遼東灣周邊河流沉積物碎屑礦物組成及其物源意義①

王利波 李 軍 趙京濤 翟 濱

(1.國土資源部海洋油氣資源與環境地質重點實驗室 山東青島 266071;2.青島海洋地質研究所 山東青島 266071)

“從源到匯”(Source to Sink)是“大陸邊緣計劃”(MARGINS program)的核心科學研究領域之一［1］。陸源入海沉積物的物質來源識別是“從源到匯”過程的重要環節，而河流入海沉積物物源端元的建立則是這一環節的關鍵問題。我國東部陸架海沉積物的物質來源近十幾年來一直是海洋地質研究的熱點和爭論的焦點。長江和黃河兩條世界性大河以每年4.8×108t和11×108t的巨量泥沙流入東部陸架海［2，3］，引起了國內外學者的廣泛關注，為建立其物源判別指標和方法做了大量工作［4～12］。然而，中小河流對河流入海泥沙量的貢獻也十分重要［3，13］，雖然以前低估了它們的作用，但近幾年來逐漸得到重視，我國中小河流物源示蹤研究也越來越多地見于報道［14～16］。

遼東灣位于渤海北部，是一個西、北、東三面被遼寧省包圍，僅南面與渤海相通的半封閉海灣。周邊主要有灤河、六股河、小凌河、大凌河、雙臺子河、大遼河、復州河等中小型河流注入(圖1)，其中雙臺子河和大遼河在1958年臺安縣六間房遼河堵截以前是遼河下游的兩個入海河道，1958年堵截以后雙臺子河和大遼河分別成為獨立的水系。雖然遼東灣的南部的黃河每年向渤海注入10×108t級的巨量泥沙［2，3］，但絕大部分都沉積于河口地區［17］，其余主要向南、東南方向搬運［18，19］，黃河入海泥沙對遼東灣的影響不大［20～22］，并且這些中小河流也輸運大量泥沙入海(表1)，因此它們對遼東灣海域陸源沉積物有很大的影響。建立這些中小河流物源識別指標，對于認識它們搬運入海沉積物的擴散以及判別遼東灣沉積物的來源有重要意義。

特征碎屑礦物組合因其物源繼承性以及在表生環境中的穩定性，被廣泛應用于沉積物的物質來源研究［5，16，20，24～34］。前人曾研究過其中的灤河、六股河和遼河沉積物碎屑礦物特征［12，20，21］，能較好地區分三條河流。但總體而言，系統研究遼東灣周邊河流沉積物碎屑礦物特征的報道少見。本文擬在前人研究基礎之上，鑒定遼東灣周邊七條中小型河流沉積物的碎屑礦物，分析輕、重礦物組成及其控制因素，探討入海沉積物中碎屑礦物的差異，為進一步研究遼東灣沉積物的物質來源和擴散模式提供支持。

1 樣品和方法

圖1 遼東灣周邊河流及取樣站位圖Fig.1 Sketch map of rivers around Liaodong Bay and sampling sites

表1 遼東灣入海河流水文特征Table 1 Hydrological characteristics of rivers around Liaodong Bay

本文所用的樣品于2011年春末取自遼東灣周邊的灤河(5個)、六股河(3個)、小凌河(3個)、大凌河(3個)、雙臺子河(3個)、大遼河(3個)、復州河(2個)七條河流下游臨近入?？谔?圖1)，共22個樣品。取樣時上述河流處于枯水季向洪水季過渡時期，流量不大，樣品均取自緊靠水流的河漫灘上層粒度較細的沉積物，同一河流不同樣品的取樣位置沿水流方向間隔幾十到幾百米不等。總體而言，雙臺子河、大遼河等流域范圍較大的河流樣品粒度較細，六股河、復州河等流域范圍較小的河流樣品粒度較粗。碎屑礦物分析流程如下:取沉積物原樣200～300 g，用0.125 mm和0.063 mm的雙層套篩篩選(個別有機質含量高的樣品，加H2O2浸泡6 h)，水篩分離出的樣品(0.063～0.125 mm)經烘干后用縮分法取3～4 g在三溴甲烷重液(CHBr3，比重2.89)中分離，得輕、重礦物兩部分，再分別稱重，計算輕、重礦物的質量百分數。輕礦物在體式顯微鏡下完成鑒定和統計;重礦物用體式顯微鏡和偏光顯微鏡油浸法，輔以微化試驗進行鑒定和統計。輕、重礦物統計方法相同，首先計數300～500顆待鑒定礦物，然后對鑒定出的每種礦物進行計數，最后求得不同礦物的顆粒百分含量。

