过去20多年, 海岸带陆海相互作用计划(LOICZ)、大陆边缘研究计划“ NSF-MARGINS” 等系列研究表明, 全球河流入海物质对边缘海沉积、全球海洋生物地球化学循环、海洋化学组成、碳循环、生态系统和海洋环境等影响很大, 已经成为国际科学界关注的热点, 也是当前地球系统科学和全球变化研究的重点(Milliman and Farnsworth, 2011; 杨守业和印萍, 2018)。在中国, 以往的研究主要集中于长江、黄河与珠江等大河, 目的是根据其在河口和海区的沉积地球化学记录来研究喜马拉雅— 青藏高原隆升过程、亚洲季风形成、大河水系发育演化和海陆古环境演变等。因此, 长江、黄河和珠江的源汇体系研究积累了大量基础数据资料, 取得众多研究成果, 但对入海小河流的地球科学研究尤其是基础数据积累明显不够, 制约了对河海相互作用的系统认识(杨守业和印萍, 2018)。

钱塘江是浙江省第一大河, 属山溪性河流, 位于亚热带的季风气候区, 流域水动力条件和地形地貌复杂; 同时其河口区又是世界最著名的强潮型河口, 受北部长江大河的物质影响显著(Zhang et al., 2014, 2015; 席亚娟等, 2016)。因此, 钱塘江— 杭州湾体系的沉积作用和泥沙来源较长江、黄河和珠江等堆积型河口更为复杂, 可惜对其沉积作用和源汇过程的研究程度却较后者低。目前对钱塘江— 杭州湾体系表层沉积物的泥沙来源及其与长江口泥沙扩散的关系研究较为深入, 长期以来一直是人们关注的焦点, 普遍认为钱塘江上、中游河段沉积物主要来自山洪携带的流域表层物质, 且来自钱塘江流域的泥沙大部分沉积在澉浦以上河段; 而河口区沉积物除来自流域上游外, 还有长江口沉积物随沿岸流带入以及长江入海的悬浮泥沙随涨潮流直接进入杭州湾的海域沉积物, 现代钱塘江河口湾粉砂砂坎的形成与长江间接供沙有着密切的关系(黄文盛和黄月法, 1984; 严肃庄和胡方西, 1986; 贺松林, 1991; Zhang and Li, 1996; Lin et al., 2005; 王昆山等, 2013; Fan et al., 2014; Zhang et al., 2014, 2015; 席雅娟等, 2016)。吴华林等(2006)认为大约40%的长江沉积物在沿岸流和潮流的作用下沉积于现代钱塘江河口湾。然而, 对于整个晚第四纪钱塘江下切河谷沉积物的物质来源, 时空变化规律以及与古长江沉积物的耦合关系, 尚缺乏系统的研究, 这在一定程度上阻碍了人们对杭州湾地区以及中国其他地区下切河谷形成、发育和演化, 以及陆海相互作用和沉积物从源到汇过程等方面的认识。

作者选取钱塘江下切河谷区深达51.5 m的SE2孔(图1), 在精确的¹⁴C年龄和沉积相研究基础上(张霞等, 2013; Zhang et al., 2014, 2018; 林春明和张霞, 2018), 对重矿物和稀土— 微量元素组成进行系统分析, 并借助聚类分析, 以确定钱塘江下切河谷不同沉积环境下形成的沉积物在矿物组分以及元素地球化学组成上的相似性和特殊性, 以及物质的源汇关系, 阐述钱塘江下切河谷形成演化过程中沉积物的物质来源和垂向变化, 及其与北部长江下切河谷发育的耦合关系。该研究对末次盛冰期以来钱塘江和长江入海沉积物的分布范围、搬运路径、扩散模式和堆积过程, 钱塘江和长江源沉积物物质通量, 河海相互作用过程以及沉积体系的定量化研究等方面的深入认识都具重要意义, 也为未来杭州湾地区不同来源沉积物的物质通量预测和源汇关系的认识提供更多科学依据; 同时将会丰富国内外同类下切河谷的理论体系, 且对古代下切河谷的研究也有一定指示意义。

图1

Fig.1

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	图1 钱塘江下切河谷区SE2孔位置Fig.1 Location of Borehole SE2 in the Qiantang River incised valley

钱塘江源自安徽省西南部, 干流流经皖、浙两省, 穿杭州湾流入东海, 全长605 km, 流域面积约4.88× 10⁴ km², 年径流量达3.90× 10¹⁰ m³(许建平和杨义菊, 2007; 顾明光, 2009)。现代钱塘江河口湾— 杭州湾沉积体系位于东经120° ~122° , 北纬29° 50'~30° 50', 面积约2× 10⁴ km², 北部与长江口毗邻。现代钱塘江河口湾平面上呈典型的喇叭状, 湾口宽达100 km, 向内逐渐收缩, 澉浦处骤减为21 km, 杭州处则为1 km(图1)。现代钱塘江河口湾闸口向陆约90 km的河口段, 两侧受山体约束, 自西南往东北方向顺直流出; 闸口至湾口长180 km, 河口逐渐转折向东, 进入宽广的海岸平原区, 于澉浦至余姚两市交界处的西三连线汇入杭州湾(许建平和杨义菊, 2007; 图1)。现代钱塘江河口湾为中国第一大强潮河口湾, 该地涌潮波澜壮阔, 举世闻名, 平均潮差从湾口附近2 m逐渐增加到澉浦附近的5.5 m, 最大潮差为8.93 m(张霞, 2013)。

