山東半島近海不同粉砂粒級含量分布的空間差異性及其沉積學意義

李軍，胡邦琦，李國剛，王利波，白鳳龍，趙京濤，鄒亮，竇衍光

(1.青島海洋地質研究所 國土資源部海洋油氣地質與環境地質重點實驗室，山東 青島 266071；2.青島海洋科學與技術國家實驗室 海洋礦產資源評價與探測技術國家功能實驗室，山東 青島 266071；3.國家海洋局 北海海洋工程勘察院，山東 青島 266033)

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山東半島近海不同粉砂粒級含量分布的空間差異性及其沉積學意義

李軍1，2，胡邦琦1，李國剛3，王利波1，白鳳龍1，趙京濤1，2，鄒亮1，竇衍光1

(1.青島海洋地質研究所 國土資源部海洋油氣地質與環境地質重點實驗室，山東 青島 266071；2.青島海洋科學與技術國家實驗室 海洋礦產資源評價與探測技術國家功能實驗室，山東 青島 266071；3.國家海洋局 北海海洋工程勘察院，山東 青島 266033)

粉砂是現代陸架和河口沉積物最主要的粒級組分，但由于其復雜的沉積動力學行為，我們對于不同粉砂粒級的沉積學特征和行為并沒有完全掌握。本文分析了山東半島近海表層沉積物中不同粉砂粒級組分含量的空間分布特征，探討了其控制因素。結果表明，山東半島周邊近海沉積物類型以泥質沉積為主，但不同粉砂粒級組分具有明顯的空間分布差異性。極細粉砂、細粉砂與黏土組分的含量變化一致，表明了其相似的沉積動力學行為。粗粉砂組分的含量空間變化最大，在山東半島的北部泥質條帶、東部“泥楔”和南部近岸具有明顯的高含量，其含量與其他各粉砂組分具有明顯的負相關性。從表層沉積物的粒度組分與分布規律，可以證明研究區表層沉積物主要以黃河攜帶物質為主，但流入本區的一些中小型河流也明顯提供了部分物源，只是其提供物質的擴散范圍有限。結合水動力分析和物理海洋學等方面的認識，我們認為造成不同粉砂組分空間分布差異性的原因主要受物源、區域水動力學條件、局部地形(底形)等因素控制。另外，還發現了山東半島“泥楔”沉積物的粗粉砂組分含量偏高、現代沉積速率也偏大，這些現象在空間上與“海洋鋒面”位置一致，對于海洋鋒面的沉積學意義還需要進一步的調查研究和數值模擬工作。

粉砂；空間差異性；粒度分級；海洋鋒面；山東半島近海

1 引言

“源-匯”研究是當前的海洋沉積學的熱點問題，具有充沛物源供應、環境穩定的陸架成為開展此項研究的重點區域。在全新世期間，世界上的陸架區多發育了不同規模的泥質沉積體[1]。通過對這些泥質堆積體的沉積物開展粒度、元素地球化學、礦物學等分析，建立相應的指標，獲得環境演變的地質“信號”，得到過程-產物研究的基礎信息[2]。通過區域性、宏觀性的沉積物組分分布及其控制因素研究，總結不同粒級組分的空間分布規律，判別分析不同組分的擴散過程(輸運和堆積)、沉積動力機制等，是進一步開展古環境、古海洋學研究的基礎，也是區域性海洋生態環境調查的重要內容。

粒度是研究沉積物組成的最基礎資料，是劃分海洋沉積環境的直接依據[3]，可以用于研究沉積物的輸運問題[4]，也可以作為指標反演歷史時期的流速變化[5]，甚至區域性季風演化[6]。這些研究中使用的對象主要是沉積物中的細顆粒組分(粉砂和黏土)。

海洋環境中，細顆粒物質的沉積作用是個非常復雜的過程[7]，除受到物源和動力的影響外，還與局部的鹽度、溫度、微生物作用、有機質和污染物吸附等因素息息相關。絮凝作用的發生，可使得同一粒級細顆粒泥沙的輸運和堆積具有明顯的區域性差異。沉積物中的粉砂組分的沉積動力學行為最為復雜，較細部分可以發生絮凝，而較粗部分則以單顆粒方式輸運。眾多的實驗和現場測試研究表明，不同河口或海域的細顆粒泥沙發生絮凝作用的最粗粒級(即Df[8])差異性較大，如在長江口為32.5 μm[9]；在亞德里亞海為16 μm[8]，在黃河口和黃海海域還沒有此項的研究。但是，通過對區域性表層沉積物的詳細粒度分析，通過數值計算，可反演其細顆粒組中的“絮凝”和“單顆?！眲恿M分，獲得較為理想的結果[10]。

