北黃海表層沉積物常量元素分布特征及其控制因素分析

方海超 , 黃 朋 周 宇 , 張 晉, 李安春 閆吉順

(1.中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2.中國科學院 海洋地質與環境重點實驗室, 山東 青島266071; 3.中國科學院大學, 北京 100049; 4.中國石油大學(華東), 山東 青島 266580; 5.遼寧師范大學,遼寧 大連 116029)

北黃海位于遼東半島以南、山東半島成山角與朝鮮長山串聯線以北, 是一半封閉的海域。隨著末次盛冰期結束, 西太平洋邊緣海的海平面開始呈階段式上升, 約14 kaBP海水到達北黃海南緣, 約11.6 kaBP海水開始進入渤海[1], 北黃海開始接受全新世沉積。黃河、鴨綠江、大洋河、莊河等直接或間接注入北黃海, 將大量陸源物質輸入海區[2-5]。

北黃海是渤海和南黃海物質和能量交換的重要通道[5], 其環流體系主要由黃海暖流和一系列的沿岸流組成。黃海暖流一般被認為是一支高溫高鹽水體, 在約 6 kaBP海平面達到最高后形成[6], 夏季相對較弱, 冬季較強可沿黃海海槽北上到達渤海, 對北黃海表層沉積物分布格局產生顯著影響。前人在北黃海沉積物粒度特征和輸運趨勢[7-8]、重金屬分布及環境背景值[9]、以及表層沉積物中微量元素早期成巖作用[10]等方面進行了一些研究, 但相對我國其他海域, 北黃海沉積物物源和沉積環境方面的研究程度仍然較低。本文采用相關分析、聚類分析、因子分析等多元統計學方法來分析研究區內常量元素的區域分布特征, 進而探討影響元素分布的主要控制因素及其物質來源, 為海域內礦產資源勘探、航道開發、沿岸港口建設與整治等提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

文中所用樣品由“科學一號”科學考察船于 2006年采自北黃海, 在海域內表層采樣 1140站, 所有樣品進行了粒度分析, 其中 304站進行了元素地球化學分析(圖1), 涵蓋整個北黃海的大部分海域, 有助于從大的空間尺度上了解北黃海表層沉積物的元素分布特征, 并進一步探討其控制因素及物質來源。

圖1 北黃海表層沉積物取樣站位Fig.1 Location of sampling stations for chemistry analysis in the North Yellow Sea

1.2 樣品測試

粒度分析在中國科學院海洋研究所完成, 使用法國生產的Cilas940L激光粒度儀。取適量樣品, 先后加入過量的30%的雙氧水和0.25 mol/L的鹽酸溶液去除有機質和碳酸鹽, 離心清洗兩次, 再經超聲波充分分散后上機測試, 重復測量的相對誤差小于2%, 測量范圍為0.3~2 000 μm。

表層沉積物的常量元素分析在中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所(廊坊)完成, 采用 X-射線熒光光譜(XRF)測試方法, 樣品的加工、分析方法的選擇、準確度和精密度的控制, 分析質量等嚴格按照《中華人民共和國國土資源部 DZ/T 0130-2006地質礦產實驗室測試質量管理規范》和《我國近海海洋綜合調查與評價專項海洋底質調查技術規程》有關規定進行。樣品分析質量控制采用標準樣品法,每批樣品分析的同時, 插入2個或2個以上國內一級標準樣品。測試結果一級標準物質和重復樣的合格率均為 100%。標樣編號 GBW07317、GSD9、GSD10。

