強(qiáng)蕭蕭， 韓宗珠,2??， 王永紅,2， 孫學(xué)詩(shī)， 艾麗娜， 劉 勇,2

(中國(guó)海洋大學(xué) 1.海洋地球科學(xué)學(xué)院； 2.海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

磁化率是表征磁介質(zhì)屬性的物理量，因其測(cè)量方法具有快速、簡(jiǎn)單、無(wú)破壞性等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)運(yùn)于黃土、湖泊等沉積物的研究。黃土磁化率變化可反映古氣候變遷[1]，土壤磁化率可作為環(huán)境污染程度的指標(biāo)[2]，湖泊沉積物的磁性特征可指示湖泊沉積動(dòng)力的變遷[3]及古氣候變化[4]。與陸相沉積物對(duì)比，對(duì)海洋沉積物磁化率的研究還處于初始階段，且目前環(huán)境磁學(xué)的研究大多停留在小尺度范圍內(nèi)[5-9]，多是運(yùn)用單純的磁性參數(shù)的時(shí)空分布進(jìn)行特征分區(qū)[10]，或是依此來(lái)探討局部區(qū)域的物源環(huán)境意義[11-13]和影響因素[14-15]。研究往往存在一定的局限性，缺乏空間尺度的廣泛性。因此，對(duì)于大尺度范圍內(nèi)表層沉積物磁化率與其他參數(shù)的綜合研究就顯得尤為重要。而中國(guó)東部海域陸架作為世界上最寬廣平坦的陸架，沉積物類型復(fù)雜多樣，為本研究的開(kāi)展提供了良好的載體。因此，本文選取其表層沉積物作為研究對(duì)象，通過(guò)粒度、磁性參數(shù)的分析，揭示空間分布特征，并探討對(duì)海洋沉積環(huán)境的指示意義，以期為東部海域現(xiàn)代沉積物運(yùn)用磁化率作為環(huán)境指標(biāo)的研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集

本文所研究的表層沉積物樣品共176個(gè)。分別于2015年3月通過(guò)國(guó)家基金委長(zhǎng)江口枯季共享航次，搭載“潤(rùn)江號(hào)”科考船采集樣品83個(gè)，2015年8月通過(guò)國(guó)家基金委渤黃海夏季共享航次，搭載“東方紅二號(hào)”獲得樣品 93個(gè)。采樣方式以箱式取樣為主(144個(gè))，僅長(zhǎng)江口32個(gè)為抓斗取樣。采樣點(diǎn)站位如圖1所示，主要分布于靠近中國(guó)的東部海域。所有樣品均采用無(wú)磁性的工具獲取并裝入聚乙烯袋內(nèi)密封。

1.2 樣品的處理與分析

粒度與磁化率測(cè)試均在中國(guó)海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。粒度測(cè)試流程如下：取樣0.5 g左右，加入5 mL 30%的H2O2溶液，靜置24 h去除有機(jī)質(zhì)，再加入3 mL 5%的六偏磷酸鈉溶液作為分散劑，超聲振蕩30 min，然后上機(jī)測(cè)試。所用儀器為英國(guó)馬爾文公司的Mastersizer2000激光粒度儀，測(cè)量范圍 0.02～2 000 μm，重復(fù)測(cè)量誤差小于3%，粒度參數(shù)的計(jì)算采用矩值法。

(YSCC-黃海沿岸流 YSCC-The Yellow Sea coastal current； YSWC-黃海暖流YSWC-The Yellow Sea warm current； ZFC-浙閩沿岸流 ZFC-Zhejiang Fujian coastal current；TWC-臺(tái)灣暖流 KUROSHO-黑潮暖流 TWC- Taiwan warm current KUROSHIO-kuroshio.)

圖1 中國(guó)東部海域海流及采樣點(diǎn)分布(改自文獻(xiàn)16)
Fig.1 The oceanic circulations pattern and sampling locations in the East China Seas(modifiedfrom article 16)

磁化率測(cè)試流程如下：將樣品置于<40℃烘箱內(nèi)烘干，在不損害粒度的情況下，用瑪瑙研缽輕輕研磨、稱重(精度1‰)，并裝入亞克力小方盒內(nèi)壓實(shí)。分別在0.47和4.7 kHz頻率下進(jìn)行低、高頻磁化率測(cè)量，儀器為英國(guó)Bartington MS2磁化率儀，每個(gè)樣品至少重復(fù)測(cè)量3遍，并用Multisus軟件進(jìn)行空氣值和質(zhì)量的校正。頻率磁化率計(jì)算公式如下所示：χfd%=(χhf-χlf)/ χlf×100%(公式中χlf為低頻磁化率，χhf為高頻磁化率)，文中所提的磁化率χ均指低頻磁化率。

