2016, Vol.35
② 青岛海洋科学与技术国家实验室, 海洋地质过程与环境功能实验室, 青岛 266061;
③ 中国海洋大学海洋地球科学学院, 青岛 266100)
1 引言
黄渤海是我国东部陆架的重要组成部分,其中渤海是一个近封闭的内海,物源主要为渤海周边河流携带的泥沙,黄河带来的沉积物绝大多数在河口及三角洲地区沉积,成为渤海沉积物的主要来源[1]; 而黄海则是一个半封闭陆架浅海,其表层沉积物为陆源碎屑物质,局部地区有残留沉积[2]。目前对研究区某些区域的物源已有了基本的认识,例如利用沉积学、 粘土矿物及稀土元素分析[3, 4]表明南黄海西部沉积物主要为黄河源的残留沉积物。利用碳酸盐含量分析[5]、 地球化学分析[6, 7]、 矿物分析[8, 9]、 粒径趋势分析[10]等多种方法对南黄海中部物源问题进行了研究,认为主要为现代黄河和苏北老黄河的供应[11],随后研究发现长江和黄河物质对该区均有重要贡献[12]。目前的研究认为南黄海中部泥质区是多源沉积形成,主要包括现代黄河和苏北老黄河物质、 长江物质、 朝鲜半岛物质以及外海物质[13, 14],但对于黄渤海整体沉积物的来源仍未全面掌握。
磁学参数在黄土、 湖泊、 海洋沉积物研究中发挥了重要作用[15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22],由于环境磁学的主要研究对象为重矿物,其矿物性质较为稳定,在沉积物输运过程中,对其位置、 性质的改变相对较少,因此能够较大程度的记录和保存地质信息,从而可以较为准确的反映沉积物的来源及沉积环境。目前环境磁学已在海洋沉积物物源研究上取得了一定进展。例如通过对长江及黄河沉积物进行环境磁学研究,发现物源的差异导致了环境磁学的差异,并且磁学特征可以作为判断两者物源的有效示踪剂[23, 24, 25, 26]; 在中国东海外陆架、 东北部大陆架泥质区通过对表层细粒泥质沉积物进行岩石磁学分析,得到其物源信息及输运模式[27, 28]。在东海北部已有学者依据沉积物的环境磁学及其他地学特征对沉积物进行相应的分类,并推断其物质来源[29]。本文拟利用研究区表层沉积物磁学性质的变化,对其进行环境磁学分类,阐述研究区沉积物的主要物源,从而掌握黄渤海区域沉积物的分布格局,以及长江和黄河物质从河口入海后对研究区沉积物的贡献。
2 研究区概况渤海及邻区属于东亚大陆构造域的华北狼林地块,其上由于区域性拉张和均衡作用导致地幔上隆而形成了渤海湾盆地[30]。渤海位于我国大陆东部北端(图1),冬季渤海环流普遍较弱,绝大部分区域流速都小于5cm/s,其中在3个海湾中部和中央区北部余流最弱,而最强流速则出现在渤海海峡附近; 到了夏季环流则变强,原先的弱流区和强流区范围变化不大,但近辽东湾口位置流速超过5cm/s,也成为一个明显的强流区[31]。
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图1 黄渤海表层沉积物样品位置 Fig.1 Location of surface sediment samples in the Bohai Sea and the Yellow Sea |
北黄海属中朝地台的向东延伸,与胶辽隆起的地质构造演化史相似。南黄海由南向北可以划分为勿南沙隆起、 南部盆地、 中部隆起、 北部盆地、 千里岩隆起等5个次级构造单元[2]。黄海是大西洋西部的边缘海(图1),位于中国大陆和朝鲜半岛之间,夏季环流较弱,冬季持续受较强冬季风影响环流较强。冬季黄海环流主要由顺岸南下的沿岸流和黄海中部北上的黄海暖流组成[32],黄海暖流由对马暖流和东海陆架混合而成,其路径存在一定的季节和年际变化[33]。
3 样品和研究方法本文研究样品分别于2011年12月、 2012年5月和2012年11月搭载"东方红2号"国家自然科学基金公共航次取得124个黄渤海表层沉积物样品,于2012年2月搭载"润江号"科考船获得6个南黄海表层沉积物样品,共获得130个黄渤海表层沉积物样品(图1)。 样品的前期处理在中国海洋大学海洋地球科学学院样品预处理室完成,粒度试验在国家海洋局北海分局使用激光粒度仪(美国Microtrac S3500型)完成测试。每个样品取0.5g左右,加入10％的H2O2溶液,静置24小时除掉有机质,再加少量5.12％的六偏磷酸钠分散剂煮沸,冷却后上机进行粒度测试。
