現代黃河三角洲附近海域表層沉積物地球化學分區

趙玉玲, 馮秀麗, 宋 湦, 田動會

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現代黃河三角洲附近海域表層沉積物地球化學分區

趙玉玲1, 2, 馮秀麗1, 2, 宋 湦1, 2, 田動會1, 2

(1. 中國海洋大學海洋地球科學學院, 山東青島266100; 2. 海底科學與探測技術教育部重點實驗室, 山東青島 266100)

對取自現代黃河三角洲附近海域的表層沉積物樣品進行粒度分析和地球化學元素分析。研究表明, 沉積物類型主要為砂質粉砂和粉砂, 表層沉積物粒度由近岸向渤海東部大致為由粗變細再變粗的趨勢, 研究區大部分化學元素的含量和分布受沉積物粒度控制作用明顯, 即“元素的粒度控制律”。運用Q型聚類法對研究區表層沉積物常微量元素進行分析, 并將其劃分為3個地球化學分區, Ⅰ區主要集中在渤海中部海區, 該區化學元素含量高。Ⅱ區主要集中在萊州灣, 常微量元素含量比Ⅰ區稍低。Ⅲ區化學元素含量最低, 根據地理位置不同又可分為3個亞區。3個分區反映了不同物源和水動力環境對研究區沉積物分布的影響。

黃河三角洲; 表層沉積物; 粒度特征; 地球化學分區

元素地球化學是判斷沉積物物質組成的重要指標之一, 它的含量變化及分布規律可以反映沉積物的物質來源, 示蹤沉積物搬運和沉積過程[1-2]。許多學者對現代黃河三角洲附近海域沉積物的搬運和沉積作用作了大量研究。多數研究認為, 黃河入海物質堆積在渤海灣南部、渤海海峽南部、萊州灣以及從萊州灣向北到渤海中央的區域[3-4]。黃河泥沙入海后, 大部分沉積在河口三角洲和近海海域, 余者則在潮流和海流等因素的影響下, 擴散至較遠的海區[5]。呂成功、陳真[6]分析了取自渤海77個表層樣的8種化學成分和粒度特征。其研究結果顯示這些表層樣的8種化學元素的含量與黃海和東海接近, 表明渤海屬于正常陸架海范疇, 其化學成分與沉積物粒度密切相關。但目前為止, 黃河及渤海灣北部河流(如海河等)入海物質及不同地理位置水動力環境對在現代黃河三角洲附近海域沉積物分布的影響范圍尚未明確劃分。因此本文對采自現代黃河三角洲附近海域表層沉積物的17種常量和微量元素進行分析, 研究其含量變化和分布特征, 并對其進行地球化學分區, 為進一步了解現代黃河三角洲附近海域沉積物分布特點提供支持。

1 區域背景

黃河受水盆地渤海, 是深入中國大陸的近封閉型淺海, 平均水深18 m, 最深處位于老鐵山水道南支, 水深86 m[7]。通常將渤海分為: 遼東灣、渤海灣、萊州灣、中央海區和渤海海峽, 研究區涵蓋黃河水下三角洲、渤海灣南部、渤海中央海區、萊州灣, 東面與渤海海峽相鄰(圖1)。

研究區海岸為粉砂淤泥質海岸, 其中黃河口附近為典型的扇狀三角洲海岸, 海底地形從陸地邊緣向渤海中央海區傾斜, 近岸水深淺, 靠近渤海海峽附近水深最深。近岸黃河口附近海區水深梯度大, 周圍分布黃河水下三角洲。萊州灣大部分水深都在–10 m以內, 整個海底地形較為平緩。渤海海域周邊有多條河流, 其中, 黃河、灤河、海河等為主要的入海河流(如圖1), 它們定期向渤海輸入源源不斷的沉積物質, 其他的一些河流輸沙量小, 貢獻甚微。

研究區的主要海洋水文動力要素為潮汐、潮流、余流和風浪等。渤海潮波主要由半日分潮(M2)和全日分潮(K1)組成。M2分潮系統由渤海灣-萊州灣駐波和遼東灣駐波構成, 兩個駐波節點(無潮點)分別在研究區黃河口附近海區和秦皇島外[8]。由于風、徑流、氣壓、密度差等因素引起的余流形成渤海環流, 渤海環流較弱, 流速一般為10~20 cm/s[9]。通常認為, 渤海暖流的余脈從渤海海峽北端進入黃海, 向西偏北而行, 至接近西岸時分為南北兩段, 從而形成渤海主干流(圖2)。

2 材料與方法

2.1 樣品來源

在研究區取168個表層樣進行粒度分析, 37個表層樣進行地球化學元素分析, 取樣站位分布見圖3。表層沉積物取自淺水作業調查船, 搭載蚌式取樣器, 取樣點定位采用 DGPS 差分定位, 在室內對樣品進行分析測試。

