中全新世以来东海内陆架泥质沉积物来源
2011-09-28徐方建李安春李铁刚陈世悦操应长董春梅邱隆伟
徐方建,李安春,李铁刚,陈世悦,操应长,董春梅,邱隆伟
(1.中国石油大学地球资源与信息学院,山东青岛266555;2.中国科学院海洋研究所海洋地质与环境重点实验室,山东青岛266071;3.中国石油大学山东省油藏地质重点实验室,山东东营257061)
中全新世以来东海内陆架泥质沉积物来源
徐方建1,2,3,李安春2,李铁刚2,陈世悦1,操应长1,董春梅1,邱隆伟1
(1.中国石油大学地球资源与信息学院,山东青岛266555;2.中国科学院海洋研究所海洋地质与环境重点实验室,山东青岛266071;3.中国石油大学山东省油藏地质重点实验室,山东东营257061)
利用判别函数、Eu异常与稀土元素总量关系(δEuN-ΣREEs)图解以及物源定量识别方法,对位于浙闽沿岸泥质带的EC2005孔常微量、稀土元素地球化学进行分析,利用14C测量加速器质谱仪(AMS14C)进行年龄测定,探讨东海内陆架EC2005孔泥质沉积物来源。结果表明:EC2005孔泥质沉积物主要来源于长江,其平均贡献量为93.7%,没有识别出黄河物质;历史时期黄河物质可以影响到29°N甚至于更为偏南的区域(南界为27°25'N),台湾海峡西北部则可以接受台湾物质的输入;浙闽沿岸泥质区物质来源具有一定的复杂性,值得进一步深入研究。
物质来源;泥质沉积物;东海;内陆架;长江;EC2005孔
近年来陆架沉积研究尤其是内陆架泥质沉积研究备受关注,并得到了较大发展[1-3]。东海陆架是最宽广、平坦的大陆架之一,在全球变化研究中占有重要的地位。对长江口和东海内陆架区域的研究表明,长江物质的相当部分沉积在东海内陆架[4-5],形成了浙闽沿岸泥质沉积带。最近,通过高分辨率的声学剖面和沉积物岩心研究了长江口泥质带和浙闽沿岸泥质带的范围和沉积历史[2]。全新世以来黄河曾在苏北北部进入黄海,黄河口与其南侧的长江口巨量入海泥砂形成了黄河-长江复合三角洲[6],由于废黄河三角洲的侵蚀,每年进入南黄海和东海沉积物近0.5×109t[7]。近期对位于浙闽沿岸中北部的DD2孔(122°37.92'E,29°34.92'N)[7]和PC6孔(122°34.02'E,28°58.06'N)[8]研究认为,该泥质沉积主要是来自长江的悬浮体以悬移方式输送沉积而成,黄河物质的输入较少。笔者以位于该泥质沉积中心的EC2005孔为研究对象,与DD2孔和PC6孔进行对比,以期对东海内陆架“源到汇”的过程获得进一步的认识。
1 中国东部海域流系
中国东部海域流系主要由黑潮、台湾暖流、黄海暖流、渤海沿岸流、黄海沿岸流和浙闽沿岸流组成(图1,修改自文献[2,9-10],KC为黑潮,TWC为台湾暖流,YSWC为黄海暖流,BCC为渤海沿岸流,YSCC为黄海沿岸流,ZFCC为浙闽沿岸流)。其中,渤海沿岸流是自黄河口经莱州湾向东流动的低盐水[11];黄海沿岸流起自渤海湾,沿着山东半岛北岸绕过成三角后向南黄海延伸,常年向南流动[4,11-12];浙闽沿岸流主要分布在长江口以南浙闽沿岸,其流动方向随季节而变,冬季沿岸南下,而夏季则沿岸北上[4,11]。
2 材料与方法
浅地层调查显示,东海内陆架在瓯江口外有一全新世泥质沉积中心[2],为了查明沉积中心成因、泥质沉积形成历史及其环境记录等,中国科学院海洋研究所委托上海海洋石油局第一海洋地质调查大队勘407轮于2005年11月在该沉积中心附近(121°20.0036'E,27°25.0036'N,水深36 m)进行了钻探取心。具体方法为抛双“八”字锚固定船位,采用双管钻进技术获取非扰动岩心。在钻进过程中连续测量水深的变化,逐回次计算孔深;用DGPS定位系统监视钻探船随风、浪、流的漂移,通过调节锚缆的拉力控制船在一定范围内移动。钻探深度为60.20 m,站号EC2005(图1)。岩心距顶部28.06 m为较均一的泥质沉积物,其中26.36~26.24 m和27.26~27.16 m两层为有孔虫砂层,含大量破碎贝壳,可能为风暴沉积(以下分析中,将这两个层位剔除),该段平均取心率为96%。前期研究表明,该岩心段为海侵结束后高海平面以来主要受沿岸流控制的浅海沉积,详细的沉积环境解释见文献[13]。
图1 中国东部海域流系和等深线图Fig.1 Bathymetry and regional ocean circulation pattern in Eastern China
沉积物常微量和稀土元素分析样品低温烘干后研磨至63 μm以下,在中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所完成测试。常微量地球化学分析采用全自动X射线荧光光谱仪压片法分析,仪器型号为PW2440,由荷兰菲利普公司生产。元素Ni、Rb和Zn检出限为2 μg/g,Cr和Ti检出限分别为5 μg/g和10 μg/g,Al2O3检出限为0.1%,本文中涉及的分析样品数量为96个。稀土元素分析取0.25 g样品,用HF+HNO3+H2SO4+王水分解样品,以总稀释倍数1 000用ICP-MS方法测定,其中La和Ce的检出限为1 μg/g。其他元素检出限为0.1 μg/g,所用仪器型号为POEMS 3,由美国热电公司生产,本文中涉及的分析样品数量为28个。为了监控测试精度和准确度,进行了若干样品的重复分析与标样分析,标样类型为国家一级标准物质GSD-9和GSD-10,重复样与一级标准物质合格率均达100%。
