萊州淺灘表層沉積物元素地球化學特征及物源識別

(魯東大學 地理與規(guī)劃學院,山東 煙臺264025)

萊州淺灘位于萊州灣東部的刁龍嘴西北近岸海域,為山東半島北岸規(guī)模最大的近岸水下堆積地貌(圖1)。有關淺灘泥沙來源問題的研究,許多學者在沉積動態(tài)和地貌演變[1]、沿岸潟湖沉積演化[2]及海岸發(fā)育變化[3]等方面做了較詳細的工作,一致認為淺灘泥沙來源于山東半島西北部王河、界河等河流輸送,這些河流輸沙對淺灘形成的貢獻毋庸置疑。龍口至刁龍嘴段為NE～SW走向,由于淺灘所處的水文條件,在偏北波浪作用下沿岸河流搬運入海的泥沙可以形成龍口至刁龍嘴段由東北向西南運動的沿岸縱向泥沙流,到達刁龍嘴并堆積。雖然近源陸地泥沙對淺灘形成至關重要,但也不能忽視黃河細粒泥沙通過擴散參與其形成過程。由于淺灘所處的萊州灣位于渤海南部,為一半封閉性海灣,注入渤海的黃河是世界著名的高攜沙率大河,每年攜帶數(shù)億噸的細粒沉積物入海,其中約 9%～15%的細粒沉積物向東運移[4],這些大量的入海物質(zhì)對我國大陸架淺海沉積作用有著巨大貢獻[5]。黃河細粒泥沙擴散范圍很廣,可以通過渤海沿岸流的作用,在山東半島北岸沿途沉積[6],可能對萊州淺灘的形成產(chǎn)生影響。雖然萊州淺灘泥沙來源于流域河流輸送已得到許多學者一致認可,但尚未從元素地球化學角度對其成因和物質(zhì)來源等做進行進一步的研究,需要從物質(zhì)來源的微觀方面尋找更有力的證據(jù)。本文通過對萊州淺灘粉砂級以下級細(＜0.063 mm)表層沉積物元素地球化學研究,將其與現(xiàn)代黃河沉積物元素組成進行比較,分析常量及微量元素不同遷移及富集規(guī)律,進一步探討區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景、元素遷移以及人類活動等因素對兩者差異的影響,并通過分析沉積動力環(huán)境及搬運途徑確定淺灘沉積物的來源。

1 樣品采集與實驗方法

2008年在萊州淺灘用抓斗和箱式取樣器進行了沉積物取樣,樣品均為0～10cm的表層樣。所采樣品在實驗室內(nèi)用蒸餾水充分浸泡,清洗去除鹽分,運用沉降法提取小于 0.063 mm粒級的全巖樣,在60℃低溫環(huán)境下烘干,送至青島海洋地質(zhì)研究所實驗測試中心,采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP～MS)測定沉積物的元素質(zhì)量分數(shù)。為監(jiān)控測試精度與準確度,對樣品進行了重復測試,絕大多數(shù)測定元素的相對偏差小于 5%,表明測數(shù)據(jù)準確可靠。

圖1 萊州淺灘樣品位置圖Fig.1 Map of sampling locations

2 淺灘表層沉積物元素組成

萊州淺灘細粒沉積物常量元素 Al,Ca,K,Mg,Na,Fe等質(zhì)量分數(shù)較高,均在1%～6%,其中Al質(zhì)量分數(shù)最高,Mg質(zhì)量分數(shù)最低;微量元素方面,Ti,Mn ,Ba ,Sr質(zhì)量比較高,均在100 μg/g以上,依次減小,而 Sc,Be,Mo,U,W,Cd等質(zhì)量比偏低,均不足10 μg/g。所取的7個樣品間變化較小,30個元素中只有 4個元素的變異系數(shù)超過 20%,大多數(shù)元素變異系數(shù)在 10%左右。為了對萊州淺灘表層沉積物元素特征進行分析,列出了萊州淺灘 7個表層細顆粒沉積物6種常量元素的質(zhì)量分數(shù)及24種微量元素的質(zhì)量比(表1)。

