蘇北輻射沙洲岸灘沉積物元素地球化學(xué)記錄的百年尺度環(huán)境變化

趙一飛，徐敏*，劉晴，舒強(qiáng)，王平

( 1.南京師范大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

1 引言

海岸帶是陸地與海洋交互作用的重要界面，也是響應(yīng)全球變化和陸海各種動(dòng)力作用最為迅速、最敏感的地帶[1]。潮灘作為海岸帶的重要組成部分，廣泛發(fā)育于世界許多海岸帶，在保護(hù)海岸線、生物多樣性、抵御風(fēng)暴潮等自然災(zāi)害等方面發(fā)揮著不可替代的作用[2-5]。受河流來沙、潮汐、波浪和沿岸流等動(dòng)力的綜合作用，海岸潮灘區(qū)的物質(zhì)來源、沉積物組成和地球化學(xué)特征復(fù)雜。

蘇北輻射沙洲是分布于我國江蘇岸外一種特殊的、典型的沉積體，其物質(zhì)來源和地貌基礎(chǔ)是晚更新世低海面時(shí)古長江、古黃河在該處入海形成的古三角洲沉積物或砂體[6]。這些沉積體包含了豐富的陸地沉積物供應(yīng)[7-9]、海岸地貌演化[10-11]和古環(huán)境變化的信息[12]，因此，獲得了較多的關(guān)注。歷史上，受長江、黃河兩條大河巨量泥沙供給，在江蘇近岸輻聚輻散潮流動(dòng)力的作用下，近岸潮灘典型發(fā)育，形成我國最大、最典型的淤泥質(zhì)海岸潮灘，為眾多遷徙鳥類和底棲生物提供良好的棲息地。然而，在過去百余年時(shí)間里，由于受到海岸各種營力的綜合影響（如黃河北徙、灘涂圍墾和海平面上升），輻射沙洲近岸潮灘沉積動(dòng)力環(huán)境發(fā)生顯著改變。目前，從對蘇北輻射沙洲近岸潮灘的研究來看，20世紀(jì)60年代初開始關(guān)注，80年代開展調(diào)查并快速發(fā)展，經(jīng)歷了從地面調(diào)查到遙感分析、從定性描述到定量分析的過程。這一階段研究主要集中在粉砂淤泥質(zhì)潮灘類型劃分[13]、潮灘剖面塑造[14]、潮灘形成發(fā)育演變機(jī)理[15]、潮水溝系統(tǒng)形成與演化[16]、潮灘沉積過程野外觀測[17]、潮灘沉積過程定量研究、潮灘動(dòng)力地貌、波浪、風(fēng)暴潮和互花米草對潮灘演變的影響、潮灘形成原因與風(fēng)暴潮潮灘沉積記錄、潮灘沖淤循環(huán)模式（長期、短期）、泥沙輸移模式等方面[18-20]。盡管從區(qū)域尺度對潮灘沉積環(huán)境的研究取得了諸多成果，但研究區(qū)域較為分散、研究內(nèi)容不具體、研究方法不一致，同時(shí)對近百年來，物源減少、人類圍墾活動(dòng)加劇的影響下蘇北輻射沙洲潮灘沉積環(huán)境等方面缺乏系統(tǒng)的研究和深入了解。

元素作為研究沉積物物質(zhì)組成的重要指標(biāo)之一，在地表過程中的地球化學(xué)行為與其粒度特征、礦物組成和沉積時(shí)的動(dòng)力條件密切相關(guān)，記錄了海岸沉積環(huán)境變化的重要信息[21-23]。X射線熒光分析（X-Ray Fluorescence,XRF）是一種應(yīng)用于沉積物元素分析的新興研究方法，具有分析速度快、無損樣品、連續(xù)性好、分辨率高以及樣品制備要求低等優(yōu)勢[24-25]。近年來，XRF巖芯掃描分析方法已廣泛用于沉積物環(huán)境研究中，如沉積物物源分析[26-27]、古氣候與古環(huán)境重建和古洪水事件，取得了豐碩的成果[28-30]。因此，本文通過研究在蘇北輻射沙洲岸灘獲取的短柱沉積物巖芯，建立可靠的年代框架，基于元素地球化學(xué)記錄和沉積物粒度參數(shù)，開展潮灘沉積環(huán)境演變研究，以期正確認(rèn)識(shí)潮灘沉積特征及其演化歷史，為該區(qū)域潮灘綜合規(guī)劃和開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)，這對保護(hù)潮灘及其周邊生態(tài)系統(tǒng)、合理開發(fā)利用潮灘資源和促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 研究區(qū)概況

