苏北辐射沙洲岸滩沉积物元素地球化学记录的百年尺度环境变化

赵一飞，徐敏*，刘晴，舒强，王平

( 1.南京师范大学 海洋科学与工程学院，江苏 南京 210023；2.南京师范大学 地理科学学院，江苏 南京 210023)

1 引言

海岸带是陆地与海洋交互作用的重要界面，也是响应全球变化和陆海各种动力作用最为迅速、最敏感的地带[1]。潮滩作为海岸带的重要组成部分，广泛发育于世界许多海岸带，在保护海岸线、生物多样性、抵御风暴潮等自然灾害等方面发挥着不可替代的作用[2-5]。受河流来沙、潮汐、波浪和沿岸流等动力的综合作用，海岸潮滩区的物质来源、沉积物组成和地球化学特征复杂。

苏北辐射沙洲是分布于我国江苏岸外一种特殊的、典型的沉积体，其物质来源和地貌基础是晚更新世低海面时古长江、古黄河在该处入海形成的古三角洲沉积物或砂体[6]。这些沉积体包含了丰富的陆地沉积物供应[7-9]、海岸地貌演化[10-11]和古环境变化的信息[12]，因此，获得了较多的关注。历史上，受长江、黄河两条大河巨量泥沙供给，在江苏近岸辐聚辐散潮流动力的作用下，近岸潮滩典型发育，形成我国最大、最典型的淤泥质海岸潮滩，为众多迁徙鸟类和底栖生物提供良好的栖息地。然而，在过去百余年时间里，由于受到海岸各种营力的综合影响（如黄河北徙、滩涂围垦和海平面上升），辐射沙洲近岸潮滩沉积动力环境发生显著改变。目前，从对苏北辐射沙洲近岸潮滩的研究来看，20世纪60年代初开始关注，80年代开展调查并快速发展，经历了从地面调查到遥感分析、从定性描述到定量分析的过程。这一阶段研究主要集中在粉砂淤泥质潮滩类型划分[13]、潮滩剖面塑造[14]、潮滩形成发育演变机理[15]、潮水沟系统形成与演化[16]、潮滩沉积过程野外观测[17]、潮滩沉积过程定量研究、潮滩动力地貌、波浪、风暴潮和互花米草对潮滩演变的影响、潮滩形成原因与风暴潮潮滩沉积记录、潮滩冲淤循环模式（长期、短期）、泥沙输移模式等方面[18-20]。尽管从区域尺度对潮滩沉积环境的研究取得了诸多成果，但研究区域较为分散、研究内容不具体、研究方法不一致，同时对近百年来，物源减少、人类围垦活动加剧的影响下苏北辐射沙洲潮滩沉积环境等方面缺乏系统的研究和深入了解。

元素作为研究沉积物物质组成的重要指标之一，在地表过程中的地球化学行为与其粒度特征、矿物组成和沉积时的动力条件密切相关，记录了海岸沉积环境变化的重要信息[21-23]。X射线荧光分析（X-Ray Fluorescence,XRF）是一种应用于沉积物元素分析的新兴研究方法，具有分析速度快、无损样品、连续性好、分辨率高以及样品制备要求低等优势[24-25]。近年来，XRF岩芯扫描分析方法已广泛用于沉积物环境研究中，如沉积物物源分析[26-27]、古气候与古环境重建和古洪水事件，取得了丰硕的成果[28-30]。因此，本文通过研究在苏北辐射沙洲岸滩获取的短柱沉积物岩芯，建立可靠的年代框架，基于元素地球化学记录和沉积物粒度参数，开展潮滩沉积环境演变研究，以期正确认识潮滩沉积特征及其演化历史，为该区域潮滩综合规划和开发提供科学依据，这对保护潮滩及其周边生态系统、合理开发利用潮滩资源和促进地区经济社会可持续发展具有重要的意义。

