舟山群島表層沉積物粒度和黏土礦物分布特征與物源指示

沈昆明蔣玉波李安龍翟 濱

(1.中國海洋大學(xué) 河口海岸研究所 海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266100;2.鹽城師范學(xué)院 城市與規(guī)劃學(xué)院,江蘇 鹽城224007;3.中國地質(zhì)調(diào)查局 青島海洋地質(zhì)研究所,山東 青島266071)

表層沉積物的粒度特征是海洋地質(zhì)學(xué)中判斷自然地理環(huán)境及水動(dòng)力條件的重要標(biāo)志,粒徑參數(shù)廣泛應(yīng)用于沉積物的物質(zhì)來源分析、沉積特征研究及沉積環(huán)境鑒別[1-3]。因此,大量學(xué)者利用粒度數(shù)據(jù)反演沉積環(huán)境,并對表層沉積物的粒度分布特征、沉積動(dòng)力環(huán)境和運(yùn)移趨勢等進(jìn)行了深入研究。

舟山群島及鄰近海域位于東海陸架區(qū)西北部、長江口東南側(cè)、杭州灣外緣。該海域海流主要由東海沿岸流、長江沖淡水、臺(tái)灣暖流等組成,季節(jié)性變化顯著。受沿岸流影響,長江口入海泥沙經(jīng)舟山群島向東南搬運(yùn)到水深小于60 m 的內(nèi)陸架區(qū)域[6-8]。舟山群島及鄰近海域海底地形較為平坦,整體自西北向東南緩傾,島嶼密布,潮流作用復(fù)雜,島嶼間以峽道沉積作用為主,泥沙輸運(yùn)具有北進(jìn)南出特征[9-10]。分析該海域表層沉積物的物質(zhì)來源及分布規(guī)律,可為海洋資源可持續(xù)開發(fā)利用提供指導(dǎo)。

前人對舟山群島表層沉積物的研究主要集中在沉積動(dòng)力特征、沉積物輸運(yùn)通量、泥沙運(yùn)移趨勢等[4]。研究表明舟山群島及附近海域?yàn)榈湫屯鶑?fù)流,島嶼間泥沙輸運(yùn)沿水道方向。目前對于研究區(qū)域的沉積物類型及粒度參數(shù)分布特征、沉積動(dòng)力環(huán)境分區(qū)、沉積物物質(zhì)來源分析研究尚有不足。本文則利用粒度數(shù)據(jù),運(yùn)用Flemming三角分類法,更全面分析沉積環(huán)境,同時(shí)選取部分站位樣品進(jìn)行黏土礦物和黏土礦物組合類型分析,探討研究區(qū)域的物質(zhì)來源[5]。

1 材料與方法

表層沉積物樣品于2006 年采集,每個(gè)站位均采用DGPS差分定位,誤差≤5 m。使用箱式取樣器和柱狀取樣器取得152個(gè)表層沉積物樣品,取樣位置見圖1,其中柱狀取樣器所取的柱狀樣選取表層樣,取149個(gè)樣品和50個(gè)樣品分別進(jìn)行粒度與黏土礦物分析。

含礫沉積物樣品采用篩析法,無礫沉積物樣品采用激光法。無礫沉積物先進(jìn)行預(yù)處理：取適量樣品混合均勻后,先后加入適量30%的雙氧水、濃度為3 mol/L的鹽酸,以去除樣品中的有機(jī)質(zhì)與碳酸鹽,然后用蒸餾水進(jìn)行離心清洗(設(shè)置轉(zhuǎn)速4 000轉(zhuǎn)/min,時(shí)間為10 min,離心2～3次),之后添加0.5 mol/L Na6PO18溶液浸泡樣品。粒度分析工作在南京大學(xué)海岸與海島開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室粒度分析室完成,使用的儀器為英國Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000型激光粒度儀,其中儀器測量范圍為0.02～2 000μm,多次測量的相對誤差不大于3%。黏土礦物分析工作在國土資源部海洋地質(zhì)實(shí)驗(yàn)檢測中心完成,使用的儀器為日本理學(xué)D/Max-r A 型X 射線衍射儀,Cu靶,儀器工作管壓40 KV,管流70 m A,步進(jìn)長度(2θ)0.02°,選用經(jīng)乙二醇處理樣品的定向片的X 射線衍射圖譜對黏土礦物進(jìn)行分析。

