威海灣表層沉積物地球化學(xué)特征及影響因素分析

摘要：本文系統(tǒng)分析了威海灣海域表層沉積物地球化學(xué)特征，結(jié)果表明：沉積物中常量組分含量整體呈西南低、東北高的趨勢(shì)，與平均粒徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，元素豐度呈接近狀態(tài)。沉積物中微量元素含量整體呈西高東低的態(tài)勢(shì)，與平均粒徑呈正相關(guān)關(guān)系，元素豐度呈富集狀態(tài)。通過(guò)計(jì)算富集系數(shù)、污染因子，認(rèn)為表層沉積物含量與沉積物粒徑、入海碎屑物、人類工程活動(dòng)等息息有關(guān)。

關(guān)鍵詞：表層沉積物；分布特征；影響因素；威海灣

中圖分類號(hào)：P618.51""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A""" doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.10.004

引文格式：袁星芳，李恒猛，常寶坤，等.威海灣表層沉積物地球化學(xué)特征及影響因素分析［J］.山東國(guó)土資源，2024，40（10）：2634. YUAN Xingfang， LI Hengmeng， CHANG Baokun， et al. Geochemical Characteristics and Influencing Factors of Surface Sediments in Weihai Bay［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（10）：2634.

收稿日期：20240602；修訂日期：20240627；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)基金項(xiàng)目：山東省地質(zhì)勘查項(xiàng)目，山東省威海市劉公島及周邊海域綜合地質(zhì)調(diào)查，項(xiàng)目編號(hào)：魯勘字〔2021〕54號(hào)

作者簡(jiǎn)介：袁星芳（1990—），女，山西大同人，高級(jí)工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作；Email：lywhyxf@163.com" *通訊作者：李恒猛（1982—），男，山東濱州人，正高級(jí)工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作；Email：1396590274@qq.com

0" 引言

沉積物地球化學(xué)組成受物質(zhì)來(lái)源、粒度以及沉積環(huán)境等因素的制約，研究沉積物地球化學(xué)特征對(duì)于深入理解沉積物源匯過(guò)程以及古環(huán)境演化具有重要意義［1］。中國(guó)淺海沉積物與大陸沉積物元素豐富的近似性充分說(shuō)明，陸源碎屑物是淺海沉積物的主要物質(zhì)來(lái)源，即中國(guó)淺海沉積物是大陸沉積物在海底的再分配，是“海洋化”的大陸沉積物［25］。海洋沉積物地球化學(xué)，特別是微量元素和稀土元素配分模式，已經(jīng)廣泛成為研究各種地質(zhì)過(guò)程的物質(zhì)來(lái)源［69］。基于對(duì)中國(guó)海大陸架沉積物地球化學(xué)的長(zhǎng)期研究，提出了中國(guó)海大陸架沉積物地球化學(xué)的若干模式，即大陸架沉積物元素的分布具有“粒度控制率”“沿陸分帶分布”“元素的親碎屑性”及“元素的親陸性”等特征［10］。

威海灣位于山東半島最東端，北、東、南三面環(huán)海，劉公島靜臥威海灣口，由于劉公島的良好掩護(hù)作用，威海灣已成為集港口、旅游觀光、增殖養(yǎng)殖等為一體的綜合性海域。研究發(fā)現(xiàn)，山東半島海域的沉積物主要來(lái)自于黃河，并受山東半島沿岸河流及近岸潮流影響［1118］。程波［11］對(duì)威海灣表層沉積物中的pH、Eh、Cu、Zn、Cd 11種化學(xué)要素進(jìn)行了地球化學(xué)特征研究，指出其分布受沉積環(huán)境制約?？紫榛吹龋?2］基于山東半島東北部濱淺海區(qū)表層沉積物的稀土元素分析認(rèn)為區(qū)內(nèi)沉積物與黃河入海沉積物具有相同的物源區(qū)。楊立平等［13］分析了威海灣表層沉積物中重金屬含量分布特征。竇衍光等［14］基于山東半島東部表層沉積物地球化學(xué)分析，認(rèn)為山東半島周邊海域底質(zhì)沉積物主要受沿岸流和潮流的作用，物質(zhì)來(lái)源以黃河碎屑物質(zhì)為主。李國(guó)剛等［15］基于山東半島沿岸海域表層沉積物的常量元素分析，認(rèn)為區(qū)內(nèi)沉積物主要來(lái)源以黃河源沉積物為主。苗曉明等［16］基于山東半島東北部表層沉積物微量元素分析，認(rèn)為區(qū)內(nèi)沉積物主要以黃河碎屑物質(zhì)為主，小部分來(lái)源于海河沉積物。朱龍海等［17］基于山東半島東部海域表層沉積物微量元素分析，認(rèn)為區(qū)內(nèi)沉積物主要來(lái)源于黃河物質(zhì)，南部可能有少量長(zhǎng)江物質(zhì)輸入。李恒猛等［18］分析了威海灣表層沉積物近岸粗粒物質(zhì)主要受河流及海岸侵蝕作用影響，細(xì)粒物質(zhì)主要來(lái)源于黃河，受山東半島沿岸流控制。

