黄海全新世泥质体表层沉积物重矿物特征及其指示意义❋

张 尧， 韩宗珠, 2❋❋， 艾丽娜， 刘金庆， 宁 泽

(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； 3.中国地质调查局青岛海洋地质研究所， 山东 青岛 266071)

碎屑矿物是海洋沉积学研究的重要手段之一，可以有效提取沉积物物源、搬运路径和矿物组分分异规律等信息，进而揭示沉积环境、水动力条件和气候变化等方面的特征[1-2]。诸多学者对黄海等海域的表层沉积物开展了碎屑矿物研究，例如轻矿物的组合与分区研究[3-4]；由于重矿物种类丰富且多具特殊的共生关系，重矿物组合分区及比值参数研究[5-8]可以更加有效地反应物源和环境信息；自生黄铁矿[9-10]和自生海绿石[11]等自生矿物也可以灵敏地揭示沉积环境特征；此外，运用数理统计和计算机模型[12]进行沉积物物源研究也取得一定进展。

全新世以来，在长江与黄河主导的陆源物质供给和海洋沉积环境影响的共同作用下，中国黄海海域形成了北黄海西部泥质区、山东半岛沿岸泥质区、南黄海中部泥质区、老黄河口泥质区和南黄海东南部泥质区等5个主要泥质沉积体[13](见图2)。Yang和Liu[14]利用浅地层剖面研究发现，黄海存在一环绕山东半岛并向南延伸至约80m等深线处的泥质沉积体，在沿岸流搬运而来的悬浮体向陆向海双向传输的机制下形成独特的“Ω”型。综合前人的研究[14-18]，从北黄海中部泥、山东半岛沿岸泥和南黄海北部泥的时空分布和物质来源等角度考虑，本文将三者作为统一的沉积体进行讨论，并称之为“黄海全新世泥质沉积体”(下文简称“泥质体”，图2)，这与王利波等[19]提出的黄海北部泥质沉积体是基本一致的。

本文取黄海56个表层沉积物样品，利用碎屑矿物分析手段，辅以粒度分析数据，对黄海全新世泥质体及其周边地区的重矿物分布特征，重矿物比值参数和矿物组合分区等进行综合分析对比，结合前人研究结果，探讨其物质来源和沉积环境，进一步丰富黄海碎屑矿物的研究和对全新世泥质体的认识。

1 区域背景

黄海位于中国大陆和朝鲜半岛之间，是全新世海侵所形成的半封闭型陆架浅海，海域面积达3.8×105km2，平均水深44 m，黄海槽内水深超过80 m[20]。黄海全新世泥质沉积体位于中国黄海中北部，它西起蓬莱庙岛群岛，分布于山东半岛北部，向东绕过成山头后不断向南延伸，最远可达南黄海中部 80 m 等深线处，最大厚度出现在40 m等深线附近，约40 m[14]。据估计[19]该泥质体体积约为 700 km3，质量约840×109t。

黄海因其特殊的地理位置具有复杂的环流体系(见图1)，主要由黄海暖流和周边沿岸流组成。黄海暖流是源自黑潮的对马暖流的一支，具有高温高盐，冬强夏弱的特征，可沿老铁山水道进入渤海。黄海沿岸流包括辽南沿岸流、黄海西岸沿岸流和朝鲜半岛西部沿岸流[21]。冬季，黄海流系主要受控于黄海暖流及沿岸流；夏季，黄海冷水团[22]的存在几乎控制了整个黄海海域。在北黄海西部和南黄海中部，均存在逆时针旋转的气旋式环流[23]，其底部形成了大面积泥质沉积区，被称为“冷涡沉积”、“小环流沉积”或“涡旋泥质沉积”[24]。

图1 中国黄海冬[25]、夏[26]环流模式示意图Fig.1 The map of winter and summer circulation pattern in the Yellow Sea of China

2 样品与方法

本次研究所采用的56个黄海中部底质表层沉积物样品(站位见图2)是由中国海洋大学“东方红2号”科学考察船于2015年8月执行“国家自然科学基金委渤黄海夏季公共航次”期间利用箱式取样器所取。粒度和碎屑矿物分析测试在海底科学与探测技术教育部重点实验室完成，分析方法参照《海洋调查规范第8部分：海洋地质地球物理调查》(GB/T12763.8-2007)。

