广西涠洲岛海滩珊瑚碎片颜色特征及其研究意义

2021-05-27彭冰钰韦龙明

矿产与地质 2021年2期

王丹，彭冰钰，韦龙明，赵阳，施翌

( 桂林理工大学地球科学学院，广西桂林 541006 )

0 引言

涠洲岛位于南海北部湾(图1)，是中国地质年龄最年轻的火山岛，也是广西最大的岛屿[1]。它是由火山喷发堆凝而成的岛屿，在海洋风暴、地震以及引发的海啸，加上长期潮汐与波浪的共同作用，形成了现今涠洲岛海岸丰富多彩的海蚀、海积、海滩等独特地貌景观[2-3]。海滩上五颜六色的珊瑚碎片，极大吸引着游客的眼球。

前人对涠洲岛的海岸地貌与海滩类型[2-4]、火山岩[5]、珊瑚礁及其生态环境[6-9]以及重金属元素对珊瑚呈色的影响[5，10-12]均做了一定的研究，但对钙质海滩沉积特征很少涉及，特别是对珊瑚碎片颜色的次生变化研究未见报道。笔者曾对涠洲岛钙质海滩沉积特征[13]及其与珊瑚礁发育的关系[14]以及珊瑚多色性分布规律[15]做了初步研究，成果参加第四届全国青年地质大会并做了学术报告①，荣获大会优秀论文奖。本文以2018年及2019年两次采集的三个海滩(图1)表层沉积物作为研究对象，在已有研究成果及野外观察的基础上，结合原位微区元素测试数据和模拟实验结果，深入探讨各色珊瑚碎片的次生变化原因及其研究意义，为北海涠洲岛海滩粉红色珊瑚碎片开发利用提供帮助。

1 沉积环境与珊瑚碎片空间分布规律

涠洲岛的形状近似圆形，由南到北地势逐渐降低，从微微隆起的玄武岩高地过渡到平坦细腻的沙滩[3]，岛屿的南北两边由于不同的季风和潮汐运动等影响而呈现出不同的地貌。下面从地质地貌背景、水动力、沉积作用、掩埋情况等方面探讨与总结珊瑚碎片的形状和颜色的展布规律。

图1 涠洲岛地貌及采样位置图

1.1 地质地貌背景与珊瑚碎片分布特征

涠洲岛的南半部主要是海蚀地貌，海浪不断拍打侵蚀着多孔隙的火山沉积岩悬崖峭壁，形成海蚀洞穴、海蚀山崖等，由于浅水区风大浪急，枝状珊瑚生活在较深的水域；涠洲岛的北半部则主要是海积地貌，地形平缓，松散钙质沉积物经过海浪的反复淘洗，形成了细腻沙滩、沙堤等景观。

涠洲岛西南部的石螺口和滴水丹屏两处海滩的珊瑚碎片均呈碎枝状(图2a)，螺壳和贝壳个体较小且稀少(图2b)；而涠洲岛东北部贝壳海滩的珊瑚虽然也以碎枝状为主，但块体也较多(图2c)，由于更靠近大陆，受陆源碎屑混入物影响较大，故此广生底栖的螺壳和贝壳较多，个体也厚大(图2d)。

图2 涠洲岛南北部沉积特征对比图Fig.2 Sedimentary contrast map of the south and north of Weizhou Island(a，b)涠洲岛南部石螺口海滩 (c，d)涠洲岛北部贝壳沙滩海滩

1.2 沉积环境作用与珊瑚碎片分布特征

钙质珊瑚碎片海滩(代表海滩为石螺口海滩)明显存在灰色带和粉色带共存现象(图2)，两带间分界明显，且粉色带更靠海，宽度大于灰色珊瑚带。仔细观察发现，灰色带是涨潮海浪在高潮线上的沉积产物，灰色带的珊瑚碎片比较粗大且很湿，从而显得“新鲜”，甚至个别还附着有海藻。而粉色带的珊瑚碎片沉积物比较细小，磨圆度更好，说明暴露时间长，经过海浪反复冲刷，氧化作用充分，造成铁元素氧化富集而呈粉红色。

1.3 掩埋暴露条件与珊瑚碎片分布特征

潮上带大部分时间处于暴露环境，蒸发作用强，受风吹日晒雨淋影响严重，其近海一侧常常发育珊瑚砾石堤，珊瑚碎片的代表性颜色为粉色；潮间带时而被海水淹没时而暴露状态，温差变化最大，砂砾混杂沉积，附着有藻类的珊瑚碎片在潮间带反复搬运或掩埋，藻类会被部分磨损造成杂色，珊瑚碎片的特征性颜色为杂色(图3)；潮下带一直处于海平面之下，波浪作用频繁，氧气充足，底栖生物发育，细砂沉积物为主，珊瑚碎片的代表性颜色为白色。

