福建平潭青峰老紅砂物源示蹤分析

張紅艷，俞鳴同

(福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福州350007)

老紅砂是中國(guó)南方沿海較特殊的第四紀(jì)紅色風(fēng)沙沉積，主要分布在福建、廣東沿海。前人對(duì)“老紅砂”的沉積特征和成因進(jìn)行過廣泛的研究［1-12］，總體上認(rèn)為老紅砂形成于末次冰期，屬于低海面時(shí)期，大陸架外露，廣袤的陸架砂、海灘砂在強(qiáng)勁的東北風(fēng)搬運(yùn)下，在海岸帶迎風(fēng)坡加積，經(jīng)過冰后期風(fēng)化作用形成沿海紅色風(fēng)沙沉積。新近研究者對(duì)老紅砂形成的年代及其搬運(yùn)的季風(fēng)狀態(tài)提出了質(zhì)疑，張家富等對(duì)福建深滬灣老紅砂光釋光測(cè)年研究推測(cè)老紅砂可以形成于125 Ka BP的末次間冰期［13］，胡凡根等研究深滬灣老紅砂測(cè)得117 Ka BP的年代數(shù)據(jù)［14］。如果老紅砂沉積時(shí)不處在末次冰期低海面，就難有裸露大陸架砂被搬運(yùn)到沿海沉積的陸架砂源，老紅砂來(lái)源成為需要重新研究的問題。本研究采集平潭青峰老紅砂剖面 (QF)和 (QFX)樣品、壇南灣非老紅砂樣品，以及閩江口瑯岐島 (LQD)樣品進(jìn)行粒度和稀土元素測(cè)量，對(duì)老紅砂的物源進(jìn)行示蹤。沉積物中稀土元素 (REE)組成及分布模式主要取決于源巖，受水動(dòng)力的剝蝕、搬運(yùn)、沉積以及風(fēng)化、成巖、變質(zhì)等作用的影響較小，在地表水的搬運(yùn)過程中變化不明顯，其含量、配分模式和一些重要的稀土元素參數(shù)對(duì)探討沉積物的形成條件、物源區(qū)性質(zhì)和氣候環(huán)境具有重要意義。因此REE常被作為沉積物的物源示蹤工具，并且應(yīng)用效果較好［15-23］。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)分別位于福建中部沿海老紅砂分布區(qū)海壇島及其鄰近的閩江河口瑯岐島 (圖1)。海壇島西為海壇海峽，東臨臺(tái)灣海峽，以白堊系石帽山群(K1sh)火山巖和上三疊－侏羅系 (T3-J)變質(zhì)巖，燕山期花崗巖體形成島嶼，地貌以低丘陵和紅土臺(tái)地為主。海壇島氣候?yàn)槟蟻啛釒О霛駶?rùn)海洋性季風(fēng)氣候，年均溫19℃，年降水量約900～1 100 mm。研究剖面青峰老紅砂剖面QF位于海壇島北端 (25°39'57″N，119°47'13″E)，隸屬青峰鄉(xiāng)。另一個(gè)老紅砂剖面QFX在QF以西700 m，地貌上與QF同屬紅色風(fēng)沙臺(tái)地。壇南灣位于平潭島東南部，瀕臨臺(tái)灣海峽，海灘平緩，岸線22 km，沿岸僅有赤山林場(chǎng)附近有老紅砂分布，其他地方未出現(xiàn)老紅砂?，樶獚u (26°5'58.73″N，119°36'0.36″E)位于閩江口，長(zhǎng)15.3 km，南北寬8.1 km，總面積92 km2，岸線長(zhǎng)30 km，東部為砂至河灘，西質(zhì)河灘，西部淤泥質(zhì)河灘，面積達(dá)37 km2，是一個(gè)半巖半沙大島，泥沙來(lái)自閩江，氣候與海壇島相似。

圖1 海壇島、壇南灣和瑯岐島位置及老紅砂分布示意Figure1 Distribution of old red sand in Haitan Island，Tannan Bay and Langqi Island

