中全新世以来海相沉积物的化学特征及其对古环境变化的响应机制

苟富刚, 龚绪龙, 宋玉明, 沈 辰, 蔡田露

中全新世以来海相沉积物的化学特征及其对古环境变化的响应机制

苟富刚1, 龚绪龙1, 宋玉明2, 沈 辰2, 蔡田露1

(1. 江苏省地质调查研究院 自然资源部地裂缝地质灾害重点试验室, 江苏 南京 210049; 2. 江苏省地质局 第六地质大队, 江苏 连云港 222002)

海相沉积物的化学特征是分析古环境变化的重要指标。本研究以连云港滨海地区浅部海相沉积物为研究对象, 开展易溶盐、粒度、AMS14C年龄及微体古生物测试, 分析海相沉积物的化学特征及沉积环境。结果表明, 连云港滨海地区浅部海相沉积物Cl−含量最高, Na+含量次之; 5 m以浅土体含盐量变化较大, 绝大数土体含盐量为0.3%～3.0%; 至埋深20 m时, 土体含盐量稳定在1.0%。沉积物中Cl−含量与含盐量相关性最高, 以直线型和多项式型拟合效果最佳; 与Ca2+、Mg2+、K+、SO42−含量拟合效果好, 以多项式型拟合效果最佳; 与Na+含量以幂型拟合效果最佳。沉积物含盐量与pH值呈负相关关系, 说明碱性环境不利于土体盐分的增加。沉积物交换性钠(ESR)值高, 说明研究土体含盐特征保留了海水特征。推测连云港滨海地区海相沉积物受到了海平面变化、东亚冬季风及黄河夺淮事件的影响。以ZK1孔为例, 中全新世以来海相沉积物经历了滨海–浅海陆架环境、滨海陆架环境、近岸滨海环境、滨海潮间带环境4个阶段。阶段Ⅰ(6.3～4.2 ka): 土体平均含盐量为1.2%, 呈碱性, 平均海水混合比为55.2%, 未出现窄盐性浮游孔虫, 说明土体沉积时有淡水与海水混合, 水体盐度变化明显, 土体颗粒组成以粉粒和黏粒为主, 底栖有孔虫以玻璃质属种为主, 最高占比达70%, 基本未见到胶结类有孔虫,平均含量为11.80%,平均含量为28.70%, 为滨海–浅海陆架环境。阶段Ⅱ(4.2～0.6 ka): 土体平均含盐量为1.3%, 含盐量增加, 海水混合比增加, 土体颗粒组成与阶段Ⅰ相似, 底栖有孔虫以为主,平均含量为48.40%,含量减少, 为滨海陆架环境。阶段Ⅲ(0.6～0.3 ka): 海平面与现今海面位置相当, 受黄河夺淮后物源补给影响, 沉积速率显著增加, 达1.22 cm/a, 与阶段Ⅱ相比, 本阶段含盐量升高, pH值稍有下降, 土体颗粒稍有变细, 底栖有孔虫丰度显著增加, 海水混合比进一步提高,平均含量为44.30%, 为近岸滨海环境。阶段Ⅳ(0.3 ka以来): 土体含盐量显著增加, pH值下降, 土体颗粒组成、底栖有孔虫丰度及沉积速率与阶段Ⅲ基本持平, 海水混合比最高达163.3%, 主要与现代积盐过程有关,含量为47.20%, 为滨海潮间带环境。

