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      珠江口及瓊東北海區(qū)元素地球化學(xué)特征及物質(zhì)來(lái)源①

      2013-11-13 02:35:36張玉芬李團(tuán)結(jié)
      沉積學(xué)報(bào) 2013年1期
      關(guān)鍵詞:瓊州海峽珠江口常量

      陳 亮 張玉芬 李團(tuán)結(jié) 許 冬

      (1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球物理與空間信息學(xué)院 武漢 430074;2.國(guó)家海洋局南海工程勘察中心 廣州 510300;3.國(guó)家海洋局第二海洋研究所 杭州 310012)

      珠江位于我國(guó)大陸南端,其由西江、東江及北江所組成,流經(jīng)滇、黔、桂、粵、湘、贛等省(區(qū)),于廣東省中南部由八大口門注入南海,珠江為我國(guó)第三大河流,但徑流量?jī)H次于長(zhǎng)江,其年平均徑流量為3 124×109m3,每年攜帶約8 872 ×104t的懸沙向海輸送[1]。由于河口為海陸交互影響最強(qiáng)的地帶,河流攜帶大量的泥沙入海沉積,研究入海泥沙的沉積范圍及趨勢(shì)對(duì)航運(yùn)、港口及碼頭建設(shè)等海洋經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有十分重要的意義,同時(shí),由于內(nèi)陸污染物大多吸附于泥沙上被搬運(yùn)入海,因此此項(xiàng)研究也能為海洋環(huán)境保護(hù)提供參考。

      當(dāng)前對(duì)珠江口沉積物地球化學(xué)的研究已非常多,但大多集中在珠江口區(qū)域[2~8],對(duì)珠江口西部區(qū)域的元素地球化學(xué)研究較少。根據(jù)之前的研究,珠江口物質(zhì)在沿岸流的輸運(yùn)下,能夠到達(dá)粵西海域及雷州半島東側(cè)[1,9],因此,有必要將粵西海區(qū)及珠江口海區(qū)進(jìn)行成片分析,更有助于對(duì)珠江口物質(zhì)擴(kuò)散的了解;同時(shí)位于該區(qū)西南部的瓊東北海區(qū)目前還未見(jiàn)有詳細(xì)的元素地球化學(xué)研究,本次分析填補(bǔ)了該區(qū)域的研究空白。

      1 采樣和測(cè)試方法

      1.1 樣品采集

      本次采樣區(qū)域共分為三個(gè)區(qū)域,分別為珠江口內(nèi)、珠江口外,及粵西海區(qū)。由南海工程勘察中心于2004年、2005年及2008年完成大部分取樣工作,其中粵西部分海域取樣工作由海洋二所于2008年完成。采用的采樣工具主要為箱式采樣器及蚌式采樣器,采取樣品為表層(0~10 cm)沉積物,根據(jù)技術(shù)規(guī)程要求,采樣間隔主要有3 km、5 km及10 km 3類,共取得表層樣品約3 500個(gè),約3 500個(gè)樣品進(jìn)行了粒度測(cè)試,700多個(gè)樣品進(jìn)行了元素地球化學(xué)測(cè)試(圖1)。

      圖1 調(diào)查及測(cè)試站位分布圖Fig.1 The distribution of survey and test stations

      1.2 測(cè)試分析方法

      本次所使用數(shù)據(jù)主要有粒度及元素地球化學(xué)數(shù)據(jù),所采用的方法均按照《我國(guó)近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)―海洋底質(zhì)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》執(zhí)行。沉積物粒度由南海工程勘察中心實(shí)驗(yàn)室完成,細(xì)粒部分采用Mastersizer 2000型激光粒度儀進(jìn)行分析,首先去除樣品中有機(jī)質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)物及生物殼體,然后加入偏磷酸鈉用超聲波振蕩使樣品分散后上機(jī)測(cè)試,粗粒部分采用篩析法分析。元素地球化學(xué)測(cè)定由國(guó)土資源部武漢礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心及國(guó)土資源部地球物理地球化學(xué)勘查研究所完成。每個(gè)樣品取約25 g置于潔凈表面皿中,自然晾干后放入烘箱,在40℃ ±2℃下進(jìn)一步烘干,然后用瑪瑙研缽將沉積物樣磨碎,過(guò)80目(0.187 5 mm)尼龍網(wǎng)篩,收集小于80目的沉積物樣品,采用x射線熒光光譜儀(PW2440)測(cè)定沉積物中常量元素的含量,測(cè)量精度MgO、CaO、Na2O、K2O、MnO、TiO2、P2O5優(yōu)于 0.05%,SiO2、Al2O3及 Fe2O3測(cè)量精度優(yōu)于0.1%,測(cè)量誤差均不大于0.7%。

