渤海湾西部表层沉积物粒度及黏土矿物特征分析

冯秀丽, 魏 飞, 刘 杰, 刘 潇, 徐 芳

(1.中国海洋大学 海洋地球科学学院, 山东 青岛 266100; 2.国家海洋局第一海洋研究所, 山东 青岛266061)

渤海湾位于黄河三角洲和滦河三角洲之间, 黄河、海河和滦河三大河流由渤海湾入海, 带来了丰富的陆源碎屑沉积物。渤海湾西岸是中国典型的粉砂淤泥质海岸, 海河、蓟运河等多条河流在本区入海,淤泥质潮滩开敞平缓。渤海湾西部海域水深较浅, 在波浪、潮流和入海河流等共同作用下, 由细颗粒泥沙组成的海底沉积物运动活跃, 同时又受到人类活动的影响, 导致西部海域水动力和沉积环境也相应发生变化[1]。前人对渤海湾西部的沉积物特征和沉积作用做了大量的研究, 施建堂[2]利用 1983年渤海湾西部的调查资料, 运用粒度、重矿物和黏土矿物分析,讨论了渤海湾西部的现代沉积特征; 田立柱[3]等人通过对渤海湾西部表层沉积物样品进行粒度分析,认为渤海湾西部沉积为来自东北部的粗组分与来自南部的细组分发生的混合沉积, 可能与渤海湾内双向环流有关。

沉积物粒度特征是沉积物输运、沉降和再分配过程的集中反映, 被广泛应用于判别沉积物来源、区分沉积环境、指示水动力的大小及其搬运能力的强弱等。黏土矿物是海洋沉积物中的重要组成部分, 在浅海区约占沉积物总量的1/4~1/3。黏土矿物物理化学性质独特, 对地质作用和地质环境的变化反映敏感, 因此对其组分、组合特征、形态结构特征、分布规律及成因研究对于阐明海洋沉积作用、追溯物质来源和反演沉积环境均具有重要意义[4]。本文利用在渤海湾西部海域以及沿岸入海河流中取得的表层沉积物样品, 通过粒度分析和黏土矿物分析, 研究渤海湾西部表层沉积物的粒度特征与规律, 并对研究区沉积物沉积环境和物质来源进行初步研究。

1 研究区概况

渤海湾位于渤海西部, 与莱州湾、辽东湾并称渤海的三大海湾。湾口北起河北省大清河河口, 南至山东半岛北岸的黄河口, 面积约为15 000 km2, 大约为整个渤海面积的1/7。本文的研究区位于渤海湾西部,地理坐标为 117°18'~117°57'E, 38°36'~39°11'N(图1)。

图1 研究区地理位置Fig.1 Position of the study area

渤海湾西部海底地形比较平缓, 平均坡度非常小, 约为0.3‰。研究区水深很浅, 一般平均小于10 m,由渤海湾西部近岸向海湾中央缓慢加深, 等深线基本与海岸线平行。渤海湾西岸的入海河流较多, 自北向南有蓟运河、海河、独流减河、子牙新河、北排水河等, 这些河流携带泥沙入海, 提供了大量的泥沙来源。渤海湾南侧的黄河以及北侧的滦河由于河流径流量和含沙量大, 为渤海湾提供了大量的泥沙。

渤海湾环流主要是由黄海暖流余脉和沿岸流组成。高盐的黄海暖流余脉从渤海海峡北部进入渤海中央并且延伸到渤海西岸, 由于海岸的阻挡分成南北两支, 南支伸入渤海湾后, 转折南下, 形成反时针方向的流动, 从渤海海峡南部流出渤海。而黄河冲淡水沿着渤海湾南岸向西运动, 形成顺时针方向的流动。因此渤海湾的环流体系为双环结构, 北部为反时针环流, 南部为顺时针环流[5](图2)。

