藍先洪,李日輝,張志珣,王中波,秦亞超,陳曉輝

國土資源部海洋環(huán)境與油氣地質重點實驗室,山東青島 266071; 青島海洋地質研究所,山東青島 266071

渤海東部與黃海北部表層沉積物的元素地球化學記錄

藍先洪,李日輝,張志珣,王中波,秦亞超,陳曉輝

國土資源部海洋環(huán)境與油氣地質重點實驗室,山東青島 266071; 青島海洋地質研究所,山東青島 266071

為研究渤海東部及黃海北部海域沉積物常量元素組成特征及與物源的關系,分析了該海域138個站位沉積物樣品的常量元素含量。渤海東部及黃海北部海域沉積物常量元素Al2O3、MgO、Na2O和TFe2O3分布基本相似; SiO2分布與Al2O3、MgO、Na2O和TFe2O3分布相反; Al2O3、MgO、TFe2O3、TiO2和Na2O等元素與細粒沉積物呈正相關,SiO2與粗粒沉積物呈正相關,CaO、CaCO3、MnO和K2O分布與沉積物粒度無明顯正或負的相關性; 北黃海東部K2O分布反映了鴨綠江物質的影響。R-型聚類分析得出3種組合類型,以MgO、CaO和K2O及MnO為代表,分別對應反映陸源細粒物質輸入、指示黃河和鴨綠江物質的影響和海洋自生作用。依據(jù)Q-型聚類分析特征,將調查海域沉積物劃分為4個不同的地球化學分區(qū),同時綜合分析得出了Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)的沉積物運移的路徑趨勢。K2O/CaO揭示黃河物質影響自南至北和自西向東呈逐漸減弱的趨勢,其中研究區(qū)西南部和北黃海中西部受黃河物質影響較強,北黃海東部沉積物更多受鴨綠江物質影響。

渤海東部; 黃海北部; 常量元素; 地球化學; 物源

渤海東部主要包括遼東灣東南部和渤海海峽,因水動力條件較強,屬于較強氧化環(huán)境(劉彬昌等,1992; 呂成功和陳真,1993); 遼東灣東南部水深從近20 m到40余m的范圍內急劇變化,形成了大范圍的波狀起伏地形,即潮流沙脊。黃海北部是現(xiàn)代黃河沉積物向外海擴散的通道,也是黃海暖流進入渤海的通道所在(Liu et al.,2007),水動力條件變化較大,物質來源復雜。

自20世紀80年代以來,在渤海東部和黃海北部地區(qū)分別開展了一些地球化學研究工作,在探討該地區(qū)沉積物元素分布、環(huán)境背景值和沉積分區(qū)等方面做了不少工作(中國科學院海洋研究所海洋地質研究室,1985; 秦蘊珊等,1989; 劉彬昌等,1992; 呂成功和陳真,1993; 趙一陽和鄢明才,1994; 李淑媛等,2010; Chen et al.,2013)。通過對渤海表層沉積物的CaO、MnO、Fe2O3、CaCO3和有機質等多種化學成分的模糊分析,渤海沉積物可大致劃分為三個地球化學區(qū)(劉彬昌等,1992); 分析了遼東半島西南及渤海中部海域沉積物重金屬潛在生態(tài)危害,評價了沉積物環(huán)境質量(李淑媛等,2010)。雖然近年來對渤海東部和黃海北部海域沉積物的地球化學分別作過相關報道,但這些研究主要針對渤海或北黃海西部區(qū)域,而且大部分集中于重金屬元素和環(huán)境質量評價方面的研究(李淑媛等,1994a; 李淑媛等,1994b; 陳江麟等,2004; 杜俊濤等,2010; 郭福星等,2011; 楊麗芝等,2013)。根據(jù)之前的研究,渤海黃河口物質在沿岸流的輸運下,能夠到達南黃海的西部區(qū)域(劉彬昌,1981; 秦蘊珊等,1989; 陳志華等,2000;藍先洪等,2005),因此,有必要將渤海東部及黃海北部海域進行連片分析,這樣更有助于了解該區(qū)域沉積物中常量元素沉積記錄及其黃河、鴨綠江等河口物質擴散范圍。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

青島海洋地質研究所于2008年7月和2009年7月用箱式取樣器在渤海東部和黃海北部海域進行了表層沉積物樣品采集,樣品采集方法按照《1:1 000 000海洋區(qū)域地質調查規(guī)范》(中國地質調查局,2009)執(zhí)行。樣品采集間距為20 km×20 km,箱式取樣厚度為25 cm,樣品重量不少于2 kg,取得樣品將裝入塑料袋,在塑料袋上標識上站位號和袋號,樣品袋密封保存。

1.2 分析測試

本次常量元素分析選擇了138個表層沉積物樣品(圖1,樣品間距為20 km×40 km),分析包括SiO2、Al2O3、TFe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、TiO2、P2O5、MnO、CaCO3和有機碳等12項。試樣(干樣)用混合熔劑熔融,加少量溴化鋰作為脫模劑,以硝酸銨為氧化劑,試樣與熔劑的重量比為1:12。在熔樣機上于1050℃熔融,制成玻璃樣片,用熔片法-X射線熒光光譜儀(XRF)測定SiO2、Al2O3、TFe2O3、CaO、K2O、Na2O、MgO、TiO2、P2O5和MnO含量。用容量法(VOL)測定有機碳。CaCO3含量分析將試樣加8％的乙酸溶液于沸水上加熱40 min后,濾液用等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)測定Ca的含量,然后換算成CaCO3。元素分析分別進行了若干樣品的重復分析與標樣分析,分析元素的相對誤差小于5％。元素測試由國土資源部海洋地質實驗測試中心完成。

