張連杰， 胡日軍,2??， 朱龍海,2， 趙廣濤,2， 鐘 偉

(1．中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100； 2．中國海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室，山東 青島 266100)

陸源碎屑沉積物的“從源到匯”過程是我國陸海相互作用和海洋地質(zhì)研究的重要內(nèi)容[1]，陸源入海沉積物的物質(zhì)來源識別是重要環(huán)節(jié)，其中河流物源端元的建立最為關(guān)鍵[2]。由于礦物間具有一定共生關(guān)系，不同源區(qū)母巖屬性、氣候、環(huán)境不同，礦物組合迥異，因此礦物組合被認為是敏感的物源變化指示劑[3]。礦物組合因在表生環(huán)境中相對穩(wěn)定而被廣泛應(yīng)用于沉積物的物源和物質(zhì)擴散研究中，尤其是在礦物種類較復(fù)雜、受控因素較多的地區(qū)[3]。入海碎屑礦物的分布還會受到礦物顆粒理化性質(zhì)及海域水動力環(huán)境的影響，密度較大的礦物易于就近沉積在河口近岸，而密度較小易于懸浮的片狀礦物則易受潮流和環(huán)流作用而發(fā)生搬運[4]，因此碎屑礦物的分布可反映沉積動力環(huán)境的差異。由于粗粒組分在河口、海灣等近岸海域中占主要部分，碎屑礦物研究對于了解粗粒組分的來源及區(qū)域海洋動力特征具有較好的意義。

1 研究區(qū)概況

渤海灣位于渤海的西部(見圖1)，地處中生代古老地臺活化地區(qū)，后演變成覆有約1～7 km的巨厚沉積層的湖盆，并發(fā)育同沉積生長斷裂[5]。渤海灣西部較為平坦，東北岸和黃河口周邊坡度較大，最大水深位于曹妃甸沖刷深槽，可達-40 m(見圖1)。渤海灣的潮流運動形式以往復(fù)流為主；潮流類型多為正規(guī)半日潮流，僅曹妃甸東側(cè)為不正規(guī)半日潮流，曹妃甸南側(cè)、黃河口外側(cè)存在強流區(qū)。渤海灣的波浪以風(fēng)浪為主，曹妃甸常浪向為S、SE向，強浪向為ENE、NE向；塘沽站常浪向為ENE和E向，強浪向為ENE向；東營港常浪向為NE、SE向，強浪向為NE向。

渤海灣有黃河、灤河和海河三條大型河流注入，沿岸密布現(xiàn)代三角洲和古三角洲堆積體，是陸地與海洋強烈相互作用的典型海灣。黃河是世界泥沙濃度最高的河流，多年平均入海泥沙量居世界第二位[6]，是渤海灣物質(zhì)的主要供給，且貢獻能力遠超灤河和海河。黃河年均徑流量301.1億方，年均輸沙量約為7.45億t，以粉砂為主，主要來自黃土高原和泰山山地；灤河年均徑流量48億方，年均輸沙量僅約0.21億t，以中細砂為主，主要來自燕山花崗巖與變質(zhì)巖的蝕源區(qū)[7]；海河年均徑流量15.6億方，年均輸沙量僅約0.18億t，上游的部分支流也流經(jīng)黃土高原而與黃河物質(zhì)有一定相似，以細粒為主，但大部分支流都橫穿或發(fā)源于太行山脈，因此與黃河物質(zhì)又有顯著不同[8]。三條河流的源區(qū)差異為物源研究提供了基礎(chǔ)。近源沉積對碎屑物質(zhì)的分布起主導(dǎo)作用，渤海灣碎屑礦物的分布受河流物源的直接影響。前人的研究顯示，黃河口周邊以高含量的云母、碳酸鹽和褐鐵礦為主要特征[4, 9-10]；曹妃甸周邊則以高含量的石榴石、鈦鐵礦[11-12]和輝石[13]為主要特征；海河的斜長石和輝石含量偏高，其云母含量僅次于黃河[14]。碎屑礦物顆粒由于密度、形狀各有不同，其水力學(xué)性質(zhì)也有迥然差異，其分布受水動力狀況的影響。如在黃河三角洲水下岸坡，以云母為代表的片狀礦物發(fā)生大規(guī)模富集且多與粗粉砂共同沉積，是由于片狀顆粒與粒狀顆粒不同的水力學(xué)特性所致[15]。而在曹妃甸海域，大密度的鈦鐵礦、石榴石等含量非常高，其礦物分布受深槽的高速潮流和沿岸的強波浪的控制[11]。

