福建闽江口闽浙沿岸泥质区沉积物特征与沉积速率

福建闽江口闽浙沿岸泥质区沉积物特征与沉积速率

东海位于太平洋的岛角和亚洲的大陆之间。它是世界上最常见、最平坦的大陆架之一。在东海的西侧,长江等河流每年向其输入巨量的泥沙,为东海沉积提供了丰富的陆源物质。东海东侧通过冲绳海槽与西太平洋相通,西太平洋西部边界流-黑潮及其衍生流对该海域的海洋环境产生控制性的影响。东海陆架沉积物在沿岸流、潮流和黑潮及其分支等水动力作用下进行分异,形成了细颗粒泥质、粗粒级砂质以及泥-砂混合沉积区。其中,东海泥质沉积区主要包括近岸泥质沉积区和济州岛西南远端泥质区二部分。这些泥质沉积的形成和演化,与陆源物质输入、全球气候和海洋环境变化密切相关。泥质沉积区潮流和波浪动力因素一般较弱,沉积速率较高,沉积物连续堆积,记录了物源区和沉积区的环境变迁过程。因此,泥质沉积是研究沉积作用和海洋环境演变的良好载体。国家海洋局第一海洋研究所2007—2009年在执行“我国近海海洋综合调查与评价”专项过程中,对东海闽浙沿岸泥质区进行了高密度底质取样调查与现场测试(图1),共采取表层沉积物样品2949个、柱状沉积物样品148个,取样间距为3～5km。本文基于上述最新调查样品和资料,对闽浙沿岸泥质区空间分布、现代沉积特征及古环境演化等进行了分析研究。1闽浙材料的粒度分布东海沉积物分布特征多年来一直受到海洋地质界的广泛关注。早在1949年,Shepard就根据海图资料编撰了中国近海底质类型图。1961年,Niino和Emery又重新绘制了东海和南海底质类型图,阐述了中国近海陆架底质分布规律。1963年,秦蕴珊以“全国海洋普查”资料为基础,并结合其他资料,编纂了中国第一张近海陆架底质类型图。该图显示在东海区域,除浙江近海外的广阔地区均为细砂所覆盖。1982—1984年开始重点对东海的两个关键海区—长江三角洲和冲绳海槽进行深入调查和研究。1996年“我国专属经济区和大陆架勘测”专项对东海外陆架地质地球物理特征进行了补充调查和综合研究,绘制了新的东海底质类型图。从20世纪中叶至今,大量的调查结果表明,东海陆架表层沉积物的基本分布格局是在砂质沉积区的背景上分布着两大块泥质沉积区—济州岛西南远端泥质沉积区和近岸泥质沉积区,其中近岸泥质区又可分为长江口泥质区和闽浙泥质区2个亚区,两个亚区之间以粉砂沉积相分隔。其中近岸泥质区沉积物以灰色泥为主,平均粒径7～8Φ,性黏,含水量高,均一,<0.032mm粒级在细粒级沉积物中的比重在90%以上。利用激光粒度仪对取自闽浙沿岸及杭州湾的2949个表层样品进行了粒度分析,在此基础上重新编绘了东海近岸底质类型图1。关于泥质沉积的分类命名,目前认识不完全一致,在以前的海洋沉积学研究中,一般将直径<0.01mm的粒级归为“泥质沉积”,本文以6.5Φ为界线详细划分了闽浙沿岸泥质区的分布范围(图2)。图2为平均粒径分布图,可以直接反映沉积物颗粒粗细的特征,同时也指示了水动力的强弱。从图2可以看出,闽浙沿岸泥质区空间分布总体上与前人所述基本一致,呈东北—西南向延伸。29°N以北泥质区呈狭长泥质条带状分布,水深界于20～45m之间,该区西部为杭州湾口的嵊泗列岛,东部逐渐过渡到潮流沙脊区,北部边缘与长江口泥质区相连接,受地形地貌影响,该狭窄泥质条带可能为长江入海物质向闽浙沿岸运移的通道;29°N以南一直到26°N为泥质区的主体部分,近岸方向基本接近海岸线,而向海方向一直延伸到水深70～90m处。细颗粒沉积物在该区域内大范围堆积,除几个岛屿附近外,大部分站位沉积物平均粒径>7Φ;闽江口以南区域泥质沉积范围逐渐减小,考虑到闽江径流及台湾暖流的影响,推断闽浙沿岸泥质区向台湾海峡延伸的可能性极小。