台湾海峡表层沉积物的粒度和碎屑矿物分布特征

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台湾海峡表层沉积物的粒度和碎屑矿物分布特征
方建勇;尹希杰;陈坚;王爱军;赖志坤;汪卫国;李云海;李东义;徐勇航;叶翔
【摘要】Hierarchical clustering and factor analysis are respectively applied to the grain size composition of 283 surface sediment samples and the mineral analysis of 85 sediment samples collected in the Taiwanrn Strait. The results show that the surface sediments contain six kinds of sediment types in the Taiwan Strait, they can be divided into three types of depositional environment areas corresponding to sedimentary dynamics properties. Sixty-one kinds of minerals were found in the surface sediment samples, light minerals are main, with average content up to 97. 73%, 14 kinds of light minerals were found. The content of heavy minerals is low, with an average of 2. 27%,47 kinds of heavy minerals were found. The most important factor that influences the mineral distribution and content variation of the surface sediment in the Taiwan Strait is matter source, followed by hydrodynamic conditions and mineral own metamorphic degree, etc. The main matter source of the sediment in the Taiwan Strait includes the detrital matter from the rivers in Fujian Province and Taiwan Province, the erosion and denuded substances from both sides of the Taiwan Stait, Hanjiang River and parts from the Changjiang River and the Qiantang River substances carried by the Zhejiang and Fujian coastal current, the residue in the Taiwan Strait of late Pleistocene and some authigenic minerals,etc.%应用系统聚类分析和因子分析的方法对台湾海峡283个表层沉积物样品的粒度组成和85个样品的矿物组成进行了分析,结果表明:台湾
海峡表层沉积物由6种沉积物类型组成,可以划分把它们为3种与沉积动力相对应的主要沉积环境区;在表层沉积物共发现碎屑矿物61种,以轻组分矿物为主,平均含量高达97.73%,共发现轻矿物14种;重组分矿物含量较低,平均为2.27%,共发现47种重矿物.影响台湾海峡表层沉积物矿物分布及含量变化的最重要因素是物质来源,其次是水动力条件以及矿物自身的变质程度等.台湾海峡表层沉积物的主要物质来源包括来自福建和台湾省河流的入海泥沙、海峡两岸的侵蚀和剥蚀物质、韩江及部分来自浙闽沿岸流携带的长江和钱塘江物质,台湾海峡晚更新世残留物及部分自生矿物等.
【期刊名称】《海洋学报(中文版)》
【年(卷),期】2012(034)005
【总页数】9页(P91-99)
【关键词】台湾海峡;现代沉积环境;粒度参数;重矿物
【作者】方建勇;尹希杰;陈坚;王爱军;赖志坤;汪卫国;李云海;李东义;徐勇航;叶翔【作者单位】国家海洋局第三海洋研究所海洋与海岸地质环境开放实验室,福建厦门361005;国家海洋局第三海洋研究所海洋与海岸地质环境开放实验室,福建厦门361005;国家海洋局第三海洋研究所海洋与海岸地质环境开放实验室,福建厦门361005;国家海洋局第三海洋研究所海洋与海岸地质环境开放实验室,福建厦门361005;国家海洋局第三海洋研究所海洋与海岸地质环境开放实验室,福建厦门361005;国家海洋局第三海洋研究所海洋与海岸地质环境开放实验室,福建厦门361005;国家海洋局第三海洋研究所海洋与海岸地质环境开放实验室,福建厦门361005;国家海洋局第三海洋研究所海洋与海岸地质环境开放实验室,福建厦门361005;国家海洋局第三海洋研究所海洋与海岸地质环境开放实验室,福建厦门
361005;国家海洋局第三海洋研究所海洋与海岸地质环境开放实验室,福建厦门361005
【正文语种】中文
【中图分类】P722.6
1 引言
海洋沉积环境是指海洋沉积物的堆积环境,其特征取决于堆积环境中的水动力条件及物理、化学和生物过程[1]。

