东太平洋丰水期悬浮体元素组成的测定

东太平洋丰水期悬浮体元素组成的测定

1浮离子体体物源运移特征t.海洋中的浮游生物资源丰富，包括从河流和大气流向海洋的陆地资源、海洋自生物（生物遗迹、遗迹、有机膜、海洋自生物等）。海底的火山和各种矿物和元素的作用，以及沉积在海床上的未固结颗粒和少量宇宙微尘。浮游生物的物质来源直接影响其成分的特征和含量的分布，对水体的物理和化学性质特征、生物地球化学过程以及海洋物质循环产生了重要影响。有关大洋悬浮颗粒物质来源的研究由来已久,特异性物源示踪指标的提取是物源研究的重点,其中对陆源组分(包括风尘)的判别主要利用搬运过程中特征不易改变的陆源矿物、元素(黏土矿物、陆源石英及铝和钛元素等)来进行.对生源物质的判别主要利用与生源相关的元素、矿物[有机碳、生物硅(蛋白石)、钙质超微化石及钙、镁、锶、钡等生源元素]来区别.对海底火山和热液活动产物是利用水体中热液特征元素、化学组分(溶解态锰、CH4,铜、硫等)的异常来示踪.宇宙微尘的分布主要依靠特殊的锇和铱元素的异常来确定.铝和钍同位素是定量分析底质沉积物再悬浮对悬浮颗粒物影响的主要手段.海底火山和热液源组分仅在特定区域内含量较高,底质再悬浮的影响范围也仅限于水体近底层,故水体中大多数悬浮颗粒物为陆源和生源组分.有效区分悬浮颗粒物中陆源和生源组分是研究悬浮颗粒物源的基本内容.研究区位于赤道东北太平洋中国多金属结核开辟区(见图1).我国从“七五”末期开始即在该区及其附近区域展开了大量的调查研究,取得了一系列成果.研究领域主要集中在海洋水文、底质沉积物的矿物组成及地球化学特征、沉积物间隙水的化学性质、多金属结核的物理化学及矿物特征和成因等.在大洋近底层水体中悬浮颗粒物含量相对较高,形成近底雾状层,其颗粒物来自上覆水体垂向沉降及洋流侧向运移携带的物质和未固结的底质沉积物再悬浮的物质,两者之间存在着广泛的交换.近底雾状层内及其与海底之间的物质交换在大洋沉积、洋底生态系统、大洋多金属结核和富钴结壳成矿环境等领域都具有重要的意义,为此中国大洋矿产资源研究开发协会“十五”计划中在中国多金属结核开辟区对近底雾状层的物质组成和运移单独立项进行研究.整个水体中悬浮体物源示踪元素的研究为近底雾状层研究提供了必不可少的背景信息,为多金属结核开辟区海洋基础研究提供了必要的背景数据,是多金属结核开辟区综合海洋调查研究的有机组成.本文在分析悬浮颗粒物元素分布的基础上提取了反映悬浮颗粒物物源的示踪元素,并描述其在各个站位整个水体中的变化特征,着重探讨近底雾状层内物源示踪元素的变化,提出了可以指示底质沉积物再悬浮的示踪指标.2悬浮体和皮质元素分析悬浮体样品采自北海分局“大洋1”号考察船2005年DY105-17B航段,底质沉积物样品采自北海分局“大洋1”号考察船1999年DY95-10航次,用CTD分层采集悬浮体,用多管取样器采集底质沉积物样品.本文涉及的取样站位见图1.利用美国海鸟公司SeaBird911plus型CTD仪分层采集悬浮体水样.每站分别在表层,20,50,100,200,500,800,1500,3000m左右水深及近底部的三个层位共12个层位采水样,共采集悬浮体水样36个.随船用事先称重的双层Waterman微孔滤膜(直径为47mm,孔径为0.45μm)抽滤水样,抽滤体积为3000～5000mL.滤膜经洗盐后在室温下晾干并在3～5℃下冷藏保存.实验室内低温下(<40℃)烘24h之后用精度为十万分之一的电子天平称其质量.