沉積物中碎屑礦物的組合和分布，并結合周邊河流入海沉積物碎屑礦物組合及海洋水動力場特征，討論沉積物的來源和擴散。

2 樣品與方法

本文鑒定的128樣品于2010年在渤海遼東灣海域采集（圖1），有兩種取樣方式，箱式取樣40個，振動柱狀取樣88個。選取表層0～10 cm的沉積物進行分析。

碎屑礦物分析流程如下：取沉積物原樣200～300 g，用0.125 mm 和0.063 mm 的雙層套篩篩選（個別有機質含量高的樣品，加H2O2浸泡6 h），水篩分離出的樣品（0.063～0.125 mm）經烘干后用縮分法取3～4 g在三溴甲烷重液（CHBr3，相對體積質量2.89）中分離，得輕、重礦物兩部分，再分別稱重，計算輕、重礦物的質量百分數。輕礦物在體式顯微鏡下完成鑒定和統計；重礦物用體式顯微鏡和偏光顯微鏡油浸法，輔以微化試驗進行鑒定和統計。輕、重礦物統計方法相同，首先計數300～500顆待鑒定礦物，然后對鑒定出的每種礦物進行計數，最后求得不同礦物的顆粒百分含量。

粒度組分含量和輕、重礦物組分含量是成分數據，各自的含量之和是固定常數100%，組分含量不能自由獨立變化，一個組分含量的增大必然會使其他組分含量降低，數據統計分析存在問題。Aitchison提出用成分數據對數比值（log－ratio）代替原始數據進行統計分析的方法［33］，其效果優于直接分析原始數據［34］。對數比值轉換公式如下：

本文對輕、重礦物數據和已發表的沉積物粒度數據［31］，應用此對數比值公式轉換，代替原始數據進行統計分析。

圖1 遼東灣表層沉積物取樣站位（平均粒徑據徐東浩等［31］）

3 結果

3.1 輕礦物組成與分布

輕礦物質量百分含量平均值為93.7%，灣西北近岸局部海域較低，尤其是六股河口附近，其他大部分海域較高且穩定，在95%以上（見圖2）。

共鑒定出石英、斜長石、鉀長石、綠泥石、方解石、白云母和風化云母7種輕礦物，以及少量生物碎屑、有機質碎屑、巖屑和風化碎屑。石英含量最高，一般在65%～80%，斜長石次之，一般在12%～24%，鉀長石一般在8%以下，其余輕礦物含量除綠泥石平均1.2%外，均不足1%。

石英含量高值區位于灣中部和東南近岸，灣北部和西部含量較低，斜長石與石英的分布特征相反，鉀長石高值區位于六股河口附近，灣南部含量較低（見圖2）。

3.2 重礦物組成與分布

重礦物質量百分含量平均值為6.3%，灣西北近岸海域一般高于5%，尤其是六股河口附近，可達10%～35%，其他大部分海域較低且穩定，在5%以下（見圖3）。

圖2 遼東灣表層沉積物輕礦物質量百分含量及主要輕礦物組分顆粒百分含量分布

圖3 遼東灣表層沉積物重礦物質量百分含量及主要重礦物組分顆粒百分含量分布

除巖屑和風化碎屑外，共鑒定出38種重礦物。根據顆粒百分含量，重礦物以普通角閃石為主（29.9%），綠簾石次之（20.6%），兩者含量之和達50%以上。磁鐵礦（8.2%）、石榴子石（7.5%）、鈦鐵礦（6.8%）、榍 石 （4.4%）、陽 起 石 （4.1%）、褐 鐵 礦（3.9%）、赤鐵礦（2.8%）、磷灰石（1.4%）和普通輝石（1.1%），它們的含量之和達40%以上。黝簾石、鋯石、透閃石、黑云母、電氣石、透輝石、紫蘇輝石、綠泥石分布雖廣，但含量不高，總和僅4.2%。自生黃鐵礦、水黑云母、白鈦石、玄武閃、螢石、菱鎂礦、白云石、菱鐵礦、金紅石、白云母、膠磷礦、霓石、霓輝石、紅簾石、褐簾石、藍閃石、綠柱石、紅柱石和磷釔礦等在遼東灣表層沉積物中分布既不廣，含量也低。

