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    唐山濱海濕地表層沉積物類型及環(huán)境示蹤

    2019-08-02 03:35:18郝彪高蓮鳳張振國周巍李璞壯
    四川地質(zhì)學(xué)報(bào) 2019年2期
    關(guān)鍵詞:曹妃甸沉積環(huán)境濱海

    郝彪,高蓮鳳,張振國,周巍,李璞壯

    HAO Biao GAO Lian-feng ZHANG Zhen-guo ZHOU Wei LI Pu-zhuang

    唐山濱海濕地表層沉積物類型及環(huán)境示蹤

    郝彪,高蓮鳳,張振國,周巍,李璞壯

    (華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063210)

    沉積物是環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)中重金屬污染程度的重要指示劑。其微觀上可以為重金屬在沉積物中的化學(xué)組成及其與環(huán)境的關(guān)系等方面的機(jī)理提供重要的證據(jù);宏觀上則是對(duì)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀、污染程度進(jìn)行正確評(píng)價(jià)的前提。在前人研究的基礎(chǔ)上,對(duì)渤海灣唐山濱海濕地表層沉積物基本理化性質(zhì)及重金屬含量、粒度參數(shù)的分析,運(yùn)用Sr/Ba值和沉積物中Sr、Ga、V含量對(duì)陸相和海相沉積進(jìn)行示蹤;運(yùn)用Cu/Zn值,來示蹤當(dāng)時(shí)氧化-還原情況;用Sr/Cu比值法,對(duì)當(dāng)時(shí)的氣候進(jìn)行恢復(fù)。討論了唐山濱海濕地表層沉積物的主要類型,該沉積相大多數(shù)為濱淺海沉積和三角洲沉積,主要為氧化狀態(tài),水動(dòng)力條件處在中高能。

    環(huán)境示蹤;重金屬;粒度分析;唐山濱海濕地

    從古到今,沉積環(huán)境一直是沉積學(xué)研究的重點(diǎn)部分。起初,人們主要從沉積巖或沉積物著手分析。它們當(dāng)中可能留存具有指示沉積環(huán)境的原生沉積構(gòu)造、結(jié)構(gòu)和生物化石等,但是利用它們來恢復(fù)古環(huán)境存在一定程度的局限性。在不同的沉積環(huán)境當(dāng)中,水體具有不同的水動(dòng)力條件、質(zhì)點(diǎn)的交換能力等物化性質(zhì)[1]。在沉積物當(dāng)中,經(jīng)常能夠反映和保存元素被沉積物吸附和元素之間相互交換的結(jié)果。這就是為什么沉積環(huán)境能夠用地球化學(xué)標(biāo)志來反映和恢復(fù)的原因。沉積巖或沉積物所含微量元素分配和比率的改變和重組,于某種范圍內(nèi)對(duì)古氣候的演化歷程具有示蹤性意義。

    渤海是中國唯一的半封閉海域,它繼承了黃河、海河和遼河三大流域,連接黃海和東海。隨著環(huán)渤海區(qū)域工業(yè)化進(jìn)程的加速和經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高,渤海灣重金屬污染問題也越來越受到關(guān)注[2]。沿海沉積物記錄了歷史發(fā)展過程中各種地質(zhì)演化歷史和地質(zhì)環(huán)境形成過程,是獲取沿海污染史的最佳方法。許多學(xué)者研究了渤海灣表層和垂直沉積物重金屬分布及其污染狀況、生物有效性、地球化學(xué)特征和影響因素。沉積物作為環(huán)境演化的記錄樣本,系統(tǒng)記載了生物生態(tài)系統(tǒng)中物理及化學(xué)變化過程、保護(hù)環(huán)境和人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響[3],以保護(hù)海洋沉積物中的重金屬元素的形成、轉(zhuǎn)化及其成因等科學(xué)探究越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的重視。

    圖1 采樣點(diǎn)位置

    1 材料和方法

    1.1 樣品采集

    將唐山濱海濕地作為本次研究區(qū)域,表層沉積物為對(duì)象,研究范圍為灤河口至陡河口之間,采樣點(diǎn)選擇在江河等自然濕地和養(yǎng)殖池等人造濕地。共設(shè)置采樣點(diǎn)位12個(gè),根據(jù)每個(gè)采樣點(diǎn)具體情況分別采樣1~4個(gè)。已經(jīng)完成對(duì)灤河口、京唐港、祥云灣、青龍河入海口、曹妃甸生態(tài)城、曹妃甸工業(yè)區(qū)、南堡工業(yè)區(qū)、黑沿子、灤南嘴東工業(yè)區(qū)、澗河-陡河入海口和曹妃甸濕地以及典型生活污水進(jìn)海處等濱海濕地表層沉積物采集工作,共采集樣品30個(gè)(圖1)。

