渤海—北黄海沉积物黏土矿物特征及其环境意义

乔淑卿,石学法,方习生,胡利民,于永贵,刘焱光,李传顺,姚政权

(1.自然资源部 第一海洋研究所,山东 青岛266061;2.自然资源部 海洋沉积与环境地质重点实验室,山东 青岛266061;3.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋地质过程与环境功能实验室,山东 青岛266061)

黏土矿物从成因上可以分为风化黏土、蚀变黏土和自生黏土[1]。现代海洋陆架沉积物中黏土矿物主要来自于陆源输入,其分布主要受气候、物质来源和水动力的控制[2]。Biscaye系统研究了世界海洋沉积物中黏土矿物的分布特征和规律[3]。Windom 对此进行了总结:高岭石主要形成于温暖、潮湿的热带土壤环境,其含量向赤道方向增加;与高岭石的分布相反,绿泥石则主要来自火成岩和变质岩的风化,在寒冷、干燥的环境中富集;伊利石与绿泥石类似,而蒙皂石主要富集在半干旱环境[4]。根据中国东部陆架海和南海等海域沉积物中黏土矿物的组成和分布特征,诸多研究者探讨了沉积物来源和搬运趋势[5-12]。

渤海和黄海都是半封闭性的浅海,沉积物主要来源于周边的河流入海和海岸侵蚀物质[13]。研究者对渤海和黄海黏土矿物组成和分布特征、河流入海物质运移及控制因素等方面做了大量工作,发表了一系列的文章,阐述了海域沉积物中黏土矿物的含量分布,探讨了物质来源、分区和控制因素[6,14-19]。近年来,国内学者基于我国近海海洋综合调查与评价专项获得的中国东部陆架海大量的沉积物样品,进一步研究了渤海和黄海沉积物的物质来源和搬运趋势[9,20-21]。早期研究结果显示,渤海和黄海沉积物中黏土矿物伊利石含量最高,约60%,绿泥石次之,约15%,高岭石和蒙皂石含量变化较大,基本低于20%。周边河流沉积物中黏土矿物组成显示,与长江、珠江和黄海东岸的韩国河流相比,黄河入海沉积物中蒙皂石含量较高,可以作为示踪黄河入海物质在中国东部陆架海输运范围[18,22-25]。但是,对于黄河入海物质在渤海和黄海的分布及其运移的系统研究还未见报道。

通过对渤海和北黄海表层沉积物中黏土矿物分布特征的研究,对比了研究区周边入海河流沉积物中黏土矿物组合特征,分析了渤海和北黄海黏土矿物的分区特征及控制因素,特别对黄河入海沉积物在渤海和黄海的分布和影响因素进行了探讨。

1 材料与方法

1.1 样品采集

2005—2009年,在渤海和北黄海使用抓斗和箱式取样器系统取得了表层沉积物样品。本文选择了409个站位沉积物样品进行研究,具体采样位置见图1。河流沉积物样品35个,采自7条河流河口附近,其中辽河7个(包括双台子河3个),大凌河5个,小凌河5个,六股河4个,滦河10个,海河2个和潍河2个[9]。

图1 渤海—北黄海海域表层沉积物样品取样站位Fig.1 Sampling stations of surface sediments in the Bohai Sea and North Yellow Sea

1.2 黏土矿物分析方法

取适量沉积物样品,分别加入15%的双氧水和5%稀盐酸或者25%醋酸去除有机质和碳酸盐。根据斯托克斯沉降原理,提取出小于2μm 的颗粒,离心富集。采用涂片方法制成定向薄片。

用于上机测试的为乙二醇饱和处理片和自然片。采用的仪器及工作条件:日本理学的D/max22500型转靶X 射线衍射仪,铜靶,管电压40 k V、管电流100 m A;连续扫描,步长0.02°(2θ)、扫描速度为2(°)/min(2θ),扫描范围3°～30°(2θ)。部分样品使用德国产D8 Advance衍射仪测试,铜靶,管电压40 k V、管电流40 m A;连续扫描,步长0.02°(2θ)、扫描速度为2(°)/min(2θ),扫描范围3°～30°(2θ)。样品分析测试在自然资源部第一海洋研究所和中国科学院海洋研究所完成。河流样品的提取和测试步骤:0.2 mol/L 的稀盐酸去除碳酸盐组分,提取小于2μm 的组分制作成定向片,乙二醇饱和片上日本理学X 射线衍射仪D/max-r B进行测试,测试条件基本同上[9]。

