1 引言

近年来,沉积物源汇过程逐渐成为地学研究热点之一。这一过程不仅仅存在于河流系统,也存在于海洋系统中。河流沉积物入海后,源汇过程仍然在继续,其搬运沉积主要受到海流系统的控制。例如长江泥沙入海后,沉积物的扩散沉积过程主要受东海内陆架两支海流(浙闽沿岸流和台湾暖流)的共同制约(图1)。在浙闽沿岸流的驱动下,长江泥沙向南输送可达台湾海峡^{[1, 2, 3]},在浙闽沿岸形成条带状分布的泥质区^{[3, 4]},全新世沉积中心厚度可达40m^{[3, 5]}。泥质区的物质来源一直备受关注,以往研究多侧重于长江和黄河物质的贡献^{[6, 7]},而近年来的研究逐渐意识到台湾西部河流(浊水溪等)的贡献也不可忽视,尤其是在泥质区南部区域^{[1, 2, 8, 9]}。要识别该区域的泥沙来源,首先要从入海河流泥沙中寻找有效的判源指标。目前针对大陆和台湾河流沉积物物源对比的研究主要集中于长江^{[10, 11]}和浊水溪^{[8, 9]},浙闽河流提及较少; 指标多限于粘土粒级沉积物^{[1, 12, 13]},其他粒级的沉积物涉及较少。因此,本文拟从长江、 浙闽河流和台湾西部河流入手,以浙闽沿岸流可携带沉积物粒径组分为研究对象; 此外,由于受到长江泥沙倒灌的影响,浙闽河流泥沙本身的物源特征很可能被掩盖,所以采样点都设计在潮流界以上。Horng 等^[2]曾指出磁黄铁矿在台湾河流和台湾海峡沉积物中普遍存在,而对长江口沉积物的研究显示磁性矿物以磁铁矿为主导^[14]。与磁性矿物密切相关的沉积物磁学特征,由于其实验过程简易快速,且是一种有效的判源指标,经常用于物源研究中^{[15, 16, 17, 18]}。据此,本文拟选取磁性特征及磁性矿物为指标进行探讨,尝试提取基于磁性特征的物源判别指标。

我们于2012年7月采集了钱塘江、 瓯江和闽江潮流界以上的河流边滩次表层沉积物(表层以下5~10cm); 2014年4月采集了台湾西部河流(大安溪、 大甲溪、 乌溪和浊水溪)次表层沉积物样品; 并从台湾国立中山大学收集了3个浊水溪口的沉积物样品; 收集了多个公共航次采集的长江河口沉积物样品。具体样品信息见图1和表1。

图1(Fig.1)

图1 研究区位置与样品点位图[ Fig.1 Study area and sampling locations. Dotted line represents summer,modified from Xu et al.[1]

表1(Table 1)

表1 样品与实验Table 1 Samples and experiments 实验 河流 大陆东南沿海河流 台湾西部河流 长江 钱塘江 瓯江 闽江 浊水溪 大安溪 大甲溪 乌溪 样品数 16 5 5 5 8 2 1 2 磁性 16 5 5 5 8 2 1 2 热磁 2 1 1 1 2 1 1 2 XRD 5 2 2 2 2 1 1 2

表1 样品与实验 Table 1 Samples and experiments

浙闽泥质区岩芯沉积物的粒度分析结果显示存在两个敏感粒级,其中粗粒级组分很可能反映的是风暴沉积,而细粒级(<45μm)组分的变化很可能反映的是浙闽沿岸流的变化^{[19, 20]}。尽管对这一结果还存在着一些争议^{[19, 20, 21, 22]},但是可被浙闽沿岸流远程携带的泥沙肯定是较细的粒级。因此,本文的研究对象着眼于细粒级沉积物(<45μm)。

