南黄海陆架长江与黄河埋藏古河道判别研究

宋召军 , 高 泺 , 顾畛逵 , 杜家鹏, 余继峰 , 周 金 , 王中波

(1.山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室, 山东 青岛 266590; 2.山东科技大学 地球科学与工程学院,山东 青岛 266590; 3.天津大港油田矿区工程服务公司, 天津 300280; 4.国土资源部青岛海洋地质研究所,山东 青岛 266071)

海底埋藏古河道研究, 不仅对探讨陆架古环境演变具有重大意义, 而且对解决陆架开发中的灾害地质和环境地质问题也具有实际的应用价值, 一直受到学术界的广泛关注。长江、黄河作为我国两条最大的河流, 其地质背景、水文条件、地貌以及沉积特征等方面都具有很大差异。长江、黄河在末次冰期又都曾集中在苏北注入黄海盆地, 对黄海古环境演变产生重要而复杂的影响。长江以多水、少沙、物质细、较稳定为主要特征, 流域内岩石类型极为多样; 黄河以少水、多沙、物质细、易摆动为主, 流域内岩石类型较为单一, 差异很大。这些差别为区分识别两条河流的沉积物提供了依据。本文通过对长江、黄河埋藏古河道的断面特征、河型以及河道区沉积物等方面分析, 进而对南黄海陆架长江、黄河埋藏古河道进行有效判识, 对我国陆架古河道的深入研究和黄海环境的演变都具有重要意义。

1 埋藏古河道河型特征

通过对数千公里的南黄海西部陆架高分辨率浅地层声学剖面的研究发现, 末次冰期以来的黄河、长江埋藏古河道在河道断面形态和河型等方面存在着一定的差异。苏北岸外黄河埋藏古河道发育规模普遍较小, 河床下切较浅, 埋藏深度在 25 m以内, 一般以5~15 m深度为主, 其河道断面形态以不对称型和紧密相连型(图1 a, b)为主要特征, 而从时间上看,又很少见到多期连续发育的继承型河道, 总体上反映出古黄河水系在横向上易变动的运动特点。长江埋藏古河道相对于黄河古河道而言发育规模较大,河床下切也较深, 埋藏深度在 35 m以内, 一般以10~30 m深度范围为主, 断面宽度数值也较为平均,多在800~2 000 m范围内。在河道的断面形态上, 古长江河道是以较大尺度的对称型和多期叠加型河道为主(图2 a, b), 这不仅反映了古长江较古黄河在空间上不易变动的特点, 也反映出古长江较古黄河在时间上表现得更为稳定。

图1 古黄河水系典型埋藏河道声学剖面

图2 古长江水系典型埋藏河道声学剖面

依据埋藏古河道断面的形态参数, 利用比降-河宽法对苏北岸外长江、黄河埋藏古河道的河型进行研究。结果表明, 末次冰期以来苏北岸外黄河埋藏古河道以曲流河为主, 这与李凡等[1]研究南黄海西部(老黄河口附近)埋藏古河道的结果相一致; 苏北岸外长江埋藏古河道以辫状河为主, 这与刘奎等[2]研究长江口外内陆架埋藏古河谷的结论相符。

2 河流入海沉积物元素地球化学特征

长江与黄河沉积物的常量元素组合及其含量特征不同。长江沉积物中的K、Fe、Mg、Pb、Al等元素含量较高, 其中Fe、Mg含量在长江和黄河沉积物中相对偏差达40%以上, 黄河沉积物以富含Ca、Na为特征[3-8](表1), 其相应的氧化物 K2O、Fe2O3、MgO、Al2O3等长江沉积物中含量高, Na2O、CaO黄河沉积物中含量高[9](表1)。

