廣西潿洲島海灘珊瑚碎片顏色特征及其研究意義

王 丹，彭冰鈺，韋龍明，趙 陽，施 翌

( 桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541006 )

0 引言

潿洲島位于南海北部灣(圖1)，是中國地質(zhì)年齡最年輕的火山島，也是廣西最大的島嶼[1]。它是由火山噴發(fā)堆凝而成的島嶼，在海洋風(fēng)暴、地震以及引發(fā)的海嘯，加上長期潮汐與波浪的共同作用，形成了現(xiàn)今潿洲島海岸豐富多彩的海蝕、海積、海灘等獨特地貌景觀[2-3]。海灘上五顏六色的珊瑚碎片，極大吸引著游客的眼球。

前人對潿洲島的海岸地貌與海灘類型[2-4]、火山巖[5]、珊瑚礁及其生態(tài)環(huán)境[6-9]以及重金屬元素對珊瑚呈色的影響[5，10-12]均做了一定的研究，但對鈣質(zhì)海灘沉積特征很少涉及，特別是對珊瑚碎片顏色的次生變化研究未見報道。筆者曾對潿洲島鈣質(zhì)海灘沉積特征[13]及其與珊瑚礁發(fā)育的關(guān)系[14]以及珊瑚多色性分布規(guī)律[15]做了初步研究，成果參加第四屆全國青年地質(zhì)大會并做了學(xué)術(shù)報告①，榮獲大會優(yōu)秀論文獎。本文以2018年及2019年兩次采集的三個海灘(圖1)表層沉積物作為研究對象，在已有研究成果及野外觀察的基礎(chǔ)上，結(jié)合原位微區(qū)元素測試數(shù)據(jù)和模擬實驗結(jié)果，深入探討各色珊瑚碎片的次生變化原因及其研究意義，為北海潿洲島海灘粉紅色珊瑚碎片開發(fā)利用提供幫助。

1 沉積環(huán)境與珊瑚碎片空間分布規(guī)律

潿洲島的形狀近似圓形，由南到北地勢逐漸降低，從微微隆起的玄武巖高地過渡到平坦細膩的沙灘[3]，島嶼的南北兩邊由于不同的季風(fēng)和潮汐運動等影響而呈現(xiàn)出不同的地貌。下面從地質(zhì)地貌背景、水動力、沉積作用、掩埋情況等方面探討與總結(jié)珊瑚碎片的形狀和顏色的展布規(guī)律。

圖1 潿洲島地貌及采樣位置圖

1.1 地質(zhì)地貌背景與珊瑚碎片分布特征

潿洲島的南半部主要是海蝕地貌，海浪不斷拍打侵蝕著多孔隙的火山沉積巖懸崖峭壁，形成海蝕洞穴、海蝕山崖等，由于淺水區(qū)風(fēng)大浪急，枝狀珊瑚生活在較深的水域；潿洲島的北半部則主要是海積地貌，地形平緩，松散鈣質(zhì)沉積物經(jīng)過海浪的反復(fù)淘洗，形成了細膩沙灘、沙堤等景觀。

潿洲島西南部的石螺口和滴水丹屏兩處海灘的珊瑚碎片均呈碎枝狀(圖2a)，螺殼和貝殼個體較小且稀少(圖2b)；而潿洲島東北部貝殼海灘的珊瑚雖然也以碎枝狀為主，但塊體也較多(圖2c)，由于更靠近大陸，受陸源碎屑混入物影響較大，故此廣生底棲的螺殼和貝殼較多，個體也厚大(圖2d)。

圖2 潿洲島南北部沉積特征對比圖Fig.2 Sedimentary contrast map of the south and north of Weizhou Island(a，b)潿洲島南部石螺口海灘 (c，d)潿洲島北部貝殼沙灘海灘

1.2 沉積環(huán)境作用與珊瑚碎片分布特征

鈣質(zhì)珊瑚碎片海灘(代表海灘為石螺口海灘)明顯存在灰色帶和粉色帶共存現(xiàn)象(圖2)，兩帶間分界明顯，且粉色帶更靠海，寬度大于灰色珊瑚帶。仔細觀察發(fā)現(xiàn)，灰色帶是漲潮海浪在高潮線上的沉積產(chǎn)物，灰色帶的珊瑚碎片比較粗大且很濕，從而顯得“新鮮”，甚至個別還附著有海藻。而粉色帶的珊瑚碎片沉積物比較細小，磨圓度更好，說明暴露時間長，經(jīng)過海浪反復(fù)沖刷，氧化作用充分，造成鐵元素氧化富集而呈粉紅色。

