唐山滨海湿地表层沉积物类型及环境示踪

郝彪，高莲凤，张振国，周巍，李璞壮

HAO Biao GAO Lian-feng ZHANG Zhen-guo ZHOU Wei LI Pu-zhuang

唐山滨海湿地表层沉积物类型及环境示踪

郝彪，高莲凤，张振国，周巍，李璞壮

（华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210）

沉积物是环境生态系统中重金属污染程度的重要指示剂。其微观上可以为重金属在沉积物中的化学组成及其与环境的关系等方面的机理提供重要的证据；宏观上则是对环境质量现状、污染程度进行正确评价的前提。在前人研究的基础上，对渤海湾唐山滨海湿地表层沉积物基本理化性质及重金属含量、粒度参数的分析，运用Sr/Ba值和沉积物中Sr、Ga、V含量对陆相和海相沉积进行示踪；运用Cu/Zn值，来示踪当时氧化-还原情况；用Sr/Cu比值法，对当时的气候进行恢复。讨论了唐山滨海湿地表层沉积物的主要类型，该沉积相大多数为滨浅海沉积和三角洲沉积，主要为氧化状态，水动力条件处在中高能。

环境示踪；重金属；粒度分析；唐山滨海湿地

从古到今，沉积环境一直是沉积学研究的重点部分。起初，人们主要从沉积岩或沉积物着手分析。它们当中可能留存具有指示沉积环境的原生沉积构造、结构和生物化石等，但是利用它们来恢复古环境存在一定程度的局限性。在不同的沉积环境当中，水体具有不同的水动力条件、质点的交换能力等物化性质[1]。在沉积物当中，经常能够反映和保存元素被沉积物吸附和元素之间相互交换的结果。这就是为什么沉积环境能够用地球化学标志来反映和恢复的原因。沉积岩或沉积物所含微量元素分配和比率的改变和重组，于某种范围内对古气候的演化历程具有示踪性意义。

渤海是中国唯一的半封闭海域，它继承了黄河、海河和辽河三大流域，连接黄海和东海。随着环渤海区域工业化进程的加速和经济水平的不断提高，渤海湾重金属污染问题也越来越受到关注[2]。沿海沉积物记录了历史发展过程中各种地质演化历史和地质环境形成过程，是获取沿海污染史的最佳方法。许多学者研究了渤海湾表层和垂直沉积物重金属分布及其污染状况、生物有效性、地球化学特征和影响因素。沉积物作为环境演化的记录样本，系统记载了生物生态系统中物理及化学变化过程、保护环境和人类活动对环境的影响[3]，以保护海洋沉积物中的重金属元素的形成、转化及其成因等科学探究越来越受到国内外学者的重视。

图1 采样点位置

1 材料和方法

1.1 样品采集

将唐山滨海湿地作为本次研究区域，表层沉积物为对象，研究范围为滦河口至陡河口之间，采样点选择在江河等自然湿地和养殖池等人造湿地。共设置采样点位12个，根据每个采样点具体情况分别采样1~4个。已经完成对滦河口、京唐港、祥云湾、青龙河入海口、曹妃甸生态城、曹妃甸工业区、南堡工业区、黑沿子、滦南嘴东工业区、涧河－陡河入海口和曹妃甸湿地以及典型生活污水进海处等滨海湿地表层沉积物采集工作，共采集样品30个（图1）。

1.2 样品处理

首先，采集的样品在华北理工大学岩矿测试实验室的Mastersizer 2000激光粒度分析仪上进行粒度组成测试，然后将样品在冷冻干燥机上干燥72h，干燥后的泥样研磨粉碎，过200目(0.147mm)筛，测定各理化指标。重金属测试：采用ICP-MS进行测定。地球化学样品制备工作在华北理工大学岩矿物测试实验室进行，用等离子体质谱仪（ICP-MS）和其他相关仪器测定沉积物样品中主、微量和稀土元素的含量。