2.1 粒度分析

取0.5～1 g的干样于50 mL烧杯中，先后加入5 mL 30%的过氧化氢和0.1 moL/L的HCL溶液以去除有机质、生物碎屑和自生碳酸盐，再采用静置法洗盐至溶液呈中性，最后经5%的六偏磷酸钠溶液分散和超声波震荡后上机测试。测试仪器为英国MALVERN公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度分布测量仪。数据采用Udden-Wentworth Φ值粒级标准，粒度参数采用矩法计算。

2.2 重矿物分析

将样品在60 ℃的条件下烘干后，根据其粒度大小，取30～100 g沉积物干样于烧杯中，加入适量5%的六偏磷酸钠溶液，加热煮沸使得样品充分分散。利用水筛法分离出样品中的极细砂(63～125 μm)部分，烘干称重后得到该粒级碎屑矿物质量分数。利用缩分法取1～2 g极细砂样品于三溴甲烷(相对密度2.89 g/cm3)中进行重液分离，烘干称重后得到重矿物质量分数。重矿物鉴定在奥林巴斯SZ61体视显微镜和SZX51偏光显微镜下，采用条带计数法完成，并辅以油浸法(浸油折射率为1.700)，微量化学实验(主要试剂为30%H2O2和5%HCL等)和电子探针分析，每个样品分析400颗以上的矿物以保证统计精度，最终得到各种重矿物颗粒百分含量。

3 结果

3.1 粒度参数分布特征

沉积物的粒度参数分布特征有助于物源识别和沉积环境的判定。本文采用矩值法计算了平均粒径(Mz)、分选系数(δ)、偏态(SK)、峰态(Kg)等粒度参数，其分布特征见图3。

泥质体表层沉积物的平均粒径范围是4.54～7.95 Φ，平均值为6.33 Φ，而全区均值为5.92 Φ(见表1)，可见泥质体沉积物的整体粒度较细。由图3可知，泥质体外西南侧的沉积物粒度最粗为4.9 Φ；泥质体南部(南黄海中部)沉积物粒度最细为7.34 Φ；在泥质体北部(北黄海西部)也存在一个粒度相对较细的区域，平均粒径为6.3 Φ。就整个泥质体而言，其平均粒径有着南北高，中部低的特征。

图2 黄海全新世泥质体[14]、底质类型与采样点分布图[13]Fig.2 The map of the Holocene mud of the Yellow Sea,types of bottom material and sample location

图3 表层沉积物粒度参数分布Fig.3 Distributions of grain size parameter of surface sediments

分选系数介于1.44～2.63之间，分选性较差或差，说明沉积物粒级分布范围较广，主要粒级不够突出。分选相对较好的区域位于泥质体南部和泥质体外西南侧地区，其值小于1.8。