所得悬浮体质量用其下的空白滤膜校正,悬浮体含量(TSM)单位为毫克每立方分米.利用ICP-MS分析悬浮体和底质样品中的元素,分析元素为47个,包括锂、铍、钠、镁、铝、钙、钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、镓、铷、锶、钇、锆、铌、钼、镉、锑、铯、钡、汞、铊、铅、铋、钍、铀及部分镧系稀土元素(部分元素因含量太低未检测出),元素分析在北京核工业地质研究院进行.仪器为德国Finnigan-MAT公司生产的ELEMENTI型等离子体质谱仪,测量精度标准偏差小于5%.各元素含量单位为微克每克,根据抽滤水样体积与滤膜抽滤前后的质量将各元素含量单位换算为微克每立方分米.悬浮体含量及其中钛、铝、钡的总量及换算的生物钡含量数据见表1.3结果和分析3.1cttial20世纪50年代以来发现赤道海域沉积物中钡的累计率与水体表层生产力水平有对应关系,进入90年代后进一步建立了钡作为生产力指标的计算模型.由于钡在沉积物中的保存比率比其他古生产力指标明显要高,已成为大洋沉积物中生源组分的有效指标.悬浮颗粒物中钡元素主要来源于陆源铝硅酸盐和生源硫酸钡微晶,在局部海域热液也是其重要来源之一.在提取生源钡作为生源组分指标研究古生产力时,一般利用钡与铝或者钡与钛的关系来扣除陆源钡的影响.悬浮颗粒物中钡的总量、生源钡、陆源钡三者存在如下的关系:cbioBa=ctBa-ctTi(Al)[cBa/cTi(Al)]PAAS,(1)式中,cbioBa表示生源钡的含量;ctBa表示钡的总含量;ctTi(Al)表示钛(铝)的总含量;[cBa/cTi(Al)]PAAS为陆源钡与钛(铝)含量的比值,其中(cBa/cTi)PAAS的值为0.0038,(cBa/cAl)PAAS值为0.0075,ctTi(Al)×[cBa/cTi(Al)]PAAS代表陆源钡的部分.根据上式得到的生源钡的含量、百分含量见表1,其中利用钛元素扣除得到的生源钡含量占钡的总含量的96%～99%,利用铝元素扣除的结果为26.7%～96.5%,其中小于60%的有两个层位.大洋中悬浮颗粒物稀少,元素含量较低.由能谱扫描发现仅在个别层位有含钛的单个副矿物颗粒,极大地提高了该层悬浮体中钛的整体分布,难以准确反映整体的统计性结果.铝元素的含量是钛元素的3～20倍,分布更广泛、稳定,在悬浮体中计算结果更可靠.因此,本文用铝元素计算的生物钡含量进行讨论.在扫描电镜和能谱分析中发现有大量生物成因的自生重晶石,证实了钡的赋存状态(有关悬浮颗粒物物质组成的研究将另文系统报道).钙、镁和锶元素被广泛应用于生源组分的示踪,根据我们的数据发现悬浮体中钙、镁和锶元素含量相关性较好,钡元素含量与它们之间的相关性较差.扫描电镜和能谱显示钙、镁元素在海洋生物组分、海洋生源自生矿物及陆源黏土矿物和碎屑矿物组分中均有广泛分布,为多源成因.大洋悬浮颗粒物中陆源组分有洋流从陆架带来的、洋岛物质输入的及大气沉降输入的等.陆源铝硅酸盐碎屑中的铝和钛元素是风化过程中最不易迁移的元素之一,是陆源物质的示踪指标之一.水体中铝与钛元素的分布在开辟区东区相关性较好(图2,b,c),其中在ES0504站相关系数为0.99(在剔除明显偏移点后相关系数为0.77),在E-0502站相关系数为0.89.在开辟区西区相关性略差(图2a)(在WS0504站相关系数为0.49).两区铝与钛元素含量的相关性差异可能与两区物源差别有关.西区洋底火山喷发作用强烈,火山源物质较多,可能影响了水体中铝和钛的含量.