第四纪研究  2016, Vol.36 Issue (6): 1523-1526   PDF    
岩芯EC、pH、泥分含量和有孔虫丰度对沉积环境的判读——以渤海湾西岸CZ61孔为例
方晶①,② , 王福 , 肖美美 , 李光耀 , 王慧娟 , 齐乌云 , 王中良     
(① 天津师范大学城市与环境科学学院, 天津 300387;
② 天津地质矿产研究所, 天津 300170;
③ 青海师范大学生命与地理科学学院, 西宁 810008;
④ 天津市滨海新区大港苏家园学校, 天津 300282;
⑤ 天津师范大学图书馆, 天津 300387;
⑥ 中国社会科学院考古研究所, 北京 100710;
⑦ 天津师范大学水环境与水资源重点实验室, 天津 300387)
文献标识码    A

近年来国外有通过粘土混浊水(110℃下烘干研磨后的10g粘土样品与120ml蒸馏水混合而成的悬浊液)的电导率(Electric Conductivity,简称EC)划分海陆相地层,再根据泥分(粒径小于0.0063mm的粉砂和粘土)含量对沉积环境做进一步详细区分,以恢复古沉积环境的研究[1, 2]。粘土混浊水的EC值从陆相到海陆过渡相再到海相依次增大,通过对海相、 海陆过渡相和陆相的EC界限值进行研究,得到海相、 海陆过渡相和陆相的划分界限值[3~5]。很多研究依据这一界限值,探讨海岸平原第四纪期间的海侵海退和古环境变迁[3~7]。然而,由于天津平原浅层地下水被污染以及浅层咸水淡化和深层淡水咸化等现象,对地下沉积物的离子组分带来影响[8],进而导致单纯靠电导率值划分海陆相地层产生偏差。有孔虫丰度可以指示沉积物受海水影响的程度,也是海岸平原划分海陆相地层最常用的方法[9~11],但由于风暴潮等高能事件、 特别是潮差大、 坡度小的沿海平原,涨潮时有孔虫顺潮沟可以被带到内陆很远的地方,给沉积环境的判读带来不确定性。为了能更加准确地划分海岸平原的海陆相地层,笔者在前人研究成果的基础上,尝试将EC、 pH、 泥分含量和有孔虫丰度相结合,探讨沿海平原第四纪沉积环境复原的精确便利方法。为此,选取位于河北省沧州市北部、 孔口标高+3.76m、 岩芯长度40m的CZ61孔(38°33′29.12″N,116°58′50.09″E) 为研究对象,对该孔197个样品做粘土混浊水电导率(EC)、 pH测定和有孔虫丰度统计,并对其中99个样品做泥分含量测定。又委托美国BETA实验室对该孔3个不同层位的植物片和有机物进行AMS 14 测年。粘土混浊水电导率测定使用横山卓雄[4](1993)的方法,将钻孔岩芯样品放入烘干箱中110℃下加热48小时后研磨称量10g粘土样品,加入120ml去离子水,搅拌3分钟再静置1小时后,使用METTLER TOLEDO FE30电导率仪测定,同时使用METTLER TOLEDO FE20做pH值测定。对测定后的粘土混浊水EC样品过240目铜筛冲洗,将筛上的砂质物质放入蒸发皿中烘干称重,计算出样品的泥分含量。有孔虫样品是将干燥后的20g样品加入适量15 % 的双氧水,充分反应后过0.063mm孔径(240目)的标准筛冲洗,将筛上物质烘干,统计各样品中的有孔虫数量,算出各样的有孔虫丰度。( 图 1)。

依据内园立男和森勇一[5]对浓尾平原的研究得到的海陆相地层划分的EC标准(EC <0.6mS/cm的沉积物为陆相,0.6~1.5mS/cm为海陆过渡相,>1.5mS/cm为海相),并结合本研究的pH值、 泥分含量和有孔虫丰度变化趋势,将CZ61孔从下到上依次分为6个带和11个亚带。

