遼東灣表層沉積物碎屑礦物組合分布及其對(duì)物源和沉積物擴(kuò)散的指示意義

王利波，李軍＊，趙京濤，竇衍光，胡邦琦，孫榮濤

（1.國土資源部 海洋油氣資源與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266071；2.國土資源部 中國地質(zhì)調(diào)查局 青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島266071；3.山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博255049）

1 引言

國際“大陸邊緣計(jì)劃”（MARGINS program）將“從源到匯”（Source to Sink）作為其核心科學(xué)研究領(lǐng)域之一［1］。陸源入海沉積物的來源和在大陸架地區(qū)的分布、擴(kuò)散模式是“源－匯”過程的重要研究內(nèi)容。中國東部陸架海沉積物的物質(zhì)來源研究成果豐碩，但主要集中在細(xì)顆粒沉積物區(qū)［2－9］。對(duì)于粗顆粒沉積物而言，特征碎屑礦物組合因其物源繼承性以及在表生環(huán)境中的穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于物質(zhì)來源的研究［10－20］。

遼東灣位于渤海北部，是一個(gè)西、北、東三面被遼寧省包圍，僅南面與渤海相通的半封閉海灣。周邊主要有灤河、六股河、小凌河、大凌河、雙臺(tái)子河、大遼河、復(fù)州河等中小型河流注入。雖然黃河每年向渤海注入十億噸級(jí)的巨量泥沙［21－22］，但絕大部分都沉積于河口地區(qū)［23］，其余主要向南、東南方向搬運(yùn)［24－25］，對(duì)遼東灣的影響不大［2，12，26］，而灣周邊河流沉積物直接注入其中，對(duì)表層沉積物的物質(zhì)組成有很大的影響。遼東灣海底大部分被現(xiàn)代陸源碎屑沉積物所覆蓋，但在遼東淺灘處存在爭議，一種觀點(diǎn)認(rèn)為它是殘留沉積［26－27］，另一種觀點(diǎn)認(rèn)為它是全新世潮流沉積，物質(zhì)來自老鐵山水道的侵蝕［28－29］。表層沉積物粒度在灣頂和灣西南部較細(xì)，為泥質(zhì)沉積，在灣東、西近岸及遼東淺灘處粒度較粗，為砂質(zhì)沉積，在灣中部為過渡區(qū)［26，30－31］。潮流場在沉積物輸運(yùn)中起主導(dǎo)作用［32］。

前人已對(duì)渤海表層沉積物中的碎屑礦物進(jìn)行了研究［12－13］，將遼東灣海域劃分為六股河、遼河、長興島和過渡礦物亞區(qū)，并分析了物質(zhì)的來源，為后期研究奠定了基礎(chǔ)，但取樣點(diǎn)較少。本文利用取樣間隔較密集的調(diào)查數(shù)據(jù)，在前人基礎(chǔ)上，分析遼東灣表層沉積物中碎屑礦物的組合和分布，并結(jié)合周邊河流入海沉積物碎屑礦物組合及海洋水動(dòng)力場特征，討論沉積物的來源和擴(kuò)散。

2 樣品與方法

本文鑒定的128樣品于2010年在渤海遼東灣海域采集（圖1），有兩種取樣方式，箱式取樣40個(gè)，振動(dòng)柱狀取樣88個(gè)。選取表層0～10 cm的沉積物進(jìn)行分析。

碎屑礦物分析流程如下：取沉積物原樣200～300 g，用0.125 mm 和0.063 mm 的雙層套篩篩選（個(gè)別有機(jī)質(zhì)含量高的樣品，加H2O2浸泡6 h），水篩分離出的樣品（0.063～0.125 mm）經(jīng)烘干后用縮分法取3～4 g在三溴甲烷重液（CHBr3，相對(duì)體積質(zhì)量2.89）中分離，得輕、重礦物兩部分，再分別稱重，計(jì)算輕、重礦物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。輕礦物在體式顯微鏡下完成鑒定和統(tǒng)計(jì)；重礦物用體式顯微鏡和偏光顯微鏡油浸法，輔以微化試驗(yàn)進(jìn)行鑒定和統(tǒng)計(jì)。輕、重礦物統(tǒng)計(jì)方法相同，首先計(jì)數(shù)300～500顆待鑒定礦物，然后對(duì)鑒定出的每種礦物進(jìn)行計(jì)數(shù)，最后求得不同礦物的顆粒百分含量。