圖1 舟山群島周邊海域表層沉積物取樣站位分布Fig.1 Location of the surface sediment sampling stations in the sea areas around Zhoushan Islands

表層沉積物粒度分析中沉積物粒級(jí)采用Udden-Wentworth的φ粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn),利用Ma Mcnus的矩值法得出粒度參數(shù)(平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)、峰態(tài)),沉積物的分類和定名采用利用Folk 三端元分類法[11]。黏土礦物的半定量分析是采用Biscaye方法(1965)計(jì)算4種黏土礦物(蒙脫石、伊利石、高嶺石和綠泥石)的相對含量,蒙脫石(17?)：伊利石(10?)：高嶺石+綠泥石(7?)強(qiáng)度因子取1∶4∶2。

利用Flemming三角分類圖劃分研究區(qū)沉積動(dòng)力環(huán)境,采用Flemming三角圖解法對研究區(qū)域表層沉積物的動(dòng)力環(huán)境特征進(jìn)行分析,依據(jù)沉積物中砂、粉砂和黏土相對含量大小及其粒度參數(shù)特征將三角圖劃分為25個(gè)不同區(qū)域,以區(qū)分其沉積動(dòng)力環(huán)境和亞環(huán)境。沉積動(dòng)力分區(qū)由兩部分組成,以砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為節(jié)點(diǎn)作為水平結(jié)構(gòu)分類標(biāo)志線,依次為5%,25%,50%,75%和95%,構(gòu)成S-E共6個(gè)區(qū)域,從S到E粒徑逐漸變細(xì);以黏土和粉砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為節(jié)點(diǎn)作為三角結(jié)構(gòu)分類標(biāo)志線,依次為10%,25%,50%,75%和90%,構(gòu)成Ⅰ～Ⅵ 六個(gè)水動(dòng)力分區(qū),投影點(diǎn)離黏土和粉砂端越近表明水動(dòng)力越弱[12-14]。

2 結(jié) 果

2.1 表層沉積物粒度特征

2.1.1 沉積物類型及其分布特征

采用folk三角分類命名法將研究區(qū)域表層沉積物進(jìn)行分類,沉積物類型及其含量見表1。其中,共有5個(gè)站位含礫,含礫站位的砂的含量均遠(yuǎn)高于粉砂、礫和黏土含量總和,含礫表層沉積物分為砂(S)和礫質(zhì)砂(gS)兩種類型。共有144個(gè)站位不含礫,多數(shù)站位的粉砂含量高于砂和黏土含量,無礫表層沉積物分為粉砂(Z)、砂質(zhì)粉砂(sZ)、粉砂質(zhì)砂(zS)和砂(S)四種類型,其中粉砂和砂質(zhì)粉砂分別占樣品總數(shù)高達(dá)80.5%和14.1%。

表1 表層沉積物類型及質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Types and contents of the surface sediments

研究區(qū)域內(nèi)沉積物分布具有較大的空間異質(zhì)性(圖2),其中粉砂分布范圍最廣,砂質(zhì)粉砂和砂次之,礫分布范圍最小：

1)粉砂主要分布于舟山群島的開闊海域,呈片狀分布在舟山群島海域,如北部、東部和南部海域,而在島嶼附近分布較少,反映了該海域水動(dòng)力較強(qiáng)。平均粒徑為6.1φ～7.3φ,均值為6.77φ;分選系數(shù)為1.38～1.90,均值為1.66;偏態(tài)為-0.82～1.61,均值為1.22,以正偏為主。

2)砂質(zhì)粉砂主要分布在衢山島至桃花島島嶼之間的附近海域,如衢山島西部和南部、岱山島南部、大長涂山南部和桃花島南部小范圍海域,在島嶼附近分布廣泛。平均粒徑為5.19φ～6.27φ,均值為5.92;分選系數(shù)為1.8～2.1,均值為1.93;偏態(tài)在0.91～1.93,均值為1.56,以正偏態(tài)為主。

3)砂主要分布于舟山島與桃花島之間的峽道區(qū)域。表層沉積物平均粒徑為0.84φ～1.64φ,均值為1.36;分選系數(shù)為0.79～1.20,均值為0.95;偏態(tài)為-0.58～0.97,均值為0.57,以正偏態(tài)為主。

