渤海灣唐山港海域表層沉積物粒度和黏土礦物分布特征及其物源指示

楊婭敏，張禮中，沈睿文，褚宏憲，姜正龍，馮永財(cái)，姜文欽，殷學(xué)博，李佳林，王鵬飛，顏宏偉

1. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局自然資源綜合調(diào)查指揮中心，北京 100055

2. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局煙臺(tái)海岸帶地質(zhì)調(diào)查中心，煙臺(tái) 264004

3. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083

4. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，青島 266071

作為我國(guó)東部陸架海，渤、黃海因其復(fù)雜的海洋動(dòng)力學(xué)特征、豐富的沉積物來源一直以來都是國(guó)內(nèi)外海洋學(xué)者研究的重點(diǎn)區(qū)域。唐山港位于渤海灣和遼東灣之間的交界處，靠近渤海灣北部的海岸帶一側(cè)[1-2]，其南部為走向近EW 向的曹妃甸深槽，是渤海灣最深的水域。該區(qū)海陸相互作用頻繁，發(fā)育沙質(zhì)海岸和泥質(zhì)海岸，第四紀(jì)沉積演化過程十分復(fù)雜，再加上近年來開展的圍填海工程導(dǎo)致潮流系統(tǒng)和灘海地貌發(fā)生巨大變化[1]，嚴(yán)重影響了唐山港及其周邊海域的沉積環(huán)境。前人在渤海灣唐山港及其附近海域開展了大量的研究工作，主要集中在海侵過程[3-5]、海平面變化與海岸變遷[2,6]、潮流通道變化[7]以及第四紀(jì)沉積演化等方面[3,8]，而對(duì)于該區(qū)沉積物沉積過程與搬運(yùn)機(jī)制等學(xué)者較為關(guān)注的問題的研究則相對(duì)有限。

河流物質(zhì)的輸入是海底沉積物的重要來源[9-10]，渤海灣三面環(huán)陸，入海河流眾多，有清河、海河、薊運(yùn)河、黃河、遼河以及灤河等。其中，海河、黃河以及灤河是渤海灣西部地區(qū)沿岸徑流量相對(duì)較大的3 條河流，是該區(qū)最主要的沉積物來源。前人通過元素地球化學(xué)、黏土礦物等方法對(duì)渤海灣西岸的沉積物源進(jìn)行了示蹤[11-14]，但目前針對(duì)渤海灣西緣表層沉積物的來源研究仍存在爭(zhēng)議，主要存在以下兩種觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)認(rèn)為渤海灣西緣唐山港附近靠近海河入?？冢练e物主要是海河來源的陸源碎屑物質(zhì)[13]，可能部分也受到灤河的影響[15]；另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為由于受到渤海灣環(huán)流的影響，唐山港附近海域主要是黃河-海河混合來源的陸源碎屑物質(zhì)[11-12,14]。唐山港附近海域是否有黃河和灤河來源物質(zhì)的加入，黃河攜帶的物質(zhì)在渤海灣地區(qū)的分布范圍及特征等問題尚未解決。因此，渤海灣西緣唐山港附近海域沉積物來源問題亟需可靠的物源指標(biāo)來進(jìn)一步的分析和研究。

沉積物粒度受物源區(qū)性質(zhì)、沉積作用以及沉積動(dòng)力學(xué)過程等多種因素影響，導(dǎo)致不同沉積環(huán)境中沉積物粒度特征明顯不同，因此常被用來作為判斷沉積物來源、水動(dòng)力條件以及重建古氣候和古環(huán)境演化的重要參數(shù)，廣泛應(yīng)用于海洋、河流以及湖泊沉積環(huán)境的研究中[13,16]。黏土礦物是地表母巖經(jīng)風(fēng)化作用形成的產(chǎn)物，是海洋陸源碎屑中重要的組成成分，是示蹤海洋沉積物來源以及指示沉積環(huán)境演化等內(nèi)容的重要指標(biāo)[17-19]。本文通過對(duì)研究區(qū)沉積物粒度、黏土礦物等指標(biāo)開展測(cè)試分析，同時(shí)與周圍河流輸運(yùn)的沉積物中粒度和黏土礦物特征進(jìn)行對(duì)比，以期揭示渤海灣唐山港海域附近表層沉積物粒度和黏土礦物分布特征，初步探討渤海灣西緣現(xiàn)代沉積物物質(zhì)來源及其控制因素。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