晚第四纪钱塘江下切河谷位于现代钱塘江河口湾正下方(图1), 其形成于末次盛冰期低海平面时期, 下切深度最大可达120 m左右(张霞, 2013; 林春明和张霞, 2018)。钱塘江下切河谷充填物自下而上划分为河床(U5)、河漫滩(U4)、古河口湾(U3)、近岸浅海(U2)和现代河口湾(U1)5种沉积单元(张霞等, 2013; Zhang et al., 2014; 林春明和张霞, 2018; 图2)。SE2孔各个沉积单元特征如下。河床(U5)沉积物主要为块状灰色砂砾, 灰黄色细砂次之, 分选极差, 粒度向上逐渐变细, 反映沉积环境水动力强度向上逐渐减弱; 缺乏潮汐沉积构造, 不含植物碎屑、有孔虫和贝壳化石, 具有与现代河流沉积物相似的岩性和沉积序列。河漫滩(U4; 10 000 cal.yriB.P.左右)沉积物为灰黄色、灰色泥和砂质泥, 与细砂互层, 块状层理发育, 见透镜状和脉状层理; 泥质沉积物中泥炭层、植物根茎和碎屑丰富, 未见有孔虫; 与下伏层段相比, 沉积物粒度变小, 分选变好, 水动力条件进一步减弱(图2)。古河口湾(U3; 9500— 9600 cal. yr B.P.)沉积物主要为灰黄色、灰色泥和砂质泥, 部分层段为灰色、灰黄色细砂和泥互层, 波状、脉状和沙波交错层理发育; 沉积物中常见植物碎屑和根茎, 钙质结核发育, 底栖有孔虫种数为2~3, 丰度为8~13枚/50 g干样, 主要为胶结壳有孔虫, 玻璃壳有孔虫少见(图2)。近岸浅海(U2)沉积物主要为青灰色泥, 夹土黄色、灰色粉砂条带和团块, 块状、透镜状和水平层理发育, 虫孔和生物扰动现象丰富; 有孔虫丰富, 以底栖有孔虫为主, 含量高达85.7%~100%, 平均60枚/50 g干样, 为典型的广盐性浅海底栖有孔虫, 以玻璃壳为主, 主要有Ammonia beccarii vars.、Elphidium magellanicum、Quinqueloculina seminula等40余种。现代河口湾(U1)沉积物主要由细砂和砂质泥组成, 波状层理发育; 沉积物中有孔虫含量高, 底栖有孔虫30余种, 平均丰度225枚/50 g干样, 多为广盐性, 以浅水(如Ammonia beccarii vars.、Elphidium advenum和Pararotalia nipponica)和深水种属(如Ammonia compressiuscula、Protelphidum tuberculatum和Ammonia koeboeensis等)共存为特点。

图2

Fig.2

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	图2 钱塘江下切河谷区SE2孔沉积特征及重矿物垂向分布Fig.2 Sedimentary characteristics and vertical variation trend of the typical heavy-minerals of Borehole SE2 in the Qiantang River incised valley

文中主要研究对象SE2孔为项目组2009年4月利用旋转钻井技术在钱塘江南岸杭州市萧山区坎山镇建盈村实施获得(120° 21'57″ E, 30° 12'38″ N; 图1), 其直径108 cm, 井口标高6.0 m, 长度51.50 m, 取心率高达96%。该孔岩心的年代地层格架和沉积环境演化已有详细研究, 相关成果已发表(李艳丽等, 2011; 张霞, 2013; Zhang et al., 2014; 林春明和张霞, 2018), 为文中进行源汇过程研究提供了良好基础。本次研究对该孔各沉积单元进行了系统的重矿物和元素地球化学采样, 其中重矿物成分分析样品38个, 取样间隔多为10 cm, 个别20 cm, 取样厚度2 cm, 元素地球化学分析样品26个, 采样间隔多为0.5 m。

重矿物样品的处理和分析在廊坊市诚信地质服务有限公司完成。具体的分析方法和步骤按照《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: (1)将沉积物倒入坩埚中, 于60 ℃低温烘干后称重、记录样品的原始重量; (2)用浓度为10%的六偏磷酸钠溶液浸泡样品直至完全分散后, 用0.063 mm的湿筛筛分出大于0.063 mm粒级颗粒; (3)用淘洗盘对大于0.063 mm的样品进行淘洗, 初步分离出各粒级的轻重矿物; (4)用比重为2.80 g/mL的三溴甲烷溶液浸泡重部分样品, 进一步提取出其中的轻组分; (5)用酒精冲洗轻、重矿物, 去除矿物表面的残留重液; (6)将分离出的轻、重矿物在低温下烘干, 然后称重、记录分析样品重量; (7)在双目实体显微镜和偏光显微镜下鉴定重矿物, 一般每个样品统计400~600个颗粒。

稀土— 微量元素地球化学分析在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室的高分辨率电感耦合等离子质谱ICPMS仪器上完成。具体的分析流程为: (1)将沉积物湿样于60 ℃恒温下烘干; (2)将沉积物干样在玛瑙研钵中研磨至200目以下; (3)取0.125 g粉末样品, 放入四氟坩埚中, 加入5 mL 浓盐酸, 在电热板上加热0.5 h; (4)在四氟坩埚中加入5 mL 浓硝酸, 加热0.5 h; (5)依次在四氟坩埚中加入20 mL浓氢氟酸和1 mL高氯酸, 将样品蒸干至白烟冒尽; (6)在四氟坩埚中加入1:1的硝酸5 mL, 定容到25 mL; (7)取上述溶液2 mL定容到10 mL, 然后上机测试。

