徐勇航,李東義,程宇龍,李云海

(1.自然資源部第三海洋研究所,福建 廈門 361005;2.福建省海洋物理與地質(zhì)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 廈門 361005)

臺(tái)灣海峽連通著西太平洋兩個(gè)主要的邊緣海：東海和南海。冬季在浙閩沿岸流的強(qiáng)烈作用下,長(zhǎng)江物質(zhì)可被帶到臺(tái)灣海峽北部[1-3];而臺(tái)灣島西部河流每年向臺(tái)灣海峽輸沙量平均為50×106～150×106t[4-5];同時(shí),福建河流(閩江、九龍江等)也有大量的沉積物輸入到臺(tái)灣海峽西側(cè)[6]。因此,臺(tái)灣海峽是陸-海相互作用強(qiáng)烈的地帶,是研究入海陸源碎屑物質(zhì)的分布、搬運(yùn)及來(lái)源等的典型區(qū)域[4,7]。

陸源碎屑物質(zhì)經(jīng)河流搬運(yùn)到河口,受地形、海洋水動(dòng)力條件等影響在河口沉積形成三角洲。現(xiàn)代河口三角洲的發(fā)育演變受到入海泥沙量、水動(dòng)力條件、海平面升降等因素控制。閩江位于臺(tái)灣海峽西北側(cè),屬山溪性河流,流域面積約6.1×104km2,年平均輸沙量為7.2×106t,高峰期時(shí)為20×106t[6]。閩江口具有多汊道入海的特點(diǎn),但其入海泥沙主要通過(guò)北支的川石水道和南支的梅花水道。閩江口水下三角洲自從河口向外可分為：水下三角洲平原、三角洲前緣和前三角洲[8-11]。

前人較詳細(xì)的討論了閩江口水下三角洲的地貌特征、沉積環(huán)境及三角洲的演化[8-15]。但是,閩江口的水下三角洲發(fā)育較復(fù)雜,控制和影響三角洲發(fā)育的因素包括地質(zhì)構(gòu)造、海平面變化、入海泥沙和海洋水動(dòng)力等。而且,隨著梅花水道的衰退,對(duì)閩江口水下三角洲的演化還不清楚。此外,隨著全新世海平面的變化,閩江口沉積物來(lái)源是如何演變的,還需要進(jìn)一步研究。因此,本研究通過(guò)閩江口南側(cè)柱狀樣沉積物高分辨率的粒度和粘土礦物分析,結(jié)合AMS14C年代學(xué),揭示中晚全新世閩江口沉積物來(lái)源的變化及沉積環(huán)境演化,進(jìn)而討論閩江口水下三角洲中晚全新世以來(lái)的演化。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

在閩江口南側(cè)近岸海域,用重力取樣器采集1個(gè)沉積物柱狀樣(MJK16),其坐標(biāo)為25°53.9′N,119°45.5′E,水深22 m(圖1),柱狀樣長(zhǎng)2.80 m。柱樣沉積物以194 cm為界,上下的沉積物類型明顯不同,下部為灰色的粉砂質(zhì)砂,含有少量的破碎貝殼;而上部為深灰色的粘土質(zhì)粉砂。按照2 cm間隔進(jìn)行分樣,開(kāi)展AMS14C 測(cè)年、粒度和粘土礦物分析。

圖1 研究區(qū)位置及河口地貌特征示意圖Fig.1 Location and the geomorphological characters in Minjiang Estuary(a)本研究站位及水下三角洲平面分布特征,據(jù)文獻(xiàn)[9]修改;(b)閩江口斷面特征示意圖,據(jù)文獻(xiàn)[15]修改。

1.2 AMS14C定年

自下而上,對(duì)柱狀樣不同沉積類型分別選取4個(gè)層位的樣品進(jìn)行有孔蟲(chóng)挑選,其中有一個(gè)層位選在198～200 cm,靠近上下段的分界線(194 cm)。每個(gè)樣品挑選約15 mg 左右的混合有孔蟲(chóng),將挑選后的有孔蟲(chóng)送北京大學(xué)核物理與核技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行AMS14C 測(cè)年。根據(jù)Marine 13曲線進(jìn)行海洋碳庫(kù)系統(tǒng)校正,原始測(cè)年數(shù)據(jù)使用CALIB 8.2軟件進(jìn)行日歷年齡校正。