偏度值介于-1.49～1.78。偏度呈负偏的区域大致与粒度较细和分选较好的泥质体南部区域相对应；偏度呈正偏的区域位于泥质体外西南侧，与粒度较粗的区域相对应。

峰态值变化较大，介于0.87～2.97。泥质体中部峰态较为平缓，其南北两侧，尤其是泥质体外西南侧峰态相对尖锐，沉积物可能经历较强的改造。

3.2 重矿物组成与分布

黄海全新世泥质体内共鉴定出40余种重矿物，以闪石类(平均含量30.5%，包括普通角闪石、阳起石和透闪石等，其中普通角闪石占26.3%)、不透明矿物(20.6%，包括钛铁矿、磁铁矿、褐铁矿、赤铁矿、白钛石等)、片状矿物(15.1%，包括黑云母、白云母、风化云母和绿泥石等)、帘石类(13.7%，包括绿帘石、黝帘石、斜黝帘石和褐帘石等，其中绿帘石占13.3%)为主；其次是自生矿物(7.31%，自生黄铁矿)和稳定矿物(4.98%，包括石榴石、榍石、磷灰石、锆石、电气石和金红石)；以及微量的碳酸盐类(0.7%，菱镁矿)、辉石类(0.3%，透辉石、紫苏辉石和普通辉石等)、变质类(0.11%，蓝晶石、十字石、红柱石、矽线石、硅灰石和符山石等)等，此外，还有少量的岩屑和风化碎屑。总体而言，全区的不透明矿物(14.5%)、片状矿物(11.9%)和自生黄铁矿(4.21%)含量偏低；而闪石类(37.3%)、帘石类(16.8%)和稳定矿物(6.34%)含量偏高。这体现了在物源和沉积环境的影响下，泥质体沉积物在矿物含量上的变化和组合上的分异(见表1)。

表1 研究区表层沉积物碎屑矿物含量及粒度参数基本统计Table 1 Elementary statistics of detrital minerals content and grain size parameter of surface sediments in research area

Note:①Detrital nimeral；②Heary mineral；③Amphibole group；④Epidote group；⑤Opaque mineral；⑥Authigenic pyrite；⑦Flaky mineral；⑧Stable mineral；⑨Pyroxene group；⑩Metamorphic group；Weathered detritus；ZTR；Heavy mineral maturity；Mean grain size；Sorting coefficient；Skewness coefficient；Kurtosis coefficient

Apart from au zone and mud listing mean,maximum and minimum,the rest of column data are moan value.The numbers are sample quantities in bracket.

黄海全新世泥质体碎屑矿物(63～125 μm)含量在0.01%～26.5%之间，平均含量为4.03%，全区平均含量为8.07%，最高可达40.9%(见表1)，其分布趋势与平均粒径大致吻合(见图3)。泥质体重矿物含量低变化大，变化范围是0.82%～15.9%，均值为5.92%，全区均值与其接近，但最大值达29.6%，其高值区位于研究区最南端，泥质体的南北两侧为次高值区，近岸地区均为低值区；片状矿物含量分布的高值区有两个，一是泥质体内部的山东半岛沿岸，二是泥质体外西南侧区域；闪石类和帘石类的含量分布趋势大体一致，具有泥质体中部高于南北两侧，泥质体周边高于内部的特征；不透明矿物和自生黄铁矿的含量分布大体一致，其高值区位于泥质体南半部分，并由中心向外逐渐递减，在泥质体的最北端是其含量的次高值区；稳定矿物与前两者的含量分布大致相反，在泥质体区域内其含量均表现为较低值；重矿物成熟度是稳定矿物与不稳定矿物(闪石类、帘石类和辉石类)的比值，其值体现了沉积物经历的搬运距离和风化程度，从平面分布上来看，具有泥质体低于周边，近岸区域低于外海区域的特点(见图4)。

3.3 碎屑矿物分区

综合碎屑矿物含量、重矿物含量、闪石类、帘石类、不透明矿物、片状矿物、自生黄铁矿、稳定矿物等主要变量，利用SPSS19.0软件，采用Ward法和平方Euclidean距离进行系统聚类分析[5]，将研究区划为5个矿物区(见图5)，其中泥质体区域划为3个矿物区(Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区，Ⅲ区分为Ⅲ1和Ⅲ2两个亚区)。各矿物区矿物种类含量差异明显(见表1)，与物源和沉积动力环境有密切关系。

Ⅰ区：泥质体北部矿物区，分布于北黄海西部。碎屑矿物含量很低，为0.06%，但重矿物含量高，为7.55%；闪石类和帘石类含量为全区最低；38.9%的片状矿物含量为全区最高，镜下呈绿色或褐色，圆状、次圆状、次棱角状；此外还有较高含量的不透明矿物和自生黄铁矿。优势矿物组合为：片状矿物-不透明矿物-自生黄铁矿-普通角闪石-绿帘石。

Ⅱ区：山东半岛沿岸矿物区。碎屑矿物含量很高，但重矿物含量很低；闪石类和帘石类含量分别为41.4%和17.3%，不透明矿物(6.64%)和自生黄铁矿(1.01%)含量较低，片状矿物含量依然很高。优势矿物组合为：普通角闪石-片状矿物-绿帘石。