SE2孔重矿物较少, 含量在0.1%~7.1%之间, 平均1.2%; 但类型丰富, 主要有绿帘石、赤褐铁矿、绿泥石、辉石、锆石、角闪石、石榴石、钛铁矿、白钛石和磁铁矿, 其次为磷灰石、透闪石、锐钛矿、榍石、金红石和电气石等; 重矿物含量具明显的垂向变化特征(图2)。河床(U5)沉积物中重矿物主要为绿帘石、赤褐铁矿和钛铁矿, 平均含量大于10%, 其次为锆石、辉石、角闪石、石榴石、锐钛矿、白钛石和磁铁矿, 平均含量小于2.5%。河漫滩(U4)沉积物中重矿物以绿帘石、赤褐铁矿、锆石、角闪石、钛铁矿和白钛石为主, 平均含量大于5%, 其次为石榴石、锐钛矿、磁铁矿、磷灰石、辉石、透闪石、榍石、金红石和电气石, 平均含量小于2.5%。古河口湾(U3)沉积物中重矿物平均含量大于5%的有绿帘石、赤褐铁矿、锆石、白钛石和磁铁矿; 小于5%的有黄铁矿、辉石和角闪石、磷灰石、石榴石、锐钛矿、榍石、金红石和电气石。近岸浅海(U2) 沉积物中重矿物以黄铁矿、辉石、绿帘石、绿泥石和角闪石为主, 平均含量大于5%, 其次为赤褐铁矿、钛铁矿、白钛石、磁铁矿、锆石、磷灰石、透闪石、石榴石、锐钛矿、榍石、金红石和电气石。现代河口湾(U1)沉积物中重矿物平均含量大于5%的有辉石、绿帘石、绿泥石和赤褐铁矿, 其次为角闪石、钛铁矿、石榴石、锆石、磷灰石、黄铁矿、锐钛矿、榍石、白钛石、磁铁矿、金红石和电气石。

在陆源碎屑物被剥蚀、搬运和沉积的过程中, 作为一个完整的地质作用系统, 各个因素之间必然存在内在联系, 因重矿物自身具有的稳定性, 很少受风化、搬运和成岩作用影响, 因此, 沉积物中重矿物基本反映了剥蚀区母岩情况。作者采样R型聚类分析对重矿物进行分类, 通过确定它们之间的亲疏关系来区分不同的重矿物组合, 进而识别不同的母岩类型; 用Q型聚类分析研究样品间的相互关系, 即将不同样本中同一变量进行比较, 通过确定样品间的相似程度而对样本进行分类, 获得碎屑重矿物的分区或物源信息(武法东等, 1996; 王中波等, 2012)。

R型聚类分析选取的变量为绿帘石、角闪石、辉石、赤褐铁矿、石榴石、透闪石、钛铁矿、锐钛矿、白钛石、磁铁矿、锆石、黄铁矿、榍石、绿泥石、金红石和电气石, 聚类方法选择类间平均链锁法, 距离测量选择相关系数距离。结果表明, 以相似距离25为界, 可将研究区变量分为A和B两组(图3-a), A组由黄铁矿和绿泥石组成, 显示出与其他变量不同的来源特点, 可能为海相自生成因。黄文胜和黄月法(1984)认为绿泥石可作为海域来砂的主要标志矿物(杭州湾绿泥石的平均含量为8.43%), 浅海为弱碱性环境, 海水中含有较多的Mg、Fe等离子, 有利于角闪石和黑云母的海底风化和离子交换而转化为绿泥石, 浙江近岸浅海中的绿泥石数量大都比河口高得多。研究区绿泥石大部分呈圆粒状, 且主要分布在近岸浅海(U2)和现代河口湾(U1)沉积物中进一步证实了该说法; 黄铁矿是还原环境的自生矿物, 呈球莓状等, 主要分布于U2中(图2)。B组可能代表陆源碎屑物质, 且以相似距离23为界, 又可进一步划分为B₁和B₂两组。B₁组合中, 辉石、榍石和绿帘石在聚类重新标定距离中自成一组, 距离较近, 相关性最高; 角闪石、透闪石和钛铁矿自成一组; 磷灰石、电气石、石榴石和金红石自成一组; 该组合为绿帘石— 辉石— 角闪石— 石榴石— 榍石— 金红石— 电气石, 与长江沉积物典型的重矿物组合不太一致(图3-b), 主要表现为辉石含量较高, 这可能与该区绿帘石和角闪石的强烈蚀变有关或来自局部物源区的侵蚀。王昆山等(2007)在对长江水下三角洲沉积物的重矿物分布及组合进行研究时, 发现长江三角洲前缘部分普通辉石含量较高, 平均含量在7.8%~11.9%之间, 局部含量可高达25.8%; 长江流域除上游峨眉山玄武岩外, 在其下游局部地区也有玄武岩分布(中国地质调查局, 2004)。因此, 作者推测B₁重矿物组合可能代表长江物质来源, 为赤褐铁矿— 磁铁矿— 锆石— 白钛石— 锐钛矿(图3-b), 与前人报道的钱塘江和钱塘江河口湾近口段的重矿物组合(严肃庄和胡方西, 1986; 孙和平等, 1990; 贺松林, 1991)比较一致, 代表钱塘江物质来源。该组合中角闪石、磁铁矿、石榴石和锆石含量相对较高, 反映了流域内中酸性火成岩的地质背景, 且强氧化自生矿物(如赤褐铁矿、白钛石和锐钛矿等)的大量出现指示当时强烈风化的沉积环境。