唐山港位于渤海灣北部唐山市東南部沿海，包含京唐港區(qū)和曹妃甸港區(qū)。唐山港海域水深較淺，平均水深18 m，最大水深為36 m，位于研究區(qū)曹妃甸深槽處（圖1）。曹妃甸深槽走向近EW 向，溝槽北陡南緩，是在地質(zhì)構(gòu)造和水下河谷的雙重作用下發(fā)育形成的[1]，是全新世灤河向海輸送泥沙的入海處[20]，岬角地貌和特殊地形特征使得附近海域水動(dòng)力增強(qiáng)，對(duì)深槽沖刷作用較為嚴(yán)重，是深槽長(zhǎng)期維持水深的重要因素[1]。研究區(qū)地形和地貌類型較為復(fù)雜，內(nèi)側(cè)為古灤河三角洲發(fā)育的沖積-海積平原，外側(cè)為曹妃甸-東坑坨沙質(zhì)岸線[1]。深槽附近的地貌自西向東可劃分為南堡海岸地貌、曹妃甸深槽和老龍溝潟湖3 個(gè)體系單元[1,21]。近年來由于大規(guī)模的圍填海工程，深槽附近出現(xiàn)了新的侵蝕洼地和海底滑塌等地貌類型。從曹妃甸向渤海海峽有條27 m深的天然水道，深槽和水道使得唐山港具備成為渤海沿岸的大型泊位港址的天然優(yōu)勢(shì)。

黃河是中國(guó)第二大河流，平均徑流量為3.16×1010m3/a，約占渤海河流輸入的90%，每年向邊緣海輸送約1.4×108t 的沉積物[22]，其中30%～40%的沉積物堆積在河口處[23]，其搬運(yùn)的物質(zhì)覆蓋渤海灣、渤海海峽南部以及萊州灣以北的渤中海域，是渤海灣最主要的沉積物來源[24]。海河的平均徑流量為2.15×1010m3/a[25]，輸沙量約 6.0×106t/a[14]。雖然薊運(yùn)河的徑流量和輸沙量遠(yuǎn)小于海河，但對(duì)渤海灣地區(qū)沉積物也有一定的貢獻(xiàn)。灤河平均徑流量為4.6×109m3/a，平均輸沙量約為 2.0×107t/a，沉積物相對(duì)較粗，主要是沉積在灤河河口到曹妃甸沿岸區(qū)域[26]。

渤海環(huán)流體系主要是由渤海沿岸流和外海來的黃海暖流余脈組成，具有北進(jìn)南出的特征（圖1a）。冬季黃海暖流余脈流自渤海海峽北部進(jìn)入渤海并延伸至渤海西岸，同時(shí)由于受到沿岸的阻擋導(dǎo)致其分為南北兩支，其中南支在進(jìn)入渤海灣后沿岸轉(zhuǎn)折南下，流經(jīng)萊州灣后從渤海海峽逆時(shí)針方向流出渤海；北支則是沿著遼東灣西岸向北運(yùn)移，與遼東灣低鹽水的沿岸流形成順時(shí)針環(huán)流[24,27]。渤海沿岸流和黃海暖流共同構(gòu)成渤海南部順時(shí)針、北部逆時(shí)針方向的雙環(huán)流體系結(jié)構(gòu)[24,27-28]。夏季的環(huán)流流型與冬季相近，也是北部順時(shí)針、南部逆時(shí)針的雙環(huán)流結(jié)構(gòu)，除了黃海暖流產(chǎn)生的北向分支，會(huì)沿著遼東灣東岸北上。渤海潮流以半日潮流為主，流速0.5～1.0 m/s，老鐵山水道附近潮流最強(qiáng)為1.5～2.0 m/s[27]。渤海潮余流從黃河三角洲向北-東北方向流動(dòng)，受遼東灣西岸阻隔向右轉(zhuǎn)向，沿著遼東灣沿岸向遼東半島南部流動(dòng)，在渤海中部和遼東灣附近形成順時(shí)針的余環(huán)流[27]，對(duì)渤海灣中部環(huán)流具有重要的貢獻(xiàn)。

