南黃海陸架長江與黃河埋藏古河道判別研究

宋召軍 , 高 濼 , 顧畛逵 , 杜家鵬, 余繼峰 , 周 金 , 王中波

(1.山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點實驗室, 山東 青島 266590; 2.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266590; 3.天津大港油田礦區(qū)工程服務(wù)公司, 天津 300280; 4.國土資源部青島海洋地質(zhì)研究所,山東 青島 266071)

海底埋藏古河道研究, 不僅對探討陸架古環(huán)境演變具有重大意義, 而且對解決陸架開發(fā)中的災(zāi)害地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)問題也具有實際的應(yīng)用價值, 一直受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。長江、黃河作為我國兩條最大的河流, 其地質(zhì)背景、水文條件、地貌以及沉積特征等方面都具有很大差異。長江、黃河在末次冰期又都曾集中在蘇北注入黃海盆地, 對黃海古環(huán)境演變產(chǎn)生重要而復(fù)雜的影響。長江以多水、少沙、物質(zhì)細(xì)、較穩(wěn)定為主要特征, 流域內(nèi)巖石類型極為多樣; 黃河以少水、多沙、物質(zhì)細(xì)、易擺動為主, 流域內(nèi)巖石類型較為單一, 差異很大。這些差別為區(qū)分識別兩條河流的沉積物提供了依據(jù)。本文通過對長江、黃河埋藏古河道的斷面特征、河型以及河道區(qū)沉積物等方面分析, 進(jìn)而對南黃海陸架長江、黃河埋藏古河道進(jìn)行有效判識, 對我國陸架古河道的深入研究和黃海環(huán)境的演變都具有重要意義。

1 埋藏古河道河型特征

通過對數(shù)千公里的南黃海西部陸架高分辨率淺地層聲學(xué)剖面的研究發(fā)現(xiàn), 末次冰期以來的黃河、長江埋藏古河道在河道斷面形態(tài)和河型等方面存在著一定的差異。蘇北岸外黃河埋藏古河道發(fā)育規(guī)模普遍較小, 河床下切較淺, 埋藏深度在 25 m以內(nèi), 一般以5~15 m深度為主, 其河道斷面形態(tài)以不對稱型和緊密相連型(圖1 a, b)為主要特征, 而從時間上看,又很少見到多期連續(xù)發(fā)育的繼承型河道, 總體上反映出古黃河水系在橫向上易變動的運動特點。長江埋藏古河道相對于黃河古河道而言發(fā)育規(guī)模較大,河床下切也較深, 埋藏深度在 35 m以內(nèi), 一般以10~30 m深度范圍為主, 斷面寬度數(shù)值也較為平均,多在800~2 000 m范圍內(nèi)。在河道的斷面形態(tài)上, 古長江河道是以較大尺度的對稱型和多期疊加型河道為主(圖2 a, b), 這不僅反映了古長江較古黃河在空間上不易變動的特點, 也反映出古長江較古黃河在時間上表現(xiàn)得更為穩(wěn)定。

圖1 古黃河水系典型埋藏河道聲學(xué)剖面

圖2 古長江水系典型埋藏河道聲學(xué)剖面

依據(jù)埋藏古河道斷面的形態(tài)參數(shù), 利用比降-河寬法對蘇北岸外長江、黃河埋藏古河道的河型進(jìn)行研究。結(jié)果表明, 末次冰期以來蘇北岸外黃河埋藏古河道以曲流河為主, 這與李凡等[1]研究南黃海西部(老黃河口附近)埋藏古河道的結(jié)果相一致; 蘇北岸外長江埋藏古河道以辮狀河為主, 這與劉奎等[2]研究長江口外內(nèi)陸架埋藏古河谷的結(jié)論相符。

2 河流入海沉積物元素地球化學(xué)特征

長江與黃河沉積物的常量元素組合及其含量特征不同。長江沉積物中的K、Fe、Mg、Pb、Al等元素含量較高, 其中Fe、Mg含量在長江和黃河沉積物中相對偏差達(dá)40%以上, 黃河沉積物以富含Ca、Na為特征[3-8](表1), 其相應(yīng)的氧化物 K2O、Fe2O3、MgO、Al2O3等長江沉積物中含量高, Na2O、CaO黃河沉積物中含量高[9](表1)。

