渤海南部早-中更新統(tǒng)湖相沉積的粒度特征及其對沉積環(huán)境的指示

呂文哲易 亮付騰飛陳廣泉徐興永于洪軍

(1.國家海洋局第一海洋研究所海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)重點實驗室,山東青島266061; 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室,山東青島266061; 3.同濟大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院,上海200092;4.海洋地質(zhì)國家重點實驗室,上海200092; 5.國家深海基地管理中心,山東青島266237)

渤海南部早-中更新統(tǒng)湖相沉積的粒度特征及其對沉積環(huán)境的指示

呂文哲1,2,易 亮3,4*,付騰飛1,2,陳廣泉1,2,徐興永1,2,于洪軍5

(1.國家海洋局第一海洋研究所海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)重點實驗室,山東青島266061; 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室,山東青島266061; 3.同濟大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院,上海200092;4.海洋地質(zhì)國家重點實驗室,上海200092; 5.國家深海基地管理中心,山東青島266237)

通過對萊州灣南岸Lz908孔下部47 m沉積物的粒度分析,揭示了該地區(qū)沉積物的粒度特征:平均粒徑介于3.2Φ～7.4Φ,大部分為黏土質(zhì)粉砂,少部分為砂質(zhì)粉砂,亦含有少量粉砂質(zhì)砂;分選系數(shù)介于1.1～2.5,分選較差;偏度絕大多數(shù)介于0.7～2.4,表現(xiàn)為正偏和極正偏;峰度介于1.9～3.4,表現(xiàn)為平坦和正態(tài)。通過粒級組成、粒度象特征、粒度結(jié)構(gòu)散點圖等的綜合分析,表明:鉆孔下部沉積物與上部沉積物相比,指示了相對低能穩(wěn)定的水動力環(huán)境;萊州灣南岸地區(qū)在早-中更新統(tǒng)處于淺湖相與深湖相交替存在的沉積環(huán)境。因此,本文認為對渤海萊州灣南岸地區(qū)沉積物粒度特征的研究可以有效的判斷沉積環(huán)境,提取古環(huán)境信息,是沉積環(huán)境的重要替代指標(biāo)。

萊州灣南岸;粒度;沉積環(huán)境;河湖相

不同地區(qū)沉積物的組成、形態(tài)和沉積顆粒特征因為沉積環(huán)境的不同而有所差別,沉積物的不同特征往往對應(yīng)不同的沉積環(huán)境。在對沉積物進行分析時,其粒度特征是恢復(fù)沉積環(huán)境的一個重要代用指標(biāo)。孫東懷等[1]、陳敬安等[2]、肖尚斌等[3]分別通過對風(fēng)塵、湖泊、海洋等不同環(huán)境中沉積物粒度特征的研究,提取了其中所蘊含的古環(huán)境信息。所有通過粒度特征恢復(fù)古環(huán)境的應(yīng)用中,利用黃土-古土壤推演第三紀(jì)以來的環(huán)境變化最為典型。鹿化煜和安芷生[4-5]的研究表明,黃土中較粗顆粒的含量,對于東亞冬季風(fēng)強度有很好的指示作用。通過對沉積物粒度特征的分析,可以了解沉積物組成,對不同的沉積類型加以區(qū)分,并且獲取物源信息,恢復(fù)沉積環(huán)境。

最近幾十年來,人類對海岸帶地區(qū)的開發(fā)活動日益增多,如圍海造田、港口建設(shè)、海洋堤壩建設(shè)等。海岸帶地區(qū)各種工程的選址和建設(shè)往往需要對該地區(qū)的地質(zhì)背景進行充分的調(diào)查與研究。海岸帶的發(fā)育過程同時受到陸地、海洋、大氣等多重因素的影響,對全球變化的反響較為敏感。在海洋動力、全球氣候變化、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造等各種因素的交互影響下,海岸帶地區(qū)形成了復(fù)雜多變的海岸地貌形態(tài),并且記錄了豐富的環(huán)境變化信息[6-8]。海岸帶地區(qū)的沉積物則是記錄這些環(huán)境變化信息的有效載體,其特征對海岸帶的發(fā)育過程具有很好地指示意義[9]。粒度是進行沉積物分析的常用指標(biāo),對粒度特征的分析可以有效地提取其中蘊含的古環(huán)境信息,為海岸帶地區(qū)工程建設(shè)提供豐富的地質(zhì)背景資料。

