莱州浅滩表层沉积物重矿物分布特征及物源识别

孔庆祥, 金秉福, 刘春暖

(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岸外海域,为山东半岛北岸规模最大的近岸水下堆积地貌体,是海洋动力长期作用下的产物, 拥有丰富的优质石英砂矿资源。莱州湾位于山东半岛西北, 和辽东湾、渤海湾并称为渤海三大海湾。湾内水深较浅, 大部分水深在10 m以内, 波浪主要受季风影响, 东部年平均风速3.7 m/s, 湾东部强风向为北北东向和北东向,全海区以风浪为主, 强浪向和常浪向均为北北东向,该向平均波高1.3 m; 莱州湾属于不正规混合半日潮海区, 潮差右岸小左岸大, 潮流从黄河口向东、向湾内流速逐渐减小, 在莱州浅滩海域形成弱流区, 三山岛附近平均最大涨、落潮流流速不超过10 cm/s; 湾内冬季存在一个大的顺时针向的余环流, 浅滩附近海域,流速较弱只有1~3 cm/s; 海区水动力中的海浪、潮流和余流对沉积物在莱州湾的分布具有一定的控制作用,值得注意的是莱州湾春秋季风暴潮较为强烈, 沉积物扰动增强, 对底质分布有一定的重塑作用[1-4]。

本区海岸泥沙主要是纵向运动, 横向运动是局部的和次要的[6], 强浪向及常浪向均为北北东向, 偏北向的大浪形成了南西向的沿岸流, 将刁龙嘴以北入海的河流输沙向南西方向搬运, 到达刁龙嘴近岸时, 由于莱州浅滩的阻挡, 泥沙卸载堆积形成了刁龙嘴羽状堆积体, 在波浪的作用下部分泥沙向北西方向堆积, 塑造了现代莱州浅滩[5-7]。现代莱州浅滩为波浪作用下形成的典型岬角相连型水下沙洲/沙脊,受刁龙嘴岬角海岸地貌演变的控制, 最近150 a来浅滩整体不断向东北迁移、西北延伸, 泥沙来源主要是龙口以西, 刁龙嘴以东入海的河流所携带的泥沙,莱州浅滩近年来总体上处于侵蚀、解体状态, 不同地貌部位冲淤状态存在差异[7-8]。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[9]。黄河挟带的沉积物进入海洋后, 在水动力作用下经过初步的沉积分异作用, 主要以悬浮扩散的方式直接向莱州湾中部输送, 密度小且易于悬浮的云母是指示沉积物扩散趋势的一个较好指标[10]。

许多学者对莱州浅滩物质来源于流域河流输送的说法一致认可, 但是尚未从碎屑矿物的角度对莱州浅滩作进一步研究。矿物的密度和物理化学稳定性会对沉积矿物组合产生影响, 不同的气候环境、风化条件和搬运机制可以使物源碎屑物发生沉积分异作用, 导致重矿物组成的含量变化, 有助于判别区域沉积环境, 而且还有利于分析这一地区的沉积作用过程和泥沙搬运扩散规律[4,11-12]。本文通过对莱州浅滩碎屑矿物的重矿物的组成分类、分布特征的研究, 并结合黄河、近岸河流沉积物中重矿物的含量和组合特征, 进一步探讨莱州浅滩重矿物分布特征, 并通过分析沉积动力环境及搬运途径探讨浅滩沉积物的来源。

1 样品和方法

2003~2004 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0~10 cm的表层样, 全区共采集了 80个表层样品(Ⅰ区 16个, Ⅱ区 10个,Ⅲ区14个, Ⅳ区35个, Ⅴ区5个), 取样点位置如图1。采样过程中利用手持GPS定位系统定位。样品采出后立即置入可密封的聚乙烯塑料袋, 统一编号后带回实验室进行实验和分析。黄河样品于2005年5月7日(正值枯水期)取自山东垦利黄河段(37°36.255′N,118°31.734′E)和垦利东北的黄河故道段(37°48.395′N,118°40.657′E)。在现代黄河横剖面上, 样品分别取在边滩、河漫滩和河床中心的表层, 在黄河故道上分别在边滩和废弃河床上取样[13]。王河样品于 2003年 11月取了王河下游(赵家村, 37°19′15.46″N, 119°57′55.22″E)现代河床和古河床的5个样品。

