摘要
南日水道作为中国重要的海砂资源富集区——台湾浅滩的一部分，其所蕴藏的海砂资源对于解决莆田填海造地资源缺口具有重要的意义。本文利用矿区前期的综合物探和钻探等成果，对矿区成矿地质特征和成因进行了研究分析，初步认为：该矿床赋存于第四纪中—晚全新世长乐组海积层的含泥中细粒石英砂中，具多层典型的水平层状构造和厚薄相间特征；矿砂符合回填用海砂矿质量要求；形成于由深变浅、水动力条件由弱变强的沉积环境下，成矿物质主要来源于海岸及基底侵蚀和岸边河流的输入，而区域上发育大量的燕山期酸性—中酸性侵入岩和火山岩则提供了良好的物质基础。该研究成果可为该区域海砂资源找矿远景提供地质理论依据。
Abstract
As a part of the Taiwan shoal, an important area rich in sea sand resources in China, the sea sand resources contained in the Nanri Waterway are of great significance for solving the resource gap of land reclamation in Putian. Based on the comprehensive geophysical exploration and drilling results of the mining area in the early stage, this paper studies and analyzes the metallogenic geological characteristics and genesis of the mining area. It is preliminarily believed that: This deposit is located in the argill-bearing fine-grained quartz sand of the Marine accumulation layer of the Changle Formation in the middle to late Holocene of the Quaternary period, and has multiple typical horizontal layered structures and the characteristics of alternating thick and thin layers. The ore sand meets the quality requirements of sea sand ore for backfilling. Formed in a sedimentary environment where the water dynamics conditions changed from deep to shallow and from weak to strong, the ore-forming materials mainly came from the erosion of the coast and the base and the input of the banks and rivers. The development of a large number of acidic to moderately acidic intrusive rocks and volcanic rocks of the Yanshanian period in the region provided a good material basis. The research results can provide a geological theoretical basis for the exploration prospects of sea sand resources in this area.