綜合前人研究，尚未建立可靠的物源端元示蹤指標，且多為曹妃甸海域、渤海灣北部、黃河口等局部海域，這割裂了臨近海域間的聯(lián)系。渤海灣是一個三面環(huán)陸的海灣，各因素相互影響共同作用，適宜作為一個整體進行研究。本文基于渤海灣碎屑礦物分布和組合規(guī)律，結(jié)合主要河流物源的礦物特性，通過聚類分析、物源端元指標等方法研究各河流對渤海灣碎屑物質(zhì)的影響能力和范圍，探索水文動力環(huán)境對礦物分布特征的影響，為渤海灣“從源到匯”的過程提供科學(xué)參考。

2 材料與方法

表層沉積物樣品由中國海洋大學(xué)與國家海洋局北海分局于2007—2008年使用抓斗式取樣器采集，本文對其中307個樣品進行了碎屑礦物鑒定分析，站位分布如圖1所示。主要步驟如下：取10 g烘干樣品置入燒杯，加10 mL濃度為0.5 mol/L的六偏磷酸鈉溶液，攪拌后煮沸；冷卻后依次過孔徑0.063、0.125 mm的樣品篩；獲得0.063～0.125 mm粒級的樣品；稱重后用三溴甲烷重液(CHBr3，密度2.89 g/mL)進行重液分離，分離出的輕礦物和重礦物烘干后稱重；使用體式顯微鏡或偏光顯微鏡(制成油浸薄片)進行礦物鑒定與統(tǒng)計，每個樣品鑒定300～500個顆粒。輕重礦物的分離和鑒定在中國海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室與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。

圖1 研究區(qū)位置及取樣站位

3 結(jié)果

3.1 輕礦物種類與含量分布特征

輕礦物共鑒定出6種，各礦物含量(顆粒百分含量，下同)：石英(27.3%)、斜長石(32.1%)、鉀長石(18.4%)、云母(11.6%)、碳酸鹽含生物碎屑(5.9%)、綠泥石(0.7%)。各輕礦物含量分布如圖2所示。斜長石是平均含量最高的輕礦物，在整個北部海域含量偏高。石英含量僅次于斜長石，富集于渤海灣南部，西北部的海河口兩側(cè)。鉀長石與斜長石相似，在北部富集。云母呈包圍狀富集在黃河三角洲前緣水下岸坡，最高可達91%，其余海域多低于5%。碳酸鹽(含生物碎屑)的分布與云母相似，但更靠外海一側(cè)。石英、斜長石、鉀長石的低含量區(qū)對應(yīng)著云母和碳酸鹽的高值區(qū)。

3.2 重礦物種類與含量分布特征

重礦物共鑒定出29種，各重礦物類型及平均含量為：普通角閃石(33.14%)、綠簾石(13.15%)、黑云母(11.93%)、白云母(2.14%)、風(fēng)化云母(5.74%)、赤、褐鐵礦(6.28%)、石榴石(5.56%)、鈦鐵礦(4.19%)、石英(3.47%)、陽起透閃石(2.19%)、(斜)黝簾石(1.81%)、巖屑(1.78%)、輝石(1.66%)、白鈦石(1.08%)；含量不足1%的有：磁鐵礦、綠泥石、榍石、磷灰石、電氣石、自生黃鐵礦；其他重礦物類型僅在個別站位出現(xiàn)幾粒，包括鋯石、金紅石、藍晶石、褐簾石、紅柱石、銳鈦礦、蘭閃石等。渤海灣主要重礦物含量分布如圖3所示。