主要重礦物顆粒百分含量的分布特征如圖3所示。普通角閃石在灣東北部和中南部有兩個高值區，含量在35%～45%之間；在灣西北近岸，尤其是六股河口附近含量較低（＜25%）。綠簾石含量高值區位于灣中部和西部，處于26%～30%之間；六股河口和灣東南部含量較低（＜18%）。石榴石在灣中部和南部含量相對較高（約10%～16%），六股河口和小凌河口附近含量低（＜4%）。磁鐵礦在灣西北近岸含量一般均高于5%，在六股河口具有最高值（15%～45%），其他海域均低于5%。鈦鐵礦在灣中部和西北部近岸含量高（10%～16%）。赤鐵礦與磁鐵礦的分布特征一致，在六股河口含量較高（6%～16%）。褐鐵礦的分布特征與磁鐵礦、赤鐵礦相近，也呈西北近岸高、其他海域低的特征，但極高值區出現在大凌河口附近。榍石在灣北部和西南部含量相對較低。陽起石的分布特征與普通角閃石相似。磷灰石含量普遍較低，在灣中部有一條呈NE－SW向的帶狀低值區，含量低于1%，僅在六股河口外和灣西南角的個別樣品中含量高于2%。普通輝石含量高于1%的區域位于灣西部和西北部。超穩定礦物（電氣石加鋯石加金紅石）在六股河口附近、灣東部、東南部含量高，在1.5%以上，最高可達4%，在灣北部和西南部含量較低，一般小于1%。

3.3 組合分區

以重礦物質量百分含量和主要輕、重礦物組分顆粒百分含量的對數比值為變量，使用SPSS軟件，選擇組間聯接方法，對遼東灣表層沉積物進行Q型聚類分析。根據聚類結果，遼東灣表層沉積物可以劃分為兩個碎屑礦物組合區和6個亞區（圖4），各區特征礦物含量如表1所示。

圖4 遼東灣表層碎屑礦物分區

表1 遼東灣表層沉積物碎屑礦物分區的輕、重礦物平均含量

A區位于遼東灣西部近岸海域，鉀長石含量全灣最高，是該區的特征輕礦物。重礦物質量百分含量、磁鐵礦和赤鐵礦含量全灣最高，而普通角閃石、石榴子石、陽起石含量全灣最低。磁鐵礦和赤鐵礦可作為本區的特征重礦物。上述碎屑礦物分布特征在六股河口最明顯，并且綠簾石、鈦鐵礦、褐鐵礦在六股河口的含量低于六股河口北部近岸的含量，據此分布特征，A區可細分為兩個亞區：六股河礦物亞區（A1）和遼東灣西北近岸礦物亞區（A2）（見圖4）。

B區范圍大，碎屑礦物分布特征比較復雜，利用聚類分析等統計學方法難以進一步分區，但通過分析主要碎屑礦物的分布特征，可細分為4個亞區（圖4），包括（1）遼東灣東北部礦物亞區（B1），普通角閃石、陽起石、片狀礦物含量高，石榴子石、磁鐵礦、鈦鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦含量低；（2）遼東灣中部礦物亞區（B2），石英、綠簾石、石榴子石、鈦鐵礦、榍石含量高，斜長石、普通角閃石、赤鐵礦、褐鐵礦含量低；（3）遼東灣南部礦物亞區（B3），普通角閃石、陽起石、片狀礦物含量高，重礦物質量百分含量、石榴子石、磁鐵礦、鈦鐵礦、赤鐵礦、榍石含量低；（4）遼東灣淺灘礦物亞區（B4），石榴子石、鈦鐵礦含量高，普通角閃石和綠簾石的含量低。

4 討論

4.1 碎屑礦物特征指數分析

根據抗風化能力，重礦物可劃分為超穩定、穩定、中等穩定、不穩定和極不穩定五類［35］，將（穩定加中等穩定）／不穩定比值作為重礦物的穩定性指標。結果顯示，六股河口外的A1亞區全灣最高，B1和B3亞區比值小。該比值通常用于指示碎屑礦物的風化溶解程度［11，18］，然而本文數據似乎不能說明A區沉積物的化學風化程度高于B區，因為遼東灣及其周邊入海河流同處于我國東北部，化學風化作用相似且總體不強，這種分布特征可能更多的是對物質來源的反應。例如，六股河入海沉積物以高磁鐵礦（主要穩定礦物）、低普通角閃石（主要不穩定礦物）為特征，相應地在六股河口該比值較高；遼河入海沉積物以高普通角閃石、低磁鐵礦和鈦鐵礦為特征，相應地在遼河口外該比值較低。

