長江口海域表層沉積物常量元素地球化學及其地質意義

密蓓蓓，藍先洪，張志珣，劉升發(fā)

（1.國土資源部 青島海洋地質研究所 海洋油氣資源與環(huán)境地質重點研究室，山東 青島 266071；2.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061）

0 引言

河口是海陸相互作用的樞紐，是河流入海物質的重要歸宿地，成為近年來邊緣海研究的熱點區(qū)域［1］。長江是中國第一大河流，沉積物年入海通量為4.8億噸［2］，如此大量的陸源物質入海后在河流徑流、沿岸流及潮流等水動力要素及河口區(qū)地形地貌的綜合作用下，形成空間分布的不均一性。關于長江口及其鄰近陸架海域沉積物中物質來源和輸運模式一直是眾多研究者普遍關心的問題［3］。近年來發(fā)展了涵蓋沉積學、礦物學、地球化學等各類指標的研究手段［4］。但由于該區(qū)域表層沉積物組成受源巖類型、沉積環(huán)境、水動力條件和人類活動等多個因素的影響，真正能夠有效指示該區(qū)域表層沉積物來源和輸運模式的指標很難提取。因此，本文通過高密度采樣，系統(tǒng)研究了長江口外表層沉積物中常量元素氧化物含量、空間分布規(guī)律及其控制因素，探討其中包含的“源－匯”指示意義，為進一步了解該區(qū)域的沉積作用和沉積環(huán)境提供基礎資料。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

本文選用2006年8—9月取自長江口海域的187個表層沉積物樣品，采樣站位以25km為間隔（圖1），基本覆蓋了整個長江口外海域。樣品均用箱式取樣器采取，為保證樣品的等時性，每個站位均取0～5 cm的表層沉積物200g，放入預先清洗過的樣品袋中，密封后帶回實驗室低溫冷藏保存。

1.2 樣品分析

選取10g樣品在65℃下烘干后于瑪瑙研缽中研磨至200目，制成標準壓片，采用X射線熒光光譜法測試SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，MgO，CaO，Na2O，K2O，TiO2，P2O5和MnO含量。另外，采用元素分析儀測試了沉積物中有機碳（TOC）含量，采用滴定法測試了沉積物中CaCO3含量。為了控制測試準確度，分析過程中進行了平行樣和標準樣分析，相對誤差小于10%，分析結果可靠。樣品分析工作由國土資源部青島海洋地質研究所測試中心完成。

圖1 長江口表層沉積物采樣站位分布圖Fig.1 Distribution of sampling stations of surface sediments from Changjiang River Estuary

2 結果

長江口外海域表層沉積物常量元素氧化物的測試結果如表1所示。研究區(qū)內表層沉積物常量元素氧 化 物 主 要 由 SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，MgO，CaO，Na2O，K2O和TiO2等組成，這8種組分約占沉積物總量的91.59%（平均值）。其中SiO2和Al2O3含量最高，平均值分別為62.43%和11.16%；Fe2O3，MgO，CaO，Na2O，K2O和TiO2的平均含量分別為4.70%，2.03%，5.82%，2.24%，2.57%和0.63%；P2O5和 MnO含量最低，其平均值只有0.12%和0.10%，常量元素空間分布如圖2所示。

表1 研究區(qū)表層沉積物常量元素含量統(tǒng)計Tab.1 Statistics values of major elements in surface sediments of study area %

圖2 長江口外海域表層沉積物常量元素含量分布（%）Fig.2 Distribution of major elements of surface sediments from Changjiang River Estuary（%）

3 討論

3.1 元素相關性分析

應用SPSS13.0軟件包對長江口外海域表層沉積物的常量元素氧化物進行相關性分析（表2），結果表明SiO2含量與Al2O3，F(xiàn)e2O3和MgO等絕大多數(shù)元素呈負相關，僅與MnO之間有較弱的正相關性，這主要是因為SiO2是沉積物中占主導的化學組分，其含量的變化直接影響到了其它元素的含量，即SiO2的 “稀 釋 劑”作 用［5－6］。Al2O3，F(xiàn)e2O3，MgO，K2O，P2O5和TiO2之間存在顯著的正相關關系，它們應與黏土礦物密切相關。沉積物中的Ti在表生作用中比較穩(wěn)定，屬于惰性元素，風化后難以形成可溶性化合物，可作為陸源碎屑組分的指標［7－8］，因此，與 Ti顯著相關的Al2O3，F(xiàn)e2O3，MgO，K2O和P2O5等元素均具有陸源輸入的特征。CaO和CaCO3之間具有顯著正相關性，表明兩者的同源性，可能主要與鈣質生物有關。而MnO與TiO2無明顯的相關性，指示了其復雜的來源背景。

