中全新世以來海相沉積物的化學(xué)特征及其對古環(huán)境變化的響應(yīng)機(jī)制

茍富剛, 龔緒龍, 宋玉明, 沈 辰, 蔡田露

中全新世以來海相沉積物的化學(xué)特征及其對古環(huán)境變化的響應(yīng)機(jī)制

茍富剛1, 龔緒龍1, 宋玉明2, 沈 辰2, 蔡田露1

(1. 江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院 自然資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)試驗(yàn)室, 江蘇 南京 210049; 2. 江蘇省地質(zhì)局 第六地質(zhì)大隊(duì), 江蘇 連云港 222002)

海相沉積物的化學(xué)特征是分析古環(huán)境變化的重要指標(biāo)。本研究以連云港濱海地區(qū)淺部海相沉積物為研究對象, 開展易溶鹽、粒度、AMS14C年齡及微體古生物測試, 分析海相沉積物的化學(xué)特征及沉積環(huán)境。結(jié)果表明, 連云港濱海地區(qū)淺部海相沉積物Cl?含量最高, Na+含量次之; 5 m以淺土體含鹽量變化較大, 絕大數(shù)土體含鹽量為0.3%～3.0%; 至埋深20 m時(shí), 土體含鹽量穩(wěn)定在1.0%。沉積物中Cl?含量與含鹽量相關(guān)性最高, 以直線型和多項(xiàng)式型擬合效果最佳; 與Ca2+、Mg2+、K+、SO42?含量擬合效果好, 以多項(xiàng)式型擬合效果最佳; 與Na+含量以冪型擬合效果最佳。沉積物含鹽量與pH值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 說明堿性環(huán)境不利于土體鹽分的增加。沉積物交換性鈉(ESR)值高, 說明研究土體含鹽特征保留了海水特征。推測連云港濱海地區(qū)海相沉積物受到了海平面變化、東亞冬季風(fēng)及黃河奪淮事件的影響。以ZK1孔為例, 中全新世以來海相沉積物經(jīng)歷了濱海–淺海陸架環(huán)境、濱海陸架環(huán)境、近岸濱海環(huán)境、濱海潮間帶環(huán)境4個(gè)階段。階段Ⅰ(6.3～4.2 ka): 土體平均含鹽量為1.2%, 呈堿性, 平均海水混合比為55.2%, 未出現(xiàn)窄鹽性浮游孔蟲, 說明土體沉積時(shí)有淡水與海水混合, 水體鹽度變化明顯, 土體顆粒組成以粉粒和黏粒為主, 底棲有孔蟲以玻璃質(zhì)屬種為主, 最高占比達(dá)70%, 基本未見到膠結(jié)類有孔蟲,平均含量為11.80%,平均含量為28.70%, 為濱海–淺海陸架環(huán)境。階段Ⅱ(4.2～0.6 ka): 土體平均含鹽量為1.3%, 含鹽量增加, 海水混合比增加, 土體顆粒組成與階段Ⅰ相似, 底棲有孔蟲以為主,平均含量為48.40%,含量減少, 為濱海陸架環(huán)境。階段Ⅲ(0.6～0.3 ka): 海平面與現(xiàn)今海面位置相當(dāng), 受黃河奪淮后物源補(bǔ)給影響, 沉積速率顯著增加, 達(dá)1.22 cm/a, 與階段Ⅱ相比, 本階段含鹽量升高, pH值稍有下降, 土體顆粒稍有變細(xì), 底棲有孔蟲豐度顯著增加, 海水混合比進(jìn)一步提高,平均含量為44.30%, 為近岸濱海環(huán)境。階段Ⅳ(0.3 ka以來): 土體含鹽量顯著增加, pH值下降, 土體顆粒組成、底棲有孔蟲豐度及沉積速率與階段Ⅲ基本持平, 海水混合比最高達(dá)163.3%, 主要與現(xiàn)代積鹽過程有關(guān),含量為47.20%, 為濱海潮間帶環(huán)境。

