近4 400年來南海北部陸架沉積地球化學記錄及其地質意義①

徐方建 陳世悅 操應長 陳木宏 李安春 肖尚斌

(1.中國石油大學(華東)地球資源與信息學院山東青島266555;2.中國科學院邊緣海地質重點實驗室南海海洋研究所廣州510301; 3.中國科學院海洋研究所海洋地質與環境重點實驗室山東青島266071)

近4 400年來南海北部陸架沉積地球化學記錄及其地質意義①

徐方建1陳世悅1操應長1陳木宏2李安春3肖尚斌2

(1.中國石油大學(華東)地球資源與信息學院山東青島266555;2.中國科學院邊緣海地質重點實驗室南海海洋研究所廣州510301; 3.中國科學院海洋研究所海洋地質與環境重點實驗室山東青島266071)

對位于海南島南部陸架的S20孔沉積物進行了沉積學、AMS14C年代、粒度和常微量元素分析，初步探討了該區物質來源及蘊含的亞洲季風演化信息。近4 400 a以來，S20孔巖性較均一，其沉積作用受相對單一而穩定的水動力條件控制。S20孔沉積物源區物質硅酸鹽礦物經歷了明顯的風化，A—CN—K圖示和較低的CIA值(小于66)指示了源區較低的化學風化程度。海南島東部河流和珠江物質是最為可能影響S20孔區域的兩個來源，由于對海南島河流物質的研究相當匱乏，本研究尚無法定量估算該兩個可能物質來源的各自貢獻。S20孔沉積物CIA、Al2O3/Na2O、CaO*/TiO2、Na2O/TiO2等變化主要反映的是源區物質風化程度變化，該孔沉積物源區化學風化程度自4 400～1 600 a BP逐漸減弱以及1 600 a BP以來的逐漸增強，與中國南部Dongge洞石筍氧同位素曲線記錄的亞洲夏季風變化趨勢對應良好，說明該區沉積物中蘊含了豐富的亞洲季風變化信息。S20孔沉積物揭示出的化學風化程度強弱可能主要受控于軌道時間尺度上北半球夏季太陽輻射量變化。南海陸架區沉積物中物源與季風演化等信息的提取，亟待更多更高精度研究工作的展開。

陸架南海物質來源亞洲季風

近海陸架沉積有效的記錄了海陸變遷、海平面變化、河流入海和氣候變化等地質與環境信息，對全球環境變化十分敏感，因此陸架沉積研究特別是中國陸架沉積研究備受關注［1～5］。近年來對渤海［6，7］、黃海［4，8，9］、東海［10～13］、南海陸架［5］等各海區沉積物進行了研究，在區域沉積物的平面分布［4，13～15］、地球化學特征與物質來源［1，5，10，11，16］、沉積演化歷史及其古氣候、季風演化信息的提取［2，3，9，17～20］等方面取得了較大發展。南海作為東亞大陸物質剝蝕的主要沉積區，已經開展了大量的工作，然而研究重點集中于深水區［21～24］，對南海陸架的研究則要遠遠滯后［25～27］。本文對位于海南島南部的S20孔粒度、年代以及常、微量元素數據進行綜合分析，初步探討了該區物質來源及其可能蘊含的亞洲季風變化信息。

1 材料與方法

海南島及其鄰近海區有諸多河流注入南海，海南島東岸環流也存在季節性變化特點，即夏季由于盛行西南風而為東北向流，冬季盛行東北風而盛行西南向流［27，28］(圖1)。研究所用的S20孔(110°03.22'E，17°41.57'N)位于海南島南部，為2003年9月獲取，長222 cm，水深127.3 m。整個巖芯以灰色、深灰色粘土質粉砂為主，未見明顯的事件沉積。粒度和化學分析取樣間隔均為10 cm，分析樣品共23個。