蘇北輻射沙洲（圖1）是分布于我國江蘇岸外一種特殊的、典型的沉積體系，由70多條陸架潮流沙脊與潮流通道相間的海底地貌組成，以新川港為主軸，呈褶扇狀向海，水深為 0～25 m，總面積達(dá) 22 470 km2，是世界上最大的海沙復(fù)合體之一[6]。蘇北輻射沙洲附近潮灘是中國連片面積最大、最寬廣、生態(tài)類型最齊全和沖淤演變最復(fù)雜的典型淤泥質(zhì)潮灘[31]。潮灘平均寬為6.5 km，最寬處在條子泥邊灘，可達(dá)14 km。歷史上長江、黃河曾在蘇北入海，帶來的大量泥沙供給是淤泥質(zhì)潮灘形成和淤漲的主要物質(zhì)來源，其以潮差大（平均潮差為2～4 m）、潮汐作用強(qiáng)為主要特征，潮灘發(fā)育完善，具有明顯的分帶性[13,32]。輻射沙洲近岸多屬于非正規(guī)半日潮，其中弶港至小洋口一帶潮差最大，在長沙港北達(dá)6.45 m，之后向南北兩側(cè)遞減。其潮流作用較強(qiáng)，最大流速可達(dá)1～2 m/s以上，以弶港為界，南部外海以旋轉(zhuǎn)潮流主導(dǎo)，近岸往復(fù)流性質(zhì)明顯[33]。

圖1 研究區(qū)及其采樣位置Fig.1 The study area and sampling location

2.2 樣品采集

2018年8 月，在蘇北輻射沙洲近岸潮灘，利用便攜式重力采樣器鉆取了（內(nèi)徑為9 cm）3根長度為105～120 cm的柱狀巖芯（表1，圖1）。對獲得的巖芯用膠帶和錫紙密封保存，防止樣品氧化。樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，放置冰柜冷藏，處理時(shí)縱向剖開，進(jìn)行描述、巖芯掃描和拍照后，縱向間隔2 cm進(jìn)行分樣，在分離樣品過程中用去離子水對分樣工具進(jìn)行清洗，避免對相鄰樣品造成污染而影響結(jié)果的測定。對于所分好的樣品，用冷凍干燥機(jī)進(jìn)行低溫凍干，主要用于沉積物年代分析和粒度分析。

表1 蘇北輻射沙洲岸灘柱狀巖芯沉積物站位信息Table 1 The information of core sediments samples station in tidal flat in the northern Jiangsu radial sand ridges

2.3 實(shí)驗(yàn)室分析

本文對所采集柱狀沉積物樣品粒度測量在南京師范大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院進(jìn)行，測試儀器使用英國Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000型激光粒度儀，儀器測試粒徑范圍為 0.02～2 000 μm，多次重復(fù)測量誤差小于3%。在測試前，對所測試的樣品進(jìn)行前處理分析，首先稱取1 g左右凍干的沉積物放置于燒杯中，先后加入10%的H2O2和10%的鹽酸溶液，攪拌均勻，靜置12 h以去除樣品中的有機(jī)質(zhì)，然后加入濃度為10‰的六偏磷酸鈉，充分?jǐn)嚢韬箪o置24 h以上然后上機(jī)測試，對所測試的結(jié)果選用Folk和Ward圖解法公式和GRADISTAT軟件進(jìn)行計(jì)算，獲得平均粒徑（Mz）、分選系數(shù)（σ1）、偏態(tài)系數(shù)（sk1）、峰態(tài)系數(shù)（KG）4 個(gè)粒度參數(shù)。

沉積物沉積速率和年代的確定采用210Pb和137Cs放射性同位素測年方法，沉積物樣品中放射性核素的測定在中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所同位素實(shí)驗(yàn)室完成，分析儀器采用美國EG&G Ortec公司生產(chǎn)的低本底高純鍺探γ能譜儀井型探測器（HPGe GWL 120-15），該γ譜議的主要指標(biāo)為，能量響應(yīng)范圍為40～10 MeV、峰康比大于60∶1、相對探測效率為10%～150%，具有良好的穩(wěn)定性。高純鍺探測器可測得低能γ射線，同時(shí)在環(huán)境樣品的高純鍺探測器譜中，46.5 keV處的γ射線與其他射線互不干擾。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，將短柱樣品進(jìn)行冷凍干燥處理，選取10 g左右樣品，研磨過100目篩，進(jìn)行放射性核素210Pb、137Cs和226Ra的活度測試，為了減少誤差，測定時(shí)間為40 000 s左右（實(shí)時(shí)），活度按計(jì)數(shù)值和計(jì)數(shù)誤差比來確定。其中，其中137Cs的比活度由661.6 KeV處的γ射線譜峰面積獲得，210Pbex比活度可以通過從總的210Pb的比活度中減去226Ra比活度來確定。其中，210Pb的總量為46.5 KeV處的γ射線譜峰面積，226Ra比活度根據(jù)214Pb的譜峰面積（351.9 KeV處）求算，半衰期極短的214Pb是226Ra的衰變產(chǎn)物。實(shí)驗(yàn)中137Cs和226Ra標(biāo)準(zhǔn)樣品由中國原子能研究所提供，210Pb標(biāo)準(zhǔn)樣品由英國利物浦大學(xué)提供的標(biāo)準(zhǔn)樣品作比對標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 XRF 巖芯掃描儀

