黄河三角洲潮坪环境现代生物遗迹与物化条件的响应关系.pdf

第41卷第3期2023年6月Vol.41 No.3Jun.2023沉 积 学 报ACTA SEDIMENTOLOGICA SINICA黄河三角洲潮坪环境现代生物遗迹与物化条件的响应关系王翠1，王媛媛1，2，胡斌1，21.河南理工大学资源环境学院，河南焦作 4540032.河南省生物遗迹与成矿过程重点实验室，河南焦作 454003摘 要 黄河三角洲潮坪在沉积过程中长期受各种物理化学环境因素的影响，而其中生物遗迹特征可以高精度高灵敏度地反映环境的变化。运用沉积学和遗迹学方法，全面系统地研究遗迹的分布、分异度、行为生态学、形态变化及扰动率等特征，分析其与三角洲潮坪沉积过程中受波浪和潮汐作用影响下物理化学因素之间的响应关系。结果表明：1）黄河三角洲潮坪沉积中生物遗迹的分异度、丰度与沉积物的粒度、沉积速率、水动力和总有机碳（TOC）含量分布基本一致，但盐度和浑浊度影响了生物遗迹分布的种类。造迹生物种类相同的情况下，盐度影响了生物的潜穴直径和扰动率，盐度相同的情况下，浑浊度影响生物潜穴的数量；2）潮上带生物遗迹分异度整体呈对称均衡分布，但在粉砂质底层区域和多条潮道的汇聚处，生物遗迹的丰度和分异度最高；3）潮间带整体生物遗迹分异度和丰度与粒度变化不大，但在TOC含量相对较高、水动力相对较弱、沉积速率低、盐度降低的几条潮道汇聚处，生物遗迹丰度和分异度达到最高；4）潮下带生物遗迹丰度和分异度整体呈对称均衡分布。该研究将补充、完善和修正已有的三角洲潮坪遗迹学和现代潮坪沉积学资料，并对高精度地解释、修正古潮坪环境起到一定的作用。关键词 生物沉积构造；物理化学同素；潮坪；黄河三角洲第一作者简介 王翠，女，1996年出生，硕士研究生，地质学，E-mail:通信作者 王媛媛，女，副教授，E-mail:中图分类号 P512.2 文献标志码 A0 引言 前人关于潮坪沉积环境的研究大多侧重于潮坪的物理化学沉积特征，包括粒度分析12、层理特征描述36、沉积年代分析7等，然而生物对环境的反应是极其敏感的，其与沉积作用之间相互作用相互影响。遗迹学正是基于发现和分析生物成因的沉积构造，研究现代和古代的生物遗迹，主要强调生物与环境相互影响，密不可分，为鉴定和解释沉积环境起到了不可替代的作用813，同时也为油气储层的预测研究提供依据1415。21世纪以来，国外学者对现代生物遗迹的沉积环境分析、形态学描述以及与遗迹化石的对比研究更加深入1620。而潮坪现代生物遗迹的研究除了系统描述沉积学特征和遗迹学外2122，也有学者深入研究了不同研究区潮间带生物遗迹群落的组成分布特征，并进行物理化学因素对其影响的分析2324。研究发现环境因素，如能量条件、底层性质、粒度、沉积速率、盐度、浑浊度、有机碳含量及其他物理化学特性会影响沉积介质中生物遗迹的种类、大小和分布2527，而生物遗迹特征如遗迹的分布、分异度、形态变化以及遗迹的行为生态学等在一定程度上可以灵敏地反映沉积过程中的物理化学环境因素18,24,28。黄河三角洲是一类典型的高泥沙高流量沉积环境，其沉积作用是物理、化学和生物三者相互影响的复杂动态过程，物理因素和沉积构造是了解现代三角洲沉积环境的有力工具7,2931，然而伴随沉积产生的生物遗迹的研究一般只是遗迹形态32、生物沉积构造、组成及分布特征3335。现代潮坪遗迹学特征对物化因素的响应关系既可以指示沉积环境的变化，也可以为潮坪古遗迹学提供实证材料。因此，详尽且精细的黄河三角洲潮坪环境的生物遗迹特征与沉积过程中物理化学环境因素的响应，还有待系统研究。