長江口表層沉積物礦物磁性分區(qū)特征及其沉積環(huán)境指示意義

潘大東，王張華*，陳艇，高曉琴，李曉，戰(zhàn)慶

(1. 華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200062；2. 華東師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，上海200062；3. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海200072)

長江口表層沉積物礦物磁性分區(qū)特征及其沉積環(huán)境指示意義

潘大東1，王張華1*，陳艇1，高曉琴2，李曉3，戰(zhàn)慶3

(1. 華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200062；2. 華東師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，上海200062；3. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海200072)

本研究旨在揭示現(xiàn)代長江口不同沉積環(huán)境鐵磁性礦物的分布差異，尋找有效識(shí)別河口-陸架沉積環(huán)境的磁學(xué)指標(biāo)，以便更好地將環(huán)境磁學(xué)應(yīng)用于河口古環(huán)境研究。在長江口及鄰近陸架的6個(gè)沉積環(huán)境：汊道、攔門沙、三角洲前緣斜坡、前三角洲、前三角洲-陸架過渡區(qū)和殘留砂區(qū)，采集表層沉積物樣品，進(jìn)行粒度和磁性測量。結(jié)果顯示，χ和SIRM在汊道和攔門沙呈現(xiàn)顯著高值，HIRM、χfd%、χARM、χARM/χ和χARM/SIRM在前三角洲和前緣斜坡呈現(xiàn)顯著高值，反映了陸源物質(zhì)輸運(yùn)距離和河口沉積動(dòng)力對(duì)磁性礦物分布的控制作用。因此，參數(shù)組合HIRM、χARM、χARM/χ和χARM/SIRM可用于識(shí)別全新世地層前緣斜坡和前三角洲-陸架；參數(shù)組合χ、SIRM和S-20mT可嘗試用于識(shí)別汊道和攔門沙環(huán)境。

沉積動(dòng)力；磁性參數(shù)組合；沉積相識(shí)別；長江口

1 引言

沉積物磁性特征可反映磁性礦物的含量、類型和磁疇等信息，這些因子往往是沉積物物源、沉積動(dòng)力和沉積環(huán)境等綜合作用的結(jié)果[1]，因而沉積物磁性特征蘊(yùn)含了豐富的環(huán)境信息，常被用作物源和古環(huán)境代用指標(biāo)[2—6]。在河口三角洲地區(qū)，前人已經(jīng)將磁學(xué)手段用于指示晚第四紀(jì)海平面波動(dòng)[7]、恢復(fù)沉積環(huán)境[8—9]以及反映流域人類活動(dòng)和土壤侵蝕[10—11]。Zheng等還將東海內(nèi)陸架泥質(zhì)區(qū)鉆孔沉積物的磁性特征用于指示東亞季風(fēng)波動(dòng)[12]。

然而，由于磁性礦物易受氧化-還原環(huán)境及早期成巖作用影響[13—15]，沉積物的磁性往往具有多解性。長江口地區(qū)陸海交互作用強(qiáng)烈，水動(dòng)力條件復(fù)雜，受長江沖淡水、蘇北沿岸流、黃海沿岸流及臺(tái)灣暖流的共同作用，存在多個(gè)重要鋒面[16]，形成類型豐富的沉積地貌單元[17](見圖1)。為了使環(huán)境磁學(xué)手段在該區(qū)鉆孔沉積相判別中得到更好的應(yīng)用，尤其是協(xié)助區(qū)分具有相似沉積構(gòu)造地層的沉積環(huán)境，我們認(rèn)為首先必須弄清長江口及鄰近陸架現(xiàn)代沉積環(huán)境中磁性礦物的空間分布特征和機(jī)制。因此，本研究利用表層沉積物樣品進(jìn)行環(huán)境磁學(xué)分析，檢查長江口表層沉積物磁性特征及磁性礦物沉積相分異。

2 樣品和方法

2.1 樣品來源和分區(qū)

我們于2012年3月在國家自然科學(xué)基金委公共航次上獲得22個(gè)長江口表層沉積物樣品(圖1)，自陸向海采樣站位屬于5個(gè)沉積地貌單元[17]：汊道、三角洲前緣斜坡、前三角洲和內(nèi)陸架泥質(zhì)區(qū)(以下簡稱前三角洲)、前三角洲與陸架過渡區(qū)(以下簡稱過渡區(qū))以及殘留砂區(qū)(表1)。其中，汊道樣品來自南支和南槽，三角洲前緣斜坡樣品來自九段沙口外水深20 m以淺區(qū)域。由于該航次沒有采集到攔門沙樣品，我們利用國土資源部公益項(xiàng)目在橫沙淺灘和崇明淺灘實(shí)施的鉆孔HZK8和ZK1(圖1)，取頂部1 m沉積物作為攔門沙表層樣。