    1.2 樣品處理

    首先,采集的樣品在華北理工大學(xué)巖礦測試實(shí)驗(yàn)室的Mastersizer 2000激光粒度分析儀上進(jìn)行粒度組成測試,然后將樣品在冷凍干燥機(jī)上干燥72h,干燥后的泥樣研磨粉碎,過200目(0.147mm)篩,測定各理化指標(biāo)。重金屬測試:采用ICP-MS進(jìn)行測定。地球化學(xué)樣品制備工作在華北理工大學(xué)巖礦物測試實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,用等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)和其他相關(guān)儀器測定沉積物樣品中主、微量和稀土元素的含量。

    用顯微鏡觀察薄片并拍照:本工作在華北理工大學(xué)地層古生物研究中心進(jìn)行,采用德國蔡司研究型偏光顯微鏡Axioscope進(jìn)行觀察。將1/2蓋片放到顯微鏡下,采用透射光照射,采用10X目鏡,2.5X物鏡進(jìn)行觀察。然后在鏡下找到顆粒分布比較均勻的部分,在電腦屏幕上顯示的畫面清晰進(jìn)行拍照。在華北理工大學(xué)巖礦測試實(shí)驗(yàn)室采用西圖空隙特征及粒度圖像分析系統(tǒng)軟件進(jìn)行粒度分析。

    1.3 數(shù)據(jù)處理

    表1 沉積水動(dòng)力條件的劃分[9]

    在數(shù)據(jù)處理過程中,統(tǒng)計(jì)測試用于刪除異常值。在對(duì)每組測量數(shù)據(jù)求平均值和成分分析之前進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn),根據(jù)數(shù)據(jù)分布特征采用相應(yīng)的檢驗(yàn)方法和相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,取精度為±0.01ug/g,取值范圍是0.01。

    2 結(jié)果與討論

    2.1 沉積物粒度分析

    表2 沉積物分選性等級(jí)的劃分[10]

    不同沉積物的物質(zhì)來源具有多樣性,或者一種沉積物包含了不同來源的物質(zhì)成分[4]。但是近幾年來,粒度分析作為一種簡單而有效的物源判別方法被很多學(xué)者廣泛使用,其中在黃土、湖泊沉積物、風(fēng)成沉積物以及深海沉積物中運(yùn)用較廣,并取得了一定的成果[5]。物質(zhì)供應(yīng)受沉積環(huán)境、水動(dòng)力條件和氣候等因素制約,導(dǎo)致沉積物粒度特征不同。開展粒度特征分析,能夠推斷出唐山濱海濕地水動(dòng)力條件(搬運(yùn)形式),反演出當(dāng)時(shí)環(huán)境。本文將粒度分析作為物源判別模型的一部分。

    2.1.1 粒度參數(shù)

    粒度參數(shù)通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法或分析軟件得出,用特定的數(shù)值定量地體現(xiàn)沉積物粒度特性,并且可以反映其沉積環(huán)境和條件的一種量化指標(biāo)[6-8]。經(jīng)常使用的參數(shù)含有粒徑均值、分選系數(shù)、偏度、尖度、標(biāo)準(zhǔn)差和中值,但由于實(shí)驗(yàn)的局限性,本文選取除分選系數(shù)以外的其余參數(shù)對(duì)唐山濱海濕地沉積物進(jìn)行分析研究。

    圖2 偏度形態(tài)

    圖3 峰度形態(tài)

    1)平均粒徑和中值粒徑,選取沉積物中的累計(jì)曲線上為50%處的粒度大小。換言之,它是一個(gè)特殊的粒度值,大于這個(gè)粒度值得顆粒數(shù)占總顆粒數(shù)50%,小于此粒度值得顆粒數(shù)50%,可以反映粒度分布的集中趨勢。

    2)標(biāo)準(zhǔn)偏差,反映著物質(zhì)分散和集中水平,可以定量確定沉積物分選水平。為了能夠精確地反應(yīng)沉積物的分選好壞,可將其分為七級(jí):

    3)偏度和峰度

    a. 偏度,能夠體現(xiàn)物質(zhì)粒徑分散的不均勻水平,表明沉積物粒徑均值和中值的相對(duì)位置及顆粒的粗細(xì)。一般情況下,按照頻率曲線的對(duì)稱形態(tài),可以將偏度分為正態(tài)及正、負(fù)偏態(tài)三類。