粒度組分含量和輕、重礦物組分含量是成分?jǐn)?shù)據(jù)，各自的含量之和是固定常數(shù)100%，組分含量不能自由獨(dú)立變化，一個(gè)組分含量的增大必然會(huì)使其他組分含量降低，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析存在問題。Aitchison提出用成分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)數(shù)比值（log－ratio）代替原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法［33］，其效果優(yōu)于直接分析原始數(shù)據(jù)［34］。對(duì)數(shù)比值轉(zhuǎn)換公式如下：

本文對(duì)輕、重礦物數(shù)據(jù)和已發(fā)表的沉積物粒度數(shù)據(jù)［31］，應(yīng)用此對(duì)數(shù)比值公式轉(zhuǎn)換，代替原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖1 遼東灣表層沉積物取樣站位（平均粒徑據(jù)徐東浩等［31］）

3 結(jié)果

3.1 輕礦物組成與分布

輕礦物質(zhì)量百分含量平均值為93.7%，灣西北近岸局部海域較低，尤其是六股河口附近，其他大部分海域較高且穩(wěn)定，在95%以上（見圖2）。

共鑒定出石英、斜長石、鉀長石、綠泥石、方解石、白云母和風(fēng)化云母7種輕礦物，以及少量生物碎屑、有機(jī)質(zhì)碎屑、巖屑和風(fēng)化碎屑。石英含量最高，一般在65%～80%，斜長石次之，一般在12%～24%，鉀長石一般在8%以下，其余輕礦物含量除綠泥石平均1.2%外，均不足1%。

石英含量高值區(qū)位于灣中部和東南近岸，灣北部和西部含量較低，斜長石與石英的分布特征相反，鉀長石高值區(qū)位于六股河口附近，灣南部含量較低（見圖2）。

3.2 重礦物組成與分布

重礦物質(zhì)量百分含量平均值為6.3%，灣西北近岸海域一般高于5%，尤其是六股河口附近，可達(dá)10%～35%，其他大部分海域較低且穩(wěn)定，在5%以下（見圖3）。

圖2 遼東灣表層沉積物輕礦物質(zhì)量百分含量及主要輕礦物組分顆粒百分含量分布

圖3 遼東灣表層沉積物重礦物質(zhì)量百分含量及主要重礦物組分顆粒百分含量分布

除巖屑和風(fēng)化碎屑外，共鑒定出38種重礦物。根據(jù)顆粒百分含量，重礦物以普通角閃石為主（29.9%），綠簾石次之（20.6%），兩者含量之和達(dá)50%以上。磁鐵礦（8.2%）、石榴子石（7.5%）、鈦鐵礦（6.8%）、榍 石 （4.4%）、陽 起 石 （4.1%）、褐 鐵 礦（3.9%）、赤鐵礦（2.8%）、磷灰石（1.4%）和普通輝石（1.1%），它們的含量之和達(dá)40%以上。黝簾石、鋯石、透閃石、黑云母、電氣石、透輝石、紫蘇輝石、綠泥石分布雖廣，但含量不高，總和僅4.2%。自生黃鐵礦、水黑云母、白鈦石、玄武閃、螢石、菱鎂礦、白云石、菱鐵礦、金紅石、白云母、膠磷礦、霓石、霓輝石、紅簾石、褐簾石、藍(lán)閃石、綠柱石、紅柱石和磷釔礦等在遼東灣表層沉積物中分布既不廣，含量也低。

