蘇北輻射沙洲岸灘沉積物元素地球化學記錄的百年尺度環境變化

趙一飛，徐敏*，劉晴，舒強，王平

( 1.南京師范大學 海洋科學與工程學院，江蘇 南京 210023；2.南京師范大學 地理科學學院，江蘇 南京 210023)

1 引言

海岸帶是陸地與海洋交互作用的重要界面，也是響應全球變化和陸海各種動力作用最為迅速、最敏感的地帶[1]。潮灘作為海岸帶的重要組成部分，廣泛發育于世界許多海岸帶，在保護海岸線、生物多樣性、抵御風暴潮等自然災害等方面發揮著不可替代的作用[2-5]。受河流來沙、潮汐、波浪和沿岸流等動力的綜合作用，海岸潮灘區的物質來源、沉積物組成和地球化學特征復雜。

蘇北輻射沙洲是分布于我國江蘇岸外一種特殊的、典型的沉積體，其物質來源和地貌基礎是晚更新世低海面時古長江、古黃河在該處入海形成的古三角洲沉積物或砂體[6]。這些沉積體包含了豐富的陸地沉積物供應[7-9]、海岸地貌演化[10-11]和古環境變化的信息[12]，因此，獲得了較多的關注。歷史上，受長江、黃河兩條大河巨量泥沙供給，在江蘇近岸輻聚輻散潮流動力的作用下，近岸潮灘典型發育，形成我國最大、最典型的淤泥質海岸潮灘，為眾多遷徙鳥類和底棲生物提供良好的棲息地。然而，在過去百余年時間里，由于受到海岸各種營力的綜合影響（如黃河北徙、灘涂圍墾和海平面上升），輻射沙洲近岸潮灘沉積動力環境發生顯著改變。目前，從對蘇北輻射沙洲近岸潮灘的研究來看，20世紀60年代初開始關注，80年代開展調查并快速發展，經歷了從地面調查到遙感分析、從定性描述到定量分析的過程。這一階段研究主要集中在粉砂淤泥質潮灘類型劃分[13]、潮灘剖面塑造[14]、潮灘形成發育演變機理[15]、潮水溝系統形成與演化[16]、潮灘沉積過程野外觀測[17]、潮灘沉積過程定量研究、潮灘動力地貌、波浪、風暴潮和互花米草對潮灘演變的影響、潮灘形成原因與風暴潮潮灘沉積記錄、潮灘沖淤循環模式（長期、短期）、泥沙輸移模式等方面[18-20]。盡管從區域尺度對潮灘沉積環境的研究取得了諸多成果，但研究區域較為分散、研究內容不具體、研究方法不一致，同時對近百年來，物源減少、人類圍墾活動加劇的影響下蘇北輻射沙洲潮灘沉積環境等方面缺乏系統的研究和深入了解。

元素作為研究沉積物物質組成的重要指標之一，在地表過程中的地球化學行為與其粒度特征、礦物組成和沉積時的動力條件密切相關，記錄了海岸沉積環境變化的重要信息[21-23]。X射線熒光分析（X-Ray Fluorescence,XRF）是一種應用于沉積物元素分析的新興研究方法，具有分析速度快、無損樣品、連續性好、分辨率高以及樣品制備要求低等優勢[24-25]。近年來，XRF巖芯掃描分析方法已廣泛用于沉積物環境研究中，如沉積物物源分析[26-27]、古氣候與古環境重建和古洪水事件，取得了豐碩的成果[28-30]。因此，本文通過研究在蘇北輻射沙洲岸灘獲取的短柱沉積物巖芯，建立可靠的年代框架，基于元素地球化學記錄和沉積物粒度參數，開展潮灘沉積環境演變研究，以期正確認識潮灘沉積特征及其演化歷史，為該區域潮灘綜合規劃和開發提供科學依據，這對保護潮灘及其周邊生態系統、合理開發利用潮灘資源和促進地區經濟社會可持續發展具有重要的意義。