    正態(tài):在理想情況下,頻率曲線是以峰為對(duì)稱軸的對(duì)稱曲線,即正態(tài)。此時(shí),平均粒度=中值=眾數(shù)且位于曲線的峰值位置。從數(shù)值來看,即Sk1=0,樣品分選性好。

    表3 偏度等級(jí)的劃分

    正偏態(tài):主峰傾向大顆粒方向,平均粒徑大于中值粒徑,另外一方常見矮長的拖尾,體現(xiàn)沉積物中大顆粒較多,分選較差。從數(shù)值來看,Sk1>0。

    負(fù)偏態(tài):主峰傾向細(xì)小顆粒一側(cè),平均粒徑小于中值粒徑,另外一方常見矮長的拖尾,體現(xiàn)沉積物中小顆粒較多,分選較差。從數(shù)值來看,Sk1<0。

    b. 峰度, 可以非常直觀的反映出尾部的厚度。根據(jù)曲線波峰的尖銳程度,可劃分為寬、窄兩種類型:寬峰態(tài),波峰較鈍,說明粒度分布程度寬,粒度比較分散,分選性差;否則,反之[11-14]。

    表4 峰度等級(jí)劃分

    表5 水動(dòng)力條件等級(jí)劃分

    2.1.2 粒度曲線

    散點(diǎn)圖是粒度參數(shù)的一種綜合圖解。它比單一的參數(shù)更具有意義,將各種具有差異性的參數(shù)結(jié)合起來投射到散點(diǎn)圖上,可以把多種環(huán)境下形成的沉積物劃分出來。

    圖4 唐山濱海濕地部分采樣點(diǎn)—散點(diǎn)圖

    2.1.3 粒度參數(shù)的環(huán)境判別公式

    表6 沉積物類型判別式

    前人經(jīng)過分析研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)用某一種粒度參數(shù)進(jìn)行環(huán)境恢復(fù)時(shí),存在一定的偶然性和誤差。為了避免錯(cuò)誤發(fā)生,1964年薩胡大量整理和分析前人的資料,歸納總結(jié)出4個(gè)具有跨時(shí)代意義的式子,可以區(qū)分不同環(huán)境的沉積物質(zhì)。判別公式如表6。

    2.1.4 小結(jié)

    綜合以上可以看出,嘴東2、3號(hào),曹妃甸1、2號(hào),京唐港1號(hào),灤河口1號(hào)樣品為濱淺海沉積。它們的沉積水動(dòng)力條件都處于中高能。京唐港1號(hào)及嘴東2號(hào)樣品顆粒較細(xì),其余都較粗。嘴東3號(hào)、曹妃甸1號(hào)分選性好;灤河口1號(hào)分選性中等;其余較差。灤河口2號(hào)、嘴東1號(hào)、京唐港2號(hào)、曹妃甸3號(hào)樣品為三角洲沉積,沉積水動(dòng)力條件處在中高能,顆粒較粗,分選性差。

    2.2 陸相和海相沉積的地球化學(xué)示蹤

    運(yùn)用地球化學(xué)來反映和恢復(fù)當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境時(shí),要考慮到不同的元素的理化性質(zhì)具有差異性。唐山濱海濕地中就包含一些能夠反映海相和陸相環(huán)境的元素和稀土,例如:Ca、Sr、Ba。由于它們的物理化學(xué)性質(zhì)的差異性,使它們在海陸相沉積物的含量具有明顯的不同,它們的含量、相應(yīng)元素比值是重要參數(shù)。這些參數(shù),是劃分海相和陸相環(huán)境的地球化學(xué)標(biāo)志的關(guān)鍵組成部分。

    在國內(nèi),王益友、郭文瑩和張國棟[12]對(duì)我國13個(gè)海底樣品進(jìn)行仔細(xì)研究和分析,最終歸納總結(jié)了一種分類標(biāo)準(zhǔn)。在國外,Chen[14]等人經(jīng)過研究和分析,也總結(jié)出了一類標(biāo)準(zhǔn)以及元素Sr、Ga、V含量法標(biāo)準(zhǔn)(表7)。

    表7 淺海和陸相元素及比值對(duì)比表

    利用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)中的得到的Sr和Ba,計(jì)算Sr/Ba比值,并與分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)照,得出唐山濱海濕地各處沉積物的沉積環(huán)境。為了避免偶然性,減小誤差,使結(jié)果更加真實(shí)有效,也用Sr、Ga、V元素法對(duì)淺海和陸相的沉積環(huán)境進(jìn)行了恢復(fù)。

