渤海南部 Lz908孔海陸交互沉積的粒度特征及其對沉積環(huán)境的指示

李 琰 ,于洪軍,易 亮, ,蘇 喬, ,胡 克徐興永,王 建

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)海洋學(xué)院,北京 100083;2.國家海洋局第一海洋研究所,海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國家海洋局重點實驗室,山東 青島 266061;3.中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所,黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點實驗室,陜西 西安 710075;4.中國海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266100)

海岸帶的發(fā)育過程受海陸多種因素的影響,交互作用十分復(fù)雜,對應(yīng)的海岸形態(tài)也錯綜復(fù)雜[1]。因沉積環(huán)境與沉積物的組成、形態(tài)和沉積顆粒特征有很好的對應(yīng)關(guān)系[2],海岸帶沉積物特征對海岸帶的發(fā)育過程具有指示意義。對沉積物進(jìn)行粒度分析,可以了解物源關(guān)系、沉積物屬性、沉積環(huán)境,可以幫助人們更好地認(rèn)識沉積物的巖性、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等。

粒度在對不同地區(qū)不同成因的沉積物成因的研究中有很好的應(yīng)用[3-9]。其中最典型的應(yīng)用是利用黃土推演第三紀(jì)以來的環(huán)境變化[10-15];此外,在海洋沉積物的研究中也有著良好的效果[16-23]。渤海作為一個新生代沉降盆地,沉積了厚達(dá) 2 000～3 000 m的湖相、河流相、海相等多種沉積環(huán)境地層,為研究東亞季風(fēng)歷史、內(nèi)陸干旱化的海洋角色、海陸交互影響以及古人類活動等重要問題提供了豐富的地質(zhì)材料。然而,在過去 30多年中,并未對蘊(yùn)涵著大量環(huán)境信息的沉積物粒度指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)而深入的研究。因此,本文利用新近獲取的Lz908鉆孔的粒度資料,運(yùn)用粒度特征的分析方法,對上部54 m海陸交互相沉積物進(jìn)行粒度象圖、粒度指數(shù)、粒度參數(shù)、判別分析特征進(jìn)行歸納總結(jié),并結(jié)合前人研究,提取其中的沉積環(huán)境信息,探討其沉積環(huán)境的演化。

1 區(qū)域背景

萊州灣南岸地處山東中北部,東與煙臺市接壤,西部與東營市隔河相望。區(qū)內(nèi)地形自南向北由高到低,地勢平坦廣闊,地形坡度為 1/3000,海拔標(biāo)高2～7 m,屬濱海堆積平原地貌。自南而北的地貌類型依次為沖洪積平原、河海積平原和海積平原。萊州灣南岸主要為緩慢淤進(jìn)或沖(堆)積的粉砂、淤泥質(zhì)海岸,潮間帶面積233.845 km2。區(qū)內(nèi)分布彌河、濰河、白浪河、膠萊河等入海河流。為淤泥質(zhì)堆積海岸,河流堆積顯著,沿岸形成寬闊沼澤、鹽堿灘地,水下淺灘寬約10 km。研究表明,晚更新世以來區(qū)內(nèi)共發(fā)育3個海侵層位,最大埋藏深度為50～60 m[24]。

2 材料與方法

2.1 材料

Lz908孔位于山東省壽光市大家洼鎮(zhèn)(37°09′ N,118°58′ E,海拔 6 m)(圖 1),2007 年 4 月鉆探取心,獲取了長度為 101.3 m的沉積物柱狀樣,取心率約75%。本文研究用樣品為鉆孔上部54 m沉積物,按20 cm間距獲得,共172個樣品。

圖1 鉆孔位置圖Fig.1 The location of the borehole

2.2 粒度測試

樣品的測量在國家海洋局第一海洋研究所海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國家海洋局重點實驗室完成。采用了較徹底的前處理方法: 在每個樣品中取約0.5 g放入燒杯,加10～15 mL濃度為30%的H2O2,使其充分反應(yīng);冷卻后加入5～10 mL濃度為10%的HCl,使其充分反應(yīng);給燒杯注滿蒸餾水,靜置 24 h后抽去蒸餾水,用超聲波清洗機(jī)振蕩后測量。測量粒度的儀器為英國MALVERN公司生產(chǎn)的MASTERSIZER-2000型激光粒度儀,測量范圍為0.02～2 000 μm,重復(fù)測量誤差小于3%。

