长江口表层沉积物矿物磁性分区特征及其沉积环境指示意义

潘大东，王张华*，陈艇，高晓琴，李晓，战庆

(1. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海200062；2. 华东师范大学 地理科学学院，上海200062；3. 上海市地质调查研究院，上海200072)

长江口表层沉积物矿物磁性分区特征及其沉积环境指示意义

潘大东1，王张华1*，陈艇1，高晓琴2，李晓3，战庆3

(1. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海200062；2. 华东师范大学 地理科学学院，上海200062；3. 上海市地质调查研究院，上海200072)

本研究旨在揭示现代长江口不同沉积环境铁磁性矿物的分布差异，寻找有效识别河口-陆架沉积环境的磁学指标，以便更好地将环境磁学应用于河口古环境研究。在长江口及邻近陆架的6个沉积环境：汊道、拦门沙、三角洲前缘斜坡、前三角洲、前三角洲-陆架过渡区和残留砂区，采集表层沉积物样品，进行粒度和磁性测量。结果显示，χ和SIRM在汊道和拦门沙呈现显著高值，HIRM、χfd%、χARM、χARM/χ和χARM/SIRM在前三角洲和前缘斜坡呈现显著高值，反映了陆源物质输运距离和河口沉积动力对磁性矿物分布的控制作用。因此，参数组合HIRM、χARM、χARM/χ和χARM/SIRM可用于识别全新世地层前缘斜坡和前三角洲-陆架；参数组合χ、SIRM和S-20mT可尝试用于识别汊道和拦门沙环境。

沉积动力；磁性参数组合；沉积相识别；长江口

1 引言

沉积物磁性特征可反映磁性矿物的含量、类型和磁畴等信息，这些因子往往是沉积物物源、沉积动力和沉积环境等综合作用的结果[1]，因而沉积物磁性特征蕴含了丰富的环境信息，常被用作物源和古环境代用指标[2—6]。在河口三角洲地区，前人已经将磁学手段用于指示晚第四纪海平面波动[7]、恢复沉积环境[8—9]以及反映流域人类活动和土壤侵蚀[10—11]。Zheng等还将东海内陆架泥质区钻孔沉积物的磁性特征用于指示东亚季风波动[12]。

然而，由于磁性矿物易受氧化-还原环境及早期成岩作用影响[13—15]，沉积物的磁性往往具有多解性。长江口地区陆海交互作用强烈，水动力条件复杂，受长江冲淡水、苏北沿岸流、黄海沿岸流及台湾暖流的共同作用，存在多个重要锋面[16]，形成类型丰富的沉积地貌单元[17](见图1)。为了使环境磁学手段在该区钻孔沉积相判别中得到更好的应用，尤其是协助区分具有相似沉积构造地层的沉积环境，我们认为首先必须弄清长江口及邻近陆架现代沉积环境中磁性矿物的空间分布特征和机制。因此，本研究利用表层沉积物样品进行环境磁学分析，检查长江口表层沉积物磁性特征及磁性矿物沉积相分异。

2 样品和方法

2.1 样品来源和分区

我们于2012年3月在国家自然科学基金委公共航次上获得22个长江口表层沉积物样品(图1)，自陆向海采样站位属于5个沉积地貌单元[17]：汊道、三角洲前缘斜坡、前三角洲和内陆架泥质区(以下简称前三角洲)、前三角洲与陆架过渡区(以下简称过渡区)以及残留砂区(表1)。其中，汊道样品来自南支和南槽，三角洲前缘斜坡样品来自九段沙口外水深20 m以浅区域。由于该航次没有采集到拦门沙样品，我们利用国土资源部公益项目在横沙浅滩和崇明浅滩实施的钻孔HZK8和ZK1(图1)，取顶部1 m沉积物作为拦门沙表层样。

图1 研究区域及站位分布Fig.1 Location of the study area and surficial sediment samples

表1 长江口表层样站位信息

Tab.1 Site information of surficial sediment samples at the Changjiang River mouth

采样部位站位水深/m纬度经度岩性描述汊道Y31431°30′N121°26′E泥质砂Y412 631°21′N121°40′E砂质沉积物Y58 431°08′N121°54′E砂质沉积物Y61031°00′N122°08′E含泥细砂拦门沙HZK85 331°14′N122°19′E粉细砂ZK15 231°22′N122°04′E细粉砂三角洲前缘斜坡E110 430°55′N122°15′E泥质沉积物Y71330°49′N122°24′E含泥细砂E21630°55′N122°29′E泥质沉积物前三角洲E32330°56′N122°45′E泥质沉积物Y821 330°39′N122°37′E泥质沉积物Y94330°27′N122°48′E泥质沉积物

