黃河三角洲ZK5鉆孔沉積物地球化學特征及其沉積環境①

宮少軍 秦志亮 葉思源 喬吉果 趙 衛

(1．天津市海洋地質勘查中心 天津 300170;2．天津華北地質勘查局地質研究所 天津 300170;3．國家海洋局海洋減災中心 北京 100194;4．青島海洋地質研究所 山東青島 266071)

近些年來，沉積物元素地球化學的應用及其理論方面取得了一定的進展，已然成為地球化學研究不可取代的一部分［1～4］。特別是在揭示沉積物物質來源、沉積環境及其遷移規律等方面［5～7］，元素地球化學方法應用于實際研究的成果越來越多，也備受廣大學者和專家的重視。為了研究黃河三角洲ZK5孔柱狀沉積物的地球化學特征及其沉積環境，本文根據沉積物的常微量元素組分含量和特定元素之間的比值進行了探討。

1 地質背景

現代黃河三角洲處于渤海的西岸，地勢總體呈現南高北低，西高東低，總體平緩。位于華北—渤海盆地的南側，華北—渤海盆地是新生代沉積盆地，最大沉降幅度達12 000 m。區內斷裂以北東、北東東向為主，次為北北西及北西向。主要斷裂有:埕子口斷裂、陳南斷裂、義南斷裂、勝北斷裂、孤北斷裂、廣饒—齊河斷裂、埕中斷裂、東營斷裂［8，9］。

研究區內土層均為第四系松散沉積物，以粉砂質黏土為主，其次為粉砂和黏土。其巖性分布受地貌單元控制，如在古河道帶，決口扇頂部以粉砂為主，在山前沖洪積平原區包氣帶巖性以粉質黏土為主，在黃泛平原區以粉砂質黏土為主，在洼地地帶則以粉質黏土、黏土及粉砂質黏土互層為主。黃河單一而短期的分流河道及高濃度水體形成的橢圓形砂體相互迭置，是黃河三角洲砂體的主要特征［10］。

ZK5孔位于現代黃河三角洲海岸線附近，處于37°51'37″N，119°5'13″E(圖 1)。ZK5 鉆孔的沉積記錄表明，黃河三角洲沉積以一套水下三角洲的沉積為主，分流河道改道后，新河口沉積物位于老河口的側部或兩個老河口之間，年輕的三角洲前緣粉砂覆蓋在老三角洲側緣黏土質粉砂之上，年輕的三角洲側緣黏土質粉砂覆蓋在老三角洲前緣粉砂之上，這是在黃河三角洲常見的沉積序列;根據歷史上河口的位置及海區水深圖可以較為準確地確定沉積年代［11］。

2 ZK5孔層序劃分

現代黃河三角洲是1855年以后才形成的，由于時間太短，已經不在14C測年的有效范圍之內，而且難以運用同位素方法測年。確定沉積物的沉積環境是判斷其沉積年代的基礎，因此要鎖定鉆孔中現代黃河三角洲沉積物的起始位置，必須要確定老黃河三角洲(1855年以前)的沉積序列。研究區1855年海岸線20 km范圍以內，公元1099～1855年形成的年輕陸架沉積物或改造層覆蓋在11～1099年黃河三角洲之上，而現代黃河三角洲沉積物覆蓋在最上部。從海岸線(1855年)向海方向，由于現代黃河三角洲的沉積作用，老黃河三角洲沉積物越來越薄。在ZK5孔中沒有發現老黃河三角洲沉積物，而陸架沉積物之上有2～3 m厚的黏土質粉砂，具有透鏡體、粉砂薄層，貝殼的數量也減少，生物擾動構造突然變得不發育，這表明此段為現代黃河三角洲的底部—前三角洲的沉積物;前三角洲之上的粉砂夾黏土質粉砂便是三角洲前緣的下部［11］。

圖1 黃河三角洲ZK5鉆孔取樣站位圖Fig．1 The location of sampling Core ZK5 in Yellow River Delta

根據ZK5孔沉積物的厚度、性質以及高程判斷對應的沉積環境，追蹤其物質來源，即判斷沉積物是由哪一條分流河道輸送而來，那么這一條分流河道的活動年代就是這層沉積物所形成的年代。對巖芯自下而上逐層分析它的地質發展歷史，檢查環境分析和年代確定是否合理，搞清楚不同時期形成沉積物的疊覆關系。應用沉積地質學和歷史地理學綜合分析方法確定鉆孔巖芯沉積年代［11］，同時結合有孔蟲測試數據，ZK5巖芯沉積物自下而上，大致劃分為7個層序(圖2)。