    唐山濱海濕地分成人造和自然濕地,前者包含沿海灘涂、河流、蘆葦沼澤;稻田、水池和水庫等構(gòu)成人工濕地。由于在元素測量過程中可能存在一定的偏差,因此我們要根據(jù)采樣的站位點(diǎn)位置為依據(jù),把元素法和比值法的結(jié)果作為參考,進(jìn)行自己最終對(duì)環(huán)境進(jìn)行確定。得出最終結(jié)論為:灤河口濕地1、2號(hào)采樣點(diǎn),京唐港濕地1、2號(hào)采樣點(diǎn),祥云灣濕地,小清河濕地,曹妃甸生態(tài)城濕地1、3、4號(hào)取樣點(diǎn),曹妃甸工業(yè)區(qū)濕地1、2、3號(hào)取樣點(diǎn),南堡濕地1、2、4號(hào)取樣點(diǎn),黑沿子濕地1號(hào)取樣點(diǎn),曹妃甸濕地1號(hào)取樣點(diǎn)位淺海沉積環(huán)境。小清河濕地2號(hào)取樣點(diǎn),曹妃甸生態(tài)城濕地2號(hào)取樣點(diǎn),南堡濕地3號(hào)取樣點(diǎn),嘴東濕地1、3號(hào)取樣點(diǎn),黑沿子濕地2號(hào)取樣點(diǎn),澗河口濕地1、2號(hào)取樣點(diǎn),曹妃甸濕地2號(hào)取樣點(diǎn)位半咸水沉積環(huán)境。小清河濕地4號(hào)取樣點(diǎn)是陸相沉積環(huán)境。

    2.3 氧化還原狀態(tài)的地球化學(xué)示蹤

    在用地球化學(xué)元素對(duì)沉積氧化還原狀態(tài)進(jìn)行示蹤時(shí),常常用Fe2O3/FeO作為參數(shù)特征。但是,由于在某些地質(zhì)作用發(fā)生后,F(xiàn)e2O3和FeO的含量會(huì)發(fā)生較大的變化,隨之它們的比值較之前也發(fā)生了較大的變化。因此在用其比值恢復(fù)物質(zhì)的沉積氧化還原情況時(shí),可能存在一定偏差[15]。水泉在對(duì)湖南前震旦系沉積環(huán)境的研究過程中,通過分析研究,統(tǒng)計(jì)總結(jié)出了一種分類標(biāo)準(zhǔn)。(表8)

    表8 各氧化還原過渡相Cu/Zn

    表9 氣候示蹤標(biāo)準(zhǔn)[12]

    經(jīng)計(jì)算通過實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù),得表10。從表中可以看出,唐山濱海濕地的氧化還原狀態(tài)比較齊全,包括還原、弱還原、還原-氧化、弱氧化和氧化。其中,大多數(shù)唐山濱海濕地沉積物沉積時(shí)的環(huán)境為氧化環(huán)境,共19個(gè)采樣點(diǎn):灤河口濕地1、2號(hào)采樣點(diǎn),小清河1號(hào)、曹妃甸生態(tài)城1、3、4號(hào),曹妃甸2號(hào),南堡1、2、3、4號(hào),嘴東1、2、3號(hào)點(diǎn),陡河口,澗河口1、2號(hào)和曹妃甸1、2號(hào)采樣點(diǎn)。祥云灣、曹妃甸工業(yè)區(qū)1號(hào)采樣點(diǎn)共2處為還原狀態(tài)。曹妃甸工業(yè)區(qū)3號(hào)、黑沿子1號(hào)采樣點(diǎn)為還原-氧化狀態(tài)。弱還原狀態(tài)主要集中在小清河,即小清河2、3、4號(hào)。京唐港1、2號(hào),生態(tài)城2號(hào)、黑沿子2號(hào)采樣點(diǎn)為弱氧化狀態(tài)。

    2.4 古氣候地球化學(xué)示蹤

    在沉積巖或沉積物中具有多種微量元素,它們當(dāng)中的某些元素的含量及之間的比值的改變,對(duì)環(huán)境的變化特征都具有重要的恢復(fù)性意義[10]。