1.3 掩埋暴露條件與珊瑚碎片分布特征

潮上帶大部分時間處于暴露環(huán)境，蒸發(fā)作用強，受風(fēng)吹日曬雨淋影響嚴重，其近海一側(cè)常常發(fā)育珊瑚礫石堤，珊瑚碎片的代表性顏色為粉色；潮間帶時而被海水淹沒時而暴露狀態(tài)，溫差變化最大，砂礫混雜沉積，附著有藻類的珊瑚碎片在潮間帶反復(fù)搬運或掩埋，藻類會被部分磨損造成雜色，珊瑚碎片的特征性顏色為雜色(圖3)；潮下帶一直處于海平面之下，波浪作用頻繁，氧氣充足，底棲生物發(fā)育，細砂沉積物為主，珊瑚碎片的代表性顏色為白色。

圖3 潿洲島海灘雜色珊瑚碎片F(xiàn)ig.3 Variegated coral fragments on the beach of Weizhou Island

2 珊瑚碎片顏色變化模擬實驗

珊瑚碎片(鈣質(zhì)砂)的形成受多種外部因素的影響，如當(dāng)?shù)氐纳锓N群數(shù)量與類別、沉積過程中海水的化學(xué)風(fēng)化作用、溫度的影響、地質(zhì)條件的變化等[16]。一般情況下，珊瑚被沖到岸邊的過程中，有可能被藻類附著、被沙灘掩埋和完全暴露等三種賦存狀態(tài)，它們會經(jīng)歷不同的風(fēng)吹、日曬、雨淋等環(huán)境變化。通過氧化-還原和磨蝕等模擬實驗，可以間接探討成巖環(huán)境對珊瑚碎片顏色次生變化的影響。

2.1 珊瑚碎片氧化實驗

實驗樣品采自滴水丹屏海灘，包括綠色、深灰色、淺灰褐色、粉白色、白色、土黃色、紫紅色7種顏色的珊瑚碎片(圖4)，模擬陰天、春秋晴天、炎熱夏天三種情況進行對比實驗。實驗階段由于正處春天，桂林陰雨連綿，臨時選用燈光照射及微波烘烤實驗替代春秋晴天和炎熱夏天條件。

實驗結(jié)果(圖4)顯示，總體上實驗前(圖4a，樣品采集后的第3天)、實驗后(圖4b)及在室內(nèi)放置近5個月后(圖4c)的對比均顯示各種珊瑚顏色都略有變淺現(xiàn)象。燈光照射組(B組)變化最為明顯，特別是綠色、深灰色和淺灰褐色3種珊瑚的顏色變化最為突出，發(fā)生明顯的褪色，其他珊瑚的顏色變化不明顯，顯然深色系列容易發(fā)生變化；微波烘烤(A組)和陰干(C組)條件下對各種珊瑚的顏色改變總體上沒有燈照組那么明顯。

通過對不同顏色的珊瑚進行氧化還原實驗(陰干、烘烤、燈照實驗對比)，可以發(fā)現(xiàn)呈綠色和深灰色的珊瑚在暴露狀態(tài)下經(jīng)過氧化作用，特別是有長時間的光照作用時，顏色明顯變淺幾近白色；呈粉紅色和紫色的珊瑚雖也有變淺趨勢，但變化程度不太明顯。在自然界，陽光的紫外線和光強等可以被海水過濾或者減弱，長期受到光照作用、暴露的珊瑚碎片失去海水的保護，其自身性質(zhì)遭受破壞致使珊瑚碎片顏色褪色。

2.2 珊瑚碎片弱還原實驗

通過將2.1氧化實驗的燈光照射組樣品部分埋藏在沙子里(圖5)，5個時期實驗前后的暴露面(Ⅰ)與掩埋面(Ⅱ)的顏色變化對比實驗顯示，暴露面經(jīng)過多次燈光照射及暴露于空氣中，氧化作用明顯強于掩埋面，所以顏色更容易褪色，特別是綠色珊瑚枝的褪色現(xiàn)象更加顯著。

野外觀察可知，潿洲島濱海區(qū)藻類大量發(fā)育(圖6a)。取1塊新鮮附著有藻類的塊狀珊瑚，室內(nèi)靜止放置4個不同時期后分別拍照對比顯示，隨著時間的推移，藻類干枯并逐步消失，綠色明顯發(fā)生褪色，由于底面遮光，代表弱氧化或弱還原環(huán)境，與暴露于空氣中處于氧化環(huán)境的頂部相比，底面的褪色程度沒那么明顯，即便2年過去，綠色仍有保存。

