长江口海域表层沉积物常量元素地球化学及其地质意义

密蓓蓓，蓝先洪，张志珣，刘升发

（1.国土资源部 青岛海洋地质研究所 海洋油气资源与环境地质重点研究室，山东 青岛 266071；2.国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061）

0 引言

河口是海陆相互作用的枢纽，是河流入海物质的重要归宿地，成为近年来边缘海研究的热点区域［1］。长江是中国第一大河流，沉积物年入海通量为4.8亿吨［2］，如此大量的陆源物质入海后在河流径流、沿岸流及潮流等水动力要素及河口区地形地貌的综合作用下，形成空间分布的不均一性。关于长江口及其邻近陆架海域沉积物中物质来源和输运模式一直是众多研究者普遍关心的问题［3］。近年来发展了涵盖沉积学、矿物学、地球化学等各类指标的研究手段［4］。但由于该区域表层沉积物组成受源岩类型、沉积环境、水动力条件和人类活动等多个因素的影响，真正能够有效指示该区域表层沉积物来源和输运模式的指标很难提取。因此，本文通过高密度采样，系统研究了长江口外表层沉积物中常量元素氧化物含量、空间分布规律及其控制因素，探讨其中包含的“源－汇”指示意义，为进一步了解该区域的沉积作用和沉积环境提供基础资料。

1 材料与方法

1.1 样品采集

本文选用2006年8—9月取自长江口海域的187个表层沉积物样品，采样站位以25km为间隔（图1），基本覆盖了整个长江口外海域。样品均用箱式取样器采取，为保证样品的等时性，每个站位均取0～5 cm的表层沉积物200g，放入预先清洗过的样品袋中，密封后带回实验室低温冷藏保存。

1.2 样品分析

选取10g样品在65℃下烘干后于玛瑙研钵中研磨至200目，制成标准压片，采用X射线荧光光谱法测试SiO2，Al2O3，Fe2O3，MgO，CaO，Na2O，K2O，TiO2，P2O5和MnO含量。另外，采用元素分析仪测试了沉积物中有机碳（TOC）含量，采用滴定法测试了沉积物中CaCO3含量。为了控制测试准确度，分析过程中进行了平行样和标准样分析，相对误差小于10%，分析结果可靠。样品分析工作由国土资源部青岛海洋地质研究所测试中心完成。

图1 长江口表层沉积物采样站位分布图Fig.1 Distribution of sampling stations of surface sediments from Changjiang River Estuary

2 结果

长江口外海域表层沉积物常量元素氧化物的测试结果如表1所示。研究区内表层沉积物常量元素氧 化 物 主 要 由 SiO2，Al2O3，Fe2O3，MgO，CaO，Na2O，K2O和TiO2等组成，这8种组分约占沉积物总量的91.59%（平均值）。其中SiO2和Al2O3含量最高，平均值分别为62.43%和11.16%；Fe2O3，MgO，CaO，Na2O，K2O和TiO2的平均含量分别为4.70%，2.03%，5.82%，2.24%，2.57%和0.63%；P2O5和 MnO含量最低，其平均值只有0.12%和0.10%，常量元素空间分布如图2所示。

表1 研究区表层沉积物常量元素含量统计Tab.1 Statistics values of major elements in surface sediments of study area %

图2 长江口外海域表层沉积物常量元素含量分布（%）Fig.2 Distribution of major elements of surface sediments from Changjiang River Estuary（%）

3 讨论

3.1 元素相关性分析

应用SPSS13.0软件包对长江口外海域表层沉积物的常量元素氧化物进行相关性分析（表2），结果表明SiO2含量与Al2O3，Fe2O3和MgO等绝大多数元素呈负相关，仅与MnO之间有较弱的正相关性，这主要是因为SiO2是沉积物中占主导的化学组分，其含量的变化直接影响到了其它元素的含量，即SiO2的 “稀 释 剂”作 用［5－6］。Al2O3，Fe2O3，MgO，K2O，P2O5和TiO2之间存在显著的正相关关系，它们应与黏土矿物密切相关。沉积物中的Ti在表生作用中比较稳定，属于惰性元素，风化后难以形成可溶性化合物，可作为陆源碎屑组分的指标［7－8］，因此，与 Ti显著相关的Al2O3，Fe2O3，MgO，K2O和P2O5等元素均具有陆源输入的特征。CaO和CaCO3之间具有显著正相关性，表明两者的同源性，可能主要与钙质生物有关。而MnO与TiO2无明显的相关性，指示了其复杂的来源背景。

