南黃海沉積物中微量定量元素分布特征

南黃海沉積物中微量定量元素分布特征

南黃海是一個(gè)封閉的陸架海床。它不僅受到石油部門的良好影響，而且受到陸架海床變化頻繁古環(huán)境的影響。科學(xué)家們還關(guān)注陸地環(huán)境的變化，即晚第四紀(jì)沉積物的起源和大陸環(huán)境的變化（河流）。自20世紀(jì)70年代以來(lái),對(duì)南黃海開(kāi)展了系統(tǒng)的地質(zhì)地球物理調(diào)查并取得了一批重要的科研成果[1,2,3,4,5,6,7,1,2,3,4,5,6,7],同時(shí)也開(kāi)展了不少元素地球化學(xué)研究[3,4,5,6,7,8,9,3,4,5,6,7,8,9]和南黃海沉積物來(lái)源的研究[7,8,9,10,11,7,8,9,10,11],但這些研究大多集中于南黃海的中、西部,尤其對(duì)南黃海東部(124°以東)和南部區(qū)域研究報(bào)道較少。本文依據(jù)南黃海海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的最新研究成果,對(duì)南黃海沉積物常量元素分布特征及物源作深入的探討。1分析方法及樣品分析2001—2003年在南黃海區(qū)域進(jìn)行了沉積物取樣,用抓斗和箱式取樣器采集。室內(nèi)對(duì)表層沉積物295站位樣品作了常量元素分析測(cè)試(圖1)。室內(nèi)樣品分析由青島海洋地質(zhì)研究所測(cè)試中心完成,對(duì)不同指標(biāo)采用了不同的分析測(cè)試方法。SiO2采用硅氟酸鉀容量法:試樣經(jīng)氫氧化鈉熔融,水溶取后酸化,在含有氯化鉀強(qiáng)酸性溶液中,加入氟化鉀,使硅酸形成硅氟酸鉀沉淀,過(guò)濾后烘干,除去游離酸,沉淀于熱水中水解,所生成的氫氟酸用標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉溶液滴定,求出二氧化硅含量。CaCO3含量的測(cè)定是將試樣經(jīng)8%的乙酸于沸水分解,過(guò)濾后將濾液制成2%HCl溶液,用原子吸收光譜(AAN)測(cè)定,求出碳酸鈣的含量。Al2O3、Fe2O3、CaO、K2O、Na2O、MgO、TiO2、P2O5、MnO等測(cè)定是將試樣經(jīng)10mL氫氟酸、5mL硝酸分解,低溫加熱30min,稍冷后,加2mL高氯酸分解,再加10mL鹽酸溶取,制成溶液,用壓片法X-射線熒光光譜(XRF)和等離子體光譜法(ICP-OES)進(jìn)行測(cè)定。元素分析分別進(jìn)行了若干樣品的重復(fù)分析與標(biāo)樣分析,分析元素的相對(duì)誤差小于5%。粒度分析采用英國(guó)MALVERN公司生產(chǎn)的Mastersizer2000型激光粒度分析儀測(cè)試,儀器測(cè)量范圍0.02～2000μm,粒級(jí)分辨率為0.01ф。樣品經(jīng)過(guò)洗鹽、除有機(jī)質(zhì)和去鈣膠結(jié)物(CaCO3)后,使用進(jìn)樣器自帶的超聲波發(fā)生器將樣品充分分散后,即可進(jìn)入激光粒度分析儀進(jìn)行分析。對(duì)500個(gè)樣品進(jìn)行了粒度分析,分析結(jié)果間隔為1/2ф-1/4ф。碎屑礦物分析將原樣先烘干,用清水浸泡近兩天后,用孔徑為0.063mm的銅篩淘洗掉小于0.063mm的組分,樣品再次烘干后分級(jí)篩分。取0.063～0.25mm粒級(jí)的樣品用重液(CHBr3,相對(duì)體積質(zhì)量為2.89)將輕、重礦物分離、烘干、稱重。借助于雙目立體鏡、偏光顯微鏡及微化分析對(duì)樣品的輕、重礦物進(jìn)行鑒定,采用條帶數(shù)顆粒法,計(jì)300～500個(gè)顆粒,并分別計(jì)算輕、重礦物的顆粒百分含量。2結(jié)果2.1砂、粉砂、泥質(zhì)砂和砂依據(jù)Folk分類將南黃海的表層沉積物分為礫質(zhì)泥質(zhì)砂、泥質(zhì)砂質(zhì)礫、砂、粉砂質(zhì)砂、粉砂、砂質(zhì)粉砂、泥質(zhì)砂、砂質(zhì)泥、泥等。