2 結果

2.1 粒度特征

粒度控制效應是控制沉積物元素分布特征的一個重要因素[11], 本次研究分析了北黃海1 140個站位的表層沉積物粒度組成。按照Φ值分類標準對表層沉積物平均粒徑(MZ)進行分析, 結果顯示, 受北黃海西部冷水團作用和黃河細粒物質向北黃海西部運輸的影響[4,6], 細粒組分高值區主要分布在北黃海的中西部海域以及大連外海, 在大連外海的南部海域也出現局部的高值區, 呈斑點式分布; 受北黃海東部強潮流沖刷的影響[12], 細粒組分低值區主要分布在北黃海東北部海域, 受附近島嶼風化剝蝕作用影響, 在長山列島海域存在兩個細粒組分低值區, 北黃海整體上自西南向東北表層沉積物粒度逐漸變粗(圖2)。王偉[7]根據謝帕德(Shepard)沉積物分類法, 將北黃海表層沉積物類型分為砂、粉砂質砂、砂質粉砂、黏土質粉砂和泥, 其各自分布區與圖2分析顯示相一致。

圖2 北黃海表層沉積物平均粒徑分布圖Fig.2 The distribution map of the mean grain size of the surface sediments in the North Yellow Sea

2.2 常量元素分布特征

沉積物中 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、P2O5、MnO、TiO2含量統計分析顯示, 表層沉積物總體上相對富含 SiO2、Al2O3, 而 MnO、P2O5、TiO2含量低; SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 的標準偏差較大, 說明其在空間上分布差異性較大, 受到多種因素控制; CaO的變異系數較高, 暗示其物質來源除了陸源碎屑外面, 會有部分樣品受到鈣質生源碎屑影響(表1)。

表1 北黃海表層沉積物常量元素數據統計Tab.1 The data statistics of the major elements of the surface sediment

相關分析表明: Al2O3、Fe2O3、MgO、P2O5、TiO2與MZ呈明顯的正相關關系, 即隨著粒徑的減小上述元素含量明顯增加, MnO、NaO與MZ呈較弱的正相關關系; SiO2、K2O、CaO與MZ呈負相關關系, 即隨著粒徑的減小上述元素含量減少, SiO2與MZ相關性較強, K2O、CaO與MZ相關性較弱(表2)。此外, Al2O3、Fe2O3、MgO、P2O5、TiO2五種常量元素之間呈明顯的正相關關系, 說明其分布受控因素較為相近。

表2 北黃海表層沉積物常量元素含量與平均粒徑相關關系Tab.2 The relationship between percentage content of major elements and mean size

分析表明, SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O、P2O5、TiO2七種元素分布特征具有明顯的區域性, 其中 SiO2、K2O 在空間上分布具有相似性, 與粗粒沉積物分布區相一致; 而Al2O3、Fe2O3、MgO、P2O5、TiO2在空間上分布相似, 與細粒沉積物分布區相一致, 并且與SiO2、K2O的高低值分布區域相反; CaO、MnO、Na2O沒有表現出明顯的區域上分布特征(圖3)。

從圖3可以看出, SiO2含量呈現自西南到東北逐漸增多的趨勢, 高值區主要分布在北黃海的東北部海域, 在遼東半島南部沿岸海域有一條向西延伸的高值帶, 推斷其可能受到遼東沿岸流的影響; 低值區主要分布在中西部海域, 在長山列島和大連灣附近海域出現極低值區。SiO2含量分布特征與圖2中粗粒物質分布趨勢極為相似。K2O的含量分布特征與SiO2相似, 高值區主要分布在東北部海域; 低值區主要分布在中部海域, 呈南北向展布, 在38.7°N附近向西轉向, 自西南向東北K2O含量先減少在增加。

圖3 北黃海表層沉積物常量元素含量分布圖Fig.3 The distribution diagram of the content of the major elements

Al2O3的高值區主要分布在北黃海的中西部海域和大連灣附近海域, 低值區主要分布在北黃海的東北部海域, 在長山列島附近出現極低值, 總體上自西南到東北Al2O3的含量逐漸減少。Fe2O3、MgO、P2O5、TiO2含量在空間上的分布特征與Al2O3相似。

CaO、MnO、Na2O在區域上沒有明顯的分布特征, 含量相對較低, 其中 CaO、MnO含量在大連灣和長山列島附近海域出現局部的高值區, Na2O在中部、東北部和長山列島附近海域出現局部的高值區。

