尼 鑫孫承君金 紅楊桂朋丁海兵*

(1.中國海洋大學 化學化工學院,山東 青島266100;2.海洋化學理論與工程技術教育部重點實驗室,山東 青島266100;3.自然資源部 第一海洋研究所生態(tài)中心,山東 青島266061;4.山東省青島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,山東 青島266003)

海溝是海洋中深度超過5000 m 的狹長溝槽,兩壁陡峭,深度最大超過10000 m。世界最深處位于馬里亞納海溝的“挑戰(zhàn)者”深淵,深11034 m。海溝沉積是典型的深海沉積,與近海沉積物相比深海沉積物受到陸源輸入和人類活動影響較小,因此深海沉積物被認為能夠更加完好地記錄古代環(huán)境與氣候特征。利用深海沉積物中的某些參數(shù)追蹤古環(huán)境的演變是古海洋學研究的重要內(nèi)容[1-2]。例如,深海沉積物中的有機碳能夠反映古海洋的初級生產(chǎn)力和氣候的變化[3];沉積物中的金屬含量可反映沉積環(huán)境和生產(chǎn)力等信息[4]。沉積物的粒度則反映了搬運介質(zhì)的性質(zhì)、沉積形式、沉積類型、搬運方式以及沉積時的沉積環(huán)境狀況等。從沉積物中的微體生物化石可以判斷地層年代,推斷古代環(huán)境變化和復原古地理特征,這些微體古生物對了解成巖、成礦過程也有重要作用[5]。

雅浦海溝是世界上最深的海溝之一,位于西太平洋雅浦海脊和雅浦群島以東,從7°30′N 延伸至11°30′N,長度約為650 km,發(fā)育有典型的俯沖構造侵蝕[5],是太平洋板塊、菲律賓板塊和卡羅林板塊的交界處,最深點達8527 m。雅浦海溝具有典型的超深淵環(huán)境特點,存在低溫流體和冷泉生物群落[6],是研究極端環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)以及各圈層之間相互作用的最佳對象之一。到目前為止,雅浦海溝的水流運動[7]、地震活動[8]、巖石組成[9-10]、地質(zhì)構造與演化[11]等方面被廣泛地關注和研究。作為超深淵生物的棲息地,雅浦海溝沉積物為其生態(tài)系統(tǒng)不斷提供物質(zhì)和能量。對雅浦海溝沉積物的研究有助于掌握其在西太平洋物質(zhì)循環(huán)中的作用。然而由于取樣困難,目前相關研究仍然較少。

岳新安等[12]分析過雅浦海溝北部(9°38′70″～9°53′54″N)5個站位不同深度(水深4435～6779 m)沉積物的含水率、有機碳含量、21種元素的含量等參數(shù),探究各個參數(shù)的垂直變化特征,分析各沉積物樣品的物質(zhì)來源、微體古生物化石的變化與地形結構、海流運動和板塊運動之間的關系。根據(jù)其研究結果,雅浦海溝北部的沉積物可分為硅質(zhì)黏土沉積、硅質(zhì)軟泥和鈣質(zhì)軟泥,海溝西側沉積物受火山源影響更大。海溝東側沉積物受陸源影響較大,根據(jù)微體古生物化石觀察結果判斷雅浦海溝深淵和超深淵上層8 cm 沉積物是上新世末期或早更新世以來的沉積。我們在前人的基礎上,通過對雅浦海溝南部超深淵上層22 cm 沉積物樣品的地球化學特征的研究,進一步探討環(huán)境變化對沉積物的影響以及雅浦海溝與其他海域沉積物地球化學特征的異同,旨在為海洋沉積物的研究提供數(shù)據(jù)資料積累和參考。

我們對雅浦海溝南部超深淵D151站位柱狀沉積物的含水率、粒徑、元素質(zhì)量分數(shù)、有機碳質(zhì)量分數(shù)等參數(shù)進行研究。采用掃描電子顯微鏡(荷蘭飛利浦公司生產(chǎn)Quanta-200型,帶EDS能譜儀)觀察,X 射線能譜(德國Bruker公司生產(chǎn)D8 Advance型)分析,掌握樣品中各參數(shù)的垂直變化特征,并觀察該沉積物樣品的形貌和微體古生物化石的變化情況。在此基礎上,進一步分析沉積物的物質(zhì)來源,以及沉積物組分、沉積過程與雅浦海溝環(huán)境的關系,為海洋超深淵沉積物研究提供基礎數(shù)據(jù)積累和技術借鑒。

