南黄海北部B03孔沉积物的重矿物特征及物源指示意义*

赵 利，赵广涛，何雨旸，徐翠玲，祁 奇，龙晓军

（中国海洋大学海洋地球科学学院，海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东 青岛266100）

沉积物的“源－汇”效应及高分辨率的环境记录是现代海洋沉积学研究的两个重要前沿课题［1］，而连续沉积的厚层泥质沉积体是研究全新世乃至百年尺度的物质来源及高分辨率环境记录的良好地质载体［2］。中国东部海域作为世界上最为宽广的陆架海之一，在长江、黄河及众多中小河流提供的充足陆源物质及复杂的海洋动力条件下，形成了多个规模不等的泥质沉积区［3］。其中黄海海域形成的北黄海泥、山东半岛沿岸泥、南黄海中部泥在空间上为统一的沉积体，称为黄海北部泥质沉积体［4］。自1980年代以来，中外科学家针对泥质沉积体的物质来源、形成机制及环境记录等方面取得了大量新认识［5－9］，程鹏认为北黄海泥为多源沉积且以黄河物质为主［8］；山东半岛沿岸泥的主要物源是黄河入海泥沙［10－13］，也可能是在黄河输运、山东半岛径流、海岸侵蚀物质的堆积下形成［14］。南黄海中部泥的物源更是存在多种观点：沉积物来源于黄河［15－16］，来源于老黄河和现代黄河［17－18］，长江和黄河物质的混源且以黄河［19－21］或长江［22］为主，长江、黄河及黄海两岸物质的多源沉积［23］。显然，对于黄海北部泥质沉积体的物源及成因仍存在较多争议，但反映了一个基本事实，即其主要是由长江、黄河2条主要河流物源供应、水动力条件以及近岸侵蚀等综合因素决定的。在泥质沉积体的环境记录方面，针对黄海海平面的升降［13，24－25］、黄海暖流的形成［24，26－29］、短期突变事件［30］等重大的古环境、古气候变化及长时间跨度的环境演化［31－32］进行了较为深入的研究，而对时间跨度小且高分辨率的重要环境事件记录研究不足。

本文基于重矿物组合和角闪石单矿物电子探针化学分析方法，选取南黄海北部泥质沉积体中部的B03钻孔岩芯进行综合分析，并讨论其物质来源及其可能的环境变化记录。

1 材料与方法

1.1 样品采集

依托2012年渤黄海春季航次东方红2号海洋综合考察船，使用重力取样器在黄海北部泥质沉积区域中部获得岩芯B03（122.79°E，36.65°N）。岩芯全长330cm，采样水深27m。具体位置见图1。

1.2 分析方法

1.2.1 粒度分析 取样间距为5cm，共67个样品，采用激光粒度仪进行粒度分析测定，在中国海洋大学海底科学与探测教育部重点实验室完成。具体步骤如下：取适量的沉积物样品，分别加入5mL 30%的双氧水（H2O2）和0.25mol／L的盐酸去除样品中的有机质和碳酸盐（至不起泡为止）。将烧杯加满蒸馏水，用玻璃棒充分搅拌，静置24h，吸去上清液去除其中的盐分，直到溶液呈中性为止。处理好的样品经超声波振荡分散后，使用 Mastersizer－2000激光粒度仪进行测试。测量范围为0.02～2 000μm，粒级分辨率为0.01 Φ，重复测试的相对误差＜2%。对于平均粒径、分选系数、偏态、峰态等粒度参数采用矩法计算，沉积物分类和定名采用福克等的三端元分类法。

图1 黄海底质沉积类型及流系（冬季）图Fig.1 Sediment types and circulation pattern in the Yellow Sea during winter time

