東太平洋豐水期懸浮體元素組成的測(cè)定

東太平洋豐水期懸浮體元素組成的測(cè)定

1浮離子體體物源運(yùn)移特征t.海洋中的浮游生物資源豐富，包括從河流和大氣流向海洋的陸地資源、海洋自生物（生物遺跡、遺跡、有機(jī)膜、海洋自生物等）。海底的火山和各種礦物和元素的作用，以及沉積在海床上的未固結(jié)顆粒和少量宇宙微塵。浮游生物的物質(zhì)來(lái)源直接影響其成分的特征和含量的分布，對(duì)水體的物理和化學(xué)性質(zhì)特征、生物地球化學(xué)過(guò)程以及海洋物質(zhì)循環(huán)產(chǎn)生了重要影響。有關(guān)大洋懸浮顆粒物質(zhì)來(lái)源的研究由來(lái)已久,特異性物源示蹤指標(biāo)的提取是物源研究的重點(diǎn),其中對(duì)陸源組分(包括風(fēng)塵)的判別主要利用搬運(yùn)過(guò)程中特征不易改變的陸源礦物、元素(黏土礦物、陸源石英及鋁和鈦元素等)來(lái)進(jìn)行.對(duì)生源物質(zhì)的判別主要利用與生源相關(guān)的元素、礦物[有機(jī)碳、生物硅(蛋白石)、鈣質(zhì)超微化石及鈣、鎂、鍶、鋇等生源元素]來(lái)區(qū)別.對(duì)海底火山和熱液活動(dòng)產(chǎn)物是利用水體中熱液特征元素、化學(xué)組分(溶解態(tài)錳、CH4,銅、硫等)的異常來(lái)示蹤.宇宙微塵的分布主要依靠特殊的鋨和銥元素的異常來(lái)確定.鋁和釷同位素是定量分析底質(zhì)沉積物再懸浮對(duì)懸浮顆粒物影響的主要手段.海底火山和熱液源組分僅在特定區(qū)域內(nèi)含量較高,底質(zhì)再懸浮的影響范圍也僅限于水體近底層,故水體中大多數(shù)懸浮顆粒物為陸源和生源組分.有效區(qū)分懸浮顆粒物中陸源和生源組分是研究懸浮顆粒物源的基本內(nèi)容.研究區(qū)位于赤道東北太平洋中國(guó)多金屬結(jié)核開(kāi)辟區(qū)(見(jiàn)圖1).我國(guó)從“七五”末期開(kāi)始即在該區(qū)及其附近區(qū)域展開(kāi)了大量的調(diào)查研究,取得了一系列成果.研究領(lǐng)域主要集中在海洋水文、底質(zhì)沉積物的礦物組成及地球化學(xué)特征、沉積物間隙水的化學(xué)性質(zhì)、多金屬結(jié)核的物理化學(xué)及礦物特征和成因等.在大洋近底層水體中懸浮顆粒物含量相對(duì)較高,形成近底霧狀層,其顆粒物來(lái)自上覆水體垂向沉降及洋流側(cè)向運(yùn)移攜帶的物質(zhì)和未固結(jié)的底質(zhì)沉積物再懸浮的物質(zhì),兩者之間存在著廣泛的交換.近底霧狀層內(nèi)及其與海底之間的物質(zhì)交換在大洋沉積、洋底生態(tài)系統(tǒng)、大洋多金屬結(jié)核和富鈷結(jié)殼成礦環(huán)境等領(lǐng)域都具有重要的意義,為此中國(guó)大洋礦產(chǎn)資源研究開(kāi)發(fā)協(xié)會(huì)“十五”計(jì)劃中在中國(guó)多金屬結(jié)核開(kāi)辟區(qū)對(duì)近底霧狀層的物質(zhì)組成和運(yùn)移單獨(dú)立項(xiàng)進(jìn)行研究.整個(gè)水體中懸浮體物源示蹤元素的研究為近底霧狀層研究提供了必不可少的背景信息,為多金屬結(jié)核開(kāi)辟區(qū)海洋基礎(chǔ)研究提供了必要的背景數(shù)據(jù),是多金屬結(jié)核開(kāi)辟區(qū)綜合海洋調(diào)查研究的有機(jī)組成.