馮秀麗, 魏 飛, 劉 杰, 劉 瀟, 徐 芳

(1.中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院, 山東 青島 266100; 2.國家海洋局第一海洋研究所, 山東 青島266061)

渤海灣位于黃河三角洲和灤河三角洲之間, 黃河、海河和灤河三大河流由渤海灣入海, 帶來了豐富的陸源碎屑沉積物。渤海灣西岸是中國典型的粉砂淤泥質(zhì)海岸, 海河、薊運(yùn)河等多條河流在本區(qū)入海,淤泥質(zhì)潮灘開敞平緩。渤海灣西部海域水深較淺, 在波浪、潮流和入海河流等共同作用下, 由細(xì)顆粒泥沙組成的海底沉積物運(yùn)動活躍, 同時又受到人類活動的影響, 導(dǎo)致西部海域水動力和沉積環(huán)境也相應(yīng)發(fā)生變化[1]。前人對渤海灣西部的沉積物特征和沉積作用做了大量的研究, 施建堂[2]利用 1983年渤海灣西部的調(diào)查資料, 運(yùn)用粒度、重礦物和黏土礦物分析,討論了渤海灣西部的現(xiàn)代沉積特征; 田立柱[3]等人通過對渤海灣西部表層沉積物樣品進(jìn)行粒度分析,認(rèn)為渤海灣西部沉積為來自東北部的粗組分與來自南部的細(xì)組分發(fā)生的混合沉積, 可能與渤海灣內(nèi)雙向環(huán)流有關(guān)。

沉積物粒度特征是沉積物輸運(yùn)、沉降和再分配過程的集中反映, 被廣泛應(yīng)用于判別沉積物來源、區(qū)分沉積環(huán)境、指示水動力的大小及其搬運(yùn)能力的強(qiáng)弱等。黏土礦物是海洋沉積物中的重要組成部分, 在淺海區(qū)約占沉積物總量的1/4~1/3。黏土礦物物理化學(xué)性質(zhì)獨特, 對地質(zhì)作用和地質(zhì)環(huán)境的變化反映敏感, 因此對其組分、組合特征、形態(tài)結(jié)構(gòu)特征、分布規(guī)律及成因研究對于闡明海洋沉積作用、追溯物質(zhì)來源和反演沉積環(huán)境均具有重要意義[4]。本文利用在渤海灣西部海域以及沿岸入海河流中取得的表層沉積物樣品, 通過粒度分析和黏土礦物分析, 研究渤海灣西部表層沉積物的粒度特征與規(guī)律, 并對研究區(qū)沉積物沉積環(huán)境和物質(zhì)來源進(jìn)行初步研究。

1 研究區(qū)概況

渤海灣位于渤海西部, 與萊州灣、遼東灣并稱渤海的三大海灣。灣口北起河北省大清河河口, 南至山東半島北岸的黃河口, 面積約為15 000 km2, 大約為整個渤海面積的1/7。本文的研究區(qū)位于渤海灣西部,地理坐標(biāo)為 117°18'~117°57'E, 38°36'~39°11'N(圖1)。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Position of the study area

渤海灣西部海底地形比較平緩, 平均坡度非常小, 約為0.3‰。研究區(qū)水深很淺, 一般平均小于10 m,由渤海灣西部近岸向海灣中央緩慢加深, 等深線基本與海岸線平行。渤海灣西岸的入海河流較多, 自北向南有薊運(yùn)河、海河、獨流減河、子牙新河、北排水河等, 這些河流攜帶泥沙入海, 提供了大量的泥沙來源。渤海灣南側(cè)的黃河以及北側(cè)的灤河由于河流徑流量和含沙量大, 為渤海灣提供了大量的泥沙。

渤海灣環(huán)流主要是由黃海暖流余脈和沿岸流組成。高鹽的黃海暖流余脈從渤海海峽北部進(jìn)入渤海中央并且延伸到渤海西岸, 由于海岸的阻擋分成南北兩支, 南支伸入渤海灣后, 轉(zhuǎn)折南下, 形成反時針方向的流動, 從渤海海峽南部流出渤海。而黃河沖淡水沿著渤海灣南岸向西運(yùn)動, 形成順時針方向的流動。因此渤海灣的環(huán)流體系為雙環(huán)結(jié)構(gòu), 北部為反時針環(huán)流, 南部為順時針環(huán)流[5](圖2)。