在以前的區域性沉積物粒度分布研究中，均將粉砂組分作為一個整體進行分析[11—12]，不考慮粉砂組分內的“差異性”輸運和堆積問題。這種分析會忽視不同粉砂粒級沉積動力行為的差異，而得出非常籠統或者錯誤的結論。本文擬通過對山東半島近海表層沉積物的粒度分析(圖1)，結合水深數據，采用協同克里格差值方法，研究不同粉砂組分含量的空間分布特征，分析它們空間分布的區域性差異，結合相關資料，探討其物源和物質輸運的指示意義，為進一步研究本區的物質輸運提供新的基礎資料，也為開展海洋區域性沉積物分布規律和控制因素研究提供新的思路和方法。

2 區域背景

本文研究區范圍如圖1所示，包括從渤海海峽南段至青島的山東半島近海海域，水深變化于0～80 m之間。山東半島被渤海、北黃海和南黃海所圍繞，水動力環境較為復雜。在山東半島北部，發育有套子灣、芝罘灣等，東部發育有榮成灣、桑溝灣、石島灣等，南部發育有靖海灣、五壘島灣、乳山灣、丁字灣等。發育的入海河流除黃河外，還有清洋河、辛安河、老母豬河、黃壘河、乳山河、五龍河等小型河流。黃河，位于研究區西部，近年來的年平均入海泥沙量較歷史時期明顯下降，約為0.32×109t/a[13]；流入乳山灣的乳山河、鋸河，向海灣年輸沙量為(30～50)×104t/a；流入丁字灣的五龍河，長124 km，多年(1958—1980年)平均輸沙量為84×104t/a。

潮流是影響山東半島近岸沉積物輸運的主要因素。已有的研究表明，山東半島近海海域都屬于半日潮區，平均潮差多小于2 m；大部分區域為半日潮流區，在北部煙臺附近海域有全日潮流區。而山東半島近海大潮平均最大流速相對較小，在黃河口南側萊州灣北部海域、成山頭附近海域、楮島、靖海附近海域、乳山灣東西叉口、丁字灣及膠州灣口處等附近海域的大潮平均最大流速均大于1 m/s[14]。在外海，沉積物的輸運則主要由陸架環流引起的[2]。

從區域流場看，山東半島近海主要受山東沿岸流、黃海暖流的影響[2]。在研究區北部，發育有一個北黃海冷水團，而在石島外海域，還發育有一個夏季存在的冷渦。另外，山東半島東端外海的沿岸水與北黃海冷水團、黃海暖流與山東半島東部沿岸流形成了鮮明的溫度鋒面[15—17]。

3 材料與方法

2005—2010年，在執行國家海洋地質調查專項期間，利用“箱式”或“蛤式”取樣器區獲得783個表層沉積物樣品。取其表層2 cm作為對象，開展粒度測試。粒度測試方法[18]使用的儀器為法國產Malvern Mistersizer 2000型激光粒度儀，測試范圍為0.02～2 000 μm，多次測量誤差為3%。

將粉砂按照粒級，分為極細粉砂(VFSt, 4～8 μm)、細粉砂(FSt, 8～16 μm)、中粉砂(MSt, 16～32 μm)和粗粉砂(CSt, 32～63 μm)4種組分，分別計算其百分含量。鑒于沉積物的粒度組成為組分數據(compositional data)，在開展多元統計前，將其采用對數比(log-ratio)的方法進行轉換[19]，方法為中心化對數比法(centered log-ratio，clr)，利用轉換數據再進行相關性分析和主成分分析(PCA)。在對粒度組成數據開展空間插值分析時，為分析海洋地形對沉積物分布的影響，采用了協同克里格差值方法(Co-Kriging)，即將粒度組成和水深數據作為變量，同時參與插值運算，以獲得更為符合實際的分布圖像[20—21]。