图2 渤海流系示意图Fig.2 Sketch map of water circulation in the Bohai Sea

2 材料与方法

2.1 样品来源

本文研究样品为2009年在渤海湾西部海域所取56个表层沉积物以及2012年9月在渤海湾西岸主要入海河流所取20个表层沉积物, 总计76个表层沉积物样品。海中样品为乘船时使用蚌式取样器取样, 并以手持 GPS定位; 河流由于水深较浅, 通过手持铲子取样, 每条河流取样站位之间间距 5 km, 同样以手持GPS定位。

2.2 分析方法

2.2.1 粒度分析

样品粒度分析在中国海洋大学岩土实验室完成。分析仪器采用英国马尔文(MALVERN)公司生产的Mastersizer2000型激光粒度仪(测量范围为0.02~2 000 μm, 偏差<1%, 重现性D50<1%)。粒度分类标准采用国际通用标准乌顿-温德华氏等比制Φ值粒级标准; 沉积物分类和命名方法采用Shepard沉积物三角分类法; 粒度参数采用图解法计算, 主要参数包括平均粒径(Mz)、分选系数(δ)、偏态(Sk)、峰态(Ku)。粒度参数分级见表1。

表1 粒度参数分级Tab.1 Classification of grain size parameters

2.2.2 黏土矿物分析

对每个站位取50~100 g沉积物样品放入1 000 mL量筒中, 加入适量的 H2O2去除有机质, 待有机质除尽后, 加浓度为0.1 mol/L的六偏磷酸钠分散剂, 加水至 1 000 mL, 静置; 依据 Stokes沉降原理提取<2 μm的的悬浊液, 至少提取5次; 将悬浊液倒入离心杯, 离心后将提取液直接涂片并静置风干为自然片; 将自然片放入盛有乙二醇溶液的干燥器中, 在60℃烘箱中饱和24~36 h。

将获得的乙二醇饱和片进行 X射线衍射分析,获得其X射线衍射图谱。黏土矿物分析由中国海洋大学黏土矿物分析实验室测定, 测试所用仪器为日本产D/Max-rA型X射线衍射仪(Cu靶、管电压40 kV、管电流 80 mA、扫描范围(饱和片: 2.5°~30°)、步进长度(2θ)0.02°)。

3 结果与讨论

3.1 表层沉积物类型与分布

根据粒度分析成果绘制研究区海域沉积物类型分布图(图3)。研究区海域表层沉积物可划分为黏土质粉砂、粉砂和砂-粉砂-黏土3种类型。研究区海域沉积物以黏土质粉砂为主体, 约占样品总量的 90%,粉砂有几处零星分布, 面积不大。砂-粉砂-黏土仅有一处分布在北排水河河口处。

图3 表层沉积物类型分布图Fig.3 Distribution of categories of surface sediment

黏土质粉砂分布于整个研究区海域, 是该区最主要的沉积物类型。粉砂粒级含量在 53%~74%, 平均含量为67%, 以细粉砂为主, 平均含量为45%; 黏土粒级(主要为粗黏土)含量在 24%~45%, 变化较大,平均含量为30%; 砂粒级含量较低, 平均在2%左右;平均粒径为6.5~7.9Φ, 分选较差, 普遍为正偏。

粉砂在研究区有两处分布, 分别在研究区的南部及研究区北部蓟运河河口处, 面积不大。粉砂粒级含量在 75%~82%之间, 以细粉砂为主; 砂粒级含量较少, 一般在2%以下; 黏土粒级含量在17%~24%之间, 变化不大; 平均粒径Φ为 6.5~7, 分选较差, 全部为正偏。

砂-粉砂-黏土只在一个调查站位出现, 位于研究区西南部北排水河河口处。样品的粉砂含量为43%, 砂含量为31%, 黏土含量为26%。样品平均粒径Φ为5.7, 分选差, 为负偏。