      2 結(jié)果分析

      2.1 沉積物特征

      圖2是對(duì)該區(qū)域粒度特征統(tǒng)計(jì)分析后作出的沉積物平均粒徑分布圖,圖中粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)采用尤登—溫德華氏等比制φ值粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn),可以看出,平均粒徑大多在3φ~8φ之間。采用謝帕德分類命名法對(duì)所有沉積物命名后發(fā)現(xiàn),由于研究區(qū)域范圍較廣,沉積物類型較多,但主要以粉砂為主。珠江口內(nèi)及以西至上川島近岸區(qū)域主要為粘土質(zhì)粉砂,珠江口外以東海區(qū)沉積物類型主要為粉砂,珠江口外南部區(qū)域沉積物粒度變粗,沉積物類型主要為砂及粉砂質(zhì)砂;上川島以西近岸區(qū)域至瓊州海峽東口以東海域沉積物類型主要為粉砂及粘土質(zhì)粉砂,上川島南部外海區(qū)域至海南島東部海域呈北東—南西向分布有大片砂質(zhì)粉砂及粉砂值砂;瓊州海峽內(nèi)及東口沉積物類型以砂為主,部分區(qū)域含有少量砂礫。

      圖2 沉積物粒度特征圖(平均粒徑/φ)Fig.2 The distribution of sediment grain size(Mz/φ)

      2.2 常量元素分布特征

      由表1可見(jiàn),調(diào)查區(qū)域常量元素主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、K2O、MgO 及 Na2O 組成,這7 種氧化物占沉積物總量的90%以上(平均值),其中SiO2及Al2O3平均含量較高,其它較低,分別為:SiO2(61.94%)>Al2O3(13.55%)>Fe2O3(5.77%)>CaO(3.43%)>K2O(2.23%)>MgO(1.91%)>Na2O(1.79%)>TiO2(0.73%)>P2O5(0.12%)>MnO(0.76%)。

      圖3是各元素含量的空間分布圖,對(duì)比這些元素分布情況可見(jiàn):(1)SiO2的平面分布圖與其它元素的分布趨勢(shì)具有很大的差異,基本為負(fù)相關(guān),主要由于SiO2為該區(qū)域主導(dǎo)元素,為其它元素的“稀釋劑”所造成[10,11],對(duì)比 SiO2平面分布圖與粒徑分布圖可以發(fā)現(xiàn)SiO2的含量大小與粒徑粗細(xì)具有很好的一致性,說(shuō)明該區(qū)域粗粒沉積物的礦物成份主要為石英;(2)Al2O3、P2O5、K2O、TiO2、MnO、Fe2O3的平面分布圖具有一定的相似性,大多呈現(xiàn)了由珠江口向外海減少的趨勢(shì),且多種元素指示在瓊州海峽東部存在一高值中心;(3)CaO的平面分布圖與其它元素具有很大的差異,高值區(qū)主要位于調(diào)查區(qū)域的東南部及海南島東側(cè),說(shuō)明該區(qū)域CaO主要來(lái)自于海源生物作用的影響;(4)MgO的高含量區(qū)域主要位于香港東南側(cè)及粵西中部海域,與沉積物細(xì)粒組分具有較好的對(duì)應(yīng),說(shuō)明MgO主要賦存于細(xì)粒沉積物之中,而同為細(xì)粒沉積物的珠江口內(nèi)MgO含量并不高,說(shuō)明該區(qū)域MgO受海源作用影響較大,且主要以被吸附的形式存在于粘土礦物中。(5)Na2O的平面分布與其它元素也存在一定差異,既沒(méi)有表現(xiàn)出由珠江口向外升高,也不具備由外海向近海升高的趨勢(shì),在川島南側(cè)存在小片的高值區(qū),其它區(qū)域也零散分布有數(shù)個(gè)亞高值區(qū),珠江口內(nèi)及崖門口內(nèi)Na2O含量均不高,說(shuō)明徑流對(duì)Na2O的輸入貢獻(xiàn)并不大,但在部分近岸區(qū)域其含量較高,說(shuō)明Na2O來(lái)源應(yīng)受到海源及陸源的共同影響。(6)由平面分布圖可以看出,大多數(shù)常量元素的分布與沉積物粒徑具有一定的相關(guān)性,反映了在該區(qū)域“元素的粒度控制律”[10,12],而沉積物粒徑主要反映了水動(dòng)力強(qiáng)弱,說(shuō)明水動(dòng)力對(duì)該區(qū)域元素的遷移及富集具有十分重要的作用。

