辽东湾周边河流沉积物碎屑矿物组成及其物源意义①

王利波 李 军 赵京涛 翟 滨

(1.国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室 山东青岛 266071;2.青岛海洋地质研究所 山东青岛 266071)

“从源到汇”(Source to Sink)是“大陆边缘计划”(MARGINS program)的核心科学研究领域之一［1］。陆源入海沉积物的物质来源识别是“从源到汇”过程的重要环节，而河流入海沉积物物源端元的建立则是这一环节的关键问题。我国东部陆架海沉积物的物质来源近十几年来一直是海洋地质研究的热点和争论的焦点。长江和黄河两条世界性大河以每年4.8×108t和11×108t的巨量泥沙流入东部陆架海［2，3］，引起了国内外学者的广泛关注，为建立其物源判别指标和方法做了大量工作［4～12］。然而，中小河流对河流入海泥沙量的贡献也十分重要［3，13］，虽然以前低估了它们的作用，但近几年来逐渐得到重视，我国中小河流物源示踪研究也越来越多地见于报道［14～16］。

辽东湾位于渤海北部，是一个西、北、东三面被辽宁省包围，仅南面与渤海相通的半封闭海湾。周边主要有滦河、六股河、小凌河、大凌河、双台子河、大辽河、复州河等中小型河流注入(图1)，其中双台子河和大辽河在1958年台安县六间房辽河堵截以前是辽河下游的两个入海河道，1958年堵截以后双台子河和大辽河分别成为独立的水系。虽然辽东湾的南部的黄河每年向渤海注入10×108t级的巨量泥沙［2，3］，但绝大部分都沉积于河口地区［17］，其余主要向南、东南方向搬运［18，19］，黄河入海泥沙对辽东湾的影响不大［20～22］，并且这些中小河流也输运大量泥沙入海(表1)，因此它们对辽东湾海域陆源沉积物有很大的影响。建立这些中小河流物源识别指标，对于认识它们搬运入海沉积物的扩散以及判别辽东湾沉积物的来源有重要意义。

特征碎屑矿物组合因其物源继承性以及在表生环境中的稳定性，被广泛应用于沉积物的物质来源研究［5，16，20，24～34］。前人曾研究过其中的滦河、六股河和辽河沉积物碎屑矿物特征［12，20，21］，能较好地区分三条河流。但总体而言，系统研究辽东湾周边河流沉积物碎屑矿物特征的报道少见。本文拟在前人研究基础之上，鉴定辽东湾周边七条中小型河流沉积物的碎屑矿物，分析轻、重矿物组成及其控制因素，探讨入海沉积物中碎屑矿物的差异，为进一步研究辽东湾沉积物的物质来源和扩散模式提供支持。

1 样品和方法

图1 辽东湾周边河流及取样站位图Fig.1 Sketch map of rivers around Liaodong Bay and sampling sites

表1 辽东湾入海河流水文特征Table 1 Hydrological characteristics of rivers around Liaodong Bay

本文所用的样品于2011年春末取自辽东湾周边的滦河(5个)、六股河(3个)、小凌河(3个)、大凌河(3个)、双台子河(3个)、大辽河(3个)、复州河(2个)七条河流下游临近入海口处(图1)，共22个样品。取样时上述河流处于枯水季向洪水季过渡时期，流量不大，样品均取自紧靠水流的河漫滩上层粒度较细的沉积物，同一河流不同样品的取样位置沿水流方向间隔几十到几百米不等。总体而言，双台子河、大辽河等流域范围较大的河流样品粒度较细，六股河、复州河等流域范围较小的河流样品粒度较粗。碎屑矿物分析流程如下:取沉积物原样200～300 g，用0.125 mm和0.063 mm的双层套筛筛选(个别有机质含量高的样品，加H2O2浸泡6 h)，水筛分离出的样品(0.063～0.125 mm)经烘干后用缩分法取3～4 g在三溴甲烷重液(CHBr3，比重2.89)中分离，得轻、重矿物两部分，再分别称重，计算轻、重矿物的质量百分数。轻矿物在体式显微镜下完成鉴定和统计;重矿物用体式显微镜和偏光显微镜油浸法，辅以微化试验进行鉴定和统计。轻、重矿物统计方法相同，首先计数300～500颗待鉴定矿物，然后对鉴定出的每种矿物进行计数，最后求得不同矿物的颗粒百分含量。

