中晚全新世以来闽江口水下三角洲物质来源及古环境演变

徐勇航,李东义,程宇龙,李云海

(1.自然资源部第三海洋研究所,福建 厦门 361005;2.福建省海洋物理与地质过程重点实验室,福建 厦门 361005)

台湾海峡连通着西太平洋两个主要的边缘海：东海和南海。冬季在浙闽沿岸流的强烈作用下,长江物质可被带到台湾海峡北部[1-3];而台湾岛西部河流每年向台湾海峡输沙量平均为50×106～150×106t[4-5];同时,福建河流(闽江、九龙江等)也有大量的沉积物输入到台湾海峡西侧[6]。因此,台湾海峡是陆-海相互作用强烈的地带,是研究入海陆源碎屑物质的分布、搬运及来源等的典型区域[4,7]。

陆源碎屑物质经河流搬运到河口,受地形、海洋水动力条件等影响在河口沉积形成三角洲。现代河口三角洲的发育演变受到入海泥沙量、水动力条件、海平面升降等因素控制。闽江位于台湾海峡西北侧,属山溪性河流,流域面积约6.1×104km2,年平均输沙量为7.2×106t,高峰期时为20×106t[6]。闽江口具有多汊道入海的特点,但其入海泥沙主要通过北支的川石水道和南支的梅花水道。闽江口水下三角洲自从河口向外可分为：水下三角洲平原、三角洲前缘和前三角洲[8-11]。

前人较详细的讨论了闽江口水下三角洲的地貌特征、沉积环境及三角洲的演化[8-15]。但是,闽江口的水下三角洲发育较复杂,控制和影响三角洲发育的因素包括地质构造、海平面变化、入海泥沙和海洋水动力等。而且,随着梅花水道的衰退,对闽江口水下三角洲的演化还不清楚。此外,随着全新世海平面的变化,闽江口沉积物来源是如何演变的,还需要进一步研究。因此,本研究通过闽江口南侧柱状样沉积物高分辨率的粒度和粘土矿物分析,结合AMS14C年代学,揭示中晚全新世闽江口沉积物来源的变化及沉积环境演化,进而讨论闽江口水下三角洲中晚全新世以来的演化。

1 材料与方法

1.1 样品采集

在闽江口南侧近岸海域,用重力取样器采集1个沉积物柱状样(MJK16),其坐标为25°53.9′N,119°45.5′E,水深22 m(图1),柱状样长2.80 m。柱样沉积物以194 cm为界,上下的沉积物类型明显不同,下部为灰色的粉砂质砂,含有少量的破碎贝壳;而上部为深灰色的粘土质粉砂。按照2 cm间隔进行分样,开展AMS14C 测年、粒度和粘土矿物分析。

图1 研究区位置及河口地貌特征示意图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,据文献[9]修改;(b)闽江口断面特征示意图,据文献[15]修改。

1.2 AMS14C定年

自下而上,对柱状样不同沉积类型分别选取4个层位的样品进行有孔虫挑选,其中有一个层位选在198～200 cm,靠近上下段的分界线(194 cm)。每个样品挑选约15 mg 左右的混合有孔虫,将挑选后的有孔虫送北京大学核物理与核技术国家重点实验室进行AMS14C 测年。根据Marine 13曲线进行海洋碳库系统校正,原始测年数据使用CALIB 8.2软件进行日历年龄校正。

1.3 粒度分析

选取适量的沉积物样品先加入15 mL 30%(质量分数,下同)的双氧水浸泡24 h,去除沉积物中有机质;然后再加入5 mL 10%的稀盐酸浸泡24 h去除沉积物中的钙质和生物贝壳。然后离心样品,倒掉上层溶液,再加入去离子水超声样品后再离心直至溶液呈中性,经超声波振荡分散后上机测试。粒度测试采用MasterSizer 2000型激光粒度仪,分析范围为0.02～2 000 μm,分辨率为0.01 φ,重复测量的相对误差小于5%。

1.4 粘土矿物分析

选取适量沉积物样品先后用15%双氧水和25%醋酸在60 ℃水浴锅中各反应1 h,去除有机质和碳酸盐;然后,用去离子水离心清洗两次,直到具有抗絮凝作用发生。根据Stokes方法所确定的沉降时间,吸出小于2 μm的悬浮液并离心,用滴片法制成定向薄片[16]。采用PANalytical X’ Pert PRO 衍射仪对乙二醇饱和片进行测试。使用HighScore软件对乙二醇饱和片曲线进行波峰参数的半定量计算(图2)。粘土矿物中的伊利石、蒙脱石、绿泥石和高岭石的占比按Biscaye的方法[17]计算。其中,绿泥石和高岭石的占比通过3.54 nm/3.58 nm的衍射峰高比来计算。伊利石的化学指数为5 Å/10 Å峰面积比,伊利石的结晶度采用10 Å峰的半高宽表示。