(王佳實 編輯)

渤海屬新生代沉積盆地,沉積了厚達2 000～3 000 m的湖相、河流相、海相等地層,記錄了第四紀(jì)以來氣候、環(huán)境變化的信息[8-10]。作為渤海的三大海灣之一,萊州灣成為渤海研究的重點區(qū)域[11-13]。而萊州灣南岸地區(qū)沉積物沉積速率快、樣品連續(xù)、保存較好,為研究沉積環(huán)境演化提供了豐富的地質(zhì)材料。但是,目前對萊州灣南岸地區(qū)的研究,往往集中于區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、海水入侵、海岸帶地貌等的研究[14-20],對蘊含有豐富古環(huán)境信息的沉積物粒度特征的研究較為缺乏。Yi等[21]建立了Lz908孔的年齡框架,其結(jié)果表明該孔下部47 m的沉積物對應(yīng)于周邊早-中更新統(tǒng)地層。因此,本文對取自萊州灣南岸地區(qū)的Lz908鉆孔沉積物進行粒度測試,獲取不同粒度參數(shù),通過對粒度特征的分析總結(jié),提取其中蘊含的早-中更新世時期沉積環(huán)境信息,探討該地區(qū)的沉積環(huán)境演化。

1 研究區(qū)域概況

萊州灣南岸位于渤海南部,背依魯中及魯東低山丘陵,西面為現(xiàn)代黃河三角洲,東接膠萊平原。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1/2 000～1/3 000以下,周邊地面高程一般在50 m以下,地貌屬濱海堆積平原。萊州灣南岸主要為緩慢淤進或沖(堆)積的粉砂、淤泥質(zhì)海岸,潮間帶面積233.845 km2[8-9,22]。區(qū)內(nèi)自西向東分布有小清河、彌河、白浪河、濰河、膠萊河等河流[10]。其中,彌河是鉆孔周邊主要的沉積物輸運河流[13]。前人研究表明,研究區(qū)在構(gòu)造位置上橫跨2個四級構(gòu)造單元,分別為東營淺陷和濰坊淺陷。萊州灣夾于沂沭斷裂帶的東西兩支之間,在中新世中晚期以后整體基本處于穩(wěn)定的沉積環(huán)境,沒有產(chǎn)生較大的不整合面[8,15,22-24]。

2 材料與方法

2.1 材料

Lz908孔位于渤海萊州灣南岸(37°09'N,118°58'E),于2007年鉆井取心(圖1)。鉆孔長度為101.3 m,取心率約75%。鉆孔上部54 m研究結(jié)果已由李琰等[9]另文發(fā)表,本次研究以20 cm間隔對鉆孔下部沉積物進行取樣,共獲得136個樣品。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

2.2 粒度測試

樣品的前處理和上機測試均在國家海洋局第一海洋研究所海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)重點實驗室完成。所用儀器為英國MALVERN公司生產(chǎn)的MASTERSIZER-2000型激光粒度儀,該儀器的測量范圍為0.02～2 000μm,重復(fù)測量誤差小于3%。每份沉積物樣品取約0.5 g放入燒杯中,燒杯中加入10～15 m L質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的H2O2,靜置24 h,使其充分反應(yīng);燒杯中注滿蒸餾水,靜置24 h后抽去蒸餾水;用超聲波清洗機震蕩后測量[9]。

2.3 粒度參數(shù)計算

常用的粒度參數(shù)有平均粒徑、分選系數(shù)、偏度、峰度等,其計算方法有多種,本文采用Mc Manus[25]提出的矩值法進行計算:

式中,m?為粒徑;ˉx?為平均粒徑,單位為Φ;σ?為分選系數(shù);Sk?為偏度;K?為峰度;f為各粒級的百分含量,∑f=100。粒度參數(shù)的判別標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 粒度參數(shù)的判斷標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Criteria for the judgement of grain size parameters

3 結(jié) 果

3.1 粒度特征

根據(jù)謝帕德三角圖(圖2)定名方法,測得Lz908孔下部沉積物樣品大部分為黏土質(zhì)粉砂,少部分為砂質(zhì)粉砂,含有少量粉砂質(zhì)砂。通過與鉆孔上部沉積物對比發(fā)現(xiàn),Lz908孔下部沉積物粒度較細,在謝帕德三角圖中投點集中,分選較好,反映水動力條件相對穩(wěn)定;而鉆孔上部沉積物的投點分散,分選差,水動力條件變化較大。