2 数据来源及研究方法

2.1 研究区概况

苏北辐射沙洲（图1）是分布于我国江苏岸外一种特殊的、典型的沉积体系，由70多条陆架潮流沙脊与潮流通道相间的海底地貌组成，以新川港为主轴，呈褶扇状向海，水深为 0～25 m，总面积达 22 470 km2，是世界上最大的海沙复合体之一[6]。苏北辐射沙洲附近潮滩是中国连片面积最大、最宽广、生态类型最齐全和冲淤演变最复杂的典型淤泥质潮滩[31]。潮滩平均宽为6.5 km，最宽处在条子泥边滩，可达14 km。历史上长江、黄河曾在苏北入海，带来的大量泥沙供给是淤泥质潮滩形成和淤涨的主要物质来源，其以潮差大（平均潮差为2～4 m）、潮汐作用强为主要特征，潮滩发育完善，具有明显的分带性[13,32]。辐射沙洲近岸多属于非正规半日潮，其中弶港至小洋口一带潮差最大，在长沙港北达6.45 m，之后向南北两侧递减。其潮流作用较强，最大流速可达1～2 m/s以上，以弶港为界，南部外海以旋转潮流主导，近岸往复流性质明显[33]。

图1 研究区及其采样位置Fig.1 The study area and sampling location

2.2 样品采集

2018年8 月，在苏北辐射沙洲近岸潮滩，利用便携式重力采样器钻取了（内径为9 cm）3根长度为105～120 cm的柱状岩芯（表1，图1）。对获得的岩芯用胶带和锡纸密封保存，防止样品氧化。样品运回实验室，放置冰柜冷藏，处理时纵向剖开，进行描述、岩芯扫描和拍照后，纵向间隔2 cm进行分样，在分离样品过程中用去离子水对分样工具进行清洗，避免对相邻样品造成污染而影响结果的测定。对于所分好的样品，用冷冻干燥机进行低温冻干，主要用于沉积物年代分析和粒度分析。

表1 苏北辐射沙洲岸滩柱状岩芯沉积物站位信息Table 1 The information of core sediments samples station in tidal flat in the northern Jiangsu radial sand ridges

2.3 实验室分析

本文对所采集柱状沉积物样品粒度测量在南京师范大学海洋科学与工程学院进行，测试仪器使用英国Malvern公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度仪，仪器测试粒径范围为 0.02～2 000 μm，多次重复测量误差小于3%。在测试前，对所测试的样品进行前处理分析，首先称取1 g左右冻干的沉积物放置于烧杯中，先后加入10%的H2O2和10%的盐酸溶液，搅拌均匀，静置12 h以去除样品中的有机质，然后加入浓度为10‰的六偏磷酸钠，充分搅拌后静置24 h以上然后上机测试，对所测试的结果选用Folk和Ward图解法公式和GRADISTAT软件进行计算，获得平均粒径（Mz）、分选系数（σ1）、偏态系数（sk1）、峰态系数（KG）4 个粒度参数。

沉积物沉积速率和年代的确定采用210Pb和137Cs放射性同位素测年方法，沉积物样品中放射性核素的测定在中国科学院南京地理与湖泊研究所同位素实验室完成，分析仪器采用美国EG&G Ortec公司生产的低本底高纯锗探γ能谱仪井型探测器（HPGe GWL 120-15），该γ谱议的主要指标为，能量响应范围为40～10 MeV、峰康比大于60∶1、相对探测效率为10%～150%，具有良好的稳定性。高纯锗探测器可测得低能γ射线，同时在环境样品的高纯锗探测器谱中，46.5 keV处的γ射线与其他射线互不干扰。在实验室内，将短柱样品进行冷冻干燥处理，选取10 g左右样品，研磨过100目筛，进行放射性核素210Pb、137Cs和226Ra的活度测试，为了减少误差，测定时间为40 000 s左右（实时），活度按计数值和计数误差比来确定。其中，其中137Cs的比活度由661.6 KeV处的γ射线谱峰面积获得，210Pbex比活度可以通过从总的210Pb的比活度中减去226Ra比活度来确定。其中，210Pb的总量为46.5 KeV处的γ射线谱峰面积，226Ra比活度根据214Pb的谱峰面积（351.9 KeV处）求算，半衰期极短的214Pb是226Ra的衰变产物。实验中137Cs和226Ra标准样品由中国原子能研究所提供，210Pb标准样品由英国利物浦大学提供的标准样品作比对标准。