1.2.2 碎屑矿物分析 同样按5cm的间隔取67个样品进行碎屑矿物分析。原样加分散剂偏磷酸钠并煮沸后过筛分级，取出大于0.125mm，0.063～0.125mm和小于0.063mm粒级样品并烘干，将适量0.063～0.125粒级细砂样品用相对密度为2.88的三溴甲烷重液进行轻、重矿物组分的分离，并分别计算出轻重组分的重量百分含量。然后用体视显微镜和偏光显微镜油浸法，对轻、重组分进行系统鉴定，计数300颗以上的颗粒以求得各种矿物的颗粒百分含量。

1.2.3 角闪石的挑选及EPMA分析 依据重矿物垂向分布特征，分别选取B03－A（75cm处）、B03－B（275cm处）上下2个层位的重矿物样品进行角闪石的挑选及EPMA分析。方法为将重矿物样品在双目实体显微镜下进行手工挑选，挑选时将所取样品中的所有角闪石都挑出来，主要是新鲜、未蚀变的角闪石，而对无色的透闪石、强烈风化或蚀变的角闪石不选，挑选的角闪石总颗粒数量多于300颗。将挑选的角闪石按照GB／T17366—1998中颗粒试样的制备方法进行样品的制备，然后进行上机测试。

角闪石的单矿物成分分析，由中国海洋大学海底科学与探测教育部重点实验室电子探针实验室完成，仪器型号为JEOLJXA—8230；测试条件：加速电压15kV，探针电流2×10－8A；测试标样为美国SPI公司的硅酸盐矿物及氧化物标样，数据采用ZAF法校正。对每组沉积物样品的角闪石随机测试100颗以上，以保证其统计的准确性。

2 分析结果

2.1 粒度特征

柱状样的垂向粒度参数显示B03孔的岩性表现上下较为均一，沉积记录连续，颗粒粒径均为＜0.25mm的细沙、粉砂及黏土，主要为灰色、灰褐色粘土质粉砂。样品定名大部分为粘土质粉砂，少部分为砂质粉砂。岩芯的岩性及粒度参数的垂向特征见图2。

图2 岩性及粒度参数垂向变化Fig.2 Vertical variation of lithology and grain size parameters

B03孔中粉砂含量在67.18%～74.13%之间，平均为70.12%，黏土含量在12.33%～21.55%之间，平均为16.88%。沉积物平均粒径为5.48～6.24φ，均值为5.82φ，中值粒径在 4.94～5.68φ 之间，均值为5.32φ，小于平均粒径。平均粒径和中值粒径变化一致，其中0～175cm附近粒径略微由大变小，沉积物变细，下段则相反。整体而言，其为略微波动，所能显示的变化趋势不明显，不能指示沉积动力条件发生了一定的改变。分选系数、偏态系数和峰态系数整体变化范围较小，偏态系数与峰态系数变化一致，而与分选系数变化相反。分选系数在1.83～2.14之间波动，均值为1.98，分选较差；偏态系数在0.31～0.49间，均值为0.42；峰态系数在0.89～1.19之间，均值为1.0。

综上分析表明，沉积物自上而下粒径较细，粒度变化较小且沉积连续，反映了岩芯处于低能且稳定的沉积环境，水动力条件较弱。

2.2 碎屑矿物种类及组合

沉积物中的重矿物种类及组合可用于判别海洋沉积体的物质来源、沉积环境特征，并可进一步阐明蚀源区的母岩成分及环境、气候变化特征，因而其已成为海洋沉积学研究的重要组成部分［33－35］。鉴此本文做了高分辨率的的碎屑矿物种类及组合统计分析。

