珠江口及琼东北海区元素地球化学特征及物质来源①

陈 亮 张玉芬 李团结 许 冬

(1.中国地质大学地球物理与空间信息学院 武汉 430074;2.国家海洋局南海工程勘察中心 广州 510300;3.国家海洋局第二海洋研究所 杭州 310012)

珠江位于我国大陆南端，其由西江、东江及北江所组成，流经滇、黔、桂、粤、湘、赣等省(区)，于广东省中南部由八大口门注入南海，珠江为我国第三大河流，但径流量仅次于长江，其年平均径流量为3 124×109m3，每年携带约8 872 ×104t的悬沙向海输送［1］。由于河口为海陆交互影响最强的地带，河流携带大量的泥沙入海沉积，研究入海泥沙的沉积范围及趋势对航运、港口及码头建设等海洋经济建设具有十分重要的意义，同时，由于内陆污染物大多吸附于泥沙上被搬运入海，因此此项研究也能为海洋环境保护提供参考。

当前对珠江口沉积物地球化学的研究已非常多，但大多集中在珠江口区域［2～8］，对珠江口西部区域的元素地球化学研究较少。根据之前的研究，珠江口物质在沿岸流的输运下，能够到达粤西海域及雷州半岛东侧［1，9］，因此，有必要将粤西海区及珠江口海区进行成片分析，更有助于对珠江口物质扩散的了解;同时位于该区西南部的琼东北海区目前还未见有详细的元素地球化学研究，本次分析填补了该区域的研究空白。

1 采样和测试方法

1.1 样品采集

本次采样区域共分为三个区域，分别为珠江口内、珠江口外，及粤西海区。由南海工程勘察中心于2004年、2005年及2008年完成大部分取样工作，其中粤西部分海域取样工作由海洋二所于2008年完成。采用的采样工具主要为箱式采样器及蚌式采样器，采取样品为表层(0～10 cm)沉积物，根据技术规程要求，采样间隔主要有3 km、5 km及10 km 3类，共取得表层样品约3 500个，约3 500个样品进行了粒度测试，700多个样品进行了元素地球化学测试(图1)。

图1 调查及测试站位分布图Fig.1 The distribution of survey and test stations

1.2 测试分析方法

本次所使用数据主要有粒度及元素地球化学数据，所采用的方法均按照《我国近海海洋综合调查与评价专项―海洋底质调查技术规程》执行。沉积物粒度由南海工程勘察中心实验室完成，细粒部分采用Mastersizer 2000型激光粒度仪进行分析，首先去除样品中有机质、钙质胶结物及生物壳体，然后加入偏磷酸钠用超声波振荡使样品分散后上机测试，粗粒部分采用筛析法分析。元素地球化学测定由国土资源部武汉矿产资源监督检测中心及国土资源部地球物理地球化学勘查研究所完成。每个样品取约25 g置于洁净表面皿中，自然晾干后放入烘箱，在40℃ ±2℃下进一步烘干，然后用玛瑙研钵将沉积物样磨碎，过80目(0.187 5 mm)尼龙网筛，收集小于80目的沉积物样品，采用x射线荧光光谱仪(PW2440)测定沉积物中常量元素的含量，测量精度MgO、CaO、Na2O、K2O、MnO、TiO2、P2O5优于 0.05%，SiO2、Al2O3及 Fe2O3测量精度优于0.1%，测量误差均不大于0.7%。

2 结果分析

2.1 沉积物特征

图2是对该区域粒度特征统计分析后作出的沉积物平均粒径分布图，图中粒级标准采用尤登—温德华氏等比制φ值粒级标准，可以看出，平均粒径大多在3φ～8φ之间。采用谢帕德分类命名法对所有沉积物命名后发现，由于研究区域范围较广，沉积物类型较多，但主要以粉砂为主。珠江口内及以西至上川岛近岸区域主要为粘土质粉砂，珠江口外以东海区沉积物类型主要为粉砂，珠江口外南部区域沉积物粒度变粗，沉积物类型主要为砂及粉砂质砂;上川岛以西近岸区域至琼州海峡东口以东海域沉积物类型主要为粉砂及粘土质粉砂，上川岛南部外海区域至海南岛东部海域呈北东—南西向分布有大片砂质粉砂及粉砂值砂;琼州海峡内及东口沉积物类型以砂为主，部分区域含有少量砂砾。