為了消除沉積物粒級以及實驗系統(tǒng)誤差對元素質(zhì)量分數(shù)的影響,采用元素比值來最大限度降低沉積物粒級對元素質(zhì)量分數(shù)的影響。最常用的是元素與Al的比值,因為Al在沉積物形成過程中相對穩(wěn)定且主要富集在黏土粒級中[7]。同時為便于同黃河表層細顆粒沉積物進行對比研究,用判別函數(shù)FD來判斷兩者的相似程度。判別函數(shù)FD的計算公式如下[8]：FD= (Cq-Ch) /Ch(式中Cq,Ch分別表示淺灘、黃河沉積物中某種元素質(zhì)量分數(shù)同Al質(zhì)量分數(shù)的比值)。一般而言,FD絕對值越小說明淺灘沉積物化學元素成分越接近黃河組分,越大則越偏離黃河沉積物成分。表2列出了淺灘具有代表性的25個元素平均質(zhì)量分數(shù)同Al質(zhì)量分數(shù)的比值、判別系數(shù)、標準偏差并計算了萊州淺灘沉積物各元素標準差與黃河樣的比值。

2.1 萊州淺灘元素特征

所取 7個萊州淺灘表層沉積物元素質(zhì)量分數(shù)波動較小(表1),同源性顯著,但它們之間也有細微的差異,表現(xiàn)為西部樣品大多數(shù)元素平均質(zhì)量分數(shù)高于東部。西部樣品編號為E02,F02,G04,H05和J03,東部樣品編號為D08,F10。西部樣中H05大部分元素質(zhì)量分數(shù)較高,共計21個元素質(zhì)量分數(shù)為最高值,占所測元素的70%;鄰近采樣點 H05西北處的G04采樣點絕大多數(shù)元素質(zhì)量分數(shù)微低于 H05,僅個別元素質(zhì)量分數(shù)為最高值;東部兩個樣品 D08和 F10大多數(shù)元素質(zhì)量分數(shù)較西部樣品普遍較低。雖然淺灘7個樣品元素質(zhì)量分數(shù)具有差異,但變化微小,其較小變異系數(shù)可以反映。淺灘30個元素中只有4個元素的變異系數(shù)超過 20%,大多數(shù)元素變異系數(shù)在10%左右,說明萊州淺灘元素質(zhì)量分數(shù)比較集中穩(wěn)定,樣品間相似性顯著。因此,可將它們的均值作為萊州淺灘的整體同其他樣品進行比較。

2.2 萊州淺灘沉積物同黃河樣比較

取萊州淺灘 7個樣品的均值同黃河表樣品數(shù)據(jù)進行比較,發(fā)現(xiàn)淺灘沉積物常量元素普遍略高,其中 Al,Fe,Ca,K,Mg質(zhì)量分數(shù)略高于黃河樣,Na幾乎相等。6個常量元素的判別系數(shù)均不高,FD介于0.2～0.34,兩者經(jīng) Al標準化處理后的比值趨勢圖一致(圖2)。此外,兩者標準差比值較小,均在一個數(shù)量級內(nèi)變化。常量元素這些特征均反映出兩者具有一定的相似性。

同黃河沉積物相比,萊州淺灘微量元素的質(zhì)量比普遍略微低于后者,有 14種元素質(zhì)量分數(shù)經(jīng) Al標準化處理后的比值偏小,占所有微量元素的 70%,只有個別元素如Cu和Zn偏大。在判別函數(shù)方面,V,Ga,Ba,Pb和Th大于0.3,其余的15種微量元素均在0.15左右,其中稀有元素Li,Be,Sc以及稀土元素La,Ce,Y絕對值接近0,顯示出了兩者間很強的相似性。兩者微量元素Al標準化處理后比值的趨勢線基本一致也直觀反映了這一點。在標準差方面,萊州淺灘與黃河樣也很接近,兩者標準差比值均在一個數(shù)量級內(nèi)變化。其中最大值小于 5,有 14種元素的標準差小于 2.0,占所有微量元素的 70%,有 9種元素小于1.0。標準差的相似反映出微量元素在萊州淺灘中的質(zhì)量比變化同黃河中的相近。

與此同時,為了驗證 Al比值法結(jié)果,還將淺灘7個樣品及黃河樣品中一些表生地球化學環(huán)境中比較穩(wěn)定能作物源示蹤的元素Cr與Sc,Th與Co進行比較,計算w(Cr)/w(Sc)和w(Th)/w(Co)(其中w(Cr)、w(Sc)、w(Th)和w(Co)分別代表這些元素的質(zhì)量比)的數(shù)值作二元散點圖(見圖3)。圖3中顯示淺灘沉積物和黃河樣的元素比值散點基本分布于一條直線,說明淺灘微量元素在很大程度上接近黃河沉積物。

總體而言,萊州淺灘沉積物常量元素質(zhì)量分數(shù)略高于黃河沉積物,微量元素普遍略微低于黃河樣。雖然如此,這些差異都是細微的,兩者各元素標準化處理后比值趨勢圖一致性,穩(wěn)定元素判別比較圖呈一條直線,標準偏差的相似性同樣可以反映出它們之間的密切聯(lián)系。

