中国东部海域表层沉积物磁化率空间分布特征❋

强萧萧， 韩宗珠,2❋❋， 王永红,2， 孙学诗， 艾丽娜， 刘 勇,2

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

磁化率是表征磁介质属性的物理量，因其测量方法具有快速、简单、无破坏性等优点已被广泛应运于黄土、湖泊等沉积物的研究。黄土磁化率变化可反映古气候变迁[1]，土壤磁化率可作为环境污染程度的指标[2]，湖泊沉积物的磁性特征可指示湖泊沉积动力的变迁[3]及古气候变化[4]。与陆相沉积物对比，对海洋沉积物磁化率的研究还处于初始阶段，且目前环境磁学的研究大多停留在小尺度范围内[5-9]，多是运用单纯的磁性参数的时空分布进行特征分区[10]，或是依此来探讨局部区域的物源环境意义[11-13]和影响因素[14-15]。研究往往存在一定的局限性，缺乏空间尺度的广泛性。因此，对于大尺度范围内表层沉积物磁化率与其他参数的综合研究就显得尤为重要。而中国东部海域陆架作为世界上最宽广平坦的陆架，沉积物类型复杂多样，为本研究的开展提供了良好的载体。因此，本文选取其表层沉积物作为研究对象，通过粒度、磁性参数的分析，揭示空间分布特征，并探讨对海洋沉积环境的指示意义，以期为东部海域现代沉积物运用磁化率作为环境指标的研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品的采集

本文所研究的表层沉积物样品共176个。分别于2015年3月通过国家基金委长江口枯季共享航次，搭载“润江号”科考船采集样品83个，2015年8月通过国家基金委渤黄海夏季共享航次，搭载“东方红二号”获得样品 93个。采样方式以箱式取样为主(144个)，仅长江口32个为抓斗取样。采样点站位如图1所示，主要分布于靠近中国的东部海域。所有样品均采用无磁性的工具获取并装入聚乙烯袋内密封。

1.2 样品的处理与分析

粒度与磁化率测试均在中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室完成。粒度测试流程如下：取样0.5 g左右，加入5 mL 30%的H2O2溶液，静置24 h去除有机质，再加入3 mL 5%的六偏磷酸钠溶液作为分散剂，超声振荡30 min，然后上机测试。所用仪器为英国马尔文公司的Mastersizer2000激光粒度仪，测量范围 0.02～2 000 μm，重复测量误差小于3%，粒度参数的计算采用矩值法。

(YSCC-黄海沿岸流 YSCC-The Yellow Sea coastal current； YSWC-黄海暖流YSWC-The Yellow Sea warm current； ZFC-浙闽沿岸流 ZFC-Zhejiang Fujian coastal current；TWC-台湾暖流 KUROSHO-黑潮暖流 TWC- Taiwan warm current KUROSHIO-kuroshio.)

图1 中国东部海域海流及采样点分布(改自文献16)
Fig.1 The oceanic circulations pattern and sampling locations in the East China Seas(modifiedfrom article 16)

磁化率测试流程如下：将样品置于<40℃烘箱内烘干，在不损害粒度的情况下，用玛瑙研钵轻轻研磨、称重(精度1‰)，并装入亚克力小方盒内压实。分别在0.47和4.7 kHz频率下进行低、高频磁化率测量，仪器为英国Bartington MS2磁化率仪，每个样品至少重复测量3遍，并用Multisus软件进行空气值和质量的校正。频率磁化率计算公式如下所示：χfd%=(χhf-χlf)/ χlf×100%(公式中χlf为低频磁化率，χhf为高频磁化率)，文中所提的磁化率χ均指低频磁化率。

2 结果分析

2.1 粒度空间分布特征

三大海域表层沉积物粒度参数差异性显著。其中渤海海域沉积物平均粒径4.19～7.43 φ，平均值6.07 φ；黄海平均粒径4.46～7.75 φ，平均值5.99 φ；长江口及邻近海域平均粒径0.43～7.38 φ，平均值5.18 φ。其他参数变化亦较大，详见下表1。研究区沉积物粒度特征存在明显的空间分异(见图2)。沉积物类型(Folk法)以粗粒的砂质、粉砂质沉积为主，其间主要分布了四个较细粒级的区域：渤海中部，北黄海西部，南黄海中部，及长江口岸附近。

