大沽河泥沙來源的重礦物分析及其環境意義

金秉福, 宮立新,2, 宋 鍵

(1. 魯東大學 地理與規劃學院, 山東 煙臺 264025; 2. 中國海洋大學 海洋地球科學學院, 山東 青島266100; 3. 中國地震局地質研究所, 北京 100029)

大沽河泥沙來源的重礦物分析及其環境意義

金秉福1, 宮立新1,2, 宋 鍵3

(1. 魯東大學 地理與規劃學院, 山東 煙臺 264025; 2. 中國海洋大學 海洋地球科學學院, 山東 青島266100; 3. 中國地震局地質研究所, 北京 100029)

應用礦物分析的方法研究大沽河下游泥沙的來源, 研究表明, 大沽河上游和小沽河流域的重礦物特征有很大的不同, 大沽河上游段以高的普通角閃石含量為標志, 綠簾石、鈦鐵礦具有較高的含量。小沽河和大沽河下游的重礦物組成以普通角閃石+綠簾石+透閃石+石榴石為主, 重礦物特征相似性明顯, 其重礦物含量和主要重礦物相對含量都比較相似, 數值相差不大, 而且礦物的形態特征、礦物的種類也一致。這說明大沽河下游的泥沙主要來源于其支流小沽河, 因此, 小沽河流域的水土保持是大沽河河道以及膠州灣沉積環境整治的關鍵。

大沽河; 小沽河; 泥沙來源; 重礦物

1 研究區概況

大沽河源于山東半島的東北部, 招遠市東南、艾山西北麓, 曲折西流, 于膠州市營海鎮碼頭村注入膠州灣。大沽河是膠東半島最大的河流, 干流全長179.9 km, 其主要支流有小沽河、潴河、五沽河、落藥河、流浩河等(圖1)。干流平均比降為0.61 ‰, 流域總面積 4 631.3 km2(不包括南膠萊河流域), 多年平均徑流量為 7.235億 m3。小沽河是大沽河上游主要支流, 全長84.01 km, 流域面積為1 456.4 km2[1]。大沽河流域北部為山區和低山丘陵區, 南部為山麓平原和平原洼地, 地勢北高南低, 地形坡度由北向南逐漸變緩。流域內山區 527.6 km2, 丘陵區1 597.4 km2, 平原區1 705.1 km2, 洼地801.2 km2。山區和丘陵區的植被較少, 土層薄且貧瘠, 水土流失嚴重。中下游平原洼地土層較厚。大沽河徑流以降水補給為主, 年際和年內變化幅度大, 具有暴漲暴落的特性。注入膠州灣諸河流的年總輸沙量為157.3萬 t, 其中大沽河年輸沙量為 95.97萬 t, 占60.98%[2]。

大沽河流域地處膠東丘陵的西部, 跨膠北隆起和膠萊凹陷帶。由古老的變質巖構成基底, 出露的地層主要為太古界-元古界膠東巖群(Ar-Pt1j)及元古界粉子山群(Pt21f)。前者以黑云斜長片麻巖、黑云變粒巖、斜長角閃巖及變粒巖等為主, 后者主要巖性是黑云片巖、片麻巖、黑云變粒巖、不純大理巖及長石石英巖等。古老變質巖之上主要覆蓋著中生界下侏羅統的萊陽組(J3l)、白堊系的青山組(K1q)和王氏組(K2w)地層, 巖性為陸相碎屑巖-火山巖、河湖相紅色碎屑巖。中生代時期, 巖漿巖多次侵入和噴出, 并經歷長期隆起剝蝕后, 造就本區巖漿巖出露廣泛。區內第四系分布較廣, 河谷兩側主要分布著坡洪積及殘坡積物, 其厚度較薄, 而大沽河下游河床中卻沉積了5～8 m厚的沖洪積砂礫層。

大沽河作為青島市重要的供水源地, 具有重要的經濟和戰略意義。因此, 研究大沽河下游泥沙來源對解決膠州灣的環境整治、膠州灣內泥沙侵淤[3]及大沽河水質的改善[4]等問題都具有重要的指導意義。

2 樣品和分析方法

研究樣品于2004年4～5月, 采自大沽河下游、中游和上游, 包括小沽河、潴河等支流, 樣品主要取自河床中部, 少量取自河床邊灘, 在河床剖面上樣品一般取自河床中下部(在多個河道采沙場, 可見河床相較完整的剖面)。在大沽河下游, 河床砂層可分兩大層, 中間被粉砂質黏土層隔開, 樣品分上下層來采。本研究共取重礦物樣32個(圖1)。