根据乙二醇饱和定向片的分析结果,对4类主要黏土矿物作半定量计算。所有测试数据都利用Jade 5.0进行平滑、抠除背景和寻峰步骤,获取黏土矿物的峰高和半峰宽。蒙皂石、伊利石、绿泥石和高龄石的峰位分别采用17,10和7 nm。计算步骤参考海洋底质调查技术规程[26],其中绿泥石与高龄石的含量比例以3.54和3.58 nm 附近的衍射峰高比值求得。所用强度因子蒙皂石为1,伊利石为4,绿泥石和高龄石为2[3,27]。

2 结 果

2.1 渤海—北黄海黏土矿物分布特征

渤海和北黄海沉积物黏土矿物中以伊利石为优势矿物,平均质量分数达到70%;绿泥石和高岭石次之,平均质量分数分别为12%和11%;蒙皂石族最低,平均质量分数不足8%(图2)。蒙皂石和绿泥石的分布特征最为相近,总体表现为南高北低,高值区(蒙皂石＞7%,绿泥石＞12%)集中在黄河三角洲及邻近的莱州湾和渤海湾,并一直延伸到渤海海峡和北黄海北部。辽东湾顶部靠近河口位置也出现小范围的蒙皂石高值区,滦河河口及东北方向沿岸绿泥石含量也较高。蒙皂石低值区(＜4%)主要集中在海河口至滦河口近岸区域、辽东湾中北部,滦河口至六股河之间至辽东浅滩和渤中浅滩的大片海域。绿泥石(＜11%)主要集中在辽东湾至辽东浅滩和渤中浅滩的区域。高岭石在渤海和黄海的分布趋势与蒙皂石和绿泥石相近,高值区(＞11%)集中在黄河三角洲及邻近海域,在六股河河口和北黄海北部也出现高岭石高值区。辽东湾湾顶向西南延伸至辽东浅滩、渤中浅滩以及北黄海大部分海域高岭石含量都低于10%。

渤海和黄河伊利石的质量分数为55%～90%,绝大部分＞60%,平均值为71%。由图2可知,伊利石含量变化趋势和蒙皂石相反,在渤海基本呈北高南低的趋势。高含量区分布在辽东湾、滦河口至海河北部近岸、辽东浅滩和渤中浅滩海域,伊利石质量分数＞75%。黄河三角洲及邻近的莱州湾为伊利石含量低值区(质量分数＜60%),并且有随着远离黄河三角洲岸线升高的趋势。

图2 渤海—北黄海表层沉积物黏土矿物分布特征Fig.2 Distribution of clay minerals(smectite,illite,kaolinite and chlorite)in surface sediments of the Bohai Sea and North Yellow Sea

2.2 渤海—北黄海黏土矿物组合分区

以蒙皂石、高岭石、伊利石和绿泥石之和的含量为参数,采用SPSS软件进行Q 型聚类分析。聚类分析选用系统聚类法中离差平方和法(沃德法),用欧式平方距离系统,数据进行标准化。综合黄渤海黏土矿物分布特征和聚类分析结果,渤海、黄海可明显划分为2个黏土矿物组合区和6个亚区(图3)。

Ⅰ区为围绕现代黄河三角洲的向北至渤海海盆以及经莱州湾向东北延伸到北黄海海域。I区沉积物具有蒙皂石质量分数高(均值近10%)、伊利石质量分数低(均值大约65%)、高岭石(约11%)和绿泥石(约14%)含量中等为特征(图3和表1)。I1区主要分布在现代黄河三角洲和莱州湾区域,黏土组合特征更加接近黄河入海物质,蒙皂石质量分数平均为13%。I2区主要受黄河入海物质的影响,但蒙皂石质量分数较I1区降低至9%。

图3 渤海—北黄海表层沉积物黏土矿物组合分区及环流示意图[28,34-35](×106 t a-1)Fig.3 Provinces of clay minerals in surface sediments of the Bohai Sea and North Yellow Sea,and sketch map showing the ocean circulation[28,34-35](×106 t a-1)

II区分布在辽东湾、辽东浅滩、渤中浅滩和海河和六股河河口以及北黄海北部大片海域。沉积物中黏土矿物蒙皂石质量分数低(约4%)、伊利石质量分数高(76%)、高岭石和绿泥石质量分数中等(约10%)。II1区位于辽东湾顶部,虽然蒙皂石质量分数与I区类似,均值为10%,但伊利石质量分数为73%,明显高于I区。高岭石和伊利石含量也较I区低。II2区主要分布在辽东湾中南部,蒙皂石质量分数较II1区降低,为6%,伊利石增加为76%,高岭石和绿泥石变化不大。II3区分布在海河口外,蒙皂石质量分数低(约3%)。II4区包括滦河和六股河河口附近、辽东浅滩、渤中浅滩和北黄海北部区域,蒙皂石为研究区最低(约3%)、伊利石质量分数最高(约77%)、高岭石(10%)和绿泥石(11%)质量分数中等。

