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崇明东滩表层沉积物中7Be活度的粒度效应

吴梅桂 赵峰 王锦龙 杜金洲 谷河泉

引用本文:
Citation:

崇明东滩表层沉积物中7Be活度的粒度效应

    作者简介: 吴梅桂(1986-), 女, 福建晋江人, 硕士, 工程师, 主要从事海洋环境放射性监测与评价和同位素海洋化学等研究, E-mail:rosemg1027@163.com;
    通讯作者: 王锦龙, jlwang@sklec.ecnu.edu.cn
  • 基金项目: 国家自然科学基金面上项目 41776091
    广东省自然科学基金-博士启动 2017A030310592
    热带海洋环境国家重点实验室(中国科学院南海海洋研究所)开放课题 LTO1709
    国家海洋公益性项目 201505005-6

  • 中图分类号: P736

The grain size effect of 7Be activity in surface sediments of Chongming tidal flat, China

    Corresponding author: Jin-long WANG, jlwang@sklec.ecnu.edu.cn ;
  • CLC number: P736

  • 摘要: 本文于2010年7月至2011年2月期间,每月于长江口区域崇明东滩的高、中、低不同潮滩采集表层沉积物样品,利用水淘选原理和沉积物分级装置进行粒度分级,获得从粗到细的A、B、C、D四种不同粒径大小(>63 μm、32~63 μm、16~32 μm以及8~16 μm)的样品组分及其相应的7Be活度。研究结果表明:粗粒级部分的含量随着离岸距离的增加而增高;细粒部分则反之。粒度由细到粗,7Be活度呈降低趋势。对分级后样品的粒径(φ单位)与7Be活度值做相关性研究发现,高、中潮滩沉积物7Be核素活度受降水影响大于低潮滩沉积物。相较于中低潮滩,位于高潮滩的14#站位,7Be活度与平均粒径的相关性最差。7Be活度和平均粒径相关性的季节性差异不甚明显。本研究结果表明,在利用7Be研究河口海岸区域中季节时间尺度颗粒悬浮物的输运和沉积过程当中,应充分考虑粒度效应的影响。
  • 图 1  崇明东滩调查站位

    Figure 1.  Map of the sampling locations

    图 2  分级装置示意[22](ABCD直径分别为:25 mm,50 mm,100 mm,200 mm)

    Figure 2.  Water elutriation apparatus [22](The diameter of ABCD:25 mm, 50 mm, 100 mm, 200 mm)

    图 3  表层沉积物分级样品质量百分比

    Figure 3.  The mass percentage of surface sediments after elutriation

    图 4  分级样品粒度分布

    Figure 4.  The grain size analysis of sediment after elutriation

    图 5  三站位分级后样品中7Be核素活度随时间变化

    Figure 5.  Monthly change of 7Be after elutriation at 14#, 27#, 45# stations

    图 6  分级样品7Be核素活度与平均粒径的散点图

    Figure 6.  Relationship between grain size and activities of 7Be

    表 1  表层沉积物分级前后粒度参数对比

    Table 1.  The comparison of sediments size data before and afterelutriation

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出版历程
  • 收稿日期:  2017-11-22
  • 录用日期:  2018-01-09
  • 刊出日期:  2019-08-20

崇明东滩表层沉积物中7Be活度的粒度效应

    作者简介:吴梅桂(1986-), 女, 福建晋江人, 硕士, 工程师, 主要从事海洋环境放射性监测与评价和同位素海洋化学等研究, E-mail:rosemg1027@163.com
    通讯作者: 王锦龙, jlwang@sklec.ecnu.edu.cn
  • 1. 国家海洋局南海环境监测中心, 广东 广州 510300
  • 2. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室, 上海 200062
基金项目:  国家自然科学基金面上项目 41776091广东省自然科学基金-博士启动 2017A030310592热带海洋环境国家重点实验室(中国科学院南海海洋研究所)开放课题 LTO1709国家海洋公益性项目 201505005-6

摘要: 本文于2010年7月至2011年2月期间,每月于长江口区域崇明东滩的高、中、低不同潮滩采集表层沉积物样品,利用水淘选原理和沉积物分级装置进行粒度分级,获得从粗到细的A、B、C、D四种不同粒径大小(>63 μm、32~63 μm、16~32 μm以及8~16 μm)的样品组分及其相应的7Be活度。研究结果表明:粗粒级部分的含量随着离岸距离的增加而增高;细粒部分则反之。粒度由细到粗,7Be活度呈降低趋势。对分级后样品的粒径(φ单位)与7Be活度值做相关性研究发现,高、中潮滩沉积物7Be核素活度受降水影响大于低潮滩沉积物。相较于中低潮滩,位于高潮滩的14#站位,7Be活度与平均粒径的相关性最差。7Be活度和平均粒径相关性的季节性差异不甚明显。本研究结果表明,在利用7Be研究河口海岸区域中季节时间尺度颗粒悬浮物的输运和沉积过程当中,应充分考虑粒度效应的影响。