圖1 大沽河流域水系與樣品位置、樣號示意圖Fig. 1 Sketch of the water system in the Daguhe River drainage area and locations of the heavy sand samples

取沉積物原樣 200～300 g, 直接通過 0.25 mm和 0.063 mm的雙層小套篩進行水洗沖篩(個別黏土質較多的樣品, 加入雙氧水浸泡 6h), 水篩分離出的細砂粒級樣品(250～63 μm), 經烘干、用縮分法取3～4 g試樣在三溴甲烷重液(CHBr3, 比重2.89)中分離, 得輕、重礦物兩部分, 再分別稱質量, 計算重礦物的含量即質量分數[5]。

重礦物樣品的定量分析, 首先均勻取重礦物顆粒1 000～2 000個置于載玻片上, 然后放入雙目體視鏡下進行仔細觀察, 在了解礦物的顏色、形態、條痕、磁性和表面特征的基礎上, 用巖石學顯微鏡油浸法測定透明礦物的光學性質和參數, 鑒定礦物類別。對不易鑒定的疑難礦物配合微化試驗和礦相顯微鏡觀察進一步定名。為了使鑒定數據更準確,誤差更小, 在雙目體視鏡下用計數器計數待定礦物400顆(通常情況下計數300顆即可保證精度), 采用體視鏡和偏光油浸法相結合的方法對樣品中所有的礦物種類進行鑒定、計數, 最后求得不同礦物顆粒的百分含量(即體積分數)和特征礦物含量的比值。

3 大沽河碎屑礦物學特征

大沽河沉積物的重礦物組合以普通角閃石、綠簾石和鈦鐵礦為特征, 次要礦物為透閃石、石榴石和磁鐵礦, 少量礦物有榍石、黑云母、透輝石、普通輝石、磷灰石、赤鐵礦、褐鐵礦和鋯石, 不太常見的礦物有白云母、電氣石和白鈦石, 偶見金紅石、矽線石、藍晶石和釷石。此外, 重礦物組分中, 還存在少量巖屑和為數不少的風化蝕變礦物。

重要碎屑礦物特征如下：

普通角閃石： 以長柱狀居多, 少量為短柱狀、扁柱狀、粒狀和板狀。棱角狀-次棱角狀, 顏色有兩種,一是綠色(淺綠、暗綠、深綠、灰綠等綠色調); 二是棕褐色(淺棕、棕褐色、暗棕色等), 以深綠、暗綠色為主, 少數呈棕褐色、淺綠色, 透明-半透明, 玻璃光澤, 風化蝕變不強。

綠簾石： 粒狀, 黃綠色、淺黃綠色, 大部分為透明-半透明, 玻璃-半油脂光澤, 次棱角狀。

透閃石： 長柱狀、板柱狀, 無色、灰白色, 透明,玻璃光澤, 次棱角狀。

石榴石： 晶形多呈已碎裂后的不規則粒狀、板狀,少量呈自形晶(菱形十二面體、五角三八面體等), 有幾種顏色, 為粉紅色、紅褐色、淡粉色以及無色等,以粉紅色和紅褐色居多, 棱角狀-尖棱角狀, 晶面新鮮, 風化輕微。

鈦鐵礦： 多為粒狀和不規則粒狀, 少量為次圓狀, 亮黑色、褐黑色, 強金屬光澤, 弱磁性, 表面偶有白鈦石被膜或斑點, 次棱角狀居多, 風化蝕變不強。

磁鐵礦： 粒狀, 少量呈自形的八面體、六面體,鐵黑色, 不透明, 金屬光澤, 條痕黑色, 具強磁性,次棱角狀。

黑云母： 厚片狀, 褐色、暗綠色, 透明-半透明。解理極完全, 解理面上具珍珠光澤, 部分已次生變化為水黑云母。

榍石： 粒狀、信封狀和橢球狀, 黃褐、淺黃色, 次棱角-次圓狀。

透輝石： 短柱狀、粒狀, 淡綠色、無色, 玻璃光澤, 次棱角狀。

巖屑： 多數由金屬礦物與密度相對較大的造巖礦物所組成, 也有部分巖屑由不同種類造巖礦物組成, 金屬礦物有時呈晶粒狀, 有時呈顆粒細小的浸染狀, 一般多為鈦鐵礦, 其次是磁鐵礦, 組成巖屑的造巖礦物既有綠簾石、角閃石, 又有石英、長石, 以及部分蝕變礦物。