关于闽浙沿岸泥质区的垂向分布,前人研究的钻孔资料及浅地层剖面测试结果显示,厚度最大处大致出现在27°25′N、121°20′E处附近,沉积物最厚可达40m,由此沉积中心向四周厚度逐渐降低,等值线基本平行于泥质区外边缘。本次调查详细研究的CJ12-1011柱状样位于泥质区的西南部(26°33′N、120°51′E),其全新世中期以来的泥质沉积厚度仅为3m左右,接近楔形泥质体的末端。2特征距离分析的结果沉积物粒度参数包含了丰富的海洋沉积动力学和沉积物运移方面的重要信息,粒度分析不仅可以用来识别沉积环境或判定物质运动方式,而且可以用于海洋环境中沉积物输运方向的研究。其中,沉积物粒径趋势分析经过几十年的发展和完善,已经成为研究沉积物运移方式比较成熟的方法,其核心是从沉积物粒度参数的空间分布变化规律中提取沉积物净输运方向的信息。该方法已经被应用于河口、海岸、三角洲、潮流沙脊等多种海洋环境,所得结果与流场观测、人工示踪砂实验和地貌沉积特征显示的物质输运格局较为吻合[19,20,21,22,23,24]。本文选择目前比较成熟的Gao-Collins粒径趋势分析方法探讨沉积物的净输运模式。考虑到采样网格的“边缘效应”及规则正方形采样网格的要求,将闽浙沿岸泥质区主体部分分成4个小区,只对区域内的628个样品进行粒径趋势分析。各区内采样间距大致相当,对各区分别进行粒径趋势分析,并将临近小区域的边缘点加入到研究小区域来分析,可以消除本区“边缘效应”的影响。在特征距离(Dcr)的选取上,本文以0.02°为间隔,取0.04°～0.16°之间的数值进行粒径趋势分析计算,并作对比分析。结果表明,特征距离分别取0.04°、0.08°、0.12°和0.16°时所计算的结果比较有代表性。所得沉积物净输运趋势格局如图3所示。图中矢量箭头表示沉积物净搬运方向,矢量长度仅表示粒径趋势的显著性,而不代表搬运速率的大小。从图3可以看出,特征距离取0.04°时,即接近于采样间距时,由于参加比较和合成矢量的点数过少且片面,不能够反应该点所代表的沉积物输运趋势的真实方向。特征距离取0.08°时,趋势矢量在局部区域呈现出一定的规律性,但从整个研究区来看,却并没有明显的规律性可循。特征距离取0.12°时,粒径趋势图可以反映出沉积物明显的运移趋势:整个研究区除南部闽江河口位置外,总体趋势是由东北向西南运移,但研究区的两侧又稍有不同,近岸边缘受海岸线曲折延伸的影响明显,大致表现出向岸边方向偏移的趋势,而离岸边缘则有向海方向偏移的趋势,至台湾海峡北部附近沉积物的运移趋势基本为NS—EW方向;闽江河口外的区域沉积物运移模式规律性不是很强,大致表现为由河口向周围呈散射状的趋势,而在马祖等比较大的岛屿周围,沉积物有绕岛运移的趋势。特征距离取0.16°时,上述输运趋势的规律性更加明显,趋势矢量的分布异常明显,而且没有明显的噪音点。结合粒径趋势分析结果和研究区流系格局,可以发现研究区内侧,属于闽浙沿岸流的控制范围内,沉积物主要由东北向西南运移(图3)。闽浙沿岸流明显受季风控制,冬季受偏北风的作用,使低温低盐的闽浙沿岸水贴近海岸南下,该流幅一般限于20m以浅的近海海域,流速一般为30～40cm/s,推动海底细颗粒沉积物沿海岸线向西南方向运移;夏季由于盛行西南风,使闽浙沿岸水流向东北方向,但其流速较小,一般不超过20cm/s,且持续时间相对较短。因此,沉积物运移的主要动力为冬季沿岸流,在该流系的推动下沉积物基本上沿平行于海岸线的方向由东北向西南运移。