元素间具有这些相关性特征的原因可能主要有2个方面：其一，长江口外海域沉积物所含的陆源碎屑物质中许多元素在母岩中就常共生或伴生在一起，经风化、搬运、再共生沉积于研究区内，其在母岩中的相关性必然也会体现在沉积物中；其二，以离子态搬运的元素，在因为环境物理化学等条件的改变而形成胶体沉淀时，往往也会吸附与其具有相似地球化学行为的其他元素离子共同沉淀，这也会导致沉积物中某些元素的强相关性［5－6］。

表2 常量元素氧化物之间的相关性分析（n＝187）Tab.2 Correlation coefficients of major element oxides of surface sediments in study area（n＝187）

3.2 元素组合特征

沉积物中各元素组分含量的变化一方面与元素固有的地球化学行为有关，另一方面又与沉积物化学成分复杂的多因素控制有关［8］，为了充分了解控制沉积物化学组成的因素，分析长江口外海域沉积物的物质来源及其沉积环境，本文应用SPSS 13.0软件包对长江口外海域表层沉积物的常量元素氧化物进行R型因子分析。分析前对数据进行预处理，去除异常值，数据标准化后选取极大方差旋转法作为因子分析主成分分析的旋转法，选取公因子载荷大于1.0的元素，可得3个主因子，其方差贡献累加值为82.947%（即代表了原始数据全部信息的82.947%）（表3）。方差特征值在取3个因子时大于1，因此这3个因子完全可以提供原始数据的足够信息。

从表3也可以看出各元素之间的组合关系。第一主因子F1的方差贡献为42.710%，对研究区表层沉积物化学组分有决定性的影响，其元素组合为SiO2，Al2O3，Fe2O3，MgO，TiO2和P2O5和 MnO，其中SiO2为负载荷，其它几种元素均为正载荷，除MnO外其他几种元素呈明显的正相关（表2）。F1组合的主要特点表现为表生环境下地球化学性质稳定的Al2O3，Fe2O3，MgO，TiO2和P2O5等元素赋存于细颗粒陆源碎屑和黏土矿物中，而SiO2表现为负载荷，其含量变化与其它元素含量变化呈消长关系，起稀释作用，主要因为SiO2通常赋存在石英碎屑和其它硅酸盐碎屑等较粗粒的陆源碎屑进行搬运［9］。因此，可以认为F1因子代表了细颗粒的陆源碎屑沉积，是控制研究区沉积物化学成分的最主要因素。

F2的方差贡献为29.836%，仅次于F1因子，元素组合为CaO，K2O，CaCO3和 TOC，其中CaO和CaCO3为正载荷，且两者的相关系数达到0.992，反映出长江口外海域沉积物中钙元素与CaCO3基本上以同一存在形态即碳酸钙的形式存在，CaO为生物沉积碳酸盐的重要组分，主要以粗粒碎屑形式存在［9］，反映了研究区生物碎屑碳酸盐沉积对陆源沉积的稀释，因此CaO和CaCO3可能代表了粗颗粒生物碎屑组分。而TOC为负载荷，与前两者呈显著负相关。海洋沉积物中的TOC主要来源有2种：一种为陆源碎屑输入，另一种为海洋自生成因，主要是海洋浮游植物等初级生产力产物通过水层沉积后形成［8］，而TOC与TiO2的相关性较为明显（表2），可以认为研究区TOC主要以陆源输入为主。因此，F2因子主要代表了海洋生物与陆源的混合沉积。

F3的方差贡献为10.401% 元素包括Na2O 由于海洋沉积物中Na2O属于易迁移元素［10］，海水中的Na元素常以吸附和阳离子交换的形式在海底细颗粒沉积物中富集［11］，且Na2O与TiO2等陆源物质没有明显的相关性，因此F3可能代表了研究区内的海洋化学沉积。

综合常量元素氧化物的R型因子分析结果可知，长江口外海域的沉积作用主要有3种类型，可能分别代表了陆源碎屑沉积、生物和陆源混合沉积以及海洋化学沉积，其中陆源碎屑沉积占主导地位。

表3 长江口表层沉积物常量元素氧化物因子分析及特征值Tab.3 Factor analysis and characteristic values of major elements of surface sediments in Changjiang River Estuary