2 結(jié)果分析

2.1 粒度空間分布特征

三大海域表層沉積物粒度參數(shù)差異性顯著。其中渤海海域沉積物平均粒徑4.19～7.43 φ，平均值6.07 φ；黃海平均粒徑4.46～7.75 φ，平均值5.99 φ；長(zhǎng)江口及鄰近海域平均粒徑0.43～7.38 φ，平均值5.18 φ。其他參數(shù)變化亦較大，詳見(jiàn)下表1。研究區(qū)沉積物粒度特征存在明顯的空間分異(見(jiàn)圖2)。沉積物類型(Folk法)以粗粒的砂質(zhì)、粉砂質(zhì)沉積為主，其間主要分布了四個(gè)較細(xì)粒級(jí)的區(qū)域：渤海中部，北黃海西部，南黃海中部，及長(zhǎng)江口岸附近。

表1 東部海域粒度參數(shù)對(duì)比

Note：①Bohai Sea areas；②the Yellow Sea areas；③Changjiang estuary and its adjacent sea areas；④mean value

圖2 東部海域沉積物砂、粉砂及黏土的空間分布特征

分選系數(shù)代表了沉積物顆粒大小的均勻程度。研究區(qū)表層沉積物分選系數(shù)波動(dòng)范圍較大，分選較差，主要粒級(jí)不突出。偏態(tài)是反映沉積介質(zhì)能量變異的指標(biāo)，研究區(qū)沉積物偏態(tài)的波動(dòng)范圍較寬，從極負(fù)偏到極正偏，絕大多數(shù)呈正偏態(tài)，表明研究區(qū)大部分海域粒度較粗。在渤海中部、北黃海的中部、南黃海中部、長(zhǎng)江口及浙閩沿岸呈負(fù)偏，表明粒度較細(xì)。峰態(tài)是用來(lái)測(cè)量粒度頻率曲線兩極端的分選性與曲線中央部分分選性的比率。研究區(qū)內(nèi)峰態(tài)值介于1.1～3.7之間(見(jiàn)表1)，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)粒度頻率曲線寬平。

2.2 磁化率及頻率磁化率分布特征

磁化率的空間分布特征總體表現(xiàn)為：離岸距離的增加而逐漸降低(見(jiàn)圖4)。不同海域磁化率差異性顯著：長(zhǎng)江口及鄰近海域最高，渤海次之，黃海最低(見(jiàn)表2)。黃河口及山東半島近岸磁化率較高。長(zhǎng)江口及鄰近海域磁化率幾乎均高于50×10-8m3/kg，平均值可達(dá)60.6×10-8m3/kg。其中A1-2、C1站位最高，可達(dá)100×10-8m3/kg以上。長(zhǎng)江口南部沿岸磁化率呈現(xiàn)出由近岸向外海逐漸降低的趨勢(shì)，但在北岸(31°N以北)存在異常低值區(qū)。

研究區(qū)頻率磁化率基本介于-10%～13%之間，渤海中部、南黃海中部、山東半島沿岸、長(zhǎng)江口南部沿岸附近偏高，老黃河口、蘇北殘留砂區(qū)及渤海東部偏低。其中渤海中部較高，達(dá)8%以上，呈現(xiàn)出由黃河口向外海一側(cè)遞減的趨勢(shì)。黃海大部分海域均較低(4%左右)，而在山東半島沿岸較高，且存在多個(gè)向外海的舌狀凸起。長(zhǎng)江口南部沿岸附近頻率磁化率較高，向南延伸呈帶狀分布。

圖3 東部海域粒度參數(shù)空間分布特征

海域Seas磁化率/10-8m3·kg-1Magneticsusceptibility頻率/%Frequency-dependentsusceptibility渤海海域①34.2～71.3-0.08～10.2平均值④48.125.96黃海海域②15.2～51.9-10.41～12.8平均值④30.743.81長(zhǎng)江口及鄰近海域③26.8～117.3-7.9～11.1平均值④58.722.96

Note：①Bohai Sea areas；②the Yellow Sea areas；③Changjiang estuary and its adjacent sea areas；④mean value