R型聚类分析选取的变量为绿帘石、角闪石、辉石、赤褐铁矿、石榴石、透闪石、钛铁矿、锐钛矿、白钛石、磁铁矿、锆石、黄铁矿、榍石、绿泥石、金红石和电气石, 聚类方法选择类间平均链锁法, 距离测量选择相关系数距离。结果表明, 以相似距离25为界, 可将研究区变量分为A和B两组(图3-a), A组由黄铁矿和绿泥石组成, 显示出与其他变量不同的来源特点, 可能为海相自生成因。黄文胜和黄月法(1984)认为绿泥石可作为海域来砂的主要标志矿物(杭州湾绿泥石的平均含量为8.43%), 浅海为弱碱性环境, 海水中含有较多的Mg、Fe等离子, 有利于角闪石和黑云母的海底风化和离子交换而转化为绿泥石, 浙江近岸浅海中的绿泥石数量大都比河口高得多。研究区绿泥石大部分呈圆粒状, 且主要分布在近岸浅海(U2)和现代河口湾(U1)沉积物中进一步证实了该说法; 黄铁矿是还原环境的自生矿物, 呈球莓状等, 主要分布于U2中(图2)。B组可能代表陆源碎屑物质, 且以相似距离23为界, 又可进一步划分为B₁和B₂两组。B₁组合中, 辉石、榍石和绿帘石在聚类重新标定距离中自成一组, 距离较近, 相关性最高; 角闪石、透闪石和钛铁矿自成一组; 磷灰石、电气石、石榴石和金红石自成一组; 该组合为绿帘石— 辉石— 角闪石— 石榴石— 榍石— 金红石— 电气石, 与长江沉积物典型的重矿物组合不太一致(图3-b), 主要表现为辉石含量较高, 这可能与该区绿帘石和角闪石的强烈蚀变有关或来自局部物源区的侵蚀。王昆山等(2007)在对长江水下三角洲沉积物的重矿物分布及组合进行研究时, 发现长江三角洲前缘部分普通辉石含量较高, 平均含量在7.8%~11.9%之间, 局部含量可高达25.8%; 长江流域除上游峨眉山玄武岩外, 在其下游局部地区也有玄武岩分布(中国地质调查局, 2004)。因此, 作者推测B₁重矿物组合可能代表长江物质来源, 为赤褐铁矿— 磁铁矿— 锆石— 白钛石— 锐钛矿(图3-b), 与前人报道的钱塘江和钱塘江河口湾近口段的重矿物组合(严肃庄和胡方西, 1986; 孙和平等, 1990; 贺松林, 1991)比较一致, 代表钱塘江物质来源。该组合中角闪石、磁铁矿、石榴石和锆石含量相对较高, 反映了流域内中酸性火成岩的地质背景, 且强氧化自生矿物(如赤褐铁矿、白钛石和锐钛矿等)的大量出现指示当时强烈风化的沉积环境。

图3

Fig.3

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	图3 钱塘江下切河谷区SE2孔沉积物重矿物R型(a)和Q型(b)聚类分析树状图(据张霞, 2013; 有修改)Fig.3 R(a) and Q(b)type cluster analyses for the heavy minerals of Borehole SE2 sediments in the Qiantang River incised valley(modified from Zhang, 2013)

Q型聚类分析的对象为河床(U5)、河漫滩(U4)、古河口湾(U3)、近岸浅海(U2)和现代河口湾(U1), 选择的变量因子有绿帘石、角闪石、辉石、赤褐铁矿、石榴石、透闪石、钛铁矿、锐钛矿、白钛石、磁铁矿、锆石、黄铁矿、榍石、绿泥石、金红石和电气石。Q型聚类计算结果显示, 除样品21外(该样品自生黄铁矿含量较高, 达61%), 37个样品明显地聚为A、B两群, 它们又明显地分为两小群。根据样品分群结果可以看出U5、U4和U3相聚为一群, 表明为同一物源, 沉积物主要来自古钱塘江, 其中U3又自成一小群, 表明因潮流带入口外沉积物沉积环境发生变化, 从而导致其重矿物组合有些许不同。U2和U1沉积物物源基本一致, 为长江物质来源, 同时又因二者沉积环境不一致, 导致重矿物组合有些许不同。

元素地球化学特征是研究沉积物组成的重要指标之一。一般认为控制沉积物元素组成的因素主要包括源岩、构造及气候影响的化学与物理风化、水动力作用、沉积盆地地形、沉积环境、沉积介质的物理化学性质、成岩及变质作用等(Nechaev and Isphording, 1993)。河口区是海陆相互作用的主要场所, 同时也是河流入海物质的重要归宿地, 通过对河口区沉积物中元素丰度、赋存状态、时空分布规律及其控制因素的研究, 可有效地反演流域内的风化过程与区域地质、沉积物入海后的输运范围和趋势、沉积介质性质与沉积作用等(王国庆等, 2007)。

5.1 微量元素地球化学特征

微量元素在不同岩石中含量低, 且变化大, 对岩石类型具较强的判别能力(Bhatia and Crook, 1986; 杨江海等, 2008), 其中高场强元素在表生作用中化学性质稳定, 可追踪源岩的物质组成, 而大离子亲石元素化学性质相对活泼, 易受风化作用影响, 常通过选择性离子交换和黏土矿物吸附残留下来(Nesbitt and Young, 1982)。

作者对SE2孔26个样品中29个微量元素、平均粒径、砂含量、粉砂含量和黏土含量33个变量进行了R型聚类分析, 以相似距离25为界, 可将研究区微量元素分为A和B两组(图4-a)。Sr与砂含量聚为一组, 但相关系数为0.3, 且与黏土含量、粉砂含量和平均粒径呈负相关(张霞, 2013)。其余微量元素与平均粒径、黏土含量和粉砂含量自成一组, 其中Co、Ni、V、Cr、Sc、Cu、Ga、Cs、Bi、Li、Rb、Sn、Pb、Ti、Y、Th、Mn和Be与平均粒径、黏土含量和粉砂含量又聚为一小组, 表明它们主要富集在细粒沉积物中, 且主要富集在黏土中, 但Ti、Y、Th与平均粒径的相关系数小于0.5(张霞, 2013)。Zn、Mo、Ba、Zr、Hf、Nb、U、Ta、W和Cd自成一小组, 与平均粒径、黏土含量和粉砂含量的相关性稍差, 相关系数小于0.5。因此, 研究区微量元素Sr、Zn、Mo、Ba、Zr、Hf、Nb、U、Ta、W、Cd、Ti、Y和Th的粒度效应差。