沉积环境; 含盐特征; 易溶盐; 海相沉积物; 有孔虫

0 引 言

连云港滨海地区中全新世以来沉积物厚约17 m, 下部岩性为深灰色海相软土, 主要为淤泥质黏土和淤泥, 少量淤泥质粉质黏土(苟富刚等, 2018a), 埋深约2 m, 层厚约15 m; 浅表部为褐黄色黏土, 层厚约2 m。浅表部褐黄色黏土(硬壳层)由海相软土层脱水固结、氧化和人类活动等多种作用形成(欧阳建德, 1993; 高彦斌和陈忠清, 2017; 苟富刚等, 2021b)。海相沉积物在空间上与滨海盐渍土高度重合, 沿着我国1.8×104km海岸带呈带状分布, 向内陆延伸几十公里, 与沿海经济发达地区高度重合(王遵亲等, 1993)。本研究土体主要由黏粒和粉粒组成, 渗透系数为10−8～10−7cm/s, 属于弱透水层(苟富刚等, 2018a)。对弱透水层孔隙水的水化学研究始于1895年, 重点关注了孔隙水中的HCO3−离子特征(Rea et al., 2012)。土中易溶盐(包含八大离子: Na+、Mg2+、K+、Ca2+、Cl−、SO42−、HCO3−、CO32−)占天然水离子总量的95%～99%(Hakanson and Jansson, 1983)。海相沉积物盐分中Na+和Cl−占绝对优势(Li et al., 2016)。海水浸渍是滨海相盐渍土形成的一个最主要的原因, 土体含盐特征与海水含盐特征基本一致。土体含盐特征主要受区域气候条件控制, 90%盐渍土(含盐量大于0.3%)是自然成因(王琳琳, 2014)。Cl−常被用作示踪指标来分析沉积环境(Ge et al., 2017)。弱透水层中孔隙水的流动受分子扩散控制(Hendry and Wassenaar, 2000), 孔隙水反映了土体沉积时的原始溶液(Liao and Zhang, 1985)。随着科学技术的进步, 众多学者采用离子示踪、同位素技术等手段研究孔隙水中的Cl−、Na+、SO42−、Mg2+、pH值、电导率、同位素、Cl/Br和Na/Cl等变化特征, 进而推测土体的形成环境和古气候信息(李静等, 2012; Li et al., 2017; 方晶, 2018; Sarah et al., 2018; 邓义楠等, 2019; 李潇丽, 2020; 苟富刚, 2021a, 2022a, 2022b)。

目前对中全新世以来海相沉积物的化学特征还没有较为系统的认识, 一般研究深度仅1 m左右(潜水位埋深约1 m)。例如, Yao et al. (2013)对0～10 cm的土壤化学物理特性、含盐特征进行了研究; 蔡国军等(2008)基于电阻率静力触探进行了海相软土地质成因与土体离子化学分析。本研究基于易溶盐测试结果, 结合粒度、微体古生物和AMS14C测年结果, 揭示了连云港滨海地区中全新世以来土体的化学特征及其对古环境变化的响应机制。

1 地质背景

连云港滨海地区隶属苏鲁造山带(苟富刚, 2018a), 采样区为地势平坦的平原区(图1), 地面标高一般2～3 m。第四系厚度最厚超过了140 m。

图1 连云港滨海地区基岩地质图及采样点位

海相软土是一种具有高含水率、大孔隙、高压缩性和蠕变特性的土体。土工测试结果显示, 海相软土压缩模量值为1.01～5.00 MPa(平均2.13 MPa), 天然密度为1.53～1.79 g/cm3(平均1.67 g/cm3), 干密度为0.87～1.27 g/cm3(平均1.06 g/cm3), 塑性指数为17.2～34.2(平均25.5), 天然孔隙比为1.02～2.22(平均1.54), 天然含水率为36.0%～82.2%(平均55.9%)。

浅表部硬壳层由软土脱水固结形成, 其压缩模量为2.60～10.73 MPa(平均4.11 MPa), 属于中–高压缩性土, 天然密度为1.73～1.97 g/cm3(平均1.83 g/cm3), 塑性指数为15.2～33.2(平均24.2), 天然孔隙比为0.62～1.00 (平均0.81), 天然含水率为19.7%～48.9%(平均35.6%)。

2 样品采集、测试及分析方法

2.1 样品采集及测试方法

2.1.1 易溶盐样品采集及测试方法

本次研究共采集了252件易溶盐样品, 采样深度为0.4～ 23.2 m。其中包括综合研究钻孔ZK1孔的18件易溶盐样品, 采样深度为0～16.3 m, 采样间距为0.9 m。易溶盐测试在国土资源部南京矿产资源监督检测中心完成。土样经过烘干、研磨、过筛后, 以土∶水=1∶5的比例经过溶解、浸提、抽滤等步骤获得水溶液。水溶液中SO42−及阳离子采用iCAP6300型发射光谱仪(IRIS Intrepid)进行测试, Cl−、Br−、CO32−、HCO3−等采用指示剂滴定法测定(苟富刚等, 2017)。

2.1.2 微体古生物样品采集及测试方法

在ZK1孔采集了28件微体古生物样品, 采样深度为2.2～16.2 m, 采样间距为0.6 m。微体古生物测试在中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心完成。在50 ℃恒温下烘干样品, 加入浓度为10%的H2O2溶液浸泡24 h, 将分散好的样品用0.063 mm(250目)的标准铜筛进行冲洗。收集筛上部分置于50 ℃恒温烘干箱后, 在双目体式显微镜下进行观察鉴定, 有孔虫及介形虫的鉴定主要参考汪品先(1992)。

2.1.3 粒度样品采集及测试方法

在ZK1孔采集了10件粒度样品, 采样间距为1.5 m。粒度测试在国土资源部南京矿产资源监督检测中心, 采用WX058型HELOS/OASIS全自动干湿合一激光粒度仪完成, 样品处理、测试及数据分析参考Blott and Pye (2001)。