本文对河流沉积物进行了磁性特征、 热磁和X射线衍射(XRD)分析,具体分析样品见表1。

称取过筛后(<45μm)样品5g左右,进行装样,利用Bartington磁化率仪测量样品的低频(0.47kHz)和高频(4.7kHz)磁化率(κ_lf、 κ_hf),并计算质量磁化率χ_lf和χ_hf。使用Dtech 2000交变退磁仪(交变磁场峰值100mT,直流磁场0.04mT)获得非磁滞剩磁(ARM),利用Minispin旋转磁力仪测定,并计算非磁滞剩磁磁化率χ_ARM。样品用MMPM10脉冲磁化仪获得1T条件下的等温剩磁,再将样品在100mT、 300mT反向磁场中磁化,利用Minispin旋转磁力仪测得等温剩磁IRM_1T(本文定义为饱和等温剩磁SIRM)和IRM_-100mT、 IRM_-300mT,计算退磁参数(S_-100=100×(SIRM-IRM_-100mT)/(2×SIRM)、 S_-300=100×(SIRM-IRM_-300mT)/(2×SIRM))和硬剩磁(HIRM=(SIRM＋IRM_-300mT)/2),再计算各比值参数SIRM/χ_lf、 χ_ARM/χ_lf和χ_ARM/SIRM。

称取10g左右样品,倒入烧杯,加水搅拌混合,将磁铁包上保鲜膜,放入烧杯中吸取磁性矿物,冲洗入坩埚。这一过程重复多次,将提取的磁性颗粒低温烘干(40℃)后,在氩气氛围下进行温度磁化率测定,仪器为AGICO MFK1-FB。

将磁选出的磁性矿物(约2g)装入载玻片样品框架,压紧成型,然后上机测试。所用仪器为Panalytical(原Philips)公司生产的XPert Pro MPD型X射线衍射仪,测试条件为:Cu-Ka辐射,发散狭峰与防散射狭缝均为 1°,接收狭缝为0.2mm,工作电压40kV; 工作电流40mA,步长 0.02°,扫描速度 0.05°/s,扫描范围 5°~80°(2θ)。

_lf和SIRM通常反映了样品中亚铁磁性矿物(如磁铁矿)的含量^[23]; χ_ARM对稳定单畴亚铁磁性矿物颗粒极为敏感^[24]; χ_ARM/χ_lf和χ_ARM/SIRM均指示亚铁磁性矿物颗粒的大小^{[25, 26]}; HIRM反映样品中不完整反铁磁性矿物(如赤铁矿、 针铁矿)的绝对含量,S值反映样品中不完整反铁磁性矿物(如赤铁矿和针铁矿)的相对含量^[23]。根据这些磁性参数的结果,可以将样品归纳为4组(图2):1)长江和长江口区域; 2)浙闽河流(钱塘江、 瓯江和闽江); 3)台湾浊水溪及河口; 4)台湾西部小河流(大安溪、 大甲溪和乌溪)。

图2(Fig.2)

图2 河流沉积物磁性特征 Fig.2 Magnetic properties of river sediment samples

长江和长江口区域:_lf值总体较高,且河道沉积物变化幅度较大,均值为106×10^-8m³/kg,最大值为396×10^-8m³/kg,SIRM值也相对较高,SIRM/χ_lf较低,平均为10kA/m,说明亚铁磁性(强磁性)矿物含量较多。S_-100、 S_-300均值高达90[WTB3]％[WTBZ],同样说明了亚铁磁性矿物为主导矿物。较高的_ARM、 χ_ARM/χ_lf和χ_ARM/SIRM值说明亚铁磁性矿物的颗粒较细。HIRM值较高,均值为464×10^-6Am²/kg,反应了不完整反铁磁性矿物占有一定的比例。

浙闽河流:χ_lf值均值为62×10^-8m³/kg,与长江河口沉积物接近,SIRM和SIRM/χ_lf值也与长江沉积物接近,SIRM/χ_lf均值为13kA/m,说明亚铁磁性矿物含量和长江类似。χ_ARM、 χ_ARM/χ_lf和χ_ARM/SIRM值也显示出和长江沉积物相同的特性,磁化率主要由较细的亚铁磁性矿物颗粒贡献。HIRM值较长江沉积物有所降低,均值为297×10^-6Am²/kg,说明不完整反铁磁性矿物含量比长江沉积物中的稍低。