在完成沉积物粒度分析的基础上,在主要沉积界线的泥质沉积中选取底栖有孔虫混合种以及炭屑样品送美国Woods Hole海洋研究所14C测量加速器质谱仪(AMS14C)实验室完成年代测定,原始测年数据利用CALIB 5.0.1软件[14-15]进行日历年龄校正(本文中所指的年龄均为日历年龄),年代数据详见文献[16-17]。
3 物源分析
已有研究成果认为,东海悬浮体的主要来源有两个,一是长江及其他入海河流(钱塘江、瓯江、闽江等)携带入海的陆源物质[9],如表1所示,长江多年平均输沙量是钱塘江、瓯江和闽江总和的近30倍,从某种意义上讲,杭州湾海域现代沉积体也可以看成是长江现代水下三角洲的一部分,闽江沉积物也大多沉积在口门附近,向海扩散很少[9]。贺松林[18]指出,从长江口到温州湾,黏土矿物组分的相似系数均在0.99以上,而且钱塘江河口和温州湾均为泥沙亏缺系统,接纳长江入海悬沙补给,甚至于瓯江河口下游悬沙也主要是由海域补给[19],因此相对于长江来讲,钱塘江、瓯江和闽江对东海内陆架泥质区影响甚小。二是黄海沿岸流携带黄海悬浮和再悬浮物质输入东海,包括废黄河口被侵蚀物质,为东海北部的现代沉积作用提供了丰富的陆域物质[9]。来自台湾西部的河流物质也可能对泥质区有所贡献,近期研究认为,台湾西部河流物质主要沉积在台湾海峡,部分细粒物质向南进入南海或是向东北运移进入冲绳海槽[20],其影响的北部边界在26°N以南,对浙闽沿岸泥质区南部会形成影响,而对EC2005孔所在区域并无影响。因此,浙闽沿岸泥质区的物质来源主要应该考虑长江和黄河两条大河的影响。
表1 浙闽沿岸主要河流多年平均输沙量Table 1 Multi-year average sediment load of major rivers along Zhejiang-Fujian coast106t
3.1 判别函数
判别函数(FD)可以用来表示研究区沉积物与其可能来源沉积物(如黄河和长江)的接近程度。因为铝在沉积过程中相对稳定并且主要富集于黏土粒级中,而且大部分元素在沉积物的不同粒级中具有相近似的富集规律[4,21],所以沉积物中元素含量与铝含量的比值被广泛用于弥补沉积物粒度变化对元素含量的影响[22-23]。根据判别函数计算公式
(E代表分析的元素)对各分析层位计算其判别函数值,其值越小表明沉积物化学成分越接近该源区的沉积物组成。如图2所示,各元素的判别函数均表明EC2005孔沉积物来源明显趋向于长江而非黄河物质(图中圆点代表长江来源数据点,五角星代表黄河来源数据点)。
图2 EC2005孔沉积物物源判别函数分布Fig.2 Vertical distributions of provenance discriminant function FDin core EC2005
3.2 δEuN-ΣREEs图解
稀土元素在表生环境中非常稳定,其组成及分布模式受风化作用、搬运过程以及沉积和成岩作用的影响很小,因而常被用来进行物源示踪[24-26]。近期的研究[27]发现,在Eu异常(δEuN)与稀土元素总量(ΣREEs)关系图中长江和黄河沉积物之间有一条明显的分界线,在该界线的上方是长江沉积物,下方是黄河沉积物[27]。将EC2005孔沉积物和蒋富清等以及其所引用长江、黄河[24-25,28-29]沉积物在δEuNΣREEs图上进行投点,如图3所示。EC2005孔沉积物均位于该线的上方,即分布于长江沉积物区域。
图3 EC2005孔沉积物δEuN-ΣREEs图解Fig.3 δEuN-ΣREEs plots of sediments in core EC2005
蒋富清等[27]通过正交多项式回归分析,获得了长江、黄河δEuN-ΣREEs图解分界线的曲线方程为1.02),若ΔΣREEs=ΣREEs实测-ΣREEs拟合>0,则说明沉积物来源于长江,反之则来源于黄河。如表2所示,ΔΣREEs值均大于0,因此从定量分析来讲,EC2005孔沉积物来源于长江而非黄河。
表2 EC2005孔沉积物稀土元素含量及相关参数Table 2 REE concentrations and parameters in sediments of core EC2005
3.3 物源定量识别