圖1 渤海東部和黃海北部取樣站位分布圖Fig. 1 Locations of the sampling stations in eastern Bohai Sea and northern Yellow Sea

粒度分析預處理采用10％的H2O2去除有機質,處理后的樣品在英國M a l v e r n公司生產的Mastersizer 2000型激光粒度儀測定,儀器測量范圍0.02～2000 μm,粒級分辨率為0.01φ。對228個表層沉積物樣品進行了粒度分析,分析結果間隔為1/2～1/4φ。粒度分析測試由國土資源部海洋地質實驗測試中心完成。

2 結果

2.1 表層沉積物分布特征

依據(jù)Folk分類,研究區(qū)的表層沉積物主要為砂質粉砂、粉砂質砂、砂、粉砂。表層沉積物的平均粒徑(Mz)為1.9～7.4φ,大部分分布于4～6φ(圖2)。其中砂質粉砂和粉砂質砂分布較廣,砂質粉砂主要分布在研究區(qū)的中部和山東半島的東南部,平均粒徑在4.2～6.4φ之間變化; 粉砂質砂主要分布在研究區(qū)在渤海東部和北黃海西部,平均粒徑變化范圍較大,主要在2.3～5.1φ之間; 粉砂、黏土質粉砂和粉砂質黏土主要分布在南部、西北角和北黃海中部,平均粒徑在6.0～7.4φ之間。

圖2 表層沉積物的平均粒徑(φ)分布Fig. 2 Distribution of the mean grain-sizes of surface sediments (φ)

2.2 常量元素分布特征

由表1可見,研究區(qū)域常量元素主要由SiO2、Al2O3、TFe2O3、CaO、K2O、CaCO3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,其它含量較低,分別為: SiO2(64.66％)＞Al2O3(12.70％)＞TFe2O3(4.34％)＞CaCO3(4.30％)＞Na2O(3.31％)＞CaO(3.06％)＞K2O(2.85％)＞MgO(1.94％)＞TiO2(0.55％)＞P2O5(0.12％)＞MnO(0.08％),有機碳平均值為0.52％。標準差系數(shù)介于0.12～1.09之間,除CaO和CaCO3分散程度較大(標準差系數(shù)大于0.80)外,其他元素的標準差系數(shù)均小于0.70,反映不同站位常量元素含量差異較小。

表1 表層沉積物常量元素含量(wt％)統(tǒng)計Table 1 Statistical characteristics of major elements (wt％) in surface sediments

研究區(qū)常量元素含量與黃河、灤河、長江和鴨綠江沉積物含量比較(表2),沉積物常量元素豐度大多數(shù)介于黃河、長江、灤河、鴨綠江沉積物的豐度之間,反映出研究區(qū)沉積物的“親陸性”和物質來源的多源性; 研究區(qū)大部分常量元素的豐度與周邊河流沉積物中常量元素的豐度相比均無顯著的變化,僅在個別元素上有高低之分,如Al2O3、TFe2O3、MgO、Na2O、K2O等元素高于渤海地區(qū)的黃河和灤河沉積物含量,而K2O略低于鴨綠江沉積物含量,Na2O含量高于周邊河流沉積物Na2O含量。

表2 研究區(qū)與黃河、灤河、長江和鴨綠江沉積物常量元素含量(wt％)對比(據(jù)趙一陽和鄢明才,1994; 劉建國等,2007; 李家勝等,2010)Table 2 Correlation between the study area and the Yellow River,Luan River,Yangtze River,Yalu River in major element concentrations (wt％)(after ZHAO and YAN et al.,1994; LIU et al.,2007; LI et al.,2010)

各常量元素含量的空間分布圖研究表明(圖3,4): (1)表層沉積物SiO2的含量等值線分布與其它元素的分布趨勢差異很大,與其他元素基本為負相關;北黃海中西部和研究區(qū)的南部粉砂質區(qū)含量較低,在北黃海東部和渤海東部砂質區(qū)含量較高,其分布與砂質分布區(qū)相一致,反映出SiO2主要富集在粗顆粒組分中(圖2)。(2)表層沉積物Al2O3、TFe2O3、MgO、TiO2、Na2O和有機碳含量分布十分相似。在研究區(qū)這些元素含量從西部向中部含量增加,向東部又減少; 渤海東部向北含量增高; 北黃海中西部和研究區(qū)的南部為高值區(qū); 研究區(qū)東部和渤海海峽區(qū)域為低值區(qū)(圖3,4)。這些含量高值區(qū)與細粒級分布區(qū)基本一致,說明這些元素在較細的粉砂、黏土質組分富集(表3,圖5),黏土礦物是這些元素的最重要的載體。從整個研究區(qū)來看,Al2O3、TiO2、TFe2O3、MgO、P2O5和Corg等元素同粉砂、黏土呈正相關,即沉積物粒徑越細,則元素含量值也較高; 而SiO2元素與砂呈正相關(表3,圖5B)。(3)CaO含量的分布與CaCO3分布(圖4)基本上相一致,CaO的平面分布與其它元素具有很大的差異,其含量在研究區(qū)呈現(xiàn)出中部高南北低、西南高東北低的特點,可分為西南角與渤海海峽區(qū)域高值區(qū)和東部低值區(qū)(圖4),CaO、CaCO3含量在粉砂質砂中含量最高,Ca含量與沉積物粒度沒有明顯的相關關系(表3,圖5B)。具體可分為: ①渤海海峽和西南角沉積區(qū),CaCO3含量大于10％,最高可達35％; ②東部低值區(qū),CaCO3含量為0％～4％,含量向東逐漸減少; ③西北部低值區(qū),CaCO3含量為2％～4％,其含量向南逐漸增高。(4)K2O的平面分布與其它元素存在一定差異,在渤海海峽、北黃海中部、山東半島北部和東部海域含量分布較低,而在研究區(qū)東部、西北角和東南角含量較高(圖4)。K2O含量分布與黏土呈弱正相關,與砂和粉砂不具有相關性(表3,圖5A); K2O含量的低值區(qū)(小于2.8)分布在北黃海中部、山東半島北部和東部海域,并連成“U”字形分布。(5)MnO的平面分布與其它元素也明顯不同,其高值區(qū)主要分布在西北角和西南角(圖4),與其他常量元素和沉積物類型相關性也不強(表3,圖5A),說明MnO來源可能受到海源及陸源的共同影響。(6)由元素平面分布和相關分析表明(圖2,3,4,5和表3),研究區(qū)大多數(shù)常量元素的分布反映了“元素的粒度控制律”(趙一陽和鄢明才,1994),說明水動力對該區(qū)域元素的遷移及富集具有十分重要的作用。

