2019, Vol. 43
文章信息
- 张连杰, 朱龙海, 张盼, 赵博, 王鹏. 2019.
- ZHANG Lian-jie, ZHU Long-hai, ZHANG Pan, ZHAO Bo, WANG Peng. 2019.
- 渤海湾表层沉积物元素地球化学分布特征与影响因素
- Geochemical distribution and its controlling factors of the surface sediments in the Bohai Bay
- 海洋科学, 43(6): 78-87
- Marine Sciences, 43(6): 78-87.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20190122004
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文章历史
- 收稿日期：2019-01-22
- 修回日期：2019-03-31
2. 中国海洋大学, 山东 青岛 266100
2. Ocean University of China, Qingdao 266100, China
沉积物中元素的丰度受沉积物的粒度大小的强烈影响, 被称作“元素的粒度控制律”[1]。粒度对元素丰度的控制作用是普遍存在的也是最主要的因素。事实上, 由于从源到汇沉积过程的复杂性, 沉积物的元素丰度及其空间分布与物质来源、沉积动力、海洋环境、气候等均有密切联系[2-5]。
渤海湾位于渤海的西部(图 1), 沿岸密布现代三角洲和古三角洲堆积体, 是陆地与海洋强烈相互作用的典型海湾。渤海湾沿岸有黄河、滦河和海河三条大型河流注入, 其中黄河年输沙量高达11×108 m3[3], 是渤海湾最主要的物质来源; 滦河和海河贡献相对较少, 年输沙量均不足黄河的1/30。在渤海湾海域, 粒度大小和物源差异已被证实是影响沉积物元素丰度及其分布的重要因素。渤海湾粗粒沉积区富硅贫铝, 细粒沉积区富铝贫硅[6], 沉积物元素含量受粒度特征的明显控制; 由于黄河中游流经黄土高原地区, 黄土中富含碳酸盐, 黄河泥沙以高含量的CaO为主要特征[7], 渤海湾南部由于靠近入海口而呈现较高的CaO含量[8]。这些发现在物源分析[9]和物质扩散[10]的研究中已得到成功应用。然而, 近年来有学者提出, 渤海湾沉积中的某些元素具有特殊规律, 如刘建国等提出渤海湾沉积的Mn元素与海洋自生作用有关[11], 河口外侧沉积物中有机质丰富, P在渤海湾南部含量偏高[6]等。近些年由于水库建设、用水增加以及人为调水调沙等原因, 河流输沙量逐年下降, 河流输送入海的大部分物质堆积在河口, 物质的运移再分配成为渤海湾沉积物平衡过程中的重要部分, 也必然对元素分布产生一定作用, 但尚未有相关研究。因此对渤海湾沉积物元素地球化学特征及影响因素的认识并不全面, 有待研究。本文对渤海湾沉积的元素地球化学特征的研究, 对于认识渤海湾沉积物的源-汇、物质运移和再分配, 了解沉积作用的空间差异和关键因素具有重要科学意义, 同时也可为海湾开发利用等人类活动提供科学指导。
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| 图 1 渤海湾表层沉积物采样站位 Fig. 1 Surface sediments sampling sites in the Bohai Bay |
渤海湾三面环陆, 沿岸有黄河、滦河、海河三条大型河流流入, 堆积形成了北侧的古滦河三角洲, 西侧的海河三角洲及南侧的黄河三角洲。渤海湾的中部和西部地势较平坦, 北岸和东南岸坡度较大, 曹妃甸南侧的深槽最大水深可达–40 m(图 1)。渤海湾潮流为不正规或正规半日潮流, 运动形式主要是往复流, 南岸和北岸潮流主流向近乎平行于海岸, 西岸的潮流主流向则垂直于海岸。渤海湾存在两个强潮流区, 其中曹妃甸南侧深槽的涨潮最大流速可达1.24 m/s[12]; 黄河口附近存在半日潮无潮区, 6~20 m等深线之间的强流带最大流速可达120 cm/s[13]。