表1 長江與黃河沉積物元素含量對比

長江沉積物中富集絕大多數(shù)微量元素, 僅僅Ba、Sr、Th在黃河沉積物中含量大于長江, 幾乎所有微量元素在長江沉積物中都大于黃河沉積物; 長江沉積物中微量元素含量變化大, 而黃河數(shù)據(jù)較為集中(表1)。其中 Zn、Pb、Co、Ni、Mn、Cu和 Ti等元素含量在長江和黃河沉積物中相對偏差達(dá)到了30%以上, 說明這些元素在長江沉積物含量豐富密集。Ti在表生地球化學(xué)環(huán)境中比較穩(wěn)定, 常被用來判別物源[10], 由表1可以看出, 長江沉積物Ti質(zhì)量比平均達(dá)到5 600 μg/g, 而黃河沉積物Ti質(zhì)量比低于3 950 μg/g, 據(jù)此可利用沉積物的Ti 含量來識別沉積物物源。

這種元素差異主要受到黃河、長江流域的區(qū)域地質(zhì)和氣候條件限制[11]。黃河流域以物理風(fēng)化作用為主, 導(dǎo)致黃河沉積物中富集了 Ca、Na、Ba和 Sr等元素; 長江流域化學(xué)風(fēng)化作用較強, 致使長江沉積物中易遷移的 Ca和 Na等元素流失, 富集了難遷移的Fe、Al、Mn和Ti等元素。

此外, 長江和黃河沉積物中的稀土元素的含量也存在顯著差異。長江沉積物中的細(xì)粒級(<63 μm)組分的稀土元素( REE) 含量粒級明顯高于黃河沉積物, 長江沉積物比黃河更富集輕稀土元素(LREE)[12]。利用長江與黃河沉積物中稀土元素含量的差異可以有效進(jìn)行物源判別。如運用判別函數(shù)對南黃海中部鉆孔(NT1)中沉積物稀土元素研究發(fā)現(xiàn), NT1孔上部(0~7.70 m)、中部( 16.60~40.0 m) 和下部(50.70~69.76 m)以長江源為主, 其余兩段(7.70~16.60 m)和(40.60~50.70 m)沉積物以黃河源為主[13]。

3 河流入海沉積物礦物特征

3.1 黏土礦物組合

長江、黃河沉積物中黏土礦物組合基本相同,都為伊利石+蒙皂石+綠泥石+高嶺石[14-17], 但含量有一定差別(表2)。何夢穎等[15]系統(tǒng)地研究了長江流域的黏土礦物, 表明長江沉積物中伊利石含量最高,蒙皂石含量最低, 長江沉積物中黏土礦物含量基本一致。范德江等[16]在黃河河口三角洲地區(qū)及其附近海域采集了多個典型樣品, 通過X射線衍射物相分析和 ICP-AES成分分析等方法對黏土礦物組成進(jìn)行研究分析, 結(jié)果表明黃河黏土礦物成分以伊利石為主, 蒙皂石含量高。在黏土礦物比值上(表2), 長江沉積物中伊利石/蒙皂石都在11以上, 黃河沉積物中該比值都在 6.5以下; 高嶺石/綠泥石在兩類沉積物中無明顯差異。

表2 長江與黃河沉積物的黏土礦物含量比較

3.2 碳酸鹽含量

從礦物種類看, 長江沉積物中碳酸鹽以白云石為主, 含少量方解石; 黃河沉積物中碳酸鹽包括方解石和白云石兩種, 以方解石占絕對優(yōu)勢, 約是長江沉積物的2~3倍(圖3), 兩者沉積物的碳酸鹽礦物含量均在8%~10%左右, 總量差別不大。

圖3 長江、黃河沉積物中碳酸鹽礦物含量圖(修改自文獻(xiàn)[19])

