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现代黄河三角洲附近海域表层沉积物地球化学分区

2016-12-13赵玉玲冯秀丽田动会

海洋科学 2016年9期
关键词:莱州湾化学元素粉砂

赵玉玲, 冯秀丽, 宋 湦, 田动会



现代黄河三角洲附近海域表层沉积物地球化学分区

赵玉玲1, 2, 冯秀丽1, 2, 宋 湦1, 2, 田动会1, 2

(1. 中国海洋大学海洋地球科学学院, 山东青岛266100; 2. 海底科学与探测技术教育部重点实验室, 山东青岛 266100)

对取自现代黄河三角洲附近海域的表层沉积物样品进行粒度分析和地球化学元素分析。研究表明, 沉积物类型主要为砂质粉砂和粉砂, 表层沉积物粒度由近岸向渤海东部大致为由粗变细再变粗的趋势, 研究区大部分化学元素的含量和分布受沉积物粒度控制作用明显, 即“元素的粒度控制律”。运用Q型聚类法对研究区表层沉积物常微量元素进行分析, 并将其划分为3个地球化学分区, Ⅰ区主要集中在渤海中部海区, 该区化学元素含量高。Ⅱ区主要集中在莱州湾, 常微量元素含量比Ⅰ区稍低。Ⅲ区化学元素含量最低, 根据地理位置不同又可分为3个亚区。3个分区反映了不同物源和水动力环境对研究区沉积物分布的影响。

黄河三角洲; 表层沉积物; 粒度特征; 地球化学分区

元素地球化学是判断沉积物物质组成的重要指标之一, 它的含量变化及分布规律可以反映沉积物的物质来源, 示踪沉积物搬运和沉积过程[1-2]。许多学者对现代黄河三角洲附近海域沉积物的搬运和沉积作用作了大量研究。多数研究认为, 黄河入海物质堆积在渤海湾南部、渤海海峡南部、莱州湾以及从莱州湾向北到渤海中央的区域[3-4]。黄河泥沙入海后, 大部分沉积在河口三角洲和近海海域, 余者则在潮流和海流等因素的影响下, 扩散至较远的海区[5]。吕成功、陈真[6]分析了取自渤海77个表层样的8种化学成分和粒度特征。其研究结果显示这些表层样的8种化学元素的含量与黄海和东海接近, 表明渤海属于正常陆架海范畴, 其化学成分与沉积物粒度密切相关。但目前为止, 黄河及渤海湾北部河流(如海河等)入海物质及不同地理位置水动力环境对在现代黄河三角洲附近海域沉积物分布的影响范围尚未明确划分。因此本文对采自现代黄河三角洲附近海域表层沉积物的17种常量和微量元素进行分析, 研究其含量变化和分布特征, 并对其进行地球化学分区, 为进一步了解现代黄河三角洲附近海域沉积物分布特点提供支持。

1 区域背景

黄河受水盆地渤海, 是深入中国大陆的近封闭型浅海, 平均水深18 m, 最深处位于老铁山水道南支, 水深86 m[7]。通常将渤海分为: 辽东湾、渤海湾、莱州湾、中央海区和渤海海峡, 研究区涵盖黄河水下三角洲、渤海湾南部、渤海中央海区、莱州湾, 东面与渤海海峡相邻(图1)。

研究区海岸为粉砂淤泥质海岸, 其中黄河口附近为典型的扇状三角洲海岸, 海底地形从陆地边缘向渤海中央海区倾斜, 近岸水深浅, 靠近渤海海峡附近水深最深。近岸黄河口附近海区水深梯度大, 周围分布黄河水下三角洲。莱州湾大部分水深都在–10 m以内, 整个海底地形较为平缓。渤海海域周边有多条河流, 其中, 黄河、滦河、海河等为主要的入海河流(如图1), 它们定期向渤海输入源源不断的沉积物质, 其他的一些河流输沙量小, 贡献甚微。

研究区的主要海洋水文动力要素为潮汐、潮流、余流和风浪等。渤海潮波主要由半日分潮(M2)和全日分潮(K1)组成。M2分潮系统由渤海湾-莱州湾驻波和辽东湾驻波构成, 两个驻波节点(无潮点)分别在研究区黄河口附近海区和秦皇岛外[8]。由于风、径流、气压、密度差等因素引起的余流形成渤海环流, 渤海环流较弱, 流速一般为10~20 cm/s[9]。通常认为, 渤海暖流的余脉从渤海海峡北端进入黄海, 向西偏北而行, 至接近西岸时分为南北两段, 从而形成渤海主干流(图2)。

