环境磁学是20世纪70年代中期以来发展起来的一门新兴边缘学科,以磁性测量为核心手段,磁性矿物为载体,通过分析物质的磁性矿物组合和特征,揭示不同时空尺度的环境作用、环境过程和环境问题。1986年Thompson等^[1]出版的《Environmental Magnetism》一书系统地论述了如何将矿物的磁学性质应用于不同的环境研究,对磁学在环境科学研究中的普及与应用起到极大的推动作用,标志着环境磁学作为一门相对独立的分支学科正式建立。

由于磁性矿物是沉积物中普遍存在的组分,磁性矿物的类型、含量和晶粒大小等特征,与沉积物的物质来源^[2]、搬运营力^[3]和早期成岩作用^[4]等有关,而这些因素的变化在很大程度上受到气候和环境变化的驱动。因此,通过分析沉积物磁性特征,可以提取沉积物来源^[2,3],物源变化^[5],沉积环境变化^[6~8],以及沉积物源与沉积环境的耦合作用^[9]等信息。

就研究对象而言,环境磁学主要集中在黄土^[10~12]、湖泊^{[7, 13, 14]}和海洋沉积物^{[4, 15, 16]}上,而针对潮滩沉积物的则比较少。目前,国外研究较多的是英国Irish海沿岸潮滩^[17~20],国内是长江口潮滩^{[3, 5, 21~24]},而针对黄河三角洲潮滩的研究则较少,尤其是利用磁学方法来研究潮滩沉积环境演变。因此,本文通过测量黄河三角洲潮滩YDZ1柱样沉积物磁学参数,结合粒度分析和AMS¹⁴C测年数据,在分析黄河三角洲潮滩沉积物磁性特征的基础上,对潮滩沉积环境演变进行研究。

1 研究区概况

现代黄河三角洲是以利津为顶点,北起徒骇河口,南到小清河口,面积约5 450 km²的扇形区域,地处117°31′E~119°18′E和36°55′N~38°16′N之间,沉积物类型主要为粉砂和粘土质粉砂。现代黄河三角洲形成于1855年,位于渤海盆地东部的济阳断陷和埕宁隆起之间,它的形成与发展与渤海盆地的演化密切相关^[25]。15万aB.P.左右黄河切穿三门峡后,15~0.23万aB.P.是黄河泥沙建造华北平原的主要时期,0.23万aB.P.以来黄河泥沙主要被输送入海,其中1 kaB.P.以来年均入海沙量高达11~12亿t。历史上黄河在广阔的华北平原上大幅度摆动入海,泥沙大量沉降,形成众多古黄河三角洲。1855以来黄河入海流路改道9次,其中1855~1953年自然改道6次,这一时期黄河三角洲基本处

于自然淤涨状态。1953年以后,入海流路人工改道3次,其中1953~1976年分别从神仙沟和刁口河流路入海,致使三角洲东北部迅速淤涨;1976年至今从清水沟流路入海,形成向三角洲东南方向凸出的河口沙嘴,其间于1996年在清水沟流路8号断面附近实施人工出汊,使入海口门向北摆动。

2 研究资料和方法

2010年4月30日~5月3日在黄河三角洲五号桩附近潮滩上钻取YDZ1柱样,孔深为31.66 m,采样率为90.6%,孔口坐标为38°01.08′N,118°54.46′E。柱样采集后现场封存,运回实验室进行剖样和描述（颜色、气味和粒度）,在有碳或贝壳处采集样品用于¹⁴C测年（送样到北京大学加速质谱实验室测定）。描样完成后以5 cm长度分样,用于磁学和粒度测定。