1.3 粒度分析

選取適量的沉積物樣品先加入15 mL 30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)的雙氧水浸泡24 h,去除沉積物中有機(jī)質(zhì);然后再加入5 mL 10%的稀鹽酸浸泡24 h去除沉積物中的鈣質(zhì)和生物貝殼。然后離心樣品,倒掉上層溶液,再加入去離子水超聲樣品后再離心直至溶液呈中性,經(jīng)超聲波振蕩分散后上機(jī)測(cè)試。粒度測(cè)試采用MasterSizer 2000型激光粒度儀,分析范圍為0.02～2 000 μm,分辨率為0.01 φ,重復(fù)測(cè)量的相對(duì)誤差小于5%。

1.4 粘土礦物分析

選取適量沉積物樣品先后用15%雙氧水和25%醋酸在60 ℃水浴鍋中各反應(yīng)1 h,去除有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽;然后,用去離子水離心清洗兩次,直到具有抗絮凝作用發(fā)生。根據(jù)Stokes方法所確定的沉降時(shí)間,吸出小于2 μm的懸浮液并離心,用滴片法制成定向薄片[16]。采用PANalytical X’ Pert PRO 衍射儀對(duì)乙二醇飽和片進(jìn)行測(cè)試。使用HighScore軟件對(duì)乙二醇飽和片曲線進(jìn)行波峰參數(shù)的半定量計(jì)算(圖2)。粘土礦物中的伊利石、蒙脫石、綠泥石和高嶺石的占比按Biscaye的方法[17]計(jì)算。其中,綠泥石和高嶺石的占比通過(guò)3.54 nm/3.58 nm的衍射峰高比來(lái)計(jì)算。伊利石的化學(xué)指數(shù)為5 ?/10 ?峰面積比,伊利石的結(jié)晶度采用10 ?峰的半高寬表示。

圖2 閩江口MJK16柱狀樣典型樣品乙二醇飽和片X射線衍射譜圖Fig.2 Representative XRD spectra after solvatation with glycol of samples from core MJK16

2 結(jié)果與討論

2.1 年代學(xué)

MJK16柱狀樣的AMS14C 測(cè)年數(shù)據(jù)如表1所示,校正后日歷年齡與深度的關(guān)系如圖3所示,該柱狀樣上段的沉積速率較高,平均沉積速率約為72 cm/ka,而下段的平均沉積速率小于40 cm/ka。

表1 MJK16柱狀樣年代學(xué)數(shù)據(jù)及沉積速率Tab.1 Radiocarbon analyses by AMS for sediments of core MJK16

圖3 閩江口MJK16柱狀樣沉積速率Fig.3 Sedimentation rates of core MJK16 based on AMS 14C data in Minjiang Estuary

2.2 粒度特征

MJK16柱狀樣在194 cm上下具有明顯不同的沉積物組分特征(圖4)。上段(0～194 cm)：砂平均占比為(18.2±5.8)%;粉砂平均占比為(58.1±4.4)%;粘土平均占比為(23.7±2.5)%;下段(194～280 cm)：砂平均占比為(58.6±8.7)%;粉砂平均占比為(28.7±6.1)%;粘土平均占比為(12.7±2.7)%。總體上,該柱狀樣上段沉積物較細(xì),為粘土質(zhì)粉砂,平均粒徑為(6.30±0.32)φ,中值粒徑為(6.50±0.27)φ;而下段沉積物明顯變粗,為粉砂質(zhì)砂-細(xì)中砂,平均粒徑為(3.76±0.49)φ,中值粒徑為(2.73±1.03)φ。下段沉積物的分選系數(shù)為2.95±0.18,明顯高于上段的分選系數(shù)(2.33±0.22)。

