連云港海州灣近海碎屑沉積物礦物組成及特征分析

湯 倩,閆玉茹,周 欣,池 野,歐陽凱,竇傳偉,平利姣

(江蘇省有色金屬華東地質勘查局地球化學勘查與海洋地質調查研究院,江蘇 南京 210007)

目前,一些學者[1-6]對東海陸架沉積物的礦物學特征進行了研究,對重礦物種類、組合、分布特征、物質來源和成因等方面作了詳細探討,認為碎屑重礦物分析是研究沉積物物源較好的方法之一[7-12]。前人研究[13-14]表明,不同物源母巖對應不同的重礦物類型,重砂礦物是有效的沉積物物源指示標志。利用特征重礦物組合及重礦物相關指數(shù)可客觀地分析源區(qū)性質,從而推測母巖類型[15]。黃海海域沉積物研究主要集中在粒度和沉積物的分布規(guī)律方面[9-12],對砂礦資源的重礦物種類及來源研究較少。連云港海州灣近海是我國海砂資源的重點勘查區(qū)之一,目前,對海州灣地區(qū)近海海砂資源重礦物種類、組合及成因研究較少。

本文通過綜合分析海州灣入海河流碎屑沉積物和近海海砂沉積物的重礦物組成及特征,探討海州灣近海海砂資源的形成環(huán)境、砂礦物質來源及其成因,為黃海海域沉積物特征研究提供基礎數(shù)據(jù),并為重礦物分析方法在沉積物物源研究方面的有效性提供參考。

1 地質概況

南黃海位于中朝準地臺和揚子準地臺延伸處,海州灣位于南黃海西部。地質構造方面,海州灣位于郯廬斷裂帶東側,蘇魯隆起與蘇北—南黃海盆地過渡帶(圖1)。蘇魯隆起受燕山運動NE向和NW向斷裂影響,分別構成海州灣北部海岸和連云港海峽南部海岸輪廓[16]。蘇魯高壓、超高壓變質帶從西南端江蘇東海到東北端山東威海,沿黃海呈帶狀延伸320 km,北部、西部和南部分別以五連—煙臺斷裂、郯城—廬江斷裂和嘉山—響水斷裂為界[17]。海州灣基底為太古宇—元古宇變質巖系,構造線方向為NNE向。該區(qū)經歷了多次構造運動和混合巖化作用后,變質程度較深,巖石中含較多的鋯石、磷灰石等副礦物[9]。連云港海州灣連接海陸的過渡地區(qū)屬于蘇北近海平原地層小區(qū),主要受黃河、淮河水系攜入的物質影響[9]。

圖1 研究區(qū)大地構造位置簡圖[17]Fig. 1 Geotectonic location sketch map of the study area[17]

黃海晚第四紀沉積物中的陸相層和近岸海陸過渡層是劃分海底沉積物的重要標志。黃海晚第四紀地層由老到新劃分為晚更新世早期—里斯—玉木間冰期末期靈山島層[18],黃海晚第四紀海平面波動變化頻繁,出現(xiàn)了3次較大規(guī)模的海侵和2次較大規(guī)模的海退。130 000～80 000年前,黃海經歷了里斯—玉木間冰期,發(fā)生了靈山島海侵期(第Ⅲ海侵)。海進至江蘇、浙江和渤海西岸,形成了廣泛分布的海相地層。距今42 000年前,當成山頭海退期達到頂峰,海水退至現(xiàn)今80～100 m等深線附近,黃?；韭懵冻申?玉木間冰期,黃海經歷了連云港海侵期(第Ⅱ海侵),海進峰值基本接近現(xiàn)代海面高度,海岸線可達靈山島海侵期岸線以西;15 000年前,由于大規(guī)模海退,黃海海退期岸線最遠可達東海-150 m大陸架坡折線附近;12 000 ～11 000年前,黃海-50 m深處有海水波及; 6 000年前,冰后期海進達到最大范圍,海面高出現(xiàn)代海面數(shù)米(第Ⅰ海侵);3 000年前,海面降至現(xiàn)今位置。研究區(qū)第四系基本未缺失,厚度大,海侵影響明顯。灌南組上部棕黃色亞黏土以含鈣質結核為主,下部海相以含貝殼碎片的細粉砂為主,在海相層之下發(fā)育一套陸相含礫中粗砂。平原區(qū)連云港組下段以一套深灰色淤泥質亞黏土或亞砂土與灌南組下部區(qū)分[19]。連云港地區(qū)被第四系廣泛覆蓋,基巖主要出露在研究區(qū)西側陸域,主要為榴輝巖、片麻巖、大理巖等變質巖系,其次為沉積巖。