圖2 渤海流系示意圖Fig.2 Sketch map of water circulation in the Bohai Sea

2 材料與方法

2.1 樣品來源

本文研究樣品為2009年在渤海灣西部海域所取56個表層沉積物以及2012年9月在渤海灣西岸主要入海河流所取20個表層沉積物, 總計76個表層沉積物樣品。海中樣品為乘船時使用蚌式取樣器取樣, 并以手持 GPS定位; 河流由于水深較淺, 通過手持鏟子取樣, 每條河流取樣站位之間間距 5 km, 同樣以手持GPS定位。

2.2 分析方法

2.2.1 粒度分析

樣品粒度分析在中國海洋大學(xué)巖土實驗室完成。分析儀器采用英國馬爾文(MALVERN)公司生產(chǎn)的Mastersizer2000型激光粒度儀(測量范圍為0.02~2 000 μm, 偏差<1%, 重現(xiàn)性D50<1%)。粒度分類標(biāo)準(zhǔn)采用國際通用標(biāo)準(zhǔn)烏頓-溫德華氏等比制Φ值粒級標(biāo)準(zhǔn); 沉積物分類和命名方法采用Shepard沉積物三角分類法; 粒度參數(shù)采用圖解法計算, 主要參數(shù)包括平均粒徑(Mz)、分選系數(shù)(δ)、偏態(tài)(Sk)、峰態(tài)(Ku)。粒度參數(shù)分級見表1。

表1 粒度參數(shù)分級Tab.1 Classification of grain size parameters

2.2.2 黏土礦物分析

對每個站位取50~100 g沉積物樣品放入1 000 mL量筒中, 加入適量的 H2O2去除有機(jī)質(zhì), 待有機(jī)質(zhì)除盡后, 加濃度為0.1 mol/L的六偏磷酸鈉分散劑, 加水至 1 000 mL, 靜置; 依據(jù) Stokes沉降原理提取<2 μm的的懸濁液, 至少提取5次; 將懸濁液倒入離心杯, 離心后將提取液直接涂片并靜置風(fēng)干為自然片; 將自然片放入盛有乙二醇溶液的干燥器中, 在60℃烘箱中飽和24~36 h。

將獲得的乙二醇飽和片進(jìn)行 X射線衍射分析,獲得其X射線衍射圖譜。黏土礦物分析由中國海洋大學(xué)黏土礦物分析實驗室測定, 測試所用儀器為日本產(chǎn)D/Max-rA型X射線衍射儀(Cu靶、管電壓40 kV、管電流 80 mA、掃描范圍(飽和片: 2.5°~30°)、步進(jìn)長度(2θ)0.02°)。

3 結(jié)果與討論

3.1 表層沉積物類型與分布

根據(jù)粒度分析成果繪制研究區(qū)海域沉積物類型分布圖(圖3)。研究區(qū)海域表層沉積物可劃分為黏土質(zhì)粉砂、粉砂和砂-粉砂-黏土3種類型。研究區(qū)海域沉積物以黏土質(zhì)粉砂為主體, 約占樣品總量的 90%,粉砂有幾處零星分布, 面積不大。砂-粉砂-黏土僅有一處分布在北排水河河口處。

圖3 表層沉積物類型分布圖Fig.3 Distribution of categories of surface sediment

黏土質(zhì)粉砂分布于整個研究區(qū)海域, 是該區(qū)最主要的沉積物類型。粉砂粒級含量在 53%~74%, 平均含量為67%, 以細(xì)粉砂為主, 平均含量為45%; 黏土粒級(主要為粗黏土)含量在 24%~45%, 變化較大,平均含量為30%; 砂粒級含量較低, 平均在2%左右;平均粒徑為6.5~7.9Φ, 分選較差, 普遍為正偏。

粉砂在研究區(qū)有兩處分布, 分別在研究區(qū)的南部及研究區(qū)北部薊運(yùn)河河口處, 面積不大。粉砂粒級含量在 75%~82%之間, 以細(xì)粉砂為主; 砂粒級含量較少, 一般在2%以下; 黏土粒級含量在17%~24%之間, 變化不大; 平均粒徑Φ為 6.5~7, 分選較差, 全部為正偏。