圖4 閩江口MJK16柱狀樣沉積物組分及粒度參數(shù)特征Fig.4 Down-core variations of sediment composition and grain size parameters of core MJK16

2.3 粘土礦物組成特征

MJK16柱狀樣的粘土礦物組成特征也大致分為兩段(圖5)。上段(0～194 cm)：伊利石平均占比為56%,綠泥石平均占比為19%,高嶺石平均占比為21%,蒙脫石平均占比為4%;下段(194～280 cm)：伊利石平均占比為56%,綠泥石平均占比為15%,高嶺石平均占比為19%,蒙脫石平均占比為10%。總體上,自下而上,伊利石含量變化不大,高嶺石和綠泥石在上段具有明顯的增加,而蒙脫石含量在上段明顯減少。伊利石結(jié)晶度值的范圍為0.23°～0.37° Δ2θ[平均為(0.29°±0.03°)Δ2θ)],伊利石化學(xué)指數(shù)的范圍為0.41～0.67(平均為0.52±0.05),兩者自下而上沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)。

圖5 閩江口MJK16柱狀樣沉積物粘土礦物組合特征Fig.5 Down-core variations of clay mineral assemblages of core MJK16

2.4 討論

2.4.1 閩江口沉積物來(lái)源

臺(tái)灣海峽受到南下的浙閩沿岸流和北上的臺(tái)灣暖流的相互作用[18],細(xì)顆粒的物質(zhì)可以長(zhǎng)距離搬運(yùn)進(jìn)入海峽。研究表明,過(guò)去7 000年總共約1.7×1012t長(zhǎng)江物質(zhì)輸入東海,平均每年約2.4×108t,其中近三分之二的入海泥沙沉積在水下三角洲附近,約三分之一的細(xì)顆粒物質(zhì)受浙閩沿岸流的影響,形成了東西寬約100 km,南北長(zhǎng)近800 km的浙閩沿岸泥質(zhì)區(qū)[19]。特別是,在冬季強(qiáng)烈的浙閩沿岸流作用下,長(zhǎng)江的物質(zhì)最遠(yuǎn)能被帶到福建泉州灣附近[1-2]。Huh 等通過(guò)臺(tái)灣海峽大量的放射性核素210Pb、137Cs和7Be的研究,結(jié)合粒度參數(shù)和地形數(shù)據(jù),提出臺(tái)灣島西部河流是臺(tái)灣海峽主要源區(qū)之一,每年向臺(tái)灣海峽輸入約9.8×107t碎屑物質(zhì),并有部分物質(zhì)隨著臺(tái)灣暖流向北輸運(yùn)進(jìn)入東海[7]。

閩江口南側(cè)MJK16柱狀樣沉積物以粉砂和砂為主,粘土占比小于30.0%(圖4)。粗顆粒的沉積物主要來(lái)自閩江近源物質(zhì)的輸入。研究表明,閩江口沉積物中碎屑鋯石的U-Pb年齡主要有5個(gè)年齡譜峰,分別是90 Ma—250 Ma、400 Ma—470 Ma、0.7 Ga—1.2 Ga、1.6 Ga—2.0 Ga 和2.3 Ga—2.6 Ga,各個(gè)譜峰特征反映了閩江流域相對(duì)應(yīng)的構(gòu)造-熱事件信息[20],因此,閩江口粗顆粒的沉積物主要來(lái)自閩江中下游燕山期巖體的風(fēng)化物,及部分中上游加里東期和印支期物質(zhì)的加入,還有部分來(lái)自閩江源頭武夷山地區(qū)前寒武紀(jì)基底的物質(zhì)[20]。然而,閩江口細(xì)顆粒的沉積物(比如粘土礦物)來(lái)源就比較復(fù)雜,除了閩江來(lái)源的,可能還有長(zhǎng)江或者臺(tái)灣島西部河流的貢獻(xiàn)[2,4,7]。根據(jù)鉛同位素比值估算馬祖列島南部柱狀樣(MJK9)沉積物來(lái)源,發(fā)現(xiàn)閩江對(duì)MJK9全樣沉積物的貢獻(xiàn)僅為30%,而長(zhǎng)江貢獻(xiàn)為70%[14]。因此,長(zhǎng)江物質(zhì)對(duì)閩江口外沉積物具有明顯的影響。