圖1 研究區(qū)域及站位分布Fig.1 Location of the study area and surficial sediment samples

表1 長江口表層樣站位信息

Tab.1 Site information of surficial sediment samples at the Changjiang River mouth

采樣部位站位水深/m緯度經(jīng)度巖性描述汊道Y31431°30′N121°26′E泥質(zhì)砂Y412 631°21′N121°40′E砂質(zhì)沉積物Y58 431°08′N121°54′E砂質(zhì)沉積物Y61031°00′N122°08′E含泥細(xì)砂攔門沙HZK85 331°14′N122°19′E粉細(xì)砂ZK15 231°22′N122°04′E細(xì)粉砂三角洲前緣斜坡E110 430°55′N122°15′E泥質(zhì)沉積物Y71330°49′N122°24′E含泥細(xì)砂E21630°55′N122°29′E泥質(zhì)沉積物前三角洲E32330°56′N122°45′E泥質(zhì)沉積物Y821 330°39′N122°37′E泥質(zhì)沉積物Y94330°27′N122°48′E泥質(zhì)沉積物

續(xù)表1

2.2 研究方法

將所有樣品在40℃烘干后，進(jìn)行粒度分析和室溫磁性測量。粒度分析采用LS13320型激光粒度儀。室溫磁性測量包括以下多個(gè)指標(biāo)。用MS2-B型磁化率儀測量低頻(0.47 kHz)和高頻(4.7 kHz)磁化率(χlf、χhf)，并計(jì)算出頻率磁化率百分?jǐn)?shù)χfd%=[(χlf-χhf)/χlf]×100。通過D-Tech2000交變退磁儀(交變磁場峰值100 mT，直流磁場0.04 mT)獲得非磁滯剩磁(ARM)，并使用Minispin旋轉(zhuǎn)磁力儀測定χARM(=ARM/0.318 4)。然后用Molspin脈沖磁化儀獲得在20 mT、40 mT、100 mT、300 mT、1 000 mT、-20 mT、-40 mT、-100 mT、-300 mT磁場下的等溫剩磁(IRM)，并用旋轉(zhuǎn)磁力儀測定。將1 T磁場獲得的IRM和IRM20mT分別作為飽和等溫剩磁(SIRM)和軟剩磁(SOFT)。最后計(jì)算硬剩磁HIRM=(SIRM+IRM-300mT)/2，退磁參數(shù)S-K%=[(SIRM-IRM-KmT)/(2×SIRM)]×100，K=20，40，100，300，以及各比值參數(shù)χARM/χ、χARM/SIRM及SIRM/χ。以上測試均在華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

主要磁性參數(shù)的指示意義：χ主要反映亞鐵磁性礦物含量[18]。SIRM反映亞鐵磁性(如磁鐵礦)和不完整反鐵磁性礦物(如赤鐵礦、針鐵礦)的含量[2]。HIRM只反映不完整反鐵磁性礦物的含量。χfd%主要用來鑒定沉積物中細(xì)的鐵磁晶粒(SP-FV)，一般當(dāng)沉積物χfd%值達(dá)到5%左右時(shí)，就說明超順磁物質(zhì)較多[18]。χARM對(duì)穩(wěn)定單疇亞鐵磁性礦物顆粒極為敏感，因此χARM和χARM/χ強(qiáng)烈受到亞鐵磁性礦物晶粒大小的影響，其高值反映單疇(SD)晶粒，而低值則指示多疇(MD)或假單疇(PSD)晶粒[19]。χARM/SIRM的高值一般指示了穩(wěn)定單疇(SSD)鐵磁晶粒[1，18，20]。S-K%用來定性區(qū)分鐵磁性礦物、反映亞鐵磁性礦物和不完整反鐵磁性礦物的相對(duì)重要性，值越小，表明不完整反鐵磁性礦物相對(duì)含量越高[21]。SIRM/χ既有助于分辨樣品中單疇或多疇鐵磁晶粒的相對(duì)重要性，也可用于判別磁性礦物類型[2，22]。