2.1.4 AMS14C测年

在ZK1孔采集了3件无污染的淤泥质黏土(深度9.2 m和6.7 m)和贝壳(深度16.5 m)样品, AMS14C测年在美国贝塔分析实验室, 使用4台NEC加速器质谱仪和4台Thermo同位素比值质谱仪(IRSM)完成, 测试结果均获得ISO/IEC-17025: 2005标准认可。

2.2 数据分析

根据沉积物易溶盐测试结果进行统计分析。参数分布数理统计与假设检验中, 采用3法则处理异常数据。频数分布可以直观展示样本的分布情况, 已知样品数量, 可以根据公式1计算区间个数; 根据最大值和最小值, 结合公式2可以计算区间长度 (Kvam and Vidakovic, 2007):

=(−)/(2)

假设检验为0, 数据来自正态总体, 取显著性检验水平=0.1。当充分大, 一般大于100时, 中间过程量1、2及2的计算公式为:

P0{•}表示当0为真实事件时{•}的概率, 拒绝域为公式6或公式7:

式中:1和2分别为样本的偏度和峰度;1为偏度检验值;2为峰度检验值;为拒绝域界限值。

通过对土体易溶盐统计分析和相关性分析, 可以确定土体含盐化学组分及其空间展布特征。

3 结果分析

3.1 土体盐分统计分析

土体Cl−离子与2倍SO42−离子的物质的量浓度比值为2.13～65.98, 比值均大于2, 参考GB/T 50942-2014标准得出研究土体为氯盐渍土。土体含盐量高, 为0.1%～5.4%, 平均值为1.4%(表1)。软土岩心微观结构中可见析出的黄铁矿结晶(图2b、c; 苟富刚等, 2018b)。盐渍土占比97.22%, 非盐渍土占比仅2.78%。盐渍土类型以中盐渍土为主, 占比70.63%, 其次为弱盐渍土, 占比26.19%, 强盐渍土占比0.40%。土体含盐量在5 m以浅变化较大(图3a), 为0.3%～3.0%; 在5 m以深变化较小, 5～15 m为0.9%～3.0%, 20 m左右基本稳定在1.0%。

土体Cl−含量最高, 平均值为7732 mg/kg; Na+含量次之, 平均值为4865 mg/kg; 其他离子按照含量高低依次为SO42−、HCO3−、Mg2+、K+、Ca2+、CO32−(表1)。易溶盐主要离子(Na+、Cl−)随深度的变化特征与含盐量类似(图3a、b)。

图2 ZK1孔软土岩心(a)及其微观照片(b、c)

图3 土体含盐量(a)和各离子含量(b～d)随深度变化

表1 土体含盐特征统计及概率分布

注: 离子含量的单位为mg/kg。

次要阳离子包括Mg2+、K+、Ca2+, 5 m以浅各次要阳离子含量主要分布在50～600 mg/kg之间, 个别样品Ca2+含量明显高于Mg2+、K+含量(图3c), 这与表层土的现代积盐过程有关。次要阴离子包括SO42−、HCO3−、CO32−, 各次要阴离子含量的分布较离散, 分布规律不明显(图3d)。

含盐量的偏度为1.43, pH值的偏度为0.26, Cl−含量的偏度为1.32, Na+含量的偏度为1.07, 均属于右偏态。其他离子含量的偏度也都大于0, Mg2+含量的偏度最大, 为4.12。正态分布的峰度表示陡缓程度, 当2=3时, 数据分布曲线与正态分布一致;当2>3时, 表现为陡峭; 当2<3时, 表现为平坦。Cl−含量、Na+含量和含盐量的峰度分别为3.36、2.32和3.81, Mg2+、Ca2+含量的峰度较大, 分别为25.77、15.47。

易溶盐各离子含量的偏度和峰度正态分布检验结果(表1, 图4)显示, Cl−含量峰度检验符合正态分布, 但偏度检验值坐落在拒绝域, 所以拒绝原假设, 不属于正态分布。HCO3−含量假设检验与Cl−含量类似。pH值假设检验与Cl−、HCO3−含量不同, 偏度检验值满足正态分布, 但峰度不满足正态分布。其他离子含量偏度和峰度检验均不符合正态分布。

3.2 土体盐分相关性分析

易溶盐八大离子、含盐量和pH值相关性分析结果(表2)显示, 含盐量与Cl−含量相关性最高(2=0.955),说明沉积物含盐量与Cl−含量呈线性正相关关系; 与Na+、K+、Mg2+、Ca2+、SO42−含量相关性好, 在 0.01水平显著,2分别为0.992、0.846、0.881、0.869、0.832; 与CO32−含量呈负相关性,2=−0.354; 与HCO3−含量相关性一般, 仅在0.05水平显著; 与pH值呈负相关关系, 在0.01水平显著, 说明碱性环境不利于土体含盐量的增加。

