舟山群岛表层沉积物粒度和黏土矿物分布特征与物源指示

沈昆明蒋玉波李安龙翟 滨

(1.中国海洋大学 河口海岸研究所 海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东 青岛266100;2.盐城师范学院 城市与规划学院,江苏 盐城224007;3.中国地质调查局 青岛海洋地质研究所,山东 青岛266071)

表层沉积物的粒度特征是海洋地质学中判断自然地理环境及水动力条件的重要标志,粒径参数广泛应用于沉积物的物质来源分析、沉积特征研究及沉积环境鉴别[1-3]。因此,大量学者利用粒度数据反演沉积环境,并对表层沉积物的粒度分布特征、沉积动力环境和运移趋势等进行了深入研究。

舟山群岛及邻近海域位于东海陆架区西北部、长江口东南侧、杭州湾外缘。该海域海流主要由东海沿岸流、长江冲淡水、台湾暖流等组成,季节性变化显著。受沿岸流影响,长江口入海泥沙经舟山群岛向东南搬运到水深小于60 m 的内陆架区域[6-8]。舟山群岛及邻近海域海底地形较为平坦,整体自西北向东南缓倾,岛屿密布,潮流作用复杂,岛屿间以峡道沉积作用为主,泥沙输运具有北进南出特征[9-10]。分析该海域表层沉积物的物质来源及分布规律,可为海洋资源可持续开发利用提供指导。

前人对舟山群岛表层沉积物的研究主要集中在沉积动力特征、沉积物输运通量、泥沙运移趋势等[4]。研究表明舟山群岛及附近海域为典型往复流,岛屿间泥沙输运沿水道方向。目前对于研究区域的沉积物类型及粒度参数分布特征、沉积动力环境分区、沉积物物质来源分析研究尚有不足。本文则利用粒度数据,运用Flemming三角分类法,更全面分析沉积环境,同时选取部分站位样品进行黏土矿物和黏土矿物组合类型分析,探讨研究区域的物质来源[5]。

1 材料与方法

表层沉积物样品于2006 年采集,每个站位均采用DGPS差分定位,误差≤5 m。使用箱式取样器和柱状取样器取得152个表层沉积物样品,取样位置见图1,其中柱状取样器所取的柱状样选取表层样,取149个样品和50个样品分别进行粒度与黏土矿物分析。

含砾沉积物样品采用筛析法,无砾沉积物样品采用激光法。无砾沉积物先进行预处理：取适量样品混合均匀后,先后加入适量30%的双氧水、浓度为3 mol/L的盐酸,以去除样品中的有机质与碳酸盐,然后用蒸馏水进行离心清洗(设置转速4 000转/min,时间为10 min,离心2～3次),之后添加0.5 mol/L Na6PO18溶液浸泡样品。粒度分析工作在南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室粒度分析室完成,使用的仪器为英国Malvern公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度仪,其中仪器测量范围为0.02～2 000μm,多次测量的相对误差不大于3%。黏土矿物分析工作在国土资源部海洋地质实验检测中心完成,使用的仪器为日本理学D/Max-r A 型X 射线衍射仪,Cu靶,仪器工作管压40 KV,管流70 m A,步进长度(2θ)0.02°,选用经乙二醇处理样品的定向片的X 射线衍射图谱对黏土矿物进行分析。

图1 舟山群岛周边海域表层沉积物取样站位分布Fig.1 Location of the surface sediment sampling stations in the sea areas around Zhoushan Islands

表层沉积物粒度分析中沉积物粒级采用Udden-Wentworth的φ粒级标准,利用Ma Mcnus的矩值法得出粒度参数(平均粒径、分选系数、偏态、峰态),沉积物的分类和定名采用利用Folk 三端元分类法[11]。黏土矿物的半定量分析是采用Biscaye方法(1965)计算4种黏土矿物(蒙脱石、伊利石、高岭石和绿泥石)的相对含量,蒙脱石(17Å)：伊利石(10Å)：高岭石+绿泥石(7Å)强度因子取1∶4∶2。