長(zhǎng)江沉積物中的粘土礦物以伊利石為主(64%～70%),并含有少量的蒙脫石(4%～10%),浙閩沿岸泥質(zhì)區(qū)的粘土礦物組成特征與長(zhǎng)江的相似[3,16]。由于強(qiáng)烈降雨和快速的機(jī)械剝蝕導(dǎo)致臺(tái)灣島河流(如濁水溪、高屏溪等)中粘土礦物組合以伊利石(大于70%)和綠泥石為主,不含蒙脫石和高嶺石[2]。而閩江流域出露大量的中生代花崗巖,受溫暖潮濕的氣候作用,風(fēng)化形成的沉積物以高嶺石為主(大于40%),其次是伊利石和綠泥石,基本不含蒙脫石[16]。因此,閩江的粘土礦物組合特征明顯不同于長(zhǎng)江和臺(tái)灣島的,可以利用粘土礦物組合特征進(jìn)行物源分析。

MJK16柱狀樣的粘土礦物組成特征以伊利石為主[(56±3)%],其次是高嶺石、綠泥石和蒙脫石(圖5)。MJK16柱狀樣伊利石的含量明顯高于閩江流域沉積物的伊利石,低于長(zhǎng)江和臺(tái)灣島河流沉積物的伊利石含量;而且伊利石結(jié)晶度平均值為(0.29°±0.03°)Δ2θ,伊利石化學(xué)指數(shù)平均值為0.52±0.05,都介于臺(tái)灣島河流和長(zhǎng)江之間(圖6),說(shuō)明MJK16柱狀樣沉積物中伊利石可能有閩江、長(zhǎng)江和臺(tái)灣島來(lái)源的。Xu等通過(guò)對(duì)臺(tái)灣海峽表層沉積物粘土礦物組合特征研究,認(rèn)為長(zhǎng)江物質(zhì)是臺(tái)灣海峽中北部的粘土礦物的主要來(lái)源[2]。

圖6 閩江口及周邊河流沉積物的粘土礦物組合三角圖和伊利石結(jié)晶度與化學(xué)指數(shù)對(duì)比圖Fig.6 Ternary diagram of the clay mineral assemblages and correlation diagram of illite crystallinity index and chemical composition閩江流域、閩江口、長(zhǎng)江和濁水溪資料據(jù)文獻(xiàn)[16],高屏溪和臺(tái)灣島湖泊資料據(jù)文獻(xiàn)[21]。

但是,長(zhǎng)江粘土礦物中含有少量的高嶺石,約為10%[16],而MJK16柱狀樣中的高嶺石占比為(20±2)%,因此,長(zhǎng)江來(lái)源的高嶺石貢獻(xiàn)不大。而且臺(tái)灣島的粘土礦物中幾乎不含高嶺石,因此,MJK16柱狀樣中的高嶺石主要來(lái)自閩江。閩江的沉積物中未發(fā)現(xiàn)有蒙脫石,甚至整個(gè)福建的河流沉積物中都未發(fā)現(xiàn)蒙脫石[16];而且臺(tái)灣島河流的粘土礦物含大量伊利石和少量綠泥石,幾乎不含蒙脫石和高嶺石。長(zhǎng)江物質(zhì)中蒙脫石的占比約為7%,因此,推測(cè)閩江口的蒙脫石可能來(lái)自長(zhǎng)江。

2.4.2 中晚全新世以來(lái)閩江口沉積物來(lái)源的演變規(guī)律

MJK16柱狀樣的粘土礦物組合特征自下而上明顯的不同,除了伊利石總體上變化不大外,中全新世沉積物中的蒙脫石含量明顯高于晚全新世,但是中全新世沉積物中的綠泥石和高嶺石含量卻低于晚全新世(圖7),說(shuō)明中晚全新世的沉積物來(lái)源發(fā)生了明顯的變化。柱狀樣中的高嶺石主要來(lái)自閩江,因此,晚全新世高嶺石含量明顯增多,反映來(lái)自閩江的沉積物增加。