Cl是海水中最主要的稳定常量元素, 能反映土体是否被海水浸染(Ge et al., 2017; 苟富刚等, 2017)。选择Cl−含量与含盐量、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、SO42−含量和pH值进行曲线拟合分析, 构建近似函数, 该函数能反应Cl−含量与其他指标的基本变化趋势, 包括直线型、多项式型、对数型、指数型和幂型。土体中Cl−含量与含盐量拟合效果好, 以直线型和多项式型拟合效果最佳,2=0.990, 其次为指数型、对数型和幂型(图5a); 与Na+含量拟合效果好，以幂型拟合效果最佳,2=0.978(图5b); 与Ca2+、Mg2+、K+、SO42−含量拟合效果好, 以多项式型拟合效果最佳,2分别为0.782、0.905、0.675、0.636(图5c～f); 与HCO3−、CO32−含量拟合效果差, 以多项式型拟合效果相对最佳,2分别为0.039、0.107(图5g、h); 与pH值以指数型拟合效果最佳，2=0.352(图5i)。

图4 沉积物含盐参数分布图

表2 土体盐分指标相关性分析

注:**相关性在0.01水平显著(双尾);*相关性在0.05水平显著(双尾)。

图5 Cl−含量与含盐量(a)、各离子含量(b～h)和pH值(i)拟合关系

3.3 土体盐分来源分析

渗透系数为10−8～10−7cm/s的沉积物中, 孔隙水基本不流动, 孔隙水的流动受分子扩散控制(Hendry and Wassenaar, 2000), 土壤孔隙水反映了土壤沉积时的原始溶液(Liao and Zhang, 1985), 可以根据沉积物中的盐分地球化学特征来分析土体的沉积环境。

根据公式8的混合模型(赵长荣等, 2012), 孔隙水中Cl−含量与土体中Cl−含量呈线性关系, 拟合结果显示, 过原点的比例系数为6.293 (苟富刚等, 2018b)。

式中:i为实际海水与淡水混合比例(%); Clsamp为孔隙水中Cl−含量(mg/L); Cld为研究区淡水端元的Cl−含量(mg/L); Clsea为标准海水中Cl−含量(mg/L), 取值参考陈郁华(1983)。

采用土体中Clsamp含量计算i为1.8%～217.7%, 平均值为55.2%, 峰度为3.36, 偏度为1.32。i与土体含盐量呈正相关关系(2=0.995; 图6a)。i的低值和高值主要集中在5 m以浅(图6b), 这主要与地表作用(蒸发作用、淡水淋滤及毛细作用)和人类活动(盐场地表晒盐)有关。

软土及其上部褐黄色黏土渗透系数非常小, 垂直渗透系数为8.83×10−8～1.19×10−7cm/s, 水平渗透系数为8.52×10−8～1.88×10−7cm/s。因此, 土体含盐量变化小, 特别是埋深大于5 m的土体, 受大气降水或河流侧向补给降盐的可能性非常低, 土体接受到新补给的淡水淋滤, 必须通过无数个孔隙, 甚至需要几百万年。Na-Ca交换是一种最广泛的阳离子交换(反应式9)。标准海水的钠吸附比(sodium adsorption ratio, SAR)为58.51(苟富刚等, 2018b), 连云港滨海地区地下淡水的SAR值仅为2.28。根据公式10、11 (苟富刚等, 2018b)计算的土壤交换性钠(exchangeable sodium ratio, ESR)为13.52～102.95, 平均值为68.52。ESR<50的样品主要分布在5 m以浅地层(图7); 其他样品的ESR值主要为63.50～83.50, 进一步证实了沉积物形成于海相环境, 说明研究土体含盐特征保留了海水特征。

(11)

式中:为土体孔隙水中离子浓度(mmol/L);为交换平衡常数, 取2.159;指阴离子。

受到降雨等淡水淋滤时, 由于土壤中ESR值高, 土壤中Na+含量远高于当地淡水, 在浅表地层中, Na-Ca交换(反应式9)向左进行, 即Na+被解吸, Ca2+被吸附, 由于2个Na+置换1个Ca2+, 而2个Na+体积大于1个Ca2+, 土体孔隙变大, 有助于土壤通气, 提高农作物产量。土体Na/Cl值为0.76～2.12, 平均值为1.01, 偏度为3.52, 峰度为24.23。5 m以浅土体中Na/Cl值普遍大于海水(0.85), 且Ca2+含量明显偏高, 这与土体中的硅酸盐(钠长石与钙长石)风化溶解补给有关。

