东海内陆架沉积物敏感粒级构成及其地质意义*

田 元 范德江① 张喜林 陈 彬 王 亮 逄 悦

(1. 中国海洋大学海洋地球科学学院 青岛 266100; 2. 国土资源部青岛海洋地质研究所 青岛 266071;3. 国家海洋局第三海洋研究所 厦门 361005)

粒度是沉积物的基本属性, 它是沉积物分类和命名的依据, 如海洋沉积物Shepard分类方法和Folk的分类方法, 它们都是依据沉积物粒级组成进行了分类(Shepard, 1954; Folk et al, 1970)。粒度也是进行沉积环境恢复和重建的重要指标, 其中粒级参数、粒级分布和统计学图表在沉积相和古环境研究中被广泛应用(Krumbein, 1934; Folk et al, 1957; Passega,1957; Visher, 1969; Clark, 1976; Syvitski, 1991; Prins et al, 2000; Davis et al, 2002)。近年来出现了敏感粒级的概念, 它特指在岩芯中变化强烈的粒级组分, 并借助粒度-标准偏差法、主成分因子分析法、拟合函数法和端元粒度模型提取敏感性粒级(孙东怀等, 2001;陈国成等, 2007; 张存勇等, 2009; Weltje, 1997;Boulay et al, 2003)。学者们试图利用敏感性粒级组成作为特定地质作用的指标(肖尚斌等, 2005a; Liu et al,2010b; Fan et al, 2011; Huang et al, 2011; Hu et al,2012), 如肖尚斌等(2005a)通过敏感粒度组分并反演了 8ka来的东亚季风变化, 向荣等(2006)依据岩芯中敏感性粒级组分重建了末次冰期以来东亚冬季风的变化; 然而, 李云海等(2010)对闽浙沿岸泥质区南部沉积中心的沉积物冬、夏季表层样的分析, 认为冬季和夏季敏感粒级相同, 且该区域的表层样敏感粒级和柱状样敏感粒级相似。迄今为止, 不同学者对敏感性粒级的构成以及替代性作用的认识不一致, 缺乏对敏感性粒级组分成因机制的了解。

东海内陆架泥质区高海平面以来沉积环境稳定,是在东亚季风、长江输入、海洋动力环境等因素共同影响下沉积作用的结果; 该区沉积体厚度大、连续性好, 成为研究古环境信息的重要载体。前人利用沉积物岩芯沉积学记录开展了较多的冰后期以来古环境、古气候方面的研究, 取得了重要的成果(肖尚斌等,2005b; 向荣等, 2006; 刘升发等, 2010; Wang et al,2005; Liu et al, 2010a; Liu et al, 2010b), 其中个别学者涉及到敏感性粒级的古气候恢复研究(向荣等,2006)。前人的研究多集中在单个岩芯的敏感粒级提取与解析, 对内陆架不同区域的对比研究较少见, 对东海内陆架泥质区从北到南不同沉积位置的敏感粒级组成的差异不清楚, 对敏感性粒级的形成机制未进行深入分析。为此, 本文通过对东海内陆架泥质区3根岩芯(图 1)敏感性粒级的对比研究, 阐明该区的敏感性粒级构成, 探讨敏感性粒级的形成机制, 为更好地利用敏感性粒级进行古环境和古气候研究提供依据。

1 研究区概况

东海西靠中国大陆, 东临琉球群岛, 北接黄海,南以台湾海峡与南海相连, 面积约 70×104km2, 平均水深为 130m。东海大陆架是世界上最为宽广的陆架之一, 平均坡度仅为4′17″, 平均水深78m。50—60m等深线将其分为内陆架和外陆架两部分, 内陆架海底地形底质相对复杂, 外陆架相对平缓。

