九龍江口潮灘表層沉積物礦物磁性分異特征及其沉積環境意義

潘大東, 廖紫慧, 梁文清, 劉亞飛, 肖翊琦, 朱春津

九龍江口潮灘表層沉積物礦物磁性分異特征及其沉積環境意義

潘大東, 廖紫慧, 梁文清, 劉亞飛, 肖翊琦, 朱春津

(閩南師范大學 歷史地理學院, 福建 漳州 363000)

為尋找有效判別潮灘沉積微相的磁學指標, 以便將環境磁學更好地應用于河口古環境演變及海平面重建, 本研究在九龍江口滸茂洲東部潮灘4個亞帶: 高潮灘、中潮灘、低潮灘和潮下帶, 采集23個次表層沉積物樣品, 進行粒度和磁性測量。結果顯示, 磁性參數、SIRM由陸向海增大且在低潮灘和潮下帶呈現顯著高值, 反映潮灘亞鐵磁性礦物的絕對含量由陸向海增加; 參數組合ARM、ARM/、ARM/SIRM在高、中潮灘呈現高值, 低潮灘和潮下帶呈現低值, 反映細顆粒SP/SD亞鐵磁性礦物富集于高、中潮灘, 而粗顆粒PSD/MD鐵磁性礦物富集于低潮灘和潮下帶, 揭示九龍江河口潮灘沉積動力對磁性礦物的分選作用。磁性參數組合ARM/、ARM/SIRM可作為九龍江口高潮灘和中潮灘的有效識別指標。

沉積動力; 磁性礦物; 沉積微相識別; 九龍江河口潮灘

河口海岸是海陸相互作用的關鍵地帶, 晚第四紀以來全球多數河口沉積了巨厚的沉積物[1], 這些沉積物記錄了重要的古環境信息, 因此河口是研究古環境演變、海平面變化、流域氣候變遷、古人類活動等的重要區域[2-5]。潮灘是河口的重要地貌部位, 因其受沉積動力、海水淹沒的強度及時間差異的影響, 形成不同的微地貌[6]。全新世基底的鹽沼-潮灘沉積微相及地層方法是重建全新世高精度海平面曲線的重要手段[7-8]。然而, 地層中的潮灘微相因具有相似的沉積構造和巖性而難以識別[9]。因此, 潮灘微相識別的沉積學研究具有重要意義。要識別地層中的潮灘微相, 首先應該尋找現代潮灘微相的代用指標。

環境磁學是地學、磁學和環境科學之間的交叉學科, 已有50余年的發展歷史[10]。沉積物的磁性可以反映磁性礦物的含量、類型和晶粒, 記錄了大量的環境信息, 可用來研究環境變化和環境問題[10], 目前, 環境磁學已成為古環境演變和物源研究的重要指標被廣泛應用[2-4, 11-12]。在河口三角洲地區, 前人將環境磁學方法應用于古氣候變化[13]、海侵事件[14]、沉積環境演變[15]、流域人類活動[5, 16]等領域。然而, 磁性礦物在氧化-還原條件下易發生溶解和生成次生礦物[17], 因此在解釋磁性參數時應注意早期成巖作用的影響[18-19]。我們的前期工作考察了長江口不同沉積環境的磁性礦物分異特征, 建立了識別長江河口-陸架沉積環境的磁學指標[20]。為進一步將環境磁學手段應用于河口沉積環境的微相識別, 本研究通過測量和分析九龍江河口潮灘次表層沉積物的粒度和磁性, 嘗試揭示該區磁性礦物的沉積微相分異規律, 尋找有效識別潮灘沉積微相的磁學指標。

1 研究區概況

九龍江是南亞熱帶山溪性中小河流, 流域面積1.47×104km2[21], 為福建省第二大河。九龍江流域為南亞熱帶海洋性濕潤季風氣候, 年均降水量1 400～ 1 800 mm, 夏秋季多臺風[22], 降水集中在4～9月。北溪和西溪年均徑流量分別為8.27×109m3和3.70×109m3, 年均含沙量分別為0.206 kg/m3和0.210 kg/m3[23]。九龍江河口受徑流、潮流影響, 漲潮流偏北岸, 落潮流和徑流偏南岸入海, 此外, 以雞嶼為中心形成逆時針河口余流[24]。九龍江河口為非正規半日淺海潮, 潮流特征為往復流, 平均潮差3.99 m, 最大潮差6.42 m[25]。南港為徑流入海的主要通道(圖1a), 北港逐漸淤淺, 河口灣水下地形向海傾斜, 坡度約為2‰。在三角洲平原與河口灣的交匯地帶發育淤泥質潮灘, 其中以滸茂洲東部潮灘面積最大, 經測量約為5.1 km2(圖1b)。