3.4 ZK1孔粒度特征分析

ZK1孔中全新世以来的沉积物中黏粒(<2 μm)含量为18.6%～24.6%, 平均值为21.5%, 变异系数为0.083; 粉粒(2～63 μm)含量为75.4%～81.5%, 平均值为78.4%, 变异系数为0.025; 砂粒(>63 μm)仅在软土层底部(16.2 m)存在, 含量为1.2%。沉积物平均粒径为6.06～7.32 μm(平均6.75 μm), 分选系数为1.52～1.68(平均1.61), 变异系数为0.036, 分选差; 偏态为−0.17～ 0.24(平均0.12), 变异系数为0.956; 峰态为1.64～2.67 (平均1.82), 变异系数为0.168, 为尖峰态。沉积物沉积时水动力条件弱, 上部褐黄色黏土与下部软土沉积颗粒组成基本一致(图8)。

图6 含盐量-fi(a)和深度-fi(b)变化曲线

图7 土体ESR值随深度变化特征

图8 ZK1孔粒度分布特征

3.5 微体古生物特征

ZK1孔全新世沉积物中有孔虫种类包含19属28种。沉积物中的砂粒是胶结壳类有孔虫壳体的主要成分, 因此泥质沉积物中缺少胶结壳类有孔虫, 以玻璃质壳(13.60%～79.40%, 平均50.95%)、(0～39.00%, 平均11.90%)及瓷质壳(0～83.40%, 平均32.00%)为主(Sautte and Thunell, 1991; 汪品先, 1992; 图9), 其中包括(平均含量39.64%)、(10.81%)、(0.43%)、(0.03%)、.(0.04%),(2.38%)、(4.47%)、(0.09%)、. (4.95%)和(15.48%)、(15.12%)、(1.39%)。另外还有(0.03%)、(1.83%)、(0.01%)、.(0.18%)、(0.07%)、(0.05%)、(0.03%)、(0.04%)、(0.06%)、.(0.16%)、(0.67%)、(0.04%)、(0.16%)、(0.06%)、(0.08%)和(0.04%)。未见浮游有孔虫。

ZK1孔全新世沉积物中介形虫种类包含6属8种。优势种为(37.60%)、(32.41%)及(13.12%)。其他种含量均小于5%(图10), 包括(4.12%)、(2.78%)、(0.16%)(0.12%)和(0.08%)。

、和对沉积环境, 尤其是水深具有指示作用。A壳体在酸性环境下溶解作用较强(朱晓东等, 1996)。研究土体环境为碱性, 有孔虫能很好地保存下来, 对沉积环境分析非常有利。有孔虫的体液与海水是等渗的, 有孔虫只能在一定的盐度范围内生存(Murray, 1973; 朱晓东, 1993)。为广盐浅水种, 在0.5‰～50‰的盐度范围内均能生存, 在盐度为20‰～40‰且温度为25～30 ℃生长繁殖最快(Murray, 1973)。在现代南黄海分布的深度下限是20 m, 大量分布于潮间带、河口、海湾等滨浅海环境中(汪品先, 1992),含量≥20%, 指示潮间带环境; 5%<含量<15%, 指示浅海陆架环境;含量<2%, 指示浅海环境(水深>20 m)(类彦立和李铁刚, 2015)。指示水深20～50 m的近岸浅海–浅海环境(李牛和陈多福, 2015)。为低温低盐种, 指示10～15 m水深的滨海环境(李铁刚等, 2000);指示10～20 m水深的滨海环境(朱晓东等, 1998)。、及均为广盐种, 3个种组合指示潮间带或20 m以浅潮下带环境(赵泉鸿和汪品先, 1988)。

根据有孔虫属种及其含量的空间分布特征, 在深度上开展了4个层位的统计分析。

图9 ZK1孔有孔虫分布特征

图10 ZK1孔介形虫分布特征

沉积深度16.8～13.7 m, 底栖有孔虫丰度为50～ 125枚/50 g, 平均值为112枚/50 g; 分异度为5.0～9.0, 平均值为6.3。其中含量<15%(仅在15.7 m处有1个异常点, 含量为20.00%; 图9), 平均含量为11.80%,平均含量为28.70%,平均含量为1.12%,平均含量为0.15%。介形虫丰度远低于有孔虫丰度, 为10～40枚/50 g, 平均值为20枚/50 g;分异度为0.9～4.0, 平均值为2.5。其中平均含量为32.70%,平均含量为18.90%,平均含量为0.48%。