Ⅲ区：泥质体南部矿物区，分布于南黄海中部，分为Ⅲ1和Ⅲ2两个亚区。两者在较细的沉积物底质、较高的重矿物含量和自生黄铁矿的存在等方面体现了一致性，其差异性也很明显。Ⅲ1亚区的闪石类、帘石类和稳定矿物低于Ⅲ2亚区，不透明矿物(51.0%)和自生黄铁矿(19.9%)高于Ⅲ2亚区且为全区最高。自生黄铁矿多呈小圆球粒状，有些充填于生物壳体中，遇双氧水剧烈反应。Ⅲ1亚区优势矿物组合为：不透明矿物-自生黄铁矿-普通角闪石，Ⅲ2亚区优势矿物组合为：普通角闪石-绿帘石-不透明矿物。

图4 研究区表层沉积物重矿物含量和比值分布Fig.4 Distributions of heavy minerals content and ratio of surface sediments in research area

Ⅳ区和Ⅴ区分别为南黄海西部矿物区和南黄海南部矿物区，二者位于泥质体周边。Ⅳ区以其全区最高的碎屑矿物含量(21.3%)和闪石类(48.2%)含量为特征，矿物表面干净新鲜，颜色鲜艳，多呈棱角状或次棱角状，其矿物组合为：普通角闪石-绿帘石-片状矿物-稳定矿物。Ⅴ区碎屑矿物含量为6.55%，重矿物含量较高为9.24%，相比Ⅳ区不透明矿物含量增加，片状矿物含量减少，其矿物组合为：普通角闪石-绿帘石-稳定矿物-不透明矿物。两区几乎不再含有自生黄铁矿，且闪石类和帘石类含量明显高于泥质体，与泥质体的重矿物特征形成鲜明对比。

4 讨论

4.1 沉积动力与环境

自生黄铁矿的指示：在泥质体的北部和南部，即Ⅰ区和Ⅲ区，尤其是Ⅲ1亚区存在着大量的自生黄铁矿，最高可达42.3%。自生黄铁矿的形成相对简单，但其富集条件(细粒沉积区、微弱的水动力、适宜的沉积环境)却十分严格[2]，自生黄铁矿的大量富集对研究区的沉积动力环境有重要的指示意义。自生黄铁矿的富集均在细粒沉积区，细粒沉积物中Fe和S含量高于其他底质类型[2]。由表1可知，Ⅰ区和Ⅲ1亚区的平均粒径均很小，分别为6.2Φ和7.6Φ，自生黄铁矿与平均粒径的分布趋势也相当一致。自生黄铁矿的富集体现了该区微弱的水动力条件，夏季黄海冷水团(见图1)的存在几乎控制了整个黄海海域，在北黄海西部和南黄海中部，均存在逆时针旋转的气旋式环流，南黄海中部冷水团边缘的水平流速约5 cm/s[27]，其潮流场数值模拟的分布趋势也说明该区为弱潮流区，只能影响细粒(>4 Φ)悬浮物质[28]。此外，自生黄铁矿的富集还对该区沉积环境特征有所体现。沉积物中的Fe主要为Fe3+，不能与S直接结合，只有被还原为Fe2+后才能被利用[29]，再结合该区Eh值[2]，表明泥质体南北两侧自生黄铁矿的富集区为弱还原环境。对切变锋的指示：黄河物质中的重矿物以片状矿物为主，平均含量高达55.78%[30]，这些物质在山东半岛沿岸流的作用下向黄海输送，在山东半岛最东端转而进入南黄海，然而本次研究发现，Ⅱ区的片状矿物含量高达19.5%，Ⅲ区仅为5.91%，这说明黄河中含量最高的片状矿物并非在沿岸流的携带下绕过山东半岛最东端继续南下进行纬向输送，而是在山东半岛东南海域大量沉积，并有少量物质继续向西沿岸输送，此外，重矿物含量、闪石类矿物和不透明矿物的含量分布(见图5等值线)更体现出Ⅱ区和Ⅲ区之间存在明显界限，而该界限指示了切变锋(见图5)的存在。夏季，山东半岛沿岸水体与南黄海中部冷水团之间形成温度、盐度和密度锋面；冬季，在偏北风带动下，南下的山东半岛沿岸流与北上的逆风补偿流黄海暖流之间表现出强烈切变[31]。因此，无论夏季的冷水团还是冬季的黄海暖流，都使得该界限扮演了“水障”的角色，使山东半岛沿岸流携带的大量物质很难越过切变锋。高飞等[32]模拟了36°N断面处在潮流作用下(见图5A1)和冬季风生环流作用下(见图5A2)悬浮泥沙浓度的垂向分布，切变锋处的浓度明显低于两侧，更加印证了切变锋的“水障”作用。同时，这也导致了泥质体厚度的分布现状(图5)：切变锋东北侧泥质体厚度大，可达40 m，10 m等厚度线与切变锋位置大体一致，切变锋西南侧沉积相对薄弱。