表层沉积物的粒度分布及矿物组成特征是海洋沉积环境中最基本的地质参数之一,综合反映了表层沉积物的物质来源、搬运和沉积过程及海洋动力、化学和生态等环境特征。

沉积物粒度及其分布是沉积物的基本性质,粒度分析是揭示沉积动力的主要手段之一,特定的沉积环境必具有特定的沉积物粒度参数特征及其组合。

沉积物粒度主要受搬运介质、水动力强弱和搬运方式等因素的控制,并且与沉积环境息息相关,因而众多研究者利用沉积物粒度参数之间的关系来进行沉积环境的判别[2-7],在此基础上结合表层沉积物矿物组成特
征来研究和探讨沉积环境的方法也越来越被广大研究者应用[8-13]。

碎屑沉积物是物源和环境的产物,也是搬运营力对沉积物长期作用的结果,因此碎屑矿物能够记录地质环境及其演化的历史,重矿物已被广泛应用于沉积环境及碎屑沉积物源判识[14-18]。

其中利用现代数理统计方法进行综合分析是有效和常用的手段
之一[13,19-21]。

本文应用系统聚类分析和因子分析的方法分别对台湾海峡283个表层沉积物样品
的粒度组成和85个样品的矿物组成进行分析。

在阐述表层沉积物粒度和矿物组成特征的基础上,探讨台湾海峡的现代沉积环境特征,并对其影响因素进行初步分析。

2 研究区概况
台湾海峡位于东海大陆架南部,与南海陆架相连,处于福建和台湾两省之间,自东北向西南伸展,是南海和东海的通道,属于纵向狭长型的海峡。

它的北界从福建省的海坛岛到台湾省的富贵角,相距172km;南界从福建省东山岛到台湾省最南端
鹅銮鼻,宽约370km,南北长约380km,东西平均宽度为190km,在最窄的地
方(海坛到新竹)仅有130km。

台湾海峡水深较浅,绝大部水深不到100m,水
深在60m以浅的水域约占四分之三[22]。

台湾海峡在地质构造上位于南岭纬向构造带的东端,与新华夏构造体系组成联合弧的一个沉降带[23],是欧亚板块
与太平洋板块碰撞时所产生的台湾岛弧与大陆山弧间的前陆盆地。

海峡西岸的福建省、广东省岸线曲折,岛屿、港湾众多,有闽江、晋江、九龙江和韩江等入海河流;海峡东岸为台湾省西岸和澎湖列岛,岸线比较平直,有淡水河、大甲溪、曾文溪等10条河流入海[24]。

3 样品采集与分析方法
3.1 样品采集
2010年7月在台湾海峡用蚌式采样器采集了283个表层沉积物样品,采样过程中用塑料勺取最表层5cm的样品,然后用塑料袋封装,以备实验室分析所用。

2006年9月在台湾浅滩附近采集了17个表层沉积物,采样站位见图1。

图1 采样站位
3.2 实验方法与数据分析
对2010年采集的283个表层样进行了粒度分析,对其中68个站位样品进行了碎屑矿物分析,由于此次分析的站位未能覆盖台湾浅滩,因此采用了2006年在台湾浅滩附近17个表层沉积物碎屑矿物的分析数据。

对沉积物粒度分析采用Mastersizer 2000型激光粒度仪。

一般样品过1mm筛,个别较粗样品过2mm 筛;对1mm筛全部通过的样品直接进行分析;过筛样品分析后进行对接。

做平行样2到3次以保证分析结果的可靠性[25],对粒度分析的数据采用SPSS软件
包中聚类分析方法[13,19-20,26]进行分析。

碎屑矿物样品的处理和分析方法按《海洋调查海洋地质地球物理调查规范》(GB/T 12763.8-2007)规定进行。

在烧杯中将沉积物样品加入六偏磷酸钠浸泡直至样品完全离散后,用蒸馏水和试验铜套筛洗取63~125μm粒级部分,将其烘干、称重后采用重液分离法:取样品1.5g左右利用三溴甲烷(CHBr3,密度为2.88g/cm3)分选出轻重矿物,然
后利用体视显微镜和偏光显微镜对轻重矿物进行鉴定,鉴定的矿物颗粒数为
300~500颗,其中不透明矿物以在MOTIC体视显微镜下鉴定为主,透明矿物则采用油浸系统鉴定法在LEIZE型偏光显微镜下鉴定,并辅以微量矿物化学鉴定法
检验,最后根据鉴定结果求得单矿物的颗粒百分含量,同时根据此数据,利用SPSS软件包采取因子分析方法[20,27]对84个样品进行了多元统计分析。