本文在分析懸浮顆粒物元素分布的基礎(chǔ)上提取了反映懸浮顆粒物物源的示蹤元素,并描述其在各個(gè)站位整個(gè)水體中的變化特征,著重探討近底霧狀層內(nèi)物源示蹤元素的變化,提出了可以指示底質(zhì)沉積物再懸浮的示蹤指標(biāo).2懸浮體和皮質(zhì)元素分析懸浮體樣品采自北海分局“大洋1”號(hào)考察船2005年DY105-17B航段,底質(zhì)沉積物樣品采自北海分局“大洋1”號(hào)考察船1999年DY95-10航次,用CTD分層采集懸浮體,用多管取樣器采集底質(zhì)沉積物樣品.本文涉及的取樣站位見(jiàn)圖1.利用美國(guó)海鳥(niǎo)公司SeaBird911plus型CTD儀分層采集懸浮體水樣.每站分別在表層,20,50,100,200,500,800,1500,3000m左右水深及近底部的三個(gè)層位共12個(gè)層位采水樣,共采集懸浮體水樣36個(gè).隨船用事先稱重的雙層Waterman微孔濾膜(直徑為47mm,孔徑為0.45μm)抽濾水樣,抽濾體積為3000～5000mL.濾膜經(jīng)洗鹽后在室溫下晾干并在3～5℃下冷藏保存.實(shí)驗(yàn)室內(nèi)低溫下(<40℃)烘24h之后用精度為十萬(wàn)分之一的電子天平稱其質(zhì)量.所得懸浮體質(zhì)量用其下的空白濾膜校正,懸浮體含量(TSM)單位為毫克每立方分米.利用ICP-MS分析懸浮體和底質(zhì)樣品中的元素,分析元素為47個(gè),包括鋰、鈹、鈉、鎂、鋁、鈣、鈧、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鎵、銣、鍶、釔、鋯、鈮、鉬、鎘、銻、銫、鋇、汞、鉈、鉛、鉍、釷、鈾及部分鑭系稀土元素(部分元素因含量太低未檢測(cè)出),元素分析在北京核工業(yè)地質(zhì)研究院進(jìn)行.儀器為德國(guó)Finnigan-MAT公司生產(chǎn)的ELEMENTI型等離子體質(zhì)譜儀,測(cè)量精度標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%.各元素含量單位為微克每克,根據(jù)抽濾水樣體積與濾膜抽濾前后的質(zhì)量將各元素含量單位換算為微克每立方分米.懸浮體含量及其中鈦、鋁、鋇的總量及換算的生物鋇含量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.3結(jié)果和分析3.1cttial20世紀(jì)50年代以來(lái)發(fā)現(xiàn)赤道海域沉積物中鋇的累計(jì)率與水體表層生產(chǎn)力水平有對(duì)應(yīng)關(guān)系,進(jìn)入90年代后進(jìn)一步建立了鋇作為生產(chǎn)力指標(biāo)的計(jì)算模型.由于鋇在沉積物中的保存比率比其他古生產(chǎn)力指標(biāo)明顯要高,已成為大洋沉積物中生源組分的有效指標(biāo).懸浮顆粒物中鋇元素主要來(lái)源于陸源鋁硅酸鹽和生源硫酸鋇微晶,在局部海域熱液也是其重要來(lái)源之一.在提取生源鋇作為生源組分指標(biāo)研究古生產(chǎn)力時(shí),一般利用鋇與鋁或者鋇與鈦的關(guān)系來(lái)扣除陸源鋇的影響.