2021, Vol.41
2 南京师范大学地理科学学院, 江苏 南京 210023;
3 云南大学地球系统科学研究中心, 云南 昆明 650091)
渤海是我国一个半封闭内海，直接接受巨量的黄河泥沙，仅通过渤海海峡与北黄海相通。诸多学者对渤海海底沉积物物质来源、搬运和沉积作用做了大量研究[1~4]。研究表明，其沉积物主要来自周边的河流输入，贡献量约占90 %。黄河每年向渤海输送的物质高达1.08×109 t，对沉积物分布起到主控作用[5~7]；前人认为，黄河入海物质有3个主要的输运路径[8~11]：一是向西北至渤海湾南部，二是向东和东南至莱州湾-渤海海峡南部-山东半岛东部及以南地区，三是向北至渤海中央区域。其中，黄河物质向北扩散的范围还没有统一的认识。陈丽蓉等[12]分析了海底表层沉积物矿物组合特征，认为黄河物质控制着渤海湾南部、莱州湾等区域，向北可到达滦河口外；刘建国等[13]对全新世渤海泥质区沉积物地球化学特征研究发现，受距离河口远近和海平面变化等因素影响黄河物质主要控制39°N以南区域；王利波等[14]对辽东湾中部LDD7孔(39.68°N，120.42°E)碎屑矿物研究发现，在全新世和MIS 3阶段上部和中部发现黄海物质的影响。
渤海海底沉积物的输运趋势受环流和潮流的控制[7, 15~16]。渤海海底沉积物分布研究表明，渤海现代沉积中心位于渤海湾中、东部向NE延伸至40°N，为一个呈条带状展布的泥质区[7, 13]，沉积中心的南部和北部沉积年代存在明显差异，主要是受水深、离岸距离和海平面高度等多种因素影响。渤海泥质区内沉积速率远低于黄海、东海泥质区，这受控于渤海环流状况及泥沙运移方向[13]。已有古河道研究表明，在低海面时期古黄河北系曾从天津以北注入渤海，并沿现今海河水下溺古延伸，可一直流经老铁山水道冲刷槽，进而汇入北黄海[14, 17~18]。黄河物质对渤海沉积物的控制机制仍需要通过新材料、新方法的研究来深化认识。
元素地球化学方法是示踪沉积物物源的有效方法[19~23]。稀土元素(REE)因其特殊的地球化学性质而在物源示踪中运用很广[24~26]。许多学者对我国主要河流(长江、黄河)和四大海域、台湾海滩等海区沉积物稀土元素地球化学特征、控制因素等进行了多种研究[27~31]，并利用REE分异特征等进行沉积物物源示踪。通过沉积物REE质量分数、比值参数和配分模式对比，可以很好的判别沉积物的来源和及其控制因素[32~34]。在利用钻孔沉积物REE特征识别物源方面也取得了很好的效果[35~38]。
本文利用稀土元素对辽东湾北部钻孔沉积物开展示踪研究，对于渤海第四纪沉积环境演化、黄河的贯通以及渤海环流等研究提供了新的数据和资料，丰富了渤海区域研究成果。
1 研究区地质背景辽东湾地处渤海北部，是渤海最大的海湾，也是我国纬度最高的一个半封闭海湾。辽东湾西、北、东三面被辽宁省包围，湾内大部分海区水深小于30.00 m，仅有辽中洼地超过30.00 m[1]。湾内的波浪以风浪为主，波向受季风交替影响，西岸4~11月平均波高0.7 m，平均周期3.0 s，东岸4~10月平均波高0.30 m，平均周期1.7 s；湾内潮汐为规则半日潮，最大潮差2.80 m，平均潮差从湾口向湾内增加，湾口平均潮差仅有3.00 m，而湾顶可达5.00 m[1]。湾内环流主要受黄海暖流余脉及沿岸流影响。由渤海海峡进入的渤海高盐水，在绝大多数情况下分成南北两支，北支沿辽东湾西岸北上，而辽东湾的低盐水(主要来自辽河口)沿岸南下。除夏季某些年的个别月份外，辽东湾内环流按顺时针方向流动[39] (图 1)。汇入辽东湾的河流主要包括：辽河、大辽河、六股河、大凌河和复州河等，这些河流输入物质对辽东湾沉积物的贡献占主导地位[1, 7]，入海泥沙总量约40×106 t/a。另外，河流输入物质的扩散主要受到潮流和环流等海水动力条件的影响[40~41]。
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图 1 研究钻孔JXC-1位置及周边钻孔位置图(根据文献[42]修改) BC-1孔见文献[1]; BH08孔见文献[52]; LDD7孔见文献[53]; 环流见文献[39]) Fig. 1 Location map of the studied borehole JXC-1 and surrounding boreholes(revised according to reference [42]). Core BC-1 according to reference [1], core BH08 according to reference [52], core LDD7 according to reference [53], and circulation according to reference [39] |
渤海的大地构造位置位于华北地块东缘[42]，主要的构造单元为渤海湾盆地。渤海新生代盆地基本上继承了中生代盆地的构造格局[43]。渤海地区次级构造单元构成复杂[44]，更新统、上新统、上中新统等地层在各次级单元内的埋深存在很大差异[45]。晚新近纪以来渤海整体处于热沉降阶段，受庙岛古隆起的阻挡，海水无法进入“渤海古湖”，发育厚层河湖相沉积；进入晚第四纪，随着庙岛古隆起的解体和全球海平面上升，“渤海古湖”接受海水入侵，现代渤海陆架开始出现海相沉积记录[46~50]。辽东湾所处地质构造单元为渤海湾盆地辽东湾坳陷，自第三纪以来一直沉降。辽东湾第四系厚度仅200~400 m，而渤海其他地区第四系一般厚300~600 m，最厚达800 m[51]。
2 材料与方法 2.1 样品采集JXC-1孔位于辽东湾北部(钻孔位置见图 1)，由自然资源部青岛海洋地质研究所于2016年9月利用“勘407轮”采集。JXC-1孔地理坐标为40°24′43.4″N，121°03′23.4″E，水深约22.00 m，钻孔深(海底以下)70.30 m，有效样品72管，岩芯总长62.68 m，取芯率89.20 %。
2.2 岩性分析、粒度分析与测年在对钻孔岩芯进行分样以前，对岩性、颜色、含水量、有机质和贝壳含量等进行了详细描述。
粒度分析由自然资源部青岛海洋地质研究所海洋地质实验检测中心完成，采用英国MALVERN公司生产的Mastersizer2000型激光粒度分析仪对沉积物样品进行分析，待测样品重量不低于50 g。岩芯取样间隔为20 cm，共对316个样品进行了粒度分析，分析结果间隔为1/ 4 ϕ。
从钻孔中选取有机质丰富的岩芯段样品挑选AMS 14C测年物质，本文挑选2个有孔虫样品(JXC-1-A1和JXC-1-A2)送至美国Beta实验室进行测年，测量数据用Calib701软件校正至日历年龄；选取15个含粉砂、细砂岩芯段，用不锈钢铲在避光条件下取样(JXC-1-O1~JXC-1-O15)，并用铝箔纸密封保存，在中国科学院青海盐湖研究所进行光释光测年测年；对钻孔岩芯采用U-Channel无磁塑料管直接取样两个(JXC-1-M1和JXC-1-M2)，在中国科学院地球环境研究所环境磁学实验室进行了连续低场磁化率测量和古地磁交变场退磁测定，测量间距为2 cm。钻孔沉积物测年信息见表 1。
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表 1 钻孔沉积物测年结果 Table 1 Dating results of sediments from core JXC-1 |
钻孔岩芯在样品室按照40 cm间隔取样，共选取测试样品157件。样品测试流程如下：样品在110 ℃干燥5 h，冷却。取0.05 g试样置于聚四氟乙烯密闭溶样罐中，加1 ml硝酸、3 ml氢氟酸，摇匀，密闭加热至160~180 ℃分解48 h，取出冷却，蒸发至近干，加1 ml高氯酸蒸发至白烟冒尽。冷却后加2 ml盐酸，加热溶解并蒸至近干，加2 ml硝酸蒸至近干去除氯离子。加1.5 ml硝酸加热至160~180 ℃溶解12 h，冷却，加0.5 ml铑内标溶液，加热至80 ℃保温12 h，冷却，用硝酸移至50 ml容量瓶，稀释摇匀备测。采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定。测定15个稀土元素：La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu和Y。常量元素Al、Ca、Mg等用熔片法在X射线荧光光谱仪(XRF)测定。测试过程中用3种方法进行质量控制：一是密码样品的双份分析；二是使用国家一级标准物质进行测试结果比对；三是沉积物样品全分析的百分数加和。经审核，样品测试结果的合格率为100 %。为保证测试精度和准确性，分析过程中进行若干样品的重复分析与标样分析，经检测分析元素含量绝对误差小于5 %，结果可靠。稀土元素和常量元素测试均在自然资源部青岛海洋地质研究所测试中心完成。