2 樣品處理及測試方法

2.1 樣品處理

采集海州灣入海河流碎屑沉積物6件、海灘碎屑沉積物1件和近海表層碎屑沉積物48件,采樣位置地理坐標為:34°12′46.97″～35°20′37.12″ N,119°11′11.54″～120°18′30.05″ E,具體采樣位置如圖2所示。河流、海灘和近海碎屑沉積物在現(xiàn)場采集,樣品濕重>1.5 kg。樣品為混合樣,烘干后重約0.8 kg。礦物分析在廊坊巖拓地質服務有限公司完成,樣品無縮分,經過淘洗、分離和鑒定,符合《DZ/T 0208—2002砂礦(金屬礦產)地質勘查規(guī)范(附錄C)》[20]重砂礦物分離質量要求。

1. 表層采樣區(qū);2. 表層采樣點及編號;3. 河流砂采樣點及編號;4. 海域;5. 陸域圖2 研究區(qū)采樣位置示意圖Fig. 2 Map showing sampling positions of the study area

2.2 測試方法

重砂礦物測試主要由粗淘、篩分、縮分、強磁選、電磁選、精淘和雙目顯微鏡鑒定組成。為了確保重砂樣品淘洗質量,對粗淘的淘洗流程作子試驗,確定淘洗次數(shù),淘洗至尾砂中肉眼看不到灰色礦物為止。子試驗表明,尾砂淘洗3次后,灰色重砂回收率為95%～97%;尾砂淘洗4次后,肉眼基本看不到灰色重砂,灰色重砂基本可回收。經上述過程,樣品被分成輕礦物和重礦物,分別在顯微鏡下鑒定,每個樣品鏡下鑒定的礦物顆粒數(shù)>500粒,計算樣品礦物的百分含量。通過三溴甲烷(重液)分離后進行強磁選、電磁選,分選后的樣品分為強磁部分、電磁部分和無磁部分,分別稱重后,在雙目鏡下通過目估法和數(shù)粒法確定礦物的顆粒百分含量(顆粒數(shù)≥300粒)。

3 碎屑沉積物礦物組成

3.1 河流碎屑沉積物礦物組成

海州灣地區(qū)入海河流碎屑沉積物的輕礦物含量較高,重量百分含量基本達99%以上,僅臨洪河輕礦物含量相對較低,重量百分含量為96.6%。入海河流碎屑沉積物中共含有23種重礦物(表1)。角閃石、磁鐵礦、綠簾石、鈦鐵礦、榍石、石榴石含量相對較高,可達1%～20%;鋯石、磷灰石、輝石、金紅石、黃鐵礦、電氣石、白鈦石、褐鐵礦含量中等或較低,含量一般<5%;剛玉、方鉛礦、黃玉、矽線石、鉻尖晶石、透閃石僅在部分河流中偶見,含量相對較低,一般<2%。