3 討論

3.1 物源對(duì)磁性參數(shù)的影響

海洋沉積物的磁學(xué)性質(zhì)被認(rèn)為是物源識(shí)別的有效手段之一。低頻磁化率和頻率磁化率組合可有效指示近岸沉積物的物源變化[12]。因此本研究也將該參數(shù)投點(diǎn)做二維圖解，同時(shí)疊加黃河、長(zhǎng)江的參數(shù)[7]比對(duì)，很明顯長(zhǎng)江口及鄰近海域沉積物磁化率整體偏高，渤海次之，黃海最低。各海域參數(shù)分別相對(duì)集中于a、b、c 3個(gè)區(qū)，長(zhǎng)江口及鄰近海域的磁性參數(shù)多靠近長(zhǎng)江端元，而黃渤海海域的則接近黃河端元。這種差異必然受物質(zhì)來(lái)源的影響。長(zhǎng)江流域廣闊，支流眾多，流域內(nèi)巖石類型多樣，中下游以中酸性的火成巖為主，富含大量的磁性礦物[17-18]。因而長(zhǎng)江口及鄰近海域接受了較多的磁性礦物的物源輸入，磁化率總體高于其它海域。黃河的泥沙主要來(lái)自黃土高原，以黃土為主的陸源物質(zhì)的磁化率較低。因而黃渤海沉積物磁化率較長(zhǎng)江口及鄰近海域偏低。

圖4 東部海域沉積物磁化率及頻率磁化率空間分布圖

圖5 東部海域沉積物磁化率-頻率磁化率散點(diǎn)

3.2 粒度對(duì)磁性參數(shù)的影響

3.2.1 粒度、磁化率空間分布與東部海域沉積物物源及其輸運(yùn)特征 磁化率在長(zhǎng)江口、浙閩沿岸出現(xiàn)高值區(qū)，在黃河口及山東半島沿岸出現(xiàn)了次一級(jí)的高值區(qū)，其他海域則整體偏低。而粒度參數(shù)的分布特征也與之相似。綜合二者空間分布特征，將我國(guó)東部海域劃分為以下幾個(gè)部分，來(lái)分別探討物源的運(yùn)移、擴(kuò)散及影響因素。

(1)渤海海域

渤海是典型的封閉性陸架海盆地，周邊河流是其主要物質(zhì)來(lái)源[19]。黃河年均入海泥沙達(dá)6.74億t(利津站1952—2015年平均值)，大部分都堆積河口，其余較細(xì)粒物質(zhì)在海流的控制下被搬運(yùn)、沉積，向東北方向呈條帶狀分布在渤海灣中東部[20]。而磁化率和粒度高值區(qū)在渤海中部亦呈現(xiàn)相似特征，在黃河口、灤河口及渤海中部偏高，向東、東南方向逐漸遞減。前人數(shù)值模擬的結(jié)果也表明黃河入海泥沙主要是在黃河口堆積[21-23]，隨之與河口距離的增大，沉積通量向外海一側(cè)逐漸減少。因此，該海域磁化率和粒度參數(shù)的空間變化可間接反映黃河物質(zhì)向外陸架的擴(kuò)散、運(yùn)移。

(2)黃海海域

黃河每年攜帶大量物質(zhì)入海，至少9%～15%的細(xì)粒級(jí)物質(zhì)在沿岸流的作用下向東運(yùn)移擴(kuò)散[20]，沿山東半島沉積，僅少量轉(zhuǎn)而南下。而本研究的結(jié)果顯示：磁化率在山東半島沿岸呈明顯高值分布，且等高線存在多個(gè)向外的舌形突起。這顯然與黃河及周邊河流(山東半島河流)物質(zhì)的輸入相關(guān)。前人的研究也強(qiáng)調(diào)小型河流物源貢獻(xiàn)[24-25],而影響有多大，仍需進(jìn)一步定量化的研究證實(shí)。

在廣大的南(北)黃海中部存在粒度為6～7 φ的細(xì)粒級(jí)區(qū)域，與之對(duì)應(yīng)磁化率參數(shù)亦低(<30×10-8m3·kg-1)。普遍認(rèn)為該黃海泥質(zhì)沉積中心[26]之所以形成與氣旋式渦流[27]相關(guān)，在渦流內(nèi)部水動(dòng)力條件弱，易沉積細(xì)粒物質(zhì)。相關(guān)研究亦表明該區(qū)沉積速率低、供給量少，沿岸沉積厚度高達(dá)40 m，而中部?jī)H數(shù)米[28]?？梢?jiàn)物源供給量直接影響沉積厚度。此研究中物源供給不充分正好對(duì)應(yīng)磁化率數(shù)值低。因此，水動(dòng)力強(qiáng)且陸源物質(zhì)供應(yīng)充足的山東半島沿岸磁化率高，而水動(dòng)力條件弱、供應(yīng)不充分的渦流區(qū)磁化率低。再次印證了陸源物質(zhì)的輸入、擴(kuò)散和運(yùn)移是影響磁化率空間分布特征的重要原因。