English Abstract

  • 7Be是一种天然放射性核素,半衰期为53.3 d,由对流层和同温层大气中的氧和氮在宇宙射线作用下分裂生成,主要通过干湿沉降到达地球表面[1-2]7Be在水环境中具有很强的颗粒活性(Kd:105~106 mL/g)[3-4],而且半衰期较短,因此被广泛应用于月份到季度时间尺度上的海洋体系中颗粒悬浮物和沉积过程的研究[5-8]。河口地区的7Be主要来源于河口大气干湿沉降和流域的输入[9-10],因此7Be在指示陆源泥沙向海输送方面也具有重要的应用[8, 11-12]。然而,7Be的示踪原理基于其吸附在颗粒物并随着颗粒物在水环境中输运,而颗粒物/沉积物的粒径大小势必会影响到其示踪结果的准确性[13]。沉积物的粒度特征是其基本性质之一[14-16],往往受沉积环境、沉积动力和沉积作用等多种条件影响及制约,使其在反映沉积过程和物源判定方面的应用具有一定的限制。

    虽然在全球多个河口(包括长江口)已有较多7Be示踪颗粒物输运的研究,但对粒度效应对7Be活度影响的研究还远远不够[3, 6-8]。近年来,也有许多学者对长江口区域的沉积物粒度特征及其环境指示意义等做了研究[17-21],但这些研究主要关于河口沉积物的粒度空间分布特征,对于像年际、洪枯季等不同时间范围的粒度变化的研究则较少。而且,不同粒度组分中核素(如7Be)的含量还不清楚。因此,为了更好理解7Be在月份到季度时间尺度上对沉积物过程的示踪作用,本文利用水淘选原理,搭建分级装置[22],对不同月份在长江口崇明东滩采取的表层沉积物样品进行粒度分级,通过对分级后样品做平均粒径分析和核素7Be的活度测量,以期了解河口潮滩表层沉积物中7Be在不同粒度等级、不同季节的分布和变化特征。

    • 作为中国的第三大岛,崇明岛是上海市重要的生态保护区,也是鸟类重要的栖息地。崇明东滩位于崇明岛的最东端,南北濒临长江的入海口,东面是长江口滨海区域。目前崇明东滩在以较高的淤涨速率向东海推进,是全岛最具成长性的部分。崇明东滩是长江口地区最大的一块湿地,也是长江口区的最大淤积带之一,其高、中潮滩被芦苇和藨草等植被覆盖,低潮滩则大部分为光滩,涨落潮的最大流速为0.5 m/s,其含沙量超过1.0 kg/m3[23]。崇明东滩的冲淤状况受到长江口复杂水动力作用和人类活动如上游建坝、河口围垦、航道工程等的影响[24]

    • 从2010年7月至2011年2月,在崇明东滩的中部断面选择并设定了三个采样地点,分别代表滩涂不同高程和植被覆盖类型。三个采样地点为14#、27#以及45#站位(见图 1b)。

      图  1  崇明东滩调查站位

      Figure 1.  Map of the sampling locations

      在这三个站位,分别进行每月的表层沉积物样品(0~5 cm)采集。14#站位位于高潮滩,主要被芦苇覆盖;27#站位位于中潮滩,主要被藨草覆盖,或者接近藨草带与光滩的分界处;45#站位为光滩,没有植被覆盖。

    • 本实验使用的分级装置[22]图 2所示。从A至D四个分选柱,直径依次翻倍,在控制流速固定的情况下,柱内颗粒物的沉积速率则依次减小为前者的1/4。根据Stokes公式:

      图  2  分级装置示意[22](ABCD直径分别为:25 mm,50 mm,100 mm,200 mm)

      Figure 2.  Water elutriation apparatus [22](The diameter of ABCD:25 mm, 50 mm, 100 mm, 200 mm)

      式中:V代表沉积速率;K是比例常数;r代表颗粒物的粒径[25]V减小为前者的1/4,那么r则减小为前者的1/2。因此理论上而言,对应于A、B、C、D和E五个容器,可分别得到如下五种不同粒径范围的组分:>63 μm、32~63 μm、16~32 μm、8~16 μm和 < 8 μm。

