珠江口及瓊東北海區(qū)元素地球化學(xué)特征及物質(zhì)來(lái)源①

陳 亮 張玉芬 李團(tuán)結(jié) 許 冬

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球物理與空間信息學(xué)院 武漢 430074;2.國(guó)家海洋局南海工程勘察中心 廣州 510300;3.國(guó)家海洋局第二海洋研究所 杭州 310012)

珠江位于我國(guó)大陸南端，其由西江、東江及北江所組成，流經(jīng)滇、黔、桂、粵、湘、贛等省(區(qū))，于廣東省中南部由八大口門注入南海，珠江為我國(guó)第三大河流，但徑流量?jī)H次于長(zhǎng)江，其年平均徑流量為3 124×109m3，每年攜帶約8 872 ×104t的懸沙向海輸送［1］。由于河口為海陸交互影響最強(qiáng)的地帶，河流攜帶大量的泥沙入海沉積，研究入海泥沙的沉積范圍及趨勢(shì)對(duì)航運(yùn)、港口及碼頭建設(shè)等海洋經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有十分重要的意義，同時(shí)，由于內(nèi)陸污染物大多吸附于泥沙上被搬運(yùn)入海，因此此項(xiàng)研究也能為海洋環(huán)境保護(hù)提供參考。

當(dāng)前對(duì)珠江口沉積物地球化學(xué)的研究已非常多，但大多集中在珠江口區(qū)域［2～8］，對(duì)珠江口西部區(qū)域的元素地球化學(xué)研究較少。根據(jù)之前的研究，珠江口物質(zhì)在沿岸流的輸運(yùn)下，能夠到達(dá)粵西海域及雷州半島東側(cè)［1，9］，因此，有必要將粵西海區(qū)及珠江口海區(qū)進(jìn)行成片分析，更有助于對(duì)珠江口物質(zhì)擴(kuò)散的了解;同時(shí)位于該區(qū)西南部的瓊東北海區(qū)目前還未見(jiàn)有詳細(xì)的元素地球化學(xué)研究，本次分析填補(bǔ)了該區(qū)域的研究空白。

1 采樣和測(cè)試方法

1.1 樣品采集

本次采樣區(qū)域共分為三個(gè)區(qū)域，分別為珠江口內(nèi)、珠江口外，及粵西海區(qū)。由南海工程勘察中心于2004年、2005年及2008年完成大部分取樣工作，其中粵西部分海域取樣工作由海洋二所于2008年完成。采用的采樣工具主要為箱式采樣器及蚌式采樣器，采取樣品為表層(0～10 cm)沉積物，根據(jù)技術(shù)規(guī)程要求，采樣間隔主要有3 km、5 km及10 km 3類，共取得表層樣品約3 500個(gè)，約3 500個(gè)樣品進(jìn)行了粒度測(cè)試，700多個(gè)樣品進(jìn)行了元素地球化學(xué)測(cè)試(圖1)。

圖1 調(diào)查及測(cè)試站位分布圖Fig.1 The distribution of survey and test stations

1.2 測(cè)試分析方法

本次所使用數(shù)據(jù)主要有粒度及元素地球化學(xué)數(shù)據(jù)，所采用的方法均按照《我國(guó)近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)―海洋底質(zhì)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》執(zhí)行。沉積物粒度由南海工程勘察中心實(shí)驗(yàn)室完成，細(xì)粒部分采用Mastersizer 2000型激光粒度儀進(jìn)行分析，首先去除樣品中有機(jī)質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)物及生物殼體，然后加入偏磷酸鈉用超聲波振蕩使樣品分散后上機(jī)測(cè)試，粗粒部分采用篩析法分析。元素地球化學(xué)測(cè)定由國(guó)土資源部武漢礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心及國(guó)土資源部地球物理地球化學(xué)勘查研究所完成。每個(gè)樣品取約25 g置于潔凈表面皿中，自然晾干后放入烘箱，在40℃ ±2℃下進(jìn)一步烘干，然后用瑪瑙研缽將沉積物樣磨碎，過(guò)80目(0.187 5 mm)尼龍網(wǎng)篩，收集小于80目的沉積物樣品，采用x射線熒光光譜儀(PW2440)測(cè)定沉積物中常量元素的含量，測(cè)量精度MgO、CaO、Na2O、K2O、MnO、TiO2、P2O5優(yōu)于 0.05%，SiO2、Al2O3及 Fe2O3測(cè)量精度優(yōu)于0.1%，測(cè)量誤差均不大于0.7%。