图2 沉积物粒度特征图(平均粒径/φ)Fig.2 The distribution of sediment grain size(Mz/φ)

2.2 常量元素分布特征

由表1可见，调查区域常量元素主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、K2O、MgO 及 Na2O 组成，这7 种氧化物占沉积物总量的90%以上(平均值)，其中SiO2及Al2O3平均含量较高，其它较低，分别为:SiO2(61.94%)＞Al2O3(13.55%)＞Fe2O3(5.77%)＞CaO(3.43%)＞K2O(2.23%)＞MgO(1.91%)＞Na2O(1.79%)＞TiO2(0.73%)＞P2O5(0.12%)＞MnO(0.76%)。

图3是各元素含量的空间分布图，对比这些元素分布情况可见:(1)SiO2的平面分布图与其它元素的分布趋势具有很大的差异，基本为负相关，主要由于SiO2为该区域主导元素，为其它元素的“稀释剂”所造成［10，11］，对比 SiO2平面分布图与粒径分布图可以发现SiO2的含量大小与粒径粗细具有很好的一致性，说明该区域粗粒沉积物的矿物成份主要为石英;(2)Al2O3、P2O5、K2O、TiO2、MnO、Fe2O3的平面分布图具有一定的相似性，大多呈现了由珠江口向外海减少的趋势，且多种元素指示在琼州海峡东部存在一高值中心;(3)CaO的平面分布图与其它元素具有很大的差异，高值区主要位于调查区域的东南部及海南岛东侧，说明该区域CaO主要来自于海源生物作用的影响;(4)MgO的高含量区域主要位于香港东南侧及粤西中部海域，与沉积物细粒组分具有较好的对应，说明MgO主要赋存于细粒沉积物之中，而同为细粒沉积物的珠江口内MgO含量并不高，说明该区域MgO受海源作用影响较大，且主要以被吸附的形式存在于粘土矿物中。(5)Na2O的平面分布与其它元素也存在一定差异，既没有表现出由珠江口向外升高，也不具备由外海向近海升高的趋势，在川岛南侧存在小片的高值区，其它区域也零散分布有数个亚高值区，珠江口内及崖门口内Na2O含量均不高，说明径流对Na2O的输入贡献并不大，但在部分近岸区域其含量较高，说明Na2O来源应受到海源及陆源的共同影响。(6)由平面分布图可以看出，大多数常量元素的分布与沉积物粒径具有一定的相关性，反映了在该区域“元素的粒度控制律”［10，12］，而沉积物粒径主要反映了水动力强弱，说明水动力对该区域元素的迁移及富集具有十分重要的作用。

表1 调查区域表层沉积物常量元素统计(%)Table 1 Compositions of major element in the surface sediments(%)

图3 常量元素平面分布特征Fig.3 The distribution of major element

表2 常量元素相关性分析(样品数n=742)Table 2 The relativity of major element

2.3 沉积物元素相关性分析

应用SPSS软件对调查区域内表层沉积物平均粒径及常量元素进行相关性分析(表2)，结果表明SiO2及CaO含量与中值粒径(φ)负相关，其它元素均为正相关，说明随着粒度的变粗，SiO2及CaO的含量逐渐升高，而其它元素更趋向于存在细粒的沉积物中。其次，SiO2与所有元素均呈负相关，由于SiO2在沉积物中占主导，其含量的高低直接影响其它元素含量的变化。Al2O3、P2O5、K2O、TiO2、MnO、Fe2O3、MgO 相互之间均为正相关，沉积物中的Ti在表生作用中比较稳定，属于惰性元素，因此可以作为陆源碎屑组分的指标［13，14］，Al2O3、P2O5、K2O 与 TiO2具有较好的相关性，说明该海区这几种元素更倾向于被陆源输入物质所控制。CaO与大多数元素为负相关，且相关性均较低，反映了海源的钙质生物来源，Na2O与大多数元素相关性不明显，反映了其来源的复杂性。