2 數據來源及研究方法

2.1 研究區概況

蘇北輻射沙洲（圖1）是分布于我國江蘇岸外一種特殊的、典型的沉積體系，由70多條陸架潮流沙脊與潮流通道相間的海底地貌組成，以新川港為主軸，呈褶扇狀向海，水深為 0～25 m，總面積達 22 470 km2，是世界上最大的海沙復合體之一[6]。蘇北輻射沙洲附近潮灘是中國連片面積最大、最寬廣、生態類型最齊全和沖淤演變最復雜的典型淤泥質潮灘[31]。潮灘平均寬為6.5 km，最寬處在條子泥邊灘，可達14 km。歷史上長江、黃河曾在蘇北入海，帶來的大量泥沙供給是淤泥質潮灘形成和淤漲的主要物質來源，其以潮差大（平均潮差為2～4 m）、潮汐作用強為主要特征，潮灘發育完善，具有明顯的分帶性[13,32]。輻射沙洲近岸多屬于非正規半日潮，其中弶港至小洋口一帶潮差最大，在長沙港北達6.45 m，之后向南北兩側遞減。其潮流作用較強，最大流速可達1～2 m/s以上，以弶港為界，南部外海以旋轉潮流主導，近岸往復流性質明顯[33]。

圖1 研究區及其采樣位置Fig.1 The study area and sampling location

2.2 樣品采集

2018年8 月，在蘇北輻射沙洲近岸潮灘，利用便攜式重力采樣器鉆取了（內徑為9 cm）3根長度為105～120 cm的柱狀巖芯（表1，圖1）。對獲得的巖芯用膠帶和錫紙密封保存，防止樣品氧化。樣品運回實驗室，放置冰柜冷藏，處理時縱向剖開，進行描述、巖芯掃描和拍照后，縱向間隔2 cm進行分樣，在分離樣品過程中用去離子水對分樣工具進行清洗，避免對相鄰樣品造成污染而影響結果的測定。對于所分好的樣品，用冷凍干燥機進行低溫凍干，主要用于沉積物年代分析和粒度分析。

表1 蘇北輻射沙洲岸灘柱狀巖芯沉積物站位信息Table 1 The information of core sediments samples station in tidal flat in the northern Jiangsu radial sand ridges

2.3 實驗室分析

本文對所采集柱狀沉積物樣品粒度測量在南京師范大學海洋科學與工程學院進行，測試儀器使用英國Malvern公司生產的Mastersizer 2000型激光粒度儀，儀器測試粒徑范圍為 0.02～2 000 μm，多次重復測量誤差小于3%。在測試前，對所測試的樣品進行前處理分析，首先稱取1 g左右凍干的沉積物放置于燒杯中，先后加入10%的H2O2和10%的鹽酸溶液，攪拌均勻，靜置12 h以去除樣品中的有機質，然后加入濃度為10‰的六偏磷酸鈉，充分攪拌后靜置24 h以上然后上機測試，對所測試的結果選用Folk和Ward圖解法公式和GRADISTAT軟件進行計算，獲得平均粒徑（Mz）、分選系數（σ1）、偏態系數（sk1）、峰態系數（KG）4 個粒度參數。

沉積物沉積速率和年代的確定采用210Pb和137Cs放射性同位素測年方法，沉積物樣品中放射性核素的測定在中國科學院南京地理與湖泊研究所同位素實驗室完成，分析儀器采用美國EG&G Ortec公司生產的低本底高純鍺探γ能譜儀井型探測器（HPGe GWL 120-15），該γ譜議的主要指標為，能量響應范圍為40～10 MeV、峰康比大于60∶1、相對探測效率為10%～150%，具有良好的穩定性。高純鍺探測器可測得低能γ射線，同時在環境樣品的高純鍺探測器譜中，46.5 keV處的γ射線與其他射線互不干擾。在實驗室內，將短柱樣品進行冷凍干燥處理，選取10 g左右樣品，研磨過100目篩，進行放射性核素210Pb、137Cs和226Ra的活度測試，為了減少誤差，測定時間為40 000 s左右（實時），活度按計數值和計數誤差比來確定。其中，其中137Cs的比活度由661.6 KeV處的γ射線譜峰面積獲得，210Pbex比活度可以通過從總的210Pb的比活度中減去226Ra比活度來確定。其中，210Pb的總量為46.5 KeV處的γ射線譜峰面積，226Ra比活度根據214Pb的譜峰面積（351.9 KeV處）求算，半衰期極短的214Pb是226Ra的衰變產物。實驗中137Cs和226Ra標準樣品由中國原子能研究所提供，210Pb標準樣品由英國利物浦大學提供的標準樣品作比對標準。