2.4 XRF 岩芯扫描仪

本研究中，地化元素主要是通过XRF岩芯扫描仪（X-Ray Fluorescence Core Scanner）扫描获取。随着元素地球化学研究的不断深入，XRF岩芯扫描仪的使用也越来越广泛。XRF岩芯扫描分析方法是在不破坏样品的前提下，通过直接对样品剖面进行扫描，快速得到高分辨率元素的相对变化。

XRF样品扫描分析在南京师范大学地理科学学院XRF岩芯扫描实验室完成，扫描仪器为英国GeoTek公司生产的MSCL-S岩芯扫描仪，以2 mm的分辨率对卡槽样品进行元素扫描分析。该仪器广泛用于海底沉积物、湖泊沉积物及岩石岩芯等扫描分析，其多个系统可同步、快速、准确和全自动测量。目前，该仪器传感器包括光学成像系统、彩色分光光度计、磁化率和高精度XRF元素。利用MSCL-S测量时，岩芯长度不超过 150 cm，直径为 50～150 mm，可分析Mg到U之间的大部分元素。此外，可利用氦气极大提高传感器的灵敏度，尤其在测量Mg、Al等元素时，可以增强峰值，消除谱图中的氩峰。本次沉积物柱状样品扫描是在10 kV和40 kV两个电压控制的射线条件下，以1 cm为分辨率，每个点测试时间为10 s获取的元素相对含量信息。

岩芯扫描完成后，利用bAxil Batch软件对数据进行批处理，处理得到的数据除以真实测量的时间，即可获得某种元素相对元素强度（单位：cps）。

2.5 聚类分析

聚类分析是把未知类别的变量依据相应的规律分类，分类过程是一个逐步减少类别的过程，每一个聚类层次，必须满足“类内差异小，类间差异大”的原则[36-37]。在本研究中，依据R型聚类分析方法对每个柱状岩芯中元素进行R型聚类分析，该方法可以将地化特征比较接近、行为比较密切的元素进行归类[38]。主要元素的聚类分析在SPSS 20软件中完成。

3 结果与分析

3.1 沉积物岩芯描述

射阳河口柱状岩芯位于射阳河口南部互花米草滩，全长为105 cm，整个柱状样含水率中等，主要以粉砂质黏土、黏土质粉砂和粉砂组成，在0～10 cm深度处，有大量的互花米草根系；在10～30 cm深度处，以浅灰色粉砂质黏土为主，有机质含量较高；在30～65 cm深度处，以浅黄色黏土质粉砂为主，且中间夹杂一些黏土层；在65 cm以下，主要以粉砂为主，有零星有机碳分布（图2a）。川东港采样地点位于大丰麋鹿自然保护区外围互花米草滩，整个岩心长度为110 cm，以粉砂、黏土质粉砂为主；有明显的泥沙层理分布，压缩性小，含水率中等，在10～22 cm深度处，含水量较高，有机质含量高（图2b）。海安样点位于海安县岸外光滩处，受潮沟波动影响以及沉积物沉积特性，沉积物柱状样采集难度大，岩芯底部和顶部不同程度受到人为干扰。获取的岩芯真实长度为120 cm，以黏土质粉砂和细粉砂为主，砂泥互层明显，无贝壳碎屑，含水率中等，夹杂黑色有机质层（图2c）。由于样品采集时受到人为干扰，因此去除两头受人为影响较大的部分对其进行分析。

图2 苏北辐射沙洲潮滩沉积物岩芯剖面Fig.2 The profile of core sediments in tidal flat in the northern Jiangsu radial sand ridges