2 资料和方法资料来源于中国海洋大学与国家海洋环境监测中心2009年利用抓斗在渤海湾采集的307个表层沉积物样品(图 1), 粒度和化学测试在中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室完成, 粒度测试使用Malvern Mastersizer 2000型激光粒度仪, 常微量元素测试利用SPECTRO XEPOS台式偏振X射线荧光光谱仪, 测试采用平行样, 并通过标准样(GSMS-2)进行质量控制, 多次重复测试的相对标准偏差平均为2%左右。有机碳(TOC)和CaCO3含量测定在广州地球化学研究所有机地球化学重点实验室完成, 采用元素分析仪(Vario EL-III Elemental Analyzer), 在碳酸盐去除前、后进行两次测试并计算获得, 测定采用平行样, 并通过标准样和空白样进行质量控制, 多次重复测试的误差为0.02%。
3 结果常量、微量元素含量分析统计情况如表 1所示, 常量元素含量分布如图 2所示, 微量元素含量分布如图 3所示。
| 常量元素/% | SiO2 | Al2O3 | TFe2O3 | MgO | MnO | CaO | Na2O | K2O | TiO2 | P2O5 | TOC | |||||||
| 最小值 | 41.2 | 6.8 | 0.7 | 0.3 | 0.0 | 1.0 | 0.9 | 2.0 | 0.1 | 0.1 | 0.0 | |||||||
| 最大值 | 74.1 | 15.5 | 6.6 | 3.2 | 0.2 | 12.4 | 3.5 | 3.4 | 0.7 | 0.3 | 1.0 | |||||||
| 平均值 | 54.3 | 13.1 | 4.8 | 2.5 | 0.1 | 5.7 | 2.1 | 2.7 | 0.6 | 0.2 | 0.4 | |||||||
| 微量元素/(μg/g) | Cu | Ni | Pb | Zn | Cr | Sr | Ba | V | ||||||||||
| 最小值 | 2.9 | 7.9 | 6.8 | 17.9 | 10.2 | 156.8 | 358.0 | 7.0 | ||||||||||
| 最大值 | 38.6 | 54.0 | 43.6 | 126.0 | 93.6 | 373.0 | 1743.0 | 111.8 | ||||||||||
| 平均值 | 24.9 | 35.7 | 23.9 | 73.7 | 51.8 | 212.0 | 585.0 | 74.5 | ||||||||||
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| 图 2 渤海湾表层沉积物常量元素含量分布(%) Fig. 2 Distribution of major elements contents of the surface sediments in the Bohai Bay(%) |
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| 图 3 渤海湾表层沉积物微量元素含量分布(μg/g) Fig. 3 Distribution of trace elements contents of the surface sediments in the Bohai Bay(μg/g) |