3 测试结果 3.1 测年结果与地层年代框架AMS 14C、OSL和古地磁测年结果见表 1。加速器质谱仪(AMS)碳测年较常规法具有测量周期短、精度高的明显优势，其测年极值为50 ka。样品JXC-1-A1和JXC-1-A2的测年结果呈新老倒置现象，但两个样品测年结果接近AMS 14C测年上限，不参与年代框架建立。取自钻孔的15个样品选用38~63 μm粒径的石英运用单片再生剂量法进行等效剂量的测试。常规石英颗粒的光释光测年上限可以达到100 ka，可以解决了14C测年物质容易受到后期改造、污染而导致年龄估计出现严重偏差的问题。由表 1可以看出，自8.28 m以下，沉积物光释光测年年龄均大于90 ka，说明沉积物年龄超出光释光测年上限。钻孔磁性地层年度框架见王忠蕾等[54]2020年发表，根据磁性地层年代和钻孔所在区域第四系整体厚底(200 m)推算，在8.00 m深度沉积物的年代应该大于100 ka，与光释光测年结果相符。
综合考虑AMS 14C测年和光释光测年的局限性，选取JXC-1-O1、JXC-1-O2结合钻孔磁性地层MBB界限年龄(JXC-1-M1)这3个可靠的测年结果对钻孔年龄框架进行约束。JXC-1孔底界年龄为1.2 Ma，MBB(0.78 Ma)位于45.18 m，在上部主要是晚更新世沉积地层，6.42 m左右年龄为75.3±6.4 ka，2.46 m左右年龄为27.3±2.1 ka。
3.2 粒度分析与沉积环境钻孔总体岩性以粉砂为主，从钻孔底部至36.00 m处，粒度变化比较稳定，平均粒径在6~8 ϕ，但在48.00~58.00 m段粒度变化比较剧烈，有平均粒径为3~4 ϕ的粗粒物质频繁输入。在上部35.40~31.00 m和26.00~19.00 m段，平均粒径变粗为2~3 ϕ；在17.00 m以上层位平均粒径在4~7 ϕ之间变化，主要为粉砂、粘土，偶尔出现细砂夹层，与70.30~35.60 m层位相比明显变粗(图 2)。
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图 2 JXC-1钻孔岩性柱状图与深海氧同位素曲线[56]对比图 Fig. 2 Comparison between lithologic histogram from core JXC-1 and deep sea oxygen isotope curve[56] |
古地磁测试结果显示，MBB埋深为45.18 m。全孔平均沉积速率约为5.9 cm/ka，最高约为8.6 cm/ka，最低为3.3 cm/ka；全孔最低沉积速率与最高沉积速率差别较小，表明沉积环境相对稳定。这与辽东湾西侧第四系厚度仅为200 m左右相符[51]。
渤海高海面的出现和大规模海侵的发生始于晚更新世[1, 55]。受区域海平面变化的影响，JXC-1孔及周边邻近钻孔沉积环境变化也有类似特征[53]。
JXC-1孔岩性自上而下以深灰色为主，在40.50~37.00 m段出现红色锈斑、锈点层，可能沉积环境氧化性增强，沉积物平均粒径在6~8 ϕ之间，推测当时沉积环境水位较低。在上部13.00~11.00 m和6.80~3.50 m段出现韵律清晰的砂泥互层，指示了较弱的水动力环境，推测为海水变浅或海水退去后的潮坪环境。根据地层年龄框架，在17.00 m以上层位可能为海陆交互作用沉积环境；下部则多为大段的厚层块状层理，粒径在6~8 ϕ之间，由悬浮物质堆积形成，推测主要为湖泊环境，在48.30~55.40 m段，粒度变化频繁，可能为低水位期河流输入物质增多导致。
根据平均粒径和岩性垂向变化特征，结合测年结果，对比深海氧同位素变化曲线[56] (图 2)，以17.00 m为界将JXC-1孔岩芯分为陆相和海陆交互相两种沉积环境，下部可以划分出湖泊相(58.20~70.30 m)、湖泊相(滨湖亚相)(46.00~58.20 m)、湖泊相(36.00~46.00 m)、河流相(32.00~36.00 m)、河漫滩相(26.00~32.00 m)和河流相(16.40~26.00 m)沉积环境；上部主要为晚更新世以来的海陆交互沉积地层。全球海平面在MIS 1、MIS 5和MIS 7时期为高海平面时期，与此对应，本文认为晚更新世以来在MIS 1、MIS 5和MIS 7时期发生了3次海侵，推测JXC-1孔3次海侵沉积埋深分别为0~2.00 m、4.00~11.00 m和14.00~16.00 m。2.46 m处光释光测年年龄27.3±2.1 ka，如果2.00 m为MIS 1时期底界，则在2.00 m左右存在沉积间断期；6.42 m处光释光测年年龄为75.3±6.4 ka，属于MIS 5晚期沉积；MIS 7期海侵年龄超过目前已有测年手段的上限，通过与深海氧同位素变化曲线对比，推测JXC-1孔中MIS 7期海侵可能埋深于14.00~16.00 m。推测在两次海侵之间为潟湖相或湖相沉积，沉积物粒度比海侵期间粗。辽东湾南部LDD7孔全新世海相层埋深为0~1.55 m[53]，与JXC-1孔全新世海相层可以对比。
3.3 REE组成特征表 2中列出了JXC-1孔沉积物中15种稀土元素含量。稀土元素含量在钻孔中垂向变化特征见图 3。钻孔沉积物中ΣREE波动较大，介于60.33~292.29 μg/g之间，平均值为169.21 μg/g，略高于中国陆架海底沉积物ΣREE平均值(156 μg/g)[27]，高于黄海沉积物ΣREE平均值134.03 μg/g和东海沉积物ΣREE平均值140.34 μg/g[29]，但是低于南海沉积物ΣREE平均值187.58 μg/g和渤海沉积物ΣREE平均值229.29 μg/g[27]，与中国黄土ΣREE平均值185 μg/g比较接近，与深海沉积物ΣREE平均值200 μg/g相差较大[30]。ΣLREE介于49.67~229.69 μg/g之间，平均值为133.76 μg/g，约占ΣREE的79.05 %；ΣHREE介于4.44~25.40 μg/g之间，平均值为14.57 μg/g，约占ΣREE的8.61 %；δEu值介于0.64~0.96之间，平均值为0.73，标准偏差0.06；δCe值介于0.83~1.12之间，平均值为0.94，标准偏差0.04。从垂向变化特征看，ΣREE变化较大，与平均粒径的关系比较好；ΣLREE/ΣHREE变化比较复杂；δCe变化趋势与ΣREE变化趋势较为一致，上部幅度较小，下部变化剧烈；而δEu变化趋势与δCe变化趋势大致呈镜像关系，但上部幅度较大，下部变化剧烈程度小于δCe变化趋势。
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表 2 JXC-1孔沉积物各稀土元素含量表(μg/g) Table 2 Content of rare earth element in core JXC-1 sediments (μg/g) |
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图 3 JXC-1孔稀土元素及相关参数垂向变化曲线 根据Masuda等[57]在1973测得的标准化球粒陨石稀土元素含量数据获取球粒陨石标准化后的值(以N下标表示); CIA计算方法在后文表述 Fig. 3 Vertical change curve of REE and relevant parameters of REE in core JXC-1. The subscript N represents the chondrite normalized value. The normalized chondrite REE data were obtained by Masuda in 1973, according to reference [57]); The CIA calculation method is described later |