本研究中，地化元素主要是通過XRF巖芯掃描儀（X-Ray Fluorescence Core Scanner）掃描獲取。隨著元素地球化學(xué)研究的不斷深入，XRF巖芯掃描儀的使用也越來越廣泛。XRF巖芯掃描分析方法是在不破壞樣品的前提下，通過直接對樣品剖面進(jìn)行掃描，快速得到高分辨率元素的相對變化。

XRF樣品掃描分析在南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院XRF巖芯掃描實(shí)驗(yàn)室完成，掃描儀器為英國GeoTek公司生產(chǎn)的MSCL-S巖芯掃描儀，以2 mm的分辨率對卡槽樣品進(jìn)行元素掃描分析。該儀器廣泛用于海底沉積物、湖泊沉積物及巖石巖芯等掃描分析，其多個(gè)系統(tǒng)可同步、快速、準(zhǔn)確和全自動(dòng)測量。目前，該儀器傳感器包括光學(xué)成像系統(tǒng)、彩色分光光度計(jì)、磁化率和高精度XRF元素。利用MSCL-S測量時(shí)，巖芯長度不超過 150 cm，直徑為 50～150 mm，可分析Mg到U之間的大部分元素。此外，可利用氦氣極大提高傳感器的靈敏度，尤其在測量Mg、Al等元素時(shí)，可以增強(qiáng)峰值，消除譜圖中的氬峰。本次沉積物柱狀樣品掃描是在10 kV和40 kV兩個(gè)電壓控制的射線條件下，以1 cm為分辨率，每個(gè)點(diǎn)測試時(shí)間為10 s獲取的元素相對含量信息。

巖芯掃描完成后，利用bAxil Batch軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行批處理，處理得到的數(shù)據(jù)除以真實(shí)測量的時(shí)間，即可獲得某種元素相對元素強(qiáng)度（單位：cps）。

2.5 聚類分析

聚類分析是把未知類別的變量依據(jù)相應(yīng)的規(guī)律分類，分類過程是一個(gè)逐步減少類別的過程，每一個(gè)聚類層次，必須滿足“類內(nèi)差異小，類間差異大”的原則[36-37]。在本研究中，依據(jù)R型聚類分析方法對每個(gè)柱狀巖芯中元素進(jìn)行R型聚類分析，該方法可以將地化特征比較接近、行為比較密切的元素進(jìn)行歸類[38]。主要元素的聚類分析在SPSS 20軟件中完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 沉積物巖芯描述

射陽河口柱狀巖芯位于射陽河口南部互花米草灘，全長為105 cm，整個(gè)柱狀樣含水率中等，主要以粉砂質(zhì)黏土、黏土質(zhì)粉砂和粉砂組成，在0～10 cm深度處，有大量的互花米草根系；在10～30 cm深度處，以淺灰色粉砂質(zhì)黏土為主，有機(jī)質(zhì)含量較高；在30～65 cm深度處，以淺黃色黏土質(zhì)粉砂為主，且中間夾雜一些黏土層；在65 cm以下，主要以粉砂為主，有零星有機(jī)碳分布（圖2a）。川東港采樣地點(diǎn)位于大豐麋鹿自然保護(hù)區(qū)外圍互花米草灘，整個(gè)巖心長度為110 cm，以粉砂、黏土質(zhì)粉砂為主；有明顯的泥沙層理分布，壓縮性小，含水率中等，在10～22 cm深度處，含水量較高，有機(jī)質(zhì)含量高（圖2b）。海安樣點(diǎn)位于海安縣岸外光灘處，受潮溝波動(dòng)影響以及沉積物沉積特性，沉積物柱狀樣采集難度大，巖芯底部和頂部不同程度受到人為干擾。獲取的巖芯真實(shí)長度為120 cm，以黏土質(zhì)粉砂和細(xì)粉砂為主，砂泥互層明顯，無貝殼碎屑，含水率中等，夾雜黑色有機(jī)質(zhì)層（圖2c）。由于樣品采集時(shí)受到人為干擾，因此去除兩頭受人為影響較大的部分對其進(jìn)行分析。

圖2 蘇北輻射沙洲潮灘沉積物巖芯剖面Fig.2 The profile of core sediments in tidal flat in the northern Jiangsu radial sand ridges

