福建三沙湾90 ka以来沉积物来源及环境演变研究

于俊杰,刘 平,林丰增,王继龙,丁大林,彭 博,武 彬,劳金秀

(1.中国地质调查局南京地质调查中心,江苏 南京 210016;2.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海 200062;3.宁德市自然资源局,福建 宁德 352100;4.重庆邮电大学通信与信息工程学院,重庆 400065)

三沙湾位于福建省东北部,属于基岩型半封闭海湾[1],是世界级天然深水良港和中国著名的大黄鱼产卵场。三沙湾东临东海,与台湾隔海相望,是福建海峡西岸经济区的重要组成部分。近些年来,三沙湾自然及生态环境一直备受关注,相关研究主要聚焦在水体环境生态风险评价方面[2-4]。20世纪80年代以来,受流域绿化、水利工程和海湾围垦工程的影响,湾内河流泥沙量和自然潮滩面积减少,侵蚀和淤积有所调整,这关系到湾内岸线及海域的科学规划及管理[5]。在当前冲淤调整背景下,从长时间尺度掌握物质来源演变机理,对于未来海湾应对全球变化和人类活动带来的挑战具有重要意义。

三沙湾口小腹大,湾内波浪作用小,以潮汐作用为主,涨潮历时大于落潮历时,每日纳潮量约27×108m3[6],十余条山溪性河流注入三沙湾,年径流量约100亿m3。20世纪70年代,三沙湾年平均输沙量34.5万t,近些年来已减少至20万t。严肃庄等[6]通过重矿物分析,发现湾内表层沉积物中粗颗粒物质主要来源于陆地径流,细颗粒由潮流从外海输入。目前,三沙湾内地质历史时期海陆相互作用下泥沙来源仍不清楚。已有研究[7]表明,三沙湾内第四纪沉积物厚度较薄,大多<100 m,在晚更新世以来中国东部大规模海侵(MIS 5海侵、MIS3海侵和MIS1海侵)的影响下,保存了近10万年以来海陆相互作用的沉积记录。丁大林[7]、于俊杰等[8]对NDGK2钻孔开展了年代学、孢粉学和地层学研究,确立了年代地层框架和气候地层框架。本文在上述研究的基础上,基于重矿物和地球化学分析结果进一步揭示三沙湾地区物源及沉积环境演变规律,为入海泥沙减少背景下海湾冲淤规律研究提供理论依据,从多指标地层划分角度探讨三沙湾第四系典型层序特征,为区域水文地质、工程地质建立地层标准提供依据。

1 区域地质及环境地质特征

1.1 区域地质特征

三沙湾地处武夷—云开造山系东部,自元古代以来,经历了多次岩浆活动和火山作用。其中以侏罗纪—白垩纪岩浆侵入和火山喷发最为强烈。地表出露的岩石大多数是花岗岩、花岗闪长岩、花岗斑岩及凝灰岩、凝灰熔岩、流纹岩、英安岩等酸性、中酸性岩浆岩,副矿物中磁铁矿、锆石等较丰富。

1.2 环境地质特征

三沙湾位于福建省东北部霞浦、福安、宁德、罗源等市县间,是由东冲半岛和鉴江半岛环抱而成的海湾。湾口东有西洋岛等屏障,东西长45 km,南北宽25 km,面积约714 km2。湾内三都澳为著名的深水良港。三沙湾周边被群山环抱,出水口只有唯一的东冲口水道,宽<3 km[6]。三沙湾属于亚热带海洋性季风气候,冬暖夏凉;降水丰富,气候湿润;夏季最长,秋季最短;气候资源丰富,气象灾害频繁。原生森林植被为常绿阔叶林,隶属于中国三大植被区域中的中国东部湿润森林区,属于中国植被区划中的中亚热带常绿阔叶林地带[9],在福建省植被区划中为跨南亚热带雨林带和中亚热带阔叶林地带[10]。三沙湾拥有条件良好的临港沿岸开发腹地和丰富的非金属矿石、海洋渔业、淡水、水能和旅游资源,水资源总量约150亿m3,水能理论蕴藏量225万kW。

2 钻孔岩性和年代框架

NDGK2钻孔位于三沙湾南部(地理坐标:26°36′24.89″N, 119°38′10.28″E,图1),总长95 m。钻孔下部57～95 m由强-中等风化基岩和残积黏土组成,钻孔上部0～57 m为第四纪松散沉积物。笔者前期对该孔上部54.7 m岩心进行了AMS14C测年、OSL测年和孢粉学分析,确立了年代地层框架和气候地层框架[8]。

