渤海—北黃海沉積物黏土礦物特征及其環境意義

喬淑卿,石學法,方習生,胡利民,于永貴,劉焱光,李傳順,姚政權

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061;2.自然資源部 海洋沉積與環境地質重點實驗室,山東 青島266061;3.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋地質過程與環境功能實驗室,山東 青島266061)

黏土礦物從成因上可以分為風化黏土、蝕變黏土和自生黏土[1]。現代海洋陸架沉積物中黏土礦物主要來自于陸源輸入,其分布主要受氣候、物質來源和水動力的控制[2]。Biscaye系統研究了世界海洋沉積物中黏土礦物的分布特征和規律[3]。Windom 對此進行了總結:高嶺石主要形成于溫暖、潮濕的熱帶土壤環境,其含量向赤道方向增加;與高嶺石的分布相反,綠泥石則主要來自火成巖和變質巖的風化,在寒冷、干燥的環境中富集;伊利石與綠泥石類似,而蒙皂石主要富集在半干旱環境[4]。根據中國東部陸架海和南海等海域沉積物中黏土礦物的組成和分布特征,諸多研究者探討了沉積物來源和搬運趨勢[5-12]。

渤海和黃海都是半封閉性的淺海,沉積物主要來源于周邊的河流入海和海岸侵蝕物質[13]。研究者對渤海和黃海黏土礦物組成和分布特征、河流入海物質運移及控制因素等方面做了大量工作,發表了一系列的文章,闡述了海域沉積物中黏土礦物的含量分布,探討了物質來源、分區和控制因素[6,14-19]。近年來,國內學者基于我國近海海洋綜合調查與評價專項獲得的中國東部陸架海大量的沉積物樣品,進一步研究了渤海和黃海沉積物的物質來源和搬運趨勢[9,20-21]。早期研究結果顯示,渤海和黃海沉積物中黏土礦物伊利石含量最高,約60%,綠泥石次之,約15%,高嶺石和蒙皂石含量變化較大,基本低于20%。周邊河流沉積物中黏土礦物組成顯示,與長江、珠江和黃海東岸的韓國河流相比,黃河入海沉積物中蒙皂石含量較高,可以作為示蹤黃河入海物質在中國東部陸架海輸運范圍[18,22-25]。但是,對于黃河入海物質在渤海和黃海的分布及其運移的系統研究還未見報道。

通過對渤海和北黃海表層沉積物中黏土礦物分布特征的研究,對比了研究區周邊入海河流沉積物中黏土礦物組合特征,分析了渤海和北黃海黏土礦物的分區特征及控制因素,特別對黃河入海沉積物在渤海和黃海的分布和影響因素進行了探討。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2005—2009年,在渤海和北黃海使用抓斗和箱式取樣器系統取得了表層沉積物樣品。本文選擇了409個站位沉積物樣品進行研究,具體采樣位置見圖1。河流沉積物樣品35個,采自7條河流河口附近,其中遼河7個(包括雙臺子河3個),大凌河5個,小凌河5個,六股河4個,灤河10個,海河2個和濰河2個[9]。

圖1 渤海—北黃海海域表層沉積物樣品取樣站位Fig.1 Sampling stations of surface sediments in the Bohai Sea and North Yellow Sea

1.2 黏土礦物分析方法

取適量沉積物樣品,分別加入15%的雙氧水和5%稀鹽酸或者25%醋酸去除有機質和碳酸鹽。根據斯托克斯沉降原理,提取出小于2μm 的顆粒,離心富集。采用涂片方法制成定向薄片。

用于上機測試的為乙二醇飽和處理片和自然片。采用的儀器及工作條件:日本理學的D/max22500型轉靶X 射線衍射儀,銅靶,管電壓40 k V、管電流100 m A;連續掃描,步長0.02°(2θ)、掃描速度為2(°)/min(2θ),掃描范圍3°～30°(2θ)。部分樣品使用德國產D8 Advance衍射儀測試,銅靶,管電壓40 k V、管電流40 m A;連續掃描,步長0.02°(2θ)、掃描速度為2(°)/min(2θ),掃描范圍3°～30°(2θ)。樣品分析測試在自然資源部第一海洋研究所和中國科學院海洋研究所完成。河流樣品的提取和測試步驟:0.2 mol/L 的稀鹽酸去除碳酸鹽組分,提取小于2μm 的組分制作成定向片,乙二醇飽和片上日本理學X 射線衍射儀D/max-r B進行測試,測試條件基本同上[9]。

