东海陆架表层沉积物粘土矿物学特征

东海陆架表层沉积物粘土矿物学特征

从源到收集的沉积物运输过程是整个地球物质循环的重要环节。在这个过程中，沉积物被传输到海洋，这是当时最重要的地质和历史事件的信息。然而，由于海洋环境的复杂变化和人类活动的影响，这些信息的形式可能会发生变化。因此,如何反演上述地质历史进程、预测其发展变化,成为海洋地质学研究的重要内容。陆架区长江黄河物质影响范围的研究,对了解长江、黄河(包括废黄河三角洲)物质的运移与归宿,评价人类过程对近海环境的影响,查清陆架区沉积动力过程等方面都具有明显的意义(范德江等,2002;黄海军等,2008;王海龙等,2009;杨作升等,2009)。粘土矿物组合对物源的季候特征反映较为敏感,是认识沉积环境的重要标志(时英民等,1988),可清晰指示物源(Parketal,1990;范德江等,2001;周晓静等,2003)。一般认为东海陆架现代细颗粒沉积物主要来自于长江、黄河(老黄河)的物质输入(Nittroueretal,1984;Butenkoetal,1985;DeMasteretal,1985;Millimanetal,1985;金翔龙,1992;Suetal,2002;刘忠臣等,2003;Wangetal,2009);两条河流分属不同气候亚带,风化模式明显不同,因而两种河流来源的粘土矿物组成有所不同(朱凤冠,1985;杨作升,1988;杨作升等,2009;何良彪等,1997)。同时,东海外陆架、残留沉积物质组成虽然以砂和粉砂为主,但是仍有少量粘土粒级沉积物存在(秦蕴珊等,1987)。明确四种主要粘土矿物(伊利石、蒙皂石、高岭石、绿泥石)的组合特征对加深理解东海陆架物质来源、输运过程、沉积环境和气候特征等问题具有重要意义(何良彪,1989;时英民等,1989;李国刚,1990)。本项研究以东海陆架表层沉积物为对象,借助聚类、判别分析等手段,旨在明确四种主要粘土矿物(伊利石、蒙皂石、高岭石、绿泥石)的组合特征,探讨东海陆架表层四种主要粘土矿物的来源,以及长江和黄河(老黄河)细颗粒沉积物在东海陆架区的影响范围,加深对东海陆架物质输运过程、沉积环境和气候特征等问题的理解。1东海陆架细颗粒沉积物的来源东海纵跨暖温带、亚热带两个气候区,并以暖温带为主,具有明显的季风气候特点。矿物地球化学和沉积动力过程研究表明,长江口、东海内陆架现代沉积物形成于距今6ka以来的海侵时期(秦蕴珊等,1989),主要来源为长江径流输送入海的泥沙。外陆架残留沉积物主要形成于晚更新世海退时期(秦蕴珊等,1989),在冰后期的潮流作用改造下(Ueharaetal,2003),早期形成的细颗粒物质被不断带走,进而成为以中细砂为主的残留沉积体(秦蕴珊等,1987);长江与黄河(或老黄河)入海沉积物是东海外陆架细颗粒物质的主要来源(DeMasteretal,1985;Millimanetal,1985;郭志刚等,2000,2001;范德江等,2002;Katayamaetal,2003;Leeetal,2004)。长江、黄河历史上年均输入东海的沉积物总量累计约16亿t,若考虑废黄河三角洲的侵蚀量,则每年进入东部海域的长江型、黄河型沉积物总量近20亿t(Millimanetal,1983;程天文等,1985;Saitoetal,1994,2001)。东海的流系对于东海沉积物的搬运和沉积起着十分重要的作用,它控制着东海的沉积格局,也影响着东海沉积模式的塑造(秦蕴珊等,1987)。黑潮、长江冲淡水和东亚季风是东海环流形成的主要因素(Liuetal,2003;刘兴泉等,2008;郑琰明等,2009);而具有季节性变化特征的浙闽沿岸流、台湾暖流、黄海沿岸流,以及沿陆架坡折自南西向北东方向推进的黑潮暖流控制着细颗粒沉积物在东海陆架的输运与空间分布格局的构成(Beardsleyetal,1985;Hur,1998;Liuetal,2006;Zhengetal,2009)。在秋、冬季节,东海沿岸流携带长江入海沉积物向南搬运,在台湾暖流的顶托与阻隔作用下促进了东海内陆架区顺岸泥质条带的形成(Millimanetal,1989;金翔龙,1992;Leeetal,2003)。