2 结果

2.1 轻矿物组成及差异

辽东湾周边河流沉积物的轻矿物组成如表2所示。六股河轻矿物质量百分含量最低，仅70%，双台子河和大辽河最高，达99%以上。轻矿物种类主要包括石英、斜长石、钾长石、风化云母、绿泥石、白云母和碳酸盐矿物等。滦河、大凌河、双台子河和大辽河沉积物中石英颗粒百分含量较高、斜长石和钾长石含量较低。六股河和复州河的石英和斜长石含量中等、钾长石含量较高。小凌河石英含量较低、斜长石含量较高、钾长石含量中等。七条河流中，风化云母的含量大辽河最高，大凌河最低，其余河流差别不大;绿泥石的含量小凌河最高，双台子河最低，其余河流差别不大。白云母在滦河和复州河沉积物中未发现，六股河、小凌河和大凌河中只有在个别沉积物样品偶见1颗，平均含量都小于0.3%，在双台子河和大辽河沉积物中较常见。碳酸盐矿物仅在六股河、小凌河、大凌河和双台子河的个别沉积物样品中偶见1颗，平均

含量均不足 0.3%。与前人发表数据相比［12，20，21］，本文石英含量偏高、长石含量偏低，这可能由于取样位置不同或矿物鉴定所选的粒级范围不同等因素造成的。

表2 辽东湾周边河流沉积物的轻矿物平均含量(%)Table 2 Average contents of light minerals in river sediments around Liaodong Bay

表3 辽东湾周边河流沉积物的重矿物平均含量(%)Table 3 Average contents of heavy minerals in river sediments around Liaodong Bay

2.2 重矿物组成及差异

辽东湾周边河流沉积物的重矿物组成如表3所示，与前人发表数据［12，20，21］相近(表3)。这些河流的重矿物质量百分含量以六股河最高，达30%，双台子河和大辽河含量最低，不足1%。除岩屑和风化碎屑外，在这七条河流沉积物中共发现33种重矿物。其中普通角闪石、磁铁矿和绿帘石在这些河流中普遍存在，且在部分河流中含量相对较高;钛铁矿、褐铁矿、赤铁矿、石榴子石、普通辉石、榍石、阳起石、磷灰石、黑云母也在这些河流中均有发现，但含量中等到相对较低。其余重矿物仅在部分河流中偶见，含量很低。

将各条河流沉积物中重矿物含量由高到低排序后累加，统计累加之和达80%的前几种主要重矿物，滦河为普通角闪石+绿帘石+磁铁矿+钛铁矿+石榴子石+褐铁矿，六股河为磁铁矿+普通角闪石+赤铁矿+绿帘石+钛铁矿，小凌河为磁铁矿+普通辉石+普通角闪石+钛铁矿+褐铁矿+绿帘石+赤铁矿，大凌河为磁铁矿+普通角闪石+绿帘石+钛铁矿+石榴子石+赤铁矿，双台子河为普通角闪石+绿帘石+石榴子石+榍石+钛铁矿，大辽河为普通角闪石+绿帘石+赤铁矿+阳起石+磁铁矿+褐铁矿，复州河为普通角闪石+褐铁矿+石榴子石。

利用SPSS数据统计分析软件，以重矿物颗粒百分含量为变量，对22个河流沉积物样品做聚类分析(图2)。聚类结果显示，辽东湾周边河流分为两组，大辽河、复州河和双台子河三条辽东湾东侧的河流为一组，六股河、大凌河和小凌河三条辽东湾西侧的河流为一组，滦河样品在这两组中均有出现。