普通角閃石是平均含量最高的重礦物，西北部最高可達50%～70%。綠簾石含量僅次于角閃石，自東北向西南逐漸減少，現(xiàn)代灤河口附近最高可達40%。黑云母和白云母分布一致，幾乎全部富集于黃河三角洲前緣的水下岸坡，呈包圍狀環(huán)繞黃河三角洲，含量最高可達90%，其他區(qū)域均不足10%，這與王琦[15]和王昆山[4]的研究結(jié)果一致。鈦鐵礦、石榴石分布較為一致的富集于渤海灣北部，自曹妃甸沙島的西側(cè)向東一直到現(xiàn)代灤河口的近岸海域含量均較高，這與韓宗珠[11]、祝賀[12]、王月霄[16]等的研究一致。普通輝石、(斜)黝簾石含量較少，與石榴石的分布相似。赤褐鐵礦、自生黃鐵礦分布較為一致，富集于渤海灣南部前三角洲的外緣，但比云母更靠外海一側(cè)。陽起透閃石主要出現(xiàn)在渤海灣南岸，最高約為12%，向北逐漸減少。重礦物質(zhì)量分數(shù)的高值區(qū)位于曹妃甸南側(cè)，與鈦鐵礦、石榴石等大密度礦物在這一區(qū)域的富集有關(guān)。

((a) 石英Quartz；(b) 斜長石Plagioclase；(c) 鉀長石Potash feldspar；(d) 云母Mica；(e) 碳酸鹽含生物碎屑Carbonate (including Bio-Clastics)；(f) 石英/長石Quartz/Feldspar。)

圖2 渤海灣主要輕礦物含量分布(單位：%)

Fig.2 Contents of main light minerals in Bohai Bay(Unit:%)

((a)普通角閃石Hornblende；(b)綠簾石Epidote；(c)黑云母Biotite；(d)白云母Muscovite；(e)鈦鐵礦Ilmenite；(f)石榴石Garnet；(g)赤、褐鐵礦Hematite and Limonite；(h)自生黃鐵礦Authentic Pyrite；(i)輝石Pyroxene；(j)陽起石、透閃石Actinolitum and Tremolite；(k)斜黝簾石Clinozoisite；(l)重礦物質(zhì)量百分含量Mass percentage of heavy minerals。)

圖3 渤海灣主要重礦物含量分布(單位：%)

Fig.3 Contents of main heavy minerals in Bohai Bay(Unit:%)

3.3 碎屑礦物Q型聚類分區(qū)

分區(qū)采用Q型聚類，聚類樣本307個，采用沃德聚類法和歐式平方距離，變量選擇輕礦物中的石英、斜長石、鉀長石、云母、碳酸鹽礦物(含生物碎屑)以及重礦物中的普通角閃石、綠簾石、黑云母、白云母、赤褐鐵礦、鈦鐵礦、石榴石、陽起透閃石、(斜)黝簾石、自生黃鐵礦。以Q型聚類為基礎(chǔ)結(jié)合自然地理條件，渤海灣可劃分為4個主分區(qū)，各主分區(qū)可進一步劃分數(shù)個亞分區(qū)。分區(qū)結(jié)果見圖4，各分區(qū)礦物含量見表1。