2 結(jié)果分析

2.1 沉積物特征

圖2是對(duì)該區(qū)域粒度特征統(tǒng)計(jì)分析后作出的沉積物平均粒徑分布圖，圖中粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)采用尤登—溫德華氏等比制φ值粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可以看出，平均粒徑大多在3φ～8φ之間。采用謝帕德分類命名法對(duì)所有沉積物命名后發(fā)現(xiàn)，由于研究區(qū)域范圍較廣，沉積物類型較多，但主要以粉砂為主。珠江口內(nèi)及以西至上川島近岸區(qū)域主要為粘土質(zhì)粉砂，珠江口外以東海區(qū)沉積物類型主要為粉砂，珠江口外南部區(qū)域沉積物粒度變粗，沉積物類型主要為砂及粉砂質(zhì)砂;上川島以西近岸區(qū)域至瓊州海峽東口以東海域沉積物類型主要為粉砂及粘土質(zhì)粉砂，上川島南部外海區(qū)域至海南島東部海域呈北東—南西向分布有大片砂質(zhì)粉砂及粉砂值砂;瓊州海峽內(nèi)及東口沉積物類型以砂為主，部分區(qū)域含有少量砂礫。

圖2 沉積物粒度特征圖(平均粒徑/φ)Fig.2 The distribution of sediment grain size(Mz/φ)

2.2 常量元素分布特征

由表1可見(jiàn)，調(diào)查區(qū)域常量元素主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、K2O、MgO 及 Na2O 組成，這7 種氧化物占沉積物總量的90%以上(平均值)，其中SiO2及Al2O3平均含量較高，其它較低，分別為:SiO2(61.94%)＞Al2O3(13.55%)＞Fe2O3(5.77%)＞CaO(3.43%)＞K2O(2.23%)＞MgO(1.91%)＞Na2O(1.79%)＞TiO2(0.73%)＞P2O5(0.12%)＞MnO(0.76%)。

圖3是各元素含量的空間分布圖，對(duì)比這些元素分布情況可見(jiàn):(1)SiO2的平面分布圖與其它元素的分布趨勢(shì)具有很大的差異，基本為負(fù)相關(guān)，主要由于SiO2為該區(qū)域主導(dǎo)元素，為其它元素的“稀釋劑”所造成［10，11］，對(duì)比 SiO2平面分布圖與粒徑分布圖可以發(fā)現(xiàn)SiO2的含量大小與粒徑粗細(xì)具有很好的一致性，說(shuō)明該區(qū)域粗粒沉積物的礦物成份主要為石英;(2)Al2O3、P2O5、K2O、TiO2、MnO、Fe2O3的平面分布圖具有一定的相似性，大多呈現(xiàn)了由珠江口向外海減少的趨勢(shì)，且多種元素指示在瓊州海峽東部存在一高值中心;(3)CaO的平面分布圖與其它元素具有很大的差異，高值區(qū)主要位于調(diào)查區(qū)域的東南部及海南島東側(cè)，說(shuō)明該區(qū)域CaO主要來(lái)自于海源生物作用的影響;(4)MgO的高含量區(qū)域主要位于香港東南側(cè)及粵西中部海域，與沉積物細(xì)粒組分具有較好的對(duì)應(yīng)，說(shuō)明MgO主要賦存于細(xì)粒沉積物之中，而同為細(xì)粒沉積物的珠江口內(nèi)MgO含量并不高，說(shuō)明該區(qū)域MgO受海源作用影響較大，且主要以被吸附的形式存在于粘土礦物中。(5)Na2O的平面分布與其它元素也存在一定差異，既沒(méi)有表現(xiàn)出由珠江口向外升高，也不具備由外海向近海升高的趨勢(shì)，在川島南側(cè)存在小片的高值區(qū)，其它區(qū)域也零散分布有數(shù)個(gè)亞高值區(qū)，珠江口內(nèi)及崖門口內(nèi)Na2O含量均不高，說(shuō)明徑流對(duì)Na2O的輸入貢獻(xiàn)并不大，但在部分近岸區(qū)域其含量較高，說(shuō)明Na2O來(lái)源應(yīng)受到海源及陸源的共同影響。(6)由平面分布圖可以看出，大多數(shù)常量元素的分布與沉積物粒徑具有一定的相關(guān)性，反映了在該區(qū)域“元素的粒度控制律”［10，12］，而沉積物粒徑主要反映了水動(dòng)力強(qiáng)弱，說(shuō)明水動(dòng)力對(duì)該區(qū)域元素的遷移及富集具有十分重要的作用。

