2013年6月，青岛海洋地质研究所“业治铮”号调查船在渤海西部进行了海洋地质调查。设计取样站位为98个，本文对其中45个站位表层沉积物进行X射线衍射分析鉴定(图 1)。

图  1  研究区取样站位位置及渤海海流示意图

Figure 1.  Location map of sampling area and its current system

由中国科学院海洋研究所海洋地质与环境重点实验室完成所有样品X射线衍射分析鉴定。对测定的每个样品在依次加入10%的醋酸(剔除碳酸盐)和10%的H₂O₂(剔除有机质)后，再用蒸馏水水洗2次(剔除盐分)。依据Stokes沉降原理确定提取样品＜2 μm的黏土颗粒，并将其制成定向片放置到装有乙二醇的干燥皿内, 随后置于60℃的烘箱中蒸样12 h。测试仪器是德国布鲁克AXS公司生产的D8 Advance型X射线晶体衍射仪，其相关实验参数如下：CuKα辐射，管电压40 kV，管电流40 mA, 扫描范围(2θ)3°~30°，扫描步长(2θ)0.02°。并根据Biscaye^[19]的方法进行黏土矿物相对含量的半定量计算。将乙二醇饱和定向片图谱上蒙脱石(17Å)、伊利石(10Å)、绿泥石和高岭石(7Å)4种黏土矿物的3个特征峰峰面积作为基础数据与其相应的强度因子(蒙脱石取1、伊利石取4、高岭石和绿泥石取2)进行乘积计算，并将结果归一化后得到各组分的相对含量。由3.54Å和3.57Å附近的衍射峰面积比值来得出高岭石和绿泥石的相对含量比例，4种黏土矿物的总含量校正为100%。所有样品在相同实验室和相同条件下测试完成。

研究区黏土矿物平均含量是伊利石最高占一半以上、其次是蒙脱石略大于1/3、高岭石和绿泥石共占约11%，各黏土矿物数据统计见表 1, 其结果也与中国近海的黏土矿物分布规律相吻合^{[20, 21]}。

伊利石(图 2a)含量为43.1%~74.6%，平均含量57.4%，其黏土矿物相对含量最高。由图 2a得知，伊利石含量主要以块状、斑状形式出现高值区，且较高(大于平均值)区域大多出现在研究区西部、中东部；而伊利石含量分布规律有在海河河口向外两侧递增趋势，伊利石含量最高值出现在研究区西北某站位，高达74.6%。条带状低值区(＜平均值)位于研究区中西部和中北部，其中一条北西—南东向低值区分布在渤海湾内；另外一条近似东西向条带状低值区处于中北部，伊利石含量最低值43.1%出现在此区域。

图  2  渤海西部表层沉积物4种主要黏土矿物相对百分含量分布

Figure 2.  Distribution of the four clay minerals in the surface sediments of the Western Bohai Sea

蒙脱石(图 2b)含量为5.2%~48.4%，平均含量31.4%。其黏土矿物相对含量仅次于伊利石。蒙脱石含量的高值区是呈条带状分布，其高值区分布于研究区大部分区域，其中中北部区域某些站位蒙脱石含量高达48.4%，蒙脱石低值区主要呈斑状分布于研究区西部，其中渤海湾南部个别站位蒙脱石含量低至5.2%，在研究区由西向东有一条似“U”字型条带状低值区。研究区蒙脱石分布较均匀，约90%以上站位蒙脱石含量＞20%，蒙脱石分布规律与伊利石正好相反。

高岭石(图 2c)含量为2.7%~9.9%，平均含量为5.8%。总体分布特点是从东北向西南含量逐渐递增，高岭石含量高值区出现在研究区西南部渤海湾南部和黄河口外，且黄河口外出现呈舌状的高岭石高值区；高岭石低值区零星可见于整个研究区。研究区约有80%的站位高岭石含量＜7%。

绿泥石(图 2d)含量在研究区内黏土矿物中含量最低。其含量为3.0%~12.0%，平均含量为5.5%。总体分布特点是从东北向西南含量逐渐递增，其低值区以研究区北部和东部为主，而高值区仅以斑状形式在渤海湾南部和黄河口南侧存在。研究区约有80%的站位绿泥石含量＜7%。