图3 涠洲岛海滩杂色珊瑚碎片Fig.3 Variegated coral fragments on the beach of Weizhou Island

2 珊瑚碎片颜色变化模拟实验

珊瑚碎片(钙质砂)的形成受多种外部因素的影响，如当地的生物种群数量与类别、沉积过程中海水的化学风化作用、温度的影响、地质条件的变化等[16]。一般情况下，珊瑚被冲到岸边的过程中，有可能被藻类附着、被沙滩掩埋和完全暴露等三种赋存状态，它们会经历不同的风吹、日晒、雨淋等环境变化。通过氧化-还原和磨蚀等模拟实验，可以间接探讨成岩环境对珊瑚碎片颜色次生变化的影响。

2.1 珊瑚碎片氧化实验

实验样品采自滴水丹屏海滩，包括绿色、深灰色、浅灰褐色、粉白色、白色、土黄色、紫红色7种颜色的珊瑚碎片(图4)，模拟阴天、春秋晴天、炎热夏天三种情况进行对比实验。实验阶段由于正处春天，桂林阴雨连绵，临时选用灯光照射及微波烘烤实验替代春秋晴天和炎热夏天条件。

实验结果(图4)显示，总体上实验前(图4a，样品采集后的第3天)、实验后(图4b)及在室内放置近5个月后(图4c)的对比均显示各种珊瑚颜色都略有变浅现象。灯光照射组(B组)变化最为明显，特别是绿色、深灰色和浅灰褐色3种珊瑚的颜色变化最为突出，发生明显的褪色，其他珊瑚的颜色变化不明显，显然深色系列容易发生变化；微波烘烤(A组)和阴干(C组)条件下对各种珊瑚的颜色改变总体上没有灯照组那么明显。

通过对不同颜色的珊瑚进行氧化还原实验(阴干、烘烤、灯照实验对比)，可以发现呈绿色和深灰色的珊瑚在暴露状态下经过氧化作用，特别是有长时间的光照作用时，颜色明显变浅几近白色；呈粉红色和紫色的珊瑚虽也有变浅趋势，但变化程度不太明显。在自然界，阳光的紫外线和光强等可以被海水过滤或者减弱，长期受到光照作用、暴露的珊瑚碎片失去海水的保护，其自身性质遭受破坏致使珊瑚碎片颜色褪色。

2.2 珊瑚碎片弱还原实验

通过将2.1氧化实验的灯光照射组样品部分埋藏在沙子里(图5)，5个时期实验前后的暴露面(Ⅰ)与掩埋面(Ⅱ)的颜色变化对比实验显示，暴露面经过多次灯光照射及暴露于空气中，氧化作用明显强于掩埋面，所以颜色更容易褪色，特别是绿色珊瑚枝的褪色现象更加显著。

野外观察可知，涠洲岛滨海区藻类大量发育(图6a)。取1块新鲜附着有藻类的块状珊瑚，室内静止放置4个不同时期后分别拍照对比显示，随着时间的推移，藻类干枯并逐步消失，绿色明显发生褪色，由于底面遮光，代表弱氧化或弱还原环境，与暴露于空气中处于氧化环境的顶部相比，底面的褪色程度没那么明显，即便2年过去，绿色仍有保存。

图6 珊瑚块体不同时期顶面(Ⅰ)与底面(Ⅱ)的颜色变化对比图Fig.6 Comparison of color change of top (Ⅰ) and bottom (Ⅱ) of coral block in different periods

2.3 珊瑚碎片还原模拟实验

将用于实验的绿色珊瑚部分碎片放入密封盒，四周充填潮湿的海滩砂(24日上午取自涠洲岛石螺口岬角附近岩滩旁)压实，并确保密封留存(图7A)，最初每天打开盖子一分钟透气，并滴入2～3滴水，保存湿润(图7B)。放置一段时间后打开拍照，五个时期的实验前后对比，在封闭状态下，随着时间的推移，珊瑚枝体由褐绿色逐步变成深褐绿色→深灰绿色→灰绿色→浅绿色，表明发生了还原作用，有机质慢慢被分解，但由于处于还原状态，基本10个月之后，绿色素也没有完全消失。