但是,在靠近岸边的区域(主要为水深小于5.0m以内区域),由于水深较浅,涨落潮流作用明显,在该区域涨潮流为优势流,这就导致近岸沉积物出现由海向陆方向运移的趋势;在研究区外侧,与内侧一样,沉积物运移主要受冬季沿岸流的影响,由东北向西南输运。研究区外边缘存在台湾暖流,其水体主要来自台湾海峡水和黑潮水的混合体,基本上沿着50m等深线向东北运动,流幅较窄,但一直延伸到杭州湾外海。沉积物在台湾暖流的推动下使得其原来方向发生改变,另外,该区地形为向外海楔形延伸,水深逐渐增大,在重力作用下,沉积物发生向地势降低的外海方向偏移的趋势。至台湾海峡北部,沉积物的运移趋势为NS—EW方向,可能表明现代长江入海物质并不能穿越陆架区而运移至南海海域(图3)。因此,冬、夏季闽浙沿岸流、涨落潮流以及海底地形的综合作用下,研究区沉积物主体部分表现为东北—西南向运移的趋势,只在研究区两边缘处有向两侧偏移的趋势。闽浙沿岸泥质区南部闽江河口位置,由于入海径流的影响,每年注入大量的陆源物质,增加了研究区沉积物的供应量,伴随着冲淡水呈辐射状向外流出,底层沉积物以河口为中心向外运移。另外,马祖、白犬和东引等障蔽岛屿的存在也会对沉积物的运移模式产生一定的影响,导致周围沉积物有沿岛屿环流的趋势(图3)。3不同黏土矿物组合聚类分析黏土矿物大多数是母岩风化产物,而由胶体SiO2及Al2O3直接形成的自生黏土矿物及由火山灰蚀变产生的是比较少见的。风化产物或者原地残积下来,或者经过搬运而沉积于其他区域。当陆源黏土矿物被搬运到了海洋沉积下来时,其化学性质仍保持入海前的特征。如长江沉积物以伊利石含量高(约70%)、蒙皂石含量低(5%～7%)、伊利石与蒙皂石比值大于8为特征;黄河型沉积物则以伊利石含量低(约60%)、蒙皂石含量高(约15%)、伊利石与蒙皂石比值小于6为特征。这表明长江与黄河黏土矿物的物源区气候环境不同,黏土矿物含量及其组合特征记录了源区母岩的性质和环境,即侵蚀区的环境。选择了调查区384个站位表层沉积物样品进行黏土矿物分析。为了进行黏土矿物组合分区,本文以4种黏土矿物的含量为参数,采用SPSS软件进行了Q型聚类分析。由分析结果可见,调查区可明显划分为2个黏土矿物组合区,Ⅰ区覆盖了调查区的大部分站位,包括363个站位样品,Ⅱ区内站位很少,仅包括21个站位样品,主要集中在闽江口外区域。在矿物相对含量上,Ⅰ区沉积物中蒙皂石、伊利石、高岭石和绿泥石的平均含量分别为3%、64%、14%和19%,而Ⅱ区沉积物中4类黏土矿物的平均含量分别为1%、49%、25%和25%,相比较而言,Ⅰ区沉积物更加富集伊利石,而Ⅱ区沉积物更加富集高岭石和绿泥石(图4)。因此,两个分区黏土矿物组合特征的差异可能反映了沉积物不同的物质来源。为确定两个黏土矿物分区的物源,将所有站位黏土矿物数据投在ISKc图上(图4),结果表明,Ⅰ区黏土矿物组合与前人研究的长江黏土组合非常接近,因此,Ⅰ区可能主要来自于长江,其分布范围从北部长江口一直延伸到南部闽江口外的大片海域;而ISKc图显示Ⅱ区沉积物明显位于长江影响范围之外,其站位主要分布于闽江口门附近,而闽江每年平均径流量为5.40×1010m3,随之输入东海的年均泥沙量分别为743.5×104t,可以形成小规模水下三角洲。将Ⅱ区沉积物黏土矿物组合特征与闽江河流物质进行对比,发现两者具有相似性,伊利石含量明显低于长江物质,多数站位在50%以下,而高岭石含量较高,据此推断Ⅱ区沉积物可能主要是闽江入海物质在河口区域的扩散。4成分组合关系和沉积作用元素地球化学是沉积物物质组成的重要指标之一,它与沉积物的物质来源、粒度特征及沉积时的水动力条件等因素有着密切的关系,其含量的变化一方面与元素固有的地球化学行为有关,另一方面,又与沉积物化学成分复杂的多因素控制有关。