经上地壳标准化[21]的配分模式如图 4所示。通过与周边河流沉积物标准化曲线对比，可以将不同深度沉积物REE配分模式可以大致分为两类：一类近似呈直线展布，Ce稍微负异常，Eu稍微正异常，并且与黄河沉积物REE标准化曲线比较接近(黄河沉积物REE数据来自文献[31])，见图 4a，这类模式在17.00 m以上层位比较集中，在36.00~46.00 m和58.20~70.30 m也有分布；另一类呈略微右倾的趋势，Ce稍微负异常，Eu稍微正异常，与辽河、大辽河、小凌河和六股河沉积物REE标准化曲线比较接近，见图 4b(河流REE数据来自文献[34])，这类模式主要分布在钻孔中部17.00~36.00 m和46.00~58.20 m。但两类模式与滦河和复州河沉积物REE标准化曲线存在明显的差异(图 4b)。
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图 4 JXC-1孔稀土元素上地壳标准化配分模式 Fig. 4 UCC-normalized REE distribution patterns of core JXC-1 sediments |
稀土元素分析过程中，常用典型参数反映总稀土元素内部的分馏特征和轻、重稀土元素各自内部的分馏特征[37]，即：(Ce/Yb)N、(Sm/Nd)N和(Gd/Yb)N这3个参数，分部代表稀土元素内部、轻稀土元素内部和重稀土元素内部分馏特征。JXC-1孔轻重稀土分馏、轻稀土内部分馏和重稀土内部分馏差异变化如图 3所示，从中可以看出(Gd/Yb)N、(Ce/Yb)N、ΣLREE/ΣHREE这3个参数垂向变化趋势一致，(Gd/Yb)N与(Ce/Yb)N、ΣLREE/ ΣHREE的相关系数分别可高达0.92和0.88，而与(Sm/Nd)N变化趋势呈现镜像关系。从ΣLREE/ ΣHREE、(Gd/Yb)N和(Ce/Yb)N垂向变化曲线上可以看出，在18.40~26.40 m、30.00~35.70 m和49.00~55.60 m段出现高值区，其他层位变化比较平稳，与此相反(Sm/Nd)N在上述层位则出现了低值区。其中，ΣLREE/ΣHREE、(Gd/Yb)N和(Ce/Yb)N在18.40~26.40 m段变化的剧烈程度较大，而该段的粒度(中值粒径)和ΣREE变化的剧烈程度并不大；在49.00~55.60 m段ΣLREE/ΣHREE、(Gd/Yb)N和(Ce/Yb)N变化中度剧烈，而粒度(中值粒径)和ΣREE变化剧烈程度较大。为此，计算了沉积物中(Ce/Yb)N、(Gd/Yb)N与平均粒径的相关性，相关系数分别为0.19和0.25 (图 5)，说明JXC-1孔沉积物稀土元素内部的分馏特征受粒度影响不大。
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图 5 轻、重稀土元素内部分馏特征参数与平均粒径相关性 Fig. 5 Correlation between internal fractionation characteristic parameters and particle size of light and heavy rare earth elements in core JXC-1 |
源岩、粒度、矿物组成和化学风化等共同控制了沉积物中REE组成[58]。有学者认为，化学风化强烈会导致沉积物的REE组成出现明显分异[59]，但也有不少学者认为，控制REE组成的最重要因素仍然是沉积物的物源[58]。
前人研究成果认为稀土元素主要富集于 < 2 μm的粘土粒级沉积物中[60]，稀土元素可以通过类质同象进入粘土矿物的晶格中[27]，或以Ti的氧化物、磷灰石等富稀土矿物形式出现在粘土矿物中[61]。JXC-1孔ΣREE也基本符合这种规律(图 3)，随着粉砂和粘土含量增加，ΣREE值呈上升趋势，但ΣREE值与粉砂相关系数(0.71)高于其与粘土的相关系数(0.64)，这可能与沉积物粒度对ΣREE的制约是相对的有关，富稀土重矿物组分的存在会导致砂质沉积物中稀土元素含量较高；而生物碎屑会对某些细粒沉积物中稀土元素含量起到的稀释作用[62~63]。JXC-1孔中ΣLREE/ΣHREE值与粉砂和粘土的相关性明显减弱，相关系数仅为0.26和0.15，反映出粒度对ΣLREE/ΣHREE值影响较小，与其他学者在研究区分析结果一致[34~35]。
有学者认为，重稀土元素趋向富集于锆石、电气石、石榴子石等矿物中，而轻稀土元素和中稀土元素则在榍石、角闪石、褐帘石、磷灰石和独居石等矿物中含量较高，因此沉积物中的重矿物组分会对REE含量及组成有显著的影响[33, 64]。本文选取Zr元素和与重矿物相关的Th元素进行了矿物组成与稀土元素组成相关性分析。Zr元素含量和ΣREE相关系数R2仅为0.02，所以其对JXC-1孔中REE质量分数难以造成影响。ΣREE与Th元素含量呈显著正相关(相关系数R2=0.91)，表明钻孔稀土元素富集与榍石、角闪石、褐帘石和磷灰石等重矿物关系密切[65]，这些重矿物主要富集于粉砂质沉积物中，导致JXC-1孔中ΣREE与粉砂的相关性高于粘土。辽东湾周边河流(辽河、大辽河等)携带沉积物中普通角闪石、磁铁矿、石榴子石等重矿物含量较高[66]；周边河流输入的重矿物的含量变化导致轻重稀土分异明显，这与前人研究结果一致[34]。
有学者提出，化学风化作用对ΣREE的变化能够起到重要的控制作用[67]，主要是因为风化淋滤和生物作用导致稀土元素迁移，并在沉积过程中发生富集。Nesbitt和Young[68]首次提出化学蚀变指数(CIA)的概念，用以研究沉积物源区的化学风化情况[69]。近来，CIA也被用来指示陆域河流输送沉积物源区硅酸盐岩化学风化程度[70~71]，从而间接反映物源的变化。
本文对JXC-1钻孔的CIA进行了计算，并分析其与ΣREE和REE分异参数的相关性，其CIA值为50.3~80.6，主要集中在55.0~75.0之间。CIA的计算方法为：
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公式(1)中：ω(CaO*)指沉积物中硅酸盐中的CaO含量，为了要去除碳酸盐中的CaO含量。McLennan[72]提出一种校正的方法，即：ω(CaO′)=ω(CaO)-10×ω(P2O5)/3，经过计算后如果ω(CaO′) < ω(Na2O)，则ω(CaO*)＝ω(CaO′)；如果ω(CaO′)>ω(Na2O)，则ω(CaO*)＝ω(Na2O)。通过对比[69]，此方法结果较为准确。
利用上述校正方法，对钻孔沉积物化学蚀变指数进行计算。研究发现，JXC-1孔ΣREE组成与CIA之间无明显的相关性(R2=0.29)，表明钻孔沉积物源区化学风化作用可能受流域气候变化的影响较大，未对JXC-1孔REE组成产生影响。
4.2 物质来源探讨辽东湾沉积物主要来自于沿岸河流输送的陆源物质，周边河流主要有辽河、大辽河、小凌河、六股河、复州河和滦河等。黄河每年向渤海输入大量的沉积物，对渤海海底沉积物贡献率巨大，为了探讨黄河沉积物扩散范围能否覆盖到本区，本文将黄河沉积物一并进行对比研究。黄河沉积物REE组成主要继承了黄河流域黄土的特征。
(La/Yb)ucc与δEuucc是指示REE分异特征的两个重要指标，可以较好地指示源区信息[34~35]。本文采用这两个参数进行物源的判别，分析周边河流输入物质对JXC-1孔沉积物组成的影响，并对比黄河输送沉积物源区黄土的特征参数，周边河流REE数据资料来自文献[34]。如图 6所示，JXC-1孔全孔稀土元素的参数投点分布比较集中，与黄河[31]、黄土[31]、辽河[34]和大辽河[34]沉积物较为相近，极少数样品靠近小凌河、滦河沉积物，与复州河、六股河沉积物存在明显不同，说明钻孔所在区域为多源沉积物混合区，黄河、辽河和大辽河物质对辽东湾沉积物的影响较大；黄河携带入海沉积物继承了源区黄土化学元素特征。