NQ1以灰色粉砂為主，含少量極細砂，見黑色有機質;屬潮坪沉積相。NQ2以灰色黏土質粉砂為主，含大量黑色有機質、透鏡體和蟲孔構造;下部多見深灰色粉砂質黏土與黃色粉砂質黏土混雜，含黑色腐殖質層;屬陸架沉積相。NQ3上部以灰黃色黏土質粉砂與粉砂互層為主，下部為淺黃色黏土質粉砂，黏土含量較高;屬前三角洲沉積相。NQ4為黃褐色粉砂質黏土與粉砂混雜，有夾層;屬三角洲前緣沉積相。NQ5以土黃色黏土質粉砂為主，生物擾動較為強烈，炭質含量高;下部以黃褐色粉砂質黏土為主，含水量大，偶見黑色有機質，黏土含量較NQ4高;屬三角洲側緣沉積物。NQ6多見灰黃色黏土質粉砂，偶見粉砂與黏土質粉砂互層;黑色有機質含量較高，屬三角洲前緣沉積相。NQ7以土黃色粉砂為主，偶見黏土質粉砂夾層，上部含水量較少，土質較干，下部含水量較大;屬1976年后形成的決口扇沉積相。

圖2 黃河三角洲ZK5孔沉積年代劃分示意圖Fig．2 Sketch map of ZK5 Core sediment age divided in Yellow River Delta

3 樣品及分析

為了解現代黃河三角洲垂向上的地球化學特征和沉積環境變化，筆者在ZK5孔巖芯剖面上，自下而上采集了巖芯沉積物樣品36件，其中NQ1層序3件，NQ2層序5件，NQ3層序6件，NQ4層序4件，NQ5層序9件，NQ6層序5件，NQ7層序4件。樣品處理及測試在河北中化地質礦山總局地質研究院完成，檢測的元素有 Al、Ca、Fe、K、Mg、Mn、Na、P、Ti、Si、V、Cr、Rb、Sr和 Ba 等，測試數據見表 1。

4 元素地球化學特征

4．1 相關性分析

受沉積環境、源區巖性及成巖作用的影響，各元素含量分布不同。通過相關系數分析(見表2)，弄清楚各元素的富集特征及相互之間的關系。

(1)K2O、TiO2、Al2O3、Fe2O3、Cr、V、Rb 相互間呈明顯的正相關關系，兩兩相關系數R均＞0．8。這些元素主要賦存于泥質礦物中，表現的是陸源泥質沉積特征。現代黃河三角洲中TiO2和Al2O3的富集組合，表明有大量陸源物質的侵入，因為這兩種元素常被吸附于黏土礦物中。由于K、V、Cr和Rb的離子半徑相對較大，很容易被吸附，因此被黏土礦物吸附后，保留在原地或僅是近范圍遷移，說明這幾種元素主要賦存于泥巖中。由于Rb、K的離子半徑相似，Rb的地球化學行為與K密切［12］，Rb可在礦物晶格中取代K。而Al2O3和Fe2O3的含量反映了氧化作用的特征，兩者的變化具有一致性，呈強相關關系(R=0．98)，含量較高說明了氧化環境較弱，意味著所處環境的水體變深。

表1 黃河三角洲ZK5孔沉積物地球化學分析數據Table1 Results of geochemical analyses of ZK5 Core sediment in Yellow River Delta

(2)SiO2與其他元素呈明顯的負相關(R≤－0．75)，與 Sr呈弱正相關關系(R=0．30)，與 P2O5呈弱負相關關系(R=－0．34)，說明石英物質(SiO2)在粉砂及泥巖中極不發育，其主要發育在砂巖中，據馮勝斌等研究，SiO2與硅質巖有很好的相關性［13］。

(3)Sr與 CaO 呈弱負相關關系(R=－0．30)，說明Sr主要賦存于方解石礦物中，最初Sr多保存于文石礦物中，因為與低鎂方解石和高鎂方解石相比，文石礦物晶體結構中的鈣離子易被離子半徑較大的二價鍶離子所替代;但文石經過成巖作用，向低鎂方解石轉變的過程中，Sr反而會被保存下來。胡明毅等發現［14］，海水和淡水中的 Sr、Ca的平均含量差別很大，海水中 Sr含量為 8×10－6、Ca 含量為 4×10－6，淡水中 Sr含量為 0．06×10－6、Ca 含量為 4．6×10－6，因此，在成巖過程中有淡水加入時，就會影響Sr的含量。所以現在見到的Sr，以保存在低鎂方解石中的為主。

(4)P2O5與 Al2O3、TiO2、Fe2O3、CaO、K2O 呈弱的正相關(R≤0．57)，P2O5含量的高低代表了海水的深淺，作為海水深度的指標元素，其值大小亦可用來進一步分析沉積環境［15］。從表1中可見，CaO的垂向含量變化較為頻繁，這與黃河尾閭的頻繁擺動和海洋動力的重新塑造有關。