沉积深度13.7～5.7 m, 底栖有孔虫丰度为100～ 1000枚/50 g, 平均值为254枚/50 g; 分异度为3.0～12.8,平均值为6.4。其中平均含量为48.42%,a平均含量为7.59%,平均含量为4.04%,平均含量为7.75%。介形虫丰度为10～ 200枚/50 g, 平均值为27枚/50 g; 分异度为0～3.8, 平均值为1.6。其中平均含量为30.75%,平均含量为3.93%,平均含量为3.25%。

沉积深度5.7～2.5 m, 底栖有孔虫丰度为850～ 6100枚/50 g, 平均值为3060枚/50 g; 分异度为9.2～13.6, 平均值为11.8。其中平均含量为44.30%,平均含量为2.77%,平均含量为8.32%,平均含量为0.15%。介形虫丰度为15～600枚/50 g, 平均值为290枚/50 g; 分异度为1.0～3.9, 平均值为2.6。其中平均含量为31.31%,平均含量为8.20%,平均含量为2.46%,平均含量为27.78%。

沉积深度2.5～0 m, 底栖有孔虫丰度为2700枚/ 50 g, 分异度为12.0。其中含量为47.20%,含量为3.50%,含量为7.90%,含量为7.90%,含量为66.70%,含量为33.30%。

4 讨 论

4.1 年代序列建立

深度6.7 m、9.2 m、16.5 m的样品AMS14C测年结果为0.646 ka、2.109 ka、6.325 ka, 显示沉积物形成于中全新世以来, 最晚形成年龄约6.325 ka。结合沉积物的颜色、岩性、含盐量、有孔虫种类及含量、AMS14C测年结果以及全球气候变化特征, 把中全新世以来的沉积物划分为4个沉积阶段(图11)。

阶段Ⅰ: 沉积时间为6.3～4.2 ka, 沉积深度为16.8～13.7 m。岩性为深灰色软土。根据AMS C14测年结果, 海相软土平均沉积速率为0.13 cm/a。全新世发生了8次气候异常的冷事件(Bond, 1997), 其中4.2 ka的冷事件较强烈, 引发了剧烈的环境变化和海平面波动。底栖有孔虫平均含量为11.80%,平均含量为28.70%。高含量表明土体沉积时水深较大结合研究区古海平面变化特征以及有孔虫组合特征, 把4.2 ka作为阶段Ⅰ的时间上限。

阶段Ⅱ: 沉积时间为4.2～0.6 ka, 沉积深度为13.7～5.7 m。岩性同阶段Ⅰ。含量(平均48.40%)增加,含量(平均7.60%)下降该阶段后期受到黄河夺淮(0.722 ka)后物源补给增加, 沉积速率加快, 平均沉积速率为0.17～0.22 cm/a。

阶段Ⅲ: 沉积时间为0.6～0.3 ka, 沉积深度5.7～2.5 m。岩性同阶段Ⅰ。有孔虫丰度迅速增加。该阶段沉积也受到了黄河夺淮(0.722 ka开始, 至0.095 ka黄河北归)事件的影响, 沉积速率比阶段Ⅰ、Ⅱ增加了数倍, 平均沉积速率达1.22 cm/a。

阶段Ⅳ: 沉积时间为0.3～0 ka, 沉积深度为2.5～0 m。岩性为褐黄色黏土。粒度特征与阶段Ⅰ～Ⅲ差异不大。有孔虫丰度高。沉积作用主要发生在黄河北归前。由于表层作用, 土体含盐量增加。

4.2 6.3 ka以来沉积物化学特征与古气候的响应机制

6.3～4.2 ka(阶段Ⅰ), 海平面升降是海相沉积和环境演化的主要控制因素。全新世的起点通常对应于新仙女木事件, 起始时间约为11.5 ka(Severinghaus et al., 1998), 全球冰盖和冰川融化, 引发了全球性的海平面上升。12.0～7.0 ka, 中国东部沿海地区海平面快速上升, 上升高度高达65 m(Li et al., 2014);约7.0～6.5 ka, 海侵达到最大范围, 古海平面高程为3 m(赵希涛等, 1994), 古江苏海岸线抵达赣榆、东海丘陵山麓坡脚一带(Liu et al., 2011); 6.5 ka之后, 海平面波动频繁, 变化幅度减弱, 但其总趋势为微微上升。现代环流自中全新世初期形成(Wang et al., 2014), 受东亚冬季风影响(Hu, 1984)及有利地形的影响, 由北部河流携带入海的泥砂质沉积物和陆架沉积物, 在连云港滨海地区以较高速率沉积(赵一阳, 1991)。沉积物颗粒组成主要为黏粒(20.1%)和粉粒(79.3%), 受到海水和内陆河流的影响(平均海水混合比为55.2%), 海水中盐分离子大量留存在成土母质中, 形成了含盐量非常高的盐渍化淤泥(含盐量0.8%～3.0%; 王遵亲等, 1993)。沉积物实测含盐量为1.1%～1.4%(平均1.2%; 图12), 变异系数为0.08; Na+含量为3700～5100 mg/kg(平均4200 mg/kg), 变异系数为0.19; Cl−含量为5700～7500 mg/kg(平均6500 mg/kg), 变异系数为0.14; pH值约为8.2。未出现窄盐种浮游有孔虫, 推测有淡水补给。底栖有孔虫与组合特征指示了滨海–浅海陆架环境。