收稿日期：20210811；修回日期：2021-09-08；录用日期：2021-10-25；网络出版日期：2021-10-25基金项目：国家自然科学基金项目（41602114，42172130）Foundation：National Natural Science Foundation of China,No.41602114,42172130DOI:10.14027/j.issn.10000550.2021.126文章编号：10000550（2023）03074815第3期王翠等：黄河三角洲潮坪环境现代生物遗迹与物化条件的响应关系1 地质概况 渤海湾黄河三角洲潮坪面积广阔，底栖生物丰富，主要受不规则的半日潮控制，平均潮差为0.731.77 m，平均速度为0.51.0 m/s36。潮坪表面有大量树枝状潮沟，微地形变化复杂。潮流为往复流，一般平行于海岸线，涨潮时研究区被海水淹没，落潮时露出水面，为野外工作提供了有利的条件。研究区位于山东省东营市黄河三角洲南部潮坪（119 0119 10 E，37 3737 43 N）（图1），坡度自岸向内陆缓慢增加，且涨潮流速大于落潮流速，因此由涨潮带来的沉积物很难再次搬运回去。潮坪环境依次为潮上带，潮间带以及潮下带37，沉积物主要来源是随潮汐往复的黄河入海的悬浮泥沙38。2 材料与方法 本研究选取黄河三角洲南部潮坪的现代生物遗迹作为野外考察对象，包括形态学、沉积学和遗迹学的调查。通过手持全球定位系统（GPS）绘制地面地图，确定了32个大多平行或垂直于海岸线的采样点（图2），在沉积物或生物分布不均匀的地区额外采样。在各个采样点，测算每平方米生物密度，采集离层面 20 cm 深的沉积物样品进行粒度和总有机碳（TOC）含量分析。在大多数采样点采集水样，测定盐度和浑浊度。取约0.2 g风干的沉积物样品进行预处理，利用Mastersize2000型激光粒度分析仪测定粒度分布，测量误差小于1%。所得到的平均粒径值是利用毫米值的矩量法求得的算术平均值，为了便于比较，转换为phi值。图 1研究区位置图（a）研究区位置；（b）研究区区位图；（c）黄河三角洲潮坪（底图源自美国地质调查局网站http:/glovis.usgs.gov/的Landsat8遥感图像）Fig.1Location of our study area(a)study area location;(b)the location of our study area;(c)the tidal flat of the Yellow River Delta(base map derived from Landsat 8 remote sensing images from the United States Geological Survey website http:/glovis.usgs.gov/)图 2黄河三角洲潮坪采样点分布图Fig.2Sample and station locations within the tidal flat of the Yellow River Delta749第41卷沉 积 学 报对采集的沉积物样品进行TOC 测试。首先在105 下进行24 h的初始干燥，以去除间隙水。取研磨土样2 g及30 mL的盐酸放入封闭的样品管，按照液体高度在试管壁上做标记，放入离心机离心5 min。静置后倒掉上部液体，按标记高度加入纯水，再次放入离心机去酸化45遍，用pH试纸测试，直至pH 值为 7。将去酸化后的土样置于烧杯中，放入60 的烘箱，烘3天，每天10 h。每个样品各称取2个5 mg烘干土，土壤标准物质称取3 mg，用锡杯包裹，每隔 10 个测试样品放置 2 个标样，使用仪器Apollo9000，通过燃烧法测定沉积物中有机碳的含量。在燃烧损失分析期间，用精确到0.001 g的电子秤测定有机物燃烧造成的重量损失。通过计算洞穴开口、箱式取样法及X射线计算机断层扫描技术（CT）综合确定生物扰动程度39。用PVC管选取了33个表面形态完整、具有代表性的生物潜穴进行扫描和三维重构，获取其内部结构的完整信息。CT扫描实验室为中石化胜利油田勘探开发研究院地化实验室，样品直径为7.5 cm，长度为1015 cm，所用仪器为Sanying牌扫描仪，电压150 keV，电流30 mA。