黄河三角洲YDZ1孔沉积环境分析

李谷祺，陈沈良*，彭 俊，陈小英，刘 锋，陈广泉

(1. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062；2. 东华理工大学 核工程技术学院，江西 南昌 330013；3. 青岛海洋地质研究所，山东 青岛 266071)

黄河是中国的第二大河，长5 465 km，流域面积为7.52×105km2，以多泥沙，河道善淤、善决、善徙著称于世[1-3]。晚更新世以来，黄河三角洲地区经历了3次海侵过程， 公元前6000年左右前海平面达到最高峰，海侵达到最大边界，公元前6000年左右以后基本保持稳定状态[4-7]。公元前6000年左右至公元1855年之间，黄河河道频繁摆动，分别在黄骅、苏北、利津和无棣四个区域入海。1855年以后，黄河在铜瓦厢决口，夺大清河由东营入渤海，带来巨量泥沙[1]。不同时期形成的三角洲叶瓣叠覆起来，形成了复杂的黄河三角洲沉积体系。因此，对黄河三角洲垂向沉积层序的研究要比其他大型河口三角洲困难很多。

粒度是沉积物的基本性质之一，沉积物粒度特征是反映沉积环境，特别是沉积动力条件明显的标志之一。粒度分析是经典的沉积学研究方法，可以通过平均粒径、分选系数、偏态和峰态等粒度参数来识别沉积环境类型，推断沉积物扩散搬运过程，解释沉积动力作用[8]。粒度分析在河口海岸、浅海陆架、潮汐汊道和潮流沙脊等多种海洋环境中得到广泛应用，所得结果令人满意[9-12]。地质历史时期中，沉积物往往都是多种物源或者沉积动力过程的混合体，环境敏感粒度组分的意义在于能够从多峰态频率曲线中分离出那些对沉积环境中水体能量变化敏感，能够指示沉积环境中不同能量水动力的粒度组分[8]。通过环境敏感粒度组分对沉积环境进行解释的研究在陆架边缘海地区应用较多[13-14]，但在黄河三角洲地区应用较少[15]。因此，通过对黄河三角洲五号桩附近YDZ1孔沉积物进行粒度分析，提取环境敏感粒度组分，并结合其平均粒径在垂向上的变化特征和ASM14C测年数据，探讨黄河三角洲的沉积特征和沉积环境变化过程，为三角洲地区的资源合理利用和可持续发展提供科学依据。

1 研究区域概况

黄河三角洲五号桩地区位于东营市河口区仙河镇东北部，为1953-1976年黄河自神仙沟和钓口河流路行水入海而形成的区段(图1)。该地区岸线向东北方向突出，潮汐类型主要为半日潮，以旋转潮波为主，大陆气候影响强烈，风暴潮频发，是黄河三角洲遭受强烈冲刷的区段。

图1 YDZ1孔位置图Fig.1Location of drilling core YDZ1

2 材料与方法

YDZ1孔位于黄河三角洲五号桩附近(图1)，坐标为118°54′27′′E,38°01′05′′N。2009-04进行钻孔岩芯取样，钻孔进尺31.66 m，获取岩样28.68 m，取芯率为90.6%。在实验室将岩芯剖开后进行样品沉积特征描述，并在有泥碳或贝壳处采集样品用于AMS14C测年，样品描述完成后以5 cm为间隔进行分样，共获取沉积物样品610个。

将样品充分混合均匀后，取适量放入烧杯，注入10 mL蒸馏水，加入1～2滴质量浓度为1.11 g·L-1的H2O2去除有机质。用超声波清洗机振荡后，加入1～2滴质量浓度为104.7 g·L-1的HCl，使其充分反应，然后将烧杯注满蒸馏水静置24 h后抽去上层蒸馏水，加入1～2滴分散剂用超声波清洗机振荡，使沉积物样品充分分散后进行粒度测试。测试在华东师范大学河口海岸学国家重点实验室完成，测量仪器为Mastersizer 2000型激光型粒度仪。粒级标准采用尤登-温德华氏等比制φ值粒级标准。

14C原始样品送到北京大学考古文博学院14C样品制备实验室进行样品制备，然后将样品送到北京大学加速质谱实验室完成测年。该14C测量专用AMS系统为美国NEC公司进口设备。

