威海灣表層沉積物地球化學特征及影響因素分析

摘要：本文系統分析了威海灣海域表層沉積物地球化學特征，結果表明：沉積物中常量組分含量整體呈西南低、東北高的趨勢，與平均粒徑呈負相關關系，元素豐度呈接近狀態。沉積物中微量元素含量整體呈西高東低的態勢，與平均粒徑呈正相關關系，元素豐度呈富集狀態。通過計算富集系數、污染因子，認為表層沉積物含量與沉積物粒徑、入海碎屑物、人類工程活動等息息有關。

關鍵詞：表層沉積物；分布特征；影響因素；威海灣

中圖分類號：P618.51""" 文獻標識碼：A""" doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.10.004

引文格式：袁星芳，李恒猛，常寶坤，等.威海灣表層沉積物地球化學特征及影響因素分析［J］.山東國土資源，2024，40（10）：2634. YUAN Xingfang， LI Hengmeng， CHANG Baokun， et al. Geochemical Characteristics and Influencing Factors of Surface Sediments in Weihai Bay［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（10）：2634.

收稿日期：20240602；修訂日期：20240627；編輯：陶衛衛基金項目：山東省地質勘查項目，山東省威海市劉公島及周邊海域綜合地質調查，項目編號：魯勘字〔2021〕54號

作者簡介：袁星芳（1990—），女，山西大同人，高級工程師，主要從事水工環地質工作；Email：lywhyxf@163.com" *通訊作者：李恒猛（1982—），男，山東濱州人，正高級工程師，主要從事水工環地質工作；Email：1396590274@qq.com

0" 引言

沉積物地球化學組成受物質來源、粒度以及沉積環境等因素的制約，研究沉積物地球化學特征對于深入理解沉積物源匯過程以及古環境演化具有重要意義［1］。中國淺海沉積物與大陸沉積物元素豐富的近似性充分說明，陸源碎屑物是淺海沉積物的主要物質來源，即中國淺海沉積物是大陸沉積物在海底的再分配，是“海洋化”的大陸沉積物［25］。海洋沉積物地球化學，特別是微量元素和稀土元素配分模式，已經廣泛成為研究各種地質過程的物質來源［69］?；趯χ袊４箨懠艹练e物地球化學的長期研究，提出了中國海大陸架沉積物地球化學的若干模式，即大陸架沉積物元素的分布具有“粒度控制率”“沿陸分帶分布”“元素的親碎屑性”及“元素的親陸性”等特征［10］。

威海灣位于山東半島最東端，北、東、南三面環海，劉公島靜臥威海灣口，由于劉公島的良好掩護作用，威海灣已成為集港口、旅游觀光、增殖養殖等為一體的綜合性海域。研究發現，山東半島海域的沉積物主要來自于黃河，并受山東半島沿岸河流及近岸潮流影響［1118］。程波［11］對威海灣表層沉積物中的pH、Eh、Cu、Zn、Cd 11種化學要素進行了地球化學特征研究，指出其分布受沉積環境制約?？紫榛吹龋?2］基于山東半島東北部濱淺海區表層沉積物的稀土元素分析認為區內沉積物與黃河入海沉積物具有相同的物源區。楊立平等［13］分析了威海灣表層沉積物中重金屬含量分布特征。竇衍光等［14］基于山東半島東部表層沉積物地球化學分析，認為山東半島周邊海域底質沉積物主要受沿岸流和潮流的作用，物質來源以黃河碎屑物質為主。李國剛等［15］基于山東半島沿岸海域表層沉積物的常量元素分析，認為區內沉積物主要來源以黃河源沉積物為主。苗曉明等［16］基于山東半島東北部表層沉積物微量元素分析，認為區內沉積物主要以黃河碎屑物質為主，小部分來源于海河沉積物。朱龍海等［17］基于山東半島東部海域表層沉積物微量元素分析，認為區內沉積物主要來源于黃河物質，南部可能有少量長江物質輸入。李恒猛等［18］分析了威海灣表層沉積物近岸粗粒物質主要受河流及海岸侵蝕作用影響，細粒物質主要來源于黃河，受山東半島沿岸流控制。

以往多為大尺度、大比例尺的區域性研究成果，而對于局部海域進行專門的、系統的、小比例尺研究較少。前人已開展過威海灣表層沉積物中重金屬含量分布特征研究，但未系統分析其成因、規律以及影響因素，一定程度制約了威海灣海域的環境保護與工程建設。因此，本文通過分析威海灣表層沉積物地球化學特征，揭示其分布規律及影響因素，以期對威海灣生態環境保護、海洋牧場建設、海產品養殖等提供參考依據。

