广东东海岛大岭剖面风沙沉积序列及化学特征分析

2023-09-11叶怡欣黄日辉冯淼彦唐道斌李巧云陈绮雯李思琦杨志通李健禧

海洋湖沼通报 2023年4期

叶怡欣,黄日辉,冯淼彦,唐道斌,李巧云,陈绮雯,李思琦,杨志通,李健禧

(1.岭南师范学院地理科学学院,广东湛江 524048;2.中国地质大学地球科学学院,湖北武汉 430074;3.西北师范大学地理与环境学院,甘肃兰州 730070)

引言

海岸是海陆相互作用的重要区域[1],在海洋动力的影响下,海岸地区物质组成、来源、沉积特征以及地球化学特征较为复杂[2]。海岸风沙沉积是记录海岸环境变化的良好载体,其元素含量变化及时空分布可以反映沉积过程,对环境具有指示意义[3-4]。近年来,国内外对海岸风沙沉积的研究主要集中于沙丘形态特征、发育模式、沉积结构以及记录的环境信息,对全新世沙丘发育与气候变化研究取得大量成果,其中通过光释光测年、探地雷达、粒度等方法,研究海岸风沙沉积时期的古环境演化过程[5-8]。国外学者通过研究海岸沙丘地球化学特征、沉积学特征,探讨了沙丘的风化强度以及沙丘的来源等问题[9-12]。国内关于沙丘地球化学研究主要集中于内陆沙丘[13-14],对海岸风沙沉积化学特征的研究主要集中于福建东部沿海[15-16],而对广东地区海岸风沙地球化学特征及其环境演变研究不够深入。

前人对雷州半岛及其邻近区域的全新世环境做了许多研究。Duan等[17]研究湖光岩玛珥湖沉积物磁性,认为全新世早期夏季风增强,全新世中晚期(5 500 cal aBP)夏季风突然减弱。Liu等[18]研究玛珥湖沉积物能量谱和滤波,讨论了华南热带地区全新世气候变化有3个降温期,峰值分别出现在7 300、4 250和1 200 aBP。汤文坤等[19]研究海南双池玛珥湖沉积物的粒度、色度、磁化率及干密度等指标,发现该地区环境和气候变化经历炎湿—温干—温湿—湿热—温干等过程。张文静等[20-21]研究海南岛海岸风沙沉积的光释光年代学意义和粒度特征,讨论了风沙活动序列及气候环境意义。

如前所述,对于雷州半岛地区晚全新世环境演变研究,前人主要以玛珥湖为对象,缺乏对于海岸风沙沉积的研究。东海岛海岸风沙沉积分布广泛,并在其东海岸发育了沉积良好的剖面,为重建区域风沙活动和探讨区域全新世环境演变提供良好的材料。故本文以东海岛海岸沙丘大岭剖面为对象,对其进行高分辨率采样、测定常量元素含量以及碳同位素年龄,据此探讨了大岭剖面海岸风沙沉积序列特征、常量元素特征及其指示的气候环境意义,以期为华南海岸全新世气候演变研究提供参考。

1 研究区域概况

研究区位于广东雷州半岛东侧的东海岛(20°54′～21°08′N,110°09′～110°33′E),南临南海,介于湛江湾和雷州湾间,形状似马鞍(图1),面积为289.49 km2,海岸线平直,长126 km,是中国第五大岛[22]。东海岛属于亚热带季风气候,季风性气候特征显著,气温较高,降雨充沛。受季风影响,东海岛每年4—9月偏东风为主,10月到次年3月偏北风,年均风速4 m/s[23],附近海域受台风影响,以7、8月最多,其海域潮汐为不规则半日潮。东海岛海岸风沙发育呈条带状分布于东海岸,沙丘类型有草灌丛沙丘、新月形沙丘、抛物线形沙丘和爬坡沙丘[24]。

图1 研究区及采样点位置

2 研究方法

2.1 样品采集

经野外实地考察,本研究选取东海岛东北部一个天然的海岸风沙剖面——大岭剖面(21°03′04″N,110°32′57″E)作为采样点。大岭剖面坡度陡,且上部现代风沙松散易塌,采集难度大,因此仅采集剖面中下部沉积物,采样部分深度自剖面顶向下为10.73～16.56 m,厚5.83 m。根据沉积相颜色的差异将采样剖面划分9层,自上向下编号为①—⑨。除去现代坡积物后,以2 cm为间隔的等间距采样,共获得样品583个。

2.2 实验方法

(1)元素测定:在陕西师范大学地理科学与旅游学院化学元素分析实验室完成元素的测定工作;用X荧光光谱仪对Si、Al、Fe、Na、K、Ca和Mg等7种常量元素进行全样的含量测定,结果用氧化物表示。

(2)年代测定:取剖面中3层(分别位于④层顶部、⑦层顶部和⑧层底部)黑色砂层(富含有机质的层位)14C-AMS样品,按1 010 cm取块状样并进行野外标号,送往美国Beta Analytic测试实验室完成年代测定。由于⑦层顶部测年样的有机碳含量过低,未能测定年代数据,最终只有④层顶部和⑧层底部两个样品测得年代数据。

