莱州浅滩表层沉积物元素地球化学特征及物源识别

(鲁东大学 地理与规划学院,山东 烟台264025)

莱州浅滩位于莱州湾东部的刁龙嘴西北近岸海域,为山东半岛北岸规模最大的近岸水下堆积地貌(图1)。有关浅滩泥沙来源问题的研究,许多学者在沉积动态和地貌演变[1]、沿岸潟湖沉积演化[2]及海岸发育变化[3]等方面做了较详细的工作,一致认为浅滩泥沙来源于山东半岛西北部王河、界河等河流输送,这些河流输沙对浅滩形成的贡献毋庸置疑。龙口至刁龙嘴段为NE～SW走向,由于浅滩所处的水文条件,在偏北波浪作用下沿岸河流搬运入海的泥沙可以形成龙口至刁龙嘴段由东北向西南运动的沿岸纵向泥沙流,到达刁龙嘴并堆积。虽然近源陆地泥沙对浅滩形成至关重要,但也不能忽视黄河细粒泥沙通过扩散参与其形成过程。由于浅滩所处的莱州湾位于渤海南部,为一半封闭性海湾,注入渤海的黄河是世界著名的高携沙率大河,每年携带数亿吨的细粒沉积物入海,其中约 9%～15%的细粒沉积物向东运移[4],这些大量的入海物质对我国大陆架浅海沉积作用有着巨大贡献[5]。黄河细粒泥沙扩散范围很广,可以通过渤海沿岸流的作用,在山东半岛北岸沿途沉积[6],可能对莱州浅滩的形成产生影响。虽然莱州浅滩泥沙来源于流域河流输送已得到许多学者一致认可,但尚未从元素地球化学角度对其成因和物质来源等做进行进一步的研究,需要从物质来源的微观方面寻找更有力的证据。本文通过对莱州浅滩粉砂级以下级细(＜0.063 mm)表层沉积物元素地球化学研究,将其与现代黄河沉积物元素组成进行比较,分析常量及微量元素不同迁移及富集规律,进一步探讨区域地质构造背景、元素迁移以及人类活动等因素对两者差异的影响,并通过分析沉积动力环境及搬运途径确定浅滩沉积物的来源。

1 样品采集与实验方法

2008年在莱州浅滩用抓斗和箱式取样器进行了沉积物取样,样品均为0～10cm的表层样。所采样品在实验室内用蒸馏水充分浸泡,清洗去除盐分,运用沉降法提取小于 0.063 mm粒级的全岩样,在60℃低温环境下烘干,送至青岛海洋地质研究所实验测试中心,采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP～MS)测定沉积物的元素质量分数。为监控测试精度与准确度,对样品进行了重复测试,绝大多数测定元素的相对偏差小于 5%,表明测数据准确可靠。

图1 莱州浅滩样品位置图Fig.1 Map of sampling locations

2 浅滩表层沉积物元素组成

莱州浅滩细粒沉积物常量元素 Al,Ca,K,Mg,Na,Fe等质量分数较高,均在1%～6%,其中Al质量分数最高,Mg质量分数最低;微量元素方面,Ti,Mn ,Ba ,Sr质量比较高,均在100 μg/g以上,依次减小,而 Sc,Be,Mo,U,W,Cd等质量比偏低,均不足10 μg/g。所取的7个样品间变化较小,30个元素中只有 4个元素的变异系数超过 20%,大多数元素变异系数在 10%左右。为了对莱州浅滩表层沉积物元素特征进行分析,列出了莱州浅滩 7个表层细颗粒沉积物6种常量元素的质量分数及24种微量元素的质量比(表1)。