      表1 調(diào)查區(qū)域表層沉積物常量元素統(tǒng)計(jì)(%)Table 1 Compositions of major element in the surface sediments(%)

      圖3 常量元素平面分布特征Fig.3 The distribution of major element

      表2 常量元素相關(guān)性分析(樣品數(shù)n=742)Table 2 The relativity of major element

      2.3 沉積物元素相關(guān)性分析

      應(yīng)用SPSS軟件對(duì)調(diào)查區(qū)域內(nèi)表層沉積物平均粒徑及常量元素進(jìn)行相關(guān)性分析(表2),結(jié)果表明SiO2及CaO含量與中值粒徑(φ)負(fù)相關(guān),其它元素均為正相關(guān),說(shuō)明隨著粒度的變粗,SiO2及CaO的含量逐漸升高,而其它元素更趨向于存在細(xì)粒的沉積物中。其次,SiO2與所有元素均呈負(fù)相關(guān),由于SiO2在沉積物中占主導(dǎo),其含量的高低直接影響其它元素含量的變化。Al2O3、P2O5、K2O、TiO2、MnO、Fe2O3、MgO 相互之間均為正相關(guān),沉積物中的Ti在表生作用中比較穩(wěn)定,屬于惰性元素,因此可以作為陸源碎屑組分的指標(biāo)[13,14],Al2O3、P2O5、K2O 與 TiO2具有較好的相關(guān)性,說(shuō)明該海區(qū)這幾種元素更傾向于被陸源輸入物質(zhì)所控制。CaO與大多數(shù)元素為負(fù)相關(guān),且相關(guān)性均較低,反映了海源的鈣質(zhì)生物來(lái)源,Na2O與大多數(shù)元素相關(guān)性不明顯,反映了其來(lái)源的復(fù)雜性。

      2.4 沉積物元素地球化學(xué)分區(qū)及物源分析

      為了更好的反映該區(qū)域沉積物分區(qū)及物源狀況,采用快速聚類法對(duì)樣品進(jìn)行分類,共生成5類匯聚中心,由于第2類及第4類匯聚中心各自分別僅有2個(gè)站位,可以將其看作一種擾動(dòng),因此該區(qū)域沉積物主要可以分為3類(圖4)。同時(shí),在調(diào)查海域中選取5處代表性小區(qū)塊(圖4)A、B、C、D、E進(jìn)行分析,每一小區(qū)塊選取約5個(gè)站位常量元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,選取平均值代表所在區(qū)域的常量元素含量(表3)。通過(guò)對(duì)5處代表性小區(qū)塊常量元素含量作圖分析后發(fā)現(xiàn)(圖5),A、B兩處“親陸”元素含量及變化趨勢(shì)具有較好的一致性,說(shuō)明A區(qū)及B區(qū)陸源組分具有同源性;C區(qū)各元素?zé)o論在含量及變化趨勢(shì)上與其它區(qū)域元素均具有較大差異,說(shuō)明C區(qū)所在海域沉積物來(lái)源具有自身的特點(diǎn);D區(qū)及E區(qū)各元素含量及變化趨勢(shì)非常接近,尤其海源物質(zhì)CaO均大于其它區(qū)域,說(shuō)明D區(qū)及E區(qū)在成因上具有一定的相似性。

      圖4 聚類分析結(jié)果圖Fig.4 The result for cluster analysis

      表3 各區(qū)塊常量元素含量(%)Table 3 The content of major element for different place(%)