1 樣品采集與分析

1.1 樣品采集

2017年5月“向陽紅09”號科學考察船承載“蛟龍”號載人深潛器進行中國大洋協(xié)會的大洋38航次考察。2017年6月的第3航段考察任務中,在雅浦海溝南部D151站位(139°37′45″E,8°2′23″N)由“蛟龍”號載人深潛器所攜帶的金屬多管取樣器采集柱狀沉積物,長度為22 cm(圖1)。該站位于雅浦海溝西側斜坡上,深度為6582 m。

圖1 雅浦海溝和D151站位()Fig.1 The location of the Yap Trench and sampling station D151()

“蛟龍”號返回母船后,采集的樣品按照上密下疏的原則[13]以0～1,1～2,2～3,3～4,4～5,5～6,6～7,7～8,8～9,9～10,10～12,12～14,14～16,16～18,18～20,20～22 cm 的方式進行切分,總共獲得16層沉積物。每層沉積物一部分置于密封袋中用于金屬元素質(zhì)量分數(shù)等參數(shù)的分析,一部分樣品(經(jīng)過450 ℃灼燒6 h)用錫箔紙包好用于有機物的分析。分好的樣品立即在-20 ℃的條件下保存并帶回實驗室。2017年8月—2019年8月在海洋化學理論與工程技術教育部重點實驗室進行分析。整體上該柱狀沉積物為黃褐色,隨深度增加顏色變深。

1.2 參數(shù)分析

1.2.1 含水率

沉積物樣品的含水率測定基于《海洋調(diào)查規(guī)范》的方法[14]。取約5 g的沉積物于10 m L試管中稱重,冷凍干燥48 h后,取出并放于硅膠干燥器中至恒重,根據(jù)干燥前后沉積物的質(zhì)量差別計算含水率,測定相對標準偏差≤2%。干燥后的沉積物用研缽輕輕搗碎,過尼龍塑料篩后除去黑色碎塊并稱重,用于沉積物元素含量分析、SEM 觀察和EDS能譜分析。另取一部分未過篩的沉積物進行粒徑分析。

1.2.2 元 素

沉積物樣品元素含量的測定基于國際標準化組織提出的ISO 14869—2001標準[15],具體過程:先使用上海新儀微波化學科技有限公司的MDS-6G 多通量密閉微波化學工作站對沉積物樣品進行消解,取100 mg過篩后的沉積物樣品于儀器附帶的MP-100消解罐中,進行程序升溫微波消解(130 ℃條件10 min,170 ℃條件5 min,200℃條件15 min),消解后的產(chǎn)物倒入聚四氟乙烯燒杯,放在電熱板上趕酸,蒸至剩余約1 m L溶液,冷卻后用稀硝酸(V硝酸∶V水=1∶7)定容至10 m L。定容后的樣品保存在聚乙烯塑料瓶中,之后用美國賽默飛世爾科技公司的ICAP-6300等離子體發(fā)射光譜儀對消解后的沉積物樣品的金屬含量進行分析,測定的相對標準偏差均小于5%。元素標準品為多金屬元素混標溶液(GSB 04-1767-2004,國家有色金屬及電子材料分析測試中心生產(chǎn))、鈣離子單標溶液(GSB 04-1720-2004,國家有色金屬及電子材料分析測試中心生產(chǎn))、鈉離子單標溶液(GSB 04-1738-2004,國家有色金屬及電子材料分析測試中心生產(chǎn))以及近海海洋標準物質(zhì)(GBW07314,自然資源部第二海洋研究所生產(chǎn))。

1.2.3 總有機碳(TOC)分析

沉積物樣品中總有碳(TOC)的定量分析基于國家標準GB/T 30740—2014[16]。測定時,取保存在錫箔紙包中的沉積物2 g冷凍干燥,過不銹鋼篩后,取少量置于天津泰斯特儀器有限公司生產(chǎn)的SX-12-10型箱式電阻爐450 ℃灼燒過的離心管中,精確稱量其質(zhì)量(m1)。將離心管置于干燥器中,加少量超純水(德國默克密理博公司生產(chǎn)的Milli-Q 實驗室純水化系統(tǒng))潤濕,用12 mol/L 濃鹽酸熏蒸24 h,熏蒸后的樣品滴加稀鹽酸(V鹽酸∶V水=1∶5)至無氣泡產(chǎn)生,除凈無機碳,然后將樣品在50 ℃烘干,恒重后再次稱量,得到沉積物的質(zhì)量(m2),然后取約10 mg處理后的樣品于錫舟中包好,置于意大利Euro Vector公司生產(chǎn)的EA3000全自動元素分析儀進樣器上檢測其TOC 質(zhì)量分數(shù)(wTOC1),沉積物有機碳質(zhì)量分數(shù)wTOC=wTOC1×m2/m1,測定相對標準偏差為(±3)%。

