刘 杰， 冯秀丽， 刘 潇， 高 伟， 徐元芹(1. 国家海洋局第一海洋研究所 海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室,山东 青岛 266061；2. 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室，山东 青岛 266061；3. 中国海洋大学 海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东 青岛 266100；4. 中国海洋大学 环境科学与工程学院,山东 青岛 266100)

潍坊港临近海域WF01钻孔沉积物磁化率与粒度变化相关性及其物源意义❋

刘 杰1, 2， 冯秀丽2, 3❋❋， 刘 潇2, 4， 高 伟1, 2， 徐元芹1, 2
(1. 国家海洋局第一海洋研究所 海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室,山东 青岛 266061；2. 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室，山东 青岛 266061；3. 中国海洋大学 海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东 青岛 266100；4. 中国海洋大学 环境科学与工程学院,山东 青岛 266100)

本文通过对位于莱州湾南侧、潍坊港东侧近岸海域300 cm长的WF01钻孔进行磁化率和粒度测试，结合测年数据，分析了研究区海域沉积速率、沉积物粒度和磁化率的演化特征，探讨了不同沉积物粒度组分与磁化率变化的相关关系。结果表明：WF01孔0～300 cm沉积物可分为四段，分别体现了不同时期研究区沉积环境的变化。WF01孔以218 cm为界，上段与下段沉积物磁化率与各粒组百分含量的相关关系基本呈相反趋势。上段沉积物磁化率与63 μm以下各组分的百分含量呈负相关关系，与大于63 μm粗颗粒的百分含量呈正相关；下段沉积物磁化率值与小于32 μm各组分的百分含量呈正相关关系，而与大于32 μm的颗粒组分含量呈负相关关系。这种相关性的差异，可以从很大程度上指示研究区上下两段沉积物物质来源的不同，而造成这种物源差异的原因很可能是1855年黄河从苏北改道进入渤海，巨量黄河泥沙在渤海沉积、扩散造成的。

粒度；磁化率；210Pb测年；沉积环境演变；莱州湾南岸

沉积物粒度是判别沉积环境的一个重要物理指标[1-2]，广泛应用于沉积物再悬浮、输运、物源及沉积环境演变研究[3-5]。沉积物磁化率是指示沉积物磁性特征的参数，从磁化率变化特征可以分析相应的沉积环境演变信息[6-8]。研究表明，控制碎屑沉积物磁化率的矿物主要是磁铁矿和赤铁矿，沉积物磁化率和粒度参数结合，能较好的反映沉积动力环境、沉积物来源等[9]。对大陆沉积体，尤其是黄土沉积物粒度和磁化率的研究，可以作为地层划分、沉积序列重建的替代性指标[10-11]。湖泊、海洋沉积物的粒度和磁化率特征可以在很大程度上反映沉积物物源、沉积动力条件及其它蕴含的环境信息，进而可以揭示沉积环境的演变以及人类活动对沉积环境的影响程度[12-14]。不同沉积环境中沉积物磁化率的形成机制有所差别，使得磁化率值与沉积环境之间的相关关系有所差异[15-16]，探讨磁化率与粒度的相关关系，有助于研究磁化率的变化机理和相应的物理意义，包括沉积环境特征[17-19]。

近年来，在大型港口工程特别是潍坊港工程的影响下，莱州湾南岸的海洋沉积环境不断演化。本文基于莱州湾南侧、潍坊港附近海域的柱状沉积物，通过210Pb测年、磁化率和粒度等数据，确定沉积年代特征并计算沉积速率，分析研究区沉积速率、沉积物粒度及磁化率演化特征，研究磁化率与沉积物粒度组成的相关关系及其变化特征，进而探讨岩芯所在海域沉积环境对自然因素和人为因素的响应。

1 研究区概况

潍坊港位于山东半岛中部北侧，莱州湾南侧近岸海域(见图1)。港区自1996年5月开工建设，至1997年8月，向北伸入莱州湾的10 km引堤工程及位于引堤端头的码头工程基本建成(1996—1997段)；2007年4月开始，在10 km引堤的基础上顺利完成了西疏港公路路堤及万吨级码头工程(2007—2008段)，形成了NE向环抱式双堤；为了减少港池、航道的回淤，在环抱式双堤的基础上建设了NE向的潜堤(2008—2009段)。