圖3 Al2O3、SiO2、MgO、TiO2、TFe2O3和Na2O含量(wt％)等值線圖Fig. 3 Contour diagram of Al2O3,SiO2,MgO,TiO2,TFe2O3and Na2O values (wt％)

圖4 Corg、P2O5、CaCO3、CaO、K2O和MnO含量(wt％)等值線圖Fig. 4 Contour diagram of Corg,P2O5,CaCO3,CaO,K2O and MnO values (wt％)

3 討論

3.1 常量元素控制因素分析

聚類分析是一種多元統(tǒng)計方法,有助于分析和判別影響元素含量和分布特征的主要控制因素,在地球化學研究中可以揭示元素之間的相互關系,以利于確定元素的地球化學組合。使用PASS統(tǒng)計軟件,以138個站位的12項分析數(shù)據(jù)作為變量,進行了R-型聚類分析。

R-型聚類分析結果表明(圖6),初步可分成三個聚類。聚類1為CaO和CaCO3,該聚類主要受生物作用和黃河物質影響(趙一陽和鄢明才,1994)。這些元素的高含量一般出現(xiàn)在水動力活躍和生物活動頻繁的環(huán)境(方念喬等,2013)。聚類2為MgO、TFe2O3、Al2O3、Corg、TiO2和Na2O等組合,表現(xiàn)為與陸源碎屑有關的元素(孫林華等,2010)。聚類3為SiO2氧化物組成。

聚類1的CaO與CaCO3含量分布在研究區(qū)呈現(xiàn)出中部高南北低、西南高東北低的特點,說明研究區(qū)Ca含量分布與黃河供給物質有關(中國科學院海洋研究所海洋地質室,1985; 秦蘊珊等,1989; 趙一陽和鄢明才,1994); 聚類2中的Ti與Al、Fe和Mg等構成一個亞聚類,反映了Ti和這些元素關系密切,這可能是Ti有部分作為重礦物組分存在于粉砂中(表3,圖5A)。K和Mn作為一個單點群,說明K和Mn部分為親Al元素一起存在于黏土中,但其又有其自身的不同來源,如北黃海東部K2O高含量分布反映了鴨綠江物質對研究區(qū)的影響(表2; 李家勝等,2010),而MnO作為一個單點群,主要反映了生物化學和自生沉積作用控制(趙一陽和鄢明才,1994; 徐立恒等,2009)。

SiO2為單一個聚類,與聚類1和聚類2中的元素呈負相關,與砂呈正相關(表3,圖5B)。

表3 常量元素、有機碳和沉積物類型間的相關關系Table 3 Correlation coefficients between values of major elements,Corg and sediment types

圖5 K2O、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、CaCO3與平均粒徑φ值的相關圖Fig. 5 Correlation between K2O,MnO,TiO2,SiO2,Al2O3,CaCO3and average grain diameters(φ)

圖6 常量元素R-型聚類分析Fig. 6 R-mode cluster analysis of major elements

3.2 沉積物元素地球化學分區(qū)

依據(jù)該區(qū)域所分析138個站位元素地球化學數(shù)據(jù)的Q-型聚類分析(用PASS統(tǒng)計軟件,沒有考慮其他因素,主要依據(jù)138個站位1656個化學數(shù)據(jù)),可將研究區(qū)域劃分為4個地球化學分區(qū)(圖7)。4個區(qū)域的常量元素數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析(表4)表明,Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)Si含量較高、Al含量較低,反映沉積物主要以粗粒徑的砂質為主,與這兩區(qū)域主要分布于渤海東部和北黃河東部砂質區(qū)是一致的; Ⅰ區(qū)常量元素以高K、低Ca和Ti為特點,而Ⅲ區(qū)常量元素以較高Ca、低Na為特點,說明Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)具有不同物質來源。Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)Si含量較低、Al含量較高,反映沉積物主要以細粒沉積物為主,與這兩區(qū)域主要分布于渤海泥質區(qū)北端和山東半島東部及東南部泥質區(qū)是一致的。Ⅱ區(qū)常量元素以高Ca、低K為特點,而Ⅳ區(qū)常量元素以高Fe、Ti、K、Na、Mg和較低Ca為特點,說明Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)所在海域沉積物來源應具有自身的特點。