圖7 閩江口中晚全新世以來(lái)粒度和粘土礦物變化圖Fig.7 Variations of grain size,clay minerals assemblages of core MJK16 since middle-late Holocene.圖中浮游有孔蟲(chóng)、底棲有孔蟲(chóng)和介形蟲(chóng)曲線為MD06-3040柱狀樣的,資料據(jù)文獻(xiàn)[22]。

根據(jù)前面的討論,我們推測(cè)閩江口的蒙脫石主要來(lái)自長(zhǎng)江,因此,中全新世蒙脫石含量明顯增多,可能反映在中全新世長(zhǎng)江來(lái)源的物質(zhì)增加。根據(jù)浙閩泥質(zhì)區(qū)MD06-3040柱狀樣浮游有孔蟲(chóng)泡抱球蟲(chóng)(Globigerinabulloides)的豐度變化(圖7),推測(cè)浙閩沿岸流在4.9 ka BP—3.2 ka BP時(shí)期最為強(qiáng)盛[22]。因此,受浙閩沿岸流增強(qiáng)的影響,攜帶更多的長(zhǎng)江細(xì)顆粒物質(zhì)到閩江口沉積,導(dǎo)致沉積物中蒙脫石含量增多。隨著浙閩沿岸流自中全新世以來(lái)逐漸減弱和海平面的稍微降低,長(zhǎng)江物質(zhì)對(duì)臺(tái)灣海峽北部的影響也減弱,導(dǎo)致閩江口附近海域的蒙脫石逐漸減少,而來(lái)自閩江的高嶺石增多。此外,臺(tái)灣海峽西側(cè)泉州灣外的柱狀樣F15的研究也發(fā)現(xiàn),在4.0 ka BP以來(lái),長(zhǎng)江物質(zhì)的貢獻(xiàn)減少,可能與晚全新世東亞季風(fēng)減弱導(dǎo)致浙閩沿岸流減弱有關(guān)[23]。

2.4.3 閩江口中晚全新世以來(lái)水下三角洲的演化特征

閩江口水下三角洲從晚更新世早期就開(kāi)始發(fā)育,受海平面升降的影響,閩江口水下三角洲主要經(jīng)歷了5 次海進(jìn)-海退旋回[24]。水下三角洲垂向的沉積物自下而上可分為3層：下段為粘土質(zhì)粉砂細(xì)粒,反映水動(dòng)力條件相對(duì)較弱;而中段沉積物變?yōu)樯昂驼惩临|(zhì)粉砂互層,說(shuō)明當(dāng)時(shí)的水動(dòng)力條件有所增強(qiáng);到上段沉積物以砂質(zhì)為主,揭示水動(dòng)力條件變強(qiáng)[24]。根據(jù)閩江口淺地層和旁側(cè)聲納資料,可將閩江口水下三角洲從河口向外分為水下三角洲平原、三角洲前緣和前三角洲[8-10]。受水動(dòng)力對(duì)沉積物機(jī)械分異作用的影響,沉積物變化趨勢(shì)是由以砂質(zhì)沉積物為主向泥質(zhì)沉積物過(guò)渡[8,14,25]。