1.2.4 沉積物粒徑

沉積物粒徑測定基于《海洋調(diào)查規(guī)范》[14],用英國馬爾文公司生產(chǎn)的Mastersizer 3000型激光粒度儀(儀器量程為0.1～3500.0μm)進行分析。分析前將沉積物樣品過篩除去超過量程的成分,再先后用質(zhì)量分數(shù)為30%的雙氧水與鹽酸(V鹽酸∶V水=1∶5)浸泡24 h除去有機物膠結與碳酸鹽,離心后超聲分散30 s,然后進行分析。

1.2.5 SEM 和EDS能譜觀察

使用荷蘭FEI公司生產(chǎn)的Quanta 200掃描電子顯微鏡觀察沉積物樣品,加速電壓為20 k V。用樣品匙取少量樣品灑在樣品臺的導電膠帶上,經(jīng)過吹掃,噴金后置于掃描電子顯微鏡下觀察,用EDS能譜確定發(fā)現(xiàn)的礦物以及生物化石的化學成分。

2 結 果

2.1 沉積物的含水率、粒徑以及有機碳質(zhì)量分數(shù)

D151站位沉積物的含水率隨深度變化(圖2),變化范圍為55%～72%,平均值為65%。隨著深度增加,該沉積物樣品的含水率呈現(xiàn)減小趨勢,含水率最高值出現(xiàn)在2～3 cm 沉積層,最低值出現(xiàn)在深度為18～20 cm 的沉積層。

D151站位沉積物平均粒徑隨深度增加呈減小的趨勢,最小值出現(xiàn)在18～20 cm 沉積層,為11μm;最大值出現(xiàn)在8～9 cm 沉積層,為20μm。

D151站位沉積物中TOC質(zhì)量分數(shù)隨深度增加呈現(xiàn)降低的趨勢,質(zhì)量分數(shù)變化范圍為0.11%～0.49%,平均值為0.30%。在2～3 cm 與18～20 cm 沉積層TOC質(zhì)量分數(shù)分別出現(xiàn)最大值與最小值,TOC質(zhì)量分數(shù)分別為0.49%和0.11%,在7～8 cm 沉積層出現(xiàn)次極大值,其質(zhì)量分數(shù)為0.48%。

圖2 雅浦海溝D151站位柱狀沉積物含水率、TOC質(zhì)量分數(shù)、平均粒度、常量元素和微量元素質(zhì)量分數(shù)的垂直變化Fig.2 Vertical variations of water content,mass fraction of TOC,average grain size and mass fraction of major elements and trace elements in the sediment samples from D151 station in the Yap Trench

2.2 元素垂直變化特征

沉積物中的元素可劃分為常量元素與微量元素[9]。D151站位沉積物樣品中檢測到的21種元素中Al,Ca,Fe,Mg,Mn,Na是常量元素;As,B,Ba,Cd,Co,Cr,Cu,Ga,Ni,Pb,Sb,Sr,Ti,V,Zn為微量元素(圖2)。Al,B,Ca,Fe,Mg,Ti,V 的質(zhì)量分數(shù)都在10～12 cm 沉積層附近達到最小值,在16～18 cm沉積層附近出現(xiàn)極大值,隨深度增加這些元素的質(zhì)量分數(shù)呈下降趨勢;Mn,Cd,Co,Cu,Ni,Zn的質(zhì)量分數(shù)在14～16 cm 沉積層以淺變化不大,在16～18 cm 沉積層升高達到最大值;As的質(zhì)量分數(shù)在0～7 cm 沉積層隨深度增加而顯著減少,在12～14 cm 沉積層突然升高,之后隨沉積深度增加保持穩(wěn)定;Na質(zhì)量分數(shù)在1～2 cm 沉積層達到最大值,在其余沉積層變化不顯著;整體上Ba的質(zhì)量分數(shù)隨沉積層深度增加變化較小,在6～8 cm沉積層突然增高達到最大值;Ga和Sr的質(zhì)量分數(shù)分別在3～4 cm 和4～5 cm 沉積層達到最大值,在16～18 cm 沉積層出現(xiàn)次極大值;Pb和Cr的質(zhì)量分數(shù)在2～3 cm 與4～5 cm 沉積層達到最小值,在16～18 cm沉積層出現(xiàn)極小值;Sb的質(zhì)量分數(shù)在0～4 cm 沉積層迅速下降,5～6 cm 沉積層迅速升高,在更深的沉積層隨深度增加呈逐漸上升趨勢。