砂-粉砂-黏土只在一個調(diào)查站位出現(xiàn), 位于研究區(qū)西南部北排水河河口處。樣品的粉砂含量為43%, 砂含量為31%, 黏土含量為26%。樣品平均粒徑Φ為5.7, 分選差, 為負(fù)偏。

3.2 粒度參數(shù)分布特征

根據(jù)沉積物粒度參數(shù)分布圖(圖4)可以看出: 研究區(qū)海域各站位表層沉積物平均粒徑Φ為5.7~7.9,平均值為7.1, 沉積物顆粒整體偏細(xì), 水動力較弱。海河以南沉積物平均粒徑較海河以北偏細(xì), 最小平均粒徑出現(xiàn)在海河與獨流減河之間的近岸海域(偏海河方向), 應(yīng)該是南岸的細(xì)粒物質(zhì)隨著渤海沿岸流搬運(yùn)受到擴(kuò)建的天津港的阻擋而沉積于此。最大值出現(xiàn)在研究區(qū)西南部北排水河河口附近, 應(yīng)該是來自北排水河的粗顆粒物質(zhì)在此沉積。由岸到海, 沉積物平均粒徑的整體上逐漸變細(xì), 只有在薊運(yùn)河河口沉積物的平均粒徑的變化趨勢為由細(xì)變粗再變細(xì)。

圖4 沉積物粒度參數(shù)等值線Fig.4 Contour sediments size parameters of

研究區(qū)海域表層沉積物分選系數(shù)變化范圍為1.35~3.11, 平均值為 1.7, 絕大多數(shù)樣品的分選系數(shù)在1~2之間, 分選較差, 說明研究區(qū)水動力較弱, 分選沉積物能力較差。分選系數(shù)高值區(qū)為研究區(qū)東北部,δ大多數(shù)大于 2; 最低值出現(xiàn)在海河與獨流減河之間的近岸海域(偏海河方向),δ小于1.6。分選系數(shù)的大致變化規(guī)律為由研究區(qū)西南向東北逐漸增大,由岸到海逐漸增大。分選系數(shù)的低值區(qū)對應(yīng)樣品的平均粒徑較粗。

研究區(qū)海域表層沉積物偏態(tài)變化范圍為–0.24~0.33, 平均值為 0.15。大部分站位為正偏, 偏度為0~0.25。負(fù)偏站位僅有三處, 分別位于北排水河河口,海河河口外以及研究區(qū)最北部。偏度高值區(qū)域位于研究區(qū)南部, 由南向北偏度值逐漸減小。

研究區(qū)海域表層沉積物峰態(tài)范圍為 0.7~1.4, 平均值為 1.0。整個研究區(qū)海域峰態(tài)變化不大, 絕大部分沉積物峰態(tài)介于0.9~1.1之間。峰態(tài)最大值和最小值分別出現(xiàn)在薊運(yùn)河河口(1.4)和北排水河河口(0.7)。絕大部分樣品的粒度頻率曲線為單峰, 接近常態(tài),說明研究區(qū)海域水動力和物源比較單一, 沉積環(huán)境比較穩(wěn)定。

總體來說, 由岸到海, 隨著水深的增加, 沉積物的平均粒徑變細(xì), 水動力變?nèi)? 分選系數(shù)變大, 分選沉積物的能力變差, 偏態(tài)變小。偏態(tài)多數(shù)為正偏, 高值區(qū)對應(yīng)著較粗沉積物。

3.3 沉積動力環(huán)境分區(qū)

為了分析研究區(qū)表層沉積物的沉積動力環(huán)境特征, 本文采用 Flemming三角圖示法[6], 從沉積物組成及其反映的水動力強(qiáng)弱來區(qū)分沉積物的沉積環(huán)境和亞沉積環(huán)境。Flemming三角圖示法在黃河三角洲沉積特征和環(huán)境演變研究[7-8]、連云港近岸海域沉積環(huán)境研究[9]、廣西欽州海灣[10]表層沉積物沉積動力條件等的研究上均有良好的效果。