2 材料與方法

2.1 樣品來源

2021 年中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局煙臺(tái)海岸帶地質(zhì)調(diào)查中心依托中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局1∶5 萬海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目對(duì)渤海灣曹妃甸地區(qū)進(jìn)行表層沉積物系統(tǒng)取樣（圖1b）。參照《海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查規(guī)范（1∶50000）》（DZ/T 0255-2014），取樣站位按照1 km×1 km 網(wǎng)格間距進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用抓斗取樣器采集0～2 cm 表層沉積物。取回的沉積物被放置在密封的無菌袋中，并4℃避光儲(chǔ)存。

2.2 測(cè)試方法

取0.5 g 的樣品于離心管中，加入30%的H2O2和10%的HCl 去除沉積物中的有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽。上機(jī)前加入0.5 M 的六偏磷酸鈉（NaPO3）6并經(jīng)超聲波完全分散，利用奧地利Anton Paar PSA1190 激光粒度分析儀進(jìn)行粒度分析測(cè)試，儀器的測(cè)量范圍為0.04～2 500 μm，同一樣品進(jìn)行兩次平行測(cè)量，重復(fù)測(cè)量相對(duì)誤差＜1%[31]，分析測(cè)試精度＜3%。表層沉積物粒度數(shù)據(jù)由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局煙臺(tái)海岸帶地質(zhì)調(diào)查中心項(xiàng)目組提供[31]，部分?jǐn)?shù)據(jù)已發(fā)表。粒度參數(shù)的計(jì)算和等級(jí)劃分采用Folk 和Ward 分類方案[32]，依據(jù)粒徑＜4 μm、4～63 μm 和＞63 μm 將粒度分為黏土、粉砂和砂[33]。

黏土礦物分析測(cè)試采用X 射線衍射方法（X-ray Diffraction, XRD）在中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院黏土礦物分析實(shí)驗(yàn)室完成。取適量樣品于離心管中，加入少量10%的過氧化氫溶液以除去沉積物中的有機(jī)質(zhì)，然后加純水離心清洗三次，后再加入50%的醋酸以除去沉積物中的碳酸鹽，再用水將樣品洗至中性。取上層濁液于離心管中加入2 滴飽和NaCl 溶液，利用Stoke 沉降原理提取出粒度小于2 μm 的懸浮液，制成涂片自然風(fēng)干后用乙二醇蒸汽飽和制成乙二醇飽和片[34]，將其置于德國(guó)布魯克AXS 公司生產(chǎn)的Bruker D8 ADVANCE 型X 射線衍射儀中進(jìn)行測(cè)試分析，儀器分析參數(shù)為Cu 靶、管電壓 40 kv、管電流 80 mA、掃描范圍3°～30°（2θ）、掃描步進(jìn)長(zhǎng)度（2θ）0.02°，儀器峰位精度≤0.01°2θ。依據(jù)Biscaye[18]方法選取乙二醇飽和片圖譜上的蒙脫石（17 ?, （1 ?=10-10m））、伊利石（10 ?）、綠泥石（7 ?）和高嶺石（7 ?）4 種黏度礦物的3 個(gè)特征衍射峰的峰面積為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，按照1∶4∶2 的權(quán)重因子換算獲得蒙脫石、伊利石、綠泥石和高嶺石的相對(duì)含量。隨后以25°（2θ）左右3.5 ? 附近的衍射峰高比值換算獲得高嶺石（3.57 ?）和綠泥石（3.53 ?）的相對(duì)含量。經(jīng)均一化處理4 種黏土礦物的總含量為100%。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)過程中每批樣品設(shè)置10 %平行樣，平行樣合格率為100%。