表1 东部海域粒度参数对比

Note：①Bohai Sea areas；②the Yellow Sea areas；③Changjiang estuary and its adjacent sea areas；④mean value

图2 东部海域沉积物砂、粉砂及黏土的空间分布特征

分选系数代表了沉积物颗粒大小的均匀程度。研究区表层沉积物分选系数波动范围较大，分选较差，主要粒级不突出。偏态是反映沉积介质能量变异的指标，研究区沉积物偏态的波动范围较宽，从极负偏到极正偏，绝大多数呈正偏态，表明研究区大部分海域粒度较粗。在渤海中部、北黄海的中部、南黄海中部、长江口及浙闽沿岸呈负偏，表明粒度较细。峰态是用来测量粒度频率曲线两极端的分选性与曲线中央部分分选性的比率。研究区内峰态值介于1.1～3.7之间(见表1)，说明研究区内粒度频率曲线宽平。

2.2 磁化率及频率磁化率分布特征

磁化率的空间分布特征总体表现为：离岸距离的增加而逐渐降低(见图4)。不同海域磁化率差异性显著：长江口及邻近海域最高，渤海次之，黄海最低(见表2)。黄河口及山东半岛近岸磁化率较高。长江口及邻近海域磁化率几乎均高于50×10-8m3/kg，平均值可达60.6×10-8m3/kg。其中A1-2、C1站位最高，可达100×10-8m3/kg以上。长江口南部沿岸磁化率呈现出由近岸向外海逐渐降低的趋势，但在北岸(31°N以北)存在异常低值区。

研究区频率磁化率基本介于-10%～13%之间，渤海中部、南黄海中部、山东半岛沿岸、长江口南部沿岸附近偏高，老黄河口、苏北残留砂区及渤海东部偏低。其中渤海中部较高，达8%以上，呈现出由黄河口向外海一侧递减的趋势。黄海大部分海域均较低(4%左右)，而在山东半岛沿岸较高，且存在多个向外海的舌状凸起。长江口南部沿岸附近频率磁化率较高，向南延伸呈带状分布。

图3 东部海域粒度参数空间分布特征

海域Seas磁化率/10-8m3·kg-1Magneticsusceptibility频率/%Frequency-dependentsusceptibility渤海海域①34.2～71.3-0.08～10.2平均值④48.125.96黄海海域②15.2～51.9-10.41～12.8平均值④30.743.81长江口及邻近海域③26.8～117.3-7.9～11.1平均值④58.722.96

Note：①Bohai Sea areas；②the Yellow Sea areas；③Changjiang estuary and its adjacent sea areas；④mean value

3 讨论

3.1 物源对磁性参数的影响

海洋沉积物的磁学性质被认为是物源识别的有效手段之一。低频磁化率和频率磁化率组合可有效指示近岸沉积物的物源变化[12]。因此本研究也将该参数投点做二维图解，同时叠加黄河、长江的参数[7]比对，很明显长江口及邻近海域沉积物磁化率整体偏高，渤海次之，黄海最低。各海域参数分别相对集中于a、b、c 3个区，长江口及邻近海域的磁性参数多靠近长江端元，而黄渤海海域的则接近黄河端元。这种差异必然受物质来源的影响。长江流域广阔，支流众多，流域内岩石类型多样，中下游以中酸性的火成岩为主，富含大量的磁性矿物[17-18]。因而长江口及邻近海域接受了较多的磁性矿物的物源输入，磁化率总体高于其它海域。黄河的泥沙主要来自黄土高原，以黄土为主的陆源物质的磁化率较低。因而黄渤海沉积物磁化率较长江口及邻近海域偏低。

图4 东部海域沉积物磁化率及频率磁化率空间分布图

图5 东部海域沉积物磁化率-频率磁化率散点

3.2 粒度对磁性参数的影响

3.2.1 粒度、磁化率空间分布与东部海域沉积物物源及其输运特征 磁化率在长江口、浙闽沿岸出现高值区，在黄河口及山东半岛沿岸出现了次一级的高值区，其他海域则整体偏低。而粒度参数的分布特征也与之相似。综合二者空间分布特征，将我国东部海域划分为以下几个部分，来分别探讨物源的运移、扩散及影响因素。

