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GEOGRAPHICAL RESEARCH >

2015 , Vol. 34 >Issue 6: 1053 - 1065

DOI: https://doi.org/10.11821/dlyj201506005

Orginal Article

Geochemical characteristics of the sediment elements at tidal flat and its environmental implications at Yuantuojiao Point, estuary of the north branch of the Changjiang River

  • XIE Li 1 ,
  • ZHANG Zhenke 2 ,
  • HE Huachun 2 ,
  • TANG Meng 2 ,
  • REN Hang 2 ,
  • JIANG Songliu 2
Expand
  • 1. School of Geography and Tourism, Guangdong University of Finance & Economics, Guangzhou 510320, China
  • 2. School of Geographic and Oceanographic Sciences, Key Laboratory of Ministry of State Education for Coast and Island Development, Nanjing University, Nanjing 210093, China

Received date: 2014-11-19

  Request revised date: 2015-03-04

  Online published: 2015-07-12

Copyright

《地理研究》编辑部
Fold

Abstract

Yuantuojiao Point is located at the intersecting site of the north branch of the Changjiang River and Jiangsu coast. In the study area the typical silt-mud tidal flat has been the main morphological type. The geochemical elements of the tidal flat sediments are the proxies indicating the coastal environmental changes. In this study, a 218 cm drilling core was collected on the tidal flat at the Yuantuojiao Point. The grain size, 7 macroelements (Al, Fe, K,Mg, Ca, Na, Ti) and12 microelements (Mn, Ni, Sr, V, Zn, P, Ba, Be, Cr, Co, Cu, Li) of the YY core were measured. The chronology of this core was established by the method of 137Cs dating. The results indicate that the contents of most macroelements and microelements had higher values in the lower part of the core, but in the upper part the values of the contents were lower.The maximum value of most macroelements and microelements existed at a depth of 132 cm of the YY core (except Ca, Na, Ti, P and Sr), which should be studied in the future. The mean grain size of the YY core had a good relationship with most elements contents, indicating a distinct feature of "grain size control effect". The grain size and the contents of elements corrected by clay from the YY core had greater difference before and after 1956. The evidences of the longshore current direction, coast spit extension direction, hydrodynamic change of north branch of the Changjiang River indicated the Jiangsu offshore region was the sediment source of the north branch of the Changjiang River. We made an analysis of the elements enrichment coefficients of the sediments of the YY core before and after 1956 at the Yuantuojiao Point and the adjacent areas. It is indicated that the main sediments of the tidal flat at the Yuantuojiao Point derived mainly from the Changjiang River before 1956, but they were mainly from the southern part of the submarine radial sand ridges of South Yellow Sea after 1956.

Key words： tidal flat; macroelements; microelements; Yuantuojiao Point; Changjiang River

Cite this article

XIE Li , ZHANG Zhenke , HE Huachun , TANG Meng , REN Hang , JIANG Songliu . Geochemical characteristics of the sediment elements at tidal flat and its environmental implications at Yuantuojiao Point, estuary of the north branch of the Changjiang River[J]. GEOGRAPHICAL RESEARCH, 2015 , 34(6) : 1053 -1065 . DOI: 10.11821/dlyj201506005