2 材料與方法

2.1 材料來(lái)源

青峰QF剖面4個(gè)沉積層明顯，各層分界清晰，根據(jù)剖面顏色及層理特性，以及樣品特征和磁學(xué)特征，把剖面4個(gè)大層從上往下標(biāo)記為1、2、3、4層，分別為棕紅色細(xì)—中砂、褐紅色細(xì)—中砂、棕紅色細(xì)—中砂、黃棕色細(xì)—中砂，第2、3、4層黏土含量較高。分別在每層采集2個(gè)樣品標(biāo)記為QF-1～QF-8。青峰QF剖面以西的QFX剖面層位與QF對(duì)應(yīng)，每層采集2個(gè)樣品并加采下覆砂層樣品，共10個(gè)，標(biāo)記為QFX-1～QFX-10。壇南灣未見老紅砂，是海灘砂堆積形成的海岸。在壇南灣南部 (25°25'54″N，119°45'10″E)和北部 (25°26'33″N，119°45'51″E)沿著離海岸由遠(yuǎn)及近的順序采集海灘砂樣 19個(gè)，樣品編號(hào)為TNW(N)-1～TNW(N)-9巖性和TNW(S)-1～TNW(S)-10。砂樣呈現(xiàn)白色，粒度均勻，分選較好，無(wú)雜質(zhì)。在瑯岐島 (LQD)采集河口沉積物樣40個(gè)，這些沉積物是隨著閩江從上游搬運(yùn)到瑯岐島并沉積下來(lái)的，分選很差，黏土和有機(jī)質(zhì)含量高，個(gè)別樣品呈現(xiàn)黑色。采集青峰老紅砂、壇南灣海灘砂與瑯岐島河口砂進(jìn)行稀土測(cè)量對(duì)比，為了探討老紅砂和非老紅砂與河口砂的相關(guān)性，研究其物質(zhì)來(lái)源。

2.2 試驗(yàn)方法

室內(nèi)樣品粒度測(cè)試前處理如下:取1 g左右的老紅砂 (海灘砂5 g)樣品放入100 mL的燒杯中，加入約10 mL的10%雙氧水 (H2O2)溶液靜置24 h以除去有機(jī)質(zhì)，加入10 mL的10%鹽酸 (HCl)，加熱使其充分反應(yīng)后，給燒杯注滿蒸餾水后靜置24 h，再抽取蒸餾水，重復(fù)幾次直至溶液呈中性為止，正式上機(jī)測(cè)試前，加入10 mL的0.05 mol/L的六偏磷酸鈉 (Na2PO3)6進(jìn)行分散，并用超聲波振蕩3～5 min之后上機(jī)測(cè)試。粒度測(cè)量用英國(guó)Malvern儀器公司生產(chǎn)的Mastersizer2000型激光粒度儀完成，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)試3次，自動(dòng)取其平均值。

2.3 稀土元素含量測(cè)量

稀土元素測(cè)量用高壓釜消解法。將烘干后的樣品稱取40±5 mg放入聚四氟乙烯 (PTEE)內(nèi)膽中，加入1.5 mL的氫氟酸 (HF)、0.5 mL的硝酸 (HNO3)后，將其密封放入高壓釜內(nèi)，再在烘箱中用150℃加熱12 h，冷卻后將PTEE內(nèi)膽取出打開蓋，加入0.25 mL的高氯酸 (HClO4)，在電熱板上用150℃加熱，加熱到不流動(dòng)的1滴后加入2 mL高純水和1 mL的HNO3并蓋上蓋子，將內(nèi)膽放入高壓釜內(nèi)，在150℃烘箱中回溶至少12 h。冷卻后取出內(nèi)膽，將溶液用高純水定容到40 mL的瓶中并搖勻，在HP-4500 Benrchtop ICP-MS上完成稀土元素 (REE)的測(cè)量，REE的測(cè)量精度為1×10－9。

3 結(jié)果與分析

3.1 粒度特征

粒度測(cè)試結(jié)果顯示 (圖2)，青峰老紅砂QF剖面 (圖2a)和QFX剖面 (圖2b)的粒度頻率分布曲線基本相似，呈現(xiàn)明顯的單峰，粒度分布相對(duì)集中，分布區(qū)間大約在70～1 000 μm，峰值分布在300～400 μm，反映了比較穩(wěn)定的沉積環(huán)境和單一的動(dòng)力作用;主峰前面出現(xiàn)微小的波動(dòng)，細(xì)顆粒分布在0.2～70 μm，主要是長(zhǎng)石類不穩(wěn)定礦物風(fēng)化產(chǎn)生的細(xì)粒物質(zhì)。