3.2 沉积物柱状岩芯沉积速率

射阳河口沉积物沉积速率不是通过放射性同位素210Pb和137Cs测年来确定的，而是通过互花米草引种时间确定。互花米草适宜生长在潮间中上带，具有促淤保滩、改良土壤、绿化海滩和改善海滩生态环境的功能，1979年我国从美国引进互花米草，1982-1983年引种到灌云县、射阳等地[34]。本文研究射阳河口沉积物柱状岩芯沉积速率时发现，柱状岩芯沉积物平均粒径在65 cm处发生了明显变小的趋势，沉积物组分砂含量减少且粉砂和黏土含量增多，这可能是互花米草入侵而导致水动力减弱，引起细颗粒物质沉积。结合沉积相和沉积物粒度参数变化特征，本研究假定该柱状岩芯65 cm所对应的年代是1982年。由于柱状样采集时间是2017年8月，故岩芯65 cm以上的沉积速率是1.67 cm/a。此外，柱状岩芯65 cm以下主要以粉砂和砂为主，沉积相类似于光滩的泥沙沉积，徐晓凤[35]在射阳河口光滩采集柱状样获得的沉积速率为0.88 cm/a，因此，65 cm 以下沉积速率参照徐晓凤的研究结果。

对川东港互花米草滩沉积物放射性210Pb和137Cs测试发现（图3a1，图3a2），该柱状岩芯210Pb最大比活度为 118.15 Bq/kg，最小比活度为 44.80 Bq/kg，平均比活度为74.71 Bq/kg。比活度值在30 cm以上相对比较稳定，在30 cm以下呈指数衰减趋势，大约在105 cm以下与226Ra的比活度值接近，基本达到了本底值。根据拟合结果，得出柱状岩芯平均沉积速率为2.3 cm/a。137Cs在仪器允许的误差下，没用检测到其活度，不能判断出沉积物的沉积速率。因此，在这个柱状样中，选用210Pb比活度计算的结果作为平均沉积速率。

通过对海安潮滩典型剖面进行放射性同位素210Pb和137Cs的沉积速率分析（图3b1，图3b2），210Pb在整个垂向剖面最大比活度为98.31 Bq/kg，最小比活度为46.75 Bq/kg，平均比活度为 69.07 Bq/kg。整个柱状岩芯比活度呈垂向波动衰减的趋势。此外，大约120 cm上下，210Pb比活度值与226Ra的比活度值一致，达到了本底值。根据线性拟合结果得出沉积物沉积速率为1.6 cm/a。137Cs在仪器允许的误差下，没用检测到其活度，不能判断出沉积物的沉积速率。因此，在这个柱状样中选用210Pb比活度计算的结果作为平均沉积速率。

图3 苏北辐射沙洲潮滩沉积物沉积速率Fig.3 Sediment deposition rate in tidal flat in the northern Jiangsu radial sand ridges

3.3 沉积物粒度特征

射阳河口沉积物柱状岩芯粒度参数分布特征如图4a所示，沉积物平均粒径由底向上呈波动减小的变化趋势，在55 cm处发生了偏转，55 cm以上呈现波动稳定变化特征。根据沉积物粒度变化特征，将该岩芯自下而上划分为2个阶段。第1阶段（105 cm至55 cm），沉积物平均粒径呈减小趋势，介于30.84 μm至60.90 μm，平均为 51.05 μm；第 2 阶段（55 cm 至 0 cm），平均粒径呈相对波动稳定状态，在34 cm和8 cm处有典型的突变增大，介于 8.84～53.18 μm，平均为 25.74 μm，相较于第1阶段，平均粒径明显减小，粒度变细。

川东港米草滩沉积物岩芯平均粒径（图4b）在30 cm以下相对比较稳定，然后在30 cm至10 cm处波动增加，10 cm 以上呈减少趋势，介于 3.07～88.99 μm 之间，平均值为 17.7 μm；在 110 cm 至 30 cm 深度，沉积物平均粒径基本呈稳定状态，介于3.07～32.53 μm，平均为13.04 μm；在 30 cm 至 0 cm 深度，沉积物平均粒径先增大后减小，介于10.16～88.99 μm，平均值为 27.82 μm。

海安潮滩沉积物岩芯平均粒径（图4c）介于20.33～61.17 μm，平均为 45.29 μm，呈波动稳定变化特征。

图4 苏北辐射沙洲潮滩岩芯沉积物平均粒径Fig.4 Mean particle size of core sediments in tidal flat in the northern Jiangsu radial sand ridges