2.2.1 碎屑矿物组成 该孔沉积物中碎屑矿物含量平均为2.42%，变化范围1.13%～4.68%，重矿物含量低，在全部样品中为0.10%～1.66%，平均为0.65%。已鉴定的重矿物为28种，轻矿物为13种，岩芯的片状矿物含量高，重矿物中主要重矿物（＞5%）为片状矿物（黑云母、白云母、风化云母、绿泥石）、闪石类矿物（普通角闪石、阳起石和透闪石），含量较高且分布普遍，次要重矿物（5%～1.5%）为绿帘石、金属矿物（钛铁矿、磁铁矿、赤褐铁矿）及岩屑等，其他重矿物特别是稳定矿物及变质矿物含量较少（＜1%）甚至仅在部分或个别样品中出现，如辉石、磷灰石、锆石、电气石、白钛石、榍石、石榴石、蓝晶石、红柱石、十字石和矽线石等。主要轻矿物为石英、长石（钾长石和斜长石）、云母类矿物；少量轻矿物为方解石、绿泥石、白云石、海绿石及生物碎屑、岩屑等。

2.2.2 重矿物组合及垂向分布特征 主要重矿物的组成相对稳定，普遍出现的矿物有普通角闪石、透闪阳起石、绿帘石、黑云母、白云母、风化云母、绿泥石、钛铁矿、磁铁矿等。其中普通角闪石、云母类矿物、绿帘石含量较高，代表了该区沉积物的矿物组合。根据重矿物属性及组合特征分为几种情况：闪石类矿物 普通角闪石最大含量为59.6%，最低含量为9.4%，平均含量为25.9%，高值段位于0～85cm附近，平均含量42.2%；85～330cm含量则较低，平均为19.9%。绿帘石、透闪阳起石分布形式与普通角闪石基本一致，前者最高含量为8.39%，低值为0.52%，平均含量为2.43%，后者最高4.26%，低值为1.04%，表明这几种矿物的来源及沉积形式是一致的。片状矿物 云母类矿物主要包括黑云母、白云母及产生的风化类云母，其与绿泥石统称为片状矿物。前者最高值为77.43%，低值为19.3%，平均为53.92%，后者高值为13.56%，低值为3.97%，平均为8.54%。片状矿物最高值为86.52%，低值为26.32%，均值为62.47%，存在较大差异。

金属矿物 主要包括磁铁矿、钛铁矿、赤褐铁矿。金属矿物的平均含量为6.89%，最高为42.99%，最低为1.07%。赤褐铁矿分布含量较少且较为均匀，个别层位为0，平均在1%。磁铁矿和钛铁矿在200cm以下含量略微升高，在265和270cm附近出现异常高值，分别高达42.37%和25.15%。稳定及变质矿物 样品中的稳定及变质矿物含量低。稳定矿物主要有电气石、锆石、榍石、白钛石、石榴石、金红石，平均含量较低，为0.85%，最高为2.51%；变质岩矿物主要是蓝晶石、红柱石、十字石和矽线石，其含量极低，仅偶尔出现，平均含量仅为0.19%。

以上研究显示该区重矿物种类及含量有一个显著特点，即片状矿物和不稳定矿物占比大，如：云母类矿物、绿泥石、普通角闪石、绿帘石等，其中风化云母含量较高平均值也达到10%，含量垂向总体变化不大，稳定及变质矿物所占比例低，表征矿物成熟度的ZTR／HP＝锆石＋ 电气石＋ 金红石／角闪石＋ 辉石［36］约为0.015，成熟度极低，由此可以初步推断该区沉积物应属近源沉积且物源供应相对稳定。

主要重矿物颗粒百分含量及垂向特征如图3所示，片状矿物（黑云母＋白云母＋绿泥石）的含量最高，帘石类矿物（普通角闪石、绿帘石）次之。

对主要重矿物的相关性分析见图4，绿帘石和普通角闪石的相关系数为0.76，片状矿物和普通角闪石的相关系数更是高达－0.84，由此可推测该孔沉积物是在相对稳定的物源供应及沉积环境下形成的，两种情况共同作用下导致沉积物中各种组分的较好的一致性，否则水动力环境的改变很容易导致重矿物的重新分布。

