閩江口海域B6礦區(qū)海砂資源特征及成因分析

蔡書慧

(福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，福州，350013)

海砂是指分布于近岸及陸架海域的細砂、中砂、粗砂和礫砂，通常以水下沙壩、潮流沙脊或潮流三角洲等砂體形態(tài)存在，是一種重要的海底礦產(chǎn)資源，可作為建筑材料廣泛用于大型工程項目建設(shè)和填海造地[1-2]。近年來，隨著沿海經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，尤其是臨海工業(yè)區(qū)的建設(shè)，建筑用砂和填料的需求日益增加。筆者依據(jù)閩江口海域B6礦區(qū)填埋用海砂勘查成果，研究礦床地質(zhì)特征，探討礦床成因，為海砂資源的開采及找礦遠景提供科學依據(jù)。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

礦區(qū)位于閩江口外側(cè)水下三角洲地區(qū)，其大地構(gòu)造位置位于閩東火山斷坳帶中段，福鼎—平和斷陷帶東側(cè)，閩江口—永定北東東向斷裂構(gòu)造與福鼎—福清北北東向斷裂構(gòu)造交會處北東側(cè)[3]。區(qū)域上中生代火山巖地層和燕山期侵入巖廣泛出露，海域主要以晚更新世以來的第四紀沉積物為主，其中表層沉積物多為晚全新世。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，以斷裂為主，褶皺為次。褶皺構(gòu)造受后來的巖漿入侵和火山噴發(fā)作用，表現(xiàn)不明顯；斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，主要有燕山期形成的北北東向斷裂帶和喜馬拉雅期形成且第四紀明顯活動的北北西向和北東東向2組斷裂組合。第四紀以來的新構(gòu)造運動對區(qū)域地貌的發(fā)育影響較大，主要以斷裂或斷裂控制的斷塊差異升降活動為特征[4-5]。

區(qū)內(nèi)以大面積發(fā)育第四紀中-晚全新世長樂組為特征，巖性主要為灰色淤泥、灰色黏土質(zhì)粉砂、灰色粉砂、深灰色砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂、灰色細砂和灰-灰黃色中細砂等。其中，細砂、中細砂和粉砂質(zhì)砂是回填用海砂礦的主要貯礦層位。第四紀沉積的基底巖性主要為晚侏羅世正長花崗巖，埋深一般在-40～-88 m。

2 研究方法

在B6礦區(qū)開展了地形測繪、綜合物探、海底底質(zhì)調(diào)查、鉆探和取樣測試等工作(圖1)，根據(jù)物探結(jié)果，查明了礦區(qū)海底地形(地貌)、水深情況和海底淺地層特征；根據(jù)12個站位的海底底質(zhì)調(diào)查，了解礦區(qū)底質(zhì)沉積物特征；根據(jù)礦區(qū)內(nèi)12個鉆孔的鉆探工作，揭露了礦床地質(zhì)特征，并結(jié)合沉積物粒度和碎屑礦物等測試，分析礦床成礦因素。沉積物粒度測試由自然資源部第三海洋研究所完成，碎屑礦物由福建省地質(zhì)礦產(chǎn)局三明實驗室完成。

圖1 閩江口海域B6礦區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographic location map of B6 mining area of Minjiang Estuary1—底質(zhì)調(diào)查和鉆探站位；2—測線及編號；3—等深線；4—礦區(qū)范圍

3 研究結(jié)果

3.1 地形(地貌)

礦區(qū)海域水深為1.1～11.4 m(圖2a)，總體表現(xiàn)為南淺北深、西淺東深的特點，最大值位于東北角，最小值位于中南部。區(qū)內(nèi)海底地形略有起伏，地形高程一般為-5～-16 m(圖2b)。礦區(qū)總體位于閩江河口水下三角洲地區(qū)，地貌成因不僅受構(gòu)造和巖性的影響，而且受強大的徑流、潮流、波浪等各種水動力作用的控制，從而形成復雜的地貌特征；根據(jù)側(cè)掃聲吶調(diào)查顯示，區(qū)內(nèi)主要出現(xiàn)沙脊、沙波等微地貌以及拖痕等人為地貌特征。