磁学测量样品经40℃左右低温烘干后,倒入玛瑙研钵内,挑出生物碎屑后磨成粉末状,称取10 g左右样品装入圆柱状聚乙烯样品盒内并压实,然后按照下列次序进行磁性测量：低频磁化率和高频磁化率;非磁滞剩磁(ARM,交变磁场峰值100_mT、直流磁场0.04_mT）;饱和等温剩磁（SIRM,磁场强度为1000_mT）;具有饱和等温剩磁的样品在-100_mT和-300_mT磁场中退磁后所带的剩磁（IRM_-100mT、IRM_-300mT）。磁化率测量仪器为英国Bartington MS₂磁化率仪,非磁滞剩磁和等温剩磁测量仪器为英国Molspin公司生产的交变退磁仪、脉冲磁化仪和Minispin旋转磁力仪。根据测量结果,计算各磁学参数和比值参数,分别为单位质量磁化率c(×10^-8m³/kg)、频率磁化率c_fd(%)、非磁滞剩磁磁化率c_ARM(×10^-8m³/kg)、饱和等温剩磁SIRM(×10^-6Am²/kg)、硬剩磁HIRM(×10^-6Am²/kg)、退磁参数S_-100(%)、S_-300(%)、c_ARM/c、c_ARM/SIRM(×10^-5m/A)、SIRM/c(kA/m)。

粒度测量采用Mastersize 2000型激光型粒度仪。测量前,先进行样品制备：将单个样品充分混合均匀后,取适量放入烧杯中,注入10 mL左右蒸馏水后,加入1~2滴浓度为30%的H₂O₂去除有机质,用超声波清洗机稍微振荡,加入1~2滴浓度为10%的HCl,使其充分反应去除钙质等,将烧杯注满蒸馏水静置24 h后抽去上层蒸馏水,加入1~2滴分散剂用超声波清洗机振荡后进行测量。

3 研究结果

根据磁性特征和岩性的垂向变化,可将YDZ1沉积柱样自下而上分为7层：第1层（31.66~24.0 m）、第2层（24.0~22.1 m）、第3层（22.1~13.5 m）、第4层（13.5~7.4 m）、第5层（7.4~3.6 m）、第6层（3.6~2.0 m）和第7层（2.0~0 m）,各层的磁性特征变化如图1所示。

3.1 磁性矿物的含量

c和SIRM通常指示样品中亚铁磁性矿物的含量,与c不同的是,SIRM不受顺磁性和抗磁性物质的影响^[1]。YDZ1柱样中c和SIRM呈显著的正相关性（图2）,反映了c的变化主要由亚铁磁性矿物所贡献。HIRM通常反映了样品中不完整反铁磁性矿物的含量^[1]。第1层的χ、SIRM和HIRM向上呈波动增加趋势,在28 m和31 m深度附近存在小的峰值,全剖面HIRM均值最低出现在该层（表1）;第2层的χ和SIRM比较稳定,全剖面这两个参数均值最低出现在该层,但HIRM却与第1层相当（表1）;第3层的χ、SIRM和HIRM比第2层的明显增加,其中χ向上呈显著的增加趋势,在14.5 m深度附近出现全剖面的最大值,SIRM变化不大,但在21.5 m深度附近出现全剖面的最大值,HIRM呈波动增加趋势;第4层和第5层的χ、SIRM和HIRM向上均呈波动变化趋势,且第5层的波动幅度比第4层的大,在第4层9 m深度附近χ存在一个小的谷值,而HIRM存在一个小的峰值;第6层的χ、SIRM和HIRM呈剧烈波动趋势,其均值为全剖面最高（表1）;第7层的χ、SIRM和HIRM向表层呈减小趋势。

χ_ARM对稳定单畴亚铁磁性矿物颗粒极为敏感^[1]。从图1可以看出,除第6层和第7层外,χ_ARM的变化趋势与χ基本一致。自第1层向第3层,χ_ARM呈现波动上升趋势,其中在14.5 m深度附近出现最大值。第4层到第6层的χ_ARM呈现低-高-低的变化趋势,第7层的χ_ARM向表层呈现增加趋势,这与χ在该层的变化趋势相反。