圖2 各類沉積物粒度分布圖Figure2 Grain size distribution of some sediments

平潭島壇南灣海灘砂粒度頻率分布曲線 (圖2c)呈現(xiàn)明顯的單峰，不含其他粒級(jí)沉積物，分布范圍60～1 000 μm，峰值分布在250～450 μm，峰值出現(xiàn)位置較為分散，峰形比老紅砂和河口沉積物平坦。閩江口瑯岐島龍鼓采樣點(diǎn)沉積物粒度分布差異不大，頻率分布曲線呈現(xiàn)單峰，分布范圍較為集中，峰值分布在250～650 μm，表明河口砂的分選性較好，峰形與老紅砂峰形相似。

測(cè)試樣品中，青峰老紅砂QF以中砂 (250～500 μm)、細(xì)砂 (125～250 μm)和粉砂 (2～63 μm)為主，其中中砂平均約占36.45%、細(xì)砂占22%、粉砂占18.26%。壇南灣海灘砂，中砂平均約占48%、細(xì)砂占32.18%、粗砂占17.68%，粉砂只有1.6%，黏土和粉砂幾乎沒有。閩江口瑯岐島采集的12個(gè)樣品分別處于環(huán)島的不同位置和地貌單元，瑯岐島西側(cè)障蔽波影區(qū)樣品多數(shù)含有較高的泥組分以及植物殘?bào)w或有機(jī)質(zhì)，質(zhì)地與平潭島樣品差異較大，不適合對(duì)比?，樶獚u東側(cè)屬于向南沿岸流泥沙沉積區(qū)，河口砂以中砂和細(xì)砂為主，中砂平均約占41%，細(xì)砂占42.96%，粉砂和粗砂各占6%，粒度組成與平潭島樣品相似，具有粒度和REE雙重因素的可比性，以及閩江口以南沿海沿岸流向南的屬性，搬運(yùn)機(jī)制上有可能順著沿岸流到達(dá)平潭島，因此選為對(duì)比的主要對(duì)象。

3.2 稀土元素分析

3.2.1 REE組成特征

平潭青峰標(biāo)準(zhǔn)老紅砂剖面的稀土元素含量為64.50～104.78 μg/g(不包括Y含量)，均值為84.25 μg/g不包括Y含量)，其中輕稀土較富集，含量變化范圍為57.25～94.12 μg/g，均值為75.17 μg/g，占89.22%;重稀土元素含量比較少，變化范圍為17.17～30.51 μg/g，均值為21.60 μg/g，占10.78%。進(jìn)而指示老紅砂形成過程中稀土元素遷出與富集狀況的輕重稀土之比為2.63～4.14，代表稀土元素Eu異常程度從而可以反映原巖特征的稀土參數(shù)σEu平均值為0.79。

表1 QF、QFX、TNW和LQD的稀土元素組成特征Table1 The characteristics of REE composition of QF、QFX、TNW and LQD