主要重礦物顆粒百分含量的分布特征如圖3所示。普通角閃石在灣東北部和中南部有兩個(gè)高值區(qū)，含量在35%～45%之間；在灣西北近岸，尤其是六股河口附近含量較低（＜25%）。綠簾石含量高值區(qū)位于灣中部和西部，處于26%～30%之間；六股河口和灣東南部含量較低（＜18%）。石榴石在灣中部和南部含量相對(duì)較高（約10%～16%），六股河口和小凌河口附近含量低（＜4%）。磁鐵礦在灣西北近岸含量一般均高于5%，在六股河口具有最高值（15%～45%），其他海域均低于5%。鈦鐵礦在灣中部和西北部近岸含量高（10%～16%）。赤鐵礦與磁鐵礦的分布特征一致，在六股河口含量較高（6%～16%）。褐鐵礦的分布特征與磁鐵礦、赤鐵礦相近，也呈西北近岸高、其他海域低的特征，但極高值區(qū)出現(xiàn)在大凌河口附近。榍石在灣北部和西南部含量相對(duì)較低。陽起石的分布特征與普通角閃石相似。磷灰石含量普遍較低，在灣中部有一條呈NE－SW向的帶狀低值區(qū)，含量低于1%，僅在六股河口外和灣西南角的個(gè)別樣品中含量高于2%。普通輝石含量高于1%的區(qū)域位于灣西部和西北部。超穩(wěn)定礦物（電氣石加鋯石加金紅石）在六股河口附近、灣東部、東南部含量高，在1.5%以上，最高可達(dá)4%，在灣北部和西南部含量較低，一般小于1%。

3.3 組合分區(qū)

以重礦物質(zhì)量百分含量和主要輕、重礦物組分顆粒百分含量的對(duì)數(shù)比值為變量，使用SPSS軟件，選擇組間聯(lián)接方法，對(duì)遼東灣表層沉積物進(jìn)行Q型聚類分析。根據(jù)聚類結(jié)果，遼東灣表層沉積物可以劃分為兩個(gè)碎屑礦物組合區(qū)和6個(gè)亞區(qū)（圖4），各區(qū)特征礦物含量如表1所示。

圖4 遼東灣表層碎屑礦物分區(qū)

表1 遼東灣表層沉積物碎屑礦物分區(qū)的輕、重礦物平均含量

A區(qū)位于遼東灣西部近岸海域，鉀長石含量全灣最高，是該區(qū)的特征輕礦物。重礦物質(zhì)量百分含量、磁鐵礦和赤鐵礦含量全灣最高，而普通角閃石、石榴子石、陽起石含量全灣最低。磁鐵礦和赤鐵礦可作為本區(qū)的特征重礦物。上述碎屑礦物分布特征在六股河口最明顯，并且綠簾石、鈦鐵礦、褐鐵礦在六股河口的含量低于六股河口北部近岸的含量，據(jù)此分布特征，A區(qū)可細(xì)分為兩個(gè)亞區(qū)：六股河礦物亞區(qū)（A1）和遼東灣西北近岸礦物亞區(qū)（A2）（見圖4）。

B區(qū)范圍大，碎屑礦物分布特征比較復(fù)雜，利用聚類分析等統(tǒng)計(jì)學(xué)方法難以進(jìn)一步分區(qū)，但通過分析主要碎屑礦物的分布特征，可細(xì)分為4個(gè)亞區(qū)（圖4），包括（1）遼東灣東北部礦物亞區(qū)（B1），普通角閃石、陽起石、片狀礦物含量高，石榴子石、磁鐵礦、鈦鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦含量低；（2）遼東灣中部礦物亞區(qū)（B2），石英、綠簾石、石榴子石、鈦鐵礦、榍石含量高，斜長石、普通角閃石、赤鐵礦、褐鐵礦含量低；（3）遼東灣南部礦物亞區(qū)（B3），普通角閃石、陽起石、片狀礦物含量高，重礦物質(zhì)量百分含量、石榴子石、磁鐵礦、鈦鐵礦、赤鐵礦、榍石含量低；（4）遼東灣淺灘礦物亞區(qū)（B4），石榴子石、鈦鐵礦含量高，普通角閃石和綠簾石的含量低。

