辽东湾东南部海域柱状沉积物稀土元素地球化学特征与物源识别①

张现荣 李 军 窦衍光 赵京涛 胡邦琦

(1.国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室 山东青岛 266071;2.国土资源部青岛海洋地质研究所 山东青岛 266071)

稀土元素(REE)在环境中具有稳定的化学性质，在由母岩的风化、剥蚀、搬运进入河流并沉积到海底的过程中不易迁移，但由于沉积物的来源以及沉积环境的不同，使得稀土元素的含量配分模式和一些重要稀土元素参数具有一定的差别，但仍然保持着源区的组成特征，并且又能敏感地记录沉积环境和气候的演化信息［1～4］，因此，REE 已经被广泛地应用于探讨沉积物来源、物源区性质和气候环境的研究中。近年来，我国对渤海、黄海、东海、南海和台湾海滩等海区以及长江黄河等地区沉积物REE地球化学特征、分布及其控制因等方面大量的研究［5～8］，并利用 REE特征进行沉积物物源表层沉积物REE的丰度、分布模式和一些REE比值参数，有效指示了沉积物的来源、形成条件和控制因素。

辽东湾是中国渤海三大海湾之一，位于渤海北部，是我国纬度最高的半封闭海湾。辽东湾海域潮流主要为不规则半日潮，在西南部海域为规则全日潮和不规则全日潮，潮流以往复流为主，强潮流区见于入海河口附近［9］。湾内环流主要由黄海暖流余脉和辽东湾沿岸流组成，由于受季风的影响，环流具有季节性差异，冬季主要为稳定的顺时针环流，夏季相反，为逆时针，冬季环流强于夏季环流(图2)。水团源于入海径流的冲淡水，盐度较低，分布在20 m等深线以内［10］。辽东湾周边河流众多，其中主要的河流有滦河、大凌河、小凌河、双台子河、大辽河、六股河等(图1)，这些河流源源不断向辽东湾输运大量的泥沙(表1)，对辽东湾海域陆源物质的沉积有很大的影响。湾内沉积了丰富的第四纪沉积物，由于波浪和强潮流对沉积物的侵蚀、搬运、再沉积作用，使得湾东部形成辽东浅滩现代沉积区［9］。该区域物质来源和水动力环境复杂，前人对其沉积物类型、沉积环境、矿物的组合特征以及辽东浅滩成因等方面已做了大量的研究工作［11，12］。研究发现，潮流砂最初来自低海平面时各种环境的物质，经潮流的侵蚀、搬运、再沉积，目前它们已经与潮流动力环境相适应，并且在粒度、矿物、化学和生物等方面均有其自身的特点［13～15］。与潮流砂相比，前人对本文研究区的研究目前相对比较薄弱，特别是对于该区沉积物稀土元素地球化学研究目前还鲜见报道。本文通过对研究区辽东湾东部潮流沙脊区北侧LDC30孔沉积物的稀土元素分析，揭示该区域沉积物的元素地球化学特征和物源属性。

图1 辽东湾LDC30孔取样水深及取样位置Fig.1 Core LDC30 sediment sampling water depth and location

表1 辽东湾入海河流水文特征Table 1 Hydrological characteristics of rivers around Liaodong Bay

1 材料与方法

本研究样品LDC30孔于2009年取自于辽东湾北部海域(39.76°N，120.97°E;图2)。岩芯长度100 cm，取样水深28.6 m。取样后将样品带回实验室，之后进行2 cm间隔分样进行稀土元素和粒度的分析。

沉积物样品中稀土元素的分析采用等离子质谱分析方法ICP-MS进行测定，实验在中科院海洋所海洋环境与地质实验室完成。具体方法如下:准确称取40 mg样品于Teflon溶样罐中，加0.6 mL HNO3+2 mL HF密封，置于防腐型反应釜内，于150℃烘箱上溶样24小时;冷却，加0.25 mL HClO4于150℃电热板上敞开蒸酸至近干;然后加1 mL HNO3+1 mL H2O密闭于150℃烘箱内回溶12 h;冷却后，经高纯H2O定容至40 g;然后进行上机测试，测试误差小于5%。

图2 辽东湾周边环流分布图［16，17］Fig.2 The surface currents pattern in the Liaodong Bay and the part of oblique line shadow indicates diluted water