Keywords
0 引言
海砂是由岩石风化后，经水流、冰川和风等地质营力侵蚀、搬运或改造，赋存于海洋环境的砂、砾质碎屑沉积物（谭启新，1998；李勇航等，2021；倪玉根等，2021），主要分布于近岸及大陆架浅海区（王圣洁等，2003），通常以水下沙坝、潮流沙脊或潮流三角洲等砂体形态存在，是仅次于石油、天然气的海洋第二大矿产资源（苏东甫和王桂全，2010；樊敬亮等，2011；李杏筠，2018），可作为建筑材料广泛用于工程建设和填海造陆。填海造陆在中国沿海地区的城市化过程中起到了很大的作用（李稳和宫少军，2023），莆田就是个例子。然而，随着陆地建筑用砂资源的减少、环境保护压力的增大以及沿海经济的快速发展，建筑用砂和填料的需求直线上升，缺口也越来越大，发展中的莆田同样面临着这样的问题。
南日水道为兴化湾通往台湾海峡的通道之一，是中国重要的海砂资源富集区——台湾浅滩的一部分（王圣洁等，2003），但前人对该区域研究程度较低，缺少中大比例尺的调查和研究。本文通过在南日水道 A 区块的综合地质调查成果（综合物探和钻探），对该区域的海砂资源地质特征及成因进行了初步分析，为探寻海砂资源提供科学依据。
1 矿区地质概况
矿区位于南日水道西侧浅海陆架区，大地构造位置上处于平潭—东山剪切构造带的北东段，福鼎—福清（NNE）断裂带与平潭—东山（NE）断裂带交汇处南东侧。陆域上主要出露燕山期侵入岩和中生代火山岩，海域以第四纪全新世以来的沉积物为主。区域构造发育，以断裂为主，褶皱受岩浆侵入和火山喷发作用影响，表现不明显（福建省地质调查研究院，2016）。矿区处于闽东沿海中段差异上升亚区，第四纪以来的新构造运动对区域地貌影响较大。
区内地层为第四纪中—晚全新世长乐组海积层，岩性主要为深灰色淤泥、灰—棕黄色黏土质粉砂、黄灰色粉砂质砂、砂质粉砂、灰黄色—棕黄色细砂、中细砂等。海砂矿主要赋矿于中细砂层中。下伏基底岩性为晚侏罗世二长花岗岩，埋深通常为-18～-30 m。
矿区潮汐类型为正规半日潮（中国海湾志编纂委员会，1994），矿区海域平均海平面 0.225 m，平均潮差 4.73 m。兴化湾内涨落潮流由南日水道和兴化水道两股潮流合成，流路稳定，呈往复流运动，水流流向与深槽轴线基本一致。
2 材料与方法
2.1 样品和数据采集
2022年5—6月，中国冶金地质总局第二地质勘查院利用“和谐北山”和“鸿瑞顺”调查船，对南日水道A区块开展了海砂矿资源调查。调查手段包括综合物探（单波速测深、侧扫声呐测量、浅地层剖面测量、单道地震测量）、表层取样和地质钻探。共完成综合物探各 72.46 km，采集底质样 20 站，地质钻探 20口（图1、表1）。
单波速测深采用无锡海鹰加科 HY1601 PC 平台单频测深，工作频率 208 kHz，换能器吃水 1 m。侧扫声呐采用丹麦 Kongsberg 公司 PULSAR 高分辨率侧扫声呐系统，工作频率 560 kHz，利用 PulSAR Software软件进行数据采集，采用SONAR WEB软件处理。浅地层剖面测量采用德国 SES-2000 Compact型参量阵浅剖系统，工作频率10 kHz，换能器吃水 1 m，利用 SESWIN 软件进行数据采集，采用 ISE 软件处理。单道地震测量采用法国 SIG 公司 SIG Pluse M2 单道高分辨率地震系统，电火花震源阴极放电，能量为 600 J，采样频率为 5 kHz，记录长度为 100 ms，利用 GeoSurvey 7.1.1软件进行数据采集，采用SonarWiz软件并配合SeiImage软件进行处理。
1 —区块位置；2—底质调查与钻探站位；3—测线及编号；4—纵剖面；5—矿区范围
表1样品和数据采集
2.2 样品分析和资料处理