4 討論

4.1 碎屑礦物特征指數(shù)分析

根據(jù)抗風(fēng)化能力，重礦物可劃分為超穩(wěn)定、穩(wěn)定、中等穩(wěn)定、不穩(wěn)定和極不穩(wěn)定五類［35］，將（穩(wěn)定加中等穩(wěn)定）／不穩(wěn)定比值作為重礦物的穩(wěn)定性指標(biāo)。結(jié)果顯示，六股河口外的A1亞區(qū)全灣最高，B1和B3亞區(qū)比值小。該比值通常用于指示碎屑礦物的風(fēng)化溶解程度［11，18］，然而本文數(shù)據(jù)似乎不能說明A區(qū)沉積物的化學(xué)風(fēng)化程度高于B區(qū)，因?yàn)檫|東灣及其周邊入海河流同處于我國東北部，化學(xué)風(fēng)化作用相似且總體不強(qiáng)，這種分布特征可能更多的是對(duì)物質(zhì)來源的反應(yīng)。例如，六股河入海沉積物以高磁鐵礦（主要穩(wěn)定礦物）、低普通角閃石（主要不穩(wěn)定礦物）為特征，相應(yīng)地在六股河口該比值較高；遼河入海沉積物以高普通角閃石、低磁鐵礦和鈦鐵礦為特征，相應(yīng)地在遼河口外該比值較低。

ZTR指數(shù)（鋯石、電氣石和金紅石三者含量之和），是衡量沉積物重礦物成熟度的參數(shù)，并具有一定的物源指示意義［11，36］。遼東灣周邊河流入海沉積物的ZTR指數(shù)均不足1%［37］，而表層沉積物的ZTR指數(shù)大部分在1%以上，這說明沉積物入海后，在復(fù)雜因素的作用下，成分成熟度有變大的趨勢(shì)。

石英／長石比值是用于評(píng)價(jià)沉積物輕礦物成熟度的傳統(tǒng)指標(biāo)［38－39］。遼東灣表層沉積物石英／長石比值，除西北近岸和西南部局部海域外，大部分大于3，而周邊河流入海沉積物的石英／長石比值均小于3［37］，也指示入海沉積物成分成熟度有變大的趨勢(shì)。但是，表層沉積物中輕礦物成熟度與重礦物成熟度的分布范圍并不相同，這種差異可能除受碎屑礦物自身的風(fēng)化穩(wěn)定性影響外，物源和機(jī)械分異作用也是重要影響因素。

4.2 碎屑礦物組成與分布的影響因素

將表層沉積物的平均粒徑和分選系數(shù)與重礦物質(zhì)量百分含量、礦物顆粒百分含量的log－ratio值進(jìn)行相關(guān)分析（見表2）。結(jié)果顯示，重礦物質(zhì)量百分含量與分選系數(shù)呈正相關(guān)，與平均粒徑（Ф值）呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這表明沉積物粒度越粗或分選越好，重礦物越富集。一般而言，粒度粗、密度大的顆粒難搬運(yùn)而易沉降，在強(qiáng)水動(dòng)力作用下，沉積物被淘洗，粒度粗、密度大的顆粒沉積下來，重礦物含量與粒度的關(guān)系體現(xiàn)了入海沉積物的機(jī)械分異作用，指示海洋水動(dòng)力條件是入海沉積物碎屑礦物組合分布的重要影響因素。然而，大多數(shù)重礦物組分與沉積物粒度并未表現(xiàn)出良好的相關(guān)性，說明海洋水動(dòng)力和顆粒密度雖然能夠影響碎屑礦物的組成分布，但并非控制因素，碎屑礦物的組成分布主要受物源控制。