针对沉积物物源组成可能存在不确定来源的特点,范德江等[31]提出了物源定量识别的非线性规划数学模型,并利用该模型进行了东海陆架北部表层沉积物物源的定量计算,认为现代长江沉积物主要分布于32°N以南、台湾暖流以西的海域,黄河沉积物主要分布于32°N以北、台湾暖流以东的海域。肖尚斌等[7]对浙闽沿岸DD2孔泥质沉积物的定量计算表明,近2 ka以来浙闽沿岸泥质沉积物中长江的贡献基本稳定在83%~85%,可以排除有黄河沉积物输入的可能,而且历史上黄河的改道与北徙并没有对本区的沉积环境和沉积物来源产生明显的影响。对浙闽沿岸PC6孔泥质沉积物物源定量计算表明[8],近7.7 ka以来长江沉积物平均贡献量约为87.5%(变化范围为68%~100%),少有黄河沉积物的输入(平均为3.2%,变化范围为0~22%),认为历史上黄河的改道与迁徙、黑潮的西移重回冲绳海槽和黄海暖流的北进等并没有对本区沉积环境和沉积物来源产生明显的影响。
为了便于对比,笔者同样利用该方法,选取Al、Cr、Ni、Ti、Rb和Zn元素对EC2005孔的物质来源进行计算,结果见图4。可以看出,本区沉积物中以长江物质为主,其平均贡献量为93.7%(变化范围为87%~99%),没有识别出黄河物质,这与前文利用判别函数以及δEuN-ΣREEs图解得到的结论一致,而且与先前DD2孔和PC6孔研究结果相近。
图4 东海内陆架3个岩心泥质沉积物长江、黄河贡献量Fig.4 Material contributions of Yangtze and Yellow rivers in mud sediments of three cores on the inner shelf of the East China Sea
以年代为标尺,对DD2孔、PC6孔和EC2005孔的长江、黄河物质贡献量进行对比(图4),可以发现三者在总体主要源于长江的背景下,还存在一些细微的差别:(1)以DD2孔底部年龄为限,近1.6 ka以来DD2孔长江物质贡献量约为84.2%,而PC6孔和EC2005孔则分别为93.4%和93.8%,相差近10%;(2)以PC6孔黄河物质影响增大的2.6 ka为界,近2.6 ka以来,仅在少量层位存在较弱的黄河物质影响,PC6孔和EC2005孔长江物质贡献量相近,分别为92.5%和93.4%,只是PC6孔长江物质贡献量波动稍大;(3)2.6 ka以前(PC6孔至7.7 ka,EC2005孔至7.3 ka),PC6孔长江物质贡献量总体偏低,平均为86.0%,而且表现为剧烈的波动,黄河物质贡献量略有增大,平均贡献量为4.0%,部分层位可达22.0%,而EC2005孔长江物质贡献量平均可达93.8%,而且十分稳定。因此可以认为,自浙闽沿岸泥质沉积形成以来(7.3~7.7 ka至今),南部的EC2005孔长江物质贡献量始终稳定而且较高,始终未能识别出黄河物质的贡献;7.6~2.6 ka期间,中部的PC6孔长江物质贡献量波动剧烈而且总体偏低,识别出一定量的黄河物质;2.6 ka以来,泥质区中南部站位长江物质贡献量较高而且基本相同,未能识别出黄河物质的影响,北部DD2孔也未能识别出黄河物质的影响,尽管长江贡献量偏弱。
由于近7 ka以来海平面变化不大[32],由海平面升降引起的物源变化可以忽略。由于长江巨量物质的输入,先前的研究认为浙闽沿岸泥质沉积主要是来自长江的悬浮体由冬季沿岸流以悬移方式输送沉积而成[33],黄河物质基本没有影响[7-8]。关于黄河物质的入海,近8.5 ka以来黄河发生多次改道,多数入海口位置均在渤海西岸或是渤海海峡[6],而近7 ka以来,大约有30%的黄河物质可以被搬运700 km进入黄海,形成了山东半岛泥质沉积,其南部边界大概为34°30'N[34]。该边界距离东海内陆架泥质区还有相当远的距离,因此可以认为黄河在渤海的入海物质对后者的影响可以忽略。
公元1 128~1 855 a黄河改道由苏北北部入海[6],如此重大的黄河河口南徙事件对位于东海内陆架泥质区的DD2孔、PC6孔和EC2005孔沉积物未形成明显影响,而7.6~2.6 ka期间却在PC6孔识别出黄河物质的影响,而且黄河物质的贡献量有逐渐减小的趋势,这可能是由于期间黄海沿岸流较强(可能逐渐减弱),更多沉积物被搬运至PC6区沉积所致,这需要得到黄海沿岸流系强度变化等方面的证据,然而该方面相关研究却较少,需要得到一定的重视。
4 结论
(1)EC2005孔泥质沉积物主要来源于长江,长江物质平均贡献量为93.7%,变化范围为87%~99%,没有识别出黄河物质。
(2)7.6~2.6 ka期间黄河物质对PC6孔形成了一定影响,部分层位贡献量约为20%,这可能是由于老黄河口物质在黄海沿岸流作用下更多沉积物被搬运至PC6区沉积所致,这需要得到黄海沿岸流系强度变化等方面的证据。历史时期黄河物质可以影响到29°N(PC6孔附近)甚至于更为偏南的区域(南界为27°25'N,EC2005孔)。
(3)浙闽沿岸泥质沉积物主要来源于长江,中北部(如PC6孔)在历史时期曾经受到黄河物质的影响,南部沉积中心(如EC2005孔)未受到黄河物质的影响,而在台湾海峡西北部则接受台湾物质的输入[20],显示出该泥质区物质来源方面的复杂性,这为沉积物“源到汇”过程研究提供了一个绝佳场所。