3 討論

3.1 表層沉積物元素組成的影響因素

為探討北黃海表層沉積物常量元素分布的主要控制因素, 對沉積物中常量元素進行 R型主因子分析, 提取出3個主成分(成分1、成分2、成分3), 貢獻累積方差達到 77.12%, 成分矩陣載荷和貢獻累積方差見表3。

表3 北黃海表層沉積物常量元素主因子分析矩陣載荷Tab.3 R-mode rotated factor matrix of major elements

從表3可以看出, 成分1貢獻累積方差達48.28%,主要控制 SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、P2O5、TiO2六種元素, 對 SiO2和砂為顯著的負載荷, 對Al2O3、Fe2O3、MgO、P2O5、TiO2、Mz、粉砂和黏土為顯著的正載荷, 初步反映出北黃海表層沉積物的常量元素分布主要受粒度效應控制。SiO2主要由中酸性巖漿巖和石英砂巖等風化而來, 抗風化相對較強, 富集于粗顆粒沉積物中; 而Al2O3、Fe2O3、MgO、P2O5、TiO2等元素為黏土礦物主要成分或易受黏土礦物吸附, 主要賦存在細粒沉積物中。此外, 從每個樣品的因子1載荷值也可以看出, 在東北部海域因子載荷為負, 在中西部海域因子載荷為正, 并且從西南部向東北部因子載荷逐漸過渡為負值(圖4), 說明成分1在東北部和中西部海域對元素的控制作用截然相反,而北黃海表層沉積的物粒度分布也有同樣的趨勢(圖2),進一步表明成分1代表了粒度效應對元素的控制。沉積物粒度的分布受到物源、水動力條件等多種因素控制,粗粒物質通過物理沉積分異作用主要卸載在近岸海域,而細粒物質會被不同的海流帶入到遠海位置, 一般情況下, 細粒沉積物代表相對較弱的水動力環境, 粗粒物質代表相對較強的水動力環境, 前人研究表明, 大連灣附近海域和北黃海西部水動力較弱[3,13-14], 而東北部海域主要為強潮流區[12], 所以我們也可以認為成分1代表了水動力條件對元素分布的控制, 通過粒度控制效應表現出來。

圖4 北黃海表層沉積物樣品因子1載荷Fig.4 The factor one loading of samples from the North Yellow Sea

成分 2的貢獻累積方差為 17.67%, 主要控制SiO2和CaO兩種元素, 對SiO2和CIA(化學風化指數)為顯著的正載荷, 對 CaO為顯著的負載荷。SiO2和CaO兩種元素對風化作用的敏感性截然相反, SiO2主要賦存在硅酸鹽礦物中, 其抗風化能力相對較強,而 CaO主要賦存在碳酸鹽巖中, 其抗風化能力相對較弱。近海沉積物主要來源于陸源碎屑, 而源區風化作用強弱最先控制了陸源碎屑的組成, 從而影響海區沉積物元素在空間分布特征。從圖5可以看出, 整個海區因子載荷較低, 但是在大連灣和長山列島附近海域出現了局部高值區, 可能是近岸島嶼受到海水反復沖刷, 加速了風化作用; 黃河和鴨綠江處于中緯度地區, 以物理風化作用為主[13,15], 相對于化學風化作用而言, 物理風化作用減少了碎屑物質中元素的流失。因此, 成分2可能代表了源區風化作用強度和形式對表層沉積物常量元素分布的控制。

圖5 北黃海表層沉積物樣品因子2載荷Fig.5 The factor two loading of samples from the North Yellow Sea

