高晓琴, 王张华, 李琳, 吴绪旭. (2015)长江口现代潮滩表层沉积物磁性特征和自生铁硫化物的分布* [J]. 古地理学报, 14(5): 673-684
Gao Xiaoqin, Wang Zhanghua, Li Lin, Wu Xuxu. (2015)Magnetic properties of surficial sediments and distribution of authengenic iron sulfide in modern tidal flat at Yangtze estuary[J]. Journal Of Palaeogeography, 14(5): 673-684. DOI:  
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长江口现代潮滩表层沉积物磁性特征和自生铁硫化物的分布*
高晓琴1, 王张华2, 李琳1, 吴绪旭1
1 华东师范大学地理系,上海 200062
2 华东师范大学河口海岸国家重点实验室,上海 200062

第一作者简介 高晓琴,女,1986年生,自然地理学硕士研究生,主要从事环境磁学研究。E-mail:gaoxiaoqin9797@163.com。

通讯作者简介 王张华,女,1973年生,博士,教授,主要研究方向为河口三角洲沉积地貌环境演变。E-mail: zhwang@geo.ecnu.edu.cn。

收稿日期:2012-02-23
基金:*国家自然科学基金项目(批准号:41176070)和河口海岸国家重点实验室科研项目(编号:2010RCDW05)共同资助
摘要

以长江口崇明岛北支潮滩的 3个潮滩为对象,在粒度测量和磁性分析的基础上,揭示了现代潮滩表层沉积物的磁性变化,探讨了磁性矿物、尤其是自生亚铁磁性矿物—硫复铁矿( Fe3S4)在潮滩沉积微相的分布规律及机制。研究结果表明:长江口潮滩表层沉积物的磁性特征由亚铁磁性矿物及超顺磁颗粒( SP)主导。淤积型中高潮滩磁铁矿以单畴( SD)和 SP为主,侵蚀型潮滩的中低潮滩则更多假单畴 /多畴( PSD/MD)晶粒,反映了水动力的分选及以细颗粒矿物溶解为主的早期成岩作用。此外,最东侧的北四滧港剖面潮上带—高潮滩芦苇带普遍存在自生亚铁磁性硫复铁矿,北堡港和新卫剖面的高潮滩也局部存在硫复铁矿,反映了本区高潮滩—潮上带丰富的有机质及细颗粒沉积物、加上有限的海水淹没时间,是早期成岩作用过程中生成硫复铁矿的主要机制。

关键词: 长江口现代潮滩; 沉积微相; 磁性特征; 硫复铁矿; 早期成岩作用
中图分类号:P512.2 文献标志码:文章编号:1671-1505(2012)05-0673-12 文章编号:1671-1505(2012)05-0673-12
Magnetic properties of surficial sediments and distribution of authengenic iron sulfide in modern tidal flat at Yangtze estuary
Gao Xiaoqin1, Wang Zhanghua2, Li Lin1, Wu Xuxu1
1 Department of Geography,East China Normal University,Shanghai 200062
2 State Key Laboratory for Estuarine and Coastal Research,East China Normal University,Shanghai 200062

About the first author Gao Xiaoqin,born in 1986,is a postgraduate of East China Normal University and is mainly engaged in research of environmental magnetism.E-mail:gaoxiaoqin9797@163.com.

About the corresponding author Wang Zhanghua,born in 1973,is a professor of East China Normal University,and is mainly engaged in research on sedimentary geomorphologic evolution of estuary and delta.E-mail: zhwang@geo.ecnu.edu.cn.

Abstract

The present paper measured grain size and magnetic parameters to examine magnetic properties and the distributions of magnetic minerals,especially the authengenic greigite(Fe3S4)along the tidal flat sections from the northern coast of Chongming island,Yangtze estuary.The results revealed that ferromagnetic minerals and superparamagnetic(SP)minerals are predominant in the surficial sediments.Single-domain(SD)and superparamagnetic(SP)grains prevail in the sediments of high to middle tidal flat from progradational coast.By contrast,the major magnetic feature of middle and lower tidal flat sediments from the regradational coast is dominated by pseudo-single domain/multi-domain(PSD/MD)grains,reflecting the hydrodynamic sorting and dissolution of fine-grained magnetite during the early diagenesis.Moreover,authengenic greigite occurs generally in the reed zone of supra and high tidal flat of Beisiyaogang section which is located easternmost,while it also exists locally in the high tidal flat of Beipugang and Xinwei sections,reflecting that organic matter and fine-grained sedments can generate greigite with the limited inundation time of sea water in the study area.