3.3 元素地球化学指标的环境指示意义

由因子分析结果可知，研究区沉积物主要来自长江入海物质，而长江流域面积广，支流众多，大量的源岩经风化、搬运、堆积在河口及其周边海域，这就导致了其入海沉积物元素组成具有多源混合的特征。已有研究表明，化学风化在长江流域沉积物中占主导地位［10］，因此可以通过研究区表层沉积物化学风化程度来示踪长江入海物质的输运特征。沉积物中Al／（Al＋K＋Na＋Ca），K／Na，K／Ca，Al／Na及 Fe／Mg等比值经常被用作化学风化强弱的指标，化学风化强，比值高，化学风化弱，比值低［12］，原因在于化学风化时Na和Ca最易迁移、淋失，Mg在强烈风化时也易活动，而K，Al及Fe元素则多保存在风化形成的黏土中而产生聚集。另外，化学风化指数CIA是一个综合反映沉积物风化程度的参数，其计算公式为CIA＝［Al2O3／（Al2O3＋CaO＊＋Na2O＋K2O）］×100）［13－20］，其中 CaO＊为硅酸盐中的 CaO含量，根据公式CaO＊＝0.35×2（Na2O%）／62计算［21］。这些参数的共同运用可很好地反映化学风化情况［22］。本文选择Al2O3／Na2O和CIA为指标研究长江口表层沉积物的风化程度，进而探讨长江入海物质在河口及其周边海域的堆积范围，Al2O3／Na2O和CIA的空间分布如图3和图4所示。由图可以看出两者有一个共同的特征，即长江口及其以南的123.5°E以西海域，Al2O3／Na2O和CIA等值线基本平行于海岸线，其中 Al2O3／Na2O值大于5.5，CIA值大于70；而123.5°E以东海域，Al2O3／Na2O和 CIA空间分布较为均一，Al2O3／Na2O值界于4.5～5.5之间，CIA值在68～70之间。考虑到东海内陆架区域流系主要以台湾暖流和闽浙沿岸流为主，其中台湾暖流主要影响中、外陆架区域，除冬季其表层可能受偏北风的影响，流向偏南外，其余各层流向变化不大，

图3 长江口表层沉积物Al2O3／Na2O空间分布图Fig.3 Distribution of Al2O3／Na2O of surface sediments from Changjiang River Estuary

为验证本文所得长江物质入海输运范围的可靠性，收集了前人对于长江河流沉积物的常量元素分析结果，重新计算得到Al2O3／Na2O和CIA平均值（表4），可以看出，Al2O3／Na2O值在6.37～17.79之间，CIA值在74～82之间，两者均略高于本文的测试结果，其主要原因可能是由于本文的研究区处于长江口外较大的范围，沉积物在入海运移过程中受稀释作用的影响，Al2O3／Na2O和CIA值稍低。因此，可以认为本文划分的现代长江入海物质输运范围基本可靠。流向几乎终年一致地沿等深线流向东北，近底层更为明显。台湾暖流的流速一般为15～20cm／s，当到达长江冲淡水远岸段时，逐渐减弱为10～20cm／s［23］。近岸内陆架区域主要受闽浙沿岸流控制，闽浙沿岸流具有季节变化特征，夏季盛行西南风，故沿岸流向东北，而冬季则盛行东北风，沿岸流向西南方向。两种流系的水体性质存在较大的差异，闽浙沿岸流主要来源于大陆入海河流，其水体盐度值较低，而台湾暖流则有高温、高盐的特点。因此通过对东海陆架区水体温度、盐度的测定即可大致确定闽浙沿岸流和台湾暖流的影响范围，两者的分界线基本上平行于海岸线，大致位于30～35m等深线附近［24］。因此，结合东海陆架区水动力格局，我们推断Al2O3／Na2O和CIA的空间分布特征大致可以反映长江入海物质的堆积范围基本在123.5°E以西海域，闽浙冬季沿岸流是其主要驱动力。

图4 长江口表层沉积物CIA空间分布图Fig.4 Distribution of CIA of surface sediments from Changjiang River Estuary

表4 长江入海沉积物Al2O3／Na2O和CIA平均值统计Tab.4 Average values of Al2O3／Na2O and CIA in sediments from Changjiang River

4 结论

通过对长江口外海域187个表层沉积物样品中常量元素氧化物分布规律的分析，得到以下几点结论：

（1）研究区表层沉积物常量元素氧化物主要由SiO2，Al2O3，Fe2O3，MgO，CaO，Na2O，K2O和 TiO2等组成，这8种组分约占沉积物总量的91.59%，其中SiO2和Al2O3含量最高，平均值分别为62.43%和11.16%。

（2）R型因子分析结果表明，研究区表层沉积物的常量元素氧化物可以分为3类：第1类包括SiO2，Al2O3，Fe2O3，MgO，P2O5，TiO2和 MnO，代表陆源碎屑沉积；第2类包括CaO，K2O，CaCO3和TOC，代表海洋生物和陆源混合沉积；第3类包括Na2O，可能与海洋化学沉积有关。

（3）Al2O3／Na2O和CIA的空间分布指示了长江入海物质主要堆积在长江口及其以南的123.5°E以西海域，闽浙冬季沿岸流是其主要驱动力。

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