Flemming三角圖示法首先定義了沉積物中各組成部分的粒級劃分標(biāo)準(zhǔn): 粒徑在0.063~2 mm之間的顆粒為砂, 在0.002~0.063 mm的為粉砂, 小于0.002 mm的為黏土; 同時以沉積物中砂的百分含量為 95%,75%, 50%, 25%, 5%作為界線將Flemming三角劃分為6個組別, 依次為S、A~E, 從S到E代表沉積物粒徑越來越細(xì); 按沉積物中黏土和粉砂的總百分含量為10%, 25%, 50%, 75%, 90%為界線將三角形劃分為6個不同的水動力區(qū)(Ⅰ~Ⅵ)。Flemming三角圖示法將三角圖分為25個區(qū)塊, 分別代表不同的沉積結(jié)構(gòu), 可用于指示不同的沉積動力環(huán)境, 從A到D, 從Ⅰ到Ⅵ, 表征的沉積動力環(huán)境越來越弱。

根據(jù)Flemming三角圖示法的沉積物粒度分類方法, 本文將各站位沉積物樣品中黏土、粉砂和砂的百分含量用Flemming三角圖法進(jìn)行分析, 將各樣品參數(shù)落在 Flemming三角圖中(圖5)。從圖中可以看出,各站位粒度參數(shù)基本落在 DⅢ、EⅡ和 EⅢ區(qū), 說明研究區(qū)沉積動力相對較弱, 這與該海域沉積物主要為黏土質(zhì)粉砂且分選較差基本吻合。

圖5 研究區(qū)各站位粒度參數(shù)在Flemming三角圖中的位置Fig.5 The position of grain-size parameters of each station in Flemming

3.4 黏土礦物組成與分布特征

黏土礦物主要在<2 μm 組分的沉積物中富集,根據(jù)黏土礦物數(shù)據(jù)處理方法, 將研究區(qū)海域與入海河流表層沉積物樣品中<2 μm 組分的蒙皂石、伊利石、高嶺石和綠泥石族礦物相對含量分別進(jìn)行估算。得出研究區(qū)海域表層沉積物中的黏土礦物組合特征與入海河流中一致, 均為伊利石-高嶺石-綠泥石-蒙皂石。研究區(qū)海域黏土礦物組成與分布特征如下。

(1) 伊利石

伊利石是研究區(qū)近海表層沉積物中含量最高的黏土礦物, 含量變化范圍為70.4%~75.7%, 平均值為73.0%。其高含量區(qū)分布于整個研究區(qū)海域, 低含量區(qū)零星分布在天津港南北兩側(cè)、獨流減河河口處近岸海域以及子牙新河河口附近?？傮w分布趨勢為由岸到海含量逐漸增加, 海河南部伊利石含量高于北部(圖6)。

伊利石是黏土礦物中最穩(wěn)定的物相之一, 在整個近海都是優(yōu)勢礦物。伊利石在本區(qū)的分布趨勢大致與表層沉積物平均粒徑分布趨勢相一致, 說明伊利石含量分布受水動力影響比較明顯。在沿岸入海河流河口處含量較低, 隨著離岸距離的增加, 伊利石含量逐漸增高, 是對高能河水入海后能量減弱的反映。河口近岸區(qū)水動力作用較強(qiáng), 中心區(qū)水動力相對較弱, 所以具有片狀或者鱗片狀特征的伊利石容易從近岸區(qū)搬運(yùn)到水動力弱的中心區(qū)富集沉積[11]。

(2) 高嶺石

高嶺石是研究區(qū)另一種主要的黏土礦物, 含量變化范圍為13.2%~16.4%, 平均值為14.8%。伊利石含量與高嶺石含量呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖7), 兩者含量之比介于4.3~5.7, 平均為4.9。其比值變化與伊利石含量的變化趨勢大致相同, 由近岸向海方向逐漸增高。

圖7 伊利石與高嶺石相關(guān)關(guān)系圖Fig.7 Relationship of Illite and Kaolinite

研究區(qū)海域高嶺石的含量分布如圖6所示。高嶺石的分布特征與伊利石剛好相反, 總體分布趨勢為由近岸向海含量逐漸減小。這主要是由于近岸水動力作用比較強(qiáng), 具有粒狀或者板狀特征的高嶺石在近岸沉積相對較快。