4 结果与讨论
4.1 表层沉积物类型
台湾海峡表层沉积物类型共有沙(S)、砾(G)、砂质粉砂(ST)、粉砂质砂(TS)、黏土质粉砂(YT)及粉砂(T)等6种(见图2),其中以砂为主,分布面积约占调查区总站位数的42.05%,主要分布在海峡南部陆坡、台湾浅滩、澎湖列岛西部和北部区域,在研究区东北角有局部分布区域;其次为砂质粉砂,约占调查总站位数的23.32%,主要分布在台湾海峡中北部、在福建省沿岸以及海峡的东南部陆坡区;再次为粉砂质砂,约占调查总站位数的14.84%,主要分布在海坛岛东南部,在研究区北部靠近台湾一侧呈条带状分布,在福建省泉州至厦门外海和台湾浅滩北部有局部分布,海峡东南部陆坡处有零星分布;砾石和粉砂含量相对较少,分别占调查总站位数的8.83%和6.01%,砾石主要分布在研究区中南部,在台湾
浅滩北侧和东南侧分布较广,在海峡中部和东北部有零星分布;粉砂主要分布在研究区中北部靠近台湾和海坛海峡两侧近海区域;黏土质粉砂含量最小,主要分布在珠江口外粤西中陆架及陆架外缘海域,其他区域均零星分布;黏土质粉砂含量最小,
占调查总站位数的4.95%,分布格局跟粉砂较接近。

图2 台湾海峡沉积物类型分布
4.2 现代沉积环境划分
沉积物粒度特征可以用于沉积环境的识别,将沉积物的粒度特征与其形成时的沉积环境联系起来可以反演沉积环境。

由于采用所有的粒度特征参数进行系统聚类分析不能有效揭示研究区内的沉积环境差异,各项粒度特征参数之间也可能存在不同程度的内在联系,需要选择最具特征的粒度参数进行分析,本文选择相关研究中常用的分选系数、沙粒含量和黏粒含量3个特征参数[19]进行Q型聚类分析。

采用的聚类方法是组间距离法,对于组间距离测定采用欧式距离二次方。

对于本次研究,由于3类以上的类别只是对某一大区进行细分,因此聚为3类是最合适的分类方法,聚类结果图略。

根据上述聚类分析结果将研究区分为3类,分别称为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ类沉积区(图3)。

Ⅰ类沉积区主要分布于台湾浅滩及邻近海域,在澎湖列岛西侧及北侧呈块团状分布,在台湾海峡东北角有零星分布。

该区的沉积物颗粒最粗,沉积物类型相对单一,主要为沙,零星分布的粉沙质砂、砂质粉砂和砾石。

平均粒径为-0.36Φ~4.90Φ,多数站位平均粒径值小于2Φ,整体粒径较粗;标准偏差值为0.43~2.78,在多数站位分选差,分选差的站位占Ⅰ类沉积区站位总数的32.85%,分选很差的占
10.95%,分选中等的占15.33%,分选好和较好的分别占14.60%和26.28%;偏态值为-1.11~2.95,绝大多数大于1,极正偏,极正偏的站位数占一类沉积区总站位的54.01%,正偏态和显著正偏态的站位分别占13.14%和10.95%,近于对
称的站位占4.38%,负偏态和显著负偏态的站位分别占6.57%和10.95%;峰态
值为0.55~3.69,以窄峰为主,窄峰、很窄峰和极窄峰的站位数分别占该类沉积
区总站位数的3.65%,48.18%和8.03%,近于常态峰占5.84%,宽峰和很宽峰分别占17.52%和16.79%。