2.3 粒度參數(shù)計算

粒度參數(shù)包括平均值、眾數(shù)、分選度、偏度和其他統(tǒng)計數(shù)據(jù),通過對這些參數(shù)特征的分析可以推測沉積條件和環(huán)境的變化。本文采用Manus提出的矩值法公式計算樣品的粒度參數(shù)(表1)[25]:

上述各式中,md是各粒級組分的中值(mm);mφ、、σφ、Skφ、Kφ分別表示粒徑、平均粒徑、分選系數(shù)、偏度和峰態(tài);f為各粒級的百分含量Σf =100。

表1 粒度參數(shù)判斷標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Judgement standard of grain-size

3 沉積物粒度特征

3.1 粒度象特征

Passega[26]選擇了一些與沉積搬運(yùn)有著密切關(guān)系的粒度參數(shù): C: 百分之一含量的粒度;F: 小于125 μm組分的百分含量;L: 小于31 μm組分的百分含量;A:小于4 μm組分的百分含量;M: 中位數(shù),即中值粒徑,50%的粒度;分別以C對M、F對M、L對M、A對M作圖,用來判斷沉積物可能的形成環(huán)境。其中C-M圖為雙對數(shù)坐標(biāo)軸,其他圖為單對數(shù)坐標(biāo)軸。

沉積物樣品的 C-M 圖投點有明顯的集中性,C介于 150～300 μm,M 介于 10～100 μm。C 較為穩(wěn)定,M 相對變化較大,與沉積時代水動能的變化及海陸交互作用有直接關(guān)系(圖 2)。根據(jù)樣品點的 M 的變化與離散程度可以將投點區(qū)域可以劃分為兩個,區(qū)域一: 90 μm＜C＜200 μm,10 μm＜M＜60 μm;區(qū)域二: 150 μm＜C＜300 μm,60 μm＜M＜120 μm。區(qū)域一初始水動能較大而平均水動能較小,說明沉積初期物質(zhì)搬運(yùn)動能較強(qiáng)而后期沉積水動力較弱;區(qū)域二初始水動能較大,平均水動能也較大,對應(yīng)初始沉積動能對平均動能貢獻(xiàn)較大。區(qū)域二的樣品點較區(qū)域一更集中,可以反映地質(zhì)歷史上多數(shù)時期以這個投點區(qū)域樣品表征的沉積特征為主。

圖2 渤海南部海岸帶沉積物粒度象C-M圖Fig.2 The relationship between C&M of the sediments from the south Bohai Sea

A-M、L-M 和 F-M 對沉積物的組分變化有很好的指示。可以看出,小于4 μm的組分整體上所占比例較小,細(xì)粒物質(zhì)不為優(yōu)勢組分;小于 31 μm 組分和小于 125 μm組分隨著M值的變化有出現(xiàn)較大的差異。當(dāng)M ＜ 60 μm時,樣品沉積物顆粒幾乎全部小于125 μm,M 的增加主要由31～125 μm的部分控制,即隨著M值的增大,31～125 μm的含量急劇增大,而A(＜ 4 μm)、F(＜ 31 μm)也均有不同程度的減小。而當(dāng)M ＞ 60 μm時,沉積物中大于 125 μm的顆粒逐漸增加,31～125 μm組分含量幾乎不變,同時細(xì)粒物質(zhì)含量極低。觀察三個參數(shù)對中值粒徑的表現(xiàn)來看,整體上,沉積物的組分變化較大,即使是在M 值趨近10 μm時,細(xì)粒組分也沒有占據(jù)優(yōu)勢組分,說明初始沉積動能水平較高,而沉積物整體的分選較差。

3.2 粒度結(jié)構(gòu)散點圖

粒度參數(shù)是沉積物特征的直觀體現(xiàn)。沉積物樣品平均粒徑介于 3.3Φ～6.8Φ;分選系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)差)介于1～2,分選較差;偏度表現(xiàn)為正偏和極正偏;峰度主要分布在2.55～7.40,沉積物粒度表現(xiàn)為正態(tài)、正態(tài)-尖銳和尖銳,少數(shù)表現(xiàn)為平坦和極尖銳。粒度結(jié)構(gòu)散點圖用于研究粒度參數(shù)之間的關(guān)系,推斷沉積環(huán)境。已有前人做了這方面的研究并取得了一定的效果[11,26]。

