南黄海沉积物中微量定量元素分布特征

南黄海沉积物中微量定量元素分布特征

南黄海是一个封闭的陆架海床。它不仅受到石油部门的良好影响，而且受到陆架海床变化频繁古环境的影响。科学家们还关注陆地环境的变化，即晚第四纪沉积物的起源和大陆环境的变化（河流）。自20世纪70年代以来,对南黄海开展了系统的地质地球物理调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],同时也开展了不少元素地球化学研究[3,4,5,6,7,8,9,3,4,5,6,7,8,9]和南黄海沉积物来源的研究[7,8,9,10,11,7,8,9,10,11],但这些研究大多集中于南黄海的中、西部,尤其对南黄海东部(124°以东)和南部区域研究报道较少。本文依据南黄海海洋区域地质调查的最新研究成果,对南黄海沉积物常量元素分布特征及物源作深入的探讨。1分析方法及样品分析2001—2003年在南黄海区域进行了沉积物取样,用抓斗和箱式取样器采集。室内对表层沉积物295站位样品作了常量元素分析测试(图1)。室内样品分析由青岛海洋地质研究所测试中心完成,对不同指标采用了不同的分析测试方法。SiO2采用硅氟酸钾容量法:试样经氢氧化钠熔融,水溶取后酸化,在含有氯化钾强酸性溶液中,加入氟化钾,使硅酸形成硅氟酸钾沉淀,过滤后烘干,除去游离酸,沉淀于热水中水解,所生成的氢氟酸用标准氢氧化钠溶液滴定,求出二氧化硅含量。CaCO3含量的测定是将试样经8%的乙酸于沸水分解,过滤后将滤液制成2%HCl溶液,用原子吸收光谱(AAN)测定,求出碳酸钙的含量。Al2O3、Fe2O3、CaO、K2O、Na2O、MgO、TiO2、P2O5、MnO等测定是将试样经10mL氢氟酸、5mL硝酸分解,低温加热30min,稍冷后,加2mL高氯酸分解,再加10mL盐酸溶取,制成溶液,用压片法X-射线荧光光谱(XRF)和等离子体光谱法(ICP-OES)进行测定。元素分析分别进行了若干样品的重复分析与标样分析,分析元素的相对误差小于5%。粒度分析采用英国MALVERN公司生产的Mastersizer2000型激光粒度分析仪测试,仪器测量范围0.02～2000μm,粒级分辨率为0.01ф。样品经过洗盐、除有机质和去钙胶结物(CaCO3)后,使用进样器自带的超声波发生器将样品充分分散后,即可进入激光粒度分析仪进行分析。对500个样品进行了粒度分析,分析结果间隔为1/2ф-1/4ф。碎屑矿物分析将原样先烘干,用清水浸泡近两天后,用孔径为0.063mm的铜筛淘洗掉小于0.063mm的组分,样品再次烘干后分级筛分。取0.063～0.25mm粒级的样品用重液(CHBr3,相对体积质量为2.89)将轻、重矿物分离、烘干、称重。借助于双目立体镜、偏光显微镜及微化分析对样品的轻、重矿物进行鉴定,采用条带数颗粒法,计300～500个颗粒,并分别计算轻、重矿物的颗粒百分含量。2结果2.1砂、粉砂、泥质砂和砂依据Folk分类将南黄海的表层沉积物分为砾质泥质砂、泥质砂质砾、砂、粉砂质砂、粉砂、砂质粉砂、泥质砂、砂质泥、泥等。分布较广的主要为砂质粉砂、砂质泥、粉砂质砂和泥。以砂质粉砂为主,其次为砂质泥、粉砂质砂和粉砂。表层沉积物的平均粒径(Mz)为1.14～7.88φ,大部分分布于4～7φ(图2)。2.2南采用cao和caco3含量分布Al2O3含量等值线分布由北向南将研究区划分为高、中、低三个区(图3):南黄海中部泥质区为高值区,质量分数大于15%,中南部和苏北浅滩北部海域为中值区,质量分数为11%～15%,东北部及西北部海州湾残留沉积区、苏北浅滩南部海域为低值区,含量小于11%。Al2O3含量高值区基本上与细粒级分布区相一致,其平均粒径为6～7φ(图2),反映出Al2O3主要富集在较细的粉砂、粘土质组分中,粘土矿物是Al2O3的最重要的载体。