4．2 地球化學特征

沉積巖中元素含量及其分布特征與礦物成分有很大的關系［16］。其中常量元素的分布與沉積環境的關系更加密切。本文選取某些氧化物(CaO、Fe2O3、MgO、Na2O、K2O、TiO2、MnO、SiO2、Al2O3、P2O5)進行分析，旨在查明ZK5孔沉積物自下而上常量元素分布規律，及其所反映的不同沉積環境，各沉積相中常量元素的平均質量分數如表3所示。

表2 ZK5孔沉積物中各元素含量的相關系數Table 2 Correlation coefficients of ZK5 Core of each element in sediment

表3 各沉積層序常量元素平均質量分數統計(%)Table 3 The average mass fraction of constant elements each sedimentary facies

根據測試分析，ZK5孔沉積物的SiO2含量比較高，其質量分數都在50．76%以上，平均值為58．49%，說明ZK5孔沉積物中富含SiO2的礦物(如石英、長石)含量較高，礦物成分的成熟度較高。可以看出，Al2O3質量分數相對于其他元素較大，平均為12．05%，其含量高與碎屑巖中云母、長石及其它富鋁的黏土礦物有關，其中以黏土礦物中鋁元素最為富集。

此外，ZK5各層序常量元素又表現出各自固有的特征:Al2O3以NQ3層序含量最大，平均質量分數為13．21%;Na2O則以NQ1層序含量最大，平均質量分數 2．92%;CaO、Fe2O3以 NQ5 層序含量最大，而 K2O、MgO以NQ3層序的含量最大。

ZK5各層序微量元素的平均含量也有明顯的差異(表 4)，V、Cr、Rb、Ba以 NQ5 層序相對最大，Sr含量以NQ7層序相對最大，Ba質量分數較高，說明陸源供給充足。而Sr/Ba值對古鹽度的變化非常敏感，其值越大，反映的古鹽度越高［5］，依據常用的標準:Sr/Ba 值大于 1．0 為海相，0．5～1．0 為半咸水相，小于0．5為微咸水相，說明各個層序的沉積環境，古鹽度值變化不大，礦化度也相當，處于微咸水的淺水環境，反映出現代黃河三角洲受河流，主要是黃河影響，海水淡化，鹽度較低。

表4 各沉積相微量元素平均質量分數統計(×10-6)Table 4 The average mass fraction of trace elements in each sedimentary facies

5 沉積環境研究

沉積巖的成因不同，是其物質來源、物理化學條件及沉積環境等方面的差異所造成的，因此不同環境的沉積巖元素地球化學成分必然亦有所不同，其相關特定元素的比值也會存在明顯的差異［17，18］。

5．1 古水深

以往研究表明，V/Cr比值的高低，代表不同的氧化還原條件，還原條件下V元素易于富集，而Cr元素在氧化條件下易于富集，因此在氧化條件下V/Cr比值低，反之，還原環境下該比值較高，因此沉積環境水體的深淺可以根據 V/Cr的比值來判斷［19，20］。從圖3中看出，潮坪沉積(NQ1)中V/Cr比值為0．99～1．26，平均值為 1．08;陸架沉積(NQ2)和 1897～1934年三角洲前緣沉積(NQ4)中平均值都為1．11;1855～1897年前三角洲沉積(NQ3)和1934～1960年三角洲前緣沉積(NQ5)為1．12;1960～1964年三角洲前緣沉積(NQ6)為 1．13～1．22，平均值為 1．17;決口扇沉積(NQ7)則為1．19。可以看出，在不同的沉積相中，從前三角洲、三角洲前緣到三角洲側緣，V/Cr值相應變化規律，反映出隨著水體的加深，沉積環境的還原性加強，其值亦隨之增大。

圖3 ZK5孔沉積物V/Cr垂向變化Fig．3 Variations with depth of V/Cr in ZK5 Core sediment

V/Cr比值從下往上呈增加的趨勢，說明沉積環境的氧化還原條件是向還原條件方面轉化的，可以判斷出水深有逐漸增加的趨勢，這與前文中元素相關性分析的結論是一致的。

5．2 古鹽度

沉積巖層中MgO具有親海性，而Al2O3具有親陸性特征，因此判斷水體鹽度的高低，可以建立鎂鋁比值 w=102(MgO/Al2O3)［21］。w 值的增加，表明水體鹽度的增大，沉積環境由淡水向海水過渡;w＜1代表淡水沉積環境，w為1～10代表陸海過渡性沉積環境，w為10～500代表海水沉積環境，w＞500時陸表海沉積環境。由圖4a可知，NQ3的w值相對較高，其平均值為19．30，屬于前三角洲沉積環境，而ZK5孔沉積物的w值都在10～500之間，最大值為20．13，平均值為18．7，總體變化不大，w值偏小，說明屬于海相沉積環境，同時有黃河水的注入。

