中晚全新世以來閩江口水下三角洲物質來源及古環境演變

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過程重點實驗室,福建 廈門 361005)

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

陸源碎屑物質經河流搬運到河口,受地形、海洋水動力條件等影響在河口沉積形成三角洲?，F代河口三角洲的發育演變受到入海泥沙量、水動力條件、海平面升降等因素控制。閩江位于臺灣海峽西北側,屬山溪性河流,流域面積約6.1×104km2,年平均輸沙量為7.2×106t,高峰期時為20×106t[6]。閩江口具有多汊道入海的特點,但其入海泥沙主要通過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]。

前人較詳細的討論了閩江口水下三角洲的地貌特征、沉積環境及三角洲的演化[8-15]。但是,閩江口的水下三角洲發育較復雜,控制和影響三角洲發育的因素包括地質構造、海平面變化、入海泥沙和海洋水動力等。而且,隨著梅花水道的衰退,對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,閩江口沉積物來源是如何演變的,還需要進一步研究。因此,本研究通過閩江口南側柱狀樣沉積物高分辨率的粒度和粘土礦物分析,結合AMS14C年代學,揭示中晚全新世閩江口沉積物來源的變化及沉積環境演化,進而討論閩江口水下三角洲中晚全新世以來的演化。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

在閩江口南側近岸海域,用重力取樣器采集1個沉積物柱狀樣(MJK16),其坐標為25°53.9′N,119°45.5′E,水深22 m(圖1),柱狀樣長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砂,含有少量的破碎貝殼;而上部為深灰色的粘土質粉砂。按照2 cm間隔進行分樣,開展AMS14C 測年、粒度和粘土礦物分析。

圖1 研究區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,據文獻[9]修改;(b)閩江口斷面特征示意圖,據文獻[15]修改。

1.2 AMS14C定年

自下而上,對柱狀樣不同沉積類型分別選取4個層位的樣品進行有孔蟲挑選,其中有一個層位選在198～200 cm,靠近上下段的分界線(194 cm)。每個樣品挑選約15 mg 左右的混合有孔蟲,將挑選后的有孔蟲送北京大學核物理與核技術國家重點實驗室進行AMS14C 測年。根據Marine 13曲線進行海洋碳庫系統校正,原始測年數據使用CALIB 8.2軟件進行日歷年齡校正。

1.3 粒度分析

選取適量的沉積物樣品先加入15 mL 30%(質量分數,下同)的雙氧水浸泡24 h,去除沉積物中有機質;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,經超聲波振蕩分散后上機測試。粒度測試采用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,重復測量的相對誤差小于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1 h,去除有機質和碳酸鹽;然后,用去離子水離心清洗兩次,直到具有抗絮凝作用發生。根據Stokes方法所確定的沉降時間,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 衍射儀對乙二醇飽和片進行測試。使用HighScore軟件對乙二醇飽和片曲線進行波峰參數的半定量計算(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]計算。其中,綠泥石和高嶺石的占比通過3.54 nm/3.58 nm的衍射峰高比來計算。伊利石的化學指數為5 ?/10 ?峰面積比,伊利石的結晶度采用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 結果與討論

2.1 年代學

MJK16柱狀樣的AMS14C 測年數據如表1所示,校正后日歷年齡與深度的關系如圖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柱狀樣年代學數據及沉積速率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)%?？傮w上,該柱狀樣上段沉積物較細,為粘土質粉砂,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,為粉砂質砂-細中砂,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為2.95±0.18,明顯高于上段的分選系數(2.33±0.22)。

圖4 閩江口MJK16柱狀樣沉積物組分及粒度參數特征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%?？傮w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)],伊利石化學指數的范圍為0.41～0.67(平均為0.52±0.05),兩者自下而上沒有明顯的變化趨勢。

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 閩江口沉積物來源

臺灣海峽受到南下的浙閩沿岸流和北上的臺灣暖流的相互作用[18],細顆粒的物質可以長距離搬運進入海峽。研究表明,過去7 000年總共約1.7×1012t長江物質輸入東海,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,約三分之一的細顆粒物質受浙閩沿岸流的影響,形成了東西寬約100 km,南北長近800 km的浙閩沿岸泥質區[19]。特別是,在冬季強烈的浙閩沿岸流作用下,長江的物質最遠能被帶到福建泉州灣附近[1-2]。Huh 等通過臺灣海峽大量的放射性核素210Pb、137Cs和7Be的研究,結合粒度參數和地形數據,提出臺灣島西部河流是臺灣海峽主要源區之一,每年向臺灣海峽輸入約9.8×107t碎屑物質,并有部分物質隨著臺灣暖流向北輸運進入東海[7]。

閩江口南側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自閩江近源物質的輸入。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,各個譜峰特征反映了閩江流域相對應的構造-熱事件信息[20],因此,閩江口粗顆粒的沉積物主要來自閩江中下游燕山期巖體的風化物,及部分中上游加里東期和印支期物質的加入,還有部分來自閩江源頭武夷山地區前寒武紀基底的物質[20]。然而,閩江口細顆粒的沉積物(比如粘土礦物)來源就比較復雜,除了閩江來源的,可能還有長江或者臺灣島西部河流的貢獻[2,4,7]。根據鉛同位素比值估算馬祖列島南部柱狀樣(MJK9)沉積物來源,發現閩江對MJK9全樣沉積物的貢獻僅為30%,而長江貢獻為70%[14]。因此,長江物質對閩江口外沉積物具有明顯的影響。