致谢感谢上海海洋石油局第一海洋地质调查大队勘407轮全体船员、中国科学院海洋研究所黄朋、李传顺博士在EC2005孔钻探取心中的大力支持;感谢中国科学院海洋研究所董太禄研究员、李静女士等参与EC2005孔分样的全体人员。中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所帮助进行了沉积物地球化学成分分析,年代测试由美国Woods Hole海洋研究所AMS14C实验室完成,对所有对本文有所帮助的人员表示衷心感谢。
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(编辑 徐会永)
Provenance of mud sediments in the inner shelf of East China Sea since mid-Holocene
XU Fang-jian1,2,3,LI An-chun2,LI Tie-gang2,CHEN Shi-yue1,CAO Ying-chang1,DONG Chun-mei1,QIU Long-wei1
(1.College of Geo-Resources and Information in China University of Petroleum,Qingdao 266555,China;2.Key Laboratory of Marine Geology and Environment,Institute of Oceanology,CAS,Qingdao 266071,China;3.Shandong Key Laboratory of Reservoir Geology in China University of Petroleum,Dongying 257061,China)
Core EC2005,located in the mud area off Zhejiang-Fujian coast in the inner shelf of East China Sea,was analyzed for its major and trace elements,rare earth elements(REE)and dating by14C accelerator mass spectrometry(AMS14C).U-sing discriminant function,the relationship between Eu anomalies and the total REE amount,namely the δEuN-ΣREEs plot and a mathematical model on the quantitative provenance identification,the provenance of mud sediments in core EC2005 was discussed.The results show that the mud sediment of core EC2005 mainly derived from Yangtze River.The average contribution of Yangtze-derived sediments occupied about 93.7%.No substances of Yellow River were identified in the study area.However,Yellow River materials could achieve the area near 29°N,even the more southern regions(to 27°25'N)in historical period.The northwest of the Taiwan Strait accepted the input of Taiwan materials.Therefore,the sediment provenance of the mud area off Zhejiang-Fujian coast is complicated,and it is worth to further study.
provenance;mud sediment;East China Sea;inner shelf;Yangtze River;core EC2005
P 736.21;P 534.63
A
10.3969/j.issn.1673-5005.2011.01.001
2010-06-18
山东省自然科学基金项目(ZR2010DL009);中央高校基本科研业务费专项资金项目(10CX04004A);中国科学院海洋地质与环境重点实验室开放基金项目(MGE2010KG02);国家自然科学基金项目(40776030);中国石油大学博士基金项目(Y0901036)
徐方建(1982-),男(汉族),山东济南人,讲师,博士,现从事海洋沉积与矿物学研究。
1673-5005(2011)01-0001-06