根據乙二醇飽和定向片的分析結果,對4類主要黏土礦物作半定量計算。所有測試數據都利用Jade 5.0進行平滑、摳除背景和尋峰步驟,獲取黏土礦物的峰高和半峰寬。蒙皂石、伊利石、綠泥石和高齡石的峰位分別采用17,10和7 nm。計算步驟參考海洋底質調查技術規程[26],其中綠泥石與高齡石的含量比例以3.54和3.58 nm 附近的衍射峰高比值求得。所用強度因子蒙皂石為1,伊利石為4,綠泥石和高齡石為2[3,27]。

2 結 果

2.1 渤海—北黃海黏土礦物分布特征

渤海和北黃海沉積物黏土礦物中以伊利石為優勢礦物,平均質量分數達到70%;綠泥石和高嶺石次之,平均質量分數分別為12%和11%;蒙皂石族最低,平均質量分數不足8%(圖2)。蒙皂石和綠泥石的分布特征最為相近,總體表現為南高北低,高值區(蒙皂石＞7%,綠泥石＞12%)集中在黃河三角洲及鄰近的萊州灣和渤海灣,并一直延伸到渤海海峽和北黃海北部。遼東灣頂部靠近河口位置也出現小范圍的蒙皂石高值區,灤河河口及東北方向沿岸綠泥石含量也較高。蒙皂石低值區(＜4%)主要集中在海河口至灤河口近岸區域、遼東灣中北部,灤河口至六股河之間至遼東淺灘和渤中淺灘的大片海域。綠泥石(＜11%)主要集中在遼東灣至遼東淺灘和渤中淺灘的區域。高嶺石在渤海和黃海的分布趨勢與蒙皂石和綠泥石相近,高值區(＞11%)集中在黃河三角洲及鄰近海域,在六股河河口和北黃海北部也出現高嶺石高值區。遼東灣灣頂向西南延伸至遼東淺灘、渤中淺灘以及北黃海大部分海域高嶺石含量都低于10%。

渤海和黃河伊利石的質量分數為55%～90%,絕大部分＞60%,平均值為71%。由圖2可知,伊利石含量變化趨勢和蒙皂石相反,在渤海基本呈北高南低的趨勢。高含量區分布在遼東灣、灤河口至海河北部近岸、遼東淺灘和渤中淺灘海域,伊利石質量分數＞75%。黃河三角洲及鄰近的萊州灣為伊利石含量低值區(質量分數＜60%),并且有隨著遠離黃河三角洲岸線升高的趨勢。

圖2 渤海—北黃海表層沉積物黏土礦物分布特征Fig.2 Distribution of clay minerals(smectite,illite,kaolinite and chlorite)in surface sediments of the Bohai Sea and North Yellow Sea

2.2 渤海—北黃海黏土礦物組合分區

以蒙皂石、高嶺石、伊利石和綠泥石之和的含量為參數,采用SPSS軟件進行Q 型聚類分析。聚類分析選用系統聚類法中離差平方和法(沃德法),用歐式平方距離系統,數據進行標準化。綜合黃渤海黏土礦物分布特征和聚類分析結果,渤海、黃海可明顯劃分為2個黏土礦物組合區和6個亞區(圖3)。

Ⅰ區為圍繞現代黃河三角洲的向北至渤海海盆以及經萊州灣向東北延伸到北黃海海域。I區沉積物具有蒙皂石質量分數高(均值近10%)、伊利石質量分數低(均值大約65%)、高嶺石(約11%)和綠泥石(約14%)含量中等為特征(圖3和表1)。I1區主要分布在現代黃河三角洲和萊州灣區域,黏土組合特征更加接近黃河入海物質,蒙皂石質量分數平均為13%。I2區主要受黃河入海物質的影響,但蒙皂石質量分數較I1區降低至9%。

圖3 渤海—北黃海表層沉積物黏土礦物組合分區及環流示意圖[28,34-35](×106 t a-1)Fig.3 Provinces of clay minerals in surface sediments of the Bohai Sea and North Yellow Sea,and sketch map showing the ocean circulation[28,34-35](×106 t a-1)

II區分布在遼東灣、遼東淺灘、渤中淺灘和海河和六股河河口以及北黃海北部大片海域。沉積物中黏土礦物蒙皂石質量分數低(約4%)、伊利石質量分數高(76%)、高嶺石和綠泥石質量分數中等(約10%)。II1區位于遼東灣頂部,雖然蒙皂石質量分數與I區類似,均值為10%,但伊利石質量分數為73%,明顯高于I區。高嶺石和伊利石含量也較I區低。II2區主要分布在遼東灣中南部,蒙皂石質量分數較II1區降低,為6%,伊利石增加為76%,高嶺石和綠泥石變化不大。II3區分布在海河口外,蒙皂石質量分數低(約3%)。II4區包括灤河和六股河河口附近、遼東淺灘、渤中淺灘和北黃海北部區域,蒙皂石為研究區最低(約3%)、伊利石質量分數最高(約77%)、高嶺石(10%)和綠泥石(11%)質量分數中等。