3.2 磁性矿物的晶粒变化特征

磁性矿物的磁畴结构随晶粒大小而变化,通常分为多畴（MD,>10 mm）、假单畴（PSD,0.1~10 mm）、稳定单畴（SSD,0.04~0.06 mm）和超顺磁（SP,<0.03 mm）晶粒。沉积物的磁性特征随磁畴结构而改变,因此,通过磁畴可以获取磁性矿物晶粒大小信息。

16 m以下由于高频磁化率测量时的不稳定,造成c_fd%值为负值,在数据处理中默认为零处理。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1   YDZ1柱样磁性特征的垂向变化

Fig.1   Vertical variations of magnetic properties in the core YDZ1

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2   SIRM与χ之间的关系

Fig.2   Relationship between SIRM and χ of the core YDZ1

当c_fd%<1%,表明样品中几乎不含有超顺磁（SP）晶粒^[1]。除极个别样品外,16 m以上YDZ1柱样沉积物的c_fd在1%~10%之间波动（图1）,显示了超顺磁（SP）晶粒的存在。

比值参数c_ARM /c可指示磁性矿物晶粒的大小,高值反映了较细的稳定单畴晶粒较多,低值指示了较粗的多畴晶粒或大量的超顺磁晶粒^[28,29]。比值参数c_ARM /SIRM与c_ARM /c类似,也可指示磁性矿物晶粒的大小,但由于不受超顺磁晶粒的影响,低值则反映了较粗的多畴晶粒。在YDZ1柱样中,这两个参数呈现一致的变化,且绝大多数的c_ARM /c<10、c_ARM /SIRM < 60×10^-5m/A（图1）,指示了磁性矿物以假单畴~多畴晶粒为主。在13.5~18.2 m深度的c_ARM /SIRM > 60×10^-5m/A（图1）,表明稳定单畴—假单畴晶粒主导了样品的磁性特征。

3.3 磁性矿物的类型

S_-100和S_-300通常反映了样品中亚铁磁性矿物（如磁铁矿）和不完整反铁磁性矿物（如赤铁矿、针铁矿）的相对比例,它们的值随着不完整反铁磁性矿物的增加而下降^{[26, 27]}。样品S_-300比较高时,说明亚铁磁性矿物主导了样品的磁性特征,不完整反铁磁性矿物的贡献相对较小;反之则说明样品中亚铁磁性矿物较少,不完整反铁磁性矿物的贡献相对较大。S_-100除了受磁性矿物类型的影响,还受到磁性矿物晶粒大小的影响,较低的S_-100反映了较多的稳定单畴晶粒。

除第2层外,YDZ1柱样的S_-300值在86%~96%之间波动（图1）,平均值为93%,即经-300 mT磁场磁化后,样品所携剩磁已接近饱和,说明亚铁磁性矿物主导了样品的磁性特征,但同时存在不完整反铁磁性物质的贡献。沉积物的S_-100值在75%~90%之间波动（图1）,平均值为82%,同样说明了亚铁磁性矿物主导了样品的磁性特征。第2层的S_-300值在66%~85%之间波动,S_-100值在51%~70%之间波动,说明不完整反铁磁性矿物的贡献相对较大且稳定单畴晶粒相对较多。

4 讨 论

4.1 磁性特征与粒度组成的关系

在自然状况下,磁铁矿晶粒会遵循水力学原理,按其粒径大小分异和沉积。沉积物粒径逐渐减小,粘土含量逐渐增加,表明水动力环境逐渐减弱,指示磁铁矿晶粒大小的磁学参数χ_ARM、χ_fd%、χ_ARM/χ和χ_ARM/SIRM值逐渐增加,即与粘土含量成正相关,原因在于单畴和超顺磁晶粒多富集在粘土中,沉积物越细,其所含细晶粒亚铁磁铁矿越多。