1 引言

河口海岸是当前国际学术界开展陆海相互作用研究的关键区域[1-4]。受径流、波浪、沿岸流等多种动力的综合影响,河口海岸地区沉积物组成、物质来源和沉积物地球化学特征均较为复杂,沉积物元素是研究沉积环境和沉积物来源的指标之一,记录了海岸沉积环境变化的信息[5-8]。潮滩地球化学元素的分布与沉积物粒度密切相关,大多数元素含量的高值主要出现在细颗粒物质沉积区,而金属元素的富集往往与人类的生产活动有一定的相关性[9-11]。
中国对海洋沉积物元素的研究始于1958年的“全国海洋综合调查”,50多年来已取得丰硕成果。研究内容涉及沉积物粒度与地球化学元素间的关系[12,13]、沉积物元素组成及物源识别[14,15]、沉积物元素地球化学特征与沉积环境[16-18]、沉积物元素地球化学分区[19,20]、以及沉积物元素地球化学数据处理与评价技术[21]等领域。
圆陀角附近 海岸冲淤变化与长江北支泥沙来源息息相关。关于长江北支泥沙来源,有三种观点：①长江口的入海泥沙扩散进入北支[22-24];② 苏北源,苏北沿岸流携带泥沙进入北支[25,26];③ 北支泥沙以口外来沙为主,上游有部分泥沙进入北支,北支口外来沙以长江入海泥沙扩散进入北支为主,苏北沿岸供沙较少[27,28]。总体上看,长江北支泥沙中来自苏北沿海的相关研究并未深入地展开研究。20世纪50年代以后,长江口围垦造成北支分流减少[25],而长江的输沙在20世纪80年代以后不断减少,引起长江口外浅滩地形的局部侵蚀和调整[29],在此背景下,长江口北支的淤积却日趋显著[30]。
通过对圆陀角恒大集团围垦大堤西南部采集的YY孔柱状岩芯沉积物的常量和微量元素含量分析,探讨沉积物粒度与元素含量的关系,研究圆陀角附近潮滩沉积物元素地球化学特征对自然环境变化和人类活动的指示意义,对比岩芯沉积物1956年前后与邻近区域沉积物元素富集系数,尝试从沉积记录的角度探索圆陀角附近潮滩泥沙来源的变化。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区域概况

长江北支曾是长江入海的主要通道,伴随长江主泓改道南支,北支已逐渐由径流控制转变为潮流控制,加上沿岸大规模围垦的影响,北支淤积萎缩渐趋明显,泥沙来源也随之发生了较大的变化。江苏海岸线长达954 km,粉砂淤泥质海岸为主,江苏岸外发育了闻名于世的辐射沙脊群,水下浅滩变化显著[31]。圆陀角位于江苏省启东市寅阳镇,地处长江北支岸线与江苏海岸线的转折点,河—海相沉积平原。典型的亚热带季风气候,常受台风和寒潮等影响。波浪、潮流和风暴潮等是圆陀角附近潮滩沉积环境演变的主要动力。圆陀角附近海域为正规半日潮,平均潮差较大,在2.5~4 m之间[31]。
圆陀角附近滩涂资源丰富且不断淤长,自20世纪50年代末以来,人类围垦活动导致海岸线向海推进了约6 km,海岸环境发生了较大的变化,尤其是近年来日益显著的围垦对海岸环境造成了强烈的影响（图1）。
Fig. 1 Geographical setting and the location of the YY core at the Yuantuojiao Point

图1 圆陀角附近地理环境和YY孔位置

2.2 野外采样

2007年4月在研究区利用便携式重力采样器钻取一个218 cm的岩芯,采样点坐标为31°42′9.48″N、121°54′29.16″E（图1）。在野外对岩芯进行岩性描述,岩芯以2 cm的间隔分样,共获得109个样品。将样品放在聚乙烯封口塑料袋中,运回实验室低温保存。

2.3 实验室分析与计算方法

采用ICP-AES方法对YY孔岩芯沉积物样品进行常量元素（K、Na、Ca、Mg、Al、Fe、Ti）和微量元素（V、Zn、Be、Li、Ni、Co、Cr、Cu、Ba、P、Sr、Mn）的测定,所用仪器为美国PE公司的Optima 5300DV电感耦合等离子发射光谱仪,采用径向观测方式。样品前期处理过程参照高建华等的研究方法[32]。用国标物质样品GBW07105(GSR-3)进行仪器测量精度校正,同时做空白对照分析,并随机抽取样品测重复样,误差均小于5%。测试结果的常量元素含量为氧化物百分比,将其转化成常量元素含量百分比后,再进行数据分析。YY孔岩芯沉积物样品的元素地球化学分析在南京大学现代分析中心完成。
YY孔岩芯沉积物粒度分析采用测量仪器为Mastersizer 2000型激光粒度分析仪,测量范围为0.02~2000 μm,复测相对误差小于2%。YY孔岩芯137Cs比活度用GMX50P4高纯锗探头和多通道γ谱仪测定,测量时间为30000 s左右。通过加大称重量并延长测定时间,相对误差小于10%。YY孔岩芯沉积物粒度和137Cs比活度测试分别在南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室和南京师范大学地理科学学院137Cs实验室完成。利用YY孔岩芯137Cs垂直剖面（图2）时标及其对应的深度,计算出的平均沉积速率[33],推算出岩芯不同深度的年代。
Fig. 2 137Cs profile of the YY core