3 結(jié)果

3.1 粒度分布特征

3.1.1 粒級(jí)組分分布特征

分析結(jié)果表明，渤海灣唐山港附近海域表層沉積物主要是由粉砂質(zhì)砂（zS）、砂質(zhì)粉砂（sZ）、粉砂（Z）以及少量的砂（S）和黏土等組成（圖2）[31]。黏土粒級(jí)組分相對(duì)含量為0.52%～51.11%，平均含量為21.45%；粉砂粒級(jí)組分含量為0.87%～79.05%，平均含量為50.38%；砂質(zhì)粒級(jí)組分含量為0～98.61%，平均含量為28.17%。根據(jù)粒度組成特征，以砂含量65%和25%等值線作為劃分的標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)可以劃分為3 個(gè)區(qū)域，研究區(qū)東北部以砂和粉砂質(zhì)砂為主，沉積物顆粒偏粗；唐山港海域曹妃甸深槽處以砂質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)砂為主；南部和唐山港附近區(qū)域沉積物粒度相對(duì)偏細(xì)，主要以粉砂為主（圖3b-d）。

圖2 渤海灣唐山港海域表層沉積物三角分類圖S-砂，C-黏土，M-泥，Z-粉砂，sC-砂質(zhì)黏土，sM-砂質(zhì)泥，sZ-砂質(zhì)粉砂，cS-黏土質(zhì)砂，mS-泥質(zhì)砂，zS-粉砂質(zhì)砂。Fig.2 Ternary classification of surface sediments in Tangshan Harbor, Bohai BayS-sand, C-clay, M-mud, Z-silt, sC-sandy clay, sM-sandy mud, sZ-sandy silt, cS-clayey sand, mS-muddy sand, zS-silty sand.

圖3 渤海灣唐山港海域水深和表層沉積物粒度分布圖a：水深，b：黏土，c：粉砂，d：砂。Fig.3 Bathymetric map and the distribution patterns of grain size of surface sediments in Tangshan Harbor, Bohai Baya: Water depth, b: clay, c: silt, d: sand.

3.1.2 粒度參數(shù)分布特征

渤海灣唐山港附近海域表層沉積物平均粒徑（Mz）為1.4～7.71 Φ，平均值為5.72 Φ，整體沉積物粒度中等偏粗。研究區(qū)東北部由沿岸向海（由北向南）沉積物粒度整體呈現(xiàn)出逐漸變細(xì)的趨勢(shì)（圖4a）。粒度分選系數(shù)變化δ值為0.67～2.91，平均值為2.0，絕大部分沉積物屬于分選較差—差。研究區(qū)東北部和中部曹妃甸深槽區(qū)δ值為2～3，分選系數(shù)較高；南部和唐山港附近海域分選系數(shù)較低，δ值一般小于2（圖4b）。表層沉積物粒度偏態(tài)Sk為-0.22～0.72，平均值為0.33，絕大多數(shù)屬于正偏。研究區(qū)東北部和中部曹妃甸深槽處為偏度高值區(qū)，Sk為0.6～0.72；南部和唐山港附近海域附近Sk值均小于0.2，為負(fù)偏態(tài)（圖4c）。粒度峰態(tài)Ku 變化范圍為0.66～2.36，平均值為0.98，除了研究區(qū)東部局部區(qū)域出現(xiàn)很尖銳峰態(tài)外，整體變化不大，為中等峰態(tài)（圖4d）。

圖4 渤海灣唐山港海域表層沉積物粒度參數(shù)分布圖a：平均粒徑，b：分選系數(shù)，c：偏態(tài)，d：峰態(tài)。Fig.4 Distribution patterns of grain size parameters of surface sediments in Tangshan Harbor, Bohai Baya: Mean grain size, b: sorting coefficient, c: skewness, d: kurtosis.