表1 长江与黄河沉积物元素含量对比

长江沉积物中富集绝大多数微量元素, 仅仅Ba、Sr、Th在黄河沉积物中含量大于长江, 几乎所有微量元素在长江沉积物中都大于黄河沉积物; 长江沉积物中微量元素含量变化大, 而黄河数据较为集中(表1)。其中 Zn、Pb、Co、Ni、Mn、Cu和 Ti等元素含量在长江和黄河沉积物中相对偏差达到了30%以上, 说明这些元素在长江沉积物含量丰富密集。Ti在表生地球化学环境中比较稳定, 常被用来判别物源[10], 由表1可以看出, 长江沉积物Ti质量比平均达到5 600 μg/g, 而黄河沉积物Ti质量比低于3 950 μg/g, 据此可利用沉积物的Ti 含量来识别沉积物物源。

这种元素差异主要受到黄河、长江流域的区域地质和气候条件限制[11]。黄河流域以物理风化作用为主, 导致黄河沉积物中富集了 Ca、Na、Ba和 Sr等元素; 长江流域化学风化作用较强, 致使长江沉积物中易迁移的 Ca和 Na等元素流失, 富集了难迁移的Fe、Al、Mn和Ti等元素。

此外, 长江和黄河沉积物中的稀土元素的含量也存在显著差异。长江沉积物中的细粒级(<63 μm)组分的稀土元素( REE) 含量粒级明显高于黄河沉积物, 长江沉积物比黄河更富集轻稀土元素(LREE)[12]。利用长江与黄河沉积物中稀土元素含量的差异可以有效进行物源判别。如运用判别函数对南黄海中部钻孔(NT1)中沉积物稀土元素研究发现, NT1孔上部(0~7.70 m)、中部( 16.60~40.0 m) 和下部(50.70~69.76 m)以长江源为主, 其余两段(7.70~16.60 m)和(40.60~50.70 m)沉积物以黄河源为主[13]。

3 河流入海沉积物矿物特征

3.1 黏土矿物组合

长江、黄河沉积物中黏土矿物组合基本相同,都为伊利石+蒙皂石+绿泥石+高岭石[14-17], 但含量有一定差别(表2)。何梦颖等[15]系统地研究了长江流域的黏土矿物, 表明长江沉积物中伊利石含量最高,蒙皂石含量最低, 长江沉积物中黏土矿物含量基本一致。范德江等[16]在黄河河口三角洲地区及其附近海域采集了多个典型样品, 通过X射线衍射物相分析和 ICP-AES成分分析等方法对黏土矿物组成进行研究分析, 结果表明黄河黏土矿物成分以伊利石为主, 蒙皂石含量高。在黏土矿物比值上(表2), 长江沉积物中伊利石/蒙皂石都在11以上, 黄河沉积物中该比值都在 6.5以下; 高岭石/绿泥石在两类沉积物中无明显差异。

表2 长江与黄河沉积物的黏土矿物含量比较

3.2 碳酸盐含量

从矿物种类看, 长江沉积物中碳酸盐以白云石为主, 含少量方解石; 黄河沉积物中碳酸盐包括方解石和白云石两种, 以方解石占绝对优势, 约是长江沉积物的2~3倍(图3), 两者沉积物的碳酸盐矿物含量均在8%~10%左右, 总量差别不大。

图3 长江、黄河沉积物中碳酸盐矿物含量图(修改自文献[19])

长江和黄河沉积物的碳酸盐含量随粒级的分布变化明显。长江沉积物碳酸盐含量随粒级变细而逐渐降低, 黄河沉积物碳酸盐含量随粒级变细而增加[19]。黄河碳酸盐的细粒级含量明显高于长江, 主要是由于黄河沉积物继承了所经流域黄土碳酸盐中以胶结物以及粉砂粒级的细粒级碎屑物[20-21]。

