2015, Vol.35
1 引言
在划分海岸平原的海陆相地层及恢复其沉积古环境的研究中，微体古生物分析法占据了重要地位。近年来，很多研究利用硅藻分析对天津海河以北的渤海湾西北岸牡蛎礁平原古环境进行了恢复[1, 2, 3]。然而，实际工作中常会遇到沉积物中硅藻等微体古生物保存不好，从而无法得到完整连续的微体古生物图谱这样的困扰。研究显示，受沉积速率或沉积环境等因素的影响，在渤海湾西岸平原，尤其是天津海河以南沉积物中硅藻保存很差。因此，在渤海湾西岸平原的研究中，引进国外海岸平原研究上日臻成熟的粘土混浊水的电导率测定方法，显得十分必要。粘土混浊水是指将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。粘土混浊水的电导率(以下简称EC)测定法已在我国下辽河海岸平原全新世海侵海退和渤海湾西北岸的牡蛎礁的古环境复原中得到应用[4, 5]。
沉积物中的EC与硫化物含量成正比，当样品充分氧化后，硫化物转化为硫酸根离子。沉积环境从海相到海陆过渡相再到陆相，沉积物中的硫化物含量依次减少[6]。EC值依次降低，pH依次增大，故一般情况下EC与pH值大体呈反相关。由此可见，沉积物的pH值也可以在一定程度上反映沉积环境。但有研究表明[7]，外洋环境中pH值呈中性，还原环境的内湾呈酸性，即海相环境强的外洋的pH值反到比内湾的pH值高。这与EC与pH大体反相关(海相性越强，EC越大，pH越小)的规律并不一致。迄今为止，关于EC与pH的关系，多是以整个钻孔或剖面为对象，得到整体呈反相关的结果[8, 9]。而对于同一个钻孔中各不同沉积环境下(海相、 陆相以及海陆过渡相)EC与pH的相关性还未有深入的研究。
为探讨渤海湾西岸平原不同沉积环境下沉积物EC与pH的相关性，以及两者结合所反映的沉积环境特征，笔者对渤海湾西岸平原海河下游的XZ和MD两个钻孔岩芯高密度取样，进行EC与pH相关分析，总结出该地区不同沉积相的EC与pH相关性特征，为渤海湾平原全新世古环境复原的研究提供新方法和数据支撑。
2 区域概况和钻孔岩性 2.1 区域概况始新世以来渤海湾西岸平原区(包括渤海)在强烈下沉中并有明显的差异运动特征[10]。平原上大部分地面海拔低于2.5m，地势平坦，坡度仅为1/20000～1/30000，是华北沿海一带地势最低平的地方。地表被广泛的第四纪滨海冲积、 湖积或海积层覆盖。
在渤海湾西岸平原的海河南岸，使用荷兰制Eijkelkamp槽型取样器在小站镇和大寺镇各钻1孔，分别命名为XZ孔和MD孔。两孔相距约18.7km，距现代海岸线分别约为19.6km和37.1km( 图1)。
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图1 研究区域及钻孔位置 Fig.1 Location map of study region and drilling cores |
XZ孔(38°56′30.3″N，117°28′05.1″E) 位于天津市津南区小站镇东北方向3.95km处，孔深12.00m( 图2)。地表至深1.55m为褐色粘土； 深1.55～2.53m为褐色粉砂； 深2.53～2.65m为棕色粉砂向灰色粉细砂过渡； 深2.65～3.50m为暗灰色粉细砂夹粉砂，含贝壳； 深3.50～4.60m为暗灰色粘土与粉砂互层； 深4.60～7.57m为暗黑灰色粉砂夹粘土； 深7.57～7.60m为暗灰色细砂； 深7.60～12.00m为灰色粘土，在11.06m深处发现双壳闭合毛蚶，11.45m深处见完整单片文蛤。其中深8.10～8.60m处缺失半米岩芯样品。
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图2 XZ孔、 MD孔的EC和pH值折线图 Fig.2 Broken line graphs of EC and pH of cores XZ and MD |
MD孔(38°59′16.1″N，117°15′37.4″E) 位于天津市西青区大寺镇东南方向3.94km处，钻孔深8.50m( 图2)。该孔地表至深1.50m为深褐色粘土，有锈斑； 深1.50～2.50m为褐色粉砂夹薄层粘土； 深2.50～4.00m为褐灰色粘土夹薄层粉砂； 深4.00～4.55m为灰色粘土夹薄层粉砂； 深4.55～4.90m为灰色粘土与粉砂互层； 深4.90～5.50m为灰色粘土夹粉砂薄层； 深5.50～6.15m为灰色粘土与粉砂互层； 深6.15～6.76m为灰色粘土质粉砂； 深6.76～7.20m为暗灰色粉砂与粘土互层，夹有薄层腐殖质层； 深7.20～7.35m为灰色粗粉砂； 深7.35～8.00m为灰色粘土与粉砂互层； 深8.00～8.50m为灰色粘土。
3 研究方法 3.1 粘土混浊水电导率测定法本文所用EC测定法，其有效性在国外已得到实证，并被广泛使用[7, 9, 11]。日本学者[11]通过对日本浓尾平原钻孔沉积物做粘土混浊水电导率，与硅藻组合进行对比，总结出陆相沉积物的EC值小于0.6mS/cm，海陆过渡相沉积物的EC值为0.6～1.5mS/cm，海相沉积物的EC值大于1.5mS/cm。本文划分海陆相地层时主要依据此标准。