3 分析结果

3.1 沉积物类型及其粒度组成

根据Shepard沉积物分类方法，YDZ1孔沉积物样品的组成类型主要有5种：砂、粉砂质砂、砂质粉砂、粉砂和粘土质粉砂(图2)。沉积物以粉砂占优势，体积分数超过50%，砂体积分数次之，粘土体积分数最小(表1)。由图2知，在13.50～24.10 m粘土体积分数高，平均值为22%，明显高于全孔沉积物粘土体积分数的平均值。在1.80～3.60 m和24.10～31.66 m处粉砂体积分数低，其中1.80～3.60 m平均值为41.17%，24.10～31.66 m平均值为31.77%，远低于全孔沉积物粉砂体积分数的平均值。砂体积分数变化与粉砂相反，在1.80～3.60 m和24.10～31.66 m处砂体积分数高，其中1.80～3.60 m平均值为51.72%，24.10～31.66 m平均值为61.15%，远高于全孔沉积物砂体积分数的平均值。

表1 YDZ1孔沉积物粒度组成组分统计Table 1 Particle compositions in the sediments of core YDZ1

3.2 沉积物粒度参数的垂向特征

粒度参数的计算方法有图解法和矩值法，其中图解法计算易行，结果稳健[10]。对YDZ1孔样品采用Folk-Ward图解法计算粒度参数，YDZ1孔沉积物粒度的参数垂向序列变化如图2所示，图中虚线为各参数均值线。

1)平均粒径(Mz)：反映沉积物粒度组成的总体粗细状况，代表粒度分布的集中趋势，可以解释沉积物物质来源与沉积动力环境。YDZ1孔沉积物平均粒径的粒级范围为2.80～7.93 φ，平均值为5.32 φ。1.80～3.60 m和24.10～31.66 m处平均粒径大，表明沉积动力强。在24.10～29.00 m处平均粒径变化幅度小，推断沉积动力环境相对稳定单一。在13.50～24.10 m处平均粒径小，沉积动力弱。总体分析来看，平均粒径自上而下的分布趋势为大-小-大，相应的沉积动力环境变化趋势为强-弱-强。

2)分选系数(σi)：表示沉积物的分选程度，多物源供应、不同动力交叉作用等都是沉积物分选变差的原因。YDZ1孔沉积物分选系数的变化为0.82～2.26，平均值为1.70，分选性中等-很差。24.10～31.66 m之间，分选系数明显减小，说明钻孔沉积物此段主粒级较突出，分选性偏好。总体分析来看，分选系数自上而下的分布趋势为小-大-小，和平均粒径的垂向分布趋势相反。

3)偏态(Ski)：表示沉积物频率曲线的不对称性，反映沉积过程中能量的变异。YDZ1钻孔沉积物偏态值的变化为0～0.69，平均值为0.4，正偏和极正偏显著。在1.80～13.50 m和23.50～31.66 m处偏态值大，在13.50～23.60 m处偏态值小。总体分析来看，偏态值自上而下的分布趋势为大-小-大，和平均粒径的垂向分布趋势相似。

4)峰态(Kg)：反映沉积物粒度频率曲线中峰凸的程度。YDZ1孔沉积物峰态值的变化为0.71～2.22，平均值为1.41，平坦-中等峰态占35.6%，尖锐-很尖锐峰态占64.4%。在1.80～3.60 m和24.10～31.66 m处峰态值大，峰区窄、高，在13.50～24.10 m处峰态值普遍小，峰区宽、矮。总体分布来看，峰态值自上而下的分布趋势为大-小-大，和平均粒径的垂向分布趋势相似。

综上所述，YDZ1孔沉积物粒度参数的垂向序列变化具有一定的规律性：平均粒径增大，分选性变好，偏态程度增加，峰态变窄；平均粒径变小，分选性变差，偏态程度降低，峰态变宽。平均粒径与偏态以及平均粒径与峰态之间呈正相关性，平均粒径与分选系数之间呈负相关性。

图2YDZ1孔粒度参数垂向分布序列Fig.2 Vertical distributions of grain-size parameters in the sediments of core YDZ1