3.2 沉積物柱狀巖芯沉積速率

射陽河口沉積物沉積速率不是通過放射性同位素210Pb和137Cs測年來確定的，而是通過互花米草引種時(shí)間確定?；セ撞葸m宜生長在潮間中上帶，具有促淤保灘、改良土壤、綠化海灘和改善海灘生態(tài)環(huán)境的功能，1979年我國從美國引進(jìn)互花米草，1982-1983年引種到灌云縣、射陽等地[34]。本文研究射陽河口沉積物柱狀巖芯沉積速率時(shí)發(fā)現(xiàn)，柱狀巖芯沉積物平均粒徑在65 cm處發(fā)生了明顯變小的趨勢，沉積物組分砂含量減少且粉砂和黏土含量增多，這可能是互花米草入侵而導(dǎo)致水動(dòng)力減弱，引起細(xì)顆粒物質(zhì)沉積。結(jié)合沉積相和沉積物粒度參數(shù)變化特征，本研究假定該柱狀巖芯65 cm所對應(yīng)的年代是1982年。由于柱狀樣采集時(shí)間是2017年8月，故巖芯65 cm以上的沉積速率是1.67 cm/a。此外，柱狀巖芯65 cm以下主要以粉砂和砂為主，沉積相類似于光灘的泥沙沉積，徐曉鳳[35]在射陽河口光灘采集柱狀樣獲得的沉積速率為0.88 cm/a，因此，65 cm 以下沉積速率參照徐曉鳳的研究結(jié)果。

對川東港互花米草灘沉積物放射性210Pb和137Cs測試發(fā)現(xiàn)（圖3a1，圖3a2），該柱狀巖芯210Pb最大比活度為 118.15 Bq/kg，最小比活度為 44.80 Bq/kg，平均比活度為74.71 Bq/kg。比活度值在30 cm以上相對比較穩(wěn)定，在30 cm以下呈指數(shù)衰減趨勢，大約在105 cm以下與226Ra的比活度值接近，基本達(dá)到了本底值。根據(jù)擬合結(jié)果，得出柱狀巖芯平均沉積速率為2.3 cm/a。137Cs在儀器允許的誤差下，沒用檢測到其活度，不能判斷出沉積物的沉積速率。因此，在這個(gè)柱狀樣中，選用210Pb比活度計(jì)算的結(jié)果作為平均沉積速率。

通過對海安潮灘典型剖面進(jìn)行放射性同位素210Pb和137Cs的沉積速率分析（圖3b1，圖3b2），210Pb在整個(gè)垂向剖面最大比活度為98.31 Bq/kg，最小比活度為46.75 Bq/kg，平均比活度為 69.07 Bq/kg。整個(gè)柱狀巖芯比活度呈垂向波動(dòng)衰減的趨勢。此外，大約120 cm上下，210Pb比活度值與226Ra的比活度值一致，達(dá)到了本底值。根據(jù)線性擬合結(jié)果得出沉積物沉積速率為1.6 cm/a。137Cs在儀器允許的誤差下，沒用檢測到其活度，不能判斷出沉積物的沉積速率。因此，在這個(gè)柱狀樣中選用210Pb比活度計(jì)算的結(jié)果作為平均沉積速率。

圖3 蘇北輻射沙洲潮灘沉積物沉積速率Fig.3 Sediment deposition rate in tidal flat in the northern Jiangsu radial sand ridges

3.3 沉積物粒度特征

射陽河口沉積物柱狀巖芯粒度參數(shù)分布特征如圖4a所示，沉積物平均粒徑由底向上呈波動(dòng)減小的變化趨勢，在55 cm處發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，55 cm以上呈現(xiàn)波動(dòng)穩(wěn)定變化特征。根據(jù)沉積物粒度變化特征，將該巖芯自下而上劃分為2個(gè)階段。第1階段（105 cm至55 cm），沉積物平均粒徑呈減小趨勢，介于30.84 μm至60.90 μm，平均為 51.05 μm；第 2 階段（55 cm 至 0 cm），平均粒徑呈相對波動(dòng)穩(wěn)定狀態(tài)，在34 cm和8 cm處有典型的突變增大，介于 8.84～53.18 μm，平均為 25.74 μm，相較于第1階段，平均粒徑明顯減小，粒度變細(xì)。

川東港米草灘沉積物巖芯平均粒徑（圖4b）在30 cm以下相對比較穩(wěn)定，然后在30 cm至10 cm處波動(dòng)增加，10 cm 以上呈減少趨勢，介于 3.07～88.99 μm 之間，平均值為 17.7 μm；在 110 cm 至 30 cm 深度，沉積物平均粒徑基本呈穩(wěn)定狀態(tài)，介于3.07～32.53 μm，平均為13.04 μm；在 30 cm 至 0 cm 深度，沉積物平均粒徑先增大后減小，介于10.16～88.99 μm，平均值為 27.82 μm。

海安潮灘沉積物巖芯平均粒徑（圖4c）介于20.33～61.17 μm，平均為 45.29 μm，呈波動(dòng)穩(wěn)定變化特征。

圖4 蘇北輻射沙洲潮灘巖芯沉積物平均粒徑Fig.4 Mean particle size of core sediments in tidal flat in the northern Jiangsu radial sand ridges