表1 萊州淺灘表層樣元素質(zhì)量分數(shù)及變異系數(shù)Tab.1 Elemental contents and discriminant indexes of the sediments from the Laizhou Shoal

3 討論

通過上述分析可知,萊州淺灘表層樣元素質(zhì)量分數(shù)分布具有同源的整體性。同黃河樣相比,淺灘常量略高,微量元素略低,兩者之間的相似性反映了黃河泥沙對淺灘形成的重要影響,而淺灘周圍較弱的沉積動力環(huán)境為黃河泥沙的搬運和沉積提供了良好的條件。雖然如此,由于淺灘的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景、部分元素的遷移富集以及人類活動等因素的作用也使得兩者出現(xiàn)了細微差異,以下就這些方面進行分析。

表2 萊州淺灘與黃河沉積物元素比較Tab.2 Comparison of elemental contents between the sediments of the Laizhou Shoal and the Yellow River

圖2 淺灘、黃河沉積物中各元素質(zhì)量分數(shù)Al標準化后比較Fig.2 Comparison of elemental contents normalized with Al between the sediments of the Laizhou Shoal and the Yellow River

圖3 萊州淺灘與黃河沉積物元素判別圖Fig.3 Discrimination plots of Th/Co vs.Cr/Sc in the sediment from the Laizhou Shoal or the Yellow River

3.1 沉積物來源探討

萊州淺灘頂部為粗砂,向東北依次為粗砂、中砂、細砂、粉砂質(zhì)砂,向西南依次為粗砂、中砂、細砂、泥質(zhì)細砂;沉積物中值粒徑為1Φ～4Φ,呈SE～NW向展布的等值線分布密集,從東南向西北和從灘頂向兩側(cè)由粗變細[9]。淺灘較粗粒級的沉積物來源于沿岸河流輸沙毋庸置疑,而通過上述對萊州淺灘細顆粒沉積物地球化學分析,也驗證了其與黃河沉積物有密切聯(lián)系,兩者的元素差異主要由于萊州淺灘區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景、部分元素遷移富集以及人類活動等造成的。

3.1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景

眾所周知黃河泥沙的主要來源于黃土高原,大約 90%的黃河泥沙來源于此地[10],由于黃土高原獨特的自然地理條件,Ca,Na,K質(zhì)量分數(shù)較高,使得黃河泥沙中這些元素也很高[11]。雖然黃河常量元素質(zhì)量分數(shù)較高,但萊州淺灘常量元素Al,Fe,Ca,K,Mg比黃河表層沉積物略高。這是由于萊州淺灘所處的區(qū)域構(gòu)造背景為膠東隆起區(qū),新生代在斷塊抬升過程中,發(fā)育著一系列與郊廬斷裂帶方向一致的 NNE向斷裂和大量近于同向展布的花崗巖質(zhì)及變質(zhì)巖體,形成了以元古界片麻巖類、混合巖、混合花崗巖或中生代花崗巖構(gòu)成的破碎丘陵及山前低緩起伏的剝蝕平原為主的地貌,沿岸均為基巖或砂石海岸[12]。而這些大面積出露的巖漿巖(花崗巖)及變質(zhì)巖(片麻巖)都含有富含K,Al,Ca,Fe和Mg的硅酸鹽,如長石類、云母類和角閃石類礦物,這些礦物經(jīng)分化容易形成細顆粒的黏土,隨著周圍河流混入淺灘,從而增加了淺灘沉積物的常量元素質(zhì)量分數(shù)。

微量元素方面,大多數(shù)元素的標準偏差以及這些元素經(jīng)過Al標準化處理后的比值在淺灘與黃河沉積物中十分接近,稀有元素Li,Be,Sc以及稀土元素La,Ce,Y幾乎沒有差異。這是由于沉積物微量元素往往賦存于重礦物中,黃河物源碎屑沉積物以云母～普通角閃石～綠簾石組合為特征,富含黑云母,高的黑云母/白云母值[13],而萊州淺灘重礦物主要礦物為普通角閃石,次要礦物為綠簾石,黑云母、水黑云母的質(zhì)量分數(shù)也偏高,只含有微量的白云母[14],組合特征高度相似重礦物導致兩則微量元素質(zhì)量比差異非常微小。