台湾浊水溪及河口:χ_lf值总体很低,数值分布范围为9×10^-8~50×10^-8m³/kg,均值为24×10^-8m³/kg,远低于长江和浙闽河流,反映亚铁磁性矿物含量少。浊水溪半数样品的SIRM和SIRM/χ_lf异常高,其中4个样品SIRM/χ_lf值大于60kA/m,2个样品SIRM/_lf值超过100kA/m,最大值高达136kA/m,很可能是铁硫化物的影响^[27],具体讨论见后。同时这些样品的_ARM和χ_ARM/χ_lf也相对较高,这是由于磁性矿物的种类引起的,并不能反映磁性颗粒的情况。总体来说χ_ARM/SIRM值较低,均值为19×10^-5m³/A,磁性矿物颗粒较粗。除去那些异常高SIRM值的样品,其他样品HIRM值极低,HIRM均值为156×10^-6Am²/kg,不完整反铁磁性矿物含量很少。 台湾西部小河流: 整体χ_lf值非常低(均值为11×10^-8m³/kg),低SIRM以及低HIRM(均值为14×10^-6Am²/kg)说明磁性矿物含量非常稀少,磁性特征和浊水溪低SIRM值样品类似。

图3a~3e分别是随机选取的长江口(CJK-6、 CJK-7)、 钱塘江(QT-1)、 瓯江(OJ-1)和闽江(MJ-1)样品的热磁曲线。加热曲线出现双峰,260℃和520℃附近各有一个峰,从室温到260℃的加热过程中χ/χ₀缓慢升高,这一般是纤铁矿转化为磁赤铁矿^[28]或由细粒单畴颗粒解阻引起^{[29, 30]}。在300~440℃随着温度的升高/₀有所下降,这一般被认为是亚稳定、 强磁性的磁赤铁矿受热转化成热稳定、 弱磁性的赤铁矿^{[31, 32]}。随着温度的继续升高,磁化率相对强度继续增加到最大值,在温度到达580℃附近,χ/χ₀迅速降低,显示了典型的磁铁矿特征^[33]。总体来说,这4条河流沉积物的热磁曲线形态较为接近,说明它们的磁性矿物类型较为相似,基本以磁铁矿为主。

图3(Fig.3)

图3 典型样品热磁曲线 Fig.3 X/X0-T curves of the typical samples. Black and gray lines refer to heating and cooling curves respectively

图3f~3j分别是浊水溪SIRM/χ_lf值异常样品(ZSX-2、 ZSX-4)、 大安溪(DAX-2)和乌溪(WX-1、 WX-2)样品热磁结果。加热曲线出现320℃左右的居里温度,指示了磁黄铁矿^{[33, 34, 35]},而所有样品冷却曲线远高于加热曲线,指示在加热过程中生成了新的亚铁磁性颗粒^{[36, 37, 38]}。台湾西部河流中磁黄铁矿特征明显,尤其在浊水溪沉积物中最甚,大安溪(DAX-2)、 乌溪(WX-1、 WX-2)磁性矿物含量少,磁黄铁矿特征存在,但不如浊水溪明显。

X射线衍射图像综合分析近年来应用于各种矿物及物相分析^{[39, 40, 41, 42]}。本文选定磁铁矿特征衍射峰为d₁=2.526nm,d₂=1.485nm,d₃=1.094nm^[43],磁黄铁矿特征峰为d₁=2.06nm,d₂=2.64nm,d₃=1.718nm^[43]。XRD图谱结果显示,长江(CJK-2)、 钱塘江(QT-1)、 瓯江(OJ-1)和闽江(MJ-4)样品中磁铁矿衍射峰均较为清晰,并未发现磁黄铁矿特征衍射峰; 台湾浊水溪(ZSX-4)磁黄铁矿的特征峰非常明显,大安溪(DAX-2)和乌溪(WX-1)磁黄铁矿特征衍射峰不明显,磁铁矿特征峰较弱(图4)。

图4(Fig.4)