      圖5 所選區(qū)塊常量元素曲線對(duì)比圖Fig.5 The graph of major element for each select area

      綜合考慮各元素的平面分布特征及所選區(qū)域的對(duì)比分析,同時(shí)結(jié)合該區(qū)域海流分布狀況,將該區(qū)域沉積物分為3個(gè)區(qū)域,分別為珠江口及粵西區(qū)域(Ⅰ)、瓊州海峽東分布區(qū)(Ⅱ)及瓊東分布區(qū)(Ⅲ)(圖9),該區(qū)域春夏季懸浮體特征分布也顯示該海區(qū)大體存在3個(gè)不同懸浮體分布區(qū)[19]。各區(qū)特點(diǎn)大致為:

      Ⅰ區(qū)所占面積最廣,位于珠江口及粵西大部分區(qū)域。該區(qū)域沉積物來(lái)源及分布主要受珠江水系物源控制,河流入海后,由于流速減緩,其所攜帶的泥沙大量沉積,首先沉積的為底層的推移質(zhì)及躍移質(zhì),該部分物質(zhì)主要沉積在入海口及附近區(qū)域,沉積下來(lái)的主要為 SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、TiO2、MnO 等陸源物質(zhì),大量的懸移質(zhì)伴隨海流的運(yùn)動(dòng)被輸運(yùn)到較遠(yuǎn)的區(qū)域。由于受到該區(qū)域西向沿岸流的影響[20,21],珠江入海物質(zhì)主要向西部輸送,少部分向東及向南輸送。珠江入海后所攜帶的大部分泥沙沉積在伶仃洋至上川島東部,由于大量的躍移質(zhì)及懸移質(zhì)沉積于此,使得沉積物粗細(xì)混雜,該區(qū)域?yàn)橹榻牒D嗌车闹饕练e區(qū)域,該處TiO2及MnO存在明顯由近岸向遠(yuǎn)海減小的趨勢(shì),具有明顯的陸源沉積特征。沿岸流通過(guò)川島之后,由于在海陵島和漠陽(yáng)江口之間的外海有一股沿底部向岸涌升的陸架高鹽海水[20],咸淡水在此處交匯,由懸浮體分析可以發(fā)現(xiàn)該處底層懸浮體濃度及濁度值均較高[19],說(shuō)明海水中的膠體及細(xì)粒物質(zhì)在此處發(fā)生絮凝而大量沉積,細(xì)粒物質(zhì)的大量沉積導(dǎo)致了該區(qū)域Al2O3含量的升高。珠江口物質(zhì)經(jīng)過(guò)海陵島后繼續(xù)向西輸運(yùn),到達(dá)放雞島南部后部分轉(zhuǎn)為南向輸運(yùn),最終沉積在雷州半島及瓊州海峽東部,少量會(huì)繼續(xù)向南到達(dá)海南島東北部,由于該區(qū)域懸浮體濃度及濁度值均較低[19],說(shuō)明沉積物主要以膠體及溶解態(tài)搬運(yùn)至此,TiO2含量在該區(qū)域出現(xiàn)了一定的升高,主要由于細(xì)粒物質(zhì)的大量沉積所引起,TiO2空間分布及含量變化較好反應(yīng)了珠江口陸源物質(zhì)的沉積范圍及運(yùn)移路徑。

      Ⅱ區(qū)位于瓊州海峽內(nèi)及其東側(cè),向北可延伸至雷州半島東部,由于瓊州海峽為一沖刷性海槽[22,23],該區(qū)沉積物主要由海峽內(nèi)潮流沖刷所攜帶而來(lái),由于流速較大,該區(qū)沉積物粒度較粗,平均粒徑多在2.5φ以下,沉積物類型多為中粗砂。元素組成以SiO2為主,大部分區(qū)域達(dá)90%以上,由于SiO2的高含量,使得其它元素在該區(qū)域含量偏少。將該區(qū)域常量元素分布與海南島花崗巖對(duì)比分析(圖6)后發(fā)現(xiàn),除了SiO2外,其它常量元素含量均低于海南島花崗巖,且變化趨勢(shì)基本一致(CaO由于海洋生物作用的加入,其總量只是略微減少;MnO由于密度較大,不易被搬運(yùn)出海峽口,其含量變化也不大),說(shuō)明Ⅱ區(qū)沉積物主要來(lái)自于瓊州海峽兩側(cè)及槽底碎屑物質(zhì)。