环境磁学实验磁化率测试在中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室完成,其他磁学参数测试在青岛海洋地质研究所环境磁学与古地磁学实验室完成。将样品在低于40℃烘箱内烘干,并用玛瑙研钵轻轻敲压成粉末状,称取大约5g左右样品置于聚乙烯保鲜膜中,随后装入无磁性塑料样品盒内压实固定后进行磁性测量,依次测量:1)使用英国Bartington-MS2磁化率仪测量磁化率(低频磁化率χlf,0.47kHz和高频磁化率χhf,4.7kHz); 2)使用Dtech2000交变退磁仪、 美国ASC IM-10-30脉冲磁化仪和捷克AGICO JR-6A旋转岩石剩磁测量仪测量非磁滞剩磁(χARM,交变磁场峰值为100mT,直流磁场为0.04mT)、 饱和等温剩磁(SIRM,磁场强度为1.5T)及具有饱和等温剩磁的样品在磁场强度分别为-20mT、 -100mT和-300mT环境中退磁后的等温剩磁(IRM-20mT、 IRM-100mT和IRM-300mT),再根据公式S-100=100×(SIRM-IRM-100mT)/(2×SIRM),S-300=100×(SIRM-IRM-300mT)/(2×SIRM)计算出比值参数S-100和S-300; 3)使用AGICO体系的KLY-CS3 Kappa Bridge测量氩气环境中典型样品从39.9℃加热至700℃,再冷却至40℃的κ-t曲线。
4 研究结果 4.1 黄渤海表层沉积物磁性矿物含量分布磁化率(χ)、 饱和等温剩磁(SIRM)可反映样品中亚铁磁性矿物(如磁铁矿)的富集程度[34]。研究区样品磁化率χ值一般介于20×10-8~96×10-8m3/kg范围之内,其中最大值为186×10-8m3/kg,出现在南黄海西南部,而最小值为16×10-8m3/kg,出现在南黄海中西部(图2a)。在渤海中部,从东南到西北,磁化率值有递增的趋势,说明沉积物中磁性矿物含量在增加,在北黄海,磁化率值的分布表现出随离岸距离的增加,磁化率值逐渐变小,说明沉积物中磁性矿物含量逐渐减少,在南黄海北部,样品磁化率值的分布特征和北黄海磁化率值分布特征相似,表现为由沿岸到海,磁化率值逐渐变小,在南黄海中部,出现磁化率低值区,从此向东南和西南,磁化率值又不断增大,说明表层沉积物中磁性矿物的含量有所增加。
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图2 黄渤海表层沉积物(a)磁化率χ(10-8m3/kg)和(b)饱和等温剩磁SIRM(10-6Am2/kg)等值线分布图 Fig.2 The distribution of magnetic parameter contours of the Bohai Sea and the Yellow Sea surface sediments (a) mass magnetic susceptibility(χ)(unit:10-8m3/kg)and (b) SIRM(unit:10-6Am2/kg) |
SIRM是指在1.5T磁场中磁化后所保留的剩磁,它主要取决于铁磁性矿物的含量和类型,但也依赖于晶粒度[35],可以反映磁性矿物在样品中的富集程度。黄渤海大部分表层沉积物的SIRM值在2100×10-6~8639×10-6Am2/kg范围内,其分布趋势与χ相似,最大值为10785×10-6Am2/kg,出现在南黄海西南部,而最小值为1806×10-6Am2/kg,位于南黄海中西部(图2b)。
4.2 黄渤海表层沉积物磁性矿物类型磁化率(χ)与饱和等温剩磁(SIRM)的关系可以反映磁性矿物类型。对沉积物的χ、 SIRM进行了相关性分析,发现两者相关性R2为0.52(图3),相关性较好,说明亚铁磁性矿物主导了黄渤海表层沉积物的磁学特征。
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图3 黄渤海表层沉积物磁性参数χ与SIRM的相关关系 Fig.3 The correlation between magnetic parameters(SIRM and χ)of the Bohai Sea and the Yellow Sea surface sediments |
S-300和S-100反映样品中亚铁磁性矿物和不完整反铁磁性矿物的相对比例,并且随着不完整反铁磁性矿物的增加而减小[36],当S-100 超过70％或S-300超过90％,意味着亚铁磁性组分占主要地位。研究区表层沉积物的S-100平均值为84％,最大值为96％,最小值为71％,而S-300平均值为93％,最大值为99％,最小值为85％,全部样品的S-100值均大于70％并且有94％的表层沉积物样品其S-300值高于90％,从而说明亚铁磁性矿物主导了黄渤海表层沉积物的磁学特征,其中,在海州湾外海以及成山角东侧外海中部出现了S-100、 S-300的低值区,可能是由于磁性矿物的还原成岩作用对其产生了一定的影响[37, 38](图4)。
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图4 黄渤海表层沉积物(a)S-300与(b)S-100等值线分布图(单位:％) Fig.4 The distribution of magnetic parameter contours of the Bohai Sea and the Yellow Sea surface sediments (a) S-300(unit:％)and (b) S-100(unit:％) |