4.3 沉積物來源與擴(kuò)散

遼東灣三面靠陸一面向海，比較封閉，沉積物來源主要有3個(gè)途徑，即周邊河流輸入、鄰近海域輸入和沿岸侵蝕物質(zhì)，其中河流輸入物質(zhì)的貢獻(xiàn)量最大，以大凌河和遼河為主（見表3），但河流入海沉積物主要沉積在近岸河口三角洲區(qū)域［40］，少量向外擴(kuò)散［26，29］。在陸架淺海區(qū)，大部分海域潮流為 NESW向的往復(fù)流，以M2分潮為主，流速在60 cm／s以上［42］。如此強(qiáng)的潮流作用，是該粒級(jí)組分以及更粗粒級(jí)組分得以搬運(yùn)的主要?jiǎng)恿Α?/p>

根據(jù)前期研究［37］，遼東灣周邊河流位于兩個(gè)構(gòu)造塊體之上，不同的基巖類型導(dǎo)致灣東西兩側(cè)河流入海沉積物重礦物組成差別很大（見圖5）。將遼東灣表層沉積物和河流入海沉積物的普通角閃石／磁鐵礦比值和石榴子石／鈦鐵礦比值做散點(diǎn)圖（見圖6），結(jié)果顯示，A、B兩個(gè)碎屑礦物區(qū)能夠較好地區(qū)分，A區(qū)的投點(diǎn)與六股河、小凌河和大凌河相近，B區(qū)的投點(diǎn)與雙臺(tái)子河、大遼河和復(fù)州河相近。

圖5 遼東灣周邊河流沉積物重礦物組成

圖6 遼東灣表層沉積物普通角閃石／磁鐵礦與石榴子石／鈦鐵礦散點(diǎn)圖

雖然A區(qū)沉積物也與小凌河、大凌河沉積物的重礦物組成相近，但是本文認(rèn)為A區(qū)沉積物主要來源于六股河、灣西北入海小溪和沿岸侵蝕物質(zhì)，小凌河和大凌河的影響不大。A1亞區(qū)位于六股河口，沉積物重礦物組成與六股河十分相似，都以極高含量的重礦物、磁鐵礦和鉀長石為特征，因此A1亞區(qū)表層沉積物主要來源于六股河，這與前人研究相同［12－13］。A2亞區(qū)位于灣西北近岸海域，若干小型山溪注入其中，它們流域的基巖類型與六股河流域相近，均廣泛出露太古期片麻狀花崗巖［44］，據(jù)此推測它們?nèi)牒３练e物重礦物組成也可能與六股河相近，富含磁鐵礦、鈦鐵礦礦、赤鐵礦等變質(zhì)作用副礦物，與該亞區(qū)的重礦物組成相似，所以這些入海小溪是A2亞區(qū)沉積物的重要來源。該亞區(qū)沿岸基巖類型也以太古期片麻狀花崗巖為主，海岸侵蝕的產(chǎn)物也是A2亞區(qū)沉積物來源之一。