表1 渤海—北黃海表層沉積物分區樣品數量和黏土礦物質量分數統計Table 1 Clay minerals content(%)in the surface sediment of the Bohai Sea and North Yellow Sea

3 討 論

3.1 渤海—北黃海沉積物來源

渤海—北黃海沉積物主要來自周邊的河流入海物質,其次為海岸侵蝕,而外海進入和大氣沉降物質的貢獻極少。百年來長度超過100 km 的河流每年攜帶約1 100百萬噸物質入海,對渤海和黃海沉積物的貢獻量巨大[28]。大氣沉降量在渤海和黃海有限,不超過6百萬噸[29]。海岸侵蝕和再懸浮沉積物的量不容忽視,據估計每年大約380百萬噸沉積物從渤海再懸浮搬運到黃海,老黃河口每年侵蝕超過24百萬噸沉積物進入南黃海[28]。

百年來黃河年平均入渤海泥沙1 030百萬噸,其中480百萬噸堆積在河口附近形成陸上三角洲,其余沉積在水下三角洲或者輸運到渤海區域[28]。現代黃河物質富含蒙皂石,蒙皂石含量分布趨勢反映了黃河入海物質的擴散范圍和方向[23]。蒙皂石含量分布顯示黃河入海物質不僅控制了黃河口和萊州灣的大片區域,渤海中央盆地、渤海海峽南部和北黃海大片海域也主要受黃河入海物質的影響(圖1和圖2a)。

在I區,隨著與黃河口距離的增加,蒙皂石、綠泥石和高嶺石的含量呈現逐漸降低的趨勢,而伊利石的含量變化特征相反(圖2)。從I區的分布范圍和黏土礦物分布特征可知,黃河入海后的物質主要向2個方向搬運:一是向東—東北方向搬運,可以到達灤河口和六股河之間;二是向南和東南方向搬運,通過萊州灣和渤海海峽南部進入黃海。而向北在渤海灣的輸運范圍卻十分有限,到海河口附近。在I區中濰河、小清河、彌河等的影響不明顯,僅僅在河口區域略有顯示。黃河物質中富集云母和碳酸鹽,I區重礦物以云母、綠簾石和普通角閃石為優勢礦物,同樣說明該區主要受黃河輸入物質的影響[13,30]。

相比黃河,其他河流(如灤河、遼河、大凌河、海河、小凌河、六股河和濰河等)和鴨綠江等對渤海和黃海沉積物的貢獻量有限,近百年來年均入海泥沙為66百萬噸[31]。但是,這些河流入海物質的影響范圍還是較廣的,集中在渤海北部、中部和北黃海的北部,即II區(圖2和圖3)。II1區沉積區主要包括遼河水下三角洲,從河口延伸到大約20 m 等深線,主要接受小凌河、大凌河、雙臺子河提供的陸源物質。沉積物中黏土礦物組成特征與I區蒙皂石含量類似(約10%),伊利石含量高達73%,高嶺石和綠泥石含量降低。II2區主要分布于遼東灣中部,蒙皂石含量較II1區降低,推測物質主要來自遼東灣頂部河流和遼東半島西岸沿岸,而不是來自黃河[9],也不屬于黃河和北部河流及沿岸物質的過渡類型[6]。重礦物的研究結果也支持這一結論,II區的重礦物以普通角閃石和綠簾石為優勢礦物,II2區包括早期定名的長興島礦物亞區、部分六股河礦物亞區和過渡礦物亞區,沉積物主要來自遼東灣東岸的沿岸侵蝕和六股河、復州河及遼東灣頂部河流的影響[13,30]。II3區包括海河口北部到灤河河口的大部分海域,沉積物具有海河沉積物的特征,黏土礦物含量低,也受到灤河物質的影響。II4區覆蓋了灤河口到六股河河口、遼東淺灘、渤中淺灘、老鐵山水道到北黃海北部的大片海域,沉積物主要來自渤海北部河流、鴨綠江和沿岸侵蝕(圖3)。蒙皂石是黏土礦物中不穩定物相,一定條件下可以轉變為伊利石或海綠石[2]。II4區沉積物黏土礦物中蒙皂石含量為渤海—北黃海中最低,伊利石最高,這說明:一是由于II4區沉積物物源沉積物特征如此,二是由于該區沉積經歷了長時間的分選和風化,蒙皂石風化轉變或者被輸運到沉積動力較弱區域。

3.2 水動力作用對沉積物黏土礦物分布及輸運的影響

沉積物中黏土礦物的分布除了受物質來源的影響外,還與區域的動力因素有關。渤海和黃海水動力因素包括潮流、徑流和其他類型的海流,而潮流的作用是永久性的。渤海潮流以半日潮流為主,流速一般在0.5～1.0 m/s,流速在1 m/s以上的強流區分布在老鐵山水道、長興島外、曹妃甸和廢棄黃河口外及團山角南部海域[32]。北黃海西側朝鮮灣流速較大,M2分潮流速最大為0.8 m/s[33]。