粒度频率分布曲线呈现微弱的双峰,主峰峰值较高,在
各样本不一,均值约在1Φ~2Φ,次级峰峰值较低,位于7Φ左右,而且主峰含量远远高于次级峰含量(见图4)。

粒度特征表明该类沉积区以粗颗粒沉积物为主,从其分布位置来看,基本对应于水动力环境相对较强的台湾浅滩及邻近海域,该类沉积区分布面积在研究区范围内所占面积最大。

Ⅱ类沉积区主要分布于研究区北部,研究区南部陆坡和东北部有零星分布。

沉积
物类型相对简单,为粉砂质砂、砂质粉砂和砾石,其中以粉砂质砂为主,其站位数占该类沉积区总站位数的56.14%,后两者分别占22.81%和21.05%。

该区平均
粒径介于-1.03Φ~5.16Φ之间,多数站位介于3Φ~5Φ;标准偏差值介于
0.35~3.18,在该类沉积区整体分选较差,其中分选差和很差的站位分别占该类沉积区总站位数的21.05%和59.65%,分选中等的站位占10.53%,分选较好和好
的站位分别仅占1.75%和7.02%。

偏态值介于-0.90~2.81,以极正偏为主,其
站位数占该类沉积区总站位数的78.95%,显著负偏和负偏的站位分别占15.79%
和5.26%。

峰态值介于0.46~3.81之间,以窄峰为主,窄峰、很窄峰和极窄峰的站位数分别占该类沉积区总站位数的1.75%、54.39%和24.56%,近于常态峰占10.53%,很宽峰占8.77%。

粒度频率分布曲线呈现较弱的双峰,主峰各样本不一,峰值在1Φ和3Φ附近,次级峰在7Φ左右(图5)。

与Ⅰ类沉积区相比,该区细颗粒含量增加粗颗粒含量骤减,与该类沉积区主要处于相对低能沉积环境有关。

Ⅲ类沉积区主要在台湾海峡北部海坛岛东南海域和台湾岛西北部海域,呈条带状
分布,在海峡中部、南部个别海域零星分布。

该区沉积物类型以粉砂质砂为主,在部分区域还有砾石和砂质粉砂。

平均粒径介于-1.82Φ~6.85Φ,以大于5Φ的站位为主,其站位数占该类沉积区站位总数的88.30%,粒度整体偏细;标准偏差值介于0.28~2.86,在该类沉积区整体分选较差,其中分选差和很差的站位分别占
该类沉积区总站位数的70.21%和22.34%,分选中等的站位占2.13%,分选较好和好的分别占3.19%和2.06%。

偏态值介于-1.97~2.04,以极正偏为主,其站
位数占该类沉积区总站位数的50%,显著正偏和正偏的站位分别占15.96%和
2.13%,极负偏、显著负偏和负偏的站位分别占18.09%,12.77%和1.06%。


态值介于0.41~3.49,以窄峰为主,窄峰、很窄峰和极窄峰的站位数分别占该类
沉积区总站位数的2.13%,90.43%和1.06%,近于常态峰占1.06%,很宽峰和宽峰分别占4.26%和1.06%。

粒度频率分布曲线呈现明显的双峰,与前两类沉积区相比,该类沉积区主峰和次级峰峰值比较接近,主峰在各样本不一,在2Φ~4Φ,次级峰在7Φ,峰度趋于平坦(图6)。

沉积物粗颗粒和细颗粒含量趋于接近,分选变差,这说明由波浪等引起的往复流簸选作用变弱,沉积环境相对稳定。

4.3 表层沉积物矿物特征
4.3.1 矿物组成
从研究区内表层沉积物中共鉴定出碎屑矿物61种(包括轻重矿物中都有的黑云母、白云母和风化云母),重矿物47种,轻矿物14种。

主要重矿物包括绿帘石、透
闪石、锆石、白钛石、普通角闪石、磁铁矿、电气石、钛铁矿、片状矿物(黑云母、白云母、绿泥石化黑云母和绿泥石)和红柱石等,根据鉴定结果,普通角闪石在重矿物中含量较高,磁铁矿、钛铁矿、白钛矿和锆石是福建省沿岸岩石中的主要副矿物,片状矿物对水动力条件特征具有较好的敏感性,因此将以上几种矿物作为特征矿物,其颗粒百分含量分布见图7。