前三角洲是一段較狹窄的區(qū)域,水深約20～22 m,沉積物主要由粉砂質(zhì)粘土和粘土質(zhì)粉砂等細(xì)顆粒組成,中值粒徑在 4～8 φ[14,26]之間,反映了較弱的水動(dòng)力環(huán)境。而三角洲前緣的沉積物類型以砂和砂質(zhì)粉砂為主,中值粒徑小于4 φ[15,25],反映了較強(qiáng)的水動(dòng)力環(huán)境。前三角洲沉積物特征明顯不同于由粗顆粒物質(zhì)組成的三角洲前緣。閩江口南側(cè)MJK16柱狀樣位于前三角洲(圖1),晚全新世以來(lái)沉積物以粉砂為主(58.1%),粘土占比為23.7%(圖4);平均粒徑為(6.30±0.32)φ,中值粒徑為(6.50±0.27)φ(圖7),與前三角洲沉積物特征相似。然而,MJK16柱狀樣中全新世的沉積物較粗,以砂為主(58.6%),粘土占比不到13%;下段的平均粒徑為(3.76±0.49)φ,中值粒徑為(2.73±1.03)φ(圖7)。MJK16柱狀樣中全新世的沉積物特征與三角洲前緣的粗顆粒物質(zhì)(中值粒徑小于4 φ[15,25])相近,揭示了中全新世時(shí)期,MJK16柱狀樣所在區(qū)域的水動(dòng)力條件較強(qiáng),反映了閩江口南側(cè)從中全新世的高能環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)橥砣率赖牡湍墉h(huán)境。

謝在團(tuán)等認(rèn)為從早全新世約9 ka BP開(kāi)始,隨著海平面快速上升,閩江口水下三角洲范圍迅速擴(kuò)展[26]。研究發(fā)現(xiàn),福建沿海的海侵在4 ka BP—3 ka BP達(dá)到最高峰,海平面高出現(xiàn)在海面約3～5 m;隨后,曾從盛也提出在中全新世的6.1 ka BP左右和3.1 ka BP左右,福建沿海的海平面達(dá)到高峰期極值,比現(xiàn)在高出2～3 m[27]。隨著海平面上升,海水沿閩江河谷入侵到福州盆地,形成古海灣;閩江下游成為溺谷,閩江口則為海水作用的河口灣[26]。在3.0 ka BP之前的高海平面,梅花水道可能是閩江物質(zhì)輸入海洋的主要通道,導(dǎo)致在閩江口以南靠近河流通道,水動(dòng)力條件較強(qiáng),MJK16柱狀樣中全新世的沉積物明顯變粗,以砂為主,沉積物分選也較差(圖4)。長(zhǎng)樂(lè)海濱沉積物中的重礦物組合特征與閩江河口相似,說(shuō)明當(dāng)時(shí)水下三角洲分布范圍可以到長(zhǎng)樂(lè)海濱地區(qū),比近現(xiàn)代水下三角洲沉積范圍更廣[24]。到晚全新世,隨著海平面的下降,梅花水道退化,閩江物質(zhì)主要由川石水道輸入海洋,閩江口以南的區(qū)域水動(dòng)力減弱,MJK16柱狀樣的沉積物由中全新世的砂轉(zhuǎn)變?yōu)橥砣率赖姆凵盀橹鳌?/p>

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)閩江口南側(cè)MJK16柱狀樣沉積物開(kāi)展高分辨率的粒度、粘土礦物分析及AMS14C測(cè)年,發(fā)現(xiàn)MJK16柱狀樣上下具有明顯不同的沉積物組分特征。上段沉積物較細(xì),為粘土質(zhì)粉砂,平均粒徑為(6.30± 0.32)φ;而下段沉積物較粗,為粉砂質(zhì)砂-細(xì)中砂,平均粒徑為(3.76±0.49)φ。自下而上,伊利石含量變化不大,而高嶺石和綠泥石在上段具有明顯的增加,蒙脫石含量在上段明顯減少。

中全新世高海平面時(shí)期,梅花水道可能是閩江口南側(cè)陸源物質(zhì)的主要輸入通道,導(dǎo)致閩江口以南水動(dòng)力較強(qiáng),形成了以砂為主的沉積特征;同時(shí)受增強(qiáng)的浙閩沿岸流影響,更多的長(zhǎng)江物質(zhì)被搬運(yùn)到閩江口沉積,導(dǎo)致沉積物中蒙脫石含量增多。然而,到晚全新世海平面略有下降,梅花水道衰退,閩江口南側(cè)水動(dòng)力減弱,形成以粉砂為主的沉積特征;并隨著浙閩沿岸流的減弱,沉積物中的蒙脫石含量明顯減少,而高嶺石含量增加。