根据重矿物组合特征及分布规律，可以岩芯85cm处为分界将岩芯分为上下2个沉积层：

上沉积层（0～85cm） 重矿物组合为普通角闪石－云母类矿物－绿帘石，普通角闪石的平均含量为42.2%，云母类矿物为38.60%，绿帘石含量为4.89%。

图3 主要重矿物垂向分布图Fig.3 Vertical distribution of major heavy minerals

图4 主要重矿物相关性图解Fig.4 Correlation diagram of major heavy mineral

下沉积层（85～330cm） 云母类矿物含量明显增加，矿物组合为云母类矿物—普通角闪石—绿帘石。其中云母类矿物的含量升高至59.55%，而普通角闪石的含量下降至19.95%，绿帘石的含量也降至1.53%。

2.3 角闪石的矿物化学分析

对单矿物颗粒的研究能够较能明确阐明矿物的亲缘性，有效地消除搬运动力的分异作用，在物源比对性上具有明显优势［37－44］。金秉福［45］曾运用电子探针手段研究了黄河极细砂中普通角闪石的矿物化学成分，对角闪石的化学成分、晶体化学特征、成因环境作了分析。赵广涛等①赵广涛.长江、黄河入海沉积物角闪石的矿物化学特征及其物源示踪意义.（内部资料）对比分析了黄河源和长江源角闪石在矿物种属、成因及特征元素Mg／Fe2＋比值等方面的差异，并认为Mg／Fe2＋比值可作为长江黄河物源识别的有效矿物化学指标，即Mg／Fe2＋＜2可用于指示亲黄河源的物质，而Mg／Fe2＋＞2.3则是存在大量长江源物质的标志。

基于以上研究成果，本文对岩心上下2个沉积层各一特征层位样品（B03－A，B03－B）中的单矿物角闪石颗粒进行了EPMA分析，以期能在沉积区域物源识别上有进一步的认识。角闪石阳离子系数采用23个氧为标准，研究分别获得114、117个有效数据，对数据运用minpet2.02软件，以23个氧原子为标准进行相关晶体化学数值的计算，并由化学计量限制对Fe3＋、Fe2＋平均值和相应的其它阳离子数值做了估算［46－48］，产生了它们可能的晶体结构分子式以及相关晶体化学特征数值。结果见表1。

2.3.1 角闪石的种类 2组测试样品的角闪石化学成分分布状况较为相近，主要氧化物含量均值相差不大，含量最高的SiO2均值分别为47.13%和46.73%，但含量集中在一较大范围内分布，范围大致在41%～55%之间；2组样品CaO和MgO的含量较高，平均值均为11.5%左右，基本无差异；TiO2的含量较低，绝大多数小于1%，均值分别为0.88%和0.82%；代表碱性程度的Na2O和K2O的含量均值分别为0.84%和0.93%，而黄河源的均值为0.70%①，表明上沉积层与黄河源的相似度更大。以上化学特征表明角闪石整体上具有高硅、钙、镁，低钛、低碱的特征，与黄河源角闪石的化学成分特征［45］具有较大相似性，但也存在部分差异，MgO含量及碱性程度均有不同程度的增大，而Al2O3及TFe2O3含量略有减小。

表1 角闪石化学成分、阳离子数值的平均值及方差统计Table 1 Chemical composition，the mean and variance values cations Statistics of amphibole

按照 Leak［49］及2001年角闪石专业委员会［50］基于B位阳离子种类及含量对角闪石的最新分类方法，将由电子探针测试数据计算而来的角闪石晶体结构式中的各阳离子数值投影到分类图中（见图5）。

图5 角闪石分类图Fig.5 Classification of amphibole types

本次研究中测试样品的角闪石都属于钙角闪石组，未发现其他3种类。在钙角闪石组的分类中，上下2个层位样品均以镁角闪石为主（＞60%），镁钙闪石、铁镁钙闪石次之（约10%左右），铁角闪石、阳起石含量较低（＜6%），浅闪石、铁浅闪石、韭闪石的含量更低（总占比约为7%）。各矿物种的相对含量见如图6。

