辽东湾表层沉积物碎屑矿物组合分布及其对物源和沉积物扩散的指示意义

王利波，李军＊，赵京涛，窦衍光，胡邦琦，孙荣涛

（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.国土资源部 中国地质调查局 青岛海洋地质研究所，山东 青岛266071；3.山东理工大学 资源与环境工程学院，山东 淄博255049）

1 引言

国际“大陆边缘计划”（MARGINS program）将“从源到汇”（Source to Sink）作为其核心科学研究领域之一［1］。陆源入海沉积物的来源和在大陆架地区的分布、扩散模式是“源－汇”过程的重要研究内容。中国东部陆架海沉积物的物质来源研究成果丰硕，但主要集中在细颗粒沉积物区［2－9］。对于粗颗粒沉积物而言，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，被广泛应用于物质来源的研究［10－20］。

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。虽然黄河每年向渤海注入十亿吨级的巨量泥沙［21－22］，但绝大部分都沉积于河口地区［23］，其余主要向南、东南方向搬运［24－25］，对辽东湾的影响不大［2，12，26］，而湾周边河流沉积物直接注入其中，对表层沉积物的物质组成有很大的影响。辽东湾海底大部分被现代陆源碎屑沉积物所覆盖，但在辽东浅滩处存在争议，一种观点认为它是残留沉积［26－27］，另一种观点认为它是全新世潮流沉积，物质来自老铁山水道的侵蚀［28－29］。表层沉积物粒度在湾顶和湾西南部较细，为泥质沉积，在湾东、西近岸及辽东浅滩处粒度较粗，为砂质沉积，在湾中部为过渡区［26，30－31］。潮流场在沉积物输运中起主导作用［32］。

前人已对渤海表层沉积物中的碎屑矿物进行了研究［12－13］，将辽东湾海域划分为六股河、辽河、长兴岛和过渡矿物亚区，并分析了物质的来源，为后期研究奠定了基础，但取样点较少。本文利用取样间隔较密集的调查数据，在前人基础上，分析辽东湾表层沉积物中碎屑矿物的组合和分布，并结合周边河流入海沉积物碎屑矿物组合及海洋水动力场特征，讨论沉积物的来源和扩散。

2 样品与方法

本文鉴定的128样品于2010年在渤海辽东湾海域采集（图1），有两种取样方式，箱式取样40个，振动柱状取样88个。选取表层0～10 cm的沉积物进行分析。

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，相对体积质量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。

粒度组分含量和轻、重矿物组分含量是成分数据，各自的含量之和是固定常数100%，组分含量不能自由独立变化，一个组分含量的增大必然会使其他组分含量降低，数据统计分析存在问题。Aitchison提出用成分数据对数比值（log－ratio）代替原始数据进行统计分析的方法［33］，其效果优于直接分析原始数据［34］。对数比值转换公式如下：

本文对轻、重矿物数据和已发表的沉积物粒度数据［31］，应用此对数比值公式转换，代替原始数据进行统计分析。

图1 辽东湾表层沉积物取样站位（平均粒径据徐东浩等［31］）

3 结果

3.1 轻矿物组成与分布

轻矿物质量百分含量平均值为93.7%，湾西北近岸局部海域较低，尤其是六股河口附近，其他大部分海域较高且稳定，在95%以上（见图2）。

共鉴定出石英、斜长石、钾长石、绿泥石、方解石、白云母和风化云母7种轻矿物，以及少量生物碎屑、有机质碎屑、岩屑和风化碎屑。石英含量最高，一般在65%～80%，斜长石次之，一般在12%～24%，钾长石一般在8%以下，其余轻矿物含量除绿泥石平均1.2%外，均不足1%。