粒度分析樣品先后用過量雙氧水(φ=30%)和鹽酸(3 N)處理。處理后的樣品在中國科學院南海海洋研究所用英國Malvern 2000型激光粒度儀進行粒度測量，測量范圍為0.02～2 000 μm，測試誤差小于2%。

樣品洗鹽后在恒溫(60℃)下烘干，研磨至小于250目，送中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所進行測試。多數常微量元素分析用全自動X—射線熒光光譜儀分析，儀器型號為PW2440，由荷蘭飛利普公司生產。元素La分析用ICP—MS方法測定，儀器型號為POEMS3，由美國熱電公司生產。為了監控測試精度和準確度，進行了若干樣品的重復分析與標樣分析，標樣類型為國家一級標準物質GSD-9和GSD-10，重復樣與一級標準物質合格率均為100%。分析項目以及技術指標見質量報告(表1)。取0.10～0.20 g用上述方法處理的樣品送中國地質調查局海洋地質實驗監測中心，采用原子吸收分光光度計測定碳酸鈣含量，儀器型號為美國熱電公司M6型。

圖1 南海北部季節性流系路徑和站位圖(據陳麗蓉等［27］)(a)2月份(b)8月份Fig.1Seasonal current variations in northern South China Sea and core location

表1 S20孔地球化學分析質量報告Table 1Detection limit of geochemical compositions in Core S20

3個AMS14C年代數據在中國科學院黃土與第四紀地質國家重點實驗室完成，原始測年數據利用CALIB 5.0.1軟件［29］進行日歷年齡校正(表2)，其他深度年代數據通過內插或是外推獲得(本文所指的年齡均為日歷年齡)。

表2 S20孔AMS14C年齡數據Table 2AMS14C dating of Core S20

2 巖性特征

從圖2可以看出，S20孔巖性較均一，主要為粘土質粉砂，其中粘土、粉砂和砂平均含量大約分別為16%、71%和13%。從底部向上，平均粒徑總體表現為逐漸變細，粒度頻率曲線分布多數近于對數正態分布，表明其沉積作用受相對單一而穩定的水動力條件控制。

年齡測試表明，該泥質區在約4 400 aBP(外推年齡)前已經開始形成(表2)，4 118～2 354 a BP期間沉積速率較為穩定，約為77 cm/ka，2 354 a BP以來沉積速率明顯降低，約為29 cm/ka。

3 化學風化特征

3.1 A—CN—K圖

S20孔沉積物樣品以幾乎與A—CN線平行的趨勢向A—K邊靠近，而遠離斜長石—鉀長石基線(圖3)，反映出源區物質化學風化時硅酸鹽礦物(如長石)也經歷了一定的風化，斜長石的脫Ca和Na過程明顯，而鉀長石風化很弱，脫K不明顯，沉積物多位于低等化學風化程度區，化學風化產物以伊利石和蒙脫石等為主。

3.2 化學風化指數CIA

化學風化指數CIA由Nesbitt和Young［30］提出，其定義如下:

圖2S20孔巖性剖面、年代地層與粒度頻率分布曲線Fig.2Chronology，grain-size parameter and frequency distributions of Core S20

圖3S20孔A—CN—K三角圖Ka:高嶺石;Gi:水鋁石;Chl:綠泥石;Sm:蒙脫石; Il:伊利石;Mos:白云母;Pl:斜長石;Ksp:鉀長石; A:Al2O3;CN:CaO*+Na2O;K:K2OFig.3A—CN—K Plot of Core S20

式中各氧化物均為摩爾數，CaO*表示樣品硅酸鹽中的CaO，用總CaO扣除碳酸鹽(均視為CaCO3礦物)中的CaO，計算公式為:CaO*=CaO－CaCO3× 40/100。由于CIA主要反映的是硅酸鹽礦物(主要是長石礦物)的風化，不存在元素遷移后再沉積的情況，因此很好的反映了沉積物形成時的化學風化情況而不是后期環境變化，因而在化學風化研究中得到了廣泛運用［30，31］。由于未風化的長石CIA為50，伊利石和蒙脫石為75～85，高嶺石和綠泥石則接近100［30，31］，而S20孔沉積物CIA均小于66，由此可見，該孔CIA值較低，指示其化學風化程度較低。在其形成時，除了碳酸鹽礦物經歷了較強的化學風化外，部分硅酸鹽礦物如斜長石也經歷了一定的化學風化作用，導致部分Ca的遷移，其風化產物可能主要以伊利石和蒙脫石為主。