图2 YY孔岩芯137Cs垂直剖面

3 结果分析

3.1 岩芯沉积物常量元素地球化学特征

YY孔岩芯沉积物中Al、Fe、K、Mg、Ca、Na和Ti七种常量元素垂向变化如图3所示。
Fig.3 Vertical profiles of the grain size and macroelement concentration in YY core

图3 YY孔岩芯沉积物粒度与常量元素含量垂向变化

YY孔岩芯沉积物中Al、Fe、K和Mg元素含量的平均值分别是5.6%、2.4%、1.8%和1.3%。Ca元素含量介于3.1%~4%之间,Na元素含量在表层达到最大值2.1%,岩芯下部其含量介于1.4%~1.8%之间,整个岩芯Na元素含量的平均值为1.7%。Ti元素含量介于0.4%~0.5%之间,平均值为0.4%。
常量元素中Al、Fe、K和Mg元素含量变化趋势一致,岩芯0~108 cm的元素含量较小,均在12 cm处出现最低值（除K元素外）;在108~190 cm之间,4种元素的含量较大,最高值均出现在132 cm深度;在190~218 cm之间,4种元素的含量有一定的波动变化,并均在204 cm深度出现一个谷值。Ca、Na和Ti元素含量整体波动较小,Ca元素含量在8 cm处出现最高值,78 cm处出现最低值;Na元素从岩芯底部到顶部呈上升趋势。Ti元素含量波动变化不大,为“不活泼”元素[34],最低值和最高值分别在108 cm和8 cm处（图3）。

3.2 沉积物微量元素地球化学特征

YY孔岩芯沉积物Mn、Ni、Sr、V、Zn、P、Ba、Be、Cr、Co、Cu和Li十二种微量元素的变化如图4所示。其中,P、Mn、Ba和Sr元素含量较高,元素含量较低的是V、Zn、Cr、Li、Ni、Co、Cu,Be元素含量最小,微量元素含量随深度变化较为明显。
Fig. 4 Vertical profiles of the grain size and microelement concentration in YY core

图4 YY孔岩芯沉积物粒度与微量元素含量垂向变化

绝大部分微量元素（除P、Sr外）垂向变化趋势较为一致,在0~108 cm之间,大部分微量元素含量较小,波动变化亦小,大部分微量元素均在16 cm处出现最低值;在108~190 cm之间,大部分微量元素含量较大,并均在132 cm处出现最大值;岩芯190~218 cm深度,大部分微量元素含量有一定变化,均在204 cm处出现低值。Sr元素含量在0~98 cm之间波动变化较大（尤其是0~38 cm之间）,而在 98~218 cm之间变化则较为稳定。P元素含量在108~0 cm之间呈波动上升的趋势,且波动较大,而在108~218 cm之间变化相对较小,在190~218 cm之间的变化趋势与大部分常量、微量元素相反（图4）。

4 讨论

4.1 岩芯沉积物元素间相关性及其与粒度的关系

对沉积物中元素进行相关分析有助于分析沉积物来源和沉积环境的变化。从表1和表2可以看出,YY孔岩芯沉积物中常量元素Al、Fe、K、Mg均在0.01水平上显著相关,且相关系数均在0.9以上,说明可能有较为一致的来源;元素Ca、Na和Ti与其他元素的相关性较差,甚至出现负相关,这些元素来源具有多元性、水体环境和生物地球化学过程的复杂性也会影响其含量变化[35,36]。YY孔岩芯大部分微量元素在0.01水平上显著相关（除P、Sr外）,说明大部分微量元素的来源较为一致,而P和Sr元素的来源相对较为复杂。
Tab. 1 The correlation analysis of the macroelements and grain size parameters in YY core