3.3 重矿物组合

长江和黄河输入的重矿物组合存在不同。这些矿物组合可以很好地指示其源岩性质及源岩分布[22-24]。长江入海沉积物中重矿物以角闪石-绿帘石-金属矿物为特征组合, 云母类、辉石、柘榴石和锆石含量较为丰富, 榍石、电气石、磷灰石和金红石常见[22,25]; 黄河入海沉积物中重矿物以云母-角闪石-绿帘石-金属矿物为特征组合, 柘榴石、锆石和榍石含量也较丰富, 电气石、磷灰石、金红石常见, 但含量极少[24,26]。云母类矿物在黄河沉积物中含量较高, 达 30%~40%, 而长江沉积物中含量仅为7%左右(表3)。黄河沉积物中富含黑云母, 高的黑云母/白云母、磁铁矿/钛铁矿和低的绿帘石/榍石、闪石类/辉石类可用于区别长江物源的矿物学示踪参数[27]。

表3 长江与黄河重矿物含量比较

长江与黄河入海沉积物中重矿物组成的差异与流域内的岩石组成以及气候条件有关系, 黄河沉积物大部分来源于黄土高原, 流域内气候相对寒冷干燥, 物理风化较强, 像云母类这种不稳定的矿物较容易保存,因而云母类含量极高[11]。而长江流域内源岩类型主要为岩浆岩和变质岩类, 流经区域气候温暖湿润, 化学风化作用较强, 使云母类等矿物风化变质, 含量相对较少; 而以高含量角闪石以及榍石、电气石、金红石和锆石等为代表的酸性–中酸性火成岩矿物组合出现[22,25],其中锆石已经成为长江流域物源的标志矿物[25]。

4 结语

通过对南黄海西部陆架埋藏古河道区浅地层声学剖面的研究以及综合分析河流入海沉积物特征,可以看出长江、黄河入海沉积物在元素地球化学和矿物组合等方面存在显著差异。

(1) 长江和黄河埋藏古河道河道断面特征不同。黄河埋藏古河道发育规模较小, 河道断面特征以不对称式为主; 长江埋藏古河道发育规模较大, 河道断面特征以对称式为主。从河型来看, 长江古河道以辨状型河道为主, 黄河古河道以曲流型河道为主。

(2) 长江与黄河入海沉积物中元素组合及其含量存在差异。长江河道相对富含K、Fe、Mg、Al和Pb等常量元素, 且微量元素种类也较为齐全, 而黄河河道则Ca、Ba、Sr、Th和Na等元素含量高于长江, 尤以高Ca、Ba和Sr为特征。此外, 长江和黄河沉积物中的稀土元素的含量也存在显著差异。

(3) 长江和黄河入海沉积物中黏土矿物组合都为伊利石+蒙皂石+绿泥石+高岭石, 但长江沉积物中伊利石含量高于黄河, 而蒙皂石含量低于黄河;在碳酸盐种类和含量上有较大差异, 长江沉积物中富含白云石, 而黄河沉积物中方解石含量高; 此外,黄河沉积物中富含黑云母, 高的黑云母/白云母、磁铁矿/钛铁矿和低的绿帘石/榍石、闪石类/辉石类可用于区别长江沉积物。

以上的差异可用于南黄海陆架长江、黄河埋藏古河道有效判别的依据。

[1] 李凡, 于建军, 姜秀珩, 等.南黄海埋藏古河系研究[J].海洋与湖泊, 1991, 22(6): 501-508.

[2] 刘奎, 庄振业, 刘冬雁, 等.长江口外内陆架埋藏古河谷的河型判别方法探讨[J].海洋湖泊通报, 2009, 1:79-87.

[3] 张忆, 石学法, 王昆山.长江口泥质区表层沉积物元素地球化学[J].海洋地质与第四纪地质, 2010, 30(3):61-70.

[4] 刘明, 范德江.长江、黄河入海沉积物中元素组成的对比[J].海洋科学进展, 2009, 27(1): 42-50.

[5] 杨守业, Jung Hoi-soo, 李从先, 等.黄河、长江与韩国Keum、Yeongsan 江沉积物常量元素地球化学特征[J].地球化学, 2004, 33(1): 99-105.

[6] 杨守业, 李从先, Jung Hoi-soo, 等.中、韩河流沉积物微量元素地球化学研究[J].海洋地质与第四纪地质,2003, 23(2): 19-24.