为了充分了解控制沉积物化学组成的因素,分析闽浙沿岸泥质区的物质来源及其沉积环境,本文应用SPSS13.0软件包对闽浙沿岸泥质区384个表层沉积物样品的常量元素进行R型因子分析,分析前对数据进行预处理,去除异常值,数据标准化后选取极大方差旋转法作为因子分析主成分分析的旋转法,选取公因子载荷大于1.0的元素,可得3个主因子,其方差贡献累加值为82.95%(表1)。方差特征值在取3个因子时大于1,因此,这3个因子完全可以提供原始数据的足够信息。从表1可以看出各元素之间的组合关系。第一主因子F1的方差贡献为42.71%,对研究区表层沉积物化学组分有决定性的影响,其元素组合为SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、TiO2、P2O5和MnO,其中SiO2为负载荷,其他几种元素均为正载荷,且相关性明显。F1组合的主要特点表现为表生环境下地球化学性质稳定的Al2O3、Fe2O3、MgO、TiO2、P2O5和MnO等元素赋存于细颗粒物质中,而SiO2表现为负载荷,其含量变化与其他元素含量变化呈消长关系,起稀释作用,主要因为SiO2通常赋存在石英和其他硅酸盐等较粗粒的陆源碎屑中。因此,可以认为F1因子代表了细颗粒的陆源碎屑沉积,是控制研究区沉积物化学成分的最主要因素。F2的方差贡献为29.836%,仅次于F1因子,元素组合为CaO、K2O、CaCO3和TOC,其中CaO和CaCO3为负载荷,且两者的相关系数达到0.79,反映出闽浙沿岸泥质区钙元素与CaCO3基本上以同一存在形态即碳酸钙的形式存在。CaO为生物沉积碳酸盐的重要组分,主要以粗粒碎屑形式存在,且与TiO2的相关性不显著,反映了研究区生物碎屑碳酸盐沉积对陆源沉积的稀释,因此,CaO和CaCO3可能代表了粗颗粒生物碎屑组分;而TOC为正载荷,与前两者呈显著负相关。海洋沉积物中的TOC主要来源有两种:一种为陆源碎屑输入,另一种为海洋自生成因,主要是海洋浮游植物等初级生产力产物通过水层沉积后形成,而TOC与TiO2的相关性不明显(表1),可以认为研究区TOC主要为海洋生物成因。因此,F2因子主要代表了海洋生物沉积。F3的方差贡献为10.401%,元素包括Na2O,由于海洋沉积物中Na2O属于易迁移元素,海水中的Na元素常以吸附和阳离子交换的形式在海底细颗粒沉积物中富集,且Na2O与TiO2等陆源物质没有明显的相关性,因此,F3可能代表了研究区内的海洋化学沉积。综合常量元素的R型因子分析结果,得知闽浙沿岸泥质区的沉积作用主要有陆源碎屑沉积和生物沉积两种类型,可能还存在化学沉积,陆源碎屑沉积占主导地位。另外,常量元素的含量与沉积物类型密切相关,SiO2、CaO、P2O5倾向于富集于粗颗粒沉积物中,Al2O3、Fe2O3、K2O、MnO则倾向于富集于细颗粒沉积物中,而MgO、Na2O和TiO2基本不受沉积物类型的影响。5闽浙材料的沉积特征210Pb法适应于研究近百年来的沉积作用与沉积环境变化。由210Pb测试所得的闽浙沿岸泥质区百年来沉积速率,结合其他测试分析结果,可以进一步阐明近百年来长江等河流入海物质向东海近岸的输运及沉积过程。本文共测试了7个沉积物柱样,从北向南依次为CJ12-11、CJ12-1263、CJ12-1269、CJ12-1273、CJ12-651、CJ12-773和CJ12-1011(图1),基本覆盖了整个泥质区。通过对比研究区7个柱样的沉积速率发现,不同的取样点沉积速率值相差较大。