2.4 珊瑚碎片磨蚀模拟实验

将用于实验的珊瑚碎片、贝壳硬体(图8)分别置于型号为CA6140的普通车床中进行旋转磨蚀实验。第一次设置转速及时间为150转/150 s，第二次转速及时间为200转/150 s，两者混合后再次进行转速及时间为200转/150 s的实验，每次实验结束后进行称重并计算出磨蚀度。实验结果(表1)发现，珊瑚碎片样在肉眼上未看到明显变化，而贝壳硬体边缘出现破碎现象，两类样品均有粉末出现；第2次磨蚀实验后，发现长柱状的珊瑚碎片发生断裂，贝壳硬体边缘破碎加剧，均再次有大量粉末出现。而组合样的再次磨蚀实验，均未看见破碎，磨蚀度明显低于前两次的单独磨蚀实验。

通过对珊瑚碎片、贝壳硬体及两者混合体分别多次进行磨蚀实验，得知在遭受外界剥蚀时，贝壳硬体相较而言更易破碎，破碎最严重部位为边缘部分；大的长柱珊瑚相比小的珊瑚碎砾更易断裂，更易磨蚀出粉末。两者第2次磨蚀度均小于第1次，再次混合作用后磨蚀度更低，证明珊瑚碎片碎枝随着多次反复剥蚀后，剩余的生物碎片，与颗粒中其他碳酸盐类沉积物相比，一般强度较高，在沉积搬运过程中不易破坏[17]。

图7 绿色珊瑚还原实验条件及四个时期颜色变化对比Fig.7 Experimental condition of green coral reduction and comparison of color change in four periods

图8 生物硬体样品Fig.8 Biological hardware samplesS—珊瑚样 B—贝壳样 SB—混合样

表1 生物硬体磨蚀实验结果Table 1 Test result of biological hardware abrasion

综上，在表生地质作用过程中，变化较大的绿色、深灰色、斑杂色为珊瑚的次生色。藻类在浅水区生长，并常常附着在珊瑚碎片的表面。粗大珊瑚枝条或块体经过海浪的反复冲刷，覆盖在表面的藻类及表层的杂色自然被磨蚀掉，珊瑚枝条被不断磨蚀变小，慢慢变成砾石→细砂，再经过长期氧化作用而呈现粉红色。

3 不同颜色的珊瑚碎片成分测试

有学者提出，在不同的珊瑚种间，除Cu含量存在显著差异外，其余Zn、Pb、Cd、Cr 四种重金属元素没有明显的种间差异性[10]，这说明区域环境条件是影响珊瑚骨骼中重金属含量的重要因素。本文选取紫红色、粉红色、白色、灰色、深灰色以及灰白不均匀分布的斑杂色共6种代表性颜色的珊瑚碎片样进行电子探针和激光原位微区主微量元素测试，并将测试数据进行统计处理(表2至表4)。

数据处理结果作各类元素含量分布柱状图(图9)，由图9对比可知，涠洲岛海滩紫红色(浅紫色)珊瑚碎片的MgO和C含量最高，SO3含量也很高，Al含量较高，其他元素总和却是最少；粉红色珊瑚的MnO含量最高，Cr2O3含量很高，Sr和Si含量也较高，Na、Mg、Al、S、Fe含量最少；白色珊瑚的Ca是含量最多，SO3含量很高，MnO和MgO的含量也较高，其他元素含量总和较少；灰色珊瑚的FeO含量异常高，SO3和Ti含量也很高，Al、K、Ni含量较高；深灰色珊瑚的SO3含量也较高，而且除了Ca和C以外，其他成分含量均最低。

表2 珊瑚样品电子探针化合物分析结果Table 2 List of main element analysis data of coral samples by EPMA

的量单位为wB%；“—”表示低于检出限。

表3 珊瑚样品电子探针元素分析结果Table 3 List of trace element analysis data of coral samples by EPMA

表4 珊瑚样品激光微区分析结果Table 4 List of laser microanalysis data of coral samples

图9 不同颜色珊瑚样品电子探针分析各类元素含量分布柱状图Fig.9 Distribution histogram of various elements of different color coral samples by EPMA

相对而言，滴水丹屏(DH)珊瑚样品的Al、Ti、Cr、Co、Cu、Zn、Ba、Fe、Bi、U等元素整体明显高于涠洲岛贝壳沙滩北岸(BB)的样品。涠洲岛中Pb含量比南海北部其他珊瑚礁区的高出4.5～13.78倍[11]；与南海北部其他珊瑚礁区域珊瑚骨骼重金属含量相比较，涠洲岛珊瑚的Cu、Pb、Cd、Cr的含量相对较低，但Zn的含量相对较高[17]。这些元素异常与涠洲岛火山岩中微量元素吻合[5]，证明涠洲岛火山岩这些元素富集的存在，对海滩珊瑚碎片的致色存在一定的影响。