续表1

2.2 研究方法

将所有样品在40℃烘干后，进行粒度分析和室温磁性测量。粒度分析采用LS13320型激光粒度仪。室温磁性测量包括以下多个指标。用MS2-B型磁化率仪测量低频(0.47 kHz)和高频(4.7 kHz)磁化率(χlf、χhf)，并计算出频率磁化率百分数χfd%=[(χlf-χhf)/χlf]×100。通过D-Tech2000交变退磁仪(交变磁场峰值100 mT，直流磁场0.04 mT)获得非磁滞剩磁(ARM)，并使用Minispin旋转磁力仪测定χARM(=ARM/0.318 4)。然后用Molspin脉冲磁化仪获得在20 mT、40 mT、100 mT、300 mT、1 000 mT、-20 mT、-40 mT、-100 mT、-300 mT磁场下的等温剩磁(IRM)，并用旋转磁力仪测定。将1 T磁场获得的IRM和IRM20mT分别作为饱和等温剩磁(SIRM)和软剩磁(SOFT)。最后计算硬剩磁HIRM=(SIRM+IRM-300mT)/2，退磁参数S-K%=[(SIRM-IRM-KmT)/(2×SIRM)]×100，K=20，40，100，300，以及各比值参数χARM/χ、χARM/SIRM及SIRM/χ。以上测试均在华东师范大学河口海岸学国家重点实验室完成。

主要磁性参数的指示意义：χ主要反映亚铁磁性矿物含量[18]。SIRM反映亚铁磁性(如磁铁矿)和不完整反铁磁性矿物(如赤铁矿、针铁矿)的含量[2]。HIRM只反映不完整反铁磁性矿物的含量。χfd%主要用来鉴定沉积物中细的铁磁晶粒(SP-FV)，一般当沉积物χfd%值达到5%左右时，就说明超顺磁物质较多[18]。χARM对稳定单畴亚铁磁性矿物颗粒极为敏感，因此χARM和χARM/χ强烈受到亚铁磁性矿物晶粒大小的影响，其高值反映单畴(SD)晶粒，而低值则指示多畴(MD)或假单畴(PSD)晶粒[19]。χARM/SIRM的高值一般指示了稳定单畴(SSD)铁磁晶粒[1，18，20]。S-K%用来定性区分铁磁性矿物、反映亚铁磁性矿物和不完整反铁磁性矿物的相对重要性，值越小，表明不完整反铁磁性矿物相对含量越高[21]。SIRM/χ既有助于分辨样品中单畴或多畴铁磁晶粒的相对重要性，也可用于判别磁性矿物类型[2，22]。

3 研究结果

3.1 粒度分布

沉积物粒度分析结果显示，6个地貌单元的沉积物颗粒组成差异明显(见图2)。汊道沉积物均为细砂，粒度频率曲线为单峰(见图2a)，峰值153.8～203.5 μm，平均粒径115.7～177.6 μm。拦门沙沉积物为粉细砂，粒度频率曲线也为单峰(见图2b)，但峰值和平均粒径减小为105.9～127.6 μm和61.7～110.1 μm。前缘斜坡粒度曲线变为双峰(见图2c)，主峰值19.8～21.7 μm，次峰4.5～6.2μm，平均粒径12.6～21.3 μm。前三角洲沉积物粒度曲线也呈双峰型(见图2d)，除靠近嵊泗岛的Y8站，其余样品峰值在7.7～8.5 μm和18.0 μm附近，两个峰强度相当，平均粒径11.5～14.0 μm，Y8站的平均粒径达28.9 μm。过渡区沉积物粒度曲线呈多峰型(见图2e)，除F6站外，主峰127.7～245.2 μm，其余5.4～25.3 μm，H8站还有次峰，位于102.3～110.5 μm，显示砂泥混合的特征，平均粒径变化很大，为12.7～173.5 μm。残留砂区沉积物粒度曲线呈单峰型(图2f)，峰值223.4～295.5 μm，平均粒径146.1～284.2 μm，为细中砂。

图2 长江口各沉积环境沉积物粒度曲线Fig.2 Volume curves in particle size for samples from differential sedimentary environments at the Changjiang River mouth

表2 长江口各站位室温磁性参数分布

续表2

图3 沉积物平均粒径和反映磁性矿物含量的参数分布Fig.3 Mean grain sizes and magnetic parameters of surficial sediments

图4 反映磁性矿物类型的参数分布Fig.4 Distribution of magnetic parameters indicating magnetic mineral types

图5 沉积物平均粒径和反映磁性矿物晶粒参数分布Fig.5 Distribution of magnetic parameters indicating magnetic mineral grain size