[7] 赵一阳, 鄢明才.中国浅海沉积物地球化学[M].北京:科学出版社, 1994.

[8] 韩桂荣, 徐孝诗, 辛春英.黄海、渤海埋藏古河道区沉积物的地球化学特征[C]//中国科学院海洋研究所.海洋科学集刊(40), 北京: 科学出版社, 1988: 79-86.

[9] 杨守业, 李从先.长江与黄河沉积物元素组成及地质背景[J].海洋地质与第四纪地质, 1999, 19(2): 19-26.

[10] Taylor S R, McLennan S M.The Continental Crust: Its Composition and Evolution[M].Oxford: Blackwell Science Ltd, 1985: 29.

[11] 范代读, 王扬扬, 吴伊婧.长江沉积物源示踪研究进展[J].地球科学进展, 2012, 27(5): 515-527.

[12] Yang S Y, Jung H S, Choi M S, et al.The rare earth element compositions of the Changjiang( Yangtze) and Huanghe(Yellow)River sediments[J].Earth and Planetary Science Letter, 2002, 201( 2) : 407-419.

[13] 蓝先洪, 张宪军, 赵广涛, 等.南黄海NT1 孔沉积物稀土元素组成与物源判别[J].地球化学, 2009, 38(2):123-132.

[14] 张军强, 刘健, 孔祥淮, 等.淮河中游沉积物中黏土矿物组合特征[J].海洋地质与第四纪地质, 2011, 31(1):21-29.

[15] 何梦颖, 郑洪波, 黄湘通, 等.长江流域沉积物黏土矿物组合特征及物源指示意义[J].沉积学报, 2011,29(3): 544-551.

[16] 范德江, 杨作升, 毛登, 等.长江与黄河沉积物中黏土矿物及地化成分的组成[J].海洋地质与第四纪地质,2001, 21(4): 7-11.

[17] Eisma D, Ji Z, Chen S, et al.Clay mineral composition of recent sediments along the China coast, in the Yellow Sea and the East China Sea[R].Texel:Netherlands Institute Voor Onderzoek der Zee , 1995.

[18] 杨作升.黄河、长江、珠江沉积物中黏土的矿物组合、化学特征及其与物源区气候环境的关系[J].海洋与湖沼, 1988, 19(4): 336-346.

[19] 杨作升, 王海成, 乔淑卿.黄河与长江入海沉积物中碳酸盐含量和矿物颗粒形态特征及影响因素[J].海洋与湖沼, 2009, 40(6): 674-681.

[20] 刘东生.黄土与环境[M].北京: 科学出版社, 1985:6-7.

[21] 陈骏, 仇刚, 杨杰东.黄土碳酸盐 Sr同位素组成与原生次生碳酸盐识别[J].自然科学进展, 1997, 7(6):731-734.

[22] 王中波, 杨守业, 李萍, 等.长江水系沉积物碎屑矿物组成及其示踪意义[J].沉积学报, 2006, 24(4):570-578.

[23] Morton A C, Hallsworth C R.Processes controlling the composition of heavy mineral assemblages in sandstones[J].Sedimentary Geology, 1999, 124(1-4):3-29.

[24] 李凡, 张秀荣, 孟广川, 等.晚更新世末期南黄海中部埋藏古三角洲的研究[J].海洋与湖泊, 1998, 1:67-72.

[25] 张风艳, 孟翊.长江口北支表层沉积物重矿物分布和磁学特征[J].海洋地质与第四纪地质, 2011, 31(1):31-41.

[26] 吴忱, 许清海, 阳小兰.论华北平原的黄河古水系[J].地质力学学报, 2000, 6(4): 1-9.

[27] 林晓彤, 李巍然, 时振波.黄河物源碎屑沉积物的重矿物特征[J].海洋地质与第四纪地质, 2003, 23(3):17-21.

[28] 王腊春, 陈晓玲, 储同庆.黄河、长江泥沙特征对比分析[J].地理研究, 1997, 16(4): 71-79.