沉積環(huán)境; 含鹽特征; 易溶鹽; 海相沉積物; 有孔蟲

0 引 言

連云港濱海地區(qū)中全新世以來沉積物厚約17 m, 下部巖性為深灰色海相軟土, 主要為淤泥質(zhì)黏土和淤泥, 少量淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(茍富剛等, 2018a), 埋深約2 m, 層厚約15 m; 淺表部為褐黃色黏土, 層厚約2 m。淺表部褐黃色黏土(硬殼層)由海相軟土層脫水固結(jié)、氧化和人類活動等多種作用形成(歐陽建德, 1993; 高彥斌和陳忠清, 2017; 茍富剛等, 2021b)。海相沉積物在空間上與濱海鹽漬土高度重合, 沿著我國1.8×104km海岸帶呈帶狀分布, 向內(nèi)陸延伸幾十公里, 與沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)高度重合(王遵親等, 1993)。本研究土體主要由黏粒和粉粒組成, 滲透系數(shù)為10?8～10?7cm/s, 屬于弱透水層(茍富剛等, 2018a)。對弱透水層孔隙水的水化學(xué)研究始于1895年, 重點(diǎn)關(guān)注了孔隙水中的HCO3?離子特征(Rea et al., 2012)。土中易溶鹽(包含八大離子: Na+、Mg2+、K+、Ca2+、Cl?、SO42?、HCO3?、CO32?)占天然水離子總量的95%～99%(Hakanson and Jansson, 1983)。海相沉積物鹽分中Na+和Cl?占絕對優(yōu)勢(Li et al., 2016)。海水浸漬是濱海相鹽漬土形成的一個(gè)最主要的原因, 土體含鹽特征與海水含鹽特征基本一致。土體含鹽特征主要受區(qū)域氣候條件控制, 90%鹽漬土(含鹽量大于0.3%)是自然成因(王琳琳, 2014)。Cl?常被用作示蹤指標(biāo)來分析沉積環(huán)境(Ge et al., 2017)。弱透水層中孔隙水的流動受分子擴(kuò)散控制(Hendry and Wassenaar, 2000), 孔隙水反映了土體沉積時(shí)的原始溶液(Liao and Zhang, 1985)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步, 眾多學(xué)者采用離子示蹤、同位素技術(shù)等手段研究孔隙水中的Cl?、Na+、SO42?、Mg2+、pH值、電導(dǎo)率、同位素、Cl/Br和Na/Cl等變化特征, 進(jìn)而推測土體的形成環(huán)境和古氣候信息(李靜等, 2012; Li et al., 2017; 方晶, 2018; Sarah et al., 2018; 鄧義楠等, 2019; 李瀟麗, 2020; 茍富剛, 2021a, 2022a, 2022b)。

目前對中全新世以來海相沉積物的化學(xué)特征還沒有較為系統(tǒng)的認(rèn)識, 一般研究深度僅1 m左右(潛水位埋深約1 m)。例如, Yao et al. (2013)對0～10 cm的土壤化學(xué)物理特性、含鹽特征進(jìn)行了研究; 蔡國軍等(2008)基于電阻率靜力觸探進(jìn)行了海相軟土地質(zhì)成因與土體離子化學(xué)分析。本研究基于易溶鹽測試結(jié)果, 結(jié)合粒度、微體古生物和AMS14C測年結(jié)果, 揭示了連云港濱海地區(qū)中全新世以來土體的化學(xué)特征及其對古環(huán)境變化的響應(yīng)機(jī)制。

1 地質(zhì)背景

連云港濱海地區(qū)隸屬蘇魯造山帶(茍富剛, 2018a), 采樣區(qū)為地勢平坦的平原區(qū)(圖1), 地面標(biāo)高一般2～3 m。第四系厚度最厚超過了140 m。

圖1 連云港濱海地區(qū)基巖地質(zhì)圖及采樣點(diǎn)位

海相軟土是一種具有高含水率、大孔隙、高壓縮性和蠕變特性的土體。土工測試結(jié)果顯示, 海相軟土壓縮模量值為1.01～5.00 MPa(平均2.13 MPa), 天然密度為1.53～1.79 g/cm3(平均1.67 g/cm3), 干密度為0.87～1.27 g/cm3(平均1.06 g/cm3), 塑性指數(shù)為17.2～34.2(平均25.5), 天然孔隙比為1.02～2.22(平均1.54), 天然含水率為36.0%～82.2%(平均55.9%)。

淺表部硬殼層由軟土脫水固結(jié)形成, 其壓縮模量為2.60～10.73 MPa(平均4.11 MPa), 屬于中–高壓縮性土, 天然密度為1.73～1.97 g/cm3(平均1.83 g/cm3), 塑性指數(shù)為15.2～33.2(平均24.2), 天然孔隙比為0.62～1.00 (平均0.81), 天然含水率為19.7%～48.9%(平均35.6%)。

2 樣品采集、測試及分析方法

2.1 樣品采集及測試方法

2.1.1 易溶鹽樣品采集及測試方法

本次研究共采集了252件易溶鹽樣品, 采樣深度為0.4～ 23.2 m。其中包括綜合研究鉆孔ZK1孔的18件易溶鹽樣品, 采樣深度為0～16.3 m, 采樣間距為0.9 m。易溶鹽測試在國土資源部南京礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成。土樣經(jīng)過烘干、研磨、過篩后, 以土∶水=1∶5的比例經(jīng)過溶解、浸提、抽濾等步驟獲得水溶液。水溶液中SO42?及陽離子采用iCAP6300型發(fā)射光譜儀(IRIS Intrepid)進(jìn)行測試, Cl?、Br?、CO32?、HCO3?等采用指示劑滴定法測定(茍富剛等, 2017)。

2.1.2 微體古生物樣品采集及測試方法

在ZK1孔采集了28件微體古生物樣品, 采樣深度為2.2～16.2 m, 采樣間距為0.6 m。微體古生物測試在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心完成。在50 ℃恒溫下烘干樣品, 加入濃度為10%的H2O2溶液浸泡24 h, 將分散好的樣品用0.063 mm(250目)的標(biāo)準(zhǔn)銅篩進(jìn)行沖洗。收集篩上部分置于50 ℃恒溫烘干箱后, 在雙目體式顯微鏡下進(jìn)行觀察鑒定, 有孔蟲及介形蟲的鑒定主要參考汪品先(1992)。

2.1.3 粒度樣品采集及測試方法

在ZK1孔采集了10件粒度樣品, 采樣間距為1.5 m。粒度測試在國土資源部南京礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心, 采用WX058型HELOS/OASIS全自動干濕合一激光粒度儀完成, 樣品處理、測試及數(shù)據(jù)分析參考Blott and Pye (2001)。