3.3 YDZ1孔沉积物环境敏感粒度组分的提取

由于物源和沉积动力的复杂性，因此沉积物粒度频率分布曲线多呈多峰态的特点，如何从多峰态的频率分布曲线中分离出单一粒度组分并探讨其所指示的沉积学意义，成为古环境研究的关键[8]。目前对沉积物粒度分布进行多组分分离的数学方法包括Weibull分布拟合、端元粒度模型和粒级-标准偏差法[13-16]。应用粒级-标准偏差法在中国南海、长江口以及黄河口沉积物分析中都得到了成功的应用[13-16]，因此对YDZ1孔样品采用粒度标准偏差法来获取环境敏感粒度组分。

图3YDZ1孔粒级-标准偏差图Fig.3Curve of grain-size vs standard deviation of core YDZ1

图3中YDZ1孔沉积物有2个明显的标准偏差峰值，分别对应粒级为0φ和3.25φ，其中0φ处标准偏差值为9.29，3.25φ处的标准偏差值为4.78。经分析，610个样品中只有5个样品在0φ处有体积分数，仅占整个样品数的0.82%，而1.00 φ处也仅有17样品有体积分数，占整个样品数的2.8%。所以0～1.00 φ粒级组分不具备普遍意义，不予考虑。因此选取2.75～3.75 φ粒级组分为YDZ1孔沉积物样品的环境敏感粒度组分。

图4黄河三角洲YDZ1孔沉积序列Fig.4Sedimentary sequences in core YDZ1

3.4 三角洲沉积环境的划分

在距今约1.8万a整个黄河三角洲处于末次盛冰期，海面降到最低位置，海岸线处在东海大陆架前缘，渤海不复存在，三角洲地区为广阔的平原，地貌营力为河流和湖泊。随着气温升高，海平面上升，在距今约1.2万a海平面升至现在东海水深110 m的位置，在全新世初期本区主要的地貌营力仍是河流和湖泊。直到距今约6 000 a，我国东部沿海全新世海侵才达到最盛时期[2]。根据YDZ1孔沉积序列(图4)，在24.00 m处自下而上敏感粒度组分平均粒径迅速减小，沉积动力显著减弱。沉积物中粘土、粉砂、砂的体积分数，以及各项粒度参数均出现明显的变化，沉积物由粉砂质砂向砂质粉砂和粘土质粉砂过渡。根据AMS14C测年数据，YDZ1孔在22.91 m处AMS14C年龄为(8 645±35) a B.P.，在27.05 m处AMS14C年龄为(13 355±50) a B.P.，因此将24.00 m处推断为海侵层的底界。在13.50 m处自下而上，敏感粒度组分平均粒径达到最小值，并且逐渐增大，沉积物粘土体积分数迅速减少，沉积物由粘土质粉砂向粉砂和砂质粉砂过渡，沉积动力增强，结合15.19 m处AMS14C年龄为(5 550±40) a B.P.，因此推断13.50 m处为海侵层的顶界。通过上述分析，将YDZ1孔沉积序列自上而下大致划分为第一陆相层(0～13.50 m)、第一海相层(13.50～24.00 m)和第二陆相层(24.00～31.66 m)。

由YDZ1孔沉积物敏感粒度组分平均粒径曲线(图4)知，敏感粒度组分平均粒径粒级范围为3.00～3.80 φ，均值为3.43 φ，属于粉砂质砂，粒径偏大，敏感粒度组分对应的沉积动力因素较强。图4中，1.80～3.60 m和24.00～31.66 m层敏感粒度组分平均粒径大于3.43 φ，其余层位则普遍小于3.43 φ。YDZ1孔24.00～29.00 m层敏感粒度组分平均粒径值较大，约3.30 φ，变化幅度非常小，说明水动力强并且沉积环境稳定，此层位为陆相沉积层，水动力因素以径流为主，不受海流、波浪、潮汐等海洋水动力因素影响；YDZ1孔13.50～24.00 m层敏感粒度组分平均粒径偏小且变化幅度大，说明水动力较弱并且沉积环境复杂，此层位为海相沉积层，水动力因素以海流、波浪、潮汐为主，径流影响弱，由此推断YDZ1孔沉积物环境敏感粒度组分对应的主要沉积动力因素为径流，沉积环境为河流相。