元素間具有這些相關性特征的原因可能主要有2個方面：其一，長江口外海域沉積物所含的陸源碎屑物質中許多元素在母巖中就常共生或伴生在一起，經風化、搬運、再共生沉積于研究區(qū)內，其在母巖中的相關性必然也會體現(xiàn)在沉積物中；其二，以離子態(tài)搬運的元素，在因為環(huán)境物理化學等條件的改變而形成膠體沉淀時，往往也會吸附與其具有相似地球化學行為的其他元素離子共同沉淀，這也會導致沉積物中某些元素的強相關性［5－6］。

表2 常量元素氧化物之間的相關性分析（n＝187）Tab.2 Correlation coefficients of major element oxides of surface sediments in study area（n＝187）

3.2 元素組合特征

沉積物中各元素組分含量的變化一方面與元素固有的地球化學行為有關，另一方面又與沉積物化學成分復雜的多因素控制有關［8］，為了充分了解控制沉積物化學組成的因素，分析長江口外海域沉積物的物質來源及其沉積環(huán)境，本文應用SPSS 13.0軟件包對長江口外海域表層沉積物的常量元素氧化物進行R型因子分析。分析前對數(shù)據(jù)進行預處理，去除異常值，數(shù)據(jù)標準化后選取極大方差旋轉法作為因子分析主成分分析的旋轉法，選取公因子載荷大于1.0的元素，可得3個主因子，其方差貢獻累加值為82.947%（即代表了原始數(shù)據(jù)全部信息的82.947%）（表3）。方差特征值在取3個因子時大于1，因此這3個因子完全可以提供原始數(shù)據(jù)的足夠信息。

從表3也可以看出各元素之間的組合關系。第一主因子F1的方差貢獻為42.710%，對研究區(qū)表層沉積物化學組分有決定性的影響，其元素組合為SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，MgO，TiO2和P2O5和 MnO，其中SiO2為負載荷，其它幾種元素均為正載荷，除MnO外其他幾種元素呈明顯的正相關（表2）。F1組合的主要特點表現(xiàn)為表生環(huán)境下地球化學性質穩(wěn)定的Al2O3，F(xiàn)e2O3，MgO，TiO2和P2O5等元素賦存于細顆粒陸源碎屑和黏土礦物中，而SiO2表現(xiàn)為負載荷，其含量變化與其它元素含量變化呈消長關系，起稀釋作用，主要因為SiO2通常賦存在石英碎屑和其它硅酸鹽碎屑等較粗粒的陸源碎屑進行搬運［9］。因此，可以認為F1因子代表了細顆粒的陸源碎屑沉積，是控制研究區(qū)沉積物化學成分的最主要因素。

F2的方差貢獻為29.836%，僅次于F1因子，元素組合為CaO，K2O，CaCO3和 TOC，其中CaO和CaCO3為正載荷，且兩者的相關系數(shù)達到0.992，反映出長江口外海域沉積物中鈣元素與CaCO3基本上以同一存在形態(tài)即碳酸鈣的形式存在，CaO為生物沉積碳酸鹽的重要組分，主要以粗粒碎屑形式存在［9］，反映了研究區(qū)生物碎屑碳酸鹽沉積對陸源沉積的稀釋，因此CaO和CaCO3可能代表了粗顆粒生物碎屑組分。而TOC為負載荷，與前兩者呈顯著負相關。海洋沉積物中的TOC主要來源有2種：一種為陸源碎屑輸入，另一種為海洋自生成因，主要是海洋浮游植物等初級生產力產物通過水層沉積后形成［8］，而TOC與TiO2的相關性較為明顯（表2），可以認為研究區(qū)TOC主要以陸源輸入為主。因此，F(xiàn)2因子主要代表了海洋生物與陸源的混合沉積。

F3的方差貢獻為10.401% 元素包括Na2O 由于海洋沉積物中Na2O屬于易遷移元素［10］，海水中的Na元素常以吸附和陽離子交換的形式在海底細顆粒沉積物中富集［11］，且Na2O與TiO2等陸源物質沒有明顯的相關性，因此F3可能代表了研究區(qū)內的海洋化學沉積。

綜合常量元素氧化物的R型因子分析結果可知，長江口外海域的沉積作用主要有3種類型，可能分別代表了陸源碎屑沉積、生物和陸源混合沉積以及海洋化學沉積，其中陸源碎屑沉積占主導地位。

表3 長江口表層沉積物常量元素氧化物因子分析及特征值Tab.3 Factor analysis and characteristic values of major elements of surface sediments in Changjiang River Estuary