渤海湾表层沉积物的常量元素以SiO2(平均54.3%)和Al2O3(平均13.1%)为主, 最高值分别可达74.1%和15.5%。随后是CaO、TFe2O3, 平均含量分别为5.7%和4.8%; Na2O、MgO和K2O含量接近, 平均含量分别为2.1%、2.5%和2.7%; TiO2、P2O5、MnO、TOC含量最低, 均不足1%。
3.2 微量元素含量渤海湾表层沉积物的已测试的微量元素以Ba (平均585.0 μg/g)和Sr(平均212 μg/g)含量最高, 分别可达1743.0 μg/g和373.0 μg/g。其次为V、Zn和Cr的平均含量依次为74.5 μg/g、73.7 μg/g和51.8 μg/g; Ni和Pb含量最低, 平均含量分别为35.7 μg/g和23.9 μg/g。
4 讨论 4.1 元素组合分布规律对常、微量元素进行R型聚类, 结果(图 4)显示, 当判定距离小于4时, 呈现出以下几类元素组合。
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| 图 4 渤海湾表层沉积物元素丰度R型聚类 Fig. 4 R-type clustering to the elements contents of the surface sediments in the Bohai Bay |
(1) SiO2、Na2O组合。SiO2和Na2O分布较为一致, 在曹妃甸浅滩、外侧水下沙脊、渤海湾南部近岸等粗粒沉积区的含量较高, 而在渤海湾中部、西部等细粒沉积区含量较低(图 2a、2f)。粗粒沉积物的主要矿物组成为石英和斜长石, 而SiO2是陆源碎屑石英的主要组成元素, Na2O是斜长石的主要组成元素, 二者均易富集于粗粒沉积物中, 是“元素的粒度控制律”[1]中的第二种模式。
(2) Al2O3、TFe2O3、MgO、Cu、Zn、Ni、K2O、Cr、P2O5、Pb组合。以Al2O3为代表的元素组合含量分布与SiO2、Na2O分布正好相反(图 2b)。Al是亲氧元素, 广泛赋存于黏土矿物中, Al的平均含量在伊利石中为13.5%, 在高岭石中为21%, 在蒙脱石中为11%[14]。绝大多数的重金属元素易受细粒物质的吸附作用而富集, 是“元素的粒度控制律”[1]中的第一种模式。
(3) CaO、TiO2组合。海洋沉积物中的Ti常被认为全部来源于陆源碎屑, TiO2被认为是渤海陆源物质输入的代表性因子[11], 黄河物质因富含碳酸盐, 以高含量的Ca为主要特点, 且呈现河口富集, 向外逐渐降低的分布特征, 表现了河流陆源输入对渤海湾沉积的重要影响, 这与前人[1]的发现一致。
(4) MnO、V、TOC组合。该组合与第二组元素组合存在一定的亲缘性, 即亲黏土特性, 但其分布又有迥然不同:在黄河水下前三角洲的外缘, 沉积物并不是最细的, 但含量却是最高的, 而这里也恰是自生黄铁矿的高含量区(图 5), 指示局部强还原性环境。V的絮凝沉降与还原环境密切相关, 国内外都发现富集V的沉积物中都富含有机质; 自生黄铁矿(FeS2)也是还原环境下铁和硫被还原所形成; Mn也是有机质的降解过程中的重要参与物[15]。Mn、V、Fe2+是对氧化还原非常敏感的元素, 被广泛作为氧化还原环境的判别指标[16, 17]。高含量的TOC说明有机质含量丰富, 就为还原细菌提供了必要的生存条件, 有机质分解时消耗大量氧气而导致还原性环境的形成, 钒、铁、锰的高价化合物被还原为低价[18]。因此, 本组合与有机物的分解及由此导致的局部还原环境有关, 指示了海洋自生化学沉积因素。有机质的来源具有陆源生物碎屑和海洋生物两种来源, 该组合与TiO2、CaO呈现一定的亲缘性, 说明以河流为主的陆源输入是有机质的主要来源。
(5) Sr。Sr表现出一定亲碎屑性, 在渤海湾南北沿岸、曹妃甸深槽、黄河口水下前三角洲外缘的含量较高, 可能与钙质生物外壳碎屑的分布有关。Sr可以以类质同象的方式进入碳酸盐中, 推测Sr受到海洋钙质生物沉积因素的影响。