3.2 粒度参数分布特征

根据沉积物粒度参数分布图(图4)可以看出: 研究区海域各站位表层沉积物平均粒径Φ为5.7~7.9,平均值为7.1, 沉积物颗粒整体偏细, 水动力较弱。海河以南沉积物平均粒径较海河以北偏细, 最小平均粒径出现在海河与独流减河之间的近岸海域(偏海河方向), 应该是南岸的细粒物质随着渤海沿岸流搬运受到扩建的天津港的阻挡而沉积于此。最大值出现在研究区西南部北排水河河口附近, 应该是来自北排水河的粗颗粒物质在此沉积。由岸到海, 沉积物平均粒径的整体上逐渐变细, 只有在蓟运河河口沉积物的平均粒径的变化趋势为由细变粗再变细。

图4 沉积物粒度参数等值线Fig.4 Contour sediments size parameters of

研究区海域表层沉积物分选系数变化范围为1.35~3.11, 平均值为 1.7, 绝大多数样品的分选系数在1~2之间, 分选较差, 说明研究区水动力较弱, 分选沉积物能力较差。分选系数高值区为研究区东北部,δ大多数大于 2; 最低值出现在海河与独流减河之间的近岸海域(偏海河方向),δ小于1.6。分选系数的大致变化规律为由研究区西南向东北逐渐增大,由岸到海逐渐增大。分选系数的低值区对应样品的平均粒径较粗。

研究区海域表层沉积物偏态变化范围为–0.24~0.33, 平均值为 0.15。大部分站位为正偏, 偏度为0~0.25。负偏站位仅有三处, 分别位于北排水河河口,海河河口外以及研究区最北部。偏度高值区域位于研究区南部, 由南向北偏度值逐渐减小。

研究区海域表层沉积物峰态范围为 0.7~1.4, 平均值为 1.0。整个研究区海域峰态变化不大, 绝大部分沉积物峰态介于0.9~1.1之间。峰态最大值和最小值分别出现在蓟运河河口(1.4)和北排水河河口(0.7)。绝大部分样品的粒度频率曲线为单峰, 接近常态,说明研究区海域水动力和物源比较单一, 沉积环境比较稳定。

总体来说, 由岸到海, 随着水深的增加, 沉积物的平均粒径变细, 水动力变弱, 分选系数变大, 分选沉积物的能力变差, 偏态变小。偏态多数为正偏, 高值区对应着较粗沉积物。

3.3 沉积动力环境分区

为了分析研究区表层沉积物的沉积动力环境特征, 本文采用 Flemming三角图示法[6], 从沉积物组成及其反映的水动力强弱来区分沉积物的沉积环境和亚沉积环境。Flemming三角图示法在黄河三角洲沉积特征和环境演变研究[7-8]、连云港近岸海域沉积环境研究[9]、广西钦州海湾[10]表层沉积物沉积动力条件等的研究上均有良好的效果。

Flemming三角图示法首先定义了沉积物中各组成部分的粒级划分标准: 粒径在0.063~2 mm之间的颗粒为砂, 在0.002~0.063 mm的为粉砂, 小于0.002 mm的为黏土; 同时以沉积物中砂的百分含量为 95%,75%, 50%, 25%, 5%作为界线将Flemming三角划分为6个组别, 依次为S、A~E, 从S到E代表沉积物粒径越来越细; 按沉积物中黏土和粉砂的总百分含量为10%, 25%, 50%, 75%, 90%为界线将三角形划分为6个不同的水动力区(Ⅰ~Ⅵ)。Flemming三角图示法将三角图分为25个区块, 分别代表不同的沉积结构, 可用于指示不同的沉积动力环境, 从A到D, 从Ⅰ到Ⅵ, 表征的沉积动力环境越来越弱。

根据Flemming三角图示法的沉积物粒度分类方法, 本文将各站位沉积物样品中黏土、粉砂和砂的百分含量用Flemming三角图法进行分析, 将各样品参数落在 Flemming三角图中(图5)。从图中可以看出,各站位粒度参数基本落在 DⅢ、EⅡ和 EⅢ区, 说明研究区沉积动力相对较弱, 这与该海域沉积物主要为黏土质粉砂且分选较差基本吻合。