受淄脉沟、小清河、白浪河、潍河等入海河流输沙反复淤积、堆砌的影响，在研究区海域形成了典型的粉砂质海岸[20]。该海域潮汐类型主要为不正规混合半日潮[21]，波浪以风浪为主，常浪向为N向，次常浪向为NNE向，强浪向为NNE向[22]。潮流属于正规半日潮流，以往复流为主，落潮和涨潮平均流速相差不大，一般情况下，余流小于5.50 cm/s[23]。

2 样品与方法

研究样品为2011年11月在潍坊港东侧附近海域取得的柱状沉积物，采用重力取样管取得，地理坐标为119°12′46.20″E，37°14′40.80″N。柱长3.0 m，钻孔处水深2.8 m，研究区及钻孔相对位置见图1。

柱状沉积物样品以1 cm间隔进行粒度分析实验，测试仪器为英国Malvern公司生产的Mastersizer2000激光粒度仪，测试步骤为：取适量沉积物样品，加入过量双氧水(30%)浸泡24 h去除样品中的有机质；加入0.25 mol/L的盐酸去除样品中的碳酸盐；使用大量蒸馏水反复多次离心，至样品溶液呈中性；加入5 mL六偏磷酸钠溶液(0.5 mol/L)，超声分散后进行测试。沉积物分类和定名采用Shepard方法[24]，并采用Folk-Ward图解法[25]进行参数计算。

沉积物磁化率测量采用英国Bartington公司生产的MS2型磁化率仪、MS2B探头，仪器测量误差小于1%，测量精度为0.1×10-5SI，所得结果经质量校正后得到样品的质量磁化率。粒度分析和磁化率测试工作均在中国海洋大学海底科学与探测技术重点实验室完成。

沉积速率分析采用210Pb测年，对0～163 cm段沉积物选择了12个样品进行测试。由于本文柱状样取自近岸浅海区，沉积通量和沉积速率受周边环境影响较难保持稳定，沉积物来源主要为水平搬运的混合沉积物，沉积物中的过剩210Pb初始浓度近似恒定，因此采用初始浓度恒定模式(Constant Initial Concentration Model，CIC)计算沉积速率[26-28]。测试工作在国土资源部青岛海洋地质研究所海洋地质实验检测中心完成。

通过测量不同深度处岩芯样品的210Pb放射性活度，扣除本底值后根据210Pbex计算沉积速率，依据初始浓度恒定模式，210Pbex放射性活度沿深度方向上呈指数衰减，即：

式中：t为某一深度沉积物沉积时间(a)；λ为210Pb的衰变常数，取0.031 1a-1；C0为Z=0处210Pbex浓度(dpm/g)，CZ为深度Z处的210Pbex浓度(dpm/g)；S为平均沉积速率(cm/a)；Z为埋藏深度(cm)。

3 结果

3.1 沉积速率演变特征

210Pb测年结果如图2所示，从图中可以看出：沉积物中210Pb和210Pbex放射性活度均较低，210Pb放射性活度为0.467～0.700 dpm/g，这可能是由于210Pb主要吸附于细颗粒物质，沉积物黏土组分含量越高，210Pb的放射性活度越高[29]，而WF01孔沉积物粒度相对较粗，黏土含量相对较低，导致210Pb放射性活度较低。整体上，柱状沉积物中210Pbex活性随深度的增加呈指数衰减趋势，个别层位出现波动，衰减趋势呈多段连续分布特征，指示了沉积速率的变化。根据210Pbex活度变化曲线，整个钻孔可分为四段：前三段为指数衰变段，其中，0～58 cm段沉积速率为10.2 cm/a，沉积历时约5.7 a；58～103 cm段沉积速率为3.5 cm/a，沉积历时约12.9 a；103～138 cm段沉积速率大幅减小为0.5 cm/a；138 cm以下为本底段。