κ-t曲线可以通过判断磁性矿物居里点进而有效地鉴别其种类[39]。黄渤海典型表层沉积物样品的κ-t曲线(图5)
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图5 黄渤海典型表层沉积物样品的κ-t曲线 Fig.5 The κ-t curve of typical surface sediment samples of the Bohai Sea and the Yellow Sea. Inset shows the heating curve only |
在580℃时,由于样品中磁铁矿到达居里温度出现了解阻现象,κ值急剧下降,趋近于0,其中,渤海样品(B50)及南黄海样品(H08、 H09、 H43和YSL03)在300℃左右出现了κ值的波动,北黄海样品(B23)在510℃时由于单畴磁性矿物的霍普金森效应使κ值增大; 而冷却过程,典型样品的变化较为相似,温度在590℃降至约490℃过程中,κ值有所增大,且比加热过程中此温度区间的κ值大,说明在加热过程中形成了大量的磁铁矿。在490℃冷却至室温过程中,κ值缓慢减小最后趋于稳定,并且冷却后的κ值高于加热前的初始值,说明加热过程中生成了强磁性矿物,可能是磁铁矿[40]。因此,黄渤海表层沉积物的磁性矿物主要为磁铁矿。
4.3 黄渤海表层沉积物磁性矿物磁畴特征比值参数χARM/χ可指示亚铁磁性矿物颗粒的大小,较高的比值指示单畴颗粒,低比值则反映多畴或超顺磁颗粒的存在[41, 42],比值参数χARM/SIRM由于不受超顺磁晶粒的影响,较低的比值反映了较粗的多畴晶粒[36]。从图6可以看出在南黄海中部泥质区,北黄海中部泥质区、 渤海西北部泥质区,表现出χARM/χ>10,χARM/SIRM>60×10-5m/A,说明单畴和准单畴颗粒主导了该区域样品的磁性矿物晶粒; 而在其他海区则表现为χARM/χ<10, χARM/SIRM<60×10-5m/A,表明这些区域的磁性矿物晶粒以较粗的准单畴和多畴颗粒为主。
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图6 黄渤海表层沉积物比值参数(a)χARM/χ及(b)χARM/SIRM(单位:10-5m/A)等值线分布图 Fig.6 The distribution of magnetic parameter contours of the Bohai Sea and the Yellow Sea surface sediments(a)χARM/χ and(b)χARM/SIRM(unit:10-5m/A) |
黄渤海表层沉积物平均粒径变化范围一般在2.5~7.38φ之间,平均值为5.23φ,其中最小值为1.76φ,出现在长江口外,最大值为8.1φ,出现在南黄海中部地区。在南黄海中东部、 北黄海中西部及渤海西北部,沉积物粒度较细,沉积动力较弱; 而在渤海海峡、 北黄海东部、 海州湾外海及长江口外,沉积物颗粒较粗,沉积动力较强(图7)。
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图7 黄渤海表层沉积物粒度特征 Fig.7 The grain size distribution and contents of surface sediments in the Bohai Sea and the Yellow Sea. |
依据沉积物SIRM/χ 与S-300参数散点图将表层沉积物大致分为4个类型(图8a),分别为: 第一类其磁性矿物粒度中等,SIRM/χ值介于11×103~17×103A/m之间,S-300中等,为90％~94％之间; 第二类其磁性矿物颗粒最细,SIRM/χ值介于17×103~21×103A/m之间,S-300中等,为91％~94％之间; 第三类其磁性矿物的粒度中等,SIRM/χ值介于10×103~17×103A/m之间,S-300最小,为87％~90％之间; 第四类其磁性矿物粒度最大,SIRM/χ值介于5×103~11×103A/m之间,S-300较大,为91％~97％之间。随后分析了样品的SIRM/χ 与SIRM磁学参数散点图(图8b),通过分析同样将样品分类为四类: 第一类,其磁性矿物的粒级中等,SIRM/χ值介于11×103~16×103A/m之间,磁性矿物含量较多,SIRM值介于3907×10-6~8496×10-6Am2/kg之间; 第二类磁性矿物的粒级最细,SIRM/χ值介于16×103~21×103A/m之间,磁性矿物含量中等,SIRM值介于3145×10-6~6785×10-6Am2/kg之间; 第三类磁性矿物的粒级中等,SIRM/χ值介于10×103~15×103A/m之间,磁性矿物含量最少,SIRM值介于1806×10-6~3644×10-6Am2/kg之间; 第四类磁性矿物的粒级最粗,SIRM/χ值介于5×103~11×103A/m之间,磁性矿物含量较高,SIRM值介于4220×10-6~8639×10-6Am2/kg之间。