Ⅰ带: 深度为40.0~33.4m,EC为0.240~0.554mS/cm,小于陆相与海陆过渡相的0.6mS/cm的界限值,推测为陆相沉积环境。根据泥分含量的变化,又可以将Ⅰ带细分为2个亚带,即Ⅰ-1亚带(深40.0~37.8m): 泥分含量为68.37 % ~75.08 % ,因其含砂量较大,故推测为河道相沉积环境; Ⅰ-2亚带(深37.8~33.4m): 泥分含量较Ⅰ-2明显增加,达89.38 % ~96.72 % ,深33.8~34.15m见黑色泥炭质粘土层,推测为沼泽湿地环境。

图 1 CZ61孔EC、 pH、 泥分含量和有孔虫丰度折线图

Ⅱ带: 深度为33.4~28.8m,EC为0.548~0.813mS/cm,较Ⅰ带明显增大; pH值相对较低,为9.22~9.84。该带的EC值基本上位于海相与海陆过渡相的0.6~1.5mS/cm的界限值之间,该带多数层位见有孔虫,丰度高的层位达606枚/20g(32.3m处),在深33.0~33.8m含大量单瓣贝壳、 毛蚶; 深32.65m处见双壳闭合毛蚶; 在30.3m处见单瓣毛蚶; 29.2m处见海相贝壳。该带下部(深33.4~32.9m)泥分含量较低,为60.18 % ~91.87 % ,上部(深32.9~28.8m)泥分含量高,达到96.49 % ~99.84 % 。根据该带EC值相对较高,pH相对较低,结合渤海湾西岸海相沉积物特别是海陆过渡相沉积物的pH值与EC有良好的负相关的特征[12],推测Ⅱ带为海陆过渡相的潮间浅滩沉积。该带为该孔第一次海侵沉积。

Ⅲ带: 深度为28.8~24.4m,EC为0.289~0.913mS/cm,pH为9.37~9.87。该带的EC值变动幅度很大,但以小于0.6mS/cm的层位居多,应为陆相为主的陆相与海陆交互相的互层沉积。该带有孔虫丰度低,为0~66枚/20g。该带由下向上,泥分含量减小,含砂量增大,推测Ⅲ带为常被高潮淹没的平均高潮线附近的潮上带沉积。

Ⅳ带: 深度为24.4~13.4m,EC为0.349~0.855mS/cm,pH为9.04~9.88。该带的EC值基本上小于陆相与海陆过渡相的0.6mS/cm的界限值,相比Ⅲ带而言,Ⅳ带的电导率变动幅度较小,说明沉积环境较稳定,推测为陆相沉积环境。根据泥分含量和有孔虫丰度,又可分为3个亚带。Ⅳ-1 亚带(深24.4~22.1m):EC值为0.410~0.560mS/cm,泥分含量低,除深23.5m处为93.34 % ,其他为47.63 % ~72.44 % ,砂含量高,有孔虫丰度值低(0~70枚/20g),推测为略受潮水影响的河道相; Ⅳ-2亚带(深22.1~18.5m):EC值为0.412~0.651mS/cm,泥分含量(93.81 % ~99.69 % )较高,有孔虫丰度较高(49~2211枚/20g),推测为经常受潮水作用的潮上带环境; Ⅳ-3亚带(深18.5~13.4m):EC值多小于0.6mS/cm,泥分含量(77.94 % ~99.61 % )普遍较Ⅳ-2亚带偏低,见淡水小螺,几乎不含有孔虫,推测为不受海水影响湖相沉积。对深16.03m处的有机物进行AMS 14 测年,得到惯用年龄为 27.27±0.12ka B .P. ,校正年龄为31.38~31.00cal .ka B .P.。

Ⅴ带: 深度为13.4~9.0m,EC为0.611~1.832mS/cm,pH为8.58~9.11。该带的EC值基本上位于海相与海陆过渡相的0.6~1.5mS/cm的界限值之间,但部分大于海相界限值1.5mS/cm,推测为海陆过渡相沉积物,但具有海侵现象。该带泥分含量高,达95.04 % ~99.84 % ,比Ⅳ-3亚带明显变细,岩性为暗灰色粘土夹有两层腐殖质粘土,有孔虫丰度在深11.1m(244枚/20g)、 深9.3m(71枚/20g)和9.1m(511枚/20g)处较高,其他层位几乎不含有孔虫,结合富含有机物的潮间带和盐沼的泥中富含硫酸还原菌,在硫酸还原菌的作用下,硫酸盐易被还原为硫化氢,导致EC值偏高的前人的研究结论[13~15],推测该带的为盐沼相沉积环境。为该孔第二海相层沉积。对Ⅴ带接近上下界线附近的深9.73m和深12.9m处的植物片进行AMS 14 测年,得到惯用年龄分别为 6.76±0.03ka B .P. 和 7.16±0.03ka B .P. ,校正年龄分别为7.66~7.58cal .ka B .P. 和8.02~7.94cal .ka B .P. 。

