廣東東海島大嶺剖面風沙沉積序列及化學特征分析

葉怡欣,黃日輝,馮淼彥,唐道斌,李巧云,陳綺雯,李思琦,楊志通,李健禧

(1.嶺南師范學院 地理科學學院,廣東 湛江 524048;2.中國地質大學 地球科學學院,湖北 武漢 430074;3.西北師范大學 地理與環境學院,甘肅 蘭州 730070)

引 言

海岸是海陸相互作用的重要區域[1],在海洋動力的影響下,海岸地區物質組成、來源、沉積特征以及地球化學特征較為復雜[2]。海岸風沙沉積是記錄海岸環境變化的良好載體,其元素含量變化及時空分布可以反映沉積過程,對環境具有指示意義[3-4]。近年來,國內外對海岸風沙沉積的研究主要集中于沙丘形態特征、發育模式、沉積結構以及記錄的環境信息,對全新世沙丘發育與氣候變化研究取得大量成果,其中通過光釋光測年、探地雷達、粒度等方法,研究海岸風沙沉積時期的古環境演化過程[5-8]。國外學者通過研究海岸沙丘地球化學特征、沉積學特征,探討了沙丘的風化強度以及沙丘的來源等問題[9-12]。國內關于沙丘地球化學研究主要集中于內陸沙丘[13-14],對海岸風沙沉積化學特征的研究主要集中于福建東部沿海[15-16],而對廣東地區海岸風沙地球化學特征及其環境演變研究不夠深入。

前人對雷州半島及其鄰近區域的全新世環境做了許多研究。Duan等[17]研究湖光巖瑪珥湖沉積物磁性,認為全新世早期夏季風增強,全新世中晚期(5 500 cal aBP)夏季風突然減弱。Liu等[18]研究瑪珥湖沉積物能量譜和濾波,討論了華南熱帶地區全新世氣候變化有3個降溫期,峰值分別出現在7 300、4 250和1 200 aBP。湯文坤等[19]研究海南雙池瑪珥湖沉積物的粒度、色度、磁化率及干密度等指標,發現該地區環境和氣候變化經歷炎濕—溫干—溫濕—濕熱—溫干等過程。張文靜等[20-21]研究海南島海岸風沙沉積的光釋光年代學意義和粒度特征,討論了風沙活動序列及氣候環境意義。

如前所述,對于雷州半島地區晚全新世環境演變研究,前人主要以瑪珥湖為對象,缺乏對于海岸風沙沉積的研究。東海島海岸風沙沉積分布廣泛,并在其東海岸發育了沉積良好的剖面,為重建區域風沙活動和探討區域全新世環境演變提供良好的材料。故本文以東海島海岸沙丘大嶺剖面為對象,對其進行高分辨率采樣、測定常量元素含量以及碳同位素年齡,據此探討了大嶺剖面海岸風沙沉積序列特征、常量元素特征及其指示的氣候環境意義,以期為華南海岸全新世氣候演變研究提供參考。

1 研究區域概況

研究區位于廣東雷州半島東側的東海島(20°54′～21°08′N,110°09′～110°33′E),南臨南海,介于湛江灣和雷州灣間,形狀似馬鞍(圖1),面積為289.49 km2,海岸線平直,長126 km,是中國第五大島[22]。東海島屬于亞熱帶季風氣候,季風性氣候特征顯著,氣溫較高,降雨充沛。受季風影響,東海島每年4—9月偏東風為主,10月到次年3月偏北風,年均風速4 m/s[23],附近海域受臺風影響,以7、8月最多,其海域潮汐為不規則半日潮。東海島海岸風沙發育呈條帶狀分布于東海岸,沙丘類型有草灌叢沙丘、新月形沙丘、拋物線形沙丘和爬坡沙丘[24]。

圖1 研究區及采樣點位置

2 研究方法

2.1 樣品采集

經野外實地考察,本研究選取東海島東北部一個天然的海岸風沙剖面——大嶺剖面(21°03′04″N,110°32′57″E)作為采樣點。大嶺剖面坡度陡,且上部現代風沙松散易塌,采集難度大,因此僅采集剖面中下部沉積物,采樣部分深度自剖面頂向下為10.73～16.56 m,厚5.83 m。根據沉積相顏色的差異將采樣剖面劃分9層,自上向下編號為①—⑨。除去現代坡積物后,以2 cm為間隔的等間距采樣,共獲得樣品583個。