圖6 珊瑚塊體不同時期頂面(Ⅰ)與底面(Ⅱ)的顏色變化對比圖Fig.6 Comparison of color change of top (Ⅰ) and bottom (Ⅱ) of coral block in different periods

2.3 珊瑚碎片還原模擬實驗

將用于實驗的綠色珊瑚部分碎片放入密封盒，四周充填潮濕的海灘砂(24日上午取自潿洲島石螺口岬角附近巖灘旁)壓實，并確保密封留存(圖7A)，最初每天打開蓋子一分鐘透氣，并滴入2～3滴水，保存濕潤(圖7B)。放置一段時間后打開拍照，五個時期的實驗前后對比，在封閉狀態(tài)下，隨著時間的推移，珊瑚枝體由褐綠色逐步變成深褐綠色→深灰綠色→灰綠色→淺綠色，表明發(fā)生了還原作用，有機質(zhì)慢慢被分解，但由于處于還原狀態(tài)，基本10個月之后，綠色素也沒有完全消失。

2.4 珊瑚碎片磨蝕模擬實驗

將用于實驗的珊瑚碎片、貝殼硬體(圖8)分別置于型號為CA6140的普通車床中進行旋轉(zhuǎn)磨蝕實驗。第一次設(shè)置轉(zhuǎn)速及時間為150轉(zhuǎn)/150 s，第二次轉(zhuǎn)速及時間為200轉(zhuǎn)/150 s，兩者混合后再次進行轉(zhuǎn)速及時間為200轉(zhuǎn)/150 s的實驗，每次實驗結(jié)束后進行稱重并計算出磨蝕度。實驗結(jié)果(表1)發(fā)現(xiàn)，珊瑚碎片樣在肉眼上未看到明顯變化，而貝殼硬體邊緣出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，兩類樣品均有粉末出現(xiàn)；第2次磨蝕實驗后，發(fā)現(xiàn)長柱狀的珊瑚碎片發(fā)生斷裂，貝殼硬體邊緣破碎加劇，均再次有大量粉末出現(xiàn)。而組合樣的再次磨蝕實驗，均未看見破碎，磨蝕度明顯低于前兩次的單獨磨蝕實驗。

通過對珊瑚碎片、貝殼硬體及兩者混合體分別多次進行磨蝕實驗，得知在遭受外界剝蝕時，貝殼硬體相較而言更易破碎，破碎最嚴重部位為邊緣部分；大的長柱珊瑚相比小的珊瑚碎礫更易斷裂，更易磨蝕出粉末。兩者第2次磨蝕度均小于第1次，再次混合作用后磨蝕度更低，證明珊瑚碎片碎枝隨著多次反復(fù)剝蝕后，剩余的生物碎片，與顆粒中其他碳酸鹽類沉積物相比，一般強度較高，在沉積搬運過程中不易破壞[17]。

圖7 綠色珊瑚還原實驗條件及四個時期顏色變化對比Fig.7 Experimental condition of green coral reduction and comparison of color change in four periods

圖8 生物硬體樣品Fig.8 Biological hardware samplesS—珊瑚樣 B—貝殼樣 SB—混合樣

表1 生物硬體磨蝕實驗結(jié)果Table 1 Test result of biological hardware abrasion

綜上，在表生地質(zhì)作用過程中，變化較大的綠色、深灰色、斑雜色為珊瑚的次生色。藻類在淺水區(qū)生長，并常常附著在珊瑚碎片的表面。粗大珊瑚枝條或塊體經(jīng)過海浪的反復(fù)沖刷，覆蓋在表面的藻類及表層的雜色自然被磨蝕掉，珊瑚枝條被不斷磨蝕變小，慢慢變成礫石→細砂，再經(jīng)過長期氧化作用而呈現(xiàn)粉紅色。

3 不同顏色的珊瑚碎片成分測試

有學(xué)者提出，在不同的珊瑚種間，除Cu含量存在顯著差異外，其余Zn、Pb、Cd、Cr 四種重金屬元素沒有明顯的種間差異性[10]，這說明區(qū)域環(huán)境條件是影響珊瑚骨骼中重金屬含量的重要因素。本文選取紫紅色、粉紅色、白色、灰色、深灰色以及灰白不均勻分布的斑雜色共6種代表性顏色的珊瑚碎片樣進行電子探針和激光原位微區(qū)主微量元素測試，并將測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理(表2至表4)。