1" 研究區概況

1.1" 地理位置

研究區為劉公島及其周邊海域，面積30km2。劉公島靜臥威海灣口，距市區旅游碼頭2.1海里，乘船20min可抵達。

1.2" 氣象水文

研究區氣象水文特征受海洋調節作用比較明顯，春、夏季主導風向為南風、偏南風；秋、冬季主導風向為北風、偏北風。區內常浪向為NE向，次常浪向為NW向。區內潮汐為不正規半日潮，有明顯日不等現象，最高水位1.07m，最低水位1.07m。區內西側海域潮差為1.75～2.00m，為弱潮海區；東側海域潮差為2.00～2.25m，為中潮海區。

1.3" 沉積物類型

研究區海底沉積物類型包括含礫泥、礫質泥、砂質粉砂、粉砂。其中砂質粉砂與粉砂分布最廣，約占研究區總面積的75%（圖1）。

1—砂質粉砂；2—粉砂；3—礫質泥；4—含礫泥；5—分區界限。圖1" 研究區海底沉積物類型分布圖

砂質粉砂：分布在研究區西側大部分海域，面積約13.40km2，約占研究區總面積的44.7%。該類型砂組分含量為10.19%～42.72%，平均值為17.48%；粉砂組分含量為40.18%～69.99%，平均值為63.10%；平均粒徑范圍為4.47～6.42Ф，平均值為5.92Ф；分選系數平均值為2.16，分選較差；頻率分布曲線較為離散，以單峰為主，主峰主要介于6～7Ф。

粉砂：分布在研究區東側大部分海域，面積約8.98km2，約占研究區總面積的29.9%。該類型粉砂組分含量為64.21%～73.34%，平均值為69.36%；平均粒徑為6.11～7.10Ф，平均值為6.56Ф；分選較差，分選系數平均值為1.99。該類型頻率分布曲線顯示單峰特征，主峰主要介于7～9Ф。

含礫泥：分布相對離散，主要分布在研究區東部、西部和南部海域，面積約4.17km2，約占研究區總面積的13.9%。該類型礫石組分含量為0.15%～3.81%，平均值為1.71%；平均粒徑3.63～5.86Ф，平均值為5.17Ф；分選差，分選系數平均值為2.88；頻率曲線表現為多峰特征，同時有lt;1Ф的次峰出現。

礫質泥：主要分布在研究區西部海域，與含礫泥分布區相鄰，面積約0.20km2，約占研究區總面積的0.7%。該類型礫石組分含量為5.36%～9.21%，平均值為6.81%；平均粒徑為3.47～6.25Ф，平均值為5.04Ф；分選差，分選系數平均值為3.28；頻率曲線顯示多峰特征，主峰主要介于1～6Ф，同時顯示lt;1Ф次峰。

2" 材料與方法

2.1" 樣品采集

2022年5月，在威海灣采用箱式取樣器采集海底表層沉積物樣品16站位（圖2），取樣間距約為1km，取樣重量約500g。樣品登記、保存與運輸嚴格按照《海洋監測規范第3部分：樣品的采集、貯存和運輸（GB17378.3—2007）》［19］中的相關要求執行，分析測試單位為國土資源部海洋地質實驗檢測中心。

1—海域；2—榮成序列威海單元花崗質片麻巖；3—航道；4—養殖區；5—取樣位置及編號。圖2" 研究區海底表層沉積物樣品位置分布圖

2.2" 測試方法

沉積物地球化學測試嚴格按照《海洋監測規范第5部分：沉積物分析（GB 17378.5—2007）》［19］、《海底沉積物化學分析方法（CB/T 20260—2006）》［20］相關規定和要求執行，分析項目包括常量組分和微量元素。常量組分包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、TiO2、P2O5、MnO等；微量元素包括As、Hg、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni、Co等。測試過程中，所有分析項目均設置空白樣和重復樣，用于質量控制的標準樣檢測結果與參考值吻合較好，相對偏差均小于5%，說明測試結果符合質量要求。

3" 結果與討論

3.1" 主要常量組分含量及分布特征

通過分析常量組分含量特征可知，Si、Al、Ca、K、Fe、Mg等元素的氧化物含量約占沉積物總量的70%以上。與我國淺海海域平均值相比，SiO2、CaO含量低于平均值，Al2O3、K2O、TFe2O3、MgO含量高于平均值（表1，圖3）。