图4

Fig.4

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	图4 钱塘江下切河谷区SE2孔沉积物微量(a)和稀土(b)元素R型聚类分析树状图(据张霞, 2013; 有修改)Fig.4 R type cluster analyses for the trace(a)and rare earth(b)elements of Borehole SE2 sediments in the Qiantang River incised valley (modified from Zhang, 2013)

SE2孔微量元素含量垂向分布规律明显: (1)Co、Ni、V、Cr和Sc含量上下低而中间高, 即在近岸浅海(U2)中最高, 且分布稳定, 而在其余各单元中含量均较低, 且与TFe₂O₃、MgO、TiO₂和MnO的含量变化趋势一致; (2)Sr含量自下而上逐渐增大, 在U1中最大, 与主量元素CaO变化一致; (3)除Rb外, 其他元素含量自下而上逐渐减小, 与主量元素K₂O的变化趋势基本一致(张霞, 2013; 图5)。

图5

Fig.5

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	图5 钱塘江下切河谷区SE2孔微量和稀土元素垂向分布Fig.5 Vertical variation of the trace and rare earth elements of Borehole SE2 in the Qiantang River incised valley

Co、Ni、V、Cr和Sc含量在U2中最高, 可能与黏土矿物的形成以及细粒物质和有机质的吸附有关, 研究区近岸浅海沉积物平均粒径最小, 以青灰色泥为主(Zhang et al., 2014), 这与R型聚类分析结果一致(图4-a)。此外, Co、Ni、V和Cr为亲铁性元素, Sc为分散元素, 它们均多含于暗色铁镁矿物中, 从而在基性岩中具高含量, 因此, 这些元素在U2中含量最高的特征可能也暗示该单元沉积物主要来源于中基性物源区, 与重矿物分析结果一致(图2), 其余各单元中含量较低的原因可能同潮流、径流等沉积动力因素的改造能力较强有关。杨守业等(2000)从这些元素和Fe的极好相关性推测可能主要是铁的水合氧化物控制这些重金属元素转移。

Sr在U3、U4和U5中含量低可能与钱塘江流域碳酸盐岩较少有关, Sr主要赋存于长石中; 而在U1和U2中含量急剧增大, 主要可能有2个原因, 首先是U1和U2单元有孔虫含量较高(见Zhang et al., 2014的图5), 其次这2个单元除古钱塘江提供物源外, 可能还受长江影响, 长江沉积物中有相当一部分的Sr赋存于碳酸盐岩中, 碳酸盐岩平均含量高达2.5%, 但Sr含量与有孔虫含量的垂向分布并不一致, 特别是在U1单元顶部有孔虫含量极低的情况下, Sr含量却是全井段最高的(对比图5和Zhang et al., 2014的图5), 综合以上特征, 作者认为U1和U2单元中Sr含量的变化主要还是受长江源碳酸盐岩含量的控制。

U、Zr、Hf、Zn、Y和Th等为高场强和大离子亲石元素, 受粒度控制作用较小(图4-a), 基本可反映物源区的矿物组成, 其在U3、U4和U5中大量出现表明源岩以长英质物质为主, U1和U2以中基性物源为主。此外, 某些重矿物也会对元素组成造成影响, 如Zr和Hf是紧密共生的元素对, Zr矿物主要为锆石, 一些稀土矿物及暗色角闪石等含有一定量的Zr(杨守业和李从先, 1999)。U4和U5中Zr和Hf高的含量可能与沉积物中含锆石和角闪石较多有关, Zr和Hf元素含量自下而上逐渐减小与重矿物分析结果极为一致(图2)。

为进一步探讨晚第四纪钱塘江下切河谷各单元沉积物的物质来源, 作者选取一些特征微量元素分别对研究区不同沉积单元样品进行平均大陆上地壳(UCC; Taylor and Mclennan, 1985)和北美页岩(NASC; Gromet et al., 1984)标准化(图6)。U1样品具有与UCC较为相近或富集的铁族元素, V、Cr元素富集更为明显, 而大离子亲石元素(特别是Sr)和高场强元素(部分样品Th和Ce除外)相对亏损, 后者亏损更为明显, UCC标准化图呈明显的右倾式(图6-a)。除Th元素富集外, U1样品在NASC标准化图中表现为强的铁族和高场强元素(Ce和Ta除外)亏损, 以及弱的大离子亲石元素亏损。U2样品在UCC(图6-c)和NASC(图6-d)标准化图中均显示出与U1样品相似的特征, 只是U2样品表现出更强的铁族元素(Co、Ni、V和Cr)富集, 大离子亲石元素(除Sr外)与UCC相近。Co、Ni、V和Cr等铁族元素主要集中于基性和超基性岩中, 与铁镁矿物的大量结晶析出有关, 而Rb、Ba和Sr等元素在酸性岩中具较高含量, 与含K、Na和Si元素的矿物富集有关。综上所述, U1和U2沉积物可能以中基性岩石为主要物源(图2); 同时铁族元素、大离子亲石元素和高场强元素在NASC标准化图解中表现出亏损的特点可能指示物源区发育酸性长英质岩石。U3、U4和U5样品具有与UCC相近的铁族元素、大离子亲石元素和高场强元素, Sc、Nb、Ta、Hf和Y等高场强元素相对亏损, 大离子亲石元素Sr明显亏损, UCC标准化图基本呈平坦型(图6-e)。在NASC标准化图(图6-f)中, 除Th元素外, U3、U4和U5样品显示出相对较强的铁族元素、Sc和Hf亏损, 以及大离子亲石元素和大部分高场强元素与NASC相近的特点。因此, U3、U4和U5沉积物可能以酸性长英质岩石为主要物源(图2)。

