東海內(nèi)陸架沉積物敏感粒級構(gòu)成及其地質(zhì)意義*

田 元 范德江① 張喜林 陳 彬 王 亮 逄 悅

(1. 中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院 青島 266100; 2. 國土資源部青島海洋地質(zhì)研究所 青島 266071;3. 國家海洋局第三海洋研究所 廈門 361005)

粒度是沉積物的基本屬性, 它是沉積物分類和命名的依據(jù), 如海洋沉積物Shepard分類方法和Folk的分類方法, 它們都是依據(jù)沉積物粒級組成進行了分類(Shepard, 1954; Folk et al, 1970)。粒度也是進行沉積環(huán)境恢復(fù)和重建的重要指標, 其中粒級參數(shù)、粒級分布和統(tǒng)計學(xué)圖表在沉積相和古環(huán)境研究中被廣泛應(yīng)用(Krumbein, 1934; Folk et al, 1957; Passega,1957; Visher, 1969; Clark, 1976; Syvitski, 1991; Prins et al, 2000; Davis et al, 2002)。近年來出現(xiàn)了敏感粒級的概念, 它特指在巖芯中變化強烈的粒級組分, 并借助粒度-標準偏差法、主成分因子分析法、擬合函數(shù)法和端元粒度模型提取敏感性粒級(孫東懷等, 2001;陳國成等, 2007; 張存勇等, 2009; Weltje, 1997;Boulay et al, 2003)。學(xué)者們試圖利用敏感性粒級組成作為特定地質(zhì)作用的指標(肖尚斌等, 2005a; Liu et al,2010b; Fan et al, 2011; Huang et al, 2011; Hu et al,2012), 如肖尚斌等(2005a)通過敏感粒度組分并反演了 8ka來的東亞季風(fēng)變化, 向榮等(2006)依據(jù)巖芯中敏感性粒級組分重建了末次冰期以來東亞冬季風(fēng)的變化; 然而, 李云海等(2010)對閩浙沿岸泥質(zhì)區(qū)南部沉積中心的沉積物冬、夏季表層樣的分析, 認為冬季和夏季敏感粒級相同, 且該區(qū)域的表層樣敏感粒級和柱狀樣敏感粒級相似。迄今為止, 不同學(xué)者對敏感性粒級的構(gòu)成以及替代性作用的認識不一致, 缺乏對敏感性粒級組分成因機制的了解。

東海內(nèi)陸架泥質(zhì)區(qū)高海平面以來沉積環(huán)境穩(wěn)定,是在東亞季風(fēng)、長江輸入、海洋動力環(huán)境等因素共同影響下沉積作用的結(jié)果; 該區(qū)沉積體厚度大、連續(xù)性好, 成為研究古環(huán)境信息的重要載體。前人利用沉積物巖芯沉積學(xué)記錄開展了較多的冰后期以來古環(huán)境、古氣候方面的研究, 取得了重要的成果(肖尚斌等,2005b; 向榮等, 2006; 劉升發(fā)等, 2010; Wang et al,2005; Liu et al, 2010a; Liu et al, 2010b), 其中個別學(xué)者涉及到敏感性粒級的古氣候恢復(fù)研究(向榮等,2006)。前人的研究多集中在單個巖芯的敏感粒級提取與解析, 對內(nèi)陸架不同區(qū)域的對比研究較少見, 對東海內(nèi)陸架泥質(zhì)區(qū)從北到南不同沉積位置的敏感粒級組成的差異不清楚, 對敏感性粒級的形成機制未進行深入分析。為此, 本文通過對東海內(nèi)陸架泥質(zhì)區(qū)3根巖芯(圖 1)敏感性粒級的對比研究, 闡明該區(qū)的敏感性粒級構(gòu)成, 探討敏感性粒級的形成機制, 為更好地利用敏感性粒級進行古環(huán)境和古氣候研究提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

東海西靠中國大陸, 東臨琉球群島, 北接黃海,南以臺灣海峽與南海相連, 面積約 70×104km2, 平均水深為 130m。東海大陸架是世界上最為寬廣的陸架之一, 平均坡度僅為4′17″, 平均水深78m。50—60m等深線將其分為內(nèi)陸架和外陸架兩部分, 內(nèi)陸架海底地形底質(zhì)相對復(fù)雜, 外陸架相對平緩。