图1 莱州浅滩地区水深等深线、采样点位置与矿物组合分区图Fig.1 Isobath, surface sediment sampling sites and mineral composite partitioning in the Laizhou Shoal

重矿物分析实验步骤: (1)取适量样品置于小烧杯中, 以70℃低温在烘箱中烘干, 称取样品干质量。(2)在烧杯中用清水浸泡, 搅拌均匀, 用孔径为 63,125以及250 μm的不锈钢筛子将样品水筛分级。(3)取63~125 μm粒级组分称质量, 在20℃的环境下加入三溴甲烷(CHBr3)重液分离(重液比重范围d420=2.889~2.891)。(4)分离后分别称质量, 得到轻、重矿物质量分数及此粒级碎屑矿物质量分数, 称质量精度为 0.0001 g。(5)将分离好的矿物颗粒采用体视镜和偏光油浸法相结合的方法进行鉴定[15-16]。鉴定采用条带数颗粒法, 从每个要进行鉴定的样品中数出400以上的矿物颗粒, 颗粒总数少于400颗的将所有颗粒进行鉴定, 求得不同矿物颗粒的百分含量(即体积分数)和特征矿物含量的比值[17]。根据鉴定数据将研究区的矿物进行分类, 研究各种矿物的组合特征, 含量变化, 并结合近岸河流和黄河矿物数据,对研究区的重矿物分布及物质来源进行分析。

2 结果分析

2.1 重矿物组成

莱州浅滩 80个表层沉积物鉴定出的重组分(单矿物+岩屑)48种, 常见的矿物有普通角闪石、阳起石、透闪石、绿帘石、黝帘石、黑云母、水黑云母、石榴石、榍石、磷灰石、透辉石、钛铁矿、磁铁矿、褐铁矿、电气石、锆石、自生黄铁矿、岩屑、风化碎屑; 出现率比较低的矿物包括白云母、绢云母、绿泥石、普通辉石、紫苏辉石、赤铁矿、黄铁矿、白钛石、白榴石、符山石、矽线石、白云石、磷钇矿、菱镁矿、金红石、玄武闪石 、十字石、铝直闪石、直闪石、锐钛矿、萤石、褐帘石、方柱石、硬柱石、硅灰石、镁钛闪石、蔷薇辉石、霓辉石、钛角闪石等。其中颗粒体积百分数平均值大于5%的矿物仅有普通角闪石(35.41%)、绿帘石(20.39%)、黑云母(6.61%)、褐铁矿(5.84%)4 种(表1)。

表1 沉积物中重矿物颗粒百分数Tab.1 Percentage of heavy minerals grains in surface sediments

2.2 重矿物分布特征

按照重矿物的物理化学特征将莱州浅滩重矿物分成闪石类矿物、金属矿物类、帘石类矿物、云母类矿物、稳定矿物五大类。五类矿物其含量、重矿物质量以及重矿物特征指数——不稳定矿物与稳定矿物的比值(UM/SM), 分布特征如图2。

图2 莱州浅滩碎屑矿物重矿物质量分数分布图Fig.2 Contour maps of heavy minerals in surface sediments of the Laizhou Shoal

重矿物含量: 是指重矿物质量占轻重矿物质量之和的质量分数[9]。研究区重矿物质量平均值为1.18%, 最大值为 4.85%, 出现在刁龙嘴浅水区, 高值区在浅滩顶部和浅滩西北部深水区。

闪石类: 包括普通角闪石、阳起石、透闪石、玄武闪石、铝直闪石、直闪石和镁钛闪石等。闪石类重矿物的平均含量(以下含量均为矿物颗粒百分数)为 37.47%, 其中普通角闪石是莱州浅滩表层沉积物中分布最广、含量最多的重矿物, 其平均含量为35.42%。其高值区出现在等深线密集的浅滩主体西侧, 以J07、K07、F05为高值中心, 另一个高值区出现在等深线密集的浅滩主体东侧, 以 H09、H10、G09、G10为代表样点。莱州浅滩顶端出现两个低值区中心点, 最小值出现在D04点。

金属矿物类: 包括了钛铁矿、磁铁矿、褐铁矿、赤铁矿、黄铁矿等。该类平均含量为 10.84%, 最大值为 59.60%, 以含铁重矿物为主, 在每个样品中都能见到褐铁矿和钛铁矿; 其次是磁铁矿。在浅滩顶端出现高值区, 大部分金属重矿物类在此处沉积, 浅滩主体两侧形成低值区。