图11 沉积物沉积曲线及全球海平面变化曲线

4.2～0.6 ka(阶段Ⅱ), 海平面在4.2 ka之后急剧下降, 在3.5～2.6 ka稳定在−1 m, 在2.6～2.2 ka上升到2 m, 在2.2～1.1 ka基本稳定在2 m, 在1.1～0.9 ka又急剧下降, 之后稳定在现今位置。沉积物颗粒组成主要为黏粒(20.8%)和粉粒(79.2%), 受到海水和内陆河流的影响(平均海水混合比为61.0%), 平均含盐量为1.3%; Na+含量为4000～5400 mg/kg(平均4700 mg/kg),变异系数为0.12; Cl−含量为6100～8500 mg/kg(平均7200 mg/kg), 变异系数为0.10; pH值为8.1～8.6(平均8.4)。底栖有孔虫平均含量为48.40%,平均含量为7.60%。沉积环境为滨海陆架环境。

0.6～0.3 ka(阶段Ⅲ), 海平面位置与现今相当。与阶段Ⅱ相比, 本阶段含盐量升高, pH值稍有下降, 土体颗粒变细, 底栖有孔虫丰度显著增加。沉积物颗粒组成主要为黏粒(23.1%)和粉粒(76.9%), 受到海水和内陆河流的影响(平均海水混合比为76.9%), 含盐量为1.4%～2.2%(平均1.7%), 变异系数为0.198; Na+平均含量为5800 mg/kg, Cl−平均含量为9120 mg/kg; pH值为8.1～8.5(平均8.3), 变异系数为0.02。底栖有孔虫平均丰度达3060枚/50 g,平均含量为44.30%,平均含量为2.80%。沉积环境为近岸滨海环境。

0.3～0 ka(阶段Ⅳ), 海平面位置与现今相当。与阶段Ⅱ相比, 土体含盐量显著增加, pH值下降, 颗粒组成及底栖有孔虫丰度基本持平。该阶段沉积受到黄河夺淮后(0.3～0.095 ka)物源补给的影响, 沉积速率与阶段Ⅱ持平。土体含盐量为1.7%～3.4%(平均2.6%), 变异系数为0.20; Na+含量为6300～9700 mg/kg (平均7910 mg/kg), 变异系数为0.22; Cl−含量为8400～19300 mg/kg(平均13100 mg/kg), 变异系数为0.43; 海水混合比为70.8%～163.3%(平均110.5%), 变异系数为0.43; pH值为7.7～8.2(平均7.9), 变异系数为0.03。含盐量随深度减小有增加趋势, 而pH值随深度减小有降低趋势。地表作用一般影响深度约5 m。当海洋环境转为陆地环境时, 浅表部硬壳层由软土层脱水固结、氧化和人类活动等多种作用形成(高彦斌和陈忠清, 2017), 因含铁矿物遭受氧化而呈现褐色–红色。底栖有孔虫含量为47.20%,含量为3.50%。沉积环境为滨海潮间带环境。浅表部硬壳层(褐黄色黏土)中出现高等植物, 说明土体含盐量较低, 土壤进一步脱盐后适合农业开发。

图12 ZK1孔不同沉积阶段含盐特征

5 结 论

(1) 受全新世海侵影响, 沉积物所含盐分主要为NaCl, 以中盐渍土和弱盐渍土为主。土体含盐量在5 m以浅变化较大, 至20 m时大致稳定在1%。

(2) 沉积物中的平均海水混合比为55.2%, 说明海水对土体盐分贡献高。表层沉积物海水混合比最高达到217.7%, 主要与地表作用(蒸发作用、毛细作用)和人类活动(盐场地表晒盐)有关。