表1 YY孔岩芯沉积物常量元素与粒度参数相关分析

Al Ca Fe K Mg Na Ti mean clay
Al 1
Ca -0.055 1
Fe 0.980** -0.113 1
K 0.932** -0.321 0.954** 1
Mg 0.920** 0.011 0.943** 0.866** 1
Na -0.676** 0.194 -0.712** -0.747** -0.661** 1
Ti 0.143 0.580** 0.148 -0.081 0.124 0.058 1
mean 0.868** -0.346 0.920** 0.941** 0.843** -0.673** -0.111 1
clay 0.885** -0.296 0.932** 0.931** 0.881** -0.702** -0.075 0.986** 1

注：**表示在0.01水平（双侧）上显著相关。

Tab. 2 The correlation analysis of the microelements and grain size parameters in YY core

表2 YY孔岩芯沉积物微量元素与粒度参数相关分析

Ba Be Co Cr Cu Li Mn Ni P Sr V Zn mean clay
Ba 1
Be 0.787** 1
Co 0.822** 0.837** 1
Cr 0.826** 0.848** 0.960** 1
Cu 0.772** 0.862** 0.920** 0.843** 1
Li 0.810** 0.884** 0.943** 0.868** 0.976** 1
Mn 0.849** 0.880** 0.978** 0.941** 0.941** 0.970** 1
Ni 0.836** 0.851** 0.955** 0.878** 0.941** 0.963** 0.961** 1
P -0.020 -0.271 -0.030 0.120 -0.364 -0.307 -0.095 -0.192 1
Sr 0.610** 0.218 0.240 0.353 0.076 0.099 0.253 0.209 0.541** 1
V 0.889** 0.886** 0.967** 0.967** 0.912** 0.940** 0.980** 0.934** -0.028 0.344 1
Zn 0.837** 0.901** 0.945** 0.885** 0.986** 0.988** 0.970** 0.962** -0.298 0.167 0.950** 1
mean 0.770** 0.877** 0.868** 0.803** 0.966** 0.938** 0.914** 0.917** -0.371 0.112 0.884** 0.953** 1
clay 0.772** 0.848** 0.890** 0.826** 0.977** 0.952** 0.928** 0.923** -0.340 0.104 0.906** 0.962** 0.986** 1

注：**表示在0.01水平（双侧）上显著相关。

沉积物中细颗粒物质对元素的吸附能力更强[37]。从表1和表2可知,YY孔岩芯沉积物中大部分元素含量与平均粒径和粘土（clay）含量均在0.01水平上显著相关,仅Na、Ca、Ti、Sr、P元素与平均粒径和粘土的相关性较弱,有的甚至出现负相关,说明岩芯沉积物中大部分元素含量受“粒控效应”制约。Na元素含量没有表现出明显的粒控效应可能与没有对原始样品进行洗盐有关;Ca元素可能受到生物钙质沉积作用有关的碳酸盐沉积的影响;Ti元素可能与其来源于陆源碎屑,或受到排污影响;Sr元素可能受潮滩生物碎屑影响,或由矿物类型差异引起的[13,36]。
为了消除粒度变化对沉积物元素含量的影响,按粒级组成外推校正法[37],利用粘土（<16 μm）含量对YY孔沉积物元素含量进行校正。粘土校正后沉积物中元素含量（图5中带*）呈现一致的变化趋势,即1956年之前沉积物中元素含量较低,总体变化较为稳定;1956年之后元素含量较高,且波动变化较大（图5虚线）,可能与1956年以后圆陀角附近潮滩物质来源的变化有关。
Fig. 5 Vertical profiles before (solid lines) and after (dotted lines) the sedimentary element concentration corrected by clay in YY core