      Ⅲ區(qū)位于海南島東北部,北端以狹長(zhǎng)帶延伸至瓊州海峽東口東南面,Ⅰ區(qū)在該區(qū)北部逐漸尖滅。Ⅲ區(qū)元素組合特征與其它兩個(gè)區(qū)域具有較大差異,最突出在于該區(qū)域CaO含量遠(yuǎn)高于其它區(qū)域,尤其近陸一側(cè)CaO含量較高,海南島東部近岸分布有大面積珊瑚礁,生物作用強(qiáng)烈,說(shuō)明該區(qū)域受海源生物作用明顯。將該區(qū)域常量元素含量與南海中部、中國(guó)大陸及太平洋區(qū)域常量元素對(duì)比分析后(圖7)發(fā)現(xiàn),該區(qū)域常量元素含量及分布與南海中部及中國(guó)大陸相似度較高,與大洋沉積物相似度低,說(shuō)明該區(qū)域沉積物仍主要來(lái)源于周邊陸源物質(zhì)的輸入。根據(jù)前人研究可知[24],該區(qū)域外海一側(cè)存在大量晚更新世冰期低海面時(shí)的殘留沉積物,說(shuō)明該區(qū)域沉積物以早期沉積為主,同時(shí)受后期海洋生物作用改造明顯。

      圖6 C處及海南島花崗巖常量元素曲線對(duì)比圖Fig.6 The graph of major element for C and the granite in Hainan island

      圖7 Ⅲ區(qū)與部分地區(qū)常量元素曲線對(duì)比圖Fig.7 The graph of major element forⅢarea and some place

      根據(jù)沉積物的物源分區(qū),結(jié)合該區(qū)域海流狀況(圖8)及前人研究[1,9],綜合分析得出沉積物輸運(yùn)路徑(圖9)。具體為:Ⅰ區(qū)沉積物在珠江口入海后,呈輻射狀向外海輸運(yùn),少部分向東輸運(yùn),部分向南,大部分在沿岸流的驅(qū)動(dòng)下向粵西輸運(yùn),輸運(yùn)路徑緊貼海岸帶,到達(dá)電白外海后轉(zhuǎn)向南輸運(yùn),該輸運(yùn)路徑較長(zhǎng),多種元素指示性一致;Ⅱ區(qū)沉積物主要由瓊州海峽內(nèi)向口外呈放射狀輸運(yùn),輸運(yùn)路徑較短;Ⅲ區(qū)沉積物輸運(yùn)路徑并不太明顯,由于該區(qū)域海洋自生作用較強(qiáng),且外海區(qū)域陸源物質(zhì)以早期沉積為主,故輸運(yùn)路徑并不顯著。

      圖8 調(diào)查海區(qū)夏季環(huán)流分布圖[21]Fig.8 The distribution of circumfluence in summer

      圖9 沉積物分區(qū)及輸運(yùn)路徑圖Fig.9 The subarea and the moving route of the sediment

      3 結(jié)論

      通過(guò)對(duì)珠江口至海南島東北海區(qū)表層沉積物樣品粒度和元素地球化學(xué)的測(cè)試分析,得到如下結(jié)論:

      (1)該區(qū)域沉積物粒度以粉砂及細(xì)砂為主,粗粒部分主要分布在珠江口南側(cè)及瓊州海峽周邊區(qū)域。

      (2)沉積物常量元素組合以 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、K2O、MgO及Na2O為主,這7種氧化物占沉積物總量的90%以上(平均值),其中SiO2及Al2O3平均含量較高,達(dá)75.49%。

      (3)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)Al2O3、P2O5、K2O與TiO2具有較好的相關(guān)性,受陸源物質(zhì)輸入的影響較大;CaO與大多數(shù)元素為負(fù)相關(guān),反映了海源的鈣質(zhì)生物來(lái)源;Na2O與大多數(shù)元素相關(guān)性不明顯,反映了其來(lái)源的復(fù)雜性。

      (4)依據(jù)常量元素平面分布特征,將調(diào)查區(qū)域沉積物劃分為3個(gè)不同的區(qū)域,分別為珠江口及粵西區(qū)域(Ⅰ)、瓊州海峽東分布區(qū)(Ⅱ)及瓊東分布區(qū)(Ⅲ),同時(shí)綜合分析得出了Ⅰ區(qū)及Ⅱ區(qū)沉積物運(yùn)移的路徑趨勢(shì)。

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