2.3 SEM 觀察和EDS能譜儀分析結果

D151站位沉積物以黏土為主,微古生物化石以硅藻、放射蟲、海綿骨針、硅鞭藻等硅質(zhì)生物為主。因D151站位在碳酸鹽補償深度(CCD)以下,沉積物中未發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)生物。在這些生物化石中Ethmodiscusrex硅藻片最多,每一層沉積物樣品中都有;放射蟲也是每層沉積物中都有,大部分的放射蟲為泡沫蟲,籠罩蟲在0～12 cm 沉積物中出現(xiàn)。除Ethmodiscusrex硅藻片,D151站位沉積物中的典型硅藻還有圓篩藻和羽紋藻等,但數(shù)量較少;海綿骨針在各層沉積物中均有發(fā)現(xiàn),以單軸種為主,還有少量的三軸、四軸以及棘棒狀骨針;硅鞭藻數(shù)量很少,僅在1～2 cm 沉積層中發(fā)現(xiàn)(圖3和圖4)。

圖3 D151站位沉積物中發(fā)現(xiàn)的部分礦物SEM 照片及其EDS能譜Fig.3 SEM photos of partial minerals found in the sediment sample from D151 station and its EDS spectrum

圖4 雅浦海溝D151站位表層(0～1 cm)與底層(16～18 cm)沉積物掃描電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM images of surface sediment(0～1 cm)and bottom sediment(16～18 cm)from D151 station in the Yap Trench

根據(jù)SEM 的觀察結果,D151站位沉積物中的主要非生物成分為黏土;根據(jù)EDS能譜判斷,沉積物中有多種礦物。一種典型礦物的主要成分包括O,Mg,Si等元素,與蛇紋石成分一致(圖3h)。而圖3b中的礦物成分為Ba,S和O,表明該礦物為重晶石,此種礦物在每一層沉積物中都有存在。根據(jù)EDS能譜結果與多孔形貌判斷圖3e中的沉積物組分為火山玻璃,在9～22 cm 沉積層中存在,其中16～18 cm 沉積層的火山玻璃最多。在該沉積層發(fā)現(xiàn)了大量鐵錳微結核且多為聚集狀(圖3a),該沉積物樣品中發(fā)現(xiàn)的礦物還有長石(圖3f)、釩鈦磁鐵礦(圖3g)和白云石(圖3h)等,部分長石有明顯的蝕變現(xiàn)象(圖3f)。

3 討 論

3.1 D151站位的沉積環(huán)境

D151站位沉積物含水率隨著沉積層深度增加呈減小趨勢,這與上覆沉積物壓力造成的擠壓作用有關[17]。該站位沉積物平均含水率為65%,0～8 cm 處平均含水率為71%,低于雅浦海溝北部相近深度的Dive 113站位0～8 cm 沉積物的平均含水率(水深6578 m,77%)[12],和馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者”深淵南側水深6471 m表層沉積物含水率接近(約70%)[18],明顯高于渤海北部B108站位沉積物的(約43%)[19],略高于沖繩海槽北部S9站位沉積物的(56%～62%)[20],超深淵沉積物較高的含水率可能與D151站位超深淵環(huán)境水動力較小,沉積物粒度較細且水壓較高有關。

D151站位沉積物樣品粒度數(shù)據(jù)(圖5)顯示其組成以粉砂為主,按照?？嗣╗21],判定深度淺于9 cm沉積物屬于粉砂,深度在9～22 cm 沉積物屬于砂質(zhì)粉砂。該沉積物樣品平均粒度范圍是9.2～19.8μm,明顯小于黃、渤海陸架的沉積物粒度(20.6～58.3μm),接近于沖繩海槽北部S9站位(128°15′49″E,29°23′30″N,水深1062 m,6.8～15.6μm)的,比西南印度洋洋中脊(50°54′E,34°59′S,水深4430 m,2.8～7.3μm)[21]沉積物的和“挑戰(zhàn)者”深淵南側JL7KGC01A 站位沉積物粒度(6～11μm)[22]大,說明該站位沉積物搬運動力和沖繩海槽相接近,和近海環(huán)境相比搬運動力較小,比同樣位于深海環(huán)境下的西南印度洋洋中脊(坡度約為3°)沉積物的大,可能與海溝坡度(約為20°)較大有關。

圖5 D151站位沉積物粒度組成以及三角圖Fig.5 Grain size composition and triangular graph of the sediment in D151 station