Ⅰ區(qū)區(qū)域范圍為北緯36°50′—39°00′、東經122°00′以東區(qū)域,位于大連以東遼南海岸向南的廣闊海域,分布于研究區(qū)的北黃海東部,與應用模糊目標函數(shù)的聚類算法所劃分黃海沉積物地球化學分區(qū)的Ⅰ區(qū)區(qū)域相近(劉彬昌和盧中發(fā),1991)。該區(qū)的特點是低含量CaCO3、CaO、有機碳和高含量SiO2、K2O(表4),CaO含量高于CaCO3含量可能因為相當一部分CaO賦存于硅酸鹽如長石中,而鴨綠江口及鄰近淺海沉積物中長石含量較高(程巖等,2010); 本區(qū)沉積物中CaCO3含量低和K2O含量高與流入該區(qū)域河流含量低有關,如鴨綠江河口沉積物中Ca平均含量只有0.77％,而K平均含量為2.81％(李家勝等,2010),因此該區(qū)域沉積物來源及分布主要受鴨綠江水系物源控制。由于受到該區(qū)域遼東沿岸流的影響(韋欽勝等,2011; Chen et al.,2013),鴨綠江入海物質主要向西南部輸送,少部分向南輸送(圖7)。

表4 Q-型聚類分析劃分的各地球化學分區(qū)常量元素含量(％)Table 4 Geochemical subareas of the major elements from the Q-mode cluster analysis (％)

圖7 地球化學分區(qū)及沉積物輸運路徑圖Fig. 7 Geochemical subareas and the transport route of the sediments

Ⅱ區(qū)位于山東半島北部、東部及東南部,包括了北黃海和南黃海的兩個沉積中心,所以沉積物中SiO2含量較低、而有機碳和Al2O3含量則較高。地球化學特征表現(xiàn)以高CaCO3、CaO、Na2O,低K2O為特點,說明Ⅱ區(qū)沉積物主要來自于黃河和古黃河物質,黃河物質具有高Ca、Na的特點(藍先洪等,2007)。北黃海西部沉積物的輸運趨勢首先向東南,然后轉向東,北部沉積物的輸運趨勢向南,形成了向北黃海中部匯聚(程鵬和高抒,2000)。該區(qū)沉積物由于受到萊州灣環(huán)流、海峽內潮流、黃海西部沿岸流及山東南部沿岸東北向流等影響,黃河輸入的沉積物等經渤海海峽一部分在山東半島北岸近海和北黃海中部氣旋型渦流區(qū)發(fā)生沉積(趙保仁等,1995; 韋欽勝等,2011),一部分繞過成山頭進入南黃海繼續(xù)南下(藍先洪等,2005)。

Ⅲ區(qū)位于遼東灣東南部,分布于研究區(qū)的西北部。與渤海沉積物地球化學分區(qū)Ⅰ區(qū)的渤海東部區(qū)域相近(劉彬昌等,1992)。該區(qū)域元素組合特征除NaO、KO和有機碳含量較低外,其他常量元素含量介于上述兩個區(qū)域含量之間(表4)。這種分布特點與所處的地理位置和沉積類型息息相關。渤海東部沒有大的河流入海,陸源物質影響小,岸邊多為基巖,是進入黃渤海海水的主要通道; 遼東灣中部正是海流和沿岸流作用強、波浪和潮汐很活躍的地區(qū)(韋欽勝等,2011),造成常量元素含量低的主要原因是水動力強和沉積物粗化(劉彬昌等,1992)。Ⅲ區(qū)北部物質來源于遼河沿渤海東岸在東部環(huán)流的作用下向遼東灣南部輸送(趙保仁等,1995),東部局部區(qū)域物質受到遼東灣東岸的沿岸沖刷及復州河物質影響,這些物質含較高石榴子石和鈦鐵礦等穩(wěn)定礦物(陳麗蓉等,1980),而南部物質主要來自潮流侵蝕渤海海峽物質,大多在強漲潮流作用下從渤海海峽北部進入渤海(劉振夏等,1994)。

Ⅳ區(qū)區(qū)域范圍為北緯38°50′—40°00′、東經120°00′—120°40′,分布于研究區(qū)的西北部,位于六股河以南渤海中部泥質區(qū)北端(圖7),因此沉積物中SiO2含量低、而Al2O3含量高,以細粒沉積物為主。地球化學特征表現(xiàn)以高TFe2O3、TiO2、MnO、K2O、Na2O,低CaCO3為特點(表4)。渤海中部水較深(20～25 m),處在與沿岸流和黃海水團作用邊緣,其泥質沉積區(qū)是由遼河、六股河攜帶細粒物質隨海流和潮流向外擴散形成的(劉彬昌等,1992)。渤海泥質區(qū)北部受灤河物質作用相對較強,而灤河沉積物中Na元素含量高(劉建國等,2007)。遼河特征礦物鉀長石分布在遼東灣北部區(qū)域,并主要沿東岸向渤海南部輸送,六股河特征礦物磁鐵礦主要沿渤海西岸向遼東灣中部輸運(陳麗蓉等,1980; 趙保仁等,1995)。因此Fe、K、Na、Ti、P等元素含量高是陸地巖石經風化作用后,由河流攜帶所含這些元素在水動力相對穩(wěn)定的細粒沉積區(qū)沉積下來,形成了相應較高含量(劉彬昌等,1992)。

3.3 物源分析

渤海表層沉積物化學分析已經揭示出Ca能夠作為黃河物質輸送的重要指示元素之一(呂成功和陳真,1993),因此國內外學者均廣泛依據(jù)黃河沉積物中Ca或碳酸鹽含量高的特征來識別黃河物質在海區(qū)的擴散和分布(秦蘊珊等,1989; 陳志華等,2000; 藍先洪等,2005,2014)。表2數(shù)據(jù)表明黃河、長江全巖沉積物的CaO或碳酸鹽含量顯著大于灤河、鴨綠江沉積物,這顯示在黃海沉積物物源判別中,CaO或碳酸鹽可以作為一個示蹤指標來區(qū)分周邊河流沉積物的相對貢獻。