3.2 磁性特征

将反映铁磁性矿物含量、类型和晶粒大小的参数分组，分别置于图3～5。χ和SIRM在汊道均表现为最高值(见图3，表2)。χ的变化与沉积物平均粒径变化基本保持同步，即自陆向海逐渐减小，在前三角洲达到最小值，到过渡区和残留砂区再次增大(见图3b)。SIRM在汊道表现为最高值，拦门沙、前缘斜坡和前三角洲较为相似，到过渡区和残留砂区再次明显减小(见图3c)。

参数SOFT(见图4a，表2)在汊道和拦门沙最高，在过渡区最低，到残留砂区又略有回升；参数HIRM，在前缘斜坡和前三角洲区达到最高值，残留砂区显著低于三角洲区域(图4b)。退磁参数S-20mT最高值出现在拦门沙，其次为残留砂区和过渡区，最低值出现在前缘斜坡和前三角洲(见图4c，表2)。退磁参数S-300mT在各区差别较小，均超过90%(见图4d)，反映各区都以亚铁磁性矿物为主，不过也有细微差别，最高值出现在残留砂区，最低值出现在前三角洲。因此退磁参数与SOFT及HIRM相互验证，揭示了PSD/MD晶畴的亚铁磁性矿物富集于汊道及拦门沙，不完整反铁磁性矿物富集于前缘斜坡和前三角洲，残留砂区磁性矿物含量较低且以PSD/MD亚铁磁性矿物为主。

指示超顺磁晶粒的参数χfd%，在前三角洲均值达4.9%，前缘斜坡也呈现显著高值(见表2，图5b)，反映这两个区域超顺磁晶粒含量丰富甚至以超顺磁为主。拦门沙及过渡区部分样品超过了2%，反映也存在一定的超顺磁晶粒。汊道及残留砂区不含超顺磁晶粒。另一组磁性参数χARM、χARM/χ和χARM/SIRM也在前三角洲和前缘斜坡呈现显著高值，在过渡区呈现次高值(图5c～e)，反映前三角洲和前缘斜坡磁性矿物晶粒以SD为主。该组参数在过渡区各站间的变化较大，在F6和H8呈现显著高值，在其他站较小，反映过渡区粗细混合特征(见图5)；在汊道均为最低，在拦门沙和残留砂区为次低，指示这3个区以MD为主。上述磁性矿物晶粒大小的分布，与沉积物粒度分布相似，差别主要在于残留砂区沉积物虽然明显粗于汊道和拦门沙，但反映磁性矿物晶粒的参数却略高，指示矿物晶粒略小。

4 讨论

首先，三角洲前缘斜坡和前三角洲的SP和SD信号强烈(见图5b)，说明细颗粒亚铁磁性矿物的保存较好，早期成岩作用之一的磁性矿物溶解作用在长江口表层沉积物中不明显，推测这与沉积物物源供应丰富有关。而残留砂区虽然沉积物颗粒明显比长江口汊道和拦门沙粗，但磁性矿物的晶畴却略小，反映了在缺乏长江冲淡水和沉积物供应的海水环境中磁性矿物的溶解。此外，比值参数SIRM/χ及各退磁参数也没有显示自生铁硫化物的存在[22—23](见表2)。所以我们认为，本研究浅表层沉积物的磁性特征基本反映了陆源输入物质在河口区的分布特征。

χ和SIRM自河口汊道到前三角洲的减小(图3)，反映磁性矿物绝对含量自陆向海逐渐减少。同时，磁性矿物的类型和晶粒大小存在明显的沉积相分异，即粗颗粒的MD亚铁磁性矿物富集于汊道及拦门沙(图3)，细颗粒的SP和SD铁磁性矿物富集于三角洲前缘斜坡和前三角洲(见图5)。这种分布特征和沉积物粒度基本一致，反映陆源输入的磁性矿物进入河口后，其分布主要受沉积动力控制[24]，粗颗粒矿物滞留在河口近岸区，SP和SD矿物则主要向口外输送，甚至可以被远距离输送到陆架区。

值得注意的是，反映不完整反铁磁性矿物含量的参数HIRM与反映SD晶粒的参数χARM及比值参数χARM/χ、χARM/SIRM分布一致(见图4，图5)，说明不完整反铁磁性矿物主要为SD晶粒或者其晶体以片状为主[25]，因此其分布也受沉积动力控制，主要向口外和陆架输送。这也解释了残留砂区的SIRM和HIRM低值(图3，图4)，即残留砂区的沉积物在晚更新世堆积时，虽然也形成于滨海环境[26—27]，但其沉积物粒径反映形成环境或末次冰消期海侵过程中的水动力强于现代长江口的汊道和拦门沙(见图2)，因此导致细颗粒或片状的不完整反铁磁性矿物含量很低。