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图 6 JXC-1孔不同沉积环境沉积物(La/Yb)ucc与δEuucc投点判别物源图 Fig. 6 Source distribution plot of(La/Yb)ucc and δEuucc for core JXC-1 sediments of every depositional environments |
为识别黄河输送沉积物在“渤海古湖”和“古渤海”的扩散机制，利用(La/Yb)ucc与δEuucc对不同沉积环境沉积物进行物源判别，见图 6。JXC-1孔晚更新世地层较薄，受测试样品数量限制，仅对海侵持续时间较长的MIS 5期海侵(4.00~11.00 m)进行物源判别(图 6b)。在海侵期(图 6b)，黄河物质受渤海环流控制，输送至辽东湾北部沉积；在早更新世晚期，辽东湾北部为高水位湖相期(图 6f和6h)，黄河古水系可能在北部入海，河口距离钻孔较近，同时黄河沉积物通量较大，对本区影响较大。在低水位湖相期(图 6g)，辽河、大辽河河口距离本区较近，对本区影响较大。在钻孔的16.40~36.00 m层位，主要为河流相，物源比较复杂，可能有黄河、辽河和大辽河以外的河流物质输入，在26.00~36.00 m层位明显受辽河和大辽河影响较大。
判别函数FD已被证实可以用来判别样品与已知河流沉积相关特征的接近程度[36, 73]。为了进一步研究不同河流沉积物对本区贡献，利用判别函数分析JXC-1孔沉积物与黄河、辽河沉积物的接近程度。判别函数FD表达式如下：
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(2) |
公式(2)中，ωix表示JXC-1孔中元素i的质量分数或两元素质量分数比；ωim表示黄河或辽河沉积物中元素i的质量分数或两种元素的质量分数比值。
如果FD值小于0.5，则认为两种沉积物接近。使用判别函数的前提条件是，用于计算的两种元素化学性质相近且能同时带入带出，而稀土元素符合这一条件[36]。在计算JXC-1孔沉积物判别函数时选取的两种稀土元素是Sm和Lu。通过根据Sm/Lu计算，获得了钻孔沉积物与黄河和辽河沉积物的接近程度，分别用FDhh和FDlh表示，结果显示FDhh和FDlh值都小于0.5，表明钻孔沉积物物源区与黄河、辽河携带沉积物相似，可能同源。对比FDhh和FDlh值发现，不同时期两条河输入物质在钻孔中贡献率不同。为了确定两条河流沉积物与钻孔沉积物接近程度，用FDhh和FDlh二者差值表示(图 7)，在0~19.00 m、26.40~30.00 m、35.70~49.00 m和55.60~70.30 m段，差值为正表示黄河输入物质贡献率占优势，而在18.40~26.40 m、30.00~35.70 m和49.00~55.60 m段，差值为负，表示辽河输入物质贡献率占优势，其中，55.60~70.30 m段中也有部分时期辽河输入物质贡献率占优势。这与钻孔沉积物上地壳标准化配分模式(图 4)和利用(La/ Yb)ucc与δEuucc进行物源判别(图 6)结果相符。在32.40~34.70 m段，FDhh和FDlh值接近0.5或者超过0.5，可以有其他河流物质输入，对二者起到稀释作用。
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图 7 黄河沉积物[31]与辽河沉积物[34]判别函数差值 Fig. 7 Difference of discriminant function between Yellow River sediment and Liaohe River sediment |
已有不少学者认为黄河在早更新世或者更早的时期东流入海[74~76]。Xiao等[77]通过研究3个穿透中新世晚期沉积物的钻孔的碎屑锆石年龄谱研究发现，钻孔沉积物在1.6~1.5 Ma之间存在显著的物源变化，标志着黄河上下游贯通。根据古地磁测试结果推测本钻孔底界(70.3 m)年龄为1.2 Ma，时间上居于黄河贯通之后。
晚更新世开始，渤海才出现大规模海侵，全新世海水淹没了包括辽东湾、渤海湾和莱州湾在内整个渤海[1, 54]。晚更新世以来，渤海地区沉积地层记录了沧州海侵、渤海海侵、献县海侵和黄骅海侵等多次海侵形成的海相环境和海退之后沉积的陆相环境[1]。随着不同时期沉积环境的波动，沉积物粒度和矿物(重矿物)组成随之发生变化，稀土元素分布特征变化与之响应[29, 78~79]。
根据区域海平面变化情况，利用钻孔测年数据和沉积速率推算，JXC-1孔埋深在17.00 m以上层位开始接受大规模海侵，在此期间，黄海入海物质向东北扩散的一支受渤海环流影响[39]，输送至辽东湾北部，同时接受潮流往复输送的北部辽河和大辽河细粒物质，但总体而言以黄河输送物质占主导。而同为南部的滦河入海沉积物主要沉积于河口附近，仅有少量进入渤海环流体系[80]，在钻孔中的沉积记录稀少。
利用浅地层剖面识别古河道是沉积环境研究的重要手段。辽东湾中北部浅地层剖面研究发现，在全新世海相层下部有大量古河道发育，这些古河道大多呈北东向展布的[81~82]，前人认为这些古河道是辽河古水系在低海平面时期沿辽东湾东侧的郯庐断裂带南下的通道，当时的辽河古水系注入辽东湾中部洼地，将北部沉积物搬运至此堆积。辽东湾古河道由多期组成，可能是海陆交互环境形成[83]。王利波等[14]发现位于辽中洼地南部的LDD7孔(图 1)重矿物组合在特定地质历史时期与黄河沉积物具有相似性，认为LDD7孔可能接受黄河输送入海沉积物。本研究认为，在湖相高水位期，古黄河水系可能位于现今流路以北的区域，携带巨量泥沙进入“渤海古湖”，受湖流等沉积动力影响，黄河输送物质扩散范围较广，可以到达40.5°N以北的区域，对钻孔沉积物影响较大；而在低水位时期，黄河携带沉积物搬运至此属远距离搬运，沉积物以距离钻孔较近的辽河和大辽河输送物质占主导。
5 结论(1) 钻孔沉积物中ΣREE波动较大，介于60.33~292.29 μg/g之间，平均值为169.21 μg/g，低于渤海沉积物ΣREE平均值229.29 μg/g，与中国黄土ΣREE平均值185.00 μg/g比较接近。
(2) 经上地壳标准化的配分模式与周边河流沉积物标准化曲线对比，可以将钻孔沉积物REE配分模式分为两类：一类近似呈直线展布，无明显Eu、Ce异常，与黄河沉积物REE标准化曲线比较接近，这类模式在钻孔17.00 m以上层位比较集中，在36.00~46.00 m和58.20~70.30 m层位也有分布；另一类呈略微右倾的趋势，Eu稍微正异常，与辽河、大辽河和小凌河沉积物REE标准化曲线比较接近，这类模式主要分布在钻孔中部。但两类模式与六股河和复州河沉积物REE标准化曲线存在明显的差异。
(3) 根据(La/Yb)ucc与δEuucc两个参数进行物源的判别，发现南部的黄河和北部的辽河、大辽河携带物质对JXC-1孔沉积物影响较大。17.00 m以上层位为晚更新世沉积，0~2.00 m、4.00~11.00 m和14.00~16.00 m可能为海相地层，期间海水进入渤海，渤海环流形成，黄海入海物质向东北扩散的一支受环流影响，输送至辽东湾北部，同时接受潮流往复输送的北部辽河和大辽河细粒物质，但总体而言以黄河输送物质占主导。在17.00 m以下层位主要为早更新世晚期以来的陆相沉积，以湖相环境为主，物源受距离河口远近和沉积物通量影响。36.00~46.00 m和58.20~70.30 m为湖相高水位期，古黄河水系流路可能位于现今流路以北的区域，携带巨量泥沙进入“渤海古湖”，受湖流等沉积动力影响，黄河输送物质扩散范围较广，对钻孔沉积物影响较大；在46.00~58.20 m低水位时期，黄河携带沉积物搬运至此属远距离搬运，钻孔沉积物以距离较近的北部辽河和大辽河输送物质占主导。16.40~ 36.00 m层位，主要为河流相，物源比较复杂，但在26.00~36.00 m层位明显受辽河和大辽河影响较大。上述分析结果显示黄河东流入海(渤海古湖)以后，受海洋环流、距离河口远近和湖泊沉积动力等因素控制，携带沉积物扩散范围可以到达40.5°N或者以北的区域。本文在研究过程中，受河流沉积物样品数量限制，可能还有未知端元对研究区沉积物有贡献，需在今后的工作中开展相关补充研究。
致谢: 感谢审稿专家对本文提出的宝贵意见和杨美芳老师的辛苦付出，使本文能够更加严谨!