沿著東海內(nèi)陸架發(fā)育著名的泥質(zhì)沉積帶, 它發(fā)育在水深50m左右的近海海域, 緊靠浙江、福建海岸(秦蘊珊等, 1982; 郭志剛等, 2003; Saito et al,1995)(圖1)。泥質(zhì)區(qū)向外則是相對粗顆粒的被改造殘留沉積物(Liu et al, 2007)。長江輸入東海的巨量沉積物以及該區(qū)的海洋動力環(huán)境共同塑造了東海內(nèi)陸架現(xiàn)代沉積作用。由河流帶來的巨量泥沙輸送入海并沉積于河口以及內(nèi)陸架等海域, 形成厚度不一的陸源碎屑沉積層(秦蘊珊, 1987; 李家彪, 2008)。內(nèi)陸架區(qū)域沉積動力環(huán)境主要受控閩浙沿岸流和臺灣暖流(郭志剛等, 2000)。其中閩浙沿岸流隨季節(jié)變化, 夏季因東南季風(fēng)盛行流向北,冬季由于偏北季風(fēng)盛行而向南運移(秦蘊珊, 1987); 而臺灣暖流在東海中內(nèi)陸架終年存在,沿50—100m等深線向北流動(Su et al, 1987)。冬季閩浙沿岸流將再懸浮的長江口門及附近的沉積物向南輸運, 又由于臺灣暖流的“頂托”作用阻擋了其攜帶的物質(zhì)向東海中外陸架輸送, 使得沉積物沉積在123°E以西的閩浙沿岸, 形成東海內(nèi)陸架泥質(zhì)沉積區(qū)(楊作升等, 1992; 郭志剛等, 1999), 是東?，F(xiàn)代陸架的沉積中心, 是長江入海物質(zhì)的“匯”(Yang et al,1994; Saito et al, 1995)。

2 采樣與研究方法

2.1 研究站位和樣品采集

沉積物巖芯D1、D2、D3由“東方紅2號”科學(xué)考察船分別在2006年、2009年、2011年的三個航次中利用重力取樣器取得。其中, 巖芯 D1(122.6167°E,31.0167°N)位于長江口泥質(zhì)區(qū), 水深 20.4m, 巖芯長度為 226cm。巖芯 D2(122.4529°E, 29.2088°N)、D3(121.8690°E, 27.7997°N)位于閩浙沿岸泥質(zhì)沉積區(qū),水深分別為 40m、53.8m, 巖芯長度均為 180cm。巖芯站位見圖1。所采集的沉積物巖芯于室內(nèi)進行分樣,從中間剖分, 按照 0.25cm 的間隔分樣, 并把樣品裝入塑料樣品袋中, 室溫保存。

圖1 研究區(qū)及采樣站位分布圖。底圖據(jù)Su等(1987)和Liu等(2006)重繪Fig.1 Map of sampling sites. The base map was modified from Su(1987) and Liu et al(2006)

2.2 粒度分析方法

采用激光粒度分析儀進行沉積物的粒度分析。實驗步驟如下: 取0.5—1g左右的樣品放入100mL的干凈燒杯中, 加入 5mL濃度為 30%的 H2O2, 靜置 24h以去除有機質(zhì); 加入3mL分散劑(0.5mol/L六偏磷酸鈉)超聲 30min確保足夠分散并待上機測試。實驗儀器為英國Malvern公司的Mastersizer 2000 型激光粒度分析儀, 該儀器測量范圍為 0.02—2000μm, 粒級分辨率為0.01Φ, 重復(fù)測量的相對誤差＜3%。實驗在中國海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測教育部重點實驗室完成。粒度分級采用伍登-溫德華-Φ 值標準, 粒度數(shù)據(jù)以 0.25Φ的采集間隔導(dǎo)出, 粒度參數(shù)采用 McManus矩法公式(McManus,1988)計算。

3 結(jié)果與討論

3.1 巖芯的粒度特征

巖芯的粒度具體統(tǒng)計結(jié)果見表1。三根巖芯沉積物組成均以粘土和粉砂為主, 其中砂平均含量均小于 3%, 粉砂平均含量在 67%—71%之間, 粘土平均含量在27%—31%之間。各巖芯平均粒度參數(shù)中, 中值粒徑 Md 7.1—8.9μm, 平均粒徑 Mz 6.5—10.9μm;分選δ均較差; 偏態(tài)Sk僅D2為負偏態(tài), 其余為正偏態(tài); 峰態(tài)Ku均為寬峰態(tài)。