2.4 XRF 巖芯掃描儀

本研究中，地化元素主要是通過XRF巖芯掃描儀（X-Ray Fluorescence Core Scanner）掃描獲取。隨著元素地球化學研究的不斷深入，XRF巖芯掃描儀的使用也越來越廣泛。XRF巖芯掃描分析方法是在不破壞樣品的前提下，通過直接對樣品剖面進行掃描，快速得到高分辨率元素的相對變化。

XRF樣品掃描分析在南京師范大學地理科學學院XRF巖芯掃描實驗室完成，掃描儀器為英國GeoTek公司生產的MSCL-S巖芯掃描儀，以2 mm的分辨率對卡槽樣品進行元素掃描分析。該儀器廣泛用于海底沉積物、湖泊沉積物及巖石巖芯等掃描分析，其多個系統可同步、快速、準確和全自動測量。目前，該儀器傳感器包括光學成像系統、彩色分光光度計、磁化率和高精度XRF元素。利用MSCL-S測量時，巖芯長度不超過 150 cm，直徑為 50～150 mm，可分析Mg到U之間的大部分元素。此外，可利用氦氣極大提高傳感器的靈敏度，尤其在測量Mg、Al等元素時，可以增強峰值，消除譜圖中的氬峰。本次沉積物柱狀樣品掃描是在10 kV和40 kV兩個電壓控制的射線條件下，以1 cm為分辨率，每個點測試時間為10 s獲取的元素相對含量信息。

巖芯掃描完成后，利用bAxil Batch軟件對數據進行批處理，處理得到的數據除以真實測量的時間，即可獲得某種元素相對元素強度（單位：cps）。

2.5 聚類分析

聚類分析是把未知類別的變量依據相應的規律分類，分類過程是一個逐步減少類別的過程，每一個聚類層次，必須滿足“類內差異小，類間差異大”的原則[36-37]。在本研究中，依據R型聚類分析方法對每個柱狀巖芯中元素進行R型聚類分析，該方法可以將地化特征比較接近、行為比較密切的元素進行歸類[38]。主要元素的聚類分析在SPSS 20軟件中完成。

3 結果與分析

3.1 沉積物巖芯描述

射陽河口柱狀巖芯位于射陽河口南部互花米草灘，全長為105 cm，整個柱狀樣含水率中等，主要以粉砂質黏土、黏土質粉砂和粉砂組成，在0～10 cm深度處，有大量的互花米草根系；在10～30 cm深度處，以淺灰色粉砂質黏土為主，有機質含量較高；在30～65 cm深度處，以淺黃色黏土質粉砂為主，且中間夾雜一些黏土層；在65 cm以下，主要以粉砂為主，有零星有機碳分布（圖2a）。川東港采樣地點位于大豐麋鹿自然保護區外圍互花米草灘，整個巖心長度為110 cm，以粉砂、黏土質粉砂為主；有明顯的泥沙層理分布，壓縮性小，含水率中等，在10～22 cm深度處，含水量較高，有機質含量高（圖2b）。海安樣點位于海安縣岸外光灘處，受潮溝波動影響以及沉積物沉積特性，沉積物柱狀樣采集難度大，巖芯底部和頂部不同程度受到人為干擾。獲取的巖芯真實長度為120 cm，以黏土質粉砂和細粉砂為主，砂泥互層明顯，無貝殼碎屑，含水率中等，夾雜黑色有機質層（圖2c）。由于樣品采集時受到人為干擾，因此去除兩頭受人為影響較大的部分對其進行分析。

圖2 蘇北輻射沙洲潮灘沉積物巖芯剖面Fig.2 The profile of core sediments in tidal flat in the northern Jiangsu radial sand ridges