为了消除沉积物粒级以及实验系统误差对元素质量分数的影响,采用元素比值来最大限度降低沉积物粒级对元素质量分数的影响。最常用的是元素与Al的比值,因为Al在沉积物形成过程中相对稳定且主要富集在黏土粒级中[7]。同时为便于同黄河表层细颗粒沉积物进行对比研究,用判别函数FD来判断两者的相似程度。判别函数FD的计算公式如下[8]：FD= (Cq-Ch) /Ch(式中Cq,Ch分别表示浅滩、黄河沉积物中某种元素质量分数同Al质量分数的比值)。一般而言,FD绝对值越小说明浅滩沉积物化学元素成分越接近黄河组分,越大则越偏离黄河沉积物成分。表2列出了浅滩具有代表性的25个元素平均质量分数同Al质量分数的比值、判别系数、标准偏差并计算了莱州浅滩沉积物各元素标准差与黄河样的比值。

2.1 莱州浅滩元素特征

所取 7个莱州浅滩表层沉积物元素质量分数波动较小(表1),同源性显著,但它们之间也有细微的差异,表现为西部样品大多数元素平均质量分数高于东部。西部样品编号为E02,F02,G04,H05和J03,东部样品编号为D08,F10。西部样中H05大部分元素质量分数较高,共计21个元素质量分数为最高值,占所测元素的70%;邻近采样点 H05西北处的G04采样点绝大多数元素质量分数微低于 H05,仅个别元素质量分数为最高值;东部两个样品 D08和 F10大多数元素质量分数较西部样品普遍较低。虽然浅滩7个样品元素质量分数具有差异,但变化微小,其较小变异系数可以反映。浅滩30个元素中只有4个元素的变异系数超过 20%,大多数元素变异系数在10%左右,说明莱州浅滩元素质量分数比较集中稳定,样品间相似性显著。因此,可将它们的均值作为莱州浅滩的整体同其他样品进行比较。

2.2 莱州浅滩沉积物同黄河样比较

取莱州浅滩 7个样品的均值同黄河表样品数据进行比较,发现浅滩沉积物常量元素普遍略高,其中 Al,Fe,Ca,K,Mg质量分数略高于黄河样,Na几乎相等。6个常量元素的判别系数均不高,FD介于0.2～0.34,两者经 Al标准化处理后的比值趋势图一致(图2)。此外,两者标准差比值较小,均在一个数量级内变化。常量元素这些特征均反映出两者具有一定的相似性。

同黄河沉积物相比,莱州浅滩微量元素的质量比普遍略微低于后者,有 14种元素质量分数经 Al标准化处理后的比值偏小,占所有微量元素的 70%,只有个别元素如Cu和Zn偏大。在判别函数方面,V,Ga,Ba,Pb和Th大于0.3,其余的15种微量元素均在0.15左右,其中稀有元素Li,Be,Sc以及稀土元素La,Ce,Y绝对值接近0,显示出了两者间很强的相似性。两者微量元素Al标准化处理后比值的趋势线基本一致也直观反映了这一点。在标准差方面,莱州浅滩与黄河样也很接近,两者标准差比值均在一个数量级内变化。其中最大值小于 5,有 14种元素的标准差小于 2.0,占所有微量元素的 70%,有 9种元素小于1.0。标准差的相似反映出微量元素在莱州浅滩中的质量比变化同黄河中的相近。

与此同时,为了验证 Al比值法结果,还将浅滩7个样品及黄河样品中一些表生地球化学环境中比较稳定能作物源示踪的元素Cr与Sc,Th与Co进行比较,计算w(Cr)/w(Sc)和w(Th)/w(Co)(其中w(Cr)、w(Sc)、w(Th)和w(Co)分别代表这些元素的质量比)的数值作二元散点图(见图3)。图3中显示浅滩沉积物和黄河样的元素比值散点基本分布于一条直线,说明浅滩微量元素在很大程度上接近黄河沉积物。

总体而言,莱州浅滩沉积物常量元素质量分数略高于黄河沉积物,微量元素普遍略微低于黄河样。虽然如此,这些差异都是细微的,两者各元素标准化处理后比值趋势图一致性,稳定元素判别比较图呈一条直线,标准偏差的相似性同样可以反映出它们之间的密切联系。

