珠江口及瓊東北海區元素地球化學特征及物質來源①

陳 亮 張玉芬 李團結 許 冬

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

珠江位于我國大陸南端，其由西江、東江及北江所組成，流經滇、黔、桂、粵、湘、贛等省(區)，于廣東省中南部由八大口門注入南海，珠江為我國第三大河流，但徑流量僅次于長江，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對航運、港口及碼頭建設等海洋經濟建設具有十分重要的意義，同時，由于內陸污染物大多吸附于泥沙上被搬運入海，因此此項研究也能為海洋環境保護提供參考。

當前對珠江口沉積物地球化學的研究已非常多，但大多集中在珠江口區域［2～8］，對珠江口西部區域的元素地球化學研究較少。根據之前的研究，珠江口物質在沿岸流的輸運下，能夠到達粵西海域及雷州半島東側［1，9］，因此，有必要將粵西海區及珠江口海區進行成片分析，更有助于對珠江口物質擴散的了解;同時位于該區西南部的瓊東北海區目前還未見有詳細的元素地球化學研究，本次分析填補了該區域的研究空白。

1 采樣和測試方法

1.1 樣品采集

本次采樣區域共分為三個區域，分別為珠江口內、珠江口外，及粵西海區。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，根據技術規程要求，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，約3 500個樣品進行了粒度測試，700多個樣品進行了元素地球化學測試(圖1)。

圖1 調查及測試站位分布圖Fig.1 The distribution of survey and test stations

1.2 測試分析方法

本次所使用數據主要有粒度及元素地球化學數據，所采用的方法均按照《我國近海海洋綜合調查與評價專項―海洋底質調查技術規程》執行。沉積物粒度由南海工程勘察中心實驗室完成，細粒部分采用Mastersizer 2000型激光粒度儀進行分析，首先去除樣品中有機質、鈣質膠結物及生物殼體，然后加入偏磷酸鈉用超聲波振蕩使樣品分散后上機測試，粗粒部分采用篩析法分析。元素地球化學測定由國土資源部武漢礦產資源監督檢測中心及國土資源部地球物理地球化學勘查研究所完成。每個樣品取約25 g置于潔凈表面皿中，自然晾干后放入烘箱，在40℃ ±2℃下進一步烘干，然后用瑪瑙研缽將沉積物樣磨碎，過80目(0.187 5 mm)尼龍網篩，收集小于80目的沉積物樣品，采用x射線熒光光譜儀(PW2440)測定沉積物中常量元素的含量，測量精度MgO、CaO、Na2O、K2O、MnO、TiO2、P2O5優于 0.05%，SiO2、Al2O3及 Fe2O3測量精度優于0.1%，測量誤差均不大于0.7%。

2 結果分析

2.1 沉積物特征

圖2是對該區域粒度特征統計分析后作出的沉積物平均粒徑分布圖，圖中粒級標準采用尤登—溫德華氏等比制φ值粒級標準，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所有沉積物命名后發現，由于研究區域范圍較廣，沉積物類型較多，但主要以粉砂為主。珠江口內及以西至上川島近岸區域主要為粘土質粉砂，珠江口外以東海區沉積物類型主要為粉砂，珠江口外南部區域沉積物粒度變粗，沉積物類型主要為砂及粉砂質砂;上川島以西近岸區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粉砂，上川島南部外海區域至海南島東部海域呈北東—南西向分布有大片砂質粉砂及粉砂值砂;瓊州海峽內及東口沉積物類型以砂為主，部分區域含有少量砂礫。