懸浮顆粒物中鋇的總量、生源鋇、陸源鋇三者存在如下的關(guān)系:cbioBa=ctBa-ctTi(Al)[cBa/cTi(Al)]PAAS,(1)式中,cbioBa表示生源鋇的含量;ctBa表示鋇的總含量;ctTi(Al)表示鈦(鋁)的總含量;[cBa/cTi(Al)]PAAS為陸源鋇與鈦(鋁)含量的比值,其中(cBa/cTi)PAAS的值為0.0038,(cBa/cAl)PAAS值為0.0075,ctTi(Al)×[cBa/cTi(Al)]PAAS代表陸源鋇的部分.根據(jù)上式得到的生源鋇的含量、百分含量見(jiàn)表1,其中利用鈦元素扣除得到的生源鋇含量占鋇的總含量的96%～99%,利用鋁元素扣除的結(jié)果為26.7%～96.5%,其中小于60%的有兩個(gè)層位.大洋中懸浮顆粒物稀少,元素含量較低.由能譜掃描發(fā)現(xiàn)僅在個(gè)別層位有含鈦的單個(gè)副礦物顆粒,極大地提高了該層懸浮體中鈦的整體分布,難以準(zhǔn)確反映整體的統(tǒng)計(jì)性結(jié)果.鋁元素的含量是鈦元素的3～20倍,分布更廣泛、穩(wěn)定,在懸浮體中計(jì)算結(jié)果更可靠.因此,本文用鋁元素計(jì)算的生物鋇含量進(jìn)行討論.在掃描電鏡和能譜分析中發(fā)現(xiàn)有大量生物成因的自生重晶石,證實(shí)了鋇的賦存狀態(tài)(有關(guān)懸浮顆粒物物質(zhì)組成的研究將另文系統(tǒng)報(bào)道).鈣、鎂和鍶元素被廣泛應(yīng)用于生源組分的示蹤,根據(jù)我們的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)懸浮體中鈣、鎂和鍶元素含量相關(guān)性較好,鋇元素含量與它們之間的相關(guān)性較差.掃描電鏡和能譜顯示鈣、鎂元素在海洋生物組分、海洋生源自生礦物及陸源黏土礦物和碎屑礦物組分中均有廣泛分布,為多源成因.大洋懸浮顆粒物中陸源組分有洋流從陸架帶來(lái)的、洋島物質(zhì)輸入的及大氣沉降輸入的等.陸源鋁硅酸鹽碎屑中的鋁和鈦元素是風(fēng)化過(guò)程中最不易遷移的元素之一,是陸源物質(zhì)的示蹤指標(biāo)之一.水體中鋁與鈦元素的分布在開(kāi)辟區(qū)東區(qū)相關(guān)性較好(圖2,b,c),其中在ES0504站相關(guān)系數(shù)為0.99(在剔除明顯偏移點(diǎn)后相關(guān)系數(shù)為0.77),在E-0502站相關(guān)系數(shù)為0.89.在開(kāi)辟區(qū)西區(qū)相關(guān)性略差(圖2a)(在WS0504站相關(guān)系數(shù)為0.49).兩區(qū)鋁與鈦元素含量的相關(guān)性差異可能與兩區(qū)物源差別有關(guān).西區(qū)洋底火山噴發(fā)作用強(qiáng)烈,火山源物質(zhì)較多,可能影響了水體中鋁和鈦的含量.總體而言,兩元素都可以作為陸源組分的良好示蹤指標(biāo),鋁元素在水體中的含量一般是鈦元素的3～20倍,在水體中分布更廣泛、穩(wěn)定.本文選擇鋁元素作為陸源物質(zhì)的示蹤指標(biāo)元素來(lái)進(jìn)行論述.3.2我國(guó)多金屬開(kāi)采區(qū)各站的物源指標(biāo)分布特征(1)浮體的降低m1)(見(jiàn)圖1).該站懸浮體含量從表層到底層分為三段(見(jiàn)圖3):1)在水深500m以上呈波動(dòng)變化,總體含量較下層水體的高,一般超過(guò)0.06mg/dm3,最高達(dá)0.28mg/dm3;2)在500～5000m含量較穩(wěn)定,在1500m出現(xiàn)最高值(0.14mg/dm3);3)在5000m以下的近底部含量急劇變化,在5200m左右含量達(dá)到極值(0.20mg/dm3),在5200m之下含量又降低,但仍大于中間水體的含量.