样品的处理和测试方法如下[6]:1)分别对XZ和MD两个钻孔岩芯样品以0.1m间隔，取大约20g样品放入蒸发皿中后，放入烘干箱中，设定110℃的温度，干燥48小时； 2)将干燥后的样品用研钵研磨至31目以下，再用电子天平称出10.00g放入130ml的容器中，加入120ml蒸馏水，制成粘土混浊水； 3)将其搅拌3分钟，静置1小时后，开始测试。测定时需将电导率测试计的前端伸到水面下5cm的位置读数； 4)静置5天后再搅拌3分钟，做第2次测试，以得到最佳数值(放置第5天开始离子充分释放电导率值最高)。对每个样品EC测定完成后即对该样品做pH值测定。
本文EC使用METTLER TOLEDO FE30实验室电导率仪测定，pH使用METTLER TOLEDO FE20实验室pH计测定。
3.2 相关分析法相关分析是研究现象之间是否存在某种依存关系，并对具体有依存关系的现象探讨其相关方向以及相关程度，研究随机变量之间的相关关系的一种统计方法。其中线性相关分析用于研究两个变量间线性关系的程度。变量间相关程度的高低用相关系数r来描述，相关系数的计算方法主要包括3种:Pearson相关、 Spearman相关和Kendall相关。不同的计算方法适用于不同的数据类型。由于本文钻孔样品的EC与pH值数据主要受地区沉积环境影响，其总体分布型态未知，故在进行相关系数计算时，选用Spearman秩相关分析法[12]。秩相关系数计算公式如下[13]:
依据相关系数对变量间相关性的判断必须建立在相关系数显著性检验的基础上，显著性检验是判断相关系数是否具有统计学意义的前提[14]。相关系数的显著性检验通常采用t检验法，在未知相关方向的情况下选择双侧检验，已知相关方向的情况下选择单侧检验。本文对相关系数的显著性检验选择双侧检验。
本文相关系数使用SPSS19.0软件进行计算。
4 结果 4.1 EC与pH测定结果对XZ孔和MD孔分别做EC和pH值测定，结果如 表1和 表2所示。
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表1 XZ孔的EC和pH测定结果 Table 1 Determination results of EC and pH of core XZ |
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表2 MD孔的EC和pH测定结果 Table 2 Determination results of EC and pH of core MD |
为直观起见，图2将上面的结果用Orgin8.0软件绘成折线图加以表示。依据对日本浓尾平原的研究得到的海陆相地层划分的EC标准[11](EC＜0.6mS/cm的沉积物划分为陆相，0.6～1.5mS/cm为海陆过渡相，>1.5mS/cm为海相)，结合 图2中EC折线变化的趋势和部分生物指标，可将XZ孔从下到上分为3个带:
Ⅰ带: 深12.0～6.8m，EC为1.63～3.49mS/cm，pH为8.30～8.77。该带的EC值大于海相与海陆过渡相的1.5mS/cm的界限值，推测为海相沉积。
Ⅱ带: 深6.8～3.6m，EC为0.69～1.74mS/cm，pH为8.56～9.13。该带EC值基本位于海陆过渡相的0.6～1.5mS/cm的区间之内，推测为海陆过渡相沉积。
Ⅲ带: 深3.6～0.5m，EC为0.36～0.60mS/cm，pH为8.84～9.36。该带的EC值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。
同样，可将MD孔分为以下2个带:
Ⅰ 带: 深8.5～2.8m，EC为0.64～1.46mS/cm，pH为8.36～8.98，EC值位于海陆过渡相的0.6～1.5mS/cm的区间之内，推测为海陆过渡相沉积。
Ⅱ 带: 深2.8～0.5m，EC为0.45～0.60mS/cm，pH为8.83～9.01，EC值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。
由于钻孔接近地表的样品数据明显异常，推测其受到现代人为因素干扰，故对于两个钻孔地表至0.5m深度的样品数据不做讨论。
4.2 EC和pH值的相关性计算XZ孔和MD孔EC与pH值的相关系数，结果显示XZ孔和MD孔EC与pH的相关系数分别达到-0.830(P＜0.01)和-0.765(P＜0.01)，说明两个钻孔的EC与pH是高度负相关的。其线性回归方程分别为y=-3.549x＋32.92和y=-1.317x＋12.30，其中y代表EC，x代表pH( 图3)。
对XZ孔和MD孔各带的EC与pH值进一步做相关系数计算，结果如 表3所示。
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图3 XZ孔、 MD孔EC和pH值散点图 Fig.3 Scatter diagrams of EC and pH of cores XZ and MD |
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表3 XZ、 MD钻孔EC与pH的相关系数 Table 3 Correlation coefficients of EC and pH of cores XZ and MD |