成分3貢獻累計方差為11.17%, 主要對K2O和粉砂含量起控制作用, 其中對K2O為顯著的負載荷,對粉砂含量為正載荷。為方便討論, 將研究區海域分成四個區塊(A、B、C、D), 值得注意的是, 在樣品因子3載荷值中, A海域樣品的因子載荷值均為正值,而B、C、D海域樣品因子載荷均為負值(圖6), 這說明成分3對A海域和B、C、D海域的元素分布起著截然相反的控制作用。A海域為黃海暖流的流經區;B海域為北黃海西部的泥質沉積區, 其主要物源來源于黃河[3-4]; C海域為鴨綠江沉積物向外海擴散區域; D海域為遼東沿岸流流經區, 其攜帶了鴨綠江物質。鴨綠江流域主要出露花崗巖類和石英巖、石英砂巖為主的太古代變質巖, 相對富含鉀長石、云母等富鉀礦物; 黃河在流經黃土高原后攜帶了大量泥沙, 其沉積物也相對富含富鉀礦物; 黃海暖流在北上的過程中通過與周圍水體的交換, 會將攜帶部分南黃海物質進入北黃海[4], 長江是南黃海的主要物源區之一, 其沉積物中也富含鉀[15], 因此黃海暖流像一道天然的屏障影響了北黃海東西向物質的交換, 形成了北黃海不同的物源沉積區。因此, 成分3代表了不同物源輸入對北黃海表層沉積物常量元素分布的控制。

圖6 北黃海表層沉積物樣品因子3載荷Fig.6 The factor three loading of samples from the North Yellow Sea

3.2 粒度效應對表層沉積物元素組成的影響

3.2.1 R型聚類分析

對10種常量元素與樣品砂、粉砂和黏土組分的百分含量進行系統聚類分析, 聚類對象總體上分為兩類(圖7), 明顯受到粒度效應的控制。聚類1包括Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、P2O5、MnO、TiO2九種組分, 主要與陸源碎屑組成有關[16],Al2O3是黏土礦物的主要組分, 隨著沉積物粒徑的變小會明顯的富集[17], 因此 Al2O3與黏土百分含量最先聚為一類, 之后, 上述九種元素與黏土百分含量和粉砂百分含量聚為一類, 指示九種元素主要富集于細粒沉積物中并受其空間分布的控制。聚類 2為SiO2和砂百分含量, SiO2是粗粒級沉積物中的典型富集組分, 隨著沉積物粒徑的變大而明顯增加, 受到粗粒沉積物分布的控制。最后所有元素聚為一類,說明元素均來源于陸源碎屑的輸入, 顯示出親陸性。因此, 以變量為變量的系統聚類分析表明, 北黃海表層沉積物常量元素的分布主要受粒度效應的控制。

圖7 北黃海表層沉積物常量元素與樣品砂、粉砂和黏土百分含量聚類Fig.7 The R-mode cluster analysis of major elements with the percentage of sand, silt and clay of the surface sediments

3.2.2 Q型聚類分析

為了揭示研究區常量元素含量在空間上的差異性, 對 304個站位樣品進行系統聚類分析(圖8)。聚類對象明顯地被分成兩類, 聚類 1, 主要分布在北黃海西部海域和大連灣附近海域; 聚類 2主要分布在北黃海東北部海域。前人研究表明, 大連灣附近海域和北黃海西部主要為泥質沉積區[3,13-14], 而東北部海域主要為砂質沉積區[12], 圖8中顯示聚類1與細粒沉積物區相對應, 聚類2與粗粒沉積物區相對應。因此, Q型聚類分析表明, 北黃海表層沉積物常量元素分布同樣明顯受到粒度效應的控制。

圖8 北黃海表層沉積物常量元素系統聚類分析Fig.8 The system clustering analysis of the major elements of the surface sediments

3.3 北黃海物質來源分析

目前研究認為, 北黃海在全新世期間主要接受周邊河流攜帶的陸源物質, 物質來源主要包括外海輸入物質、遼東半島東岸和山東半島北岸河流輸入物質[4]。通過主成分3分析初步推斷出黃海暖流造成北黃海不同的物源沉積區, 為進一步探討不同物源區的物質來源, 引入FD函數來進行物源識別, 公式如下[18]:

式中:i為元素或兩元素之比;Cix為研究區樣品中元素i的質量分數或兩元素質量分數之比i的值;Cim為端元中元素i的質量分數或兩元素質量分數之比i的值。FD值越小, 則表明研究區樣品中元素的組成越接近端元;FD值越大, 則表明研究區樣品中元素的組成越偏離端元。

長江流域巖石類型復雜、化學風化作用強烈,Ca、Mg、Na 等易遷元素在風化過程中大量淋失, Al、Ti等難遷移元素及在氧化環境中穩定元素 Fe、Mn相對富集, 因此, 可根據沉積物中 TiO2含量來識別長江物源[19-20]; 黃河流經黃土高原, 攜帶大量泥沙,且流域以物理風化作用為主, 此外, 土壤中因富含堿土金屬而形成堿性或弱堿性的環境, 因此, 在黃河沉積物中 Ca、Na、Sr含量較高[15,20-21], 可根據CaO的含量來識別黃河物源; 鴨綠江流域巖性以中酸性火山巖和古老變質砂巖為主, 鉀長石、云母等富鉀礦物含量相對較高, 鴨綠江河口沉積物中以 K2O含量高為顯著特征[16], 因此選擇 K2O來識別鴨綠江物源。

本文將A、B、C、D四個區域內的站位單獨選出, 計算出每個區域內指示元素平均百分含量(表4),進而以特征元素進行物源探討。在A海域內, K2O與鴨綠江端元的FD值非常小, CaO和TiO2則與長江端元的FD值較小, 這說明A海域是一個多物源沉積區,鴨綠江輸入物質是其主要物源區, 此外, A區是黃海暖流的流經區, 暖流在其北上的過程中通過與周圍水體的交換, 會攜帶部分南黃海物質進入北黃海[4],長江是南黃海的主要物源區之一, 所以, 長江物質也很有可能對A海域表層沉積物中元素的分布產生了影響; 在B海域內, K2O與鴨綠江端元的FD值較小, CaO與長江端元FD值較小, TiO2則與黃河端元FD值最小, 說明黃河輸入物質是該區的主要物源區,鴨綠江和長江輸入物質也產生了一定程度的影響;在C、D海域內, K2O與鴨綠江端元的FD值都非常小,說明鴨綠江輸入物質是這兩個海域的主要源區, C海域沉積物可能更多直接受到鴨綠江輸入物質影響,與C海域K2O和鴨綠江端元FD值相比, D海域的FD值稍大, D海域位于長山列島附近, 島嶼的風化產物可能對沉積物中元素的分布也產生了影響, 但鴨綠江沉積物隨遼東半島沿岸流向西輸運仍是其主要物源區。

表4 北黃海各海域與主要河流表層沉積物常量元素質量百分含量對比Tab.4 Mean content of major elements in sediments of the North Yellow Sea and main rivers of china

4 結論

通過相關分析、聚類分析、因子分析等多元統計學方法對研究區內的沉積物常量元素分布特征進行了分析, 進而探討了影響元素分布的主要控制因素及北黃海的主要物質來源, 得出以下結論。

1) 北黃海表層沉積物中大部分常量元素空間分布具有區域性, SiO2、K2O在空間上具有相似分布特征, 并與粗粒沉積物分布區大致重合; Al2O3、Fe2O3、MgO、P2O5、TiO2在空間上具有相似分布特征, 并與細粒沉積物分布區大致重合; 且與 SiO2、K2O的高低值分布區域相反; CaO、MnO、Na2O沒有表現出明顯的區域上分布特征。

2) 北黃海表層沉積物中常量元素的分布受粒度控制效應、物源區風化作用強度以及不同物源輸入等多種因素的控制, 其中粒度控制效應是控制表層沉積物中元素分布的最主要因素。

3) 以K2O、CaO、TiO2為指標, 通過FD函數識別出北黃海不同海域內的主要物源區, 東北部海域的物源主要受控于鴨綠江物質輸入; 中部海域物源以鴨綠江輸入物質為主, 但黃海暖流攜帶的南黃海物質也有一定程度影響; 西部海域物源則主要來源于黃河細粒物質輸入。

[1] Liu J P, Milliman J D, Gao Shu, et al.Holocene development of the Yellow River’s subaqueous delta,North Yellow Sea[J].Marine Geology, 2004, 209:45-67.