粒度采用Malvern公司生产的Mastersizer2000型激光粒度分布测量仪进行测，测量过程中要先去除沉积物中有机质，然后再进行充分的分散，之后进行上机测试，测量采用的粒级间隔为 0.15 φ，重复测试误差小于3%。粒度的测定在国土资源部海洋油气资源和环境地质重点实验室完成。

2 结果

2.1 稀土元素的垂向变化特征

LDC30孔稀土元素含量及其参数值，如表2;其垂向变化特征见图3。总稀土元素(ΣREE)含量波动不大，变化于128.04～199.86 μg/g之间，平均值为149.49 μg/g，见表2。低于全球沉积物ΣREE的平均值(150～300 μg/g)、北美页岩 ΣREE 含量(163.94 μg/g);与中国大陆架沉积物的REE平均含量相比，LDC30孔的ΣREE含量略高于黄海(134.03 μg/g)和东海(140.34 μg/g)，但是低于南海(187.58 μg/g)和渤海(229.29 μg/g)的平均含量。轻稀土元素(LREE:La～Eu)变化于 115.74～182.53 μg/g 之间，平均值为135.49 μg/g，相对较富集，约占总稀土含量的90.6%;重稀土元素(HREE:Gd～Lu)丰度较低，变化于12.3～17.3 μg/g 之间，平均值为14.0 μg/g，约占总稀土含量的9.4%。δCe变化于0.96～1.03之间，平均值为1，标准偏差为0.02。δEu变化于 0.61～0.80之间，平均值为0.71，标准偏差为0.04。从总稀土元素垂向变化特征看，可在51cm处将钻孔分为两段(图3):上段(0～51 cm)ΣREE含量随着深度的减小而呈增加的趋势，下段(51～99 cm)ΣREE含量在垂向上比较稳定，没有明显的波动变化。δCe整体上比较稳定，但在上段(0～51 cm)呈现下降，垂向上也相对稳定的趋势，尤其是在岩芯下段δEu基本上处于稳定的状态，但在上段呈现下降的趋势，δEu在上段也呈现下降的趋势，且下降趋势较δCe明显。

2.2 REE配分模式

对REE数据进行球粒陨石、北美页岩标准化已被广泛应用于海洋地球化学分析中［19］。LDC30孔稀土元素球粒陨石标准化配分模式，如图4所示。总体上表现出明显的轻稀土富集的特征，而重稀土一端较平稳，轻、重稀土具较强的分异作用，呈左高右低的V型曲线。无明显的Ce异常，Eu为中度亏损。与世界页岩平均值相比，除个别层位重稀土元素高于世界页岩之外，LDC30孔岩芯沉积物的REE含量整体上低于北美页岩，且各深度沉积物的REE分布模式近平行，表明岩芯的物质来源比较稳定。稀土元素的配分模式与上地壳和北美页岩配分模式非常一致，这说明LDC30表现出强烈的陆源特征。而REE配分曲线中La～Eu段较陡，Eu～Lu段较缓，反映出LREE分异程度较HREE高。

表2 LDC30孔沉积物稀土元素的含量(μg/g)。特征参数及平均值Table 2 Contents(μg/g)and some characteristic parameters of REE in Core LDC30

图3 LDC30孔稀土元素及其参数垂向变化特征Fig.3 Vertical profiles of REE and some characteristic parameters of REE in Core LDC30

采用上地壳的平均值对稀土元素进行标准化，发现LDC30孔沉积物稀土元素配分模式近似的呈直线并出现略微右倾的趋势，未见明显的Eu和Ce异常，不同深度配分模式具有明显的一致性(图5)，基本处于平行的状态，并且均表现为重稀土元素(HREE)相对亏损的模式。与辽东湾周边河流标准化曲线相比，稀土元素的配分模式与大辽河、双台子河、小凌河非常接近，而与复州河具有一定的差异。与长江、黄河标准化曲线比，与黄河较为接近。

图4 LDC30孔稀土元素球粒陨石标准化配分模式Fig.4 Chondrite-normalized REE distribution patterns of samples in Core LDC30

2.3 稀土元素的分馏特征

通常用REE的典型参数来反映轻、重稀土元素之间的分馏特征，轻、重稀土元素内部的分馏特征。(La/Yb)N一般被用于指示轻、重稀土元素之间的分馏特征，比值越大，说明LREE越富集。(La/Sm)N、(Gd/Yb)N用于指示LREE和HREE的内部分异特征，比值越大，说明轻LREE和HREE内部分异特征越是明显［20］。稀土元素的分馏特征的典型参数值如表2所示;(La/Yb)N变化范围为9.73～12.51，平均值为11.01，表明沉积物中LREE和HREE分异较明显;(La/Sm)N值介于3.69～4.27之间，平均值 3.9，(Gd/Yb)N均值为1.93。各参数的垂向变化特征如图3，下段(La/Yb)N变化趋势比较稳定，上段则上呈现略微上升的趋势，与ΣREE变化趋势相似。(La/Sm)N、(Gd/Yb)N整体上比较稳定，没有明显的增加或减少。