2 材料与方法

2.1 样品来源

在研究区取168个表层样进行粒度分析, 37个表层样进行地球化学元素分析, 取样站位分布见图3。表层沉积物取自浅水作业调查船, 搭载蚌式取样器, 取样点定位采用 DGPS 差分定位, 在室内对样品进行分析测试。

2.2 分析方法

2.2.1 粒度分析

样品粒度分析在室内完成, 对于沉积物中粒径大于2 mm的部分采用筛析法, 小于2 mm的部分采用Microtrac3500激光粒度仪(测量范围为0.24~2 000 μm,测量精度≤0.01 μm)。粒度分类标准采用国际通用标准乌顿-温德华氏等比制值粒级标准; 沉积物分类和命名方法采用 Shepard沉积物三角分类法; 粒度参数采用图解法计算。

2.2.2 元素分析

地球化学样品分析国土资源部院济南矿产资源监督检测中心完成, 测试项目包括常量元素SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、MnO、TiO检测和微量元素Cr、Cu、Pb、Zn、V、Co、Ni、Sr检测, 检测方法参照《技术规程》和GB/T14506-93、DZG20.03—1987, 使用的主要设备有日立-557双波长分光光度计、PE-600原子吸收分光光度计及IRIS Intrepid Ⅱ全谱直读等离子体发射光谱仪, 检测结果和误差范围符合《技术规程》要求。

3 结果与讨论

3.1 表层沉积物类型与分布

依据Shepard沉积分类原则对沉积物进行分类和命名, 研究区表层沉积物的主要类型为砂(S)、粉砂质砂(TS)、砂质粉砂(ST)、粉砂(T)、黏土质粉砂(YT)。

研究区的沉积类型分布如图4所示。砂在研究区内主要集中在3块区域, 其一位于黄河三角洲北部废弃叶瓣水下三角洲, 其二位于研究区东北角, 其三位于莱州湾南部近岸海区, 为分布最少的类型。粉砂质砂和砂在研究区分布范围类似, 与砂相比, 粉砂质砂分布范围明显扩大。砂质粉砂是研究区分布最广的底质类型。主要分布在渤海中部、黄河三角洲以东三角洲前缘的带状区域以及莱州湾内部与岸线平行呈带状分布。粉砂是研究区分布较广的底质类型, 仅次于砂质粉砂, 分布范围大致以黄河口为中心, 向东、向南、向北扩散延伸至莱州湾和渤海湾三角洲平原, 而研究区东部的渤海中部平原分布较少。黏土质粉砂主要分布在黄河入海口以东及以南区域, 另外渤海中部沉积物中黏土含量也较高, 形成黏土质粉砂和砂-粉砂-黏土等细粒沉积物类型。

由表层沉积物类型分布图(图4)可以看出, 研究区表层沉积物粒度由近岸向渤海东部大致由粗变细再变粗的趋势——表层沉积物底质类型由陆向海依次为粉砂质砂—砂质粉砂—粉砂—黏土质粉砂—砂质粉砂—粉砂质砂。

3.2 表层沉积物地球化学特征

3.2.1 表层沉积物常微量元素含量及分布

3.2.1.1 表层沉积物常量元素含量及分布

对研究区的37个表层沉积物样品进行常量化学元素丰度分析, 共测试Al2O3、SiO2、CaO、Na2O、Fe2O3、MgO、、MnO、TiO2、K2O 9种元素, 从表1可以看出SiO2是常量元素含量最多的, 其质量分数平均值60.23%。MnO平均质量分数最少仅为0.09%, 其余元素从多到少依次为Al2O3、CaO、Fe2O3、Na2O、K2O、MgO、TiO2。

表层沉积物常量元素在研究区的空间分布见图5, SiO2的含量由岸向海沿东北方向呈先减小后增大的分布趋势, 套儿河口向东15 m等深线以浅的近岸区域、莱州湾东南部近岸区域和研究区东北部老铁山水道附近海区是SiO2含量的高值区, 其含量随沉积物粒度变粗增加, Na2O与SiO2的分布类似。其余元素的分布与SiO2大致相反, 含量高值区主要集中在渤海湾中部海域, 元素随粒度变细在沉积物中含量增加。

表1 研究区表层沉积物常量元素质量分数统计

3.2.1.2 表层沉积物微量元素含量及分布

微量元素地球化学分析研究区37个表层沉积物样品的微量元素, 共测试Cr、Cu、Pb、Zn、V、Co、Ni、Sr 8种元素, 各元素质量分数如表2。元素质量分数平均值由大到小依次为Sr>V>Zn>Cr>Ni>Pb> Cu>Co。