4 物質來源

研究表明，海南島以東的南海北部地區主要受珠江、韓江和臺灣島輸入物質的影響，紅河來源的沉積物由于海南島的阻隔和科氏力的作用，很難搬運到海南島以東地區［32］。珠江年輸沙量約82.78×106t，而韓江徑流量僅為珠江的十分之一，年輸沙量僅約7× 106t，而且以伶仃洋和東沙島兩點連線，珠江源區主要影響該線西南區域，而閩粵沿海源區以及臺灣島源區主要影響伶仃洋—東沙群島連線東北區域［32］。邵磊等［32］提及，在珠江三角洲以西至雷州半島，由于常年受沿岸流由東向西搬運的影響，該區域沉積物主要受珠江三角洲物源的控制［33］，并指出海南島對該區域影響如何尚缺乏相關資料，是一個亟待研究解決的問題。

圖4 (a)S20孔Ti/Zr－Cr/Th圖;(b)La－Th－Sc圖;(c)Th－Sc－Zr/10圖圖中十字形代表S20孔沉積物樣品，圓圈代表ODP1148站沉積物樣品［22］，五角星代表珠江物質［28］Fig.4(a)Ti/Zr－Cr/Th plot;(b)La－Th－Sc plot;(c)Th－Sc－Zr/10 plot

海南島河流眾多，河系受穹隆構造影響自中央向四周輻射奔流入海。島上河流共有200余條，其中流域面積100 km2以上獨流入海的河流40條，流域面積在3 000 km2以上的河流，有南渡江、昌化江和萬泉河。陳麗蓉［27］通過對碎屑礦物(63～250 μm)的研究認為，海南島以東以及以南的近岸區主要為沿岸沖刷及沿岸河流帶來的，對粘土礦物分區研究則表現出海南島東部以及南部與珠江口沉積物相似。因此，排除紅河、臺灣和韓江等的影響，考慮到地形和流系因素，海南島東部河流和珠江物質是影響S20孔區域最為可能的兩個來源。

以往研究認為，近23 Ma以來ODP1148站沉積物主要來源于珠江(華南)［32，34，35］，為此，選擇ODP1148站沉積物［22］、珠江物質［28］與S20孔沉積物進行對比。可以發現，S20孔沉積物各項指標比ODP1148站更接近珠江物質(圖4)。這可能是因為以下原因造成的:(1)搬運動力和沉積環境差異造成的分選差異，兩站位距離珠江河口的距離大致相當，但是S20孔物質可能主要受到沿岸流攜帶物質沿著水深大約100 m的陸架搬運，而ODP1148站物質則經歷了河口—陸架—陸坡—海盆的近3 300 m落差，這一差異也會造成兩站位物質組成和粒度的明顯差異，即1148站的物質粒度更細，而S20孔物質會較粗，由于珠江物質的選取為在不同地區按照不同沉積物類型(砂、粉砂、泥)組成的組合樣［28］，相對來講后者更傾向于與珠江物質相近;(2)S20孔與珠江物質的地球化學成分相近可能是由于海南島區域物質與珠江流域物質具有相似的地球化學背景，二者具有相似的物質以及地球化學組成。由于對海南島河流物質的研究相當匱乏，本研究尚無法定量估算該兩個可能物質來源的各自貢獻。