圖4 ZK5孔沉積物102(MgO/Al203)(a)和Sr/Ba(b)垂向變化Fig．4 Variations with depth of 102(MgO/Al203)and Sr/Ba in ZK5 Core sediment

分辨陸相和海相環境是最常用的一個指標元素是Sr/Ba比值。前人研究表明，Sr元素在淡水(河水、湖泊水等)中的平均含量為 7×10－8μg/g，而在半咸水或海水里含量升為 7．6×10－6μg/g;然而，Ba 元素在淡水中濃度大約為2×10－8μg/g，在海水中的含量為 1．4×10－8μg/g［5］。因此，Sr/Ba 值可以用作古鹽度研究的標志，其值的大小，反映了鹽度值的高低。

從圖4(b)來看，ZK5孔沉積物樣品的Sr/Ba值自下而上，相差不大，處于 0．39～0．47之間，說明從NQ1到NQ7沉積環境的水體鹽度變化不太大。

5．3 古氣候

Rb和Sr這兩種微量元素的地球化學行為，既有明顯的差別，又有一定的聯系。由于Rb的離子半徑較大，很容易被吸附，被礦物吸附后，保留在原地或僅是近范圍的遷移［12］;相反，離子半徑較小的Sr主要以游離態形式存在，容易被地表水或地下水帶走。Rb/Sr值的大小能夠反映氣候水熱變化的環境條件，及其化學風化的程度［22～24］。

通常情況，在溫暖濕潤、降水量大的環境下，地表徑流量大，亦加強了地表侵蝕，較多的細粒物質在地表沉積下來。同時在濕熱的條件下，會增強化學風化作用，使更多的Sr元素進入沉積環境，就造成了沉積物中Rb/Sr值的變小;反之，在寒冷干燥，降水量少的環境下，Rb/Sr值會增大。

圖5(a)給出了Rb和Sr兩種元素的分析結果:可以看出，從NQ1到NQ5中的Rb/Sr值有變大的趨勢，說明NQ2到NQ5層序沉積時期氣候相對干燥寒冷，降水量少，而到上面的NQ6和NQ7層序沉積時期，氣候又相對濕熱，降水量較大。而從整個鉆孔沉積物樣品的分析數據來看，Rb/Sr比值為 0．35～0．60，所以從NQ1到NQ7層序沉積時期的氣候變化不大，氣候相對濕熱，降水量較大。

圖5 ZK5孔沉積物Rb/Sr(a)和MgO/CaO(b)垂向變化Fig．5 Variations with depth of Rb/Sr and MgO/CaO in ZK5 Core sediment

研究表明，除了Rb/Sr值能夠反映氣候變化，MgO/CaO值也是氣候變化的一種指示劑，高值指示干熱氣候，低值指示濕潤氣候［25～27］。從圖5b可以看出，NQ2和NQ5層序沉積時期的MgO/CaO比值較大，氣候相對干熱，降水量較小，整個鉆孔層序沉積物的 MgO/CaO 比值為 0．31～ 0．40，平均值為 0．35，從NQ1到NQ7層序沉積時期的氣候變化不大，氣候相對潮濕，化學風化作用較強。

6 結論

(1)K2O、TiO2、Al2O3、Fe2O3、Cr、V、Rb 相互間呈明顯的正相關關系，表現的是陸源泥質沉積特征。SiO2與其他元素呈明顯的負相關，與Sr呈弱正相關關系，說明石英物質(SiO2)在粉砂及泥巖中不發育，主要發育在砂巖中。CaO的含量變化較為頻繁，這與黃河尾閭的頻繁擺動和海洋動力的重新塑造有關。

(2)根據V/Cr值分析，ZK5孔自下往上，從NQ1到NQ7沉積環境的水體有逐漸加深的趨勢，與鉆孔分析的從NQ1到NQ7依次發育潮坪相、前三角洲相、三角洲前緣相及三角洲側緣相基本對應。

(3)通過102(MgO/Al2O3)值和Sr/Ba值的分析:ZK5孔從下往上沉積環境的水體鹽度變化相差不大，基本屬于海相沉積環境，同時有黃河水的注入。

(4)通過古氣候指示劑Rb/Sr值和MgO/CaO值的分析:ZK5孔從NQ1到NQ7層序沉積時期的氣候變化不大，氣候相對潮濕，化學風化作用較強。

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