Thompson等^[1]提出将χ_ARM和χ_fd%视为粘土（<4 μm）,甚至是细粒级组分（<32 μm）含量的替代性指标。Oldfield等^[17]在对爱尔兰海滨沉积物研究中发现,χ_ARM和χ_ARM/χ与细粒级组分（<32 μm）含量高度相关,提出可用这两个参数作为沉积物细粒级组分含量的代用指标。张卫国等^[23]对长江口潮滩沉积物磁学特征研究表明,χ_ARM等指示细晶粒亚铁磁性矿物的参数与粘土（<4 μm）,甚至<32 μm的细粒级组分含量高度正相关,可作为沉积物细粒级组分的代用指标。

根据分析发现,黄河三角洲潮滩YDZ1柱样沉积物磁学参数中的χ_ARM、χ_fd%、χ_ARM/χ和χ_ARM/SIRM与沉积物中的粘土（<4 μm）和细粒级组分（<32 μm）含量之间显著的正相关（图3）,其中χ_ARM的相关程度最高,其次为χ_ARM/SIRM,然后为χ_fd%,最后为χ_ARM/χ。沉积物细粒级组分与χ_ARM等参数具有高度正相关性,说明沉积后的次生变化对磁性特征的影响较小, 否则细晶粒磁性矿物在早期成岩过程中的优先溶解,可能会使其与沉积物细粒级组分的相关性丧失。由表1和图4可以发现,YDZ1柱样沉积物中粘土含量最高,平均粒径Ф值最大的第3层,其χ_ARM、χ_ARM/χ和χ_ARM/SIRM值也最大,吻合了细晶粒亚铁磁铁矿主要富集在细粒级组分中（尤其是粘土）这一现象。在第3层中粘土含量向上呈现增加趋势,与χ_ARM、χ_ARM/χ和χ_ARM/SIRM的变化趋势一致,这表明细晶粒物质增加,而较粗的假单畴~多畴晶粒含量减少。

4.2 磁性特征的沉积环境意义

15 kaB.P.前,中国东海岸线的海平面从末次冰盛期的低海平面以1.67 mm年均速率上升,到达黄河三角洲地区约在8.8 kaB.P.,6 kaB.P.左右达到最高海平面^[30]。因此,末次冰盛期后黄河三角洲地区经历了全新世海侵。现代黄河三角洲是一个非常年轻的三角洲,基底大致以1855年古海岸线为界。根据YDZ1柱样沉积物磁性特征变化,结合粒度分析（粘土百分含量、平均粒径）和AMS¹⁴C测年数据,对末次冰盛期后黄河三角洲潮滩沉积环境进行了划分（图4）。

根据AMS¹⁴C测年,YDZ1柱样沉积层在22.91 m处的年龄为（8 645±35）aB.P.,在27.05 m处的年龄为（13 355±50）aB.P.,因此,全新世海侵层基底应该在22.91~27.05 m之间。在约24 m处,沉积物粘土含量,平均粒径和磁学参数χ_ARM和χ_ARM/SIRM值出现明显的趋势变化。24 m以下粘土含量减少,平均粒径Ф值减小,沉积物变粗趋势明显,磁学参数χ_ARM和χ_ARM/SIRM值呈减小趋势,表明沉积物中磁性矿物晶粒变大。24 m往上沉积物粘土含量逐渐增加,平均粒径Ф值增大,沉积物变细趋势明显,磁学参数χ_ARM和χ_ARM/SIRM值增大,表明沉积物中磁性矿物晶粒变小。因此,将24 m处作为全新世海侵层基底。在约13.5 m处,沉积物磁学和粒径参数又出现明显的趋势变化。13.5 m以上,沉积物粘土含量减少,平均粒径Ф值减小,沉积物呈变粗趋势;磁学参数χ_ARM和χ_ARM/SIRM值在13.5 m处迅速减小,表明沉积物中磁性矿物晶粒变大,再往上变化趋势虽有所波动,但总体比较稳定。因此,将13.5 m处作为海侵层的顶界。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3   磁学参数与粘土（<4 μm）和细粒级组分（<32 μm）含量之间的关系

Fig.3   Relationships between magnetic parameters,contents of clay (<4 μm) and fine grain size (<32 μm)