2.4 沉积物元素地球化学分区及物源分析

为了更好的反映该区域沉积物分区及物源状况，采用快速聚类法对样品进行分类，共生成5类汇聚中心，由于第2类及第4类汇聚中心各自分别仅有2个站位，可以将其看作一种扰动，因此该区域沉积物主要可以分为3类(图4)。同时，在调查海域中选取5处代表性小区块(图4)A、B、C、D、E进行分析，每一小区块选取约5个站位常量元素数据进行统计分析，选取平均值代表所在区域的常量元素含量(表3)。通过对5处代表性小区块常量元素含量作图分析后发现(图5)，A、B两处“亲陆”元素含量及变化趋势具有较好的一致性，说明A区及B区陆源组分具有同源性;C区各元素无论在含量及变化趋势上与其它区域元素均具有较大差异，说明C区所在海域沉积物来源具有自身的特点;D区及E区各元素含量及变化趋势非常接近，尤其海源物质CaO均大于其它区域，说明D区及E区在成因上具有一定的相似性。

图4 聚类分析结果图Fig.4 The result for cluster analysis

表3 各区块常量元素含量(%)Table 3 The content of major element for different place(%)

图5 所选区块常量元素曲线对比图Fig.5 The graph of major element for each select area

综合考虑各元素的平面分布特征及所选区域的对比分析，同时结合该区域海流分布状况，将该区域沉积物分为3个区域，分别为珠江口及粤西区域(Ⅰ)、琼州海峡东分布区(Ⅱ)及琼东分布区(Ⅲ)(图9)，该区域春夏季悬浮体特征分布也显示该海区大体存在3个不同悬浮体分布区［19］。各区特点大致为:

Ⅰ区所占面积最广，位于珠江口及粤西大部分区域。该区域沉积物来源及分布主要受珠江水系物源控制，河流入海后，由于流速减缓，其所携带的泥沙大量沉积，首先沉积的为底层的推移质及跃移质，该部分物质主要沉积在入海口及附近区域，沉积下来的主要为 SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、TiO2、MnO 等陆源物质，大量的悬移质伴随海流的运动被输运到较远的区域。由于受到该区域西向沿岸流的影响［20，21］，珠江入海物质主要向西部输送，少部分向东及向南输送。珠江入海后所携带的大部分泥沙沉积在伶仃洋至上川岛东部，由于大量的跃移质及悬移质沉积于此，使得沉积物粗细混杂，该区域为珠江入海泥沙的主要沉积区域，该处TiO2及MnO存在明显由近岸向远海减小的趋势，具有明显的陆源沉积特征。沿岸流通过川岛之后，由于在海陵岛和漠阳江口之间的外海有一股沿底部向岸涌升的陆架高盐海水［20］，咸淡水在此处交汇，由悬浮体分析可以发现该处底层悬浮体浓度及浊度值均较高［19］，说明海水中的胶体及细粒物质在此处发生絮凝而大量沉积，细粒物质的大量沉积导致了该区域Al2O3含量的升高。珠江口物质经过海陵岛后继续向西输运，到达放鸡岛南部后部分转为南向输运，最终沉积在雷州半岛及琼州海峡东部，少量会继续向南到达海南岛东北部，由于该区域悬浮体浓度及浊度值均较低［19］，说明沉积物主要以胶体及溶解态搬运至此，TiO2含量在该区域出现了一定的升高，主要由于细粒物质的大量沉积所引起，TiO2空间分布及含量变化较好反应了珠江口陆源物质的沉积范围及运移路径。

