張昊,郝義,王惠,李忠涵
(山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì),山東 滕州 277500)
日照因港而立、依海而興,是新亞歐大陸橋東方橋頭堡和“一帶一路”主要節(jié)點(diǎn)城市,擁有得天獨(dú)厚的海岸線和港口優(yōu)勢(shì)。日照海岸位于黃海中部,北起白馬河口,南到繡針河口,岬灣相連,發(fā)育平直的基巖沙礫質(zhì)海岸。海岸線全長(zhǎng)(不含島嶼岸線)168.5km,岸線上綿延分布有64km的優(yōu)質(zhì)海灘,從北向南主要有海濱國(guó)家森林公園海灘、大陳家村海灘、東小莊村海灘、富蓉村海灘、萬(wàn)平口海水浴場(chǎng)海灘、金沙島海水浴場(chǎng)海灘、嵐山第一海水浴場(chǎng)海灘等7個(gè)海灘(圖1),其中海濱國(guó)家森林公園和萬(wàn)平口海水浴場(chǎng)海灘各方面條件相對(duì)優(yōu)越,海灘質(zhì)量評(píng)價(jià)得分較高。海灘由粗中砂或細(xì)中砂組成;低潮線至5m等深線處變?yōu)橹屑?xì)砂,距岸距離2.5km;5~15m水深處以粉砂粒級(jí)為主,距岸距離約5km,海底坡度變緩;15m水深以外分布含殘留沉積的砂質(zhì)物[1]。近十幾年來(lái),許多學(xué)者對(duì)山東半島濱海沙灘現(xiàn)狀評(píng)價(jià)、侵蝕狀態(tài)、保護(hù)對(duì)策等進(jìn)行了綜合研究工作[2-7],但對(duì)海岸帶沉積物的物質(zhì)來(lái)源研究的較少。目前,國(guó)內(nèi)外物源分析已發(fā)展成為多方法、多技術(shù)的一門綜合研究領(lǐng)域,如重礦物法、碎屑巖類法、裂變徑跡法、沉積方法、地球化學(xué)和同位素法等,這些都有其應(yīng)用條件和局限性。元素地球化學(xué)方法判別環(huán)境領(lǐng)域最初主要應(yīng)用于火山巖,后期擴(kuò)展到沉積巖,并在構(gòu)造背景、物源及沉積環(huán)境中得到了廣泛應(yīng)用[8]。該文在日照市海岸帶海灘調(diào)查及侵蝕現(xiàn)狀研究項(xiàng)目的基礎(chǔ)上,結(jié)合前人的研究資料,重點(diǎn)對(duì)海濱國(guó)家森林公園海灘和萬(wàn)平口海水浴場(chǎng)海灘沉積物類型、分布特征及搬運(yùn)路徑進(jìn)行研究,并對(duì)日照市海岸帶海灘沉積物的物質(zhì)來(lái)源進(jìn)行分析,以提高日照市海岸帶海洋環(huán)境地質(zhì)綜合研究程度。
2017年11月—2018年9月,在研究區(qū)重點(diǎn)海灘開展了重復(fù)剖面觀測(cè)和樣品采集工作。在2個(gè)重點(diǎn)海灘的北部、中部和南部分別布設(shè)了3條重復(fù)觀測(cè)剖面(圖1)。觀測(cè)過(guò)程中,分別從剖面的灘肩、灘面、低潮線3個(gè)位置進(jìn)行了海灘表層物質(zhì)取樣,6條剖面共采集18件樣品,對(duì)樣品進(jìn)行了粒度分析。取原始樣品10~20g,經(jīng)雙氧水和稀鹽酸浸泡處理,除掉有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽,然后洗鹽,用六偏磷酸鈉溶液分散后,根據(jù)規(guī)范要求分別選用不同的方法進(jìn)行測(cè)試。粒度分析細(xì)顆粒樣品使用激光粒度儀法測(cè)定,所用儀器為英國(guó)Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000激光粒度分析儀。