2.2 分析方法

2.2.1 粒度分析

樣品粒度分析在室內完成, 對于沉積物中粒徑大于2 mm的部分采用篩析法, 小于2 mm的部分采用Microtrac3500激光粒度儀(測量范圍為0.24~2 000 μm,測量精度≤0.01 μm)。粒度分類標準采用國際通用標準烏頓-溫德華氏等比制值粒級標準; 沉積物分類和命名方法采用 Shepard沉積物三角分類法; 粒度參數采用圖解法計算。

2.2.2 元素分析

地球化學樣品分析國土資源部院濟南礦產資源監督檢測中心完成, 測試項目包括常量元素SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、MnO、TiO檢測和微量元素Cr、Cu、Pb、Zn、V、Co、Ni、Sr檢測, 檢測方法參照《技術規程》和GB/T14506-93、DZG20.03—1987, 使用的主要設備有日立-557雙波長分光光度計、PE-600原子吸收分光光度計及IRIS Intrepid Ⅱ全譜直讀等離子體發射光譜儀, 檢測結果和誤差范圍符合《技術規程》要求。

3 結果與討論

3.1 表層沉積物類型與分布

依據Shepard沉積分類原則對沉積物進行分類和命名, 研究區表層沉積物的主要類型為砂(S)、粉砂質砂(TS)、砂質粉砂(ST)、粉砂(T)、黏土質粉砂(YT)。

研究區的沉積類型分布如圖4所示。砂在研究區內主要集中在3塊區域, 其一位于黃河三角洲北部廢棄葉瓣水下三角洲, 其二位于研究區東北角, 其三位于萊州灣南部近岸海區, 為分布最少的類型。粉砂質砂和砂在研究區分布范圍類似, 與砂相比, 粉砂質砂分布范圍明顯擴大。砂質粉砂是研究區分布最廣的底質類型。主要分布在渤海中部、黃河三角洲以東三角洲前緣的帶狀區域以及萊州灣內部與岸線平行呈帶狀分布。粉砂是研究區分布較廣的底質類型, 僅次于砂質粉砂, 分布范圍大致以黃河口為中心, 向東、向南、向北擴散延伸至萊州灣和渤海灣三角洲平原, 而研究區東部的渤海中部平原分布較少。黏土質粉砂主要分布在黃河入海口以東及以南區域, 另外渤海中部沉積物中黏土含量也較高, 形成黏土質粉砂和砂-粉砂-黏土等細粒沉積物類型。

由表層沉積物類型分布圖(圖4)可以看出, 研究區表層沉積物粒度由近岸向渤海東部大致由粗變細再變粗的趨勢——表層沉積物底質類型由陸向海依次為粉砂質砂—砂質粉砂—粉砂—黏土質粉砂—砂質粉砂—粉砂質砂。

3.2 表層沉積物地球化學特征

3.2.1 表層沉積物常微量元素含量及分布

3.2.1.1 表層沉積物常量元素含量及分布

對研究區的37個表層沉積物樣品進行常量化學元素豐度分析, 共測試Al2O3、SiO2、CaO、Na2O、Fe2O3、MgO、、MnO、TiO2、K2O 9種元素, 從表1可以看出SiO2是常量元素含量最多的, 其質量分數平均值60.23%。MnO平均質量分數最少僅為0.09%, 其余元素從多到少依次為Al2O3、CaO、Fe2O3、Na2O、K2O、MgO、TiO2。

表層沉積物常量元素在研究區的空間分布見圖5, SiO2的含量由岸向海沿東北方向呈先減小后增大的分布趨勢, 套兒河口向東15 m等深線以淺的近岸區域、萊州灣東南部近岸區域和研究區東北部老鐵山水道附近海區是SiO2含量的高值區, 其含量隨沉積物粒度變粗增加, Na2O與SiO2的分布類似。其余元素的分布與SiO2大致相反, 含量高值區主要集中在渤海灣中部海域, 元素隨粒度變細在沉積物中含量增加。

表1 研究區表層沉積物常量元素質量分數統計

3.2.1.2 表層沉積物微量元素含量及分布

微量元素地球化學分析研究區37個表層沉積物樣品的微量元素, 共測試Cr、Cu、Pb、Zn、V、Co、Ni、Sr 8種元素, 各元素質量分數如表2。元素質量分數平均值由大到小依次為Sr>V>Zn>Cr>Ni>Pb> Cu>Co。