懸浮體中生源鋇含量為0.01～0.11μg/dm3,從表層到底層分為三段:1)25m以上的含量急劇變化,在表層含量較高(0.09μg/dm3),然后急劇下降,在25m左右降至最低值(0.01μg/dm3);2)在25～5000m含量波動(dòng)式增加,其中在1500m略有降低,在5000m達(dá)到最高值(0.11μg/dm3);3)5000m以下含量急劇降低,在5200m達(dá)到最小值(0.02μg/dm3).懸浮體中鋁含量為0.33～1.83μg/dm3.在表層500m內(nèi)含量最高,表層至3000m減小,其中在1500m處略為增加(1.50μg/dm3).在3000～5000m開(kāi)始增加,從0.33μg/dm3增至1.13μg/dm3.在5000m以下含量先急劇降低(最低降至0.65μg/dm3)又急劇增加(最高為1.29μg/dm3).總體而言,水體表層生源鋇和鋁含量均較高.表層至3000m生源鋇含量波動(dòng)式增加,鋁含量波動(dòng)式減小.在3000～5200m兩者變化趨勢(shì)類(lèi)似,含量先增加至5000m又急劇降低,但鋁含量在最底層又有增加.(2)懸浮體含量隨深度的變化m(見(jiàn)圖1).該站懸浮體含量從表層到底層可以分為三段(見(jiàn)圖4):1)在表層50m內(nèi)含量較低并逐漸增加,從0.05mg/dm3增至50m處的0.10mg/dm3;2)在50～5250m內(nèi)含量基本穩(wěn)定,總體較表層的高,為0.07～0.08mg/dm3,僅在1500m左右出現(xiàn)最小值(0.01mg/dm3);3)在5250m以下含量先略微增加后急劇降至5350m處的0.02mg/dm3,總體上也比中間水層的低.與懸浮體含量變化類(lèi)似,懸浮體中生源鋇含量也呈現(xiàn)三段式分布:1)表層從0.03μg/dm3急劇增加至0.12μg/dm3(50m),之后又急劇降低至0.04μg/dm3(98m);2)在98m以下呈波動(dòng)變化,變化趨勢(shì)與懸浮體含量的相反,變化幅度較懸浮體含量要高,呈反“S”形分布.在1500m(0.10μg/dm3)和5250m(0.13μg/dm3)出現(xiàn)極值;3)5250m以下急劇降低至5350m的0.04μg/dm3.鋁含量變化與懸浮體含量的類(lèi)似,在表層從2.82μg/dm3急劇增加至18.54μg/dm3(18m),在18～5250m鋁元素含量基本穩(wěn)定,為0.38～3.97μg/dm3.在5250m之下從3.97μg/dm3急劇降低至0.85μg/dm3.總體而言,生源鋇與鋁含量變化趨勢(shì)類(lèi)似,中間水體中生源鋇元素的變化與懸浮體含量的相反.(3)懸浮體含量隨深度的變化m(見(jiàn)圖1).該站水體中懸浮體含量變化曲線從表層到底層可以明顯分為三段(見(jiàn)圖5):1)表層50m以上水體懸浮體含量較高,大于0.07mg/dm3;2)在50～5080m較表層低,呈先增后降趨勢(shì),在500m達(dá)到最高的0.04mg/dm3.在3000～5080m基本穩(wěn)定在0.02mg/dm3;3)在5080m之下急劇增加,在5130m左右達(dá)到最大值(0.09mg/dm3).