广西典型近岸海域表层沉积物碎屑矿物分布及其物源意义
[夏真
, 林进清, 梁开, 张顺枝, 潘毅, 石要红, 黄向青, 陈太浩]
, 林进清, 梁开, 张顺枝, 潘毅, 石要红, 黄向青, 陈太浩]
引用本文
夏真, 林进清, 梁开, 张顺枝, 潘毅, 石要红, 黄向青, 陈太浩. 广西典型近岸海域表层沉积物碎屑矿物分布及其物源意义[J].中国地质调查, 2017,4(2): 66-72.
XIA Zhen, LIN Jinqing, LIANG Kai, ZHANG Shunzhi, PAN Yi, SHI Yaohong, HUANG Xiangqing, CHEN Taihao. Distribution and provenance significance of detrital minerals in surface sediments under typical coastal water areas, Guangxi[J].Geological Survey of China, 2017,4(2): 66-72.
Doi:10.19388/j.zgdzdc.2017.02.08XIA Zhen, LIN Jinqing, LIANG Kai, ZHANG Shunzhi, PAN Yi, SHI Yaohong, HUANG Xiangqing, CHEN Taihao. Distribution and provenance significance of detrital minerals in surface sediments under typical coastal water areas, Guangxi[J].Geological Survey of China, 2017,4(2): 66-72.
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广西典型近岸海域表层沉积物碎屑矿物分布及其物源意义
第一作者简介: 夏真(1963—),男,教授级高级工程师,主要从事海洋地质环境调查研究。Emai: xia-zhen@163.com。
摘要
基于“我国重点海岸带滨海环境地质调查与评价”项目,分析了广西典型岸段20 m以浅的海域表层沉积物和地貌类型及其分布特征,并在此基础上探讨了碎屑矿物含量和种类的分布、变化以及组合。研究结果表明: 研究区水动力较强,作用方式多样,有近30种碎屑矿物,其中主要有石英、长石、钛铁矿、云母、锆石、黄铁矿以及海绿石等,重矿物较为丰富; 自全新世早期海侵以来,研究区先后进入了浅海海湾相沉积环境,但碎屑矿物种类与之前基本相似,其含量变化是由于气候和海平面的波动而致; 研究区碎屑矿物在以沉积物和地貌类型为单位的各类地质单元中,其含量和种类均有所不同,尤以重矿物的变异性最为突出; 各研究区重矿物组合可分为2~3个亚分区,均反映出与沉积环境关系密切。结果表明,研究区碎屑物质主要源于周缘陆区风化剥蚀、海岸侵蚀和河流输入,碎屑物质具有陆源性。
关键词:
广西近岸; 碎屑矿物; 分布; 物源
中图分类号:P736.21
文献标志码:A
文章编号:2095-8706(2017)02-0066-07
Distribution and provenance significance of detrital minerals in surface sediments under typical coastal water areas, Guangxi
Abstract
By the subject named environmental geology survey and evaluation on the national typical coastal water areas, the authors analyzed the surface sediments, the types and distribution of sediments geomorphology in typical coastal water areas shallower than 20 m, Guangxi. And the content of detrital minerals, and their types distribution, variation and combination were studied on this basis. The results show that there are strong hydrodynamic and various ways of current influence on the study areas. And there are nearly 30 types of detrital minerals mainly including quartz, feldspar, ilmenite, mica, zircon, pyrite and glauconite, and rich in heavy minerals. Since the transgression during Early Holocene, the study areas evolved into the depositional environment of shallow-sea bays. And the types of detrital minerals are similar with those before, but their content is different, which is due to climate change and sea-level fluctuation. The types and content of detrital minerals, especially heavy minerals, in the study areas are different in different geological units, which are divided by surface sediments’ and geomorphic types. Heavy minerals combination have 2-3 sub-divisions in these study areas. And these sub-divisions and depositional environment are closely related. The results show that detrital minerals mainly originate from the weathering in onshore area, coastal erosion and river carrying, which indicates that detrital minerals are terrigenous.