3 研究結(jié)果

3.1 粒度分布

沉積物粒度分析結(jié)果顯示，6個(gè)地貌單元的沉積物顆粒組成差異明顯(見圖2)。汊道沉積物均為細(xì)砂，粒度頻率曲線為單峰(見圖2a)，峰值153.8～203.5 μm，平均粒徑115.7～177.6 μm。攔門沙沉積物為粉細(xì)砂，粒度頻率曲線也為單峰(見圖2b)，但峰值和平均粒徑減小為105.9～127.6 μm和61.7～110.1 μm。前緣斜坡粒度曲線變?yōu)殡p峰(見圖2c)，主峰值19.8～21.7 μm，次峰4.5～6.2μm，平均粒徑12.6～21.3 μm。前三角洲沉積物粒度曲線也呈雙峰型(見圖2d)，除靠近嵊泗島的Y8站，其余樣品峰值在7.7～8.5 μm和18.0 μm附近，兩個(gè)峰強(qiáng)度相當(dāng)，平均粒徑11.5～14.0 μm，Y8站的平均粒徑達(dá)28.9 μm。過渡區(qū)沉積物粒度曲線呈多峰型(見圖2e)，除F6站外，主峰127.7～245.2 μm，其余5.4～25.3 μm，H8站還有次峰，位于102.3～110.5 μm，顯示砂泥混合的特征，平均粒徑變化很大，為12.7～173.5 μm。殘留砂區(qū)沉積物粒度曲線呈單峰型(圖2f)，峰值223.4～295.5 μm，平均粒徑146.1～284.2 μm，為細(xì)中砂。

圖2 長江口各沉積環(huán)境沉積物粒度曲線Fig.2 Volume curves in particle size for samples from differential sedimentary environments at the Changjiang River mouth

表2 長江口各站位室溫磁性參數(shù)分布

續(xù)表2

圖3 沉積物平均粒徑和反映磁性礦物含量的參數(shù)分布Fig.3 Mean grain sizes and magnetic parameters of surficial sediments

圖4 反映磁性礦物類型的參數(shù)分布Fig.4 Distribution of magnetic parameters indicating magnetic mineral types

圖5 沉積物平均粒徑和反映磁性礦物晶粒參數(shù)分布Fig.5 Distribution of magnetic parameters indicating magnetic mineral grain size

3.2 磁性特征

將反映鐵磁性礦物含量、類型和晶粒大小的參數(shù)分組，分別置于圖3～5。χ和SIRM在汊道均表現(xiàn)為最高值(見圖3，表2)。χ的變化與沉積物平均粒徑變化基本保持同步，即自陸向海逐漸減小，在前三角洲達(dá)到最小值，到過渡區(qū)和殘留砂區(qū)再次增大(見圖3b)。SIRM在汊道表現(xiàn)為最高值，攔門沙、前緣斜坡和前三角洲較為相似，到過渡區(qū)和殘留砂區(qū)再次明顯減小(見圖3c)。

參數(shù)SOFT(見圖4a，表2)在汊道和攔門沙最高，在過渡區(qū)最低，到殘留砂區(qū)又略有回升；參數(shù)HIRM，在前緣斜坡和前三角洲區(qū)達(dá)到最高值，殘留砂區(qū)顯著低于三角洲區(qū)域(圖4b)。退磁參數(shù)S-20mT最高值出現(xiàn)在攔門沙，其次為殘留砂區(qū)和過渡區(qū)，最低值出現(xiàn)在前緣斜坡和前三角洲(見圖4c，表2)。退磁參數(shù)S-300mT在各區(qū)差別較小，均超過90%(見圖4d)，反映各區(qū)都以亞鐵磁性礦物為主，不過也有細(xì)微差別，最高值出現(xiàn)在殘留砂區(qū)，最低值出現(xiàn)在前三角洲。因此退磁參數(shù)與SOFT及HIRM相互驗(yàn)證，揭示了PSD/MD晶疇的亞鐵磁性礦物富集于汊道及攔門沙，不完整反鐵磁性礦物富集于前緣斜坡和前三角洲，殘留砂區(qū)磁性礦物含量較低且以PSD/MD亞鐵磁性礦物為主。