三角圖(圖5b)顯示,該沉積物樣品粒徑分布整體較為集中,表征形成該沉積物的水動力環(huán)境在地質(zhì)歷史中整體較為穩(wěn)定。利用Passega提出的C-M 圖(圖6)[23]分析沉積物與沉積環(huán)境,其中C為累計曲線1%對應粒度,代表最大搬運動能;M 為中值粒徑,代表平均搬運能力。D151站位C-M 圖表明該站位沉積物主要搬運方式應為均勻懸浮,均勻懸浮沉積方式顆粒較細,沉積速率較慢。Yang等人的C14定年數(shù)據(jù)[24]顯示雅浦海溝北部S02站位(138°49′E,9°38′N)表層沉積物平均沉積速率約為0.2 cm/ka。海溝東側D152站位比D151站位沉積物C-M 圖數(shù)據(jù)點分布更為分散。D151站位位于坡度較大的雅浦海溝西側,與海溝東側站位D152(137°50′37″E,8°1′23″N,水深6679 m 的待發(fā)表數(shù)據(jù))相比,該站位沉積物會有更多沿著斜坡滑落下來的巖石影響C 值與M 值。而大洋沉積速率是不斷變化的[25],因此與東側站位相比,D151站位沉積物粒度變化較大。且沉積物中值粒徑與偏度以及分選系數(shù)之間存在的一定的負相關關系(圖7),當沉積物粒徑由粗轉細時,表明搬運動力逐漸下降,偏度逐漸轉向負偏(細偏),分選性變好,指示著沉積環(huán)境轉變?yōu)楦臃€(wěn)定低能的環(huán)境。

圖6 Passega提出的沉積物粒度C-M 圖和D151站位沉積物粒度C-M 圖Fig.6 C-M plot of sediment grain size proposed by Passege and drawed on the data of D151 station separately

圖7 D151站位沉積物偏度(中值粒徑)與分選系數(shù)(中值粒徑)圖Fig.7 Plots of skewness-median particle diameter and sorting coefficient-median particle diameter of the sediment from D151 station

D151站位沉積物的TOC質(zhì)量分數(shù)隨深度降低,可能與沉積物中微生物對有機物的分解,以及Mn O2、Fe3+、溶解氧和其它氧化劑對有機物的氧化等因素有關。根據(jù)吳彬等人的研究結果,雅浦海溝沉積物D150站位的TOC應屬于降解型分布,其垂直變化受降解速率影響較大[26]。與雅浦海溝北部相近深度的D113站位(0～8 cm,0.23%～0.28%)相比,D151 站位TOC 質(zhì)量分數(shù)隨深度減小幅度較大(0～8 cm,0.24%～0.49%)?？赡芘cD113站位沉積速率較快導致較高比例的有機物被埋藏有關,整體上使沉積物中的TOC含量升高[12]。D151站位沉積物TOC質(zhì)量分數(shù)平均值接近于渤海灣北部表層(117°30′～119°30′E,38°30′～39°30′N,0.4%)[27]和馬里亞納海溝南部“挑戰(zhàn)者”深淵(142°E,11°N,水深10900 m,約0.4%)[28],說明與生產(chǎn)力較高的近海海域相比,雅浦海溝有明顯的匯聚作用。TOC 質(zhì)量分數(shù)明顯低于中美海溝(90°56′W,12°43′N,水深5529 m,約2.5%)[29]、秘魯海溝(80°35′6″W,9°45′9″S,水深5086 m,2.54%)[30-31]以及沖繩海槽北部S9站位(約1%)[20]。這應是雅浦海溝距離陸地較遠,陸源物質(zhì)較少輸入導致的。

綜上所述,與近海環(huán)境相比D151所在站位沉積動力較小,粒度較細,含水率明顯較高,沉積方式屬于均勻懸浮。受海溝坡度較大的影響,與同樣位于深海環(huán)境下的西南印度洋中脊相比搬運動力較大,但所研究區(qū)域水動力環(huán)境歷史上變化并不大。受有機碳降解作用的影響,沉積物中的TOC 質(zhì)量分數(shù)隨深度逐漸減少。雅浦海溝雖對有機碳有明顯的匯聚作用,但因陸地較遠,與距離陸地較近的沉積物相比,沉積物中TOC 質(zhì)量分數(shù)較低。

3.2 D151站位沉積物中元素質(zhì)量分數(shù)變化的地球化學意義

D151站位不同元素質(zhì)量分數(shù)相關性分析的結果(表1)顯示,Al分別與Fe,Mg和Ti,Ca分別與Fe和Mg,Fe分別與Mg和Ti,Mg與Ti之間存在顯著正相關;Cd分別與Cu和Ni,Cu分別與Ni和Zn,Ni分別與Zn,Sr與V 顯著正相關;As分別與B,Ti和V,Ca與V,Fe分別與Sr和V,Mg分別與Sr和V,Mn分別與Ni和Zn,Na分別與Sr和V,Ti分別與B,Sr和V 之間顯著正相關,As,Ba,Cr,Ga,Na,Pb,Sb,Sr與其他元素之間無顯著相關關系。