表1 莱州浅滩表层样元素质量分数及变异系数Tab.1 Elemental contents and discriminant indexes of the sediments from the Laizhou Shoal

3 讨论

通过上述分析可知,莱州浅滩表层样元素质量分数分布具有同源的整体性。同黄河样相比,浅滩常量略高,微量元素略低,两者之间的相似性反映了黄河泥沙对浅滩形成的重要影响,而浅滩周围较弱的沉积动力环境为黄河泥沙的搬运和沉积提供了良好的条件。虽然如此,由于浅滩的区域地质构造背景、部分元素的迁移富集以及人类活动等因素的作用也使得两者出现了细微差异,以下就这些方面进行分析。

表2 莱州浅滩与黄河沉积物元素比较Tab.2 Comparison of elemental contents between the sediments of the Laizhou Shoal and the Yellow River

图2 浅滩、黄河沉积物中各元素质量分数Al标准化后比较Fig.2 Comparison of elemental contents normalized with Al between the sediments of the Laizhou Shoal and the Yellow River

图3 莱州浅滩与黄河沉积物元素判别图Fig.3 Discrimination plots of Th/Co vs.Cr/Sc in the sediment from the Laizhou Shoal or the Yellow River

3.1 沉积物来源探讨

莱州浅滩顶部为粗砂,向东北依次为粗砂、中砂、细砂、粉砂质砂,向西南依次为粗砂、中砂、细砂、泥质细砂;沉积物中值粒径为1Φ～4Φ,呈SE～NW向展布的等值线分布密集,从东南向西北和从滩顶向两侧由粗变细[9]。浅滩较粗粒级的沉积物来源于沿岸河流输沙毋庸置疑,而通过上述对莱州浅滩细颗粒沉积物地球化学分析,也验证了其与黄河沉积物有密切联系,两者的元素差异主要由于莱州浅滩区域地质构造背景、部分元素迁移富集以及人类活动等造成的。

3.1.1 区域地质构造背景

众所周知黄河泥沙的主要来源于黄土高原,大约 90%的黄河泥沙来源于此地[10],由于黄土高原独特的自然地理条件,Ca,Na,K质量分数较高,使得黄河泥沙中这些元素也很高[11]。虽然黄河常量元素质量分数较高,但莱州浅滩常量元素Al,Fe,Ca,K,Mg比黄河表层沉积物略高。这是由于莱州浅滩所处的区域构造背景为胶东隆起区,新生代在断块抬升过程中,发育着一系列与郊庐断裂带方向一致的 NNE向断裂和大量近于同向展布的花岗岩质及变质岩体,形成了以元古界片麻岩类、混合岩、混合花岗岩或中生代花岗岩构成的破碎丘陵及山前低缓起伏的剥蚀平原为主的地貌,沿岸均为基岩或砂石海岸[12]。而这些大面积出露的岩浆岩(花岗岩)及变质岩(片麻岩)都含有富含K,Al,Ca,Fe和Mg的硅酸盐,如长石类、云母类和角闪石类矿物,这些矿物经分化容易形成细颗粒的黏土,随着周围河流混入浅滩,从而增加了浅滩沉积物的常量元素质量分数。

微量元素方面,大多数元素的标准偏差以及这些元素经过Al标准化处理后的比值在浅滩与黄河沉积物中十分接近,稀有元素Li,Be,Sc以及稀土元素La,Ce,Y几乎没有差异。这是由于沉积物微量元素往往赋存于重矿物中,黄河物源碎屑沉积物以云母～普通角闪石～绿帘石组合为特征,富含黑云母,高的黑云母/白云母值[13],而莱州浅滩重矿物主要矿物为普通角闪石,次要矿物为绿帘石,黑云母、水黑云母的质量分数也偏高,只含有微量的白云母[14],组合特征高度相似重矿物导致两则微量元素质量比差异非常微小。