表1 調(diào)查區(qū)域表層沉積物常量元素統(tǒng)計(jì)(%)Table 1 Compositions of major element in the surface sediments(%)

圖3 常量元素平面分布特征Fig.3 The distribution of major element

表2 常量元素相關(guān)性分析(樣品數(shù)n=742)Table 2 The relativity of major element

2.3 沉積物元素相關(guān)性分析

應(yīng)用SPSS軟件對(duì)調(diào)查區(qū)域內(nèi)表層沉積物平均粒徑及常量元素進(jìn)行相關(guān)性分析(表2)，結(jié)果表明SiO2及CaO含量與中值粒徑(φ)負(fù)相關(guān)，其它元素均為正相關(guān)，說(shuō)明隨著粒度的變粗，SiO2及CaO的含量逐漸升高，而其它元素更趨向于存在細(xì)粒的沉積物中。其次，SiO2與所有元素均呈負(fù)相關(guān)，由于SiO2在沉積物中占主導(dǎo)，其含量的高低直接影響其它元素含量的變化。Al2O3、P2O5、K2O、TiO2、MnO、Fe2O3、MgO 相互之間均為正相關(guān)，沉積物中的Ti在表生作用中比較穩(wěn)定，屬于惰性元素，因此可以作為陸源碎屑組分的指標(biāo)［13，14］，Al2O3、P2O5、K2O 與 TiO2具有較好的相關(guān)性，說(shuō)明該海區(qū)這幾種元素更傾向于被陸源輸入物質(zhì)所控制。CaO與大多數(shù)元素為負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性均較低，反映了海源的鈣質(zhì)生物來(lái)源，Na2O與大多數(shù)元素相關(guān)性不明顯，反映了其來(lái)源的復(fù)雜性。

2.4 沉積物元素地球化學(xué)分區(qū)及物源分析

為了更好的反映該區(qū)域沉積物分區(qū)及物源狀況，采用快速聚類法對(duì)樣品進(jìn)行分類，共生成5類匯聚中心，由于第2類及第4類匯聚中心各自分別僅有2個(gè)站位，可以將其看作一種擾動(dòng)，因此該區(qū)域沉積物主要可以分為3類(圖4)。同時(shí)，在調(diào)查海域中選取5處代表性小區(qū)塊(圖4)A、B、C、D、E進(jìn)行分析，每一小區(qū)塊選取約5個(gè)站位常量元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選取平均值代表所在區(qū)域的常量元素含量(表3)。通過(guò)對(duì)5處代表性小區(qū)塊常量元素含量作圖分析后發(fā)現(xiàn)(圖5)，A、B兩處“親陸”元素含量及變化趨勢(shì)具有較好的一致性，說(shuō)明A區(qū)及B區(qū)陸源組分具有同源性;C區(qū)各元素?zé)o論在含量及變化趨勢(shì)上與其它區(qū)域元素均具有較大差異，說(shuō)明C區(qū)所在海域沉積物來(lái)源具有自身的特點(diǎn);D區(qū)及E區(qū)各元素含量及變化趨勢(shì)非常接近，尤其海源物質(zhì)CaO均大于其它區(qū)域，說(shuō)明D區(qū)及E區(qū)在成因上具有一定的相似性。

圖4 聚類分析結(jié)果圖Fig.4 The result for cluster analysis

表3 各區(qū)塊常量元素含量(%)Table 3 The content of major element for different place(%)