图2 闽江口MJK16柱状样典型样品乙二醇饱和片X射线衍射谱图Fig.2 Representative XRD spectra after solvatation with glycol of samples from core MJK16

2 结果与讨论

2.1 年代学

MJK16柱状样的AMS14C 测年数据如表1所示,校正后日历年龄与深度的关系如图3所示,该柱状样上段的沉积速率较高,平均沉积速率约为72 cm/ka,而下段的平均沉积速率小于40 cm/ka。

表1 MJK16柱状样年代学数据及沉积速率Tab.1 Radiocarbon analyses by AMS for sediments of core MJK16

图3 闽江口MJK16柱状样沉积速率Fig.3 Sedimentation rates of core MJK16 based on AMS 14C data in Minjiang Estuary

2.2 粒度特征

MJK16柱状样在194 cm上下具有明显不同的沉积物组分特征(图4)。上段(0～194 cm)：砂平均占比为(18.2±5.8)%;粉砂平均占比为(58.1±4.4)%;粘土平均占比为(23.7±2.5)%;下段(194～280 cm)：砂平均占比为(58.6±8.7)%;粉砂平均占比为(28.7±6.1)%;粘土平均占比为(12.7±2.7)%。总体上,该柱状样上段沉积物较细,为粘土质粉砂,平均粒径为(6.30±0.32)φ,中值粒径为(6.50±0.27)φ;而下段沉积物明显变粗,为粉砂质砂-细中砂,平均粒径为(3.76±0.49)φ,中值粒径为(2.73±1.03)φ。下段沉积物的分选系数为2.95±0.18,明显高于上段的分选系数(2.33±0.22)。

图4 闽江口MJK16柱状样沉积物组分及粒度参数特征Fig.4 Down-core variations of sediment composition and grain size parameters of core MJK16

2.3 粘土矿物组成特征

MJK16柱状样的粘土矿物组成特征也大致分为两段(图5)。上段(0～194 cm)：伊利石平均占比为56%,绿泥石平均占比为19%,高岭石平均占比为21%,蒙脱石平均占比为4%;下段(194～280 cm)：伊利石平均占比为56%,绿泥石平均占比为15%,高岭石平均占比为19%,蒙脱石平均占比为10%。总体上,自下而上,伊利石含量变化不大,高岭石和绿泥石在上段具有明显的增加,而蒙脱石含量在上段明显减少。伊利石结晶度值的范围为0.23°～0.37° Δ2θ[平均为(0.29°±0.03°)Δ2θ)],伊利石化学指数的范围为0.41～0.67(平均为0.52±0.05),两者自下而上没有明显的变化趋势。

图5 闽江口MJK16柱状样沉积物粘土矿物组合特征Fig.5 Down-core variations of clay mineral assemblages of core MJK16

2.4 讨论

2.4.1 闽江口沉积物来源

台湾海峡受到南下的浙闽沿岸流和北上的台湾暖流的相互作用[18],细颗粒的物质可以长距离搬运进入海峡。研究表明,过去7 000年总共约1.7×1012t长江物质输入东海,平均每年约2.4×108t,其中近三分之二的入海泥沙沉积在水下三角洲附近,约三分之一的细颗粒物质受浙闽沿岸流的影响,形成了东西宽约100 km,南北长近800 km的浙闽沿岸泥质区[19]。特别是,在冬季强烈的浙闽沿岸流作用下,长江的物质最远能被带到福建泉州湾附近[1-2]。Huh 等通过台湾海峡大量的放射性核素210Pb、137Cs和7Be的研究,结合粒度参数和地形数据,提出台湾岛西部河流是台湾海峡主要源区之一,每年向台湾海峡输入约9.8×107t碎屑物质,并有部分物质随着台湾暖流向北输运进入东海[7]。

闽江口南侧MJK16柱状样沉积物以粉砂和砂为主,粘土占比小于30.0%(图4)。粗颗粒的沉积物主要来自闽江近源物质的输入。研究表明,闽江口沉积物中碎屑锆石的U-Pb年龄主要有5个年龄谱峰,分别是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,各个谱峰特征反映了闽江流域相对应的构造-热事件信息[20],因此,闽江口粗颗粒的沉积物主要来自闽江中下游燕山期岩体的风化物,及部分中上游加里东期和印支期物质的加入,还有部分来自闽江源头武夷山地区前寒武纪基底的物质[20]。然而,闽江口细颗粒的沉积物(比如粘土矿物)来源就比较复杂,除了闽江来源的,可能还有长江或者台湾岛西部河流的贡献[2,4,7]。根据铅同位素比值估算马祖列岛南部柱状样(MJK9)沉积物来源,发现闽江对MJK9全样沉积物的贡献仅为30%,而长江贡献为70%[14]。因此,长江物质对闽江口外沉积物具有明显的影响。