样品分析项目包括粒度分析、化学分析、碎屑矿物鉴定、重砂分析和物性分析等。样品制备和分析均委托有资质的实验室完成，其中粒度分析由自然资源部第三海洋研究所承担，化学分析由福建省地质矿产局三明实验室承担，碎屑矿物鉴定青岛斯八达分析测试有限公司承担，重砂分析由中国冶金地质总局山东局测试中心承担，其他项目则由福建省永正工程质量检测有限公司进行分析测试。沉积物分类参照《海洋调查规范第8部分：海洋地质地球物理调查》（GB/T12763.8-2007）。本文所定义的矿砂是指砂级（粒径≥0.075 mm）含量超过 50％、细度模数≥0.7的海底松散沉积物。
图2研究区海底地形3D图
图3LX03测线单道地震剖面显示的反射截面和浅地层单元特征
R0—海底面；R1、R2、R3—海底沉积物内反射面；Rg —基岩面；Ⅰ—浅地层单元代号
3 研究结果
3.1 地形特征
矿区位于南日水道陆架区，矿区内海底地形起伏复杂，高程通常为-5～-23 m（高程基准：1985 国家高程基准）（图2）。矿区海域水深为 6～23 m，最深位于东北角（靠近航道），最浅位于北部中段。矿区地势整体由西北侧向东南侧呈“边界两侧高，中间两谷夹一脊”的趋势（图2）。此外，侧扫声呐调查成果显示区内主要出现沙波、沙脊、海砂采空区等微地貌。
3.2 海底浅地层特征
3.2.1 浅地层单元划分
本区主要通过单道地震和浅地层剖面测量成果来划分浅地层单元，根据单道地震和浅地层剖面中揭示的反射结构、波组特征和接触关系类型等，追踪识别了 5 个反射界面，分别为 R0（海底面）、R1、 R2、R3、Rg（基岩面），即矿区内基岩上覆地层可划分为4个浅地层单元，分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ单元（图3）。
3.2.2 沉积物厚度和基岩面埋深变化特征
区内沉积物厚度变化较大，通常厚度为 8～20 m；总体表现为中东部厚度大，最大超过 20 m，西南部厚度小，局部小于10 m。虽然中东部可能受海底采砂等人为活动干扰，但其沉积层厚度除了部分区域较薄外，总体厚度大于15 m（图4a）。
矿区靠近石城南码头，周边海域发育基岩或岛礁，基岩面起伏相对较大，介于-17～-32 m。与沉积层厚度特征相似，矿区的基岩面在中东部较深，一般为-26 m以下，在西部和南部相对较浅，一般浅于-24 m（图4b）。
图4矿区沉积物厚度（a）和基岩埋深图（b）
3.3 底质沉积物特征
3.3.1 表层沉积物类型
矿区底质沉积物类型较为简单，根据站位取样以及钻探取样成果，主要为粉砂质砂，其后依次为砂质粉砂、粉砂。在平面上总体呈北东—南西向带状分界，中间细两侧（北西和南东）粗（图5a）。粉砂质砂主要分布在矿区的北西和南东侧，约占表层沉积物的 45%；砂质粉砂主要分布在矿区的中部，少量在北西侧，约占 35%；粉砂主要分布在矿区中部的北东侧和南西侧，约占20%。
3.3.2 粒度组分特征
通过统计分析矿区内底质沉积物各粒级组分的百分含量特征值，可得粒级组分平均含量按升序依次为黏土、砂、粉砂（表2）。三者主要都呈北东— 南西向带状分布，且均与沉积物底质分布有很好的对应性。黏土组分分布特征与粉砂组分较为相似，高值区主要分布在矿区中部，低值区主要分布在矿区北西和南东侧，但黏土组分含量均只为粉砂的1/3 左右（图5b、c）。砂质组分分布特征与粉砂、黏土组分的分布特征相反，高值区主要分布在矿区北西和南东侧，低值区主要分布在矿区中部（图5d）。
表2表层样粒级组分统计特征
图5表层沉积物类型分布及粒级百分含量图
a—沉积物类型分布；b—黏土百分含量；c—粉砂百分含量；d—砂百分含量
3.4 矿体特征
矿区共圈定 3 个海砂矿体，均赋存于第四纪中—晚全新世长乐组海积层的含泥中细粒砂中。自上而下，矿体编号分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号矿体（图6），具体矿体特征如表3。
Ⅰ号矿体大部分直接裸露于海底，仅在矿区西北角被厚约 1.5～2.0 m 的淤泥覆盖，基本分布于全区。矿体厚度受海底地形影响较大，大体表现为：沿岸方向由北东往南西厚度逐渐变小，垂岸方向由南东至北西具厚→薄→厚→薄变化特征。Ⅱ号矿体大部分未出露，仅矿区北东角一带裸露于海底，分布于全区，矿体厚度由北东至南西具有从厚→薄 →厚的趋势变化特征。Ⅲ号矿体为隐伏矿体，主要分布在矿区中东部，底板为全风化—强风化二长花岗岩，稍往北东方向侧伏。受下伏基底地形影响较大，沿岸与垂岸方向矿体厚度均呈现一定的厚薄相间特征，但不太明显。