表1 海州灣入海河流碎屑沉積物重礦物含量

3.2 近海表層碎屑沉積物礦物組成

海州灣近海表層碎屑沉積物的礦物有40余種,其中輕礦物近10種,重礦物約36種。沉積物中輕礦物主要由石英和長石組成,重量百分含量平均值約為99.85%。重礦物以鋯石、鈦鐵礦、綠簾石、角閃石、輝石和石榴石為主,含量一般>2%(表2)。金紅石、磷灰石、白鈦石、銳鈦礦、電氣石、褐鐵礦、磁鐵礦、榍石常見,含量一般<2%。藍晶石、剛玉、重晶石、透閃石、獨居石 、鉻鐵礦、黃鐵礦、赤褐鐵礦、磷釔礦、尖晶石、矽線石、藍閃石偶見;錫石、金剛石未見。

表2 海州灣近海表層碎屑沉積物主要重礦物百分含量

4 碎屑沉積物礦物特征指數(shù)

4.1 河流碎屑沉積物

石英/長石(Q/F)值是反映碎屑沉積物成熟度的指標之一,該值越高代表碎屑沉積物成熟度越高。由研究區(qū)碎屑沉積物特征指數(shù)(表3)可知,臨洪河、興莊河、竹子河、傅疃河和繡針河碎屑沉積物Q/F值為0.25～0.49(灌河碎屑沉積物中石英和長石呈微晶,無法計算),海灘沉積物Q/F平均值為0.68。海州灣入海河流碎屑物Q/F值偏低,說明碎屑物成熟度較低,搬運距離短,水動力分選性和化學風化作用較弱。海灘碎屑沉積物搬運距離相對較長,經歷了較長時間的化學風化過程,長期的暴露環(huán)境導致海灘碎屑沉積物風化程度更高。

表3 研究區(qū)碎屑沉積物特征指數(shù)

ATi指數(shù)(磷灰石×100%/(磷灰石+電氣石))指示磷灰石的風化程度。灌河、興莊河、竹子河、傅疃河、繡針河ATi指數(shù)為66.7%～100.0%,相對較高,反映了河流碎屑沉積物化學風化作用較弱或物源富含大量磷灰石,母巖可能與中—新元古代富含磷灰石的錦屏巖群變質巖同處于快速剝蝕、搬運環(huán)境下。臨洪河和海灘樣品中偶見磷灰石,說明碎屑沉積物母巖含磷灰石較少或已強風化。海灘樣品ATi指數(shù)為0,反映了該區(qū)碎屑沉積物搬運時間較長;臨洪河ATi指數(shù)為0,但輕礦物Q/F值較低(0.38),說明母巖含磷灰石較少。

ZTr指數(shù)(鋯石+電氣石+金紅石)×100%反映重礦物成熟度。灌河、臨洪河、興莊河、竹子河、傅疃河、繡針河和海灘沉積物的ZTr指數(shù)為0～6.5%,反映重礦物成熟度較低,說明來自不同巖石、不同距離的碎屑礦物大量堆積,稀釋了穩(wěn)定重礦物的相對含量,導致重礦物成熟度降低。鋯石等穩(wěn)定礦物大多呈棱角狀-次棱角柱狀,磨圓度較差,說明物源大多數(shù)為近距離來源。

GZi指數(shù)(石榴石×100%/(石榴石+鋯石))反映石榴石的穩(wěn)定性和高級變質巖的分布區(qū),可分析是否存在角閃巖或麻粒巖物源[21]。海州灣入海河流碎屑沉積物的GZi指數(shù)為25%～100%,表明海州灣入海河流的源區(qū)巖石受中、高級變質作用影響明顯。

4.2 近海表層碎屑沉積物

近海表層碎屑沉積物中的鋯石多呈淺玫瑰色,少數(shù)呈深玫瑰色,以次棱角柱狀為主,其次為滾圓粒狀,少量棱角柱狀,大部分晶體表面粗糙,凹凸不平,光澤暗淡,透明度較低,具有搬運磨損的痕跡。部分鋯石顆粒晶體表面有溶蝕現(xiàn)象,晶面有溶蝕痕,呈毛玻璃狀,晶內可見黑色及固相包體,弱金剛光澤;少數(shù)顆粒棱角清晰,晶體表面光滑,透明度較高,自形程度較好,金剛光澤,顆粒含量為3%～13%,平均值為6.47%。