(6) Ba。Ba的含量在渤海湾北部整体比南部要高得多, 其含量最高的区域位于潮流沙脊区, 并向西延伸至泻湖的老龙沟潮道、曹妃甸南侧深槽及槽外沙脊。在渤海湾南部Ba的含量却非常低。钡(Ba)在海洋中类似营养物, 参与生物过程, 与海洋生产力有关, 硅藻的旺发有利于Ba的沉积[19]。钡(Ba)在海洋生物中有明显的富集倾向, 如海洋生物的软组织、有孔虫的硬组织(SiO2)、红藻与钙质生物外壳(CaCO3)均有较高的含量[20]。Ba的富集可能与胶结壳有孔虫在砂质沉积区的富集[21]有关。
4.2 元素分布的控制因素因子分析是一种数据的降维方法, 可以从原始高维数据中, 对具有相同规律的参数进行整合, 提取出公因子。因子分析在地学中得到了广泛应用[5, 23]。本文选取12种常量元素SiO2、Al2O3、TFe2O3、CaO、Na2O、K2O、MgO、TiO2、MnO、P2O5、CaCO3、TOC, 8种微量元素Cu、Ni、Pb、Zn、Cr、Sr、Ba、V利用SPSS软件进行因子分析。取样适切性量数(KMO)为0.905, 因子分析的适宜性非常好。因子提取采用主成分分析法, 成分得分采用回归法。共提取了6个主成分, 总方差解释累计92.75%。各成分载荷矩阵见表 1, 各成分得分的平面分布如图 6所示。
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| 图 6 各因子得分的平面分布 Fig. 6 Distribution of the scores for each factor |
| 元素 | 主成分 | |||||
| F1 | F2 | F3 | F4 | F5 | F6 | |
| SiO2 | –0.87 | 0.42 | –0.11 | –0.10 | 0.02 | 0.03 |
| Al2O3 | 0.95 | –0.06 | –0.15 | 0.07 | 0.01 | 0.08 |
| TFe2O3 | 0.98 | 0.17 | –0.04 | –0.06 | 0.00 | –0.02 |
| MgO | 0.97 | 0.08 | 0.01 | 0.01 | 0.03 | 0.04 |
| MnO | 0.77 | 0.39 | 0.03 | 0.22 | 0.21 | –0.10 |
| CaO | 0.61 | 0.44 | 0.53 | –0.20 | –0.02 | –0.25 |
| Na2O | –0.60 | 0.65 | 0.05 | 0.35 | –0.01 | –0.02 |
| K2O | 0.77 | –0.25 | –0.26 | 0.42 | –0.14 | –0.04 |
| TiO2 | 0.75 | 0.37 | 0.09 | –0.32 | 0.06 | 0.38 |
| P2O5 | 0.75 | –0.50 | 0.18 | –0.14 | 0.09 | 0.28 |
| TOC | 0.76 | 0.38 | –0.25 | 0.27 | –0.03 | 0.03 |
| CaCO3 | 0.59 | –0.41 | 0.50 | –0.24 | –0.20 | –0.20 |
| Cu | 0.97 | 0.10 | –0.11 | 0.05 | –0.07 | –0.07 |
| Ni | 0.97 | –0.12 | –0.02 | –0.09 | –0.07 | 0.00 |
| Pb | 0.75 | –0.25 | 0.08 | 0.03 | 0.49 | –0.09 |
| Zn | 0.91 | 0.24 | –0.08 | 0.04 | –0.09 | –0.10 |