該儀器粒徑測(cè)量范圍0.02~2000μm,分辨率為0.01φ,重復(fù)測(cè)量的相對(duì)誤差<3%。粒度分析粗顆粒樣品使用篩析法測(cè)定。將4mm至0.063mm之間的粒度按1/2φ間隔,分離成14個(gè)粒級(jí)分別稱重,求得以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示的粒度分布。平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)和峰態(tài)等粒度參數(shù)的計(jì)算和等級(jí)劃分,采用Folk等提出的方法[9]。
1—沙灘中心點(diǎn)位置及名稱;2—沙灘范圍;3—剖面位置及編號(hào);4—探槽位置及編號(hào);5—取樣位置及編號(hào)圖1 研究區(qū)海灘、剖面、探槽、取樣點(diǎn)分布圖
在海濱國(guó)家森林公園海灘自北向南布設(shè)磁化率測(cè)量剖面11條(L1~L15),在萬(wàn)平口海水浴場(chǎng)海灘自北向南布設(shè)磁化率測(cè)量剖面13條(PM6~PM8)。根據(jù)對(duì)研究區(qū)海灘的野外體積磁化率測(cè)量結(jié)果和室內(nèi)頻率磁化率測(cè)量結(jié)果,分析海灘磁性礦物富集規(guī)律,并確定沉積物搬運(yùn)路徑。
為追蹤海灘中磁性礦物的來(lái)源,自海向陸分別在磁鐵礦含量較多的海灘及基巖中取樣:在萬(wàn)平口海水浴場(chǎng)海灘和金沙島海水浴場(chǎng)海灘磁鐵礦含量較多的探槽中采集TC07和TC09樣品;在東港區(qū)燈塔廣場(chǎng)距海灘較近且含磁鐵礦的花崗閃長(zhǎng)巖中采集DTGC-B1樣品;在曾產(chǎn)磁鐵礦礦石的嵐山高旺鐵礦附近圍巖花崗斑巖中采集GW-B2樣品和磁鐵礦礦石中采集GW-H3,GW-H4樣品;在向陸一側(cè)嵐山車子門附近含磁鐵礦的二長(zhǎng)花崗巖中采集PJC-H10樣品;在陸域且河流入海的花仙子風(fēng)景區(qū)含輝石角閃斜長(zhǎng)片麻巖中采集HXZ-H1樣品(表1)。通過(guò)采集樣品中主微量及稀土元素的分析對(duì)比,推斷沉積物物質(zhì)來(lái)源。
表1 基巖及探槽樣品坐標(biāo)
通過(guò)對(duì)采集樣品的粒度分析,可以區(qū)分沉積物類型及分布特征、判定水動(dòng)力條件、確定沉積物搬運(yùn)方式等。粒度參數(shù)主要有平均粒徑(Mz)、分選系數(shù)(δi)、偏態(tài)(SKi)、峰度(Kg)[10]。該文選取海濱國(guó)家森林公園海灘和萬(wàn)平口海水浴場(chǎng)海灘采集的樣品從平均粒徑(Mz)、分選系數(shù)(δi)、偏態(tài)(SKi)三方面進(jìn)行粒度分析。
圖2 海灘剖面樣品粒度參數(shù)散點(diǎn)圖
沉積物平均粒徑(Mz)可以說(shuō)明沉積物粒度分布的中心趨勢(shì)。平均粒徑(φ值)可以反映沉積介質(zhì)的平均動(dòng)能[11-12]。一般來(lái)說(shuō)粗粒沉積常見于高能環(huán)境,細(xì)粒沉積見于低能環(huán)境。當(dāng)然粒度大小還取決于其原始沉積物顆粒的大小,在同一物源條件下,順流向粒度逐漸遞降(φ值逐漸增大)。研究區(qū)內(nèi)平均粒徑介于-0.96~3.43φ之間,平均為1.2φ,即研究區(qū)沉積物類型以砂(-1~4φ)為主,僅探槽底部可見極少細(xì)礫(<-1φ)。
海灘剖面樣品化驗(yàn)結(jié)果表明:海濱國(guó)家森林公園海灘沉積物以細(xì)砂(2~3φ)、中砂(1~2φ)為主,萬(wàn)平口海水浴場(chǎng)海灘沉積物以中砂(1~2φ)、粗砂(0~1φ)為主。