沉积速率最高值位于长江口泥质区的CJ12-11号站,其平均沉积速率为3.66cm/a(图5)。CJ12-11号站距离长江口最近,接收陆源输入物质量高,因此其沉积速率明显高于其他柱样(图1)。按照东海全新世沉积强度分区,该柱样位于东海高沉积强度区,主要是冰后期长江巨量的输沙塑造而成的现代长江水下三角洲沉积体系。闽浙沿岸泥质区其他6个柱样的沉积速率介于0.79～3.34cm/a之间,平均值为1.97cm/a,属于东海次高沉积强度区(图5),总体空间分布上表现为中部沉积速率最高,向南北两端呈逐渐降低的趋势。本文测试所得沉积速率基本上能反映浅地层剖面解译所得泥质区的厚度:CJ12-773、CJ12-651和CJ12-12733个柱样的沉积速率较高,均在2.3cm/a以上,CJ12-773最高可达3.34cm/a。闽浙沿岸泥质区泥层最厚处位于27°25′N、121°20′E处,上述3柱样位置与该沉积中心非常接近;向北方向的CJ12-1269和CJ12-1263,其沉积速率减小到1.66和1.26cm/a,泥层厚度也相应的逐渐减小;CJ12-1011柱样位于楔形泥质沉积区的东南部边缘处,由于其离长江口距离最远,致使物源匮乏,另外,该区域台湾暖流强度最大,在其顶托作用下CJ12-1011号柱状样速率极低,仅为0.79cm/a,其全新世以来泥质沉积厚度的也仅为3m左右。由此可见,闽浙沿岸泥质区沉积速率的空间分布特征,基本上是物质来源和水动力条件的空间分布两者综合作用的结果。研究区的7个沉积柱样在垂向组成也表现出一定的差异性,研究区北端的CJ12-1263柱状样由于所处位置接近闽浙沿岸泥质区的边界,因此,该孔粗颗粒砂组分含量较高。近百年来粒度组成变化明显,粗颗粒的砂组分含量有逐渐减小的趋势,特别是1950年以来这种减小的趋势非常明显,而相应的细颗粒粉砂和黏土组分含量逐渐增大;CJ12-1269柱样位于CJ12-1263以南,1900年左右沉积物中含有少量砂组分,但呈不断减少的趋势,至1920年左右砂组分基本不见,之后的80年左右时间沉积物主要由粉砂和黏土组成,且两者所占比例基本稳定;CJ12-1273、CJ12-651、CJ12-773和CJ12-1011等4个柱样沉积物组成稳定,指示沉积环境没有发生明显变化。因此,近百年来闽浙沿岸泥质区沉积作用稳定,大部分区域沉积物组成没有发生明显变化,仅研究区北部边缘近年来有逐渐向细颗粒变化的趋势,推断该泥质区正处于向北延伸的状态。6海底悬浮体输运系统的季节性变化闽浙沿岸泥质区由于其沉积环境较为稳定,且沉积体连续性好,成为古环境和古气候研究的热点区域,近年来发表了大量古环境和古气候方面的研究成果:肖尚斌等利用敏感粒级恢复了泥质区近8ka以来东亚冬季风的演化过程,张晓东等利用粒度端元模型提取了近百年来东海近岸沉积气候信息,Liu等从层序地层学角度论证了泥质区的形成模式,刘升发等利用生物硅堆积速率指示了近2ka以来东海近岸泥质区古生产力演化过程。如图2所示,闽浙沿岸泥质区呈平行于海岸的条带状分布,其成为沉积中心的主要原因是河流入海沉积物进入沿岸流体系并随之被搬运,在此过程中沿岸流受到台湾暖流的顶托而降低流速,导致沉积物在东海内陆架大量堆积,台湾暖流还起着阻挡沿岸流及其携带的沉积物向外海扩散的作用。东海悬浮体输运的时空变化规律及沉积动力过程的季节性变化研究表明,研究区悬浮体具有明显的“夏储冬输”输运格局,亦即冬季沿岸流系统强化,能量强,促进了细颗粒沉积物向外海或远处搬运,是东海内陆架泥质区沉积作用的关键季节(对东南区域的沉积来说尤为重要);而夏季沿岸流体