指示超順磁晶粒的參數(shù)χfd%，在前三角洲均值達(dá)4.9%，前緣斜坡也呈現(xiàn)顯著高值(見表2，圖5b)，反映這兩個(gè)區(qū)域超順磁晶粒含量豐富甚至以超順磁為主。攔門沙及過渡區(qū)部分樣品超過了2%，反映也存在一定的超順磁晶粒。汊道及殘留砂區(qū)不含超順磁晶粒。另一組磁性參數(shù)χARM、χARM/χ和χARM/SIRM也在前三角洲和前緣斜坡呈現(xiàn)顯著高值，在過渡區(qū)呈現(xiàn)次高值(圖5c～e)，反映前三角洲和前緣斜坡磁性礦物晶粒以SD為主。該組參數(shù)在過渡區(qū)各站間的變化較大，在F6和H8呈現(xiàn)顯著高值，在其他站較小，反映過渡區(qū)粗細(xì)混合特征(見圖5)；在汊道均為最低，在攔門沙和殘留砂區(qū)為次低，指示這3個(gè)區(qū)以MD為主。上述磁性礦物晶粒大小的分布，與沉積物粒度分布相似，差別主要在于殘留砂區(qū)沉積物雖然明顯粗于汊道和攔門沙，但反映磁性礦物晶粒的參數(shù)卻略高，指示礦物晶粒略小。

4 討論

首先，三角洲前緣斜坡和前三角洲的SP和SD信號(hào)強(qiáng)烈(見圖5b)，說明細(xì)顆粒亞鐵磁性礦物的保存較好，早期成巖作用之一的磁性礦物溶解作用在長江口表層沉積物中不明顯，推測這與沉積物物源供應(yīng)豐富有關(guān)。而殘留砂區(qū)雖然沉積物顆粒明顯比長江口汊道和攔門沙粗，但磁性礦物的晶疇卻略小，反映了在缺乏長江沖淡水和沉積物供應(yīng)的海水環(huán)境中磁性礦物的溶解。此外，比值參數(shù)SIRM/χ及各退磁參數(shù)也沒有顯示自生鐵硫化物的存在[22—23](見表2)。所以我們認(rèn)為，本研究淺表層沉積物的磁性特征基本反映了陸源輸入物質(zhì)在河口區(qū)的分布特征。

χ和SIRM自河口汊道到前三角洲的減小(圖3)，反映磁性礦物絕對(duì)含量自陸向海逐漸減少。同時(shí)，磁性礦物的類型和晶粒大小存在明顯的沉積相分異，即粗顆粒的MD亞鐵磁性礦物富集于汊道及攔門沙(圖3)，細(xì)顆粒的SP和SD鐵磁性礦物富集于三角洲前緣斜坡和前三角洲(見圖5)。這種分布特征和沉積物粒度基本一致，反映陸源輸入的磁性礦物進(jìn)入河口后，其分布主要受沉積動(dòng)力控制[24]，粗顆粒礦物滯留在河口近岸區(qū)，SP和SD礦物則主要向口外輸送，甚至可以被遠(yuǎn)距離輸送到陸架區(qū)。

值得注意的是，反映不完整反鐵磁性礦物含量的參數(shù)HIRM與反映SD晶粒的參數(shù)χARM及比值參數(shù)χARM/χ、χARM/SIRM分布一致(見圖4，圖5)，說明不完整反鐵磁性礦物主要為SD晶?；蛘咂渚w以片狀為主[25]，因此其分布也受沉積動(dòng)力控制，主要向口外和陸架輸送。這也解釋了殘留砂區(qū)的SIRM和HIRM低值(圖3，圖4)，即殘留砂區(qū)的沉積物在晚更新世堆積時(shí)，雖然也形成于濱海環(huán)境[26—27]，但其沉積物粒徑反映形成環(huán)境或末次冰消期海侵過程中的水動(dòng)力強(qiáng)于現(xiàn)代長江口的汊道和攔門沙(見圖2)，因此導(dǎo)致細(xì)顆粒或片狀的不完整反鐵磁性礦物含量很低。

由此，我們提出，磁性參數(shù)組合HIRM、χARM、χARM/χ和χARM/SIRM可以作為本區(qū)前三角洲和三角洲前緣斜坡沉積相的識(shí)別指標(biāo)。盡管SP顆粒也富集于前三角洲和前緣斜坡，但是因其最優(yōu)先被溶解的特征[13]，我們推測SP顆粒易受早期成巖作用影響，在地層中保存幾率較小，因此不是沉積相識(shí)別的有利指標(biāo)。SD的亞鐵磁性礦物也較容易被溶解，但不完整反鐵磁性礦物在所有鐵磁性礦物中最難被溶解[28—29]，我們推測其在地層中的保存會(huì)優(yōu)于SP和SD亞鐵磁性礦物。所以推測上述參數(shù)組合可較好地應(yīng)用于鉆孔地層的沉積相識(shí)別。事實(shí)上，過去對(duì)長江水下三角洲ZK9孔全新世地層的環(huán)境磁學(xué)分析也顯示[9]，上述各磁性參數(shù)在淺海陸架及前三角洲相顯著高于下伏河口灣和潮灘相沉積，成為識(shí)別最大海泛面的有效指標(biāo)。