沿着东海内陆架发育著名的泥质沉积带, 它发育在水深50m左右的近海海域, 紧靠浙江、福建海岸(秦蕴珊等, 1982; 郭志刚等, 2003; Saito et al,1995)(图1)。泥质区向外则是相对粗颗粒的被改造残留沉积物(Liu et al, 2007)。长江输入东海的巨量沉积物以及该区的海洋动力环境共同塑造了东海内陆架现代沉积作用。由河流带来的巨量泥沙输送入海并沉积于河口以及内陆架等海域, 形成厚度不一的陆源碎屑沉积层(秦蕴珊, 1987; 李家彪, 2008)。内陆架区域沉积动力环境主要受控闽浙沿岸流和台湾暖流(郭志刚等, 2000)。其中闽浙沿岸流随季节变化, 夏季因东南季风盛行流向北,冬季由于偏北季风盛行而向南运移(秦蕴珊, 1987); 而台湾暖流在东海中内陆架终年存在,沿50—100m等深线向北流动(Su et al, 1987)。冬季闽浙沿岸流将再悬浮的长江口门及附近的沉积物向南输运, 又由于台湾暖流的“顶托”作用阻挡了其携带的物质向东海中外陆架输送, 使得沉积物沉积在123°E以西的闽浙沿岸, 形成东海内陆架泥质沉积区(杨作升等, 1992; 郭志刚等, 1999), 是东海现代陆架的沉积中心, 是长江入海物质的“汇”(Yang et al,1994; Saito et al, 1995)。

2 采样与研究方法

2.1 研究站位和样品采集

沉积物岩芯D1、D2、D3由“东方红2号”科学考察船分别在2006年、2009年、2011年的三个航次中利用重力取样器取得。其中, 岩芯 D1(122.6167°E,31.0167°N)位于长江口泥质区, 水深 20.4m, 岩芯长度为 226cm。岩芯 D2(122.4529°E, 29.2088°N)、D3(121.8690°E, 27.7997°N)位于闽浙沿岸泥质沉积区,水深分别为 40m、53.8m, 岩芯长度均为 180cm。岩芯站位见图1。所采集的沉积物岩芯于室内进行分样,从中间剖分, 按照 0.25cm 的间隔分样, 并把样品装入塑料样品袋中, 室温保存。

图1 研究区及采样站位分布图。底图据Su等(1987)和Liu等(2006)重绘Fig.1 Map of sampling sites. The base map was modified from Su(1987) and Liu et al(2006)

2.2 粒度分析方法

采用激光粒度分析仪进行沉积物的粒度分析。实验步骤如下: 取0.5—1g左右的样品放入100mL的干净烧杯中, 加入 5mL浓度为 30%的 H2O2, 静置 24h以去除有机质; 加入3mL分散剂(0.5mol/L六偏磷酸钠)超声 30min确保足够分散并待上机测试。实验仪器为英国Malvern公司的Mastersizer 2000 型激光粒度分析仪, 该仪器测量范围为 0.02—2000μm, 粒级分辨率为0.01Φ, 重复测量的相对误差＜3%。实验在中国海洋大学海底科学与探测教育部重点实验室完成。粒度分级采用伍登-温德华-Φ 值标准, 粒度数据以 0.25Φ的采集间隔导出, 粒度参数采用 McManus矩法公式(McManus,1988)计算。

3 结果与讨论

3.1 岩芯的粒度特征

岩芯的粒度具体统计结果见表1。三根岩芯沉积物组成均以粘土和粉砂为主, 其中砂平均含量均小于 3%, 粉砂平均含量在 67%—71%之间, 粘土平均含量在27%—31%之间。各岩芯平均粒度参数中, 中值粒径 Md 7.1—8.9μm, 平均粒径 Mz 6.5—10.9μm;分选δ均较差; 偏态Sk仅D2为负偏态, 其余为正偏态; 峰态Ku均为宽峰态。