表3南日水道A区块海砂矿矿体特征
图6南日水道A区块海砂矿ZX17（a）和A-A＇（b）线地质剖面图
1—中晚全新世长乐组；2—早白垩世二长花岗岩；3—黏土质粉砂；4—砂质粉砂；5—粉砂质砂；6—细砂；7—中细砂；8—矿体编号；9—分层界线；10—地质界线；11—钻孔编号及高程
3.5 矿砂质量
区内砂矿为含泥中细粒石英砂，中细粒结构，偶夹粗粒，结构从浅部到深部逐渐密实。矿物成分以石英为主，含量占 50%～72%，局部 35%～49%； 其次为斜长石，含量占 20%～40%，局部大于 40%; 泥质、岩屑、钾长石含量较少。重矿物主要由磁铁矿、钛铁矿、绿帘石、角闪石、锆石和赤褐铁矿等组成。
矿砂化学组分主要为 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、 K2O、Na2O，其中 SiO2主要来自长英质矿物，Al2O3、 K2O、Na2O来自长石类矿物；矿砂中贝壳等碳酸盐类物质及有机质分布不均导致烧失量变化幅度较大。总体上，SiO2含量（均量 74.9%～82.7%）偏低，但较均匀；Al2O3 （均量 7.70%～7.98%）和 Fe2O3 （均量 1.89%～2.54%）含量偏高，原矿达不到《矿产地质勘查规范硅质原料类》（DZ/T 0207-2020）中硅质原料一般最低工业指标的要求。
3 个矿体组合分析结果（表4）显示各矿体均满足《海砂（建筑用砂）地质勘查规范》（DD 2012-10） 中回填用海砂矿的工业指标要求。矿砂物性特征：表观密度 2610～2620 kg/m3，松散堆积密度 1050～1210 kg/m3；饱和面干吸水率 0.8%～1.1%，坚固性 6%～7%。
表4Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号矿体矿砂组合分析结果统计
4 讨论
4.1 物质来源
南日水道位于兴化湾南侧，石城半岛与南日岛之间，是兴化湾潮流进出的通道之一。结合调查成果与前人研究资料，南日水道泥沙来源具体包括以下几个源区：
（1）海岸侵蚀输沙
本次采集的海砂样品重矿物鉴定成果显示海砂中锆石搬运痕迹不明显，推测锆石母岩源区较近 （图7）。南日水道周边地貌主要为丘陵、台地、冲洪积平原与冲海积平原等，水道两侧海岸线曲折，分布着众多基岩海岸和砂质海岸，且该海域波浪作用强，波浪对岸滩侵蚀作用不容忽视（闫新兴和刘国亭，2012）。故海岸侵蚀携带的入海物质是该矿砂床最主要的物质来源之一。
图7锆石OLYMPUS-SZ61体视显微镜镜下照片
（2）岸边河流来沙
研究表明，木兰溪流域风化剖面和河流沉积物中的重矿物主要以钛铁矿、褐铁矿、磁铁矿、角闪石、绿帘石和锆石为主（Su et al.，2017），这与其所流经地区的岩石重矿物组分相似（福建省地质调查研究院，2007①，2016）。因矿区岸边河流与木兰溪一样径流于燕山期酸性—中酸性侵入岩和火山岩区且相邻较近，故矿区岸边河流重矿物组分与其相似。结合本文 3.5 可知，矿区的重矿物主要组分与矿区岸边河流及木兰溪中的重矿物组分基本一致。故矿区西侧石城半岛上的卢厝溪和石塘溪等小型河流或冲沟所携带的陆源碎屑物为该砂矿床的主要物质来源之一。
（3）沉积物再悬浮
矿区海域水深一般小于 25 m，在低海面时期均出露于地表。随着海进，在低海面时期形成的各种堆积体不断发生侵蚀、改造，形成残留堆积体，而再悬浮起来的沉积物则被运移至其他位置堆积（阙万焜，2022）。结合锆石鉴定结果，基底侵蚀也为矿体的形成提供了部分砂质来源。
（4）兴化湾及外海输沙
南日水道是兴化湾与台湾海峡联接的潮汐通道之一，兴化湾内的细颗粒沉积物向南扩散输出 （中国海湾志编纂委员会，1994），台湾海峡悬浮泥沙经南日水道向兴化湾输运（童朝锋等，2016；赵金鹏等，2018），故潮汐作用携带的兴化湾及外海泥沙也是南日水道沉积物的来源之一（王恒波等， 2020）。