表1 渤海灣碎屑礦物分區(qū)平均含量

I區(qū)：樣品數(shù)143個。優(yōu)勢礦物組合重礦物為黑云母-普通角閃石-赤褐鐵礦-綠簾石，輕礦物為石英-斜長石-云母族。特征礦物是高含量的云母(28.0%)和赤褐鐵礦(11.2%)。I區(qū)可分為4個亞區(qū)。① I-1區(qū)：樣品數(shù)41個。優(yōu)勢礦物組合重礦物為普通角閃石-綠簾石-赤褐鐵礦-黑云母，輕礦物優(yōu)勢礦物組合為石英-斜長石-鉀長石。本區(qū)穩(wěn)定礦物石英(42.8%)、大密度礦物石榴石(2.6%)和赤褐鐵礦(10.8%)含量高，云母含量低(10.7%)。② I-2區(qū)：樣品數(shù)71個；優(yōu)勢礦物組合重礦物為黑云母-普通角閃石-赤褐鐵礦-白云母，輕礦物為云母族-石英-斜長石；本區(qū)以高含量的黑云母(40.8%)和赤褐鐵礦(10.9%)為主要特征，部分站位云母含量高達90%，是整個渤海灣規(guī)模最大的云母匯集區(qū)，且遠超其他海域。③ Ⅰ-3區(qū)：樣品數(shù)26個；與南側(cè)相鄰的I-2區(qū)相比，云母類含量巨幅較少(1%)，鈦鐵礦、石榴石等大比重的穩(wěn)定礦物顯著增加；輕礦物中石英含量高達44.3%，甚至超過了沿岸I-1區(qū)的平均水平。④Ⅰ-4區(qū)：樣品數(shù)5個；突出特征是具有整個渤海灣含量最高的赤褐鐵礦(高達44.9%)、自生黃鐵礦(高達6.4%)，輕礦物碳酸鹽(含生物碎屑)含量高達48.5%；I-4區(qū)的位置已接近于渤海灣的中部，黃驊港港池口門的東北側(cè)，水深12～14 m；自生黃鐵礦的形成需要還原性環(huán)境，推測可能與黃驊港的擋沙堤引起的局部環(huán)流有關(guān)。

Ⅱ區(qū)：樣品數(shù)29個。優(yōu)勢礦物組合重礦物為普通角閃石-綠簾石-(斜)黝簾石-石榴石，輕礦物為斜長石-石英-鉀長石。本區(qū)普通角閃石含量全區(qū)最高，為52.4%；綠簾石含量為13.4%；其他重礦物的含量均不足5%。

Ⅲ區(qū)：樣品數(shù)82個。優(yōu)勢礦物組合重礦物為普通角閃石-綠簾石-石榴石-鈦鐵礦，輕礦物為斜長石-鉀長石-石英。該區(qū)所處位置為古灤河河口沉積區(qū)。古灤河曾在小青龍河、溯河一帶入海并形成了古三角洲及沙壩-瀉湖體系[17]，曹妃甸東側(cè)海域發(fā)育一潮流沙脊；灤河北遷后經(jīng)現(xiàn)今水動力改造，沙壩演化為現(xiàn)今的曹妃甸沙島群，瀉湖內(nèi)形成小型潮流三角洲，沙島之間形成老龍溝等潮流汊道[18]，曹妃甸南側(cè)形成了沖刷深槽和水下沙壩。本區(qū)呈現(xiàn)為3個對應(yīng)不同地貌單元的亞區(qū)。① Ⅲ-1區(qū)：樣品數(shù)11個；優(yōu)勢礦物組合重礦物為普通角閃石-綠簾石-鈦鐵礦-石榴石，輕礦物為斜長石-鉀長石-石英；突出特征是超高含量的鈦鐵礦(19.0%)、石榴石(17.0%)和鉀長石(27.3%)。② Ⅲ-2區(qū)：樣品數(shù)52個；優(yōu)勢礦物組合重礦物為普通角閃石-綠簾石-石榴石-鈦鐵礦，輕礦物為斜長石-鉀長石-石英；普通角閃石高達43.5%，與Ⅲ-1區(qū)、Ⅲ-3區(qū)相比，鈦鐵礦、石榴石含量要少，且出現(xiàn)了約3%的云母。③ Ⅲ-3區(qū)：樣品數(shù)19個；優(yōu)勢礦物組合重礦物為普通角閃石-綠簾石-石榴石-鈦鐵礦，輕礦物為斜長石-鉀長石-石英；該區(qū)與Ⅲ-1區(qū)極為相似，突出特征也是超高含量的石榴石(17.4%)和鈦鐵礦(14.5%)。