4.3.2 重矿物分布特征
碎屑矿物中重矿物含量是个重要的参数,其含量变化可以直观地表达重矿物、细砂
粒级颗粒在空间上的变化,对沉积物的物质来源、海底风化作用等具有明显的指示意义[28]。

总体而言,研究区重矿物质量百分含量相对较低(见图8),调查区表层沉积物极细砂粒级中重矿物质量百分含量普遍小于10%,大多数站位百分含量很低,有32个站位的百分含量小于1%,45个站位的百分含量介于1%~10%,仅有7个站位百分含量大于10%,平均含量为2.93%,重矿物质量百分含量最高达20.39%,位于台湾省大安溪入海口西北部离岸海域,在极个别站位重矿物百分含量甚微,几乎没有重矿物。

台湾浅滩及其西南海域也是重矿物含量相对较高的区域,在研究区中部局部海域和东北部小范围海域重矿物含量相对较高。

图7 特征矿物颗粒百分含量(%)分布
图8 重矿物百分含量分布
4.4 表层沉积物分布特征的影响因子及物质来源探讨
4.4.1 表层沉积物分布特征的影响因子
因子分析是一种多元统计数学方法,用其可以解释数据集合,分析多个变量间的关系,其目的在于对大量观测数据用较少的有代表性的因子来说明众多变量所提取的主要信息,因子分析一般采用R型分析,用以研究变量之间的关系以找到影响研究区矿物分布及其他要素分布的因素[27]。

对所鉴定的47种矿物中百分含量相对较高的18种矿物,分成8种类别进行因子分析:磁铁矿、钛铁矿、白钛石、帘石类(包括绿帘石、红帘石)、闪石类(包括普通角闪石、透闪石)、片状矿物(包括黑云母、白云母、金云母、绿泥石和绿泥石化黑云母)、极稳定矿物(包括锆石金红石、电气石)、变质矿物(包括红柱石和矽线石)。

取累积方差贡献大于77.106%的前4个因子进行最大方差旋转,得到旋转后因子所代表的矿物组合如表1所示。

表1 因子荷载矩阵(经过方差极大旋转)公因子 F1 F2 F3 F4磁铁矿0.818 0.119 -0.019 -0.108白钛石-0.178 0.853 -0.093 0.077极稳定矿物 0.171 0.813
0.101 0.092钛铁矿 0.816 -0.117 0.033 0.137帘石类-0.481 -0.062 0.206
-0.706闪石类-0.230 -0.284 0.835 0.138变质矿物-0.150 0.115 0.148
0.823片状矿物-0.260 -0.369 -0.845 0.102方差贡献 1.972 1.610 1.425
1.160累积方差百分数(%)24.654 44.785 6
2.601 77.106
表1中因子分析所表明的各主因子的意义如下:
第一主因子F1解释信息的24.654%,是影响研究区表层沉积物中矿物分布的主要地质因素。

F1的代表矿物组合为磁铁矿和钛铁矿,其中磁铁矿和钛铁矿是福建南
部沿海广泛分布的燕山早期4次侵入岩体中的主要副矿物[13,22],福建省沿
岸及岛屿风化入海物质是台湾海峡表层沉积物的一个重要来源,因此因子1反映
了物质来源对表层沉积物分布的影响;
F2解释信息的20.131%,它代表的矿物组合为白钛石和极稳定矿物。

白钛石和极稳定矿物其自身的稳定性均较高,抗风化能力强,可能是受到海流的冲刷后残留下来的,因此,因子2反映了矿物抗风化能力的强弱对表层沉积物分布的影响,也
可以说是水动力强弱对表层沉积物分布的影响;
F3解释信息的17.816%,它的代表矿物组合为片状矿物和闪石类,其中片状矿物主要分布在台湾海峡北部海坛岛东南部台湾省西北部海域,主要是浙闽沿岸流携带长江物质沿途沉积所致,片状矿物同样也能很好地反演水动力对沉积物疏运的影响,因此F3反映了物质来源和水动力对表层沉积物分布的影响;
F4代表的矿物组合为变质矿物和帘石类,F4表明矿物沉积时,矿物自身的变质程度决定了矿物组成及其组合,F4反映了矿物自身的变质程度对表层沉积物分布的
影响,F4解释信息的14.505%。