3.4 沉积物元素地球化学特征

射阳河口互花米草滩岩芯沉积物元素分布特征如图5和表2所示，其中Si、Ca、Fe和As元素有较高的相对含量，其平均值为95.41 cps、144.92 cps、425.82 cps和 248.10 cps；其次是 S、Ti、V、Ni、Rb和 Sr；而 Zn、Cu、Ba和 Mn的相对含量较低，为 5.31 cps、17.27 cps、10.64 cps和29.36 cps。基于元素的相对平均含量，可将其分为3组，第1组为Si、Ca、Fe和As元素，相对含量高，平均在 100 cps以上；第 2组为 S、Ti、V、Ni、Rb和Sr元素，相对含量为45～100 cps；第3组为Zn、Cu、Ba和Mn元素，相对含量较低，平均在30 cps以下。同样地，Si、Ca、As和Fe元素的标准偏差也较高，说明这几种元素在垂向剖面中变化大。

图5 射阳河口岩芯沉积物元素分布曲线Fig.5 Element distribution curve of core sediments in the Sheyang River Estuary

根据元素的变异系数，结果由大到小依次为S（2.37）、Zn（0.55）、Mn（0.43）、Fe（0.38）、Ca（0.34）=Si（0.34）、Rb（0.30）、Ti（0.24）、Ba（0.23）、Cu（0.22）=Sr（0.22）、V（0.21）、As（0.11）、Ni（0.10）。S 的变异系数为 2.37，主要是在用XRF岩芯扫描仪扫描过程中出现负值，因此所获取的元素信号强度不准确，故不予采用；除元素Zn和Mn的变异系数较大外，大部分元素变异系数为0.1～0.4，相对较小，说明该柱状岩芯沉积物元素分布相对较均匀。

沉积物柱状岩芯中Si、Ca和Fe元素相对含量变化趋势一致，可能存在比较相似的地球化学行为。元素剖面自底部向上呈“先增加（105 cm至90 cm）-减少（90 cm 至55 cm）-增加（55 cm 至10 cm）-减少（10 cm至0 cm）”的变化特征，元素Ni和Mn呈近似相反的变化特征，而其他元素在整个剖面中垂向变化不大，呈波动稳定特征。

川东港互花米草滩岩芯沉积物元素分布特征如图6和表2所示，可以看出元素Si、Ca、Fe和As的相对平均含量高，其平均值分别为246.00 cps、285.80 cps、887.94 cps和240.38 cps；Mn、Ba、Cu和Zn元素含量较低，分别为为 25.73 cps、13.66 cps、16.01 cps和 5.68 cps，其他的元素相对含量介于40～100 cps。通过与射阳河口元素对比发现，川东港岩芯沉积物Si、Ca、Fe相对含量明显高于前者的含量，为前者的2倍多。

图6 川东港互花米草滩岩芯沉积物元素分布曲线Fig.6 Element distribution curve of core sediments in the Spartina alterniflora tidal flat of Chuandong Gang

表2 苏北辐射沙洲岸滩沉积物元素含量Table 2 The element content of core sediments in tidal flat in the northern Jiangsu radial sand ridges

沉积物岩芯元素垂向变化表现为：第一，Si、Ca和Fe具有明显的一致性，即自底部向上呈先波动稳定后增加的趋势，Ti也表现出了类似的变化特征，但不明显；第二，V和Ni近似的表现为与Si、Ca和Fe相反的变化趋势；第三，其他元素相对比较稳定，呈波动稳定变化趋势。因此，根据元素Si、Fe和Ca垂向变化特征可将岩芯分为两部分：第1部分（110 cm 至 30 cm），元素呈波动稳定变化特征；第 2 部分（30 cm以上），元素呈增加趋势。结合沉积物组分含量垂向变化特征，砂含量在30 cm出现了增加趋势，而粉砂含量减少，暗示了Si、Fe和Ca含量与沉积物平均粒径关系密切。

