瓊東沿岸泥質沉積常量元素地球化學特征

常 宏, 肖尚斌, 陳 忠, 陳木宏

(1. 中國地質調查局 武漢地質調查中心, 湖北 宜昌 443005; 2. 三峽庫區生態環境教育部工程技術研究中心(三峽大學）, 湖北 宜昌 443002; 3. 中國科學院 邊緣海地質重點實驗室, 廣東 廣州 510301)

瓊東沿岸泥質沉積常量元素地球化學特征

常 宏1, 肖尚斌2,3, 陳 忠3, 陳木宏3

(1. 中國地質調查局 武漢地質調查中心, 湖北 宜昌 443005; 2. 三峽庫區生態環境教育部工程技術研究中心(三峽大學）, 湖北 宜昌 443002; 3. 中國科學院 邊緣海地質重點實驗室, 廣東 廣州 510301)

對南海北部陸架瓊東沿岸泥質區 S20孔進行了巖性、粒度和常量元素分析, 初步探討了該泥質區常量元素地球化學特征。S20孔巖性較均一, 主要為黏土質粉砂, 研究區受相對單一而穩定的水動力條件控制。常量元素含量變化符合“元素的粒度控制律”, R型因子分析結果表明, 第一因子P2O5, MnO,TiO2, Al2O3, Fe2O3和K2O等的組合, 體現了元素在表生環境中活動性差異與遷移狀況, F2因子MgO和Na2O組合的意義在現有研究基礎上我們尚無很好的解釋, 亟待礦物學方面的研究支持。均勻的巖性組成、相對穩定的元素組成表明該區沉積物適宜于古環境重建等研究。

南海; 陸架; 泥質沉積; 地球化學特征; 粒度; S20孔

陸架沉積物記錄了海陸變遷、海平面變化、河流入海和氣候變化等地質信息, 而陸架區泥質沉積物的近岸遠端輸送是陸架全新世沉積的一個普遍現象, 近年來受到國內外高度重視[1-6]。中國近海分布著多處泥質沉積, 目前對渤海[7-8]、黃海[9-10]、東海陸架[11-17]、臺灣海峽[18]等泥質沉積體進行了不同程度的研究, 如區域沉積物的分布、地球化學特征與物質來源、淺地層結構、沉積演化歷史等方面取得了一系列研究成果。此外, 泥質區因其連續的沉積記錄、蘊含的豐富古環境信息, 更在高分辨率的全新世全球變化記錄重建方面發揮了重要作用。

南海背靠亞洲大陸, 外繞島弧, 是一個典型的半封閉性邊緣海, 其獨特的地理位置和晚新生代以來的高沉積速率等使其成為國際海洋古環境研究的熱點之一, 但已有研究主要限于深海區沉積物。海南島東側泥質沉積平行于海南島東側海岸, 分布于約50～100 m水深地帶(圖1), 是南海北部陸架上水深最大的泥質沉積區, 然而對該泥質區的研究卻鮮見報道。本文以S20孔為代表, 在沉積學分析基礎上, 嘗試通過常量元素地球化學的初步研究, 探討該泥質沉積的動力特征、物質來源, 為后續其他高分辨率的古環境研究等提供基礎。

圖1 海南島周緣沉積物分布(據劉昭蜀等[19])Fig. 1 Sediment distribution near the Hainan Island

1 材料與方法

研究所用的 S20 孔(110o03.22′ E, 17o41.57′N)于2003年9月獲取, 長222 cm, 水深127.3 m。整個巖芯以灰色、深灰色黏土質粉砂為主。

本文共分析樣品23件, 采樣間隔為10 cm。粒度分析樣品先后用過量雙氧水(φ=30%)和鹽酸(3 mol/L)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0.2～2 000 μm, 重復測量的相對誤差＜ 3%。本文使用矩法計算粒度參數[20], 沉積物粒度分類中砂、粉砂、黏土間的界線為63 μm和4 μm,峰態和偏態的分級標準見姜在興等[21]。

元素分析樣品洗鹽后在恒溫(60 ℃)下烘干, 研磨至 250目以下, 送中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所用X-射線熒光儀器(XRF)分析。地球化學分析質量報告見表1。