将扫描得到的图像用中国科学院南京地质古生物研究所 X 射线断层扫描实验室的软件 VG studio Max进行三维重构，得到生物潜穴的立体图像。3 结果与分析 3.1物理沉积构造黄河三角洲潮坪潮上带处于低能环境，发育沙泥互层的水平层理，是由涨落潮带来的沙质悬浮物与憩流的泥质沉积交互形成。树枝状的潮道两侧水流增强和减弱都有规律，沉积物来源丰富，伴生的物理沉积构造十分发育，有平行层理、软沉积变形（图3a）、潮汐韵律层理（图3b）、板状交错层理、丘状交错层理、波状层理和生物扰动变形层理。软沉积变形于涨潮期间在上部潮道的分岔口处形成28,4041，这部分沉积物以被水充分饱和的黏土和细粉沙为主，沉积物内部黏结力极低，因此涨潮时的潮道两侧容易形成沉积物变形。研究区的潮汐韵律层理是沙质与泥质沉积物的韵律互层，由潮流的周期性变化形成。生物扰动变形层理的规模取决于生物个体的大小，形态由生物体的行为特性决定。层面沉积物间歇性暴露干涸，发育泥裂。潮上带沉积物在较短时间内沉积，层面上很少保留潮汐痕迹。潮间带宽阔，物理沉积构造相对简单，发育沙泥互层的平行层理、丘状层理（图3c）、波状层理、生物扰动变形层理和软沉积变形。潮水流动方向大多垂直、平行或斜交岸线，因此该部分沉积物表面波痕丰富，常见浪成波痕（图3e）。远离潮道的潮间带水动力较弱，在稳定的环境下发育轻微泥裂（图3f）。潮下带处于高能环境，潮流流量和速度大，使得沉积物快速沉积，且沉积物富含水分，产生丰富的软沉积变形（图3d）及生物扰动变形构造。受海洋重力流的影响，其软沉积变形中的沙泥比例较潮上带大，且分布不均匀。层面上有丰富的生物扰动痕迹。3.2沉积特征分析沉积速率是一种局部变化的应力，它与河流输入和泥沙粒径大小密切相关，沉积物的粒度越粗，基底的流动性就越低42。河流流量对沉积作用有强烈的影响，流量越大，可输送到海岸带的碎屑越大23。黄河三角洲潮坪沉积物多为细粒，以淤泥黏土和砂质粉沙为主，含少量的极细沙。粒级分布范围集中，主要粒径明显，分选系数介于0.010.04。按照传统分类方式4344，当分选系数小于0.35时，判定为极好（图4）。从潮下带到潮上带，沉积物粒度逐渐变小（图5），主要受潮汐和风的影响，颗粒大的砂质物质破碎，粗细混杂的物质经过较长距离搬运逐渐分异，砂质粉土和淤泥黏土在稳定的水动力条件下缓慢沉降形成。低潮线附近受急剧多变的海洋控制，波浪的活动及作用时间均比潮坪的较高部位强，因此粗粒沉积物随着潮汐的往复而逐渐沉降，以极细砂为主。研究区最北端长期处于暴露状态，水动力条件最弱，由于潮汐海水侵蚀以及强烈的蒸发形成盐碱地，可见石盐晶体、动物足迹以及稀疏的植被。沉积物偏态值介于-0.60-0.05，按照传统分类方式4344，由图6a可以看出，黄河三角洲潮坪内沉积物呈负偏或近对称。潮上带盐碱地的沉积介质速度比较稳定，粒度累计分布曲线大多是单峰近对称曲线，沉积物分选极好，偏态近乎对称（偏态值：-0.10.1）。潮道两侧和潮间带的采样点沉积物受潮水反复多次冲刷，在原先分选能力较强的沉积环境中得到了很好的分选，再搬运与潮道两侧沉积物发生混合，因此粒度累计分布曲线大多是单峰不对称曲线，偏度呈很负偏态（偏态值：-1.0-0.3）和负偏态。受海水影响强烈的潮下带，粒度累计分布曲线大多呈尖锐双峰不对称曲线，偏度呈负偏态（偏态值：-0.3-0.1），表明有新加入的沉积物。750第3期王翠等：黄河三角洲潮坪环境现代生物遗迹与物化条件的响应关系粒度参数中峰度是用来衡量频率曲线峰凸程度。依据粒度累计分布曲线图中峰的个数来划分，潮上带和潮间带为单峰态，曲线偏斜程度高，因此峰态也高，峰值最大的部分居于中央峰，但其两侧有相对较宽的粗的和细的尾部，说明沉积物主要来自同一主体，来源相似且单一。潮下带为双峰态，沉积物粒径主要分布在34 的极细砂组分，含有少量的610 的细粒组分，分选相对潮上带和潮间带较差。按照McManus 法划分标准43，研究区峰度大于4.50占总数的51.5%，峰度2.754.50占总数的27.3%，峰度1.422.75占总数的15.2%