表2 研究区底质表层沉积物微量元素质量分数统计

从表层沉积物微量元素在研究区的空间分布图(图6)可以看出大部分微量元素随粒度变细其含量升高, 其中Cu、V、Co、Ni等铁族元素尤为明显, 这是由于黏土矿物在细粒级沉积物中含量较高, 而黏土矿物吸附能力强、比表面积大, 因此这类微量元素容易吸附在黏土矿物中, 与细粒沉积物一同沉积[11]。图中Sr元素的分布与粒度分布没有明显关系。

由表层沉积物常微量元素含量及分布分析, 可以将研究区元素分为粒度控制元素和物源控制元素两类: (1)粒度控制因素: 这类元素包括Si、Al、Fe、Mg、K等常量元素和Cr、V、Co、Ni、Cu、Zn等微量元素。元素的含量和分布受沉积物粒度控制作用明显, 即“元素的粒度控制律”, 但各种元素受粒度控制律作用方式不尽相同, 如Al、Fe、Mg、Cr、V、Co、Ni、Cu、Zn等元素随粒度变细而含量增加, 在黏土粒级中含量最大, 而Si相反——由砂粒级到黏土粒级含量减少。(2)物源控制元素: 这类元素主要包括Ca和Sr。现代黄河物质及老黄河三角洲物质以高钙、高Ca/Sr为特征, 研究区表层沉积物CaO含量及分布对不同沉积物的搬运和沉积具有很好的指示作用。海洋生物贝壳是中国近海沉积物中Ca和Sr的主要来源, 而研究区物源以陆源为主, 生物碎屑占次要地位, 黄河入海泥沙90%以上来自于中游的黄土高原, 具有黄土富Ca的特点[11-12], 因此CaO的含量可以作为黄河入海泥沙的有效示踪指标, 由CaO分布图可以清楚表达黄河入海Ca的影响强度, 大致由黄河入海口为中心向南北扩散, 再向东北逐渐减弱。因此Ca可作为黄河入海细粒物质扩散的标志。

3.2.2 表层沉积物地球化学分区

本文采用地球化学归一化法剔除粒度效应的影响, 以Al作为参比元素, 将化学元素含量与Al含量相比, 即可得出标准化后的化学元素含量数据。运用Q型聚类法对研究区表层沉积物进行地球化学分区, 聚类方法采用 Ward 方法、度量标准采用欧式平方距离(squared euclidean distance), 对数据进行了变量标准化(0~1)。化学元素Q型聚类法将样品分为3种类型, 分别用3种不同的颜色进行标注, 然后将样品对应的站位投放到研究区中, 结果如图7所示。本文将研究区分为3个区, 各区元素含量特征见表3。

表3 常微量元素聚类特征

注: 微量元素含量单位为×10–6

根据化学元素聚类分析结果, 我们将研究区划分为3个地球化学分区(图7), 本文结合粒度数据及物源和水动力因素对3个分区进行分析。

Ⅰ区是高化学元素含量的分布区,主要集中在渤海中部海区, 该区以低SiO2以及高Cu-Co-Ni-V-Zn为特点, 沉积物类型以粉砂、黏土质粉砂等细粒沉积物为主。这里是黄河和海河入海物质的主要堆积区和扩散区。Ⅱ区主要集中在莱州湾, 常微量元素含量比Ⅰ区稍低, 沉积物粒度比Ⅰ区稍粗以较细沉积物为主, 如砂质粉砂、粉砂等。该海区是黄河入海泥沙的直接作用区, 受海河影响甚微, 莱州湾沿岸有多条细小河流入海, 对该海区沉积物化学元素含量也有微弱影响。由于黄河沉积物多来自黄土高原, 有富含Ca的特征, Al、Fe、Mg、K、Cr 等元素含量也较高[13-14]。Ⅰ区、Ⅱ区的沉积物化学元素符合该特点, 因此Ⅰ区、Ⅱ区的沉积物主要来自黄河。Ⅰ区水动力较弱, 黄河沉积物在波浪作用下细颗粒再悬浮后向远海扩散, 导致该区域沉积物主要为细颗粒, 易于吸附化学元素。Ⅱ区在强烈的冬季风作用下, 其东部成为了将黄河细粒沉积物向北黄海输送的“源”[15-19], 使部分沉积物粗化, 因此该海区有些化学元素含量与Ⅰ区相近, 有些比Ⅰ区低。

Ⅲ区的化学元素含量低,该区又可分为3个亚区,分别为渤海湾南部沿岸海区、研究区东北部老铁山水道附近海区和莱州湾南部沿岸海区,以高SiO2以及低Al2O3-Fe2O3-MgO-CaO-Cu-Co-Zn-V-Ni为特点, 与粗粒级沉积物分布一致。Ⅲ区的3个亚区虽然都是低化学元素含量分布区, 但物源和水动力环境却并不相同。

