南黃海陸架長江與黃河埋藏古河道判別研究

宋召軍 , 高 濼 , 顧畛逵 , 杜家鵬, 余繼峰 , 周 金 , 王中波

(1.山東省沉積成礦作用與沉積礦產重點實驗室, 山東 青島 266590; 2.山東科技大學 地球科學與工程學院,山東 青島 266590; 3.天津大港油田礦區工程服務公司, 天津 300280; 4.國土資源部青島海洋地質研究所,山東 青島 266071)

海底埋藏古河道研究, 不僅對探討陸架古環境演變具有重大意義, 而且對解決陸架開發中的災害地質和環境地質問題也具有實際的應用價值, 一直受到學術界的廣泛關注。長江、黃河作為我國兩條最大的河流, 其地質背景、水文條件、地貌以及沉積特征等方面都具有很大差異。長江、黃河在末次冰期又都曾集中在蘇北注入黃海盆地, 對黃海古環境演變產生重要而復雜的影響。長江以多水、少沙、物質細、較穩定為主要特征, 流域內巖石類型極為多樣; 黃河以少水、多沙、物質細、易擺動為主, 流域內巖石類型較為單一, 差異很大。這些差別為區分識別兩條河流的沉積物提供了依據。本文通過對長江、黃河埋藏古河道的斷面特征、河型以及河道區沉積物等方面分析, 進而對南黃海陸架長江、黃河埋藏古河道進行有效判識, 對我國陸架古河道的深入研究和黃海環境的演變都具有重要意義。

1 埋藏古河道河型特征

通過對數千公里的南黃海西部陸架高分辨率淺地層聲學剖面的研究發現, 末次冰期以來的黃河、長江埋藏古河道在河道斷面形態和河型等方面存在著一定的差異。蘇北岸外黃河埋藏古河道發育規模普遍較小, 河床下切較淺, 埋藏深度在 25 m以內, 一般以5~15 m深度為主, 其河道斷面形態以不對稱型和緊密相連型(圖1 a, b)為主要特征, 而從時間上看,又很少見到多期連續發育的繼承型河道, 總體上反映出古黃河水系在橫向上易變動的運動特點。長江埋藏古河道相對于黃河古河道而言發育規模較大,河床下切也較深, 埋藏深度在 35 m以內, 一般以10~30 m深度范圍為主, 斷面寬度數值也較為平均,多在800~2 000 m范圍內。在河道的斷面形態上, 古長江河道是以較大尺度的對稱型和多期疊加型河道為主(圖2 a, b), 這不僅反映了古長江較古黃河在空間上不易變動的特點, 也反映出古長江較古黃河在時間上表現得更為穩定。

圖1 古黃河水系典型埋藏河道聲學剖面

圖2 古長江水系典型埋藏河道聲學剖面

依據埋藏古河道斷面的形態參數, 利用比降-河寬法對蘇北岸外長江、黃河埋藏古河道的河型進行研究。結果表明, 末次冰期以來蘇北岸外黃河埋藏古河道以曲流河為主, 這與李凡等[1]研究南黃海西部(老黃河口附近)埋藏古河道的結果相一致; 蘇北岸外長江埋藏古河道以辮狀河為主, 這與劉奎等[2]研究長江口外內陸架埋藏古河谷的結論相符。

2 河流入海沉積物元素地球化學特征

長江與黃河沉積物的常量元素組合及其含量特征不同。長江沉積物中的K、Fe、Mg、Pb、Al等元素含量較高, 其中Fe、Mg含量在長江和黃河沉積物中相對偏差達40%以上, 黃河沉積物以富含Ca、Na為特征[3-8](表1), 其相應的氧化物 K2O、Fe2O3、MgO、Al2O3等長江沉積物中含量高, Na2O、CaO黃河沉積物中含量高[9](表1)。