将渤海西部45个站位沉积物中黏土矿物数据进行数学统计，并按照其含量高低依次排列可以确定相对应的黏土矿物组合类型，即可将其归类为4种组合，分别是：(Ⅰ)型伊利石－蒙脱石－高岭石－绿泥石(占55.6%)；(Ⅱ)型伊利石－蒙脱石－绿泥石－高岭石(占33.3%)；(Ⅲ)型蒙脱石－伊利石－高岭石－绿泥石(占8.9%)；(Ⅳ)型伊利石－绿泥石－高岭石－蒙脱石(占2.2%)。根据各种类型所占比例可知渤海西部表层沉积物中黏土矿物以(Ⅰ)型组合占主导优势，其次是(Ⅱ)型组合。结合站位分布发现有以下特点：(Ⅰ)型组合分布较为集中且大部分位于研究区中东部，少量分布于研究区西南部；(Ⅱ)型分布较为分散，大部分零星分布于整个研究区边缘，但是有1/3分布于海河河口外部；而(Ⅲ)型则大部分集中分布于滦河河口外部。

前人研究表明渤海中表层沉积物黏土矿物主要来源于其周边河流入海的陆源物质^{[20, 21, 23]}, 研究区位于渤海西部由莱州湾、渤海湾和部分渤海中部盆地组成，其绝大部分物质供应是黄河、海河、滦河等河流携带入海泥沙，并以研究区受到黄河物质影响最为强烈^[5]。由于渤海形成沉积物历史较短，因此黏土矿物含量及其组合特征主要由黏土矿物的物源和形成时水动力条件决定^[4]。通过引用其他文献资料中黄河、海河和滦河河口黏土矿物含量特征(见表 1)对比本次调查数据表明：研究区北部黏土矿物具有高含量的蒙脱石和低含量的伊利石这个类似滦河沉积物的特征，而西北部海河中黏土矿物具有与滦河相反特征，黄河特征则在滦河、海河二者之间，并且更接近于后者。伊利石结晶度(图 3)分布特征滦河口外是0.43以上，海河口入海方向逐渐变小，渤海湾中部为0.34，而黄河口入海方向大部分均小于0.34；表 1中上述三条河流伊利石结晶度数据与上述特征相吻合。早在20世纪90年代末赵全基利用渤海表层黏土矿物含量分布和三角端元图将渤海划分为三个物源分区，对应物源分别来自区内周边河流入海物质^[23]；在渤海湾北部韩宗珠等利用黏土矿物含量划分出三个物源分区^{[2, 12]}；张爱滨等利用地球化学方法得到黄河物质向渤海湾扩散的影响大致界限^[31]。

图  3  伊利石结晶度等值线分布图

Figure 3.  Distribution of crystallinity of Illite

利用渤海西部表层沉积物中黏土矿物数据，绘制三角端元图即ISKc图(见图 4)，其中三个端元分别是伊利石、蒙脱石、高岭石+绿泥石。由图 4可知研究区ISKc投影大多靠近黄河、海河沉积物投影，且可以看出伊利石含量变化范围43%~70%、蒙脱石变化范围20%~40%为主，据此可推断本研究区的黏土矿物来源与黄河、海河沉积物相关性较高，可认为以黄河或者海河-黄河型物质为主；从图 4还可知有少部分站位位于海河和滦河沉积物投影之间，表明滦河物质对该区的影响不大。黄河型物质和滦河型物质分布较为集中，而海河型物质分布则相对较为离散。

图  4  黏土矿物中伊利石-蒙脱石-绿泥石+高岭石三角端元图和表层沉积物物源分区

Figure 4.  The triangle diagram of illite, smectite, chlorite+kaolinite and source map