本文研究也表明研究區(qū)沉積物的CaO或碳酸鹽含量呈現(xiàn)出中部高南北低、西南高東北低的特點,研究區(qū)可分為西南角與渤海海峽區(qū)域高值區(qū)和東部低值區(qū)(圖4),大連以南的渤海海峽局部高值區(qū)除受生物碎屑對總碳酸鹽含量的貢獻可能較大外(劉彬昌,1981),高值區(qū)沉積物主要以黃河來源的陸源物質為主(陳志華等,2000; 藍先洪等,2005;藍先洪等,2007)。由于黃海沿岸流和潮流等影響,該區(qū)沉積物侵蝕與改造強烈,黃海沿岸流的增強可能導致輸送的懸浮體粒度變粗; 同時,侵蝕沉積物在黃海陸架的搬運和再沉積使得南黃海西北部海區(qū)均不同程度帶有黃河沉積的特征(陳志華等,2000)。山東半島沿岸較高含量區(qū)恰好與源于黃河CaCO3含量豐富的渤海南部沿岸流影響的范圍相吻合(劉彬昌,1981)。因此用CaO、CaCO3來識別黃河沉積物在研究區(qū)的擴散和分布可信度較高(圖7)。

研究區(qū)沉積物K2O含量分布的高值區(qū)(大于0.30)呈南北向分布(圖4)。鴨綠江河流沉積物K2O含量比較高(表2),這與朝鮮半島的河流、中朝準地臺花崗巖以及朝鮮半島花崗巖中的含量比較接近(李家勝等,2010); K2O與沉積物粒度呈弱相關(表3,圖5A),沉積物粒度控制較低,其分布主要受物源控制,因此可以作為識別鴨綠江物質的可靠標志之一。K2O在研究區(qū)東部為高值區(qū)分布,可能反映了鴨綠江對北黃海物質來源所起的作用,揭示了鴨綠江物質的運移方向。鴨綠江沉積物的K2O/CaO比明顯高于黃河、長江、灤河沉積物的值(表2),圖8進一步表明,鴨綠江提供的物質導致北黃海中東部K2O含量為高值區(qū),其分布同時反映了鴨綠江物質在海區(qū)的擴散和運移,這與北黃海東部更多地受鴨綠江物質作用的結論(李家勝等,2010)是一致的。K2O含量和K2O/CaO在該區(qū)域呈現(xiàn)向西南降低趨勢(圖8),其空間分布及含量變化較好反應了鴨綠江陸源物質的沉積范圍及運移的路徑趨勢(圖7)。

渤海東部北部物質常量元素含量表現(xiàn)為以高TFe2O3、TiO2、K2O、MnO、Na2O,較低CaCO3,可能反映了六股河、遼河等河流物質對該區(qū)域的影響(趙保仁等,1995)。遼東灣東側的雙臺子河、大遼河和復州河中普通角閃石含量高、金屬礦物含量低,而遼東灣西側的六股河、小凌河和大凌河則相反,周邊河流碳酸鹽礦物含量很低(王利波等,2013)。因此研究區(qū)西北角含有較高Fe、Ti的物質主要來源于遼東灣西岸河流物質。Mn含量與周邊沿岸河流沉積物中Mn含量存在明顯差異(劉建國等,2007),且主要為自生成因,代表海洋自生作用。

圖8 K2O/CaO比等值線圖Fig. 8 Contour diagram of the K2O/CaO ratios

遼東灣東南部由老鐵山水道潮流侵蝕區(qū)、遼東淺灘潮流沙脊區(qū)和渤中淺灘潮流沙席區(qū)組成。該區(qū)因水動力條件較強,沉積物顆粒粗,多為細砂、砂和礫石,本區(qū)屬于較強的氧化環(huán)境(呂成功和陳真,1993)。潮流對水道進行強烈的沖刷,侵蝕下來的物質隨流運動,物質凈運移沿漲潮流方向,大多進入渤海。漲潮流進入渤海后發(fā)生兩個變化: 一是流向向北和西北方向偏轉,二是流速逐漸降低,導致潮流的輸沙能力亦逐漸減小,所攜帶的物質逐步堆積,在渤海內形成漲潮流三角洲,即渤中淺灘和遼東淺灘(劉振夏等,1994)。

4 結論

1)渤海東部及黃海北部海域沉積物常量元素Al2O3、MgO、Na2O和TFe2O3分布基本相似; SiO2分布與Al2O3、MgO、Na2O和TFe2O3分布相反。Al2O3、MgO、TFe2O3、TiO2和Na2O等元素主要分布在細粒沉積區(qū),SiO2分布于粗粒沉積區(qū)域。研究區(qū)CaO分布和北黃海東部K2O分布分別反映了黃河與鴨綠江物質對研究區(qū)的影響。

2)相關性分析發(fā)現(xiàn)Al2O3、MgO、Na2O、TFe2O3與TiO2具有較好的相關性,受陸源物質輸入的影響較大; CaO、CaCO3與大多數(shù)元素為負相關,反映了鈣質生物和黃河來源; MnO與大多數(shù)元素相關性不明顯,反映了其來源的復雜性。

3)運用R-聚類分析,可將本區(qū)沉積物中化學成分分為以下幾類: 其一以MgO為代表,與黏土組分關系密切,反映陸源細粒物質輸入; 其二以CaO和K2O為代表,指示黃河和鴨綠江物質影響; 其三以MnO為代表,與海洋自生作用密不可分。

4)依據(jù)Q-型聚類分析特征,將調查區(qū)域沉積物劃分為4個不同的地球化學分區(qū),同時綜合分析得出了Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)沉積物運移的路徑趨勢。K2O/CaO揭示黃河物質影響自南至北和自西向東呈逐漸減弱的趨勢,其中研究區(qū)西南部和北黃海中西部受黃河物質影響較強,北黃海東部沉積物更多受鴨綠江物質的影響。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (Nos. 41206053 and 41330964) and China Geological Survey (Nos. GZH200800501,GZH201400205 and GZH201400206).