圖1 研究區域(a)及采樣站位分布(b)

2 樣品與方法

2.1 樣品來源和分區

本研究于2020年1月在九龍江口滸茂洲東部潮灘采集23個沉積物樣品(圖1, 表1), 采集表層1 cm以下, 長、寬各10 cm方格內的次表層沉積物, 采樣厚度約1 cm。潮灘的地勢由陸向海傾斜, 各地貌部位受潮流作用的強度和時間存在差異, 因此形成地貌分異[6]。平均大潮高潮線與最高高潮線間為潮上帶[6],在研究區已人為圍墾。平均大潮低潮線與平均大潮高潮線間為潮間帶, 其又分為高、中、低潮灘。高潮灘位于平均小潮高潮線與平均大潮高潮線間, 海水淹沒時間最短, 在九龍江口主要生長紅樹林; 平均小潮低潮線和平均小潮高潮線之間為中潮灘, 主要植被是互花米草; 平均大潮低潮線和平均小潮低潮線之間的部位為低潮灘[6], 無植被生長。潮下帶位于最低低潮線與平均大潮低潮線之間, 海水淹沒時間最長。因此, 本研究根據九龍江河口潮灘微地貌特征, 將采樣站位劃分為四個地貌單元: 高潮灘、中潮灘、低潮灘和潮下帶。

表1 九龍江河口潮灘次表層沉積物站位信息

2.2 研究方法

次表層沉積物40 ℃烘干, 取約0.2 g置入燒杯, 先后加入10 mL濃度10%的H2O2和濃度10%的HCl, 分別去除有機質和碳酸鈣。反應4 h后加滿去離子水, 靜置約12 h, 之后去除上清液, 加入約5 mL濃度5%的六偏磷酸鈉, 將燒杯置入超聲波儀分散, 時間15 min,之后上機測試, 使用美國Beckman Coulter公司生產的激光粒度儀(LS13320)測量。將粒度原始數據導入插件LS13320, 繪制粒度曲線, 得出平均粒徑及各組分百分比, 并據各組分百分比判別沉積物巖性。

室溫磁性樣品使用冷凍干燥機凍干, 用瑪瑙研缽輕壓磨碎, 稱取5～6 g包在保鮮膜內, 裝入聚乙烯圓柱形盒并壓實固定。磁性參數通過測量或計算得出, 首先, 測量的參數包括磁化率、非磁滯剩磁和等溫剩磁。①低頻磁化率(lf)和高頻磁化率(hf)使用英國Bartington公司生產的MS2-B型磁化率儀測量, 頻率分別為0.47 kHz和頻率4.7 kHz。②非磁滯剩磁(ARM)先用交變退磁儀(型號D－Tech2000, 交變磁場峰值100 mT, 直流磁場0.04 mT)退磁, 后用JR6雙向旋轉磁力儀測量。③等溫剩磁(IRMxmT)先用MMPM10脈沖磁化儀將磁場從0 mT依次加到1 000 mT,再用JR6雙向旋轉磁力儀測量IRM20mT、IRM40mT、IRM100mT、IRM300mT、IRM1000mT, 到達飽和磁場(IRM1000mT)后反向加磁, 測量IRM–20mT、IRM–40mT、IRM–100mT、IRM–300mT。以下參數通過計算得出: ①頻率磁化率百分數fd%=[(lf－hf)/lf]×100; ②ARM非磁滯剩磁磁化率ARM=ARM/0.3184; ③硬剩磁HIRM=(SIRM+IRM–300mT)/2; ④軟剩磁SOFT=IRM20mT; ⑤飽和等溫剩磁SIRM=IRM1000mT; ⑥退磁參數–K%= [(SIRM-IRM–KmT)/(2×SIRM)]×100,=20, 40, 100, 300; ⑦比值參數ARM/、ARM/SIRM和SIRM/。粒度和室溫磁性測量在華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室完成。