图4 X射线衍射图谱 Fig.4 Diagram of X-ray diffraction

在磁性参数上,我们发现台湾河流部分样品(多为浊水溪样品)具有异常高的SIRM和SIRM/χ_lf值(100kA/m左右,见图2),这显然不是磁铁矿的特征,因为磁铁矿的SIRM/χ_lf值通常低于30kA/m,多集中于10kA/m^{[27, 33, 44]}。矫顽力较高的赤铁矿虽然具有较高的SIRM/χ_lf值^[27],但不容易被磁化和退磁,具有较低的S_-300。台湾河流这部分样品的S_-300值却高达90[WTB3]％[WTBZ]以上,可见沉积物中磁性矿物较容易磁化,因此赤铁矿也不是异常高SIRM/χ_lf值的原因。除此之外,铁硫化物如胶黄铁矿(Fe₃S₄)、 磁黄铁矿(Fe₇S₈)等也具有高SIRM/χ_lf值^[27,44~46],王张华和陈中原^[47]在东海外陆架也发现过异常高SIRM/χ_lf值现象,通过对磁性矿物的鉴定,他们认为高SIRM/χ_lf值是自生的胶黄铁矿所致,但也不排除自生磁黄铁矿的影响。本文对这些异常高SIRM/χ_lf值的样品也进行了热磁和X射线衍射分析,发现这些样品中有很强的磁黄铁矿信号(图3和4),前人也曾指出磁黄铁矿在台湾河流中普遍存在^[2],因此我们认为SIRM/χ_lf异常高是由于台湾河流沉积物中的磁黄铁矿所致。

磁性参数、 热磁曲线以及XRD图谱显示长江和浙闽河流的磁性矿物以磁铁矿为主导,而台湾西部河流以磁黄铁矿为特征磁性矿物,其中以输沙量最大的浊水溪最为明显(见图2~4)。对长江、 浙闽河流重矿物的研究也发现磁铁矿是主要的磁性矿物^{[48, 49]},台湾地区磁黄铁矿分布广泛^{[2, 50, 51]},中央山脉磁黄铁矿含量多于磁铁矿^[50]。可见,磁铁矿和磁黄铁矿可作为示踪两大区域物源的特征磁性矿物。

河流沉积物主要来自流域岩石的风化,其矿物组成和源岩关系密切。长江流域广,源岩复杂,上游流域广泛分布着碳酸岩、 峨眉山玄武岩、 中酸性火成岩等,中下游流域主要分布变质岩、 中酸性火成岩和沉积岩^[52](图5)。其中上游地区峨眉山玄武岩富含强磁性的磁铁矿^[52],这已经被用作示踪长江上游物源的一个指标,在江汉盆地及长江三角洲地区的第四纪地层中普遍发现的磁性大幅增强现象就被认为和长江上游物质的输入有关^{[53, 54]}。现代长江入海沉积物颗粒较细^[55],主要来自上游地区^{[56, 57]},因此可以推测入海沉积物中的磁性矿物主要源自上游地区的磁铁矿。此外,上游和中下游的中酸性火成岩也产出磁铁矿^[58]。钱塘江、 瓯江、 闽江流域主要分布着中酸性火成岩,也是磁铁矿主要源岩之一(图5)。

图5(Fig.5)

图5 流域地质图(据Gu等[52]改绘) Fig.5 Geological map of river drainage basins,modified from Gu et al.[52]

台湾地区河流主要源自中央山脉,基本为喜马拉雅期低级变质岩,仅东部分布有少量中酸性火成岩(图5)。这些变质岩的源岩为沉积岩,沉积岩中的黄铁矿在低级变质(温度压力较低,保留源岩较多)过程中较易生成磁黄铁矿^{[50, 51]},因此台湾西部河流沉积物中磁黄铁矿含量较为丰富。 细观图5,不难发现长江中下游流域也广泛分布着变质岩,而在入海沉积物中却没有发现磁黄铁矿。主要原因推测有以下两点: 其一是支流沉积物的贡献较少。如前所述长江入海沉积物主要来源于上游地区,尤其是细粒沉积物,中下游支流贡献较少^{[56, 57]}; 其二是磁黄铁矿的性质不稳定,磁黄铁矿在表生氧化作用下易转变为褐铁矿^{[59, 60, 61]}。长江流域中下游地区地势较为平缓,多个沉积盆地(江汉、 洞庭湖和鄱阳湖)的存在使得沉积物的风化搬运过程和时间都较长,即使存在磁黄铁矿,在湿热的环境下也会被氧化为褐铁矿,前人的研究显示长江中下游流域中就含有丰富的褐铁矿^[48]。台湾河流属于短途山地河流,坡降大,且台湾地区物理风化作用强烈、 化学风化作用较弱^{[12, 62]},风化矿物可以很快被搬运至河口地区,所以磁黄铁矿能很好的保存在入海沉积物中。