3.2 粒度端元分析

利用粒度端元模型（ End-member modelling analysis，EMMA）計(jì)算研究區(qū)表層沉積物粒度端元值，復(fù)相關(guān)系數(shù)（R2）代表粒度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)被端元擬合的程度[35]。為較好地獲取擬合粒度數(shù)據(jù)的最小端元數(shù)，假設(shè)端元數(shù)是2～10 的情況下，對(duì)各粒級(jí)復(fù)相關(guān)系數(shù)和所有粒級(jí)復(fù)相關(guān)系數(shù)平均值進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果顯示端元數(shù)為2、3 時(shí)，平均復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.85 和0.90（圖5a），但26～125 μm 擬合程度較差，不能滿足粒級(jí)擬合的需要。當(dāng)端元數(shù)為4 時(shí)，大部分粒級(jí)擬合程度大于0.8，平均復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.95（圖5a），說明4 個(gè)端元滿足擬合的需要。根據(jù)端元分析方法選取端元應(yīng)遵循盡量少的原則[36]，選取4 個(gè)端元（EM1—EM4）對(duì)該區(qū)粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

圖5 渤海灣唐山港海域表層沉積物粒度端元分析結(jié)果a：粒度端元數(shù)-復(fù)相關(guān)系數(shù)平均值，b：4 個(gè)端元（EM1-EM4）粒度頻率分布曲線。Fig.5 End-member analysis of surface sediments in Tangshan Harbor, Bohai Baya: End member-mean coefficient of determination, b: frequency curves of four end-members (EM1-EM4).

端元粒度頻率分布曲線顯示4 個(gè)端元中EM1、EM2 和EM4 都具有一個(gè)明顯的主峰，分布形態(tài)接近正態(tài)分布，EM1 到EM4 粒徑增大，分選變好（圖5b）。端元EM1 粒徑眾數(shù)值為10 μm，為細(xì)粉砂；EM2 粒徑眾數(shù)值為20 μm，為中粉砂；EM3 粒徑眾數(shù)值為200 μm，為中砂，在細(xì)顆粒組分6～7 μm 處可見次峰，為細(xì)砂。端元EM4 粒徑眾數(shù)值為300 μm，為粗砂（圖5b）。

在沉積物粒度4 端元相對(duì)含量平面等值線圖上，EM1 含量為0～97.77%，平均含量為22.28%，在研究區(qū)均有分布，高值區(qū)主要是在研究區(qū)西部靠近海河區(qū)域，并有從近岸向外海方向遞減的趨勢(shì)（圖6a）。EM2 含量為0～100%，平均含量為19.60%，在渤海灣全區(qū)均有分布，主要集中在唐山港附近海域，并有從近岸向外海方向遞減的趨勢(shì)（圖6b）。EM3 含量為0～74.07%，平均含量為28.77%，主要分布在研究區(qū)東北部、北部以及中部曹妃甸深槽區(qū)域（圖6c）。EM4 含量為0～72.58%，平均含量為29.34%，主要分布在中部曹妃甸深槽區(qū)域（圖6d）。

圖6 渤海灣唐山港海域表層沉積物4 個(gè)端元相對(duì)含量平面分布Fig.6 Distribution of relative contents of four end-members of surface sediments in Tangshan Harbor, Bohai Bay

3.3 黏土礦物分布特征

渤海灣唐山港附近海域表層沉積物中黏土礦物主要是由大量的伊利石（66%～86%，平均含量72%）、少量的蒙脫石（2%～18%，平均含量12%）、綠泥石（4%～11%，平均含量8%）以及高嶺石（5%～15%，平均含量8%）組成。唐山港附近伊利石含量相對(duì)較高（75%以上），蒙脫石含量12%左右，而高嶺石、綠泥石含量相對(duì)較低，為6%左右（圖7）。研究區(qū)東北部為蒙脫石相對(duì)高值區(qū)，伊利石、高嶺石以及綠泥石低值區(qū)；曹妃甸深槽處則出現(xiàn)蒙脫石、高嶺石以及綠泥石相對(duì)高值區(qū)、伊利石低值區(qū)；南區(qū)域總體呈現(xiàn)出蒙脫石和高嶺石相對(duì)高值區(qū)、伊利石和綠泥石相對(duì)低值區(qū)，局部存在蒙脫石和高嶺石相對(duì)低值區(qū)、伊利石和綠泥石的局部高值區(qū)；唐山港海域附近則整體表現(xiàn)為蒙脫石和伊利石相對(duì)高值區(qū)、高嶺石和綠泥石的相對(duì)低值區(qū)（圖7）。