图6

Fig.6

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	图6 钱塘江下切河谷区SE2孔各单元沉积物特征微量元素UCC和NASC标准化图 a, b— U1单元沉积物UCC和NASC标准化图; c, d— U2单元沉积物UCC和NASC标准化图; e, f— U3单元沉积物UCC和NASC标准化图; g, h— U4和U5单元沉积物UCC和NASC标准化图。UCC数据来自Taylor and McLennan, 1985; NASC数据来自Gromet et al., 1984Fig.6 UCC- and NASC-normalized patterns of the typical trace elements of each unit sediments of Borehole SE2 in the Qiantang River incised valley

图7显示U5、U4和U3单元沉积物具较高的Th/Co值和较低的Cr/Th值, 分布区域靠近长英质物源区, 表明该3个单元的沉积物主要来自钱塘江, 钱塘江流域源岩以中酸性火成岩为主(Zhang et al., 2015); 而U2和U1单元沉积物Th/Co值较低, 落点介于钱塘江和长江沉积物之间, 表明其沉积物除接受来自钱塘江的沉积物外, 长江提供了部分沉积物, 原岩为长英质和铁镁质混合物源, 晚第四纪以来长江沉积物主要来自其上游, 源岩以中基性的火成岩为主(Yang et al., 2006; Zhang et al., 2015); U2单元沉积物落点更加靠近长江沉积物, 表明其长江提供物质所占比例较U1单元高(图7)。

图7

Fig.7

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	图7 钱塘江下切河谷区SE2孔各单元沉积物Th/Co-Cr/Th判别图Fig.7 Th/Co vs. Cr/Th plot showing the different compositions for each unit sediments from Borehole SE2 in the Qiantang River incised valley

5.2 稀土元素地球化学特征

沉积物的稀土元素(REE)组成受源岩、沉积物粒度和矿物组成、化学风化和成土作用强弱以及人类活动等控制, 但其实稀土元素在表生环境中非常稳定, 且在海水和河水中含量极低, 其主要呈颗粒态搬运, 受风化剥蚀、搬运、水动力、沉积及变质作用影响小(Bhatia, 1985; Taylor and MeLennan, 1985; Nesbitt et al., 1990; Burnett and Quirk, 2001; Yang et al., 2002; 杨守业等, 2007)。因此, REE是物源区地球化学特征的重要示踪剂, 常用来进行物源区成分、环境及构造背景恢复(Gromet et al., 1984; Bhatia, 1985; Bhatia and Crook, 1986; Gu, 1994)。考虑到因水动力分选造成的粒级和矿物组成对REE的分馏, 文中将REE与平均粒径、砂含量、粉砂含量和黏土含量进行了R型聚类分析, 分析结果显示以聚类重新标定距离25为界, REE与砂含量呈负相关; 以聚类重新标定距离14为界, REE自成一组, 与平均粒径、粉砂和黏土含量之间的相关性较小, 相关系数均小于0.4(图4-b; 张霞, 2013)。因此, 研究区REE分布或含量受粒度的影响较小, 基本可反映物源区信息。

SE2孔沉积物中各REE含量差别较大, 以Ce为主(> 50%), La和Nd次之(10%~40%); REE平均含量均小于长江沉积物相应元素含量的平均值(张霞, 2013)。REE总量(Σ REE)波动较大(129.55~162.54 μ g/g; 图5; 表1), 低于全球沉积物(150~300 μ g/g; Haskin et al., 1966)、NASC(163.94 μ g/g; Gromet et al., 1984)和中国大陆架沉积物的Σ REE含量(156 μ g/g; 赵一阳等, 1990), 略高于东海表层沉积物的Σ REE平均值(140.34 μ g/g; 王贤觉等, 1982; 赵一阳等, 1990)。轻稀土含量(Σ LREE) 较高(119.17~149.82 μ g/g), 约占Σ REE的91.50%, 重稀土含量(Σ HREE; 10.38~13.82 μ g/g)次之(表1)。Σ REE和Σ LREE垂向变化规律基本一致, U4单元最高, 平均162.54 μ g/g, U2单元次之, U1和U3单元最低; Σ HREE的垂向变化规律稍有差别, U2单元最高, U5和U4单元次之, U1和U3单元最低(图5)。REE含量变化与沉积物中有机质含量具较好的正相关性, 高有机碳含量的样品常具高的Σ REE和Σ LREE, 反映温暖潮湿的气候条件(史基安等, 2003), U2和U4单元有机质含量高, 且U4单元富含泥炭、炭屑、植物碎屑、植物根茎和生物碎片(张霞等, 2013; Zhang et al., 2013, 2014); 此外, 沉积物粒度细可能是REE在U2单元中富集的另一重要原因。

表1

Table1

表1(Table1)

表1 钱塘江下切河谷区SE2孔各单元沉积物稀土元素特征 Table1 Rare earth elements of each unit sediments of Borehole SE2 in the Qiantang River incised valey U1(9) U2(9) U3(2) U4(5) U5(1) 长江 Σ REE/μ g· g-1 131.44 154.08 129.55 162.54 156.19 167.11 Σ LREE/μ g· g-1 120.26 140.25 119.17 149.82 143.22 149.49 Σ HREE/μ g· g-1 11.18 13.82 10.38 12.72 12.97 17.61 Σ LREE/Σ HREE 10.75 10.14 11.48 11.77 11.04 8.49 (La/Yb)C 13.88 11.44 11.47 12.24 10.89 10.91 (La/Sm)C 3.90 3.80 4.20 4.07 4.15 3.72 (Gd/Yb)C 2.33 2.01 1.55 1.82 1.57 2.02 δ EuC 0.73 0.76 0.67 0.63 0.62 0.67 δ CeC 0.97 1.05 0.99 1.09 1.12 0.87 (La/Yb)N 2.06 1.70 1.70 1.82 1.62 1.62 (La/Sm)N 1.19 1.16 1.29 1.24 1.27 1.14 (Gd/Yb)N 1.64 1.41 1.09 1.28 1.11 1.41 δ EuN 1.12 1.16 1.03 0.96 0.96 1.02 注: C为球粒陨石标准化, 数据来自Boynton, 1984; N为NASC标准化, 数据来自Gromet et al., 1984; 长江数据来自杨守业和李从先, 1999。