通过磁性特征参数SIRM/χ_lf和HIRM,可以很好的区分大陆东南沿海河流与台湾西部河流的物源,尤其是长江和台湾浊水溪(图6)。

图6(Fig.6)

图6 SIRM/χlf和HIRM判别图 Fig.6 Sediment provenance discrimination from SIRM/χlf and HIRM

长江、 钱塘江、 瓯江和闽江沉积物具有低SIRM/χ_lf和高HIRM值,主要是由于主导磁性矿物为磁铁矿,SIRM/χ_lf较低,但是不完整反铁磁性矿物也占有一定的比例,HIRM值较高,长江HIRM值高于浙闽河流。相比之下,台湾浊水溪沉积物具有高SIRM/χ_lf和低HIRM值,因为主要磁性矿物为磁黄铁矿,丰富的磁黄铁矿导致其HIRM也较其他西部小河流稍高些,但是普遍低于长江沉积物,西部小河流由于磁性矿物含量非常少,SIRM/χ_lf和HIRM值都非常低。

该磁性判别指标较为便捷,但是在用于识别海洋沉积物来源时要特别小心,在还原性很强的环境,尤其在沉积速率较低的钻孔中,早期成岩作用较强^{[63, 64, 65]},因此还需要考虑早期成岩作用对磁性矿物的影响。

大陆东南沿海河流与台湾西部河流细粒级沉积物的磁性特征存在明显差异,具体可分为四大分区: 长江及河口、 浙闽河流、 台湾浊水溪、 台湾西部小河流。长江及河口沉积物磁性最强,平均磁化率为106×10^-8m³/kg,SIRM/χ_lf值较低,平均为10kA/m,HIRM值较高(464×10^-6Am²/kg),不完整反铁磁性矿物较多,磁性矿物颗粒较细; 浙闽河流磁性较长江略弱,平均磁化率χ_lf为62×10^-8m³/kg,SIRM/χ_lf平均值为13kA/m,HIRM值较长江有所降低(297×10^-6Am²/kg),不完整反铁磁性矿物含量略低,磁性矿物颗粒较细; 台湾浊水溪磁性较弱,平均χ_lf为24×10^-8m³/kg,半数样品SIRM/χ_lf值异常高([KG-*5]>60kA/m,最大值高达136kA/m),HIRM均值较低(156×10^-6Am²/kg),不完整反铁磁性矿物含量较少,磁性矿物颗粒较粗; 台湾西部小河流磁性最弱(χ_lf均值为11×10^-8m³/kg),SIRM/χ_lf值和HIRM值也非常低,磁性矿物含量很少。热磁和X射线衍射实验都显示出长江和浙闽河流以磁铁矿为特征磁性矿物,而台湾西部河流以磁黄铁矿为特征磁性矿物,其中浊水溪最具代表性,这也是SIRM/χ_lf值异常高的原因。本文提出基于SIRM/χ_lf和HIRM磁性参数的物源判别指标,长江和浙闽河流具有高HIRM和低SIRM/χ_lf,其中浙闽河流HIRM较长江略低; 而台湾浊水溪具有低HIRM和高SIRM/χ_lf,西部小河流整体具低HIRM和低SIRM/χ_lf,该指标可很好的示踪大陆东南沿海河流和台湾西部河流的沉积物。

致谢 本文浊水溪河口部分样品由台湾国立中山大学刘祖乾教授提供,华东师范大学河口海岸学国家重点实验室张卫国老师在磁性参数的解释上给予许多帮助,刘演博士协助野外采样工作,在此一并谨致谢忱。