4 結果

4.1 黏土、粉砂和砂粒級含量的空間分布

黏土組分含量變化于6.9%～35.2%之間(圖2a)，總體具有隨水深增加而減小的趨勢，研究區南部近海黏土組分含量明顯大于北部。半島北部的套子灣—芝罘灣和威海東部近海黏土組分含量明顯較高；在山東半島南部的乳山灣海域黏土組分較高，分布面積也較大，與南黃海中部泥質區連接。山東半島東部近海50 m以淺區域黏土組分含量較低，僅在近岸榮成灣、桑溝灣外的局部區域其含量在20%～25%間，多數區域的黏土組分含量不足20%；50 m以深海域的黏土組分含量多小于15%。

砂質組分含量總體較低(圖2b)，高值區主要發育于山東東部近海水深大于50 m的區域，也就是一般稱為”殘留砂“的區域[18]。在北部也有一個相對高值條帶(10%～20%)，以渤海海峽南部起，至煙臺北部，大致沿20 m等深線、呈北西方向展布；半島南部近?？傮w砂質組分含量較低(多低于3%)，在老母豬河口外、石島灣以南有一片相對高值區(6%～10%之間)，研究區最南部也發育有一片砂質組分較高的區域(10%～15%之間)。

粉砂組分是山東半島周邊海域表層沉積物最主要的粒度組分(最高可達80%)，其含量的分布比較復雜，總體上也表現出近岸高、遠岸低的特征(圖2c)。在渤海海峽南段至煙臺北部，發育近東西向的一個粉砂相對高值條帶；在成山頭以北海域，發育了近南北向的高值條帶；在山東半島東部水深20～50 m之間，發育了一個規模巨大的粉砂高值帶；在五壘島灣—老母豬河口外和丁字灣口，發育了規模較小的粉砂高值區。另外，在煙臺東部、威海東部近岸區均發育有粉砂含量相對低、近NNE向的小型“團塊”。

研究區內一個重要的現象是，粉砂/黏土含量比值以大于2∶1為特征(圖2d)，這與南黃?；疽恢?。我們認為這個現象是由物源控制所造成，粉砂/黏土含量比值大于2∶1可能代表了黃河來源沉積物的特征。

4.2 不同粉砂組分含量的空間分布

圖2c示出了粉砂組分總體含量的分布趨勢。但是，如果將粉砂組分進一步劃分，即極細粉砂、細粉砂、中粉砂和粗粉砂，則表現與粉砂總體的分布特征的顯著差異，如圖3a～d所示。

圖2 研究區表層沉積物中黏土(a)、砂(b)和粉砂(c)含量的空間分布和砂—粉砂—黏土三角圖解(d，Fork’s法)Fig.2 The distribution pattern of clay(a), sand(b), silt(c) contents and the Fork’s sand-silt-clay ternary diagram(d) in the surficial sediments of the study area

圖3 研究區表層沉積物中極細粉砂(a)、細粉砂(b)、中粉砂(c)和粗粉砂(d)含量的空間分布Fig.3 Spatial distribution of very fine silt (VFSt, a), fine silt (FSt, b), medium silt (MSt, c) and coarse silt (CSt, d) contents in the surficial sediments of the study area

極細粉砂組分在山東半島北部總體表現出低值(圖3a)，除在威海東部與成山頭之間表現出較高值，外多數區域的含量均低于10%；而在半島東部近海，在20 m水深以淺表現為低值(小于10%，在50 m以深，則表現為高值(大于15%)，在研究區的最東南端發育了最高值；在南部的丁字灣—乳山灣外海域，發育了極細粉砂的高值團塊，即所謂的山東半島南部泥質區[22]。細粉砂組分的含量分布與極細粉砂基本一致(圖3b)。

中粉砂含量的分布與極細粉砂、細粉砂有明顯的不一致性(圖3c)。在山東半島北部海域，煙臺以西表現為近岸的高值區，其高值位于20 m等深線以淺區域；在威海以東近岸，有一個范圍較小的低值區。在東部海域，高值均位于50 m水深以淺，向外海隨水深加大逐漸降低。在南部，從石島灣至靖海灣外，有一個高值條帶；乳山灣-丁字灣臨近海域，也相對較高，但分布范圍較窄。