(图A[32]为模拟的36°N断面(120.5°E～125°E)处在潮流作用下(A1)、冬季风生环流作用下(A2)悬浮泥沙浓度垂向分布。Figure A is the vertical distribution of suspended sediment concentration under the tidal function (A1) and winter wind-drived circulation function (A2) in 36°N section.)

图5 研究区重矿物组合分区、沉积物运移趋势及切变锋示意图
Fig.5 The map of heavy mineral assemblage provinces, transport trend of sediment and shear front in research area

4.2 泥质体物质来源

本文利用重矿物分析的手段并不能全面揭示沉积物全样的物质来源，但对于泥质体的物源研究具有重要参考意义。近代黄河物源的碎屑矿物组合为片状矿物—普通角闪石—绿帘石，与长江相比富含云母类矿物，不同的沉积动力条件会影响不同形态和比重的矿物分布[30]，但前文已提到黄河重矿物组成的主要部分是片状矿物，其大量存在足以忽略水动力影响，从片状矿物分布趋势上看，泥质体主要物质来源应为黄河物质，而其周边物质来源较为复杂，下面将对各分区的物质来源进行探讨：

Ⅰ区(泥质体北部矿物区)的主要矿物组合为片状矿物-不透明矿物-自生黄铁矿-普通角闪石-绿帘石。大量片状矿物的存在指示了黄河是该区的主要物质来源，该区受北黄海冷水团影响，沉积动力弱，由于片状矿物的沉积速率等效于粗粉砂粒级的石英[33]，因此大量片状矿物得以沉积下来，导致该区片状矿物含量高于Ⅱ区。粒度频率曲线(见图6(a))主峰较为突出，应代表黄河物质。

Ⅱ区(山东半岛沿岸矿物区)的主要矿物组合为普通角闪石-片状矿物-绿帘石，受沿岸流动力的影响，片状矿物不如Ⅰ区富集，但其较高的含量依旧是黄河物源的有力证据。刘金庆等[8]对山东半岛南岸碎屑矿物进行了研究，认为其物源受黄河影响显著，沿岸河流和岛屿侵蚀物也有影响，尹秀珍等[34]认为南黄海西北部物质主要来源于现代黄河和山东半岛及邻近海域的侵蚀基岩。粒度频率曲线(见图6(b))近似正态分布，主峰非常突出，显示了该区单一物源和单一水动力为主的沉积特征，其矮小的副峰代表粗粒物质的存在，可能代表着强潮流对近岸基岩的侵蚀、搬运和再沉积，从沉积物元素含量上也显示其明显受源岩制约[35]。

Ⅲ区(泥质体南部矿物区)分为Ⅲ1和Ⅲ2两区。Ⅲ1亚区的优势矿物组合为不透明矿物-自生黄铁矿-普通角闪石。该区受南黄海冷水团影响，沉积动力很弱，粒度组分主要为粉砂和粘土，粒度频率曲线(见图6(c))呈单峰，这体现了微弱的单一水动力对沉积物的良好分选，但并不能说明其物源单一。前人[34,36]研究表明，南黄海中部沉积物表现出多源性，其来源主要为黄河输送物质，长江物质、古黄河物质及黄海暖流携带的物质也有一定贡献。而磁铁矿等不透明矿物主要来自山东半岛的变质岩和超基性岩[6]。Ⅲ2亚区的优势矿物组合为普通角闪石-绿帘石-不透明矿物，其粒度频率曲线呈明显多峰(见图6(d))，但仍然以细粒物质为主，该区的细粒物质仍主要来自黄河，其他来源的物质对该区的影响较Ⅲ1亚区更大。