3.2 沉积物粒度参数变化特征

沉积物粒度组成、平均粒径、分选系数、偏态、峰态等参数变化曲线如图3所示，从图中可以看出：整个岩芯沉积物粒度参数波动明显，各参数之间变化趋势相似。沉积物组成以细砂和粉砂为主，细砂含量为42.4%～74.4%，粉砂含量为23.2%～51.2%。平均粒径(MZ)为0.041～0.080 mm；分选系数(σ)在0.78～1.74之间，分选等级为中等至差；偏态(Sk)在0.26～0.60之间，属正偏至极正偏，粗粒组分总体占优势；峰态(Kg)在1.44～2.78之间，峰态为窄至很窄。根据沉积物粒度变化特征，可将WF01孔柱状沉积物分为4段：

第一段：0～58 cm，沉积物组成和粒度参数呈频繁波动状态，但变化幅度不大。除个别层位出现极值外，平均粒径在0.06～0.08 mm之间；分选系数在0.8～1.2之间；偏态介于0.30～0.43之间，为极正偏；峰态在1.6～2.2之间，峰态很窄；由下至上平均粒径总体上有一定的减小趋势。

第二段：58～103 cm，粒度参数呈波动状态，幅度较上部沉积物更为剧烈，在72 cm附近粒度参数出现了一次非常明显的波动，平均粒径减小为0.049 mm，分选变差，考虑是极端天气或人为影响对沉积物造成较大扰动；该段沉积物平均粒径在0.049～0.077 mm之间，沉积物组成以细砂为主，平均含量为62%；由下至上平均粒径总体上有一定的增大趋势。

第三段：103～218 cm，粒度参数呈波动状态，幅度较上部沉积物更为剧烈，其间出现了多个厚2～5 cm的分选较差的细粒薄层，受这些层位的影响，粒度各参数均出现了柱状沉积物中的极值。细粒薄层的平均粒径普遍在0.041～0.061 mm之间，分选系数介于1.3～1.7之间，偏态在0.43～0.59之间，峰态变化不明显；波动的粒度数据也反映出了研究区这一时期沉积环境主要是水动力环境和物源条件的不稳定。

第四段：218～300 cm，各粒度参数波动幅度较上部沉积物显著减弱，除在248～252 cm处波动较大外，总体较为稳定，各参数随深度变化不大。

3.3 沉积物磁化率变化特征

根据柱状沉积物质量磁化率变化曲线(见图3)，该柱状沉积物样品的质量磁化率在(19.5～37.9)×10-8m3/kg之间，平均值为25.9×10-8m3/kg。从变化曲线可以看出：质量磁化率在103 cm以浅范围内波动较小，在103～218 cm段波动幅度加大， 218 cm以深柱状沉积物的质量磁化率呈高低值震荡状态，中间出现若干次峰值。根据钻孔质量磁化率变化曲线，可以将其分为三段：

第一段：0～103 cm，沉积物质量磁化率波动幅度较小，除表层(0～10 cm)波动较大外，质量磁化率均在(20.7～25.5)×10-8m3/kg之间，平均值为22.9×10-8m3/kg。

第二段：103～218 cm，质量磁化率波动幅度较上层略有增加，波动范围在(19.5～34.3)×10-8m3/kg之间，平均值为25.7×10-8m3/kg。

第三段：218～300 cm，质量磁化率值较上层明显增大，平均值为30.2×10-8m3/kg，呈高低值震荡状态，中间出现若干次峰值，其中在276 cm处出现最大值。