2.1.4 AMS14C測年

在ZK1孔采集了3件無污染的淤泥質(zhì)黏土(深度9.2 m和6.7 m)和貝殼(深度16.5 m)樣品, AMS14C測年在美國貝塔分析實(shí)驗(yàn)室, 使用4臺NEC加速器質(zhì)譜儀和4臺Thermo同位素比值質(zhì)譜儀(IRSM)完成, 測試結(jié)果均獲得ISO/IEC-17025: 2005標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可。

2.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)沉積物易溶鹽測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。參數(shù)分布數(shù)理統(tǒng)計(jì)與假設(shè)檢驗(yàn)中, 采用3法則處理異常數(shù)據(jù)。頻數(shù)分布可以直觀展示樣本的分布情況, 已知樣品數(shù)量, 可以根據(jù)公式1計(jì)算區(qū)間個(gè)數(shù); 根據(jù)最大值和最小值, 結(jié)合公式2可以計(jì)算區(qū)間長度 (Kvam and Vidakovic, 2007):

=(?)/(2)

假設(shè)檢驗(yàn)為0, 數(shù)據(jù)來自正態(tài)總體, 取顯著性檢驗(yàn)水平=0.1。當(dāng)充分大, 一般大于100時(shí), 中間過程量1、2及2的計(jì)算公式為:

P0{?}表示當(dāng)0為真實(shí)事件時(shí){?}的概率, 拒絕域?yàn)楣?或公式7:

式中:1和2分別為樣本的偏度和峰度;1為偏度檢驗(yàn)值;2為峰度檢驗(yàn)值;為拒絕域界限值。

通過對土體易溶鹽統(tǒng)計(jì)分析和相關(guān)性分析, 可以確定土體含鹽化學(xué)組分及其空間展布特征。

3 結(jié)果分析

3.1 土體鹽分統(tǒng)計(jì)分析

土體Cl?離子與2倍SO42?離子的物質(zhì)的量濃度比值為2.13～65.98, 比值均大于2, 參考GB/T 50942-2014標(biāo)準(zhǔn)得出研究土體為氯鹽漬土。土體含鹽量高, 為0.1%～5.4%, 平均值為1.4%(表1)。軟土巖心微觀結(jié)構(gòu)中可見析出的黃鐵礦結(jié)晶(圖2b、c; 茍富剛等, 2018b)。鹽漬土占比97.22%, 非鹽漬土占比僅2.78%。鹽漬土類型以中鹽漬土為主, 占比70.63%, 其次為弱鹽漬土, 占比26.19%, 強(qiáng)鹽漬土占比0.40%。土體含鹽量在5 m以淺變化較大(圖3a), 為0.3%～3.0%; 在5 m以深變化較小, 5～15 m為0.9%～3.0%, 20 m左右基本穩(wěn)定在1.0%。

土體Cl?含量最高, 平均值為7732 mg/kg; Na+含量次之, 平均值為4865 mg/kg; 其他離子按照含量高低依次為SO42?、HCO3?、Mg2+、K+、Ca2+、CO32?(表1)。易溶鹽主要離子(Na+、Cl?)隨深度的變化特征與含鹽量類似(圖3a、b)。

圖2 ZK1孔軟土巖心(a)及其微觀照片(b、c)

圖3 土體含鹽量(a)和各離子含量(b～d)隨深度變化

表1 土體含鹽特征統(tǒng)計(jì)及概率分布

注: 離子含量的單位為mg/kg。

次要陽離子包括Mg2+、K+、Ca2+, 5 m以淺各次要陽離子含量主要分布在50～600 mg/kg之間, 個(gè)別樣品Ca2+含量明顯高于Mg2+、K+含量(圖3c), 這與表層土的現(xiàn)代積鹽過程有關(guān)。次要陰離子包括SO42?、HCO3?、CO32?, 各次要陰離子含量的分布較離散, 分布規(guī)律不明顯(圖3d)。

含鹽量的偏度為1.43, pH值的偏度為0.26, Cl?含量的偏度為1.32, Na+含量的偏度為1.07, 均屬于右偏態(tài)。其他離子含量的偏度也都大于0, Mg2+含量的偏度最大, 為4.12。正態(tài)分布的峰度表示陡緩程度, 當(dāng)2=3時(shí), 數(shù)據(jù)分布曲線與正態(tài)分布一致;當(dāng)2>3時(shí), 表現(xiàn)為陡峭; 當(dāng)2<3時(shí), 表現(xiàn)為平坦。Cl?含量、Na+含量和含鹽量的峰度分別為3.36、2.32和3.81, Mg2+、Ca2+含量的峰度較大, 分別為25.77、15.47。

易溶鹽各離子含量的偏度和峰度正態(tài)分布檢驗(yàn)結(jié)果(表1, 圖4)顯示, Cl?含量峰度檢驗(yàn)符合正態(tài)分布, 但偏度檢驗(yàn)值坐落在拒絕域, 所以拒絕原假設(shè), 不屬于正態(tài)分布。HCO3?含量假設(shè)檢驗(yàn)與Cl?含量類似。pH值假設(shè)檢驗(yàn)與Cl?、HCO3?含量不同, 偏度檢驗(yàn)值滿足正態(tài)分布, 但峰度不滿足正態(tài)分布。其他離子含量偏度和峰度檢驗(yàn)均不符合正態(tài)分布。