表1 S20孔元素分析質量報告Tab. 1 Detection limits of geochemical compositions in Core S20

2 巖性特征

S20孔巖性較均一, 主要為黏土質粉砂, 其中粉砂體積分數一般在 65%(67.59%～77.26%)左右, 黏土在 20%左右(12.50%～22.45%), 砂(主要為細砂)的體積分數約占15%(4.88%～18.88%)。從底部向上, 平均粒徑存在變細的總趨勢(圖2)。

圖2 S20孔巖性剖面與粒度參數Fig. 2 Depth profiles of lithology and grain-size parameters in Core S20

S20孔沉積物粒度分布多數近于對稱、少數負偏(圖2和圖3), 表明其沉積作用主要受相對單一而穩定的水動力條件控制; 峰度值指示頻率曲線很尖銳(圖2), 表明沉積物總體分選較差, 這樣該孔標準差數值指示的分選較差狀況一致。相對均勻的巖性及穩定的沉積物組分和水動力條件, 說明該孔沉積物可能處于相對穩定的沉積環境, 物質來源沒有發生明顯的變化, 可以用做定量古環境研究的材料。

圖3 S20孔沉積物典型粒度頻率分布曲線Fig. 3 Frequency distributions of sediment in Core S20

3 元素地球化學特征

S20孔常量元素含量變化情況見圖4。可以看出,從底部到頂部, 絕大部分元素含量存在不同程度的波動, 變異系數相對較穩定。20 cm以上Fe, Mg, Al,Mn, P等元素含量明顯增加, 而Si, Ca等元素含量明顯降低, 這可能主要是由下文所分析的粒度效應引起。

3.1 元素含量與粒度的關系

圖5為 S20孔各元素含量與粒度的關系圖(Mz代表平均粒徑)。可以看出, MnO, TiO2, P2O5, Fe2O3,K2O和 Al2O3等元素與中值粒徑表現為顯著負相關,SiO2則為顯著正相關, MgO, Na2O, CaO與平均粒徑相關性較低, 僅表現為低度或是微弱相關。沉積物粒度與地球化學成分之間的關系已經得到了廣泛的研究[7,22-26], 有學者研究認為, 沉積物元素含量隨沉積物的粒度變化而有規律地變化, 基本上存在 3種模式： (1)大多數元素的含量隨粒度變細(砂→粉砂→黏土)而升高; (2)一些元素的含量隨粒度變細而降低;(3)個別元素的含量隨粒度變細先升后降而在中等粒度粉砂中出現極大值, 即“元素的粒度控制律”[22,27],S20孔泥質沉積物常量元素含量變化均符合該規律。有研究通過SiO2, TiO2等組分含量的對比, 認為瓊東南海域表層陸源物質源區可能主要為古紅河水系[28]。由于元素含量受粒度等多種因素控制和影響,且目前無海南各主要河流沉積物元素地球化學研究的系統報道, 本文尚無法進行更深入的分析和判斷。

圖4 S20孔常量元素分布Fig. 4 Depth profiles of major elements in Core S20

徐方建等[29]通過對東海和南海沉積物陸源物質粒度以及礦物分析認為, 中國邊緣海陸源物質平均粒徑與主要礦物成分含量大小具有一定的相關關系,通過對東海內陸架 EC2005孔柱狀沉積物的進一步研究, 徐方建等[30]提出陸源礦物種類和含量特別是主要礦物含量控制了平均粒徑的大小, 也控制了地球化學成分及其含量, 而粒度通過礦物組成變化對化學成分變化也會產生間接影響, 礦物種類和含量對地球化學成分的控制是決定性的, 而粒度對元素(化學成分)的“控制”實際上是粒度對地球化學成分的影響。Kiminami和Fujii[26]通過對日本濁流巖研究也認為, 粒度對砂巖化學成分的影響是與砂巖自身的礦物組成相關的。因此, 對于S20孔泥質沉積物常量元素遵循“元素的粒度控制律”現象的本質含義,需要得到礦物學方面的進一步論證。

3.2 元素組合特征

S20孔的化學元素組成的R型因子分析顯示, 前2個因子累計方差貢獻為86.56%(表2), 能夠較好地代表整個樣品的數據變化。

圖5 S20孔常量元素含量與粒度關系圖Fig. 5 Relationship between major elements and mean grain-sizes in Core S20