(1)渤海海域

渤海是典型的封闭性陆架海盆地，周边河流是其主要物质来源[19]。黄河年均入海泥沙达6.74亿t(利津站1952—2015年平均值)，大部分都堆积河口，其余较细粒物质在海流的控制下被搬运、沉积，向东北方向呈条带状分布在渤海湾中东部[20]。而磁化率和粒度高值区在渤海中部亦呈现相似特征，在黄河口、滦河口及渤海中部偏高，向东、东南方向逐渐递减。前人数值模拟的结果也表明黄河入海泥沙主要是在黄河口堆积[21-23]，随之与河口距离的增大，沉积通量向外海一侧逐渐减少。因此，该海域磁化率和粒度参数的空间变化可间接反映黄河物质向外陆架的扩散、运移。

(2)黄海海域

黄河每年携带大量物质入海，至少9%～15%的细粒级物质在沿岸流的作用下向东运移扩散[20]，沿山东半岛沉积，仅少量转而南下。而本研究的结果显示：磁化率在山东半岛沿岸呈明显高值分布，且等高线存在多个向外的舌形突起。这显然与黄河及周边河流(山东半岛河流)物质的输入相关。前人的研究也强调小型河流物源贡献[24-25],而影响有多大，仍需进一步定量化的研究证实。

在广大的南(北)黄海中部存在粒度为6～7 φ的细粒级区域，与之对应磁化率参数亦低(<30×10-8m3·kg-1)。普遍认为该黄海泥质沉积中心[26]之所以形成与气旋式涡流[27]相关，在涡流内部水动力条件弱，易沉积细粒物质。相关研究亦表明该区沉积速率低、供给量少，沿岸沉积厚度高达40 m，而中部仅数米[28]。可见物源供给量直接影响沉积厚度。此研究中物源供给不充分正好对应磁化率数值低。因此，水动力强且陆源物质供应充足的山东半岛沿岸磁化率高，而水动力条件弱、供应不充分的涡流区磁化率低。再次印证了陆源物质的输入、扩散和运移是影响磁化率空间分布特征的重要原因。

(3)长江口及邻近海域

长江每年携带大量泥沙入海，是周边海域的主要物质来源。受物源影响，长江口附近磁化率较高。以31°N为分界线，以南表现出与岸距离的增加而减小的趋势，以北反之。长江口以北海域磁化率变化复杂，存在一个异常的低值区和高值区。这与前人有关磁化率的研究结果一致[14-15]。周鑫认为高值区的形成与长江口远岸存在的大平缓区接受大量粗粒沉积物有关[15]。葛淑兰却认为这与铁质结核区的存在相关[14]。本研究结果显示粗粒分布区与磁化率高值区确有重合，说明磁化率偏高与地形所致的粒度沉积相关。同时本研究结果亦体现了长江口以北的低值区的存在，认为该低值区的形成与特殊的河口环境密切相关。长江口是淡水和海水强烈混合地带，水化学性质变化急剧；同时外陆架泥质区既是生物高生产率带，又是其大量死亡地带，生物凝聚作用强[29]。而该区沉积物样品中明显含较多肉眼可见的生物碎屑，推测可能稀释了磁性矿物的含量，导致磁化率偏低。

3.2.2 粒度与磁性参数 大量的沉积物研究都做了磁性参数和粒度的相关分析，取得了较好的结果[30-32]。尤其是长江口及黄河口表层样的研究中显示频率磁化率(χfd%)与粒度的相关性较高(r>0.9)[5]，认为χfd%可以作为河口沉积物粒度的代用指标。因此本研究也做了相关分析，结果显示：磁化率与平均粒径及粒级组分的相关性低，χfd%与平均粒径、粉砂、黏土的含量呈较高正相关。