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图8 黄渤海表层沉积物磁学参数散点图 Fig.8 The scatter diagram of magnetic parameters SIRM/χ and S-300(a),SIRM/χ and SIRM(b) of the Bohai Sea and the Yellow Sea surface sediments |
基于沉积物的SIRM/χ、 S-300及SIRM散点图分析,并结合相关沉积环境,对黄渤海表层沉积物进行了磁学特征分类(图9)。在图9中,类型1为红色站位分布,主要集中于渤海中部除辽东半岛西侧及滦河河口外侧极个别点之外、 山东半岛沿岸近岸以及苏北老黄河口以东海域,其磁性矿物粒度中等,磁性矿物含量较多,亚铁磁性矿物含量亦中等; 类型2为黄色站位分布,主要集中在南黄海泥质区及北黄海泥质区内,其磁性矿物的粒度细,磁性矿物含量中等,亚铁磁性矿物含量中等; 类型3为绿色站位分布,主要集中在北黄海中部、 南黄海泥质区北侧及西侧,其磁性矿物粒度中等,磁性矿物含量低,亚铁磁性矿物含量也低; 类型4为黑色站位分布,主要集中于辽东半岛西侧、 滦河河口外侧以及南黄海南部,其磁性矿物粒度粗,磁性矿物含量高,亚铁磁性矿物含量也高。
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图9 黄渤海表层沉积物磁学特征分类 Fig.9 Magnetic characteristics classification of surface sediments in the Bohai Sea and the Yellow Sea |
本文将研究区表层沉积物的磁学特征和黄河[23, 43]、 长江[23, 44]以及朝鲜半岛泥质区[40]的磁学特征进行SIRM/χ 与S-300以及SIRM/χ 与SIRM参数分析(图10)。可以看出,类型1沉积物的SIRM/χ 与S-300值与黄河口沉积物及黄河中下游悬浮体非常接近,与黄河河道悬浮体及部分黄河口表层沉积物的SIRM值也较为一致,说明类型1沉积物与黄河沉积物具有最为相近的磁学特征; 类型2沉积物虽然与长江、 黄河沉积物磁学特征都有一定的一致性,与黄河沉积物相关性更高,但是与各源区沉积物磁学特征偏差均较大(图10),可能是经过搬运后沉积性质发生了变化; 类型3其磁学特征与黄河口表层沉积物及悬浮体磁学特征有部分重合(图10a),与其他源区磁学特征一致性较低,而在图10b中仅与部分长江中下游河道沉积物及黄河口表层沉积物有一定的一致性,说明类型3沉积物主要是残留沉积,但存在少量的黄河物质输入; 类型4中南黄海表层沉积物与部分长江口表层沉积物及长江中下游河道沉积物具有相似的磁学特征,因而这些沉积物主要来源于长江,但分布于渤海的类型4表层沉积物则不能断定来源于长江,而有可能来自周边的河流输入(图10)。若通过沉积物的磁学特征来反映物源,则研究区内沉积物物源推测如下: 类型1沉积物物源可基本确定为黄河物质; 类型2中沉积物物源可能同时包括黄河和长江物质,但黄河物质可能占比重更多; 类型3沉积物物源主要是残留沉积,但也包含一定的黄河物质; 类型4中的南黄海表层沉积物物源主要是长江物质,但是渤海表层沉积物更可能来自周边河流。
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图10 研究区与长江、 黄河及朝鲜半岛泥质区沉积物磁性参数分析 Fig.10 SIRM/χ versus S-300(a) and SIRM/χ versus SIRM(b) for samples from the surface sediments of study areas and other areas |
研究区磁学特征的分布主要由物质输入和水动力环境决定,按上述磁学特征分类并结合物源、 运移过程和沉积环境,浅析其形成原因并进行命名。类型1磁学特征的分布是通过山东半岛沿岸流将黄河物质输送到北黄海和南黄海中北部,并通过渤海内环流输运到渤海中部,同时老黄河口的物质通过苏北沿岸流及强潮流输运到南黄海西南,形成了具有明显黄河物质特征的磁性矿物含量较高、 磁性矿物颗粒中等以及亚铁磁性矿物含量中等的磁学特征,将其命名为中等水动力黄河物源区; 类型2主要分布在南黄海泥质区中北部以及北黄海泥质区,该类型离长江、 黄河等物源地较远,沉积物经过长距离的搬运,在水动力环境较弱的泥质区沉积,含有黄河和长江物质,也存在黄海暖流以及黑潮等环流为其提供的物质形成了磁性矿物含量中等、 亚铁磁性矿物含量中等、 磁性矿物粒级最细的磁学特征,将其命名为弱水动力长江-黄河混合物源区; 类型3主要分布于南、 北黄海泥质区的过渡区,磁性矿物含量较少,推断该地区的物源还是以当地残留沉积物为主[45],沉积动力中等,形成了磁性矿物含量相对较低、 亚铁磁性矿物含量较低且磁性矿物粒级中等的磁学特征,将其命名为中等水动力残留沉积物源区; 类型4分布较为分散,分布区水动力强,且在南黄海南部受长江沉积物及暖流系(黑潮、 台湾暖流)带来沉积物影响较大,其磁学特征主要表现为磁性矿物含量高、 磁性矿物粒级粗,亚铁磁性矿物含量高,将其命名为强水动力长江物源区。