表1 钱塘江下切河谷区SE2孔各单元沉积物稀土元素特征 Table1 Rare earth elements of each unit sediments of Borehole SE2 in the Qiantang River incised valey

球粒陨石标准化图解中研究区沉积物配分模式呈右倾式, 轻重稀土分馏明显, 且HREE分馏程度明显小于LREE(图8; 表1)。U1、U2单元与长江沉积物的稀土配分模式相似, 显示U1和U2单元与长江沉积物较强的亲缘性, 但U1和U2单元的轻重稀土元素分馏、LREE分馏以及HREE分馏程度更为显著, 指示其他来源物质影响(图8-a; 表1)。U3、U4和U5单元与长江沉积物的配分模式不太一致, 表现为U3、U4和U5单元的HREE分馏差, 远低于长江, 分布模式更为平坦(图8-b)。各单元Eu亏损相当明显, U1和U2单元的Eu亏损程度较长江弱, δ Eu值分别为0.73和0.76; U3、U4和U5单元的Eu亏损程度与长江相近, δ Eu值分别为0.67、0.63和0.62; 各单元沉积物表现为弱的Ce正异常, δ Ce为0.97~1.12, 其中U4和U5单元的Ce正异常更为明显, δ Ce值分别为1.09和1.12(表1)。

图8

Fig.8

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图8 SE2孔各单元沉积物、长江和黄河现代沉积物以及UCC的球粒陨石(a, b)、NASC(c, d)和中国大陆东部上地壳(EC-UCC; e, f)标准化图 球粒陨石数据来自Boynton, 1984; NASC数据来自Gromet等, 1984; EC-UCC数据来自Gao 等, 1998; UCC数据来自Taylor和 McLennan, 1985; 长江和黄河数据来自杨守业和李从先, 1999Fig.8 Chondrile-(a, b), NASC-(c, d) and EC-UCC-(e, f) normalized patterns of the REEs of Borehole SE2 sediments in the Qiantang River incised valley, the modern Changjiang River and Yellow River sediments, and UCC

NASC标准化图显示U1和U2的配分模式与长江沉积物相似, 近于平行, 表现为重稀土富集, 但U1和U2单元沉积物轻重稀土分馏和HREE分馏更为明显, (La/Yb)_N和(La/Sm)_N 均大于长江(图8-c; 表1)。U1单元与U2单元相比, 轻重稀土分馏和HREE分馏更为显著, 可能与潮流影响形成的低盐半咸水环境和REE在河口环境的差异净化作用有关, 在较低盐条件下, LREE优先进入沉积物而导致LREE富集(Sholkovitz and Szymezak, 2000)。U3、U4和U5单元与长江沉积物的配分模式差异明显, 表现为强的轻重稀土分馏和LREE分馏以及弱的HREE分馏(图8-d; 表1)。U1、U2和U3单元表现为弱的正Eu异常, U4和U5单元为弱的负Eu异常; 与长江沉积物相比, 钱塘江下切河谷各单元沉积物均表现为弱的Ce正异常(图8-c, 8-d; 表1)。

在用中国大陆东部上地壳的平均REE组成对钱塘江下切河谷各沉积单元、长江和黄河沉积物, 以及UCC进行标准化图中可看出, 长江、黄河和UCC均呈直线型, 无明显的REE分异, 而钱塘江各单元沉积物均表现出LREE相对富集(图8-e, 8-f)。黄河因其位于古老的华北地台, 沉积物物源相当均一, 主要来自黄土, 且流域物理风化占主导地位, REE一般不产生分馏, 从而决定了其REE特征基本继承了黄土的REE组成特点, 与UCC组成非常接近, 可作为UCC的代表来研究表生沉积物的REE组成(杨守业和李从先, 1999)。长江沉积物物源来源复杂, 以中酸性岩浆岩为主, 流域主要经受强的化学风化, 具有LREE富集、Σ REE和Σ LREE值高的特点(杨守业和李从先, 1999)。而钱塘江下切河谷各沉积单元可能因流域较小, 流域内源岩组成相对复杂, 化学风化作用剥蚀形成的沉积物均一性比大河流流域差, 因而其化学组成比较分散, 与上地壳平均组成相差也较大, 更主要地反映了流域中特定源岩的特征。

总的来看, U1和U2单元沉积物稀土配分模式与现代长江沉积物相似, 显示出极强的亲缘性, 表明两者沉积物有相当一部分来自古长江, 同时U1和U2单元沉积物的稀土配分模式与现代长江沉积物又具一定的差异性, 显示古钱塘江物源的存在(图8-a, 8-c)。因此, U1和U2单元沉积物为古钱塘江和古长江混合物源, 且从U2单元和长江沉积物更为相似的稀土配分模式来看, U2单元含更多来自于古长江的沉积物。U3、U4和U5单元稀土元素配分模式相近, 与现代长江沉积物明显不同, 表明其沉积物主要由古钱塘江提供, 很少或没有长江来源沉积物的贡献, 这与重矿物、微量元素的分析结果一致(图8-b, 8-d)。