表1 長江與黃河沉積物元素含量對比

長江沉積物中富集絕大多數微量元素, 僅僅Ba、Sr、Th在黃河沉積物中含量大于長江, 幾乎所有微量元素在長江沉積物中都大于黃河沉積物; 長江沉積物中微量元素含量變化大, 而黃河數據較為集中(表1)。其中 Zn、Pb、Co、Ni、Mn、Cu和 Ti等元素含量在長江和黃河沉積物中相對偏差達到了30%以上, 說明這些元素在長江沉積物含量豐富密集。Ti在表生地球化學環境中比較穩定, 常被用來判別物源[10], 由表1可以看出, 長江沉積物Ti質量比平均達到5 600 μg/g, 而黃河沉積物Ti質量比低于3 950 μg/g, 據此可利用沉積物的Ti 含量來識別沉積物物源。

這種元素差異主要受到黃河、長江流域的區域地質和氣候條件限制[11]。黃河流域以物理風化作用為主, 導致黃河沉積物中富集了 Ca、Na、Ba和 Sr等元素; 長江流域化學風化作用較強, 致使長江沉積物中易遷移的 Ca和 Na等元素流失, 富集了難遷移的Fe、Al、Mn和Ti等元素。

此外, 長江和黃河沉積物中的稀土元素的含量也存在顯著差異。長江沉積物中的細粒級(<63 μm)組分的稀土元素( REE) 含量粒級明顯高于黃河沉積物, 長江沉積物比黃河更富集輕稀土元素(LREE)[12]。利用長江與黃河沉積物中稀土元素含量的差異可以有效進行物源判別。如運用判別函數對南黃海中部鉆孔(NT1)中沉積物稀土元素研究發現, NT1孔上部(0~7.70 m)、中部( 16.60~40.0 m) 和下部(50.70~69.76 m)以長江源為主, 其余兩段(7.70~16.60 m)和(40.60~50.70 m)沉積物以黃河源為主[13]。

3 河流入海沉積物礦物特征

3.1 黏土礦物組合

長江、黃河沉積物中黏土礦物組合基本相同,都為伊利石+蒙皂石+綠泥石+高嶺石[14-17], 但含量有一定差別(表2)。何夢穎等[15]系統地研究了長江流域的黏土礦物, 表明長江沉積物中伊利石含量最高,蒙皂石含量最低, 長江沉積物中黏土礦物含量基本一致。范德江等[16]在黃河河口三角洲地區及其附近海域采集了多個典型樣品, 通過X射線衍射物相分析和 ICP-AES成分分析等方法對黏土礦物組成進行研究分析, 結果表明黃河黏土礦物成分以伊利石為主, 蒙皂石含量高。在黏土礦物比值上(表2), 長江沉積物中伊利石/蒙皂石都在11以上, 黃河沉積物中該比值都在 6.5以下; 高嶺石/綠泥石在兩類沉積物中無明顯差異。

表2 長江與黃河沉積物的黏土礦物含量比較

3.2 碳酸鹽含量

從礦物種類看, 長江沉積物中碳酸鹽以白云石為主, 含少量方解石; 黃河沉積物中碳酸鹽包括方解石和白云石兩種, 以方解石占絕對優勢, 約是長江沉積物的2~3倍(圖3), 兩者沉積物的碳酸鹽礦物含量均在8%~10%左右, 總量差別不大。

圖3 長江、黃河沉積物中碳酸鹽礦物含量圖(修改自文獻[19])

長江和黃河沉積物的碳酸鹽含量隨粒級的分布變化明顯。長江沉積物碳酸鹽含量隨粒級變細而逐漸降低, 黃河沉積物碳酸鹽含量隨粒級變細而增加[19]。黃河碳酸鹽的細粒級含量明顯高于長江, 主要是由于黃河沉積物繼承了所經流域黃土碳酸鹽中以膠結物以及粉砂粒級的細粒級碎屑物[20-21]。