3.3 元素地球化學指標的環(huán)境指示意義

由因子分析結果可知，研究區(qū)沉積物主要來自長江入海物質，而長江流域面積廣，支流眾多，大量的源巖經風化、搬運、堆積在河口及其周邊海域，這就導致了其入海沉積物元素組成具有多源混合的特征。已有研究表明，化學風化在長江流域沉積物中占主導地位［10］，因此可以通過研究區(qū)表層沉積物化學風化程度來示蹤長江入海物質的輸運特征。沉積物中Al／（Al＋K＋Na＋Ca），K／Na，K／Ca，Al／Na及 Fe／Mg等比值經常被用作化學風化強弱的指標，化學風化強，比值高，化學風化弱，比值低［12］，原因在于化學風化時Na和Ca最易遷移、淋失，Mg在強烈風化時也易活動，而K，Al及Fe元素則多保存在風化形成的黏土中而產生聚集。另外，化學風化指數(shù)CIA是一個綜合反映沉積物風化程度的參數(shù)，其計算公式為CIA＝［Al2O3／（Al2O3＋CaO＊＋Na2O＋K2O）］×100）［13－20］，其中 CaO＊為硅酸鹽中的 CaO含量，根據(jù)公式CaO＊＝0.35×2（Na2O%）／62計算［21］。這些參數(shù)的共同運用可很好地反映化學風化情況［22］。本文選擇Al2O3／Na2O和CIA為指標研究長江口表層沉積物的風化程度，進而探討長江入海物質在河口及其周邊海域的堆積范圍，Al2O3／Na2O和CIA的空間分布如圖3和圖4所示。由圖可以看出兩者有一個共同的特征，即長江口及其以南的123.5°E以西海域，Al2O3／Na2O和CIA等值線基本平行于海岸線，其中 Al2O3／Na2O值大于5.5，CIA值大于70；而123.5°E以東海域，Al2O3／Na2O和 CIA空間分布較為均一，Al2O3／Na2O值界于4.5～5.5之間，CIA值在68～70之間?？紤]到東海內陸架區(qū)域流系主要以臺灣暖流和閩浙沿岸流為主，其中臺灣暖流主要影響中、外陸架區(qū)域，除冬季其表層可能受偏北風的影響，流向偏南外，其余各層流向變化不大，

圖3 長江口表層沉積物Al2O3／Na2O空間分布圖Fig.3 Distribution of Al2O3／Na2O of surface sediments from Changjiang River Estuary

為驗證本文所得長江物質入海輸運范圍的可靠性，收集了前人對于長江河流沉積物的常量元素分析結果，重新計算得到Al2O3／Na2O和CIA平均值（表4），可以看出，Al2O3／Na2O值在6.37～17.79之間，CIA值在74～82之間，兩者均略高于本文的測試結果，其主要原因可能是由于本文的研究區(qū)處于長江口外較大的范圍，沉積物在入海運移過程中受稀釋作用的影響，Al2O3／Na2O和CIA值稍低。因此，可以認為本文劃分的現(xiàn)代長江入海物質輸運范圍基本可靠。流向幾乎終年一致地沿等深線流向東北，近底層更為明顯。臺灣暖流的流速一般為15～20cm／s，當?shù)竭_長江沖淡水遠岸段時，逐漸減弱為10～20cm／s［23］。近岸內陸架區(qū)域主要受閩浙沿岸流控制，閩浙沿岸流具有季節(jié)變化特征，夏季盛行西南風，故沿岸流向東北，而冬季則盛行東北風，沿岸流向西南方向。兩種流系的水體性質存在較大的差異，閩浙沿岸流主要來源于大陸入海河流，其水體鹽度值較低，而臺灣暖流則有高溫、高鹽的特點。因此通過對東海陸架區(qū)水體溫度、鹽度的測定即可大致確定閩浙沿岸流和臺灣暖流的影響范圍，兩者的分界線基本上平行于海岸線，大致位于30～35m等深線附近［24］。因此，結合東海陸架區(qū)水動力格局，我們推斷Al2O3／Na2O和CIA的空間分布特征大致可以反映長江入海物質的堆積范圍基本在123.5°E以西海域，閩浙冬季沿岸流是其主要驅動力。

圖4 長江口表層沉積物CIA空間分布圖Fig.4 Distribution of CIA of surface sediments from Changjiang River Estuary

表4 長江入海沉積物Al2O3／Na2O和CIA平均值統(tǒng)計Tab.4 Average values of Al2O3／Na2O and CIA in sediments from Changjiang River

4 結論

通過對長江口外海域187個表層沉積物樣品中常量元素氧化物分布規(guī)律的分析，得到以下幾點結論：

（1）研究區(qū)表層沉積物常量元素氧化物主要由SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，MgO，CaO，Na2O，K2O和 TiO2等組成，這8種組分約占沉積物總量的91.59%，其中SiO2和Al2O3含量最高，平均值分別為62.43%和11.16%。

（2）R型因子分析結果表明，研究區(qū)表層沉積物的常量元素氧化物可以分為3類：第1類包括SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，MgO，P2O5，TiO2和 MnO，代表陸源碎屑沉積；第2類包括CaO，K2O，CaCO3和TOC，代表海洋生物和陸源混合沉積；第3類包括Na2O，可能與海洋化學沉積有關。

（3）Al2O3／Na2O和CIA的空間分布指示了長江入海物質主要堆積在長江口及其以南的123.5°E以西海域，閩浙冬季沿岸流是其主要驅動力。

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