利用Flemming三角分类图划分研究区沉积动力环境,采用Flemming三角图解法对研究区域表层沉积物的动力环境特征进行分析,依据沉积物中砂、粉砂和黏土相对含量大小及其粒度参数特征将三角图划分为25个不同区域,以区分其沉积动力环境和亚环境。沉积动力分区由两部分组成,以砂的质量分数为节点作为水平结构分类标志线,依次为5%,25%,50%,75%和95%,构成S-E共6个区域,从S到E粒径逐渐变细;以黏土和粉砂质量分数为节点作为三角结构分类标志线,依次为10%,25%,50%,75%和90%,构成Ⅰ～Ⅵ 六个水动力分区,投影点离黏土和粉砂端越近表明水动力越弱[12-14]。

2 结 果

2.1 表层沉积物粒度特征

2.1.1 沉积物类型及其分布特征

采用folk三角分类命名法将研究区域表层沉积物进行分类,沉积物类型及其含量见表1。其中,共有5个站位含砾,含砾站位的砂的含量均远高于粉砂、砾和黏土含量总和,含砾表层沉积物分为砂(S)和砾质砂(gS)两种类型。共有144个站位不含砾,多数站位的粉砂含量高于砂和黏土含量,无砾表层沉积物分为粉砂(Z)、砂质粉砂(sZ)、粉砂质砂(zS)和砂(S)四种类型,其中粉砂和砂质粉砂分别占样品总数高达80.5%和14.1%。

表1 表层沉积物类型及质量分数Table 1 Types and contents of the surface sediments

研究区域内沉积物分布具有较大的空间异质性(图2),其中粉砂分布范围最广,砂质粉砂和砂次之,砾分布范围最小：

1)粉砂主要分布于舟山群岛的开阔海域,呈片状分布在舟山群岛海域,如北部、东部和南部海域,而在岛屿附近分布较少,反映了该海域水动力较强。平均粒径为6.1φ～7.3φ,均值为6.77φ;分选系数为1.38～1.90,均值为1.66;偏态为-0.82～1.61,均值为1.22,以正偏为主。

2)砂质粉砂主要分布在衢山岛至桃花岛岛屿之间的附近海域,如衢山岛西部和南部、岱山岛南部、大长涂山南部和桃花岛南部小范围海域,在岛屿附近分布广泛。平均粒径为5.19φ～6.27φ,均值为5.92;分选系数为1.8～2.1,均值为1.93;偏态在0.91～1.93,均值为1.56,以正偏态为主。

3)砂主要分布于舟山岛与桃花岛之间的峡道区域。表层沉积物平均粒径为0.84φ～1.64φ,均值为1.36;分选系数为0.79～1.20,均值为0.95;偏态为-0.58～0.97,均值为0.57,以正偏态为主。

图2 研究区沉积物类型及分布Fig.2 Sediment types and their distributions in the study area

2.1.2 粒度参数及其分布特征

舟山群岛表层沉积物平均粒径多介于5.5φ～7.5φ,平均值为6.4φ,泥沙颗粒总体较细,沉积动力较弱(图3a)。平均粒径＜5.5φ反映的是砾质砂粗颗粒沉积物分布,主要分布在小洋山、舟山岛与桃花岛之间的峡道及部分在朱家尖岛东北区域,其水动力较强,且峡道内水流具有往复流特征,潮流作用下发生峡道沉积。平均粒径5.5φ～6.5φ反映的是以粉砂为主,砂质粉砂次之的细颗粒沉积物分布,主要分布在研究区域的东部岛屿附近区域。平均粒径＞6.5φ反映的是粉砂为主的细颗粒沉积物分布,主要分布在研究区域的东部和南部开阔海域,呈南北走向分布,具有一定的沉积分异特征。

潮流、入海径流及物质来源等是影响舟山群岛海域沉积物粒度分选差异的重要因素。舟山群岛表层沉积物分选系数多介于1.5～2.2,分选为差-很差,自西向东呈阶梯状分布特征,研究区东部分选较好(图3b)。分选系数小于1.6,分布在舟山岛与六横道之间的峡道内,与砂粒级富集区域范围相对应,这与岛屿岩石遭受外地质作用形成碎屑物入海沉积及较好的沉积分选作用有关。大部分研究区域分选系数介于1.6～2.2,反映了研究区水动力条件复杂及物质来源多样性特征。分选系数＞2.2零星分布在桃花岛南部和朱家尖岛东南部,大致分布在砂质粉砂富集区域范围内,位于砂与粉砂粒级之间的过渡混合地段。