Ⅰ.温带草原;Ⅱ.温带落叶阔叶林;ⅢA.北亚热常绿-落叶阔叶混交林;ⅢB.中亚热带常绿阔叶林;ⅢC.南亚热带常绿阔叶林;ⅣA.北热带季雨林和热带雨林;ⅣB.南热带季雨林和热带雨林;(a)中红框表示福建省宁德市地理位置

该孔自下而上沉积序列及年代框架如图2所示。

图2 NDGK2孔中孢粉和藻类的浓度及地层对比[8]

(1)54.7～57 m,砾石层,粒径达卵石级别,磨圆度较好、分选性较差。根据年代框架,推断属于MIS6期。

(2)53.3～54.7 m,灰色黏土,软塑,刀切面较光滑,含丰富的沟鞭藻。

(3)38.5～53.3 m,上部和下部均为灰蓝色硬黏土,中间层见软塑的蓝灰色黏土及含砾粗砂,孢粉和藻类匮乏。

由于该孔下部地层(54.7～38.5 m)OSL测年结果出现多个倒转,无法确切标定地层年龄,仅推测大致的年龄为距今9～6万年。其中2层中丰富的海相沟鞭藻指示了高海面,推断对应MIS5全球性高海面阶段;3层孢粉和藻类的匮乏反应冷期稀疏植被特征,推断时代对应MIS4阶段。

(4)32～38.5 m,灰色黏土,与下伏地层突变接触,沟鞭藻丰富,33.1 m处AMS14C测年结果约40 ka,应属于MIS3。

(5)26.5～32 m,杂色硬黏土,与下伏地层突变接触,孢粉藻类匮乏,31.85 m处AMS14C测年结果约18 ka,属于MIS2期。

(6)0～26.5 m,深灰色淤泥质黏土,见贝壳和植物碎屑,沟鞭藻丰富,AMS14C测年结果均<10 ka,属于MIS1期。

3 研究方法

3.1 重矿物分析

在NDGK2钻孔0～54.7 m段岩心中采集19个沉积物样品做重矿物分析(采样深度如图3所示)。样品采集后送至华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,自然风干后筛选500～32 μm碎屑进行重矿物挑选和鉴定统计。

图3 NDGK2钻孔重矿物图谱

(1)粒级提取。取约20 g干样,用孔径为500 μm和32 μm的套筛反复进行水筛,直至粗粉砂、细砂粒级沉积物基本被收集。取约2.0 g烘干后的宽广粒级(500～32 μm)碎屑物置入装有重液聚钨酸钠(常温下密度2.88 g/cm3)的离心管中充分浸湿5 min,再利用离心法进行重液分离。将装有碎屑物样品的离心管放入离心机,使用转速2 200 rpm/min离心5 min。待轻矿物和重矿物完全分离,再使用液氮冷却离心管底部的重矿物,最后用蒸馏水反复冲洗重矿物,对其烘干、保存。

(2)碎屑矿物鉴定。矿物鉴定操作流程遵照“条带计数法”。不透明矿物、自生矿物和岩屑在反射光下用体视显微镜分析,不易鉴别的透明矿物在偏光显微镜下鉴定。取少量重矿物样品放在干净的载玻片上,用盖玻片划成一条线,再从这一行中随机挑选出超过300颗矿物。先对不透明矿物进行鉴定统计,待不透明矿物分析完成后,再对透明矿物进行鉴定,针对不容易辨识的透明矿物,使用油浸法鉴别。

3.2 地球化学分析

NDGK2钻孔地球化学测试样品主要采集于富黏土层位,0～54.7 m段岩心中采集52个沉积物样品进行元素含量测试分析(采样位置如图4所示)。采集的样品在华东师范大学河口海岸学国家重点实验室测试完成。