images/BZ_233_263_324_2217_383.png.39 TNW-1(S) 23.99 21.22 6.65 1.34 0.84 0.37 0.18 0.77 0.91 4.31 TNW-2(S) 16.72 14.92 4.38 1.40 0.78 0.40 0.17 0.74 1.21 5.33 TNW-3(S) 18.25 15.57 7.08 0.99 0.83 0.29 0.19 0.78 0.85 3.37 TNW-4(S) 14.75 13.21 3.70 1.17 0.85 0.33 0.17 0.75 1.02 5.10 TNW-5(S) 17.65 15.91 4.21 1.07 0.84 0.30 0.17 0.72 1.12 5.74 TNW-6(S) 12.99 11.44 3.84 1.22 0.83 0.34 0.18 0.72 0.90 4.17 TNW-7(S) 10.38 9.00 3.13 1.31 0.83 0.36 0.18 0.76 0.62 2.85 TNW-8(S) 13.19 11.28 5.26 1.02 0.95 0.29 0.20 0.81 0.84 3.61 TNW-9(S) 10.49 9.24 3.07 1.40 0.79 0.39 0.18 0.75 0.87 3.90 TNW-10(S) 14.76 12.89 4.69 1.10 0.73 0.31 0.19 0.76 0.48 1.74 LQD-1 91.10 82.40 19.95 0.79 0.80 0.18 0.13 0.87 1.80 6.30 LQD-2 83.50 76.29 16.32 0.78 0.97 0.19 0.13 0.77 1.70 7.27 LQD-3 94.84 85.96 19.90 0.75 0.99 0.18 0.15 0.94 2.07 8.13 LQD-4 91.83 82.40 21.20 0.77 0.96 0.25 0.17 0.77 2.12 8.17 LQD-5 98.47 88.93 20.51 0.72 0.97 0.23 0.17 0.76 1.83 7.59 LQD-6 106.71 95.03 26.31 0.69 0.97 0.22 0.17 0.73 1.75 7.24 LQD-7 109.73 98.26 24.03 0.54 0.99 0.17 0.17 0.61 2.20 9.53 LQD-8 91.27 81.38 21.31 0.62 0.95 0.20 0.18 0.54 1.86 7.25 LQD-9 99.11 86.83 25.92 0.52 0.98 0.16 0.18 0.61 2.11 8.21 LQD-10 94.23 84.00 21.09 0.59 0.97 0.19 0.18 0.61 2.40 9.51 LQD-11 85.69 73.48 25.86 0.59 0.96 0.19 0.19 0.62 1.78 6.50 LQD-12 104.97 92.71 26.00 0.58 0.98 0.19 0.19 0.47 1.92 8.06 LQD-13 103.49 92.53 23.43 0.55 0.97 0.18 0.19 0.42 2.14 9.01 LQD-14 96.78 87.09 20.24 0.55 0.97 0.17 0.19 0.74 2.04 7.82 LQD-15 85.20 74.90 23.16 0.68 0.92 0.22 0.20 0.78 1.67 6.30 LQD-16 88.74 78.10 22.64 0.61 0.97 0.19 0.21 0.61 2.09 8.22 LQD-17 74.86 65.87 19.66 0.75 0.96 0.24 0.21 0.59 1.82 7.07 LQD-18 95.99 85.06 22.85 0.49 0.98 0.16 0.21 0.48 2.21 8.89 LQD-19 92.53 82.41 22.39 0.65 0.96 0.21 0.21 0.74 1.58 5.98 LQD-20 82.51 70.81 27.31 0.62 0.97 0.20 0.22 0.75 1.40 5.39 LQD-21 85.69 73.05 30.39 0.67 0.96 0.22 0.22 0.77 1.44 5.29 LQD-22 84.39 74.32 21.31 0.59 0.92 0.19 0.22 0.68 2.14 8.20 LQD-23 100.64 88.31 26.60 0.55 0.97 0.18 0.22 0.56 2.04 8.18 LQD-24 85.70 77.11 19.31 0.70 0.96 0.23 0.23 1.02 1.92 7.47 LQD-25 90.76 81.26 20.42 0.61 1.00 0.20 0.23 0.67 2.05 8.32 LQD-26 95.38 86.79 18.69 0.73 1.00 0.24 0.23 0.77 2.21 9.40 LQD-27 95.62 84.52 23.43 0.54 0.94 0.17 0.24 0.45 2.12 8.80 LQD-28 99.44 88.90 22.70 0.69 0.97 0.22 0.24 0.56 1.99 8.50 LQD-29 101.13 93.19 17.21 0.80 0.99 0.26 0.24 1.01 2.08 8.51 LQD-30 93.94 84.22 21.84 0.81 0.96 0.26 0.24 0.72 1.99 7.81 LQD-31 86.24 78.74 16.52 0.79 0.97 0.25 0.24 1.00 1.87 7.28 LQD-32 89.27 81.03 17.87 0.77 0.98 0.25 0.25 0.79 2.05 8.30 LQD-33 91.98 80.98 24.60 0.74 0.97 0.24 0.25 0.60 1.86 7.62 LQD-34 84.42 75.22 20.30 0.78 0.98 0.25 0.25 0.71 1.90 7.42 LQD-35 97.58 87.35 21.84 0.66 0.97 0.21 0.26 0.60 2.39 9.49 LQD-36 98.21 86.21 25.41 0.58 0.98 0.19 0.27 0.63 2.01 7.60 LQD-37 97.90 86.21 24.76 0.62 0.97 0.20 0.28 0.64 2.08 8.17 LQD-38 97.90 87.13 22.99 0.62 0.95 0.20 0.29 0.58 2.04 8.53 LQD-39 94.57 82.05 26.50 0.64 0.96 0.21 0.30 0.54 2.12 8.46 LQD-40 87.92 78.51 20.22 0.78 0.99 0.25 0.31 0.80 2.07 8.62 TNW-9(N) 19.91 18.10 4.07 0.73 0.86 0.20 0.17 0.78 0.87 4