為詳細研究Lz908孔沉積物所代表的水動力條件,我們根據(jù)粒度參數(shù)C(累計含量為1%的沉積物粒徑值)和M(累計含量為50%的沉積物粒徑值)作沉積物粒度象C-M圖(圖3)。其中,C值代表樣品中最粗顆粒的粒徑,可以反映搬運介質(zhì)能量的上限,即最大水動能;M值反映搬運介質(zhì)的平均水動能[26]。

圖2 Lz908孔三角圖投點示意圖Fig.2 Ternary diagram for Borehole Lz908

圖3 Lz908孔沉積物粒度象C-M圖Fir.3 The grain-sizeC-Mdiagram of the sediments in Borehole Lz908

由C-M圖反映Lz908孔下部沉積物樣品投點較為集中:C值相對穩(wěn)定,主要表現(xiàn)為60μm＜C＜200 μm,略小于鉆孔上部沉積物的C值;M主要表現(xiàn)為10μm＜M＜100μm,與鉆孔上部不同的是,下部投點多集中于10μm＜M＜20μm。

據(jù)Passega[27-28]判斷,該地區(qū)下部沉積物的搬運形式主要為均勻懸浮,反映該地區(qū)在所研究地質(zhì)歷史時期內(nèi)可能為湖相或海相沉積環(huán)境。根據(jù)鉆孔下部沉積物樣品在C-M圖中投點的離散程度以及M值的變化,可以劃分為兩個投點區(qū)域,區(qū)域一:60μm＜C＜150μm,10μm＜M＜20μm;區(qū)域二:100μm＜C＜200μm,20μm＜M＜100μm。兩個區(qū)域均反映該地區(qū)初始水動能較大,在物質(zhì)搬運的初期動能較強;但不同的是,區(qū)域一投點更為集中,而且由M值反映其平均水動能較小,說明沉積后期水動能變?nèi)?初始水動能對平均動能貢獻較小,反映低能、穩(wěn)定的沉積環(huán)境;而區(qū)域二反映平均水動能較大,初始水動能對平均水動能的貢獻較大,反映相對高能、不穩(wěn)定的沉積環(huán)境。

根據(jù)李琰等[9]的研究,鉆孔上部沉積物樣品在C-M圖中的投點也可以劃分為兩個區(qū)域,但M=60μm的區(qū)域分界線明顯高于下部,且M高值區(qū)域投點更為集中,在沉積物所代表的地質(zhì)歷史時期內(nèi)初始水動能與平均水動能通常呈正相關(guān)關(guān)系,這與該地區(qū)常年受到彌河的影響有直接關(guān)系。

根據(jù)Passega[27-28],選取粒度參數(shù):A:＜4μm組分的百分含量;L:＜31μm組分的百分含量;F:＜125 μm組分的百分含量。分別以A對M、L對M、F對M作A-M、L-M、F-M圖(圖4)。通過對這些圖的分析,可以提取出沉積物組分的變化信息,并據(jù)此判斷沉積物可能的搬運模式和形成環(huán)境[29]。

圖4 Lz908孔下部、上部沉積物粒度象A-M,L-M,F-M綜合圖Fig.4 TheA-M,L-MandF-Mdiagrams of the sediments in the lower and upper parts of Borehole Lz908

由粒度象綜合圖可以看出,對于Lz908孔下部沉積物,M介于5～80μm。小于4μm組分整體所占比例較小,隨著M的增大,該組分含量逐漸減少;小于31μm組分含量隨著M的增大急劇減小,從90%降低到10%左右;小于125μm組分含量隨M的變化不明顯,隨M增大,大體呈減小趨勢。當(dāng)M＜20μm時,樣品沉積物顆粒中細粒組分含量相對較高,4～31μm組分為優(yōu)勢組分;當(dāng)M＞20μm時,31～125μm組分成為優(yōu)勢組分,細粒組分含量較低,M的增加主要由31～125μm組分控制。整體來看,細粒組分并不占據(jù)優(yōu)勢組分,M的增加主要由31～125μm組分控制。

相比于上部沉積物,鉆孔下部沉積物M值有所減小,沉積物中小于4μm組分含量有所增大,大于125 μm的組分明顯減小。與下部不同,上部沉積物中大于125μm的組分也對M的增加起到一定的控制作用。鉆孔上部沉積物分選更差,所反映的初始水動能更大。