Keyword:
Guangxi coastal water areas; detrital minerals; distribution; provenance
0 引言
位于北回归线以南、北部湾北部的广西海岸属东亚低纬度季风区, 地貌自陆向海方向呈现山地、丘陵和台地的逐级变化, 地势崎岖, 岸线曲折, 沿岸发育海积阶地和海积平原。区域降水丰沛, 风化强烈, 河流发育, 岩石化学类型多为硅酸盐岩和硅酸盐碎屑岩。沿海地区地层展布明显受NE向、NW向断裂带控制, 出露基岩有古生界志留系和中生界侏罗系, 岩性主要为砂岩和页岩等, 局部地区零星发育有花岗岩、石英斑岩及其岩脉, 底部存在沉积底砾岩, 河流流域主要岩体为碎屑岩和碳酸盐岩等。第四系广泛分布, 但比较分散, 西部和中部沿岸全新统地层(Q4)之下有上更新统江平组(Q3j)和下更新统湛江组(Q1z), 东部有江平组(Q3j)和北海组(Q2b)。出露地层受到风化、剥蚀和搬运作用[1]。
近岸碎屑矿物是海洋沉积物的重要组成部分, 其种类丰富且来源多样, 对指示环境演变和沉积物运移具有积极的意义。已有学者对广西一些海湾进行了沉积物取样和碎屑矿物分析, 但对近岸海域的区域性和系统性调查研究尚未开展[2]。在了解华南邻区主要海湾和河口碎屑矿物的基础上, 本文基于“ 我国重点海岸带滨海环境地质调查与评价” 项目, 以广西典型岸段即钦州湾(外湾)、北海西部海域和东部铁山港湾口20 m以浅的近岸海域为研究区, 分析其表层沉积物中碎屑矿物的分布、变化及其物源意义, 以掌握广西典型近岸地质环境的变化规律[3, 4, 5]。
1 研究区概况
广西典型近岸海域的水动力作用较强。研究区自西向东, 潮流平均流速20~40 cm/s, 平均波高0.30~0.80 m, 年平均潮差2.40~2.46 m[1]。钦州湾位于广西海岸中段, 为山地型溺谷海岸, 是广西最大的海湾, 分有内湾和外湾, 两者通过钦州海峡而贯通。内湾有钦江和茅岭江注入, 外湾范围较大; 北海西部近岸海域西与钦州湾相毗邻, 其中南流江口三角洲是广西最大的河口三角洲, 大风江口则为溺谷海岸, 两者之间分布有基岩海岸、砂质海岸和泥质海岸等, 以上2个研究区的钦州湾口和南流江— 大风江口水深4~20 m, 自北向南逐步加深, 平均坡降1.0× 10-3; 铁山港为台地溺谷海岸, 其间分布有基岩海岸、砂质海岸、泥质海岸和生物海岸等[6, 7, 8]。该海湾周边属于滨海平原, 入海径流微小, 呈南北走向, 形态为狭长喇叭形, 湾口典型的潮成沙脊十分发育。湾口外水深5~20 m, 平均坡降1.4× 10-3。3个研究区海域面积为580~700 km2不等。研究区位置如图1所示。
 | 图1 广西近岸典型海域研究区位置Fig.1 Location of the study areas in typical coastal water areas of Guangxi |
2 研究方法
各研究区按照1∶ 10万比例尺布设沉积物站位, 2006— 2009年间自西向东逐年完成取样测试工作。采用抓斗取样和箱式取样方式采集表层沉积物, 基本网格为5 km× 5 km。在区内再布设1~2个地质钻孔, 钻探设备为国产GY型钻机, 其中黏土层取心率大于80%, 砂土取心率约为60%, 按照20 cm等距原则进行分样, 上部层段适当加密。
沉积物粒度分析和碎屑矿物鉴定依照标准“ 海洋地质地球物理调查” (GB/T 12763.8— 2007)。粒度采用沉析法, 碎屑矿物的分析粒级为0.063~0.250 mm。碎屑矿物鉴定设备采用MZ8实体显微镜, 每件样品的干重为6.00 g。地貌类型划分则依据同步取得的综合物探水深、测扫声呐等资料的解释结果[1]。
3 调查结果
3.1 表层沉积物和地貌特征
3.1.1 表层沉积物
由于水动力作用较强, 研究区表层沉积物多为砂或者砂质沉积物。在波浪和潮流影响下, 钦州湾近岸表层沉积物有砂、粉砂质砂、黏土质砂、粉砂质黏土等。其中以黏土质砂分布最为广泛, 其组成为砂含量41%~70%, 黏土含量18%~37%, 含少量粉砂, 在该研究区内调查站显示中值粒径不同, 变化范围在1.83~6.06 ϕ (ϕ 为粒径单位, 下同)之间, 分选极差, 极正偏分布, 大多出现于湾口的水下斜坡; 粉砂质黏土是本区最细的一种沉积物, 黏土含量45%~61%, 粉砂含量32%~39%, 含少量砂, 中值粒径变化范围在7.53~9.08 ϕ 之间, 分选差, 主要分布在湾口外约10 m以深, 以潮流作用为主, 水动力弱, 该类型沉积物亦具有代表性。