第二陆相层位于24.00～31.66 m，敏感粒度组分平均粒径大，颗粒粗，沉积动力强，沉积物为灰黄色粉砂质砂和灰褐色砂互层， 结合31.09 m处AMS14C的年龄为(13 985±50) a B.P.，处于末次盛冰期的晚期，推断此层沉积环境为陆源河湖相沉积。

第一海相层，在22.10 m处敏感粒度组分平均粒径分布最分散，沉积环境复杂，且22.10～24.00 m沉积物类型自下而上由砂质粉砂向粘土质粉砂过渡。推断此段时间内，海平面上升至YDZ1钻孔位置，海侵过程开始，受到潮汐、波浪和沿岸流等海洋动力作用的影响，形成了复杂的沉积动力环境，推断此层沉积环境为陆相层向海相层过渡的潮坪相沉积。在14.40～22.10 m处，敏感粒度组分平均粒径小，粘土体积分数较高，沉积物主要为灰黑色粘土质粉砂，并伴有贝壳碎屑，推断此层沉积环境为全新世海侵期间形成的浅海陆架相沉积。在13.50～14.40 m处敏感粒度组分平均粒径为全孔沉积物中最小，颗粒细，粘土体积分数高，沉积物为粘土质粉砂，应为河流悬移质泥沙输运到浅海陆架波浪作用深度以下地区沉积所致。沉积动力环境弱，推断此层沉积环境为前三角洲沉积相。

在第一陆相层中，以1.80 m和3.60 m为界，将第一陆相层细分为3层：1)在1.80～3.60 m，敏感粒度组分平均粒径增大，水动力增强，沉积物以砂质粉砂和粉砂质砂为主。根据现代黄河三角洲的形成演变过程和钻孔的地理位置进行分析，1953年黄河在小口子进行人工截湾取直，由神仙沟独流入海，1964年黄河人工扒开罗家屋子左堤，从神仙沟向北改道由钓口河入海[2]。因此，推断此层沉积环境为陆相河流沉积。2)在0～1.80 m处，敏感粒度组分平均粒径小，粘土体积分数增大，沉积物以黄色粉砂为主，推断此层沉积环境为1964年黄河从神仙沟向北改道，神仙沟废弃后形成的泛滥平原相。3)在3.60～13.50 m处，敏感粒度组分平均粒径粒级大致分布为3.40～3.60 φ，沉积物为黄色砂质粉砂和灰黄色粘土质粉砂、粉砂互层，沉积物类型对应砂质粉砂、粘土质粉砂等不同组合，反映了自黄河1855年后入海口改道变迁过程中形成的三角洲前缘、三角洲侧缘交替沉积的过程，推断此层沉积环境为三角洲前缘相。

4 结 论

1)黄河三角洲YDZ1孔沉积物类型主要有砂、粉砂质砂、砂质粉砂、粉砂和粘土质粉砂。沉积物平均粒径粒级范围为2.80～7.93 φ，分选性中等-很差，偏态以正偏-极正偏为主，峰态为平坦-极尖锐。自上而下，沉积物平均粒径、偏态和峰态表现为大-小-大的变化趋势，分选系数表现为小-大-小的变化趋势。

2)用粒径—标准偏差方法获得YDZ1孔沉积物的环境敏感粒度粒级范围为2.75～3.75 φ，粒径偏大。根据环境敏感粒度组分平均粒径垂向分布特征，推断YDZ1孔沉积物环境敏感粒度组分对应的沉积动力因素为径流，沉积环境为河流相。

3)根据粒度参数变化的规律性以及环境敏感粒度组分平均粒径的垂向分布特征，结合分样时的特征描述和AMS14C测年数据，将黄河三角洲YDZ1孔的沉积相序大致分为3个大相7个亚相：(1)第一陆相层(0～13.50 m)，其中0～1.80 m为泛滥平原相，1.80～3.60 m为河流相，3.60～13.50 m为三角洲前缘相；(2)第一海相层(13.50～24.00 m)，其中13.50～14.40 m为前三角洲相，14.40～22.10 m为浅海沉积相，22.10～24.00 m为潮坪相；(3)第二陆相层(24.00～33.66 m)，为河流相。

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