近海表層碎屑沉積物中的次生礦物主要為鈦鐵礦,呈鐵黑色,次滾圓粒狀,不透明,金屬光澤,粒度主要為0.05～0.08 mm,顆粒含量為16%～60%,平均值為39.50%;金紅石呈紅色、黑紅色,次棱角柱狀,半透明,油脂光澤,粒度為0.08～0.3 mm,顆粒含量為0.4%～2%,平均值為1%;綠簾石呈黃綠色,不規(guī)則塊狀,半透明,玻璃光澤,粒度主要為0.08～0.12 mm,少數(shù)粒度為0.15 mm,含量為0～28%,平均值為11.02%;電氣石呈茶綠色、棕褐色,次棱角柱狀、塊狀,透明,玻璃光澤,粒度為0.08～0.15 mm,顆粒含量為0.4%～1%,平均值為0.74%;石榴石呈淺粉色、橘紅色,不規(guī)則粒狀或圓粒狀,透明,玻璃光澤,粒度主要為0.08～0.12 mm,少數(shù)粒度為0.15 mm,顆粒含量為3%～28%,平均值為17.03%。

(1)Q/F值。海州灣近海表層碎屑沉積物的Q/F值為0.3～1.3,平均值為0.6,接近長江水系沉積物的Q/F值(0.56),大于黃河水系沉積物的Q/F值(0.36)[22],風化程度類似長江,強于黃河水系。河流碎屑沉積物Q/F值為0.25～0.49,平均值為0.43,接近黃河水系沉積物風化強度[22],表明在沿岸海流的水動力作用下,物質搬運、淘洗分選作用加強。

(2)ATi指數(shù)。海州灣近海表層碎屑沉積物ATi指數(shù)為0～100%(表3),平均值為83.2%,接近海州灣地區(qū)近海河流碎屑沉積物ATi指數(shù)。磷灰石屬于較穩(wěn)定礦物,具有寬泛的T-P 穩(wěn)定條件,反映了海州灣近海碎屑沉積物化學風化作用較弱,物源富含大量磷灰石,母巖可能與中元古代—新元古代富含磷灰石的錦屏巖群變質巖同處于快速剝蝕、搬運的環(huán)境下。

(3)ZTr指數(shù)。海州灣近海表層碎屑沉積物ZTr指數(shù)為0～15%,平均值為7.7%,比河流碎屑沉積物的ZTr指數(shù)略高,反映了近海重礦物成熟度增高。鋯石等穩(wěn)定礦物大多數(shù)呈棱角狀、次棱角柱狀,磨圓度較差,反映物源較近,且鈦鐵礦、磷灰石、輝石的顆粒百分含量相對較高，平均值分別為39.50%、2.50%和3.35%,這與源區(qū)大量分布基性巖和超基性巖有關[21,23-24]。

(4)GZi指數(shù)。海州灣近海表層碎屑沉積物的GZi指數(shù)為23.1%～100%,平均值為71.5%。表層碎屑沉積物中不穩(wěn)定礦物綠簾石、輝石和角閃石顆粒百分含量較高，平均值分別為11.02%、3.35%和4.77%,顯示海州灣近海沉積物近源快速堆積的特征[25],母巖具有經受了中、高級變質作用改造的特點[23]。