5 近4 400年來化學風化演化

在巖石的風化過程中，比較活潑的Na、Ca等堿金屬和堿土金屬元素很容易被淋濾出來，而Al、Ti等不活潑元素則在風化產物中富集［22，30，36］，因此沉積物源區化學風化程度的變化是引起風化產物化學成分變化的重要因素。由于搬運水動力條件變化而產生的沉積物粒度差別也能導致沉積物的化學成分差異，即絕大多數地球化學成分變化符合“元素的粒度控制律”［28］，近期研究認為，元素含量變化主要反映的是礦物種類和含量變化信息，粒度的作用是間接的［37～39］，而相應的元素比值也可弱化或是消除粒度的影響［22，36，40］。

對比S20孔沉積物平均粒徑和CIA、Al2O3/Na2O、CaO*/TiO2、Na2O/TiO2等的變化(圖2、圖5)，將該5組數據進行Spearman相關分析，平均粒徑與后4組參數在a=0.01(置信度P=0.99)時，均未表現出相關性，在a=0.05(置信度P=0.95)時，CaO*/ TiO2、CIA分別與平均粒徑表現為低度正(R=0.49)、負相關(R=－0.45)，這可能是由于樣品未去除生物碳酸鹽，在硅酸鹽CaO*含量計算過程中，一定程度上受到相對較粗粒生物碳酸鹽的影響，CIA與平均粒徑表現出的低度負相關，則是受到了計算過程中CaO*含量的影響。縱然如此，較低的置信度和相關系數表明，粒度對CaO*/TiO2、CIA值的影響是有限的。由于S20孔可能來自于珠江物質和海南島區域物質，而二者可能具有相似的物質以及地球化學組成，因此可以認為，該孔沉積物CIA、Al2O3/Na2O、CaO*/TiO2、Na2O/TiO2等變化未(或較少)受到搬運水動力條件影響，而主要反映的是源區物質風化程度變化［22，30，31，36］。對比圖5中CaO*/TiO2、CIA值與Al2O3/Na2O、Na2O/TiO2的變化趨勢，可以發現前兩者的總體變化趨勢與后兩者相似，這在另一個角度說明S20孔沉積物粒度(以及生物碳酸鹽)對CaO*/ TiO2、CIA值的影響是有限的。

圖5S20孔CIA、Al2O3/Na2O、CaO*/TiO2、Na2O/TiO2與Dongge洞石筍氧同位素曲線［41］對比Fig.5Vertical distributions of CIA，Al2O3/Na2O，CaO*/TiO2，Na2O/TiO2of Core S20 and comparison with the stalagmite δ18O from Dongge Cave

S20孔沉積物CIA和Al2O3/Na2O比值表現出自4 400～1 600 a BP逐漸降低，1 600 a BP至今則逐漸升高，CaO*/TiO2、Na2O/TiO2比值與其趨勢相反(圖5)，這表明化學風化程度自4 400～1 600 a BP逐漸減弱以及1 600 a BP以來逐漸增強。與中國南部Dongge洞DA石筍氧同位素曲線［41］對比顯示，S20孔沉積物化學風化程度的強弱變化與亞洲夏季風的強弱變化趨勢較為一致。

湖北神農架山寶洞SB10石筍［42］與阿曼Qunf洞Q5石筍［43］氧同位素變化記錄也表明，4 400 a BP前后不同區域季風降水存在降低的趨勢，而且Q5［43］和DA石筍［41］記錄也顯示，在1 600 a BP前后，夏季風強度有所回升。王紹武等［44］的大氣環流模式模擬研究表明，中國4 000～2 000 a BP的干旱可能是在歲差的影響下夏季太陽輻射顯著下降、夏季風減弱所致。南海陸架S20孔沉積物揭示出的化學風化程度強弱與DA石筍、SB10石筍和Q5石筍記錄的亞洲夏季風變化的相似性表明，在軌道時間尺度上，前者也受控于北半球夏季太陽輻射量變化［45］。這也說明海南島南部陸架區具有相對穩定的物質來源或是物源變化對該區域影響不明顯，而且該區沉積物蘊含了豐富的亞洲季風變化信息。