图6 角闪石种类及相对含量分布图Fig.6 Types and relative content distribution of amphibole

基于前人［45，①］对黄河源角闪石统计分析得出的种类分布规律，两组样品的角闪石种类分布模式整体上与黄河源基本一致，镁角闪石占比最大，镁钙闪石、铁镁钙闪石次之，说明沉积受黄河物质影响较大，但同时存在一定差异，主要表现为样品中出现较多的阳起石，含量在4%～6%，结合沉积环境分析认为物质来源上除受黄河物质的影响外，还可能有外源物质（可能为山东半岛及临近海域基岩物质剥蚀产物）的加入。上下2个沉积层角闪石种类及相对含量对比发现，下沉积层中镁角闪石含量低于上层约10%，相对地镁钙闪石、铁镁钙闪石、阳起石含量较高，上沉积层矿物种相对含量与黄河源的相似性明显大于下沉积层，暗示了物源供应上可能存在差异，上沉积层与黄河源物质的亲缘性大于下沉积层。

图7 B03角闪石成因Si－Ti变异及成因划分图Fig.7 Si－Ti variation and causes division map of amphibole

2.3.2 角闪石的成因 Si－Ti变异散点图可用于判断角闪石的成因类型［51］（见图7）。从图7可看出，黄河源沉积［45］与沉积岩芯两组样品的角闪石分布相似度较高，大多落入中酸性侵入岩与中高级变质岩分布区域中，但岩芯样品角闪石落入中高级变质岩区域的明显增多，落在退变质或交代成因区域中的也有所增加。表明了物质来源除来自黄河物质贡献外还受它源物质的影响。变质成因角闪石含量明显增大，从另一侧面说明了物源可能受山东半岛古老变质岩及临近海底基岩剥蚀的影响。

2.3.3 特征元素比值 Mg／Fe2＋为进一步对角闪石的矿物化学标型意义进行研究，计算了角闪石 Mg／Fe2＋比值，并对其做出频率分布直方图（见图8）。结果表明，上沉积层角闪石 Mg／Fe2＋为2.03，下沉积层为1.90，均与黄河源比值1.94①相近，在其频率比值分布模式上也具有较高的相似度，进一步证明了黄河源物质是其主要的物源。

图8 B03－A及B03－B角闪石 Mg／Fe2＋分布直方图Fig.8 Mg／Fe2＋ distribution histogram of B03－A and B03－B′s amphibole

前人［52－55］对山东半岛陆地及邻近海域基岩隆起的斜长角闪岩、榴闪岩、榴辉岩、麻粒岩等变质岩中的角闪石矿物化学成分分析结果显示，其Mg／Fe2＋较小，约为1.23，而对黄河口沉积物所做比值为1.94。

基于以上结论，结合沉积环境，可以推测岩芯沉积主要来自黄河沉积物，同时受外源物质的影响，外源物质主要为来自山东半岛陆地及附近海域的基岩剥蚀产物，且外源物质对下沉积层的影响大于上沉积层，与前人对研究区物源的研究相一致。

3 物源及环境指示意义

研究发现岩芯在重矿物种类及组合特征方面与前人对黄河源［45，56］矿物的研究具有较强的一致性，但也存在一定差异，主要表现为云母类矿物的含量较黄河源沉积丰富，矿物的成熟度低。依据重矿物的垂向特征可将岩芯分为上下2个沉积层，其显著特点为下沉积层较上沉积层更加富含云母类矿物。结合研究区域所处的沉积环境推测其原因主要有两方面：一是由于研究区沉积动力主要受控于山东半岛沿岸流［57］，沿岸流绕过成山角后水动力条件减弱，导致黄河源沉积物中易沉降的云母类矿物发生快速沉降，同时导致了矿物的成熟度相对较低；另一方面由于山东半岛近岸及临近海底基岩主要为片麻岩、变粒岩等长英质的古老变质岩类［53－55］，其长期风化剥蚀的产物中含较黄河源沉积物更为丰富的云母类矿物，并在近岸大量堆积。并由此推测，下沉积层更为丰富的云母类矿物可能是由于山东半岛近岸及临近海底基岩剥蚀产物对下沉积层的相对贡献大于上沉积层造成的。