帘石类: 包括绿帘石、褐帘石和黝帘石。主要为绿帘石, 透明, 呈浅绿色; 一般为次棱角状, 少量为次圆状。绿帘石的平均含量为 20.39%, 仅次于普通角闪石。莱州浅滩的帘石类重矿物在浅滩主体形成一个含量高值区, 向外含量逐渐减少, 在浅滩顶端和浅滩主体西侧为低值区, 而在浅滩的东北部和西北部各有一个含量较高的区域, 构成了以浅滩主体向外呈高值与低值相间环状分布。

云母类: 包括黑云母、白云母, 水黑云母和绢云母, 平均含量为10.62%。其中黑云母分布最为广泛,平均含量为 6.61%。水黑云母次之, 平均含量为4.34%。其低值区分布同莱州浅滩的主体重叠, 浅滩两侧为其含量的高值区, 最大值I04点出现在浅滩西南侧的南部, 含量为39.76%。

稳定矿物: 包括了石榴子石、榍石、锆石、电气石、金红石和十字石等, 平均含量为9.31%。其中榍石的含量最多分布最广, 平均含量为4.90%, 多呈粒状, 颜色可呈现多种, 一般以次圆状为主。石榴石其次, 为碎粒状, 有几种颜色, 多为次棱角状[18]。稳定矿物的高值区出现在莱州浅滩主体、浅滩顶端北部,以浅滩为轴, 两侧为低值区。

不稳定矿物/稳定矿物(UM/SM): 不稳定矿物选取闪石类、帘石类和辉石类, 稳定矿物选取石榴子石、榍石、电气石、锆石、金红石和十字石, 可以反映沉积物搬运距离和沉积动力环境[19]。UM/SM高值区可代表风化程度低, 水动力条件弱, 不稳定

矿物得以保存, 而UM/SM低值区可以代表受强烈的风化, 潮流作用强, 不稳定矿物被磨耗。低值区出现在浅滩主体和顶端, 不稳定矿物被磨损; 高值区与浅滩主体垂直, 分布于浅滩两侧。

自生黄铁矿: 自生黄铁矿平均含量为2.72%, 最大含量为41.29%。自生黄铁矿对还原沉积环境有重要指示作用, 由于高沉积速率阻碍了沉积物表面容易分解的有机物质的氧化, 所以高黄铁矿含量经常与高沉积速率相联系[14]。自生黄铁矿主要分布在浅滩主体西侧, 形成两个高值区。

2.3 重矿物组合分区

综合重矿物的主要变量, 以闪石类重矿物、金属矿物类、帘石类重矿物、云母类重矿物, 岩屑与风化矿物、稳定矿物组合和不稳定矿物组合等 7参数作为变量对研究区80个样品进行Q型聚类的数学方法进行聚类组合分析。根据重矿物分布规律、聚类分析结果、沉积特征及水动力条件, 将莱州浅滩及周围地区分为五个矿物组合区如图1。

莱州浅滩顶部矿物组合区(Ⅰ区): 该区的重矿物组合为普通角闪石-绿帘石-榍石-钛铁矿。本区位于莱州浅滩顶部和沙坝主体偏东的区域, 东部沿岸流携带泥沙一部分沿浅滩根部向西北迁移, 一部分越过浅滩向西迁移[7]。沙坝东侧比较平缓, 海水从东侧越过浅滩, 动能减少势能增加, 易于矿物沉积, 而西侧坡度大, 海水流速增大, 重矿物含量矿物相对少。本区水深较浅, 波浪破碎强烈, 滩顶水动力较强,云母类不易沉积, 形成云母类低值区, 以坝体为轴两侧形成云母类高值。稳定矿物含量高, 且磨圆度较好, 多呈次圆状。

莱州浅滩北部顶端矿物组合区(Ⅱ区): 该区的重矿物组合为褐铁矿-普通角闪石-绿帘石-榍石。重矿物含量0.63%, 是重矿物含量的低值区。重矿物分布中金属矿物类高值区、帘石类低值区以及闪石类低值区几乎与该分区相重叠, 区域中普通角闪石的含量比全区含量减少了 14.26%, 而褐铁矿含量增加了26.06%。本区位于莱州浅滩沙坝主体的北部顶端,海水在此处由于岬角效应流速增大, 比重较大的金属矿物类沉积, 形成金属矿物类高值区。帘石类、闪石类、云母类等比重较小的矿物难以沉积。