風化蝕變礦物： 原礦物已被蛇紋石化、綠泥石化、綠簾石化、高嶺土化和絹云母化等, 或經化學風化已失去、或難以分辨原有的光性特征。

綜上所述, 重礦物碎屑大都呈次棱角狀, 化學風化程度較低, 說明沉積物來源近, 搬運距離短。

4 大沽河重礦物含量分布

大沽河可以分三部分流域, 以古峴附近小沽河入大沽河為界分： 大沽河上游段、小沽河段和大沽河下游段。按水系地貌分布來看, 大沽河下游和入海泥沙應主要來自于山區和丘陵區的大沽河上游段和小沽河段, 但以哪一部分為主, 可以從碎屑礦物分析中窺出。因為三部分河流的碎屑礦物特征和含量有較大的不同。

4.1 大沽河上游段

大沽河上游河段重礦物質量分數波動于 6.86%～18.04%之間, 重礦物平均質量分數為 12.97%。普通角閃石(平均體積分數 50.44%)與鈦鐵礦具有較高含量,各個樣點兩者的綜合體積分數均在 60%以上; 而石榴石體積分數都在5.00%以下; 透閃石體積分數更少, 都在 3.50%以下。大沽河上游整個河段重礦物含量和主要重礦物相對含量都比較相近, 數值變化不大, 而且礦物的形態特征、礦物的種類也一致, 說明大沽河上游段的泥沙來源于相同的巖石類型, 即主要來源于太古界膠東群的黑云斜長片麻巖、斜長角閃巖、黑云變粒巖和元古代侵入巖——黑云花崗巖, 一部分來源于中生界白堊系王氏組和青山組的砂巖、粉砂巖以及流紋巖和安山巖。由于該區在產芝水庫以下為構造剝蝕平原和膠萊盆地區, 雖然大沽河上游段流域面積較大,但河流水力坡度(比降)小, 故河流攜帶的泥沙主要來自于上游, 即中生界地層對該流域泥沙的貢獻較小,因此在大沽河上游段獲取的13個樣品的平均值可以代表大沽河上游段重礦物的特征值(表1, 圖2)。

4.2 小沽河段

小沽河重礦物質量分數最低為 2.60%, 最高為13.47%, 且所取樣點大部分集中于6.00%附近。所取樣品普通角閃石體積分數平均為 28.09%, 集中于30.00%附近; 綠簾石體積分數較高(平均為 19.78%),明顯高于大沽河上游河段(12.35%); 透閃石體積分數都在 5.00%以上(除 033站點為 1.00%外), 最高達19.00%; 石榴石體積分數也在6.00%以上。小沽河段樣品重礦物數值也具有統一相似性, 除 027站點外,其他 7個樣品重礦物特征非常相近, 說明小沽河泥沙來源于統一的原巖區, 其上游流經的地層主要巖性有長石石英巖、透閃透輝大理巖、蛇紋石化大理巖夾石榴黑云片麻巖、含石墨長石透輝巖, 以及元古代侵入巖——片麻狀黑云花崗巖。由于小沽河上游位于大澤山東南麓, 為低山丘陵區, 地勢較高, 支流發育, 水資源豐富, 是小沽河泥沙主要來源區。本研究的 8個樣品的平均值可以代表小沽河段重礦物的特征值。

表1 大沽河不同河段不同層位主要重礦物組分平均體積分數對比Tab. 1 The average volume fractions of the main heavy minerals in different reaches and strata positions of the Daguhe River

圖2 典型重礦物在大沽河不同河段中的體積分數對比Fig. 2 Volume fractions of the representative heavy minerals in different reaches of the Daguhe River

對比分析大沽河上游段與小沽河段重礦物特征,可以發現, 這兩段支流的重礦物組合特征有很大的不同, 大沽河上游段以高的普通角閃石含量為標志, 重礦物組合為普通角閃石+鈦鐵礦+綠簾石; 而小沽河重礦物以高的透閃石和石榴石為標志, 重礦物組合為普通角閃石+綠簾石+鈦鐵礦+透閃石。這種特征礦物標志和礦物組合與它們各自的物質來源區密切相關。大沽河上游段物源區富含角閃石和金屬礦物, 而小沽河段物源區以富含透閃石和石榴石為特征。