5 討論

水動力條件和埋藏成巖作用是影響物源的主要因素[7-8,26],在相似水動力條件和成巖作用下,穩(wěn)定重礦物相關特征指數(shù)可更好地反映物源特征。海州灣近海碎屑沉積物的Q/F值比入海河流碎屑沉積物的Q/F值高,說明沉積物入海后礦物成熟度增高,海洋的水動力作用強于河流的水動力作用。海州灣近海碎屑沉積物與入海河流的ATi指數(shù)均較高,反映了沉積物化學風化作用較弱或物源富含磷灰石,母巖可能與中元古代—新元古代富含磷灰石的錦屏巖群變質巖有關，在快速剝蝕、搬運環(huán)境下,磷灰石大量保存。近海碎屑沉積物ZTr指數(shù)平均值為7.7%,比入海河流碎屑沉積物的ZTr指數(shù)平均值(3.0%)高,說明沉積物入海后,在復雜的水動力條件下,重礦物成熟度有增高的趨勢[10]。近海碎屑沉積物GZi指數(shù)平均值為71.5%,遠高于海州灣入海河流碎屑沉積物的GZi指數(shù)平均值(59.3%),指示流域內變質巖暴露地表,經物理風化作用后,石榴石碎屑經河流搬運和沉積入海后,在海水動力作用過程中發(fā)生富集,GZi指數(shù)升高。

海州灣近海碎屑沉積物的重礦物特征指數(shù)ATi、ZTr和GZi值均較高,顯微鏡下鑒定重礦物以次棱柱狀和次滾圓為主,表明海州灣近海碎屑沉積物的物源為近距離來源,主要受流域內基巖類型影響,海洋水動力作用也是重要的影響因素。

5.1 砂礦沉積環(huán)境

海州灣地區(qū)第四紀具有海侵-海退交替發(fā)生、海陸相地層交互沉積特點，沉積環(huán)境主要受海平面變化與古河流及三角洲控制。在晚更新世玉木間冰期,氣候變暖,海平面上升,南黃海發(fā)生了連云港海侵,即第II海侵,海州灣及其近海廣泛發(fā)育三角洲沉積[16,27-29]。在海侵作用下,海州灣近海位于三角洲平原外側向海方向,海平面之下沉積作用強烈。由于海洋水動力作用較強,三角洲河口沙壩砂受波浪和岸流的淘洗發(fā)生側向遷移,呈席狀、層狀砂體廣泛分布于海州灣地區(qū),砂體向岸方向加厚,向海方向減薄。

5.2 砂礦成因

陸架區(qū)重礦物富集的沉積模式與海岸帶的水動力環(huán)境、陸架寬窄、陸源輸砂及砂礦物的種類密切相關[29-30]。黃海陸架以揚子準地臺結晶巖系為基底,太古宇—元古宇侵入巖體的鋯石、石榴石、鈦鐵礦、磁鐵礦等副礦物含量較高。連云港地區(qū)廣泛分布高壓、超高壓變質帶,片麻巖和榴輝巖分布較廣泛,存在多處鋯石、石榴石砂礦床(點)[17]。

海州灣地區(qū)四季分明,物理風化作用和化學風化作用均較強。第四紀,海州灣地區(qū)經歷了多次冰期、間冰期氣候變化。冰期氣候異常寒冷,以物理風化作用為主,將巖石破碎分裂;間冰期氣候溫暖濕潤,降雨量增大,河流縱橫發(fā)育,徑流量大,入海泥砂通量大,陸相沖積和淋濾形成三角洲沉積[31],屬于河口-淺海環(huán)境下的沉積產物。在河流機械分異及波浪、潮汐往復淘洗的共同作用下,重礦物進一步富集成礦,形成河-海作用成因的濱海沉積型礦床。

6 結論

(1)海州灣近海碎屑沉積物重礦物以鋯石、鈦鐵礦、綠簾石、角閃石、榍石、石榴石為主,母巖應為變質巖和基性巖漿巖。

(2)海州灣近海碎屑沉積物的重礦物特征指數(shù)均高于入海河流碎屑沉積物的重礦物特征指數(shù),顯示在復雜的水動力條件下，重礦物成熟度有增高的趨勢。

(3)海州灣近海碎屑沉積物中的近源物質較多,屬河口-淺海環(huán)境下的產物,砂礦的物質來源主要與連云港地區(qū)廣泛分布花崗巖、片麻巖和榴輝巖等變質巖有關,屬于河-海作用成因的濱海沉積型礦床。