图4 NDGK2钻孔沉积物地球化学元素比值垂向变化图

采集样品在实验室中提取<45 μm组分样品(钻孔整体粒度较细,该粒级可代表大部分样品沉积物,且与重矿物粒级重复性不高),烘干,称取约1 g样品置于50 mL离心管中,加入足量的1N HCl溶液,在60 ℃下水浴震荡6 h,倒出上层清液,重复洗酸至溶液为中性。40 ℃下烘干样品,将样品磨碎后转移到坩埚内,置于600℃下灼烧约3 h,去除有机质。称取残渣样品0.25～0.30 g放置于消解罐中,加入5 mL硝酸和3 mL氢氟酸置于85 ℃加热板上预加热20 min,待消解罐冷却后转移到微波消解仪消解,直至消解罐中消化液蒸发至一滴黄豆大小,用5‰稀硝酸定容至5 mL,并从中抽取1 mL再用5‰稀硝酸定容至10 mL。实验采用Thermo fisher VG-X7型电感耦合等离子质谱(ICP-MS)进行微量元素测试,分析过程中使用国际标准(GSD-9)及空白样监测。此外,在霍童溪流域采集了3个样品并进行了重矿物和地球化学分析。

4 研究结果

4.1 NDGK2钻孔重矿物分布特征

NDGK2钻孔共鉴定出闪石族(普通角闪石、阳起石、透闪石)、帘石族(绿帘石、黝帘石)、石榴石、金红石、榍石、磷灰石、电气石、锆石、钛铁矿、磁铁矿、褐铁矿、白钛石、自生矿物、石膏、胶磷矿、风化云母(包括少量黑云母和白云母)、岩屑和风化碎屑等二十余种碎屑重矿物,代表性碎屑重矿物的垂向分布如图3所示。对比霍童溪流域表层碎屑重矿物,结合钻孔碎屑重矿物组合特征,NDGK2钻孔自下而上大致划分为5段(图3)。

(1)Ⅰ段(55～53 m)。碎屑重矿物以黄铁矿等自生矿物为主,平均含量>67%,角闪石族、帘石族矿物含量相对较低(<10%),云母较常见,偶见锆石、金红石。

(2)Ⅱ段(53～41 m)。以褐铁矿为主,含量为0%～96%;其次为帘石族矿物,含量为3%～50%;自生矿物、风化云母等较常见,平均含量均<10%;角闪石族矿物含量较低,平均含量<5%。碎屑锆石、电气石也有分布,但含量较低。

(3)Ⅲ段(41～31 m)。以黄铁矿等自生矿物为主,平均含量为50%左右。褐铁矿、风化云母次之,闪石族和帘石族矿物较为常见,平均含量均<10%。此外,其他种类矿物含量较少,偶见电气石。

(4)Ⅳ段(31～25 m)。以褐铁矿为主,平均含量>67%;帘石族矿物及风化云母次之,平均含量均<10%。碎屑锆石、钛铁矿也有分布,不稳定矿物角闪石族以及自生矿物含量极低。

(5)Ⅴ段(25～10 m)。碎屑重矿物种类较单一,主要以黄铁矿等自生矿物为主,平均含量>80%。角闪石族矿物、帘石族矿物平均含量约5%。

4.2 地球化学元素分布特征

本文讨论的沉积物元素组成主要是经常被用于进行物源识别的特征元素(Ti,Zr,Ni,Ba)。沉积物中的物源物质成分会在搬运、沉积和成岩过程中受到分选作用、沉积再循环作用和钾交代作用影响[11-12],因此,沉积物中元素含量很大程度上取决于沉积物的粒度、矿物组成及环境条件,沉积物中的元素含量往往与粒度呈明显的负相关。Al在风化过程中迁移能力小,其丰度与沉积物粒度呈负相关,且为细颗粒沉积物的主要组分,可以作为粒度替代指标[13]。为了减少粒度对沉积物中元素含量的影响,本文采用Al归一化处理方法。根据NDGK2钻孔元素垂向变化以及与本地河流霍童溪3个样品平均值(Ba/Al平均值为0.006、Zr/Al平均值为0.001 5、Ni/Al平均值为0.000 2、Ti/Al平均值为0.04)进行对比,自下而上大致可以划分为5个带(图4),并与沉积物重矿物组合分带相对应。

(1)Ⅰ带(55～53 m)。Ba、Zr与Al的比值(分别集中于0.005～0.007、0.001 0～0.001 5)与霍童溪相应比值相近;Ni、Ti与Al的比值(分别集中于0.000 3～0.000 5、0.05～0.07)明显大于霍童溪相应比值。

(2)Ⅱ带(53～42 m)。Ba、Zr与Al的比值(分别集中于0.002～0.006、0.000 7～0.001 4)明显低于霍童溪相应比值,总体变化趋势均为先减小后增加;Ni、Ti与Al的比值(分别集中于0.000 1～0.000 3、0.02～0.05)与霍童溪相应值相近。该带元素比值总体上普遍较I带相应比值明显降低。