與懸浮體含量變化類(lèi)似,懸浮體中的生源鋇的含量也呈現(xiàn)三段式分布:1)在表層從0.05μg/dm3急劇增加至0.11μg/dm3(50m),之后又急劇降低至0.04μg/dm3(99m);2)在99～5080m以下呈波動(dòng)變化,在99～1500m變化趨勢(shì)與懸浮體含量變化趨勢(shì)類(lèi)似,變化幅度較懸浮體含量要高,在1500m以下開(kāi)始增加,總體呈“S”形分布,在1500m(0.03μg/dm3)和5080m(0.07μg/dm3)出現(xiàn)極值;3)在5080m以下又有降低,由于采樣間隔較小,降低幅度較小.水體中鋁元素含量變化也與懸浮體含量的類(lèi)似,在表層(48m)為1.37～2.25μg/dm3,在48～3000m鋁元素含量變化趨勢(shì)與鋇的類(lèi)似,在0.35～1.83μg/dm3波動(dòng).在5080m之下從2.45μg/dm3急劇增加至3.66μg/dm3.總體而言三者變化都可分為三段,在水體表層三者均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì).在5250m以下生源鋇含量降低,鋁含量急劇增加.水體中懸浮體、生源鋇和鋁元素含量均表現(xiàn)為三段式分布.三者在各站的含量變化趨勢(shì)有差異.3.3原生元素含量之比值作說(shuō)明從懸浮體含量分布看,近底部水體內(nèi)懸浮體含量有明顯波動(dòng).其物質(zhì)主要來(lái)自上覆水體垂向沉降及洋流側(cè)向運(yùn)移攜帶的顆粒物和未固結(jié)的底質(zhì)沉積物再懸浮的顆粒物,前者在水體中含量極低,生源物質(zhì)含量相對(duì)較高,后者在近底層含量較高,陸源組分含量相對(duì)較高,兩者存在著廣泛的交換.懸浮體中各元素含量極低,其絕對(duì)值無(wú)法與底質(zhì)沉積物中的進(jìn)行對(duì)比,利用篩選出的反映生源和陸源物質(zhì)的敏感性指標(biāo)的比值可以消除懸浮體與底質(zhì)沉積物中元素含量絕對(duì)量的差異,能較好地反映顆粒物質(zhì)在水體與底質(zhì)之間的交換.研究區(qū)三個(gè)站位的水體中生源鋇與鋁元素的含量之比值變化曲線從表層到底層均可以分為三段(見(jiàn)圖3～5).在近底層段都表現(xiàn)為兩元素含量的比值急劇降低:在WS0504站(見(jiàn)圖3)從5000m的0.10急劇降為0.03(5200m),在底質(zhì)沉積物中降至最低(不足0.01);在ES0504站(見(jiàn)圖4)從5300m的0.06略微增加,之后又降低,在底質(zhì)沉積物中降至最低(不足0.01);在E05-02站(見(jiàn)圖5)從5080m的0.03急劇降低,在5130m即降至0.02左右,底質(zhì)沉積物中降至最低(不足0.01).三站近底霧狀層內(nèi)反映生物組分的生源鋇和陸源組分的鋁元素含量的比值從近底層水體向底質(zhì)沉積物降低,在底質(zhì)沉積物中降到最低值,說(shuō)明近底霧狀層內(nèi)隨水深增加生源物質(zhì)相對(duì)含量逐漸降低,陸源物質(zhì)相對(duì)含量逐漸增加.懸浮體含量、生源鋇和鋁元素含量及生源鋇與鋁元素含量的比值在近底層均有明顯變化,反映出近底霧狀層的分布和變化特征.近底部水體與底質(zhì)沉積物之間存在著明顯的物質(zhì)交換,表現(xiàn)為底質(zhì)沉積物再懸浮中以陸源為主的顆粒物對(duì)近底層水體中生源顆粒物的稀釋.生源鋇與鋁元素含量的比值在近底霧狀層內(nèi)由水體向底質(zhì)沉積物持續(xù)降低,顯示了底質(zhì)沉積物再懸浮顆粒物在近底霧狀層內(nèi)運(yùn)移的范圍及其與水體顆粒物交換的程度.