圖3 渤海南部海岸帶沉積物粒度象A-M、L-M、F-M綜合圖Fig.3 Relationships between A&M,L&M and F&M of the sediments from the south Bohai Sea

圖4 渤海南岸沉積物粒度結(jié)構(gòu)散點圖(分選系數(shù)-平均粒徑)Fig.4 Grain size scatter diagram of the sediments from -thesouth Bohai Sea (σφ-)

樣品沉積物全部正偏,分選(φσ)整體較差;粗粒組分偏度(Skφ)較小,而分選中等。圖 5中反映兩者以負(fù)相關(guān)關(guān)系為主,存在小段正相關(guān)。正相關(guān)部分為沉積物中最粗粒組分,即隨粒度增加,偏度和分選系數(shù)都減小。粗粒組分分選要好于細(xì)粒組分。

圖5 渤海南岸沉積物粒度結(jié)構(gòu)散點圖(偏度-分選系數(shù))Fig.5 Grain size scatter diagram of the sediments from the south Bohai Sea (Skφ- σφ)

3.3 判別分析

判別分析是一種多元統(tǒng)計分析,可用來尋找適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計值以判斷不同的沉積作用和沉積環(huán)境。通過對沉積物粒度參數(shù)的統(tǒng)計分析,可以找出判別不同沉積類型的指標(biāo)值。我們用下面的公式來計算樣品的判別值[26]:

式中Y1為判別參數(shù),、σφ、Skφ、Kφ分別為平均粒徑、分選系數(shù)、偏度、峰度。統(tǒng)計結(jié)果見圖6。

圖6 渤海南岸Lz908孔三角洲沉積物判別參數(shù)圖Fig.6 Y1Values of grain size distribution of the borehole Lz908 from the south Bohai Sea

圖7 海南岸Lz908孔海灘沉積物判別參數(shù)圖Fig.7 Y2vlues of grain size distribution of the borehole Lz908 from the south Bohai Sea

4 沉積環(huán)境討論

綜合上述沉積物粒度特征,可以大致判斷地質(zhì)歷史時期萊州灣南岸地區(qū)發(fā)生過沉積環(huán)境的變動,這與該時期海進(jìn)海退的程度和河流輸運(yùn)的變動有直接的關(guān)系。已有研究表明,萊州灣在第四紀(jì)以來發(fā)生過多次海侵事件[26],而對該區(qū)域物質(zhì)輸運(yùn)的研究揭示了彌河攜帶了魯中山區(qū)的物質(zhì)沉積于此[27],雖然我們沒有區(qū)分剖面上的變化,但是仍舊可以對不同粒度特征的表現(xiàn)進(jìn)行初步沉積環(huán)境的判定。

粒度象圖反映了沉積過程的水動力條件。初始水動能(C為主要的替代指標(biāo))較大,說明物質(zhì)來源比較穩(wěn)定,而高值與主要的輸運(yùn)河流——彌河有直接的關(guān)系。彌河有搬運(yùn)距離短、高程變化大的特點,這對高初始水動能是很好的響應(yīng)。平均水動能(M為主要替代指標(biāo))變化較大,其中M高值部分投點較為集中,反映了與初始水動能的正相關(guān)關(guān)系,對沉積物的改造作用不大,應(yīng)以河流相或三角洲相為主;M低值部分投點分散,M變動較大,指示了不同程度的靜水環(huán)境,反映了后期對沉積物改造作用強(qiáng)烈,鑒于該區(qū)域?qū)Τ练e物改造作用的營力不外乎潮汐與波浪和風(fēng)動能,而判別公式 Y2得到該區(qū)域的沉積非風(fēng)成沉積,故判定粒度象反映了一定水深下的海相沉積。A-M、L-M和F-M對沉積初始動能有很好的指示,平均水動能較小時,控制沉積物粒度的為中粗粒組分而非細(xì)粒組分;平均水動能較大時,控制沉積物粒度的為粗粒組分。沉積物多種組分各占一定比例,分選較差,這與高能河流的輸運(yùn)有較好的對應(yīng)。整體看來,粒度象圖反映了沉積過程所處的地質(zhì)歷史時期,研究區(qū)的沉積相經(jīng)歷了河流相、三角洲相和淺海相的多次變化,其中以河流相和三角洲相為主[24,26]。