XZ孔: 从下到上，Ⅰ带为海相沉积带，其相关系数r=0.089(P>0.05)； Ⅱ带为海陆过渡相沉积带，其相关系数r=-0.740(P＜0.01)； Ⅲ带为陆相沉积带，其相关系数r=-0.403(P＜0.05)。
MD孔: 从下到上，Ⅰ带为海陆过渡相沉积带，其相关系数r=-0.434(P＜0.01)； Ⅱ带为陆相沉积带，其相关系数r=-0.482(P＜0.05)。
5 讨论与结论XZ孔深达12m，从下到上，Ⅰ带→Ⅱ带→Ⅲ带，沉积环境为海相→海陆过渡相→陆相； MD孔深8.5m，从下到上，Ⅰ带→Ⅱ带，沉积环境为海陆过渡相→陆相； 两孔均呈现海退变化趋势。XZ孔的Ⅰ带(海相)的EC为1.63～3.49mS/cm，pH为8.30～8.77； Ⅱ带(海陆过渡相)的EC为0.69～1.74mS/cm，pH为8.56～9.13； Ⅲ带(陆相)的 EC为0.36～0.60mS/cm，pH为8.84～9.36。显示Ⅰ带→Ⅱ带→Ⅲ带，即海相→海陆过渡相→陆相有EC减小，pH增大的趋势。MD孔未达到海相层的深度，仅存在海陆过渡相和陆相沉积，其Ⅰ带(海陆过渡相)的EC为0.64～1.46mS/cm，pH为8.36～8.98； Ⅱ带的EC为0.45～0.60mS/cm，pH为8.83～9.01，显示Ⅰ带→Ⅱ带，即海陆过渡相→陆相也同样具有EC减小，pH增大的趋势。从XZ孔和MD孔EC与pH的折线图( 图2)及散点图( 图3)中也可以看出，两钻孔的EC与pH值整体呈现出负相关趋势。
为了详细探讨沉积物EC与pH的相关关系，本文除了从整体上计算两个钻孔EC与pH的相关系数，还进一步根据EC测定值对将两钻孔区分海相、 海陆过渡相和陆相分带，计算出的各个沉积带内EC与pH的相关系数( 表3)，并对各分带中的EC和pH作相关性分析。结果表明，除XZ孔海相沉积带(Ⅰ带)相关性偏低(r=0.089，P>0.05)外，其他各沉积带均显示较明显的负相关。但负相关性也有所不同。XZ孔陆相沉积带(Ⅲ带，r=-0.403，P＜0.05)、 MD孔陆相沉积带(Ⅱ带，r=-0.482，P＜0.05)、 XZ孔海陆过渡相沉积带(Ⅱ带，r=-0.740，P＜0.01)和MD孔的海陆过渡相沉积带(Ⅰ带，r=-0.434，P＜0.01)，均有较明显的负相关性。而XZ孔海陆过渡相沉积带(Ⅱ带)负相关性最为明显。由此可见，两孔的陆相层和海陆过渡相EC和pH的负相关性良好，其中两孔的陆相层的相关系数(XZ孔相关系数为-0.403，MD孔相关系数为-0.482)相似，而海陆过渡相沉积层XZ孔较MD孔负相关性更强(前者EC与pH的相关系数为-0.740，后者的EC与pH的相关系数为-0.434)。因MD孔为达到海相层的深度，仅从XZ孔的海相层(Ⅰ带)看，其EC与pH的相关系数为＋0.089，表明XZ孔的海相层未表现出负相关特征。日本学者[7, 11]就外洋和内湾环境、 海侵海退期与高海面时期的酸碱度进行了探讨，并指出在海水循环良好、 氧气供给充足的外洋环境(氧化底层水环境)的pH值呈中性； 海水循环不充分的还原环境的内湾(还原的底层水环境)呈酸性[7]。在日本浓尾平原全新世海进初期和海退期的内湾环境为酸性，在全新世高海面期的外洋环境为中性环境[11]，可见同为EC值较高的海相环境，pH值也会因海水循环和封闭的程度以及地貌特征等而发生变化，从而并未与EC表现出负相关关系。据此，结合本文的XZ孔的海相层的EC和pH分别为1.63～3.49mS/cm和8.30～8.77，两者相关系数为0.089(P>0.05)，未显示良好的负相关性的特征，推测XZ孔的海相层可能形成于中-碱性的全新世高海面期的外洋环境。由此可见，海相沉积环境的EC与pH的负相关性很弱，则很有可能在一定程度上反映出其沉积环境(内湾或外洋，封闭或开放、 海侵海退初期或高海面期等)的不同。就目前而言，虽然无法单纯依靠沉积物的pH值划分海陆相地层及恢复沉积古环境，但研究表明沉积物的pH值会随着沉积环境的变化而表现出一定变化规律，故pH可以作为地层划分及古环境恢复的重要辅助指标。
本文通过对渤海湾西岸平原XZ、 MD钻孔沉积物粘土混浊水EC与pH的测定值，运用相关分析法进行相关性分析，得出XZ与MD两个钻孔整体上沉积物EC与pH的相关系数r分别为-0.830(P＜0.01)和-0.765(P＜0.01)。说明整体上沉积物EC与pH值成反相关关系，即陆相沉积环境下，EC低，pH值高； 海相沉积环境下，EC高，pH值低。通过对渤海湾西岸的XZ孔和MD孔中的海相、 海陆过渡相和陆相地层分别作相关分析，得出陆相层和海陆过渡相地层，EC和pH呈较明显负相关，而海相层的EC和pH并未表现出负相关特征的结果。对于EC及其与pH的相关性，以及它们的影响因素，还有待于从地球化学等角度进一步深化研究。EC与pH的相关性如何复原沉积环境成为今后的重要课题。
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Abstract