    • 取1000 g左右已干燥的沉积物样品,准确称量质量,置于5 L的塑料大烧杯中,加入5 L蒸馏水,利用搅拌机缓和搅拌均匀。向四个分选柱内注满蒸馏水,搭好装置,保持体系密闭,启动蠕动泵,调节并固定流速为90~100 mL/min,保持分级时间为2~3 h。分级结束后,收集得到A、B、C、D、E 5个样品(因粒度过细,故本实验不收集E组分)。本实验回收率为90%,因此实验过程中可能造成的7Be损失可以忽略,可以假设样品全部转移。

      将集得的A、B、C、D不同粒径的颗粒物于60℃烘干,研磨均匀后装入样品盒,测量样品质量和装样高度,使用超低本底高纯锗探测器伽马能谱仪(Canberra,BE3830)测定7Be的活度,并取少量样品进行粒度分析。平均粒径Φ单位由克鲁宾(Krumbein)于1934年提出[26],它与毫米单位的换算公式如下:

      式中:D为平均粒径(mm);ΦD一样均表示的是长度单位,粒径越小,Φ值越大。

      伽马能谱仪的效率刻度采用Canberra公司的LabSOCS无源效率刻度软件[27-28],测量时间12~24 h。以477.61 keV(分支比:10.5%)处的峰面积计算7Be活度。样品的粒度采用美国库尔特(Coulter)公司生产的库尔特激光粒度分析仪(Coulter LS-100)进行测量[29]

    • 2010年7月以及2011年2月,各站位的表层沉积物样品经过分级处理后,所得到的A、B、C和D四组分(从粗到细)占分级后样品总量的质量百分数(下文简称分级占比)如图 3所示。其中图 3a为2010年7月的分级占比,代表洪水季节的分级效果,图 3b为2011年2月的分级占比,代表枯水季节的分级效果,以此分析、对比洪、枯两季的分级效果情况。从图 3a中可看出,位于高潮滩的14#站位的样品,总体粒度较细,A组分(粗颗粒)的分级占比最低,其余组分大致相平;位于中潮滩的27#站位的样品,B组分的分级占比最高,D组分最低;位于低潮滩的45#站位的样品,总体粒度较粗,A组分的分级占比最高,B组分仅次于A组分,D组分则为最低。而从所处站位看来,从14#站位到27#站位再到45#站位,最粗的A组分占比依次增高,D组分分级占比依次降低。换言之,粗粒部分含量随着离岸距离的增加而增高;细粒部分则反之,相同粒度等级的组分其含量随着离岸距离的增加而减少。而2011年2月在三个站位采集的沉积物样品的分级与2010年7月略有不同,总体上前者样品分级后较粗的组分占比相比前者较大。

      图  3  表层沉积物分级样品质量百分比

      Figure 3.  The mass percentage of surface sediments after elutriation

    • 美国AGU(地球物理学会)依据泥沙粒径绘制了分类表[30],根据该表,本次分级所得样品主要沉积物类型为砂、粉砂以及粘土(平均粒径范围落在2.50 μm至150.82 μm之间)。表 1列出了分级前后各参数对比。图 4a图 4b分别为2010年7月和2011年2月样品分级后的粒度分析图(每图中第五个柱状列代表各站位未分级样品的粒径分析)。

      表 1  表层沉积物分级前后粒度参数对比

      Table 1.  The comparison of sediments size data before and afterelutriation

      图  4  分级样品粒度分布

      Figure 4.  The grain size analysis of sediment after elutriation

      表 1的数据可以发现,14#站位分级样品从A到D,平均粒径从21.63 μm降至2.50 μm;27#站位分级样品从A到D,平均粒径从20.13 μm降至3.93 μm;45#站位分级样品从A到D,平均粒径从53.64 μm降至5.34 μm。再结合图 4a,从A到D,粘土含量依次增高,粉砂或砂含量则依次降低;对未进行分级的样品而言,砂、粉砂、粘土含量以及平均粒径均位于平均水平。可以说,无论是14#站位、27#站位或45#站位,均达到了一定的分级效果。

      同样的分析也适用于枯季样品。从表 1数据可以发现,14#站位分级样品从A到D,平均粒径从17.47 μm降至4.74 μm;27#站位分级样品从A到D,平均粒径从26.52 μm降至5.46 μm;45#站位分级样品从A到D,平均粒径从47.46 μm降至9.40 μm。再结合图 4b,从A到D,粘土含量依次增高,粉砂或砂含量也依次降低;从两图的结果可以看出,无论是枯季或洪季,其分级情况趋势大致相同,不随季节发生较大变化。