Key words: modern tidal flat of the Yangtze estuary; sedimentary micro facies; magnetic properties; greigite; early diagenesis

近十几年来, 世界环境变化的速度和规模极为显著, 已经影响到地球及其依存的人类。长江是一条世界级的大河, 流域面积达180× 104 km2, 居世界第3, 人口活动密集, 多年的平均输沙量4.86× 108 t(1951— 1971年)(Yang et al., 2002), 因此其河口区环境对全球变化的响应, 一直受到广泛的关注。全新世海平面波动及其控制下的沉积地貌环境演变就是其中的热点问题之一。不少学者已利用泥炭、地层、新石器遗址等重建长江三角洲全新世海平面曲线(Chen and Stanley, 1998; Saito et al., 1998; Zong, 2004; Chen et al., 2008)。近年来, 作者也在尝试利用基底泥炭、微体古生物转换函数等手段重建该区早中全新世高分辨率海平面曲线(Wang et al., 2012; 庄陈程, 2012)。但是, 由于长江口特殊的沉积环境, 即巨大的淡水和泥沙输入量、沉积速率高等, 使得该区滨海沼泽中盐沼特有的胶结质有孔虫属种较为少见呈成簇状分布(洪雪晴, 1987), 硅藻浓度也偏低, 因此这些国际上近十余年来新发展的高精度海平面重建手段在长江口具有很大的局限性。而且陆源碎屑物的大量输入使得该区潮上带盐沼和高中潮滩植被带在沉积物岩相上很难区分, 加上潮流动力较强, 导致全新世基底盐沼泥炭的发育十分有限(战庆, 2012)。因此, 十分有必要探究新的手段进行盐沼— 潮滩沉积微相识别, 以促进该区全新世高精度海平面的研究。

潮滩作为海陆交界地带, 陆源碎屑矿物丰富, 因此往往表现出磁性较强的特点。例如Kwon 等(2011)在对朝鲜半岛西海岸潮滩晚第四纪钻孔沉积物的研究中发现潮滩表层磁化率高。而潮下带— 浅海, 由于陆源碎屑物供应减少或早期成岩作用加强, 沉积物磁性明显减弱(Wang et al., 2011)。另一方面, 在有机质丰富的滨海沼泽, 受海水中的硫酸根离子作用, 以形成自生铁硫化物为特征的磁性矿物早期成岩过程也有可能成为盐沼— 潮滩微相识别的有效方法。该过程是硫酸盐还原细菌利用海水中的硫酸根离子和潮滩沉积物中丰富的有机质及铁离子, 产生自生的铁硫化物, 包括中间矿物磁黄铁矿(Fe7S8)、硫复铁矿(Fe3S4)以及最终的黄铁矿(FeS2), 当硫的供应有限时, 往往仅形成中间矿物且可以在地层中长期保存。由于硫酸根离子和有机质在盐沼— 潮滩剖面中随着高程和植被的变化具有明显的分带性, 因此产生的自生铁硫化物的种类、含量也可能发生分带。例如, Snowball和Thompson(1988)对爱尔兰东北海岸的盐沼和泥滩的磁性研究发现, 发育于全新世中期海侵的海岸沉积中含大量的铁的硫化物, 包括亚铁磁性的硫复铁矿。Wheeler等(1999)对爱尔兰西北部沿海的盐沼— 潮滩沉积物磁性和早期成岩作用研究中, 仅在潮上带沉积物发现硫复铁矿。Horng等(1992)研究位于台湾西南部上新世— 更新世海相沉积的2个地层剖面, 发现自生硫复铁矿仅见于黑色泥岩, 自生磁黄铁矿出现于泥质砂岩, 而粗碎屑磁铁矿(含量低于铁硫化物)除了含硫复铁矿的泥岩外, 在其他岩性的地层中均存在。Kao等(2004)进一步研究该地层磁性矿物的生成环境, 发现在有机质总体较低的情况下, 相对高有机质、高氧化还原电位更易生成硫复铁矿。

长江口潮滩也符合自生铁硫化物形成的条件, 不过相关研究目前还十分薄弱。因此作者利用崇明岛北支潮滩自东向西3 条潮滩剖面的表层沉积物, 进行磁学分析, 旨在检查磁性矿物的空间分布、尤其检查是否存在自生的硫复铁矿, 探寻其和潮水位之间的关系, 从而为识别全新世钻孔地层微相和高精度海平面重建提供可靠的依据。