用显微镜观察薄片并拍照：本工作在华北理工大学地层古生物研究中心进行，采用德国蔡司研究型偏光显微镜Axioscope进行观察。将1/2盖片放到显微镜下，采用透射光照射，采用10X目镜，2.5X物镜进行观察。然后在镜下找到颗粒分布比较均匀的部分，在电脑屏幕上显示的画面清晰进行拍照。在华北理工大学岩矿测试实验室采用西图空隙特征及粒度图像分析系统软件进行粒度分析。

1.3 数据处理

表1 沉积水动力条件的划分[9]

在数据处理过程中，统计测试用于删除异常值。在对每组测量数据求平均值和成分分析之前进行正态分布检验，根据数据分布特征采用相应的检验方法和相关系数进行计算，取精度为±0.01ug/g，取值范围是0.01。

2 结果与讨论

2.1 沉积物粒度分析

表2 沉积物分选性等级的划分[10]

不同沉积物的物质来源具有多样性，或者一种沉积物包含了不同来源的物质成分[4]。但是近几年来，粒度分析作为一种简单而有效的物源判别方法被很多学者广泛使用，其中在黄土、湖泊沉积物、风成沉积物以及深海沉积物中运用较广，并取得了一定的成果[5]。物质供应受沉积环境、水动力条件和气候等因素制约，导致沉积物粒度特征不同。开展粒度特征分析，能够推断出唐山滨海湿地水动力条件（搬运形式），反演出当时环境。本文将粒度分析作为物源判别模型的一部分。

2.1.1 粒度参数

粒度参数通过数理统计方法或分析软件得出，用特定的数值定量地体现沉积物粒度特性，并且可以反映其沉积环境和条件的一种量化指标[6-8]。经常使用的参数含有粒径均值、分选系数、偏度、尖度、标准差和中值，但由于实验的局限性，本文选取除分选系数以外的其余参数对唐山滨海湿地沉积物进行分析研究。

图2 偏度形态

图3 峰度形态

1）平均粒径和中值粒径，选取沉积物中的累计曲线上为50%处的粒度大小。换言之，它是一个特殊的粒度值，大于这个粒度值得颗粒数占总颗粒数50%，小于此粒度值得颗粒数50%，可以反映粒度分布的集中趋势。

2）标准偏差，反映着物质分散和集中水平，可以定量确定沉积物分选水平。为了能够精确地反应沉积物的分选好坏，可将其分为七级：

3）偏度和峰度

a. 偏度，能够体现物质粒径分散的不均匀水平，表明沉积物粒径均值和中值的相对位置及颗粒的粗细。一般情况下，按照频率曲线的对称形态，可以将偏度分为正态及正、负偏态三类。

正态：在理想情况下，频率曲线是以峰为对称轴的对称曲线，即正态。此时，平均粒度=中值=众数且位于曲线的峰值位置。从数值来看，即Sk1=0，样品分选性好。

表3 偏度等级的划分

正偏态：主峰倾向大颗粒方向，平均粒径大于中值粒径，另外一方常见矮长的拖尾，体现沉积物中大颗粒较多，分选较差。从数值来看，Sk1＞0。

负偏态：主峰倾向细小颗粒一侧，平均粒径小于中值粒径，另外一方常见矮长的拖尾，体现沉积物中小颗粒较多，分选较差。从数值来看，Sk1＜0。

b. 峰度, 可以非常直观的反映出尾部的厚度。根据曲线波峰的尖锐程度，可划分为宽、窄两种类型：宽峰态，波峰较钝，说明粒度分布程度宽，粒度比较分散，分选性差；否则，反之[11-14]。

表4 峰度等级划分

表5 水动力条件等级划分

2.1.2 粒度曲线

散点图是粒度参数的一种综合图解。它比单一的参数更具有意义，将各种具有差异性的参数结合起来投射到散点图上，可以把多种环境下形成的沉积物划分出来。

图4 唐山滨海湿地部分采样点—散点图

2.1.3 粒度参数的环境判别公式

表6 沉积物类型判别式

前人经过分析研究，发现当用某一种粒度参数进行环境恢复时，存在一定的偶然性和误差。为了避免错误发生，1964年萨胡大量整理和分析前人的资料，归纳总结出4个具有跨时代意义的式子，可以区分不同环境的沉积物质。判别公式如表6。