根據(jù)前人對粒度參數(shù)結(jié)構(gòu)散點圖的研究,對樣品沉積物在圖中落點的區(qū)域和形狀進(jìn)行對比和劃分。分析偏度–分選系數(shù)散點圖和分選系數(shù)–平均粒徑散點圖。與現(xiàn)代長江口三角洲近海區(qū)域的沉積物的粒度參數(shù)散點圖對比發(fā)現(xiàn),Lz908的沉積物與多種不同的底表沉積物,包括三角洲、三角洲前緣、陸架沙脊沉積相似[28]。與西峰取得的河流沉積物樣品[11]相比,兩者在散點圖上投影形狀很相似,但是西峰樣品缺少細(xì)粒部分,說明樣品沉積物不僅僅受到河流的沉積作用,并且受到了其他水動力作用對沉積物進(jìn)一步淘洗和剝蝕而形成的。而判別分析公式對沉積物的沉積類型的進(jìn)一步的界定反映了沉積物以三角洲沉積與海岸帶淺水沉積為主[26]。

綜合以上沉積物的各項粒度特征,萊州灣南岸沉積物為彌河攜帶魯中山區(qū)的物質(zhì)沉積于此。高能條件下,沉積物粒度組分以粗粒組分為主,細(xì)粒組分很少,這響應(yīng)了彌河的高能性和持續(xù)性,并體現(xiàn)了該區(qū)域河流控制沉積的特征。而在某些時期,由于高海面的影響,沉積物受到潮流和波浪的淘洗和分選,沉積物的細(xì)粒物質(zhì)增加,粗粒組分減少,但這種作用對沉積物組分變化影響不大,沉積物仍以中粗粒組分為主,此時平均動能較小,細(xì)粒組分占據(jù)一定比例。整體上看,這段沉積物反映了沉積歷史時期,研究區(qū)主要以河流相和三角洲相為主,而夾有幾個淺海相的沉積階段,但鑒于彌河高能的特點,淺海相特點并不明顯。極細(xì)粒物質(zhì)分布較少而分散,可能與萊州灣南岸的幾次海侵過程相對應(yīng)。

5 結(jié)論

本文通過對渤海南岸 Lz908孔沉積物粒度特征的分析,得到了以下幾點結(jié)論: 1)樣品平均粒徑介于3.3Φ～6.8Φ,以極細(xì)砂和粗粉砂為主,含有少量的黏土質(zhì);2)分選系數(shù)(分選系數(shù))介于1～2,分選較差,偏度表現(xiàn)為正偏和極正偏,峰度主要分布在2.55～7.40,沉積物粒度表現(xiàn)為正態(tài)、正態(tài)-尖銳和尖銳,少數(shù)表現(xiàn)為平坦和極尖銳;3)河流對沉積物的作用較為穩(wěn)定,整體上沉積區(qū)的物質(zhì)反映了一種河流相和三角洲相的沉積特征,而極細(xì)粒物質(zhì)分布較少而分散,體現(xiàn)潮流、波浪對沉積物的改造作用存在多個期次并且影響有限,這可能反映了萊州灣南岸多次海侵過程。

[1]馮士筰,李鳳歧,李少菁.海洋科學(xué)導(dǎo)論[M].北京:高等教育出版社,1999: 25-78.

[2]里丁H G.沉積環(huán)境和相[M].周明鑒,陳昌明,張疆,等譯.北京: 科學(xué)出版社,1985: 5-18,127-178.

[3]劉興起,王蘇民,沈吉.青海湖QH-2000鉆孔沉積物粒度組成的古氣候古環(huán)境意義[J].湖泊科學(xué),2003,15(2): 112-117.

[4]隆浩,王乃昂,李育,等.毛烏素沙地北緣泊江海子剖面粒度特征及環(huán)境意義[J].中國沙漠,2007,27(2):187-193.

[5]殷志強(qiáng),秦小光,吳金水,等.中國北方部分地區(qū)黃土、沙漠沙、湖泊、河流細(xì)粒沉積物粒度多組分分布特征研究[J].沉積學(xué)報,2009,27(2): 343-351.