3.1.2 元素化學性質(zhì)及遷移富集方式

不同元素物理化學性質(zhì)不同,其風化、遷移及富集方式也有差異,這也是導致萊州淺灘與黃河沉積物部分元素分布差異的因素之一,這些元素包括 Sr,Ba,Fe ,Mn,V等。Sr與Ca為同族元素,化學性質(zhì)相似,在表生地球化學環(huán)境中兩者具有相似的遷移、富集行為,按照正常情況均在粗粒級沉積物中富集[7],兩者質(zhì)量比通常呈正相關關系[15]。但與Ca的增加不同,萊州淺灘樣中 Sr卻出現(xiàn)了減少。這因為所取淺灘沉積物顆粒較細,Ca可以通過生物自生作用替代其中的Sr,使得其溶解至海水中。同一族元素的Ba也出現(xiàn)了較大幅度的減少,可能由于黃河懸浮泥沙由于長距離擴散、搬移,在生物的作用下沉淀于黃河入?？诟浇箨懠?。

鐵族元素 Mn可以在細顆粒沉積物中自生出其氧化物,由于研究區(qū)出露大面積的花崗巖及膠東寒武紀片麻巖,海水中的 Mn2+質(zhì)量分數(shù)相對較高,生物作用會使 Mn2+發(fā)生沉淀而被淺灘中的細顆粒泥沙所吸附,從而導致Mn質(zhì)量分數(shù)的增加。但由于Mn的生物自生作用主要發(fā)生在礦物間隙較大的沉積物,而所取樣品為細顆粒,因此Mn只有少量的增加。此外,鐵族元素 V質(zhì)量分數(shù)相對黃河樣品虧損較大,這是由于區(qū)域黏土礦物、土壤或者沉積物中的有機質(zhì)等細分散相物質(zhì)對其吸附作用,容易使其沉淀而在表生環(huán)境中不能被長距離搬運造成的[16]。萊州淺灘其他微量元素相對黃河沉積物出現(xiàn)的略微的增減可能由于黃河泥沙入海后長時間,長距離遷移造成的。

3.1.3 人類活動的影響

萊州淺灘金屬元素與黃河沉積物相比增加幅度較大,可能與淺灘近岸河流輸沙以及沿岸人類活動向海洋傾污有關。金屬元素是近海環(huán)境中最主要的污染物之一,進入海洋的金屬元素污染物絕大部分富集在沉積物中,沉積物被認為是海洋環(huán)境中金屬元素最終的蓄積。由于淺灘所在的萊州灣沿海人口密集、經(jīng)濟發(fā)展迅速、工業(yè)廠礦眾多,王河、界河、宋橋河、諸流河等大小河流的注入使得萊州灣附近地區(qū)廢水中大量金屬元素均可通過河流進入海水中。這些金屬元素大部分為沉積物吸附并隨之沉積和遷移[17],主要賦存于細顆粒的粉砂和黏土中[18]。由于研究區(qū)所取的表層沉積物為粉砂以下級的,所以親銅 Cu,Zn都有較大幅度的增加。常量元素 Fe質(zhì)量比增加也可能有一定程度受到人類活動的影響。盡管如此,淺灘金屬元素污染不高,測定質(zhì)量比同萊州灣表層沉積物金屬元素背景值相當,小于國家海洋沉積物質(zhì)量一類標準,屬于低污染水平[19]。

3.2 沉積動力環(huán)境分析

萊州淺灘為兩種不同性質(zhì)潮流海域,淺灘以西海域為規(guī)則半日潮流,以東為不規(guī)則半日潮流;其流速表層值不超過70cm/s,底層在60cm/s,為萊州灣弱流速區(qū)[20]。海域強波向和常波向均為北北東,頻率為12%,平均波高1.3 m,最大波高3.9 m;次強浪向為北西向,頻率為6%,平均波高1.1 m,最大波高3.8 m;波浪年平均周期為4.4,4.5 s[9]。