本文利用SPSS软件对研究区4种黏土矿物含量数据进行Q-型聚类分析，并以离差平方和法(Ward 's Method)为聚类方法、以平方Euclidean距离法为距离计算方法，聚类成员类型按照2-4类依次进行计算。结果表明，可将研究区表层沉积物分成3类。通过对比黄河、海河、滦河沉积物黏土矿物含量及其组合类型得出，(1)区多Ⅱ型组合类型，以海河-黄河物源为主；(2)区多Ⅰ型组合类型，以黄河物源为主；(3)区多Ⅲ型组合类型，以滦河物源为主。综上可将研究区粗略分为3个物源沉积区分别是海河-黄河物源区、黄河物源区、滦河物源区(图 4)。黄河物质对研究区沉积物的影响显著，海河物质主要影响渤海湾区域，滦河影响多局限在研究区北部。

(1) 区主要由海河水系入海物质和黄河入海物质在渤海环流作用下提供物源。其中4种黏土矿物伊利石、蒙脱石、高岭石和绿泥石平均含量分别为58.0%、29.6%、6.0%和6.3%；在3个物源分区中蒙脱石含量最低，以(Ⅱ)型组合特征为主。由图 3可知该区伊利石结晶度好，指示陆地物源区水解作用弱，多为干冷气候，也符合该物源区气候特征。

(2) 区主要为黄河入海物质在研究区分布情况。其黏土矿物伊利石、蒙脱石、高岭石和绿泥石平均含量分别为58.1%、30.3%、6.0%和5.6%。黄河入海泥沙约有67%以上堆积在河口附近形成三角洲, 剩余向口门外的沿岸区和陆架区扩散。矿物学和地球化学分析成果揭示, 黄河所携带的入海泥沙影响范围可达到渤海湾南侧、整个莱州湾、渤海海峡南侧，还有部分泥沙经过莱州湾向北运移最终可到达渤海中央海盆处，从而使其成为对渤海沉积作用最为深远的河流^[5]。黄河入海物质在环流作用下可能遍布整个研究区，只是不同沉积区其物质所占比例不同而已，这可能是造成组合类型以(Ⅰ)(Ⅱ)型组合特征混合的原因之一。张爱滨根据渤海中部118°54′E左右南北向断面的表层沉积物地球化学元素特征，对比黄河、滦河来源沉积物特点，得出两者的分界大致在38°42′N附近^[31]而且在这个位置附近也可能会出现来自黄河、海河、滦河来源物质共同作用的沉积区。杨士雄根据渤海西部表层沉积物中不同孢粉种类组合类型分布进一步阐明沉积物中黄河、滦河来源的分布特征；同时根据孢粉含量低值出现在河口和沿岸得出是由于水动力环境和河口径流共同作用的结果，而高值区出现在低能水动力的深水区^[32]。在该分区中伊利石结晶度绝大部分不大于0.34，这也与表 1中前人所得黄河沉积物黏土矿物数据规律相吻合。

(3) 区主要物质来源为滦河所携带入海的泥沙等。在3个物源区中其平均含量最高的是蒙脱石为36.3%，而最低是伊利石为54.7%, 高岭石、绿泥石平均含量分别为4.8%、4.2%。由于滦河涌入渤海的泥沙多数是火山岩、变质岩经过风化后形成，因此黏土矿物中含有比较多的蒙脱石组分。由图 3明显看出滦河口沿岸存在一个伊利石结晶度较好区域，可反映出该区物源的相似性。同时，该区沉积物粒度较粗，分选差，峰态较低^[33]，也表明主要为河流入海物质的快速沉积为主，这与黏土矿物的分布特征相吻合。

黏土矿物是一定气候条件源区母岩的风化蚀变产物，并且母岩类型和气候条件对其类型起决定性作用，河流沉积物中黏土矿物指标受物质来源和气候条件等影响^[25-26]。一般认为，火山爆发形成的火山灰在碱性条件下易转化为蒙脱石，即蒙脱石的形成多与火山活动形成物质蚀变、风化及海解等作用相关。而滦河入海物质多为中、酸性火山岩、前古生代变质岩系和燕山花岗岩的风化产物，因此具有较高的蒙脱石含量。但是在渤海西部陆域基岩却少含或者不含火山岩和变质岩, 因此其蒙脱石含量较低。