陳江麟,劉文新,劉書臻,林秀梅,陶澍. 2004. 渤海表層沉積物重金屬污染評價[J]. 海洋科學,28(12): 16-20.

陳麗蓉,欒作峰,鄭鐵民,徐文強,董太祿. 1980. 渤海沉積物中的礦物組合及其分布特征的研究[J]. 海洋與湖沼,11(1): 46-64.

陳志華,石學法,王相芹. 2000. 南黃海表層沉積物碳酸鹽及Ca、Sr、Ba分布特征[J]. 海洋地質與第四紀地質,20(4): 9-16.

程鵬,高抒. 2000. 北黃海西部海底沉積物的粒度特征和凈輸運趨勢[J]. 海洋與湖沼,31(6): 604-615.

程巖,劉月,李富祥,劉敬偉,張亮,高建華. 2010. 鴨綠江口及鄰近淺海碎屑礦物特征與物源辨識[J]. 地理研究,29(11): 1950-1960.

杜俊濤,陳洪濤,田琳. 2010. 北黃海表層沉積物中重金屬含量及其污染評價[J]. 中國海洋大學學報,40(S1): 167-172.

方念喬,劉豪,李琦,張維,丁旋. 2013. 南海新生代碳酸鹽沉積與區(qū)域構造演化[J]. 地學前緣,20(5): 227-234.

郭福星,呂頌輝,滕德強,江濤焦,澤鵬. 2011. 黃海表層沉積物中重金屬的分布特征與生態(tài)風險評價[J]. 安徽農業(yè)科學,39(15): 9212-9216.

藍先洪,張訓華,張志珣. 2005. 南黃海沉積物的物質來源及運移研究[J]. 海洋湖沼通報,4: 53-60.

藍先洪,王紅霞,李日輝,林振宏,張志珣. 2007. 南黃海沉積物常量元素組成與物源分析[J]. 地學前緣,14(4): 197-203.

藍先洪,張志珣,王中波,陳曉輝. 2014. 東海外陸架晚第四紀沉積物的稀土元素組成及物源示蹤[J]. 地球學報,35(3): 305-313.

李家勝,高建華,李軍,王珍言,嚴杰,白鳳龍,程巖. 2010. 鴨綠江河口沉積物元素地球化學及其控制因素[J]. 海洋地質與第四紀地質,30(1): 25-31.

李淑媛,劉國賢,苗豐民. 1994a. 渤海沉積物中重金屬分布及環(huán)境背景值[J]. 中國環(huán)境科學,14(5): 370-376.

李淑媛,苗豐民,劉國賢. 1994b. 北黃海沉積物中重金屬分布及環(huán)境背景值[J]. 黃渤海海洋,12(3): 20-24.

李淑媛,苗豐民,趙全民,趙建華,王偉偉. 2010. 遼東半島西南及渤海中部海域表層沉積物的地球化學[J]. 海洋地質與第四紀地質,30(4): 123-130.

劉彬昌. 1981. 黃海沉積物中碳酸鈣的初步研究[J]. 海洋湖沼通報,2: 20-25.

劉彬昌,盧中發(fā). 1991. 黃海沉積物的地球化學分區(qū)[J]. 海洋學報,13(2): 214-220.

劉彬昌,盧中發(fā),張守法. 1992. 渤海沉積物地球化學分區(qū)的模糊分析[J]. 海洋與湖沼,23(5): 261-265.

劉建國,李安春,陳木宏,徐方建. 2007. 全新世渤海泥質沉積物地球化學特征[J]. 地球化學,36(6): 559-568.

劉振夏,夏東興,湯毓祥,王揆祥. 1994. 渤海東部全新世潮流沉積體系[J]. 中國科學(B輯),24(12): 1331-1338.

呂成功,陳真. 1993. 渤海表層沉積物地球化學分析[J]. 青島海洋大學學報,23(3): 9-18.

秦蘊珊,趙一陽,陳麗蓉,趙松齡. 1989. 黃海地質[M]. 北京:海洋出版社.

孫林華,桂和榮,陳松,馬艷平,王桂梁. 2010. 皖北新元古代賈園組混積巖物源和構造背景的地球化學示蹤[J]. 地球學報,31(6): 833-842.

王利波,李軍,趙京濤,翟濱. 2013. 遼東灣周邊河流沉積物碎屑礦物組成及其物源意義[J]. 沉積學報,31(4): 663-671.

韋欽勝,于志剛,冉祥濱,臧家業(yè). 2011. 黃海西部沿岸流系特征分析及其對物質輸運的影響[J]. 地球科學進展,26(2): 145-155.

徐立恒,陳踐發(fā),李玲,馬廣宇,劉鈺丹. 2009. 普光氣藏長興—飛仙關組碳酸鹽巖 C、O同位素、微量元素分析及古環(huán)境意義[J]. 地球學報,30(1): 103-110.

楊麗芝,曲萬龍,張勇,劉春華. 2013. 基于水化學組分和環(huán)境同位素信息探討山東德州深層承壓地下水起源[J]. 地球學報,34(4): 463-469.

趙保仁,莊國文,曹德明. 1995. 渤海的環(huán)流、潮余流及其對沉積物分布的影響[J]. 海洋與湖沼,26(5): 466-473.

趙一陽,鄢明才. 1994. 中國淺海沉積物地球化學[M]. 北京: 科學出版社．

中國地質調查局. 2009. 1:1 000 000海洋區(qū)域地質調查規(guī)范(DZ/T0247–2009)[S]. 北京: 中國標準出版社.

中國科學院海洋研究所海洋地質研究室. 1985. 渤海地質[M].北京: 科學出版社.