以往多為大尺度、大比例尺的區(qū)域性研究成果，而對(duì)于局部海域進(jìn)行專門(mén)的、系統(tǒng)的、小比例尺研究較少。前人已開(kāi)展過(guò)威海灣表層沉積物中重金屬含量分布特征研究，但未系統(tǒng)分析其成因、規(guī)律以及影響因素，一定程度制約了威海灣海域的環(huán)境保護(hù)與工程建設(shè)。因此，本文通過(guò)分析威海灣表層沉積物地球化學(xué)特征，揭示其分布規(guī)律及影響因素，以期對(duì)威海灣生態(tài)環(huán)境保護(hù)、海洋牧場(chǎng)建設(shè)、海產(chǎn)品養(yǎng)殖等提供參考依據(jù)。

1" 研究區(qū)概況

1.1" 地理位置

研究區(qū)為劉公島及其周邊海域，面積30km2。劉公島靜臥威海灣口，距市區(qū)旅游碼頭2.1海里，乘船20min可抵達(dá)。

1.2" 氣象水文

研究區(qū)氣象水文特征受海洋調(diào)節(jié)作用比較明顯，春、夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)、偏南風(fēng)；秋、冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)、偏北風(fēng)。區(qū)內(nèi)常浪向?yàn)镹E向，次常浪向?yàn)镹W向。區(qū)內(nèi)潮汐為不正規(guī)半日潮，有明顯日不等現(xiàn)象，最高水位1.07m，最低水位1.07m。區(qū)內(nèi)西側(cè)海域潮差為1.75～2.00m，為弱潮海區(qū)；東側(cè)海域潮差為2.00～2.25m，為中潮海區(qū)。

1.3" 沉積物類型

研究區(qū)海底沉積物類型包括含礫泥、礫質(zhì)泥、砂質(zhì)粉砂、粉砂。其中砂質(zhì)粉砂與粉砂分布最廣，約占研究區(qū)總面積的75%（圖1）。

1—砂質(zhì)粉砂；2—粉砂；3—礫質(zhì)泥；4—含礫泥；5—分區(qū)界限。圖1" 研究區(qū)海底沉積物類型分布圖

砂質(zhì)粉砂：分布在研究區(qū)西側(cè)大部分海域，面積約13.40km2，約占研究區(qū)總面積的44.7%。該類型砂組分含量為10.19%～42.72%，平均值為17.48%；粉砂組分含量為40.18%～69.99%，平均值為63.10%；平均粒徑范圍為4.47～6.42Ф，平均值為5.92Ф；分選系數(shù)平均值為2.16，分選較差；頻率分布曲線較為離散，以單峰為主，主峰主要介于6～7Ф。

粉砂：分布在研究區(qū)東側(cè)大部分海域，面積約8.98km2，約占研究區(qū)總面積的29.9%。該類型粉砂組分含量為64.21%～73.34%，平均值為69.36%；平均粒徑為6.11～7.10Ф，平均值為6.56Ф；分選較差，分選系數(shù)平均值為1.99。該類型頻率分布曲線顯示單峰特征，主峰主要介于7～9Ф。

含礫泥：分布相對(duì)離散，主要分布在研究區(qū)東部、西部和南部海域，面積約4.17km2，約占研究區(qū)總面積的13.9%。該類型礫石組分含量為0.15%～3.81%，平均值為1.71%；平均粒徑3.63～5.86Ф，平均值為5.17Ф；分選差，分選系數(shù)平均值為2.88；頻率曲線表現(xiàn)為多峰特征，同時(shí)有l(wèi)t;1Ф的次峰出現(xiàn)。