北海西部近岸表层沉积物类型较为丰富, 有砾砂、砂、粉砂质砂、黏土质砂、砂-粉砂-黏土和粉砂质黏土6种, 其中以砂和黏土质砂最为常见。砂中见有砾石, 砂含量79%~99%, 有极少量粉砂, 几乎不含黏土, 中值粒径变化范围为0.22~3.44 ϕ , 分选中等偏好, 大多数负偏, 广泛分布于研究区北部和东南部; 黏土质砂的砂平均含量45%, 黏土含量30%, 其他为粉砂, 其中值粒径变化范围为2.49~5.24 ϕ , 分选极差, 主要分布于研究区南部, 该处河流动力消减, 以潮流控制为主。
铁山港近岸表层沉积物同样广泛分布砂和黏土质砂。前者砂含量76%~99%, 常有粉砂, 零星出现黏土, 中值粒径变化范围为0.58~3.15 ϕ , 受到波浪和潮流共同作用, 分布于湾口至湾外水下斜坡; 后者砂含量40%~73%, 黏土平均含量为26%, 其中值粒径变化范围为1.66~5.44 ϕ , 分选差或极差, 频率曲线呈单峰和双峰, 分布于水下斜坡和相邻水深最深的中央浅槽之处, 主要受到潮流的影响。
3.1.2 海底地貌
地貌是动力塑造和物质再分配的结果。钦州湾近岸水深总体上自北向南逐渐增大, 海底地貌有浅滩、槽沟、潮流沙脊和水下斜坡等。浅滩广泛分布于海湾东西两侧, 呈带状分布; 槽沟位于海湾中部, 呈指状分叉, 水深7~15 m, 最长约20 km; 潮流沙脊接近湾口; 相邻水下斜坡发育于湾口内外水深7~16 m范围, 坡降先大后小, 其变化范围为0.1× 10-3~1.2× 10-3。
北海西部近岸浅滩发育, 拦门浅滩发育于大风江口外, 廉州湾深沟沿北海半岛顶端呈长弧条状, 水深较深; 水下三角洲位于南流江口水下三角洲堆积体, 由三角洲前缘和前三角洲组成, 以舌状向海方向突出; 海底平原(包括古滨海平原)紧接着三角洲继续向海延展, 地势宽广平坦, 坡降低于1.0× 10-3。
铁山港近岸水下地貌有浅滩、水下斜坡、槽沟、潮流沙脊和海底平原(含古滨海平原)。槽沟窄长, 浅滩沿海岸呈带状分布于湾口两侧且向外延伸, 两者之间即为较大规模的潮流沙脊; 水下斜坡主要分布于雷州半岛以西, 与中部海底平原毗邻; 海底平原一般自10 m以深延至外海, 坡降平缓。
3.2 全新统海相地层碎屑矿物分布
钻孔全新统底界采用氧同位素1/2期界线, 约为11.6 ka BP, 划分方案参考广西第四纪地层划分方法[1]。研究区内钻孔揭示, 全新统之下为更新统, 自西往东依次为北海组/湛江组、湛江组、江平组/北海组。各研究区自全新世以来, 早期为沼泽或河漫滩环境, 自大规模海侵之后, 于9.0~6.0 ka BP即全新世早期— 中期先后进入浅海湾沉积环境, 最大沉积深度为6.10 m, 出现于北海西部近岸海域ZK4钻孔。
为便于比较, 图2给出了ZK4钻孔碎屑矿物平均含量及其在ZK8钻孔的对应含量。
 | 图2 全新统海相地层碎屑矿物平均含量Fig.2 Average content of detrital minerals in marine strata of Holocene |
图2可见, ZK4钻孔所显示的北海西部海域全新统海相沉积物常见的碎屑矿物包括海绿石、黄铁矿、云母、石英和长石等, 其中石英含量特别高, 长石、海绿石次之; 对于北海东部海域的铁山港ZK8钻孔海相沉积物碎屑矿物来说, 同样具有石英占绝对优势、其次为长石的基本特征, 但其他常见矿物(锆石、钛铁矿和角闪石等)含量则有所变化, 且由于水动力作用较强、海水交换通畅而缺乏还原条件, 少有黄铁矿发育。ZK8钻孔没有ZK4钻孔所含有的金红石、铬铁矿, 即含量为0。但如上所述, 由于水动力作用强烈, 碎屑矿物种类更多一些, 比ZK4钻孔多了钛铁矿、辉石、赤铁矿和电气石等不同种类, 含量为0.002%~0.019%。总体上, 进入较为稳定的海湾相沉积环境之后, 重矿物(比重大于2.89的碎屑矿物)种类大同小异, 各区均以轻矿物石英最为丰富, 其次是长石, 海绿石稳定出现。