Ⅳ區(qū)：樣品數(shù)53個。位于渤海灣的中部，砂含量少，部分站位礦物鑒定可用顆粒數(shù)少于100顆，其礦物含量較為中等，無突出特征。以小密度的普通角閃石、綠簾石為主，大密度礦物含量少。根據(jù)礦物含量差異并結(jié)合自然地理位置，分為西、東2個亞區(qū)。① Ⅳ-1區(qū)：樣品數(shù)10個；優(yōu)勢礦物組合重礦物為普通角閃石-綠簾石-黑云母-(斜)黝簾石，輕礦物為斜長石-云母族-石英。② Ⅳ-2區(qū)：樣品數(shù)43個；優(yōu)勢礦物組合重礦物為普通角閃石-綠簾石-石榴石-鈦鐵礦，輕礦物為斜長石-鉀長石-石英。

圖4 渤海灣礦物組合分區(qū)

4 討論

4.1 碎屑礦物指標及物質(zhì)來源

本區(qū)有黃河、灤河、海河三條大型河流入海，河流是本區(qū)碎屑物質(zhì)的主要來源。不同河流的源區(qū)的母巖屬性、流域環(huán)境和氣候條件不同，河流輸送物質(zhì)的礦物組成和含量會有明顯差異。入海碎屑物質(zhì)經(jīng)河口入海后向周圍擴散，但多就近沉積難以發(fā)生大規(guī)模的搬運，通過物源指示指標可以反映各河流對渤海灣碎屑物質(zhì)的影響范圍和能力。

4.1.1 物源指示指標 輕礦物的成熟度指標。長石/石英比值是物源和搬運過程的綜合作用，不僅與源區(qū)母巖性質(zhì)有關(guān)，還與風(fēng)化程度有關(guān)。石英穩(wěn)定性極強，而斜長石、鉀長石等長石的抗風(fēng)化能力比石英要差的多。輕礦物的石英/長石指數(shù)反映了物質(zhì)組成的成熟度[19]，是源區(qū)風(fēng)化程度的常用指標，高值表征以化學(xué)風(fēng)化作用為主的長石蝕變；低值表征以物理風(fēng)化為主的快速剝蝕、搬運和堆積[20]。表2顯示了各河流的石英、長石含量及石英/長石成熟度指數(shù)。黃河流程長，中游流經(jīng)的黃土高原植被破壞嚴重且西北地區(qū)氣候干冷，化學(xué)風(fēng)化作用強烈，黃河物源富石英而貧長石；灤河流域植被茂密，自燕山經(jīng)灤縣出山后下游流程短，物質(zhì)快速入海，灤河物源未經(jīng)歷強烈的化學(xué)風(fēng)化，富長石而貧石英[7]。因此可以通過石英/長石指數(shù)來判斷各河流對渤海灣碎屑物質(zhì)的影響范圍和能力。圖2-f顯示了研究區(qū)石英/長石的分布。圖5顯示了各取樣點的石英、長石含量的散點分布情況，并疊加了前人研究的三條主要河流的特征值。

表2 各河流物質(zhì)的輕礦物成熟度

圖5 渤海灣石英、長石含量的散點分布

重礦物的特征礦物端元。重礦物組合是敏感的物源指示劑[3]，物源端元的建立對陸源入海沉積物的物質(zhì)來源識別極為重要?；谥氐V物分布的區(qū)域差異，以黑云母+白云母+赤褐鐵礦(黃河特征重礦物組合)、鈦鐵礦+石榴石(灤河特征重礦物組合)、普通角閃石(海河高含量特征重礦物)作為三個單元做三維散點圖(見圖6)?？梢园l(fā)現(xiàn)，Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)能較好的成簇狀聚集，指示單一物源的主導(dǎo)控制；Ⅳ區(qū)較為分散，指示多物源屬性。