表 2 S20孔沉積物元素因子載荷矩陣(經過方差極大旋轉)Tab. 2 Matrix of factor loading (varimax law) of elements in sediments of Core S20

第一主因子 F1的方差貢獻為 67.11%, 是影響該柱狀沉積物元素變化的最主要地質因素。由因子載荷矩陣(表2), F1的正載荷主要為P2O5, MnO, TiO2,Al2O3, Fe2O3和 K2O等的組合; 負載荷主要為 SiO2,CaO的組合。正載荷元素大部分為表生環境中活動性較弱的元素, 其含量總體上具有隨著粒徑增大而變少的趨勢; 負載荷 SiO2則相反, 其含量與平均粒徑表現為顯著正相關, 可能是受到沉積物粗粒石英、長石礦物的影響[29-30]; CaO與平均粒徑表現出微弱正相關, 反映了鈣質生物的稀釋作用[22,27]。該因子反映了該孔元素分布的主要特點, 體現了元素在表生環境中活動性差異與遷移狀況。

F2因子的方差貢獻為19.45%, 是影響該柱狀沉積物元素變化的第二因素, 表現為MgO, Na2O的組合。部分研究認為, MgO主要受控于伊利石和綠泥石等黏土礦物, Na2O則與長石含量呈正相關[30], 該兩種主要受控于不同礦物的元素組合意義, 在現有研究基礎上我們尚無很好的解釋, 這同樣亟待得到礦物學方面的研究支持。

4 結論

對 S20孔沉積學、常量元素地球化學的初步分析表明, 瓊東南泥質區巖性較均一, 主要為黏土質粉砂, 研究區受相對單一而穩定的水動力條件控制;沉積物常量元素含量變化相對比較穩定, 各元素含量變化符合“元素的粒度控制律”。R型因子分析得到的 2個因子較好地代表了整個樣品的數據變化。F1因子正載荷主要為P2O5, MnO, TiO2, Al2O3, Fe2O3和K2O等的組合, 負載荷主要為SiO2, CaO的組合, 反映了該孔元素分布的主要特點, 體現了元素在表生環境中活動性差異與遷移狀況, 是影響該柱狀沉積物元素變化的最主要地質因素。F2因子為 MgO,Na2O的組合, 該因子的意義在現有研究基礎上我們尚無很好的解釋。本文得到的各元素含量符合“元素的粒度控制律”以及 MgO, Na2O因子的意義解釋亟待礦物學方面的研究支持。

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Major element characteristics of east coast mud off the Hainan Island

CHANG Hong1, XIAO Shang-bin2,3, CHEN Zhong3, CHEN Mu-hong3
(1. Wuhan Center of China Geological Survey, Yichang 443005, China; 2. Engineering Research Center of Eco-environment in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, China Three Gorges University,Yichang 443002, China; 3. Key Laboratory of Marginal Sea Geology, the Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510301, China)

Aug., 31, 2009

the north South China Sea; continental shelf; mud; geochemical characteristics; grain-size; Core S20

Lithology, grain-size, and major element analysis were carried out for Core S20, which was collected from the mud area off the east coast of Hainan Island. The lithology was homogenous, and was mainly composed of clay silt, indicating a relatively stable environment that extends to present day. The concentration of major elements obeyed the rule that “grain-size controlling on geochemical elements”. Based on R-model factor analysis, the first principal component had relatively high loadings of P2O5, MnO, TiO2, Al2O3, Fe2O3, and K2O, reflecting the difference of elements’ activity in hypergene environment. The second component had high loadings of MgO and Na2O, of which we have no good explanation. Furthermore, the study on mineralogy is needed.

P736.42

A

1000-3096(2011)05-0042-05

2009-08-31;

2011-03-07

國家地質調查項目(1212010914002); 中國博士后基金(2005037177)

常宏(1975-), 男, 滿族, 吉林省吉林市人, 高級工程師, 碩士, 主要從事環境地質研究, 電話： 0717-6346947, E-mail：chhxtx@126.com; 肖尚斌, 通信作者, 教授, 博士, 主要從事環境科學研究, E-mail： shangbinx@163.com

劉珊珊)