粗粉砂含量的分布最為特殊，空間變化性最強(圖3d)。研究區北部的近岸區含量較低，如煙臺以北和威海以東；高值線大致沿20 m等深線分布。在東部，高值均位于50 m以淺區域，最高值發育于山東半島東部泥楔[22]頂部，其展布方向大致平行于陸地岸線。在南部，靖海灣、五壘島灣近海發育高值區；而丁字灣口外值相對較高。其他區域均較低(小于10%)。

因此，從4個不同粉砂組分含量的空間分布可以看出，表層沉積物中的粉砂顆粒的搬動與堆積行為具有明顯的差異，極細粉砂、細粉砂與黏土組分含量的分布近于一致，表現出相近的沉積動力學行為；而中粉砂和粗粉砂含量分布雖有一定的差異性，但總體表現相近，表明其沉積動力學行為比較接近。同時，在一些河口外海域，粗粉砂和中粉砂含量的明顯增高也預示著了這些河流提供部分沉積物來源的可能性。

4.3 主成分分析

為進一步研究不同粒級組分間的關系，采用主成分分析法，獲得兩個主要的主成分(圖4)，解釋了粒度數據97.7%的變量，其中PC1(72.4%)和PC2(25.3%)。PC1以砂質組分(sand) 的高負因子載荷為特點，PC2以粗粉砂(CSt)的高正因子載荷為特點。各樣品的PC1因子得分與粗粉砂含量具有一定的負相關性(R2=0.62)，與細粉砂、極細粉砂具有強的正相關性(R2值分別為0.80和0.78)。樣品PC2的因子得分與砂質組分含量具有強負相關(R2=0.87)，而與中粉砂等其他組分含量無顯著相關性。

圖4 轉換后粒度組分數據的主成分分析結果(PCA)Fig.4 Results of principal components analysis for the centered-log ratio data of the study 圖中clr代表中心化對數比法的數據；sand為砂，CSt為粗粉砂，MSt為中粉砂，FSt為細粉, VFSt為極細粉砂，clay為黏土clr indicates the centered-log ratio data, CSt. coarse silt, MSt. medium silt, FSt.fine silt, VFSt. very fine silt

因此，粗粉砂組分含量的空間變化是造成本區表層沉積物類型和粒度特征差異性的最主要因素。也可以說，粗粉砂是本區的沉積環境敏感粒度組分，在今后的古環境研究中可以加以應用。

5 討論

5.1 影響不同粉砂粒級含量差異性空間分布的可能因素

粒級組分是沉積物最基本的組成特征，主要受到物質來源、局部沉積動力條件和區域地理地貌或海底底形的制約。對于局部海域的表層沉積物而言，其可能還會受到人為活動的干擾(如疏浚、采砂等)。

根據粒度趨勢分析的認識，從粉砂組分含量的空間分布規律可以大致追溯其物質來源(圖5)。從山東半島周邊海域的表層沉積物粒度組成上看，粉砂組分是本區最主要的沉積物組分，且以粗粉砂和中粉砂為主。對不同季節黃河口懸浮體粒度特征的研究表明，粉砂是其主要組分，其中粗粉砂和中粉砂的含量相對較高[24—25]。黃河水下三角洲的表層沉積物也以中粉砂—粗粉砂組分為主[26]。來自黃河物質最主要來源——黃土高原的沉積物粒度組成研究表明，中粉砂—粗粉砂也是黃土的最主要粒度組分[27—28]。這些證據表明，研究區內細顆粒沉積物主要來源于黃河。

在幾條小型河流河口外，粗粉砂組分的含量明顯較高，表明其提供了一定量的粉砂組分物質入海，最為顯著的是母豬河、乳山河等。五龍河則提供的粗粉砂組分較少，以細粉砂為主。

因此從不同粉砂粒級含量的差異性空間分布，可以得出其物質來源以黃河來源沉積物為主，入海小型河流來源次之的認識(圖5)，間接證實了前人的判斷[23,29]和來自元素地球化學、礦物學等方面的物源認識[30—31]。這些入海物質在山東半島沿岸流的攜帶下，基本沿平行于岸線的方向進行搬運，由于局部海洋動力環境的改變，而發生沉降堆積。