3.3 表层碎屑矿物种类及其对比
研究区表层沉积物总计近30种, 其中轻矿物主要有石英、长石、海绿石和云母等; 重矿物有磁铁矿、赤铁矿、铬铁矿、钛铁矿、黄铁矿、角闪石、石榴石、锆石、金红石、锐钛矿、褐铁矿、铬铁矿和橄榄石等。偶见火山玻璃、榍石、褐帘石和锡石。由于沉积环境不同, 研究区内不同位置的矿物种类和含量存在差异, 其中研究区西部出现石榴石和金红石等, 东部出现赤铁矿、褐铁矿、白钛石和电气石等。
上述矿物主要属硅酸盐矿物、氧化物矿物, 与陆区广泛分布的硅酸盐碎屑岩有关。海底表层沉积物与全新世以来海相地层的碎屑矿物对比显示: ①矿物种类近乎一致, 但含量存在差异, 这与气候变化及海平面波动有关; ②自生矿物海绿石、云母、长石和石英等同为优势矿物; ③由于受到波浪机械淘洗作用, 均出现锆石和钛铁矿等。表明碎屑矿物总体上具有继承性。
3.4 碎屑矿物在不同地质单元中的分布
3.4.1 碎屑矿物在主要表层沉积物中的分布
上述石英、长石、海绿石、角闪石、锆石、钛铁矿和云母出现频率均在50%以上, 具有一定代表性和广泛性, 故着重研究这些矿物的分布特点。各类主要表层沉积物同样以轻矿物石英和长石含量最高, 含量范围分别为39.76%~80.43%和6.17%~48.25%, 合计80.14%~95.54%, 海绿石含量范围为1.928%~7.432%, 变化范围较大。在水深较深、水动力较弱的粉砂质黏土中, 重矿物黄铁矿含量最高。这是由于具备一定还原条件的结果。在砂和黏土质砂这类含砂量高的沉积物中, 由于受较强水动力作用, 沉积环境不稳定, 故黄铁矿偏低, 这一特征与前人研究结果相符[9, 10]。此外, 密度偏大的钛铁矿滞留下来而出现高值, 锆石和角闪石含量比较稳定(表1)。
 | 表1 研究区主要表层沉积物中常见碎屑矿物的平均含量 Tab.1 Average content of typical detrital minerals in main surface sediments in the study areas (%) |
由于水动力强度和海底地形的变化, 碎屑矿物分布不均。在各主要沉积物之中, 轻矿物以海绿石和云母变异性较大, 变异系数分别为2.15和3.80, 石英和长石相对稳定, 变异系数范围为0.11~0.71, 但个别可达1.97(北海西部近岸黏土质砂沉积物)。重矿物由于含量低、比重大, 其搬移具有一定的随机性, 变异系数范围为0.67~4.12, 多分布于1.00~2.50之间, 明显高于轻矿物(表2)。
| 表2 研究区主要表层沉积物碎屑矿物的变异系数 Tab.2 Variation coefficient of typical detrital minerals in main surface sediments in the study areas |
3.4.2 碎屑矿物在主要海底地貌中的分布
石英、长石、海绿石和云母等轻矿物在各主要地貌类型中均较为常见, 其中以石英含量最高, 尤其在潮流沙脊和河流动力作用较强的水下三角洲, 但在钦州湾近岸水下斜坡则与长石含量相近, 海绿石较石英和长石含量偏低; 重矿物以角闪石含量较为稳定, 而钛铁矿、黄铁矿和锆石含量变化较大, 钛铁矿在海底平原出现高值。钛铁矿和锆石在北海西部近岸海底平原最高, 推测海侵过程中古滨海平原受到了较强水动力作用[11]。但在铁山港近岸海底平原并非如此, 该处可能海侵速度较快, 原古滨海平原范围狭窄, 反而角闪石含量较高。黄铁矿和云母则多在水动力较弱、水深逐步加深的水下斜坡含量较高, 与水下三角洲中的分布相似(表3), 这是由于河道水动力能量集中, 但在出口之外能量快速分散而使得矿物随悬沙沉积。
| 表3 研究区主要地貌类型常见碎屑矿物的平均含量 Tab.3 Average content of typical detrital minerals in main geomorphic units in the study areas (%) |