4 讨论

4.1 沉积年代与沉积条件变化分析

研究区位于莱州湾南侧近岸海域，影响沉积环境演变的因素主要包括自然因素和人为因素，其中人为因素主要是港口建设，海洋工程建设改变了附近海域的岸线形态和水动力条件，从而影响了周边海域的沉积环境。1997年潍坊港建设之前，莱州湾南侧岸线整体相对平滑，周边海域水深岸线及物源条件稳定，可认为这一时期研究区的沉积条件相对稳定，沉积速率也相应地保持稳定状态。从1997年起，伴随着潍坊港两期工程建设，分别是97年前后10 km引堤的建成和2007年前后环抱式防波堤的建成，WF01孔所在位置的水动力条件发生明显改变。潍坊港10 km引堤建成后，工程周边海域水动力条件减弱，2007年受环抱式防波堤影响，WF01孔处水动力条件进一步减弱。

WF01孔测年结果显示出的多段沉积模式，指示了该区域沉积速率的变化：(1)0～58 cm段沉积速率为10.2 cm/a，沉积历时约为5.7 a，该稳定衰变段可近似认为是2007—2011年(取样时间)间的沉积。2007年环抱式防波堤建成后，WF01孔受到工程掩护水动力作用明显减弱，沉积物易在此处发生淤积，因此沉积速率相对较大，同时沉积物的平均粒径由下至上也表现出了一定的减小趋势。(2)58～103 cm段沉积速率明显与上段不同，为3.5 cm/a，沉积历时约为12.9 a，该稳定衰变段可近似认为是1997年引堤建成直至2007年间的沉积。虽然1997年10 km引堤的建设使其周边海域水动力减弱，但这一时期WF01孔位于引堤东侧靠近端头处，流速虽较引堤建设之前有所减弱，但受到堤头挑流作用的影响其流速仍大于2007年后该位置的流速，因此其沉积速率小于2007—2011年间的沉积速率。(3)103～138 cm段沉积速率大幅减小，约为0.5 cm/a，可认为是在1997年港口建设之前的沉积。这一研究结果与前人在上世纪90年代研究得出的莱州湾东部和南部沉积速率约为0.31～0.61 cm/a的结果相符[30-32]。因此由沉积物测年结果同时结合区域工程建设对水动力环境的影响可以初步判定出该岩芯的沉积年代，同时也分析得出了这一时期研究区沉积环境的演变。

4.2 WF01孔218 cm处上下段沉积物性质差异的影响因素分析

由沉积物粒度分析结果可知，WF01孔218～300 cm段沉积物的粒度参数与218 cm以浅有明显不同，218～300 cm段各粒度参数波动幅度较上部沉积物显著减弱，总体较为稳定，各参数随深度变化不大，说明该时期沉积条件较为稳定。而218 cm以浅沉积物粒度参数呈明显波动状态，沉积物粒度组分明显与下部不同。同样，沉积物磁化率曲线也以这一深度为界，上下两段表现出较明显的不同。因此，WF01孔沉积物从粒度和磁化率两方面共同反映出这一时期研究区沉积环境发生了较大的改变。

海洋沉积物中磁化率的大小主要由磁性矿物含量、种类及颗粒大小决定，而这些条件主要由沉积物物源、沉积动力环境及次生条件等因素控制[33]。而海洋沉积物粒度的大小则与海洋水动力条件息息相关。据此推断，研究区218 cm处上下段沉积物性质的差异很有可能是受到了沉积物物源和水动力条件的共同影响。

分析莱州湾的现代演化历史可以发现，莱州湾在现代时期发生的主要事件是1855年黄河从苏北改道由渤海入海，携带巨量沉积物的黄河进入渤海后给这一地区的沉积环境带来重大改变。一般气象条件下，黄河携带的粗粒泥沙主要在河口附近海域沉积，而对莱州湾南岸海域影响较小。但是莱州湾地区地处北温带，气象扰动频繁，易受台风风暴潮和冷锋风暴潮的侵袭，为我国风暴潮的多发区。前人研究发现，在连续偏北向大风的作用下黄河入海物质可以到达莱州湾西南部小清河口附近海域[34]。因此WF01孔218 cm以浅的沉积物中粒度参数的波动有可能是由于在风暴潮等天气条件下扩散至此处的黄河泥沙造成的。同样，1855年后大量黄河泥沙进入莱州湾，改变了研究区的沉积物物源条件，会造成沉积物磁化率性质的不同。基于以上的分析可以推测得出，WF01孔218cm这一深度处可能与1855年前后黄河改道进入渤海的时间相对应，由于风暴潮等极端天气的作用，将黄河物质带到莱州湾南侧海域，因此造成沉积物粒度和磁化率性质的改变。