3.2 土體鹽分相關(guān)性分析

易溶鹽八大離子、含鹽量和pH值相關(guān)性分析結(jié)果(表2)顯示, 含鹽量與Cl?含量相關(guān)性最高(2=0.955),說明沉積物含鹽量與Cl?含量呈線性正相關(guān)關(guān)系; 與Na+、K+、Mg2+、Ca2+、SO42?含量相關(guān)性好, 在 0.01水平顯著,2分別為0.992、0.846、0.881、0.869、0.832; 與CO32?含量呈負(fù)相關(guān)性,2=?0.354; 與HCO3?含量相關(guān)性一般, 僅在0.05水平顯著; 與pH值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 在0.01水平顯著, 說明堿性環(huán)境不利于土體含鹽量的增加。

Cl是海水中最主要的穩(wěn)定常量元素, 能反映土體是否被海水浸染(Ge et al., 2017; 茍富剛等, 2017)。選擇Cl?含量與含鹽量、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、SO42?含量和pH值進(jìn)行曲線擬合分析, 構(gòu)建近似函數(shù), 該函數(shù)能反應(yīng)Cl?含量與其他指標(biāo)的基本變化趨勢, 包括直線型、多項(xiàng)式型、對數(shù)型、指數(shù)型和冪型。土體中Cl?含量與含鹽量擬合效果好, 以直線型和多項(xiàng)式型擬合效果最佳,2=0.990, 其次為指數(shù)型、對數(shù)型和冪型(圖5a); 與Na+含量擬合效果好，以冪型擬合效果最佳,2=0.978(圖5b); 與Ca2+、Mg2+、K+、SO42?含量擬合效果好, 以多項(xiàng)式型擬合效果最佳,2分別為0.782、0.905、0.675、0.636(圖5c～f); 與HCO3?、CO32?含量擬合效果差, 以多項(xiàng)式型擬合效果相對最佳,2分別為0.039、0.107(圖5g、h); 與pH值以指數(shù)型擬合效果最佳，2=0.352(圖5i)。

圖4 沉積物含鹽參數(shù)分布圖

表2 土體鹽分指標(biāo)相關(guān)性分析

注:**相關(guān)性在0.01水平顯著(雙尾);*相關(guān)性在0.05水平顯著(雙尾)。

圖5 Cl?含量與含鹽量(a)、各離子含量(b～h)和pH值(i)擬合關(guān)系

3.3 土體鹽分來源分析

滲透系數(shù)為10?8～10?7cm/s的沉積物中, 孔隙水基本不流動, 孔隙水的流動受分子擴(kuò)散控制(Hendry and Wassenaar, 2000), 土壤孔隙水反映了土壤沉積時(shí)的原始溶液(Liao and Zhang, 1985), 可以根據(jù)沉積物中的鹽分地球化學(xué)特征來分析土體的沉積環(huán)境。

根據(jù)公式8的混合模型(趙長榮等, 2012), 孔隙水中Cl?含量與土體中Cl?含量呈線性關(guān)系, 擬合結(jié)果顯示, 過原點(diǎn)的比例系數(shù)為6.293 (茍富剛等, 2018b)。

式中:i為實(shí)際海水與淡水混合比例(%); Clsamp為孔隙水中Cl?含量(mg/L); Cld為研究區(qū)淡水端元的Cl?含量(mg/L); Clsea為標(biāo)準(zhǔn)海水中Cl?含量(mg/L), 取值參考陳郁華(1983)。

采用土體中Clsamp含量計(jì)算i為1.8%～217.7%, 平均值為55.2%, 峰度為3.36, 偏度為1.32。i與土體含鹽量呈正相關(guān)關(guān)系(2=0.995; 圖6a)。i的低值和高值主要集中在5 m以淺(圖6b), 這主要與地表作用(蒸發(fā)作用、淡水淋濾及毛細(xì)作用)和人類活動(鹽場地表曬鹽)有關(guān)。

軟土及其上部褐黃色黏土滲透系數(shù)非常小, 垂直滲透系數(shù)為8.83×10?8～1.19×10?7cm/s, 水平滲透系數(shù)為8.52×10?8～1.88×10?7cm/s。因此, 土體含鹽量變化小, 特別是埋深大于5 m的土體, 受大氣降水或河流側(cè)向補(bǔ)給降鹽的可能性非常低, 土體接受到新補(bǔ)給的淡水淋濾, 必須通過無數(shù)個(gè)孔隙, 甚至需要幾百萬年。Na-Ca交換是一種最廣泛的陽離子交換(反應(yīng)式9)。標(biāo)準(zhǔn)海水的鈉吸附比(sodium adsorption ratio, SAR)為58.51(茍富剛等, 2018b), 連云港濱海地區(qū)地下淡水的SAR值僅為2.28。根據(jù)公式10、11 (茍富剛等, 2018b)計(jì)算的土壤交換性鈉(exchangeable sodium ratio, ESR)為13.52～102.95, 平均值為68.52。ESR<50的樣品主要分布在5 m以淺地層(圖7); 其他樣品的ESR值主要為63.50～83.50, 進(jìn)一步證實(shí)了沉積物形成于海相環(huán)境, 說明研究土體含鹽特征保留了海水特征。