表层沉积物Al2O3与MgO、K2O、Fe2O3含量分布十分相似。表层沉积物中SiO2含量在南黄海中部泥质区低,东、西两侧砂质区高(图4)。与Al2O3分布相反,即Al2O3含量的高值区对应于SiO2的低值区,SiO2含量的高值区对应于Al2O3含量的低值区,反映出SiO2主要富集在粗颗粒组分中,明显与砂质分布相一致(图2);同时与石英矿物的含量分布趋于一致,反映SiO2基本上以碎屑态存在于石英和硅酸盐矿物中。在海州湾外侧,有一个SiO2质量分数大于65%的条形区向东南方向延伸,其位置大体上与黄海沿岸流通道相一致。在研究区东北角,亦有一富含SiO2(>65%)分布区,其位置与北上的黄海暖流相对应。此外,在南黄海中南部有一块SiO2质量分数大于65%的砂区。CaO含量的分布(图5)基本上与CaCO3分布(图6)相一致,反映出钙盐与碳酸钙基本上以同一存在形态即碳酸钙态形式存在。CaO与CaCO3含量呈现出南高北低、西高东低的特点。CaO、CaCO3含量与粒度关系不密切。根据南黄海沉积物中碳酸盐含量的分布特征,可将南黄海分为西部高值区和东部低值区(图6)。具体可分为:(1)海州湾残留沉积区,CaCO3质量分数大于7%,最高可达55%,砂质沉积物样品中可见大量的钙质结核。(2)苏北浅滩高值区,CaCO3质量分数大于5%,最高可达15%,等值线基本平行于海岸分布。西部高值区与方解石高含量区分布基本一致。(3)东南部高值区,位于古黄河三角洲边缘,与西部过渡沉积物相比,CaCO3质量分数呈增高趋势,达7%～15%。(4)西南部低值区,CaCO3含量为2%～8%,并逐渐与苏北浅滩高值区融为一体。(5)东北部低值区,CaCO3质量分数为1%～3%,其含量向南逐渐增高。TiO2的含量分布在南黄海东北部和西北部较低,中部和西南部含量较高(图7)。TiO2含量分布的高值区(大于0.70)呈斑块状和东北向分布,黄海沉积物粒度效应对Ti的影响不明显,主要受物源的控制,高含量区与钛铁矿的分布基本一致。说明长江对南黄海的物质来源起较大的作用,反映了长江物质的运移。Na2O的分布(图8)与Al2O3、Fe2O3、MgO等分布不同,呈现出北部高南部低的特点;与表层沉积物平均粒径分布对比,与粒度关系不密切,更可能与物质来源有关。3讨论3.1常量元素的统计分析3.1.1元素地球化学用PASS统计软件对295个站位的11项常量元素进行了R-型聚类分析(图9),初步可分成两个聚类,聚类1为CaO、CaCO3、MnO、P2O5氧化物,该聚类除部分来自陆源方解石外,还受自生作用和生物作用影响。这些元素的高含量一般出现在氧化条件下,水动力活跃,生物活动频繁的环境。聚类2主要为与陆源碎屑有关的元素,如Al2O3、K2O、Fe2O3、MgO、TiO2、Na2O。这些元素的高含量大多出现在细粒沉积物和碎屑矿物中,如赤铁矿、褐铁矿、自生黄铁矿、钛铁矿、磁铁矿等矿物中,自生作用和生物作用对他们影响不大。聚类1的Ca与P的关系反映了主要与生物化学和自生沉积作用有关;Ca与Mn的关系表明其沉积环境为氧化条件,锰是典型的变价元素,其中以二价锰(Mn2+)和四价锰(Mn4+)最为重要,锰的价态变化受pH及Eh支配,在还原和酸性介质中锰呈Mn2+而溶解,在氧化环境中锰呈Mn4+而沉淀,所以二价锰经氧化变成四价锰是锰最重要的沉积地球化学作用。聚类2的Ti未与Al、K、Fe和Mg等构成一个聚类,但又有一定联系,反映了Ti和这些元素既有共性又有差别,这是Ti有部分作为重矿物钛铁矿存在于砂或粉砂中。Na作为一个单点群,说明Na部分为亲Al元素一起存在于粘土中,但非碎屑态占有一定比例。Si元素的高含量主要富集在砂质沉积物中,与石英含量相关;与聚类1和聚类2中的元素呈负相关,因此Si为一个单点聚类。