渤海西部沉积物大部分由周边的河流以黄河、海河、滦河等三大河流入海物质供应为主。矿物学和地化分析结果表明, 黄河入海物质可以影响到渤海西部大部分区域, 也使其成为对渤海沉积的贡献占据绝对优势的河流^[5]。滦河沉积物以砂质为主, 细粒级物质较少^[34]，海河由渤海湾西北侧入海, 且所携带入海物质相对偏少, 但其径流输入细颗粒的泥沙, 因此也造成渤海湾附近沉积物粒级比较细^{[7, 35]}。

莱州湾西部为现代黄河三角洲所在地，其河口外广泛分布的泥质沉积物呈舌状向海延伸，图 2c显示高岭石含量分布特征也是顺着黄河口入海方向呈舌型；并且海湾西部沉积速率2.45 cm/a(平均值)远高于东部0.31 cm/a^[35]，表明海湾东部处于较强水动力环境下。渤海环流显示现代黄河口有一支东南向顺时针环流^[17]，但在海湾东部却没有黄河入海的泥质沉积而是粉砂，并且在图 2中四种黏土矿物分布等值线图均显示莱州湾西北部和东南部黏土矿物含量和伊利石结晶度呈现较大变化，推测可能是受湾内潮流波浪作用将细颗粒沉积物运移到它处所致。

在海洋沉积物中黏土矿物的含量及其组合类型受许多因素的制约和影响，其中最重要的影响因素是黏土矿物的物质来源、海区水动力环境^[36], 前者影响黏土矿物的初始类型，并可据成因推测物质来源；而后者则可揭示黏土矿物组合类型特征。研究区内由黄河、海河、滦河等携带陆源物质输入渤海对本区黏土矿物类型特征影响较大。由图 1可知渤海海流在渤海湾以双环状结构形式存在，即在海湾南部、北部分别对应顺时针、逆时针流向，并汇集于渤海湾中部^{[5, 17]}。前人研究成果显示黄河水流入渤海后有东北、西北和东南3个流向，其中前两个流向环流所携带的物质对渤海湾沉积作用影响显著^[5], 东南向环流主要影响莱州湾。滦河沉积物由渤海湾反时针环流自滦河口由北部沿岸输入研究区东北部。由于切变峰影响使颗粒较细的黄河沉积物向北部运移，并在渤海湾南部顺时针环流作用下运移至海河河口附近，最后在海河河口附近由东南向转变为逆时针向移动，因此造成了海河沉积物入海后向河口南北两侧扩散^[17]；涨潮时黄河细颗粒沉积物在切变锋作用下向南运移，切变锋向海一侧沉积物在渤海顺时针环流的作用下向研究区中部、东北部运移。与前人研究所得黏土矿物数据比较发现本文蒙脱石含量普遍较高，课题组当时也选取一定比例样品采用多种处理方法进行复测，得到结果差距不大。说明出现这种差异可能是其他端元河流物源加入导致，但其真正原因则需要进一步验证。

(1) 渤海西部表层沉积物中4种主要黏土矿物是伊利石、蒙脱石、高岭石和绿泥石，其平均含量依次为伊利石57.4%、蒙脱石31.4%、高岭石5.8%、绿泥石5.5%。伊利石相对含量在西部表现为南北两侧高值、中间低值，在东部则是南侧高、北侧低；研究区西北部海河口外最高，而最低值在研究区东北部滦河口外，蒙脱石变化规律与伊利石相反。高岭石含量总体特点由东北向西南递增，绿泥石分布趋势与高岭石相似。研究区黏土矿物包含4种组合类型，其中以(Ⅰ)型伊利石-蒙脱石-高岭石-绿泥石组合占绝对优势，其次是(Ⅱ)型伊利石-蒙脱石-绿泥石-高岭石组合。

(2) 利用黏土矿物分布及其组合特征结合Q型聚类分析将研究区可划分为3个区，分别是海河-黄河型物源沉积区、黄河型物源沉积区、滦河型物源沉积区。研究区表层沉积物中黏土矿物的分布特征受控于沉积物来源和渤海环流因素影响。