海灘探槽樣品化驗(yàn)結(jié)果表明:TC02的平均粒徑介于1.57~2.43φ之間;TC03的平均粒徑介于1.35~2.50φ之間;TC06的平均粒徑介于-0.61~2.23φ之間;TC07的平均粒徑介于-0.79~0.93φ之間;TC08的平均粒徑介于-0.96~1.56φ之間。
根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果分析:兩處海灘沉積物均具有由北向南逐漸變粗的趨勢(shì)。從灘肩到灘面再到低潮線處,φ值逐漸增大,沉積物有逐漸變細(xì)的趨勢(shì)(圖2a)。海濱國(guó)家森林公園海灘2個(gè)探槽的粒徑變化較小,沉積物粒徑從淺到深均較細(xì),φ值具有先減小后增大的趨勢(shì)。萬(wàn)平口海水浴場(chǎng)海灘探槽的粒徑變化較大,沉積物由細(xì)到粗變化較大,沉積物總體具有淺部細(xì)深部粗的趨勢(shì)(圖3)。
圖3 海灘探槽平均粒徑折線圖 (探槽樣品為自上而下取樣,樣品號(hào)為H1~H14)
分選系數(shù)(δi)是指示沉積物粒度的分選程度,即顆粒大小的均勻性,若粒級(jí)少,主要粒級(jí)很突出,百分含量高,分選就好,標(biāo)準(zhǔn)偏差或分選系數(shù)的數(shù)值??;反之,粒級(jí)分布范圍很廣,主要粒級(jí)不突出,則分選就差,標(biāo)準(zhǔn)偏差或分選系數(shù)的數(shù)值就大。
海濱國(guó)家森林公園海灘剖面樣品化驗(yàn)結(jié)果表明:分選系數(shù)主要介于0.35~0.71之間,灘肩、灘面分選狀況較好,低潮線分選狀況好,說(shuō)明低潮線處的分選性較灘肩、灘面處好(圖2b)。探槽樣品化驗(yàn)結(jié)果表明:分選系數(shù)主要介于0.34~0.71之間,平均值為0.55,總體分選狀況較好(圖4)。
萬(wàn)平口海水浴場(chǎng)海灘剖面樣品化驗(yàn)結(jié)果表明:北部PM6的分選系數(shù)介于0.78~1.35之間,平均值為1.03,分選狀況較差,中部PM7和南部PM8海灘分選系數(shù)的平均值分別為0.61和0.56,分選狀況較好,具有由北向南逐漸變好的趨勢(shì)(圖2b)。探槽樣品化驗(yàn)結(jié)果表明:北部TC06的分選系數(shù)介于0.59~1.65之間,平均值為1.16,分選狀況較差;中部TC07的分選系數(shù)介于0.39~1.19之間,平均值為0.76,分選狀況中等;南部TC08的分選系數(shù)介于0.53~1.22之間,平均值為0.83,分選狀況中等(圖4)。
總體來(lái)看,垂直海岸方向,兩處海灘由陸向海分選性均逐漸變好;平行海岸方向,海濱國(guó)家森林公園海灘分選性均較好,基本無(wú)變化,萬(wàn)平口海水浴場(chǎng)海灘由北向南分選性逐漸變好。海濱國(guó)家森林公園海灘淺部樣品的分選性要好于深部,萬(wàn)平口海水浴場(chǎng)海灘中間樣品的分選性要好于淺部和深部。海濱國(guó)家森林公園海灘的分選性要好于萬(wàn)平口海水浴場(chǎng)海灘。
圖4 探槽樣品分選系數(shù)散點(diǎn)圖 (探槽樣品為自上而下取樣,樣品號(hào)為H1~H14)
偏度(SKi)可判別粒度組分分布的對(duì)稱性,并表明平均值與中位數(shù)的相對(duì)位置。研究區(qū)海濱國(guó)家森林公園海灘剖面樣品的偏度系數(shù)為-0.60~+0.58,探槽樣品的偏度系數(shù)主要在-1.08~+0.56之間分布,偏態(tài)等級(jí)位于極負(fù)偏、負(fù)偏和正偏之間,在零值之間呈對(duì)稱分布。萬(wàn)平口海水浴場(chǎng)海灘剖面的偏度系數(shù)為-1.27~+0.54,探槽樣品的偏度系數(shù)主要在-1.27~+1.18之間分布,正偏態(tài)、負(fù)偏態(tài),極負(fù)偏態(tài)、極正偏態(tài)均存在,在零值兩端呈對(duì)稱分布(圖2c、圖5)。