Ⅵ带: 深度为9.0~0.7m,EC为0.139~0.551mS/cm,pH为8.67~9.37。该带的EC值小于陆相与海陆过渡相的界限值0.6mS/cm,推测为陆相沉积物。进一步根据泥分含量,分为3个亚带。Ⅵ-1亚带(深9.0~4.6m): 泥分含量高,达94.18 % ~99.47 % 。有孔虫丰度大,为344~16400枚/20g,达到该孔的最高值。根据EC值低、 pH值较高、 泥分含量大以及有孔虫丰度高等特征,推测VI-1带为潮沟沉积; Ⅵ-2亚带(深4.6~3.3m): 泥分含量值低,为44.24 % ~76.07 % ; 几乎不含有孔虫,推测为河道相沉积环境; Ⅵ-3亚带(深3.3~0.7m): 泥分含量高,达97.08 % ~99.79 % ,含有泥炭层和锈斑,几乎不含有孔虫,说明为水动力较弱的湖沼相沉积环境。

综上所述,对于CZ61孔从纵向的角度来看,从下至上,沉积环境为河道相(Ⅰ-1亚带)→沼泽湿地(Ⅰ-2亚带)→潮间浅滩(Ⅱ带)→平均高潮线附近的潮上带(Ⅲ带)→受潮水影响的河道相(Ⅳ-1亚带)→经常受潮水作用的潮上带(Ⅳ-2)→湖相(Ⅳ-3)→盐沼(Ⅴ带)→潮沟沉积(Ⅵ-1亚带)→河道相(Ⅵ-2亚带)→湖沼相(Ⅵ-3亚带)。

CZ61孔距离现代海岸线约为49km。40m长的岩芯中未见明显的海相层沉积,但有过两次明显的受到海水影响的潮间浅滩(Ⅱ带)和盐沼(Ⅴ带)沉积,其深度分别为33.4~28.8m(Ⅱ带)和13.4~9.0m(Ⅴ带),代表了两次海侵发生。关于这两次海侵层的年代,下部潮间浅滩沉积层(Ⅱ带)尚无精确的测年数据,但对该孔深16.03m的有机质测年,得到AMS 14 校正年代值为31.38~31.00cal .ka B .P.。 另据王福等[16]对渤海湾西岸大致相同层位的年代讨论,推测为早于43.5ka B .P. 的晚更新世。该次海侵的潮间带沉积层可能为MIS 3阶段早期或MIS 5阶段海侵时沉积而成。对CZ61孔深12.9m和深9.73m处的泥炭做AMS 14 测年,分别得到8.02~7.94cal .ka B .P. 和7.66~7.58cal .ka B .P. 的年代值。由此推断,在略早于8.02~7.94cal .ka B .P . ,海水影响到距现代岸线约49km的CZ61孔的位置而开始形成盐沼沉积,在略晚于7.66~7.58cal .ka B .P. 时海水完全退出,其上被逆潮沟而上的潮汐沉积物和陆相的河道相及湖沼相沉积物所覆盖。推测Ⅴ带应为全新世海侵期的盐沼环境,表明全新世最大海侵影响的范围达到和超过距现在海岸线49km的内陆位置。

近几年来,前人在渤海湾地区进行了大量的古环境以及相关的研究工作,并取得了丰硕的成果[17~21]。但从本文分析可以看出,对于古沉积环境的恢复,应该从多重指标的基础上进行综合分析,才能使所得结论更具有说服力。

致谢: 感谢审稿专家和编辑部老师建设性的修改意见。

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