(3) 中全新世以来的沉积物经历了滨海–浅海陆架环境、滨海陆架环境、近岸滨海环境和滨海潮间带环境。

致谢:中国科学院南海海洋研究所向荣研究员和另一位匿名审稿人提出了建设性修改建议, 在此致以特别感谢。

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The chemical properties of marine sediments since the middle Holocene and their response mechanisms to paleoenvironmental changes

GOU Fugang1, GONG Xulong1, SONG Yuming2, SHEN Chen2, CAI Tianlu1

(1. Geological Survey of Jiangsu Province, Key Laboratory of Earth Fissures Geological Disaster, Ministry of NaturalResources, Nanjing 210049, Jiangsu, China; 2. The Sixth Geological Party, Jiangsu Geological Bureau, Lianyungang 222002, Jiangsu, China)

The salt content of soft soil is an important indicator of foundation design and soil improvement in engineering construction. This study focused on the shallow marine sediments in the coastal area of Lianyungang. Multiple sets of samples were collected for soluble salt, particle size, AMS14C, and micropaleontological testing and analysis, and the chemical characteristics of the marine sediments and sedimentary environments were analyzed. The results show that soft soil salt has a high concentration of chloride ions (Cl−), with sodium ions (Na+) ranking second in concentration. The salt content of most soils is between 0.3% and 3.0%, with shallow soils varying greatly within a depth of 5 m. Up to a depth of 20 m, the soil salt content stabilizes at 1.0%. The salt content exhibits the strongest correlation with the Cl−content. The relationship between Cl−content and salt content has a good fitting effect, with both linear and polynomial fitting effects providing the most accurate representation. In addition, the Cl−content in soils shows a robust relationship with Na+, Ca2+, Mg2+, and K+content and is best represented using polynomial fitting. Similarly, the correlation between soluble salt Cl−and SO42−content in soil is significant, and logarithmicfitting provides the best representation. The salt content was negatively correlated with the pH value, indicating that an alkaline environment was not conducive to increased soluble salt content in the soil. The high ESR value of exchangeable Na in the sediments indicated that the salt characteristics of the studied soil layers retained the characteristics of seawater. Sediment deposits are affected by factors such as changes in sea level, the East Asian winter monsoon, and the diversion of the Huanghe River into the Huaihe River. Considering hole ZK1 as an example, the research area has undergone four stages since the Holocene: Coastal-shallow shelf, coastal shelf, coastal, and coastal intertidal environments. StageⅠ (6.3 ka to 4.2 ka): In this stage, the salt content of the soil is 1.2%, and the soil is alkaline. The average seawater mixing ratio was 55.2%, indicating that fresh water and seawater were mixed during soil deposition. Salinity fluctuated significantly within the sedimentary environment of the waterbody. The soil particles are predominantly silt and clay. Benthic foraminifera assemblages were dominated by vitreous species, constituting 70% of the population. No foraminiferal cementation was observed. The average content ofis 11.80%, andaverages 28.70%. Multiple indicators strongly suggest a shallow coastal shelf environment. Stage Ⅱ(4.2 ka to 0.6 ka): During this stage, the average salt content of the soil increased to 1.3% from Stage Ⅰ. The seawater mixing ratio increased, indicating unstable salinity levels in the waterbody. The composition of the soil particles was similar to that in Stage Ⅰ. The average content ofincreased significantly to 48.40%, and the content ofdecreased. Multiple indicators suggestive of a coastal shelf environment are available. Stage Ⅲ(0.6 ka to 0.3 ka): The sea level at this stage was equivalent to the current level. After the Yellow River captured the Huaihe River, the sedimentation rate reached 1.22 cm/a. Compared to Stage Ⅱ, the salt content increased, and the pH decreased slightly. Soil particles became finer, and the abundance of benthic foraminifera increased significantly. The seawater mixing ratio further increased. The average content ofwas 44.30%. Multiple indicators are suggestive of a coastal environment. Stage Ⅳ (0.3 ka to 0 ka): In this stage, the salt content of the soil increased significantly, and the pH decreased. The particle composition of the soil, abundance of benthic foraminifera, and sedimentation rate were the same as those during Stage Ⅲ. The mixing ratio of seawater was as high as 163.3%, which is primarily related to the modern salt accumulation process. Thecontent was 47.20%. Several indicators pointed to a coastal intertidal environment.

sedimentary environment; salt characteristics; soluble salt; marine sediments; foraminifera

P736

A

0379-1726(2023)05-0649-14

10.19700/j.0379-1726.2022.01.011

2021-10-12;

2021-12-09

连云港城市地质调查项目(20170821)、中国地质调查局项目(1212011220005)和国家自然科学基金项目(41772327)联合资助。

苟富刚(1985–), 男, 高级工程师, 主要从事特殊土体和环境地质研究。E-mail: goufugang@foxmail.com