图5 研究区各站位粒度参数在Flemming三角图中的位置Fig.5 The position of grain-size parameters of each station in Flemming

3.4 黏土矿物组成与分布特征

黏土矿物主要在<2 μm 组分的沉积物中富集,根据黏土矿物数据处理方法, 将研究区海域与入海河流表层沉积物样品中<2 μm 组分的蒙皂石、伊利石、高岭石和绿泥石族矿物相对含量分别进行估算。得出研究区海域表层沉积物中的黏土矿物组合特征与入海河流中一致, 均为伊利石-高岭石-绿泥石-蒙皂石。研究区海域黏土矿物组成与分布特征如下。

(1) 伊利石

伊利石是研究区近海表层沉积物中含量最高的黏土矿物, 含量变化范围为70.4%~75.7%, 平均值为73.0%。其高含量区分布于整个研究区海域, 低含量区零星分布在天津港南北两侧、独流减河河口处近岸海域以及子牙新河河口附近。总体分布趋势为由岸到海含量逐渐增加, 海河南部伊利石含量高于北部(图6)。

伊利石是黏土矿物中最稳定的物相之一, 在整个近海都是优势矿物。伊利石在本区的分布趋势大致与表层沉积物平均粒径分布趋势相一致, 说明伊利石含量分布受水动力影响比较明显。在沿岸入海河流河口处含量较低, 随着离岸距离的增加, 伊利石含量逐渐增高, 是对高能河水入海后能量减弱的反映。河口近岸区水动力作用较强, 中心区水动力相对较弱, 所以具有片状或者鳞片状特征的伊利石容易从近岸区搬运到水动力弱的中心区富集沉积[11]。

(2) 高岭石

高岭石是研究区另一种主要的黏土矿物, 含量变化范围为13.2%~16.4%, 平均值为14.8%。伊利石含量与高岭石含量呈明显的负相关关系(图7), 两者含量之比介于4.3~5.7, 平均为4.9。其比值变化与伊利石含量的变化趋势大致相同, 由近岸向海方向逐渐增高。

图7 伊利石与高岭石相关关系图Fig.7 Relationship of Illite and Kaolinite

研究区海域高岭石的含量分布如图6所示。高岭石的分布特征与伊利石刚好相反, 总体分布趋势为由近岸向海含量逐渐减小。这主要是由于近岸水动力作用比较强, 具有粒状或者板状特征的高岭石在近岸沉积相对较快。

(3) 绿泥石

绿泥石在研究区海域中的含量较少, 变化范围也不大, 在7.1%~10.5%, 平均值为9.1%。绿泥石的分布特征与伊利石和高岭石的分布特征不尽相同, 由近岸向海方向, 绿泥石的含量先增加再减少, 南北方向绿泥石含量变化不明显(图6)。

(4) 蒙皂石

蒙皂石为研究区海域中含量最少的黏土矿物,含量变化范围为 1.3%~6.6%, 平均值为 3.1%。蒙皂石的分布特征为: 海河南部由近岸向海方向, 蒙皂石的含量逐渐减少; 海河北部由近岸向海方向, 蒙皂石的含量逐渐增加(图6)。

图6 黏土矿物含量(%)分布特征图Fig.6 Content and distribution maps of clay minerals

3.5 物源分析

前人对于渤海湾西部表层沉积物的沉积特征和物质来源做过大量研究工作: 施建堂[2]研究认为, 滦河入海泥沙在冬季东北向强风浪作用下, 在渤海湾北部沿岸沉积; 海河、蓟运河等河流对渤海湾西部沉积起一定的作用; 在夏季频繁的东南风作用下, 黄河河口处的泥沙经风浪掀起再悬浮, 在潮流的作用下不断向渤海湾西部运移。本文通过对渤海湾西部以及海河等渤海湾西岸入海河流中表层沉积物粒度和黏土矿物的研究, 结合前人对黄河、滦河中粒度和黏土矿物的研究资料, 对渤海湾西部表层沉积物的物质来源进行分析。