遼河在六間房分流成雙臺(tái)子河和大遼河兩股，年均入海泥沙10.021 Mt［45］，河口附近表、底層懸浮體含量居遼東灣最高［26，46］。與小凌河和大凌河相比，遼河入海沉積物中普通角閃石、陽起石和片狀礦物的含量高，磁鐵礦、鈦鐵礦、赤鐵礦和褐鐵礦含量低［37］。B1亞區(qū)位于遼東灣東北部，重礦物特征與雙臺(tái)子河和大遼河相似，與小凌河和大凌河差別較大，且遼河口外的懸浮體高濃度區(qū)位于該亞區(qū)內(nèi)［26，46］，因此B1亞區(qū)沉積物主要來源于雙臺(tái)子河和大遼河。小凌河和大凌河對(duì)該亞區(qū)也有一定的影響，例如小凌河普通輝石和褐鐵礦的含量較高，相應(yīng)地在其河口附近，即該亞區(qū)西北角出現(xiàn)這兩種礦物的高值區(qū)（見圖3）。B2亞區(qū)位于遼東灣中部，遠(yuǎn)離河口，重礦物組成與遼東灣周邊河流均不相同，結(jié)合區(qū)域潮流場特征［43］，認(rèn)為B2亞區(qū)可能為多源混合區(qū)。B3亞區(qū)位于遼東灣南部，重礦物組成與B1亞區(qū)相似，然而遼河和大凌河輸入物質(zhì)主要沉積于40°10′N以北的遼東灣頂部［26］，對(duì)該亞區(qū)影響小，底層流場指示沉積物具有從西部向該亞區(qū)搬運(yùn)的趨勢(shì)［43］，據(jù)此推測B3亞區(qū)西部主要受鄰近海域物質(zhì)的影響。在B3亞區(qū)東部，出現(xiàn)普通角閃石的高值區(qū)，而復(fù)州河沉積物以極高含量的普通角閃石為特征，這體現(xiàn)了復(fù)州河對(duì)B3亞區(qū)東部有一定影響。B4亞區(qū)位于遼東灣東南部、遼東淺灘潮流沙脊北端，以鈦鐵礦和石榴子石為特征礦物，與前人劃分的遼東淺灘礦物亞區(qū)的重礦物特征一致［12－13］。早期的研究認(rèn)為遼東淺灘潮流沙脊為殘留沉積［26－27］，后來的研究發(fā)現(xiàn)它是全新世潮流的作用的產(chǎn)物，物質(zhì)來自老鐵山水道的侵蝕［28－29］。

5 結(jié)論

（1）遼東灣表層沉積物中輕礦物質(zhì)量百分含量平均為93.7%，以石英、斜長石和鉀長石為主，碳酸鹽礦物和片狀礦物含量極低；重礦物質(zhì)量百分含量較低，平均為6.3%，共鑒定出38種重礦物類型，其以普通角閃石、綠簾石為主，磁鐵礦、石榴子石、鈦鐵礦、榍石、陽起石、褐鐵礦、赤鐵礦、磷灰石和普通輝石次之。

（2）遼東灣表層沉積物重礦物ZTR指數(shù)和輕礦物石英／長石比值所代表的成分成熟度總體高于周邊入海河流。碎屑礦物的組合分布主要受物源控制，海洋水動(dòng)力和礦物顆粒密度也是重要影響因素。

（3）根據(jù)碎屑礦物組合分布特征，遼東灣可劃分為A、B兩個(gè)礦物區(qū)。A區(qū)包括六股河礦物亞區(qū)（A1）和遼東灣西北近岸礦物亞區(qū)（A2），B區(qū)包括遼東灣東北部礦物亞區(qū)（B1）、遼東灣中部礦物亞區(qū)（B2）、遼東灣南部礦物亞區(qū)（B3）和遼東灣淺灘礦物亞區(qū)（B4）。A區(qū)礦物組合為鉀長石、磁鐵礦、鈦鐵礦、赤鐵礦和褐鐵礦，主要受六股河、灣西北入海小溪和海岸侵蝕物質(zhì)的影響，其中A1亞區(qū)沉積物主要來源于六股河。B區(qū)沉積物來源比較復(fù)雜，B1亞區(qū)礦物組合為普通角閃石、陽起石和片狀礦物，主要受遼河入海沉積物的影響，B2亞區(qū)礦物組合為石英、綠簾石、石榴子石、鈦鐵礦和榍石，是多源混合區(qū)，B3亞區(qū)礦物組合為普通角閃石、陽起石和片狀礦物，西部受鄰近海域沉積物的影響大，東部受復(fù)州河沉積物的影響大，B4亞區(qū)是潮流沉積區(qū)，礦物組合為石榴子石和鈦鐵礦。

表2 遼東灣表層沉積物重礦物與粒度組分相關(guān)系數(shù)

表3 遼東灣周邊河流水文特征

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