2 結果

2.1 輕礦物組成及差異

遼東灣周邊河流沉積物的輕礦物組成如表2所示。六股河輕礦物質量百分含量最低，僅70%，雙臺子河和大遼河最高，達99%以上。輕礦物種類主要包括石英、斜長石、鉀長石、風化云母、綠泥石、白云母和碳酸鹽礦物等。灤河、大凌河、雙臺子河和大遼河沉積物中石英顆粒百分含量較高、斜長石和鉀長石含量較低。六股河和復州河的石英和斜長石含量中等、鉀長石含量較高。小凌河石英含量較低、斜長石含量較高、鉀長石含量中等。七條河流中，風化云母的含量大遼河最高，大凌河最低，其余河流差別不大;綠泥石的含量小凌河最高，雙臺子河最低，其余河流差別不大。白云母在灤河和復州河沉積物中未發現，六股河、小凌河和大凌河中只有在個別沉積物樣品偶見1顆，平均含量都小于0.3%，在雙臺子河和大遼河沉積物中較常見。碳酸鹽礦物僅在六股河、小凌河、大凌河和雙臺子河的個別沉積物樣品中偶見1顆，平均

含量均不足 0.3%。與前人發表數據相比［12，20，21］，本文石英含量偏高、長石含量偏低，這可能由于取樣位置不同或礦物鑒定所選的粒級范圍不同等因素造成的。

表2 遼東灣周邊河流沉積物的輕礦物平均含量(%)Table 2 Average contents of light minerals in river sediments around Liaodong Bay

表3 遼東灣周邊河流沉積物的重礦物平均含量(%)Table 3 Average contents of heavy minerals in river sediments around Liaodong Bay

2.2 重礦物組成及差異

遼東灣周邊河流沉積物的重礦物組成如表3所示，與前人發表數據［12，20，21］相近(表3)。這些河流的重礦物質量百分含量以六股河最高，達30%，雙臺子河和大遼河含量最低，不足1%。除巖屑和風化碎屑外，在這七條河流沉積物中共發現33種重礦物。其中普通角閃石、磁鐵礦和綠簾石在這些河流中普遍存在，且在部分河流中含量相對較高;鈦鐵礦、褐鐵礦、赤鐵礦、石榴子石、普通輝石、榍石、陽起石、磷灰石、黑云母也在這些河流中均有發現，但含量中等到相對較低。其余重礦物僅在部分河流中偶見，含量很低。

將各條河流沉積物中重礦物含量由高到低排序后累加，統計累加之和達80%的前幾種主要重礦物，灤河為普通角閃石+綠簾石+磁鐵礦+鈦鐵礦+石榴子石+褐鐵礦，六股河為磁鐵礦+普通角閃石+赤鐵礦+綠簾石+鈦鐵礦，小凌河為磁鐵礦+普通輝石+普通角閃石+鈦鐵礦+褐鐵礦+綠簾石+赤鐵礦，大凌河為磁鐵礦+普通角閃石+綠簾石+鈦鐵礦+石榴子石+赤鐵礦，雙臺子河為普通角閃石+綠簾石+石榴子石+榍石+鈦鐵礦，大遼河為普通角閃石+綠簾石+赤鐵礦+陽起石+磁鐵礦+褐鐵礦，復州河為普通角閃石+褐鐵礦+石榴子石。

利用SPSS數據統計分析軟件，以重礦物顆粒百分含量為變量，對22個河流沉積物樣品做聚類分析(圖2)。聚類結果顯示，遼東灣周邊河流分為兩組，大遼河、復州河和雙臺子河三條遼東灣東側的河流為一組，六股河、大凌河和小凌河三條遼東灣西側的河流為一組，灤河樣品在這兩組中均有出現。