(3) 綠泥石

綠泥石在研究區(qū)海域中的含量較少, 變化范圍也不大, 在7.1%~10.5%, 平均值為9.1%。綠泥石的分布特征與伊利石和高嶺石的分布特征不盡相同, 由近岸向海方向, 綠泥石的含量先增加再減少, 南北方向綠泥石含量變化不明顯(圖6)。

(4) 蒙皂石

蒙皂石為研究區(qū)海域中含量最少的黏土礦物,含量變化范圍為 1.3%~6.6%, 平均值為 3.1%。蒙皂石的分布特征為: 海河南部由近岸向海方向, 蒙皂石的含量逐漸減少; 海河北部由近岸向海方向, 蒙皂石的含量逐漸增加(圖6)。

圖6 黏土礦物含量(%)分布特征圖Fig.6 Content and distribution maps of clay minerals

3.5 物源分析

前人對于渤海灣西部表層沉積物的沉積特征和物質(zhì)來源做過大量研究工作: 施建堂[2]研究認(rèn)為, 灤河入海泥沙在冬季東北向強(qiáng)風(fēng)浪作用下, 在渤海灣北部沿岸沉積; 海河、薊運(yùn)河等河流對渤海灣西部沉積起一定的作用; 在夏季頻繁的東南風(fēng)作用下, 黃河河口處的泥沙經(jīng)風(fēng)浪掀起再懸浮, 在潮流的作用下不斷向渤海灣西部運(yùn)移。本文通過對渤海灣西部以及海河等渤海灣西岸入海河流中表層沉積物粒度和黏土礦物的研究, 結(jié)合前人對黃河、灤河中粒度和黏土礦物的研究資料, 對渤海灣西部表層沉積物的物質(zhì)來源進(jìn)行分析。

3.5.1 灤河

灤河河口沉積物顆粒比較粗, 以砂為主, 沉積物粒度眾值出現(xiàn)在560 μm處[12], 細(xì)砂、粉砂質(zhì)砂等細(xì)粒物質(zhì)在東北向強(qiáng)風(fēng)浪作用下, 沉積在渤海灣北部沿岸形成一系列濱岸沙壩。研究區(qū)海域沉積物顆粒較細(xì), 主要為黏土質(zhì)粉砂, 沉積物眾值出現(xiàn)在 13和60 μm處, 與灤河沉積物在粒度方面差別很明顯。

灤河沉積物中黏土礦物的組合特征為蒙皂石-伊利石-高嶺石-綠泥石, 含量分別為 63%, 27%, 5%和5%[12]。研究區(qū)海域沉積物中黏土礦物的組合特征為伊利石-高嶺石-綠泥石-蒙皂石, 含量分別為 73%,15%, 9%和3%。兩者在黏土礦物組合特征和含量上均有明顯差異, 造成這種差異特征的主要原因為物源特征的差異。研究表明, 蒙皂石容易由火山物質(zhì)或者火山巖風(fēng)化形成, 灤河所攜帶的入海物質(zhì)大都為火山巖與變質(zhì)巖的風(fēng)化產(chǎn)物[11], 所以黏土礦物中蒙皂石含量很高。渤海灣西部陸上巖石中基本不含火山巖和變質(zhì)巖, 因此黏土礦物中蒙皂石含量很低。

灤河沉積物和研究區(qū)沉積物在粒度特征和黏土礦物特征方面上的明顯差別可以判定研究區(qū)海域沉積物基本沒有受到灤河物質(zhì)的影響。

3.5.2 黃河

黃河沉積物粒度比較細(xì), 主要為黏土質(zhì)粉砂,沉積物粒度眾值出現(xiàn)于11和38 μm, 夏季在頻繁的東南風(fēng)作用下, 入海泥沙被風(fēng)浪掀起, 在渤海灣環(huán)流的作用下不斷向渤海灣西部運(yùn)移, 有些學(xué)者認(rèn)為這些黃河泥沙能被搬運(yùn)到海河口附近。研究區(qū)海域沉積物粒度雖然與黃河沉積物一致, 也為黏土質(zhì)粉砂, 但是兩者之間的粒度特征還是存在一定差別。黃河沉積物平均粒徑在0.015~0.028 mm, 屬于中粉砂,研究區(qū)海域沉積物粒徑主要在 0.004~0.032mm, 屬于細(xì)粉砂。