莱州浅滩东侧矿物组合区(Ⅲ区): 矿物组合为普通角闪石-绿帘石-黑云母。金属矿物和稳定矿物在该区含量少。该区受不正规半日潮流, 具有较强的旋转性, 涨、落潮流指向西南、东北, 海水运动较为复杂, 动能大小不一致。落潮流在本区形成一个顺时针流动的环流, 潮流流速在环流中心较小, 由环流中心向两侧逐渐增大。该区沉积的重矿物以闪石类、云母类和帘石类比重较小的重矿物为主, 闪石类和云母类含量在本区都呈现中间高四周低的次圆形分布。

莱州浅滩西侧矿物组合区(Ⅳ区): 矿物组合为普通角闪石-绿帘石-黑云母-自生黄铁矿, 其中该区自生黄铁矿平均含量为5.38%, 最大含量为41.29%。自生黄铁矿集中分布在莱州浅滩西南侧和西北顶端拐角南侧, 以F02、H05样点为中心的两个高值区。该区受正规半日潮流, 具有往复特点, 涨、落潮流分别指向东南、西北, 涨潮流在此形成逆时针流动的环流。浅滩强化了岬角两侧的潮余环流[20]。莱州浅滩西侧有大量的海水养殖区, 海水中携带大量的有机质, 有机质在该区聚集沉积, 分解消耗大量的氧气,形成还原环境, 产生一个自生黄铁矿高值区。海水向西北方向运动受到拐角的阻碍速度减少, 有机质沉积, 产生一个更大的黄铁矿高值区。

莱州浅滩西北矿物组合区(Ⅴ区): 该区重矿物组合为普通角闪石-绿帘石-石榴子石。本区重矿物含量高, 体现为闪石类和帘石类含量高, 普通角闪石和绿帘石含量均高于全区平均值, 而云母类矿物含量少。本区受正规半日潮流和不正规半日潮流的共同作用, 互相干扰能量减弱, 易于重矿物沉积, 重矿物含量高于全区平均值, 比重大的金属矿物类在浅滩北部顶端(Ⅱ区)沉积, 比重相对小的继续运动在外侧沉积。

3 讨论

莱州浅滩东部的龙口至刁龙嘴段岸线为北东-南西走向, 北北东向浪在近岸带破碎后形成自北东向南西的沿岸纵向泥沙流[7]。浅滩海域为两种潮流交界处, 其西侧海域为正规半日潮流, 多往复运动; 东侧海域为不正规半日潮流, 具有比较强的旋转型[21-22]。从大范围看, 莱州浅滩东部海域涨、落潮流分别指向南西、北东, 但由于浅滩的阻碍, 其周围海域潮流运动复杂, 浅滩西北和以东海域涨、落潮流分别指向南西、北东, 西南海域涨、落潮流分别指向南东、北西[7]。浅滩西南侧存在逆时针气旋式潮余环流, 东北侧有顺时针反气旋式潮余环流[23-24]。通过结果分析可知,由于莱州浅滩水动力条件复杂, 沉积动态多样, 其重矿物分布与波浪、潮流、余环流相关联, 组合特征明显。

3.1 重矿物组合及含量变化

莱州浅滩全区重矿物平均含量为 1.18%, 属于重矿物含量低区域, 与黄河口和莱州湾重矿物含量一致。全区矿物组合为普通角闪石-绿帘石-黑云母-褐铁矿, 富含榍石(表1)。浅滩区域复杂的水动力条件, 使得矿物沉积分布有明显的差异。

普通角闪石和绿帘石在该区都属于优势矿物,在每个样品含量明显偏高, 在浅滩顶端海水动力强的地方相比含量偏低, 最小值分别为6.92%, 7.81%。岩屑与风化碎屑在本区含量分别为 3.13%, 3.37%,莱州浅滩的岩屑多是原生岩屑, 为普通角闪石或石英与金属矿物的集合体; 风化碎屑一般为土状土黄色集合体。

海水深度大于6 m的深水区, 云母分布广泛, 在浅滩两侧海水受到浅滩的阻碍, 速度降低, 密度小的云母能够保留。在浅滩上水动力强的地方, 易于悬浮的云母难以沉积, 而密度大的含铁重矿物在此处聚集, 形成金属重矿物类高值区。其两种差异的矿物组合并非只是海水动力的原因, 也受物质来源的影响。