表1 渤海—北黄海表层沉积物分区样品数量和黏土矿物质量分数统计Table 1 Clay minerals content(%)in the surface sediment of the Bohai Sea and North Yellow Sea

3 讨 论

3.1 渤海—北黄海沉积物来源

渤海—北黄海沉积物主要来自周边的河流入海物质,其次为海岸侵蚀,而外海进入和大气沉降物质的贡献极少。百年来长度超过100 km 的河流每年携带约1 100百万吨物质入海,对渤海和黄海沉积物的贡献量巨大[28]。大气沉降量在渤海和黄海有限,不超过6百万吨[29]。海岸侵蚀和再悬浮沉积物的量不容忽视,据估计每年大约380百万吨沉积物从渤海再悬浮搬运到黄海,老黄河口每年侵蚀超过24百万吨沉积物进入南黄海[28]。

百年来黄河年平均入渤海泥沙1 030百万吨,其中480百万吨堆积在河口附近形成陆上三角洲,其余沉积在水下三角洲或者输运到渤海区域[28]。现代黄河物质富含蒙皂石,蒙皂石含量分布趋势反映了黄河入海物质的扩散范围和方向[23]。蒙皂石含量分布显示黄河入海物质不仅控制了黄河口和莱州湾的大片区域,渤海中央盆地、渤海海峡南部和北黄海大片海域也主要受黄河入海物质的影响(图1和图2a)。

在I区,随着与黄河口距离的增加,蒙皂石、绿泥石和高岭石的含量呈现逐渐降低的趋势,而伊利石的含量变化特征相反(图2)。从I区的分布范围和黏土矿物分布特征可知,黄河入海后的物质主要向2个方向搬运:一是向东—东北方向搬运,可以到达滦河口和六股河之间;二是向南和东南方向搬运,通过莱州湾和渤海海峡南部进入黄海。而向北在渤海湾的输运范围却十分有限,到海河口附近。在I区中潍河、小清河、弥河等的影响不明显,仅仅在河口区域略有显示。黄河物质中富集云母和碳酸盐,I区重矿物以云母、绿帘石和普通角闪石为优势矿物,同样说明该区主要受黄河输入物质的影响[13,30]。

相比黄河,其他河流(如滦河、辽河、大凌河、海河、小凌河、六股河和潍河等)和鸭绿江等对渤海和黄海沉积物的贡献量有限,近百年来年均入海泥沙为66百万吨[31]。但是,这些河流入海物质的影响范围还是较广的,集中在渤海北部、中部和北黄海的北部,即II区(图2和图3)。II1区沉积区主要包括辽河水下三角洲,从河口延伸到大约20 m 等深线,主要接受小凌河、大凌河、双台子河提供的陆源物质。沉积物中黏土矿物组成特征与I区蒙皂石含量类似(约10%),伊利石含量高达73%,高岭石和绿泥石含量降低。II2区主要分布于辽东湾中部,蒙皂石含量较II1区降低,推测物质主要来自辽东湾顶部河流和辽东半岛西岸沿岸,而不是来自黄河[9],也不属于黄河和北部河流及沿岸物质的过渡类型[6]。重矿物的研究结果也支持这一结论,II区的重矿物以普通角闪石和绿帘石为优势矿物,II2区包括早期定名的长兴岛矿物亚区、部分六股河矿物亚区和过渡矿物亚区,沉积物主要来自辽东湾东岸的沿岸侵蚀和六股河、复州河及辽东湾顶部河流的影响[13,30]。II3区包括海河口北部到滦河河口的大部分海域,沉积物具有海河沉积物的特征,黏土矿物含量低,也受到滦河物质的影响。II4区覆盖了滦河口到六股河河口、辽东浅滩、渤中浅滩、老铁山水道到北黄海北部的大片海域,沉积物主要来自渤海北部河流、鸭绿江和沿岸侵蚀(图3)。蒙皂石是黏土矿物中不稳定物相,一定条件下可以转变为伊利石或海绿石[2]。II4区沉积物黏土矿物中蒙皂石含量为渤海—北黄海中最低,伊利石最高,这说明:一是由于II4区沉积物物源沉积物特征如此,二是由于该区沉积经历了长时间的分选和风化,蒙皂石风化转变或者被输运到沉积动力较弱区域。

3.2 水动力作用对沉积物黏土矿物分布及输运的影响

沉积物中黏土矿物的分布除了受物质来源的影响外,还与区域的动力因素有关。渤海和黄海水动力因素包括潮流、径流和其他类型的海流,而潮流的作用是永久性的。渤海潮流以半日潮流为主,流速一般在0.5～1.0 m/s,流速在1 m/s以上的强流区分布在老铁山水道、长兴岛外、曹妃甸和废弃黄河口外及团山角南部海域[32]。北黄海西侧朝鲜湾流速较大,M2分潮流速最大为0.8 m/s[33]。