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，調查區域常量元素主要由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，對比這些元素分布情況可見:(1)SiO2的平面分布圖與其它元素的分布趨勢具有很大的差異，基本為負相關，主要由于SiO2為該區域主導元素，為其它元素的“稀釋劑”所造成［10，11］，對比 SiO2平面分布圖與粒徑分布圖可以發現SiO2的含量大小與粒徑粗細具有很好的一致性，說明該區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，大多呈現了由珠江口向外海減少的趨勢，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，高值區主要位于調查區域的東南部及海南島東側，說明該區域CaO主要來自于海源生物作用的影響;(4)MgO的高含量區域主要位于香港東南側及粵西中部海域，與沉積物細粒組分具有較好的對應，說明MgO主要賦存于細粒沉積物之中，而同為細粒沉積物的珠江口內MgO含量并不高，說明該區域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，既沒有表現出由珠江口向外升高，也不具備由外海向近海升高的趨勢，在川島南側存在小片的高值區，其它區域也零散分布有數個亞高值區，珠江口內及崖門口內Na2O含量均不高，說明徑流對Na2O的輸入貢獻并不大，但在部分近岸區域其含量較高，說明Na2O來源應受到海源及陸源的共同影響。(6)由平面分布圖可以看出，大多數常量元素的分布與沉積物粒徑具有一定的相關性，反映了在該區域“元素的粒度控制律”［10，12］，而沉積物粒徑主要反映了水動力強弱，說明水動力對該區域元素的遷移及富集具有十分重要的作用。

表1 調查區域表層沉積物常量元素統計(%)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 常量元素相關性分析(樣品數n=742)Table 2 The relativity of major element

2.3 沉積物元素相關性分析

應用SPSS軟件對調查區域內表層沉積物平均粒徑及常量元素進行相關性分析(表2)，結果表明SiO2及CaO含量與中值粒徑(φ)負相關，其它元素均為正相關，說明隨著粒度的變粗，SiO2及CaO的含量逐漸升高，而其它元素更趨向于存在細粒的沉積物中。其次，SiO2與所有元素均呈負相關，由于SiO2在沉積物中占主導，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，沉積物中的Ti在表生作用中比較穩定，屬于惰性元素，因此可以作為陸源碎屑組分的指標［13，14］，Al2O3、P2O5、K2O 與 TiO2具有較好的相關性，說明該海區這幾種元素更傾向于被陸源輸入物質所控制。CaO與大多數元素為負相關，且相關性均較低，反映了海源的鈣質生物來源，Na2O與大多數元素相關性不明顯，反映了其來源的復雜性。

2.4 沉積物元素地球化學分區及物源分析

為了更好的反映該區域沉積物分區及物源狀況，采用快速聚類法對樣品進行分類，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個站位，可以將其看作一種擾動，因此該區域沉積物主要可以分為3類(圖4)。同時，在調查海域中選取5處代表性小區塊(圖4)A、B、C、D、E進行分析，每一小區塊選取約5個站位常量元素數據進行統計分析，選取平均值代表所在區域的常量元素含量(表3)。通過對5處代表性小區塊常量元素含量作圖分析后發現(圖5)，A、B兩處“親陸”元素含量及變化趨勢具有較好的一致性，說明A區及B區陸源組分具有同源性;C區各元素無論在含量及變化趨勢上與其它區域元素均具有較大差異，說明C區所在海域沉積物來源具有自身的特點;D區及E區各元素含量及變化趨勢非常接近，尤其海源物質CaO均大于其它區域，說明D區及E區在成因上具有一定的相似性。

圖4 聚類分析結果圖Fig.4 The result for cluster analysis

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

圖5 所選區塊常量元素曲線對比圖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域的對比分析，同時結合該區域海流分布狀況，將該區域沉積物分為3個區域，分別為珠江口及粵西區域(Ⅰ)、瓊州海峽東分布區(Ⅱ)及瓊東分布區(Ⅲ)(圖9)，該區域春夏季懸浮體特征分布也顯示該海區大體存在3個不同懸浮體分布區［19］。各區特點大致為:

Ⅰ區所占面積最廣，位于珠江口及粵西大部分區域。該區域沉積物來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及躍移質，該部分物質主要沉積在入海口及附近區域，沉積下來的主要為 SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、TiO2、MnO 等陸源物質，大量的懸移質伴隨海流的運動被輸運到較遠的區域。由于受到該區域西向沿岸流的影響［20，21］，珠江入海物質主要向西部輸送，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，由于大量的躍移質及懸移質沉積于此，使得沉積物粗細混雜，該區域為珠江入海泥沙的主要沉積區域，該處TiO2及MnO存在明顯由近岸向遠海減小的趨勢，具有明顯的陸源沉積特征。沿岸流通過川島之后，由于在海陵島和漠陽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現該處底層懸浮體濃度及濁度值均較高［19］，說明海水中的膠體及細粒物質在此處發生絮凝而大量沉積，細粒物質的大量沉積導致了該區域Al2O3含量的升高。珠江口物質經過海陵島后繼續向西輸運，到達放雞島南部后部分轉為南向輸運，最終沉積在雷州半島及瓊州海峽東部，少量會繼續向南到達海南島東北部，由于該區域懸浮體濃度及濁度值均較低［19］，說明沉積物主要以膠體及溶解態搬運至此，TiO2含量在該區域出現了一定的升高，主要由于細粒物質的大量沉積所引起，TiO2空間分布及含量變化較好反應了珠江口陸源物質的沉積范圍及運移路徑。

Ⅱ區位于瓊州海峽內及其東側，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］，該區沉積物主要由海峽內潮流沖刷所攜帶而來，由于流速較大，該區沉積物粒度較粗，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，大部分區域達90%以上，由于SiO2的高含量，使得其它元素在該區域含量偏少。將該區域常量元素分布與海南島花崗巖對比分析(圖6)后發現，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，不易被搬運出海峽口，其含量變化也不大)，說明Ⅱ區沉積物主要來自于瓊州海峽兩側及槽底碎屑物質。

Ⅲ區位于海南島東北部，北端以狹長帶延伸至瓊州海峽東口東南面，Ⅰ區在該區北部逐漸尖滅。Ⅲ區元素組合特征與其它兩個區域具有較大差異，最突出在于該區域CaO含量遠高于其它區域，尤其近陸一側CaO含量較高，海南島東部近岸分布有大面積珊瑚礁，生物作用強烈，說明該區域受海源生物作用明顯。將該區域常量元素含量與南海中部、中國大陸及太平洋區域常量元素對比分析后(圖7)發現，該區域常量元素含量及分布與南海中部及中國大陸相似度較高，與大洋沉積物相似度低，說明該區域沉積物仍主要來源于周邊陸源物質的輸入。根據前人研究可知［24］，該區域外海一側存在大量晚更新世冰期低海面時的殘留沉積物，說明該區域沉積物以早期沉積為主，同時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比圖Fig.6 The graph of major element for C and the granite in Hainan island

圖7 Ⅲ區與部分地區常量元素曲線對比圖Fig.7 The graph of major element forⅢarea and some place

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

圖8 調查海區夏季環流分布圖［21］Fig.8 The distribution of circumfluence in summer

圖9 沉積物分區及輸運路徑圖Fig.9 The subarea and the moving route of the sediment

3 結論

通過對珠江口至海南島東北海區表層沉積物樣品粒度和元素地球化學的測試分析，得到如下結論:

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

(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75.49%。

(3)相關性分析發現Al2O3、P2O5、K2O與TiO2具有較好的相關性，受陸源物質輸入的影響較大;CaO與大多數元素為負相關，反映了海源的鈣質生物來源;Na2O與大多數元素相關性不明顯，反映了其來源的復雜性。

(4)依據常量元素平面分布特征，將調查區域沉積物劃分為3個不同的區域，分別為珠江口及粵西區域(Ⅰ)、瓊州海峽東分布區(Ⅱ)及瓊東分布區(Ⅲ)，同時綜合分析得出了Ⅰ區及Ⅱ區沉積物運移的路徑趨勢。

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