壇南灣海灘砂的稀土元素含量為10.38～15.38 μg/g(不包括Y含量)，均值為16.41 μg/g(不包括Y含量)，其中輕稀土較富集，含量變化范圍為9.00～25.57 μg/g，均值為14.58 μg/g，占88.85%;重稀土元素含量比較少，變化范圍為2.75～7.08 μg/g，均值為4.46 μg/g，占11.15%。進(jìn)而指示海灘砂沉積過程中稀土元素遷出與富集狀況的輕重稀土之比為2.14～4.67，代表稀土元素Eu的異常程度，從而可以反映原巖特征的稀土參數(shù)σEu平均值為1.18;揭示元素Ce分異程度的σCe平均值為0.89，與原巖特征相關(guān)的參數(shù)Eu/Sm，Sm/Nd，Nd/La的平均值及變化范圍分別是0.33(0.20～0.43)，0.18(0.17～0.20)和0.75(0.63～0.81)。

瑯岐島河口砂的稀土元素含量平均值為89.81 μg/g(不包括Y含量)，其中輕稀土總量平均為81.55 μg/g;重稀土平均為18.73 μg/g互映輕重稀土分餾程度，進(jìn)而指示河口砂形成過程中稀土元素遷出與富集狀況的輕重稀土之比平均值為4.37，代表稀土元素Eu異常程度從而可以反映原巖特征的稀土參數(shù)σEu平均值為0.76;揭示元素Ce分異程度的σCe平均值為0.98，與原巖特征相關(guān)的參數(shù)Eu/Sm，Sm/Nd，Nd/La的平均值及變化范圍分別是0.22(0.16～0.42)，0.17(0.09～0.27)和0.77(0.69～0.88)。

3.2.2 REE球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式

沉積物稀土元素的分布模式主要受物質(zhì)來(lái)源影響，經(jīng)球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后，平潭青峰標(biāo)準(zhǔn)老紅砂剖面的稀土元素配分模式 (圖3a、圖3b)極為相似，本區(qū)沉積物的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素分布模式曲線是負(fù)斜率，說(shuō)明其物質(zhì)來(lái)源主要是陸源的。Eu不具有明顯的負(fù)異常，(La/Yb)N比值都大于1，曲線為右傾斜，La－Eu曲線較陡，Eu－Lu曲線較平緩。經(jīng)球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后，瑯岐島河口砂的稀土元素配分模式 (圖3c)極為相似，本區(qū)沉積物的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素分布模式曲線是負(fù)斜率，說(shuō)明輕重稀土發(fā)生分餾，富輕稀土，Eu負(fù)異常十分明顯，(La/Yb)N比值都大于1，曲線為右傾斜，La－Eu曲線較陡，Eu－Lu曲線較平緩，在Eu處呈“谷”型，顯示弱的負(fù)Eu異常。經(jīng)球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后，平潭壇南灣海灘砂的稀土元素配分模式 (圖3d)大體一致，本區(qū)沉積物的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素分布模式曲線是負(fù)斜率，說(shuō)明輕重稀土發(fā)生分餾，富輕稀土。Eu具有明顯的正異常，(La/Yb)N比值都大于1，曲線為右傾斜，La－Eu曲線較陡，Eu－Lu曲線較平緩。從標(biāo)準(zhǔn)化分布模式圖上可以看出來(lái)，老紅砂與河口砂的分布模式基本一致，而與壇南灣海灘砂的分布模式完全不同。