4.3 大沽河下游段

大沽河下游重礦物質量分數介于 1.98%與6.90%之間。普通角閃石平均體積分數為34.57%, 所取 11個樣品中有 7個樣品的體積分數非常接近于34.57%; 同時, 具有較高的綠簾石體積分數, 為21.25%, 遠遠高于大沽河上游河段的12.5%, 接近于小沽河的綠簾石體積分數 19.78%; 透閃石體積分數為7.75%, 也遠高于大沽河上游, 與小沽河河段的透閃石體積分數接近; 石榴石體積分數為6.45%, 接近于小沽河中石榴石體積分數的 8.44%, 與大沽河上游中石榴石的體積分數相差較大。

由表1和圖2可知, 大沽河上游的透閃石、石榴石體積分數很低, 大都在 3%以下, 遠低于兩種礦物在大沽河下游河段的體積分數, 相反, 兩者在小沽河的體積分數都在 10%左右, 與大沽河下游河段的含量相近。不穩定礦物在由上游往下游的運移中含量會變小, 由此可知大沽河下游河段的泥沙主要來源于小沽河河段。

大沽河下游段由于河相堆積厚度較大, 形成歷史復雜, 是進行河流環境演化分析的良好場所。大沽河下游的河床相砂礫層沉積分上、下兩個亞層, 下亞層為粗砂礫石層, 形成于晚更新世, 上亞層為中細砂和細砂層, 屬于全新世沉積。因此在大沽河下游段取樣分上下兩層來取, 在一些出露較好的河段, 進行系統剖面取樣, 如談家莊、南張院。從表1重礦物數值特征以及重礦物的顯微特征以及圖2可以看出,大沽河下游段的重礦物繼承了大沽河上游段和小沽河段的礦物特征, 是這兩段河流沉積物混合的產物。綜合分析, 大沽河下游段的重礦物特征與小沽河的較為接近, 與大沽河上游段差別明顯。例如, 普通角閃石在大沽河下游段, 不管是上層, 還是下層, 體積分數多在 33%～36%之間, 而大沽河上游段卻高達50%以上, 恰恰相反, 小沽河段卻只有28%, 這說明,大沽河下游段是上游兩條支流泥沙混合而成, 但小沽河的對下游的影響要大于大沽河上游段對下游的影響, 因為小沽河對下游的普通角閃石的變異系數要遠遠小于大沽河上游段對下游段的變異系數(變異系數DF=︱1-樣品值/標準值︱); 透閃石、綠簾石、石榴石和金屬礦物等在三段河流中的數值也反映了同樣的結果。如果大沽河下游段的泥沙只認為來源于大沽河上游段和小沽河, 通過表 1, 利用普通角閃石、石榴石、透閃石以及透輝石作為端元值, 引用二元線性方程, 通過不同礦物組合進行計算和比較,可以圈定出小沽河和大沽河上游段對大沽河下游段泥沙沉積的貢獻。計算結果表明： 河床相砂礫層的下部亞層, 來源于小沽河的重礦物占河床沉積總量的60%以上(其權重變動在 0.59～0.68之間), 大沽河上游段沉積占約 40%; 河床相砂礫層的上部亞層, 小沽河重礦物占近70%(其權重變動在0.58～0.79之間),大沽河上游段只約占 30%。數值顯示大沽河下游的重礦物受小沽河的影響要大于受大沽河上游段的影響, 也就是說： 全新世以來, 大沽河入海泥沙主要來源于小沽河。

4.4 大沽河物源與環境演變分析

大沽河是新生代以后形成的次成河, 受構造運動、地形地貌和海面升降的影響較大。近5 000 a以來, 膠州灣周圍陸地區域約有 2 mm/a的抬升[2], 在大沽河流域造成小沽河上游(大澤山區)整體抬升,而在大沽河流域形成膠萊盆地的整體下降。但氣候的變遷和海面的升降變化對大沽河的影響更為深遠。末次盛冰期大沽河解體, 由于當時氣候寒冷干燥,降水急劇減少, 大沽河河床消失。因為到目前為止在大沽河下游尚未發現深切河谷, 最深的河床底板是白堊系青山組, 其底板海拔高程等于或高于現在的黃海海面, 說明大沽河在海面大規模后退后便趨于解體消失。隨全球氣候轉暖、全新世的到來, 大沽河逐漸復蘇, 隨河道水量的激增, 搬運沉積的風化碎屑物質具有顆粒粗大、巖屑含量高、化學風化較弱(風化蝕變礦物含量低)的特點。大沽河受膠州灣海侵頂托的影響, 數次在河道下游形成河道型湖泊, 河流比降減小, 水流平緩, 形成細粒質(細砂粉砂質黏土)沉積, 這些細粒物質(T18, DG03)顯示出與小沽河物質特征相近的特點, 即： 普通角閃石含量低、透閃石含量高、重礦物含量低等。說明高海面時期, 大沽河的物質主要來源于小沽河, 大沽河上游段由于河流比降的進一步降低, 河流輸沙能力大為減小。