从因子分析结果来看,影响台湾海峡表层沉积物矿物分布及含量变化的首要因素是物质来源,其次是水动力的影响,矿物自身的变质程度等其他因素也对台湾海峡表层沉积物分布有一定的影响。

4.4.2 物质来源探讨
从福建省和台湾省西岸入海的河流,每年有大量的淡水流入台湾海峡。

福建省主要入海河流包括闽江、九龙江、晋江、交溪、霍童溪、鳌江和木兰溪等,其年输沙量达到21.4Mt/a[24];台湾省西岸的入海河流主要包括大汉溪、大安溪、大甲溪、大肚溪、浊水溪、北港溪、曾文溪和高屏溪等,其年输沙量达到60~150Mt /a[29]。

上述入海泥沙是台湾海峡表层沉积物的基本来源,部分河流年入海输沙量统计如表2所示。

表2 注入台湾海峡周边的主要河流的输沙量物源区河流名称输沙量/×106 t·a-1数据来源7.49九龙江 2.23晋江 2.00交溪 0.62木兰溪 0.27韩江 7.3闽江中国
大陆福建海洋研究所[22];王文介等[30]大安溪中国台湾(西部海岸)7.1
浊水溪 54.1北港溪 2.2曾文溪 25.1高屏溪 49 Dadson等[31]
在福建省沿岸及岛屿发育燕山期酸性、中酸性侵入岩,台湾岛中央山脉西翼变质岩发育,二者岩石侵蚀、剥蚀的物质也是台湾海峡表层沉积物的来源之一。

图7中
普通角闪石颗粒百分含量分布图来看,主要为福建沿岸向台湾海峡输入;锆石颗粒百分含量图则显示来自福建和台湾的物质向海峡中心输入;磁铁矿的分布则表明了九龙江、大汉溪以及来自广东的河流的物质向台湾海峡疏运的趋势;白钛石的分布规律则表明了来自台湾的物质对台湾海峡的贡献;钛铁矿的分布很明显的可以看出来自韩江和九龙江的入海物质的疏运趋势,片状矿物的分布则揭示了来自长江、钱塘江的物质随浙闽沿岸流从北进入台湾海峡,在南海暖流的顶托作用下沿途沉积在海峡北部,闽粤沿海和岛屿侵蚀海蚀入海物质、台湾海峡“残留沉积区”晚更新世河口、滨海环境下形成的残留沉积物以及台湾海峡中的部分自生矿物如黄铁矿、菱铁矿、碳酸盐等矿物也是台湾海峡表层沉积物的物质来源[24]。

由此可见,台
湾海峡表层沉积物的主要物质来源包括了来自福建省、台湾省河流的入海泥沙、海峡两岸的侵蚀和剥蚀物质、韩江以及部分来自浙闽沿岸流携带的长江和钱塘江物质、
台湾海峡晚更新世残留物以及部分自生矿物等。

5 结论
(1)根据粒度分析结果,采用系统聚类方法将研究区分为3类沉积区,它们分别代表了不同的沉积环境。

(2)在厦门湾表层沉积物中共发现碎屑矿物61种,其中重矿物47种,其优势矿物为绿帘石、透闪石、锆石、白钛石、普通角闪石、磁铁矿、电气石、钛铁矿、片状矿物和红柱石等。

影响台湾海峡表层沉积物中重矿物分布及含量变化的首要因素是物质来源,其次是水动力条件以及矿物自身的变质程度等。

(3)台湾海峡表层沉积物的主要物质来源包括来自福建省、台湾省河流的入海泥沙、海峡两岸的侵蚀和剥蚀物质、韩江以及部分来自浙闽沿岸流携带的长江和钱塘江物质、台湾海峡晚更新世残留物以及部分自生矿物等。

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