總體而言,淺灘海域沉積動力環(huán)境較弱,但不同方位的水動力條件有所差異,因頂部水深較淺對北向的波浪及潮流均會產(chǎn)生阻礙作用,而導致西南側(cè)其水動力作用弱于東北側(cè),淺灘東北側(cè)沉積物粗于西南側(cè)[1],西部樣品沉積物比東部樣品更細。根據(jù)粒度控制規(guī)律[21],西部五個樣品元素平均質(zhì)量分數(shù)大于東部兩個樣品的均值。據(jù)研究,淺灘西南有氣旋式潮余環(huán)流[22],西南大部分樣粉砂加黏土占65%～80%,高值中心位于H04[1]。同理,在粒度控制規(guī)律的作用下,鄰近H04的H05及G04樣元素質(zhì)量分數(shù)普遍較高,大多數(shù)元素質(zhì)量分數(shù)為淺灘中最高的。淺灘北端沉積過程主要受潮流繞淺灘運動時的次生環(huán)流控制,在經(jīng)過淺灘時發(fā)生 270°饒流,產(chǎn)生的離心力在基底誘導向岸流和上升流,導致 E02及F02樣品沉積物顆粒較粗,表現(xiàn)為它們的元素質(zhì)量分數(shù)較 H05及 G04略低。此外,西部采樣點的 J03離岸最近,底層沉積物受波浪的影響最大,顆粒較粗,因此元素質(zhì)量分數(shù)為西部樣品中最低的,多數(shù)樣品元素質(zhì)量分數(shù)與東部質(zhì)量分數(shù)相當?？傮w而言萊州淺灘兩側(cè)東北部和西南部水動力都較弱,細粒的懸浮組分在此沉積的量較多,它們的平均粒度范圍為 3.64Φ～6.59Φ,屬中～粗粉砂[14]。較弱的水動力可以為擴散的黃河懸浮泥沙提供了良好的沉積環(huán)境,雖然淺灘兩側(cè)的泥沙由于受不同區(qū)域水動力影響而表現(xiàn)細微的差異,但總體波動不大,同源性明顯,同黃河沉積物聯(lián)系密不可分。

3.3 沉積物搬運路徑探討

黃河為季節(jié)性多泥沙河流,進入 20世紀 90 年代以來,雖然水沙量明顯減小,但其輸沙對整個渤海的沉積作用仍發(fā)揮著巨大的作用。據(jù)統(tǒng)計,1950～2002 年多年平均來沙量8.23億t,[23]。徑流攜帶大量的泥沙,在進入濱海區(qū)后,由于水流平面擴散及海水頂托的作用,流速減緩,大量較粗粒級的泥沙在河口地區(qū)迅速沉積,進入河口的約 80%的懸浮泥沙沉積在三角洲前緣約8 km以內(nèi)的范圍以內(nèi)[24],而較細的粉粒物質(zhì)在偏南方向的潮流作用下向萊州灣擴散。潮流對沉積物的搬運必不可少,但它是周期性的,只能進行中短距離輸沙,輸送范圍在20 km左右,向深?；蜻h離河口的海區(qū)擴散的泥沙主要受海洋動力控制,而海洋動力中對泥沙擴散起作用的是余流,余流的分布狀況決定著泥沙擴散的趨向[25]。余流包括風海流、密度流、徑流等,在渤海的余流中,潮余流占很大比例。此外,環(huán)流的變化也會影響到入海懸沙輸移擴散。據(jù)研究,在黃河口的南側(cè)出現(xiàn)了一個順時針的環(huán)流,中心在119.2°E,37.6°N,與萊州灣頂?shù)哪鏁r針環(huán)流形成旋渦對[26]。渤海的余流和環(huán)流雖然流作用微弱、比較復雜,但卻是持久的、大尺度的動力,它們在很大程度上影響著粒徑小于0.063 mm的懸移組分進行長距離搬運、擴散。

4 結(jié)論

(1) 萊州淺灘兩側(cè)表層沉積物元素含量變化小,各元素的變異系數(shù)較小,同源性和整體性顯著。但由于淺灘海洋地質(zhì)作用影響,同時受到粒度控制規(guī)律的制約,東部樣品大多數(shù)元素含量略低于水動力更弱的西部樣品。

(2) 萊州淺灘較弱的水動力環(huán)境為擴散的黃河懸浮泥沙提供了良好的沉積環(huán)境,其細粒沉積物表現(xiàn)出黃河沉積物化學組分特征。萊州淺灘常量元素Al,Fe,Ca,K,Mg質(zhì)量分數(shù)略高于黃河表層沉積物,而大多數(shù)微量元素出現(xiàn)了微量的減少。萊州淺灘相對黃河沉積物的判別系數(shù)絕對值較小,常量、微量元素經(jīng)過Al標準化處理后對比值變化趨勢一致性,以及標準偏差的相似性均說明兩者有存在密切的聯(lián)系,據(jù)此判斷淺灘細顆粒沉積物主要來自黃河。部分元素的差異可能由于淺灘沿岸附近河流輸沙及元素自身遷移富集規(guī)律控制有關。

(3) 相對于黃河沉積物,萊州淺灘部分金屬元素,如Fe,Cu,Zn等含量出現(xiàn)了較大幅度的變化,這可能與淺灘近岸河流輸沙以及沿岸人類活動向海洋傾污有關。

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