| [1] |
中国科学院海洋研究所海洋地质研究室. 渤海地质[M]. 北京: 科学出版社, 1985: 1-18. Office of Marine Geology, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences. Geology of the Bohai Sea[M]. Beijing: Science Press, 1985: 1-18. |
| [2] |
Li G X, Tang Z S, Yue S H, et al. Sedimentation in the shear front off the Yellow River mouth[J]. Continental Shelf Research, 2001, 21(6-7): 607-625. DOI:10.1016/S0278-4343(00)00097-2 |
| [3] |
Wang H J, Yang Z S, Li Y H, et al. Dispersal pattern of suspended sediment in the shear frontal zone off the Huanghe(Yellow River) mouth[J]. Continental Shelf Research, 2007, 27(6): 854-871. DOI:10.1016/j.csr.2006.12.002 |
| [4] |
韩宗珠, 张军强, 邹昊, 等. 渤海湾北部底质沉积物中粘土矿物组成与物源研究[J]. 中国海洋大学学报, 2011, 41(11): 95-102. Han Zongzhu, Zhang Junqiang, Zou Hao, et al. Characteristics and provenance of clay mineral assemblage of sediments from the north part of the Bohai Bay[J]. Periodical of Ocean University of China, 2011, 41(11): 95-102. |
| [5] |
Yang Z S, Ji Y J, Bi N S, et al. Sediment transport off the Huanghe(Yellow River) delta and in the adjacent Bohai Sea in winter and seasonal comparison[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2011, 93(3): 173-181. DOI:10.1016/j.ecss.2010.06.005 |
| [6] |
李淑媛, 苗丰民, 刘国贤, 等. 渤海重金属污染历史研究[J]. 海洋环境科学, 1996, 15(4): 28-31. Li Shuyuan, Miao Fengmin, Liu Guoxian, et al. The study of pollution history of heavy metal in Bohai Sea[J]. Marine Environment Science, 1996, 15(4): 28-31. |
| [7] |
乔淑卿, 石学法, 王国庆, 等. 渤海底质沉积物粒度特征及输运趋势探讨[J]. 海洋学报, 2010, 32(4): 139-147. Qiao Shuqing, Shi Xuefa, Wang Guoqing, et al. Discussion on grain-size characteristics of seafloor sediment and transport pattern in the Bohai Sea[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2010, 32(4): 139-147. |
| [8] |
孙效功, 杨作升, 陈彰榕. 现行黄河口海域泥沙冲淤的定量计算及其规律探讨[J]. 海洋学报, 1993, 15(1): 129-136. Sun Xiaogong, Yang Zuosheng, Chen Zhangrong. Discussion on the quantitative calculation and law of sediment erosion and deposition in the Yellow River Estuary[J]. Acta Oceanologica Sinica, 1993, 15(1): 129-136. DOI:10.3321/j.issn:0253-4193.1993.01.002 |
| [9] |
Qiao S Q, Shi X F, Zhu A M, et al. Distribution and transport of suspended sediments off the Yellow River(Huanghe)mouth and the nearby Bohai Sea[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2010, 86(3): 337-344. DOI:10.1016/j.ecss.2009.07.019 |
| [10] |
Li G X, Yue S H, Zhao D B, et al. Rapid deposition and dynamic processes in the modern Yellow River mouth[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2004, 24(3): 29-36. |
| [11] |
蓝先洪, 李日辉, 密蓓蓓, 等. 渤海东部和黄海北部表层沉积物稀土元素的分布特征与物源判别[J]. 地球科学, 2016, 41(3): 463-474. Lan Xianhong, Li Rihui, Mi Beibei, et al. Distribution characteristics of rare earth elements in surface sediment and their provenance discrimination in the eastern Bohai and northern Yellow seas[J]. Earth Science, 2016, 41(3): 463-474. |
| [12] |
陈丽蓉, 栾作峰, 郑铁民, 等. 渤海沉积物中的矿物组合及其分布特征的研究[J]. 海洋与湖沼, 1980, 11(1): 46-64. Chen Lirong, Luan Zuofeng, Zheng Tiemin, et al. Mineral assemblages and their distribution patterns in the sediments of the gulf of Bohai Sea[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 1980, 11(1): 46-64. |
| [13] |
刘建国, 李安春, 陈木宏, 等. 全新世渤海泥质沉积物地球化学特征[J]. 地球化学, 2007, 36(6): 633-637. Liu Jianguo, Li Anchun, Chen Muhong, et al. Geochemical characteristics of sediments in the Bohai Sea mud area during Holocene[J]. Geochimica, 2007, 36(6): 633-637. DOI:10.3321/j.issn:0379-1726.2007.06.012 |
| [14] |
王利波, 李军, 赵京涛, 等. 辽东湾中部晚第四纪沉积物物源与沉积环境:来自碎屑矿物和自生黄铁矿的证据[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2016, 36(2): 39-48. Wang Libo, Li Jun, Zhao Jingtao, et al. Late Quaternary sediment provenance and palaeoenvironment in Liaodong Bay, Bohai Sea:Evidence from detrital minerals and authigenic pyrite[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2016, 36(2): 39-48. |
| [15] |
董太禄. 渤海现代沉积作用与模式的研究[J]. 海洋地质与第四纪地质, 1996, 16(4): 43-53. Dong Tailu. Modern sedimentation models in the Bohai Sea[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 1996, 16(4): 43-53. |
| [16] |
吴永胜, 王兆印. 渤海动力对黄河入海泥沙输移的影响[J]. 黄渤海海洋, 2002, 20(2): 22-30. Wu Yongsheng, Wang Zhaoyin. Effect of Bohai Sea dynamics on sediment transport discharged from the Yellow River[J]. Journal of Oceanography of Huanghai & Bohai Seas, 2002, 20(2): 22-30. DOI:10.3969/j.issn.1671-6647.2002.02.004 |
| [17] |
耿秀山. 黄渤海地貌特征及形成因素探讨[J]. 地理学报, 1981, 36(4): 423-434. Geng Xiushan. The geomorphological features and forming factors of submarine relief in the Bohai Sea and the Yellow Sea[J]. Acta Geographica Sinica, 1981, 36(4): 423-434. DOI:10.3321/j.issn:0375-5444.1981.04.008 |
| [18] |
耿秀山. 中国东部陆架的海底古河系[J]. 海洋科学, 1981, 5(2): 21-26. Geng Xiushan. Submarine paleo-valley system in the East China continental shelf[J]. Marine Sciences, 1981, 5(2): 21-26. |
| [19] |
Collers R L, Basu A, Suttner L J. Geochemical signature of provenance in sand-size material in soils and stream sediments near the Tobacco Root Batholith, Montana, U.S.A[J]. Chemical Geology, 1988, 70(4): 335-348. DOI:10.1016/0009-2541(88)90123-4 |
| [20] |
McLennan S M, Taylor S R. Sedimentary rocks and crustal evolution: Tectonic setting and secular trends[J]. The Journal of Geology, 1991, 99(1): 1-21. DOI:10.1086/629470 |
| [21] |
Taylor S R, McLennan S M. The Continental Crust:Its Composition and Evolution[M]. Oxford: Blackwells, 1985: 29-45.