從平均粒徑垂向變化圖(圖2)上可以看出, 3根巖芯的平均粒徑主要分布在6—8μm之間, 值得注意的是, 各巖芯均有明顯峰值出現(xiàn)。

表1 巖芯粒度參數(shù)Tab.1 Grain size distribution in the sediments from the cores

圖2 平均粒徑垂向分布圖Fig.2 The vertical profiles of the mean grain-size distribution

3.2 敏感粒級提取

采用粒徑-標準偏差法(Boulayet al, 2003)對粒度分析結(jié)果進行敏感粒級的提取, 各個巖芯的粒級-標準偏差曲線如圖3所示。根據(jù)圖3確定各個巖芯的敏感粒級, 巖芯 D1、D2、D3粒級-標準偏差曲線基本一致, 它們可識別出3個敏感粒級區(qū)間, 分別稱之為敏感粒級1、敏感粒級2和敏感粒級3(表2), 其中敏感粒級2在所有3個巖芯中標準偏差值最大, 表明其在巖芯中的波動強烈, 具有最好的環(huán)境變化指示作用。從長江口向南, 敏感粒級區(qū)間逐漸向細顆粒方向偏移的趨勢, 以敏感粒級 2、3的界線的偏移更加明顯, 巖芯 D1、D2、D3 的該界線分別為 272.62、229.25、114.63μm。敏感粒級 1、2的界線亦有偏移, 但是偏移幅度很小。這種偏移現(xiàn)象與長江入海沉積物向南搬運過程中發(fā)生的沉積分異作用有關(guān)。

圖3 粒徑-標準偏差曲線圖Fig.3 The standard deviation vs. grain-size of the cores

表2 巖芯敏感粒級(單位μm)Tab.2 The sensitive grain-size groups

3.3 敏感性粒級形成機制分析

東海內(nèi)陸架沉積物以陸源碎屑占據(jù)絕對優(yōu)勢,沉積物粒級構(gòu)成受到牽引流搬運和沉積作用的總體控制。為此, 可以利用沉積物粒度分布形式揭示沉積物的搬運特征, 進而探討敏感粒級的形成機制。

3.3.1 搬運特征分析 沉積物粒度的概率累積曲線能直觀地展現(xiàn)沉積物搬運特征(Visher, 1969;Glaisteret al, 1974; 鄭浚茂等, 1980; 袁靜等, 2011)。三根巖芯的概率累積曲線表現(xiàn)形式一致, 包括三種情況: 一段式、兩段式、三段式(圖 4)。一段式主要出現(xiàn)于巖芯中的平均粒徑較細的常態(tài)沉積物中, 以懸浮式搬運為主; 兩段式主要出現(xiàn)于巖芯中較粗夾層的沉積物中, 分為兩個搬運次總體, 即跳躍次總體和懸浮次總體, 截點在5—6Φ之間; 三段式見于巖芯的個別層位之中, 除了懸浮搬運次總體外, 粗粒段出現(xiàn)典型的推移載荷, 推移次總體和懸浮次總體的截點在4Φ附近。

為進一步揭示該區(qū)沉積物的機械搬運形式, 對該處巖芯沉積物粒度的C-M圖式進行分析(圖5)。在粒度的C-M圖中, C值與樣品中最粗顆粒的粒徑相當,代表了水動力攪動開始搬運沉積物的最大能量; M值代表了水動力的平均能量。典型的牽引流型 C-M圖包含N-O-P-Q-R-S等線段, 代表滾動、遞變懸浮、均勻懸浮等沉積物搬運形式(Passega, 1977)。因為本區(qū)三根巖芯長度都在 250cm以下, 據(jù)該區(qū)的沉積速率估算它們的形成時間都在最近250年以內(nèi), 而這期間該處沉積環(huán)境基本穩(wěn)定(Yanget al, 1994; 郭志剛等,2000, 2003; 肖尚斌等, 2005a), 所以以巖芯不同層位樣品集合形成C-M圖解(圖4)。三個巖芯的C-M圖具有基本相同的形式, 各個巖芯樣品的散點落在3個區(qū)域, 即圖中的L-1、L-2、L-3。L-1的C、M值呈現(xiàn)同步變化, 形態(tài)大致平行于 C=M 線, 為遞變懸浮搬運次總體。L-2樣品點較集中, C值變化部明顯, 因為它緊鄰L-1, 且M值比L-1小, 分析認為屬于均勻懸浮搬運次總體。相比于L-1、L-2, L-3樣品點較分散, 特點是M值變化不大, 并且M值位于均勻懸浮次總體的 M 值范圍之內(nèi), 分析認為該次總體屬于細顆粒沉積物中所含的少量的粗顆粒, 它們屬于生物碎屑, 以懸浮或者推移方式進行搬運。需要注意的是D1、D2、D3三個巖芯遞變懸浮次總體、均勻懸浮次總體的分界分別在 14、12和 12μm, 與敏感粒級 1、2的分界一致; 三個巖芯的均勻懸浮次總體和生物碎屑的分界分別在200、200、和100μm左右, 也與敏感粒級2、3的分界基本一致。