表2 研究區底質表層沉積物微量元素質量分數統計

從表層沉積物微量元素在研究區的空間分布圖(圖6)可以看出大部分微量元素隨粒度變細其含量升高, 其中Cu、V、Co、Ni等鐵族元素尤為明顯, 這是由于黏土礦物在細粒級沉積物中含量較高, 而黏土礦物吸附能力強、比表面積大, 因此這類微量元素容易吸附在黏土礦物中, 與細粒沉積物一同沉積[11]。圖中Sr元素的分布與粒度分布沒有明顯關系。

由表層沉積物常微量元素含量及分布分析, 可以將研究區元素分為粒度控制元素和物源控制元素兩類: (1)粒度控制因素: 這類元素包括Si、Al、Fe、Mg、K等常量元素和Cr、V、Co、Ni、Cu、Zn等微量元素。元素的含量和分布受沉積物粒度控制作用明顯, 即“元素的粒度控制律”, 但各種元素受粒度控制律作用方式不盡相同, 如Al、Fe、Mg、Cr、V、Co、Ni、Cu、Zn等元素隨粒度變細而含量增加, 在黏土粒級中含量最大, 而Si相反——由砂粒級到黏土粒級含量減少。(2)物源控制元素: 這類元素主要包括Ca和Sr。現代黃河物質及老黃河三角洲物質以高鈣、高Ca/Sr為特征, 研究區表層沉積物CaO含量及分布對不同沉積物的搬運和沉積具有很好的指示作用。海洋生物貝殼是中國近海沉積物中Ca和Sr的主要來源, 而研究區物源以陸源為主, 生物碎屑占次要地位, 黃河入海泥沙90%以上來自于中游的黃土高原, 具有黃土富Ca的特點[11-12], 因此CaO的含量可以作為黃河入海泥沙的有效示蹤指標, 由CaO分布圖可以清楚表達黃河入海Ca的影響強度, 大致由黃河入海口為中心向南北擴散, 再向東北逐漸減弱。因此Ca可作為黃河入海細粒物質擴散的標志。

3.2.2 表層沉積物地球化學分區

本文采用地球化學歸一化法剔除粒度效應的影響, 以Al作為參比元素, 將化學元素含量與Al含量相比, 即可得出標準化后的化學元素含量數據。運用Q型聚類法對研究區表層沉積物進行地球化學分區, 聚類方法采用 Ward 方法、度量標準采用歐式平方距離(squared euclidean distance), 對數據進行了變量標準化(0~1)。化學元素Q型聚類法將樣品分為3種類型, 分別用3種不同的顏色進行標注, 然后將樣品對應的站位投放到研究區中, 結果如圖7所示。本文將研究區分為3個區, 各區元素含量特征見表3。

表3 常微量元素聚類特征

注: 微量元素含量單位為×10–6

根據化學元素聚類分析結果, 我們將研究區劃分為3個地球化學分區(圖7), 本文結合粒度數據及物源和水動力因素對3個分區進行分析。

Ⅰ區是高化學元素含量的分布區,主要集中在渤海中部海區, 該區以低SiO2以及高Cu-Co-Ni-V-Zn為特點, 沉積物類型以粉砂、黏土質粉砂等細粒沉積物為主。這里是黃河和海河入海物質的主要堆積區和擴散區。Ⅱ區主要集中在萊州灣, 常微量元素含量比Ⅰ區稍低, 沉積物粒度比Ⅰ區稍粗以較細沉積物為主, 如砂質粉砂、粉砂等。該海區是黃河入海泥沙的直接作用區, 受海河影響甚微, 萊州灣沿岸有多條細小河流入海, 對該海區沉積物化學元素含量也有微弱影響。由于黃河沉積物多來自黃土高原, 有富含Ca的特征, Al、Fe、Mg、K、Cr 等元素含量也較高[13-14]。Ⅰ區、Ⅱ區的沉積物化學元素符合該特點, 因此Ⅰ區、Ⅱ區的沉積物主要來自黃河。Ⅰ區水動力較弱, 黃河沉積物在波浪作用下細顆粒再懸浮后向遠海擴散, 導致該區域沉積物主要為細顆粒, 易于吸附化學元素。Ⅱ區在強烈的冬季風作用下, 其東部成為了將黃河細粒沉積物向北黃海輸送的“源”[15-19], 使部分沉積物粗化, 因此該海區有些化學元素含量與Ⅰ區相近, 有些比Ⅰ區低。

Ⅲ區的化學元素含量低,該區又可分為3個亞區,分別為渤海灣南部沿岸海區、研究區東北部老鐵山水道附近海區和萊州灣南部沿岸海區,以高SiO2以及低Al2O3-Fe2O3-MgO-CaO-Cu-Co-Zn-V-Ni為特點, 與粗粒級沉積物分布一致。Ⅲ區的3個亞區雖然都是低化學元素含量分布區, 但物源和水動力環境卻并不相同。