|
| [22] |
Girty G H, Ridge D L. Provenance and depositional setting of Paleozoic chert and argillite, Sierra Nevada, California[J]. Journal of Sedimentary Research, 1996, 66(1): 107-118. |
| [23] |
Murray R W, Brink M R B, Brumsack H J, et al. Rare earth elements in Japan Sea sediments and diagenetic behavior of Ce/Ce*:Results from ODP Leg 127[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1991, 55(9): 2453-2466. DOI:10.1016/0016-7037(91)90365-C |
| [24] |
杨守业, 李从先. REE示踪沉积物物源研究进展[J]. 地球科学进展, 1999, 14(2): 164-167. Yang Shouye, Li Congxian. Research progress in REE tracer for sediment source[J]. Advance in Earth Sciences, 1999, 14(2): 164-167. DOI:10.3321/j.issn:1001-8166.1999.02.010 |
| [25] |
陈禹飞, 乔淑卿, 石学法, 等. 末次冰消期以来泰国湾沉积物物源变迁的元素地球化学证据[J]. 第四纪研究, 2020, 40(3): 726-738. Chen Yufei, Qiao Shuqing, Shi Xuefa, et al. Geochemical evidence for the sediment provenance evolution in the Gulf of Thailand since the last deglacial[J]. Quaternary Sciences, 2020, 40(3): 726-738. |
| [26] |
安郁辉, 刘健, 张军强, 等. 淮河与长江和黄河沉积物的物源识别指标比较研究[J]. 第四纪研究, 2020, 40(3): 837-850. An Yuhui, Liu Jian, Zhang Junqiang, et al. Comparative researches on the provenance indicators of Huaihe River, Yangtze River and Yellow River sediments[J]. Quaternary Sciences, 2020, 40(3): 837-850. |
| [27] |
赵一阳, 王金土, 秦朝阳, 等. 中国大陆架海底沉积物中的稀土元素[J]. 沉积学报, 1990, 8(1): 37-43. Zhao Yiyang, Wang Jintu, Qin Chaoyang, et al. Rare-earth elements in continental shelf sediments of the China Seas[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 1990, 8(1): 37-43. |
| [28] |
蓝先洪, 申顺喜. 南黄海中部沉积岩芯的稀土元素地球化学特征[J]. 海洋通报, 2002, 21(5): 46-53. Lan Xianhong, Shen Shunxi. Geochemical characteristics of rare earth elements of sediment cores from the central South Yellow Sea[J]. Marine Science Bulletin, 2002, 21(5): 46-53. DOI:10.3969/j.issn.1001-6392.2002.05.007 |
| [29] |
王贤觉, 陈毓蔚, 雷剑泉, 等. 东海大陆架海底沉积物稀土元素地球化学研究[J]. 地球化学, 1982, 11(1): 56-65. Wang Xianjue, Chen Yuwei, Lei Jianquan, et al. REE geochemistry in sea-floor sediments in the continental shelf of East China Sea[J]. Geochimica, 1982, 11(1): 56-65. DOI:10.3321/j.issn:0379-1726.1982.01.008 |
| [30] |
吴明清. 我国台湾浅滩海底沉积物稀土元素地球化学[J]. 地球化学, 1983, 30(3): 304-313. Wu Mingqing. REE geochemistry of sea-floor sediment from the Taiwan shallow, China[J]. Geochimica, 1983, 30(3): 304-313. |
| [31] |
杨守业, 李从先. 长江与黄河沉积物REE地球化学及示踪作用[J]. 地球化学, 1999, 28(4): 374-380. Yang Shouye, Li Congxian. REE geochemistry and tracing application in the Yangtze River and the Yellow River sediments[J]. Geochimica, 1999, 28(4): 374-380. DOI:10.3321/j.issn:0379-1726.1999.04.008 |
| [32] |
冯旭文, 石学法, 黄永祥, 等. 长江口东南泥质区百年来稀土元素的组成及控制因素[J]. 地球化学, 2011, 40(5): 464-472. Feng Xuwen, Shi Xuefa, Huang Yongxiang, et al. Distributions and main controlling factors of rare earth elements in core sediments from the Changjiang Estuary mud area over the last 100 years[J]. Geochimica, 2011, 40(5): 464-472. |
| [33] |
窦衍光, 李军, 李炎. 北部湾东部海域表层沉积物稀土元素组成物源指示意义[J]. 地球化学, 2012, 41(2): 147-157. Dou Yanguang, Li Jun, Li Yan. Rare earth element compositions and provenance implication of surface sediments in the eastern Beibu Gulf[J]. Geochimica, 2012, 41(2): 147-157. DOI:10.3969/j.issn.0379-1726.2012.02.006 |
| [34] |
张现荣, 李军, 窦衍光, 等. 辽东湾东南部海域柱状沉积物稀土元素地球化学特征与物源识别[J]. 沉积学报, 2014, 32(4): 684-691. Zhang Xianrong, Li Jun, Dou Yanguang, et al. REE geochemical characteristics and provenance discrimination of core LDC30 in the southeastern part of Liaodong Bay[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2014, 32(4): 684-691. |
| [35] |
蓝先洪, 秦亚超, 陈晓辉, 等. 渤海东部晚第四纪沉积环境变化的稀土元素地球化学记录[J]. 海洋通报, 2016, 35(6): 674-682. Lan Xianhong, Qin Yachao, Chen Xiaohui, et al. Rare earth element records of palaeoenvironmental changes during the Late Quaternary from core sediments of the eastern Bohai Sea[J]. Marine Science Bulletin, 2016, 35(6): 674-682. |
| [36] |
李双林, 李绍全. 黄海YA01孔沉积物稀土元素组成与源区示踪[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2001, 21(3): 51-56. Li Shuanglin, Li Shaoquan. REE composition and source tracing of sediments from core YA01 in Yellow Sea[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2001, 21(3): 51-56. |
| [37] |
徐方建, 李安春, 徐兆凯, 等. 东海内陆架沉积物稀土元素地球化学特征及物源意义[J]. 中国稀土学报, 2009, 27(4): 574-582. Xu Fangjian, Li Anchun, Xu Zhaokai, et al. Rare earth element geochemistry in inner shelf of the East Chain Sea and implication for sediment provenance[J]. Journal of the Chinese Rare Earth Society, 2009, 27(4): 574-582. DOI:10.3321/j.issn:1000-4343.2009.04.023 |
| [38] |
梅西, 张训华, 李日辉. 南黄海中部泥质沉积区DLC70-3孔稀土元素及环境意义[J]. 地质科技情报, 2011, 30(4): 21-28. Mei Xi, Zhang Xunhua, Li Rihui. REE of DLC70-3 core sediments from mud areas in the central South Yellow Sea and its environmental significance[J]. Geological Science and Technology Information, 2011, 30(4): 21-28. DOI:10.3969/j.issn.1000-7849.2011.04.003 |
| [39] |
赵保仁, 庄国文, 曹德明, 等. 渤海的环流、潮余流及其对沉积物分布的影响[J]. 海洋与湖沼, 1995, 26(5): 466-453. Zhao Baoren, Zhuang Guowen, Cao Deming, et al. Circulation, tidal residual currents and their effects on the sedimentations in the Bohai Sea[J]. Oceanologia and Liminologia, 1995, 26(5): 466-453. DOI:10.3321/j.issn:0029-814X.1995.05.003 |
| [40] |
刘振夏, 夏东兴, 汤毓祥, 等. 渤海东部全新世潮流沉积体系[J]. 中国科学(B辑), 1994, 24(12): 1331-1338. Liu Zhenxia, Xia Dongxing, Tang Yuxiang, et al. The Holocene tidal sedimentary system in the eastern Bohai Sea[J]. Science in China(Series B), 1994, 24(12): 1331-1338. |
| [41] |
王海霞, 赵全民, 李铁刚, 等. 辽东湾表层沉积物中底栖有孔虫分布及其与沉积环境的关系[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2011, 31(2): 87-94. Wang Haixia, Zhao Quanmin, Li Tiegang, et al. Distribution of benthic foraminifera in surface sediments of the Liaodong Bay and its bearing on sedimentary environments[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2011, 31(2): 87-94. |
| [42] |
张洪涛, 张训华, 温珍河, 等. 中国东部海区及邻域地质地球物理系列图[M]. 北京: 海洋出版社, 2011: 1-20. Zhang Hongtao, Zhang Xunhua, Wen Zhenhe, et al. Geological and Geophysical Series Maps of Eastern China Sea Area and Its Neighborhood[M]. Beijing: China Ocean Press, 2011: 1-20. |
| [43] |
侯贵廷, 钱祥麟, 蔡东升. 渤海湾盆地中、新生代构造演化研究[J]. 北京大学学报(自然科学版), 2001, 37(6): 845-851. Hou Guiting, Qian Xianglin, Cai Dongsheng. The tectonic evolution of Bohai basin in Mesozoic and Cenozoic time[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, 2001, 37(6): 845-851. DOI:10.3321/j.issn:0479-8023.2001.06.016 |
| [44] |
邓起东, 张培震, 冉勇康, 等. 中国活动构造基本特征[J]. 中国科学(D辑), 2002, 32(12): 1020-1031. Deng Qidong, Zhang Peizhen, Ran Yongkang, et al. Basic characteristics of active tectonics in China[J]. Science in China(Series D), 2002, 32(12): 1020-1031. |
| [45] |