4 討論

4.1 物源判別

渤海沉積物來源主要是河流作用攜帶的陸源碎屑物質(zhì)、外海物質(zhì)、大氣沉降物質(zhì)以及周圍基巖侵蝕風(fēng)化形成的物質(zhì)[10,24]。其中，渤海灣周圍河流入海物質(zhì)貢獻(xiàn)量較大，占渤海沉積物的90%左右，以黃河、海河和灤河等為主。了解沉積物潛在物源區(qū)和遷移過程是進(jìn)行物源判別的前提[19,37]。盡管中國(guó)大陸的風(fēng)塵顆粒在太平洋深海碎屑物質(zhì)通量中貢獻(xiàn)較大[38-39]，但在大陸邊緣海沉積物中風(fēng)塵物質(zhì)含量較低，大量河流來源的碎屑物質(zhì)將風(fēng)塵物質(zhì)信息掩蓋[40]，可忽略不計(jì)。

由于受到流域氣候條件的影響，不同來源沉積物中粒度和黏土礦物相對(duì)含量具有明顯的差別（表1）。灤河平均年輸沙量20.1 Mt，流經(jīng)中酸性的巖漿巖、古中新生代的砂頁巖和灰?guī)r等沉積巖以及前古生代變質(zhì)巖的蝕變?cè)磪^(qū)[41]，沉積物粒度相對(duì)較粗，主要是中細(xì)砂等粗粒級(jí)為主，細(xì)粒級(jí)的物質(zhì)相對(duì)較少。黏土礦物呈現(xiàn)出伊利石含量相對(duì)較低而高嶺石+綠泥石、蒙脫石含量相對(duì)較高的特征；海河沉積物粒度較細(xì)，主要是以黏土質(zhì)粉砂為主[42]。沉積物中黏土礦物含量特征則與灤河相反，呈現(xiàn)出伊利石含量相對(duì)較高、而蒙脫石和高嶺石+綠泥石含量較低的特征；黃河流經(jīng)黃土高原，攜帶大量的泥沙入海，每年大概2/3 的泥沙沉積物堆積在黃河三角洲地區(qū)，其余的則被帶到三角洲濱海區(qū)外[41]。其沉積物顆粒主要是由黏土質(zhì)粉砂和少量的黏土組成，粒度相對(duì)較細(xì)[42]，黏土礦物含量則介于海河與灤河之間，且更接近于海河[42]（表1）。

表1 渤海灣唐山港附近海域及周圍河流表層沉積物中黏土礦物相對(duì)含量Table 1 Relative content of clay minerals in surface sediments of the Tangshan Harbor and surrounding rivers in the Bohai Bay

為確定渤海灣物源區(qū)，利用粒度組分、蒙脫石-（伊利石+綠泥石）-高嶺石三角圖和高嶺石/綠泥石-伊利石/蒙脫石的比值進(jìn)行判別（圖8a-b），并與周圍潛在的河流沉積物中黏土礦物相對(duì)含量進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)唐山港海域表層沉積物黏土礦物主要落在黃河和海河之間的區(qū)域，指示細(xì)顆粒沉積物主要來源于黃河-海河混合的陸源碎屑物質(zhì)。這與粒度端元組分EM1 在研究區(qū)均有分布，并由近岸向外海方向遞減的趨勢(shì)相一致（圖6a），代表懸浮搬運(yùn)的現(xiàn)代陸源細(xì)顆粒物質(zhì)，因此認(rèn)為細(xì)顆粒沉積物來源主要是黃河-海河混合的陸源碎屑物質(zhì)，與前人的研究較為一致[11-12,14]。此外，粒度分布特征顯示研究區(qū)東北部和唐山港南部曹妃甸深槽處對(duì)應(yīng)的沉積物類型主要是粉砂質(zhì)砂和砂質(zhì)粉砂，粒度相對(duì)偏粗（圖4a），而海河徑流輸入泥沙中值粒徑為5～20 μm，顆粒很細(xì)，黃河來源的物質(zhì)主要是黏土質(zhì)粉砂，粒度也相對(duì)較細(xì)[42]，如果只依靠來自海河和黃河攜帶的泥沙供應(yīng)無法形成粉砂質(zhì)砂等較粗的沉積物類型，因而對(duì)于研究區(qū)東北部和中部曹妃甸深槽區(qū)粗顆粒沉積物來源問題，還需要結(jié)合粒度特征對(duì)沉積物做進(jìn)一步的物源分析。李從先等研究認(rèn)為唐山港曹妃甸海區(qū)位于古灤河三角洲的發(fā)育區(qū)[20]，全新世晚期以來由于海平面下降，灤河改道向北遷移，泥沙供應(yīng)不足才導(dǎo)致三角洲停止發(fā)育，使得該區(qū)處于廢棄的三角洲沉積環(huán)境[1]。因此，我們認(rèn)為曹妃甸深槽區(qū)還可能有部分古灤河物質(zhì)的加入[15]。