圖3 各類沉積物REE球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分布模式Figure3 Chondrite normalized patterns of some sediments'REE

3.2.3 判別函數(shù) (DF)

可以通過判別函數(shù) (DF)來(lái)表示QF老紅砂同瑯岐島閩江河口砂的接近程度，來(lái)討論老紅砂的物質(zhì)來(lái)源［24］。稀土元素判別函數(shù)DF的表達(dá)式是:DF=(C1X/C2x)/(C1L/C2L) －1，式中 (C1x/C2X)表示老紅砂2種元素的比值，(C1L/C2L)表示瑯岐島閩江口沉積物中2種元素的比值。判別函數(shù)越小，表明沉積物化學(xué)成分越接近研究區(qū)沉積物組成，一般來(lái)講DF的絕對(duì)值小于0.5即認(rèn)為2種沉積物接近［25］。為使這一判斷能更有效地反映沉積物之間的接近程度，構(gòu)成比值的元素對(duì)應(yīng)盡可能選取化學(xué)性質(zhì)相近的元素，最好是能夠同時(shí)帶入帶出的元素。稀土元素是一組化學(xué)性質(zhì)極為相近的元素，符合物源區(qū)判別的條件。本次研究，選擇的元素對(duì)是Ce/La和Sm/Nd。根據(jù)老紅砂和瑯岐島河口砂Ce/La、Sm/Nd比值［26］，系統(tǒng)計(jì)算了DF值，結(jié)果顯示根據(jù)Ce/La、Sm/Nd計(jì)算的DFcj和DFhh絕對(duì)值分別為0.05和0.17，都小于0.5，表明老紅砂與瑯岐島河口砂接近。而將壇南灣海灘砂與閩江口砂進(jìn)行系統(tǒng)計(jì)算，結(jié)果表明DFcj和DFhh絕對(duì)值都大于0.5，說(shuō)明壇南灣海灘砂與瑯岐島河口砂沒有顯著關(guān)系。

4 討論和結(jié)論

1)老紅砂與瑯岐島河口砂的稀土元素特征值、元素比值、球粒隕石分配曲線均表明平潭青峰老紅砂稀土元素與閩江河口瑯岐島稀土元素相似，老紅砂物質(zhì)主要來(lái)自閩江河口泥沙。

2)老紅砂分布在平潭島北部沿岸，青峰老紅砂就是典型代表，而南部沿岸未見老紅砂，壇南灣海灘砂是非老紅砂的代表。從沉積位置與搬運(yùn)機(jī)制來(lái)看，平潭島北部沿海位于閩江口以南沿岸流堆積區(qū)，平潭島北部老紅砂與閩江口泥沙在物源上可能同源，而壇南灣非老紅砂屬于海洋搬運(yùn)的海灘砂，與閩江口泥沙關(guān)系不大。從粒度特征來(lái)看，壇南灣海灘砂的粒度組分比老紅砂粗，因此老紅砂與壇南灣為代表的海灘砂關(guān)系不大。

3)青峰老紅紗剖面4個(gè)層的光釋光測(cè)年 (OSL)顯示，從上往下的形成時(shí)代分別是61.9±3.4 Ka BP、83.1±4.2 Ka BP、97.7±6.1 Ka BP、122.5±6.7 Ka BP，主要處于末次間冰期，及MIS5階段。據(jù)世界各地古氣候多種代用指標(biāo)研究顯示，末次間冰期的氣溫比現(xiàn)在高。黃河沉積物REE研究顯示，末次間冰期中國(guó)夏季風(fēng)占優(yōu)勢(shì)，氣候溫暖濕潤(rùn)，降雨比現(xiàn)在多［26］。末次間冰期閩江攜帶大量的泥沙入海，形成較強(qiáng)的沿岸流，進(jìn)入海壇海峽。這些泥沙含有河流侵蝕原巖的含鐵礦物，在高溫條件下，發(fā)生強(qiáng)烈的氧化反應(yīng)，生成高價(jià)鐵紅色氧化鐵，染紅砂粒，形成老紅砂。

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