數(shù)據(jù)處理結(jié)果作各類元素含量分布柱狀圖(圖9)，由圖9對比可知，潿洲島海灘紫紅色(淺紫色)珊瑚碎片的MgO和C含量最高，SO3含量也很高，Al含量較高，其他元素總和卻是最少；粉紅色珊瑚的MnO含量最高，Cr2O3含量很高，Sr和Si含量也較高，Na、Mg、Al、S、Fe含量最少；白色珊瑚的Ca是含量最多，SO3含量很高，MnO和MgO的含量也較高，其他元素含量總和較少；灰色珊瑚的FeO含量異常高，SO3和Ti含量也很高，Al、K、Ni含量較高；深灰色珊瑚的SO3含量也較高，而且除了Ca和C以外，其他成分含量均最低。

表2 珊瑚樣品電子探針化合物分析結(jié)果Table 2 List of main element analysis data of coral samples by EPMA

的量單位為wB%；“—”表示低于檢出限。

表3 珊瑚樣品電子探針元素分析結(jié)果Table 3 List of trace element analysis data of coral samples by EPMA

表4 珊瑚樣品激光微區(qū)分析結(jié)果Table 4 List of laser microanalysis data of coral samples

圖9 不同顏色珊瑚樣品電子探針分析各類元素含量分布柱狀圖Fig.9 Distribution histogram of various elements of different color coral samples by EPMA

相對而言，滴水丹屏(DH)珊瑚樣品的Al、Ti、Cr、Co、Cu、Zn、Ba、Fe、Bi、U等元素整體明顯高于潿洲島貝殼沙灘北岸(BB)的樣品。潿洲島中Pb含量比南海北部其他珊瑚礁區(qū)的高出4.5～13.78倍[11]；與南海北部其他珊瑚礁區(qū)域珊瑚骨骼重金屬含量相比較，潿洲島珊瑚的Cu、Pb、Cd、Cr的含量相對較低，但Zn的含量相對較高[17]。這些元素異常與潿洲島火山巖中微量元素吻合[5]，證明潿洲島火山巖這些元素富集的存在，對海灘珊瑚碎片的致色存在一定的影響。

4 討論與結(jié)語

4.1 珊瑚呈色機制

海岸及海底基巖類型不同，會影響珊瑚體的致色元素富集。測試數(shù)據(jù)顯示，潿洲島海灘紫紅色珊瑚碎片和粉紅色珊瑚碎片的SO3、MnO和Cr2O3含量較高，Er含量也相對較多。研究表明，SO3為強氧化性物質(zhì)，加之氧化劑Er的助力，使珊瑚呈紅色、紫色，Mn、Cr、Fe2+、Ti4+等微量元素對珊瑚呈紫色也具有一定的影響[12]。粉色、紫色珊瑚碎片中的Cr、Ni、Er元素在潿洲島火山巖中也大量存在[5]，潿洲島火山巖的廣泛分布，火山巖中的致色元素會隨著珊瑚的生長進入珊瑚骨骼中聚集。上述所有證據(jù)均表明海灘周圍的火山巖致色元素對珊瑚呈色具有控制作用。

沉積過程中的地質(zhì)背景、風(fēng)化作用、溫度變化、水動力條件等外部因素，都會影響珊瑚碎片的磨蝕程度及顏色的次生變化。珊瑚礁的珊瑚體遭受大風(fēng)浪破壞后，被直接被帶到岸邊，此類珊瑚碎片通常呈白色；若在淺水區(qū)短暫逗留，如果珊瑚碎片表面及空隙中被藻類完全附著生長而呈現(xiàn)均勻綠色，被藻類不完全覆蓋者呈斑雜色。珊瑚枝被帶到岸邊，如果完全暴露，雜色表層逐漸被海水沖刷磨蝕掉，同時在氧化作用下，藻類(有機質(zhì))很容易分解而發(fā)生褪色；如果迅速被掩埋而處于還原條件下保存，藻類會轉(zhuǎn)化為有機碳，使得綠色又轉(zhuǎn)化為褐色或深灰色。深灰色珊瑚枝條的橫截面外圈為深色，內(nèi)部則是白色，也說明深灰色是次生色，白色是原生色；不均勻暴露，呈雜色，如果半掩埋狀態(tài)，則掩埋部分呈深灰色，暴露面呈淺灰色。各色珊瑚如果完全暴露，在長期氧化-磨蝕的作用下，珊瑚碎片顏色逐步逐漸變淺，碎枝或碎塊不斷磨蝕變小，最終以磨圓度好的粉紅色珊瑚礫石的形式存在。