圖2 礦區(qū)水深2.5D圖(a) 和礦區(qū)海底地形2.5D圖(b)Fig.2 The water depth 2.5D drawing (a) and seabed topography 2.5D map (b) of the mining area

3.2 海底淺地層特征

3.2.1 淺地層單元劃分

礦區(qū)淺地層單元劃分主要依據(jù)單道地震和淺地層測量成果，按淺層剖面及單道地震剖面上的反射結(jié)構(gòu)、波組特征以及反射終止類型開展地層劃分工作，在區(qū)內(nèi)追蹤識別了R0(海底)、R1、R2和Rg4個主要反射界面(即淺地層單元界面)，據(jù)此將礦區(qū)基巖上覆沉積地層劃分為3個淺地層單元，即第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ單元(圖3)。

圖3 LB609測線單道地震剖面顯示的反射界面和淺地層單元特征Fig.3 Reflection interface and characteristics of the shallow formation unitsfor the single-channel seismic profile of LB609 line

3.2.2 沉積物厚度與基巖面埋深變化特征

由于受沉積環(huán)境、下伏基底起伏及潮流沖刷等影響，全區(qū)沉積物厚度總體變化較大，表現(xiàn)為中南部略厚、東北部較薄的特征(厚度起算面：海底面，圖4a)。全區(qū)沉積物厚度等值線呈扭轉(zhuǎn)彎曲，數(shù)值變化較大，一般為30～70 m。其中，沉積物較厚區(qū)域主要集中在LB603～LB607線，等值線圖總體呈串珠狀沿南東東向展布，最大值逾72 m；沉積物較薄區(qū)域主要集中在LB607～LB611線的東部海域，等值線表現(xiàn)為串珠狀、紡錘狀，厚度最小值不足28 m。

與沉積物厚度圖特征相似，全區(qū)基巖埋深總體變化較大，大致呈現(xiàn)中部深，南北兩側(cè)淺的特征，局部起伏變化劇烈。基巖埋深等高線呈扭轉(zhuǎn)彎曲，等高線數(shù)值一般為-40～-88 m(高程基準：國家85高程，圖4b)。其中，基巖埋深較大區(qū)域主要集中在LB603～LB607線，等高線圖總體呈串珠狀沿南東東向展布，最大值近-88 m；埋深較淺區(qū)域主要集中在南北兩側(cè)海域，等高線表現(xiàn)為串珠狀、雁行狀、紡錘狀，埋深最小值位于東北側(cè)，接近-40 m。

圖4 礦區(qū)沉積物厚度圖(a)和基巖面埋深圖(b)Fig.4 Sediment thickness map (a) and buried depth of bedrock surface (b) in the deposit1—等線值；2—礦區(qū)范圍

3.3 底質(zhì)沉積物特征

礦區(qū)底質(zhì)沉積物類型偏簡單，根據(jù)“建設(shè)用砂”標準[6]結(jié)合地質(zhì)取樣成果，主要可劃分為黏土質(zhì)粉砂，其次為砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂。粒度在平面上總體上是北東-南西條帶狀分界，中間細，2側(cè)(北西和南東側(cè))偏粗。

3.3.1 表層沉積物類型

礦區(qū)內(nèi)大面積分布以粉砂組分為主的沉積物，粒度相對偏細，沉積物類型主要為黏土質(zhì)粉砂、砂質(zhì)粉砂，其次為砂。其中，黏土質(zhì)粉砂約占礦區(qū)表層沉積物的50%，主要呈北東-南西條帶狀分布，貫穿全區(qū)；砂質(zhì)粉砂占全區(qū)的33.33%，主要分布在礦區(qū)的東南側(cè)，西側(cè)亦有分布；砂主要分布在礦區(qū)西北側(cè)，僅占全區(qū)的16.67%。粒度參數(shù)特征(表1)。