礫質(zhì)泥：主要分布在研究區(qū)西部海域，與含礫泥分布區(qū)相鄰，面積約0.20km2，約占研究區(qū)總面積的0.7%。該類型礫石組分含量為5.36%～9.21%，平均值為6.81%；平均粒徑為3.47～6.25Ф，平均值為5.04Ф；分選差，分選系數(shù)平均值為3.28；頻率曲線顯示多峰特征，主峰主要介于1～6Ф，同時(shí)顯示lt;1Ф次峰。

2" 材料與方法

2.1" 樣品采集

2022年5月，在威海灣采用箱式取樣器采集海底表層沉積物樣品16站位（圖2），取樣間距約為1km，取樣重量約500g。樣品登記、保存與運(yùn)輸嚴(yán)格按照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范第3部分：樣品的采集、貯存和運(yùn)輸（GB17378.3—2007）》［19］中的相關(guān)要求執(zhí)行，分析測(cè)試單位為國(guó)土資源部海洋地質(zhì)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)中心。

1—海域；2—榮成序列威海單元花崗質(zhì)片麻巖；3—航道；4—養(yǎng)殖區(qū)；5—取樣位置及編號(hào)。圖2" 研究區(qū)海底表層沉積物樣品位置分布圖

2.2" 測(cè)試方法

沉積物地球化學(xué)測(cè)試嚴(yán)格按照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范第5部分：沉積物分析（GB 17378.5—2007）》［19］、《海底沉積物化學(xué)分析方法（CB/T 20260—2006）》［20］相關(guān)規(guī)定和要求執(zhí)行，分析項(xiàng)目包括常量組分和微量元素。常量組分包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、TiO2、P2O5、MnO等；微量元素包括As、Hg、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni、Co等。測(cè)試過(guò)程中，所有分析項(xiàng)目均設(shè)置空白樣和重復(fù)樣，用于質(zhì)量控制的標(biāo)準(zhǔn)樣檢測(cè)結(jié)果與參考值吻合較好，相對(duì)偏差均小于5%，說(shuō)明測(cè)試結(jié)果符合質(zhì)量要求。

3" 結(jié)果與討論

3.1" 主要常量組分含量及分布特征

通過(guò)分析常量組分含量特征可知，Si、Al、Ca、K、Fe、Mg等元素的氧化物含量約占沉積物總量的70%以上。與我國(guó)淺海海域平均值相比，SiO2、CaO含量低于平均值，Al2O3、K2O、TFe2O3、MgO含量高于平均值（表1，圖3）。

SiO2是研究區(qū)表層沉積物中含量最高的組分，介于51.56%～60.08%之間，均大于50%，平均值為56.96%，略低于我國(guó)淺海沉積物中SiO2的平均含量。在區(qū)內(nèi)分布較為均勻，變異系數(shù)較小，為0.04。高值區(qū)位于北部、南部近岸海域，低值區(qū)呈EW向條帶狀分布（圖4a）。

圖3" 研究區(qū)常量組分含量對(duì)比圖

Al2O3是研究區(qū)表層沉積物中含量次之的組分，介于13.96%～15.36%之間，平均值為14.81%，高于我國(guó)淺海沉積物中Al2O3的平均含量。在區(qū)內(nèi)分布較為均勻，變異系數(shù)較小，為0.03。整體呈西高東低的態(tài)勢(shì)，即近岸海域含量較高（圖4b）。

CaO含量介于3.79%～7.92%之間，平均值為4.41%，略低于我國(guó)淺海沉積物中CaO的平均含量。在常量元素中變異系數(shù)較大，為0.23，分布較不均勻。整體呈西南低、東北高的態(tài)勢(shì)（圖4c）。

K2O含量介于3.04%～3.37%之間，平均值為3.20%，高于我國(guó)淺海沉積物中K2O的平均含量。在區(qū)內(nèi)分布較為均勻，變異系數(shù)較小，為0.03。整體呈西南低、東北高的態(tài)勢(shì)（圖4d）。

TFe2O3含量介于5.09%～6.52%之間，平均值為5.90%，高于我國(guó)淺海沉積物中TFe2O3的平均含量。在區(qū)內(nèi)分布較為均勻，變異系數(shù)較小，為0.08。整體呈東西高、南北低的態(tài)勢(shì)，呈條帶狀分布（圖4e）。

MgO含量介于2.46%～2.86%之間，平均值為2.68%，高于我國(guó)淺海沉積物中MgO的平均含量。在區(qū)內(nèi)分布較為均勻，變異系數(shù)較小，為0.04。整體呈中間高、南北低的態(tài)勢(shì)，呈條帶狀分布（圖4f）。