I区分布显示了黄河入海沉积物的搬运方向,这主要是受黄海和渤海海流的控制。渤海湾的环流呈双环结构,外侧为顺时针,湾内为逆时针,所以黄河物质向北和西北渤海湾方向输运受到环流的阻拦,仅到达海河口附近[34](图3)。8号平台(119°30'E,39°00'N)位于I2区域,全年余流成东北偏北方向,流速小于5 cm/s[35]。据此推测,黄河三角洲外北—东北方向的余流,可能是导致黄河入海物质向东和东北方向搬运的主要原因。从蒙皂石含量和I区分布范围可以看出,黄河入海物质输运的另一个主要方向为南—东南(图3),推测是受莱州湾余流和山东半岛沿岸流的影响。莱州湾受风和径流的影响,海流多变。赵保仁等实测莱州湾余流为顺时针,但是实测站位位于莱州湾口[34]。乔方利观测资料仅显示夏季莱州湾余流具有顺时针运动的特征[35]。可是从不同季节黄河入海物质输运方向来看,莱州湾年平均应该存在向南—东南方向的余流[36-37]。

II区包含辽东湾、滦河和海河等河口区域以及辽东浅滩、渤中浅滩和北黄海北部的大片海域(图3)。II1区,即辽东湾顶小凌河、大凌河、双台子河和辽河河口附近蒙皂石、绿泥石和高岭石含量均高于离岸区域,伊利石含量低。这主要是受辽东湾顺时针余环流的影响,尤其是沿辽东湾20 m 以浅沿岸流的控制[35]。从黏土矿物的分布特征可以印证这一观点,例如辽河蒙皂石含量较低(约5%),而辽河口蒙皂石含量在8%以上,说明小凌河和大凌河沉积物向东南方向输运的影响(图2)。II2区主要分布在辽东湾中南部,黏土矿物含量与II1区略有不同,蒙皂石含量降低、伊利石、绿泥石和高岭石增加(图2和图3)。这说明辽东湾II1区物质在顺时针余流作用下沿东岸向西南方向输运,并且与海岸侵蚀及来自辽东湾西岸六股河物质混合[34]。II3区沉积物主要反映海河入海物质特征,主要是受渤海湾环流的影响,尤其是北岸逆时针流的控制[34]。II4区沉积物明显是混合区域,主要受到黄海暖流余脉以及辽东湾环流的影响[34-35]。

4 结 语

本文分析了渤海—北黄海表层沉积物和周边入海河流沉积物中黏土矿物组成和分布特征,及研究区的物质来源,阐明了黄河入海物质的输运方向和范围,探讨了水动力作用对黏土矿物分布和输运的影响。研究结果表明:

渤海和黄海沉积物中伊利石含量最高,平均约为70%,蒙皂石含量最低约7%,高岭石约12%,绿泥石11%。与海域沉积物相似,周边入海河流沉积物中伊利石含量最高,平均为62%～70%,但蒙皂石、绿泥石和高岭石含量变化较大,蒙皂石为5%～15%,绿泥石6%～16%,高岭石10%～19%。

依据黏土矿物的组成和分布特征,渤海和北黄海分为受黄河入海物质控制的I区和主要受其他入海河流(小凌河、大凌河、辽河、滦河、六股河和海河等)与近岸侵蚀影响的II区。I区沉积物具有蒙皂石含量高(均值近10%)、伊利石含量低(均值大约65%)、高岭石(约11%)和绿泥石(约14%)含量中等为特征。II区沉积物蒙皂石含量低(约4.0%)、伊利石含量高(76%)、高岭石和绿泥石含量中等(约10%)。

受水动力条件的作用,黄河入海物质主要向南和东南方向、东和东北方向输运,而向北扩散到渤海湾的范围有限。辽东湾顶入海河流物质主要集中在20 m 水深以浅的三角洲区域,辽东湾中部和南部虽然受到入海河流的影响,但是海岸侵蚀的作用也不容忽视。

虽然使用相同计算方法处理了海域和入海河流沉积中黏土矿物的相对含量,使本次的数据具有可对比性。但是河流取样的代表性、黏土矿物提取和测试方法的不同可能造成较大误差。今后进行中国东部陆架海物源的研究时,将系统采集入海河流端元样品,利用其他稳定单矿物或者单矿物同位素等指标来进行深入工作。

致谢：青岛海洋地质研究所窦衍光副研究员提供了渤海河流黏土矿物测试数据。