表1 礦區(qū)沉積物類型粒度參數(shù)特征Table 1 Particle size parameter characteristics of sediment type in the deposit

3.3.2 粒度組分特征

對礦區(qū)底質(zhì)沉積物粒級組分百分含量的特征值進行統(tǒng)計分析，可見粒級組分平均含量由高到低依次為粉砂、砂、黏土，其中粉砂組分均值最高，為53.21%。黏土組分的含量為5.47%～27.32%，平均值為19.80%，相對較低，標準差為5.56%，變異系數(shù)為0.28，黏土組分的分布特征與粉砂組分較相似，高值區(qū)主要呈北東-南西向帶狀分布在礦區(qū)中部，但含量均只有粉砂的1/3左右，低值區(qū)主要分布在礦區(qū)西北側(cè)(圖5a)。粉砂組分的含量為10.74%～67.23%，平均值為53.21%，標準差為15.22%，變異系數(shù)為0.28，是礦區(qū)分布最多的粒度組分，與沉積物底質(zhì)分布特征有很好對應性。粉砂組分的高值區(qū)主要呈北東-南西向條帶狀分布在礦區(qū)中部，低值區(qū)主要集中分布在礦區(qū)西北側(cè)(圖5b)。砂質(zhì)組分的含量為9.98%～83.79%，平均值為26.99%，標準差為20.04%，變異系數(shù)為0.74。砂質(zhì)組分的分布特征與沉積物底質(zhì)分布特征對應性也較好，并且與粉砂組分的分布呈相反趨勢，在礦區(qū)西北側(cè)含量較高，而在其他區(qū)域分布較少(圖5c)。

圖5 表層沉積物粒級組分等值線圖Fig.5 Itour plots of particle actions of surface sediments

4 礦床地質(zhì)特征

4.1 礦體特征

根據(jù)鉆孔揭露的情況，礦區(qū)20 m以淺范圍內(nèi)共圈定2條回填用海砂礦體，均貯存于第四紀中-晚全新世長樂組海積層中。自上而下，礦體編號分別為Ⅰ、Ⅱ礦體，具體礦體特征如下。

Ⅰ礦體：為閩江口淺灘區(qū)出露的海砂礦體的組成部分，礦體直接裸露于海底(圖6)，產(chǎn)于第四紀中-晚全新世長樂組的中細砂和粉砂質(zhì)砂中，基本分布于全區(qū)，貯存標高在-9.18～-18.72 m，礦體整體呈水平層狀、似層狀產(chǎn)出，厚度大體表現(xiàn)為由西北往東南逐漸變薄，單工程厚度一般為1.55～8.37 m，平均厚度約3.87 m，厚度變化系數(shù)為71.56%；單工程粒級≥0.075 mm，含砂率為51.86%～84.93%，礦體平均含砂率為58.54%，單樣最高含砂率可達96.7%，礦體含砂率變化系數(shù)為48.95%。

圖6 閩江口海域B6礦區(qū)回填用海砂礦ZB603線地質(zhì)剖面圖Fig.6 Geological section of ZB603 line for backfilling marine sand mine in B6 mining area of Minjiang Estuary1—中晚全新世長樂組；2—黏土質(zhì)粉砂；3—砂質(zhì)粉砂；4—粉砂質(zhì)砂；5—細砂；6—中細砂；7—回填用海砂礦體及編號；8—地層界線；9—鉆孔編號及水深

Ⅱ礦體：為隱伏礦體，產(chǎn)于第四紀中-晚全新世長樂組的中細砂和粉砂質(zhì)砂中，礦體整體呈層狀、似層狀產(chǎn)出，往東微傾。礦體從南至北從厚變薄，再變厚，單工程厚度一般為2.1～6.1 m，平均厚度約3.78 m，厚度變化系數(shù)為43.91%；單工程粒級≥0.075 mm，含砂率為51.70%～78.11%，礦體平均含砂率為59.50%，最高可達78.11%，礦體含砂率變化系數(shù)為51.59%。