2.3 数据处理方法

根据常量元素(氧化物)的测定结果,计算化学蚀变指数(Chemical index of alteration,CIA)[25]：

CIA=Al2O3/(Al2O3+Na2O+CaO*+K2O)×100%

(1)

式中,各常量元素单位为分子摩尔数;CaO*为硅酸盐中的CaO含量。由于硅酸盐矿物难以从样品中准确地分离出来,因此本文采用Mclennan[26]提出的钙钠比值校正方法,即根据沉积物样品中的CaO与Na2O的摩尔质量百分比的比值完成校正:若其摩尔数>1,CaO*则采用Na2O的摩尔数;反之,则采用CaO的摩尔数。

基于风化过程矿物元素的变化规律,Nesbitt等[27]提出了Al2O3-CaO*+Na2O-K2O(A-CN-K)三角图解,以预测大陆化学风化趋势及指示主矿物成分变化。当A-CN-K三角图中点分布集中紧凑,说明气候环境相对稳定;反之,则表示不稳定的气候环境[28]。

3 结果分析

3.1 剖面沉积特征

吴正[24]对华南地区海岸沙丘的研究指出,相比大岭剖面沉积时期,现代海岸线向陆扩张,后期经历了海平面上升,海岸沙丘基部紧逼海岸,经海浪侵蚀后退,使得沙丘向海坡基部掏空崩塌,形成向海一侧沉积连续、坡度陡的天然露头,出露厚度16.56 m。该剖面周围海岸风沙广布,其顶部被人工木麻黄防风林所覆盖,剖面顶部海拔19.50 m,底部与海滩相接,底部高程接近高潮海平面。根据沉积相颜色差异将大岭剖面采样部分划分为9层,沉积特征描述来源于现场肉眼观察。大岭剖面全貌及沉积特征如图2和表1所示。

表1 大岭剖面层位划分及沉积物特征

(a)大岭剖面的地貌全景图;(b)采样部分剖面图图2 东海岛大岭剖面图

3.2 沉积年代

大岭剖面两个样品的14C-AMS年代测定结果如表2所示,测量物质为有机质,测年结果的误差为30 a,置信度高达95.4%。测试样品分别位于④层顶部黑色细砂层和⑧层底部。根据测年数据,计算得出的平均沉积速率为38.1 mm/a。

表2 大岭剖面样品14C-AMS测年结果

3.3 常量元素含量特征

在湿热气候环境中,不同元素迁移特征存在差异,一般而言,化学性质活跃的元素如K、Na最先以离子形式被淋失,随之是Ca、Mg元素,相对稳定的元素Si、Al、Fe等元素则相对聚集[29]。如表3及图3所示,东海岛大岭剖面常量元素以SiO2、Al2O3和Fe2O3为主,三者总和91.63%。其中,SiO2的含量最高,平均值为88.29%,范围为95.20%～76.65%。Al2O3平均值为2.55%,范围为3.85%～2.05%。其余5种元素含量较低,平均值皆小于1%。Fe2O3的平均值为0.79%,其范围为0.39%～1.54%;K2O的平均值为0.41%,其范围为0.25%～1.03%,除了在⑨有较大变动,其余层位含量变化小;CaO的平均值为0.15%,其范围为0.91%～0.11%;Na2O平均值0.1%,最大值于深度16.3 m,为0.24%,最小值为0.09%;MgO平均值为0.07%,最大值为0.31%,最小值为0%。

表3 大岭剖面各层位的常量元素的平均值(%)

图3 大岭剖面常量元素及CIA值变化曲线

4 讨论

4.1 常量元素迁移特征

大岭剖面处于亚热带季风气候,在高温多雨气候特征的影响下,化学风化作用较为明显,因此活跃的元素K、Ca、Na、Mg等元素容易发生淋溶、流失,导致相对全球上陆壳(UCC)[30]元素含量亏损,所以含量较低。这种易溶组分遭风化流失的特征,揭示海岸风沙沉积过程整体属于较温暖、潮湿的气候环境[31]。在⑨层中,出现较强的脱硅富铁作用,说明该时期属于较为暖湿的环境,往上不易迁移元素铁、铝含量减少;而至于为什么底层⑨易迁移元素含量也较高,推测可能与其高度接近高潮海平面有关。海水盐分较高,海水中的Na、K、Ca、Mg等元素,在受到风暴潮的影响下,渗入沉积物中,或是受到地下海水的影响,从而使得沉积物中的Na、K、Ca、Mg含量偏高。