4 讨论与结语

4.1 珊瑚呈色机制

海岸及海底基岩类型不同，会影响珊瑚体的致色元素富集。测试数据显示，涠洲岛海滩紫红色珊瑚碎片和粉红色珊瑚碎片的SO3、MnO和Cr2O3含量较高，Er含量也相对较多。研究表明，SO3为强氧化性物质，加之氧化剂Er的助力，使珊瑚呈红色、紫色，Mn、Cr、Fe2+、Ti4+等微量元素对珊瑚呈紫色也具有一定的影响[12]。粉色、紫色珊瑚碎片中的Cr、Ni、Er元素在涠洲岛火山岩中也大量存在[5]，涠洲岛火山岩的广泛分布，火山岩中的致色元素会随着珊瑚的生长进入珊瑚骨骼中聚集。上述所有证据均表明海滩周围的火山岩致色元素对珊瑚呈色具有控制作用。

沉积过程中的地质背景、风化作用、温度变化、水动力条件等外部因素，都会影响珊瑚碎片的磨蚀程度及颜色的次生变化。珊瑚礁的珊瑚体遭受大风浪破坏后，被直接被带到岸边，此类珊瑚碎片通常呈白色；若在浅水区短暂逗留，如果珊瑚碎片表面及空隙中被藻类完全附着生长而呈现均匀绿色，被藻类不完全覆盖者呈斑杂色。珊瑚枝被带到岸边，如果完全暴露，杂色表层逐渐被海水冲刷磨蚀掉，同时在氧化作用下，藻类(有机质)很容易分解而发生褪色；如果迅速被掩埋而处于还原条件下保存，藻类会转化为有机碳，使得绿色又转化为褐色或深灰色。深灰色珊瑚枝条的横截面外圈为深色，内部则是白色，也说明深灰色是次生色，白色是原生色；不均匀暴露，呈杂色，如果半掩埋状态，则掩埋部分呈深灰色，暴露面呈浅灰色。各色珊瑚如果完全暴露，在长期氧化-磨蚀的作用下，珊瑚碎片颜色逐步逐渐变浅，碎枝或碎块不断磨蚀变小，最终以磨圆度好的粉红色珊瑚砾石的形式存在。

粗大的绿色或深灰色珊瑚枝条的横截面外部稀松多孔，磨蚀作用更加容易发生，而粉红色或紫红色的珊瑚碎片大多已经遭受过一定程度的磨蚀作用，这些珊瑚碎片相对比较细小，而且结构比较致密，磨蚀作用难度相对加大，所以第一轮的磨蚀率高于第二轮。不同程度的风化-磨蚀实验下，粉红色珊瑚的颜色变化和破损程度均最低，碎片的保存完整度受后期环境影响较小。深灰色珊瑚碎片除了Ca和C以外，其他成分含量均最低，是否说明杂质(重金属)主要“富集”于珊瑚体的内部？珊瑚硬体外部与内部的成分是否存在差异这有待今后深入研究。

珊瑚生长期间有致色元素进入珊瑚骨骼而呈现的颜色，属于原生色；珊瑚体破碎后被搬运迁移，随环境的改变，珊瑚发生变化的颜色称为次生色。如上所述，海滩珊瑚碎片(钙质砂)的沉积-成岩作用受多种外部因素的影响，如沉积过程中海水的化学风化作用，风力、水力、人力等风化-磨蚀作用、温度的影响、地质条件的变化等，也可以通过模拟实验开展辅助研究，笔者虽然完成了初步实验，但缺少珊瑚碎片颜色变化前后的成分测试对比研究，也就无法回答致色离子的迁移机制，想要构建海滩珊瑚碎片颜色演变系列模型，仍有待进一步深入研究。

涠洲岛海滩上的粉红色珊瑚被当地老乡称为“红珊瑚”，虽然次生的粉红色珊瑚远远没有达到宝石级别红珊瑚的价值，两者成因与成分均不一样。但磨圆度好的粉红色珊瑚砾石具有一定的观赏价值。粉红色珊瑚砂砾在涠洲岛海滩上广泛分布，如果仅仅被作为烧石灰的原材料未免“大材小用”，可以作为工艺品的原材料，把颜色艳丽的珊瑚卵石打造成饰品投入市场，以较低的成本实现价值扩大化。通过对涠洲岛海滩珊瑚碎片次生色演变研究，解释艳丽的粉红色珊瑚呈现条件，为旅游胜地涠洲岛多样的旅游经济增加效益提供理论依据。