2.1.4 小结

综合以上可以看出，嘴东2、3号，曹妃甸1、2号，京唐港1号，滦河口1号样品为滨浅海沉积。它们的沉积水动力条件都处于中高能。京唐港1号及嘴东2号样品颗粒较细，其余都较粗。嘴东3号、曹妃甸1号分选性好；滦河口1号分选性中等；其余较差。滦河口2号、嘴东1号、京唐港2号、曹妃甸3号样品为三角洲沉积，沉积水动力条件处在中高能，颗粒较粗，分选性差。

2.2 陆相和海相沉积的地球化学示踪

运用地球化学来反映和恢复当时的沉积环境时，要考虑到不同的元素的理化性质具有差异性。唐山滨海湿地中就包含一些能够反映海相和陆相环境的元素和稀土，例如：Ca、Sr、Ba。由于它们的物理化学性质的差异性，使它们在海陆相沉积物的含量具有明显的不同，它们的含量、相应元素比值是重要参数。这些参数，是划分海相和陆相环境的地球化学标志的关键组成部分。

在国内，王益友、郭文莹和张国栋[12]对我国13个海底样品进行仔细研究和分析，最终归纳总结了一种分类标准。在国外，Chen[14]等人经过研究和分析，也总结出了一类标准以及元素Sr、Ga、V含量法标准（表7）。

表7 浅海和陆相元素及比值对比表

利用进行实验中的得到的Sr和Ba，计算Sr/Ba比值，并与分类标准进行对照，得出唐山滨海湿地各处沉积物的沉积环境。为了避免偶然性，减小误差，使结果更加真实有效，也用Sr、Ga、V元素法对浅海和陆相的沉积环境进行了恢复。

唐山滨海湿地分成人造和自然湿地，前者包含沿海滩涂、河流、芦苇沼泽；稻田、水池和水库等构成人工湿地。由于在元素测量过程中可能存在一定的偏差，因此我们要根据采样的站位点位置为依据，把元素法和比值法的结果作为参考，进行自己最终对环境进行确定。得出最终结论为：滦河口湿地1、2号采样点，京唐港湿地1、2号采样点，祥云湾湿地，小清河湿地，曹妃甸生态城湿地1、3、4号取样点，曹妃甸工业区湿地1、2、3号取样点，南堡湿地1、2、4号取样点，黑沿子湿地1号取样点，曹妃甸湿地1号取样点位浅海沉积环境。小清河湿地2号取样点，曹妃甸生态城湿地2号取样点，南堡湿地3号取样点，嘴东湿地1、3号取样点，黑沿子湿地2号取样点，涧河口湿地1、2号取样点，曹妃甸湿地2号取样点位半咸水沉积环境。小清河湿地4号取样点是陆相沉积环境。

2.3 氧化还原状态的地球化学示踪

在用地球化学元素对沉积氧化还原状态进行示踪时，常常用Fe2O3/FeO作为参数特征。但是，由于在某些地质作用发生后，Fe2O3和FeO的含量会发生较大的变化，随之它们的比值较之前也发生了较大的变化。因此在用其比值恢复物质的沉积氧化还原情况时，可能存在一定偏差[15]。水泉在对湖南前震旦系沉积环境的研究过程中，通过分析研究，统计总结出了一种分类标准。（表8）

表8 各氧化还原过渡相Cu/Zn

表9 气候示踪标准[12]

经计算通过实验所得数据，得表10。从表中可以看出，唐山滨海湿地的氧化还原状态比较齐全，包括还原、弱还原、还原-氧化、弱氧化和氧化。其中，大多数唐山滨海湿地沉积物沉积时的环境为氧化环境，共19个采样点：滦河口湿地1、2号采样点，小清河1号、曹妃甸生态城1、3、4号，曹妃甸2号，南堡1、2、3、4号，嘴东1、2、3号点，陡河口，涧河口1、2号和曹妃甸1、2号采样点。祥云湾、曹妃甸工业区1号采样点共2处为还原状态。曹妃甸工业区3号、黑沿子1号采样点为还原-氧化状态。弱还原状态主要集中在小清河，即小清河2、3、4号。京唐港1、2号，生态城2号、黑沿子2号采样点为弱氧化状态。