3.2 沉積物柱狀巖芯沉積速率

射陽河口沉積物沉積速率不是通過放射性同位素210Pb和137Cs測年來確定的，而是通過互花米草引種時間確定。互花米草適宜生長在潮間中上帶，具有促淤保灘、改良土壤、綠化海灘和改善海灘生態環境的功能，1979年我國從美國引進互花米草，1982-1983年引種到灌云縣、射陽等地[34]。本文研究射陽河口沉積物柱狀巖芯沉積速率時發現，柱狀巖芯沉積物平均粒徑在65 cm處發生了明顯變小的趨勢，沉積物組分砂含量減少且粉砂和黏土含量增多，這可能是互花米草入侵而導致水動力減弱，引起細顆粒物質沉積。結合沉積相和沉積物粒度參數變化特征，本研究假定該柱狀巖芯65 cm所對應的年代是1982年。由于柱狀樣采集時間是2017年8月，故巖芯65 cm以上的沉積速率是1.67 cm/a。此外，柱狀巖芯65 cm以下主要以粉砂和砂為主，沉積相類似于光灘的泥沙沉積，徐曉鳳[35]在射陽河口光灘采集柱狀樣獲得的沉積速率為0.88 cm/a，因此，65 cm 以下沉積速率參照徐曉鳳的研究結果。

對川東港互花米草灘沉積物放射性210Pb和137Cs測試發現（圖3a1，圖3a2），該柱狀巖芯210Pb最大比活度為 118.15 Bq/kg，最小比活度為 44.80 Bq/kg，平均比活度為74.71 Bq/kg。比活度值在30 cm以上相對比較穩定，在30 cm以下呈指數衰減趨勢，大約在105 cm以下與226Ra的比活度值接近，基本達到了本底值。根據擬合結果，得出柱狀巖芯平均沉積速率為2.3 cm/a。137Cs在儀器允許的誤差下，沒用檢測到其活度，不能判斷出沉積物的沉積速率。因此，在這個柱狀樣中，選用210Pb比活度計算的結果作為平均沉積速率。

通過對海安潮灘典型剖面進行放射性同位素210Pb和137Cs的沉積速率分析（圖3b1，圖3b2），210Pb在整個垂向剖面最大比活度為98.31 Bq/kg，最小比活度為46.75 Bq/kg，平均比活度為 69.07 Bq/kg。整個柱狀巖芯比活度呈垂向波動衰減的趨勢。此外，大約120 cm上下，210Pb比活度值與226Ra的比活度值一致，達到了本底值。根據線性擬合結果得出沉積物沉積速率為1.6 cm/a。137Cs在儀器允許的誤差下，沒用檢測到其活度，不能判斷出沉積物的沉積速率。因此，在這個柱狀樣中選用210Pb比活度計算的結果作為平均沉積速率。

圖3 蘇北輻射沙洲潮灘沉積物沉積速率Fig.3 Sediment deposition rate in tidal flat in the northern Jiangsu radial sand ridges

3.3 沉積物粒度特征

射陽河口沉積物柱狀巖芯粒度參數分布特征如圖4a所示，沉積物平均粒徑由底向上呈波動減小的變化趨勢，在55 cm處發生了偏轉，55 cm以上呈現波動穩定變化特征。根據沉積物粒度變化特征，將該巖芯自下而上劃分為2個階段。第1階段（105 cm至55 cm），沉積物平均粒徑呈減小趨勢，介于30.84 μm至60.90 μm，平均為 51.05 μm；第 2 階段（55 cm 至 0 cm），平均粒徑呈相對波動穩定狀態，在34 cm和8 cm處有典型的突變增大，介于 8.84～53.18 μm，平均為 25.74 μm，相較于第1階段，平均粒徑明顯減小，粒度變細。

川東港米草灘沉積物巖芯平均粒徑（圖4b）在30 cm以下相對比較穩定，然后在30 cm至10 cm處波動增加，10 cm 以上呈減少趨勢，介于 3.07～88.99 μm 之間，平均值為 17.7 μm；在 110 cm 至 30 cm 深度，沉積物平均粒徑基本呈穩定狀態，介于3.07～32.53 μm，平均為13.04 μm；在 30 cm 至 0 cm 深度，沉積物平均粒徑先增大后減小，介于10.16～88.99 μm，平均值為 27.82 μm。

海安潮灘沉積物巖芯平均粒徑（圖4c）介于20.33～61.17 μm，平均為 45.29 μm，呈波動穩定變化特征。

圖4 蘇北輻射沙洲潮灘巖芯沉積物平均粒徑Fig.4 Mean particle size of core sediments in tidal flat in the northern Jiangsu radial sand ridges