图2 辽东湾周边河流沉积物聚类树谱图Fig 2 Dendrogram of sediments from rivers around Liaodong Bay

普通角闪石和金属矿物(磁铁矿+钛铁矿+褐铁矿+赤铁矿)含量之和，除双台子河仅43%外，其余河流都高达60%以上，是这些河流沉积物中的主要重矿物，并且含量特征有明显的差别(图3)。辽东湾西部的六股河、小凌河和大凌河以低普通角闪石、高金属矿物含量为特征，辽东湾东部的双台子河、大辽河和复州河以高普通角闪石、低金属矿物含量为特征，滦河普通角闪石和金属含量居中。其中，六股河和复州河的上述含量特征差别最明显。除主要重矿物的差别外，中、低含量的重矿物组分在这七条河流沉积物中也有明显差异。黑云母在双台子河、大辽河和复州河沉积物中的含量明显高于滦河、六股河、小凌河和大凌河。对于湾西的六股河、小凌河和大凌河沉积物，磁铁矿、石榴子石和普通辉石的含量差别较大，六股河磁铁矿含量明显高于其它河流、石榴子石含量明显低于其它河流，小凌河普通辉石含量明显高于其它河流，大凌河石榴子石含量明显高于其它两条河流。对于湾东的双台子河、大辽河和复州河沉积物，双台子河以高绿帘石、榍石和透闪石含量为特征，大辽河以高阳起石和黑云母、低石榴子石含量为特征，复州河以高普通角闪石含量为特征。

2.3 辽东湾周边河流与黄河的差异

本文七条河流与黄河共同注入渤海，认识它们与黄河碎屑矿物的差异，对于渤海沉积物的物源判别十分重要。片状矿物(白云母+黑云母+绿泥石)和碳酸盐矿物(白云石+方解石)的含量在本文河流与黄河沉积物之间的差别很大，黄河沉积物中碳酸盐矿物和片状矿物含量很高［12，28，35］，而本文河流都很低。因此碳酸盐矿物和片状矿物含量可作为判别黄河和本文河流的指标。

图3 辽东湾东、西两侧河流沉积物普通角闪石和金属矿物含量散点图Fig.3 Scatter plot of hornblende vs.metal minerals of river sediments from the eastern and western side of Liaodong Bay

3 讨论

3.1 流域内基岩类型对碎屑矿物组成的影响

通过上文的比较，辽东湾西侧入海的六股河、小凌河、大凌河与辽东湾东侧入海的双台子河、大辽河、复州河下游河漫滩沉积物中碎屑矿物组分差别较大。其原因是这些河流位于被郯庐断裂分割的两个不同构造单元之上，湾西部的三条河流主要位于华北块体，湾东部的三条河流主要位于胶辽朝块体，两个构造单元岩性差别较大［36］。

六股河发源于建昌县谷杖子乡，于绥中县大渔场注入渤海。流域内主要出露太古期片麻状花岗岩，早燕山期二长花岗岩［37］。太古代强烈的变质作用导致磁铁矿、赤铁矿、磷灰石、榍石、锆石等副矿物的产出，这可能是该河流下游沉积物中上述矿物，尤其是金属矿物含量高的原因。二长花岗岩的风化剥蚀提供了大量斜长石和钾长石，使得下游沉积物中长石含量较高。

小凌河发源于建昌县东北境楼子山东麓，在锦州市南凌村东南注入渤海。流域内主要出露白垩系安山岩，侏罗系安山岩，太古期片麻状花岗岩，早燕山期二长花岗岩等［37］。辉石和斜长石是安山岩的常见矿物组分，广泛分布的安山岩经风化剥蚀，为该河流供给了大量辉石，使得该河流下游沉积物中辉石的含量明显高于其它河流，同时也提供了大量斜长石，使得沉积物中斜长石的含量明显偏高。与六股河类似，该河流高含量的金属矿物可能主要来源于下游太古期片麻状花岗岩强烈变质作用产生的副矿物。

大凌河有两源，北源出自凌源县打鹿沟，南源出自建昌县黑山，在锦州东南注入渤海。流域内主要出露第四纪松散沉积物，太古代变粒岩夹磁铁石英岩、片麻状花岗岩，白垩系安山岩、砂岩，侏罗系砂岩等［37］。该河流较高含量的磁铁矿主要来源流域内的太古界磁铁石英岩及强烈变质作用产生的副矿物。中、上游地区广泛出露的砂岩可能是导致该河流沉积物中石英含量较高的主要原因。