圖8 渤海灣唐山港附近海域及周圍河流表層沉積物黏土礦物組合三角圖和比值散點(diǎn)圖a：黏土組合蒙脫石-(伊利石+綠泥石)-高嶺石三角圖，b：伊利石/蒙脫石-高嶺石/綠泥石比值散點(diǎn)圖；HH-黃河；LR-灤河；HR-海河。Fig.8 Triangle and scatter diagram of the clay minerals of surface sediments in Tangshan Harbor and surrounding riversa: Triangle diagram of clay minerals assemblages smectite-(illite+chlorite)-kaolinite, b: Scatter plot of illite/smectite-kaolinite/chlorite ratios; HH-Yellow River;LR-Luan River; HR-Hai River.

4.2 沉積動(dòng)力環(huán)境分析

沉積物粒度數(shù)據(jù)保存大量與沉積物輸運(yùn)和沉降有關(guān)的信息，可以揭示研究區(qū)水動(dòng)力特征以及沉積物輸運(yùn)過程。粒度端元EM1 對(duì)應(yīng)沉積物類型主要是細(xì)粉砂，一般對(duì)應(yīng)弱的潮流場(chǎng)，在唐山港西部出現(xiàn)高值區(qū)，且含量自沿岸向渤海灣逐漸遞減（圖6a），與該區(qū)的潮流走向[27]大致相當(dāng)，代表了形成現(xiàn)代泥質(zhì)沉積區(qū)的動(dòng)力組分；粒度端元EM2 在研究區(qū)北部存在高值區(qū)，且向中部曹妃甸深槽處呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢(shì)（圖6b），對(duì)應(yīng)沉積物類型主要是砂質(zhì)粉砂、中粉砂，可能代表水動(dòng)力條件中等；粒度端元EM3 主要分布在研究區(qū)東北部和中部曹妃甸深槽（圖6c）；端元EM4 高值區(qū)有中部曹妃甸深槽和北部部分區(qū)域，分別對(duì)應(yīng)的沉積物類型為粉砂質(zhì)砂和砂，代表該區(qū)域水動(dòng)力環(huán)境較強(qiáng)（圖6d）。