圖2 研究區(qū)沉積物類型及分布Fig.2 Sediment types and their distributions in the study area

2.1.2 粒度參數(shù)及其分布特征

舟山群島表層沉積物平均粒徑多介于5.5φ～7.5φ,平均值為6.4φ,泥沙顆?？傮w較細(xì),沉積動(dòng)力較弱(圖3a)。平均粒徑＜5.5φ反映的是礫質(zhì)砂粗顆粒沉積物分布,主要分布在小洋山、舟山島與桃花島之間的峽道及部分在朱家尖島東北區(qū)域,其水動(dòng)力較強(qiáng),且峽道內(nèi)水流具有往復(fù)流特征,潮流作用下發(fā)生峽道沉積。平均粒徑5.5φ～6.5φ反映的是以粉砂為主,砂質(zhì)粉砂次之的細(xì)顆粒沉積物分布,主要分布在研究區(qū)域的東部島嶼附近區(qū)域。平均粒徑＞6.5φ反映的是粉砂為主的細(xì)顆粒沉積物分布,主要分布在研究區(qū)域的東部和南部開闊海域,呈南北走向分布,具有一定的沉積分異特征。

潮流、入海徑流及物質(zhì)來源等是影響舟山群島海域沉積物粒度分選差異的重要因素。舟山群島表層沉積物分選系數(shù)多介于1.5～2.2,分選為差-很差,自西向東呈階梯狀分布特征,研究區(qū)東部分選較好(圖3b)。分選系數(shù)小于1.6,分布在舟山島與六橫道之間的峽道內(nèi),與砂粒級(jí)富集區(qū)域范圍相對應(yīng),這與島嶼巖石遭受外地質(zhì)作用形成碎屑物入海沉積及較好的沉積分選作用有關(guān)。大部分研究區(qū)域分選系數(shù)介于1.6～2.2,反映了研究區(qū)水動(dòng)力條件復(fù)雜及物質(zhì)來源多樣性特征。分選系數(shù)＞2.2零星分布在桃花島南部和朱家尖島東南部,大致分布在砂質(zhì)粉砂富集區(qū)域范圍內(nèi),位于砂與粉砂粒級(jí)之間的過渡混合地段。

舟山群島海域表層沉積物偏態(tài)為-0.8～3.1,以正偏為主。研究區(qū)偏態(tài)與其分選系數(shù)對應(yīng)關(guān)系良好,自西向東呈階梯狀分布,同時(shí)由岸向海偏態(tài)值逐漸減小。呈負(fù)偏態(tài)的沉積物零星分布在舟山島南部峽道及研究區(qū)東南部。研究區(qū)分選系數(shù)與偏態(tài)關(guān)系表明沉積物介于河流砂與海灘砂之間,以河流砂為主,是入海徑流及潮汐共同作用的結(jié)果(圖3c)。

圖3 表層沉積物粒度參數(shù)平面展布特征Fig.3 Horizontal distributions of grain-size parameters of the surface sediments

2.2 表層黏土礦物組成

舟山群島海域黏土礦物類型為蒙脫石、伊利石、高嶺石和伊利石。黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差顯著,總體上伊利石族為優(yōu)勢礦物,平均值為61.5%;其次為綠泥石,平均值為15.0%;高嶺石和蒙脫石含量較少,平均值依次為12.7%和10.9%,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2[15-18]。

表2 黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)[15-18]Table 2 Contents of clay minerals[15-18]

2.2.1 黏土礦物分布特征

伊利石在黏土礦物中含量最高,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為56.4%～72.0%,均值為61.5%。高值區(qū)(＞64.5%)零星分布在研究區(qū)東北部和朱家尖島南部海域,受島嶼水動(dòng)力較強(qiáng)影響,伊利石經(jīng)搬運(yùn)易沉積在開闊海域;低值區(qū)(＜60.0%)集中在舟山島北部和大長涂山附近海域。其分布規(guī)律為研究區(qū)由北向南高低值呈間隔分布特征(圖4a)。

高嶺石在黏土礦物中含量較低,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.0%～15.7%,均值為12.7%。高值區(qū)(＞15.0%)零星分布在舟山島北部、研究區(qū)南部和北部海域;低值區(qū)(＜12.0%)主要集中朱家尖島南部和四礁山東北部海域。其分布規(guī)律為研究區(qū)由東向西高低值呈間隔分布特征(圖4b)。