3.2 粒度結(jié)構(gòu)

粒度結(jié)構(gòu)散點圖可以較為有效的區(qū)分沉積環(huán)境[28]。由圖5a可見,樣品粒度全部為正偏,分選較差。Lz908孔下部沉積物平均粒徑介于3.2Φ～7.4Φ;分選系數(shù)介于1.1～2.5;偏度絕大多數(shù)介于0.7～2.4,表現(xiàn)為正偏和極正偏。分選和偏度大體呈正相關(guān)關(guān)系,隨分選變差,偏度向極正偏變化。

鉆孔沉積物平均粒徑和分選系數(shù)的相關(guān)關(guān)系可以劃分為兩個階段:當(dāng)平均粒徑值小于5.5Φ時,平均粒徑與分選系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系;當(dāng)平均粒徑值大于5.5Φ時,分選系數(shù)與平均粒徑呈負相關(guān)關(guān)系(圖5b)。具體的,對于下部沉積物,粗粒部分分選相對較好,但是投點較少且分散,而且連續(xù)性差、分異度較大,指示了高能不穩(wěn)定的水動能;細粒部分分選則較差,投點集中,指示了較穩(wěn)定的低能環(huán)境。而對于上部沉積物,粗粒部分投點較多,但分異度較大;細粒部分投點少且分選較好。綜合來看,鉆孔上部沉積物反映沉積環(huán)境多為高能不穩(wěn)定階段,而下部沉積物則反映沉積環(huán)境多為低能較穩(wěn)定階段。

圖5 Lz908孔沉積物粒度結(jié)構(gòu)散點圖Fig.5 The grain-size structural scatter diagram of the sediments in Borehole Lz908

4 討 論

相比于鉆孔下部沉積物,上部54 m沉積物樣品粗粒組分含量顯著增加,平均粒徑變大,分選變差,偏度向極正偏變化,所代表的水動力條件更強。初始水動能較大,反映物質(zhì)來源穩(wěn)定,對彌河巨大的搬運能力是很好的響應(yīng)。平均水動能變化較大,投點集中于高值部分,揭示了沉積環(huán)境的高能性,而低值部分則反映了一定程度的靜水環(huán)境。由圖4可見,粗粒組分始終為優(yōu)勢組分,控制沉積物粒度,且分選較差,結(jié)合粒度結(jié)構(gòu)散點圖對高能不穩(wěn)定沉積環(huán)境的指示,進一步證實了高能的彌河對該地區(qū)的顯著影響。

圖6示出了鉆孔下部沉積物黏土、粉砂、砂的體積分?jǐn)?shù)隨深度的變化?？梢钥闯?沉積物樣品中黏土粒級(＜4μm)含量較低,相比其他粒級含量變化較小,只在個別層位出現(xiàn)較為顯著的變化,整體變化趨勢與砂粒級(＞63μm)存在一定的相關(guān)性。整體來看,粉砂(4～63μm)粒級含量明顯大于砂粒級含量,但是個別層位砂粒級含量顯著增加,可能與當(dāng)時水動力條件突然增強有關(guān)。

綜合以上分析,并且結(jié)合前人的研究[21,30-32]與鉆孔巖性特征,判斷萊州灣南岸地區(qū)在鉆孔沉積物所代表的早-中更新世時期主要為湖相沉積,并且分為明顯的淺湖相和深湖相。研究區(qū)的湖相沉積受到彌河所攜帶的物質(zhì)沉積的影響,表現(xiàn)為粉砂含量在整體粒級含量中占主導(dǎo)。在長時間尺度內(nèi),粗粒沉積物指示了湖泊收縮、水位降低;細粒沉積物指示了湖泊擴張、水位升高[2]。Yi等[32]指出在早-中更新世,研究區(qū)經(jīng)歷了淺湖相-深湖相的多次變化。砂粒級含量在個別層位的劇烈增加,可能反映了水位的突然降低,而且降低幅度較大,對應(yīng)湖泊收縮的干旱環(huán)境;亦或是彌河水動力條件改變、河道變遷以及湖泊水位降低等的綜合作用。砂粒級含量低的層位,粉砂與黏土含量明顯增加,對應(yīng)湖泊擴張的濕潤環(huán)境。

圖6 Lz908孔下部沉積物粒級組成與粒度參數(shù)隨深度變化Fig.6 Changes of grain size compositions and parameters with the depth in the lower sediments of Borehole Lz908