碎屑矿物变异系数在各主要地貌类型中变化不等。轻矿物除了海绿石、云母之外, 石英和长石变化明显较小, 尤其是石英, 其变异系数介于0.04~0.24, 在北海西部近岸水下三角洲达到最低, 其次是铁山港近岸潮流沙脊和水下斜坡; 长石在钦州湾近岸水下斜坡的变化最为稳定, 可能是沉积环境比较稳定有利于硅酸盐矿物风化所致; 重矿物变异系数多在1.00~2.90之间, 远高于轻矿物(表4)。
| 表4 研究区主要地貌类型常见碎屑矿物的变异系数 Tab.4 Variation coefficient of typical detrital minerals in main geomorphic units in the study areas |
4 重矿物分区及其物源意义
由于重矿物不易搬迁、变异性较大即集中性较好, 能指示研究区沉积环境和动力条件, 同时重矿物组合分区也对示踪物源区具有实际意义。
4.1 钦州湾近岸研究区
钦州湾近岸研究区共分为2个分区: ①东部矿物区, 为湾口东部海域, 重矿物属电气石-锆石-钛铁矿组合类型, 特征矿物黄铁矿和海绿石含量远高于其他区域, 其沉积物质可能主要来自东岸出露的志留系与侏罗系母岩残余, 东南岸犀牛脚一带北海组/湛江组的侵蚀物质和花岗岩风化物; ②外湾西南部矿物区, 重矿物属电气石-钛铁矿-锆石组合, 矿物种类较多, 物源较为复杂。以上与前人的研究结果基本一致[10]。
4.2 北海西部近岸研究区
北海西部近岸研究区共分为3个分区: ①三角洲前缘水深10 m以浅, 重矿物为钛铁矿-锆石组合, 沉积物为粉砂质黏土、砂-粉砂-黏土及黏土质砂, 云母占绝对优势, 重矿物在该处含量低; ②前缘水下斜坡及前三角洲区, 属湾口变性水、沿岸流及陆架水团的交汇区域, 沉积速率相对较慢, 有利于海绿石的形成和富集, 矿物组合为钛铁矿-辉石; ③残留砂砾古滨海平原区, 重矿物为钛铁矿-锆石-角闪石组合, 云母含量明显降低, 而钛铁矿含量相对较高, 源于曾经受到强水动力的淘选作用, 具有在原滨海堆积平原沉积物基础上再改造的特点。
4.3 铁山港近岸研究区
铁山港近岸研究区共分为3个分区: ①潮间浅滩及水下岸坡区, 大致为10 m以浅的近岸海域, 重矿物属钛铁矿-角闪石-锆石组合, 主要海底沉积物普遍偏粗, 特别是钛铁矿-角闪石组合占优, 重矿物含量较高; ②残留砂砾古滨海平原区, 重矿物仍然以钛铁矿-角闪石-锆石为组合类型, 主要沉积物为砂和砾砂, 其特征是石英占据优势, 重矿物含量较高; ③海底平原区, 即中部约15 m以深海域, 重矿物以钛铁矿-角闪石为组合类型。
可以看出, 钦州湾、北海西部和铁山港近岸3个研究区, 钛铁矿-锆石为基本组合矿物, 这一点与前人研究结果一致[12]。此外, 这3个区域还出现了特征矿物, 如钦州湾近岸的电气石、北海西部近岸的云母和铁山港近岸的角闪石, 均伴随出现。
4.4 物源意义
以上重矿物组合特征反映研究区物源主要来自沿岸第四系北海组/湛江组等地层的风化侵蚀作用, 部分来自周边和流域内志留系、泥盆系、石炭系古老地层以及花岗岩等侵入体剥蚀物等。全新世海侵形成浅海湾以来, 广泛接受陆源供给, 加以水动力改造和分配, 并伴有海洋自生矿物海绿石的生成和富集。全新世以来海相地层重矿物含量的变化, 与气候变化和海平面波动有关, 显示研究区自全新世海侵以来总体上有较为一致和稳定的物源。
5 结论
(1)研究区自全新世以来, 陆续进入浅海海湾相环境。由于水动力较强, 物源丰富, 表层碎屑矿物有近30种, 轻矿物石英等含量最高, 变化性较小。碎屑矿物在不同的地质单元即不同类型沉积物和地貌中含量存在差异, 与沉积动力变化和周缘物源条件有关。
(2)表层碎屑矿物与全新统海相地层碎屑矿物种类相同, 具有延续性, 显示具有相似的来源, 但受到气候和海平面波动的影响在含量上有所变化。各研究区划分出2~3个重矿物组合分区, 其差异性均指示源于周边风化剥蚀、海岸侵蚀和河流输入作用。
(3)分析显示, 碎屑矿物尤其是重矿物具有变异性大的特点, 后续还需要加强其结构和形态方面的研究, 以提取更为丰富的环境变化信息。
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献
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