ZTR指數（鋯石、電氣石和金紅石三者含量之和），是衡量沉積物重礦物成熟度的參數，并具有一定的物源指示意義［11，36］。遼東灣周邊河流入海沉積物的ZTR指數均不足1%［37］，而表層沉積物的ZTR指數大部分在1%以上，這說明沉積物入海后，在復雜因素的作用下，成分成熟度有變大的趨勢。

石英／長石比值是用于評價沉積物輕礦物成熟度的傳統指標［38－39］。遼東灣表層沉積物石英／長石比值，除西北近岸和西南部局部海域外，大部分大于3，而周邊河流入海沉積物的石英／長石比值均小于3［37］，也指示入海沉積物成分成熟度有變大的趨勢。但是，表層沉積物中輕礦物成熟度與重礦物成熟度的分布范圍并不相同，這種差異可能除受碎屑礦物自身的風化穩定性影響外，物源和機械分異作用也是重要影響因素。

4.2 碎屑礦物組成與分布的影響因素

將表層沉積物的平均粒徑和分選系數與重礦物質量百分含量、礦物顆粒百分含量的log－ratio值進行相關分析（見表2）。結果顯示，重礦物質量百分含量與分選系數呈正相關，與平均粒徑（Ф值）呈負相關關系，這表明沉積物粒度越粗或分選越好，重礦物越富集。一般而言，粒度粗、密度大的顆粒難搬運而易沉降，在強水動力作用下，沉積物被淘洗，粒度粗、密度大的顆粒沉積下來，重礦物含量與粒度的關系體現了入海沉積物的機械分異作用，指示海洋水動力條件是入海沉積物碎屑礦物組合分布的重要影響因素。然而，大多數重礦物組分與沉積物粒度并未表現出良好的相關性，說明海洋水動力和顆粒密度雖然能夠影響碎屑礦物的組成分布，但并非控制因素，碎屑礦物的組成分布主要受物源控制。

4.3 沉積物來源與擴散

遼東灣三面靠陸一面向海，比較封閉，沉積物來源主要有3個途徑，即周邊河流輸入、鄰近海域輸入和沿岸侵蝕物質，其中河流輸入物質的貢獻量最大，以大凌河和遼河為主（見表3），但河流入海沉積物主要沉積在近岸河口三角洲區域［40］，少量向外擴散［26，29］。在陸架淺海區，大部分海域潮流為 NESW向的往復流，以M2分潮為主，流速在60 cm／s以上［42］。如此強的潮流作用，是該粒級組分以及更粗粒級組分得以搬運的主要動力。

根據前期研究［37］，遼東灣周邊河流位于兩個構造塊體之上，不同的基巖類型導致灣東西兩側河流入海沉積物重礦物組成差別很大（見圖5）。將遼東灣表層沉積物和河流入海沉積物的普通角閃石／磁鐵礦比值和石榴子石／鈦鐵礦比值做散點圖（見圖6），結果顯示，A、B兩個碎屑礦物區能夠較好地區分，A區的投點與六股河、小凌河和大凌河相近，B區的投點與雙臺子河、大遼河和復州河相近。

圖5 遼東灣周邊河流沉積物重礦物組成

圖6 遼東灣表層沉積物普通角閃石／磁鐵礦與石榴子石／鈦鐵礦散點圖

雖然A區沉積物也與小凌河、大凌河沉積物的重礦物組成相近，但是本文認為A區沉積物主要來源于六股河、灣西北入海小溪和沿岸侵蝕物質，小凌河和大凌河的影響不大。A1亞區位于六股河口，沉積物重礦物組成與六股河十分相似，都以極高含量的重礦物、磁鐵礦和鉀長石為特征，因此A1亞區表層沉積物主要來源于六股河，這與前人研究相同［12－13］。A2亞區位于灣西北近岸海域，若干小型山溪注入其中，它們流域的基巖類型與六股河流域相近，均廣泛出露太古期片麻狀花崗巖［44］，據此推測它們入海沉積物重礦物組成也可能與六股河相近，富含磁鐵礦、鈦鐵礦礦、赤鐵礦等變質作用副礦物，與該亞區的重礦物組成相似，所以這些入海小溪是A2亞區沉積物的重要來源。該亞區沿岸基巖類型也以太古期片麻狀花崗巖為主，海岸侵蝕的產物也是A2亞區沉積物來源之一。