图6 磁性参数与粒度参数的相关性图解

为了更进一步揭示磁性参数和各粒级组分之间的关系，将沉积物各个粒级百分含量与磁性参数做Pearson相关分析，结果如下(见表3)。发现沉积物磁化率与粗粒组分呈弱正相关，与较细粒级组分则呈较强的负相关，这意味着磁性矿物在粗粒组分中贡献大。另外，χfd%与细粒级组分相关性高(r>0.5)。同时比対研究区χfd%与黏土含量的空间分布特征，可发现在图上有相吻合之处。因此，χfd%可尝试性的作为局部海域粒度的替代性指标。但与前人河口沉积物的研究结果(r>0.9)相比，相关系数并不高，这说明海域沉积物的磁性参数除了受物源的影响同时还有更为复杂的环境因子(水动力条件、氧化还原环境、生物因素等)的综合作用，使其与粒度的空间分布产生分异，若直接作为整个海域沉积物的粒度代用指标并不理想，可尝试性的剔除生物因素、沉积动力等其他因素的影响，方可作为替代指标。

3.3 沉积动力对磁性参数的影响

丹麦学者Pejrup利用沉积物的结构组成提出三角图解法[33]，来反映水动力和水介质扰动性的强弱。他以沉积物中砂的百分含量90%、50%、10%为界限分为A、B、C、D四类，来反映水动力的强弱。依据粉砂黏土的组分分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，来反映沉积介质的扰动程度。依此将砂-粉砂-黏土的三端元分成16种类型。本研究也利用该图解法将研究区的沉积物做三端元分析(见图7)。结果显示研究区内散点基本均落入了Ⅲ、Ⅳ类区，说明悬浮组分以黏土和粉砂混合为主。同时研究区各海域水动力差异显著，长江口及邻近海域散点横跨A、B、C、D四个区，纵跨III、IV两区，说明其水动力变化最大，水介质扰动性强。而黄渤海散点主要落在C-III、D-III两区，说明水动力和水介质扰动性较弱。

表3 磁性参数与各粒级百分含量相关系数矩阵Table 3 Coefficient matrix of magnetic parameters associated with each grade percentage(α=0.01)

极差、标准差、变异系数是衡量参数离散程度的重要指标。长江口及邻近海域粒度与磁化率数据离散程度要大于黄渤海(见表4)，因此，长江口及邻近海域水动力较强，水介质扰动性大，磁化率参数离散程度较高。而黄渤海水动力、水介质扰动性弱，磁性参数离散程度较小。可见水动力的强弱变化是影响海域沉积物磁性参数离散程度的重要因素。

(据文献[33]。modified from article[33].)图7 东部海域沉积物Pejrup三角图解Fig.7 Pejrup’s triangle of sediments in the East China Seas

海域Seas平均粒径Particlesize/φ极差④标准差⑤变异系数⑥磁化率/Magneticsusceptibilityχ极差④标准差⑤变异系数⑥渤海海域①3.240.980.1737.139.520.19黄海海域②3.290.880.2036.678.940.29长江口及邻近海域③6.951.610.3192.4317.430.30

Note：①Bohai Sea areas；②the Yellow Sea areas；③Changjiang estuary and its adjacent sea areas；④range；⑤standard dexviation；⑥variable coefficient

4 结论

通过对我国东部海域197个表层沉积物样品进行粒度和磁化率特征的研究，得出以下几点结论：

(1)东部海域表层沉积物类型以砂质、粉砂质沉积为主，其间分布有四个较细粒的泥质区域，分别是：渤海中部，北黄海西部，南黄海中部，及长江口岸附近。

(2)东部海域沉积物磁化率空间分异性显著，表现为：东海最高，渤海次之，黄海最低，即χdonghai>χbohai>χhuanghai。其中尤以近岸河口(黄河口、长江口)、沿岸海域磁化率较高为特征，并呈现出离岸距离越远其值越低的态势，这也从侧面反映了各海域沉积物的物质来源及不同水动力环境差异是其主要影响因素。

(3)结合沉积物磁化率和频率磁化率的组合特征可指示渤、黄海及东海海域物质的来源差异，即从邻近物源的角度考虑，物源的差异是影响邻近海域磁化率高低变化的重要因素。另外，χfd%的高值分布区与粒度(φ)的高值区虽有吻合，但与前人河口沉积物的研究相比，相关性仍不高，推断其磁性参数的变化与沉积动力密切相关，即水动力越强，水介质扰动性越强，磁化率变化越大。此外，磁化率及频率磁化率变化应是更多环境因子综合作用的结果，因此用χfd%直接作为整个海域沉积物粒度的代用指标不够理想。

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