磁性參數的指示意義主要參照潘大東等[20]:主要反映亞鐵磁性礦物含量[10], SIRM反映亞鐵磁性(如磁鐵礦)和不完整反鐵磁性礦物(如赤鐵礦、針鐵礦)的含量[11]。SOFT用來指示鐵磁物質, 尤其是多疇(MD-multi domain)和單疇(PSD-pseudo single-domain)鐵磁晶粒的含量[10]。HIRM反映樣品中不完整反鐵磁性礦物的絕對含量。fd%, 反映超順磁性晶粒(SP-super paramagetic)對磁化率的貢獻, 主要用來鑒定沉積物中細的鐵磁晶粒(SP－FV), 沉積物fd含量為3.2%～5.2%, 反映較多的超順磁晶粒[10]。ARM能敏感反映穩定單疇亞鐵磁性礦物顆粒,ARM和ARM/極易受亞鐵磁性礦物晶粒大小的影響, 它們的高值反映較細的單疇(SD-single domain)晶粒, 低值指示較粗的多疇(MD)或假單疇(PSD)晶粒[26]。ARM/SIRM的高值一般指示較細的穩定單疇(SSD)鐵磁晶粒[10, 26-27]。–K%用來定性區分鐵磁性礦物、反映亞鐵磁性礦物和不完整反鐵磁性礦物的相對重要性, 值越小, 表明不完整反鐵磁性礦物相對含量越高[28]。SIRM/可以用于識別礦物類型, 也有助于分辨鐵磁晶粒特征[11, 29]。

3 結果

3.1 粒度特征

粒度分析結果顯示, 九龍江口潮灘4個地貌單元的沉積物粒度自陸向海逐漸變粗, 顆粒組成差異較為顯著(圖2, 表2)。高潮灘沉積物為粉砂質黏土和黏土質粉砂(表1), 粒度曲線呈多峰型(圖2a), 主峰8.94～10.78 μm, 其余峰值分別在0.34～0.41 μm、24.95～27.39 μm和146.80～213.20 μm, 平均粒徑7.98～ 12.53 μm。中潮灘沉積物均為黏土質粉砂, 粒度曲線也呈多峰型(圖2b), 主峰位置大致與高潮灘相當, 平均粒徑9.91～47.89 μm, 除T11站位外, 其余均有次峰, 峰值位于153.80～245.20 μm。低潮灘沉積物均為黏土質粉砂, 粒度曲線呈多峰型(圖2c), 主峰9.37～ 10.29 μm, 其余峰值分別為0.33～0.36 μm、26.14～ 28.70 μm和140.10～168.90 μm, 平均粒徑13.17～ 40.08 μm。潮下帶沉積物粒度曲線呈單峰型(圖2d), 峰值245.20～324.40 μm, 平均粒徑192.20～381.60 μm, 以中砂、細砂為主, 顆粒較粗。

圖2 九龍江口潮灘各沉積微相沉積物粒度曲線

a. 高潮灘; b. 中潮灘; c. 低潮灘; d. 潮下帶

3.2 磁性特征

將磁性參數分組, 圖3～圖5分別反映鐵磁性礦物的含量、類型和晶粒。與SIRM在高潮灘呈現最小值, 潮下帶最大值, 這與沉積物的平均粒徑變化同步, 即從高潮灘至潮下帶逐漸增大(表2, 圖3), 反映亞鐵磁性礦物含量自陸向海逐漸增加。

圖3 沉積物平均粒徑和反映磁性礦物含量的參數分布

Ⅰ. 高潮灘; Ⅱ. 中潮灘; Ⅲ. 低潮灘; Ⅳ. 潮下帶

參數SOFT在高潮灘最低, 向海逐漸增大, 潮下帶最高(圖4a)。參數HIRM在中、低潮灘較高, 低值出現在高潮灘, 潮下帶ST2、ST3站位較低但均值最高(圖4b)。退磁參數–20mT自高潮灘至潮下帶逐漸降低, 最高值出現在高潮灘, 中低潮灘相當, 潮下帶最低(圖4c)。–300mT在各地貌部位間變化很小, 均值超過94.5%(圖4d), 反映各地貌部位都以亞鐵磁性礦物為主, 最高值出現在潮下帶。