3.1.2 元素化学性质及迁移富集方式

不同元素物理化学性质不同,其风化、迁移及富集方式也有差异,这也是导致莱州浅滩与黄河沉积物部分元素分布差异的因素之一,这些元素包括 Sr,Ba,Fe ,Mn,V等。Sr与Ca为同族元素,化学性质相似,在表生地球化学环境中两者具有相似的迁移、富集行为,按照正常情况均在粗粒级沉积物中富集[7],两者质量比通常呈正相关关系[15]。但与Ca的增加不同,莱州浅滩样中 Sr却出现了减少。这因为所取浅滩沉积物颗粒较细,Ca可以通过生物自生作用替代其中的Sr,使得其溶解至海水中。同一族元素的Ba也出现了较大幅度的减少,可能由于黄河悬浮泥沙由于长距离扩散、搬移,在生物的作用下沉淀于黄河入海口附近大陆架。

铁族元素 Mn可以在细颗粒沉积物中自生出其氧化物,由于研究区出露大面积的花岗岩及胶东寒武纪片麻岩,海水中的 Mn2+质量分数相对较高,生物作用会使 Mn2+发生沉淀而被浅滩中的细颗粒泥沙所吸附,从而导致Mn质量分数的增加。但由于Mn的生物自生作用主要发生在矿物间隙较大的沉积物,而所取样品为细颗粒,因此Mn只有少量的增加。此外,铁族元素 V质量分数相对黄河样品亏损较大,这是由于区域黏土矿物、土壤或者沉积物中的有机质等细分散相物质对其吸附作用,容易使其沉淀而在表生环境中不能被长距离搬运造成的[16]。莱州浅滩其他微量元素相对黄河沉积物出现的略微的增减可能由于黄河泥沙入海后长时间,长距离迁移造成的。

3.1.3 人类活动的影响

莱州浅滩金属元素与黄河沉积物相比增加幅度较大,可能与浅滩近岸河流输沙以及沿岸人类活动向海洋倾污有关。金属元素是近海环境中最主要的污染物之一,进入海洋的金属元素污染物绝大部分富集在沉积物中,沉积物被认为是海洋环境中金属元素最终的蓄积。由于浅滩所在的莱州湾沿海人口密集、经济发展迅速、工业厂矿众多,王河、界河、宋桥河、诸流河等大小河流的注入使得莱州湾附近地区废水中大量金属元素均可通过河流进入海水中。这些金属元素大部分为沉积物吸附并随之沉积和迁移[17],主要赋存于细颗粒的粉砂和黏土中[18]。由于研究区所取的表层沉积物为粉砂以下级的,所以亲铜 Cu,Zn都有较大幅度的增加。常量元素 Fe质量比增加也可能有一定程度受到人类活动的影响。尽管如此,浅滩金属元素污染不高,测定质量比同莱州湾表层沉积物金属元素背景值相当,小于国家海洋沉积物质量一类标准,属于低污染水平[19]。

3.2 沉积动力环境分析

莱州浅滩为两种不同性质潮流海域,浅滩以西海域为规则半日潮流,以东为不规则半日潮流;其流速表层值不超过70cm/s,底层在60cm/s,为莱州湾弱流速区[20]。海域强波向和常波向均为北北东,频率为12%,平均波高1.3 m,最大波高3.9 m;次强浪向为北西向,频率为6%,平均波高1.1 m,最大波高3.8 m;波浪年平均周期为4.4,4.5 s[9]。