3.5.1 滦河

滦河河口沉积物颗粒比较粗, 以砂为主, 沉积物粒度众值出现在560 μm处[12], 细砂、粉砂质砂等细粒物质在东北向强风浪作用下, 沉积在渤海湾北部沿岸形成一系列滨岸沙坝。研究区海域沉积物颗粒较细, 主要为黏土质粉砂, 沉积物众值出现在 13和60 μm处, 与滦河沉积物在粒度方面差别很明显。

滦河沉积物中黏土矿物的组合特征为蒙皂石-伊利石-高岭石-绿泥石, 含量分别为 63%, 27%, 5%和5%[12]。研究区海域沉积物中黏土矿物的组合特征为伊利石-高岭石-绿泥石-蒙皂石, 含量分别为 73%,15%, 9%和3%。两者在黏土矿物组合特征和含量上均有明显差异, 造成这种差异特征的主要原因为物源特征的差异。研究表明, 蒙皂石容易由火山物质或者火山岩风化形成, 滦河所携带的入海物质大都为火山岩与变质岩的风化产物[11], 所以黏土矿物中蒙皂石含量很高。渤海湾西部陆上岩石中基本不含火山岩和变质岩, 因此黏土矿物中蒙皂石含量很低。

滦河沉积物和研究区沉积物在粒度特征和黏土矿物特征方面上的明显差别可以判定研究区海域沉积物基本没有受到滦河物质的影响。

3.5.2 黄河

黄河沉积物粒度比较细, 主要为黏土质粉砂,沉积物粒度众值出现于11和38 μm, 夏季在频繁的东南风作用下, 入海泥沙被风浪掀起, 在渤海湾环流的作用下不断向渤海湾西部运移, 有些学者认为这些黄河泥沙能被搬运到海河口附近。研究区海域沉积物粒度虽然与黄河沉积物一致, 也为黏土质粉砂, 但是两者之间的粒度特征还是存在一定差别。黄河沉积物平均粒径在0.015~0.028 mm, 属于中粉砂,研究区海域沉积物粒径主要在 0.004~0.032mm, 属于细粉砂。

黄河沉积物中黏土矿物的组合特征为伊利石-蒙皂石-绿泥石-高岭石, 含量分别为 62%、16%、12%和 10%[13], 与研究区海域沉积物中黏土矿物的组合特征和含量有较大差别, 造成这种差异的主要原因为物源和气候差异。黄河流域中游分布大面积的黄土, 黄土地区植被覆盖率低、水土流失严重、物理侵蚀作用大, 从黄土侵蚀下来的物质构成了黄河沉积物的基本来源。黄河沉积物很大程度上继承了黄土的特征, 如黄土的蒙皂石含量较高[13]。黄河中上游气候干旱寒冷, 伊利石指示干冷气候, 因此黄河沉积物中伊利石和蒙皂石含量高。蒙皂石是四种黏土矿物中粒度最小的, 在外海含量比近岸高, 容易随水搬运。研究区海域黏土矿物中蒙皂石平均含量仅为3%, 与黄河沉积物中蒙皂石含量差别很大, 可以判定黄河物质对研究区海域沉积物影响比较小。

为了进一步研究和区分研究区海域沉积物与入海河流的物源关系, 本文根据渤海湾西部表层沉积物41个样品黏土矿物组分数据以及海河等渤海湾西岸入海河流中选出的6个代表性黏土矿物组分数据,结合前人对黄河和滦河沉积物黏土矿物的研究结果,以伊利石、蒙皂石、高岭石+绿泥石为端元作三角端元图(ISKc 图)(图8)。