石英含量高值区位于湾中部和东南近岸，湾北部和西部含量较低，斜长石与石英的分布特征相反，钾长石高值区位于六股河口附近，湾南部含量较低（见图2）。

3.2 重矿物组成与分布

重矿物质量百分含量平均值为6.3%，湾西北近岸海域一般高于5%，尤其是六股河口附近，可达10%～35%，其他大部分海域较低且稳定，在5%以下（见图3）。

图2 辽东湾表层沉积物轻矿物质量百分含量及主要轻矿物组分颗粒百分含量分布

图3 辽东湾表层沉积物重矿物质量百分含量及主要重矿物组分颗粒百分含量分布

除岩屑和风化碎屑外，共鉴定出38种重矿物。根据颗粒百分含量，重矿物以普通角闪石为主（29.9%），绿帘石次之（20.6%），两者含量之和达50%以上。磁铁矿（8.2%）、石榴子石（7.5%）、钛铁矿（6.8%）、榍 石 （4.4%）、阳 起 石 （4.1%）、褐 铁 矿（3.9%）、赤铁矿（2.8%）、磷灰石（1.4%）和普通辉石（1.1%），它们的含量之和达40%以上。黝帘石、锆石、透闪石、黑云母、电气石、透辉石、紫苏辉石、绿泥石分布虽广，但含量不高，总和仅4.2%。自生黄铁矿、水黑云母、白钛石、玄武闪、萤石、菱镁矿、白云石、菱铁矿、金红石、白云母、胶磷矿、霓石、霓辉石、红帘石、褐帘石、蓝闪石、绿柱石、红柱石和磷钇矿等在辽东湾表层沉积物中分布既不广，含量也低。

主要重矿物颗粒百分含量的分布特征如图3所示。普通角闪石在湾东北部和中南部有两个高值区，含量在35%～45%之间；在湾西北近岸，尤其是六股河口附近含量较低（＜25%）。绿帘石含量高值区位于湾中部和西部，处于26%～30%之间；六股河口和湾东南部含量较低（＜18%）。石榴石在湾中部和南部含量相对较高（约10%～16%），六股河口和小凌河口附近含量低（＜4%）。磁铁矿在湾西北近岸含量一般均高于5%，在六股河口具有最高值（15%～45%），其他海域均低于5%。钛铁矿在湾中部和西北部近岸含量高（10%～16%）。赤铁矿与磁铁矿的分布特征一致，在六股河口含量较高（6%～16%）。褐铁矿的分布特征与磁铁矿、赤铁矿相近，也呈西北近岸高、其他海域低的特征，但极高值区出现在大凌河口附近。榍石在湾北部和西南部含量相对较低。阳起石的分布特征与普通角闪石相似。磷灰石含量普遍较低，在湾中部有一条呈NE－SW向的带状低值区，含量低于1%，仅在六股河口外和湾西南角的个别样品中含量高于2%。普通辉石含量高于1%的区域位于湾西部和西北部。超稳定矿物（电气石加锆石加金红石）在六股河口附近、湾东部、东南部含量高，在1.5%以上，最高可达4%，在湾北部和西南部含量较低，一般小于1%。

3.3 组合分区

以重矿物质量百分含量和主要轻、重矿物组分颗粒百分含量的对数比值为变量，使用SPSS软件，选择组间联接方法，对辽东湾表层沉积物进行Q型聚类分析。根据聚类结果，辽东湾表层沉积物可以划分为两个碎屑矿物组合区和6个亚区（图4），各区特征矿物含量如表1所示。

图4 辽东湾表层碎屑矿物分区

表1 辽东湾表层沉积物碎屑矿物分区的轻、重矿物平均含量

A区位于辽东湾西部近岸海域，钾长石含量全湾最高，是该区的特征轻矿物。重矿物质量百分含量、磁铁矿和赤铁矿含量全湾最高，而普通角闪石、石榴子石、阳起石含量全湾最低。磁铁矿和赤铁矿可作为本区的特征重矿物。上述碎屑矿物分布特征在六股河口最明显，并且绿帘石、钛铁矿、褐铁矿在六股河口的含量低于六股河口北部近岸的含量，据此分布特征，A区可细分为两个亚区：六股河矿物亚区（A1）和辽东湾西北近岸矿物亚区（A2）（见图4）。

B区范围大，碎屑矿物分布特征比较复杂，利用聚类分析等统计学方法难以进一步分区，但通过分析主要碎屑矿物的分布特征，可细分为4个亚区（图4），包括（1）辽东湾东北部矿物亚区（B1），普通角闪石、阳起石、片状矿物含量高，石榴子石、磁铁矿、钛铁矿、赤铁矿、褐铁矿含量低；（2）辽东湾中部矿物亚区（B2），石英、绿帘石、石榴子石、钛铁矿、榍石含量高，斜长石、普通角闪石、赤铁矿、褐铁矿含量低；（3）辽东湾南部矿物亚区（B3），普通角闪石、阳起石、片状矿物含量高，重矿物质量百分含量、石榴子石、磁铁矿、钛铁矿、赤铁矿、榍石含量低；（4）辽东湾浅滩矿物亚区（B4），石榴子石、钛铁矿含量高，普通角闪石和绿帘石的含量低。