3.2" 主要微量元素含量及分布特征

微量元素是指As、Hg、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、Ni等元素，在沉積物中的含量一般小于0.1%，是影響沉積物環(huán)境的重要組分，其含量均高于我國(guó)淺海沉積物平均值（表2）［2122］。

As元素含量介于9.86～12.80mg/kg之間，平均值為11.27mg/kg，高于我國(guó)淺海沉積物平均值，整體呈西高東低的態(tài)勢(shì)，即呈近岸向遠(yuǎn)海逐漸降低的趨勢(shì)（圖5a）。

Hg元素含量介于0.057～0.092mg/kg之間，平均值為0.072mg/kg，高于我國(guó)淺海沉積物平均值約3倍，整體呈東高西低的態(tài)勢(shì)，含量多少與沉積物顆粒粗細(xì)相關(guān)，西部沉積物類型為砂質(zhì)粉砂，粒徑粗，含量少；東部沉積物類型為粉砂，粒徑細(xì)，含量多（圖5b）。

Cd元素含量介于0.10～0.26mg/kg之間，平均值為0.18mg/kg，高于我國(guó)淺海沉積物平均值約3倍，整體呈南北低、東西高的態(tài)勢(shì)，高值區(qū)主要分布在西部近岸海域（圖5c）。

Cr元素含量介于72.00～91.60mg/kg之間，平均值為82.27mg/kg，高于我國(guó)淺海沉積物平均值，整體呈南北低、東西高的態(tài)勢(shì)，高值區(qū)主要分布在西部近岸海域以及東部養(yǎng)殖區(qū)周邊（圖5d）。

Cu元素含量介于25.20～39.40mg/kg之間，平均值為33.10mg/kg，高于我國(guó)淺海沉積物平均值約2倍，整體呈南北低、東西高的態(tài)勢(shì)，高值區(qū)主要分布在西部近岸海域以及東部養(yǎng)殖區(qū)周邊（圖5e）。

Pb元素含量介于29.20～96.30mg/kg之間，平均值為38.93mg/kg，高于我國(guó)淺海沉積物平均值約2倍，整體呈中間高、南北低的態(tài)勢(shì)，高值區(qū)主要分布劉公島碼頭周邊（圖5f）。

Zn元素含量介于84.50～138.00mg/kg之間，平均值為108.22mg/kg，高于我國(guó)淺海沉積物平均值近2倍，整體呈南北低、東西高的態(tài)勢(shì)，高值區(qū)主要分布在西部近岸海域以及東部養(yǎng)殖區(qū)周邊（圖5g）。

Ni元素含量介于27.00～37.40mg/kg之間，平均值為32.64mg/kg，高于我國(guó)淺海沉積物平均值，整體呈南北低、東西高的態(tài)勢(shì)，高值區(qū)主要分布在西部近岸海域以及東部養(yǎng)殖區(qū)周邊（圖5h）。

3.3" 討論

3.3.1" 粒度影響

沉積物粒度是控制其化學(xué)組成的一個(gè)重要因素，前人研究發(fā)現(xiàn)元素的含量與沉積物粒度變化息息相關(guān)，存在3種模式：一是隨沉積物粒度變細(xì)而降低，二是對(duì)沉積物粒度變細(xì)而升高，三是隨沉積物粒度變細(xì)先升后降［2223］。

通過(guò)研究區(qū)內(nèi)表層沉積物常量、微量組分含量與平均粒徑相關(guān)性（圖6）可知，K2O、CaO、Hg等元素與平均粒徑Mz呈顯著負(fù)相關(guān)，即沉積物含量隨沉積物粒度變細(xì)而升高；Ni、Cu、Cr等元素與平均粒徑Mz呈顯著正相關(guān)，即沉積物含量隨沉積物粒度變細(xì)而降低，說(shuō)明研究區(qū)表層沉積物地球化學(xué)元素含量符合“粒度效應(yīng)”。

3.3.2" 入海河流影響

為進(jìn)一步分析威海灣表層沉積物與我國(guó)淺海陸源碎屑物的相關(guān)性，本次通過(guò)富集系數(shù)K1的大小來(lái)比較元素的豐度，其中，K1=0.75～1.50為接近，K1＜0.75為貧化，K1＞1.50為富集［2324］。