顆粒物中鋇與鋁元素含量的比值可以作為近底霧狀層內(nèi)顆粒物運(yùn)移的示蹤指標(biāo).3.4懸浮物體元素含量變化分析懸浮顆粒物中示蹤元素的含量主要受水體懸浮體含量、懸浮體中顆粒物質(zhì)來(lái)源的控制.懸浮體含量在水體中的分布呈現(xiàn)出三段式變化:表層含量較高;中下層為波動(dòng)變化層,懸浮體含量較低;近底層懸浮體含量急劇變化.與此相似,懸浮體中生源鋇、鋁等物源示蹤元素的含量在水體中的分布也表現(xiàn)出三段式變化,但元素含量在各個(gè)層位的變化趨勢(shì)受懸浮體顆粒物物質(zhì)來(lái)源的控制更明顯,其分布在一些層段與懸浮體含量變化趨勢(shì)不同,其中尤以近底層差別最大.物質(zhì)來(lái)源是影響顆粒物中元素含量的根本因素.在水體透光層內(nèi)生物作用較強(qiáng),一方面懸浮顆粒物為浮游生物及微生物提供了豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和寄居的場(chǎng)所,另一方面這些生物又影響顆粒物的聚集及分散,其本身和代謝產(chǎn)物等也是重要的懸浮物質(zhì)和物源,故懸浮體含量較高,相應(yīng)地反映生源組分的生源鋇含量也高.在水體中下層海洋動(dòng)力環(huán)境比較穩(wěn)定.水體中懸浮顆粒物主要來(lái)源于上覆水體的沉降,組分比較穩(wěn)定.隨著生物體的降解不溶組分含量相對(duì)略有增加.生源鋇以重晶石形式存在,不溶于水,同樣陸源成因的鋁元素也很難發(fā)生遷移.兩元素含量在中下層相應(yīng)表現(xiàn)出略微增加的趨勢(shì).水體近底層底質(zhì)沉積物質(zhì)再懸浮引起懸浮體含量明顯增加.底質(zhì)沉積物中陸源組分相對(duì)含量遠(yuǎn)較水體中的高,受其在水體中擴(kuò)散的影響,近底層內(nèi)隨水深增加生源組分相對(duì)含量逐漸降低,陸源組分相對(duì)含量逐漸增加.顆粒物中生源鋇和鋁元素含量在近底層內(nèi)呈現(xiàn)出相應(yīng)的變化.利用顆粒物中生源鋇與鋁元素含量的比值可以消除懸浮顆粒物與底質(zhì)沉積物中元素絕對(duì)含量的差異.在近底層內(nèi)兩元素含量的比值的變化更明顯地顯示出底質(zhì)沉積物再懸浮對(duì)近底層顆粒物分布的影響.底質(zhì)沉積物的再懸浮是近底層懸浮顆粒物增加形成近底霧狀層的直接因素.3.5陸源元素與鋁元素的相關(guān)性開(kāi)辟區(qū)東、西兩區(qū)水體中懸浮體含量及懸浮體中生源鋇、鋁及鈦元素含量、它們的含量比值有明顯差異(見(jiàn)圖3～5),表現(xiàn)在位于西區(qū)的WS0504站水體中懸浮體含量總體上明顯高于東區(qū)站位的;WS0504站反映陸源物質(zhì)的鈦與鋁元素的相關(guān)性明顯差于東區(qū)站位的;鋁元素含量在水體中變化特征明顯不同,西區(qū)水體中鋁元素含量在表層最高,在中下水層隨水深增加呈持續(xù)降低的趨勢(shì),在近底層又有增加.東區(qū)水體中鋁元素含量在表層最高,然后急劇下降,在中下水層呈波動(dòng)變化,變化幅度較小,在近底層又有增加.兩區(qū)水體中懸浮物質(zhì)來(lái)源的差異可能是導(dǎo)致這些差別的主要原因.大洋中懸浮顆粒物來(lái)源主要有生物源、陸源和海底火山、熱液源等.前兩者在兩區(qū)差別微小,而西區(qū)洋底火山噴發(fā)作用強(qiáng)烈,相應(yīng)的火山源顆粒物質(zhì)供應(yīng)