4.3 沉积物磁化率与粒度的相关性分析

不同区域、不同沉积物类型其磁化率和粒度的相关性存在明显差异，对沉积物磁化率和粒度之间的关系进行研究有助于了解沉积物物源的变化，若再能与矿物成分相结合则可以对物源进行判别[35-36]。为了研究潍坊港附近海域沉积物磁化率与粒度的相关关系，绘制了质量磁化率值与不同粒度参数垂向上的变化曲线(见图3)，同时统计了整个钻孔不同深度沉积物磁化率与不同沉积物组分间的相关系数(见表1)。

注:**代表显著相关；*代表一般相关；D50代表中值粒径。**represents significant correlation;*represents general correlation; D50 represents mean grain size.

4.3.1 WF01孔整体沉积物磁化率与粒度的相关性分析 从WF01孔0～300 cm整体分析，由图3和表1可知，WF01孔磁化率与平均粒径及中值粒径的相关关系不明显，磁化率与D50的相关系数仅为0.128。整个钻孔磁化率与黏土组分含量的相关性不明显，这主要与粘土组分含量较低有关，粒径<4 μm的组分百分含量均小于8%，平均为4.31%，磁化率与黏土组分含量的相关系数仅为-0.118。整体上，质量磁化率与沉积物中粉砂(4～63 μm之间)含量呈负相关，相关系数为-0.339，与砂(>63 μm)的含量呈正相关，相关系数为0.332。

4.3.2 不同深度沉积物磁化率与粒度的相关性分析 不同历史时期，由于物源的改变和海洋工程的建设，相应的沉积环境不同，磁化率与不同粒度组分百分含量的相关关系也会有所差异。因此，为了探讨研究区沉积物粒度和磁化率对不同时期沉积环境的响应，本文统计了不同深度上(0～58、58～103、103～218、218～300 cm)磁化率与沉积物粒度组分百分含量之间的相关关系(表1)。

按不同深度计算后可以从中发现一个非常显著的规律：WF01孔以218 cm为界，上段(0～218 cm)与下段(218～300 cm)磁化率与各粒组百分含量的相关关系基本呈相反趋势，当上段的相关系数为负值时，下段的相关系数则为正值，反之亦然。其中，上段沉积物磁化率与63 μm以下各组分的百分含量呈负相关关系，与大于63 μm粗颗粒的百分含量呈正相关；与上段相反，下段沉积物磁化率值与小于32 μm各组分的百分含量呈正相关关系，而与大于32 μm的颗粒组分含量呈负相关关系。

这种上下两部分沉积物磁化率与粒度组分百分含量之间的反相关性表明，在上段(0～218 cm)沉积物中磁化率主要由粗颗粒(63～125 μm)中的磁性矿物贡献，其磁性矿物含量较细颗粒明显偏多，下段(218～300 cm)沉积物中的磁性矿物则主要富集在细颗粒(<32 μm)沉积物中，粗颗粒中磁性矿物较少。这种相关性的差异有着非常重要的意义，可以从很大程度上说明研究区上下两段沉积物物质来源的不同，说明研究区在218 cm深度上下发生了改变沉积环境的明显事件，有新的沉积物物源输入研究区并持续至今。1855年黄河从苏北改道进入渤海，其所携带的巨量沉积物在渤海沉积、扩散，可能正是这次事件的发生，导致了研究区218 cm上下两段沉积物物源的不同。这一证据也与本文之前所得出的“218 cm这一深度处可能与1855年前后黄河改道进入渤海的时间相对应”的推测相符。在今后的研究中，可以进一步通过矿物分析来对沉积物物源进行判别，对这一推测进行验证。