(3)長(zhǎng)江口及鄰近海域

長(zhǎng)江每年攜帶大量泥沙入海，是周邊海域的主要物質(zhì)來(lái)源。受物源影響，長(zhǎng)江口附近磁化率較高。以31°N為分界線，以南表現(xiàn)出與岸距離的增加而減小的趨勢(shì)，以北反之。長(zhǎng)江口以北海域磁化率變化復(fù)雜，存在一個(gè)異常的低值區(qū)和高值區(qū)。這與前人有關(guān)磁化率的研究結(jié)果一致[14-15]。周鑫認(rèn)為高值區(qū)的形成與長(zhǎng)江口遠(yuǎn)岸存在的大平緩區(qū)接受大量粗粒沉積物有關(guān)[15]。葛淑蘭卻認(rèn)為這與鐵質(zhì)結(jié)核區(qū)的存在相關(guān)[14]。本研究結(jié)果顯示粗粒分布區(qū)與磁化率高值區(qū)確有重合，說(shuō)明磁化率偏高與地形所致的粒度沉積相關(guān)。同時(shí)本研究結(jié)果亦體現(xiàn)了長(zhǎng)江口以北的低值區(qū)的存在，認(rèn)為該低值區(qū)的形成與特殊的河口環(huán)境密切相關(guān)。長(zhǎng)江口是淡水和海水強(qiáng)烈混合地帶，水化學(xué)性質(zhì)變化急?。煌瑫r(shí)外陸架泥質(zhì)區(qū)既是生物高生產(chǎn)率帶，又是其大量死亡地帶，生物凝聚作用強(qiáng)[29]。而該區(qū)沉積物樣品中明顯含較多肉眼可見(jiàn)的生物碎屑，推測(cè)可能稀釋了磁性礦物的含量，導(dǎo)致磁化率偏低。

3.2.2 粒度與磁性參數(shù) 大量的沉積物研究都做了磁性參數(shù)和粒度的相關(guān)分析，取得了較好的結(jié)果[30-32]。尤其是長(zhǎng)江口及黃河口表層樣的研究中顯示頻率磁化率(χfd%)與粒度的相關(guān)性較高(r>0.9)[5]，認(rèn)為χfd%可以作為河口沉積物粒度的代用指標(biāo)。因此本研究也做了相關(guān)分析，結(jié)果顯示：磁化率與平均粒徑及粒級(jí)組分的相關(guān)性低，χfd%與平均粒徑、粉砂、黏土的含量呈較高正相關(guān)。

圖6 磁性參數(shù)與粒度參數(shù)的相關(guān)性圖解

為了更進(jìn)一步揭示磁性參數(shù)和各粒級(jí)組分之間的關(guān)系，將沉積物各個(gè)粒級(jí)百分含量與磁性參數(shù)做Pearson相關(guān)分析，結(jié)果如下(見(jiàn)表3)。發(fā)現(xiàn)沉積物磁化率與粗粒組分呈弱正相關(guān)，與較細(xì)粒級(jí)組分則呈較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)，這意味著磁性礦物在粗粒組分中貢獻(xiàn)大。另外，χfd%與細(xì)粒級(jí)組分相關(guān)性高(r>0.5)。同時(shí)比対研究區(qū)χfd%與黏土含量的空間分布特征，可發(fā)現(xiàn)在圖上有相吻合之處。因此，χfd%可嘗試性的作為局部海域粒度的替代性指標(biāo)。但與前人河口沉積物的研究結(jié)果(r>0.9)相比，相關(guān)系數(shù)并不高，這說(shuō)明海域沉積物的磁性參數(shù)除了受物源的影響同時(shí)還有更為復(fù)雜的環(huán)境因子(水動(dòng)力條件、氧化還原環(huán)境、生物因素等)的綜合作用，使其與粒度的空間分布產(chǎn)生分異，若直接作為整個(gè)海域沉積物的粒度代用指標(biāo)并不理想，可嘗試性的剔除生物因素、沉積動(dòng)力等其他因素的影響，方可作為替代指標(biāo)。