6 結論

(1)近4 400年以來，南海陸架北部S20孔沉積物源區硅酸鹽礦物經歷了一定的風化作用，斜長石的脫Ca和Na過程明顯，鉀長石風化很弱，脫K不明顯，而且該孔沉積物CIA值較低(均小于66)，指示了較低的化學風化程度。

(2)海南島東部河流和珠江物質是影響S20孔區域最為可能的兩個來源，由于對海南島河流物質的研究相當匱乏，本研究尚無法定量估算該兩個可能物質來源的各自貢獻。

(3)S20孔沉積物CIA、Al2O3/Na2O、CaO*/ TiO2、Na2O/TiO2等變化未(或較少)受到搬運水動力條件影響，而主要反映的是源區物質風化程度變化。該類元素比值變化趨勢表明S20孔沉積物源區化學風化程度自4 400～1 600 a BP逐漸減弱、1 600 a BP以來逐漸增強，與中國南部Dongge洞石筍氧同位素曲線對應趨勢良好，說明該區沉積物中蘊含了豐富的亞洲季風變化信息。南海陸架S20孔沉積物揭示出的化學風化程度強弱可能主要受控于軌道時間尺度上北半球夏季太陽輻射量的變化。

致謝感謝在南海S20孔巖心取樣中全體船員、科考隊員的大力配合;中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所、中國地質調查局海洋地質實驗監測中心幫助進行了沉積物地球化學成分分析;年代測試由中國科學院黃土與第四紀地質國家重點實驗室完成;幾位審稿專家提供的寶貴意見和建議使本文得以很大提高，謹致謝忱。

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Geochemical Records and Geological Significance of the Continental Shelf Sediments in the Northern South China Sea Since 4400 a

XU Fang-jian1CHEN Shi-yue1CAO Ying-chang1CHEN Mu-hong2LI An-chun3XIAO Shang-bin2
(1.Faculty of Geo-Resources and Information，China University of Petroleum，Qingdao Shandong 266555; 2.Key Laboratory of Marginal Sea Geology，South China Sea Institute of Oceanology，CAS，Guangzhou 510301; 3.Key Laboratory of Marine Geology and Environment，Institute of Oceanology，CAS，Qingdao Shandong 266071)

Lithology，AMS14C dating，grain-size，major and trace element analysis were carried out for Core S20，which was retrieved from the continental shelf in the northern South China Sea(SCS).Sediment provenance and evolution history of Asian monsoon were discussed in this paper.Since 4400 a BP，the lithology of Core S20 is homogenous，the hydrodynamic conditions in the study area is relatively stable.The silicate material in the source area experienced significant weathering processes.A-CN-K plot and low CIA(chemical index of alteration)value indicated a lower degree of chemical weathering.The river in the eastern Hainan Island and Pearl River is the two most likely sources of the study area.Because of inadequate research on the former，this study could not quantitatively estimate their possible contributions.The variations of CIA，Al2O3/Na2O，CaO*/TiO2and Na2O/TiO2value mainly reflect the degree of weathering of the source area.Gradually weakened weathering between 4 400～1 600 a BP and strengthened from 1600 a BP to nowadays well corresponded to the absolute-dated oxygen isotope record from Dongge stalagmite，southern China，indicating that the core sediments in the study area containing a wealth of information on the evolution of Asian monsoon.The degree of chemical weathering of sediments in the northern SCS is mainly controlled by the variation of orbitally-induced Northern Hemisphere summer insolation.More research work with high resolution is necessary for extracting information on sediment provenance and monsoon evolution in the Northern SCS shelf.

continental shelf;South China Sea;sediment provenance;Asian monsoon

book=6,ebook=401

徐方建男1982年出生博士講師海洋沉積與礦物學E-mail:xufangjiangg@163.com;

1000-0550(2010)06-1198-08

①中國石油大學博士基金(批準號:Y0901036)資助。

2009-08-27;收修改稿日期:2009-12-01

xufj@upc.edu.cn