2粘液中粘土的提取对取自东海陆架区256个表层沉积物样品处理过程如下:取2—10g全岩样品,使用去离子水浸泡24h、超声分散30min后过250目筛;将筛下部分样品转入800ml烧杯中,加入去离子水至固定界面;玻璃棒搅拌均匀后静置;依照Stokes定律提取出粘土粒级(<2μm)组分;将上述提取液离心、去上清液、制作定向片。分别制成自然定向片、乙二醇饱和定向片(60℃乙二醇蒸汽中12h)和加热定向片(490℃加热2h)后,使用X-射线衍射仪进行测试分析。X-射线衍射分析(XRD)在中国科学院海洋研究所海洋地质与环境重点实验室完成,使用仪器为德国产D8Advance型X-射线衍射仪,仪器工作电压40kV、电流40mA,λ=1.54178Å(CuK3粘土矿物相对含量粘土矿物的鉴定和解释主要依据三种测试条件下获得的XRD叠加图谱的综合对比(图2):高岭石、绿泥石和伊利石在自然定向片和乙二醇饱和定向片XRD测试下的衍射峰不发生变化,而蒙皂石乙二醇饱和后,其15Å衍射峰移动到17Å。高岭石在490℃条件下加热2h后变为非晶质,所有基面反射消失;绿泥石加热后结构可能遭到破坏,14Å和7Å位置衍射峰减弱甚至消失;伊利石加热后层间水脱出、10Å衍射峰强度增加;蒙皂石加热后其自然定相片经XRD照射15Å和乙二醇XRD下的17Å衍射峰转移到10Å。这些矿物衍射特征的一一变化证明上述四种粘土矿物的存在。自然片14Å位置的衍射峰肩部宽阔且不对称,加热片14—10Å之间存在平台,而且乙二醇饱和片17Å位置衍射峰形态弥宽,由此可以判断样品中含有伊利石/蒙皂石随机混层矿物。XRD图谱分析结果显示,东海陆架表层沉积物粘土矿物相对含量平均值由高到低依次为伊利石(65.4%)、绿泥石(14.4%)、蒙皂石(13.3%)和高岭石(6.9%)。在陆架不同区域出现了以下5种矿物组合形式(相对含量由高到低):(Ⅰ)伊利石-绿泥石-高岭石-蒙皂石;(Ⅱ)伊利石-绿泥石-蒙皂石-高岭石;(Ⅲ)伊利石-蒙皂石-绿泥石-高岭石;(Ⅳ)伊利石-高岭石-绿泥石-蒙皂石;(Ⅴ)伊利石-蒙皂石-高岭石-绿泥石。其中出现(Ⅰ)型组合14例,(Ⅱ)型组合146例,(Ⅲ)型组合93例,(Ⅳ)型组合2例(分别出现在30°N、123°E和27.5°N、120.8°E),(Ⅴ)型组合1例(27.5°N、121°E)。粘土矿物空间分布存在较大差异,由图3可以看到,东海陆架表层沉积物中高岭石含量近岸较高,尤其是浙江沿岸最高,高含量区呈北东向分布,向海逐渐减少;伊利石则从岸向海有增加的趋势,研究区东北部和中南部伊利石含量较低,中部大片区域含量较高,以东南部近陆坡区含量最高;蒙皂石分布与伊利石相反,研究区的北部和南部含量较高,中部较低,在陆架东部边缘局部较高;绿泥石含量变化不明显,北部较低,中部外陆架局部较高。4不同类型沉积物的聚类分析参照前人研究结果,并根据粘土矿物的组合特征,可初步将长江、黄河以及黄、东海近岸<2μm粒级沉积物划分为三组,即:A组,黄河及老黄河沉积物;B组,长江及与其相似的东海内陆架沉积物;以及C组,台湾源沉积物(图4)。本次研究发现,在东海陆架研究区内,仅有少量表层沉积物的粘土矿物组合特征分别与A、B两组沉积物相似,而多数介于上述两者之间,同时与台湾岛河流沉积物的高伊利石和绿泥石、低高岭石和蒙皂石的含量特征(Liuetal,2008;李传顺,2009利用数学统计方法对东海陆架研究区粘土矿物组合的数值特征进行深入探讨。采用四种主要粘土矿物相对含量,以各沉积物样品为样本对研究区沉积物分类。分类过程大体分为两步,首先对样本进行快速聚类分析,从而得到初步的分类结果;而后在此基础上对样本进行判别分析并对快速聚类分析的分类结果进行修正,并以判别分析的分类为最终结果。在对研究区沉积物进行分类前,先利用图4所引用文献中的沉积物四种粘土矿物相对含量进行探索性分析,以求找到一种相对恰当的分析方案。比较多次统计的结果,最终选择以四种粘土矿物相对含量为因变量,预设分类数量为3,进行快速聚类分析。发现除有两个黄河河道的样品未能与长江及东海内陆架沉积物区分外,其余沉积物均得到了良好划分,三种类别分别代表了:(1)类黄河型沉积物(分别为来自黄河河道、黄海特定海域的沉积物);(2)类长江型沉积物(分别为来自长江口、杭州湾、瓯江口及东海内陆架的沉积物);(3)类台湾河流型沉积物(来自台湾岛及其西南部陆架沉积物)。判别分析的分类结果与聚类分析一致。由判别分析中各类型中心点间距以及样本分布可以看到,类别3与1、2的中心点相距较远,而类别1与2虽然基本可以区分,但仍有相交的趋势。