舟山群岛海域表层沉积物偏态为-0.8～3.1,以正偏为主。研究区偏态与其分选系数对应关系良好,自西向东呈阶梯状分布,同时由岸向海偏态值逐渐减小。呈负偏态的沉积物零星分布在舟山岛南部峡道及研究区东南部。研究区分选系数与偏态关系表明沉积物介于河流砂与海滩砂之间,以河流砂为主,是入海径流及潮汐共同作用的结果(图3c)。

图3 表层沉积物粒度参数平面展布特征Fig.3 Horizontal distributions of grain-size parameters of the surface sediments

2.2 表层黏土矿物组成

舟山群岛海域黏土矿物类型为蒙脱石、伊利石、高岭石和伊利石。黏土矿物质量分数相差显著,总体上伊利石族为优势矿物,平均值为61.5%;其次为绿泥石,平均值为15.0%;高岭石和蒙脱石含量较少,平均值依次为12.7%和10.9%,统计结果见表2[15-18]。

表2 黏土矿物质量分数[15-18]Table 2 Contents of clay minerals[15-18]

2.2.1 黏土矿物分布特征

伊利石在黏土矿物中含量最高,质量分数为56.4%～72.0%,均值为61.5%。高值区(＞64.5%)零星分布在研究区东北部和朱家尖岛南部海域,受岛屿水动力较强影响,伊利石经搬运易沉积在开阔海域;低值区(＜60.0%)集中在舟山岛北部和大长涂山附近海域。其分布规律为研究区由北向南高低值呈间隔分布特征(图4a)。

高岭石在黏土矿物中含量较低,质量分数为9.0%～15.7%,均值为12.7%。高值区(＞15.0%)零星分布在舟山岛北部、研究区南部和北部海域;低值区(＜12.0%)主要集中朱家尖岛南部和四礁山东北部海域。其分布规律为研究区由东向西高低值呈间隔分布特征(图4b)。

绿泥石在黏土矿物中含量次之,质量分数为12.0%～19.6%,均值为15.0%。高值区(＞16.5%)零星分布在在研究区的西南部及舟山岛北部海域;低值区(＜15.5%)条带状分布在研究区东南和北部海域。其分布规律为研究区由东向西高低值呈间隔分布特征(图4c)。

蒙脱石在黏土矿物中含量最低,质量分数为5.4%～16.3%,均值为10.9%。高值区(＞14.0%)集中在研究区西南及舟山岛北部海域;低值区(＜10.0%)零星分布在朱家尖岛及衢山岛东西两侧海域。其分布规律为研究区由南向北高低值呈间隔分布特征(图4d)。

2.2.2 黏土矿物组合类型

根据表层沉积物中各黏土矿物相对含量的大小可分为5种组合类型(图5)：伊利石-绿泥石-高岭石-蒙脱石(Ⅰ型);伊利石-绿泥石-蒙脱石-高岭石(Ⅱ型);伊利石-蒙脱石-绿泥石-高岭石(Ⅲ型);伊利石-高岭石-绿泥石-蒙脱石(Ⅳ型);伊利石-绿泥石-高岭石(Ⅴ型)。表层沉积物以Ⅰ型含量最高,达到66%,Ⅱ型含量次之,Ⅲ型、Ⅳ型和Ⅴ型含量占比很小。

图4 黏土矿物平面展布特征Fig.4 Horizontal distributions of clay minerals in the surface sediments

图5 黏土矿物组合类型比例Fig.5 Ratio of the types of clay mineral assemblage

3 讨 论

3.1 沉积动力分区

研究区域沉积物样品投影点主要分布在D-Ⅱ、E-Ⅱ、E-Ⅲ区域,表明研究区域沉积物粒径较细,水动力较弱,与已有研究较为一致(图6)。粉砂投于D-Ⅱ、E-Ⅱ、E-Ⅲ区域,砂质粉砂投于D-Ⅱ、C-Ⅱ区域,砂投于S区域。该区域受到波浪与潮流共同作用影响,群岛内为往复流,涨潮平均流速最大可达82 cm/s,落潮平均流速最大可达96 cm/s,结合岛屿峡道特征,形成高能沉积环境下的粗粒沉积物,集中于舟山岛附近[4]。开阔海域由于水深较大,波浪能与潮流能影响有限,水动力变弱,从而沉积物粒径逐渐变细,形成片状分布的细粒沉积物[19](图6)。