长江沉积物中的粘土矿物以伊利石为主(64%～70%),并含有少量的蒙脱石(4%～10%),浙闽沿岸泥质区的粘土矿物组成特征与长江的相似[3,16]。由于强烈降雨和快速的机械剥蚀导致台湾岛河流(如浊水溪、高屏溪等)中粘土矿物组合以伊利石(大于70%)和绿泥石为主,不含蒙脱石和高岭石[2]。而闽江流域出露大量的中生代花岗岩,受温暖潮湿的气候作用,风化形成的沉积物以高岭石为主(大于40%),其次是伊利石和绿泥石,基本不含蒙脱石[16]。因此,闽江的粘土矿物组合特征明显不同于长江和台湾岛的,可以利用粘土矿物组合特征进行物源分析。

MJK16柱状样的粘土矿物组成特征以伊利石为主[(56±3)%],其次是高岭石、绿泥石和蒙脱石(图5)。MJK16柱状样伊利石的含量明显高于闽江流域沉积物的伊利石,低于长江和台湾岛河流沉积物的伊利石含量;而且伊利石结晶度平均值为(0.29°±0.03°)Δ2θ,伊利石化学指数平均值为0.52±0.05,都介于台湾岛河流和长江之间(图6),说明MJK16柱状样沉积物中伊利石可能有闽江、长江和台湾岛来源的。Xu等通过对台湾海峡表层沉积物粘土矿物组合特征研究,认为长江物质是台湾海峡中北部的粘土矿物的主要来源[2]。

图6 闽江口及周边河流沉积物的粘土矿物组合三角图和伊利石结晶度与化学指数对比图Fig.6 Ternary diagram of the clay mineral assemblages and correlation diagram of illite crystallinity index and chemical composition闽江流域、闽江口、长江和浊水溪资料据文献[16],高屏溪和台湾岛湖泊资料据文献[21]。

但是,长江粘土矿物中含有少量的高岭石,约为10%[16],而MJK16柱状样中的高岭石占比为(20±2)%,因此,长江来源的高岭石贡献不大。而且台湾岛的粘土矿物中几乎不含高岭石,因此,MJK16柱状样中的高岭石主要来自闽江。闽江的沉积物中未发现有蒙脱石,甚至整个福建的河流沉积物中都未发现蒙脱石[16];而且台湾岛河流的粘土矿物含大量伊利石和少量绿泥石,几乎不含蒙脱石和高岭石。长江物质中蒙脱石的占比约为7%,因此,推测闽江口的蒙脱石可能来自长江。

2.4.2 中晚全新世以来闽江口沉积物来源的演变规律

MJK16柱状样的粘土矿物组合特征自下而上明显的不同,除了伊利石总体上变化不大外,中全新世沉积物中的蒙脱石含量明显高于晚全新世,但是中全新世沉积物中的绿泥石和高岭石含量却低于晚全新世(图7),说明中晚全新世的沉积物来源发生了明显的变化。柱状样中的高岭石主要来自闽江,因此,晚全新世高岭石含量明显增多,反映来自闽江的沉积物增加。

图7 闽江口中晚全新世以来粒度和粘土矿物变化图Fig.7 Variations of grain size,clay minerals assemblages of core MJK16 since middle-late Holocene.图中浮游有孔虫、底栖有孔虫和介形虫曲线为MD06-3040柱状样的,资料据文献[22]。

根据前面的讨论,我们推测闽江口的蒙脱石主要来自长江,因此,中全新世蒙脱石含量明显增多,可能反映在中全新世长江来源的物质增加。根据浙闽泥质区MD06-3040柱状样浮游有孔虫泡抱球虫(Globigerinabulloides)的丰度变化(图7),推测浙闽沿岸流在4.9 ka BP—3.2 ka BP时期最为强盛[22]。因此,受浙闽沿岸流增强的影响,携带更多的长江细颗粒物质到闽江口沉积,导致沉积物中蒙脱石含量增多。随着浙闽沿岸流自中全新世以来逐渐减弱和海平面的稍微降低,长江物质对台湾海峡北部的影响也减弱,导致闽江口附近海域的蒙脱石逐渐减少,而来自闽江的高岭石增多。此外,台湾海峡西侧泉州湾外的柱状样F15的研究也发现,在4.0 ka BP以来,长江物质的贡献减少,可能与晚全新世东亚季风减弱导致浙闽沿岸流减弱有关[23]。