(11)

式中:為土體孔隙水中離子濃度(mmol/L);為交換平衡常數(shù), 取2.159;指陰離子。

受到降雨等淡水淋濾時(shí), 由于土壤中ESR值高, 土壤中Na+含量遠(yuǎn)高于當(dāng)?shù)氐? 在淺表地層中, Na-Ca交換(反應(yīng)式9)向左進(jìn)行, 即Na+被解吸, Ca2+被吸附, 由于2個(gè)Na+置換1個(gè)Ca2+, 而2個(gè)Na+體積大于1個(gè)Ca2+, 土體孔隙變大, 有助于土壤通氣, 提高農(nóng)作物產(chǎn)量。土體Na/Cl值為0.76～2.12, 平均值為1.01, 偏度為3.52, 峰度為24.23。5 m以淺土體中Na/Cl值普遍大于海水(0.85), 且Ca2+含量明顯偏高, 這與土體中的硅酸鹽(鈉長石與鈣長石)風(fēng)化溶解補(bǔ)給有關(guān)。

3.4 ZK1孔粒度特征分析

ZK1孔中全新世以來的沉積物中黏粒(<2 μm)含量為18.6%～24.6%, 平均值為21.5%, 變異系數(shù)為0.083; 粉粒(2～63 μm)含量為75.4%～81.5%, 平均值為78.4%, 變異系數(shù)為0.025; 砂粒(>63 μm)僅在軟土層底部(16.2 m)存在, 含量為1.2%。沉積物平均粒徑為6.06～7.32 μm(平均6.75 μm), 分選系數(shù)為1.52～1.68(平均1.61), 變異系數(shù)為0.036, 分選差; 偏態(tài)為?0.17～ 0.24(平均0.12), 變異系數(shù)為0.956; 峰態(tài)為1.64～2.67 (平均1.82), 變異系數(shù)為0.168, 為尖峰態(tài)。沉積物沉積時(shí)水動力條件弱, 上部褐黃色黏土與下部軟土沉積顆粒組成基本一致(圖8)。

圖6 含鹽量-fi(a)和深度-fi(b)變化曲線

圖7 土體ESR值隨深度變化特征

圖8 ZK1孔粒度分布特征

3.5 微體古生物特征

ZK1孔全新世沉積物中有孔蟲種類包含19屬28種。沉積物中的砂粒是膠結(jié)殼類有孔蟲殼體的主要成分, 因此泥質(zhì)沉積物中缺少膠結(jié)殼類有孔蟲, 以玻璃質(zhì)殼(13.60%～79.40%, 平均50.95%)、(0～39.00%, 平均11.90%)及瓷質(zhì)殼(0～83.40%, 平均32.00%)為主(Sautte and Thunell, 1991; 汪品先, 1992; 圖9), 其中包括(平均含量39.64%)、(10.81%)、(0.43%)、(0.03%)、.(0.04%),(2.38%)、(4.47%)、(0.09%)、. (4.95%)和(15.48%)、(15.12%)、(1.39%)。另外還有(0.03%)、(1.83%)、(0.01%)、.(0.18%)、(0.07%)、(0.05%)、(0.03%)、(0.04%)、(0.06%)、.(0.16%)、(0.67%)、(0.04%)、(0.16%)、(0.06%)、(0.08%)和(0.04%)。未見浮游有孔蟲。

ZK1孔全新世沉積物中介形蟲種類包含6屬8種。優(yōu)勢種為(37.60%)、(32.41%)及(13.12%)。其他種含量均小于5%(圖10), 包括(4.12%)、(2.78%)、(0.16%)(0.12%)和(0.08%)。

、和對沉積環(huán)境, 尤其是水深具有指示作用。A殼體在酸性環(huán)境下溶解作用較強(qiáng)(朱曉東等, 1996)。研究土體環(huán)境為堿性, 有孔蟲能很好地保存下來, 對沉積環(huán)境分析非常有利。有孔蟲的體液與海水是等滲的, 有孔蟲只能在一定的鹽度范圍內(nèi)生存(Murray, 1973; 朱曉東, 1993)。為廣鹽淺水種, 在0.5‰～50‰的鹽度范圍內(nèi)均能生存, 在鹽度為20‰～40‰且溫度為25～30 ℃生長繁殖最快(Murray, 1973)。在現(xiàn)代南黃海分布的深度下限是20 m, 大量分布于潮間帶、河口、海灣等濱淺海環(huán)境中(汪品先, 1992),含量≥20%, 指示潮間帶環(huán)境; 5%<含量<15%, 指示淺海陸架環(huán)境;含量<2%, 指示淺海環(huán)境(水深>20 m)(類彥立和李鐵剛, 2015)。指示水深20～50 m的近岸淺海–淺海環(huán)境(李牛和陳多福, 2015)。為低溫低鹽種, 指示10～15 m水深的濱海環(huán)境(李鐵剛等, 2000);指示10～20 m水深的濱海環(huán)境(朱曉東等, 1998)。、及均為廣鹽種, 3個(gè)種組合指示潮間帶或20 m以淺潮下帶環(huán)境(趙泉鴻和汪品先, 1988)。