本研究表層沉積物的結(jié)果還顯示，受輸運(yùn)距離控制，攔門沙的χ和SIRM(尤其是SIRM)明顯低于汊道砂體，但攔門沙的S-20mT卻較高，反映攔門沙地區(qū)相對(duì)富集偏軟的磁性礦物，而汊道砂體中磁性礦物類型更多樣。因此對(duì)于鉆孔地層中較難分辨的汊道砂體和攔門沙，磁性參數(shù)組合χ、SIRM以及S-20mT值得嘗試。

另外，上述各種磁性特征在埋藏之后的早期成巖作用是否還會(huì)發(fā)生顯著變化，還需要更多的鉆孔研究來揭示。

5 結(jié)論

(1)長江口及鄰近陸架表層沉積物的磁性特征反映早期成巖作用較弱，磁性礦物以陸源輸入信息為主。

(2)磁性礦物在河口區(qū)的分布主要受輸送距離和沉積動(dòng)力控制，PSD/MD鐵磁性礦物滯留于河口汊道和攔門沙，SP/SD磁性礦物和不完整反鐵磁性礦物則向口外和陸架輸送。

(3)磁性參數(shù)組合HIRM、χARM、χARM/χ和χARM/SIRM可作為長江口地層中前緣斜坡和前三角洲沉積相的識(shí)別指標(biāo)；磁性參數(shù)組合χ、SIRM和S-20mT可嘗試識(shí)別河口汊道和攔門沙。

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Mineral magnetic characteristics of surficial sediments and their implications for identifying sedimentary environments at the Changjiang River mouth

Pan Dadong1，Wang Zhanghua1，Chen Ting1，Gao Xiaoqin2，Li Xiao3，Zhan Qing3

(1.StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch，EastChinaNormalUniversity，Shanghai200062，China; 2.SchoolofGeographicalSciences，EastChinaNormalUniversity，Shanghai200062，China; 3.ShanghaiGeologicalSurveyInstitute，Shanghai200072，China)

This study attempted to reveal the distribution patterns of magnetic minerals in the various sedimentary environments of Changjiang River mouth and adjacent continental shelf，and assessed proxies of magnetic parameters for identifying sedimentary environments，and the obtained results would be used to better perform the paleo-environmental reconstruction. We collected surficial sediments from the following six sedimentary environments at the Changjiang River mouth and adjacent continental shelf: distributary channel，river mouth shoal，delta front slope，prodelta，transitional regions and relict sand，and measured their grain size and magnetic properties. The results showed that，significantly highχand SIRM values were obtained for sediments from the distributary channel and river mouth shoal，and high values of HIRM，χfd%，χARM，χARM/χandχARM/SIRM were measured for sediments from prodelta and delta front slope，indicating that the distribution of magnetic minerals was controlled by the dispersal of terrigenous sediments and hydrodynamic sorting. We proposed that for the Holocene stratigraphy，magnetic parameter assemblage of HIRM，χARM，χARM/χandχARM/SIRM could be the effective indicator for identifying prodelta and delta front slope，andχ、SIRM andS-20mTcan be used to recognize the distributary channel and river mouth shoal．

hydrodynamic sorting; magnetic parameters; identification of sedimentary facies; the Changjiang River mouth

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.05.010

2014-10-27；

2014-12-24。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41176070)；河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(SKLEC-2012KYYW01)；國土資源部公益項(xiàng)目(201211009)。

潘大東(1983—)，男，重慶市巫溪縣人，博士，主要從事河口—三角洲沉積地貌環(huán)境響應(yīng)研究。E-mail:dadongdedou@163.com

*通信作者：王張華，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事晚第四紀(jì)海平面變化及河口—三角洲沉積地貌環(huán)境響應(yīng)研究。E-mail:zhwang@geo.ecnu.edu.cn

P512.2

A

0253-4193(2015)05-0101-11

潘大東，王張華，陳艇，等.長江口表層沉積物礦物磁性分區(qū)特征及其沉積環(huán)境指示意義[J].海洋學(xué)報(bào)，2015，37(5)：101-111，

Pan Dadong，Wang Zhanghua，Chen Ting，et al. Mineral magnetic characteristics of surficial sediments and their implications for identifying sedimentary environments at the Changjiang River mouth[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(5)：101-111，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.05.010