分布較廣的主要為砂質(zhì)粉砂、砂質(zhì)泥、粉砂質(zhì)砂和泥。以砂質(zhì)粉砂為主,其次為砂質(zhì)泥、粉砂質(zhì)砂和粉砂。表層沉積物的平均粒徑(Mz)為1.14～7.88φ,大部分分布于4～7φ(圖2)。2.2南采用cao和caco3含量分布Al2O3含量等值線分布由北向南將研究區(qū)劃分為高、中、低三個(gè)區(qū)(圖3):南黃海中部泥質(zhì)區(qū)為高值區(qū),質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于15%,中南部和蘇北淺灘北部海域?yàn)橹兄祬^(qū),質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%～15%,東北部及西北部海州灣殘留沉積區(qū)、蘇北淺灘南部海域?yàn)榈椭祬^(qū),含量小于11%。Al2O3含量高值區(qū)基本上與細(xì)粒級(jí)分布區(qū)相一致,其平均粒徑為6～7φ(圖2),反映出Al2O3主要富集在較細(xì)的粉砂、粘土質(zhì)組分中,粘土礦物是Al2O3的最重要的載體。表層沉積物Al2O3與MgO、K2O、Fe2O3含量分布十分相似。表層沉積物中SiO2含量在南黃海中部泥質(zhì)區(qū)低,東、西兩側(cè)砂質(zhì)區(qū)高(圖4)。與Al2O3分布相反,即Al2O3含量的高值區(qū)對(duì)應(yīng)于SiO2的低值區(qū),SiO2含量的高值區(qū)對(duì)應(yīng)于Al2O3含量的低值區(qū),反映出SiO2主要富集在粗顆粒組分中,明顯與砂質(zhì)分布相一致(圖2);同時(shí)與石英礦物的含量分布趨于一致,反映SiO2基本上以碎屑態(tài)存在于石英和硅酸鹽礦物中。在海州灣外側(cè),有一個(gè)SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于65%的條形區(qū)向東南方向延伸,其位置大體上與黃海沿岸流通道相一致。在研究區(qū)東北角,亦有一富含SiO2(>65%)分布區(qū),其位置與北上的黃海暖流相對(duì)應(yīng)。此外,在南黃海中南部有一塊SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于65%的砂區(qū)。CaO含量的分布(圖5)基本上與CaCO3分布(圖6)相一致,反映出鈣鹽與碳酸鈣基本上以同一存在形態(tài)即碳酸鈣態(tài)形式存在。CaO與CaCO3含量呈現(xiàn)出南高北低、西高東低的特點(diǎn)。CaO、CaCO3含量與粒度關(guān)系不密切。根據(jù)南黃海沉積物中碳酸鹽含量的分布特征,可將南黃海分為西部高值區(qū)和東部低值區(qū)(圖6)。具體可分為:(1)海州灣殘留沉積區(qū),CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于7%,最高可達(dá)55%,砂質(zhì)沉積物樣品中可見(jiàn)大量的鈣質(zhì)結(jié)核。(2)蘇北淺灘高值區(qū),CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于5%,最高可達(dá)15%,等值線基本平行于海岸分布。西部高值區(qū)與方解石高含量區(qū)分布基本一致。(3)東南部高值區(qū),位于古黃河三角洲邊緣,與西部過(guò)渡沉積物相比,CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈增高趨勢(shì),達(dá)7%～15%。(4)西南部低值區(qū),CaCO3含量為2%～8%,并逐漸與蘇北淺灘高值區(qū)融為一體。(5)東北部低值區(qū),CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～3%,其含量向南逐漸增高。