遼河在六間房分流成雙臺子河和大遼河兩股，年均入海泥沙10.021 Mt［45］，河口附近表、底層懸浮體含量居遼東灣最高［26，46］。與小凌河和大凌河相比，遼河入海沉積物中普通角閃石、陽起石和片狀礦物的含量高，磁鐵礦、鈦鐵礦、赤鐵礦和褐鐵礦含量低［37］。B1亞區位于遼東灣東北部，重礦物特征與雙臺子河和大遼河相似，與小凌河和大凌河差別較大，且遼河口外的懸浮體高濃度區位于該亞區內［26，46］，因此B1亞區沉積物主要來源于雙臺子河和大遼河。小凌河和大凌河對該亞區也有一定的影響，例如小凌河普通輝石和褐鐵礦的含量較高，相應地在其河口附近，即該亞區西北角出現這兩種礦物的高值區（見圖3）。B2亞區位于遼東灣中部，遠離河口，重礦物組成與遼東灣周邊河流均不相同，結合區域潮流場特征［43］，認為B2亞區可能為多源混合區。B3亞區位于遼東灣南部，重礦物組成與B1亞區相似，然而遼河和大凌河輸入物質主要沉積于40°10′N以北的遼東灣頂部［26］，對該亞區影響小，底層流場指示沉積物具有從西部向該亞區搬運的趨勢［43］，據此推測B3亞區西部主要受鄰近海域物質的影響。在B3亞區東部，出現普通角閃石的高值區，而復州河沉積物以極高含量的普通角閃石為特征，這體現了復州河對B3亞區東部有一定影響。B4亞區位于遼東灣東南部、遼東淺灘潮流沙脊北端，以鈦鐵礦和石榴子石為特征礦物，與前人劃分的遼東淺灘礦物亞區的重礦物特征一致［12－13］。早期的研究認為遼東淺灘潮流沙脊為殘留沉積［26－27］，后來的研究發現它是全新世潮流的作用的產物，物質來自老鐵山水道的侵蝕［28－29］。

5 結論

（1）遼東灣表層沉積物中輕礦物質量百分含量平均為93.7%，以石英、斜長石和鉀長石為主，碳酸鹽礦物和片狀礦物含量極低；重礦物質量百分含量較低，平均為6.3%，共鑒定出38種重礦物類型，其以普通角閃石、綠簾石為主，磁鐵礦、石榴子石、鈦鐵礦、榍石、陽起石、褐鐵礦、赤鐵礦、磷灰石和普通輝石次之。

（2）遼東灣表層沉積物重礦物ZTR指數和輕礦物石英／長石比值所代表的成分成熟度總體高于周邊入海河流。碎屑礦物的組合分布主要受物源控制，海洋水動力和礦物顆粒密度也是重要影響因素。

（3）根據碎屑礦物組合分布特征，遼東灣可劃分為A、B兩個礦物區。A區包括六股河礦物亞區（A1）和遼東灣西北近岸礦物亞區（A2），B區包括遼東灣東北部礦物亞區（B1）、遼東灣中部礦物亞區（B2）、遼東灣南部礦物亞區（B3）和遼東灣淺灘礦物亞區（B4）。A區礦物組合為鉀長石、磁鐵礦、鈦鐵礦、赤鐵礦和褐鐵礦，主要受六股河、灣西北入海小溪和海岸侵蝕物質的影響，其中A1亞區沉積物主要來源于六股河。B區沉積物來源比較復雜，B1亞區礦物組合為普通角閃石、陽起石和片狀礦物，主要受遼河入海沉積物的影響，B2亞區礦物組合為石英、綠簾石、石榴子石、鈦鐵礦和榍石，是多源混合區，B3亞區礦物組合為普通角閃石、陽起石和片狀礦物，西部受鄰近海域沉積物的影響大，東部受復州河沉積物的影響大，B4亞區是潮流沉積區，礦物組合為石榴子石和鈦鐵礦。

表2 遼東灣表層沉積物重礦物與粒度組分相關系數

表3 遼東灣周邊河流水文特征

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