    • 各站位分级后样品中7Be活度随时间的变化如图 5所示,在3个站位中,7Be的活度随着粒度的增加,呈现整体增加的趋势,这说明在不同潮位(高潮滩、中潮滩和低潮滩)的滩涂沉积物中,7Be都更倾向于吸附在细颗粒上。7Be活度的分布还具有一定的空间变化规律,在所有粒级范围内,7Be活度大致呈现从14#到45#站位依次降低的趋势,即潮滩沉积物中7Be活度随着离岸距离的增大而减小。低潮滩与中潮滩和高潮滩明显不同,大部分的7Be分布在细颗粒组分(D)中,除去11月,D组分的7Be活度是其他组分的10倍以上。这可能是由于低潮滩沉积物与海水接触的时间长,泥沙分选性好,导致大部分的7Be吸附在细颗粒上。

      图  5  三站位分级后样品中7Be核素活度随时间变化

      Figure 5.  Monthly change of 7Be after elutriation at 14#, 27#, 45# stations

      从时间尺度来看,7月至10月(洪季)的降水量相较于11月至2月(枯季)的降水量多[2]。从图可以看出,分级后的14#和27#站位,处于洪季的分级样品7Be核素活度要高于处于枯季的分级样品。说明高、中潮滩沉积物7Be核素活度受降水影响较大。位于低潮滩的45#站位,由于海水的稀释,7Be的活度受降水影响则不明显。

    • 利用分级后得到的A、B、C和D四个组分样品的平均粒径和7Be的活度值,做出7Be活度与平均粒径(Φ单位)的散点图如图 6所示。

      图  6  分级样品7Be核素活度与平均粒径的散点图

      Figure 6.  Relationship between grain size and activities of 7Be

      图 6a为按高程做出的14#、27#、45#站位的样品平均粒径与7Be活度值的散点图。由图可以看出14#站位的样品粒径与7Be活度值相关性最低,相关系数(R)为0.37,而27#、45#站位的相关性较高,相关系数(R)分别为0.65和0.69。图 6b为按季节做出的洪、枯季样品平均粒径与7Be活度值的散点图。从图看出,洪、枯两季样品粒径与7Be活度值的相关系数(R)分别为0.53和0.47,整体而言,季节性差异并不明显。

      就分级样品7Be比活度分布的空间差异性进行讨论,发现位于崇明东滩高潮滩的14#站位,其7Be活度与平均粒径的相关性最差,这可能是由于高潮滩属于植被覆盖带,其沉积物组分受生物活动如扰动、灌溉等影响较大,进而导致其有机质含量、矿物组分等沉积物地化特性不同于中低潮滩(即27#和45#),从而导致7Be的分布不单受控于粒径,那么其相关性也就最差。这也进一步说明7Be在表层沉积物的放射性含量不仅受粒径的影响,生物活动导致的有机质含量、矿物组分等地化性质同样具有重要意义。

      如上所述,分级样品中7Be活度的季节差异性不明显,这是由于不同季节下影响7Be活度的因素较多,如7Be大气沉降通量变化、积物样品不同矿物组成、有机质含量、植被带生长情况等[4, 13]。这些因素的共同作用使得7Be活度的季节差异性不明显。因此,为了理解更好的理解沉积物7Be活度的季节性变化,还需要后续研究矿物组成、有机质含量等因素对7Be行为的影响。然而,本研究表明,粒径差异对7Be的活度大小具有明显的影响,这跟先前报道的粒度效应对湖泊沉积物中137Cs和210Pb活度大小具有明显的影响类似[31],说明在研究核素活度时空变的相关研究中需要考虑粒度效应。

      综上,本文的研究显示沉积物的粒度大小会明显影响7Be的活度大小,尤其是在与海水充分接触的低潮滩,细颗粒组分中7Be的活度远远大于其他组分,然而由于细颗粒组分只占沉积物的一小部分,导致沉积物整体的7Be很小。因此,在利用7Be研究河口海岸区域中季节时间尺度颗粒悬浮物的输运和沉积过程当中,应充分考虑粒度效应的影响。

    • (1) 分级得到>63 μm、32~63 μm、16~32 μm以及8~16 μm四种不同粒级范围样品,依次标记为A、B、C和D。从A至D,平均粒径依次减小,粘土的含量依次增高,粉砂或砂含量则依次降低。对粗粒部分而言,相同粒度等级的组分其含量随着离岸距离的增加而增高;细粒部分则反之,相同粒度等级的组分其含量随着离岸距离的增加而减少。

      (2) 粒度从粗到细,7Be活度大体上呈现了升高的趋势,说明了核素倾向于吸附在细颗粒(粒径范围约为2.5~16 μm)上。从14#到45#站位,7Be活度大致呈现依次降低的趋势,即核素活度随着离岸距离的增大而减小。

      (3) 高、中潮滩沉积物7Be核素活度受降水影响大于低潮滩沉积物。相较于中低潮滩,位于高潮滩的14#站位,其7Be活度与平均粒径的相关性最差。7Be活度和平均粒径相关性的季节差异不明显。

参考文献 (31)

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