The electric conductivity of stirred clayey sediments into water(STICS-water) is a substitute index which has been newly used in identifying sedimentary layers in the plain of west Bohai Bay, which is an ideal region for the study of Quaternary sediments. Some papers discussed that pH was negatively correlated with EC, therefore, pH could be regarded as an auxiliary index. However, further research in this topic is still under discussion, especially the detailed researches on the correlation between EC and pH in different sedimentary facies. Based on the correlation between EC and pH of sediments of core XZ (38°56'30.3"N, 117°28'05.1"E) and core MD(38°59'16.1"N, 117°15'37.4"E) on the plain of west Bohai Bay, we discussed that EC was significantly negatively correlated with pH for core sediments, with the correlation coefficients of -0.830(P <0.01) and -0.765 (P <0.01), revealing that EC was low and pH was high for oceanic sediments, while EC was high and pH was low for continental sediments. However, variations occurred when discussing the relationship between EC and pH on different sedimentary facies. We divided the sediments of two cores into several bands mainly depending on the determination results of EC. The dividing standard was put forward by Uchizono Tatuo, regarding sediments with EC below 0.6mS/cm as continental facies, 0.6~1.5mS/cm as marine-continental transitional facies, higher than 1.5mS/cm as marine facies. The variation trend of EC and some symbolic organisms were also taken into account as auxiliary indexs. When it came to the result, the correlation coefficients were high in the following facies: the continental facies of core XZ (band Ⅲ, r=-0.403, P <0.05), the marine-continental transitional facies of core XZ (band Ⅱ, r=-0.740, P <0.01), the continental facies of core MD (band Ⅱ, r=-0.482, P <0.05), and the marine-continental transitional facies of core MD (band Ⅰ, r=-0.434, P <0.01), all of which were negative correlation. While the correlation coefficient of the marine facies of core XZ (band Ⅰ) was very low (r=0.089, P >0.05). The results show that the differences of correlation between EC and pH of sediments is able to partly reflect the variational sedimentary environments.