局部海岸地形對沿岸細顆粒物質輸運和堆積也具有顯著的影響。在山東半島北部的煙臺東部、威海東部的海灣外海域，其中粉砂和粗粉砂組分的含量具有明顯的低值。這是因為煙臺、威海海域岬角的發育會使得其右側的局部海域(小型海灣)形成弱能環境，使得其更細顆粒物質易于沉積，而使得黏土、極細粉砂等組分含量相對較高，而粗粉砂、中粉砂組分含量相對較低。

5.2 不同粉砂組分含量差異性分布的沉積動力學意義探討

以前的研究中，較多地使用砂/泥、粉砂/黏土含量的比值作為衡量區域動力強度的指標之一[32]。事實上，這些比值的使用是基于來自同一物源的假設。但是，從本區看，由于砂質組分具有多種來源，且是不同時代的產物(如殘留砂[18])，因此砂/泥比值并不適用于本研究區。粉砂/黏土含量比值與平均粒徑間并沒有明顯的相關性(圖6)，沒有顯著的沉積學意義，表明粉砂/黏土含量比值并不適用于本區的沉積動力研究。

圖5 研究區表層沉積物細顆粒組分的可能來源和輸運方向Fig.5 The potential resources and sediment dispersal direction of the fine-grained components in the study area箭頭代表輸運方向，點和數字代表現代沉積速率的站位和數值，底圖為水深(圖例同圖1)，沉積速率的數值見文獻[33]The arrows indicate the dispersal direction,dot and numbers indicate the locations and values of the modern sedimentation rates[33]，and the basemap is the bathymetry of the study area

圖6 表層沉積物中粉砂/黏土比值與平均粒徑關系圖Fig.6 The relationship between the silt/clay ratio and mean grain size of the surficial sediments

事實上，在開放的海洋環境中，尤其是在河流控制明顯的內陸架環境，由于粉砂沉積動力行為的特殊性[5]，使得僅用粉砂/黏土比值來代表其動力強度，明顯不符合實際情況。在此，為進一步研究黏性顆粒(絮凝)與單顆粒沉降的空間差異性，我們引入

M=ln(mc/mf)，

(1)

式中，mf為易于發生絮凝作用而沉降的細顆粒粒級組分的含量；mc為以單顆粒形式沉降細顆粒粒級組分的含量。當M<0時，表明其主要以絮凝作用形成的顆粒形式沉降，動力條件較弱；而M>0時，表明其主要以單顆粒形式沉降，動力條件較強。在本文中，依據各粒度組分間的空間分布關系及其含量間的相關性，我們將mf定義為黏土+極細粉砂+細粉砂；mc定義為中粉砂+粗粉砂。

因此，M值的空間分布表現為近岸正值和外海負值的特征(圖7a)，表明山東半島多數近岸海域(40～50 m水深以淺)以單顆粒沉降為主，具有較強的水動力條件；而在外海(50 m以深)，多以絮凝作用沉降為主。特殊的是煙臺北和威海東部的近岸海域，也具有明顯的M<0特征，表明其沉積動力環境比較弱。另外，M值的空間分布特征與粗粉砂含量變化特征幾近一致(圖3d)，它們具有很強的正相關性(圖7b)，從而也再次證明了粗粉砂組分是研究區內最重要的粒級敏感組分的認識。

圖7 ln(mc/mf)的空間分布(a)和粗粉砂(CSt)組分含量與ln(mc/mf)間關系(b)Fig.7 Spatial distribution of ln(mc/mf) (a) and the relationship between the coarse silt content vs. ln(mc/mf) (b)

為進一步了解不同粉砂粒組含量空間變化的沉積動力學意義，我們收集了已經發表的本海域內的210Pb和137Cs測定的現代沉積速率的空間分布[33](圖5)。在山東半島北部，沉積速率表現出由近岸高、向外低的特征；在南部，沉積速率卻表現出相反的趨勢，即近岸低、向外高(圖5)，而在山東半島東部的泥楔上，沉積速率由近岸的0.16 cm/a，逐步增大到50 m水深的0.86 cm/a，而再向外則極低(近于零)。對比各粒級組分含量與現代沉積速率的空間分布，可以看出，在沉積速率高的區域都具有高的粉砂組分含量(尤其是粗粉砂)。