3.4 沉積物元素地球化學特征

射陽河口互花米草灘巖芯沉積物元素分布特征如圖5和表2所示，其中Si、Ca、Fe和As元素有較高的相對含量，其平均值為95.41 cps、144.92 cps、425.82 cps和 248.10 cps；其次是 S、Ti、V、Ni、Rb和 Sr；而 Zn、Cu、Ba和 Mn的相對含量較低，為 5.31 cps、17.27 cps、10.64 cps和29.36 cps。基于元素的相對平均含量，可將其分為3組，第1組為Si、Ca、Fe和As元素，相對含量高，平均在 100 cps以上；第 2組為 S、Ti、V、Ni、Rb和Sr元素，相對含量為45～100 cps；第3組為Zn、Cu、Ba和Mn元素，相對含量較低，平均在30 cps以下。同樣地，Si、Ca、As和Fe元素的標準偏差也較高，說明這幾種元素在垂向剖面中變化大。

圖5 射陽河口巖芯沉積物元素分布曲線Fig.5 Element distribution curve of core sediments in the Sheyang River Estuary

根據元素的變異系數，結果由大到小依次為S（2.37）、Zn（0.55）、Mn（0.43）、Fe（0.38）、Ca（0.34）=Si（0.34）、Rb（0.30）、Ti（0.24）、Ba（0.23）、Cu（0.22）=Sr（0.22）、V（0.21）、As（0.11）、Ni（0.10）。S 的變異系數為 2.37，主要是在用XRF巖芯掃描儀掃描過程中出現負值，因此所獲取的元素信號強度不準確，故不予采用；除元素Zn和Mn的變異系數較大外，大部分元素變異系數為0.1～0.4，相對較小，說明該柱狀巖芯沉積物元素分布相對較均勻。

沉積物柱狀巖芯中Si、Ca和Fe元素相對含量變化趨勢一致，可能存在比較相似的地球化學行為。元素剖面自底部向上呈“先增加（105 cm至90 cm）-減少（90 cm 至55 cm）-增加（55 cm 至10 cm）-減少（10 cm至0 cm）”的變化特征，元素Ni和Mn呈近似相反的變化特征，而其他元素在整個剖面中垂向變化不大，呈波動穩定特征。

川東港互花米草灘巖芯沉積物元素分布特征如圖6和表2所示，可以看出元素Si、Ca、Fe和As的相對平均含量高，其平均值分別為246.00 cps、285.80 cps、887.94 cps和240.38 cps；Mn、Ba、Cu和Zn元素含量較低，分別為為 25.73 cps、13.66 cps、16.01 cps和 5.68 cps，其他的元素相對含量介于40～100 cps。通過與射陽河口元素對比發現，川東港巖芯沉積物Si、Ca、Fe相對含量明顯高于前者的含量，為前者的2倍多。

圖6 川東港互花米草灘巖芯沉積物元素分布曲線Fig.6 Element distribution curve of core sediments in the Spartina alterniflora tidal flat of Chuandong Gang

表2 蘇北輻射沙洲岸灘沉積物元素含量Table 2 The element content of core sediments in tidal flat in the northern Jiangsu radial sand ridges

沉積物巖芯元素垂向變化表現為：第一，Si、Ca和Fe具有明顯的一致性，即自底部向上呈先波動穩定后增加的趨勢，Ti也表現出了類似的變化特征，但不明顯；第二，V和Ni近似的表現為與Si、Ca和Fe相反的變化趨勢；第三，其他元素相對比較穩定，呈波動穩定變化趨勢。因此，根據元素Si、Fe和Ca垂向變化特征可將巖芯分為兩部分：第1部分（110 cm 至 30 cm），元素呈波動穩定變化特征；第 2 部分（30 cm以上），元素呈增加趨勢。結合沉積物組分含量垂向變化特征，砂含量在30 cm出現了增加趨勢，而粉砂含量減少，暗示了Si、Fe和Ca含量與沉積物平均粒徑關系密切。