3.2 物质来源

前人普遍认为, 莱州浅滩沉积物是来自莱州湾东岸的沿岸输送[4,10,13], 主要为刁龙嘴以东、龙口以西入海的王河、龙泉河、朱桥河、滕家河、诸流河、钟离河、界河等河流输沙, 其中以王河及其东30 km处的界河为主[7]。本研究也选取了浅滩近岸的王河下游(赵家村)现代河床和古河床的样品, 作为典型验证其结论, 同时结合黄河沉积矿物研究, 分析莱州浅滩的物质来源。浅滩重矿物与黄河、浅滩近岸河流重矿物比较见图3。

图3 莱州浅滩、黄河和近岸河流的重矿物含量比较Fig.3 Comparison of heavy mineral content in the Laizhou Shoal, the Yellow River and Coastal rivers

黄河输沙量巨大, 直接影响莱州湾各种海岸地貌和沉积特征, 黄河入海物质先向东, 然后再转北东、北西输送[25], 即便如此, 其对莱州浅滩及其周围海域的物质供应不可小视。黄河的优势矿物组合为普通角闪石-褐铁矿-绿帘石-黑云母。黑云母密度小且易于悬浮是指示沉积物输送和扩散趋势的较好指标, 黄河的云母类表现出向东扩散的特点[10]。黄河矿物组合中黑云母和水黑云母同浅滩西侧Ⅳ区含量相近, 海水受到浅滩的阻碍, 在浅滩Ⅳ区形成较弱的水动力条件, 为黄河扩散的悬浮质物质提高了良好的沉积环境。浅滩两侧沉积物是双重来源, 既来自陆地近岸又来自黄河物质向东的输送, 云母类矿物为其物质一部分来源于黄河提供了重要依据。其中黄河矿物中的褐铁矿和阳起石含量分别为 14.55%和3.09%, 浅滩矿物组合中褐铁矿为优势矿物之一, 而浅滩近岸河流中两种矿物含量明显低于浅滩平均值, 本区的褐铁矿也可以作为物质来源于黄河的指示矿物。

分析莱州浅滩周围区域古河床的数据发现, 其云母类含量极低, 优势矿物组合为普通角闪石-绿帘石-磁铁矿, 含铁重矿物富集, 与浅滩矿物组合相近。浅滩周围区域河流中普通角闪石、绿帘石的含量为36.84%, 24.14%, 与浅滩含量接近。莱州浅滩滩体沉积物以中-粗砂为主[18], 主要为近岸河流输送, 金属矿物类含量平均值为 22.51%, 滩体的含铁重矿物主要来源于周围流域河流, 滩体上水动力大, 含铁重矿物比重大, 在此形成沉积, 在沙坝顶端处, 两种潮流交汇处, 形成金属矿物类高值区。在Ⅳ区, 受浅滩屏蔽, 造就水深较大的沉积洼地, 由于整个莱州湾海区生物生产力高, 易在水动力弱的深水区, 形成还原性沉积环境, 产生出一定量的自生黄铁矿, 成为该海区沉积环境还原性强弱的指示性矿物。

4 结论

(1) 莱州浅滩表层沉积物中重矿物含量平均为1.18%, 已鉴定出重矿物45种, 优势矿物组合为普通角闪石-绿帘石-黑云母-褐铁矿。浅滩西侧海域含有较高的自生黄铁矿, 为还原性沉积环境。

(2) 依据 5类重矿物含量分布特征和重矿物特征指数, 把莱州浅滩划分为5个重矿物分区: 莱州浅滩顶部矿物组合区、莱州浅滩北部顶端矿物组合区、莱州浅滩东侧矿物组合区、莱州浅滩西侧矿物组合区、莱州浅滩西北矿物组合区。浅滩滩体水动力强, 为比重大的重矿物高值区, 两侧海域云母类矿物富集,浅滩西北部潮流互相干扰, 重矿物含量全区最高。

(3) 浅滩滩体沉积物主要为近岸河流输送, 而浅滩两侧沉积物是双重来源, 既来自陆地近岸又来自黄河物质向东的输送。本区常浪向(北北东向)海浪在海岸带破碎后形成自东北向西南的沿岸流, 携带的矿物由于浅滩滩体的阻碍作用和岸线转折在沙坝主体沉积, 同时受到两种不同潮流共同作用, 使得潮流在此减速, 在浅滩两侧形成的弱水动力环境为黄河入海向东输送的物质提供沉积条件, 形成浅滩独特的矿物分布特征。

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