黃河沉積物中黏土礦物的組合特征為伊利石-蒙皂石-綠泥石-高嶺石, 含量分別為 62%、16%、12%和 10%[13], 與研究區(qū)海域沉積物中黏土礦物的組合特征和含量有較大差別, 造成這種差異的主要原因為物源和氣候差異。黃河流域中游分布大面積的黃土, 黃土地區(qū)植被覆蓋率低、水土流失嚴(yán)重、物理侵蝕作用大, 從黃土侵蝕下來的物質(zhì)構(gòu)成了黃河沉積物的基本來源。黃河沉積物很大程度上繼承了黃土的特征, 如黃土的蒙皂石含量較高[13]。黃河中上游氣候干旱寒冷, 伊利石指示干冷氣候, 因此黃河沉積物中伊利石和蒙皂石含量高。蒙皂石是四種黏土礦物中粒度最小的, 在外海含量比近岸高, 容易隨水搬運(yùn)。研究區(qū)海域黏土礦物中蒙皂石平均含量僅為3%, 與黃河沉積物中蒙皂石含量差別很大, 可以判定黃河物質(zhì)對研究區(qū)海域沉積物影響比較小。

為了進(jìn)一步研究和區(qū)分研究區(qū)海域沉積物與入海河流的物源關(guān)系, 本文根據(jù)渤海灣西部表層沉積物41個樣品黏土礦物組分?jǐn)?shù)據(jù)以及海河等渤海灣西岸入海河流中選出的6個代表性黏土礦物組分?jǐn)?shù)據(jù),結(jié)合前人對黃河和灤河沉積物黏土礦物的研究結(jié)果,以伊利石、蒙皂石、高嶺石+綠泥石為端元作三角端元圖(ISKc 圖)(圖8)。

從圖8中可以清晰的區(qū)分研究區(qū)海域沉積物與幾條河流沉積物。研究區(qū)海域所有樣品的ISKc投影與海河、薊運(yùn)河等西部沿岸入海河流的投影一致, 說明本研究區(qū)海域沉積物黏土礦物的來源與海河等沿岸入海河流密切相關(guān), 主要為海河型物質(zhì)。從 ISKc圖可以看出, 灤河沉積物投影與研究區(qū)海域沉積物投影相距甚遠(yuǎn), 兩者之間差異明顯, 說明灤河沉積物對研究區(qū)海域基本沒有影響; 黃河沉積物投影與研究區(qū)海域沉積物投影有些差距, 兩者在黏土礦物組合特征和含量上的差別說明黃河沉積物對研究區(qū)海域的影響已經(jīng)變的比較小。

圖8 黏土礦物三角端元圖Fig.8 Triangle endmember map of clay minerals

4 結(jié)論

1) 研究區(qū)海域表層沉積物類型有黏土質(zhì)粉砂、粉砂和砂-粉砂-黏土三種。黏土質(zhì)粉砂分布于整個研究區(qū), 是研究區(qū)最主要的沉積物類型, 約占研究區(qū)的90%。海河以北沉積物較粗。

2) 用 Flemming三角圖法分析研究區(qū)的沉積動力環(huán)境特征, 研究表明各站位粒度參數(shù)基本落在DⅢ、EⅡ和 EⅢ區(qū), 說明研究區(qū)海域沉積動力相對較弱, 這與該海域沉積物主要為黏土質(zhì)粉砂且分選較差基本吻合。

3) 研究區(qū)海域表層沉積物中黏土礦物以伊利石為主, 黏土礦物組合為伊利石-高嶺石-綠泥石-蒙皂石, 與海河、薊運(yùn)河等渤海灣西岸入海河流沉積物中的黏土礦物組合特征相同。

4) 對研究區(qū)表層沉積物粒度特征、黏土礦物特征及前人對于黃河、灤河的研究資料, 結(jié)合黏土礦物三角端元圖(ISKc圖)進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明, 研究區(qū)的表層沉積物主要來源于海河等渤海灣西岸入海河流中的陸源碎屑物, 灤河對研究區(qū)表層沉積物基本沒有影響, 黃河對研究區(qū)海域表層沉積物的影響變的比較小。

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