粗大的綠色或深灰色珊瑚枝條的橫截面外部稀松多孔，磨蝕作用更加容易發(fā)生，而粉紅色或紫紅色的珊瑚碎片大多已經(jīng)遭受過一定程度的磨蝕作用，這些珊瑚碎片相對比較細小，而且結(jié)構(gòu)比較致密，磨蝕作用難度相對加大，所以第一輪的磨蝕率高于第二輪。不同程度的風(fēng)化-磨蝕實驗下，粉紅色珊瑚的顏色變化和破損程度均最低，碎片的保存完整度受后期環(huán)境影響較小。深灰色珊瑚碎片除了Ca和C以外，其他成分含量均最低，是否說明雜質(zhì)(重金屬)主要“富集”于珊瑚體的內(nèi)部？珊瑚硬體外部與內(nèi)部的成分是否存在差異這有待今后深入研究。

珊瑚生長期間有致色元素進入珊瑚骨骼而呈現(xiàn)的顏色，屬于原生色；珊瑚體破碎后被搬運遷移，隨環(huán)境的改變，珊瑚發(fā)生變化的顏色稱為次生色。如上所述，海灘珊瑚碎片(鈣質(zhì)砂)的沉積-成巖作用受多種外部因素的影響，如沉積過程中海水的化學(xué)風(fēng)化作用，風(fēng)力、水力、人力等風(fēng)化-磨蝕作用、溫度的影響、地質(zhì)條件的變化等，也可以通過模擬實驗開展輔助研究，筆者雖然完成了初步實驗，但缺少珊瑚碎片顏色變化前后的成分測試對比研究，也就無法回答致色離子的遷移機制，想要構(gòu)建海灘珊瑚碎片顏色演變系列模型，仍有待進一步深入研究。

潿洲島海灘上的粉紅色珊瑚被當(dāng)?shù)乩相l(xiāng)稱為“紅珊瑚”，雖然次生的粉紅色珊瑚遠遠沒有達到寶石級別紅珊瑚的價值，兩者成因與成分均不一樣。但磨圓度好的粉紅色珊瑚礫石具有一定的觀賞價值。粉紅色珊瑚砂礫在潿洲島海灘上廣泛分布，如果僅僅被作為燒石灰的原材料未免“大材小用”，可以作為工藝品的原材料，把顏色艷麗的珊瑚卵石打造成飾品投入市場，以較低的成本實現(xiàn)價值擴大化。通過對潿洲島海灘珊瑚碎片次生色演變研究，解釋艷麗的粉紅色珊瑚呈現(xiàn)條件，為旅游勝地潿洲島多樣的旅游經(jīng)濟增加效益提供理論依據(jù)。

4.2 幾點結(jié)論

綜上，可以得出以下幾點結(jié)論：

1)潮上帶暴露，珊瑚砂礫多為粉色；潮間帶間隙暴露，雜色珊瑚碎片常常出現(xiàn)；潮下帶海水覆沒，如果有藻類附著，珊瑚碎片呈綠色，否則為白色或淺灰白色。

2)潿洲島海灘的珊瑚碎片，綠色、褐色、深灰色、斑雜色為表面次生色，而且都屬于短暫存在的顏色；紫色、肉紅色、白色、淺灰白色等珊瑚為原生色，是珊瑚生長期吸入不同致色離子所致差異；而珊瑚砂礫的粉紅色主要屬于長期氧化作用造成的次生色，也有部分致色元素形成的自生色。

3)潿洲島廣布的火山巖及其致色元素為珊瑚碎片氧化成粉紅色奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

4)磨圓度好的粉紅色珊瑚卵石可以作為工藝品的原材料加以適度開發(fā)利用。

致謝：本研究工作歷時兩年，受五項大學(xué)生創(chuàng)新計劃訓(xùn)練項目資助，感謝項目組全體成員的共同努力，野外工作得到田晗鈺的協(xié)助。測驗分析與磨蝕實驗工作得益于桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院和機械與控制工程學(xué)院提供的實驗場地及實驗儀器以及相關(guān)老師給予的技術(shù)支持與幫助，評審專家提出了有益的修改意見。在此一并表示衷心感謝。

注釋：

① 王丹. 潿洲島海灘生物硬體顏色演變系列研究[R]. 合肥：第四屆全國青年地質(zhì)大會學(xué)術(shù)報告，2019.