3.4 沉積物元素地球化學(xué)特征

射陽河口互花米草灘巖芯沉積物元素分布特征如圖5和表2所示，其中Si、Ca、Fe和As元素有較高的相對含量，其平均值為95.41 cps、144.92 cps、425.82 cps和 248.10 cps；其次是 S、Ti、V、Ni、Rb和 Sr；而 Zn、Cu、Ba和 Mn的相對含量較低，為 5.31 cps、17.27 cps、10.64 cps和29.36 cps。基于元素的相對平均含量，可將其分為3組，第1組為Si、Ca、Fe和As元素，相對含量高，平均在 100 cps以上；第 2組為 S、Ti、V、Ni、Rb和Sr元素，相對含量為45～100 cps；第3組為Zn、Cu、Ba和Mn元素，相對含量較低，平均在30 cps以下。同樣地，Si、Ca、As和Fe元素的標(biāo)準(zhǔn)偏差也較高，說明這幾種元素在垂向剖面中變化大。

圖5 射陽河口巖芯沉積物元素分布曲線Fig.5 Element distribution curve of core sediments in the Sheyang River Estuary

根據(jù)元素的變異系數(shù)，結(jié)果由大到小依次為S（2.37）、Zn（0.55）、Mn（0.43）、Fe（0.38）、Ca（0.34）=Si（0.34）、Rb（0.30）、Ti（0.24）、Ba（0.23）、Cu（0.22）=Sr（0.22）、V（0.21）、As（0.11）、Ni（0.10）。S 的變異系數(shù)為 2.37，主要是在用XRF巖芯掃描儀掃描過程中出現(xiàn)負(fù)值，因此所獲取的元素信號(hào)強(qiáng)度不準(zhǔn)確，故不予采用；除元素Zn和Mn的變異系數(shù)較大外，大部分元素變異系數(shù)為0.1～0.4，相對較小，說明該柱狀巖芯沉積物元素分布相對較均勻。

沉積物柱狀巖芯中Si、Ca和Fe元素相對含量變化趨勢一致，可能存在比較相似的地球化學(xué)行為。元素剖面自底部向上呈“先增加（105 cm至90 cm）-減少（90 cm 至55 cm）-增加（55 cm 至10 cm）-減少（10 cm至0 cm）”的變化特征，元素Ni和Mn呈近似相反的變化特征，而其他元素在整個(gè)剖面中垂向變化不大，呈波動(dòng)穩(wěn)定特征。

川東港互花米草灘巖芯沉積物元素分布特征如圖6和表2所示，可以看出元素Si、Ca、Fe和As的相對平均含量高，其平均值分別為246.00 cps、285.80 cps、887.94 cps和240.38 cps；Mn、Ba、Cu和Zn元素含量較低，分別為為 25.73 cps、13.66 cps、16.01 cps和 5.68 cps，其他的元素相對含量介于40～100 cps。通過與射陽河口元素對比發(fā)現(xiàn)，川東港巖芯沉積物Si、Ca、Fe相對含量明顯高于前者的含量，為前者的2倍多。

圖6 川東港互花米草灘巖芯沉積物元素分布曲線Fig.6 Element distribution curve of core sediments in the Spartina alterniflora tidal flat of Chuandong Gang

表2 蘇北輻射沙洲岸灘沉積物元素含量Table 2 The element content of core sediments in tidal flat in the northern Jiangsu radial sand ridges

沉積物巖芯元素垂向變化表現(xiàn)為：第一，Si、Ca和Fe具有明顯的一致性，即自底部向上呈先波動(dòng)穩(wěn)定后增加的趨勢，Ti也表現(xiàn)出了類似的變化特征，但不明顯；第二，V和Ni近似的表現(xiàn)為與Si、Ca和Fe相反的變化趨勢；第三，其他元素相對比較穩(wěn)定，呈波動(dòng)穩(wěn)定變化趨勢。因此，根據(jù)元素Si、Fe和Ca垂向變化特征可將巖芯分為兩部分：第1部分（110 cm 至 30 cm），元素呈波動(dòng)穩(wěn)定變化特征；第 2 部分（30 cm以上），元素呈增加趨勢。結(jié)合沉積物組分含量垂向變化特征，砂含量在30 cm出現(xiàn)了增加趨勢，而粉砂含量減少，暗示了Si、Fe和Ca含量與沉積物平均粒徑關(guān)系密切。

海安潮灘巖芯沉積物元素分布特征如圖7和表2所示，可以看出元素S元素出現(xiàn)了負(fù)值，主要是使用XRF巖芯掃描儀在掃描過程中所獲取的元素信號(hào)強(qiáng)度不準(zhǔn)確，故不予采用；Si、Ca、Fe和As的相對平均含量高，其平均值分別為 235.09 cps、176.28 cps、604.23 cps和 243.35 cps；Mn、Ba、Cu和 Zn元素含量較低，分別為為 27.83 cps、12.88 cps、17.22 cps和 5.54 cps，其他的元素相對含量介于40～100 cps。通過與射陽河口元素對比發(fā)現(xiàn)，海安巖芯沉積物元素Si、Ca、Fe相對含量明顯高于前者的含量，但是略低于川東港的元素相對含量。