[6]翟新偉,謝榮,杜芳芳,等.蒙古高原北部全新世風(fēng)成沉積粒度分析及沉積環(huán)境[J].西北師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,46(5): 108-113.

[7]黃臻,王建力,王勇.長江三峽巫山第四紀(jì)沉積物粒度分布特征[J].熱帶地理,2010,30(1): 30-33.

[8]錢亦兵,吳兆寧,陳冬梅,等.準(zhǔn)噶爾中南部沙塵暴源區(qū)地表沉積物粒度特征[J].中國沙漠,2005,25(6):831-837.

[9]高抒,程鵬,汪亞平,等.長江口外海域 1998年夏季懸沙濃度特征[J].海洋通報,1999,18(6):44-50.

[10]鹿化煜,安芷生.黃土高原黃土粒度組成的古氣候意義[J].中國科學(xué)(D輯: 地球科學(xué)),1998,28(3):278-283.

[11]鹿化煜,安芷生.黃土高原紅粘土與黃土古土壤粒度特征對比——紅粘土風(fēng)成成因的新證據(jù)[J].沉積學(xué)報,1999,17(2): 226-232.

[12]丁仲禮,楊石嶺,孫繼敏,等.2.6Ma前后大氣環(huán)流重構(gòu)的黃土——紅粘土沉積證據(jù)[J].第四紀(jì)研究,1999,3: 277-281.

[13]喬彥松,郭正堂,郝青振,等.中新世黃土-古土壤序列的粒度特征及其對成因的指示意義[J].中國科學(xué)(D輯: 地球科學(xué)),2006,36(7): 646-653.

[14]彭淑貞,高志東,吳秀平,等.山東青州地區(qū)黃土的粒度組成及成因分析[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報,2007,13(4): 315-321.

[15]孫千里,周杰,肖舉樂.岱海沉積物粒度特征及其古環(huán)境意義[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì),2001,21(1): 93-95.

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

[17]孫有斌,高抒,李軍.邊緣海陸源物質(zhì)中環(huán)境敏感粒度組分的初步分析[J].科學(xué)通報,2003,48(1): 83-86.

[18]李軍,高抒,賈建軍,等.1998年11月長江河口懸浮體粒度特征的空間分布[J].海洋通報,2003,6: 21-29.

[19]李軍,高抒,孫有斌,等.沖繩海槽南部沉積層序的粒度特征[J].沉積學(xué)報,2003,21(3): 461-466.

[20]肖尚斌,李安春,蔣富清,等.近 2ka來東海內(nèi)陸架的泥質(zhì)沉積記錄及其氣候意義[J].科學(xué)通報,2004,49(21): 2233-2238.

[21]徐方建,萬世明,李安春,等.中國邊緣海陸源沉積物粒度與礦物組成的關(guān)系[J].自然科學(xué)進(jìn)展,2008,18(11): 1271-1278.

[22]鄭洪波,陳國成,謝昕,等.南海晚第四紀(jì)陸源沉積:粒度組成、動力控制及反映的東亞季風(fēng)演化[J].第四紀(jì)研究,2008,28(3): 414-424.

[23]徐方建,李安春,萬世明,等.東海內(nèi)陸架泥質(zhì)區(qū)中全新世環(huán)境敏感粒度組分的地質(zhì)意義[J].海洋學(xué)報,2009,31(3): 95-102.

[24]中國科學(xué)院海洋研究所,海洋地質(zhì)研究室.渤海地質(zhì)[M].北京: 科學(xué)出版社,1984: 6-11,204-210.

[25]Blott S J,Pye K.GRADISTAT: A grain size distribution and statistics package for the analysis of unconsolidated sediments[J].Earth Surface Processes and Landforms,2001,26: 1237–1248.

[26]成都地質(zhì)學(xué)院陜北隊.沉積巖(物)粒度分析及其應(yīng)用[M].北京: 地質(zhì)出版社,1976: 44-54,66-106.

[27]薛春汀,丁東.渤海萊州灣南岸濰河–彌河三角洲: 沉積序列和沉積格架[J].地理科學(xué),2008,28(5): 672-676.

[28]竇衍光.長江口鄰近海域沉積物粒度和元素地球化學(xué)特征及其對沉積環(huán)境的指示[D].青島: 國家海洋局第一海洋研究所,2007.