上述研究区重矿物和稀土— 微量元素特征, 以及与邻区长江现代沉积物的相关特征对比结果显示, 晚第四纪钱塘江下切河谷充填物的物质来源在近岸浅海(U2)沉积时期发生了显著变化, 长江沉积物开始大量地进入钱塘江下切河谷, 这可能与研究区海平面变化以及相应的沉积环境演变密切相关(张霞, 2013; Zhang et al., 2014, 2015)。研究区河床(U5)和河漫滩(U4)沉积时期(15 000— 13 000 cal. yr B.P.), 海平面由现今海平面之下110~120 m上升到距现今海平面之下65 m附近(Liu et al., 2007), 海岸线远离现今海岸线160~550 km, 此时长江和钱塘江下切河谷彼此分离, 长江和钱塘江来源沉积物沿各自河道被径流直接运送至东海陆架, 两者之间无物质交换(图9-a)。因此, U5和U4单元沉积物主要由古钱塘江提供, 未受古长江影响。

图9

Fig.9

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	图9 晚第四纪钱塘江下切河谷充填物各单元发育时期沉积物搬运方向示意图Fig.9 Sketch maps showing the estimated transport pathways for incised-valley fills during the distinct depositional phases of different units in the late Quaternary Qiantang River incised valley

古河口湾沉积时期(U3; 13 000— 8000 cal.yriB.P.), 海平面持续上升到现今海平面之下5 m, 但海岸线仍远离现今海岸线20~60 km(张霞, 2013; Zhang et al., 2014, 2015), 长江和钱塘江下切河谷仍彼此分离(图9-b)。数值模拟结果显示该时期潮流作用强度与现今相似(Uehara et al., 2002), 在钱塘江和长江河口区分别发育强潮型的古河口湾和古三角洲沉积体系, 古长江来源沉积物主要沉积于古长江三角洲内, 少部分沿长江古河道被运送至东海陆架沉积, 未被搬运至古钱塘江河口湾湾口沉积; 钱塘江古河口湾(U3)沉积物除一部分来自上游古钱塘江外, 还有相当一部分由先前堆积于古钱塘江河口湾湾口的河床(U5)和河漫滩(U4)沉积物提供, 这部分沉积物在涨潮流的作用下被带入古钱塘江河口湾内(图9-b; Gao and Collins, 2014; Zhang et al., 2014, 2015, 2017))。因此, 作者认为U3单元沉积物仍主要由古钱塘江提供。近岸浅海沉积时期(U2; 8000— 4000 cal.yr B.P.), 海水溢出下切河谷, 浸没相邻河间地, 海岸线持续向陆迁移, 直达山麓脚下, 此时, 长江和钱塘江下切河谷彼此相连, 水体变深, 沿岸流作用增强(图9-c; Zhang et al., 2014, 2015), 古长江沉积物在沿岸流作用下可直达研究区, 而古钱塘江沉积物只有少部分在径流的作用下到达研究区。因此, U2单元沉积物主要为古长江来源沉积物, 少部分为古钱塘江提供。现代河口湾沉积时期(U1; 4000 cal. yr B.P.以来), 海平面趋于稳定, 但因来自上游河流, 特别是长江沉积物的大量堆积, 沉积速率超过海平面上升速率, 海岸线向海推进至现今海岸线, 长江和钱塘江河口分别由近岸浅海演变为现代三角洲和河口湾体系, 长江沉积物开始大量地向东海陆架输送, 特别是在沿岸流的作用下, 在东海内陆架形成了1条长达800 km的泥质条带, 最远可延伸至台湾海峡(图9-d; Li et al., 2002; Lin et al., 2005; Liu et al., 2007; Gao and Collins, 2014; Zhang et al., 2014)。现代钱塘江河口湾为强潮型河口湾, 除少部分沉积物由上游钱塘江提供外, 同样有相当一部分沉积物来自口外陆架, 因此时口外陆架沉积物主要为由长江沉积物组成的陆架泥质沉积, 这部分泥质细粒沉积物在强潮流的搬运下进入现代河口湾, 同时来自长江的沉积物在沿岸流作用下也可直接进入(图9-d); 但因钱塘江为贫沙型山溪小河流, 其提供的河流沉积物只有极少一部分可到达河口区(王颖, 2012), 因此, U1单元沉积物仍主要由长江沉积物提供, 少部分来自钱塘江。与U2单元相比, 现代河口湾(U1)沉积时期, 因沉积物的供应速率远大于海平面上升速率, 钱塘江河口不断向海推进, 来自钱塘江的沉积物供应量不断增加; 同时因湾口舟山群岛的阻碍作用, 来自长江的沉积物有所减少, 从而使得U1单元中钱塘江来源沉积物贡献增多。

对钱塘江下切河谷内SE2孔沉积物重矿物和稀土— 微量元素进行系统分析结果显示, 研究区河床(U5)、河漫滩(U4)和古河口湾(U3)沉积物具有与近岸浅海(U2)和现代河口湾(U1)沉积物不同的物质来源。前者源区以中酸性火成岩为主, 重矿物组合和稀土元素在球粒陨石和NASC标准化曲线中的配分模式与长江沉积物完全不同, 表明沉积物主要来自钱塘江流域。而后者源区以中基性火成岩为主, 重矿物组合和稀土元素在球粒陨石和NASC标准化曲线中的配分模式与长江沉积物极为相似, 表明沉积物主要由长江提供, 部分来自钱塘江, 同时U2单元沉积物中长江物质贡献更为显著。这些特征表明长江沉积物自U2单元沉积时期开始大量地进入到钱塘江下切河谷, 这与研究区的海平面变化和相应的沉积环境演变密切相关, U2单元沉积时期海岸线直达山麓脚下, 长江和钱塘江下切河谷淹没于海水中彼此相连, 古长江沉积物在沿岸流作用下可直达研究区。该项研究将在一定程度上加深对杭州湾地区及其中国其他地区下切河谷形成、发育和演化, 以及陆海相互作用和沉积物从源到汇过程等方面的认识。