TiO2的含量分布在南黃海東北部和西北部較低,中部和西南部含量較高(圖7)。TiO2含量分布的高值區(qū)(大于0.70)呈斑塊狀和東北向分布,黃海沉積物粒度效應(yīng)對(duì)Ti的影響不明顯,主要受物源的控制,高含量區(qū)與鈦鐵礦的分布基本一致。說(shuō)明長(zhǎng)江對(duì)南黃海的物質(zhì)來(lái)源起較大的作用,反映了長(zhǎng)江物質(zhì)的運(yùn)移。Na2O的分布(圖8)與Al2O3、Fe2O3、MgO等分布不同,呈現(xiàn)出北部高南部低的特點(diǎn);與表層沉積物平均粒徑分布對(duì)比,與粒度關(guān)系不密切,更可能與物質(zhì)來(lái)源有關(guān)。3討論3.1常量元素的統(tǒng)計(jì)分析3.1.1元素地球化學(xué)用PASS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)295個(gè)站位的11項(xiàng)常量元素進(jìn)行了R-型聚類分析(圖9),初步可分成兩個(gè)聚類,聚類1為CaO、CaCO3、MnO、P2O5氧化物,該聚類除部分來(lái)自陸源方解石外,還受自生作用和生物作用影響。這些元素的高含量一般出現(xiàn)在氧化條件下,水動(dòng)力活躍,生物活動(dòng)頻繁的環(huán)境。聚類2主要為與陸源碎屑有關(guān)的元素,如Al2O3、K2O、Fe2O3、MgO、TiO2、Na2O。這些元素的高含量大多出現(xiàn)在細(xì)粒沉積物和碎屑礦物中,如赤鐵礦、褐鐵礦、自生黃鐵礦、鈦鐵礦、磁鐵礦等礦物中,自生作用和生物作用對(duì)他們影響不大。聚類1的Ca與P的關(guān)系反映了主要與生物化學(xué)和自生沉積作用有關(guān);Ca與Mn的關(guān)系表明其沉積環(huán)境為氧化條件,錳是典型的變價(jià)元素,其中以二價(jià)錳(Mn2+)和四價(jià)錳(Mn4+)最為重要,錳的價(jià)態(tài)變化受pH及Eh支配,在還原和酸性介質(zhì)中錳呈Mn2+而溶解,在氧化環(huán)境中錳呈Mn4+而沉淀,所以二價(jià)錳經(jīng)氧化變成四價(jià)錳是錳最重要的沉積地球化學(xué)作用。聚類2的Ti未與Al、K、Fe和Mg等構(gòu)成一個(gè)聚類,但又有一定聯(lián)系,反映了Ti和這些元素既有共性又有差別,這是Ti有部分作為重礦物鈦鐵礦存在于砂或粉砂中。Na作為一個(gè)單點(diǎn)群,說(shuō)明Na部分為親Al元素一起存在于粘土中,但非碎屑態(tài)占有一定比例。Si元素的高含量主要富集在砂質(zhì)沉積物中,與石英含量相關(guān);與聚類1和聚類2中的元素呈負(fù)相關(guān),因此Si為一個(gè)單點(diǎn)聚類。3.1.2元素分布的地質(zhì)因素經(jīng)對(duì)295個(gè)站位11個(gè)常量元素的R-型因子分析(表1),因子1對(duì)元素CaO、CaCO3、MnO起主要控制作用,這與聚類分析中聚類1的主要元素相吻合,受因子1有一定控制作用的元素是P2O5、Fe2O3,而相反的有Al2O3、K2O、SiO2、TiO2、Na2O。該因子反映了元素組合基本不受粒度控制。這一因子受到陸源方解石和生物地球化學(xué)過(guò)程、自生作用的控制。因子1是影響該區(qū)元素分布的最重要的地質(zhì)因素,它貢獻(xiàn)全部方差的34.51%。因子2是SiO2與Al2O3、K2O、Fe2O3、MgO元素組合相互消長(zhǎng)的一種狀態(tài),其與聚類分析中聚類2的主要元素相吻合,這種狀態(tài)反映了沉積粒度、碎屑礦物含量和沉積環(huán)境對(duì)元素的控制作用。因子2是影響該區(qū)元素分布的較為重要的地質(zhì)因素,它貢獻(xiàn)全部方差的29.19%。因子3為TiO2、P2O5、MgO等元素,貢獻(xiàn)方差的16.14%。