指示超順磁晶粒的參數fd%在高、中潮灘均值超過3%, 表明這兩個區域超順磁晶粒(SP)含量較多, 低潮灘均值2.5%, 反映也存在一定的超順磁晶粒, 潮下帶均值1%, 不含超順磁晶粒, 這也說明潮下帶沉積物中磁性顆粒較粗。磁性參數ARM、ARM/和ARM/SIRM也在高潮灘呈現高值, 說明高潮灘磁性礦物晶粒以單疇(SD)為主, 中、低潮灘較高潮灘逐漸降低, 但仍以單疇(SD)為主, 同時伴有一定的假單疇/多疇(PSD/MD)晶粒, 潮下帶最低, 指示亞鐵磁性礦物以較粗的假單疇/多疇(PSD/MD)晶粒為主。ARM/和ARM/SIRM在低潮灘波動范圍大(圖5d, e), T15、T19、T20出現高值, T16～T18低值, 反映低潮灘亞鐵磁性礦物粗細混合。上述磁性礦物晶粒大小的分布與沉積物粒度粗細分布一致(圖5)。

4 討論

和SIRM自高潮灘至潮下帶逐漸增大, 反映磁性礦物的絕對含量自陸向海逐漸增加, 潮下帶的顯著高值指示該區域具有九龍江口潮灘最高的磁性礦物含量。–20mT在高、中、低潮灘達60%左右, 潮下帶最低52.9%, 反映不完整反鐵磁性礦物含量在潮間帶較低而在潮下帶較高。HIRM在潮下帶也呈現低值, 驗證了不完整反鐵磁性礦物在潮下帶富集。–20mT高于長江口表層沉積物–20mT的平均值40%[20], 反映九龍江口磁性礦物以亞鐵磁性礦物為主, 且較長江口富含更豐富的亞鐵磁性礦物。

圖4 反映磁性礦物類型的參數分布

Ⅰ. 高潮灘; Ⅱ. 中潮灘; Ⅲ. 低潮灘; Ⅳ. 潮下帶

磁性礦物的晶粒大小在九龍江口潮灘存在顯著分異規律, 粗顆粒的MD和PSD亞鐵磁性礦物富集在潮下帶和低潮灘, 細顆粒的SP和SD亞鐵磁性礦物富集于高、中潮灘, 這與沉積物粒度分布規律一致, 揭示九龍江口潮灘磁性礦物受河口水動力控制[30], 即潮下帶和低潮灘受潮汐、波浪影響強烈, 水動力較強, 主要沉積粗顆粒磁性礦物, 高潮灘和中潮灘水流速減小[30], 水動力變弱, 以懸浮沉積為主, 沉積細顆粒磁性礦物。

磁性參數ARM、ARM/、ARM/SIRM和fd%在高、中潮灘的高值, 反映SD和SP豐富, 揭示細顆粒的亞鐵磁性礦物保存較好, 磁性礦物溶解作用不顯著; 同時, SIRM/的高值、–20mT低值和–300mT高值指示沉積物中存在自生鐵硫化物如膠黃鐵礦[29, 32], 上述參數顯示潮灘無自生鐵硫化物(表2)。因此, 九龍江河口高、中潮灘表層沉積物的早期成巖作用較弱。這可能與九龍江豐富的陸源物質供應及河口潮灘較高的沉積速率有關[31], 揭示了九龍江口潮灘表層沉積物的磁性特征基本反映其陸源輸入的特征。

在九龍江河口潮灘沉積微相中, 高、中潮灘沉積物礦物磁性參數ARM、ARM/、ARM/SIRM和fd%呈現高值, 其中fd%反映高、中潮灘富集較細的SP顆粒, SP顆粒在地層中極易受到早期成巖作用的影響而溶解, 不適合作為潮灘微相識別的有效指標。低潮灘和潮下帶磁性參數、SIRM和SOFT呈現高值。將站位分為兩組: 高潮灘、中潮灘和低潮灘、潮下帶, 做箱形圖檢查差異性, 發現ARM、ARM/和ARM/SIRM差異較顯著。進一步做檢驗, 檢查兩組數據之間差異的顯著性, 結果顯示參數ARM/和ARM/SIRM的值小于0.01, 為極顯著性差異(圖6b, c), 參數ARM、、SIRM和SOFT的值大于0.05, 差異不顯著(圖6a, d-f)。因此, 磁性參數組合ARM/和ARM/SIRM可作為九龍江河口潮灘古環境高、中潮灘判別指標。這兩個磁性參數的均值在高、中、低潮灘均高于長江口潮灘(表3), 可能與流域源巖有關, 而在潮下帶低于長江口, 推測受粒度影響。