从平均粒径垂向变化图(图2)上可以看出, 3根岩芯的平均粒径主要分布在6—8μm之间, 值得注意的是, 各岩芯均有明显峰值出现。

表1 岩芯粒度参数Tab.1 Grain size distribution in the sediments from the cores

图2 平均粒径垂向分布图Fig.2 The vertical profiles of the mean grain-size distribution

3.2 敏感粒级提取

采用粒径-标准偏差法(Boulayet al, 2003)对粒度分析结果进行敏感粒级的提取, 各个岩芯的粒级-标准偏差曲线如图3所示。根据图3确定各个岩芯的敏感粒级, 岩芯 D1、D2、D3粒级-标准偏差曲线基本一致, 它们可识别出3个敏感粒级区间, 分别称之为敏感粒级1、敏感粒级2和敏感粒级3(表2), 其中敏感粒级2在所有3个岩芯中标准偏差值最大, 表明其在岩芯中的波动强烈, 具有最好的环境变化指示作用。从长江口向南, 敏感粒级区间逐渐向细颗粒方向偏移的趋势, 以敏感粒级 2、3的界线的偏移更加明显, 岩芯 D1、D2、D3 的该界线分别为 272.62、229.25、114.63µm。敏感粒级 1、2的界线亦有偏移, 但是偏移幅度很小。这种偏移现象与长江入海沉积物向南搬运过程中发生的沉积分异作用有关。

图3 粒径-标准偏差曲线图Fig.3 The standard deviation vs. grain-size of the cores

表2 岩芯敏感粒级(单位μm)Tab.2 The sensitive grain-size groups

3.3 敏感性粒级形成机制分析

东海内陆架沉积物以陆源碎屑占据绝对优势,沉积物粒级构成受到牵引流搬运和沉积作用的总体控制。为此, 可以利用沉积物粒度分布形式揭示沉积物的搬运特征, 进而探讨敏感粒级的形成机制。

3.3.1 搬运特征分析 沉积物粒度的概率累积曲线能直观地展现沉积物搬运特征(Visher, 1969;Glaisteret al, 1974; 郑浚茂等, 1980; 袁静等, 2011)。三根岩芯的概率累积曲线表现形式一致, 包括三种情况: 一段式、两段式、三段式(图 4)。一段式主要出现于岩芯中的平均粒径较细的常态沉积物中, 以悬浮式搬运为主; 两段式主要出现于岩芯中较粗夹层的沉积物中, 分为两个搬运次总体, 即跳跃次总体和悬浮次总体, 截点在5—6Φ之间; 三段式见于岩芯的个别层位之中, 除了悬浮搬运次总体外, 粗粒段出现典型的推移载荷, 推移次总体和悬浮次总体的截点在4Φ附近。

为进一步揭示该区沉积物的机械搬运形式, 对该处岩芯沉积物粒度的C-M图式进行分析(图5)。在粒度的C-M图中, C值与样品中最粗颗粒的粒径相当,代表了水动力搅动开始搬运沉积物的最大能量; M值代表了水动力的平均能量。典型的牵引流型 C-M图包含N-O-P-Q-R-S等线段, 代表滚动、递变悬浮、均匀悬浮等沉积物搬运形式(Passega, 1977)。因为本区三根岩芯长度都在 250cm以下, 据该区的沉积速率估算它们的形成时间都在最近250年以内, 而这期间该处沉积环境基本稳定(Yanget al, 1994; 郭志刚等,2000, 2003; 肖尚斌等, 2005a), 所以以岩芯不同层位样品集合形成C-M图解(图4)。三个岩芯的C-M图具有基本相同的形式, 各个岩芯样品的散点落在3个区域, 即图中的L-1、L-2、L-3。L-1的C、M值呈现同步变化, 形态大致平行于 C=M 线, 为递变悬浮搬运次总体。L-2样品点较集中, C值变化部明显, 因为它紧邻L-1, 且M值比L-1小, 分析认为属于均匀悬浮搬运次总体。相比于L-1、L-2, L-3样品点较分散, 特点是M值变化不大, 并且M值位于均匀悬浮次总体的 M 值范围之内, 分析认为该次总体属于细颗粒沉积物中所含的少量的粗颗粒, 它们属于生物碎屑, 以悬浮或者推移方式进行搬运。需要注意的是D1、D2、D3三个岩芯递变悬浮次总体、均匀悬浮次总体的分界分别在 14、12和 12µm, 与敏感粒级 1、2的分界一致; 三个岩芯的均匀悬浮次总体和生物碎屑的分界分别在200、200、和100µm左右, 也与敏感粒级2、3的分界基本一致。