2.4 古气候地球化学示踪

在沉积岩或沉积物中具有多种微量元素，它们当中的某些元素的含量及之间的比值的改变，对环境的变化特征都具有重要的恢复性意义[10]。

在所有元素中，它们的物理化学性质各部相同。虽然有很多元素对环境敏感度都很强，但是有的在风化作用中比较活跃，易迁移，会导致结果产生偏差。因此我们要选择一些在风化作用中性质比较稳定、牢固且不容易发生转移的对气候灵敏性强的元素，例如Sr、Ti、Al、Nb、Ta、Th、Ca、C、P、Fe、Al、V、Ni、Ba、Zn、Co、Na、Mg、Cu、Mn和Nb。Ca、Sr、C结成一组，与生物碳酸盐岩有关，其含量多数情况下在多量动物和生物生长的湿热潮湿区域显著提高[16]。

根据计算得到的Sr、Cu和Sr/Cu值可以知道，除了京唐港湿地1号采样点、祥云湾湿地采样点和曹妃甸1号采样点为干热气候外，其他采样点为温湿气候。

2.5 沉积物物源特征

上地壳的的Th/U平均值为3.8。Th和U在水体当中的溶解能力存在差别，U6+易溶于水，Th相对不容。经过风化作用，和亲石元素共生的U4+会和氧化形成U6+，被水流带走；而Th改变程度明显较低，因此随着Th/U值减小，风化强度随之减小[17]。

从总体上来看，唐山滨海湿地表层三分之二的沉积物的Th/U值与上地壳平均值（3.8）相当，能够反映出其母岩风化较强。从站位点上来看，唐山滨海湿地各站位点沉积物中元素的Th/U的值在3.66～7.19之间。其中小清河站位点、嘴东站位点、黑沿子站位点和陡河站位点的Th/U值范围为4.47～7.19，均大于4，说明这些地区的沉积物的母岩经历了明显的风化作用。从每个站位点的不同采样点来看，小清河湿地三号采样点的风化强度最强。多数采样点落入亏损地幔区，说明沉积物的原岩经过了强烈的构造抬升运动，使下地壳或地壳物质升到地面，并接受了快速剥削和沉积作用[18,19]。

3 结论

1）唐山滨海湿地表层沉积物共分为四类，即细砂、细砂质粗砂、中砂质细砂、粗砂和黏土且含有矿物、岩石、生物碎屑。

2）唐山滨海湿地大多数为滨浅海沉积和三角洲沉积，大部分为氧化状态，水动力条件处在中高能。

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Type and Environmental Tracer of Surface Sediment in Coastal Wetlands in Tangshan

HAO Biao GAO Lian-feng ZHANG Zhen-guo ZHOU Wei LI Pu-zhuang

(Mining Engineering College, North China University of Science and Technology, Tangshan, Hebei 063210)

This paper has a discussion on basic physical and chemical properties, heavy metal content, grain size analysis of surface sediment in coastal wetlands in Tangshan and Sr/Ba ratios and Sr, Ga and V contents as tracers of continental and marine sediments with Cu/Zn ratio as oxidation-reduction tracer and Sr/Cu ratio as paleoclimate indicator. Littoral and neritic and delta sediments as main types of surface sediment in coastal wetlands in Tangshan.

environment tracer; heavy metal; grain size analysis; coastal wetlands in Tangshan

2018-07-18

国家自然科学基金（41172015）；河北省自然科学基金（D2015209075，D2017209236）；河北省高等学校科学技术研究重点项目(ZD2016077）；华北理工大学省自然科学基金培育项目（SP201501）

郝彪（1993-），男，硕士生，地质资源与地质工程专业，河北省张家口市人，主要从事沉积地质与沉积环境研究

高莲凤（1970-），女，博士，教授，主要从事微体古生物学与地层学、沉积地质学及古海洋学等领域的教学与研究

[P67]

A

1006-0995（2019）02-0303-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.02.026