3.3 重礦物組合

長江和黃河輸入的重礦物組合存在不同。這些礦物組合可以很好地指示其源巖性質及源巖分布[22-24]。長江入海沉積物中重礦物以角閃石-綠簾石-金屬礦物為特征組合, 云母類、輝石、柘榴石和鋯石含量較為豐富, 榍石、電氣石、磷灰石和金紅石常見[22,25]; 黃河入海沉積物中重礦物以云母-角閃石-綠簾石-金屬礦物為特征組合, 柘榴石、鋯石和榍石含量也較豐富, 電氣石、磷灰石、金紅石常見, 但含量極少[24,26]。云母類礦物在黃河沉積物中含量較高, 達 30%~40%, 而長江沉積物中含量僅為7%左右(表3)。黃河沉積物中富含黑云母, 高的黑云母/白云母、磁鐵礦/鈦鐵礦和低的綠簾石/榍石、閃石類/輝石類可用于區別長江物源的礦物學示蹤參數[27]。

表3 長江與黃河重礦物含量比較

長江與黃河入海沉積物中重礦物組成的差異與流域內的巖石組成以及氣候條件有關系, 黃河沉積物大部分來源于黃土高原, 流域內氣候相對寒冷干燥, 物理風化較強, 像云母類這種不穩定的礦物較容易保存,因而云母類含量極高[11]。而長江流域內源巖類型主要為巖漿巖和變質巖類, 流經區域氣候溫暖濕潤, 化學風化作用較強, 使云母類等礦物風化變質, 含量相對較少; 而以高含量角閃石以及榍石、電氣石、金紅石和鋯石等為代表的酸性–中酸性火成巖礦物組合出現[22,25],其中鋯石已經成為長江流域物源的標志礦物[25]。

4 結語

通過對南黃海西部陸架埋藏古河道區淺地層聲學剖面的研究以及綜合分析河流入海沉積物特征,可以看出長江、黃河入海沉積物在元素地球化學和礦物組合等方面存在顯著差異。

(1) 長江和黃河埋藏古河道河道斷面特征不同。黃河埋藏古河道發育規模較小, 河道斷面特征以不對稱式為主; 長江埋藏古河道發育規模較大, 河道斷面特征以對稱式為主。從河型來看, 長江古河道以辨狀型河道為主, 黃河古河道以曲流型河道為主。

(2) 長江與黃河入海沉積物中元素組合及其含量存在差異。長江河道相對富含K、Fe、Mg、Al和Pb等常量元素, 且微量元素種類也較為齊全, 而黃河河道則Ca、Ba、Sr、Th和Na等元素含量高于長江, 尤以高Ca、Ba和Sr為特征。此外, 長江和黃河沉積物中的稀土元素的含量也存在顯著差異。

(3) 長江和黃河入海沉積物中黏土礦物組合都為伊利石+蒙皂石+綠泥石+高嶺石, 但長江沉積物中伊利石含量高于黃河, 而蒙皂石含量低于黃河;在碳酸鹽種類和含量上有較大差異, 長江沉積物中富含白云石, 而黃河沉積物中方解石含量高; 此外,黃河沉積物中富含黑云母, 高的黑云母/白云母、磁鐵礦/鈦鐵礦和低的綠簾石/榍石、閃石類/輝石類可用于區別長江沉積物。

以上的差異可用于南黃海陸架長江、黃河埋藏古河道有效判別的依據。

[1] 李凡, 于建軍, 姜秀珩, 等.南黃海埋藏古河系研究[J].海洋與湖泊, 1991, 22(6): 501-508.

[2] 劉奎, 莊振業, 劉冬雁, 等.長江口外內陸架埋藏古河谷的河型判別方法探討[J].海洋湖泊通報, 2009, 1:79-87.

[3] 張憶, 石學法, 王昆山.長江口泥質區表層沉積物元素地球化學[J].海洋地質與第四紀地質, 2010, 30(3):61-70.

[4] 劉明, 范德江.長江、黃河入海沉積物中元素組成的對比[J].海洋科學進展, 2009, 27(1): 42-50.

[5] 楊守業, Jung Hoi-soo, 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.