3.2 表层沉积物物源探讨

已有的大量研究表明,东海陆架区黏土矿物分为3种类型：1)类黄河型沉积物,物源来自于废黄河口及部分特定黄海区域,黏土矿物组合类型为伊利石-蒙脱石-高岭石-绿泥石和伊利石-蒙脱石-绿泥石-高岭石(Ⅲ型);2)类长江型沉积物,物源来自于长江、浙江杭州湾、瓯江口及东海内陆架沉积物,黏土矿物组合类型为伊利石-绿泥石-高岭石-蒙脱石(Ⅰ型)和伊利石-绿泥石-蒙脱石-高岭石(Ⅱ型);3)类台湾河流型沉积物,物源来自于中国大陆及台湾西部河流沉积物[20-21]。东海陆架表层黏土矿物含量空间变化主要受入海物源及海流等水动力条件因素影响[22]。

黏土矿物类型及其含量主要受源岩和气候条件的影响。研究区东部为杭州湾外缘,杭州湾入海径流属于山溪性强潮河流,主要有钱塘江、飞云江等,具有流域短、入海通量小特点,且受到海流作用会引起回淤现象[23]。研究区北部紧邻长江口,长江裹挟大量泥沙入海,其径流作为东海沿岸流一部分,向南流动过程中杭州湾径流不断加入,最后同长江冲淡水汇合一起将泥沙输运到舟山群岛海域。同时舟山群岛海域岛屿分布广泛,峡道众多,岛屿岩石发生风化、剥蚀、搬运入海,在潮汐作用下抵达适宜场所后,发生峡道沉积[24]。

图6 沉积动力分区Fig.6 Districts of sedimentary dynamics

黏土矿物组合类型中Ⅰ型含量最高,达到66%;Ⅱ型含量次之,即类长江型沉积物占比最大。长江流域面积达180万m2,广泛发育支流,区域构造复杂,主要位于扬子地台之上,流域内岩石类型复杂,导致沉积物物源复杂,难以找到一种或几种特征性岩石与沉积物组成对应[25-26]。气候以暖温带湿润、潮湿气候为主,物理侵蚀与化学侵蚀比为2～5,域内以化学风化为主,物理风化为辅,这是由于Na,Ga和Mg易遭受淋失及迁移到水体中,而Fe,Al,K 和Mn等元素则易富集在表层带中。这种环境导致高岭石含量相对较高,蒙脱石含量相对较低,代表了弱酸-弱碱性黏土矿物形成条件,形成类长江型沉积物[27-29]。

4 结 论

本文运用粒度分析及X 射线衍射分析方法,对研究区域的表层沉积物的沉积物类型、粒度参数分布特征和黏土矿物组合类型进行分析研究,同时利用Flemming三角图分类法对沉积环境分区,并结合已有研究讨论了表层沉积物的物源,主要结论如下：

1)舟山群岛海域表层沉积物类型共有5种：粉砂、砂质粉砂、砂、粉砂质砂、砾质砂。其中以粉砂为主,呈片状广泛分布于研究区域的东部及南部开阔海域。砂质沉积物多分布于舟山岛北部,具有峡道沉积特征。总体上沉积物粒径由陆向海逐渐变细,分选性整体较差,大部分区域以正偏为主。

2)根据表层沉积物样品在Flemming三角图投影发现,采样点主要落在D-Ⅱ、E-Ⅱ、E-Ⅲ沉积动力分区,以粉砂沉积物为主;部分落在D-Ⅱ、C-Ⅱ和S分区,以砂质粉砂沉积物为主。表明研究区岛屿间以潮流作用为主,往复流作用显著,岛屿间水动力明显强于开阔海域,峡道水动力条件较强。整体沉积物粒径较细,水动力较弱。

3)研究区域的黏土矿物按质量分数由大到小排列依次为伊利石(56.4%～72.0%,均值为61.5%)、绿泥石(12.0%～19.6%,均值为15.0%)、高岭石(9.0%～15.7%,均值为12.7%)和蒙脱石(5.4%～16.3%,均值为10.9%)。伊利石集中在研究区域东部及西南海域;绿泥石集中在研究区域的西南岛屿处及东南开阔海域;高岭石集中在舟山岛南部及研究区域的西南部;蒙脱石集中在衢山岛西部及桃花岛西部海域。表层沉积物黏土矿物组合类型以伊利石-绿泥石-高岭石-蒙脱石为主,其次为伊利石-绿泥石-蒙脱石-高岭石。研究区域物质来源以长江入海泥沙为主,浙江入海径流输沙,以及舟山群岛岩石风化产物为补充。