判别函数标准化形式为:D1=0.570×蒙皂石含量+1.006×高岭石含量-0.865×绿泥石含量,D2=1.014×蒙皂石含量-0.333×高岭石含量+0.720×绿泥石含量;从中可以看出,判别函数的形式与伊利石含量无关。Fisher线性判别函数为:F1=5.360×蒙皂石含量+2.883×高岭石含量+2.225×绿泥石含量-91.046;F2=2.594×蒙皂石含量+2.453×高岭石含量+1.712×绿泥石含量-40.646;F3=2.240×蒙皂石含量-2.903×高岭石含量+6.263×绿泥石含量-130.395。在为观察值分组的时候,将每一个观察值分别带入上述3个Fisher判别函数,以函数的大小来作比较,观察值属于函数值最大的一组。依照上述方案,将所要分析的粘土矿物样品与上述文献中的样品共同进行快速聚类与判别分析。依照引自文献的样品的再次分类结果,研究区沉积物样本被分别归入上述1、2和3等三种类别之中。其中,类长江型沉积物以(Ⅰ)和(Ⅱ)型粘土矿物组合为主,为蒙皂石含量相对较低、高岭石含量较高的沉积物,它们在研究区广泛分布,并主要控制了124°E以西的东海陆架中、西部区域,代表了弱碱-弱酸性的粘土矿物形成条件(时英民等,1988);类黄河型沉积物主要为(Ⅲ)型粘土矿物组合,是蒙皂石含量较高、高岭石含量相对较低的沉积物,主要分布于124°E以东的陆架东北及南部部分区域,代表了碱性的粘土矿物形成条件(时英民等,1988);在研究区内并未见到第3种类别的沉积物(图5),这也即意味着台湾源粘土矿物对东海陆架区沉积物的影响较小。与探索性分析的判别结果相比较,此次判别分析过程中,类别1与2的中心点间距较明显地缩短,两种类别的样本空间紧密相邻。同时,因为XRD半定量分析结果的误差较大,除伊利石因晶形较好易于计算外,其余三种矿物的含量均难以准确定量。而在判别分析过程中,蒙皂石与高岭石含量是影响最终分类的最重要的两个因变量,这也为依据统计分析准确判断粘土矿物组合类型增加了难度。即便如此,分析误差并不能掩盖东海陆架区粘土矿物空间分布不均衡的事实,其中需要特别注意的研究区东南部海域蒙皂石含量的增加(图3)。由东海所处的地理位置和海流分布,东海陆架细颗粒沉积物的可能来源有长江、黄河与老黄河口和台湾岛。其中可以造成蒙皂石含量增加的可能原因有:(1)黄河细颗粒物质的增加;(2)在东海环流体系的作用下,现代陆源沉积物中四种主要粘土矿物在远途输运过程中发生了分异;(3)粘土矿物之间发生了相互转化;(4)更新世低海面时期形成的粘土矿物在现代海水动力体系下的再分布。首先需要考虑黄河入海物质对东海陆架粘土粒级沉积物的影响。受环流分布的影响,黄河源沉积物在东海北部的影响可能更大,但越向南其影响力越弱。从空间距离以及入海物质通量来看,现代长江沉积物在东海陆架区占据了绝对优势(邓兵,2005)。由方解石的分布来看,Milliman等人(1985)曾以<2μm粒级沉积物中方解石的存在作为判断济州岛南部泥质沉积受黄河物源影响的定性指标;本次研究中,内陆架西部近岸区<2μm粒级沉积物中方解石含量几乎为零(图6),由此可以部分说明黄河沉积物在浙闽沿岸泥质区的影响难以体现。此外,东海陆架<2μm粒级沉积物中方解石的分布趋势呈近岸低、向外海增加,这与钙质超微浮游生物的总量分布一致,很可能是海洋生物作用的产物(李国刚等,1991),而与粘土矿物的成因及来源没有必然的联系。其次,可以排除掉粘土矿物的沉积分异作用。根据Gibbs(1977)给出的数据(表1),四种主要粘土矿物中蒙皂石的粒径最小、比重最轻;绿泥石的平均粒径最大、比重最重;而伊利石的粒径变化范围最大,比重与高岭石相当。假设当地沉积的粘土矿物均来自现代长江与黄河物质的远程输入,如果要发生沉积分异,则蒙皂石的输运距离应该最远,而绿泥石与伊利石运输距离较近。但实际上,研究区南部蒙皂石高值区的东侧紧邻着伊利石的高值区,而在此区域内高岭石和绿泥石的含量基本稳定。据此,基本可以排除粘土矿物间的沉积分异作用。假设粘土矿物间发生了相互转化,因为海水的化学成分长期稳定,不可能存在强烈的离子流失,因此最大的可能是发生了类似化学风化的作用。在长期稳定的陆架海水环境中,风化作用的方向应当是固定的(图7),如果蒙皂石的含量增加,相伴随的则是绿泥石含量的减少,但由图3可以看出,在蒙皂石含量增加的区域,绿泥石并非呈现出