辽河是我国东北地区南部最大的河流，发源于河北省平泉县，于辽宁省昌图县福德店汇流后为辽河干流，纳招苏台河、清河、柴河、泛河、柳河等支流，在台安县六间房分流两股，一股西流，称双台子河，纳绕阳河后，于盘锦市盘山县注入渤海，另一股南流，纳浑河、太子河后经营口注入渤海，称大辽河。1958年，在六间房附近进行了堵截，使辽河由双台子河入海，浑河、太子河由大辽河入海。因此，双台子河沉积物碎屑矿物组分主要反映了辽河流域的基岩性质，大辽河碎屑矿物主要反映了浑河、太子河流域的基岩特征。两条河流中、下游流域范围内大部分地区被第四纪松散沉积物所覆盖，上游支流地区有基岩出露。辽河上游支流分布面积不大的太古和元古期片麻状花岗岩，燕山期二长花岗岩，太古界片麻岩、斜长角闪岩，中、上元古界碎屑岩、碳酸盐岩，白垩系砂岩［37］。双台子河沉积物中较高含量的普通角闪石可能来源于斜长角闪岩的风化剥蚀。虽然辽河上游基岩具备产出磁铁矿等金属矿物的地质条件，但由于此类矿物密度较大，可能难以长距离搬运到下游河口地区，因此双台河沉积物中磁铁矿含量很低。浑河和太子河流域主要出露太古期片麻状花岗岩，太古界斜长角闪岩、黑云变粒岩，元古界二云片岩等［37］。斜长角闪岩为下游沉积物提供大量角闪石，使得大辽河普通角闪石含量较高。低磁铁矿等金属矿物的原因与上太子河相同，可能因为它们难以长距离搬运到下游河口地区。含云母变质岩的出露使得大辽河白云母和黑云母的含量都明显高于其它河流。

复州河发源于普兰店市同益乡老帽山南麓，于瓦房店市三台子乡西蓝旗的老羊头注入渤海。流域内主要出露上元古界青白口系和震旦系的长石砂岩和石英砂岩，太古界鞍山群低角闪岩相变质岩，印支期石英闪长岩和二长花岗岩等火成岩［37］。上游的角闪质变质岩和石英闪长岩可能是该河流下游沉积物中高含量普通角闪石的主要提供者，中、下游的长石砂岩和石英砂岩可能是该河流石英和长石含量均中等偏高的主要原因。

3.2 沉积物粒度与碎屑矿物组成的关系

本文0.063～0.125 mm粒级的碎屑矿物，尤其是轻、重矿物质量百分含量，与沉积物粒度有良好的相关性(图4)，表现为沉积物平均粒径越粗，重矿物质量百分含量越高。轻矿物质量百分含量与重矿物的上述特征则相反。重矿物组分颗粒百分含量与沉积物平均粒径的相关性分析(表4)可以看出，与平均粒径(φ值)呈正相关的矿物多为密度较小的矿物或难以沉降的片状矿物，如透闪石、阳起石、绿帘石、黝帘石和黑云母等，表现为沉积物平均粒径越细，密度较小或难以沉降的矿物含量高;与平均粒径(φ值)呈负相关的矿物多为密度较大的矿物，如锆石、钛铁矿、磁铁矿等，表现为平均粒径越粗，密度较大的矿物含量高。

图4 辽东湾周边河流沉积物重矿物质量百分含量与平均粒径散点图Fig.4 Scatter plot of heavy mineral content vs.mean grain size of river sediment around Liaodong Bay

总体而言，沉积物粒度与碎屑矿物的关系大致体现了河流动力分选作用对碎屑矿物组合的影响。双台子河和大辽河等流域范围较大的河流，下游沉积物砂含量偏低、粒度偏细，重矿物重量百分含量或密度较大的碎屑矿物组分含量较低。六股河、复州河和小凌河等流域范围较小的河流，下游沉积物中砂含量偏高、粒度偏粗，重矿物重量百分含量或密度较大的碎屑矿物组分含量较高。这是因为流域范围较大的河流沉积物搬运距离长，密度大的碎屑矿物易于沿途沉积而导致搬运到下游的较少，流域范围较小的河流具有山溪性河流的性质，沉积物搬运到河口的距离短、动力强，从而导致密度较大的碎屑矿物含量较高。值得注意的是，轻、重矿物的质量百分含量与平均粒径的相关系数较高，说明河流动力分选对轻、重矿物分异的影响较大;各矿物组分的颗粒百分含量与平均粒径的相关性分析虽然表现出了一定的规律性，但它们之间的相关系数并不高，说明河流动力分选对矿物组合有一定影响，但作用有限。