海安潮滩岩芯沉积物元素分布特征如图7和表2所示，可以看出元素S元素出现了负值，主要是使用XRF岩芯扫描仪在扫描过程中所获取的元素信号强度不准确，故不予采用；Si、Ca、Fe和As的相对平均含量高，其平均值分别为 235.09 cps、176.28 cps、604.23 cps和 243.35 cps；Mn、Ba、Cu和 Zn元素含量较低，分别为为 27.83 cps、12.88 cps、17.22 cps和 5.54 cps，其他的元素相对含量介于40～100 cps。通过与射阳河口元素对比发现，海安岩芯沉积物元素Si、Ca、Fe相对含量明显高于前者的含量，但是略低于川东港的元素相对含量。

图7 海安潮滩岩芯沉积物元素分布曲线Fig.7 Element distribution curve of core sediments in the Haian tidal flat

岩芯沉积物元素垂向变化表现为：第一，Si、Ca和Fe具有明显的一致性，元素相对含量在70 cm上下发生了明显的转折，在45 cm上下达到最大值，然后又呈减少趋势，这可能与该区域的沉积动力环境和物质来源有密切的关系；第二，其他元素相对比较稳定，呈波动稳定变化趋势。因此，根据元素Si、Fe和Ca垂向变化特征可将岩芯分为两部分：第1部分（140 cm 至 70 cm），元素含量呈波动近似稳定变化特征；第2部分（70 cm以上），元素含量呈先增加和减少的趋势。

综上所述，通过对苏北辐射沙洲典型潮滩剖面岩芯沉积物XRF扫描元素的相对含量变化进行分析，Si、Ca和Fe元素相对含量较高，且自北向南其含量不断的增加，Mn、Ba、Cu和Zn元素含量较低，基本在30 cps以下，在所有剖面含量变化不大，其他元素相对含量介于40～100 cps，在各岩芯中变化不大。在垂向变化上，Si、Ca和Fe元素垂向变化趋势一致，显示具有较高的相关性，即具有近似的地球化学行为和一致的物质来源；而Ni、Zn和S元素在不同柱状岩芯中呈现与Si、Ca和Fe相反的变化趋势，暗示了这几种元素与前者具有不同的地化行为，其他元素垂向变化在所有柱状岩芯中基本相对稳定，呈波动稳定的变化特征。

4 讨论

4.1 岩芯沉积物元素间相关性及其与粒度关系

沉积物中元素的相关性反映的是不同元素在地球化学性质方面的差异，通常记录且保存了沉积物物质来源的重要信息。因此，其有助于分析沉积物的来源和沉积环境的变化。通过SPSS软件中的Pearson相关对14种元素和沉积物平均粒径进行相关性分析，再经双尾显著性检验。

射阳河口互花米草滩沉积物元素相关性结果显示（表3），Si、Ca、Fe和 Ba具有较强的相关性，且都通过了0.01的显著性检验；此外，这些元素与Ti、Zn和Rb呈正相关；与元素V、Ni、Cu和As呈负相关。元素Si、Ca、Fe和Ba与平均粒径均呈负相关，其相关系数分别为-0.1，-0.59，-0.65和-0.09，其中 Ca和Fe与平均粒径呈显著的负相关，通过了0.01的显著性水平检验，这暗示了Ca和Fe元素受平均粒径影响大，明显的遵循“元素粒度控制规律”，而其他元素与平均粒径的相关性不显著。

表3 射阳河口互花米草滩岩芯沉积物中元素相关性Table 3 The element correlation of core sediments in the Spartina alterniflora tidal flat of Sheyang Estuary

川东港岩芯沉积物元素相关性分析如表4所示，Fe、Si和Ca三者仍然是有较高的相关性，相关系数在0.5及以上以上，且都通过了0.01的显著性检验；同时，三者与 S、Zn、Ti、As、Rb和 Ba存在正相关，与V、Cu呈负相关。Si与平均粒径呈正相关，Ca和Fe与平均粒径呈负相关，其他元素与平均粒径均呈不显著的相关关系。

表4 川东港互花米草滩岩芯沉积物中元素相关性Table 4 The element correlation of core sediments in the Spartina alterniflora tidal flat of the Chuangdong Gang