綠泥石在黏土礦物中含量次之,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.0%～19.6%,均值為15.0%。高值區(qū)(＞16.5%)零星分布在在研究區(qū)的西南部及舟山島北部海域;低值區(qū)(＜15.5%)條帶狀分布在研究區(qū)東南和北部海域。其分布規(guī)律為研究區(qū)由東向西高低值呈間隔分布特征(圖4c)。

蒙脫石在黏土礦物中含量最低,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.4%～16.3%,均值為10.9%。高值區(qū)(＞14.0%)集中在研究區(qū)西南及舟山島北部海域;低值區(qū)(＜10.0%)零星分布在朱家尖島及衢山島東西兩側(cè)海域。其分布規(guī)律為研究區(qū)由南向北高低值呈間隔分布特征(圖4d)。

2.2.2 黏土礦物組合類型

根據(jù)表層沉積物中各黏土礦物相對含量的大小可分為5種組合類型(圖5)：伊利石-綠泥石-高嶺石-蒙脫石(Ⅰ型);伊利石-綠泥石-蒙脫石-高嶺石(Ⅱ型);伊利石-蒙脫石-綠泥石-高嶺石(Ⅲ型);伊利石-高嶺石-綠泥石-蒙脫石(Ⅳ型);伊利石-綠泥石-高嶺石(Ⅴ型)。表層沉積物以Ⅰ型含量最高,達(dá)到66%,Ⅱ型含量次之,Ⅲ型、Ⅳ型和Ⅴ型含量占比很小。

圖4 黏土礦物平面展布特征Fig.4 Horizontal distributions of clay minerals in the surface sediments

圖5 黏土礦物組合類型比例Fig.5 Ratio of the types of clay mineral assemblage

3 討 論

3.1 沉積動(dòng)力分區(qū)

研究區(qū)域沉積物樣品投影點(diǎn)主要分布在D-Ⅱ、E-Ⅱ、E-Ⅲ區(qū)域,表明研究區(qū)域沉積物粒徑較細(xì),水動(dòng)力較弱,與已有研究較為一致(圖6)。粉砂投于D-Ⅱ、E-Ⅱ、E-Ⅲ區(qū)域,砂質(zhì)粉砂投于D-Ⅱ、C-Ⅱ區(qū)域,砂投于S區(qū)域。該區(qū)域受到波浪與潮流共同作用影響,群島內(nèi)為往復(fù)流,漲潮平均流速最大可達(dá)82 cm/s,落潮平均流速最大可達(dá)96 cm/s,結(jié)合島嶼峽道特征,形成高能沉積環(huán)境下的粗粒沉積物,集中于舟山島附近[4]。開闊海域由于水深較大,波浪能與潮流能影響有限,水動(dòng)力變?nèi)?從而沉積物粒徑逐漸變細(xì),形成片狀分布的細(xì)粒沉積物[19](圖6)。

3.2 表層沉積物物源探討

已有的大量研究表明,東海陸架區(qū)黏土礦物分為3種類型：1)類黃河型沉積物,物源來自于廢黃河口及部分特定黃海區(qū)域,黏土礦物組合類型為伊利石-蒙脫石-高嶺石-綠泥石和伊利石-蒙脫石-綠泥石-高嶺石(Ⅲ型);2)類長江型沉積物,物源來自于長江、浙江杭州灣、甌江口及東海內(nèi)陸架沉積物,黏土礦物組合類型為伊利石-綠泥石-高嶺石-蒙脫石(Ⅰ型)和伊利石-綠泥石-蒙脫石-高嶺石(Ⅱ型);3)類臺(tái)灣河流型沉積物,物源來自于中國大陸及臺(tái)灣西部河流沉積物[20-21]。東海陸架表層黏土礦物含量空間變化主要受入海物源及海流等水動(dòng)力條件因素影響[22]。