6 结论(1)黄渤海表层沉积物的磁学特征由磁铁矿主导,在南、 北黄海泥质区及渤海西北泥质区磁性矿物颗粒主要以较细的单畴和准单畴为主,而其他区域,则主要以较粗的准单畴和多畴为主。
(2)按沉积物的S-300、 SIRM/χ与SIRM磁性参数特征,将沉积物分为4个类型并进行命名,其中类型1为中等水动力黄河物源区,类型2为弱水动力长江-黄河混合物源区,类型3为中等水动力残留沉积物源区,类型4为强水动力长江物源区。
(3)通过与其他地区磁学特征的比较,发现类型1沉积物物源可基本确定为黄河物质,类型2中沉积物物源可能同时包括黄河和长江物质,但黄河物质可能占的比重更多,类型3沉积物物源可能以残留沉积物为主,类型4中的沉积物由于所处海域不同,其物源包括长江物质以及渤海周边河流的物质。
致谢 感谢审稿专家和编辑部老师建设性的修改意见,多次的修改和补充使论文得以完善。
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② Laboratory for Marine Geology, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266061;
③ College of Marine Geo-Science, Ocean University of China, Qingdao 266100)
Abstract
The Bohai Sea and the Yellow Sea are important regions of the East Chinese Continental Shelf.Although some research on sediment provenance in this area has been conducted, there are still significant gaps in the understanding of sediment dynamics in this region.In this study, surface sediment samples from 130 sites in the Bohai Sea and the Yellow Sea(31.97°~39.55°N,118.97°~124.49°E) were collected.We analyzed the magnetic characteristics, particle size, proportions of sand, silt and clay, magnetic susceptibility(Xlf, Xhf), anhysteretic remanent magnetization(ARM), isothermal remanent magnetization(IRM)and κ-t curve of all samples.Additionally, S-100 and S-300 were calculated.
The results show that:(1) In the research area, X ranges from 20×10-8 to 96×10-8 m3/kg and SIRM from 2100×10-6 to 8639×10-6Am2/kg.The highest values of both X and SIRM were found in the southwestern South Yellow Sea, with the lowest values in central western South Yellow Sea.(2)S-100, S-300 and the correlation between X and SIRM, show that the surface sediments of the Bohai Sea and the Yellow Sea are characterized by ferromagnetic minerals, with results of the κ-t curve of typical samples showing these minerals are predominantly magnetite.