所以，通过本文对靠近莱州湾南岸的WF01孔沉积物粒度和磁化率相关性的分析可以得出，1855年后受黄河改道的影响莱州湾的物源发生了明显的改变，这种变化在靠近莱州湾南岸的WF01孔沉积物中也已非常明显，说明黄河物质的扩散对于莱州湾的影响还是比较大的。

5 结论

(1)通过210Pb测年、粒度及磁化率分析，WF01孔0～300 cm沉积物可分为四段，分别体现了不同时期研究区沉积速率、水动力条件及沉积物物源条件等沉积环境的变化。

(2)WF01孔以218 cm为界，上段(0～218 cm)与下段(218～300 cm)磁化率与各粒组百分含量的相关关系基本呈相反趋势。上段沉积物磁化率与63 μm以下各组分的百分含量呈负相关关系，与大于63 μm粗颗粒的百分含量呈正相关，说明粗颗粒中磁性矿物含量较细颗粒明显偏多；下段沉积物磁化率值与小于32 μm各组分的百分含量呈正相关关系，而与大于32 μm的颗粒组分含量呈负相关关系，说明磁性矿物主要富集在细颗粒沉积物中，粗颗粒中磁性矿物较少。

(3)WF01孔上下两部分沉积物磁化率与粒度组分百分含量之间相关性的差异表明研究区上下两段沉积物物质来源的不同，而造成这种物源差异的原因很可能是1855年黄河从苏北改道进入渤海，大量黄河泥沙在渤海沉积、扩散造成的。

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责任编辑 徐 环

Correlation Between the Grain Size Distribution and Magnetic Susceptibility of Drill Hole WF01 and Its Source Significance in the Adjacent Waters of Weifang Port

LIU Jie1, 2, FENG Xiu-Li2, 3, LIU Xiao2, 4, GAO Wei1, 2, XU Yuan-Qin1, 2

(1. The Key Laboratory of Marine Sedimentology and Environmental Geology, First Institute of Oceanography, SOA, Qingdao 266061, China;2. Laboratory for Marine Geology, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao, 266061, China; 3. The Key Lab Laboratory of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, Ocean University of China, Qingdao 266100, China;4. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

The magnetic susceptibility and grain size of a marine sediment core WF01, located in the east side of Weifang port, were measured and the correlation between them was analyzed. In results, sediments of the drill hole could be divided into four sections, indicating depositional environment change during different periods. The correlation coefficient between magnetic susceptibility and the mean grain size was opposite at 218 cm. The correlation coefficient of magnetic susceptibility with the content below 63 μm was negative, and with the content greater than 63 μm was positive in the depth of 0～218 cm. The correlation coefficient of magnetic susceptibility with the content below 32 μm was positive, and with the content greater than 63 μm was negative in the depth of 218～300 cm. The verschiedenheit indicates the differences of sediments source in the two section, and this was mainly because that the modern Yellow River delta was formed since 1855 when a major switch took place at Tongwaxiang and most suspended load appeared to diffuse and deposit in the Bohai Sea.

grain size; magnetic susceptibility;210Pb dating; sedimentary environment changes; South Laizhou Bay

国家自然科学基金委员会-山东省人民政府海洋科学研究中心联合资助项目(U1606401)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(2015G08)资助 Supported by the NSFC-Shandong Joint Fund for Marine Science Research Centers (U1606401) and Basic Scientific Fund for National Public Research Institutes of China (2015G08)

2015-07-01；

2016-07-01

刘杰(1987-)，男，博士。E-mail：liujie@fio.org.cn

❋❋ 通讯作者：E-mail：fengxiuli@ouc.edu.cn

P736.21

A

1672-5174(2017)06-104-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20150237

刘杰，冯秀丽，刘潇，等.潍坊港临近海域WF01钻孔沉积物磁化率与粒度变化相关性及其物源意义[J].中国海洋大学学报(自然科学版), 2017, 47(6): 104-111.

LIU Jie, FENG Xiu-Li, LIU Xiao，et al.Correlation between the grain size distribution and magnetic susceptibility of drill hole WF01 and its source significance in the adjacent waters of Weifang port[J].Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(6): 104-111.