4.2 礦砂質(zhì)量

區(qū)內(nèi)砂礦的礦物成分較復雜，主要以石英為主，含量為65%～70%，其次為長石，含量為15%～20%，泥質(zhì)含量為3%～15%，少量巖屑含量為2%～8%。礦砂中重礦物主要由磁鐵礦、鈦鐵礦、赤鐵礦、普通角閃石、綠簾石和自生黃鐵礦組成，其余重礦物含量較少。礦砂為含泥中細粒石英砂和細粒石英砂，中細粒、細粒結(jié)構(gòu)，偶夾粗粒，淺部結(jié)構(gòu)較松散，深部密實，具有典型層狀構(gòu)造特征。

礦砂主要組分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、K2O、Na2O，其中，SiO2來自石英礦物中，Al2O3、K2O、Na2O來自長石礦物。SiO2含量偏低，但較均勻，Al2O3和Fe2O3含量偏高，原礦達不到硅質(zhì)原料的一般最低工業(yè)指標要求。

礦砂含泥量平均含量為7.9%、云母平均含量為0.6%、輕物質(zhì)平均含量為0.375%、硫化物及硫酸鹽平均含量為0.405%、氯離子平均含量為0.035%、貝殼平均含量為2.1%，原砂放射性核素限量合格，滿足回填用砂的工業(yè)指標要求。

礦砂物性特征：松散堆積密度為1 330～1 350 kg/m3，平均為1 340 kg/m3；緊密密度為1 400～1 420 kg/m3，平均為1 407.5 kg/m3；飽和面干吸水率為1.2%～1.3%，平均為1.25%。

5 討論

海砂主要位于海陸結(jié)合帶、近海陸架和淺海區(qū)域，是海陸綜合作用的產(chǎn)物，與沿岸地質(zhì)、海底地貌、物質(zhì)來源以及氣候水動力條件等都有密切關(guān)系。

5.1 物質(zhì)來源

通過對閩江河口表層沉積物重礦物的特征進行分析，總結(jié)出閩江口沉積物碎屑礦物來源主要包括閩江輸入物質(zhì)、浙閩沿岸流攜帶物質(zhì)和晚更新世的海侵邊界層；而閩江口近岸沉積區(qū)，礦物組分與閩江沉積物重礦物特征一致，主要受閩江入海的近源物質(zhì)影響[7]。

閩江流域徑流于燕山期的酸性-中酸性巖漿巖和區(qū)域變質(zhì)巖區(qū)，其巖性主要為花崗巖、花崗斑巖、流紋巖及其變質(zhì)巖；主要造巖礦物有石英、長石、黑云母、角閃石等，主要的副礦物有磁鐵礦、赤鐵礦、鋯石、石榴石、綠簾石等。閩江流域重礦物組分優(yōu)勢礦物主要為普通角閃石、鈦鐵礦、磁鐵礦和綠簾石，而礦區(qū)沉積的碎屑礦物中，重礦物主要有磁鐵礦、鈦鐵礦、赤鐵礦、普通角閃石、綠簾石等，二者沉積物中重礦物組成特征類似，因此可以推測成礦物質(zhì)主要來源于閩江輸入。閩江攜帶的粗粒沉積物在水道兩側(cè)形成沙壩和沙嘴后，細粒沉積物在徑流、潮流和波浪等水動力作用下，沉積于分汊河道間的淺灘區(qū)。

5.2 沉積環(huán)境變遷對礦區(qū)海砂分布的影響

閩江河口區(qū)從晚更新世以來主要經(jīng)歷了5～6次海面升降，形成了5～6個海進-海退沉積旋回[5]。礦體產(chǎn)于中-晚全新世長樂組，單道地震顯示礦區(qū)長樂組沉積厚度為30～70 m，形成于最后一次海進-海退沉積旋回。中全新世時期(4 000 a.BP～3 000 a.BP)，閩江河口區(qū)海侵達最盛期，隨后海平面波動性下降。約1 000 a.BP，閩江口水下三角洲已基本形成現(xiàn)今格局，部分水下三角洲平原向上轉(zhuǎn)為陸上三角洲平原，水下三角洲平原南、北2分汊河道主要沉積了厚層河流相砂質(zhì)沉積物，水下三角洲前緣主要為細碎屑的海沖積沉積物；前三角洲則為細顆粒的海相泥質(zhì)沉積物[8]。