1 材料和方法
1.1 样品采集

长江口一级分汊南北两支, 分流比仅占1%~3%(沈焕庭, 2001)的北支已演变为涨潮流占优势的水道, 盐度由上游向下游沿程递增(曹民雄等, 2003; 罗小峰和陈志昌, 2006)。枯季, 北支盐度比南支同经度区段大十几到几十倍, 三和港附近平均盐度5.95‰ ~19.25‰ , 而同经度南支121° 16.8'E附近的平均盐度仅为0.17‰ ~0.37‰ ; 洪水期, 分入北支的径流量相应增加, 盐度也有所下降, 三和港以上河段的日平均盐度均不超过0.3‰ (孔亚珍等, 2004)。崇明岛北岸多数高潮滩仍处于自然淤涨; 南岸受涨潮流作用, 侵蚀严重, 潮滩发育较差。

本研究于2010年7月中旬在长江口崇明岛北岸北四滧港(31° 37'N、121° 45'E)、北堡港(31° 38'N、121° 41'E)、新卫村(31° 49'N、121° 22'E)附近的现代潮滩(图 1), 沿植被变化由芦苇带到光滩依次采集表面沉积物样品, 并用TOPCON全站仪测量每个取样点的相对高程。采集样品分两部分, A样:表层厚1, cm, 长、宽各10, cm的小格子内沉积物; B样:A样取完后继续向下取长、宽各10 cm、厚1, cm的次表层样。样品用不锈钢刀具采集, 采集后装入聚乙烯塑料袋中, 带回实验室冷藏。共采集现代潮滩剖面3条, 样品计128个。根据现场地形地貌和植被特征, 判断北四滧港和北堡港剖面为淤涨型潮滩, 新卫村剖面为侵蚀型潮滩。

图1 长江口崇明岛采样点地理位置图Fig.1 Geographic location of sampling sites in Chongmingdao at Yangtze estuary

北四滧港、北堡港剖面的各潮水位线根据三条港验潮站(图 1)数据计算及剖面的植被和地形变化(图2)确定, 新卫村剖面的各潮水位线参考青龙港验潮站数据并根据剖面的植被和地形变化确定。盐度和pH值用便携式盐度计和酸度计测量孔隙水得到。北四滧潮上带样品SY-1因土质较干, 无法采得孔隙水, 故盐度和pH数据空缺。

图2 北四滧港(a)、北堡港(b)和新卫村(c)环境因子、植被变化及采样位置示意图Fig.2 Sketch showing environmental factors, variation of vegetation and sampling locations in Beisiyaogang(a), Beipu-gang(b)and Xinweicun(c)sections

1.2 测量方法

将所有样品于40 ℃低温烘干, 然后在玛瑙研钵内轻压研磨成100目以下的粉末状, 搅拌均匀后从中称取6~8 g样品, 用保鲜膜包好装入聚乙烯的圆柱形盒内并压实固定, 进行测量。低频(0.47, Hz)磁化率和高频(4.7 Hz)磁化率使用英国Bartington公司生产的MS2-B型磁化率仪, 非磁滞剩磁(ARM)通过D-Tech2000交变退磁仪(交变磁场峰值100 mT, 直流磁场0.04 mT)产生, 然后使用Minispin旋转磁力仪测定。等温剩磁(IRM)测量使用仪器为Molspin脉冲磁化仪和旋转磁力仪, 记录IRM20, mT、IRM40, mT、IRM100, mT、IRM300, mT、IRM1000, mT(SIRM); 到达饱和磁场后, 再施加反向磁场, 并逐步增强, 记录IRM-20, mT、IRM-40, mT、IRM-100, mT、IRM-300, mT。利用上述各测量结果计算出:①单位质量磁化率χ , 即主要低频弱磁场磁化率与所测样品质量之比, 反映沉积物中铁磁性矿物的组合方式、含量及粒径; ②频率磁化率比值χ fd, χ fd=[(χ LF-χ HF)/χ LF]× 100, 反映超顺磁性矿物对磁化率的贡献; ③非磁滞剩磁磁化率χ ARM, 该参数受到亚铁磁性矿物晶粒大小的强烈影响; ④退磁参数S-K, S-K=[(SIRM-IRM-KmT)/(2× SIRM)]× 100, K=20、40、100、300, 反映亚铁磁性矿物和不同磁性矿物类型的相对重要性, 值越大, 不完整反铁磁性矿物和其他磁性矿物含量越少; ⑤各比值参数χ ARM/χ 、SIRM/χ 。另外, 为了检查硫复铁矿的存在, 根据室温磁性测量结果, 选取了6个可能存在硫复铁矿的样品, 用 AGICO 磁化率仪(MFK1)及附带的CS-3高温炉在氩气环境中进行热磁曲线测试。还对全部样品进行了粒度分析, 使用美国Coulter公司生产的LS13320型激光粒度仪。各剖面采样点的高程, 根据采样剖面附近的高程控制点(数据来自上海测绘院), 转化为黄海高程。