施林峰, 翟子梅, 王强, 等. 从天津CQJ4孔探讨中国东部海侵层的年代问题[J]. 地质论评, 2009, 55(3): 375-384. Shi Linfeng, Zhai Zimei, Wang Qiang, et al. Geochronological study on transgression layers of the CQJ4 borehole at Dagang area in Tianjin, China[J]. Geological Review, 2009, 55(3): 375-384. DOI:10.3321/j.issn:0371-5736.2009.03.009 |
| [46] |
易亮, 姜兴钰, 田立柱, 等. 渤海盆地演化的年代学研究[J]. 第四纪研究, 2016, 36(5): 1075-1087. Yi Liang, Jiang Xingyu, Tian Lizhu, et al. Geochronological study on Plio-Pleistocene evolution of Bohai basin[J]. Quaternary Sciences, 2016, 36(5): 1075-1087. |
| [47] |
Yi L, Deng C L, Xu X Y, et al. Paleo-megalake termination in the Quaternary:Paleomagnetic and water-level evidence from south Bohai Sea, China[J]. Sedimentary Geology, 2015, 319: 1-12. DOI:10.1016/j.sedgeo.2015.01.005 |
| [48] |
Liu J, Saito Y, Wang H, et al. Stratigraphic development during the Late Pleistocene and Holocene offshore of the Yellow River delta, Bohai Sea[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2009, 36(4/5): 318-331. |
| [49] |
刘艳霞, 黄海军, 董慧君, 等. 渤海西南岸全新世最大海侵界线及其地貌特征[J]. 第四纪研究, 2015, 35(2): 340-353. Liu Yanxia, Huang Haijun, Dong Huijun, et al. Geomorphic characteristics and location of the maximum Holocene transgression boundary in the southwestern coast of the Bohai Sea[J]. Quaternary Sciences, 2015, 35(2): 340-353. |
| [50] |
孙军, 杨慧良, 何磊, 等. 渤海海峡BHS01孔沉积物磁性地层学研究[J]. 现代地质, 2019, 33(2): 315-324. Sun Jun, Yang Huiliang, He Lei, et al. Quaternary magnetostratigraphy record in sediments from Borehole BHS01 in the Bohai Strait[J]. Geoscience, 2019, 33(2): 315-324. |
| [51] |
徐杰, 冉勇康, 单新建, 等. 渤海海域第四系发育概况[J]. 地震地质, 2004, 26(1): 24-32. Xu Jie, Ran Yongkang, Shan Xinjian, et al. Development of the quaternary system in the Bohai Sea area, China[J]. Seismology and Geology, 2004, 26(1): 24-32. DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2004.01.003 |
| [52] |
Yao Z Q, Shi X F, Liu Q S, et al. Paleomagnetic and astronomical dating of sediment core BH08 from the Bohai Sea, China:Implications for glacial-interglacial sedimentation[J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2014, 393(1): 90-101. |
| [53] |
孙荣涛, 赵京涛, 李军, 等. 辽东湾LDD7孔晚更新世以来的沉积层序与古环境演化[J]. 吉林大学学报:地球科学版, 2015, 45(5): 1460-1469. Sun Rongtao, Zhao Jingtao, Li Jun, et al. Stratigraphic and paleo-environmental evolution of Liaodong Bay since Late Pleistocene:Evidence from core LDD7[J]. Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2015, 45(5): 1460-1469. |
| [54] |
王忠蕾, 郑洪波, 梅西, 等. 辽东湾北部钻孔磁性地层年度框架及地质意义[J]. 第四纪研究, 2020, 40(3): 616-632. Wang Zhonglei, Zheng Hongbo, Mei Xi, et al. Magnetic stratigraphy of boreholes in the north of Liaodong Bay and its significance[J]. Quaternary Sciences, 2020, 40(3): 616-632. |
| [55] |
王强, 李凤林. 渤海湾西岸第四纪海陆变迁[J]. 海洋地质与第四纪地质, 1983, 3(4): 83-90. Wang Qiang, Li Fenglin. The changes of marine-continental conditions in the west coast of the Bohai Gulf during Quaternary[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 1983, 3(4): 83-90. |
| [56] |
Lisiecki L E, Raymo M E. A Pliocene-Pleistocene stack of 57 globally distributed benthic δ18O records[J]. Paleoceanography, 2005, 20(1): PA1003. |
| [57] |
Masuda A, Nakamura N, Tanaka T. Fine structures of mutually normalized rare-earth patterns of chondrites[J]. Geochemica et Cosmochimica Acta, 1973, 37(2): 239-248. DOI:10.1016/0016-7037(73)90131-2 |
| [58] |
杨守业, 韦刚健, 夏小平, 等. 长江口晚新生代沉积物的物源研究: REE和Nd同位素制约[J]. 第四纪研究, 2007, 27(3): 339-346. Yang Shouye, Wei Gangjian, Xia Xiaoping, et al. Provenance study of the Late Cenozoic sediments in the Changjiang Delta:REE and Nd isotopic constraints[J]. Quaternary Sciences, 2007, 27(3): 339-346. DOI:10.3321/j.issn:1001-7410.2007.03.005 |
| [59] |
严杰, 高建华, 李军, 等. 鸭绿江河口外海域柱状沉积物稀土元素的分布特征及物源指示[J]. 海洋通报, 2013, 32(6): 601-609. Yan Jie, Gao Jianhua, Li Jun, et al. Study of rare earth element compositions and their implications for material sources in the core sediments in the sea areaoutside the Yalu River estuary[J]. Marine Science Bulletin, 2013, 32(6): 601-609. |
| [60] |
王金土. 黄海表层沉积物稀土元素地球化学[J]. 地球化学, 1990, 19(1): 44-53. Wang Jintu. REE geochemistry of surface sediments in the Yellow Sea[J]. Geochimica, 1990, 19(1): 44-53. DOI:10.3321/j.issn:0379-1726.1990.01.005 |
| [61] |
Caggianelli A, Fiore S, Mongelli G, et al. REE distribution in the clay fraction of pelites from the southern Apennines, Italy[J]. Chemical Geology, 1992, 99(4): 253-263. DOI:10.1016/0009-2541(92)90180-D |
| [62] |
高爱国, 陈志华, 刘焱光, 等. 楚科奇海表层沉积物的稀土元素地球化学特征[J]. 中国科学(D辑), 2003, 33(2): 148-157. Gao Aiguo, Chen Zhihua, Liu Yanguang, et al. Geochemical characteristics of rare earth elements in the surface sediments of Chukchi Sea[J]. Science in China(Series D), 2003, 33(2): 148-157. |
| [63] |
赵一阳, 鄢明才. 中国浅海沉积物地球化学[M]. 北京: 科学出版社, 1994: 130-150. Zhao Yiyang, Yan Mingcai. Geochemistry of Shallow Sea Sediments in China[M]. Beijing: Science Press, 1994: 130-150. |
| [64] |
Condie K C. Another look at rare earth elements in shales[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1991, 55(9): 2527-2531. DOI:10.1016/0016-7037(91)90370-K |
| [65] |
李艳, 李安春, 黄朋. 大连湾近海表层沉积物重矿物组合分布特征及其物源环境指示[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2011, 31(6): 13-20. Li Yan, Li Anchun, Huang Peng. Distribution of heavy mineral assemblages in subsurface sediments of Dalian Bay and their implications for provenance and environment[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2011, 31(6): 13-20. |
| [66] |
陈丽蓉. 中国海沉积矿物学[M]. 北京: 海洋出版社, 2008: 39-49. Chen Lirong. Sedimentary Mineralogy of the China Sea[M]. Beijing: China Ocena Press, 2008: 39-49. |
| [67] |
Goldstein S J, Jacobsen S B. Rare earth elements in river waters[J]. Earth and Planetary Science Letters, 1988, 89(1): 35-47. DOI:10.1016/0012-821X(88)90031-3 |
| [68] |
Nesbitt H W, Young G M. Early Proterozoic climate and plate motion inferred from major element chemistry of lutites[J]. Nature, 1982, 299: 715-717. DOI:10.1038/299715a0 |
| [69] |
卲菁清, 杨守业. 化学蚀变指数(CIA)反映长江流域的硅酸盐岩化学风化与季风气候?[J]. 科学通报, 2012, 57(11): 933-942. Shao Jingqing, Yang Shouye. Does chemical index of alteration(CIA)reflect silicate weathering and monsoonal climate in the Changjiang River basin?[J]. Chinese Science Bulletin, 2012, 57(11): 933-942. |
| [70] |
Yang S Y, Jung H S, Li C X. Two unique weathering regimes in the Changjiang and Huanghe drainage basins: Geochemical evidence from river sediments[J]. Sedimentary Geology, 2004, 164(1-2): 19-34. DOI:10.1016/j.sedgeo.2003.08.001 |
| [71] |
Li C, Yang S Y. Is chemical index of alteration(CIA)a reliable proxy for chemical weathering in global drainage basins?[J]. American Journal of Science, 2010, 310(2): 111-127. DOI:10.2475/02.2010.03 |
| [72] |
McLennan S M. Weathering and global denudation[J]. Journal of Geology, 1993, 101(2): 295-303. DOI:10.1086/648222 |
| [73] |