圖5 所選區(qū)塊常量元素曲線對(duì)比圖Fig.5 The graph of major element for each select area

綜合考慮各元素的平面分布特征及所選區(qū)域的對(duì)比分析，同時(shí)結(jié)合該區(qū)域海流分布狀況，將該區(qū)域沉積物分為3個(gè)區(qū)域，分別為珠江口及粵西區(qū)域(Ⅰ)、瓊州海峽東分布區(qū)(Ⅱ)及瓊東分布區(qū)(Ⅲ)(圖9)，該區(qū)域春夏季懸浮體特征分布也顯示該海區(qū)大體存在3個(gè)不同懸浮體分布區(qū)［19］。各區(qū)特點(diǎn)大致為:

Ⅰ區(qū)所占面積最廣，位于珠江口及粵西大部分區(qū)域。該區(qū)域沉積物來(lái)源及分布主要受珠江水系物源控制，河流入海后，由于流速減緩，其所攜帶的泥沙大量沉積，首先沉積的為底層的推移質(zhì)及躍移質(zhì)，該部分物質(zhì)主要沉積在入海口及附近區(qū)域，沉積下來(lái)的主要為 SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、TiO2、MnO 等陸源物質(zhì)，大量的懸移質(zhì)伴隨海流的運(yùn)動(dòng)被輸運(yùn)到較遠(yuǎn)的區(qū)域。由于受到該區(qū)域西向沿岸流的影響［20，21］，珠江入海物質(zhì)主要向西部輸送，少部分向東及向南輸送。珠江入海后所攜帶的大部分泥沙沉積在伶仃洋至上川島東部，由于大量的躍移質(zhì)及懸移質(zhì)沉積于此，使得沉積物粗細(xì)混雜，該區(qū)域?yàn)橹榻牒Ｄ嗌车闹饕练e區(qū)域，該處TiO2及MnO存在明顯由近岸向遠(yuǎn)海減小的趨勢(shì)，具有明顯的陸源沉積特征。沿岸流通過(guò)川島之后，由于在海陵島和漠陽(yáng)江口之間的外海有一股沿底部向岸涌升的陸架高鹽海水［20］，咸淡水在此處交匯，由懸浮體分析可以發(fā)現(xiàn)該處底層懸浮體濃度及濁度值均較高［19］，說(shuō)明海水中的膠體及細(xì)粒物質(zhì)在此處發(fā)生絮凝而大量沉積，細(xì)粒物質(zhì)的大量沉積導(dǎo)致了該區(qū)域Al2O3含量的升高。珠江口物質(zhì)經(jīng)過(guò)海陵島后繼續(xù)向西輸運(yùn)，到達(dá)放雞島南部后部分轉(zhuǎn)為南向輸運(yùn)，最終沉積在雷州半島及瓊州海峽東部，少量會(huì)繼續(xù)向南到達(dá)海南島東北部，由于該區(qū)域懸浮體濃度及濁度值均較低［19］，說(shuō)明沉積物主要以膠體及溶解態(tài)搬運(yùn)至此，TiO2含量在該區(qū)域出現(xiàn)了一定的升高，主要由于細(xì)粒物質(zhì)的大量沉積所引起，TiO2空間分布及含量變化較好反應(yīng)了珠江口陸源物質(zhì)的沉積范圍及運(yùn)移路徑。

Ⅱ區(qū)位于瓊州海峽內(nèi)及其東側(cè)，向北可延伸至雷州半島東部，由于瓊州海峽為一沖刷性海槽［22，23］，該區(qū)沉積物主要由海峽內(nèi)潮流沖刷所攜帶而來(lái)，由于流速較大，該區(qū)沉積物粒度較粗，平均粒徑多在2.5φ以下，沉積物類型多為中粗砂。元素組成以SiO2為主，大部分區(qū)域達(dá)90%以上，由于SiO2的高含量，使得其它元素在該區(qū)域含量偏少。將該區(qū)域常量元素分布與海南島花崗巖對(duì)比分析(圖6)后發(fā)現(xiàn)，除了SiO2外，其它常量元素含量均低于海南島花崗巖，且變化趨勢(shì)基本一致(CaO由于海洋生物作用的加入，其總量只是略微減少;MnO由于密度較大，不易被搬運(yùn)出海峽口，其含量變化也不大)，說(shuō)明Ⅱ區(qū)沉積物主要來(lái)自于瓊州海峽兩側(cè)及槽底碎屑物質(zhì)。