海安潮灘巖芯沉積物元素分布特征如圖7和表2所示，可以看出元素S元素出現了負值，主要是使用XRF巖芯掃描儀在掃描過程中所獲取的元素信號強度不準確，故不予采用；Si、Ca、Fe和As的相對平均含量高，其平均值分別為 235.09 cps、176.28 cps、604.23 cps和 243.35 cps；Mn、Ba、Cu和 Zn元素含量較低，分別為為 27.83 cps、12.88 cps、17.22 cps和 5.54 cps，其他的元素相對含量介于40～100 cps。通過與射陽河口元素對比發現，海安巖芯沉積物元素Si、Ca、Fe相對含量明顯高于前者的含量，但是略低于川東港的元素相對含量。

圖7 海安潮灘巖芯沉積物元素分布曲線Fig.7 Element distribution curve of core sediments in the Haian tidal flat

巖芯沉積物元素垂向變化表現為：第一，Si、Ca和Fe具有明顯的一致性，元素相對含量在70 cm上下發生了明顯的轉折，在45 cm上下達到最大值，然后又呈減少趨勢，這可能與該區域的沉積動力環境和物質來源有密切的關系；第二，其他元素相對比較穩定，呈波動穩定變化趨勢。因此，根據元素Si、Fe和Ca垂向變化特征可將巖芯分為兩部分：第1部分（140 cm 至 70 cm），元素含量呈波動近似穩定變化特征；第2部分（70 cm以上），元素含量呈先增加和減少的趨勢。

綜上所述，通過對蘇北輻射沙洲典型潮灘剖面巖芯沉積物XRF掃描元素的相對含量變化進行分析，Si、Ca和Fe元素相對含量較高，且自北向南其含量不斷的增加，Mn、Ba、Cu和Zn元素含量較低，基本在30 cps以下，在所有剖面含量變化不大，其他元素相對含量介于40～100 cps，在各巖芯中變化不大。在垂向變化上，Si、Ca和Fe元素垂向變化趨勢一致，顯示具有較高的相關性，即具有近似的地球化學行為和一致的物質來源；而Ni、Zn和S元素在不同柱狀巖芯中呈現與Si、Ca和Fe相反的變化趨勢，暗示了這幾種元素與前者具有不同的地化行為，其他元素垂向變化在所有柱狀巖芯中基本相對穩定，呈波動穩定的變化特征。

4 討論

4.1 巖芯沉積物元素間相關性及其與粒度關系

沉積物中元素的相關性反映的是不同元素在地球化學性質方面的差異，通常記錄且保存了沉積物物質來源的重要信息。因此，其有助于分析沉積物的來源和沉積環境的變化。通過SPSS軟件中的Pearson相關對14種元素和沉積物平均粒徑進行相關性分析，再經雙尾顯著性檢驗。

射陽河口互花米草灘沉積物元素相關性結果顯示（表3），Si、Ca、Fe和 Ba具有較強的相關性，且都通過了0.01的顯著性檢驗；此外，這些元素與Ti、Zn和Rb呈正相關；與元素V、Ni、Cu和As呈負相關。元素Si、Ca、Fe和Ba與平均粒徑均呈負相關，其相關系數分別為-0.1，-0.59，-0.65和-0.09，其中 Ca和Fe與平均粒徑呈顯著的負相關，通過了0.01的顯著性水平檢驗，這暗示了Ca和Fe元素受平均粒徑影響大，明顯的遵循“元素粒度控制規律”，而其他元素與平均粒徑的相關性不顯著。

表3 射陽河口互花米草灘巖芯沉積物中元素相關性Table 3 The element correlation of core sediments in the Spartina alterniflora tidal flat of Sheyang Estuary

川東港巖芯沉積物元素相關性分析如表4所示，Fe、Si和Ca三者仍然是有較高的相關性，相關系數在0.5及以上以上，且都通過了0.01的顯著性檢驗；同時，三者與 S、Zn、Ti、As、Rb和 Ba存在正相關，與V、Cu呈負相關。Si與平均粒徑呈正相關，Ca和Fe與平均粒徑呈負相關，其他元素與平均粒徑均呈不顯著的相關關系。

表4 川東港互花米草灘巖芯沉積物中元素相關性Table 4 The element correlation of core sediments in the Spartina alterniflora tidal flat of the Chuangdong Gang