图5 YY孔岩芯沉积物粘土校正前（实线）、后（虚线）元素含量垂向变化

4.2 元素地球化学特征对自然环境变化和人类活动的环境指示意义

现代长江口北支水道演变过程中人类活动是重要的影响因素。围垦改变了长江北支的入流条件,加速了长江口北支的淤积萎缩。1958年南通市在北支进口段的新通海沙、江心沙的圈围,改变了径流进入北支的方向,并切断径流由江心沙北水道进入北支的通道,使长江径流与北支进口段中轴线交角接近90°,致使北支入流困难[38]。此后,长江北支演变为以潮流为主要动力的河道,长江北支分流降低,径流的影响大大降低。同时,长江北支的淤积萎缩的速度在加快,泥沙的来源主要来自北支口门外。
长江北支两岸的启东、海门与崇明沿岸长期以农业种植为主,围垦滩涂发展农业是主要的开发方式,1963年后启东修建了海防公路和海堤,圆陀角附近于1970年、1989年、1992年和2006年相继修建了围垦大堤[33]。1992年中国东部沿海发生了1949年以来影响范围最广、损失非常严重的风暴潮灾害,启东沿海受灾严重[39]。1990年开始南通市及下辖的海门、启东两市工业和城市建设才快速发展。2005年之后,长江北支北岸的海门、启东沿岸有了较多的码头建设和造船工业基地;而北支南岸的崇明岛很少发展工业。重金属污染的研究表明,大多数金属元素的富集往往与人类活动有关[9,40]。因此,可以推断,圆陀角YY孔岩芯中记录的金属元素的变化,应该在1990年以后受人类活动影响而变化。
大米草于1963年被人为引种到江苏海岸带,经过长期的引种实验,1976年前后受到重视,并快速繁殖,在启东潮滩上成功试验了全国第一个海滩牧场。大米草除了在护岸促淤、改良土壤、增加绿肥等方面发挥重要的作用外,对不同元素具有吸收、转化和分解等作用,尤其是大米草根部对沉积物中元素的吸附能力更强[41]。
YY孔岩芯沉积物元素地球化学特征在一定程度上可以指示圆陀角附近潮滩自然环境变化、人类活动的影响和物质来源的变化。岩芯1956年以前（A段）大部分元素含量高于1956年以后（B段）（图5中实线）,主要的原因是A段沉积物中质地粘重的细颗粒物质较B段多（图3和图4）,有机质含量高,对大部分元素的吸附能力较强所致。消除粒度影响后,岩芯A段沉积物元素含量为低值稳定变化段,指示在1956年以前圆陀角附近潮滩沉积环境较为稳定;岩芯B段沉积物则为高值波动变化期,表明1956年以后圆陀角附近潮滩沉积环境较为复杂。其中岩芯B段在98 cm深度（1963年）沉积物为粉砂质砂,沉积物较粗,大部分元素含量较低（图3、图4和图5实线）。岩芯B段在70 cm（1977年）深度沉积物为粘土质粉砂,沉积物较细,大部分元素含量较高（图3、图4和图5实线）,消除粒度影响后,岩芯B段在70 cm深度出现的低值（图5虚线）可能是圆陀角附近潮滩1977年大米草快速繁殖将岩芯沉积物中大量元素强烈吸附所致;可能受1992年启东沿海强风暴潮的影响,岩芯B段16 cm深度（1994年）沉积物较粗,导致大部分元素含量低（图3、图4和图5实线）。YY孔岩芯B段元素地球化学特征指示在1956年以后圆陀角附近潮滩沉积物质来源发生了很大的变化,长江来源的物质被来自口门外海域的物质取代是根本原因,人类活动的影响对岩芯上部变化也有明显影响。