海安潮滩岩芯沉积物元素相关系数结果显示（表5），Si、Ca和 Fe有非常高的相关性，相关系数在0.8以上，且都通过了0.01的显著性检验，但是，这些元素与Ni、V和As呈负相关；此外，这些元素与Ba、Zn、S、Rb和 Sr也有较好的正相关性。Si、Ca、Fe、Ti和S与沉积物平均粒径呈正相关，V与平均粒经呈不相关而其他元素与平均粒径呈负相关。

表5 海安岸外潮滩岩芯沉积物中元素相关性Table 5 The element correlation of core sediments in the Haian tidal flat

综上所述，通过对辐射沙洲近岸潮滩沉积物元素及其与平均粒径的相关性分析发现，元素Si、Ca、Ba和Fe具有较强的相关性，且通过了0.01的显著性水平检验，暗示了这些元素有着相似的地球化学行为和一致的物质来源；这些元素同Ni、V和Zn呈负相关，也暗示了Ni、V和Zn有着类似的地球化学行为和一致的来源；其他元素都呈较弱的相关性。此外，通过元素与沉积物平均粒径的相关性研究发现，苏北辐射沙洲海岸北部（射阳河口和川东港）Ca、Fe和Si同平均粒径呈负相关，而辐射沙洲内缘区（海安）岩芯沉积物Ca、Fe和Si与沉积物平均粒径呈正相关，这可能与沉积物组分含量有密切的关系，辐射沙洲北部海岸潮滩沉积物主要是以粉砂和黏土为主，而内缘区海安潮滩主要以砂为主，这暗示了元素的分布和富集特征同沉积物组分含量有密切的关系，明显的遵循“元素粒度控制规律”的原则。

4.2 沉积物元素之间的聚类分析

通过XRF岩芯扫描仪扫描潮滩沉积物柱状样，得到元素 Si、Ca、V、Fe、S、Ti、Mn、Ba、Cu、As、Sr、Ni、Zn、Rb，使用SPSS 24.0软件和最远邻近元素分析法进行R型聚类分析，得到R型聚类图（图8），结果显示，射阳河口互花米草滩岩芯沉积物元素组合表现为 Ca、Fe、Si、S、Ti、Ba、Rb和 Sr聚为一类，剩余的其他元素聚为一类；川东港互花米草滩沉积物岩芯元素聚类结果显示，Ca、Fe、Si和 Ti聚为一类，S、Zn、Mn、Ba聚为一类，Rb、Sr和V聚集在一起，Ni、Cu和As聚集为一类。海安潮滩柱状岩芯元素聚类结果显示，Si、Ca、Fe聚在一起，Si、Ca、Fe、Ba、S、Sr和Ti聚为一大类，V、Mn、Rb、Ni、Cu、As和Zn聚为一类。

图8 苏北辐射沙洲海岸潮滩岩芯沉积物元素聚类分析Fig.8 Cluster analysis of core sediments elements in tidal flat in the northern Jiangsu radial sand ridges

从辐射沙洲潮滩岩芯元素聚类分析来看，大部分柱状岩心元素聚类结果都表现出一定的相似性，即Si、Fe、Ca、Ba、Sr、Zn、Rb和 Ti聚在一起，Ni、Cu、As和Mn聚在一起，说明这两类元素有不同的来源，可能受到物质来源、地球化学环境和生物沉积作用的影响。其中射阳河口、川东港和海安潮滩沉积物元素Si、Fe、Ca具有极强的相似性，可能由沉积物“粒控效应”制约造成的，即随着沉积物粒度变大，其元素相对强度愈来愈低。此外，Fe和Si的相似性还受到陆地（长江、黄河）物源的影响，即来源于长江和黄河的物质在近海沉积动力作用下，大量物质堆积在海岸区域；其次，Si和Fe具有相似的化学性质，二者在水中溶解度小，往往呈悬浮态进行迁移，而Ca元素溶解度大，当河流携带的陆源物质进入海洋后，随着海水的pH和盐度增大，悬浮态的物质就发生絮凝下沉，不利于其进行迁移；其次是在中国陆架外侧分布含贝壳碎屑较多的残留沉积物，也会导致Ca的含量增多，然而在沉积相中没有发现生物贝壳碎屑。因此，Ca、Fe和Si主要来自陆源碎屑物质。