另外，在山東半島東部，“泥楔”主要以粗粉砂組分為主，大致以50 m等深線為界，其以深海域的粗粉砂組分含量明顯減少，因此，粗粉砂組分的沉降是非常迅速的，這也是造成此處現代沉積速率很高的原因。來自物理海洋學方面的證據表明，這個界面正是“海洋鋒面”發育的位置[15—17]。粗粉砂組分含量的差異性分布表明海洋鋒面可能對其沉降堆積有一定的控制作用[34—35]。當然，對于海洋鋒面的沉積動力意義還需要進一步的深入研究和探索。

6 結論

山東半島近海表層沉積物以粉砂組分為主，而極細粉砂、細粉砂、中粉砂和粗粉砂含量的空間分布具有顯著的“局地差異性”，造成這種差異的原因主要是局部沉積動力環境、小河流的輸入等因素。其中，粗粉砂組分含量的空間變化最為顯著，可以作為研究區泥質沉積的敏感粒級組分，在古環境研究中可以加以使用。相對于粉砂/黏土比值，本文提出使用粉砂分級的M值(即ln(mc/mf))較為理想地判定近海沉積環境的相對強弱和細顆粒組分的搬運堆積方式。同時，本文的研究還表明“海洋鋒面”可能是造成“泥楔”區粗粉砂組分急劇沉降、沉積速率明顯增高的主要因素，而對于海洋鋒面的沉積學意義研究是今后努力的方向。

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Spatial variability of different silt components and its sedimentary significance offshore Shandong Peninsula

Li Jun1,2, Hu Bangqi1,2, Li Guogang3, Wang Libo1, Bai Fenglong1, Zhao Jingtao1,2,Zou Liang1, Dou Yanguang1

(1.KeyLaboratoryofMarineHydrocarbonGeologyandEnvironmentalGeology,MinistryofLandandResources,QingdaoInstituteofMarineGeology,Qingdao266071,China;2.LaboratoryforMarineMineralResources,QingdaoNationalLaboratoryforMarineSciencesandTechnology,Qingdao266071,China;3.MarineEngineringandProspectingInstituteofNorthChinaSea,StateOceanicAdministration,Qingdao266033,China)

To achieve a more robust understanding of the transport pattern of silt components in offshore areas, the grain size characteristics of 783 surface samples of fine-grained sediments are used to interpret the sediment transport pathways and predominant sedimentological conditions offshore the Shandong Peninsula, Yellow Sea. Based on the variation in the grain size composition, a regional “silt fractionation” was observed, and the very fine silt (VFSt) and the fine silt (FSt) displayed similar dynamic behaviors to that of the clay fraction during transportation and deposition, and these silts all acted as flocs. By contrast, the coarse silt (CSt) was primarily transported and deposited as single grains, indicating that the CSt content was the environmentally sensitive component in the sediments in the study area. The sediments displayed complicated sources based on the grain size analysis. In the northern part of the study area, the fine-grained sediment primarily originated from the Huanghe River Estuary (suspended or reworked, whereas in the eastern Shandong Peninsula, the sediments of the mud wedge were primarily composed of Huanghe-derived sediments and characterized by CSt-enriched, and in the southern Shandong Peninsula, the sediments primarily originated from the small rivers nearby. The marine fronts in the study area were thought to be the major factor controlling the settling and deposition of coarse silt. Further study should be carried out on the mechanisms that the fronts control the deposition of silty fractions in shelf settings.

silt; spatial variability; grain size fractionation; oceanic fronts; offshore Shandong Peninsula

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.01.007

2016-04-10；

2016-07-25。

國家自然科學基金項目(41476052，41406074，41576058)。

李軍(1974—)，男，山東省騰州市人，研究員，從事海洋沉積方向研究。E-mail：junli741001@gmail.com

P736.21

A

0253-4193(2017)01-0064-12

李軍, 胡邦琦, 李國剛, 等. 山東半島近海不同粉砂粒級含量分布的空間差異性及其沉積學意義[J]. 海洋學報, 2017, 39(1): 64-75,

Li Jun, Hu Bangqi, Li Guogang, et al. Spatial variability of different silt components and its sedimentary significance offshore Shandong Peninsula[J]. Haiyang Xuebao, 2017, 39(1): 64-75, doi: 10.3969/j.issn.0253-4193.2017.01.007