圖2 遼東灣周邊河流沉積物聚類樹譜圖Fig 2 Dendrogram of sediments from rivers around Liaodong Bay

普通角閃石和金屬礦物(磁鐵礦+鈦鐵礦+褐鐵礦+赤鐵礦)含量之和，除雙臺子河僅43%外，其余河流都高達60%以上，是這些河流沉積物中的主要重礦物，并且含量特征有明顯的差別(圖3)。遼東灣西部的六股河、小凌河和大凌河以低普通角閃石、高金屬礦物含量為特征，遼東灣東部的雙臺子河、大遼河和復州河以高普通角閃石、低金屬礦物含量為特征，灤河普通角閃石和金屬含量居中。其中，六股河和復州河的上述含量特征差別最明顯。除主要重礦物的差別外，中、低含量的重礦物組分在這七條河流沉積物中也有明顯差異。黑云母在雙臺子河、大遼河和復州河沉積物中的含量明顯高于灤河、六股河、小凌河和大凌河。對于灣西的六股河、小凌河和大凌河沉積物，磁鐵礦、石榴子石和普通輝石的含量差別較大，六股河磁鐵礦含量明顯高于其它河流、石榴子石含量明顯低于其它河流，小凌河普通輝石含量明顯高于其它河流，大凌河石榴子石含量明顯高于其它兩條河流。對于灣東的雙臺子河、大遼河和復州河沉積物，雙臺子河以高綠簾石、榍石和透閃石含量為特征，大遼河以高陽起石和黑云母、低石榴子石含量為特征，復州河以高普通角閃石含量為特征。

2.3 遼東灣周邊河流與黃河的差異

本文七條河流與黃河共同注入渤海，認識它們與黃河碎屑礦物的差異，對于渤海沉積物的物源判別十分重要。片狀礦物(白云母+黑云母+綠泥石)和碳酸鹽礦物(白云石+方解石)的含量在本文河流與黃河沉積物之間的差別很大，黃河沉積物中碳酸鹽礦物和片狀礦物含量很高［12，28，35］，而本文河流都很低。因此碳酸鹽礦物和片狀礦物含量可作為判別黃河和本文河流的指標。

圖3 遼東灣東、西兩側河流沉積物普通角閃石和金屬礦物含量散點圖Fig.3 Scatter plot of hornblende vs.metal minerals of river sediments from the eastern and western side of Liaodong Bay

3 討論

3.1 流域內基巖類型對碎屑礦物組成的影響

通過上文的比較，遼東灣西側入海的六股河、小凌河、大凌河與遼東灣東側入海的雙臺子河、大遼河、復州河下游河漫灘沉積物中碎屑礦物組分差別較大。其原因是這些河流位于被郯廬斷裂分割的兩個不同構造單元之上，灣西部的三條河流主要位于華北塊體，灣東部的三條河流主要位于膠遼朝塊體，兩個構造單元巖性差別較大［36］。

六股河發源于建昌縣谷杖子鄉，于綏中縣大漁場注入渤海。流域內主要出露太古期片麻狀花崗巖，早燕山期二長花崗巖［37］。太古代強烈的變質作用導致磁鐵礦、赤鐵礦、磷灰石、榍石、鋯石等副礦物的產出，這可能是該河流下游沉積物中上述礦物，尤其是金屬礦物含量高的原因。二長花崗巖的風化剝蝕提供了大量斜長石和鉀長石，使得下游沉積物中長石含量較高。

小凌河發源于建昌縣東北境樓子山東麓，在錦州市南凌村東南注入渤海。流域內主要出露白堊系安山巖，侏羅系安山巖，太古期片麻狀花崗巖，早燕山期二長花崗巖等［37］。輝石和斜長石是安山巖的常見礦物組分，廣泛分布的安山巖經風化剝蝕，為該河流供給了大量輝石，使得該河流下游沉積物中輝石的含量明顯高于其它河流，同時也提供了大量斜長石，使得沉積物中斜長石的含量明顯偏高。與六股河類似，該河流高含量的金屬礦物可能主要來源于下游太古期片麻狀花崗巖強烈變質作用產生的副礦物。

大凌河有兩源，北源出自凌源縣打鹿溝，南源出自建昌縣黑山，在錦州東南注入渤海。流域內主要出露第四紀松散沉積物，太古代變粒巖夾磁鐵石英巖、片麻狀花崗巖，白堊系安山巖、砂巖，侏羅系砂巖等［37］。該河流較高含量的磁鐵礦主要來源流域內的太古界磁鐵石英巖及強烈變質作用產生的副礦物。中、上游地區廣泛出露的砂巖可能是導致該河流沉積物中石英含量較高的主要原因。