I區分布顯示了黃河入海沉積物的搬運方向,這主要是受黃海和渤海海流的控制。渤海灣的環流呈雙環結構,外側為順時針,灣內為逆時針,所以黃河物質向北和西北渤海灣方向輸運受到環流的阻攔,僅到達海河口附近[34](圖3)。8號平臺(119°30'E,39°00'N)位于I2區域,全年余流成東北偏北方向,流速小于5 cm/s[35]。據此推測,黃河三角洲外北—東北方向的余流,可能是導致黃河入海物質向東和東北方向搬運的主要原因。從蒙皂石含量和I區分布范圍可以看出,黃河入海物質輸運的另一個主要方向為南—東南(圖3),推測是受萊州灣余流和山東半島沿岸流的影響。萊州灣受風和徑流的影響,海流多變。趙保仁等實測萊州灣余流為順時針,但是實測站位位于萊州灣口[34]。喬方利觀測資料僅顯示夏季萊州灣余流具有順時針運動的特征[35]。可是從不同季節黃河入海物質輸運方向來看,萊州灣年平均應該存在向南—東南方向的余流[36-37]。

II區包含遼東灣、灤河和海河等河口區域以及遼東淺灘、渤中淺灘和北黃海北部的大片海域(圖3)。II1區,即遼東灣頂小凌河、大凌河、雙臺子河和遼河河口附近蒙皂石、綠泥石和高嶺石含量均高于離岸區域,伊利石含量低。這主要是受遼東灣順時針余環流的影響,尤其是沿遼東灣20 m 以淺沿岸流的控制[35]。從黏土礦物的分布特征可以印證這一觀點,例如遼河蒙皂石含量較低(約5%),而遼河口蒙皂石含量在8%以上,說明小凌河和大凌河沉積物向東南方向輸運的影響(圖2)。II2區主要分布在遼東灣中南部,黏土礦物含量與II1區略有不同,蒙皂石含量降低、伊利石、綠泥石和高嶺石增加(圖2和圖3)。這說明遼東灣II1區物質在順時針余流作用下沿東岸向西南方向輸運,并且與海岸侵蝕及來自遼東灣西岸六股河物質混合[34]。II3區沉積物主要反映海河入海物質特征,主要是受渤海灣環流的影響,尤其是北岸逆時針流的控制[34]。II4區沉積物明顯是混合區域,主要受到黃海暖流余脈以及遼東灣環流的影響[34-35]。

4 結 語

本文分析了渤海—北黃海表層沉積物和周邊入海河流沉積物中黏土礦物組成和分布特征,及研究區的物質來源,闡明了黃河入海物質的輸運方向和范圍,探討了水動力作用對黏土礦物分布和輸運的影響。研究結果表明:

渤海和黃海沉積物中伊利石含量最高,平均約為70%,蒙皂石含量最低約7%,高嶺石約12%,綠泥石11%。與海域沉積物相似,周邊入海河流沉積物中伊利石含量最高,平均為62%～70%,但蒙皂石、綠泥石和高嶺石含量變化較大,蒙皂石為5%～15%,綠泥石6%～16%,高嶺石10%～19%。

依據黏土礦物的組成和分布特征,渤海和北黃海分為受黃河入海物質控制的I區和主要受其他入海河流(小凌河、大凌河、遼河、灤河、六股河和海河等)與近岸侵蝕影響的II區。I區沉積物具有蒙皂石含量高(均值近10%)、伊利石含量低(均值大約65%)、高嶺石(約11%)和綠泥石(約14%)含量中等為特征。II區沉積物蒙皂石含量低(約4.0%)、伊利石含量高(76%)、高嶺石和綠泥石含量中等(約10%)。

受水動力條件的作用,黃河入海物質主要向南和東南方向、東和東北方向輸運,而向北擴散到渤海灣的范圍有限。遼東灣頂入海河流物質主要集中在20 m 水深以淺的三角洲區域,遼東灣中部和南部雖然受到入海河流的影響,但是海岸侵蝕的作用也不容忽視。

雖然使用相同計算方法處理了海域和入海河流沉積中黏土礦物的相對含量,使本次的數據具有可對比性。但是河流取樣的代表性、黏土礦物提取和測試方法的不同可能造成較大誤差。今后進行中國東部陸架海物源的研究時,將系統采集入海河流端元樣品,利用其他穩定單礦物或者單礦物同位素等指標來進行深入工作。

致謝：青島海洋地質研究所竇衍光副研究員提供了渤海河流黏土礦物測試數據。