Ⅳ区矿物组合为普通角闪石-绿帘石-片状矿物-稳定矿物。新鲜的矿物表面说明该区沉积物在很大程度上为近源沉积。片状矿物含量分布呈北低南高，说明南部的片状矿物并非来自现代黄河，而是多数来自废黄河水下三角洲。粒度频率曲线代表较粗物质的主峰突出，副峰矮小(见图6(e))。该区的物源主要是潮流作用下的沙脊物质、古黄河物质和黄海沿岸流携带的细粒黄河物质，而潮流沙脊的物质具有古黄河和古长江的双源性特征[37]。Ⅴ区矿物组合为普通角闪石-绿帘石-稳定矿物-不透明矿物，粒度频率曲线呈显著双峰(见图6(f))，矿物类型与东海北部陆架的沉积物样品具有较大相似性[5]，细粒物质可能来自于黄海沿岸流携带的黄河物质和夏季长江冲淡水携带的长江物质，较粗物质可能来自黄海暖流携带的东海北部陆架物质。

图6 研究区表层沉积物典型样品粒度频率曲线Fig.6 Grain size frequency curves of surface sediments in research area

4.3 沉积物运移趋势

沉积物的运移趋势(见图5)对于指示泥质体的物质来源具有重要意义。片状矿物是判断黄河沉积物运移趋势的良好指标，从片状矿物含量分布(见图4)上看，黄河口输出的物质在山东半岛沿岸流的携带下向东输送，在北黄海西部大量沉积，形成泥质体的北侧沉积中心，程鹏[38]等研究亦表明，山东半岛北侧沉积物具有向东及东北的输运趋势并向北黄海中部汇聚。之后绕过山东半岛向南输送，但是受切变锋的“水障”作用，难以进行纬向输送，在山东半岛东南形成了又一个沉积中心，并在沿岸流作用下继续沿岸输送，只有少量物质可以越过锋面进入南黄海中部。蓝先洪[36]等认为南黄海中西部物质主要由黄河输送而来，但也不排除黑潮系统带来的远洋物质，与本文研究结果是一致的。

5 结论

(1)黄海全新世泥质体内共鉴定出40余种重矿物，闪石类含量最高为30.5%；其次是不透明矿物(20.6%)、片状矿物(15.1%)和帘石类矿物(13.7%)；还有自生黄铁矿(7.31%)和稳定矿物(4.98%)等。

(2)泥质体共分为3个矿物区：泥质体北部矿物区(Ⅰ区)、山东半岛沿岸矿物区(Ⅱ区)和泥质体南部矿物区(Ⅲ区)。黄河几乎控制了Ⅰ区和Ⅱ区的物质来源，两者的不同之处在于Ⅰ区富集了更多的片状矿物，而Ⅱ区还受山东半岛剥蚀物的影响；Ⅲ区可分为Ⅲ1和Ⅲ2南北两个亚区，两者物源均比较复杂，除了受黄河物质影响较大外，还受黄海暖流携带的长江和东海北部陆架物质的影响。南黄海西部矿物区(Ⅳ区)和南黄海南部矿物区(Ⅴ区)位于泥质体外，其物质受现代黄河、废黄河三角洲、江苏潮流沙脊、东海北部陆架和长江等来源的影响。

(3)泥质体的Ⅰ区和Ⅲ区自生黄铁矿富集，指示了黄海冷水团的存在，说明该区为颗粒细，水动力微弱的弱还原沉积环境。Ⅰ区和Ⅱ区之间多种矿物含量分布的界限指示了切变锋的存在，无论冬夏，其“水障”作用均阻碍了沿岸物质的纬向输送并影响了泥质体的空间分布。