3.3 沉積動(dòng)力對(duì)磁性參數(shù)的影響

丹麥學(xué)者Pejrup利用沉積物的結(jié)構(gòu)組成提出三角圖解法[33]，來(lái)反映水動(dòng)力和水介質(zhì)擾動(dòng)性的強(qiáng)弱。他以沉積物中砂的百分含量90%、50%、10%為界限分為A、B、C、D四類，來(lái)反映水動(dòng)力的強(qiáng)弱。依據(jù)粉砂黏土的組分分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，來(lái)反映沉積介質(zhì)的擾動(dòng)程度。依此將砂-粉砂-黏土的三端元分成16種類型。本研究也利用該圖解法將研究區(qū)的沉積物做三端元分析(見(jiàn)圖7)。結(jié)果顯示研究區(qū)內(nèi)散點(diǎn)基本均落入了Ⅲ、Ⅳ類區(qū)，說(shuō)明懸浮組分以黏土和粉砂混合為主。同時(shí)研究區(qū)各海域水動(dòng)力差異顯著，長(zhǎng)江口及鄰近海域散點(diǎn)橫跨A、B、C、D四個(gè)區(qū)，縱跨III、IV兩區(qū)，說(shuō)明其水動(dòng)力變化最大，水介質(zhì)擾動(dòng)性強(qiáng)。而黃渤海散點(diǎn)主要落在C-III、D-III兩區(qū)，說(shuō)明水動(dòng)力和水介質(zhì)擾動(dòng)性較弱。

表3 磁性參數(shù)與各粒級(jí)百分含量相關(guān)系數(shù)矩陣Table 3 Coefficient matrix of magnetic parameters associated with each grade percentage(α=0.01)

極差、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)是衡量參數(shù)離散程度的重要指標(biāo)。長(zhǎng)江口及鄰近海域粒度與磁化率數(shù)據(jù)離散程度要大于黃渤海(見(jiàn)表4)，因此，長(zhǎng)江口及鄰近海域水動(dòng)力較強(qiáng)，水介質(zhì)擾動(dòng)性大，磁化率參數(shù)離散程度較高。而黃渤海水動(dòng)力、水介質(zhì)擾動(dòng)性弱，磁性參數(shù)離散程度較小。可見(jiàn)水動(dòng)力的強(qiáng)弱變化是影響海域沉積物磁性參數(shù)離散程度的重要因素。

(據(jù)文獻(xiàn)[33]。modified from article[33].)圖7 東部海域沉積物Pejrup三角圖解Fig.7 Pejrup’s triangle of sediments in the East China Seas

海域Seas平均粒徑Particlesize/φ極差④標(biāo)準(zhǔn)差⑤變異系數(shù)⑥磁化率/Magneticsusceptibilityχ極差④標(biāo)準(zhǔn)差⑤變異系數(shù)⑥渤海海域①3.240.980.1737.139.520.19黃海海域②3.290.880.2036.678.940.29長(zhǎng)江口及鄰近海域③6.951.610.3192.4317.430.30

Note：①Bohai Sea areas；②the Yellow Sea areas；③Changjiang estuary and its adjacent sea areas；④range；⑤standard dexviation；⑥variable coefficient

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)我國(guó)東部海域197個(gè)表層沉積物樣品進(jìn)行粒度和磁化率特征的研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)東部海域表層沉積物類型以砂質(zhì)、粉砂質(zhì)沉積為主，其間分布有四個(gè)較細(xì)粒的泥質(zhì)區(qū)域，分別是：渤海中部，北黃海西部，南黃海中部，及長(zhǎng)江口岸附近。

(2)東部海域沉積物磁化率空間分異性顯著，表現(xiàn)為：東海最高，渤海次之，黃海最低，即χdonghai>χbohai>χhuanghai。其中尤以近岸河口(黃河口、長(zhǎng)江口)、沿岸海域磁化率較高為特征，并呈現(xiàn)出離岸距離越遠(yuǎn)其值越低的態(tài)勢(shì)，這也從側(cè)面反映了各海域沉積物的物質(zhì)來(lái)源及不同水動(dòng)力環(huán)境差異是其主要影響因素。

(3)結(jié)合沉積物磁化率和頻率磁化率的組合特征可指示渤、黃海及東海海域物質(zhì)的來(lái)源差異，即從鄰近物源的角度考慮，物源的差異是影響鄰近海域磁化率高低變化的重要因素。另外，χfd%的高值分布區(qū)與粒度(φ)的高值區(qū)雖有吻合，但與前人河口沉積物的研究相比，相關(guān)性仍不高，推斷其磁性參數(shù)的變化與沉積動(dòng)力密切相關(guān)，即水動(dòng)力越強(qiáng)，水介質(zhì)擾動(dòng)性越強(qiáng)，磁化率變化越大。此外，磁化率及頻率磁化率變化應(yīng)是更多環(huán)境因子綜合作用的結(jié)果，因此用χfd%直接作為整個(gè)海域沉積物粒度的代用指標(biāo)不夠理想。

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