CHEN Jiang-lin,LIU Wen-xin,LIU Shu-zhen,LIN Xiu-mei,TAO Shu. 2004. An evaluation on heavy metal contamination in the surface sediments in Bohai Sea[J]. Marine Sciences,28(12): 16-20(in Chinese with English abstract).

CHEN Li-rong,LUAN Zuo-feng,ZHEN Tie-min,XU Wei-qiang,DONG Tai-lu. 1980. Mineral assemblages and their distribution patterns in the sediments of the gulf of Bohai Sea[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica,11(1): 46-64(in Chinese with English abstract).

CHEN Xiao-hui,LI Tie-gang,ZHANG Xun-Hua,LI Ri-hui. 2013. A Holocene Yalu River-derived fine-grained deposit in the southeast coastal area of the Liaodong Peninsula[J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology,31(3): 636-647.

CHEN Zhi-hua,SHI Xue-fa,WANG Xiang-qin. 2000. Distribution characteristics of carbonate as well as Ca,Sr and Ba in the surface sediments in the South Yellow[J]. Marine Geology and Quaternary Geology,20(4): 9-16(in Chinese with English abstract).

CHENG Peng,GAO Shu. 2000. Net sediment transport patterns over the northwestern Yellow Sea,based upon grain size trend analysis[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica,31(6): 604-615(in Chinese with English abstract).

CHENG Yan,LIU Yue,LI Fu-xiang,LIU Jing-wei,ZHANG Liang,GAO Jian-hua. 2010. Detrital mineral characteristics and material source identification in surface sediments of Yalu River estuary and adjacent waters[J]. Geographical Research,29(11): 1950-1960(in Chinese with English abstract).

China Geological Survey. 2009. Specifications for regional marine geological survey(scale:1:1 000 000)[S]. Beijing: China Standards Press(in Chinese).

DU Jun-tao,CHEN Hong-tao,TIAN Lin. 2010. Heavy metals in the surface sediments of the North Yellow Sea and its ecological risk[J]. Periodical of Ocean University of China,40(S1): 167-172(in Chinese with English abstract).

FANG Nian-qiao,LIU Hao,LI Qi,ZHANG Wei,DING Xuan. 2013. The pattern of carbonate sedimentation and its relation to the evolution of the South China Sea in Cenozoic[J]. Earth Science Frontiers,20(5): 227-234(in Chinese with English abstract).

GUO Fu-xing,LU Song-hui,TENG De-qiang,JIANG Tao-jiao,ZHE Peng. 2011. Distribution patterns and evaluation on potential ecological risk of heavy metals in surface sediments of the Yellow Sea[J]. Journal of Anhui Agri.Sci.,39(15): 9212-9216(in Chinese with English abstract).

Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences. 1985. Geology of the Bohai Sea[M]. Beijing: Science Press(in Chinese).

LAN Xian-hong,WANG Hong-xia,LI Ri-hui,LIN Shen-hong,ZHANG Zhi-xun. 2007. Major elements composition and provenance analysis in the sediments of the South Yellow Sea[J]. Earth Science Frontiers,14(4): 197-203(in Chinese with English abstract).

LAN Xian-hong,ZHANG Xun-hua,ZHANG Zhi-xun. 2005. Material sources and transportation of sediments in the Southern Yellow Sea[J]. Transactions of Oceanology and Limnology,(4): 53-60(in Chinese with English abstract).

LAN Xian-hong,ZHANG Zhi-xun,WANG Zhong-bo,CHEN Xiao-hui. 2014. Distribution of rare earth elements in Late Quaternary sediments on the outer shelf of the East China Sea and their source tracing[J]. Acta Geoscientica Sinica,35(3): 305-313(in Chinese with English abstract).

LI Jia-sheng,GAO Jian-hua,LI Jun,WANG Zhen-yan,YAN Jie,BAI Feng-long,CHENG Yan. 2010. Distribution and controlling factors of major elements in sediments of the Yalu River estuary[J]. Marine Geology ＆Quaternary Geology,30(1): 25-31(in Chinese with English abstract).

LI Shu-yuan,LIU Guo-xian,MIAO Feng-min. 1994a. The distribution and environmental background values of the heavy metals in sediment of the Bohai Sea[J]. China Environmental Science,14(5): 370-376(in Chinese with English abstract).

LI Shu-yuan,MIAO Feng-min,LIU Guo-xian. 1994b. The distribution and environmental background values of the heavy metals in the sediment of the North Huanghai Sea[J]. Journal of Oceanography of Huanghai and Bohai Seas,12(3): 20-24(in Chinese with English abstract).

LI Shu-yuan,MIAO Feng-min. ZHAO Quan-min,ZHAO Jian-hua,WANG Wei-wei. 2010. Geochemistry of surface sediments off southwest Liaodong Peninsula and in Min-Bohai Sea[J]. Marine Geology＆Quaternary Geology,30(4): 123-130(in Chinese with English abstract).

LIU Bin-chang. 1981. Primary research of calcium carbonate in the sediments of the Yellow Sea[J]. Transactions of Oceanology and Limnology,(2): 20-25(in Chinese with English abstract).

LIU Bin-chang,LU Zhong-fa. 1991. Geochemical suarea of in sediments in North Yellow Sea[J]. Acta Oceanol Sinica,13(2): 214-220(in Chinese).

LIU Bin-chang,LU Zhong-fa,ZHANG Shou-fa. 1992. Fuzzy analysis of geochemical division sediments collected from the Bohai Sea[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica,23(5): 261-265(in Chinese with English abstract).

LIU Jian,YOSHIKI Saito,WANG Hong,YANG Zi-geng,REI NAKASHIMA. 2007. Sedimentary evolution of the Holocene subaqueous clinoform off the Shandong Peninsula in the Yel-low Sea[J]. Marine Geology,236: 165-187.