4.3 沉积物元素地球化学特征的环境指示意义

射阳河口作为近百年江苏海岸冲淤交替的重要界面，其沉积环境相对复杂；此外，建闸和围垦对射阳河口地区沉积环境带来显著的影响。岩芯剖面中Si、Ca和Fe元素相对含量变化趋势一致，可能存在比较相似的地球化学行为。相关性显示，Si、Ca、Fe和Ba具有较强的相关性，且都通过了0.01的显著性检验；此外，这些元素与Ti、Zn和Rb呈正相关；与元素V、Ni、Cu和As呈负相关。剖面中大部分元素呈稳定趋势，Si元素与砂含量变化一致，可见粗粒径含量对Si元素有很大的影响，而Ca元素和Fe元素基本与粉砂和黏土含量变化一致，同平均粒径垂向剖面变化相反，这可能受到粒度控制效应的影响，沉积物较细，有利于Ca元素和Fe元素的富集。

此外，1982年以来，随着互花米草的引入，占领了该区域生态环境，苏北海岸侵蚀的细颗粒物质在江苏沿岸流和潮流的共同作用下沉积在65 cm以上区域。

川东港互花米草滩上端岩芯中大部分元素呈稳定波动变化，根据元素Si、Fe和Ca垂向变化特征可以看出，Si含量与砂含量的变化趋势一致，而Fe和Ca元素垂向相对含量变化一致；同时在大约40 cm以下（2000年以前），该区域潮滩沉积环境较为稳定；岩芯40 cm 至10 cm，砂含量和 Si元素相对含量增加，暗示了这段时间水动力环境比较强，携带粗颗粒沉积物在此沉积；10 cm以上，黏土和粉砂含量增加，平均粒径迅速减小，Fe和Ca元素相对含量增加，可能是由于近岸人类围填海活动导致靠岸堆积，互花米草生长，使其前端发生沉积。

从沉积物平均粒径、组分含量和主要元素变化特征可以看出，2000年前该区域沉积环境比较稳定，沉积物主要来源于自苏北海岸侵蚀的细颗粒沉积物的沉积；2000年后水动力变强，西洋水道往南延伸，水道变宽加深，所携带的沉积物在近岸堆积，堆积的沉积物为近岸物质的来源。

海安岸外潮滩剖面中Si、Ca和Fe元素相对含量变化趋势一致，元素相对含量自底部向上整体呈减少趋势，岩芯在70 cm处发生了明显的转折，然后呈波动稳定变化，10 cm上下发生了减少变化趋势。说明该区域沉积环境在70 cm以下比较稳定，而70 cm以上（1974年前后）发生了变化，可能是人类围垦活动，改变了沉积物动力格局，导致物源发生了变化。

5 结论

本文通过XRF岩芯扫描方法获取了海岸潮滩柱状岩芯的沉积物地化元素。得出以下结论：

（1）通过对苏北辐射沙洲典型潮滩剖面岩芯沉积物XRF扫描仪扫描元素的相对含量变化进行分析，Si、Ca和Fe元素相对含量较高，且自北向南其含量不断的增加，Mn、Ba、Cu和Zn元素含量较低，基本在30 cps以下，在所有剖面含量变化不大，其他元素相对含量介于40～100 cps，在各岩芯中变化不大。

（2）在垂向变化上，Si、Ca和Fe元素垂向变化趋势一致，显示具有较高的相关性，即具有近似的地球化学行为和一致的物质来源；而Ni、Zn和S元素在不同柱状岩芯中呈现与Si、Ca和Fe相反的变化趋势，暗示了这几种元素与前者具有不同的地球化学行为，其他元素垂向变化在所有柱状岩芯中基本相对稳定，呈波动稳定的变化特征。

（3）通过对苏北辐射沙洲近岸潮滩沉积物元素及其与平均粒径的相关性分析和聚类分析发现，元素Si、Ca、Ba和Fe有着相似的地球化学行为和一致的物质来源，Ni，V，Cu和Zn有着类似的地球化学行为和一致的物质来源，这两类元素有不同的来源，可能受到物质来源、地球化学环境和生物沉积作用的影响。