5 結(jié) 論

本文通過對萊州灣南岸Lz908孔沉積物粒度特征的測定和分析,得出以下幾點結(jié)論:

1)Lz908孔下部沉積物樣品平均粒徑介于3.2Φ～7.4Φ,大部分為黏土質(zhì)粉砂,少部分為砂質(zhì)粉砂,含有少量粉砂質(zhì)砂;分選系數(shù)介于1.1～2.5,分選較差;偏度絕大多數(shù)介于0.7～2.4,表現(xiàn)為正偏和極正偏;峰度介于1.9～3.4,表現(xiàn)為平坦和正態(tài)。與上部沉積物相比,下部沉積物粒徑明顯偏細,分選較好,指示相對低能穩(wěn)定的沉積環(huán)境。

2)研究區(qū)下部早-中更新統(tǒng)沉積物反映了一種湖相沉積,但淺湖相和深湖相沉積變化明顯,并且在沉積過程所處的地質(zhì)歷史時期內(nèi)經(jīng)歷了淺湖相-深湖相的交替變化。同時,研究區(qū)內(nèi)彌河對湖相沉積環(huán)境也存在一定影響。

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Grain-size Characteristics of Early-Middle Pleistocene Lacustrine Sediments and Their Indication of Sedimentary Environment in the Southern Bohai Sea

LV Wen-zhe1,2,YI Liang3,4,FU Teng-fei1,2,CHEN Guang-quan1,2,XU Xing-yong1,2,YU Hong-jun5
(1.Key Laboratory of Marine Sedimentology and Environmental Geology,The First Institute of Oceanography,SOA, Qingdao 266061,China; 2.Laboratory for Marine Geology,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao 266061,China; 3.School of Ocean and Earth Science,Tongji University,Shanghai 200092,China; 4.State Key Laboratory of Marine Geology,Shanghai 200092,China;5.National Deep Sea Center,Qingdao 266237,China)

Grain-size analysis of the lower 47 m sediments in Borehole Lz908 drilled at the southern coast of the Laizhou Bay reveals that the mean grain diameter of the sediments ranges from 3.2Φto 7.4Φ,indicating that they are mainly composed of clayey silt,followed by a small amount of sandy silt and silty sand. The sorting of the sediments is poor,with the sorting coefficient being 1.1～2.5.The skewness and the kurtosis of the sediments are mostly 0.7～2.4 and 1.9～3.4,respectively,showing a positive and/or very positive skewness and a flat and/or normal distribution,respectively.The comprehensive analyses of grain size compositions,grain-sizeC-Mdiagrams and grain-size structural scatter diagrams of the sediments indicate that compared with those in the upper part of the borehole,the sediments in the lower part of the borehole reflect a relatively lower-energy and more stable hydrodynamic environment,and that the southern coastal area of the Laizhou Bay was in a sedimentary environment in which the shallow and deep lacustrine facies were formed alternately in the Early-Middle Pleistocene.It is,therefore,considered that the grain size characteristics of the sediments in the southern coastal regions of the Laizhou Bay can be used effectively for determining the sedimentary environment and extracting the paleoenvironmental information, and could be the important proxies of sedimentary environment.

southern coast of the Laizhou Bay;grain size;sedimentary environment;lacustrine facies

P736.21+3

A

1002-3682(2017)01-0034-09

10.3969/j.issn.1002-3682.2017.01.004

2017-01-10

國家重點研發(fā)計劃——沿海地區(qū)海水入侵現(xiàn)狀調(diào)查評價(2016YFC0402801);國家海洋局海域管理技術(shù)重點實驗室開放基金——基于Ra同位素的萊州灣南岸海水入侵災(zāi)害示蹤(201503);國家自然科學(xué)基金項目——萊州灣南部晚新生代海-陸相沉積的磁性地層學(xué)研究(41402153);海洋公益性行業(yè)科研專項——典型海島生態(tài)脆弱性評估及綜合調(diào)控技術(shù)研究與示范(2015418012)

呂文哲(1992-),男,碩士研究生,主要從事海洋地質(zhì)方面研究.E-mail:lvwenzhe@fio.org.cn

*通訊作者:易 亮(1982-),男,博士,副研究員,主要從事海洋地質(zhì)方面研究.E-mail:yi.liang82@gmail.com

Received:Fubruary 10,2017