SiO2是研究區表層沉積物中含量最高的組分，介于51.56%～60.08%之間，均大于50%，平均值為56.96%，略低于我國淺海沉積物中SiO2的平均含量。在區內分布較為均勻，變異系數較小，為0.04。高值區位于北部、南部近岸海域，低值區呈EW向條帶狀分布（圖4a）。

圖3" 研究區常量組分含量對比圖

Al2O3是研究區表層沉積物中含量次之的組分，介于13.96%～15.36%之間，平均值為14.81%，高于我國淺海沉積物中Al2O3的平均含量。在區內分布較為均勻，變異系數較小，為0.03。整體呈西高東低的態勢，即近岸海域含量較高（圖4b）。

CaO含量介于3.79%～7.92%之間，平均值為4.41%，略低于我國淺海沉積物中CaO的平均含量。在常量元素中變異系數較大，為0.23，分布較不均勻。整體呈西南低、東北高的態勢（圖4c）。

K2O含量介于3.04%～3.37%之間，平均值為3.20%，高于我國淺海沉積物中K2O的平均含量。在區內分布較為均勻，變異系數較小，為0.03。整體呈西南低、東北高的態勢（圖4d）。

TFe2O3含量介于5.09%～6.52%之間，平均值為5.90%，高于我國淺海沉積物中TFe2O3的平均含量。在區內分布較為均勻，變異系數較小，為0.08。整體呈東西高、南北低的態勢，呈條帶狀分布（圖4e）。

MgO含量介于2.46%～2.86%之間，平均值為2.68%，高于我國淺海沉積物中MgO的平均含量。在區內分布較為均勻，變異系數較小，為0.04。整體呈中間高、南北低的態勢，呈條帶狀分布（圖4f）。

3.2" 主要微量元素含量及分布特征

微量元素是指As、Hg、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、Ni等元素，在沉積物中的含量一般小于0.1%，是影響沉積物環境的重要組分，其含量均高于我國淺海沉積物平均值（表2）［2122］。

As元素含量介于9.86～12.80mg/kg之間，平均值為11.27mg/kg，高于我國淺海沉積物平均值，整體呈西高東低的態勢，即呈近岸向遠海逐漸降低的趨勢（圖5a）。

Hg元素含量介于0.057～0.092mg/kg之間，平均值為0.072mg/kg，高于我國淺海沉積物平均值約3倍，整體呈東高西低的態勢，含量多少與沉積物顆粒粗細相關，西部沉積物類型為砂質粉砂，粒徑粗，含量少；東部沉積物類型為粉砂，粒徑細，含量多（圖5b）。

Cd元素含量介于0.10～0.26mg/kg之間，平均值為0.18mg/kg，高于我國淺海沉積物平均值約3倍，整體呈南北低、東西高的態勢，高值區主要分布在西部近岸海域（圖5c）。

Cr元素含量介于72.00～91.60mg/kg之間，平均值為82.27mg/kg，高于我國淺海沉積物平均值，整體呈南北低、東西高的態勢，高值區主要分布在西部近岸海域以及東部養殖區周邊（圖5d）。

Cu元素含量介于25.20～39.40mg/kg之間，平均值為33.10mg/kg，高于我國淺海沉積物平均值約2倍，整體呈南北低、東西高的態勢，高值區主要分布在西部近岸海域以及東部養殖區周邊（圖5e）。

Pb元素含量介于29.20～96.30mg/kg之間，平均值為38.93mg/kg，高于我國淺海沉積物平均值約2倍，整體呈中間高、南北低的態勢，高值區主要分布劉公島碼頭周邊（圖5f）。

Zn元素含量介于84.50～138.00mg/kg之間，平均值為108.22mg/kg，高于我國淺海沉積物平均值近2倍，整體呈南北低、東西高的態勢，高值區主要分布在西部近岸海域以及東部養殖區周邊（圖5g）。

Ni元素含量介于27.00～37.40mg/kg之間，平均值為32.64mg/kg，高于我國淺海沉積物平均值，整體呈南北低、東西高的態勢，高值區主要分布在西部近岸海域以及東部養殖區周邊（圖5h）。

3.3" 討論

3.3.1" 粒度影響

沉積物粒度是控制其化學組成的一個重要因素，前人研究發現元素的含量與沉積物粒度變化息息相關，存在3種模式：一是隨沉積物粒度變細而降低，二是對沉積物粒度變細而升高，三是隨沉積物粒度變細先升后降［2223］。