2.2 實驗方法

(1)元素測定:在陜西師范大學地理科學與旅游學院化學元素分析實驗室完成元素的測定工作;用X熒光光譜儀對Si、Al、Fe、Na、K、Ca和Mg等7種常量元素進行全樣的含量測定,結果用氧化物表示。

(2)年代測定:取剖面中3層(分別位于④層頂部、⑦層頂部和⑧層底部)黑色砂層(富含有機質的層位)14C-AMS樣品,按1 010 cm取塊狀樣并進行野外標號,送往美國Beta Analytic測試實驗室完成年代測定。由于⑦層頂部測年樣的有機碳含量過低,未能測定年代數據,最終只有④層頂部和⑧層底部兩個樣品測得年代數據。

2.3 數據處理方法

根據常量元素(氧化物)的測定結果,計算化學蝕變指數(Chemical index of alteration,CIA)[25]：

CIA=Al2O3/(Al2O3+Na2O+CaO*+K2O)×100%

(1)

式中,各常量元素單位為分子摩爾數;CaO*為硅酸鹽中的CaO含量。由于硅酸鹽礦物難以從樣品中準確地分離出來,因此本文采用Mclennan[26]提出的鈣鈉比值校正方法,即根據沉積物樣品中的CaO與Na2O的摩爾質量百分比的比值完成校正:若其摩爾數>1,CaO*則采用Na2O的摩爾數;反之,則采用CaO的摩爾數。

基于風化過程礦物元素的變化規律,Nesbitt等[27]提出了Al2O3-CaO*+Na2O-K2O(A-CN-K)三角圖解,以預測大陸化學風化趨勢及指示主礦物成分變化。當A-CN-K三角圖中點分布集中緊湊,說明氣候環境相對穩定;反之,則表示不穩定的氣候環境[28]。

3 結果分析

3.1 剖面沉積特征

吳正[24]對華南地區海岸沙丘的研究指出,相比大嶺剖面沉積時期,現代海岸線向陸擴張,后期經歷了海平面上升,海岸沙丘基部緊逼海岸,經海浪侵蝕后退,使得沙丘向海坡基部掏空崩塌,形成向海一側沉積連續、坡度陡的天然露頭,出露厚度16.56 m。該剖面周圍海岸風沙廣布,其頂部被人工木麻黃防風林所覆蓋,剖面頂部海拔19.50 m,底部與海灘相接,底部高程接近高潮海平面。根據沉積相顏色差異將大嶺剖面采樣部分劃分為9層,沉積特征描述來源于現場肉眼觀察。大嶺剖面全貌及沉積特征如圖2和表1所示。

表1 大嶺剖面層位劃分及沉積物特征

(a)大嶺剖面的地貌全景圖;(b)采樣部分剖面圖圖2 東海島大嶺剖面圖

3.2 沉積年代

大嶺剖面兩個樣品的14C-AMS年代測定結果如表2所示,測量物質為有機質,測年結果的誤差為30 a,置信度高達95.4%。測試樣品分別位于④層頂部黑色細砂層和⑧層底部。根據測年數據,計算得出的平均沉積速率為38.1 mm/a。

表2 大嶺剖面樣品14C-AMS測年結果

3.3 常量元素含量特征

在濕熱氣候環境中,不同元素遷移特征存在差異,一般而言,化學性質活躍的元素如K、Na最先以離子形式被淋失,隨之是Ca、Mg元素,相對穩定的元素Si、Al、Fe等元素則相對聚集[29]。如表3及圖3所示,東海島大嶺剖面常量元素以SiO2、Al2O3和Fe2O3為主,三者總和91.63%。其中,SiO2的含量最高,平均值為88.29%,范圍為95.20%～76.65%。Al2O3平均值為2.55%,范圍為3.85%～2.05%。其余5種元素含量較低,平均值皆小于1%。Fe2O3的平均值為0.79%,其范圍為0.39%～1.54%;K2O的平均值為0.41%,其范圍為0.25%～1.03%,除了在⑨有較大變動,其余層位含量變化小;CaO的平均值為0.15%,其范圍為0.91%～0.11%;Na2O平均值0.1%,最大值于深度16.3 m,為0.24%,最小值為0.09%;MgO平均值為0.07%,最大值為0.31%,最小值為0%。