根據(jù)有孔蟲屬種及其含量的空間分布特征, 在深度上開展了4個(gè)層位的統(tǒng)計(jì)分析。

圖9 ZK1孔有孔蟲分布特征

圖10 ZK1孔介形蟲分布特征

沉積深度16.8～13.7 m, 底棲有孔蟲豐度為50～ 125枚/50 g, 平均值為112枚/50 g; 分異度為5.0～9.0, 平均值為6.3。其中含量<15%(僅在15.7 m處有1個(gè)異常點(diǎn), 含量為20.00%; 圖9), 平均含量為11.80%,平均含量為28.70%,平均含量為1.12%,平均含量為0.15%。介形蟲豐度遠(yuǎn)低于有孔蟲豐度, 為10～40枚/50 g, 平均值為20枚/50 g;分異度為0.9～4.0, 平均值為2.5。其中平均含量為32.70%,平均含量為18.90%,平均含量為0.48%。

沉積深度13.7～5.7 m, 底棲有孔蟲豐度為100～ 1000枚/50 g, 平均值為254枚/50 g; 分異度為3.0～12.8,平均值為6.4。其中平均含量為48.42%,a平均含量為7.59%,平均含量為4.04%,平均含量為7.75%。介形蟲豐度為10～ 200枚/50 g, 平均值為27枚/50 g; 分異度為0～3.8, 平均值為1.6。其中平均含量為30.75%,平均含量為3.93%,平均含量為3.25%。

沉積深度5.7～2.5 m, 底棲有孔蟲豐度為850～ 6100枚/50 g, 平均值為3060枚/50 g; 分異度為9.2～13.6, 平均值為11.8。其中平均含量為44.30%,平均含量為2.77%,平均含量為8.32%,平均含量為0.15%。介形蟲豐度為15～600枚/50 g, 平均值為290枚/50 g; 分異度為1.0～3.9, 平均值為2.6。其中平均含量為31.31%,平均含量為8.20%,平均含量為2.46%,平均含量為27.78%。

沉積深度2.5～0 m, 底棲有孔蟲豐度為2700枚/ 50 g, 分異度為12.0。其中含量為47.20%,含量為3.50%,含量為7.90%,含量為7.90%,含量為66.70%,含量為33.30%。

4 討 論

4.1 年代序列建立

深度6.7 m、9.2 m、16.5 m的樣品AMS14C測年結(jié)果為0.646 ka、2.109 ka、6.325 ka, 顯示沉積物形成于中全新世以來, 最晚形成年齡約6.325 ka。結(jié)合沉積物的顏色、巖性、含鹽量、有孔蟲種類及含量、AMS14C測年結(jié)果以及全球氣候變化特征, 把中全新世以來的沉積物劃分為4個(gè)沉積階段(圖11)。

階段Ⅰ: 沉積時(shí)間為6.3～4.2 ka, 沉積深度為16.8～13.7 m。巖性為深灰色軟土。根據(jù)AMS C14測年結(jié)果, 海相軟土平均沉積速率為0.13 cm/a。全新世發(fā)生了8次氣候異常的冷事件(Bond, 1997), 其中4.2 ka的冷事件較強(qiáng)烈, 引發(fā)了劇烈的環(huán)境變化和海平面波動。底棲有孔蟲平均含量為11.80%,平均含量為28.70%。高含量表明土體沉積時(shí)水深較大結(jié)合研究區(qū)古海平面變化特征以及有孔蟲組合特征, 把4.2 ka作為階段Ⅰ的時(shí)間上限。

階段Ⅱ: 沉積時(shí)間為4.2～0.6 ka, 沉積深度為13.7～5.7 m。巖性同階段Ⅰ。含量(平均48.40%)增加,含量(平均7.60%)下降該階段后期受到黃河奪淮(0.722 ka)后物源補(bǔ)給增加, 沉積速率加快, 平均沉積速率為0.17～0.22 cm/a。

階段Ⅲ: 沉積時(shí)間為0.6～0.3 ka, 沉積深度5.7～2.5 m。巖性同階段Ⅰ。有孔蟲豐度迅速增加。該階段沉積也受到了黃河奪淮(0.722 ka開始, 至0.095 ka黃河北歸)事件的影響, 沉積速率比階段Ⅰ、Ⅱ增加了數(shù)倍, 平均沉積速率達(dá)1.22 cm/a。

階段Ⅳ: 沉積時(shí)間為0.3～0 ka, 沉積深度為2.5～0 m。巖性為褐黃色黏土。粒度特征與階段Ⅰ～Ⅲ差異不大。有孔蟲豐度高。沉積作用主要發(fā)生在黃河北歸前。由于表層作用, 土體含鹽量增加。