沉积物中REE组成由于受到粒度和矿物的影响而产生的差异，但总体来说，REE具有相似的化学性质和低溶解度，在风化和成岩作用过程中很少发生分馏［21］。(La/Sm)N和(Gd/Yb)N值是表征 REE 分馏的两个参数，研究区岩芯上段(Gd/Yb)N与平均粒径(Mz)相关系数 R2为0.017，下段的相关系数 R2为0.019，总体整个岩芯平均粒径(Mz)与 (Gd/Yb)N相关系数几乎为零(图 6)，并且(La/Sm)N和(Gd/Yb)N之间也几乎不相关，表明该岩芯沉积物中稀土元素的分馏不受粒度的控制。

图5 LDC30孔稀土元素上地壳标准化配分模式Fig.5 UCC-normalized REE distribution patterns of samples in Core LDC30

3 讨论

3.1 稀土元素的控制因素

研究发现，控制沉积物中REE组成最主要的因素是物源［22～25］，而对于有相同且稳定来源的沉积物，在经过搬运沉积过程中受到化学风化、水动力分选等作用造成粒级与矿物的不同而产生REE组成与分布模式的差异［26］。因此，在用REE进行沉积物物源示踪时，应对影响沉积物REE组成的制约因素进行探讨。

粒度是控制沉积物REE组成的重要因素。REE趋向于在细粒沉积物中富集，研究区LDC30孔沉积物粒径介于4.79～5.95 φ之间，粒度较粗，并且粒度在0～51 cm和51～99 cm有一定的差别，REE在这两段内也存在一定的差别，但是ΣREE与粒度之间并没有明显的相关性(图3)，经计算它们之间的相关系数R2为0.016，这表明REE与粒度之间无明显的相关性。ΣREE含量与主要赋存于黏土粒级的细颗粒中受控于“粒度效应”的Al2O3、Fe2O3等亦呈弱负相关关系(相关系数分别为-0.15，-0.18)，说明岩芯REE的组成基本不受“粒度效应”的控制。

图6 不同层位稀土元素特征参数与粒度的相关性Fig.6 Correlations between some characteristic parameters of REE and gran size in Core LDC30

研究发现，沉积物中的重矿物对整个沉积物的REE含量及组成有显著影响:HREE趋向富集于锆石、石榴子石、电气石等中，LREE和 MREE则在榍石、褐帘石、角闪石、磷灰石、独居石等中含量较高［17］。辽东湾重矿物含量与黄海、东海等海域相比较高，且沉积物在潮流的往复淘洗作用下使得沉积物中角闪石、石榴子石、黝帘石等重矿物相对含量较高;此外，辽东湾周边河流(滦河、六股河、小凌河、大凌河、双台子河等)入海沉积物中普通角闪石、绿帘石、磁铁矿、钛铁矿、石榴子石、褐铁矿重矿物含量较高［27］。LDC30孔沉积物中LREE含量远高于HREE(特别是上段0～51 cm;图3)，轻重稀土分异明显的特征可能与周边河流重矿物的含量有关。

3.2 物质来源探讨

辽东湾是一个半封闭的海湾，沉积物主要来源于周边入海河流、外来海水带入、沿岸岛屿及基岩的侵蚀等，其中以河流输入物质的贡献最为突出［5］。另外，河流输入物质的迁移也受到海洋水动力条件(潮流和环流)的制约。辽东湾海域潮流主要为不规则半日潮，在西南部海域为规则全日潮和不规则全日潮，潮流以往复流为主，强潮流区见于入海河口附近［5，9］。然而，在像渤海这样的浅海系统中，沉积物的长期输运过程主要是环流的作用［28］。辽东湾内环流主要有黄海暖流余脉和辽东湾沿岸流组成，近岸地区主要受沿岸流的控制，由于受季风的影响，环流具有季节性差异(图2)，并且冬季环流强于夏季，因此辽东湾内沉积物在长期的搬运过程中主要受冬季环流的影响。