黏土礦物類型及其含量主要受源巖和氣候條件的影響。研究區(qū)東部為杭州灣外緣,杭州灣入海徑流屬于山溪性強(qiáng)潮河流,主要有錢塘江、飛云江等,具有流域短、入海通量小特點(diǎn),且受到海流作用會(huì)引起回淤現(xiàn)象[23]。研究區(qū)北部緊鄰長江口,長江裹挾大量泥沙入海,其徑流作為東海沿岸流一部分,向南流動(dòng)過程中杭州灣徑流不斷加入,最后同長江沖淡水匯合一起將泥沙輸運(yùn)到舟山群島海域。同時(shí)舟山群島海域島嶼分布廣泛,峽道眾多,島嶼巖石發(fā)生風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)入海,在潮汐作用下抵達(dá)適宜場所后,發(fā)生峽道沉積[24]。

圖6 沉積動(dòng)力分區(qū)Fig.6 Districts of sedimentary dynamics

黏土礦物組合類型中Ⅰ型含量最高,達(dá)到66%;Ⅱ型含量次之,即類長江型沉積物占比最大。長江流域面積達(dá)180萬m2,廣泛發(fā)育支流,區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜,主要位于揚(yáng)子地臺(tái)之上,流域內(nèi)巖石類型復(fù)雜,導(dǎo)致沉積物物源復(fù)雜,難以找到一種或幾種特征性巖石與沉積物組成對應(yīng)[25-26]。氣候以暖溫帶濕潤、潮濕氣候?yàn)橹?物理侵蝕與化學(xué)侵蝕比為2～5,域內(nèi)以化學(xué)風(fēng)化為主,物理風(fēng)化為輔,這是由于Na,Ga和Mg易遭受淋失及遷移到水體中,而Fe,Al,K 和Mn等元素則易富集在表層帶中。這種環(huán)境導(dǎo)致高嶺石含量相對較高,蒙脫石含量相對較低,代表了弱酸-弱堿性黏土礦物形成條件,形成類長江型沉積物[27-29]。

4 結(jié) 論

本文運(yùn)用粒度分析及X 射線衍射分析方法,對研究區(qū)域的表層沉積物的沉積物類型、粒度參數(shù)分布特征和黏土礦物組合類型進(jìn)行分析研究,同時(shí)利用Flemming三角圖分類法對沉積環(huán)境分區(qū),并結(jié)合已有研究討論了表層沉積物的物源,主要結(jié)論如下：

1)舟山群島海域表層沉積物類型共有5種：粉砂、砂質(zhì)粉砂、砂、粉砂質(zhì)砂、礫質(zhì)砂。其中以粉砂為主,呈片狀廣泛分布于研究區(qū)域的東部及南部開闊海域。砂質(zhì)沉積物多分布于舟山島北部,具有峽道沉積特征?？傮w上沉積物粒徑由陸向海逐漸變細(xì),分選性整體較差,大部分區(qū)域以正偏為主。

2)根據(jù)表層沉積物樣品在Flemming三角圖投影發(fā)現(xiàn),采樣點(diǎn)主要落在D-Ⅱ、E-Ⅱ、E-Ⅲ沉積動(dòng)力分區(qū),以粉砂沉積物為主;部分落在D-Ⅱ、C-Ⅱ和S分區(qū),以砂質(zhì)粉砂沉積物為主。表明研究區(qū)島嶼間以潮流作用為主,往復(fù)流作用顯著,島嶼間水動(dòng)力明顯強(qiáng)于開闊海域,峽道水動(dòng)力條件較強(qiáng)。整體沉積物粒徑較細(xì),水動(dòng)力較弱。

3)研究區(qū)域的黏土礦物按質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小排列依次為伊利石(56.4%～72.0%,均值為61.5%)、綠泥石(12.0%～19.6%,均值為15.0%)、高嶺石(9.0%～15.7%,均值為12.7%)和蒙脫石(5.4%～16.3%,均值為10.9%)。伊利石集中在研究區(qū)域東部及西南海域;綠泥石集中在研究區(qū)域的西南島嶼處及東南開闊海域;高嶺石集中在舟山島南部及研究區(qū)域的西南部;蒙脫石集中在衢山島西部及桃花島西部海域。表層沉積物黏土礦物組合類型以伊利石-綠泥石-高嶺石-蒙脫石為主,其次為伊利石-綠泥石-蒙脫石-高嶺石。研究區(qū)域物質(zhì)來源以長江入海泥沙為主,浙江入海徑流輸沙,以及舟山群島巖石風(fēng)化產(chǎn)物為補(bǔ)充。