富集系數(shù)K1計(jì)算公式（1）如下：K1=Cin/Cim（1）

式中：K1為富集系數(shù)；Cin為沉積物中元素i含量的實(shí)測(cè)值；Cim為中國(guó)淺海沉積物中元素i含量的環(huán)境背景值。

通過(guò)分析，研究區(qū)表層沉積物與我國(guó)淺海沉積物含量可知（圖7，表3），14個(gè)元素中豐度接近的有9個(gè)，占比64%；豐度富集的有5個(gè)，占比36%。另外，常量組分均呈接近狀態(tài)，說(shuō)明研究區(qū)表層沉積物來(lái)源與我國(guó)淺海陸源碎屑物息息相關(guān)，具有明顯的“親陸性”；而微量元素基本呈富集狀態(tài)，說(shuō)明其可能受人類工程活動(dòng)影響。

圖6" 主要元素與平均粒徑（Mz）相關(guān)性

圖7" 元素豐度富集程度圖

3.3.3" 人類活動(dòng)影響

研究區(qū)靜臥威海灣灣口，近年來(lái)，隨著“海洋強(qiáng)國(guó)”“海洋強(qiáng)省”等戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，灣內(nèi)港口建設(shè)、旅游觀光、增殖養(yǎng)殖等人類活動(dòng)日趨增多，對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境影響日益顯著。為分析人類工程活動(dòng)對(duì)沉積物環(huán)境質(zhì)量的影響，本次采用污染因子Cif來(lái)表示，計(jì)算公式（2）如下［2526］：

Cif=Cin/Cis（2）

式中：Cif為污染因子；Cin為沉積物中元素i含量的實(shí)測(cè)值；Cis為沉積物中元素i含量的環(huán)境背景值。

由于研究區(qū)無(wú)相應(yīng)背景值可供參考，因此本次采用山東省東部沉積物元素含量作為環(huán)境背景值。

其中：Cif＜1，為低污染；1≤Cif＜3，為中等污染；3≤Cif＜6，為高度污染；Cif＞6，為極高污染。

由表4可知，常量元素的污染因子Cif基本在1左右，說(shuō)明其受人類工程活動(dòng)影響較?。晃⒘吭氐奈廴疽蜃覥if基本大于1，說(shuō)明人類工程活動(dòng)對(duì)沉積物中重金屬含量影響較大，其中Hg影響最大，污染因子Cif值高達(dá)2.48［2425］。

4" 結(jié)論

（1）研究區(qū)表層沉積物中常量組分含量整體呈西南低、東北高的趨勢(shì)，與平均粒徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即沉積物含量隨沉積物粒度變細(xì)而升高。元素豐度呈接近狀態(tài)，說(shuō)明常量組分含量多少與我國(guó)淺海陸源碎屑物息息相關(guān)，具有明顯的“親陸性”。

（2）研究區(qū)表層沉積物中微量元素含量整體呈西高東低的態(tài)勢(shì)，與平均粒徑呈正相關(guān)關(guān)系，即沉積物含量隨沉積物粒度變細(xì)而降低。元素豐度呈富集狀態(tài)，說(shuō)明微量組分含量多少可能受人類工程活動(dòng)影響。

（3）研究區(qū)表層沉積物含量與沉積物粒徑大小、入海碎屑物多少、人類工程活動(dòng)強(qiáng)弱等息息相關(guān)。

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Geochemical Characteristics and Influencing Factors of Surface Sediments in Weihai Bay

YUAN Xingfang1， LI Hengmeng2， CHANG Baokun1， WANG Man1， LIU Chengru2， ZHAN Rongrong1， LI Fangzhou1

（1.No.6 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources， Shandong Weihai 264209， China；2.Shandong Hongfa Chemical Engineering Limited Corporation， Shandong Ji'nan 250100， China）

Abstract：Geochemical composition of surface sediments is restricted by material source， grain size and sedimentary environment. It has a great significance for understanding sediment sourcesink processes and paleoenvironmental evolution. In this paper， geochemical characteristics of surface sediments in Weihai bay have been systematically analyzed. It is showed that the content of major components in sediments is lower in southwest and higher in northeast. It is negatively correlated with the average particle size， and the element abundance is close. The content of trace elements in sediments is higher in the west and lower in the east. It is positively correlated with the average particle size， and the element abundance is enriched. In addition， by calculating the enrichment coefficient and pollution factors， it is found that the sediment content is related to the sediment particle size， detritus into the sea， human engineering activities and so on.

Key words：Surface sediments; distribution characteristics; influencing factors; Weihai bay