表4 辽东湾周边河流沉积物重矿物组分与平均粒径(φ)的相关系数Table 4 Correlation between heavy mineral components and mean grain size of river sediments around Liaodong Bay

3.3 碎屑矿物特征指数分析

石英/长石(Q/F)比值是用于评价碎屑沉积物成分成熟度的传统指标［38，39］。七条河流中流域面积较大的双台子河、大凌河、大辽河和滦河下游沉积物的Q/F比值整体高于流域面积较小的小凌河、六股河和复州河(图5)。除受母岩类型的影响外，流域范围的大小可能是影响Q/F比值的重要因素。虽然七条河流位置相近、化学风化强度整体差别不大，但流域范围大的河流沉积物搬运距离长，经历了较长时间的化学风化过程，并且下游地区出露的第四纪松散沉积物也是河流入海泥沙的重要来源，它们长期暴露于地表环境中导致风化程度可能更高，因此入海沉积物的Q/F比值大，而流域范围小的三条河流属于山溪性河流，搬运距离短，化学风化作用时间短，因此Q/F比值小。

稳定重矿物的特征指数能够对物源特征有很好的反映，如 ATi指数和 GZi指数［25，40，41］。ATi指数 =100×磷灰石%/(磷灰石%+电气石%)，指示磷灰石的风化程度，如果风化作用很弱，则该指数主要反映沉积物物源的变化。GZi指数 =100×石榴子石%/(石榴子石%+锆石%)，反映含有石榴子石的母岩组成的变化。双台子河、大辽河和大凌河的ATi指数(图5)相对其余河流较低，指示沉积物中磷灰石可能在化学风化过程中遭受溶蚀，沉积物经受的化学风化作用较强，与轻矿物高Q/F比值所反映情况相一致。六股河、小凌河和复州河ATi指数较高，反映沉积物化学风化程度较弱，与Q/F比值较小相对应。值得注意的是，本研究的七条河流处于我国东北部地区，化学风化作用总体不强，母岩类型对各指标的影响很大。例如，滦河ATi指数和Q/F比值均较高，两个指标所指示的化学风化作用强弱不一致，其原因就是受到了母岩类型的影响。GZi指数(图5)除六股河仅46以外，其余河流均在80以上。因为石榴子石主要产于基性—超基性岩浆岩和变质岩中，沉积物高GZi指数与这些河流流域内出露的变质岩有关。

图5 辽东湾周边河流碎屑矿物特征指数对比图Fig.5 Comparison of detrital mineral indexes in river sediments around Liaodong Bay

4 结论

辽东湾周边七条河流下游河漫滩沉积物中轻矿物以石英和长石占绝对优势，云母、绿泥石和碳酸盐矿物含量很低。除岩屑和风化碎屑外，共鉴定出33种重矿物，以普通角闪石、金属矿物(磁铁矿+钛铁矿+褐铁矿+赤铁矿)、绿帘石、石榴子石、普通辉石、榍石和阳起石等为主。河流沉积物中普通角闪石和金属矿物含量的差别最明显，湾东侧的双台子河、大辽河和复州河普通角闪石含量高、金属矿物含量低，而湾西侧的六股河、小凌河和大凌河则相反。湾东部三条河流中绿帘石和阳起石的含量，湾西部三条河流中石榴子石和普通辉石的含量也各自有较大差别。本文七条河流片状矿物和碳酸盐矿物含量很低的特征，很好地区别于黄河沉积物。辽东湾东、西两侧河流重矿物组成差别如此明显，可能是两侧河流位于两个不同的构造单元之上，基岩类型不同所造成的。此外，河流动力分选和化学风化作用对碎屑矿物组成也有一定影响。

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39 杨作升，赵晓辉，乔淑卿，等.长江和黄河入海沉积物不同粒级中长石/石英比值及化学风化程度评价［J］.中国海洋大学学报，2008，38(2):244-250［Yang Zuosheng，Zhao Xiaohui，Qiao Shuqing，et al.Feldspar/Quartz(F/Q)ratios as a chemical weathering intensity indicator in different grain size-fractions of sediments from the Changjiang and Huanghe rivers to the seas［J］.Periodical of Ocean University of China，2008，38(2):244-250］

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