海安潮灘巖芯沉積物元素相關系數結果顯示（表5），Si、Ca和 Fe有非常高的相關性，相關系數在0.8以上，且都通過了0.01的顯著性檢驗，但是，這些元素與Ni、V和As呈負相關；此外，這些元素與Ba、Zn、S、Rb和 Sr也有較好的正相關性。Si、Ca、Fe、Ti和S與沉積物平均粒徑呈正相關，V與平均粒經呈不相關而其他元素與平均粒徑呈負相關。

表5 海安岸外潮灘巖芯沉積物中元素相關性Table 5 The element correlation of core sediments in the Haian tidal flat

綜上所述，通過對輻射沙洲近岸潮灘沉積物元素及其與平均粒徑的相關性分析發現，元素Si、Ca、Ba和Fe具有較強的相關性，且通過了0.01的顯著性水平檢驗，暗示了這些元素有著相似的地球化學行為和一致的物質來源；這些元素同Ni、V和Zn呈負相關，也暗示了Ni、V和Zn有著類似的地球化學行為和一致的來源；其他元素都呈較弱的相關性。此外，通過元素與沉積物平均粒徑的相關性研究發現，蘇北輻射沙洲海岸北部（射陽河口和川東港）Ca、Fe和Si同平均粒徑呈負相關，而輻射沙洲內緣區（海安）巖芯沉積物Ca、Fe和Si與沉積物平均粒徑呈正相關，這可能與沉積物組分含量有密切的關系，輻射沙洲北部海岸潮灘沉積物主要是以粉砂和黏土為主，而內緣區海安潮灘主要以砂為主，這暗示了元素的分布和富集特征同沉積物組分含量有密切的關系，明顯的遵循“元素粒度控制規律”的原則。

4.2 沉積物元素之間的聚類分析

通過XRF巖芯掃描儀掃描潮灘沉積物柱狀樣，得到元素 Si、Ca、V、Fe、S、Ti、Mn、Ba、Cu、As、Sr、Ni、Zn、Rb，使用SPSS 24.0軟件和最遠鄰近元素分析法進行R型聚類分析，得到R型聚類圖（圖8），結果顯示，射陽河口互花米草灘巖芯沉積物元素組合表現為 Ca、Fe、Si、S、Ti、Ba、Rb和 Sr聚為一類，剩余的其他元素聚為一類；川東港互花米草灘沉積物巖芯元素聚類結果顯示，Ca、Fe、Si和 Ti聚為一類，S、Zn、Mn、Ba聚為一類，Rb、Sr和V聚集在一起，Ni、Cu和As聚集為一類。海安潮灘柱狀巖芯元素聚類結果顯示，Si、Ca、Fe聚在一起，Si、Ca、Fe、Ba、S、Sr和Ti聚為一大類，V、Mn、Rb、Ni、Cu、As和Zn聚為一類。

圖8 蘇北輻射沙洲海岸潮灘巖芯沉積物元素聚類分析Fig.8 Cluster analysis of core sediments elements in tidal flat in the northern Jiangsu radial sand ridges

從輻射沙洲潮灘巖芯元素聚類分析來看，大部分柱狀巖心元素聚類結果都表現出一定的相似性，即Si、Fe、Ca、Ba、Sr、Zn、Rb和 Ti聚在一起，Ni、Cu、As和Mn聚在一起，說明這兩類元素有不同的來源，可能受到物質來源、地球化學環境和生物沉積作用的影響。其中射陽河口、川東港和海安潮灘沉積物元素Si、Fe、Ca具有極強的相似性，可能由沉積物“粒控效應”制約造成的，即隨著沉積物粒度變大，其元素相對強度愈來愈低。此外，Fe和Si的相似性還受到陸地（長江、黃河）物源的影響，即來源于長江和黃河的物質在近海沉積動力作用下，大量物質堆積在海岸區域；其次，Si和Fe具有相似的化學性質，二者在水中溶解度小，往往呈懸浮態進行遷移，而Ca元素溶解度大，當河流攜帶的陸源物質進入海洋后，隨著海水的pH和鹽度增大，懸浮態的物質就發生絮凝下沉，不利于其進行遷移；其次是在中國陸架外側分布含貝殼碎屑較多的殘留沉積物，也會導致Ca的含量增多，然而在沉積相中沒有發現生物貝殼碎屑。因此，Ca、Fe和Si主要來自陸源碎屑物質。