表3 大嶺剖面各層位的常量元素的平均值(%)

圖3 大嶺剖面常量元素及CIA值變化曲線

4 討論

4.1 常量元素遷移特征

大嶺剖面處于亞熱帶季風氣候,在高溫多雨氣候特征的影響下,化學風化作用較為明顯,因此活躍的元素K、Ca、Na、Mg等元素容易發生淋溶、流失,導致相對全球上陸殼(UCC)[30]元素含量虧損,所以含量較低。這種易溶組分遭風化流失的特征,揭示海岸風沙沉積過程整體屬于較溫暖、潮濕的氣候環境[31]。在⑨層中,出現較強的脫硅富鐵作用,說明該時期屬于較為暖濕的環境,往上不易遷移元素鐵、鋁含量減少;而至于為什么底層⑨易遷移元素含量也較高,推測可能與其高度接近高潮海平面有關。海水鹽分較高,海水中的Na、K、Ca、Mg等元素,在受到風暴潮的影響下,滲入沉積物中,或是受到地下海水的影響,從而使得沉積物中的Na、K、Ca、Mg含量偏高。

4.2 化學風化強度

4.2.1 化學蝕變指數

Fedo等[28]將CIA數值與風化強度建立如下對應關系:當CIA值在50～60范圍內,為弱化學風化程度;CIA值在60～80范圍內,表示中等化學風化程度;CIA值于80～100范圍內,反映強化學風化程度。大嶺剖面的CIA值介于72.04～79.34之間,平均值為75.77,屬于中等化學風化類型。從圖3可以看出,CIA整體呈現隨著深度的增加而增加,下部⑧的平均CIA值為77.04,在頂層①出現最低平均值73.59,各沉積相平均CIA值依次為⑧>⑦>⑥>④>③>②>⑤>①。在大嶺剖面形成時期,化學風化強度總體呈現變弱的趨勢,期間出現波動變化:⑧的風化強度最強往上風化減弱,接著在⑦頂部發生較強風化,隨后風化強度逐漸減弱。由于⑨靠近海平面,其元素的變化可能受海水影響,可能不能真實反映化學風化強度,所以在此處以及A-CN-K三角圖不做分析討論。

4.2.2 A-CN-K三角圖

如圖4所示,大嶺剖面各層樣品點的數據大致與K-A線平行,數據主要集中在Al2O3上部,Na、Ca含量基本不變,但是CN數值較低,說明活躍元素遷移淋溶,總體化學風化較顯著。①層各點較為分散,且較其他層K數值相對較多,而Al數值相對較少,表示活躍元素相對富集,穩定元素含量相對較小,說明此時氣候環境不穩定且化學風化作用不及下部層位;②和③層相對上部,其穩定元素Al數值相對增加,活躍K相對遷移,說明化學風化程度較①強;④層各點分布較集中,且較上部幾個層位Al數值較高,說明此時富鋁化較強,化學風化明顯;⑤層相對②—④層,其Al有所減少,K數值有所增加,說明此時化學風化作用較不顯著;⑥—⑧層活躍元素K遷移顯著,富鋁化程度也較高,代表當時化學風化較為顯著。綜合各層特征,可以看出大嶺剖面自上而下,較穩定元素Al含量相對增加富集,可遷移元素K含量相對減少淋失,反映大嶺剖面沉積下部處于富鋁化過程,化學風化較上部顯著。根據三角圖中樣品點的分布特征可以看出,A-CN-K樣品點的集中緊湊,表明大嶺剖面形成時的氣候環境較為穩定,這與CIA值指示的中等化學風化程度,雖然化學風化強度存在波動變化,但是總體處于穩定狀態的結果一致。