2 研究结果
2.1 各潮滩剖面地形、环境特征

北四滧港剖面为自然淤涨型潮滩, 剖面长约450, m, 植被带由芦苇逐渐变化到光滩, 米草带和光滩的过渡区夹杂少量藨草。孔隙水盐度高潮滩芦苇带较高, 为7‰ 左右, 米草带显著下降, 为3‰ ~4‰ , 到光滩又略有上升, 为4‰ ~5‰ 。潮滩的pH值总体变化不大, 偏弱碱性, 基本在7~8之间(图 2-a)。

北堡港亦为淤涨型潮滩, 剖面较长, 约为1200, m, 剖面地形梯度变化缓慢, 发育高潮滩芦苇、米草带及中潮滩藨草带和光滩。孔隙水盐度整体偏低, 介于1.2‰ ~1.8‰ 。米草带有轻微的下降后进而上升, 海三棱藨草带有1个明显下降值, 为1.2‰ , 光滩平均为1.8‰ 。潮滩pH值在6~8之间变化, 波动较小, 酸度偏弱碱性(图 2-b)。

新卫村剖面为侵蚀型潮滩, 仅发育高潮滩芦苇带和中低潮滩光滩, 缺失低盐沼, 且高盐沼的芦苇带宽不足40, m, 光滩宽约35, m, 芦苇带和光滩之间为高约1.1, m的侵蚀陡坎(图 2-c)。光滩滩面上多本地侵蚀和潮流带来的植物残体。孔隙水盐度仍整体偏低, 高潮滩芦苇带, 为1.5‰ ~2‰ , 中潮滩光滩有所上升, 基本在2‰ ~3‰ 之间波动, 低潮滩光滩略下降且波动较大, 为0.3‰ ~2.2‰ , 潮下带维持低值。潮滩酸度呈弱碱性, pH值变化趋势与盐度相似, 波动在7.0~8.5之间。

2.2 各潮滩剖面粒度、磁性特征

本研究中, 3条潮滩剖面沉积物样品具有较高的χ 值。北四滧港A层样χ 平均为74.1× 10-8 m3/kg, B层样χ 平均为74.6× 10-8 m3/kg, 北堡港潮滩A、B层χ 平均分别为73.9× 10-8 m3/kg、72.9× 10-8 m3/kg, 新卫村剖面A层为71.2× 10-8 m3/kg, B层为70.9× 10-8 m3/kg。除新卫村剖面之外, χ fd均值都大于5%, 而且各剖面S-300, mT值几乎都在90%以上(图 3, 图4, 图5)。上述参数表明亚铁磁性和超顺磁矿物主导了潮滩沉积物的磁性特征。以下分别阐述各个潮滩剖面的磁性参数及其指示的磁性矿物类型分布。

图3 北四滧港剖面的粒度和磁性参数Fig.3 Grain size and magnetic parameters in Beisiyaogang section

图4 北堡港剖面的粒度和磁性参数Fig.4 Grain size and magnetic parameters in Beipugang section

图5 新卫村剖面的粒度和磁性参数Fig.5 Grain size and magnetic parameters in Xinweicun section

2.2.1 北四滧港剖面

从整个剖面(图 3)看, 表层样从芦苇带到光滩, A层沉积物较细, 以黏土和粉砂为主, 平均粒径7.8~18.6, μ m; B层与A层类似, 主要以黏土和粉砂为主, 但较A波动变化大, 为6.4~46.3, μ m, 出现了3个峰值, 最大值出现在中潮滩米草带样品SY-11处。

潮上带芦苇带(SY-1)。该带只有1个样品SY-1。(1)A层平均粒径Mz在整个剖面中偏大, 为18.6, μ m, 属中粉砂级别。参数χ 在整个剖面中偏低, 为70.9× 10-8 m3/kg, SIRM、SOFT偏高且为整个剖面最大值, 分别为6987.0× 10-6 Am2/kg、1471.6× 10-6 Am2/kg, 退磁参数S-300, mT为整个剖面的最高值, 达94.2%, 反映磁性偏软。χ ARM和χ ARM/χ 均在整个剖面中显示低值, 但均值较高, 分别为311.9× 10-8 m3/kg、4.4(), 表明磁性矿物主要以SD颗粒为主χ 。fd小于5%且在全剖面中偏低, 也反映超顺磁的影响较小。但是, 退磁参数S-20, mTS、-40, mT位于剖面低值, SIRM/χ 为全剖面的最高值, 为9.9 KA/m, 因此推断该样品中除磁铁矿以外, 还含有矫顽力较高的磁性矿物, 可能为自生矿物硫复铁矿。热磁曲线显示样品SY-1在加热过程中, 280, ℃出现了1个小的峰值, 也证实硫复铁矿的存在(Roberts, 1995)。(2)B层参数特征与A基本类似, 唯一不同的是SOFT为低值, 且小于A层值。值得注意的是参数SIRM/χ 在B层仍然为整个剖面的最高值, 略高于A层, 为10.4 KA/m(表2)。结合各参数的变化及热磁曲线(图 3, 图6)可以看出, B层也含有硫复铁矿且其含量可能增加。