Ⅲ-1区位于黄河三角洲北部近岸海区, 由于黄河入海口在 1976年改变, 使得岸滩动态平衡发生调整, 活动三角洲叶瓣成为废弃水下三角洲, 黄河三角洲北部神仙沟口外存在一高速流带(图8), 高流速带淘蚀废弃叶瓣, 由于缺少外围物质补充, 该区一直处于侵蚀状态, 再悬浮细颗粒随近岸西-西北向沿岸流进渤海湾, 粗粒物质在此沉积。Ⅲ-2区位于研究区北部老铁山水道附近海域, 靠近渤海海峡, 受K1分潮无潮点的影响, 使得该区潮流流速较大。虽然底质泥沙受海浪影响较小, 但是在潮流和海流的作用下该区泥沙大部分时间处于活动状态[21-22], 致使该区域长期遭受剥蚀, 细颗粒被带走沉积物粗化。Ⅲ-3区位于莱州湾南部沿岸海区, 该区沉积物主要来自莱州湾南部沿岸河流输入物质, 受莱州湾顺时针环流及沿岸流的影响, 海洋波浪等水动力较强, 沉积物遭受反复冲刷, 细颗粒被运往莱州湾, 较粗的颗粒在该区沉积。Ⅲ区的3个亚区均处于较强水动力环境, 底质沉积物粗化, 不易吸附化学元素, 因此Ⅲ区的化学元素含量低。

4 结论

1) 研究区海域表层沉积物类型有砂、粉砂质砂、砂质粉砂、粉砂、黏土质粉砂5种类型, 主要为砂质粉砂和粉砂, 研究区表层沉积物粒度由近岸向渤海东部大致为由粗变细再变粗的趋势。

2) 研究区表层沉积物化学元素分布受物源、粒度等因素控制, 物源控制元素包括Ca和Sr; 粒度控制元素包括Si、Al、Fe等常量元素和大部分微量元素。

3) 研究区表层沉积物可分为3个地球化学分区: Ⅰ区主要集中在渤海中部海区, 该区化学元素含量高, 以低SiO2以及高Cu-Pb-Ni-V-Zn为特点。Ⅱ区主要集中在莱州湾, 常微量元素含量比Ⅰ区稍低。Ⅲ区化学元素含量低, 该区又可分为3个亚区, 分别为渤海湾南部沿岸海区、莱州湾南部沿岸和研究区东北部老铁山水道附近海区, 以高SiO2以及低Al2O3- Fe2O3-MgO-CaO-Cu-Pb-Zn-V-Ni为特点。

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(本文编辑: 刘珊珊)

Geochemical partition of surface sediments in the seas near the modern Yellow River Delta

ZHAO Yu-ling1, 2, FENG Xiu-li1, 2, SONG Sheng1, 2, TIAN Dong-hui1, 2

(1. College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Key Laboratory of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, Ministry of Education, Qingdao 266100, China)

In this paper, surface samples from the modern Yellow River Delta are analyzed for grain size and geochemistry. Results show that sediment types in this area are mainly sandy silt and silt. The surface sediment particle size from nearshore to the eastern Bohai Sea shows a rough trend of coarse–fine–coarse. In the study area, the content and distribution of almost all the chemical elements are significantly controlled by the sediment grain size (i.e., “the control of elements by granularity law”). A Q-modelcluster method is applied to geochemical zoning in the study area that is divided into three zones: area Ⅰ, mainly concentrated in the center of the Bohai Sea, is an area with high chemical element content; area Ⅱ, mainly concentrated in the Laizhou Bay, shows a lower chemical element content than area Ⅰ; and area Ⅲ shows the lowest chemical element content of all three areas and can be further divided into three subareas. These subareas reflect the effects of provenance and hydrodynamics on sediment distribution.

the Yellow River Delta; surface sediment; granularity characteristics; geochemical partition

Apr. 22, 2016

P736.4+1

A

1000-3096(2016)09-0098-09

10.11759/hykx20160422002

2016-04-22;

2016-06-14

国家自然科学基金(911422281); “基于模糊聚类方法的黄渤海表层沉积物源和输运”专项资助

赵玉玲(1987-), 女, 山东烟台人, 硕士研究生, 从事海洋沉积方面的研究, 电话: 18366262863, E-mail: zhaoyulingya@163.com; 冯秀丽(1962-), 通信作者, 女, 博士, 教授, 博士生导师, 从事海洋沉积与工程环境研究, 电话: 0532-66782057, E-mail: fengxiuli@ouc.edu.cn

[Foundation: National Natural Science Foundation of China, No.911422281; Surface sediments provenance and transportation of the Yellow Sea & the Bohai Sea based on Fuzzy Clustering Method]

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