    在所有元素中,它們的物理化學(xué)性質(zhì)各部相同。雖然有很多元素對(duì)環(huán)境敏感度都很強(qiáng),但是有的在風(fēng)化作用中比較活躍,易遷移,會(huì)導(dǎo)致結(jié)果產(chǎn)生偏差。因此我們要選擇一些在風(fēng)化作用中性質(zhì)比較穩(wěn)定、牢固且不容易發(fā)生轉(zhuǎn)移的對(duì)氣候靈敏性強(qiáng)的元素,例如Sr、Ti、Al、Nb、Ta、Th、Ca、C、P、Fe、Al、V、Ni、Ba、Zn、Co、Na、Mg、Cu、Mn和Nb。Ca、Sr、C結(jié)成一組,與生物碳酸鹽巖有關(guān),其含量多數(shù)情況下在多量動(dòng)物和生物生長的濕熱潮濕區(qū)域顯著提高[16]。

    根據(jù)計(jì)算得到的Sr、Cu和Sr/Cu值可以知道,除了京唐港濕地1號(hào)采樣點(diǎn)、祥云灣濕地采樣點(diǎn)和曹妃甸1號(hào)采樣點(diǎn)為干熱氣候外,其他采樣點(diǎn)為溫濕氣候。

    2.5 沉積物物源特征

    上地殼的的Th/U平均值為3.8。Th和U在水體當(dāng)中的溶解能力存在差別,U6+易溶于水,Th相對(duì)不容。經(jīng)過風(fēng)化作用,和親石元素共生的U4+會(huì)和氧化形成U6+,被水流帶走;而Th改變程度明顯較低,因此隨著Th/U值減小,風(fēng)化強(qiáng)度隨之減小[17]。

    從總體上來看,唐山濱海濕地表層三分之二的沉積物的Th/U值與上地殼平均值(3.8)相當(dāng),能夠反映出其母巖風(fēng)化較強(qiáng)。從站位點(diǎn)上來看,唐山濱海濕地各站位點(diǎn)沉積物中元素的Th/U的值在3.66~7.19之間。其中小清河站位點(diǎn)、嘴東站位點(diǎn)、黑沿子站位點(diǎn)和陡河站位點(diǎn)的Th/U值范圍為4.47~7.19,均大于4,說明這些地區(qū)的沉積物的母巖經(jīng)歷了明顯的風(fēng)化作用。從每個(gè)站位點(diǎn)的不同采樣點(diǎn)來看,小清河濕地三號(hào)采樣點(diǎn)的風(fēng)化強(qiáng)度最強(qiáng)。多數(shù)采樣點(diǎn)落入虧損地幔區(qū),說明沉積物的原巖經(jīng)過了強(qiáng)烈的構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng),使下地殼或地殼物質(zhì)升到地面,并接受了快速剝削和沉積作用[18,19]。

    3 結(jié)論

    1)唐山濱海濕地表層沉積物共分為四類,即細(xì)砂、細(xì)砂質(zhì)粗砂、中砂質(zhì)細(xì)砂、粗砂和黏土且含有礦物、巖石、生物碎屑。

    2)唐山濱海濕地大多數(shù)為濱淺海沉積和三角洲沉積,大部分為氧化狀態(tài),水動(dòng)力條件處在中高能。

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    Type and Environmental Tracer of Surface Sediment in Coastal Wetlands in Tangshan

    HAO Biao GAO Lian-feng ZHANG Zhen-guo ZHOU Wei LI Pu-zhuang

    (Mining Engineering College, North China University of Science and Technology, Tangshan, Hebei 063210)

    This paper has a discussion on basic physical and chemical properties, heavy metal content, grain size analysis of surface sediment in coastal wetlands in Tangshan and Sr/Ba ratios and Sr, Ga and V contents as tracers of continental and marine sediments with Cu/Zn ratio as oxidation-reduction tracer and Sr/Cu ratio as paleoclimate indicator. Littoral and neritic and delta sediments as main types of surface sediment in coastal wetlands in Tangshan.

    environment tracer; heavy metal; grain size analysis; coastal wetlands in Tangshan

    2018-07-18

    國家自然科學(xué)基金(41172015);河北省自然科學(xué)基金(D2015209075,D2017209236);河北省高等學(xué)??茖W(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(ZD2016077);華北理工大學(xué)省自然科學(xué)基金培育項(xiàng)目(SP201501)

    郝彪(1993-),男,碩士生,地質(zhì)資源與地質(zhì)工程專業(yè),河北省張家口市人,主要從事沉積地質(zhì)與沉積環(huán)境研究

    高蓮鳳(1970-),女,博士,教授,主要從事微體古生物學(xué)與地層學(xué)、沉積地質(zhì)學(xué)及古海洋學(xué)等領(lǐng)域的教學(xué)與研究

    [P67]

    A

    1006-0995(2019)02-0303-05

    10.3969/j.issn.1006-0995.2019.02.026

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