Ⅱ区位于琼州海峡内及其东侧，向北可延伸至雷州半岛东部，由于琼州海峡为一冲刷性海槽［22，23］，该区沉积物主要由海峡内潮流冲刷所携带而来，由于流速较大，该区沉积物粒度较粗，平均粒径多在2.5φ以下，沉积物类型多为中粗砂。元素组成以SiO2为主，大部分区域达90%以上，由于SiO2的高含量，使得其它元素在该区域含量偏少。将该区域常量元素分布与海南岛花岗岩对比分析(图6)后发现，除了SiO2外，其它常量元素含量均低于海南岛花岗岩，且变化趋势基本一致(CaO由于海洋生物作用的加入，其总量只是略微减少;MnO由于密度较大，不易被搬运出海峡口，其含量变化也不大)，说明Ⅱ区沉积物主要来自于琼州海峡两侧及槽底碎屑物质。

Ⅲ区位于海南岛东北部，北端以狭长带延伸至琼州海峡东口东南面，Ⅰ区在该区北部逐渐尖灭。Ⅲ区元素组合特征与其它两个区域具有较大差异，最突出在于该区域CaO含量远高于其它区域，尤其近陆一侧CaO含量较高，海南岛东部近岸分布有大面积珊瑚礁，生物作用强烈，说明该区域受海源生物作用明显。将该区域常量元素含量与南海中部、中国大陆及太平洋区域常量元素对比分析后(图7)发现，该区域常量元素含量及分布与南海中部及中国大陆相似度较高，与大洋沉积物相似度低，说明该区域沉积物仍主要来源于周边陆源物质的输入。根据前人研究可知［24］，该区域外海一侧存在大量晚更新世冰期低海面时的残留沉积物，说明该区域沉积物以早期沉积为主，同时受后期海洋生物作用改造明显。

图6 C处及海南岛花岗岩常量元素曲线对比图Fig.6 The graph of major element for C and the granite in Hainan island

图7 Ⅲ区与部分地区常量元素曲线对比图Fig.7 The graph of major element forⅢarea and some place

根据沉积物的物源分区，结合该区域海流状况(图8)及前人研究［1，9］，综合分析得出沉积物输运路径(图9)。具体为:Ⅰ区沉积物在珠江口入海后，呈辐射状向外海输运，少部分向东输运，部分向南，大部分在沿岸流的驱动下向粤西输运，输运路径紧贴海岸带，到达电白外海后转向南输运，该输运路径较长，多种元素指示性一致;Ⅱ区沉积物主要由琼州海峡内向口外呈放射状输运，输运路径较短;Ⅲ区沉积物输运路径并不太明显，由于该区域海洋自生作用较强，且外海区域陆源物质以早期沉积为主，故输运路径并不显著。

图8 调查海区夏季环流分布图［21］Fig.8 The distribution of circumfluence in summer

图9 沉积物分区及输运路径图Fig.9 The subarea and the moving route of the sediment

3 结论

通过对珠江口至海南岛东北海区表层沉积物样品粒度和元素地球化学的测试分析，得到如下结论:

(1)该区域沉积物粒度以粉砂及细砂为主，粗粒部分主要分布在珠江口南侧及琼州海峡周边区域。

(2)沉积物常量元素组合以 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、K2O、MgO及Na2O为主，这7种氧化物占沉积物总量的90%以上(平均值)，其中SiO2及Al2O3平均含量较高，达75.49%。

(3)相关性分析发现Al2O3、P2O5、K2O与TiO2具有较好的相关性，受陆源物质输入的影响较大;CaO与大多数元素为负相关，反映了海源的钙质生物来源;Na2O与大多数元素相关性不明显，反映了其来源的复杂性。

(4)依据常量元素平面分布特征，将调查区域沉积物划分为3个不同的区域，分别为珠江口及粤西区域(Ⅰ)、琼州海峡东分布区(Ⅱ)及琼东分布区(Ⅲ)，同时综合分析得出了Ⅰ区及Ⅱ区沉积物运移的路径趋势。

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