3.3.2 敏感性粒級的成因 根據(jù)前文分析可知,研究區(qū)沉積物組成分為三個敏感粒級,粒級 1(0—12μm 或 0—14μm)、粒級 2(12—200μm 或 14—100μm)和粒級3(大于200μm或大于100μm), 接下來對這三個敏感粒級的成因進行討論。

敏感粒級 1: 它構(gòu)成了本區(qū)沉積物的主體部分,粒級區(qū)間與概率累積曲線上的懸浮載荷相對應(yīng)(圖6)。該粒級是本區(qū)沉積物中最細的組成部分, 概率累積曲線圖指示其為懸浮載荷, C-M圖進一步證實該沉積物屬于均勻懸浮載荷, 它可以隨著水體進行長距離搬運, 海洋動力弱的海況下有利于該粒級沉積物的沉積。夏季段, 浙閩沿岸流衰退, 風(fēng)浪能量弱, 有利于該粒級沉積物的沉積和保存; 冬季時段, 雖然沿岸流和風(fēng)浪作用強烈, 但是由于絮凝作用、生物過程以及海洋鋒面過程等的存在, 也能促使該粒級的沉積物發(fā)生沉積。

敏感粒級 2: 其含量僅次于敏感粒級 1, 且在巖芯中波動最明顯, 粒級區(qū)間與概率累積曲線上的推移載荷(兩段式)以及懸移載荷(一段式)相對應(yīng)(圖6)。雖然概率累積曲線指示該粒級既有推移載荷又有懸移載荷, 但是從 C-M 圖顯示該粒級屬于遞變懸浮搬運次總體, 說明這部分沉積物在水柱中的含量是變化的, 并且存在與底質(zhì)沉積物交換的可能。該粒級沉積物概率累積曲線斜率大、分選好, 反映水動力能量較大。該海域冬季時期受到來自西伯利亞冷空氣的影響, 風(fēng)浪大, 同時冬季浙閩沿岸流強勁, 可以認為該部分沉積物主要為冬季沿岸流搬運并沉積而成的。敏感粒級2既出現(xiàn)于平均粒徑較粗的層位中, 也出現(xiàn)于平均粒徑較細的常態(tài)層位之中, 可以認為該粒級為該區(qū)正常海況環(huán)境下的沉積產(chǎn)物, 這與肖尚斌等(2005a)認為大于45μm的粗粒組分為風(fēng)暴流攜帶的沉積物的認識有所不同。

敏感粒級 3: 它是本區(qū)最粗的沉積物, 出現(xiàn)在平均粒徑較細的沉積物之中, 粒級區(qū)間與概率累積圖中的推移載荷相對應(yīng)(圖 6)。它在概率累積曲線上表現(xiàn)為典型的推移載荷, 但是在 C-M 圖上則表現(xiàn)為近平行于C軸的較寬的帶狀區(qū)域, 與牽引流的推移載荷段明顯不同。聯(lián)系到該海域具有高的初級產(chǎn)生力(王亮, 2014), 硅藻、甲藻以及底棲生物發(fā)育, 在分樣中也見到保存程度不一的生物碎片, 為此認為該敏感粒級主要屬于生物成因。由于是生物來源, 它可以直接來自該處底棲、浮游生物的硬體, 或者來自周邊再懸浮生物碎片, 它們與該處的水動力條件不一致。

圖4 三根巖芯沉積物粒度概率累積曲線圖Fig.4 The probability cumulative curves of sediment grain sizes of the cores

圖5 三根巖芯沉積物粒度C-M圖Fig.5 C-M diagrams of grain sizes of the cores

圖6 概率累積曲線與粒徑-標準偏差曲線對比圖Fig.6 Comparison between probability cumulative curve and standard deviation-grain size

4 結(jié)論

東海內(nèi)陸架現(xiàn)代沉積物發(fā)育大致相同的三個敏感性粒級, 分別是敏感粒級 1(＜12μm)、敏感粒級2(12—225μm)和敏感粒級 3(＞225μm)。從北到南敏感粒級區(qū)間具有逐漸向細顆粒方向偏移的趨勢, 以敏感性粒級2、3的界線的偏移較明顯, 敏感性粒級1、2的界線偏移幅度很小。這種偏移現(xiàn)象與長江入海沉積物向南搬運過程中發(fā)生的沉積分異作用有關(guān)。

敏感粒級1和2分別由均勻懸浮次總體、遞變懸浮次總體構(gòu)成, 代表不同水動力環(huán)境下的搬運沉積的結(jié)果。而敏感粒級3則由生物過程產(chǎn)生, 難以反映水動力條件。結(jié)合該區(qū)的海洋動力特征, 敏感粒級 2可較好地指示冬季海洋動力的強弱, 并進而揭示東亞冬季風(fēng)強度的潛在意義。

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