LIU Jian-guo,LI An-chun,CHEN Mu-hong,XU Fang-jian. 2007. Geochemical characteristics of sediments in Bohai Sea mud area during Holocene[J]. Geochimica,36(6): 559-568(in Chinese with English abstract).

LIU Zhen-xia,XIA Dong-xing,TANG Yu-xiang,WANG Kui-xiang. 1994. Tidal deposition pattern in east part of the Bohai Sea during the Holocene[J]. Science in China: Series B,24(12): 1331-1338(in Chinese).

LU Chen-gong,CHEN Zhen. 1993. Geochemical analysis of the surface Sediments of the Bohai sea[J]. Periodical of Ocean University of Qingdao,23(3): 9-18(in Chinese with English abstract).

QIN Yun-shan,ZHAO Yi-yang,CHEN Li-rong,ZHAO Song-ling. 1989. Geology of the Yellow Sea[M]. Beijing: Ocean Press(in Chinese).

SUN Lin-hua,GUI He-rong,CHEN Song,MA Yan-ping,WANG Gui-liang. 2010. Provenance and tectonic setting of the Neoproterozoic Diamictites from Jiayuan Formation in northern Anhui Province: Evidence from geochemical study[J]. Acta Geoscientica Sinica,31(6): 833-842(in Chinese with English abstract).

WANG Li-bo,LI Jun,ZHAO Jing-tao,ZHAI Bin. 2013. Detrital Minerals in the Surrounding River Sediments,Liaodong Bay,Bohai Sea: Composition and its Geological Significance[J]. Acta Sedimentologica Sinica,31(4): 663-671(in Chinese with English abstract).

WEI Qin-sheng,YU Zhi-gang,RAN Xiang-bin,ZANG Jia-ye. 2011. Characteristics of the Western Coastal Current of the Yellow Sea and Its impacts on material transportation[J]. Advances in Earth in Earth Science,26(2): 145-155(in Chinese with English abstract).

XU Li-heng,CHEN Jian-fang,LI Ling,MA Guang-yu,LIU Yu-dan. 2009. Carbon,oxygen isotope and trace element characteristics of carbonate rocks in Changxin-Feixianguan Formation of Puguang gas pool and its palaeoenvironment significance[J]. Acta Geoscientica Sinica,30(1): 103-110(in Chinese with English abstract).

YANG Li-zhi,QU Wan-long,ZHANG Yong,LIU Chun-hua. 2013. A discussion on deep groundwater origin of Dezhou in Shandong Province based on water chemical composition and environmental isotopic information[J]. Acta Geoscientica Sinica,34(4): 463-469(in Chinese with English abstract).

ZHAO Bao-ren,ZHUANG Guo-wen,CAO De-ming. 1995. Circulation,tidal residual currents and their effects on the sedimentations in the Bohai Sea[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica,26(5): 466-473(in Chinese with English abstract).

ZHAO Yi-yang,YAN Ming-cai. 1994. Geochemistry of sediments of the China shelf Sea[M]. Beijing: Science Press(in Chinese).

Element Geochemistry Records of Surface Sediments in the East of the Bohai Sea and the Northern Yellow Sea

LAN Xian-hong,LI Ri-hui,ZHANG Zhi-xun,WANG Zhong-bo,QIN Ya-chao,CHEN Xiao-hui
Key Laboratory of Marine Hydrocarbon Resource and Environmental Geology,Ministry of Land and Resources,Qingdao,Shandong 266071; Qingdao Institute of Marine Geology,Qingdao,Shandong 266071

The major element abundances of the sediment samples collected from 138 stations were analyzed with the purpose of studying the distribution of the major elements in the sediments and their relations with the provenance in the east part of the Bohai Sea and the northern Yellow Sea. The Al2O3,MgO,Na2O and TFe2O3have similar distribution patterns,whereas SiO2is negatively correlated with these oxides in the east part of Bohai Sea and the northern Yellow Sea. The Al2O3,MgO,TFe2O3,TiO2and Na2O elements are positively correlated with the fine-grained sediments,and SiO2is positively correlated with coarse-grained sediments; there is no significant positive or negative correlation between CaO,CaCO3,MnO and K2O distribution and grain sizes of sediments; the K2O distribution in the eastern part of the North Yellow Sea reflects the impact of the Yalu River material. R-mode cluster analysis indicates three combinations of types that are represented by MgO,CaO and K2O,MnO,respectively,reflecting the input of terrigenous fine-grained material,the impact of the Yellow River and the Yalu River substances,and marine authigenesis,respectively. According to the Q-mode cluster analysis,the geochemical characteristics of the investigation area are divided into four different sediment geochemical subareas. In addition,the authors also obtained the sediment transport trends and routes in theⅠ,Ⅱ,Ⅲ andⅣ regions. K2O/CaO ratios show that the effect of the Yellow River substances is gradually weakened from thesouth to the north and from the west to the east,the sediments in the southwest of the study area and in the middle-west parts of the North Yellow are strongly impacted by the Yellow River substances,and the sediments in the east of the North Yellow Sea are more seriously affected by the Yalu River substances.

eastern Bohai Sea; northern Yellow Sea; major elements; geochemistry; provenance

P736.4; P595

A

10.3975/cagsb.2015.06.04

本文由國家自然科學基金項目(編號: 41206053; 41330964)和國土資源大調查項目(編號: GZH200800501; GZH201400205; GZH201400206)聯(lián)合資助。

2015-04-22; 改回日期: 2015-07-06。責任編輯: 閆立娟。

藍先洪,男,1958年生。研究員。主要從事沉積地球化學和海洋地質研究。E-mail: lanxh@qingdaonews.com。