由此，我们提出，磁性参数组合HIRM、χARM、χARM/χ和χARM/SIRM可以作为本区前三角洲和三角洲前缘斜坡沉积相的识别指标。尽管SP颗粒也富集于前三角洲和前缘斜坡，但是因其最优先被溶解的特征[13]，我们推测SP颗粒易受早期成岩作用影响，在地层中保存几率较小，因此不是沉积相识别的有利指标。SD的亚铁磁性矿物也较容易被溶解，但不完整反铁磁性矿物在所有铁磁性矿物中最难被溶解[28—29]，我们推测其在地层中的保存会优于SP和SD亚铁磁性矿物。所以推测上述参数组合可较好地应用于钻孔地层的沉积相识别。事实上，过去对长江水下三角洲ZK9孔全新世地层的环境磁学分析也显示[9]，上述各磁性参数在浅海陆架及前三角洲相显著高于下伏河口湾和潮滩相沉积，成为识别最大海泛面的有效指标。

本研究表层沉积物的结果还显示，受输运距离控制，拦门沙的χ和SIRM(尤其是SIRM)明显低于汊道砂体，但拦门沙的S-20mT却较高，反映拦门沙地区相对富集偏软的磁性矿物，而汊道砂体中磁性矿物类型更多样。因此对于钻孔地层中较难分辨的汊道砂体和拦门沙，磁性参数组合χ、SIRM以及S-20mT值得尝试。

另外，上述各种磁性特征在埋藏之后的早期成岩作用是否还会发生显著变化，还需要更多的钻孔研究来揭示。

5 结论

(1)长江口及邻近陆架表层沉积物的磁性特征反映早期成岩作用较弱，磁性矿物以陆源输入信息为主。

(2)磁性矿物在河口区的分布主要受输送距离和沉积动力控制，PSD/MD铁磁性矿物滞留于河口汊道和拦门沙，SP/SD磁性矿物和不完整反铁磁性矿物则向口外和陆架输送。

(3)磁性参数组合HIRM、χARM、χARM/χ和χARM/SIRM可作为长江口地层中前缘斜坡和前三角洲沉积相的识别指标；磁性参数组合χ、SIRM和S-20mT可尝试识别河口汊道和拦门沙。

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Mineral magnetic characteristics of surficial sediments and their implications for identifying sedimentary environments at the Changjiang River mouth

Pan Dadong1，Wang Zhanghua1，Chen Ting1，Gao Xiaoqin2，Li Xiao3，Zhan Qing3

(1.StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch，EastChinaNormalUniversity，Shanghai200062，China; 2.SchoolofGeographicalSciences，EastChinaNormalUniversity，Shanghai200062，China; 3.ShanghaiGeologicalSurveyInstitute，Shanghai200072，China)

This study attempted to reveal the distribution patterns of magnetic minerals in the various sedimentary environments of Changjiang River mouth and adjacent continental shelf，and assessed proxies of magnetic parameters for identifying sedimentary environments，and the obtained results would be used to better perform the paleo-environmental reconstruction. We collected surficial sediments from the following six sedimentary environments at the Changjiang River mouth and adjacent continental shelf: distributary channel，river mouth shoal，delta front slope，prodelta，transitional regions and relict sand，and measured their grain size and magnetic properties. The results showed that，significantly highχand SIRM values were obtained for sediments from the distributary channel and river mouth shoal，and high values of HIRM，χfd%，χARM，χARM/χandχARM/SIRM were measured for sediments from prodelta and delta front slope，indicating that the distribution of magnetic minerals was controlled by the dispersal of terrigenous sediments and hydrodynamic sorting. We proposed that for the Holocene stratigraphy，magnetic parameter assemblage of HIRM，χARM，χARM/χandχARM/SIRM could be the effective indicator for identifying prodelta and delta front slope，andχ、SIRM andS-20mTcan be used to recognize the distributary channel and river mouth shoal．

hydrodynamic sorting; magnetic parameters; identification of sedimentary facies; the Changjiang River mouth

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.05.010

2014-10-27；

2014-12-24。

国家自然科学基金项目(41176070)；河口海岸学国家重点实验室科研业务费项目(SKLEC-2012KYYW01)；国土资源部公益项目(201211009)。

潘大东(1983—)，男，重庆市巫溪县人，博士，主要从事河口—三角洲沉积地貌环境响应研究。E-mail:dadongdedou@163.com

*通信作者：王张华，教授，博士生导师，主要从事晚第四纪海平面变化及河口—三角洲沉积地貌环境响应研究。E-mail:zhwang@geo.ecnu.edu.cn

P512.2

A

0253-4193(2015)05-0101-11

潘大东，王张华，陈艇，等.长江口表层沉积物矿物磁性分区特征及其沉积环境指示意义[J].海洋学报，2015，37(5)：101-111，

Pan Dadong，Wang Zhanghua，Chen Ting，et al. Mineral magnetic characteristics of surficial sediments and their implications for identifying sedimentary environments at the Changjiang River mouth[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(5)：101-111，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.05.010