（5）沿岸流输沙
浙闽沿岸流起源于长江口和杭州湾一带（图1），研究表明，浙闽沿岸流向南可影响到东山至南澳岛附近海域（许金电等，2015；王翠等，2018）。闽江径流在南下的过程中与浙闽沿岸流汇合，其入海泥沙随落潮流向海域扩散运移，其中底沙基本沉积在闽江口的浅滩中，而悬沙向东、南方向扩散。在悬沙向南扩散的过程中，首先受到影响的是兴化湾北侧的福清湾和海坛岛周围，并主要沉积在福清湾附近（闫新兴和刘国亭，2012）。因此，浙闽沿岸流及闽江径流对南日水道输沙的影响很小（王恒波等，2020）。
4.2 沉积环境分析
晚更新世末次冰盛期全球海平面达到低谷，中国沿海海平面在现今海平面下 110～130 m（王恒波，2020；鲁庆伟等，2023），矿区裸露成陆（孙丰瑞等，2019）。随着早全新世全球性第四纪末次冰川的消融，海面不断上升；12.0～9.5 ka BP，再次海退，平均海面约-11 m；距今 8.0 ka，海面上下波动。随着中全新世气候转暖，海面迅速上升，至 6.5 ka BP 左右，最高海面达 5～10 m。距今 6.0 ka，新构造断块差异升降运动，部分地段海水退出，平均低海面约-5 m。5.4～3.1 ka BP海平面略有上升，高海面约 4 m，随后海退，低海面约-7 m（福建省地质调查研究院，2007①）；晚全新世，2.5 ka BP 海面基本稳定，基本处于动荡运动环境之中，海水虽时有进退，但以海水渐次后退，海岸上升为总趋势（福建省地质调查研究院，2016）。结合南日水道该区域内邻近基岩面的沉积物14C测年结果为5 ka左右，可推断矿区为中—晚全新世的海相沉积层。
研究区位于南日水道西侧浅海陆架区，地形上表现为受往复潮流影响的北东—南西向地形轴线，表明其地貌成因主要以海洋营力（潮汐和波浪）为主，其次矿区地形受人为因素影响也相对较大，矿区东北部及中部的负地形推测为人工采砂所致。区内沉积物厚度变化较大，主要受基底起伏及潮流冲刷等影响。表层沉积物类型和粒度组分的分布特征亦表明矿区受潮流和波浪的作用明显。沉积物粒度及其分布是判断沉积环境及水动力条件的重要指标（张云等，2018）。一般情况下，水深寓示水动力弱，沉积物粒度就相对细；水浅寓示水动力强，沉积物粒度则相对粗。随着海进海退的转换，矿区海域水动力强弱不断产生变化，海岸侵蚀、沉积再悬浮作用发生位置的亦不断变化，从而在横向与纵向剖面上，粗粒与细粒沉积物相间产出，呈现出多层构造（图6）。
综上，矿区沉积环境由深逐渐变浅，水动力条件由弱逐渐变强，初步认为该矿床类型属于全新世潮流沙脊型海砂矿矿床（曹雪晴等，2007）
4.3 找矿标志
为了更好地应用于海砂矿的地质勘查工作，根据矿区地质与地貌特征，本文总结了以下主要找矿标志：（1）区域上富含石英的酸性—中酸性侵入岩、火山岩大面积分布，且风化剥蚀作用强烈；（2）在地貌上具备向东、南面海的海湾环境，平缓的浅海陆架是矿砂堆积的有利位置，特别是沙脊发育的大型水道两侧（不包含过于靠近航道和陆地的地方）具有很好的找矿潜力；（3）第四纪中—晚全新世长乐组是海砂矿体的赋矿层位。
5 结论
本文利用综合物探、地质调查和钻探等技术手段对南日水道A区块海砂矿床进行地质特征研究和成因分析，初步得到以下结论：
（1）通过综合物探和钻探工作，揭露了3个海砂矿体均赋存于长乐组含泥中细粒石英砂中，且具明显的水平层状构造和沿岸与垂岸方向普遍厚薄相间的特征；海砂的各项指标均符合回填用海砂矿的质量要求。
（2）区域上发育大量的燕山期酸性—中酸性侵入岩和火山岩为砂矿的沉积提供主要物质来源。
（3）矿区岸边河流携带的陆源碎屑和海岸及基底侵蚀等输入的泥沙受潮流等水动力作用下沉积于南日水道西侧。
（4）矿区海砂矿形成于由深逐渐变浅、水动力条件由弱逐渐变强的沉积环境下，初步认为该矿床成因类型属于全新世沙脊潮流型海砂矿矿床。
注释
① 福建省地质调查研究院 .2007. 莆田市、泉州市幅 1∶25 万区域地质调查报告[R].