表1 潮滩各植物带A层样品粒度及磁性参数平均值 Table1 Average values of grain size and magnetic parameters in A layer of each vegetation zone of tidal flat
表2 潮滩各植物带B层样品粒度及磁性参数平均值 Table2 Average values of grain size and magnetic parameters in B layer of each vegetation zone of tidal flat

图6 长江口现代潮滩典型样品的热磁曲线Fig.6 Typical thermomagnetic curves of sediments from modern tidal flat of Yangtze estuary

高潮滩芦苇带(SY-2~SY-7)。(1)A层该带平均粒径较小, 粒级波动变化不大, 平均值是整个剖面的最高值, 为14.4, μ m, 属细粉砂级别。χ 较潮上带有所增大, 均值为73.3× 10-8m3/kg(表1), 且波动起伏较大, 为69.7× 10-8~75.6× 10-8m3/kg。χ fd均值为5.3%, 表明超顺磁明显。χ ARM、χ ARM/χ 具有相同的趋势, 波动范围较大, 分别为272.3× 10-8~417.4× 10-8m3/kg和3.9~5.6, 且与χ 、χ fd的波动基本一致, 而与SIRM/χ 变化相反, 推断其变化与早期成岩作用即细颗粒磁铁矿的溶解密切相关。SIRM值偏高, 具有向海缓慢下降的趋势, 但波动范围很小, 为6560.9× 10-6~6829.8× 10-6Am2/kg, 平均6683.1× 10-6Am2/kg。 SOFT呈现为低值, 平均1346.7× 10-6Am2/kg, 反映剩磁并非主要由磁铁矿贡献。SIRM/χ 继续呈现高值, 平均9.1 KA/m, 样品SY-5处出现峰值, 为9.8 KA/m。退磁参数S-20, mT、S-40, mT和S-100, mT继续表现为相对低值但向海增高, S-300, mT较潮上带明显下降但仍在93%以上。值得注意的是, 本带S-100, mT与S-300, mT波动一致, 而与S-20, mT、S-40, mT的波动相反, 体现了硫复铁矿的典型磁性特征(Snowball and Thompson, 1988)。图6中样品SY-2的热磁曲线同样证实了硫复铁矿的存在。(2)B层平均粒径变化大, 出现两个峰值, 分别为37.9, μ m、32.2 μ m(图 3), 属于粗粉砂级别。不过, 沉积物的粒度变化似乎并不显著影响磁性变化。各参数和A层变化相似, 差别仅为χ 、SIRM和SOFT在芦苇带向陆方向(SY-2~SY-4)明显增大S, -20, mTS、-40, mT却有所降低, 而S-300, mT总体都上升, 使得低磁场与高磁场间的剩磁差异进一步增大, 可能反映沉积物埋藏后早期成岩作用的加剧(图 3)。

高潮滩米草带(SY-8~SY-10)。(1)A层平均粒径相对上层无明显变化, 波动也较小, 均值13.8, μ m, 颗粒较细。χ 呈向海逐渐增加趋势, 均值73.9× 10-8 m3/kg(表 1), 略高于芦苇带。χ fd的变化与χ 相似。χ ARM和χ ARM/χ 较上带有明显的增加, 值偏高, 表明SD磁铁矿贡献的增大。SIRM略小于上带, 且向海呈略微下降趋势。SOFT也有所下降。而S-20, mT、S-40, mT与S-100, mT明显增高, S-300, mT仍维持高值。参数SIRM/χ 均值8.5 KA/m, 明显低于芦苇带。由各参数特征可见, 本带以SD磁铁矿为主, 自生亚铁磁性硫化物的磁性特征消失。(2)B层样品粒径变化较大, 向海逐渐减小到全剖面最小值, 均值14.0 μ m(表2)。χ 、SIRM、SOFT都比A层略低, SY-8的χ fd显著下降, 同时伴随χ ARM和χ ARM/χ 的低值, 反映早期成岩作用中细颗粒磁性矿物的溶解。退磁参数S-20, mT、S-40, mT和S-100, mT与A层变化相似, S-300, mT均值达93%以上。SIRM/χ 与A层变化一致, 均值8.3 KA/m, 同样也明显低于芦苇带。