(箭頭指示化學風化趨勢,右圖(b)為圖(a)紅色圓圈的放大圖)

4.3 大嶺剖面沉積時期環境變化

根據14C測年結果,結合常量元素的含量和化學風化強度變化,表明東海島大嶺剖面(采樣部分)的氣候環境演變呈現化學風化強度減弱,其環境向相對干涼方向發展,這與前人的成果一致。前人通過瑪珥湖孢粉記錄、石筍δ18O記錄的研究,表明晚全新世近2 ka以來,夏季風呈現緩慢減弱,溫度與濕度下降的過程[32-33];林錦秀等[8]通過閩江河口海岸風沙粒度特征分析,發現2 700 aBP以來,風沙沉積粒度較細,與冬季風作用增強有關。

根據大嶺剖面地球化學元素的波動變化,大致可將氣候環境劃分為2個階段:第一階段為深度15.96～12.73 m(⑧—④層段),年代大約為2 324～1 476 cal aBP,該時期CIA值相對較高,推斷此階段整體表現為降水豐富、氣候較暖濕、活躍元素遷移的特征,這與范穎等[34]認為2 364～1 630 aBP期間氣候整體處于濕潤期的結論一致。向榮等[35]分析東海陸架濟州島西南泥質區沉積物粒度認為:1 900 aBP以前,冬季風較弱,為一個較為溫暖時期。野外考察發現,④、⑥和⑧層均有大量灰黑色砂層,有機質含量明顯高于其他層位,成壤作用顯著,其中⑧層的黑色夾層還含有大量植物殘屑。有研究認為海岸風沙新沙丘中含有黑沙層的古土壤則是在小海退到海侵時期的濕潤氣候環境下形成的[24]。海岸風沙剖面中的黑色植物碳屑和根系層,可能反映了海岸帶風力作用間歇性減弱、海岸沙丘固定的成壤期[36]。值得注意的是,在⑤層中,該時期沉積物呈現灰白色,且易遷移元素Na、K含量有所增加,穩定元素Al相對減少,其CIA值明顯有所減小,該時期可能指示一個化學風化強度減弱,溫度濕度明顯減小的時期,根據兩個年代數據計算的平均沉積速率插值得到⑤層的年代約為1 681～1 544 cal aBP。葛全勝等[37-38]認為該時期總體顯著偏干;與鄭景云等[39]對魏晉南北朝時期中國東部氣溫研究提出的兩個寒冷時期中第一個冷谷對應。第二階段對應深度為12.73～10.73 m(③—①層段),即1 476 cal aBP年之后的一段時期,該CIA值所表示的化學風化強度相對明顯減弱,尤其到了①層,遷移率和CIA值達到最小,這種變化可能指示一個溫度濕度下降的時期,這與張丕遠等[40]的研究具有一致性。范穎等[34]認為該階段氣候正逐漸轉向干旱,降水減少。高小雪等[41]對云南北海濕地沉積物記錄的研究也表明該時期氣候寒冷干旱。結合野外觀察,③—①層沉積物為黃白色砂層,沉積物粒度較下部粗,風成斜層理特征明顯,代表該時期海岸風沙活動頻繁。

5 結論

(1)常量元素以SiO2、Al2O3和Fe2O3為主,三者總和91.63%,CaO、Na2O和MgO含量相對較低;Si值最大,平均占了總元素的88.29%。

(2)易遷移元素相對全球上陸殼虧損,穩定元素Fe、Al含量隨深度減少而減少。

(3)剖面的CIA值平均值為75.77,屬于中等化學風化程度,化學風化強度總體波動變化呈現變弱的趨勢,在局部層位出現較強的風化;A-CN-K圖樣品點的分布集中緊湊,體現氣候環境整體較為穩定。

(4)大嶺剖面(已采樣部分)氣候環境總體表現為溫度濕度有所減小,期間出現波動變化,大致可以劃分兩個階段:第一階段,即2 324～1 476 cal aBP,大嶺剖面處于暖濕環境,但期間包含了一個溫度濕度減少時期;第二階段,對應深度為12.73～10.73 m,溫度濕度減少時期,海岸風沙活動頻繁。