遼河是我國東北地區南部最大的河流，發源于河北省平泉縣，于遼寧省昌圖縣福德店匯流后為遼河干流，納招蘇臺河、清河、柴河、泛河、柳河等支流，在臺安縣六間房分流兩股，一股西流，稱雙臺子河，納繞陽河后，于盤錦市盤山縣注入渤海，另一股南流，納渾河、太子河后經營口注入渤海，稱大遼河。1958年，在六間房附近進行了堵截，使遼河由雙臺子河入海，渾河、太子河由大遼河入海。因此，雙臺子河沉積物碎屑礦物組分主要反映了遼河流域的基巖性質，大遼河碎屑礦物主要反映了渾河、太子河流域的基巖特征。兩條河流中、下游流域范圍內大部分地區被第四紀松散沉積物所覆蓋，上游支流地區有基巖出露。遼河上游支流分布面積不大的太古和元古期片麻狀花崗巖，燕山期二長花崗巖，太古界片麻巖、斜長角閃巖，中、上元古界碎屑巖、碳酸鹽巖，白堊系砂巖［37］。雙臺子河沉積物中較高含量的普通角閃石可能來源于斜長角閃巖的風化剝蝕。雖然遼河上游基巖具備產出磁鐵礦等金屬礦物的地質條件，但由于此類礦物密度較大，可能難以長距離搬運到下游河口地區，因此雙臺河沉積物中磁鐵礦含量很低。渾河和太子河流域主要出露太古期片麻狀花崗巖，太古界斜長角閃巖、黑云變粒巖，元古界二云片巖等［37］。斜長角閃巖為下游沉積物提供大量角閃石，使得大遼河普通角閃石含量較高。低磁鐵礦等金屬礦物的原因與上太子河相同，可能因為它們難以長距離搬運到下游河口地區。含云母變質巖的出露使得大遼河白云母和黑云母的含量都明顯高于其它河流。

復州河發源于普蘭店市同益鄉老帽山南麓，于瓦房店市三臺子鄉西藍旗的老羊頭注入渤海。流域內主要出露上元古界青白口系和震旦系的長石砂巖和石英砂巖，太古界鞍山群低角閃巖相變質巖，印支期石英閃長巖和二長花崗巖等火成巖［37］。上游的角閃質變質巖和石英閃長巖可能是該河流下游沉積物中高含量普通角閃石的主要提供者，中、下游的長石砂巖和石英砂巖可能是該河流石英和長石含量均中等偏高的主要原因。

3.2 沉積物粒度與碎屑礦物組成的關系

本文0.063～0.125 mm粒級的碎屑礦物，尤其是輕、重礦物質量百分含量，與沉積物粒度有良好的相關性(圖4)，表現為沉積物平均粒徑越粗，重礦物質量百分含量越高。輕礦物質量百分含量與重礦物的上述特征則相反。重礦物組分顆粒百分含量與沉積物平均粒徑的相關性分析(表4)可以看出，與平均粒徑(φ值)呈正相關的礦物多為密度較小的礦物或難以沉降的片狀礦物，如透閃石、陽起石、綠簾石、黝簾石和黑云母等，表現為沉積物平均粒徑越細，密度較小或難以沉降的礦物含量高;與平均粒徑(φ值)呈負相關的礦物多為密度較大的礦物，如鋯石、鈦鐵礦、磁鐵礦等，表現為平均粒徑越粗，密度較大的礦物含量高。

圖4 遼東灣周邊河流沉積物重礦物質量百分含量與平均粒徑散點圖Fig.4 Scatter plot of heavy mineral content vs.mean grain size of river sediment around Liaodong Bay

總體而言，沉積物粒度與碎屑礦物的關系大致體現了河流動力分選作用對碎屑礦物組合的影響。雙臺子河和大遼河等流域范圍較大的河流，下游沉積物砂含量偏低、粒度偏細，重礦物重量百分含量或密度較大的碎屑礦物組分含量較低。六股河、復州河和小凌河等流域范圍較小的河流，下游沉積物中砂含量偏高、粒度偏粗，重礦物重量百分含量或密度較大的碎屑礦物組分含量較高。這是因為流域范圍較大的河流沉積物搬運距離長，密度大的碎屑礦物易于沿途沉積而導致搬運到下游的較少，流域范圍較小的河流具有山溪性河流的性質，沉積物搬運到河口的距離短、動力強，從而導致密度較大的碎屑礦物含量較高。值得注意的是，輕、重礦物的質量百分含量與平均粒徑的相關系數較高，說明河流動力分選對輕、重礦物分異的影響較大;各礦物組分的顆粒百分含量與平均粒徑的相關性分析雖然表現出了一定的規律性，但它們之間的相關系數并不高，說明河流動力分選對礦物組合有一定影響，但作用有限。