中潮滩米草(混杂藨草)带(SY-11~SY-13)。(1)本带A层样品粒度及各磁性参数与高潮滩米草带相似, 仍反映了超顺磁和晶畴SD磁铁矿的特征, 不过χ fd向海略有下降, 而χ 和χ fd变化趋势相反, 反映了超顺磁相对贡献的下降和碎屑磁铁矿相对贡献的增加; (2)B层样品在SY-11明显变粗, 但磁性仅χ 略有增大, 其他参数与A层基本相似, SY-12出现了χ 、SIRM、SOFT的明显下降, 同时, 退磁参数S-300, mT也较明显下降, 可能反映磁铁矿相对含量的下降。

中潮滩光滩(SY-14~SY-17)。A、B层平均粒径仍维持低值。磁性与上带相似, χ 与χ fd变化趋势相反, 且χ fd为5%~6%, 低于高潮滩米草带, 反映超顺磁颗粒贡献的继续下降。B层的χ 、SIRM、SOFT和S-300, mT较高, 体现了碎屑磁铁矿的相对含量增加, 参数χ ARM和χ ARM/χ 的变化显示磁性矿物的晶畴大小仍以SD为主, 且晶粒变细。

2.2.2 北堡港剖面

北堡港的样品集中在高潮滩米草带和中潮滩海三棱藨草带, 高潮滩芦苇带仅1个样品, 中潮滩光滩仅2个样品(图 3)。芦苇带A、B层样品平均粒径Mz均与米草带和藨草带相近, 颗粒较细。从磁性参数来看, A层样品的χ 和SIRM都略低于米草带和藨草带样品, 但SIRM/χ 及χ fd与其他两带相似, 表现出矫顽力较低以及超顺磁特征。χ ARM和χ ARM/χ 为全剖面最高值, 反映细粒磁性矿物特征, 晶粒大小以SD为主。各退磁参数值较高, 也反映易磁化的特点。B层样品磁性参数χ fd和退磁参数较低但SIRM略高, 可能反映细粒磁性矿物有所溶解。由于仅1个样品, 不能代表芦苇带沉积物的磁性特征。光滩的两个样品粒度明显变粗, 但χ 和SIRM都较低, 尽管χ fd较高, χ ARM却呈现为低值, 各退磁参数值也较高, 可见本带磁性特征以碎屑磁性矿物的贡献为主, 晶粒主要以PSD/MD为主。值得注意的是, 光滩的退磁参数S-20, mT较之芦苇带略有增加, 而相对其他两个植被带明显增大, S-100, mT、S-300, mT并无此明显的变化特征, 同样反映磁铁矿主导。

高潮滩米草带(BBG-10~BBG-15)。(1)A层平均粒径Mz波动不大, 维持较低值, 均值9.6 μ m(表 1), 属细粉砂级别。本带较明显的磁性特征是χ 与χ fd呈同步变化, 反映超顺磁对磁化率的贡献。SIRM和SOFT呈现向海增大趋势。部分样品(BBG-12~BBG-15)的退磁参数S-20, mT、S-40, mT与S-100, mT、S-300, mT呈相反变化, 体现自生铁硫化物特征(图 4), 样品BBG-13热磁曲线也显示有硫复铁矿的存在(图 6)。(2)B层样品平均粒径Mz变化跟A层相似, 均值12.1 μ m。其磁性和A层的区别主要体现在样品BBG-15, 该样品χ 和χ fd都较小但SIRM比A层样大, 而SOFT和各退磁参数值也较低, 反映了细粒磁铁矿的溶解。

中潮滩海三棱藨草带(BBG-3-3~BBG-9)。本带A、B层样品平均粒径Mz略有增大, 均值11.3~11.6 μ m。主要的磁性特征是χ 和χ fd不再呈同步变化, SIRM和SOFT表现为高值, 仅最向海一侧的BBG-3-3样品表现为低值, A层样品的退磁参数S-100, mT和S-300, mT波动较大, 上述特征反映了超顺磁对磁性特征贡献率的减小以及碎屑铁磁性矿物影响的增大, 不完整反铁磁性矿物可能有所增加。χ ARM和χ ARM/χ 较米草带偏低, 表明磁性矿物晶粒增大。另外, B层样品的SIRM大多高于A样, 而相应的S-20, mT和S-40, mT低于A样, 可能反映了磁性矿物的早期成岩作用, 即细粒磁铁矿的溶解。