圖5 探槽樣品偏度系數(shù)散點(diǎn)圖 (探槽樣品為自上而下取樣,樣品號(hào)為H1~H14)
海濱國(guó)家森林公園海灘剖面、探槽中樣品的頻率曲線以單峰和雙峰為主;萬(wàn)平口海水浴場(chǎng)海灘剖面、探槽中樣品的頻率曲線以雙峰和多峰為主,少數(shù)為單峰。頻率分布曲線分為單峰態(tài)和雙峰態(tài),其中單峰態(tài)表明沉積物成分單一,為相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境下沉積形成;雙峰態(tài)表明沉積物由2種主要成分組成,在沉積過(guò)程中有其他作用參加進(jìn)來(lái),水動(dòng)力條件較為復(fù)雜[13]。說(shuō)明萬(wàn)平口海水浴場(chǎng)海灘沉積物的來(lái)源比森林公園要復(fù)雜。
海濱國(guó)家森林公園海灘灘肩和灘面處主要為雙峰曲線,粒級(jí)較為分散,分選系數(shù)較大,分選性相對(duì)較差,而低潮線處主要為單峰曲線,粒級(jí)較為集中,分選系數(shù)較小,分選性相對(duì)較好,主峰尖銳,粒度較細(xì)(圖6)。萬(wàn)平口海水浴場(chǎng)海灘灘肩處自北向南由多峰、雙峰曲線變?yōu)閱畏迩€,灘面和低潮線處由雙峰曲線變?yōu)閱畏迩€,說(shuō)明灘肩和灘面處分選系數(shù)較大,分選性較差,低潮線處分選系數(shù)較小,分選性較好,且由北向南分選性由差變好(圖7)。
低潮線處樣品相對(duì)均勻,物質(zhì)來(lái)源單一,以單峰曲線為主,多為負(fù)偏,樣品的粒度代表了海灘總體的一般特征,反映環(huán)境能量對(duì)沉積物分選改造處于相對(duì)平衡狀態(tài);灘肩、高潮線附近受風(fēng)、海流和波浪等沉積動(dòng)力影響,頻率曲線以雙峰為主,物質(zhì)來(lái)源較為復(fù)雜,是沉積動(dòng)力與粒度之間尚未達(dá)到平衡的表現(xiàn)[14]。
圖6 濱海國(guó)家森林公園海灘剖面頻率曲線變化圖
圖7 萬(wàn)平口海水浴場(chǎng)海灘剖面頻率曲線變化圖
根據(jù)海灘磁化率剖面分布趨勢(shì)圖分析:在平行海岸方向上,北部海灘磁化率值偏高,磁化率平均值在1.51×10-3SI~2.55×10-3SI之間,南部海灘磁化率值偏低,磁化率平均值在0.33×10-3SI~0.80×10-3SI之間,總體具有北部高南部低的趨勢(shì)(圖8a),該趨勢(shì)與北部海灘侵蝕較為嚴(yán)重而南部海灘侵蝕較弱的現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生可能是由于侵蝕過(guò)程中高密度的重礦物易發(fā)生濃縮聚集形成礦砂,而低密度的輕礦物易優(yōu)先搬運(yùn)的原因[13-14]。在垂直海岸方向上,靠近灘肩高潮線與沖流帶處磁化率較高:L7剖面磁化率最大值為19.17×10-3SI;灘肩向陸一側(cè)及灘面處磁化率值較低,磁化率值一般在0.2×10-3SI左右;低潮線處磁化率又略有升高,磁化率值一般在0.5×10-3SI左右。