4.1.2 碎屑物質(zhì)來源 I區(qū)：黃河礦物區(qū)。位于渤海灣南部，黃河三角洲北側(cè)，主要受黃河物質(zhì)影響。該區(qū)的突出特征是高含量的重礦物之黑云母(23.6%)、赤褐鐵礦(11.2%)和輕礦物之石英(34.4%)、碳酸鹽(9.9%)；陽起透閃石含量可達3.2%，顯著高于其他物源分區(qū)；石英/長石指數(shù)為渤海灣最高(0.4～5.0)。黃河物源的碎屑物質(zhì)主要來源于黃土高原，其物質(zhì)組成與黃土相似，富含黑云母[10]和以方解石為主的碳酸鹽[13, 23]。黃河物質(zhì)石英/長石成熟度整體偏高(見表2)，且不同流段差異大。中游的黃土高原植被破壞嚴重，風(fēng)化作用強烈，礦物成熟度高，黃河鄭州站高達4.18；自黃河下游的洛口開始受泰山山地物質(zhì)長石含量高的影響，黃河河道石英/長石偏小(1.34)；現(xiàn)代黃河三角洲最高(4.62)[7]。圖6中I區(qū)樣品能較好的成簇狀聚集，黑云母+白云母+赤褐鐵礦的重礦物組合可作為黃河物源的示蹤指標，與王昆山[4]在黃河口附近的研究一致。

圖6 渤海灣重礦物三端元散點分布

Ⅱ區(qū)：海河礦物區(qū)。位于渤海灣西北部近岸的海河口附近，主要受海河物質(zhì)影響。該區(qū)普通角閃石含量在所有分區(qū)中最高(52.4%)，石英/長石指數(shù)也偏高(0.7～1.0)，范圍較小，僅局限在海河口周圍。海河上游部分支流也流經(jīng)黃土高原，且現(xiàn)今海河水系下游流域為古黃河在西岸入海時形成的古三角洲，其物質(zhì)與黃河物質(zhì)有一定的相似性，成熟度也較高，石英/長石在灤河河道為0.51，入?？跒?.57[8]。因海河較多支流源自或流經(jīng)太行山系，海河物質(zhì)成熟度低于黃河，而高于灤河。圖6中Ⅱ區(qū)樣品能較好的成簇狀聚集，高含量的普通角閃石可作為海河物源的示蹤指標。

Ⅲ區(qū)：灤河礦物區(qū)。位于渤海灣北部，主要受灤河物質(zhì)影響。本區(qū)的突出特征為具有整個渤海灣中含量最高的石榴石(高達12.0%)、鈦鐵礦(高達9.6%)、鉀長石(高達26.8%)和斜長石(40.7%)，輝石(2.6%)和斜黝簾石(2.9%)含量雖然少，但是顯著高于Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)。石英比長石指數(shù)全區(qū)最小(<0.7)。高含量的石榴石[11]、鉀長石[14]是灤河碎屑礦物的主要特征。灤河自燕山經(jīng)灤縣出山，由于下游流程短，物質(zhì)快速入海，風(fēng)化程度低，礦物成熟度低[7]。表2顯示灤河物質(zhì)成熟度比黃河低得多，石英/長石在灤河河道(0.51)和入海口(0.57)均較小[21]。圖6中Ⅲ區(qū)樣品能較好的成簇狀聚集，鈦鐵礦+石榴石的重礦物組合可作為灤河物源的示蹤指標，這與前人在曹妃甸海域[11, 12]的研究結(jié)果相一致。

Ⅳ區(qū)：渤海灣中部礦物區(qū)。石英/長石成熟度較低，且含有一定的石榴石(6%)和輝石(3.2%)，與灤河礦物區(qū)相似；含有一定的云母和赤褐鐵礦，又與黃河礦物區(qū)相似；普通角閃石含量高又與海河礦物區(qū)相似。圖6的端元示蹤指標指示，Ⅳ區(qū)各散點分布較為分散，指示多物源屬性?？煞譃闁|、西兩個分區(qū)。Ⅳ-1區(qū)位于子牙新河河口外側(cè)近岸，具有高含量的普通角閃石(51.4%)，重礦物中黑云母(7.1%)和赤褐鐵礦(2.7%)、輕礦物中云母含量(14.9%)也較高，為黃河和海河共同供應(yīng)區(qū)。Ⅳ-2區(qū)位于渤海灣中東部。含有一定的石榴石(7.0%)和鈦鐵礦(6.5%)，也含有一定的黑云母(2.4%)和赤褐鐵礦(2.5%)，為黃河物源和灤河物源的共同供應(yīng)區(qū)。