3.1.2元素分布的地质因素经对295个站位11个常量元素的R-型因子分析(表1),因子1对元素CaO、CaCO3、MnO起主要控制作用,这与聚类分析中聚类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。该因子反映了元素组合基本不受粒度控制。这一因子受到陆源方解石和生物地球化学过程、自生作用的控制。因子1是影响该区元素分布的最重要的地质因素,它贡献全部方差的34.51%。因子2是SiO2与Al2O3、K2O、Fe2O3、MgO元素组合相互消长的一种状态,其与聚类分析中聚类2的主要元素相吻合,这种状态反映了沉积粒度、碎屑矿物含量和沉积环境对元素的控制作用。因子2是影响该区元素分布的较为重要的地质因素,它贡献全部方差的29.19%。因子3为TiO2、P2O5、MgO等元素,贡献方差的16.14%。因子3代表了重矿物钛铁矿和自生沉积的控制作用,与沉积物的粒度无显著相关性。3.2南中日曲线特征在中国边缘海沉积物物源研究中,国内外学者均广泛依据黄河沉积物中Ca或碳酸盐含量高的特征来识别黄河物质在海区的扩散和分布。表2数据表明黄河、长江全岩沉积物的CaO或碳酸盐含量显著大于黄海东侧韩国的锦江、荣山江沉积物(图10),这显示在黄海沉积物物源判别中,CaO或碳酸盐可以作为一个示踪指标来区分中韩河流沉积物的相对贡献。本文研究也表明南黄海沉积物的CaO或碳酸盐含量呈现出南高北低、西高东低的特点(图5、图6),东南部高值区除可能受济州岛近源沉积物影响以及生物碎屑对总碳酸盐含量的贡献可能较大外,沉积物主要以黄河来源的陆源物质为主。公元1194—1855年黄河从苏北注入南黄海,使苏北浅滩古黄河三角洲表现出明显的黄河特征,沉积物以富碳酸盐、CaO、Na为特征。由于黄海沿岸流和潮流等影响,该区沉积物侵蚀与改造强烈,黄海沿岸流的增强可能导致输送的悬浮体粒度变粗;同时,侵蚀沉积物在黄海陆架的搬运和再沉积使得南黄海南部海区均不同程度带有黄河沉积的特征,并为研究区东南部沉积物注入了主要物质来源。R-型聚类分析和R-型因子分析也表明南黄海CaO或碳酸盐含量部分受到生物地球化学过程和自生作用的控制。因此用CaO、CaCO3来识别黄河沉积物在南黄海西部和中部的扩散和分布可信度较高,而到了东南部地区不是一个很好的示踪指标。南黄海沉积物TiO2含量分布的高值区(大于0.70)呈斑块状和东北向分布(图7)。长江河流沉积物TiO2含量比较高(表2),TiO2与沉积物粒度呈弱相关(表1),主要受物源控制,因此可以作为识别长江物质的可靠标志之一。TiO2东北向高值区分布,可能反映了长江对南黄海物质来源所起的作用,揭示了长江物质的运移方向。长江沉积物的Ti/Al比明显高于黄河和韩国河流沉积物的值(表2),图11进一步表明,长江提供的物质导致南黄海中部TiO2含量为高值区,其分布同时反映了长江物质在海区的扩散和运移。在R-型聚类分析和R-型因子分析中,Na2O含量变化有其独特性,与Al和Si都无相关性,不受沉积物粒度的控制,其分布呈现出北部高南部低的特点(图8);Na2O分布与其他元素有着明显的不同,可能与物质来源有关。表2数据表明黄河的Na2O含量比较高,而长江和锦江沉积物、荣山江沉积物的Na2O含量相对较低;新老黄河提供的物质分别导致南黄海中部和北部Na2O含量为高值区,其分布反映了黄河物质在海区的扩散和运移。4中、西部cao、caco3分布南黄海沉积物常量元素分布由于物质来源和与沉积物类型相关性不同,表现出明显不同的分布规律。Al2O3、MgO、K2O、Fe2O3分布基本相似;SiO2分布与Al2O3、MgO、K2O、Fe2O3分布相反;中、西部CaO、CaCO3分布与黄河、长江物源有明显关系;Na2O分布与黄河物质供给