4.3 沉積物元素地球化學特征的環境指示意義

射陽河口作為近百年江蘇海岸沖淤交替的重要界面，其沉積環境相對復雜；此外，建閘和圍墾對射陽河口地區沉積環境帶來顯著的影響。巖芯剖面中Si、Ca和Fe元素相對含量變化趨勢一致，可能存在比較相似的地球化學行為。相關性顯示，Si、Ca、Fe和Ba具有較強的相關性，且都通過了0.01的顯著性檢驗；此外，這些元素與Ti、Zn和Rb呈正相關；與元素V、Ni、Cu和As呈負相關。剖面中大部分元素呈穩定趨勢，Si元素與砂含量變化一致，可見粗粒徑含量對Si元素有很大的影響，而Ca元素和Fe元素基本與粉砂和黏土含量變化一致，同平均粒徑垂向剖面變化相反，這可能受到粒度控制效應的影響，沉積物較細，有利于Ca元素和Fe元素的富集。

此外，1982年以來，隨著互花米草的引入，占領了該區域生態環境，蘇北海岸侵蝕的細顆粒物質在江蘇沿岸流和潮流的共同作用下沉積在65 cm以上區域。

川東港互花米草灘上端巖芯中大部分元素呈穩定波動變化，根據元素Si、Fe和Ca垂向變化特征可以看出，Si含量與砂含量的變化趨勢一致，而Fe和Ca元素垂向相對含量變化一致；同時在大約40 cm以下（2000年以前），該區域潮灘沉積環境較為穩定；巖芯40 cm 至10 cm，砂含量和 Si元素相對含量增加，暗示了這段時間水動力環境比較強，攜帶粗顆粒沉積物在此沉積；10 cm以上，黏土和粉砂含量增加，平均粒徑迅速減小，Fe和Ca元素相對含量增加，可能是由于近岸人類圍填海活動導致靠岸堆積，互花米草生長，使其前端發生沉積。

從沉積物平均粒徑、組分含量和主要元素變化特征可以看出，2000年前該區域沉積環境比較穩定，沉積物主要來源于自蘇北海岸侵蝕的細顆粒沉積物的沉積；2000年后水動力變強，西洋水道往南延伸，水道變寬加深，所攜帶的沉積物在近岸堆積，堆積的沉積物為近岸物質的來源。

海安岸外潮灘剖面中Si、Ca和Fe元素相對含量變化趨勢一致，元素相對含量自底部向上整體呈減少趨勢，巖芯在70 cm處發生了明顯的轉折，然后呈波動穩定變化，10 cm上下發生了減少變化趨勢。說明該區域沉積環境在70 cm以下比較穩定，而70 cm以上（1974年前后）發生了變化，可能是人類圍墾活動，改變了沉積物動力格局，導致物源發生了變化。

5 結論

本文通過XRF巖芯掃描方法獲取了海岸潮灘柱狀巖芯的沉積物地化元素。得出以下結論：

（1）通過對蘇北輻射沙洲典型潮灘剖面巖芯沉積物XRF掃描儀掃描元素的相對含量變化進行分析，Si、Ca和Fe元素相對含量較高，且自北向南其含量不斷的增加，Mn、Ba、Cu和Zn元素含量較低，基本在30 cps以下，在所有剖面含量變化不大，其他元素相對含量介于40～100 cps，在各巖芯中變化不大。

（2）在垂向變化上，Si、Ca和Fe元素垂向變化趨勢一致，顯示具有較高的相關性，即具有近似的地球化學行為和一致的物質來源；而Ni、Zn和S元素在不同柱狀巖芯中呈現與Si、Ca和Fe相反的變化趨勢，暗示了這幾種元素與前者具有不同的地球化學行為，其他元素垂向變化在所有柱狀巖芯中基本相對穩定，呈波動穩定的變化特征。

（3）通過對蘇北輻射沙洲近岸潮灘沉積物元素及其與平均粒徑的相關性分析和聚類分析發現，元素Si、Ca、Ba和Fe有著相似的地球化學行為和一致的物質來源，Ni，V，Cu和Zn有著類似的地球化學行為和一致的物質來源，這兩類元素有不同的來源，可能受到物質來源、地球化學環境和生物沉積作用的影響。