4.1.3 物源的影響能力 綜合以上分析，黃河碎屑物質(zhì)的影響力最強，控制著渤海灣的整個南半部；其影響范圍向西可越過黃驊港，NE向的常浪向和強浪向及指向西北的潮余流導(dǎo)致了黃河口及沿岸碎屑物質(zhì)向西搬運。灤河雖然輸沙量遠低于黃河，但以粗粒為主，灤河碎屑的影響力并不弱，控制著渤海灣的北部和東北部。海河碎屑物質(zhì)的影響力較弱，僅局限在渤海灣西北部的海河口附近，一方面因為入海物質(zhì)較少且以細粒為主，另一方面因為盛行偏東向浪，導(dǎo)致沿岸輸砂活動較弱。各河流主控物源區(qū)的碎屑礦物特點如表3所示。

表3 渤海灣河流主控物源區(qū)的碎屑礦物特點

4.2 沉積動力環(huán)境

入海沉積物首先經(jīng)過機械沉積分異而沉降，粗粒的密度大的顆粒首先沉降。物質(zhì)沉降后則受波浪、潮流等海洋水動力環(huán)境的搬運和再分配，直至沉積物與之相適應(yīng)。不同種類礦物的理化性質(zhì)不同，其水力學(xué)效應(yīng)也各不相同。Q型聚類結(jié)果中 Ⅰ 區(qū)和 Ⅲ 區(qū)都被聚類為3個差異明顯的亞區(qū)，主要是云母在三角洲前緣水下岸坡的高度富集和石英的顯著減少所致。為了探索水動力對礦物的影響方式，對云母/石英比值的等值線分布進行了分析(見圖7)。云母/石英比值在渤海灣南部呈現(xiàn)條帶狀分布，自南岸-水下岸坡-前三角洲外緣-渤海中部呈現(xiàn)低-高-低-高的變化。在渤海灣北部也呈現(xiàn)條帶狀分布，由北向南，自曹妃甸沙島群-潮流通道(沖刷深槽)-潮流沙脊(深槽南側(cè)水下沙壩)-渤海灣中部也呈低-高-低-高的變化。這一條帶狀分布與Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)的亞分區(qū)幾乎一致。

圖7 渤海灣云母/石英比值等值線分布

① Ⅰ-1區(qū)和Ⅲ-1區(qū)。Ⅰ-1區(qū)位于現(xiàn)代黃河三角洲沿岸，水深0～10 m；Ⅲ-1區(qū)位于曹妃甸沙島群及后方瀉湖，水深0～5 m。這兩區(qū)的水深均較淺，長期受到波浪的攪動和反復(fù)淘洗，均以極穩(wěn)定礦物(石英)或大密度礦物(鈦鐵礦、石榴石、赤褐鐵礦)為主。云母由于沉降較慢的水力學(xué)性質(zhì)而不適宜在此沉積，逐漸向外海搬運，抗侵蝕的石英大量富集，具有較低的云母/石英比。Ⅰ-1區(qū)在黃驊港東側(cè)向北延伸，可能與擋沙堤建設(shè)導(dǎo)致水動力增強有關(guān)。Ⅰ-1區(qū)和Ⅲ-1區(qū)均為砂質(zhì)海岸地貌，是波浪長期作用的結(jié)果，屬于典型的波浪主控下的沿岸高能沉積環(huán)境。

② Ⅰ-2區(qū)和Ⅲ-2區(qū)。Ⅰ-2區(qū)位于黃河三角洲前緣水下岸坡，水深5～18 m；Ⅲ-2區(qū)位于曹妃甸沙島群的外側(cè)，水深5～40 m，兩區(qū)分別對應(yīng)著黃河口外強流區(qū)和曹妃甸外側(cè)潮流通道。這兩區(qū)的穩(wěn)定礦物和大密度礦物含量顯著低于Ⅰ-1區(qū)和Ⅲ-1區(qū)。這兩區(qū)的水深較深，波浪作用弱，但潮流作用強。黃河口附近由于無潮區(qū)的存在，6～20 m等深線之間形成一個強流帶，最大流速可達120 cm/s[26]。中徑0.1～0.4 mm的細砂顆粒最易起動，也最不適宜在高速潮流環(huán)境下沉積；而更細的粉砂顆粒由于顆粒間粘結(jié)力的增加，而更能抵抗高速潮流的侵蝕[27]，黃河三角洲外側(cè)強流區(qū)形成以粗粉砂為主的“鐵板砂”[28]，黃河口外的碎屑云母因水力等效而與粉砂共同沉積。曹妃甸外側(cè)潮流通道亦是如此，曹妃甸深槽漲潮最大流速可達1.24 m/s[29]。I-2區(qū)的分布呈馬鞍形，在埕北防護堤北側(cè)收窄，東側(cè)和西側(cè)放寬，是向北突出的人工護岸工程對此影響的加劇所致。Ⅰ-2區(qū)和Ⅲ-2區(qū)分別發(fā)育了沖蝕溝地貌[28]和潮流通道(沖刷深槽)地貌[29]，是高速潮流長期作用的結(jié)果。