通过以上分析,可将末次冰盛期后黄河三角洲潮滩沉积环境自上而下划分为3个大的阶段：0~13.5 m为第一陆相层,即现代黄河三角洲沉积;13.5~24 m为第一海相层,即全新世海侵沉积,且沉积物上细下粗的粒径特征与海侵沉积层序吻合;24~31.66 m为第二陆相层。然后再根据柱样沉积物粘土含量、平均粒径和磁学参数的变化（图1）,对3个大的沉积阶段进行亚相划分。

1） 第一陆相层：0~13.50 m

泛滥平原相（0~1.80 m）,沉积物主要为黄色粉砂,粘土含量、平均粒径、χ_ARM和χ_ARM/SIRM的均值分别为11.79%,5.79 Φ,157.45×10^-8m³/kg和4.61和30.04×10⁵m/A;

河流相（1.80~3.60 m）,沉积物主要为黄色砂质粉砂和粉砂质砂,粘土含量、平均粒径、χ_ARM和χ_ARM/SIRM的均值分别为7.11%,4.24 Φ,85.25×10^-8m³/kg和15.70×10⁵ m/A;

三角洲前缘沉积相（3.60~13.50 m）,沉积物粘土含量、平均粒径、χ_ARM和χ_ARM/SIRM的均值分别为13.24%,5.32 Φ,175.46×10^-8m³/kg和36.82×10⁵m/A;其中3.60~7.20 m沉积物主要为黄色粉砂质砂夹灰黄色粘土质粉砂,可能为河口沙坝相;7.20~13.50 m沉积物主要为灰黄色粉砂与黄色砂质粉砂互层,可能为远端沙坝相。

2） 第一海相层：13.50~24.00 m

浅海沉积相（13.50~22.10 m）,沉积物主要为灰黑色粘土质粉砂,粘土含量、平均粒径、χ_ARM和χ_ARM/SIRM的均值分别为22.36%,6.34 Φ,298.14×10^-8m³/kg和62.58×10⁵m/A;

潮坪相（22.10~24.00 m）,沉积物主要为灰黑色粘土质粉砂与灰黄色砂质粉砂互层,粘土含量、平均粒径、χ_ARM和χ_ARM/SIRM的均值分别为21.65%,6.26 Φ,30.75×10^-8m³/kg和25.95×10⁵m/A;

3） 第二陆相层：24.00~31.66 m

河流相,沉积物主要为灰黄色粉砂质砂和砂与灰褐色粉砂质砂互层。

由以上分析可知,末次冰盛期后黄河三角洲潮滩沉积动力环境大致经历了强（弱→强→弱）→弱（弱→强）→强的演变过程。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4   黄河三角洲潮滩YDZ1柱样沉积相序

Fig.4   Sedimentary facies of core YDZ1 in tidal flat of the Yellow River Delta

5 结 论

通过分析黄河三角洲潮滩YDZ1柱样沉积物磁学参数的变化特征,结合粒度信息和AMS¹⁴C测年数据,对末次冰盛期后黄河三角洲潮滩沉积环境进行了初步探讨,得出以下几点结论：

1） 亚铁磁性矿物主导了黄河三角洲潮滩沉积物的磁性特征,不完整反铁磁性矿物的贡献相对较小,亚铁磁性矿物以假单畴~多畴晶粒为主。

2） 黄河三角洲潮滩沉积物环境磁学参数中的χ_fd%、χ_ARM、χ_ARM/SIRM和χ_ARM/χ可作为沉积物中粘土（<4 μm）或细粒级组分（<32 μm）含量的代用指标,用于指示沉积环境演变。

3） 黄河三角洲潮滩沉积相序自上而下依次为泛滥平原相,河流相,三角洲前缘相,浅海相,潮坪相和河流相,沉积动力环境表现为强（陆相）,弱（海相）,强（陆相）的演变过程。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

文献选项

• 原文顺序
• 文献年度倒序
• 文中引用次数倒序
• 被引期刊影响因子