4.3 长江北支潮滩沉积物的物质

来源20世纪50年代以前,长江北支曾以径流为主,但自1958年以来,北支长江水沙分流比较少、转变为潮流为主,北支河道淤积、萎缩日趋显著[38]。尽管基于放射性核素示踪物和长期观测研究表明,北支大部分泥沙来源于南支,一小部分泥沙来自于江苏沿海[42,43]。近期长江口海岛调查中发现,长江北支中一个巨大的沙泥岛——带鱼沙已经形成,长江北支潮滩淤积旺盛。因三峡工程建设,长江上游来沙来水不断减少,但圆陀角附近潮滩却在不断淤积[30]。因此淤积的泥沙来源是一个值得探讨的重要问题,研究清楚这个问题,将有助于进一步认识长江北支泥沙来源及淤涨机理。近岸潮滩地形轮廓是长期沿岸输沙方向的较好指示物,根据野外调查和圆陀角北部沿岸沙嘴遥感（图1中的A、B、C、D、E）资料分析表明,圆陀角附近沿岸流非常活跃,泥沙多自北向南经圆陀角进入长江北支[30,44]。
1956年以前,YY孔岩芯沉积物主要是砂质粉砂—粉砂质砂—粉砂—粘土质粉砂相间分布,粗中有细,细中有粗,且细颗粒物质较多,与长江北支表层沉积物的类型[43]相似。1956年以后,岩芯沉积物则主要为砂质粉砂,粉砂和粘土质粉砂较少,从YY孔岩芯沉积物粘土校正后元素含量垂向变化图（图5虚线）可以看出,1956年之前的岩芯（A段）,沉积物元素含量变化较为稳定,可能与长江较为稳定的泥沙来源有关;1956年以后的岩芯（B段）,沉积物元素含量波动变化较大,可能与较为复杂的自北向南的苏北沿岸流携带泥沙堆积有关。
圆陀角位于长江、东海和黄海三水的交汇点,利用圆陀角YY孔岩芯1956年前后沉积物元素平均含量分别与东海、长江和黄海沉积物元素平均含量的比值（即元素富集系数K）来判别圆陀角附近潮滩1956年前后沉积物元素平均含量与东海、长江和黄海沉积物元素平均含量的接近、贫化或富集程度[45]。东海、长江和黄海沉积物元素平均含量数据来源于迟清华等[46,47]。参考赵一阳等[45],将元素富集系数K分级为三级：K≤0.75为“贫化”,0.75<K≤1.25为“接近”,K>1.25为“富集”。从图6可以看出：1956年以前,YY孔岩芯沉积物与东海、长江和黄海沉积物相比,在19种被测元素中,平均含量接近（即0.75<K≤1.25）的分别有9种、15种和13种,分别占47%、79%和68%,说明岩芯1956年以前的沉积物元素平均含量与长江沉积物更接近,即岩芯1956年之前的沉积物可能主要来源于长江。1956年以后,YY孔岩芯沉积物与东海、长江和黄海沉积物相比,在19种被测元素中,平均含量接近（即0.75<K≤1.25）的分别有9种、8种和11种,分别占47%、42%和58%,表明岩芯1956年之后的沉积物与黄海沉积物元素平均含量近似,而与东海和长江沉积物元素平均含量有一定的差异,即岩芯1956年以后的沉积物可能主要来源于黄海,而辐射沙洲南翼从北向南的苏北沿岸流,可能是主要的搬运动力。
Fig. 6 The elements enrichment coefficients of the sediments of the YY core before and after 1956 at the Yuantuojiao Point and the adjacent areas

图6 圆陀角YY孔岩芯沉积物1956年前后与邻近区域沉积物元素富集系数

综上所述,圆陀角附近潮滩泥沙来源可分为两个时期：1956年以前,沉积物可能主要来源于长江;1956年以后,随着长江来沙来水的急剧减少,北支不断淤积的泥沙可能主要来源于南黄海辐射沙洲南翼海区。

5 结论

（1）圆陀角YY孔岩芯沉积物大部分元素变化趋势较为一致。其中,岩芯0~108 cm深度元素含量较小,总体变化较为稳定;岩芯108~190 cm深度元素含量较大,总体波动变化亦较大,并均在132 cm处出现最大值;岩芯190~218 cm深度元素含量有一定变化,均在204 cm处出现谷值。
（2）圆陀角YY孔岩芯沉积物大部分元素含量与平均粒径和粘土含量均具有显著相关性,“粒控效应”极为明显。利用粘土校正后,YY孔岩芯沉积物元素含量呈现较为一致的变化趋势,即1956年以前沉积物元素含量较低,总体变化较为稳定;1956年以后元素含量较高,且波动变化较大,可能与1956年以后圆陀角附近潮滩受到人类活动和物质来源的影响有关。
（3）圆陀角附近潮滩沉积物1956年以前主要来源于长江,1956年以后主要来源于南黄海辐射沙洲南翼海区。

The authors have declared that no competing interests exist.

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