根據(jù)SEM 觀察結果(圖3),沉積物中重晶石長度為2μm 左右,呈現(xiàn)出兩端較尖的形態(tài)特征(圖3b),這種形態(tài)的重晶石被認為是生物體死后形成的[32]。部分重晶石中心出現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象(圖3c),我們在溶蝕的重晶石中檢測到了Sr,重晶石的溶蝕普遍被認為是其中富集的Sr導致的[33],這與我們的EDS結果是相符合的。Bernstein的研究[34]表明重晶石中的Sr來自于棘骨蟲Acanthaarians骨骼中的SrSO4。Ti作為陸源輸入的指示因子,與Al,B,Ca,Fe,Mg,Na,Sr,V 顯著正相關說明上述元素含量變化受陸源物質(zhì)影響較大,其中V 能夠在鈦磁鐵礦形成的初期取代Fe3+進入礦物而富集,因此V 和Ti顯著正相關與鈦磁鐵礦的存在有關[35](圖3g)。火山活動是沉積物中錳微結核的來源之一。錳微結核可能是火山噴發(fā)后由于元素熔點不同從巖漿中分離出來的物質(zhì)[36]。通過掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)在D151站位沉積物的16～18 cm 沉積層有較多聚集狀錳微結核以及火山玻璃(圖3)。這些聚集狀錳微結核可能是一些小顆粒礦物在火山巖漿中相互黏合導致的。雅浦海溝北部站位37I-Yap-S01表層錳結核含量很高(92%),受此影響B(tài)a,Cd,Co,Cu,Mn,Ni,Sb,Sr,V,Zn在表層出現(xiàn)最大值[12]。在D151站位沉積物樣品的16～18 cm 沉積層中,這幾種元素含量也出現(xiàn)極大值,很可能與火山活動產(chǎn)生的錳微結核有關。此外由于自然環(huán)境中的As主要來源于地殼風化和火山爆發(fā)等[37],在D151站位12～22 cm 沉積層,As元素含量迅速升高也可歸于火山活動。洋殼的主要成分為巖漿巖,Cd,Co,Cu,Ni,Zn以及二價Mn屬于親硫元素,與巖漿巖的形成往往有密切的聯(lián)系。董冬冬等人認為雅浦海溝因俯沖侵蝕而沒有發(fā)育明顯的水平沉積[11],因此D151站位沉積物中Cd,Co,Cu,Mn,Ni,Zn之間相關性較大可能是海底裸露巖石剝蝕的影響所導致的。蛇紋石可以由基性巖和超基性巖經(jīng)熱液蝕變產(chǎn)生,經(jīng)過電子掃描顯微鏡觀察和EDS能譜掃描分析結果,沉積物中蛇紋石較多,也同樣說明沉積物的成分受到巖石的剝蝕影響,海水的沖刷和腐蝕作用以及海洋生物活動都可以對海底物質(zhì)產(chǎn)生破壞作用。

Murry等人提出的計算沉積物中陸源物質(zhì)占比公式:陸源物質(zhì)占比=(wTi樣品/wTiPAAS)×100%,wTiPAAS是晚太古代澳大利亞頁巖的Ti質(zhì)量分數(shù)[38]。對D151站位沉積物樣品陸源物質(zhì)占比的計算結果(表2)表明,樣品中沉積物陸源物質(zhì)平均質(zhì)量分數(shù)約占60%,變化范圍是54%～70%。且隨沉積物深度增加陸源組分所占百分比呈下降趨勢。另一方面,以太平洋深海黏土指示陸源,以太平洋拉斑玄武巖指示火山來源,以太平洋底棲附濁層指示生物源,以wTi/wAl比值為0.06,0.10,0.12分別代表中太平洋深海黏土、火山源、生物源[12],D151站位wTi/wAl比值變化范圍是0.05～0.06,說明該沉積物主要來源是陸源。以wFe/wAl比值為0.61,0.73,1.56分別代表陸源、火山源和生物源,D151站位Fe/Al比值范圍是0.80～0.96,更偏向于火山源,因此判斷D151站位的物質(zhì)來源主要是陸源和火山源。陸源物質(zhì)的輸入方式有河流、風和海洋動力等,由于研究站位遠離大陸,陸源物質(zhì)應以風塵輸入為主。王汾連等人認為雅浦海溝附近的馬里亞納海溝南部站位陸源物質(zhì)主要來源于中國黃土[23],而我們的結果(表3和表4)與中國黃土(wSr/wAl=22.74,wCa/wAl=0.88,wMg/wAl=0.22,wFe/wAl=0.46,wCr/wAl=10.22,wNi/wAl=5.38,wCo/wAl=2.93,wCu/wAl=2.38)[39]相比,0～8 cm 沉積層樣品的wCa/wAl(0.28)明顯較低,wMg/wAl(0.56)、wFe/wAl(0.87)、wCr/wAl(28.47)、wNi/wAl(34.04)、wCo/wAl(6.75)以及wCu/wAl(46.64)明顯較高,說明沉積物的化學組成與黃土差異較大,黃土成分對沉積物貢獻較低。另外海底火成巖的剝蝕產(chǎn)物是火山源之一。雅浦海溝缺少活躍的火山活動,但海溝周邊存在很多火山島,因此火山玻璃可能來自其附近區(qū)域,由風塵或洋流搬運過來。