杨守业, 李从先, 张家强. 苏北滨海平原冰后期古地理演化与沉积物物源研究[J]. 古地理学报, 2000, 2(2): 65-72. Yang Shouye, Li Congxian, Zhang Jiaqiang. Palaeogeographic evolution of coastal plain and provenance study of postglacial sediments in North Jiangsu Province[J]. Journal of Palaeogeography, 2000, 2(2): 65-72. DOI:10.3969/j.issn.1671-1505.2000.02.008 |
| [74] |
袁宝印, 王振海. 青藏高原隆起与黄河地文期[J]. 第四纪研究, 1995(4): 353-359. Yuan Baoyin, Wang Zhenhai. Uplift of the Qinghai-Xizang Plateau and the Yellow River physiographic period[J]. Quaternary Sciences, 1995(4): 353-359. DOI:10.3321/j.issn:1001-7410.1995.04.011 |
| [75] |
杨守业, 蔡进攻, 李从先, 等. 黄河贯通时间的新探索[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2001, 21(2): 15-19. Yang Shouye, Cai Jingong, Li Congxian, et al. New discussion about the run-through time of the Yellow River[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2001, 21(2): 15-19. |
| [76] |
朱照宇. 黄河中游河流阶地的形成与水系演化[J]. 地理学报, 1989, 44(4): 429-440. Zhu Zhaoyu. The formation of river terraces and evolution of drainage system in the middle Yellow River[J]. Acta Geographica Sinica, 1989, 44(4): 429-440. DOI:10.3321/j.issn:0375-5444.1989.04.007 |
| [77] |
Xiao G Q, Sun Y Q, Yang J L, et al. Early Pleistocene integration of the Yellow River Ⅰ: Detrital-zircon evidence from the North Chain Plain[J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2020, 546: 109691. DOI:10.1016/j.palaeo.2020.109691 |
| [78] |
Gromet L P, Haskin L A, Korotev R L, et al. The "North American Shale Composite":Its compilation, major and trace element characteristics[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1984, 48(12): 2469-2482. DOI:10.1016/0016-7037(84)90298-9 |
| [79] |
Li C L, Kang S C, Zhang Q G, et al. Rare earth elements in the surfacesediments of the Yarlung Tsangbo (Upper Brahmaputra River) sediments, southern Tibetan Plateau[J]. Quaternary International, 2009, 208(1-2): 151-157. DOI:10.1016/j.quaint.2009.05.003 |
| [80] |
张爱滨, 刘明, 廖永杰, 等. 黄河沉积物向渤海湾扩散的沉积地球化学示踪[J]. 海洋科学进展, 2015, 33(2): 246-256. Zhang Aibin, Liu Ming, Liao Yongjie, et al. The sedimentary geochemical trace of the Yellow River sediments diffusion in the Bohai Bay[J]. Advances in Marine Science, 2015, 33(2): 246-256. DOI:10.3969/j.issn.1671-6647.2015.02.012 |
| [81] |
林美华. 大凌河-辽河海底谷系的研究[J]. 海洋科学, 1983, 7(2): 18-21. Lin Meihua. A preliminary study on submarine valley system Dalinghe-Liaohe[J]. Marine Sciences, 1983, 7(2): 18-21. |
| [82] |
王明田, 庄振业, 葛淑兰, 等. 辽东湾中北部浅层埋藏古河道沉积特征及对海上工程的影响[J]. 黄渤海海洋, 2000, 18(2): 18-24. Wang Mingtian, Zhuang Zhenye, Ge Shulan, et al. Sediment characteristics of the shallow buried paleochannels in the north-central Liaodong Bay and their negative effects on nautical engineering[J]. Journal of Oceanography of Huanghai and Bohai Seas, 2000, 18(2): 18-24. |
| [83] |
陈晓辉, 孟祥君, 李日辉. 辽东湾晚第四纪层序地层[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2019, 40(2): 37-47. Chen Xiaohui, Meng Xiangjun, Li Rihui. Sequence stratigraphy of Late Quaternary in the Liaodong Bay[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2019, 40(2): 37-47. |
2 School of Geography, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, Jiangsu;
3 Research Center for Earth System Science, Yunnan University, Kunming 650091, Yunnan)
Abstract
The contribution of the Yellow River to the bottom sediments of the Bohai Sea is huge, but the extent of the material diffusion from the Yellow River to the north after entering the Bohai Sea is not clear. In this paper, REE in the sediments of JXC-1 borehole located in the northern sea area of Liaodong Bay since 1.2 Ma was analyzed, and the composition characteristics of REE in the sediments of the borehole were studied. The JXC-1 borehole is located at 40°24'43.38″N, 121°03'23.37″E, where the water depth is about 22 m. The drilling footage of the JXC-1 borehole is 70.30 m with the coring rate of 89.2%, and a total core of 62.68 m is obtained. Combined with lithology, grain size parameters and dating data, the influencing factors of the vertical change of REE in the borehole were studied, and the material sources were discussed. The results show that the variation of sedimentary environment results in the difference of sediment grain size and sediments composition. There is a certain correlation between ΣREE and grain size variation, but the value of ΣLREE/ΣHREE, (La/Yb)N and δEu are not controlled by grain size. Through comparison, the characteristics of core JXC-1 sediment differentiation parameters are consistent with those of modern Yellow River in the South and Liaohe River(former Shuangtaizi River) and Daliao River in the north, but obviously different from those of Luanhe River and Fuzhou River. Combined with the discriminant function FD, it is speculated that the sediments of JXC-1 borehole mainly come from the Yellow River in the South and the Liaohe River and Daliao River in the north since the Middle Pleistocene. The strata above 17.00 m were formed in the Late Pleistocene, of which 0~2.00 m, 4.00~11.00 m and 14.00~16.00 m may be marine strata. The material carried by the Yellow River diffuses to the northeast and is transported to the north of Liaodong Bay under the influence of Bohai circulation. At the same time, Liaodong Bay receives the fine-grained materials transported by Liaohe River and Daliao River by tidal current, but generally speaking, the material transported by the Yellow River is the main one during the transgression period. The strata below 17.00 m are mainly continental sediments since the late Early Pleistocene, mainly lacustrine environment. The material source is affected by the distance from the estuary and the sediment flux in the river. The flow path of the ancient Yellow River system may be located in the north area of the current flow path. Affected by the lake current and other sedimentary dynamics, the Yellow River transported a wide range of materials, which had a great impact on the borehole sediments. The 48.00~58.00 m strata is the low water level period of lacustrine facies, the sediments transported by Liaohe River and Daliao River in the North was the main one. The 16.40~36.00 m strata is mainly fluvial facies, and the material source is relatively complex. However, the formation material of 26.00~36.00 m is mainly transported by Liaohe River and Daliao River. The above analysis results show that after the Yellow River flows eastward into the Bohai Sea(Bohai Ancient Lake), the diffusion range of sediment can reach about 40.5°N or to the North due to the ocean circulation, distance from the estuary and lake sedimentary dynamics. The results of this paper are a new understanding of the sediment source in Liaodong Bay, and provide new evidence for the study of the Yellow River through, Bohai circulation and Quaternary environmental evolution.