4 讨论

4.1 碎屑矿物特征指数分析

根据抗风化能力，重矿物可划分为超稳定、稳定、中等稳定、不稳定和极不稳定五类［35］，将（稳定加中等稳定）／不稳定比值作为重矿物的稳定性指标。结果显示，六股河口外的A1亚区全湾最高，B1和B3亚区比值小。该比值通常用于指示碎屑矿物的风化溶解程度［11，18］，然而本文数据似乎不能说明A区沉积物的化学风化程度高于B区，因为辽东湾及其周边入海河流同处于我国东北部，化学风化作用相似且总体不强，这种分布特征可能更多的是对物质来源的反应。例如，六股河入海沉积物以高磁铁矿（主要稳定矿物）、低普通角闪石（主要不稳定矿物）为特征，相应地在六股河口该比值较高；辽河入海沉积物以高普通角闪石、低磁铁矿和钛铁矿为特征，相应地在辽河口外该比值较低。

ZTR指数（锆石、电气石和金红石三者含量之和），是衡量沉积物重矿物成熟度的参数，并具有一定的物源指示意义［11，36］。辽东湾周边河流入海沉积物的ZTR指数均不足1%［37］，而表层沉积物的ZTR指数大部分在1%以上，这说明沉积物入海后，在复杂因素的作用下，成分成熟度有变大的趋势。

石英／长石比值是用于评价沉积物轻矿物成熟度的传统指标［38－39］。辽东湾表层沉积物石英／长石比值，除西北近岸和西南部局部海域外，大部分大于3，而周边河流入海沉积物的石英／长石比值均小于3［37］，也指示入海沉积物成分成熟度有变大的趋势。但是，表层沉积物中轻矿物成熟度与重矿物成熟度的分布范围并不相同，这种差异可能除受碎屑矿物自身的风化稳定性影响外，物源和机械分异作用也是重要影响因素。

4.2 碎屑矿物组成与分布的影响因素

将表层沉积物的平均粒径和分选系数与重矿物质量百分含量、矿物颗粒百分含量的log－ratio值进行相关分析（见表2）。结果显示，重矿物质量百分含量与分选系数呈正相关，与平均粒径（Ф值）呈负相关关系，这表明沉积物粒度越粗或分选越好，重矿物越富集。一般而言，粒度粗、密度大的颗粒难搬运而易沉降，在强水动力作用下，沉积物被淘洗，粒度粗、密度大的颗粒沉积下来，重矿物含量与粒度的关系体现了入海沉积物的机械分异作用，指示海洋水动力条件是入海沉积物碎屑矿物组合分布的重要影响因素。然而，大多数重矿物组分与沉积物粒度并未表现出良好的相关性，说明海洋水动力和颗粒密度虽然能够影响碎屑矿物的组成分布，但并非控制因素，碎屑矿物的组成分布主要受物源控制。

4.3 沉积物来源与扩散

辽东湾三面靠陆一面向海，比较封闭，沉积物来源主要有3个途径，即周边河流输入、邻近海域输入和沿岸侵蚀物质，其中河流输入物质的贡献量最大，以大凌河和辽河为主（见表3），但河流入海沉积物主要沉积在近岸河口三角洲区域［40］，少量向外扩散［26，29］。在陆架浅海区，大部分海域潮流为 NESW向的往复流，以M2分潮为主，流速在60 cm／s以上［42］。如此强的潮流作用，是该粒级组分以及更粗粒级组分得以搬运的主要动力。

根据前期研究［37］，辽东湾周边河流位于两个构造块体之上，不同的基岩类型导致湾东西两侧河流入海沉积物重矿物组成差别很大（见图5）。将辽东湾表层沉积物和河流入海沉积物的普通角闪石／磁铁矿比值和石榴子石／钛铁矿比值做散点图（见图6），结果显示，A、B两个碎屑矿物区能够较好地区分，A区的投点与六股河、小凌河和大凌河相近，B区的投点与双台子河、大辽河和复州河相近。

图5 辽东湾周边河流沉积物重矿物组成

图6 辽东湾表层沉积物普通角闪石／磁铁矿与石榴子石／钛铁矿散点图

虽然A区沉积物也与小凌河、大凌河沉积物的重矿物组成相近，但是本文认为A区沉积物主要来源于六股河、湾西北入海小溪和沿岸侵蚀物质，小凌河和大凌河的影响不大。A1亚区位于六股河口，沉积物重矿物组成与六股河十分相似，都以极高含量的重矿物、磁铁矿和钾长石为特征，因此A1亚区表层沉积物主要来源于六股河，这与前人研究相同［12－13］。A2亚区位于湾西北近岸海域，若干小型山溪注入其中，它们流域的基岩类型与六股河流域相近，均广泛出露太古期片麻状花岗岩［44］，据此推测它们入海沉积物重矿物组成也可能与六股河相近，富含磁铁矿、钛铁矿矿、赤铁矿等变质作用副矿物，与该亚区的重矿物组成相似，所以这些入海小溪是A2亚区沉积物的重要来源。该亚区沿岸基岩类型也以太古期片麻状花岗岩为主，海岸侵蚀的产物也是A2亚区沉积物来源之一。