沉metallicelementsinthesedimentofD151station性關相間之素元物積位站1 D151表Table1 Therelationshipbetweenvarious Zn V Ti Sr Sb Pb Ni Na Mn Mg Ga Fe Cu Cr Co Cd Ca Ba B As Al 1 Al 1 0.354 As 1 0.845 0.548 B 1 0.321 -0.623 -0.531 Ba 1 0.773 0.431 0.838 -0.481 Ca 1 0.040 0.490 0.078 -0.266 0.270 Cd 1 0.002 0.128 -0.047 0.129 0.165 0.758 Co 1 0.503 0.224 0.513 -0.165 0.492 -0.268 -0.231 Cr 1-0.216 0.304 -0.183-0.089 -0.032 0.935 0.778 -0.494 Cu 1 0.966 0.326 0.898 -0.360 0.860 -0.054 -0.022 0.534 -0.282 Fe 1 0.558 0.245 0.493 -0.280 0.484 0.011 -0.191 0.189 -0.105 0.525 Ga 1 0.949 0.286 0.830 -0.207 0.812 -0.051 0.097 0.539 -0.247 0.969 0.466 Mg 1-0.408 0.246 -0.322-0.005 -0.215 0.861 0.711 -0.562 0.968 -0.475 -0.232-0.432 Mn 1 0.717 0.200 0.532 -0.136 0.765 0.082 0.212 0.486 -0.149 0.762 0.440 0.769 -0.350 Na 1-0.352 0.269 -0.268-0.077 -0.153 0.883 0.733 -0.523 0.977 -0.412 -0.224-0.367 0.991 -0.319 Ni 1-0.689-0.389 -0.563 0.279 -0.590 0.102 0.252 -0.674 0.297 -0.622 -0.682-0.582 0.418 -0.572 0.409 Pb 1-0.702-0.234 -0.453 0.090 -0.408 0.254 0.207 -0.475 0.362 -0.665 -0.624-0.707 0.513 -0.647 0.471 0.641 Sb 1 0.795 0.236 0.660 -0.143 0.797 0.185 0.208 0.203 -0.012 0.838 0.546 0.821 -0.223 0.863 -0.195-0.457 -0.587 Sr 1 0.925 0.295 0.812 -0.316 0.774 -0.184 -0.063 0.519 -0.394 0.958 0.453 0.938 -0.572 0.812 -0.523-0.586 -0.704 0.822 Ti 1 0.850 0.501 0.735 -0.360 0.839 0.348 0.359 0.256 0.153 0.848 0.457 0.851 -0.052 0.800 -0.003-0.516 -0.541 0.898 0.831 V 1-0.434 0.331 -0.293-0.117 -0.230 0.848 0.672 -0.507 0.939 -0.491 -0.282-0.461 0.979 -0.396 0.979 0.435 0.533 -0.305 -0.579-0.095 Zn項此無為白:空注