圖7 海安潮灘巖芯沉積物元素分布曲線Fig.7 Element distribution curve of core sediments in the Haian tidal flat

巖芯沉積物元素垂向變化表現(xiàn)為：第一，Si、Ca和Fe具有明顯的一致性，元素相對含量在70 cm上下發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)折，在45 cm上下達(dá)到最大值，然后又呈減少趨勢，這可能與該區(qū)域的沉積動(dòng)力環(huán)境和物質(zhì)來源有密切的關(guān)系；第二，其他元素相對比較穩(wěn)定，呈波動(dòng)穩(wěn)定變化趨勢。因此，根據(jù)元素Si、Fe和Ca垂向變化特征可將巖芯分為兩部分：第1部分（140 cm 至 70 cm），元素含量呈波動(dòng)近似穩(wěn)定變化特征；第2部分（70 cm以上），元素含量呈先增加和減少的趨勢。

綜上所述，通過對蘇北輻射沙洲典型潮灘剖面巖芯沉積物XRF掃描元素的相對含量變化進(jìn)行分析，Si、Ca和Fe元素相對含量較高，且自北向南其含量不斷的增加，Mn、Ba、Cu和Zn元素含量較低，基本在30 cps以下，在所有剖面含量變化不大，其他元素相對含量介于40～100 cps，在各巖芯中變化不大。在垂向變化上，Si、Ca和Fe元素垂向變化趨勢一致，顯示具有較高的相關(guān)性，即具有近似的地球化學(xué)行為和一致的物質(zhì)來源；而Ni、Zn和S元素在不同柱狀巖芯中呈現(xiàn)與Si、Ca和Fe相反的變化趨勢，暗示了這幾種元素與前者具有不同的地化行為，其他元素垂向變化在所有柱狀巖芯中基本相對穩(wěn)定，呈波動(dòng)穩(wěn)定的變化特征。

4 討論

4.1 巖芯沉積物元素間相關(guān)性及其與粒度關(guān)系

沉積物中元素的相關(guān)性反映的是不同元素在地球化學(xué)性質(zhì)方面的差異，通常記錄且保存了沉積物物質(zhì)來源的重要信息。因此，其有助于分析沉積物的來源和沉積環(huán)境的變化。通過SPSS軟件中的Pearson相關(guān)對14種元素和沉積物平均粒徑進(jìn)行相關(guān)性分析，再經(jīng)雙尾顯著性檢驗(yàn)。

射陽河口互花米草灘沉積物元素相關(guān)性結(jié)果顯示（表3），Si、Ca、Fe和 Ba具有較強(qiáng)的相關(guān)性，且都通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)；此外，這些元素與Ti、Zn和Rb呈正相關(guān)；與元素V、Ni、Cu和As呈負(fù)相關(guān)。元素Si、Ca、Fe和Ba與平均粒徑均呈負(fù)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別為-0.1，-0.59，-0.65和-0.09，其中 Ca和Fe與平均粒徑呈顯著的負(fù)相關(guān)，通過了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)，這暗示了Ca和Fe元素受平均粒徑影響大，明顯的遵循“元素粒度控制規(guī)律”，而其他元素與平均粒徑的相關(guān)性不顯著。

表3 射陽河口互花米草灘巖芯沉積物中元素相關(guān)性Table 3 The element correlation of core sediments in the Spartina alterniflora tidal flat of Sheyang Estuary

川東港巖芯沉積物元素相關(guān)性分析如表4所示，F(xiàn)e、Si和Ca三者仍然是有較高的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在0.5及以上以上，且都通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)；同時(shí)，三者與 S、Zn、Ti、As、Rb和 Ba存在正相關(guān)，與V、Cu呈負(fù)相關(guān)。Si與平均粒徑呈正相關(guān)，Ca和Fe與平均粒徑呈負(fù)相關(guān)，其他元素與平均粒徑均呈不顯著的相關(guān)關(guān)系。

表4 川東港互花米草灘巖芯沉積物中元素相關(guān)性Table 4 The element correlation of core sediments in the Spartina alterniflora tidal flat of the Chuangdong Gang

海安潮灘巖芯沉積物元素相關(guān)系數(shù)結(jié)果顯示（表5），Si、Ca和 Fe有非常高的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在0.8以上，且都通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)，但是，這些元素與Ni、V和As呈負(fù)相關(guān)；此外，這些元素與Ba、Zn、S、Rb和 Sr也有較好的正相關(guān)性。Si、Ca、Fe、Ti和S與沉積物平均粒徑呈正相關(guān)，V與平均粒經(jīng)呈不相關(guān)而其他元素與平均粒徑呈負(fù)相關(guān)。