4.2 6.3 ka以來沉積物化學(xué)特征與古氣候的響應(yīng)機(jī)制

6.3～4.2 ka(階段Ⅰ), 海平面升降是海相沉積和環(huán)境演化的主要控制因素。全新世的起點(diǎn)通常對應(yīng)于新仙女木事件, 起始時(shí)間約為11.5 ka(Severinghaus et al., 1998), 全球冰蓋和冰川融化, 引發(fā)了全球性的海平面上升。12.0～7.0 ka, 中國東部沿海地區(qū)海平面快速上升, 上升高度高達(dá)65 m(Li et al., 2014);約7.0～6.5 ka, 海侵達(dá)到最大范圍, 古海平面高程為3 m(趙希濤等, 1994), 古江蘇海岸線抵達(dá)贛榆、東海丘陵山麓坡腳一帶(Liu et al., 2011); 6.5 ka之后, 海平面波動頻繁, 變化幅度減弱, 但其總趨勢為微微上升?，F(xiàn)代環(huán)流自中全新世初期形成(Wang et al., 2014), 受東亞冬季風(fēng)影響(Hu, 1984)及有利地形的影響, 由北部河流攜帶入海的泥砂質(zhì)沉積物和陸架沉積物, 在連云港濱海地區(qū)以較高速率沉積(趙一陽, 1991)。沉積物顆粒組成主要為黏粒(20.1%)和粉粒(79.3%), 受到海水和內(nèi)陸河流的影響(平均海水混合比為55.2%), 海水中鹽分離子大量留存在成土母質(zhì)中, 形成了含鹽量非常高的鹽漬化淤泥(含鹽量0.8%～3.0%; 王遵親等, 1993)。沉積物實(shí)測含鹽量為1.1%～1.4%(平均1.2%; 圖12), 變異系數(shù)為0.08; Na+含量為3700～5100 mg/kg(平均4200 mg/kg), 變異系數(shù)為0.19; Cl?含量為5700～7500 mg/kg(平均6500 mg/kg), 變異系數(shù)為0.14; pH值約為8.2。未出現(xiàn)窄鹽種浮游有孔蟲, 推測有淡水補(bǔ)給。底棲有孔蟲與組合特征指示了濱海–淺海陸架環(huán)境。

圖11 沉積物沉積曲線及全球海平面變化曲線

4.2～0.6 ka(階段Ⅱ), 海平面在4.2 ka之后急劇下降, 在3.5～2.6 ka穩(wěn)定在?1 m, 在2.6～2.2 ka上升到2 m, 在2.2～1.1 ka基本穩(wěn)定在2 m, 在1.1～0.9 ka又急劇下降, 之后穩(wěn)定在現(xiàn)今位置。沉積物顆粒組成主要為黏粒(20.8%)和粉粒(79.2%), 受到海水和內(nèi)陸河流的影響(平均海水混合比為61.0%), 平均含鹽量為1.3%; Na+含量為4000～5400 mg/kg(平均4700 mg/kg),變異系數(shù)為0.12; Cl?含量為6100～8500 mg/kg(平均7200 mg/kg), 變異系數(shù)為0.10; pH值為8.1～8.6(平均8.4)。底棲有孔蟲平均含量為48.40%,平均含量為7.60%。沉積環(huán)境為濱海陸架環(huán)境。

0.6～0.3 ka(階段Ⅲ), 海平面位置與現(xiàn)今相當(dāng)。與階段Ⅱ相比, 本階段含鹽量升高, pH值稍有下降, 土體顆粒變細(xì), 底棲有孔蟲豐度顯著增加。沉積物顆粒組成主要為黏粒(23.1%)和粉粒(76.9%), 受到海水和內(nèi)陸河流的影響(平均海水混合比為76.9%), 含鹽量為1.4%～2.2%(平均1.7%), 變異系數(shù)為0.198; Na+平均含量為5800 mg/kg, Cl?平均含量為9120 mg/kg; pH值為8.1～8.5(平均8.3), 變異系數(shù)為0.02。底棲有孔蟲平均豐度達(dá)3060枚/50 g,平均含量為44.30%,平均含量為2.80%。沉積環(huán)境為近岸濱海環(huán)境。

0.3～0 ka(階段Ⅳ), 海平面位置與現(xiàn)今相當(dāng)。與階段Ⅱ相比, 土體含鹽量顯著增加, pH值下降, 顆粒組成及底棲有孔蟲豐度基本持平。該階段沉積受到黃河奪淮后(0.3～0.095 ka)物源補(bǔ)給的影響, 沉積速率與階段Ⅱ持平。土體含鹽量為1.7%～3.4%(平均2.6%), 變異系數(shù)為0.20; Na+含量為6300～9700 mg/kg (平均7910 mg/kg), 變異系數(shù)為0.22; Cl?含量為8400～19300 mg/kg(平均13100 mg/kg), 變異系數(shù)為0.43; 海水混合比為70.8%～163.3%(平均110.5%), 變異系數(shù)為0.43; pH值為7.7～8.2(平均7.9), 變異系數(shù)為0.03。含鹽量隨深度減小有增加趨勢, 而pH值隨深度減小有降低趨勢。地表作用一般影響深度約5 m。當(dāng)海洋環(huán)境轉(zhuǎn)為陸地環(huán)境時(shí), 淺表部硬殼層由軟土層脫水固結(jié)、氧化和人類活動等多種作用形成(高彥斌和陳忠清, 2017), 因含鐵礦物遭受氧化而呈現(xiàn)褐色–紅色。底棲有孔蟲含量為47.20%,含量為3.50%。沉積環(huán)境為濱海潮間帶環(huán)境。淺表部硬殼層(褐黃色黏土)中出現(xiàn)高等植物, 說明土體含鹽量較低, 土壤進(jìn)一步脫鹽后適合農(nóng)業(yè)開發(fā)。