总结上述两个淤涨型潮滩的各磁性参数, 可以发现相似的规律主要有:(1)高潮滩χ 和χ fd同步变化, 超顺磁的贡献明显; 早期成岩作用表现为细粒磁铁矿的溶解和自生铁硫化物的产生; (2)中潮滩χ 和χ fd不再同步变化, 磁性主要由碎屑矿物贡献, 早期成岩作用以细粒磁铁矿的溶解为主, 此现象在北堡港剖面更为明显。

2.2.3 新卫村剖面

从沉积物粒度来说, 该剖面较其他2个剖面粗, 平均粒径高潮滩A层样品8.1~14.8, μ m, B层样品27.8~33.3, μ m, 中潮滩A层样品平均26.6, μ m, B层样品较A层样略粗, 为33.9, μ m, 低潮滩A层样品22.3, μ m, B层样品较大, 为30.9, μ m, 临近水边线的1个潮下带A层样品粒径突然增大为92.7, μ m, 为极细砂级别, 粒径变粗, B层样品粒径与低潮滩无明显变化, 为33.4 μ m(表 1, 表2)。

从剖面内部来说, 高潮滩芦苇带的χ 较低, χ fd却较高。样品XW-4-3的A、B层都表现出S-20, mT、S-40, mT 、S-100, mT的显著低值和SIRM/χ 的显著高值, 但S-300, mT却显示为高值, 反映了硫复铁矿的存在, 此推测也得到热磁测试的证实(图 6)。另外, 中潮滩的上部和低潮滩沉积物磁性较强, 与沉积物平均粒径较细相对应, 中潮滩下部及潮下带磁性较弱, 与平均粒径较粗对应(图 5), 可见淤泥质潮滩的磁性矿物主要富集在细颗粒沉积物、即潮滩砂泥互层中, 泥质层的磁性矿物含量更高。

新卫村潮滩剖面的磁性参数也和北四滧港、北堡港两剖面有较明显差异, 表现在:(1)χ fd较低, 高值为4%~5%, 低值为2%~4%; (2)χ ARM明显低于其他2个剖面, 一般不超过300× 10-8 m3/kg; (3)高潮滩沉积物χ 和SIRM偏小, 中低潮滩和其他2个剖面类似; (4)整个剖面χ 、χ fd、χ ARM、SIRM和SOFT呈同步变化; (5)各退磁参数均略高于其他2剖面。上述特征反映该剖面各带的矿物组合基本无变化, 而且超顺磁性矿物的贡献较低, 亚铁磁性矿物的晶粒更大。

2.3 潮滩沉积物粒度与主要磁性参数相关性分析

从本研究3个潮滩剖面沉积物粒度和磁性参数的分布来看, 没有明显的同步或反向变化关系。进一步的统计分析显示, 3个剖面A、B两层沉积物各磁性参数和沉积物平均粒径之间的相关系数R2都很低(表 3), 仅北四滧港、新卫村剖面A层样的参数χ ARM、χ ARM/χ 以及北堡港A层样χ 与Mz的R2较高, P值均小于0.05, 表明以上参数与Mz之间呈现较好的负相关性, 其他参数则无显著相关性。

表3 北四滧港、北堡港和新卫村剖面平均粒径与各磁性参数的相关系数(“ +” 代表正相关, “ -” 代表负相关) Table3 Correlational coefficients between mean grain size and magnetic parameters for sediments form Beisiyaogang, Beipugang and Xinweicun sections(“ +” stands for positive correlation、“ -” stands for negative correlation)
3 讨论

上述研究结果显示, 长江口潮滩表面沉积物的磁性特征主要由亚铁磁性矿物及超顺磁性矿物主导。超顺磁性矿物在潮滩普遍存在, 且在高潮滩明显影响沉积物的磁性特征, 而中低潮滩更多的是陆源碎屑磁铁矿主导磁性特征。以淤涨为主的北四滧港、北堡港潮滩表层陆源碎屑磁铁矿晶粒以SD为主, 而以侵蚀为主的新卫村潮滩表层陆源碎屑磁铁矿晶粒以PSD/MD为主。晶粒在不同潮滩的分布特征, 推测一个可能的原因是水动力的不同, 即以淤涨为主的潮滩水动力较弱, 而侵蚀型潮滩水动力相对较强, 磁性矿物因水动力强弱呈现粒度分选特征(谢红霞等, 2006)。磁性参数和粒度的相关分析(表 3)表明, 表征磁性矿物晶畴大小的χ ARM和χ ARM/χ 参数在各个剖面大多显示了与沉积物平均粒径之间较强的负相关性。然而, 北堡港和新卫村剖面又显示, 磁性矿物更富集在细颗粒的泥质沉积物中(表 2, 表3)。所以, 可以推测, 以细颗粒磁铁矿溶解为主的早期成岩作用也是磁铁矿晶畴分布差异及沉积物磁性变化的重要原因。不过, 这种特征能否在地层中被保留, 即沉积物在埋藏后发生的早期成岩作用是否会改变磁铁矿在不同微相的晶粒分布, 由于本研究只分析了滩涂的表面沉积物, 还需要进一步研究。