因子3代表了重礦物鈦鐵礦和自生沉積的控制作用,與沉積物的粒度無(wú)顯著相關(guān)性。3.2南中日曲線特征在中國(guó)邊緣海沉積物物源研究中,國(guó)內(nèi)外學(xué)者均廣泛依據(jù)黃河沉積物中Ca或碳酸鹽含量高的特征來(lái)識(shí)別黃河物質(zhì)在海區(qū)的擴(kuò)散和分布。表2數(shù)據(jù)表明黃河、長(zhǎng)江全巖沉積物的CaO或碳酸鹽含量顯著大于黃海東側(cè)韓國(guó)的錦江、榮山江沉積物(圖10),這顯示在黃海沉積物物源判別中,CaO或碳酸鹽可以作為一個(gè)示蹤指標(biāo)來(lái)區(qū)分中韓河流沉積物的相對(duì)貢獻(xiàn)。本文研究也表明南黃海沉積物的CaO或碳酸鹽含量呈現(xiàn)出南高北低、西高東低的特點(diǎn)(圖5、圖6),東南部高值區(qū)除可能受濟(jì)州島近源沉積物影響以及生物碎屑對(duì)總碳酸鹽含量的貢獻(xiàn)可能較大外,沉積物主要以黃河來(lái)源的陸源物質(zhì)為主。公元1194—1855年黃河從蘇北注入南黃海,使蘇北淺灘古黃河三角洲表現(xiàn)出明顯的黃河特征,沉積物以富碳酸鹽、CaO、Na為特征。由于黃海沿岸流和潮流等影響,該區(qū)沉積物侵蝕與改造強(qiáng)烈,黃海沿岸流的增強(qiáng)可能導(dǎo)致輸送的懸浮體粒度變粗;同時(shí),侵蝕沉積物在黃海陸架的搬運(yùn)和再沉積使得南黃海南部海區(qū)均不同程度帶有黃河沉積的特征,并為研究區(qū)東南部沉積物注入了主要物質(zhì)來(lái)源。R-型聚類分析和R-型因子分析也表明南黃海CaO或碳酸鹽含量部分受到生物地球化學(xué)過(guò)程和自生作用的控制。因此用CaO、CaCO3來(lái)識(shí)別黃河沉積物在南黃海西部和中部的擴(kuò)散和分布可信度較高,而到了東南部地區(qū)不是一個(gè)很好的示蹤指標(biāo)。南黃海沉積物TiO2含量分布的高值區(qū)(大于0.70)呈斑塊狀和東北向分布(圖7)。長(zhǎng)江河流沉積物TiO2含量比較高(表2),TiO2與沉積物粒度呈弱相關(guān)(表1),主要受物源控制,因此可以作為識(shí)別長(zhǎng)江物質(zhì)的可靠標(biāo)志之一。TiO2東北向高值區(qū)分布,可能反映了長(zhǎng)江對(duì)南黃海物質(zhì)來(lái)源所起的作用,揭示了長(zhǎng)江物質(zhì)的運(yùn)移方向。長(zhǎng)江沉積物的Ti/Al比明顯高于黃河和韓國(guó)河流沉積物的值(表2),圖11進(jìn)一步表明,長(zhǎng)江提供的物質(zhì)導(dǎo)致南黃海中部TiO2含量為高值區(qū),其分布同時(shí)反映了長(zhǎng)江物質(zhì)在海區(qū)的擴(kuò)散和運(yùn)移。在R-型聚類分析和R-型因子分析中,Na2O含量變化有其獨(dú)特性,與Al和Si都無(wú)相關(guān)性,不受沉積物粒度的控制,其分布呈現(xiàn)出北部高南部低的特點(diǎn)(圖8);Na2O分布與其他元素有著明顯的不同,可能與物質(zhì)來(lái)源有關(guān)。表2數(shù)據(jù)表明黃河的Na2O含量比較高,而長(zhǎng)江和錦江沉積物、榮山江沉積物的Na2O含量相對(duì)較低;新老黃河提供的物質(zhì)分別導(dǎo)致南黃海中部和北部Na2O含量為高值區(qū),其分布反映了黃河物質(zhì)在海區(qū)的擴(kuò)散和運(yùn)移。4中、西部cao、caco3分布南黃海沉積物常量元素分布由于物質(zhì)來(lái)源和與沉積物類型相關(guān)性不同,表現(xiàn)出明顯不同的分布規(guī)律。Al2O3、MgO、K2O、Fe2O3分布基本相似;SiO2分布與Al2O3、MgO、K2O、Fe2O3分布相反;中、西部CaO、CaCO3分布與黃河、長(zhǎng)江物源有明顯關(guān)系;Na2O分布與黃河物質(zhì)供給