辽东湾区沿岸有众多河流输入，沿岸河流切割河床、冲刷两岸母岩，携带大量泥沙源源不断地注入辽东湾。早期的研究发现湾内大部分地区沉积物皆是现代陆源碎屑沉积［29］。近些年的研究证实，辽东湾东部区域由于较强的潮汐作用而发育形态典型的潮流沙脊，这片区域沉积物是全新世涨潮流三角洲演化的产物，其物质主要来自老铁山水道［30］。本文研究的LDC30孔位于砂脊北部区域，但沉积物粒度特征与潮流沉积物不一致，具有河流砂的特征。因此，LDC30位可能为高水位体系域下的河口沉积［301］。

研究区LDC30孔沉积物球粒陨石标准化配分模式(图4)与上地壳以及世界页岩相似，表明研究区物质主要来自于陆源的输入，这与前人研究结果相同［10］。由于各河流流域的母岩性质不同，造成不同河流及河口沉积物中稀土元素参数存在一定的差异。为进一步研究辽东湾周边河流输入物质对LDC30孔沉积物的影响，本文采用稀土元素参数(La/Yb)ucc与δ Eu进行物源的判别。下段(51～99 cm)稀土元素的参数分布比较集中(图7)，并且与大辽河、双台子河、小凌河较为相似，而与六股河、复州河差异明显。大辽河、双台子河、小凌河这三条河流入海沉积物矿物学等特征等相似［27］，由于稀土元素受重矿物的制约作用，因而其沉积物中稀土元素的(La/Yb)ucc与δEu图解也较为接近(图7)。上段(0～51 cm)物源判别图中显示沉积物稀土元素参数分布相对分散，与河流沉积物参数对比发现，LDC30孔上段物源与下段基本相同，同样也主要来自于大辽河、双台子河、小凌河，与六股河、复州河存在明显差异，除此之外，滦河可能存在一定的贡献。大辽河、双台子河、小凌河都是位于辽东湾湾顶的河流(图1)，这些河流虽然与LDC30距离相对较远，但是其年径流量与输沙量都比较大(表1)，并且加上辽东湾内主要的环流(冬季环流)的作用(图2)，使得河流的输入物质被搬运到研究区内;而六股河、复州河的年径流量与输沙量非常小，尤其是复州河，其年输沙量为16.8×104t，因此，这两条河流的沉积物很难被输送到研究区。因此，六股河、复州河物质的输入对岩芯LDC30沉积物的沉积基本上没有影响。滦河虽然年输沙量较大(表1)，但是由于辽东湾内主要的海洋水动力作用，冬季为顺时针环流，滦河入海物质在沿岸流的作用下向北运移;夏季，入海物质在沿岸流的作用下向南运移，因此滦河入海沉积物对研究区沉积物影响较小，但是可能在洪水或风暴潮的情况下，滦河可能成为LDC30沉积物的物质来源之一。因此，LDC30孔沉积物主要来源于辽东湾北部河流(大辽河、小凌河、双台子河等)，同时辽东湾西部河流滦河可能对LDC30孔上段沉积物有一定贡献。

4 结论

(1)辽东湾南部LDC30孔沉积物ΣREE平均值为149.49 μg/g，低于全球沉积物 ΣREE的平均值。沉积物(La/Yb)N平均值为11.01，呈现轻稀土明显富集，重稀土相对亏损的特征;并且轻重稀土内部分异明显。Eu中度亏损，δEu均值为0.71，Ce无异常。整个岩芯稀土元素含量变化趋势比较明显，从底层到岩芯顶部REE呈现先稳定后增加的趋势，可以51 cm为界将岩芯划分为两段。

图 7 LDC30孔沉积物(La/Yb)ucc与δEu物源判别图Fig.7 Discrimination plot of(La/Yb)ucc and δ Eu for sediments of Core LDC30

(2)LDC30孔沉积物粒径介于4.79～5.95 φ之间，粒度较粗。REE组成参数与粒度之间无明显的相关性，而辽东湾重矿物组成与REE组成特征存在相关性，表明岩芯REE组成以及分异特征不受粒度的控制，但是受到重矿物的影响。

(3)对辽东湾南部LDC30孔沉积物物源分析发现，该孔沉积物具有强烈的陆源特征，并且其物质来源比较稳定，其沉积物主要来源于辽东湾北部河流(大辽河、小凌河、双台子河等)，同时辽东湾西部河流滦河可能对LDC30孔上段沉积物有一定贡献。

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