对角闪石矿物化学统计分析表明，在矿物种类分布模式、成因及特征元素比值方面，两组样品均与黄河源特征具有较大相似性，同时也出现了部分不同。主要表现为矿物种出现了约4%～6%的变质矿物阳起石，落在中高级变质岩成因区域的明显增多，其差异推测主要受外源即山东半岛近岸及临近海底基岩剥蚀产物加入的影响。上下两个沉积层在角闪石种类及Mg／Fe2＋方面存在差异，下沉积层中阳起石含量高，Mg／Fe2＋值低，结合黄河源及山东半岛陆地及基岩角闪石的矿物化学特征可认为，下沉积层受外源物质的影响大于上沉积层。

综合分析重矿物及角闪石矿物化学特征认为，研究区内沉积物的物源主要由两个方面，一是山东半岛沿岸流携带的黄河源物质在此的快速沉积，二是山东半岛近陆架物质的风化剥蚀及海水对海底基岩侵蚀产物的大量堆积，共同作用下形成了独特的沉积构型。上下沉积层间的矿物组合及矿物化学差异均暗示了沉积体的物源供应发生了变化，山东半岛近岸及临近海底基岩剥蚀产物对下沉积层的相对贡献明显大于上沉积层，而上沉积层与现代黄河源物质的亲缘性更大。

前人对临近研究区的沉积体进行了大量210Pb测年［58－63］分析，研究结果均表明该区属于中高速沉积区域，沉积速率约为0.4～0.6cm／a。本次研究中岩芯85cm处为上下沉积层的分界线，可推测该处沉积年龄约为140～170a。据记载黄河尾间长期以来不断发生变迁改道，交替注入渤海和黄海［64］，黄河曾于1855年由黄海入海改道至渤海，时间上推断该分界线与黄河1855年改道相呼应，因而上下沉积层的差异极可能是由黄河改道引起的。下沉积层为未改道前的沉积，此时的黄河河口距研究区域较远，山东半岛近岸及海底基岩剥蚀的产物对研究区域的相对贡献占比较大，上沉积层为黄河改道后的沉积，改道后山东半岛沿岸流携带的大量黄河源物质在此处快速沉积，此时黄河源物质对研究区的影响变大，近岸及基岩物质的影响相对降低。综上可认为岩芯85cm的分界代表了黄河1855年改道事件在山东半岛东部陆架的区域响应。

4 结论

（1）研究区域重矿物种类较少，相对比较单一，优势重矿物为云母类矿物、角闪石、绿帘石，反映了沉积体物源供应及沉积环境较为稳定。

（2）基于重矿物种类、组合及特征矿物角闪石的矿物化学特征分析，推测沉积区域物源为山东半岛沿岸流输运的现代黄河源物质及山东半岛陆架及海底基岩侵蚀产物的混源。

（3）依据重矿物的垂向特征可将岩芯以85cm处为界分为上下2个沉积层，上沉积层重矿物组合为普通角闪石—云母类矿物—绿帘石，下沉积层矿物组合为云母类矿物—普通角闪石—绿帘石，云母类矿物更为丰富，结合角闪石矿物种及特征元素Mg／Fe2存在的差异，均表明下沉积层与山东半岛及临近海底基岩的物质亲缘性更大。

（4）综合210Pb测年数据及重矿物特征分析认为，上下2个沉积层的分界代表了黄河1855年改道事件在山东半岛东部陆架的区域响应。

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