5 結論與討論

由重礦物分析得出大沽河下游的泥沙主要來源于小沽河的結論, 具有重要的意義。

1)流域輸沙的變化主要取決于產沙和蓄沙之間的平衡。因此, 要保證大沽河下游泥沙的平衡, 就要合理地控制小沽河河段的水利設施的興建, 保證大沽河下游有充足的泥沙來源。

2)河流輸沙入海是地表過程的一個重要表現。膠州灣入灣泥沙主要來源于大沽河, 因此膠州灣的環境治理、泥沙治理重點在小沽河。同時, 大澤山地區水土保持的好壞直接影響大沽河流域的河道治理。

3)大沽河上游段應停止河道河沙的采掘, 因為大沽河上游段沉積物來源不足, 加之產芝水庫的阻擋沉積作用, 使得大沽河泥沙來量嚴重不足, 如果持續采沙, 將導致河床沖刷下陷, 河道兩側耕地水土流失和地下水位大幅度下降的嚴重后果。

[1] 山東省科學技術委員會. 山東省海岸帶和海涂資源綜合調查報告[M]. 北京： 中國科學技術出版社,1999. 15-18.

[2] 國家海洋局第一海洋研究所港灣室. 膠州灣自然環境[M]. 北京： 海洋出版社, 1984.

[3] 韓樹宗, 趙瑾, 魏福寶, 等. 膠州灣大沽河口洪水期三維水沙數值模擬研究[J]. 中國海洋大學學報(自然科學版), 2007, 37(5)： 689-694.

[4] 劉衍美, 徐有杰, 解風云, 等. 大沽河海水入侵綜合治理效果分析與防治對策[J]. 山東水利, 2006, 12：13-14.

[5] 國家海洋局. 海洋調查規范(第四分冊——海洋地質調查)[M]. 北京： 海洋出版社, 1975. 9-88.

Heavy mineral analysis in the sediment originated from the Daguhe River and its environmental significance

JIN Bing-fu1, GONG Li-xin1,2, SONG Jian3
(1. College of Geography and Planning, Ludong University, Yantai 264025, China; 2. College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 3. Institute of Geology, China Seismological Bureau,Beijing 100029, China)

Apr., 12, 2009

the Daguhe River; the Xiaoguhe River; sediment source; heavy mineral

Based on heavy mineral analysis, the sediment originated from lower reaches of the Daguhe River was studied.We found that the characteristics of heavy mineral were different between the Xiaoguhe River and the upper reaches of the Daguhe River. The high content of hornblende was the feature in upper reaches of the Daguhe River and the contents of ilmenite and epidote were also high. In contrast, main heavy mineral assembled was mixed by hornblende, epidote,tremolite and garnet in the Xiaoguhe River and the lower reaches of the Daguhe River. In addition to similar relative contents for most heavy minerals, mineral shape characteristics and mineral species were also identical. These results illustrate the major sediments of the lower reaches of the Daguhe River come from its main branch, the Xiaoguhe River.Therefore, conservation of soil and water in the Xiaoguhe River drainage area is key to maintain and restore the sedimentary environment in the Daguhe Rever watercourse and the Jiaozhou Bay.

P577; P931.1; P512.3

A

1000-3096(2010)10-0071-06

2009-04-12;

2010-05-03

國家自然科學基金(40246026); 海洋沉積與環境地質國家海洋局重點實驗室開放基金 (MASEG200803); 魯東大學學科建設項目

金秉福(1963-), 男, 滿族, 遼寧大連人, 教授, 博士, 主要從事海洋地質學和自然地理學教學與研究, 電話： 0535-6693670,E-mail： bfjin@126.com

(本文編輯： 劉珊珊)