通過研究區內表層沉積物常量、微量組分含量與平均粒徑相關性（圖6）可知，K2O、CaO、Hg等元素與平均粒徑Mz呈顯著負相關，即沉積物含量隨沉積物粒度變細而升高；Ni、Cu、Cr等元素與平均粒徑Mz呈顯著正相關，即沉積物含量隨沉積物粒度變細而降低，說明研究區表層沉積物地球化學元素含量符合“粒度效應”。

3.3.2" 入海河流影響

為進一步分析威海灣表層沉積物與我國淺海陸源碎屑物的相關性，本次通過富集系數K1的大小來比較元素的豐度，其中，K1=0.75～1.50為接近，K1＜0.75為貧化，K1＞1.50為富集［2324］。

富集系數K1計算公式（1）如下：K1=Cin/Cim（1）

式中：K1為富集系數；Cin為沉積物中元素i含量的實測值；Cim為中國淺海沉積物中元素i含量的環境背景值。

通過分析，研究區表層沉積物與我國淺海沉積物含量可知（圖7，表3），14個元素中豐度接近的有9個，占比64%；豐度富集的有5個，占比36%。另外，常量組分均呈接近狀態，說明研究區表層沉積物來源與我國淺海陸源碎屑物息息相關，具有明顯的“親陸性”；而微量元素基本呈富集狀態，說明其可能受人類工程活動影響。

圖6" 主要元素與平均粒徑（Mz）相關性

圖7" 元素豐度富集程度圖

3.3.3" 人類活動影響

研究區靜臥威海灣灣口，近年來，隨著“海洋強國”“海洋強省”等戰略的不斷推進，灣內港口建設、旅游觀光、增殖養殖等人類活動日趨增多，對海洋生態環境影響日益顯著。為分析人類工程活動對沉積物環境質量的影響，本次采用污染因子Cif來表示，計算公式（2）如下［2526］：

Cif=Cin/Cis（2）

式中：Cif為污染因子；Cin為沉積物中元素i含量的實測值；Cis為沉積物中元素i含量的環境背景值。

由于研究區無相應背景值可供參考，因此本次采用山東省東部沉積物元素含量作為環境背景值。

其中：Cif＜1，為低污染；1≤Cif＜3，為中等污染；3≤Cif＜6，為高度污染；Cif＞6，為極高污染。

由表4可知，常量元素的污染因子Cif基本在1左右，說明其受人類工程活動影響較??；微量元素的污染因子Cif基本大于1，說明人類工程活動對沉積物中重金屬含量影響較大，其中Hg影響最大，污染因子Cif值高達2.48［2425］。

4" 結論

（1）研究區表層沉積物中常量組分含量整體呈西南低、東北高的趨勢，與平均粒徑呈負相關關系，即沉積物含量隨沉積物粒度變細而升高。元素豐度呈接近狀態，說明常量組分含量多少與我國淺海陸源碎屑物息息相關，具有明顯的“親陸性”。

（2）研究區表層沉積物中微量元素含量整體呈西高東低的態勢，與平均粒徑呈正相關關系，即沉積物含量隨沉積物粒度變細而降低。元素豐度呈富集狀態，說明微量組分含量多少可能受人類工程活動影響。

（3）研究區表層沉積物含量與沉積物粒徑大小、入海碎屑物多少、人類工程活動強弱等息息相關。

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Geochemical Characteristics and Influencing Factors of Surface Sediments in Weihai Bay

YUAN Xingfang1， LI Hengmeng2， CHANG Baokun1， WANG Man1， LIU Chengru2， ZHAN Rongrong1， LI Fangzhou1

（1.No.6 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources， Shandong Weihai 264209， China；2.Shandong Hongfa Chemical Engineering Limited Corporation， Shandong Ji'nan 250100， China）

Abstract：Geochemical composition of surface sediments is restricted by material source， grain size and sedimentary environment. It has a great significance for understanding sediment sourcesink processes and paleoenvironmental evolution. In this paper， geochemical characteristics of surface sediments in Weihai bay have been systematically analyzed. It is showed that the content of major components in sediments is lower in southwest and higher in northeast. It is negatively correlated with the average particle size， and the element abundance is close. The content of trace elements in sediments is higher in the west and lower in the east. It is positively correlated with the average particle size， and the element abundance is enriched. In addition， by calculating the enrichment coefficient and pollution factors， it is found that the sediment content is related to the sediment particle size， detritus into the sea， human engineering activities and so on.

Key words：Surface sediments; distribution characteristics; influencing factors; Weihai bay