Ⅲ-1區位于黃河三角洲北部近岸海區, 由于黃河入海口在 1976年改變, 使得岸灘動態平衡發生調整, 活動三角洲葉瓣成為廢棄水下三角洲, 黃河三角洲北部神仙溝口外存在一高速流帶(圖8), 高流速帶淘蝕廢棄葉瓣, 由于缺少外圍物質補充, 該區一直處于侵蝕狀態, 再懸浮細顆粒隨近岸西-西北向沿岸流進渤海灣, 粗粒物質在此沉積。Ⅲ-2區位于研究區北部老鐵山水道附近海域, 靠近渤海海峽, 受K1分潮無潮點的影響, 使得該區潮流流速較大。雖然底質泥沙受海浪影響較小, 但是在潮流和海流的作用下該區泥沙大部分時間處于活動狀態[21-22], 致使該區域長期遭受剝蝕, 細顆粒被帶走沉積物粗化。Ⅲ-3區位于萊州灣南部沿岸海區, 該區沉積物主要來自萊州灣南部沿岸河流輸入物質, 受萊州灣順時針環流及沿岸流的影響, 海洋波浪等水動力較強, 沉積物遭受反復沖刷, 細顆粒被運往萊州灣, 較粗的顆粒在該區沉積。Ⅲ區的3個亞區均處于較強水動力環境, 底質沉積物粗化, 不易吸附化學元素, 因此Ⅲ區的化學元素含量低。

4 結論

1) 研究區海域表層沉積物類型有砂、粉砂質砂、砂質粉砂、粉砂、黏土質粉砂5種類型, 主要為砂質粉砂和粉砂, 研究區表層沉積物粒度由近岸向渤海東部大致為由粗變細再變粗的趨勢。

2) 研究區表層沉積物化學元素分布受物源、粒度等因素控制, 物源控制元素包括Ca和Sr; 粒度控制元素包括Si、Al、Fe等常量元素和大部分微量元素。

3) 研究區表層沉積物可分為3個地球化學分區: Ⅰ區主要集中在渤海中部海區, 該區化學元素含量高, 以低SiO2以及高Cu-Pb-Ni-V-Zn為特點。Ⅱ區主要集中在萊州灣, 常微量元素含量比Ⅰ區稍低。Ⅲ區化學元素含量低, 該區又可分為3個亞區, 分別為渤海灣南部沿岸海區、萊州灣南部沿岸和研究區東北部老鐵山水道附近海區, 以高SiO2以及低Al2O3- Fe2O3-MgO-CaO-Cu-Pb-Zn-V-Ni為特點。

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(本文編輯: 劉珊珊)

Geochemical partition of surface sediments in the seas near the modern Yellow River Delta

ZHAO Yu-ling1, 2, FENG Xiu-li1, 2, SONG Sheng1, 2, TIAN Dong-hui1, 2

(1. College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Key Laboratory of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, Ministry of Education, Qingdao 266100, China)

In this paper, surface samples from the modern Yellow River Delta are analyzed for grain size and geochemistry. Results show that sediment types in this area are mainly sandy silt and silt. The surface sediment particle size from nearshore to the eastern Bohai Sea shows a rough trend of coarse–fine–coarse. In the study area, the content and distribution of almost all the chemical elements are significantly controlled by the sediment grain size (i.e., “the control of elements by granularity law”). A Q-modelcluster method is applied to geochemical zoning in the study area that is divided into three zones: area Ⅰ, mainly concentrated in the center of the Bohai Sea, is an area with high chemical element content; area Ⅱ, mainly concentrated in the Laizhou Bay, shows a lower chemical element content than area Ⅰ; and area Ⅲ shows the lowest chemical element content of all three areas and can be further divided into three subareas. These subareas reflect the effects of provenance and hydrodynamics on sediment distribution.

the Yellow River Delta; surface sediment; granularity characteristics; geochemical partition

Apr. 22, 2016

P736.4+1

A

1000-3096(2016)09-0098-09

10.11759/hykx20160422002

2016-04-22;

2016-06-14

國家自然科學基金(911422281); “基于模糊聚類方法的黃渤海表層沉積物源和輸運”專項資助

趙玉玲(1987-), 女, 山東煙臺人, 碩士研究生, 從事海洋沉積方面的研究, 電話: 18366262863, E-mail: zhaoyulingya@163.com; 馮秀麗(1962-), 通信作者, 女, 博士, 教授, 博士生導師, 從事海洋沉積與工程環境研究, 電話: 0532-66782057, E-mail: fengxiuli@ouc.edu.cn

[Foundation: National Natural Science Foundation of China, No.911422281; Surface sediments provenance and transportation of the Yellow Sea & the Bohai Sea based on Fuzzy Clustering Method]