| Cr | 0.79 | –0.37 | –0.09 | 0.14 | –0.29 | 0.06 |
| Sr | –0.14 | 0.33 | 0.74 | 0.48 | –0.10 | 0.22 |
| Ba | –0.14 | –0.80 | 0.21 | 0.44 | 0.17 | –0.03 |
| V | 0.72 | 0.63 | –0.01 | 0.02 | 0.06 | –0.03 |
| 方差贡献率/% | 59.83 | 15.87 | 6.81 | 5.57 | 2.52 | 2.15 |
| 累计方差贡献率/% | 59.83 | 75.70 | 82.51 | 88.08 | 90.60 | 92.75 |
成分F1, 方差贡献占比为59.83%。其中Al2O3、Fe2O3、MgO、MnO、CaO、K2O、TiO2、P2O5、Cu、Ni、Pb、Zn、Cr、V、TOC、CaCO3均呈现较强的正载荷(0.60 ~ 0.98), 而SiO2、Na2O呈现较强的负载荷(–0.60 ~ –0.87)。成分F1的得分(图 6a)与平均粒径的分布一致(图 3i), 呈显著正相关(相关系数0.89), 与海洋自生因素密切相关的Sr、Ba、Ca元素都呈现弱载荷。因此, 可以判断成分F1为粒度控制律, 其正载荷代表了细粒沉积, 负载荷代表了粗粒沉积, F1说明沉积物的粒度大小对元素分布起主导控制作用。
成分F2, 方差贡献占比为15.87%。Na2O、CaO、SiO2呈现较强的正载荷(0.42~0.65), 而Ba、P2O5呈现较强的负载荷(–0.50 ~ –0.80)。图 6b显示, 成分F2的得分呈现明显的南北分异。黄河物质源自黄土高原, 富含方解石, CaO是黄河物质的特征元素; 黄土高原长期风化, 黄河物质成熟度高、富含石英, 因而富SiO2, 渤海湾南部正是成分F2的高得分区。据此推断, 成分F2指示了黄河和滦河的物源差异贡献对元素分布的影响。这也意味着对成分F2呈现强载荷(强正或强负)的元素, 可以考虑作为定量区分黄河和滦河物源贡献的指标。
成分F3, 方差贡献占比为6.81%。Sr、CaO、CaCO3呈现较强的正载荷(0.50~0.74), 而负载荷很不明显, 仅K2O和TOC呈现微弱的负载荷(–0.25~–0.26), 正载荷主导了成分F3。图 6c显示, 成分F3得分没有明显的低值区, 而高值区位于曹妃甸南侧和西侧, 与冲刷深槽、外侧和向西延伸的水下沙坝相重叠。表层沉积物的调查在曹妃甸的甸头发现了砾石贝壳、深槽的西侧发现了贝壳砂, Sr、CaO、CaCO3高得分恰好与贝壳碎屑的富集符合, 因此成分F3应该就是由贝壳碎屑的富集造成的。这片狭小并呈延伸分布的区域的突出特征就是强烈的潮流作用, 深槽中的流速涨潮时最大可达1.1 m/s, 而显著高于渤海湾其他海域普遍的0.5 m/s左右[24], 在如此高速潮流的侵蚀环境下, 并不适宜贝类的附着和生长, 而且陆源碎屑因子1中的强载荷元素在因子F3中没有明显的负载荷, 因此可以判断因子F3虽然通过钙质生物碎屑表现出来, 但其指示的并不是现代的沉积作用。曹妃甸深槽现代仍处于侵蚀状态, 2004年以来最大侵蚀速率可达19 cm/a, 深槽最大水深达–42 m, 是整个渤海湾最深的海域, 槽底的全新世沉积地层被蚀穿[25]。因此推测可能是潮流冲刷下贝壳碎屑在流速较大的深槽富集, 或被潮流搬运在深槽南侧的水下沙脊和深槽西侧堆积, 导致了Sr、CaO、CaCO3的强正载荷。成分F3的凸显是潮流产生强烈侵蚀和堆积作用所致。成分F3指示了以曹妃甸深槽为代表的、强潮流主导下的沉积物蚀淤和再分配的影响。