表5 海安岸外潮灘巖芯沉積物中元素相關(guān)性Table 5 The element correlation of core sediments in the Haian tidal flat

綜上所述，通過對輻射沙洲近岸潮灘沉積物元素及其與平均粒徑的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，元素Si、Ca、Ba和Fe具有較強(qiáng)的相關(guān)性，且通過了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)，暗示了這些元素有著相似的地球化學(xué)行為和一致的物質(zhì)來源；這些元素同Ni、V和Zn呈負(fù)相關(guān)，也暗示了Ni、V和Zn有著類似的地球化學(xué)行為和一致的來源；其他元素都呈較弱的相關(guān)性。此外，通過元素與沉積物平均粒徑的相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)，蘇北輻射沙洲海岸北部（射陽河口和川東港）Ca、Fe和Si同平均粒徑呈負(fù)相關(guān)，而輻射沙洲內(nèi)緣區(qū)（海安）巖芯沉積物Ca、Fe和Si與沉積物平均粒徑呈正相關(guān)，這可能與沉積物組分含量有密切的關(guān)系，輻射沙洲北部海岸潮灘沉積物主要是以粉砂和黏土為主，而內(nèi)緣區(qū)海安潮灘主要以砂為主，這暗示了元素的分布和富集特征同沉積物組分含量有密切的關(guān)系，明顯的遵循“元素粒度控制規(guī)律”的原則。

4.2 沉積物元素之間的聚類分析

通過XRF巖芯掃描儀掃描潮灘沉積物柱狀樣，得到元素 Si、Ca、V、Fe、S、Ti、Mn、Ba、Cu、As、Sr、Ni、Zn、Rb，使用SPSS 24.0軟件和最遠(yuǎn)鄰近元素分析法進(jìn)行R型聚類分析，得到R型聚類圖（圖8），結(jié)果顯示，射陽河口互花米草灘巖芯沉積物元素組合表現(xiàn)為 Ca、Fe、Si、S、Ti、Ba、Rb和 Sr聚為一類，剩余的其他元素聚為一類；川東港互花米草灘沉積物巖芯元素聚類結(jié)果顯示，Ca、Fe、Si和 Ti聚為一類，S、Zn、Mn、Ba聚為一類，Rb、Sr和V聚集在一起，Ni、Cu和As聚集為一類。海安潮灘柱狀巖芯元素聚類結(jié)果顯示，Si、Ca、Fe聚在一起，Si、Ca、Fe、Ba、S、Sr和Ti聚為一大類，V、Mn、Rb、Ni、Cu、As和Zn聚為一類。

圖8 蘇北輻射沙洲海岸潮灘巖芯沉積物元素聚類分析Fig.8 Cluster analysis of core sediments elements in tidal flat in the northern Jiangsu radial sand ridges

從輻射沙洲潮灘巖芯元素聚類分析來看，大部分柱狀巖心元素聚類結(jié)果都表現(xiàn)出一定的相似性，即Si、Fe、Ca、Ba、Sr、Zn、Rb和 Ti聚在一起，Ni、Cu、As和Mn聚在一起，說明這兩類元素有不同的來源，可能受到物質(zhì)來源、地球化學(xué)環(huán)境和生物沉積作用的影響。其中射陽河口、川東港和海安潮灘沉積物元素Si、Fe、Ca具有極強(qiáng)的相似性，可能由沉積物“?？匦?yīng)”制約造成的，即隨著沉積物粒度變大，其元素相對強(qiáng)度愈來愈低。此外，F(xiàn)e和Si的相似性還受到陸地（長江、黃河）物源的影響，即來源于長江和黃河的物質(zhì)在近海沉積動(dòng)力作用下，大量物質(zhì)堆積在海岸區(qū)域；其次，Si和Fe具有相似的化學(xué)性質(zhì)，二者在水中溶解度小，往往呈懸浮態(tài)進(jìn)行遷移，而Ca元素溶解度大，當(dāng)河流攜帶的陸源物質(zhì)進(jìn)入海洋后，隨著海水的pH和鹽度增大，懸浮態(tài)的物質(zhì)就發(fā)生絮凝下沉，不利于其進(jìn)行遷移；其次是在中國陸架外側(cè)分布含貝殼碎屑較多的殘留沉積物，也會(huì)導(dǎo)致Ca的含量增多，然而在沉積相中沒有發(fā)現(xiàn)生物貝殼碎屑。因此，Ca、Fe和Si主要來自陸源碎屑物質(zhì)。