YapTrench值比數(shù)分D151stationofthe量質(zhì)素元分部的物積沉位D151站溝海浦雅2表massfractionsratiosofpartialelementinthesedimentfrom Table2 The 21 19 17 15 13 11 9.5度/cm 8.5深層積沉7.5 6.5 5.5 4.5 3.5 2.5 1.5 0.5值比素元0.89 0.95 0.05 0.56 0.8 0.96 0.06 0.58 1.24 1.02 0.05 0.57 0.73 0.96 0.06 0.58 0.67 0.98 0.05 0.54 0.8 1.04 0.06 0.54 0.74 0.94 0.05 0.57 0.79 0.96 0.06 0.58 0.83 0.95 0.06 0.57 0.78 0.94 0.06 0.61 0.79 0.95 0.06 0.63 1.27 0.94 0.06 0.65 0.82 0.96 0.06 0.66[38]數(shù)分0.74 0.97 0.06 0.65量質(zhì)Ti的0.75 1.03 0.06 0.70中巖頁代古0.84 1.05 0.06 0.67太亞利大澳w V/w Cr Al 示Fe/w w w Ti/w Al TiPAAS*/w品:*表w Ti樣注

wV/wCr比值可用于判斷沉積環(huán)境是氧化環(huán)境還是還原環(huán)境,wV/wCr比值低于2,沉積物的形成環(huán)境為氧化環(huán)境,否則為還原環(huán)境[40]。D151站位wV/wCr比值均低于2,表明該站位表層沉積物形成于氧化環(huán)境。所有沉積層中wV/wCr變化范圍為0.67～1.27,總體上該站位沉積物可能主要形成于氧化環(huán)境,這種氧化環(huán)境可能與含氧量較高的南極底層水的進入有關[41]。

表3 常量元素質(zhì)量分數(shù)(%)Table 3 The mass fraction of major elements(%)

表4 微量元素質(zhì)量分數(shù)(×10-6)Table 4 The mass fraction of trace elements(×10-6)

掃描電鏡結果表明D151站位沉積物的主要成分為黏土,黏土是典型的陸源物質(zhì),說明陸源成分對沉積物貢獻較大。蛇紋石可由橄欖石蝕變產(chǎn)生,其形成與熱液活動密切相關[42],在俯沖帶可以發(fā)生大規(guī)模的蛇紋石化反應。白云石主要由碳酸鈣與Mg2+作用產(chǎn)生[43],由于該站位深度遠深于碳酸鹽補償深度(CCD),因此白云石可能來自海溝上方溝壁的沉積物?；鹕讲ＡУ拇嬖趯鹕绞录?第三紀雅浦海溝與卡羅琳海嶺相撞使得雅浦海溝缺少活動的火山作用[44],但所發(fā)現(xiàn)的火山玻璃說明雅浦海溝可能仍存在火山活動。該沉積物樣品中重晶石尺寸多為2～3μm,歸為生物成因[45]。根據(jù)SEM 觀察結果(圖4),D151站位主要非生物成分為黏土,按照張富元等提出的深海沉積物三角命名方案[46],D151站位沉積物中鈣質(zhì)和硅質(zhì)生物含量都小于50%,應歸為深海黏土類。電子掃描顯微鏡觀察和EDS能譜分析結果顯示,沉積物樣品中含有長石。長石可以陸源碎屑的形式進入沉積物,也能在火成巖中存在,因此也可能來自于海底巖石的分解。

4 結 語

我們對雅浦海溝南部D151站位柱狀沉積物樣品含水率、總有機碳(TOC)、多種金屬元素質(zhì)量分數(shù)、粒徑以及表面形貌進行了分析研究,該沉積物的含水率和TOC質(zhì)量分數(shù)隨沉積物深度增加而下降,可能與上覆沉積物的擠壓作用和有機物的降解有關,其TOC 質(zhì)量分數(shù)與渤海灣北部和馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者”深淵的沉積物較為接近,明顯低于沖繩海槽北部S9站位。Cd,Co,Cu,Mn,Ni,Zn受海底巖石剝蝕影響較大。沉積物中的Ba,Cd,Co,Cu,Mn,Ni,Sb,Sr,V,Zn的質(zhì)量分數(shù)在16～18 cm 沉積層出現(xiàn)最大值,可能與火山活動產(chǎn)生的錳微結核有關。D151站位沉積物的主要物質(zhì)來源為陸源和火山源,該站位沉積環(huán)境為氧化環(huán)境,可能與南極底層水輸入有關。沉積物主要成分為黏土、微生物化石以硅藻、放射蟲以及海綿骨針為主,該站位位于碳酸鹽補償深度(CCD)以下,碳酸鈣溶解,因此未發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)生物和碳酸鈣。該站位沉積物屬于深海黏土,以粉砂和砂質(zhì)粉砂為主,搬運方式以均勻懸浮為主,沉積動力接近于沖繩海槽北部,C-M 圖的數(shù)據(jù)點分布較為分散,可能與雅浦海溝西側較為陡峭有關,隨著搬運動力減小,粒度逐漸轉向負偏,分選系數(shù)逐漸減小,顯示形成該站位沉積物的水動力環(huán)境在地質(zhì)歷史中整體上較為穩(wěn)定。

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