根據(jù)海灘磁化率剖面分布趨勢(shì)圖分析:在平行海岸方向上,磁化率由北向南具有先增大后減小,然后又略有增大的趨勢(shì)(圖8b)。總體來(lái)看,北部、中部磁化率值偏高,磁化率平均值在1.07×10-3SI~3.93×10-3SI之間,南部磁化率值偏低,磁化率平均值在0.68×10-3SI~2.52×10-3SI之間,與北部、中部海灘侵蝕較為嚴(yán)重而南部海灘侵蝕較弱的趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)。在垂直海岸方向上,靠近灘肩高潮線與沖流帶處磁化率較高:L23剖面磁化率最大值為86.82×10-3SI;灘肩向陸一側(cè)及灘面處磁化率值較低,磁化率值一般在0.5×10-3SI左右;低潮線處磁化率又略有升高,磁化率值一般在1.5×10-3SI左右。
圖8 海灘磁化率剖面分布趨勢(shì)圖
沖流帶是動(dòng)力和地形高頻變化最明顯的區(qū)域,該處的沖洗作用大于波浪作用,低密度的粗顆粒首先被搬運(yùn)至灘肩區(qū),高密度的細(xì)顆粒(磁鐵礦)因波能變小而發(fā)生淤滯,低密度的粗顆粒被更弱的回流搬運(yùn)回海,從而引起高密度的細(xì)顆粒在沖流帶聚集[15-17],導(dǎo)致該處輕重礦物的分選性較好,磁性礦物富集。這可能是體積磁化率在沖流帶附近區(qū)域出現(xiàn)高值的原因。
綜上分析:萬(wàn)平口和森林公園海灘北部磁化率是南部磁化率的2~3倍,這是由于海灘的沿岸流優(yōu)先搬運(yùn)低密度的粗顆粒礦物,導(dǎo)致在海灘侵蝕區(qū)域磁性礦物濃度較高,磁化率較高,而在海灘淤積區(qū)域磁性礦物濃度較低,磁化率值較低。進(jìn)一步表明萬(wàn)平口和森林公園海灘北部侵蝕區(qū)有較多細(xì)顆粒的磁鐵礦滯留(北部磁化率較高)而南部淤積區(qū)有較多粗顆粒的輕礦物聚集(南部磁化率較低)是受自北向南的黃海沿岸流影響[18],使沉積物多自北向南運(yùn)移。
近年來(lái),許多學(xué)者從重礦物富集規(guī)律、沉積動(dòng)力環(huán)境、沉積物粒徑趨勢(shì)[19-20]等多方面對(duì)日照近岸帶物質(zhì)來(lái)源進(jìn)行了分析。稀土元素和Zr,Th,Sc,Y等微量元素具有良好的穩(wěn)定性[21],受風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積、成巖等地質(zhì)作用的影響較小。故該文借鑒前人對(duì)沉積物物源分析的地球化學(xué)方法:利用稀土元素和微量元素作為沉積物物源指示劑[22-23],對(duì)日照海岸帶物質(zhì)來(lái)源進(jìn)行定性分析(圖9)。
圖9 探槽樣品稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線(a)及微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(b) (標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)據(jù)文獻(xiàn)[24])
通過(guò)主微量及稀土元素分析發(fā)現(xiàn)(圖9),TC07,TC09探槽中上部樣品的稀土元素和微量元素含量變化曲線一致(TC07-H4和TC09-1,TC09-H4),下部樣品的變化曲線一致(TC07-H8和TC09-H14),但上部和下部曲線存在差異,稀土元素配分曲線圖中上部樣品主要表現(xiàn)為Eu負(fù)異常,下部樣品主要表現(xiàn)為Eu正異常,元素含量也存在差異性,微量元素曲線圖中也存在多個(gè)元素含量的差異,說(shuō)明2個(gè)探槽中磁性礦物的物質(zhì)來(lái)源相同,但探槽上部與下部磁性礦物的形成原因及物源不一致,可能存在不同期次的不同成因。
將探槽中的樣品與采集的基巖樣品進(jìn)行對(duì)比(圖10a、圖10b),發(fā)現(xiàn)探槽上部樣品的元素變化曲