③ Ⅰ-3區(qū)和Ⅲ-3區(qū)。Ⅰ-3區(qū)位于黃河水下前三角洲的外緣，I-2區(qū)的北側(cè)，水深16～23 m；Ⅲ-3區(qū)位于曹妃甸東南的水下潮流沙脊區(qū)，水深20 m左右。這兩區(qū)的穩(wěn)定礦物和大密度礦物含量均比Ⅰ-2區(qū)和Ⅲ-2區(qū)高得多，又小于Ⅰ-1區(qū)和Ⅲ-1區(qū)。這兩區(qū)呈條帶狀順岸分布，處于強流區(qū)的外緣，隨著流速減弱，潮流攜帶的物質(zhì)(尤其是易被起動的細砂)得以在流速減弱區(qū)沉降，Ⅲ-3區(qū)由于灤河提供了大量的砂源而形成了潮流沙脊，最大脊高5 m[30]。沙脊區(qū)常伴隨著沙波運動，顆粒處于普遍躍移狀態(tài)，越靠近脊頂，砂含量越高，擾動性越強[27]，越不適宜與粉砂水力等效的碎屑云母沉積。碎屑云母或沉積在Ⅰ-2區(qū)和Ⅲ-2區(qū)，或沉積在離岸更遠的Ⅳ區(qū)。I-3區(qū)有可能正在發(fā)育一平行海岸的離岸堆積體。Ⅰ-3區(qū)和Ⅲ-3區(qū)代表了潮流減弱區(qū)易起動組分富集下的擾動環(huán)境。Ⅳ區(qū)代表了弱潮流影響下的平靜環(huán)境。

5 結(jié)論

(1) 渤海灣可劃分為4個碎屑礦物物源分區(qū)：I黃河礦物區(qū)，受黃河碎屑控制，以高含量的黑云母、白云母、赤褐鐵礦為主要特征，石英/長石成熟度最高；Ⅱ海河礦物區(qū)，受海河碎屑控制，以高含量的普通角閃石為主要特征，石英/長石成熟度中等；Ⅲ灤河礦物區(qū)，受灤河碎屑控制，以高含量的鈦鐵礦、石榴石為主要特征，石英/長石成熟度最低；Ⅳ渤海灣中部礦物區(qū)，為多物源供應(yīng)。

(2) 黃河碎屑物質(zhì)的影響力最強，控制著渤海灣的整個南半部；灤河雖然輸沙量遠低于黃河，但灤河碎屑的影響力并不弱，控制著渤海灣的北部和東北部；海河碎屑物質(zhì)的影響力較弱，僅局限在渤海灣西北部的海河口附近。

(3) 水文動力環(huán)境的不同導(dǎo)致了亞分區(qū)的礦物特征差異。Ⅰ-1區(qū)和Ⅲ-1區(qū)為破波帶以內(nèi)波浪長期作用下的高能擾動環(huán)境；Ⅰ-2區(qū)和Ⅲ-2區(qū)為高速潮流環(huán)境；Ⅰ-3區(qū)和Ⅲ-3區(qū)代表了潮流減弱區(qū)易起動組分富集下的擾動環(huán)境；Ⅳ區(qū)為弱潮流影響下的平靜環(huán)境。