[6] 楊守業, 李從先, Jung Hoi-soo, 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): 19-24.

[7] 趙一陽, 鄢明才.中國淺海沉積物地球化學[M].北京:科學出版社, 1994.

[8] 韓桂榮, 徐孝詩, 辛春英.黃海、渤海埋藏古河道區沉積物的地球化學特征[C]//中國科學院海洋研究所.海洋科學集刊(40), 北京: 科學出版社, 1988: 79-86.

[9] 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): 19-26.

[10] Taylor S R, McLennan S M.The Continental Crust: Its Composition and Evolution[M].Oxford: Blackwell Science Ltd, 1985: 29.

[11] 范代讀, 王揚揚, 吳伊婧.長江沉積物源示蹤研究進展[J].地球科學進展, 2012, 27(5): 515-527.

[12] Yang S Y, Jung H S, Choi M S, et al.The rare earth element compositions of the Changjiang( Yangtze) and Huanghe(Yellow)River sediments[J].Earth and Planetary Science Letter, 2002, 201( 2) : 407-419.

[13] 藍先洪, 張憲軍, 趙廣濤, 等.南黃海NT1 孔沉積物稀土元素組成與物源判別[J].地球化學, 2009, 38(2):123-132.

[14] 張軍強, 劉健, 孔祥淮, 等.淮河中游沉積物中黏土礦物組合特征[J].海洋地質與第四紀地質, 2011, 31(1):21-29.

[15] 何夢穎, 鄭洪波, 黃湘通, 等.長江流域沉積物黏土礦物組合特征及物源指示意義[J].沉積學報, 2011,29(3): 544-551.

[16] 范德江, 楊作升, 毛登, 等.長江與黃河沉積物中黏土礦物及地化成分的組成[J].海洋地質與第四紀地質,2001, 21(4): 7-11.

[17] Eisma D, Ji Z, Chen S, et al.Clay mineral composition of recent sediments along the China coast, in the Yellow Sea and the East China Sea[R].Texel:Netherlands Institute Voor Onderzoek der Zee , 1995.

[18] 楊作升.黃河、長江、珠江沉積物中黏土的礦物組合、化學特征及其與物源區氣候環境的關系[J].海洋與湖沼, 1988, 19(4): 336-346.

[19] 楊作升, 王海成, 喬淑卿.黃河與長江入海沉積物中碳酸鹽含量和礦物顆粒形態特征及影響因素[J].海洋與湖沼, 2009, 40(6): 674-681.

[20] 劉東生.黃土與環境[M].北京: 科學出版社, 1985:6-7.

[21] 陳駿, 仇剛, 楊杰東.黃土碳酸鹽 Sr同位素組成與原生次生碳酸鹽識別[J].自然科學進展, 1997, 7(6):731-734.

[22] 王中波, 楊守業, 李萍, 等.長江水系沉積物碎屑礦物組成及其示蹤意義[J].沉積學報, 2006, 24(4):570-578.

[23] Morton A C, Hallsworth C R.Processes controlling the composition of heavy mineral assemblages in sandstones[J].Sedimentary Geology, 1999, 124(1-4):3-29.

[24] 李凡, 張秀榮, 孟廣川, 等.晚更新世末期南黃海中部埋藏古三角洲的研究[J].海洋與湖泊, 1998, 1:67-72.

[25] 張風艷, 孟翊.長江口北支表層沉積物重礦物分布和磁學特征[J].海洋地質與第四紀地質, 2011, 31(1):31-41.

[26] 吳忱, 許清海, 陽小蘭.論華北平原的黃河古水系[J].地質力學學報, 2000, 6(4): 1-9.

[27] 林曉彤, 李巍然, 時振波.黃河物源碎屑沉積物的重礦物特征[J].海洋地質與第四紀地質, 2003, 23(3):17-21.

[28] 王臘春, 陳曉玲, 儲同慶.黃河、長江泥沙特征對比分析[J].地理研究, 1997, 16(4): 71-79.