線與日照水庫(kù)附近花仙子風(fēng)景區(qū)含輝石角閃斜長(zhǎng)片麻巖、車子門含磁鐵礦二長(zhǎng)花崗巖的元素變化曲線較為一致(圖11),斜長(zhǎng)片麻巖及二長(zhǎng)花崗巖中含有較多的磁性物質(zhì)。
圖10 研究區(qū)采集手標(biāo)本
圖11 探槽上部及相關(guān)基巖樣品稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線(a)及微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(b) (標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)據(jù)文獻(xiàn)[24])
圖12 探槽下部及相關(guān)基巖樣品稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線(a)及微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(b) (標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)據(jù)文獻(xiàn)[24])
圖13 探槽及磁鐵礦樣品稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線(a)及微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(b) (標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)據(jù)文獻(xiàn)[24])
探槽下部樣品的元素變化曲線與高旺鐵礦花崗斑巖、燈塔廣場(chǎng)花崗閃長(zhǎng)巖的變化曲線基本一致(圖10c、圖10d、圖12),而與高旺磁鐵礦礦石的變化曲線存在較大差異(圖13),說(shuō)明海灘中的磁性礦物來(lái)源與巖體關(guān)系較為密切,而與高旺磁鐵礦礦石的聯(lián)系并不明顯。
通過(guò)上述元素分析,推測(cè)日照海岸帶海灘中淺部物質(zhì)的來(lái)源與陸內(nèi)一側(cè)基巖中斜長(zhǎng)片麻巖和二長(zhǎng)花崗巖的關(guān)系較為密切,深部物質(zhì)的來(lái)源與靠海一側(cè)基巖中花崗斑巖和花崗閃長(zhǎng)巖的關(guān)系較為密切,海灘中的磁性礦物與嵐山高旺鐵礦磁鐵礦礦石的聯(lián)系并不明顯。
(1)根據(jù)沉積物粒度參數(shù)分析可知:研究區(qū)沉積物類型以砂(-1~4φ)為主,僅探槽底部可見極少細(xì)礫(<-1φ)。平行海岸方向上,海濱國(guó)家森林公園海灘以細(xì)砂、中砂為主,萬(wàn)平口海水浴場(chǎng)海灘以中砂、粗砂為主,總體上自北至南沉積物由細(xì)變粗。垂直海岸方向上,兩處海灘從灘肩到灘面再到低潮線處,沉積物均有逐漸變細(xì)的趨勢(shì)。海濱國(guó)家森林公園海灘的分選性要好于萬(wàn)平口海水浴場(chǎng)海灘。
(2)根據(jù)海灘磁性礦物富集規(guī)律分析,確定沉積物受黃海沿岸流影響,海灘北部侵蝕區(qū)磁化率較高,有較多細(xì)顆粒的磁鐵礦滯留;南部淤積區(qū)磁化率較低,有較多粗顆粒的輕礦物聚集。沉積物多自北向南運(yùn)移。
(3)日照市海岸帶海灘中淺部物質(zhì)的來(lái)源與陸內(nèi)一側(cè)基巖中斜長(zhǎng)片麻巖和二長(zhǎng)花崗巖的關(guān)系較為密切,深部物質(zhì)的來(lái)源與靠海一側(cè)基巖中花崗斑巖和花崗閃長(zhǎng)巖的關(guān)系較為密切。