本研究还显示3个潮滩剖面的高潮滩— 潮上带存在自生亚铁磁性硫复铁矿的现象, 其中最东侧的北四滧港剖面的高潮滩芦苇带最为明显, 北堡港、新卫村剖面信号较为微弱(图 3, 图4, 图5)。推测这种差异和3个剖面受到的海水影响强度有关, 因为亚铁磁性铁硫化物常见于咸水环境(Jones and Bowser, 1978)。前人调查显示长江口北支不论洪枯季, 盐度都从口门向内逐渐减小(孔亚珍等, 2004; 李伯昌等, 2011)。采样时的现场测量也显示北四滧港剖面的盐度明显高于其余2个剖面(图 2)。

再从潮滩剖面内部来说, 本研究显示高潮滩更容易形成硫复铁矿, 推测可能和高潮滩有限的海水淹没时间、丰富的有机质及细颗粒沉积物富集有关。高潮滩海水淹没时间短, 使得硫酸盐供应量有限, 从而导致铁和硫的反应无法到达最终阶段— 黄铁矿, 而是以中间矿物硫复铁矿、磁黄铁矿等形式存在。自生铁硫化物的形成还受可降解有机质含量及铁氧化物活动性的影响(Berner, 1984)。对长江口的潮滩来说, 陆源输入的碎屑物中含丰富的磁铁矿、赤铁矿等铁氧化物(吕全荣和严肃庄, 1981; 张风艳和孟翊, 2011), 这些矿物都容易被海水溶解释放出铁离子, 而长江输入的淡水径流中也含丰富的溶解态铁离子(Wang and Liu, 2003), 因此活性铁的供应较为充足, 推测不会成为铁硫化物形成的限制因素。从高潮滩到中低潮滩, 植被发生显著变化, 从而可能导致可降解有机质含量的变化。虽然潮流也会携带较多的植物碎屑到潮滩, 使中低潮滩有机质含量也偏高(高建华等, 2005), 但不同类型的有机质, 其可降解的量和降解速度不同(Colomno et al., 1996; Luff et al., 2000), 从而影响硫酸盐还原细菌的作用强度。另外, 前人研究发现自生亚铁磁性硫化物常存在于泥质沉积物中(Horng et al., 1992; Roberts and Turner, 1993), 可能是由于泥质沉积物的渗透性差, 因此孔隙水中硫酸根离子有限, 导致还原反应过程中可利用的H2S在与Fe2+充分反应形成黄铁矿之前已被消耗殆尽, 从而只能生成中间矿物(Berner, 1984)。从本研究来看, 北四滧港和北堡港剖面虽然粒度变化不明显, 但含有硫复铁矿的沉积物总体偏细, 尤其是盐度较低的北堡港剖面; 新卫村剖面含硫复铁矿的也是高潮滩细颗粒沉积物(图 3, 图4, 图5)。

从本次研究结果来看, 硫复铁矿仅见于高潮滩— 潮上带, 有可能成为沉积微相的有效指标。不过, 磁性矿物在沉积物埋藏之后还可能继续发生早期成岩作用, 所以中低潮滩沉积物在埋藏后是否也会产生亚铁磁性硫化物, 而高潮滩— 潮上带的沉积物埋藏后亚铁磁性硫化物是会被进一步还原变成黄铁矿、还是可以被长期保存, 还需要进一步的研究。

4 结论

1)长江口潮滩表面沉积物的磁性特征主要由亚铁磁性矿物及超顺磁性矿物主导。在磁性矿物晶粒大小方面, 淤涨型潮滩以SD和SP为主, 侵蚀型潮滩的高潮滩也以SD、SP主导, 但中低潮滩则以PSD/MD为主。

2)3个剖面中, 最东侧的北四滧港剖面潮上带— 高潮滩普遍存在自生亚铁磁性硫复铁矿(Fe3S4), 其余2个剖面的高潮滩仅局部存在硫复铁矿。分析认为, 首先是北四滧港受海水的影响程度高, 更有利于形成铁硫化物; 其次是剖面内部高潮滩有限的海水淹没时间、丰富的有机质及细颗粒沉积物是硫复铁矿生成的有利条件。

致谢 感谢华东师范大学地理系356的全体同学在潮滩样品采集中付出的艰辛劳动以及沈铭能、张卫国老师在分析测试中给予的大力帮助。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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