圖5 沉積物平均粒徑和反映磁性礦物晶粒參數分布

Ⅰ. 高潮灘; Ⅱ. 中潮灘; Ⅲ. 低潮灘; Ⅳ. 潮下帶

5 結論

1) 九龍江河口潮灘次表層沉積物以亞鐵磁性礦物為主, 亞鐵磁性礦物的絕對含量由陸向海增加。

2) 磁性礦物在河口潮灘的分布受潮灘沉積動力控制, 粗顆粒的PSD/MD鐵磁性礦物富集于潮下帶和低潮灘, 細顆粒的SP/SD亞鐵磁性礦物富集于高、中潮灘。

3) 九龍江口潮灘磁性礦物的早期成巖作用弱, 磁性特征基本反映潮灘表層沉積物陸源輸入的特征。

4) 磁性參數ARM/、ARM/SIRM可作為九龍江口地層潮灘沉積微相高、中潮灘的有效識別指標。

圖6 磁性參數差異性箱形圖

表3 長江口和九龍江口潮灘沉積物平均粒徑和磁性參數平均值[9]

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Mineral magnetic characteristics of tidal flat surficial sediments and their implications for sedimentary environment identification in the Jiulong Estuary

PAN Da-dong, LIAO Zi-hui, LIANG Wen-qing, LIU Ya-fei, XIAO Yi-qi, ZHU Chun-jin

(School of History and Geography, Minnan Normal University, Zhangzhou 363000, China)

This study seeks effective magnetic proxies to recognize sedimentary microfacies in the tidal flat in the Jiulong Estuary to confirm if environmental magnetism is better applied to paleo-environmental and sea-level reconstruction. In this study, 23 subsurficial sediment samples were obtained from the tidal flat in the Jiulong Estuary in four sedimentary environments: upper tidal flat, middle tidal flat, lower tidal flat, and subtidal zone, and their grain size and magnetic properties were measured. Results showed thatand SIRM increase from the upper tidal flat to the subtidal zone and present considerably high values in the lower tidal flat and subtidal zone, indicating the increase of the absolute content of the magnetic mineral from land to sea. The magnetic parameter assemblage ofARM,ARM/, andARM/SIRM exhibit high values in the upper to middle tidal flat, whereas low values are obtained in the lower tidal flat and subtidal zone, reflecting that the SP/SD of fine ferromagnetic minerals are enriched in the upper to middle tidal flat, while the PSD/MD of coarse-grained ferromagnetic minerals are enriched in the lower tidal flat and subtidal zone. This reveals that at the Jiulongjiang river mouth, the distribution of magnetic minerals was controlled by the hydrodynamic sorting in the tidal flat. This work proposed that magnetic propertiesARM/andARM/SIRM are effective indicators to identify the upper tidal flat and middle tidal flat in the late quaternary stratigraphy in the Jiulong mouth.

sedimentary dynamics; magnetic mineral; identification of sedimentary microfacies; tidal flat, Jiulong Estuary

Mar. 19, 2021

P512.2

A

1000-3096(2021)11-0030-12

10.11759/hykx20210319004

2021-03-19;

2021-07-02

福建省中青年教師教育項目(JAT190366); 閩南師范大學博士啟動項目(L21710); 福建省大學生創新創業訓練計劃項目(202010402050)

[Young and middle-aged teacher education project of Fujian Province, No. B11940; Doctoral research fund of Minnan normal university, No. L21710; Innovation and entrepreneurship project of college students of Fujian Province, No. 202010402050]

潘大東(1983—), 男, 重慶巫溪人, 講師, 博士, 主要從事河口三角洲沉積地貌與第四紀環境演變研究, 電話: 18859663719, E-mail: dadongdedou@163.com

(本文編輯: 康亦兼)