長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%),浙閩沿岸泥質區的粘土礦物組成特征與長江的相似[3,16]。由于強烈降雨和快速的機械剝蝕導致臺灣島河流(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江和臺灣島的,可以利用粘土礦物組合特征進行物源分析。

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,低于長江和臺灣島河流沉積物的伊利石含量;而且伊利石結晶度平均值為(0.29°±0.03°)Δ2θ,伊利石化學指數平均值為0.52±0.05,都介于臺灣島河流和長江之間(圖6),說明MJK16柱狀樣沉積物中伊利石可能有閩江、長江和臺灣島來源的。Xu等通過對臺灣海峽表層沉積物粘土礦物組合特征研究,認為長江物質是臺灣海峽中北部的粘土礦物的主要來源[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晶度與化學指數對比圖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、長江和濁水溪資料據文獻[16],高屏溪和臺灣島湖泊資料據文獻[21]。

但是,長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,長江來源的高嶺石貢獻不大。而且臺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自閩江。閩江的沉積物中未發現有蒙脫石,甚至整個福建的河流沉積物中都未發現蒙脫石[16];而且臺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。長江物質中蒙脫石的占比約為7%,因此,推測閩江口的蒙脫石可能來自長江。

2.4.2 中晚全新世以來閩江口沉積物來源的演變規律

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),說明中晚全新世的沉積物來源發生了明顯的變化。柱狀樣中的高嶺石主要來自閩江,因此,晚全新世高嶺石含量明顯增多,反映來自閩江的沉積物增加。

圖7 閩江口中晚全新世以來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、底棲有孔蟲和介形蟲曲線為MD06-3040柱狀樣的,資料據文獻[22]。

根據前面的討論,我們推測閩江口的蒙脫石主要來自長江,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江來源的物質增加。根據浙閩泥質區MD06-3040柱狀樣浮游有孔蟲泡抱球蟲(Globigerinabulloides)的豐度變化(圖7),推測浙閩沿岸流在4.9 ka BP—3.2 ka BP時期最為強盛[22]。因此,受浙閩沿岸流增強的影響,攜帶更多的長江細顆粒物質到閩江口沉積,導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逐漸減弱和海平面的稍微降低,長江物質對臺灣海峽北部的影響也減弱,導致閩江口附近海域的蒙脫石逐漸減少,而來自閩江的高嶺石增多。此外,臺灣海峽西側泉州灣外的柱狀樣F15的研究也發現,在4.0 ka BP以來,長江物質的貢獻減少,可能與晚全新世東亞季風減弱導致浙閩沿岸流減弱有關[23]。

2.4.3 閩江口中晚全新世以來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始發育,受海平面升降的影響,閩江口水下三角洲主要經歷了5 次海進-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：下段為粘土質粉砂細粒,反映水動力條件相對較弱;而中段沉積物變為砂和粘土質粉砂互層,說明當時的水動力條件有所增強;到上段沉積物以砂質為主,揭示水動力條件變強[24]。根據閩江口淺地層和旁側聲納資料,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]。受水動力對沉積物機械分異作用的影響,沉積物變化趨勢是由以砂質沉積物為主向泥質沉積物過渡[8,14,25]。

前三角洲是一段較狹窄的區域,水深約20～22 m,沉積物主要由粉砂質粘土和粘土質粉砂等細顆粒組成,中值粒徑在 4～8 φ[14,26]之間,反映了較弱的水動力環境。而三角洲前緣的沉積物類型以砂和砂質粉砂為主,中值粒徑小于4 φ[15,25],反映了較強的水動力環境。前三角洲沉積物特征明顯不同于由粗顆粒物質組成的三角洲前緣。閩江口南側MJK16柱狀樣位于前三角洲(圖1),晚全新世以來沉積物以粉砂為主(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(中值粒徑小于4 φ[15,25])相近,揭示了中全新世時期,MJK16柱狀樣所在區域的水動力條件較強,反映了閩江口南側從中全新世的高能環境轉變為晚全新世的低能環境。

謝在團等認為從早全新世約9 ka BP開始,隨著海平面快速上升,閩江口水下三角洲范圍迅速擴展[26]。研究發現,福建沿海的海侵在4 ka BP—3 ka BP達到最高峰,海平面高出現在海面約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到高峰期極值,比現在高出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輸入海洋的主要通道,導致在閩江口以南靠近河流通道,水動力條件較強,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)。長樂海濱沉積物中的重礦物組合特征與閩江河口相似,說明當時水下三角洲分布范圍可以到長樂海濱地區,比近現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,閩江物質主要由川石水道輸入海洋,閩江口以南的區域水動力減弱,MJK16柱狀樣的沉積物由中全新世的砂轉變為晚全新世的粉砂為主。

3 結論

通過對閩江口南側MJK16柱狀樣沉積物開展高分辨率的粒度、粘土礦物分析及AMS14C測年,發現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,為粘土質粉砂,平均粒徑為(6.30± 0.32)φ;而下段沉積物較粗,為粉砂質砂-細中砂,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期,梅花水道可能是閩江口南側陸源物質的主要輸入通道,導致閩江口以南水動力較強,形成了以砂為主的沉積特征;同時受增強的浙閩沿岸流影響,更多的長江物質被搬運到閩江口沉積,導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,閩江口南側水動力減弱,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。