(3)Within the mud area of the Bohai and Yellow Seas, XARM/X>10 and XARM/SIRM>60×10-5 m/A.The magnetic grains are mainly fine single-domain and pseudo-single-domain particles, while in other areas, the magnetic grains are largely multi-domain and pseudo-single-domain particles.(4)The S-300, SIRM/X and SIRM results, along with a comparison with the sediments of the Yangtze River, the Yellow River and the Korean Peninsula muddy area, allow the classification of the surface sediments of the study area into four types:Type 1 sediments have medium ferrimagnetism, magnetic domain and a high concentration of magnetic minerals.The magnetic characteristics of these sediments are similar to those of Yellow River sediment.The region containing these sediments has a moderate degree of sedimentary hydrodynamic activity, and is classified as the medium dynamic Yellow River sedimentary area.The sediments in Type 2 area have fine magnetic domain with moderate ferrimagnetism and magnetic mineral content.This area is a low hydrodynamic environment with sediment characteristics similar to those of the Yellow River and Yangtze River sediments.Therefore, it is classified as a low dynamic mixing sedimentary area from the Yellow River and Yangtze River.Type 3 is characterized by sediments with a medium magnetic domain, and low ferrimagnetism and magnetic mineral content.Despite close similarities to the features of Yellow River sediments, the existence of relict sediment and medium hydrodynamics, results in this region being classified as a medium dynamic relict sedimentary area.Type 4 sediments have a coarse magnetic domain, along with high ferrimagnetism and magnetic mineral content.This area's sediments have similar magnetic properties to the sediments of Yangtze River and it is classified as the strong dynamic Yangtze River sedimentary area.The sediments of this region have different environmental magnetic and sedimentary environment characteristics which can help to distinguish the distributions and provenance of sediments in Yellow Sea and the Bohai Sea.