長江和黃河沉積物的碳酸鹽含量隨粒級的分布變化明顯。長江沉積物碳酸鹽含量隨粒級變細(xì)而逐漸降低, 黃河沉積物碳酸鹽含量隨粒級變細(xì)而增加[19]。黃河碳酸鹽的細(xì)粒級含量明顯高于長江, 主要是由于黃河沉積物繼承了所經(jīng)流域黃土碳酸鹽中以膠結(jié)物以及粉砂粒級的細(xì)粒級碎屑物[20-21]。

3.3 重礦物組合

長江和黃河輸入的重礦物組合存在不同。這些礦物組合可以很好地指示其源巖性質(zhì)及源巖分布[22-24]。長江入海沉積物中重礦物以角閃石-綠簾石-金屬礦物為特征組合, 云母類、輝石、柘榴石和鋯石含量較為豐富, 榍石、電氣石、磷灰石和金紅石常見[22,25]; 黃河入海沉積物中重礦物以云母-角閃石-綠簾石-金屬礦物為特征組合, 柘榴石、鋯石和榍石含量也較豐富, 電氣石、磷灰石、金紅石常見, 但含量極少[24,26]。云母類礦物在黃河沉積物中含量較高, 達(dá) 30%~40%, 而長江沉積物中含量僅為7%左右(表3)。黃河沉積物中富含黑云母, 高的黑云母/白云母、磁鐵礦/鈦鐵礦和低的綠簾石/榍石、閃石類/輝石類可用于區(qū)別長江物源的礦物學(xué)示蹤參數(shù)[27]。

表3 長江與黃河重礦物含量比較

長江與黃河入海沉積物中重礦物組成的差異與流域內(nèi)的巖石組成以及氣候條件有關(guān)系, 黃河沉積物大部分來源于黃土高原, 流域內(nèi)氣候相對寒冷干燥, 物理風(fēng)化較強, 像云母類這種不穩(wěn)定的礦物較容易保存,因而云母類含量極高[11]。而長江流域內(nèi)源巖類型主要為巖漿巖和變質(zhì)巖類, 流經(jīng)區(qū)域氣候溫暖濕潤, 化學(xué)風(fēng)化作用較強, 使云母類等礦物風(fēng)化變質(zhì), 含量相對較少; 而以高含量角閃石以及榍石、電氣石、金紅石和鋯石等為代表的酸性–中酸性火成巖礦物組合出現(xiàn)[22,25],其中鋯石已經(jīng)成為長江流域物源的標(biāo)志礦物[25]。

4 結(jié)語

通過對南黃海西部陸架埋藏古河道區(qū)淺地層聲學(xué)剖面的研究以及綜合分析河流入海沉積物特征,可以看出長江、黃河入海沉積物在元素地球化學(xué)和礦物組合等方面存在顯著差異。

(1) 長江和黃河埋藏古河道河道斷面特征不同。黃河埋藏古河道發(fā)育規(guī)模較小, 河道斷面特征以不對稱式為主; 長江埋藏古河道發(fā)育規(guī)模較大, 河道斷面特征以對稱式為主。從河型來看, 長江古河道以辨狀型河道為主, 黃河古河道以曲流型河道為主。

(2) 長江與黃河入海沉積物中元素組合及其含量存在差異。長江河道相對富含K、Fe、Mg、Al和Pb等常量元素, 且微量元素種類也較為齊全, 而黃河河道則Ca、Ba、Sr、Th和Na等元素含量高于長江, 尤以高Ca、Ba和Sr為特征。此外, 長江和黃河沉積物中的稀土元素的含量也存在顯著差異。

(3) 長江和黃河入海沉積物中黏土礦物組合都為伊利石+蒙皂石+綠泥石+高嶺石, 但長江沉積物中伊利石含量高于黃河, 而蒙皂石含量低于黃河;在碳酸鹽種類和含量上有較大差異, 長江沉積物中富含白云石, 而黃河沉積物中方解石含量高; 此外,黃河沉積物中富含黑云母, 高的黑云母/白云母、磁鐵礦/鈦鐵礦和低的綠簾石/榍石、閃石類/輝石類可用于區(qū)別長江沉積物。

以上的差異可用于南黃海陸架長江、黃河埋藏古河道有效判別的依據(jù)。

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