除了受沉積物物源的影響外，渤海灣唐山港海域表層沉積物的粒度和黏土礦物分布特征還大致與渤海灣的環(huán)流體系和潮流場(chǎng)密切相關(guān)[10,14,24]，顯示出潮流場(chǎng)對(duì)黃河、灤河以及海河物質(zhì)的搬運(yùn)和擴(kuò)散影響[27,51]。夏季波浪作用相對(duì)較弱，黃河、海河以及灤河入海沉積物絕大部分沉積在河口處，少部分通過環(huán)流向遠(yuǎn)端擴(kuò)散遷移沉積。冬季風(fēng)浪較強(qiáng)，沉積在河口三角洲處的沉積物在海流和波浪作用下，發(fā)生侵蝕再懸浮作用向遠(yuǎn)端擴(kuò)散遷移。根據(jù)渤海灣潮余流數(shù)值動(dòng)力學(xué)模型[52]，潮余流沿渤海灣北岸的灤河口附近流向唐山港東北部，然后一分為二，分為洋流A 和洋流B 兩條路線。洋流A 通過港口時(shí)流速減慢，使得懸浮顆粒物質(zhì)沉積。進(jìn)入研究區(qū)域后，洋流B 轉(zhuǎn)向東南，呈逆時(shí)針方向環(huán)流，隨后懸浮的細(xì)顆粒沉積物在港口東南部沉積。洋流A 從研究區(qū)域流出在天津塘沽北部永定新河河口附近分為兩股，一條分支洋流C，攜帶著海河河口沉積物沿著海岸向北進(jìn)入渤海灣西北部海域，沿岸河流中的懸浮細(xì)顆粒物質(zhì)由于流速降低，沉積在港口西部。另一股洋流D 沿西部海岸向南移動(dòng)到南部海岸，然后沿南部海岸向東移動(dòng)，其中一部分可能向北進(jìn)入研究區(qū)。黃河中的泥沙入海后其沉積物在渤海環(huán)流的作用下向東北、東南和西北3 個(gè)方向擴(kuò)散[53]，其中向東北方向遷移的環(huán)流和洋流D 共同作用將黃河細(xì)顆粒沉積物遷移至研究區(qū)。洋流C 和洋流D 在港口附近與洋流A 匯合，使得研究區(qū)細(xì)顆粒組分主要是海河-黃河混合的沉積物質(zhì)。此外，少量的灤河三角洲（包括古灤河三角洲）入海泥砂和粗顆粒物質(zhì)在渤海灣反時(shí)針環(huán)流和波浪的共同作用下由灤河口北部沿岸向研究區(qū)東北部和中部曹妃甸深槽搬運(yùn)沉積（圖9），形成曹妃甸的離岸沙壩。渤海灣唐山港海域受到環(huán)流和潮流體系的影響，接受來自周圍的黃河-海河物質(zhì)以及部分的灤河物質(zhì)的供應(yīng)。

圖9 渤海灣唐山港附近沉積物遷移模式圖Fig.9 Sediment transport pattern in Tangshan Harbor area,Bohai Bay

5 結(jié)論

（1） 唐山港海域表層沉積物有5 種類型，主要以粉砂質(zhì)砂和砂質(zhì)粉砂為主。各組分中以粉砂含量最高，平均值為50.38%，其次是砂，平均含量為28.17%，黏土含量最低，平均含量為21.45%。

（2） 根據(jù)粒度參數(shù)特征，研究區(qū)大致可以分為3 個(gè)區(qū)：東北部以粉砂質(zhì)砂為主，分選較差，正偏態(tài)；中部曹妃甸深槽區(qū)以砂質(zhì)粉砂為主，分選差，正偏態(tài)；南部和西北部以粉砂為主，分選中等—較差。

（3） 粒度端元模型顯示，唐山港海域表層沉積物粒度可分離EM1—EM4 四個(gè)端元，其眾數(shù)值分別為10、20、200 和300 μm，平均含量分別為22.28%、19.60%、28.77%和29.34%。EM1 和EM2 反映了沉積動(dòng)力環(huán)境弱，EM3 和EM4 則反映沉積動(dòng)力環(huán)境強(qiáng)，可能會(huì)對(duì)沉積物沖刷改造。

（4） 利用蒙脫石-（伊利石+綠泥石）-高嶺石礦物組合和高嶺石/綠泥石-伊利石/蒙脫石比值識(shí)別出沉積物細(xì)顆粒組分來源主要是黃河-海河混合的陸源碎屑物質(zhì)。曹妃甸深槽區(qū)可能有部分古灤河三角洲粗顆粒物質(zhì)的加入。

（5） 渤海環(huán)流和潮余流控制著本區(qū)細(xì)顆粒沉積物主要向南部和唐山港附近遷移沉積，粗顆粒物質(zhì)向東北部和中部曹妃甸區(qū)搬運(yùn)沉積。

致謝：衷心感謝編輯和審稿專家在論文修改過程中的指導(dǎo)和幫助，感謝渤海曹妃甸海域1∶5萬海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的全體出海人員采集的表層沉積物樣品。