4.2 化学风化强度

4.2.1 化学蚀变指数

Fedo等[28]将CIA数值与风化强度建立如下对应关系:当CIA值在50～60范围内,为弱化学风化程度;CIA值在60～80范围内,表示中等化学风化程度;CIA值于80～100范围内,反映强化学风化程度。大岭剖面的CIA值介于72.04～79.34之间,平均值为75.77,属于中等化学风化类型。从图3可以看出,CIA整体呈现随着深度的增加而增加,下部⑧的平均CIA值为77.04,在顶层①出现最低平均值73.59,各沉积相平均CIA值依次为⑧>⑦>⑥>④>③>②>⑤>①。在大岭剖面形成时期,化学风化强度总体呈现变弱的趋势,期间出现波动变化:⑧的风化强度最强往上风化减弱,接着在⑦顶部发生较强风化,随后风化强度逐渐减弱。由于⑨靠近海平面,其元素的变化可能受海水影响,可能不能真实反映化学风化强度,所以在此处以及A-CN-K三角图不做分析讨论。

4.2.2 A-CN-K三角图

如图4所示,大岭剖面各层样品点的数据大致与K-A线平行,数据主要集中在Al2O3上部,Na、Ca含量基本不变,但是CN数值较低,说明活跃元素迁移淋溶,总体化学风化较显著。①层各点较为分散,且较其他层K数值相对较多,而Al数值相对较少,表示活跃元素相对富集,稳定元素含量相对较小,说明此时气候环境不稳定且化学风化作用不及下部层位;②和③层相对上部,其稳定元素Al数值相对增加,活跃K相对迁移,说明化学风化程度较①强;④层各点分布较集中,且较上部几个层位Al数值较高,说明此时富铝化较强,化学风化明显;⑤层相对②—④层,其Al有所减少,K数值有所增加,说明此时化学风化作用较不显著;⑥—⑧层活跃元素K迁移显著,富铝化程度也较高,代表当时化学风化较为显著。综合各层特征,可以看出大岭剖面自上而下,较稳定元素Al含量相对增加富集,可迁移元素K含量相对减少淋失,反映大岭剖面沉积下部处于富铝化过程,化学风化较上部显著。根据三角图中样品点的分布特征可以看出,A-CN-K样品点的集中紧凑,表明大岭剖面形成时的气候环境较为稳定,这与CIA值指示的中等化学风化程度,虽然化学风化强度存在波动变化,但是总体处于稳定状态的结果一致。

(箭头指示化学风化趋势,右图(b)为图(a)红色圆圈的放大图)

4.3 大岭剖面沉积时期环境变化

根据14C测年结果,结合常量元素的含量和化学风化强度变化,表明东海岛大岭剖面(采样部分)的气候环境演变呈现化学风化强度减弱,其环境向相对干凉方向发展,这与前人的成果一致。前人通过玛珥湖孢粉记录、石笋δ18O记录的研究,表明晚全新世近2 ka以来,夏季风呈现缓慢减弱,温度与湿度下降的过程[32-33];林锦秀等[8]通过闽江河口海岸风沙粒度特征分析,发现2 700 aBP以来,风沙沉积粒度较细,与冬季风作用增强有关。

根据大岭剖面地球化学元素的波动变化,大致可将气候环境划分为2个阶段:第一阶段为深度15.96～12.73 m(⑧—④层段),年代大约为2 324～1 476 cal aBP,该时期CIA值相对较高,推断此阶段整体表现为降水丰富、气候较暖湿、活跃元素迁移的特征,这与范颖等[34]认为2 364～1 630 aBP期间气候整体处于湿润期的结论一致。向荣等[35]分析东海陆架济州岛西南泥质区沉积物粒度认为:1 900 aBP以前,冬季风较弱,为一个较为温暖时期。野外考察发现,④、⑥和⑧层均有大量灰黑色砂层,有机质含量明显高于其他层位,成壤作用显著,其中⑧层的黑色夹层还含有大量植物残屑。有研究认为海岸风沙新沙丘中含有黑沙层的古土壤则是在小海退到海侵时期的湿润气候环境下形成的[24]。海岸风沙剖面中的黑色植物碳屑和根系层,可能反映了海岸带风力作用间歇性减弱、海岸沙丘固定的成壤期[36]。值得注意的是,在⑤层中,该时期沉积物呈现灰白色,且易迁移元素Na、K含量有所增加,稳定元素Al相对减少,其CIA值明显有所减小,该时期可能指示一个化学风化强度减弱,温度湿度明显减小的时期,根据两个年代数据计算的平均沉积速率插值得到⑤层的年代约为1 681～1 544 cal aBP。葛全胜等[37-38]认为该时期总体显著偏干;与郑景云等[39]对魏晋南北朝时期中国东部气温研究提出的两个寒冷时期中第一个冷谷对应。第二阶段对应深度为12.73～10.73 m(③—①层段),即1 476 cal aBP年之后的一段时期,该CIA值所表示的化学风化强度相对明显减弱,尤其到了①层,迁移率和CIA值达到最小,这种变化可能指示一个温度湿度下降的时期,这与张丕远等[40]的研究具有一致性。范颖等[34]认为该阶段气候正逐渐转向干旱,降水减少。高小雪等[41]对云南北海湿地沉积物记录的研究也表明该时期气候寒冷干旱。结合野外观察,③—①层沉积物为黄白色砂层,沉积物粒度较下部粗,风成斜层理特征明显,代表该时期海岸风沙活动频繁。