礦區(qū)沉積物類型主要為黏土質(zhì)粉砂、砂質(zhì)粉砂，其次為砂，總體沉積物粒度相對偏細；處于海水較深和水動力條件相對較弱的低能沉積環(huán)境。根據(jù)鉆孔揭露的地質(zhì)剖面顯示，礦區(qū)20 m以淺的沉積層由下至上分別沉積黏土質(zhì)粉砂-細砂、黏土質(zhì)粉砂-粉砂質(zhì)砂、中細砂、細砂等4個沉積層，分別代表了4種沉積環(huán)境，指示砂礦形成過程中沉積環(huán)境的演變。區(qū)內(nèi)沉積第1層黏土質(zhì)粉砂時，尚處于海水較深和水動力條件相對較弱的低能沉積環(huán)境；在沉積第2層細砂時，沉積物粒度相對變粗，區(qū)內(nèi)水深相對變淺，水動力條件有所增強，沉積環(huán)境向較高能環(huán)境演變；隨后在沉積第3層黏土質(zhì)粉砂時，水深相對變深，水動力條件有所減弱；至沉積表層砂質(zhì)沉積層組時，區(qū)內(nèi)水深繼續(xù)變淺，水動力條件相應增強，海底總體處于相對高能的沉積環(huán)境，沉積的海砂粒度相對變粗。綜上，礦區(qū)海砂礦是在沉積環(huán)境由深逐漸變淺、水動力條件逐漸加強的背景下沉積形成的；在垂向上，較粗粒的海砂受海平面的波動呈間斷產(chǎn)出；在橫向上，海砂礦的分布受海底地形起伏的影響，較粗粒的砂礦分布于礦區(qū)的西北和中南部區(qū)域。

5.3 找礦標志

(1)區(qū)域上具備富含石英的酸性巖漿巖、火山巖及變質(zhì)巖，且風化剝蝕作用強烈。

(2)在地貌上具備向東南面海的海灣環(huán)境，平緩的濱海大陸架是礦砂堆積的有利條件。海灣東南開闊，基底平緩，則最容易形成含砂率高、厚度大的回填用海砂礦層。

(3)第四紀中-晚全新世長樂組是回填用海砂礦體的貯礦層位。

(4)海底砂層分布廣，砂呈灰白-灰黃色，松散狀，石英含量大于80%是回填用海砂礦的直接找礦標志。

6 結(jié)論

閩江口海域B6礦床是在區(qū)域地質(zhì)、地形(地貌)、河流、潮流、波浪等多因素的綜合作用下形成的。首先，區(qū)域上發(fā)育大量的燕山期的酸性-中酸性巖漿巖和區(qū)域變質(zhì)巖，為砂礦的沉積提供主要物質(zhì)來源；其次，閩江入海泥沙經(jīng)河流通過河口各級分汊進入大海，而在潮流的頂托、鹽淡水混合的作用下，不斷向河口其它地區(qū)搬運、擴散，粗粒沉積物在水道2側(cè)沉積形成沙壩和沙嘴后，較細粒的沉積物在徑流、潮流和波浪等水動力共同作用下，沉積于分汊河道間的淺灘區(qū)。礦區(qū)海砂礦形成于沉積環(huán)境由深逐漸變淺、水動力條件逐漸加強的背景下，初步分析認為該礦床成因類型屬于濱海海積型回填用海砂礦礦床。通過此次鉆探和單道地震工作，揭露長樂組在礦區(qū)出露的厚度為30～70 m，且砂礦層具有明顯的多層構(gòu)造，推測礦區(qū)海底面20 m以深仍有較大的資源潛力。