表4 遼東灣周邊河流沉積物重礦物組分與平均粒徑(φ)的相關系數Table 4 Correlation between heavy mineral components and mean grain size of river sediments around Liaodong Bay

3.3 碎屑礦物特征指數分析

石英/長石(Q/F)比值是用于評價碎屑沉積物成分成熟度的傳統指標［38，39］。七條河流中流域面積較大的雙臺子河、大凌河、大遼河和灤河下游沉積物的Q/F比值整體高于流域面積較小的小凌河、六股河和復州河(圖5)。除受母巖類型的影響外，流域范圍的大小可能是影響Q/F比值的重要因素。雖然七條河流位置相近、化學風化強度整體差別不大，但流域范圍大的河流沉積物搬運距離長，經歷了較長時間的化學風化過程，并且下游地區出露的第四紀松散沉積物也是河流入海泥沙的重要來源，它們長期暴露于地表環境中導致風化程度可能更高，因此入海沉積物的Q/F比值大，而流域范圍小的三條河流屬于山溪性河流，搬運距離短，化學風化作用時間短，因此Q/F比值小。

穩定重礦物的特征指數能夠對物源特征有很好的反映，如 ATi指數和 GZi指數［25，40，41］。ATi指數 =100×磷灰石%/(磷灰石%+電氣石%)，指示磷灰石的風化程度，如果風化作用很弱，則該指數主要反映沉積物物源的變化。GZi指數 =100×石榴子石%/(石榴子石%+鋯石%)，反映含有石榴子石的母巖組成的變化。雙臺子河、大遼河和大凌河的ATi指數(圖5)相對其余河流較低，指示沉積物中磷灰石可能在化學風化過程中遭受溶蝕，沉積物經受的化學風化作用較強，與輕礦物高Q/F比值所反映情況相一致。六股河、小凌河和復州河ATi指數較高，反映沉積物化學風化程度較弱，與Q/F比值較小相對應。值得注意的是，本研究的七條河流處于我國東北部地區，化學風化作用總體不強，母巖類型對各指標的影響很大。例如，灤河ATi指數和Q/F比值均較高，兩個指標所指示的化學風化作用強弱不一致，其原因就是受到了母巖類型的影響。GZi指數(圖5)除六股河僅46以外，其余河流均在80以上。因為石榴子石主要產于基性—超基性巖漿巖和變質巖中，沉積物高GZi指數與這些河流流域內出露的變質巖有關。

圖5 遼東灣周邊河流碎屑礦物特征指數對比圖Fig.5 Comparison of detrital mineral indexes in river sediments around Liaodong Bay

4 結論

遼東灣周邊七條河流下游河漫灘沉積物中輕礦物以石英和長石占絕對優勢，云母、綠泥石和碳酸鹽礦物含量很低。除巖屑和風化碎屑外，共鑒定出33種重礦物，以普通角閃石、金屬礦物(磁鐵礦+鈦鐵礦+褐鐵礦+赤鐵礦)、綠簾石、石榴子石、普通輝石、榍石和陽起石等為主。河流沉積物中普通角閃石和金屬礦物含量的差別最明顯，灣東側的雙臺子河、大遼河和復州河普通角閃石含量高、金屬礦物含量低，而灣西側的六股河、小凌河和大凌河則相反。灣東部三條河流中綠簾石和陽起石的含量，灣西部三條河流中石榴子石和普通輝石的含量也各自有較大差別。本文七條河流片狀礦物和碳酸鹽礦物含量很低的特征，很好地區別于黃河沉積物。遼東灣東、西兩側河流重礦物組成差別如此明顯，可能是兩側河流位于兩個不同的構造單元之上，基巖類型不同所造成的。此外，河流動力分選和化學風化作用對碎屑礦物組成也有一定影響。

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