总体而言,浅滩海域沉积动力环境较弱,但不同方位的水动力条件有所差异,因顶部水深较浅对北向的波浪及潮流均会产生阻碍作用,而导致西南侧其水动力作用弱于东北侧,浅滩东北侧沉积物粗于西南侧[1],西部样品沉积物比东部样品更细。根据粒度控制规律[21],西部五个样品元素平均质量分数大于东部两个样品的均值。据研究,浅滩西南有气旋式潮余环流[22],西南大部分样粉砂加黏土占65%～80%,高值中心位于H04[1]。同理,在粒度控制规律的作用下,邻近H04的H05及G04样元素质量分数普遍较高,大多数元素质量分数为浅滩中最高的。浅滩北端沉积过程主要受潮流绕浅滩运动时的次生环流控制,在经过浅滩时发生 270°饶流,产生的离心力在基底诱导向岸流和上升流,导致 E02及F02样品沉积物颗粒较粗,表现为它们的元素质量分数较 H05及 G04略低。此外,西部采样点的 J03离岸最近,底层沉积物受波浪的影响最大,颗粒较粗,因此元素质量分数为西部样品中最低的,多数样品元素质量分数与东部质量分数相当。总体而言莱州浅滩两侧东北部和西南部水动力都较弱,细粒的悬浮组分在此沉积的量较多,它们的平均粒度范围为 3.64Φ～6.59Φ,属中～粗粉砂[14]。较弱的水动力可以为扩散的黄河悬浮泥沙提供了良好的沉积环境,虽然浅滩两侧的泥沙由于受不同区域水动力影响而表现细微的差异,但总体波动不大,同源性明显,同黄河沉积物联系密不可分。

3.3 沉积物搬运路径探讨

黄河为季节性多泥沙河流,进入 20世纪 90 年代以来,虽然水沙量明显减小,但其输沙对整个渤海的沉积作用仍发挥着巨大的作用。据统计,1950～2002 年多年平均来沙量8.23亿t,[23]。径流携带大量的泥沙,在进入滨海区后,由于水流平面扩散及海水顶托的作用,流速减缓,大量较粗粒级的泥沙在河口地区迅速沉积,进入河口的约 80%的悬浮泥沙沉积在三角洲前缘约8 km以内的范围以内[24],而较细的粉粒物质在偏南方向的潮流作用下向莱州湾扩散。潮流对沉积物的搬运必不可少,但它是周期性的,只能进行中短距离输沙,输送范围在20 km左右,向深海或远离河口的海区扩散的泥沙主要受海洋动力控制,而海洋动力中对泥沙扩散起作用的是余流,余流的分布状况决定着泥沙扩散的趋向[25]。余流包括风海流、密度流、径流等,在渤海的余流中,潮余流占很大比例。此外,环流的变化也会影响到入海悬沙输移扩散。据研究,在黄河口的南侧出现了一个顺时针的环流,中心在119.2°E,37.6°N,与莱州湾顶的逆时针环流形成旋涡对[26]。渤海的余流和环流虽然流作用微弱、比较复杂,但却是持久的、大尺度的动力,它们在很大程度上影响着粒径小于0.063 mm的悬移组分进行长距离搬运、扩散。

4 结论

(1) 莱州浅滩两侧表层沉积物元素含量变化小,各元素的变异系数较小,同源性和整体性显著。但由于浅滩海洋地质作用影响,同时受到粒度控制规律的制约,东部样品大多数元素含量略低于水动力更弱的西部样品。

(2) 莱州浅滩较弱的水动力环境为扩散的黄河悬浮泥沙提供了良好的沉积环境,其细粒沉积物表现出黄河沉积物化学组分特征。莱州浅滩常量元素Al,Fe,Ca,K,Mg质量分数略高于黄河表层沉积物,而大多数微量元素出现了微量的减少。莱州浅滩相对黄河沉积物的判别系数绝对值较小,常量、微量元素经过Al标准化处理后对比值变化趋势一致性,以及标准偏差的相似性均说明两者有存在密切的联系,据此判断浅滩细颗粒沉积物主要来自黄河。部分元素的差异可能由于浅滩沿岸附近河流输沙及元素自身迁移富集规律控制有关。

(3) 相对于黄河沉积物,莱州浅滩部分金属元素,如Fe,Cu,Zn等含量出现了较大幅度的变化,这可能与浅滩近岸河流输沙以及沿岸人类活动向海洋倾污有关。

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