(3)Ⅲ带(42～31.8 m)。Ba、Zr与Al的比值(分别集中于0.004～0.008、0.001～0.002)与霍童溪相应比值接近;Ni、Ti与Al的比值(分别集中于0.000 3～0.000 6、0.05～0.06)明显高于霍童溪相应比值。其中Ti/Al变化最平稳,Ba、Zr、Ni与Al的比值除1个最大值外,总体变化较小。

(4)Ⅳ带(31.8～25.8 m)。Ba、Zr与Al的比值(分别集中于0.003～0.008、0.001 2～0.001 8)与霍童溪相应比值接近;Ni、Ti与Al的比值(分别集中于0.000 3～0.000 5、0.05～0.07)虽大于霍童溪相应比值,但是与Ⅱ带相比,其比值更加接近霍童溪相应比值。

(5)Ⅴ带(25.8～7.9 m)。Ba、Ti、Ni与Al的比值(分别集中于0.006～0.009、0.001 3～0.002 0、0.000 2～0.000 5)均大于霍童溪相应比值。该带元素比值总体与Ⅰ带和Ⅲ带相似,但变化范围较大。

NDGK2钻孔沉积物地球化学元素比值垂向变化图(图3)显示,Ⅰ段、Ⅲ段和Ⅴ段碎屑重矿物中的自生矿物含量较高,褐铁矿含量较低,指示该时期具有还原环境。结合地层特征及沟鞭藻指标[8]可知,这些层位对应于海相沉积。而Ⅱ段和Ⅳ段正好相反,褐铁矿含量剧增,甚至可超过50%,自生矿物含量大幅度下降至0,说明当时的沉积环境以氧化环境为主,为陆相沉积层,重矿物组合及ZTR指数与现霍童溪较相似。Ⅱ段和Ⅳ段较高的ZTR值表明,该时期沉积物中的重矿物成熟度相对较高,沉积物源经过较长距离的搬运。

5 讨论

5.1 90 ka以来沉积物来源

将NDGK2钻孔沉积物的重矿物、地球化学元素指标、局部霍童溪以及远源浙闽沿岸和长江流域表层沉积物进行对比,从而推测物质来源[14-15]。相比于常量元素,某些微量元素具有非迁移性,受沉积物搬运、分选、沉积环境及成岩作用的影响小,能保留成岩物质来源的有关信息[15-17]。相对稳定的Zr往往在中酸性火山岩中富集,代表源岩为偏中酸性岩,而Ti、Ni等微量元素易于在基性岩石中富集[14]。因此,这两类元素的变化可以反映源岩信息。长江上游以峨眉山玄武岩最为典型,是长江流域含Ti磁铁矿的主要来源,前人研究显示峨眉山玄武岩磁铁矿中Ti含量远高于一般磁铁矿的Ti含量[14-15]。在同粒级残留相沉积物中,长江明显富含Ti等,浙闽河流相对贫Ti而富Zr,应与浙闽地区普遍分布中酸性火成岩有关[16,18-19]。

研究发现,钻孔元素的变化阶段与沉积物重矿物组合分带相似,均可划分为3个海相层位(Ⅰ、Ⅲ和Ⅴ)、两个陆相层位(Ⅱ、Ⅳ)(图3、图4)。元素比值及重矿物组合特征表明,海相层和陆相层明显不同,海侵时形成的海相层与海平面下降后形成的陆相层沉积物来源不同。Ⅰ、Ⅲ和Ⅴ海相层位中的Ti、Ba、Ni等含量明显偏高,基本处于高值,与霍童溪沉积物相差较大,较接近长江沉积物特征,同时重矿物中锆石含量明显降低,角闪石含量相对增加,电气石有一定的占比,与现代长江流域重矿物特征较接近[20],说明海相沉积层的物源很可能来源于海域(包括浙闽沿岸以及长江)。陆相Ⅱ层元素比值最接近局地霍童溪,锆石含量明显偏高,帘石类矿物含量明显高于闪石类矿物,矿物组合与以霍童溪为代表的局地河流相似,推测这些层位物源基本来源于近源。陆相Ⅳ层比较特殊,虽然锆石含量与陆相Ⅱ层相似,但与Ⅱ层比,Ti含量明显偏高,可能该层是低海平面时期局地与前期高海平面沉积(Ⅲ海相层)改造混合物源所致。