2.4.3 闽江口中晚全新世以来水下三角洲的演化特征

闽江口水下三角洲从晚更新世早期就开始发育,受海平面升降的影响,闽江口水下三角洲主要经历了5 次海进-海退旋回[24]。水下三角洲垂向的沉积物自下而上可分为3层：下段为粘土质粉砂细粒,反映水动力条件相对较弱;而中段沉积物变为砂和粘土质粉砂互层,说明当时的水动力条件有所增强;到上段沉积物以砂质为主,揭示水动力条件变强[24]。根据闽江口浅地层和旁侧声纳资料,可将闽江口水下三角洲从河口向外分为水下三角洲平原、三角洲前缘和前三角洲[8-10]。受水动力对沉积物机械分异作用的影响,沉积物变化趋势是由以砂质沉积物为主向泥质沉积物过渡[8,14,25]。

前三角洲是一段较狭窄的区域,水深约20～22 m,沉积物主要由粉砂质粘土和粘土质粉砂等细颗粒组成,中值粒径在 4～8 φ[14,26]之间,反映了较弱的水动力环境。而三角洲前缘的沉积物类型以砂和砂质粉砂为主,中值粒径小于4 φ[15,25],反映了较强的水动力环境。前三角洲沉积物特征明显不同于由粗颗粒物质组成的三角洲前缘。闽江口南侧MJK16柱状样位于前三角洲(图1),晚全新世以来沉积物以粉砂为主(58.1%),粘土占比为23.7%(图4);平均粒径为(6.30±0.32)φ,中值粒径为(6.50±0.27)φ(图7),与前三角洲沉积物特征相似。然而,MJK16柱状样中全新世的沉积物较粗,以砂为主(58.6%),粘土占比不到13%;下段的平均粒径为(3.76±0.49)φ,中值粒径为(2.73±1.03)φ(图7)。MJK16柱状样中全新世的沉积物特征与三角洲前缘的粗颗粒物质(中值粒径小于4 φ[15,25])相近,揭示了中全新世时期,MJK16柱状样所在区域的水动力条件较强,反映了闽江口南侧从中全新世的高能环境转变为晚全新世的低能环境。

谢在团等认为从早全新世约9 ka BP开始,随着海平面快速上升,闽江口水下三角洲范围迅速扩展[26]。研究发现,福建沿海的海侵在4 ka BP—3 ka BP达到最高峰,海平面高出现在海面约3～5 m;随后,曾从盛也提出在中全新世的6.1 ka BP左右和3.1 ka BP左右,福建沿海的海平面达到高峰期极值,比现在高出2～3 m[27]。随着海平面上升,海水沿闽江河谷入侵到福州盆地,形成古海湾;闽江下游成为溺谷,闽江口则为海水作用的河口湾[26]。在3.0 ka BP之前的高海平面,梅花水道可能是闽江物质输入海洋的主要通道,导致在闽江口以南靠近河流通道,水动力条件较强,MJK16柱状样中全新世的沉积物明显变粗,以砂为主,沉积物分选也较差(图4)。长乐海滨沉积物中的重矿物组合特征与闽江河口相似,说明当时水下三角洲分布范围可以到长乐海滨地区,比近现代水下三角洲沉积范围更广[24]。到晚全新世,随着海平面的下降,梅花水道退化,闽江物质主要由川石水道输入海洋,闽江口以南的区域水动力减弱,MJK16柱状样的沉积物由中全新世的砂转变为晚全新世的粉砂为主。

3 结论

通过对闽江口南侧MJK16柱状样沉积物开展高分辨率的粒度、粘土矿物分析及AMS14C测年,发现MJK16柱状样上下具有明显不同的沉积物组分特征。上段沉积物较细,为粘土质粉砂,平均粒径为(6.30± 0.32)φ;而下段沉积物较粗,为粉砂质砂-细中砂,平均粒径为(3.76±0.49)φ。自下而上,伊利石含量变化不大,而高岭石和绿泥石在上段具有明显的增加,蒙脱石含量在上段明显减少。

中全新世高海平面时期,梅花水道可能是闽江口南侧陆源物质的主要输入通道,导致闽江口以南水动力较强,形成了以砂为主的沉积特征;同时受增强的浙闽沿岸流影响,更多的长江物质被搬运到闽江口沉积,导致沉积物中蒙脱石含量增多。然而,到晚全新世海平面略有下降,梅花水道衰退,闽江口南侧水动力减弱,形成以粉砂为主的沉积特征;并随着浙闽沿岸流的减弱,沉积物中的蒙脱石含量明显减少,而高岭石含量增加。