3.3.2 敏感性粒级的成因 根据前文分析可知,研究区沉积物组成分为三个敏感粒级,粒级 1(0—12μm 或 0—14μm)、粒级 2(12—200μm 或 14—100μm)和粒级3(大于200μm或大于100μm), 接下来对这三个敏感粒级的成因进行讨论。

敏感粒级 1: 它构成了本区沉积物的主体部分,粒级区间与概率累积曲线上的悬浮载荷相对应(图6)。该粒级是本区沉积物中最细的组成部分, 概率累积曲线图指示其为悬浮载荷, C-M图进一步证实该沉积物属于均匀悬浮载荷, 它可以随着水体进行长距离搬运, 海洋动力弱的海况下有利于该粒级沉积物的沉积。夏季段, 浙闽沿岸流衰退, 风浪能量弱, 有利于该粒级沉积物的沉积和保存; 冬季时段, 虽然沿岸流和风浪作用强烈, 但是由于絮凝作用、生物过程以及海洋锋面过程等的存在, 也能促使该粒级的沉积物发生沉积。

敏感粒级 2: 其含量仅次于敏感粒级 1, 且在岩芯中波动最明显, 粒级区间与概率累积曲线上的推移载荷(两段式)以及悬移载荷(一段式)相对应(图6)。虽然概率累积曲线指示该粒级既有推移载荷又有悬移载荷, 但是从 C-M 图显示该粒级属于递变悬浮搬运次总体, 说明这部分沉积物在水柱中的含量是变化的, 并且存在与底质沉积物交换的可能。该粒级沉积物概率累积曲线斜率大、分选好, 反映水动力能量较大。该海域冬季时期受到来自西伯利亚冷空气的影响, 风浪大, 同时冬季浙闽沿岸流强劲, 可以认为该部分沉积物主要为冬季沿岸流搬运并沉积而成的。敏感粒级2既出现于平均粒径较粗的层位中, 也出现于平均粒径较细的常态层位之中, 可以认为该粒级为该区正常海况环境下的沉积产物, 这与肖尚斌等(2005a)认为大于45μm的粗粒组分为风暴流携带的沉积物的认识有所不同。

敏感粒级 3: 它是本区最粗的沉积物, 出现在平均粒径较细的沉积物之中, 粒级区间与概率累积图中的推移载荷相对应(图 6)。它在概率累积曲线上表现为典型的推移载荷, 但是在 C-M 图上则表现为近平行于C轴的较宽的带状区域, 与牵引流的推移载荷段明显不同。联系到该海域具有高的初级产生力(王亮, 2014), 硅藻、甲藻以及底栖生物发育, 在分样中也见到保存程度不一的生物碎片, 为此认为该敏感粒级主要属于生物成因。由于是生物来源, 它可以直接来自该处底栖、浮游生物的硬体, 或者来自周边再悬浮生物碎片, 它们与该处的水动力条件不一致。

图4 三根岩芯沉积物粒度概率累积曲线图Fig.4 The probability cumulative curves of sediment grain sizes of the cores

图5 三根岩芯沉积物粒度C-M图Fig.5 C-M diagrams of grain sizes of the cores

图6 概率累积曲线与粒径-标准偏差曲线对比图Fig.6 Comparison between probability cumulative curve and standard deviation-grain size

4 结论

东海内陆架现代沉积物发育大致相同的三个敏感性粒级, 分别是敏感粒级 1(＜12µm)、敏感粒级2(12—225µm)和敏感粒级 3(＞225µm)。从北到南敏感粒级区间具有逐渐向细颗粒方向偏移的趋势, 以敏感性粒级2、3的界线的偏移较明显, 敏感性粒级1、2的界线偏移幅度很小。这种偏移现象与长江入海沉积物向南搬运过程中发生的沉积分异作用有关。

敏感粒级1和2分别由均匀悬浮次总体、递变悬浮次总体构成, 代表不同水动力环境下的搬运沉积的结果。而敏感粒级3则由生物过程产生, 难以反映水动力条件。结合该区的海洋动力特征, 敏感粒级 2可较好地指示冬季海洋动力的强弱, 并进而揭示东亚冬季风强度的潜在意义。

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