Ⅲ區(qū)位于海南島東北部，北端以狹長(zhǎng)帶延伸至瓊州海峽東口東南面，Ⅰ區(qū)在該區(qū)北部逐漸尖滅。Ⅲ區(qū)元素組合特征與其它兩個(gè)區(qū)域具有較大差異，最突出在于該區(qū)域CaO含量遠(yuǎn)高于其它區(qū)域，尤其近陸一側(cè)CaO含量較高，海南島東部近岸分布有大面積珊瑚礁，生物作用強(qiáng)烈，說(shuō)明該區(qū)域受海源生物作用明顯。將該區(qū)域常量元素含量與南海中部、中國(guó)大陸及太平洋區(qū)域常量元素對(duì)比分析后(圖7)發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域常量元素含量及分布與南海中部及中國(guó)大陸相似度較高，與大洋沉積物相似度低，說(shuō)明該區(qū)域沉積物仍主要來(lái)源于周邊陸源物質(zhì)的輸入。根據(jù)前人研究可知［24］，該區(qū)域外海一側(cè)存在大量晚更新世冰期低海面時(shí)的殘留沉積物，說(shuō)明該區(qū)域沉積物以早期沉積為主，同時(shí)受后期海洋生物作用改造明顯。

圖6 C處及海南島花崗巖常量元素曲線對(duì)比圖Fig.6 The graph of major element for C and the granite in Hainan island

圖7 Ⅲ區(qū)與部分地區(qū)常量元素曲線對(duì)比圖Fig.7 The graph of major element forⅢarea and some place

根據(jù)沉積物的物源分區(qū)，結(jié)合該區(qū)域海流狀況(圖8)及前人研究［1，9］，綜合分析得出沉積物輸運(yùn)路徑(圖9)。具體為:Ⅰ區(qū)沉積物在珠江口入海后，呈輻射狀向外海輸運(yùn)，少部分向東輸運(yùn)，部分向南，大部分在沿岸流的驅(qū)動(dòng)下向粵西輸運(yùn)，輸運(yùn)路徑緊貼海岸帶，到達(dá)電白外海后轉(zhuǎn)向南輸運(yùn)，該輸運(yùn)路徑較長(zhǎng)，多種元素指示性一致;Ⅱ區(qū)沉積物主要由瓊州海峽內(nèi)向口外呈放射狀輸運(yùn)，輸運(yùn)路徑較短;Ⅲ區(qū)沉積物輸運(yùn)路徑并不太明顯，由于該區(qū)域海洋自生作用較強(qiáng)，且外海區(qū)域陸源物質(zhì)以早期沉積為主，故輸運(yùn)路徑并不顯著。

圖8 調(diào)查海區(qū)夏季環(huán)流分布圖［21］Fig.8 The distribution of circumfluence in summer

圖9 沉積物分區(qū)及輸運(yùn)路徑圖Fig.9 The subarea and the moving route of the sediment

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)珠江口至海南島東北海區(qū)表層沉積物樣品粒度和元素地球化學(xué)的測(cè)試分析，得到如下結(jié)論:

(1)該區(qū)域沉積物粒度以粉砂及細(xì)砂為主，粗粒部分主要分布在珠江口南側(cè)及瓊州海峽周邊區(qū)域。

(2)沉積物常量元素組合以 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、K2O、MgO及Na2O為主，這7種氧化物占沉積物總量的90%以上(平均值)，其中SiO2及Al2O3平均含量較高，達(dá)75.49%。

(3)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)Al2O3、P2O5、K2O與TiO2具有較好的相關(guān)性，受陸源物質(zhì)輸入的影響較大;CaO與大多數(shù)元素為負(fù)相關(guān)，反映了海源的鈣質(zhì)生物來(lái)源;Na2O與大多數(shù)元素相關(guān)性不明顯，反映了其來(lái)源的復(fù)雜性。

(4)依據(jù)常量元素平面分布特征，將調(diào)查區(qū)域沉積物劃分為3個(gè)不同的區(qū)域，分別為珠江口及粵西區(qū)域(Ⅰ)、瓊州海峽東分布區(qū)(Ⅱ)及瓊東分布區(qū)(Ⅲ)，同時(shí)綜合分析得出了Ⅰ區(qū)及Ⅱ區(qū)沉積物運(yùn)移的路徑趨勢(shì)。

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