[2] 齊君, 李鳳業, 宋金明, 等.北黃海沉積速率及其通量[J].海洋地質與第四紀地質, 2004, 24(2): 9-14.

[3] 王桂芝, 高抒, 李鳳業.北黃海西部的全新世泥質沉積[J].海洋學報, 2003, 25(4): 125-134.

[4] 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.

[5] Liu J P, Milliman J D, Gao Shu.The Shandong mud wedge and post-glacial sediment accumulation in the Yellow Sea [J].Marine Geology, 2002, 21: 212-218.

[6] 劉健, 李紹全, 王圣潔, 等.末次冰消期以來黃海海平面變化與黃海暖流的形成[J].海洋地質與第四紀地質, 1999, 19(1): 13-24.

[7] 王偉, 李安春, 徐方建, 等.北黃海表層沉積物粒度分布特征及其沉積環境分析[J].海洋與湖沼, 2009,40(5): 525-531.

[8] 李鳳業, 高抒, 賈建軍, 等.黃、渤海泥質沉積區現代沉積速率[J].海洋與湖沼, 2002, 33(4): 364-369.

[9] 李淑媛, 苗豐民, 劉國賢.北黃海沉積物中重金屬分布及環境背景值[J].黃渤海海洋, 1994, 12(3): 20-24.

[10] 鄒建軍, 石學法, 李雙林.北黃海淺表層沉積物微量元素的分布及其早期成巖作用探討[J].海洋地質與第四紀地質, 2007, 27(3): 43-50.

[11] 杜德文, 石學法, 孟憲偉, 等.黃海沉積物地球化學的粒度效應[J].海洋科學進展, 2003, 21(1): 78-82.

[12] 高建華, 高抒, 董禮先, 等.鴨綠江河口地區沉積物特征及懸沙輸送[J].海洋通報, 2003, 22(5): 26-33.

[13] 趙一陽, 鄢明才, 李安春, 等.中國近海沿岸泥的地球化學特征及其指示意義[J].中國地質, 2002, 29(2):181-185.

[14] 李燕, 李安春, 萬世明, 等.大連灣近海表層沉積物礦物組合分布特征及其物源環境[J].海洋地質與第四紀地質, 2009, 29(4): 115-121.

[15] 楊守業, 李從先.長江與黃河沉積物元素組成及地質背景[J].海洋地質與第四紀地質, 1999, 19(2): 19-24.

[16] 李家勝, 高建華, 李軍, 等.鴨綠江河口沉積物地球化學及其控制因素[J].海洋地質與第四紀地質, 2010,30(1): 25-31.

[17] Petschick R, Kuhn G, Gingele F.Clay mineral distribution in surface sediments of the south Atlantic:shources, transport, and relation to oceanography[J].Marine Geology, 1996, 130: 203-229.

[18] 王愛萍, 楊守業, 李從先.南京地區下蜀土元素地球化學特征及其物源判別[J].同濟大學學報, 2001, 29(6):657-661.

[19] 楊守業, 李從先, Jung H, 等.中韓河流沉積物微量元素地球化學研究[J].海洋地質與第四紀地質, 2003,23(2): 19-20.

[20] 范代讀, 王揚揚, 吳伊婧.長江沉積物源示蹤研究進展.地球科學進展[J].2012, 27(5): 515-528.

[21] 楊守業, Jung HorSoo, 李從先, 等.黃河、長江與韓國Keum、Yeongsan江沉積物常量元素地球化學特征[J].地球化學, 2004, 33(1): 99-105.

[22] 楊守業, 李從先.長江與黃河沉積物組成及地質背景[J].海洋地質與第四紀地質, 1999, 19(2): 19-25.