辽河在六间房分流成双台子河和大辽河两股，年均入海泥沙10.021 Mt［45］，河口附近表、底层悬浮体含量居辽东湾最高［26，46］。与小凌河和大凌河相比，辽河入海沉积物中普通角闪石、阳起石和片状矿物的含量高，磁铁矿、钛铁矿、赤铁矿和褐铁矿含量低［37］。B1亚区位于辽东湾东北部，重矿物特征与双台子河和大辽河相似，与小凌河和大凌河差别较大，且辽河口外的悬浮体高浓度区位于该亚区内［26，46］，因此B1亚区沉积物主要来源于双台子河和大辽河。小凌河和大凌河对该亚区也有一定的影响，例如小凌河普通辉石和褐铁矿的含量较高，相应地在其河口附近，即该亚区西北角出现这两种矿物的高值区（见图3）。B2亚区位于辽东湾中部，远离河口，重矿物组成与辽东湾周边河流均不相同，结合区域潮流场特征［43］，认为B2亚区可能为多源混合区。B3亚区位于辽东湾南部，重矿物组成与B1亚区相似，然而辽河和大凌河输入物质主要沉积于40°10′N以北的辽东湾顶部［26］，对该亚区影响小，底层流场指示沉积物具有从西部向该亚区搬运的趋势［43］，据此推测B3亚区西部主要受邻近海域物质的影响。在B3亚区东部，出现普通角闪石的高值区，而复州河沉积物以极高含量的普通角闪石为特征，这体现了复州河对B3亚区东部有一定影响。B4亚区位于辽东湾东南部、辽东浅滩潮流沙脊北端，以钛铁矿和石榴子石为特征矿物，与前人划分的辽东浅滩矿物亚区的重矿物特征一致［12－13］。早期的研究认为辽东浅滩潮流沙脊为残留沉积［26－27］，后来的研究发现它是全新世潮流的作用的产物，物质来自老铁山水道的侵蚀［28－29］。

5 结论

（1）辽东湾表层沉积物中轻矿物质量百分含量平均为93.7%，以石英、斜长石和钾长石为主，碳酸盐矿物和片状矿物含量极低；重矿物质量百分含量较低，平均为6.3%，共鉴定出38种重矿物类型，其以普通角闪石、绿帘石为主，磁铁矿、石榴子石、钛铁矿、榍石、阳起石、褐铁矿、赤铁矿、磷灰石和普通辉石次之。

（2）辽东湾表层沉积物重矿物ZTR指数和轻矿物石英／长石比值所代表的成分成熟度总体高于周边入海河流。碎屑矿物的组合分布主要受物源控制，海洋水动力和矿物颗粒密度也是重要影响因素。

（3）根据碎屑矿物组合分布特征，辽东湾可划分为A、B两个矿物区。A区包括六股河矿物亚区（A1）和辽东湾西北近岸矿物亚区（A2），B区包括辽东湾东北部矿物亚区（B1）、辽东湾中部矿物亚区（B2）、辽东湾南部矿物亚区（B3）和辽东湾浅滩矿物亚区（B4）。A区矿物组合为钾长石、磁铁矿、钛铁矿、赤铁矿和褐铁矿，主要受六股河、湾西北入海小溪和海岸侵蚀物质的影响，其中A1亚区沉积物主要来源于六股河。B区沉积物来源比较复杂，B1亚区矿物组合为普通角闪石、阳起石和片状矿物，主要受辽河入海沉积物的影响，B2亚区矿物组合为石英、绿帘石、石榴子石、钛铁矿和榍石，是多源混合区，B3亚区矿物组合为普通角闪石、阳起石和片状矿物，西部受邻近海域沉积物的影响大，东部受复州河沉积物的影响大，B4亚区是潮流沉积区，矿物组合为石榴子石和钛铁矿。

表2 辽东湾表层沉积物重矿物与粒度组分相关系数

表3 辽东湾周边河流水文特征

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