圖12 ZK1孔不同沉積階段含鹽特征

5 結(jié) 論

(1) 受全新世海侵影響, 沉積物所含鹽分主要為NaCl, 以中鹽漬土和弱鹽漬土為主。土體含鹽量在5 m以淺變化較大, 至20 m時(shí)大致穩(wěn)定在1%。

(2) 沉積物中的平均海水混合比為55.2%, 說明海水對土體鹽分貢獻(xiàn)高。表層沉積物海水混合比最高達(dá)到217.7%, 主要與地表作用(蒸發(fā)作用、毛細(xì)作用)和人類活動(鹽場地表曬鹽)有關(guān)。

(3) 中全新世以來的沉積物經(jīng)歷了濱海–淺海陸架環(huán)境、濱海陸架環(huán)境、近岸濱海環(huán)境和濱海潮間帶環(huán)境。

致謝:中國科學(xué)院南海海洋研究所向榮研究員和另一位匿名審稿人提出了建設(shè)性修改建議, 在此致以特別感謝。

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GOU Fugang1, GONG Xulong1, SONG Yuming2, SHEN Chen2, CAI Tianlu1

(1. Geological Survey of Jiangsu Province, Key Laboratory of Earth Fissures Geological Disaster, Ministry of NaturalResources, Nanjing 210049, Jiangsu, China; 2. The Sixth Geological Party, Jiangsu Geological Bureau, Lianyungang 222002, Jiangsu, China)

The salt content of soft soil is an important indicator of foundation design and soil improvement in engineering construction. This study focused on the shallow marine sediments in the coastal area of Lianyungang. Multiple sets of samples were collected for soluble salt, particle size, AMS14C, and micropaleontological testing and analysis, and the chemical characteristics of the marine sediments and sedimentary environments were analyzed. The results show that soft soil salt has a high concentration of chloride ions (Cl?), with sodium ions (Na+) ranking second in concentration. The salt content of most soils is between 0.3% and 3.0%, with shallow soils varying greatly within a depth of 5 m. Up to a depth of 20 m, the soil salt content stabilizes at 1.0%. The salt content exhibits the strongest correlation with the Cl?content. The relationship between Cl?content and salt content has a good fitting effect, with both linear and polynomial fitting effects providing the most accurate representation. In addition, the Cl?content in soils shows a robust relationship with Na+, Ca2+, Mg2+, and K+content and is best represented using polynomial fitting. Similarly, the correlation between soluble salt Cl?and SO42?content in soil is significant, and logarithmicfitting provides the best representation. The salt content was negatively correlated with the pH value, indicating that an alkaline environment was not conducive to increased soluble salt content in the soil. The high ESR value of exchangeable Na in the sediments indicated that the salt characteristics of the studied soil layers retained the characteristics of seawater. Sediment deposits are affected by factors such as changes in sea level, the East Asian winter monsoon, and the diversion of the Huanghe River into the Huaihe River. Considering hole ZK1 as an example, the research area has undergone four stages since the Holocene: Coastal-shallow shelf, coastal shelf, coastal, and coastal intertidal environments. StageⅠ (6.3 ka to 4.2 ka): In this stage, the salt content of the soil is 1.2%, and the soil is alkaline. The average seawater mixing ratio was 55.2%, indicating that fresh water and seawater were mixed during soil deposition. Salinity fluctuated significantly within the sedimentary environment of the waterbody. The soil particles are predominantly silt and clay. Benthic foraminifera assemblages were dominated by vitreous species, constituting 70% of the population. No foraminiferal cementation was observed. The average content ofis 11.80%, andaverages 28.70%. Multiple indicators strongly suggest a shallow coastal shelf environment. Stage Ⅱ(4.2 ka to 0.6 ka): During this stage, the average salt content of the soil increased to 1.3% from Stage Ⅰ. The seawater mixing ratio increased, indicating unstable salinity levels in the waterbody. The composition of the soil particles was similar to that in Stage Ⅰ. The average content ofincreased significantly to 48.40%, and the content ofdecreased. Multiple indicators suggestive of a coastal shelf environment are available. Stage Ⅲ(0.6 ka to 0.3 ka): The sea level at this stage was equivalent to the current level. After the Yellow River captured the Huaihe River, the sedimentation rate reached 1.22 cm/a. Compared to Stage Ⅱ, the salt content increased, and the pH decreased slightly. Soil particles became finer, and the abundance of benthic foraminifera increased significantly. The seawater mixing ratio further increased. The average content ofwas 44.30%. Multiple indicators are suggestive of a coastal environment. Stage Ⅳ (0.3 ka to 0 ka): In this stage, the salt content of the soil increased significantly, and the pH decreased. The particle composition of the soil, abundance of benthic foraminifera, and sedimentation rate were the same as those during Stage Ⅲ. The mixing ratio of seawater was as high as 163.3%, which is primarily related to the modern salt accumulation process. Thecontent was 47.20%. Several indicators pointed to a coastal intertidal environment.

sedimentary environment; salt characteristics; soluble salt; marine sediments; foraminifera

P736

A

0379-1726(2023)05-0649-14

10.19700/j.0379-1726.2022.01.011

2021-10-12;

2021-12-09

連云港城市地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(20170821)、中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目(1212011220005)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41772327)聯(lián)合資助。

茍富剛(1985–), 男, 高級工程師, 主要從事特殊土體和環(huán)境地質(zhì)研究。E-mail: goufugang@foxmail.com