成分F4, 方差贡献占比为5.57%。有机碳、K2O、Na2O、MnO、Sr、Ba呈现略强的正载荷(0.22~0.48), 而TiO2呈现略强的负载荷(–0.32), CaO、CaCO3呈微弱的负载荷(–0.20 ~ –0.24)。TiO2是渤海陆源物质代表性元素[11], 因此成分F4与陆源物质有一定关系, CaO、CaCO3的弱载荷说明非钙质生物沉积。海洋中藻类和浮游生物对Sr、Ba有相当的富集作用[14], 多与海洋生产力有关, 硅藻的旺发有利于Ba的沉积[19]。图 6d显示, 成分F4得分的高值区有两处, 一个位于渤海南部位于黄河水下前三角洲的外缘, 另一个位于渤海北部沿岸。成分F4的高得分区恰好与有机碳、V、Mn、自生黄铁矿的高值区相对应, 而这些都是与氧化还原环境密切相关的要素, 因此推测成分F4应代表了与氧化还原反应有关的海洋自生化学沉积。在黄河水下前三角洲的外缘三角洲沿岸盐度低、悬沙含量高的影响, 不适宜海洋浮游和底栖生物的生长[26], 三角洲沿岸沉积物粗不利于有机质的富集。向外海海洋生产力逐渐增高, 有机质在黄河水下前三角洲的外缘的细粒区富集。在渤海湾北部近岸, 沿岸河流提供了丰富的营养物, 促进了海洋生物的大量繁殖, 海洋生产力旺盛[27], 有机质富集。有机质分解消耗氧气, 导致氧化环境向局部还原环境的转换, Mn、V被还原并与有机质分解的产物络合而絮凝沉积, 黄河水下前三角洲的外缘形成了自生黄铁矿。成分F4指示了与氧化还原反应有关的海洋自生化学沉积, 且其形成与河流有机物质的输入和快速埋藏有关。
成分F5, 方差贡献占比为2.52%。Pb呈现略强的正载荷(0.49), 而Cr呈现微弱的负载荷(–0.29)。图 6e显示, 成分F5的得分在整个沿岸都整体较高, 其中在诸多河流的入海口、曹妃甸港、黄骅港、东营港的周围得分最高。在渤海湾中, Pb的富集系数明显高于Cu、Zn[28, 29]。成分F5可能指示了人类工业活动导致的重金属污染对元素分布的影响。
成分F6, 方差贡献占比为2.15%。Ti呈现略强的正载荷(0.34), 而CaO呈现略强的负载荷(–0.35)。海洋沉积物中的Ti几乎全部来源于陆源碎屑, 而CaO还会受到海洋钙质生物介壳的影响。图 6f显示, 成分F6的得分的高值区位于曹妃甸沙岛群外侧水下岸坡, 强载荷元素为Ti, 代表陆源碎屑沉积。低值区主要位于沙岛群内侧的泻湖, 这些区域富集钙质生物介壳, 蛤坨、草木坨、腰坨等沙洲的生物介壳含量可达80%[27], 代表了海洋钙质生物沉积。成分F6指示了以曹妃甸浅滩“泻湖-沙坝-水下岸坡”这一独特的沉积环境为代表的, 沙坝内侧的泻湖(海洋钙质生物沉积)与沙坝外侧水下岸坡(陆源碎屑沉积)的截然不同的物源差异。
5 结论(1) SiO2和Al2O3在渤海湾表层沉积物中含量最高, Ba和Sr在已测试的微量元素中含量最高。
(2) 渤海湾表层沉积物呈现出以下的元素组合形式:富集于粗粒沉积区的SiO2、Na2O亲碎屑元素组合; 富集于细粒沉积区的以Al2O3为代表的亲黏土元素组合; 与缺氧环境有关的MnO、V、TOC元素组合; 与河流物质输入有关的CaO、TiO2陆源元素组合; Sr、Ba相对独立, 无明显亲缘性。
(3) 因子分析共提取了6个主成分:成分F1指示了沉积物的粒度大小对元素分布起主导控制作用; 成分F2指示了黄河和滦河的物源差异贡献对元素分布的影响; 成分F3指示了以曹妃甸深槽为代表的、强潮流主导下的沉积物蚀淤和再分配的影响; 成分F4指示了与氧化还原反应有关的海洋自生化学沉积; 成分F5指示了人类工业活动导致的重金属污染对元素分布的影响; 成分F6指示了以曹妃甸浅滩“泻湖-沙坝-水下岸坡”这一独特的沉积环境为代表的, 沙坝内侧的泻湖(海洋钙质生物沉积)与沙坝外侧水下岸坡(陆源碎屑沉积)的物源差异。
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