从图8中可以清晰的区分研究区海域沉积物与几条河流沉积物。研究区海域所有样品的ISKc投影与海河、蓟运河等西部沿岸入海河流的投影一致, 说明本研究区海域沉积物黏土矿物的来源与海河等沿岸入海河流密切相关, 主要为海河型物质。从 ISKc图可以看出, 滦河沉积物投影与研究区海域沉积物投影相距甚远, 两者之间差异明显, 说明滦河沉积物对研究区海域基本没有影响; 黄河沉积物投影与研究区海域沉积物投影有些差距, 两者在黏土矿物组合特征和含量上的差别说明黄河沉积物对研究区海域的影响已经变的比较小。

图8 黏土矿物三角端元图Fig.8 Triangle endmember map of clay minerals

4 结论

1) 研究区海域表层沉积物类型有黏土质粉砂、粉砂和砂-粉砂-黏土三种。黏土质粉砂分布于整个研究区, 是研究区最主要的沉积物类型, 约占研究区的90%。海河以北沉积物较粗。

2) 用 Flemming三角图法分析研究区的沉积动力环境特征, 研究表明各站位粒度参数基本落在DⅢ、EⅡ和 EⅢ区, 说明研究区海域沉积动力相对较弱, 这与该海域沉积物主要为黏土质粉砂且分选较差基本吻合。

3) 研究区海域表层沉积物中黏土矿物以伊利石为主, 黏土矿物组合为伊利石-高岭石-绿泥石-蒙皂石, 与海河、蓟运河等渤海湾西岸入海河流沉积物中的黏土矿物组合特征相同。

4) 对研究区表层沉积物粒度特征、黏土矿物特征及前人对于黄河、滦河的研究资料, 结合黏土矿物三角端元图(ISKc图)进行对比分析。结果表明, 研究区的表层沉积物主要来源于海河等渤海湾西岸入海河流中的陆源碎屑物, 滦河对研究区表层沉积物基本没有影响, 黄河对研究区海域表层沉积物的影响变的比较小。

[1] 张立奎.渤海湾海岸带环境演变及控制因素研究[D].青岛: 中国海洋大学, 2012.

[2] 施建堂.渤海湾西部的现代沉积[J].海洋通报, 1987,6(1): 22-26.

[3] 田立柱, 耿岩, 裴艳东, 等.渤海湾西部表层沉积物粒度特征与沉积混合[J].地质通报, 2010, 29(5):668-674.

[4] 宋召军, 张志珣, 余继峰, 等.南黄海表层沉积物中黏土矿物分布及物源分析[J].山东科技大学学报,2008, 27(3): 1-4.

[5] 邹昊.渤海湾北部沉积物分布特征及沉积环境[D].青岛: 中国海洋大学, 2009.

[6] Flemming B W.A revised textural classification of gravel-free muddy sediments on the basis of ternary diagrams [J].Continental Shelf Research, 2000, 20:1125-1137.

[7] 任韧希子, 陈沈良.黄河三角洲的沉积动力分区[J].上海国土资源, 2012, 33(2): 62-68.

[8] 任韧希子.黄河三角洲沉积特征与环境演变研究[D].上海: 华东师范大学, 2012.

[9] 范恩梅, 陈沈良, 张国安.连云港近岸海域沉积物特征与沉积环境[J].海洋地质与第四纪地质, 2009, 29(2):33-40.

[10] 张伯虎, 陈沈良, 刘焱雄, 等.广西钦州湾海域表层沉积物分异特征与规律[J].热带海洋学报, 2011, 30(4):66-70.

[11] 何良彪.渤海表层沉积物中的黏土矿物[J].海洋学报,1984, 6(2): 272-276.

[12] 刘建国.全新世渤海泥质区的沉积物物质组成特征及其环境意义[D].青岛: 中国科学院海洋研究所, 2007.

[13] 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): 7-12.