5.2 90 ka以来沉积环境演化

NDGK2钻孔多指标地层划分表明,三沙湾地区第四纪早期以风化剥蚀为主,形成了40 m厚的花岗岩/凝灰岩风化产物,推断在中更新世末期MIS6阶段形成了卵石层,反映了基岩海岸构造沉积幅度较小,山溪性河流影响显著的特点[7]。NDGK2钻孔年代框架反映三沙湾地区海侵开始于晚更新世MIS5,与中国东部海岸第四纪大规模海侵现象大体一致[21-25]。除了受全球海平面波动的影响,该区海侵还可能受中国东部构造沉降活动控制[26]。

NDGK2钻孔沉积记录揭示了MIS5以来三沙湾在河海交替作用下的环境演化特征。MIS5阶段,三沙湾发育海相环境,孢粉记录周边地区大量的松属花粉以及少量的常绿阔叶树花粉反映了相对温暖的气候特征[7-8]。重矿物和微量元素记录显示,该阶段细颗粒泥沙来源于海洋输运的长江物源。MIS4阶段,由于全球海平面下降约60 m[27],海水完全退出三沙湾,沉积物供应减少,河流发育,沉积物以中细砂为主,局部地区发育砂砾石。孢粉记录表明,该阶段研究区有降温记录,但降温幅度较小,气候整体相对温暖[8]。重矿物和微量元素记录显示,该阶段相对较粗的泥沙来源于霍童溪等当地山溪性河流。在MIS3阶段,海平面由MIS4阶段的-75 m上升到约-50 m,三沙湾再次被海水淹没,发育了第Ⅱ黏土层,该黏土层在现代海岸线沿岸均有发育[7]。孢粉记录显示:MIS3早期—中期,三沙湾气候比较温暖湿润,但MIS3晚期气候开始变冷变干,与北大西洋重建的海表温度变化一致[28-29]。物源记录显示:MIS3阶段三沙湾泥沙主要来自外海输入的长江远源泥沙,类似于MIS5阶段物源特征。MIS2时期,全球冰盖范围扩大,中国东部海区海平面下降超过130 m[30-31],宁德地区海岸带发育陆相沉积。孢粉记录指示了宁德地区山地仍被亚热带阔叶林覆盖,铁杉属植物增多,说明气候略微转冷[8]。在全球及区域大尺度上气候整体变冷变干的背景下,河流流量减少,沉积物整体较细,沉积物供应较少,暴露的沉积环境使很多地方存在沉积间断。地球化学和重矿物记录显示:该阶段泥沙来源为霍童溪局地物源与外海长江物源的混合物源,反映了河流剥蚀作用下对前期高海面沉积物的侵蚀搬运及混合沉积作用。全新世(MIS1阶段),孢粉记录显示喜暖的常绿栎等植被扩张[8]。全新世早期—中期,气候快速回暖,中国东部海平面快速上升[31-32],三沙湾大部分地区及宁德陆域遭受海侵[33-34],构成了宁德地区第四纪最大的海侵。

综上所述, 90 ka以来三沙湾海平面变化对湾内冲淤变化的物源因素具有重要影响。目前,河流泥沙减少已引起学者的广泛的关注,海洋作用也不容忽视,今后需深入开展现代不同时间尺度的定量研究,为海岸带管理提供技术依据。

6 结论

(1)NDGK2钻孔多重地层划分表明,福建三沙湾第四纪早期以基岩风化和原地残积为主,中更新世晚期发育了山溪性河流,海陆交替的环境发育于晚更新世,发育了MIS5、MIS3和MIS1海侵地层和MIS4和MIS2海退地层。

(2)NDGK2钻孔矿物和元素物源指标揭示了三沙湾90 ka以来高海面阶段悬浮泥沙主要来源于海域泥沙,低海面阶段泥沙主要来源于局地物源或前期沉积改造。晚更新世以来,三沙湾沉积演化过程及物源主要受控于海平面和区域构造活动。

(3)NDGK2钻孔重矿物ZTR指数及微量元素指标研究表明,在MIS4和MIS2低海平面时期,宁德地区入海河流水系发育较成熟,将较远区域的风化物质带入沿海地区,仅局部区域可能因河流流量较小而出现沉积间断。这与孢粉记录反应的MIS5a以来宁德地区亚热带气候及冰期较低的降温幅度等气候特征一致,进一步证明相比内陆地区,该区对全球降温事件的响应并不敏感。