4.3 沉積物元素地球化學(xué)特征的環(huán)境指示意義

射陽河口作為近百年江蘇海岸沖淤交替的重要界面，其沉積環(huán)境相對復(fù)雜；此外，建閘和圍墾對射陽河口地區(qū)沉積環(huán)境帶來顯著的影響。巖芯剖面中Si、Ca和Fe元素相對含量變化趨勢一致，可能存在比較相似的地球化學(xué)行為。相關(guān)性顯示，Si、Ca、Fe和Ba具有較強(qiáng)的相關(guān)性，且都通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)；此外，這些元素與Ti、Zn和Rb呈正相關(guān)；與元素V、Ni、Cu和As呈負(fù)相關(guān)。剖面中大部分元素呈穩(wěn)定趨勢，Si元素與砂含量變化一致，可見粗粒徑含量對Si元素有很大的影響，而Ca元素和Fe元素基本與粉砂和黏土含量變化一致，同平均粒徑垂向剖面變化相反，這可能受到粒度控制效應(yīng)的影響，沉積物較細(xì)，有利于Ca元素和Fe元素的富集。

此外，1982年以來，隨著互花米草的引入，占領(lǐng)了該區(qū)域生態(tài)環(huán)境，蘇北海岸侵蝕的細(xì)顆粒物質(zhì)在江蘇沿岸流和潮流的共同作用下沉積在65 cm以上區(qū)域。

川東港互花米草灘上端巖芯中大部分元素呈穩(wěn)定波動(dòng)變化，根據(jù)元素Si、Fe和Ca垂向變化特征可以看出，Si含量與砂含量的變化趨勢一致，而Fe和Ca元素垂向相對含量變化一致；同時(shí)在大約40 cm以下（2000年以前），該區(qū)域潮灘沉積環(huán)境較為穩(wěn)定；巖芯40 cm 至10 cm，砂含量和 Si元素相對含量增加，暗示了這段時(shí)間水動(dòng)力環(huán)境比較強(qiáng)，攜帶粗顆粒沉積物在此沉積；10 cm以上，黏土和粉砂含量增加，平均粒徑迅速減小，F(xiàn)e和Ca元素相對含量增加，可能是由于近岸人類圍填海活動(dòng)導(dǎo)致靠岸堆積，互花米草生長，使其前端發(fā)生沉積。

從沉積物平均粒徑、組分含量和主要元素變化特征可以看出，2000年前該區(qū)域沉積環(huán)境比較穩(wěn)定，沉積物主要來源于自蘇北海岸侵蝕的細(xì)顆粒沉積物的沉積；2000年后水動(dòng)力變強(qiáng)，西洋水道往南延伸，水道變寬加深，所攜帶的沉積物在近岸堆積，堆積的沉積物為近岸物質(zhì)的來源。

海安岸外潮灘剖面中Si、Ca和Fe元素相對含量變化趨勢一致，元素相對含量自底部向上整體呈減少趨勢，巖芯在70 cm處發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)折，然后呈波動(dòng)穩(wěn)定變化，10 cm上下發(fā)生了減少變化趨勢。說明該區(qū)域沉積環(huán)境在70 cm以下比較穩(wěn)定，而70 cm以上（1974年前后）發(fā)生了變化，可能是人類圍墾活動(dòng)，改變了沉積物動(dòng)力格局，導(dǎo)致物源發(fā)生了變化。

5 結(jié)論

本文通過XRF巖芯掃描方法獲取了海岸潮灘柱狀巖芯的沉積物地化元素。得出以下結(jié)論：

（1）通過對蘇北輻射沙洲典型潮灘剖面巖芯沉積物XRF掃描儀掃描元素的相對含量變化進(jìn)行分析，Si、Ca和Fe元素相對含量較高，且自北向南其含量不斷的增加，Mn、Ba、Cu和Zn元素含量較低，基本在30 cps以下，在所有剖面含量變化不大，其他元素相對含量介于40～100 cps，在各巖芯中變化不大。

（2）在垂向變化上，Si、Ca和Fe元素垂向變化趨勢一致，顯示具有較高的相關(guān)性，即具有近似的地球化學(xué)行為和一致的物質(zhì)來源；而Ni、Zn和S元素在不同柱狀巖芯中呈現(xiàn)與Si、Ca和Fe相反的變化趨勢，暗示了這幾種元素與前者具有不同的地球化學(xué)行為，其他元素垂向變化在所有柱狀巖芯中基本相對穩(wěn)定，呈波動(dòng)穩(wěn)定的變化特征。

（3）通過對蘇北輻射沙洲近岸潮灘沉積物元素及其與平均粒徑的相關(guān)性分析和聚類分析發(fā)現(xiàn)，元素Si、Ca、Ba和Fe有著相似的地球化學(xué)行為和一致的物質(zhì)來源，Ni，V，Cu和Zn有著類似的地球化學(xué)行為和一致的物質(zhì)來源，這兩類元素有不同的來源，可能受到物質(zhì)來源、地球化學(xué)環(huán)境和生物沉積作用的影響。