总体而言,两元素都可以作为陆源组分的良好示踪指标,铝元素在水体中的含量一般是钛元素的3～20倍,在水体中分布更广泛、稳定.本文选择铝元素作为陆源物质的示踪指标元素来进行论述.3.2我国多金属开采区各站的物源指标分布特征(1)浮体的降低m1)(见图1).该站悬浮体含量从表层到底层分为三段(见图3):1)在水深500m以上呈波动变化,总体含量较下层水体的高,一般超过0.06mg/dm3,最高达0.28mg/dm3;2)在500～5000m含量较稳定,在1500m出现最高值(0.14mg/dm3);3)在5000m以下的近底部含量急剧变化,在5200m左右含量达到极值(0.20mg/dm3),在5200m之下含量又降低,但仍大于中间水体的含量.悬浮体中生源钡含量为0.01～0.11μg/dm3,从表层到底层分为三段:1)25m以上的含量急剧变化,在表层含量较高(0.09μg/dm3),然后急剧下降,在25m左右降至最低值(0.01μg/dm3);2)在25～5000m含量波动式增加,其中在1500m略有降低,在5000m达到最高值(0.11μg/dm3);3)5000m以下含量急剧降低,在5200m达到最小值(0.02μg/dm3).悬浮体中铝含量为0.33～1.83μg/dm3.在表层500m内含量最高,表层至3000m减小,其中在1500m处略为增加(1.50μg/dm3).在3000～5000m开始增加,从0.33μg/dm3增至1.13μg/dm3.在5000m以下含量先急剧降低(最低降至0.65μg/dm3)又急剧增加(最高为1.29μg/dm3).总体而言,水体表层生源钡和铝含量均较高.表层至3000m生源钡含量波动式增加,铝含量波动式减小.在3000～5200m两者变化趋势类似,含量先增加至5000m又急剧降低,但铝含量在最底层又有增加.(2)悬浮体含量随深度的变化m(见图1).该站悬浮体含量从表层到底层可以分为三段(见图4):1)在表层50m内含量较低并逐渐增加,从0.05mg/dm3增至50m处的0.10mg/dm3;2)在50～5250m内含量基本稳定,总体较表层的高,为0.07～0.08mg/dm3,仅在1500m左右出现最小值(0.01mg/dm3);3)在5250m以下含量先略微增加后急剧降至5350m处的0.02mg/dm3,总体上也比中间水层的低.与悬浮体含量变化类似,悬浮体中生源钡含量也呈现三段式分布:1)表层从0.03μg/dm3急剧增加至0.12μg/dm3(50m),之后又急剧降低至0.04μg/dm3(98m);2)在98m以下呈波动变化,变化趋势与悬浮体含量的相反,变化幅度较悬浮体含量要高,呈反“S”形分布.在1500m(0.10μg/dm3)和5250m(0.13μg/dm3)出现极值;3)5250m以下急剧降低至5350m的0.04μg/dm3.铝含量变化与悬浮体含量的类似,在表层从2.82μg/dm3急剧增加至18.54μg/dm3(18m),在18～5250m铝元素含量基本稳定,为0.38～3.97μg/dm3.在5250m之下从3.97μg/dm3急剧降低至0.85μg/dm3.总体而言,生源钡与铝含量变化趋势类似,中间水体中生源钡元素的变化与悬浮体含量的相反.(3)悬浮体含量随深度的变化m(见图1).该站水体中悬浮体含量变化曲线从表层到底层可以明显分为三段(见图5):1)表层50m以上水体悬浮体含量较高,大于0.07mg/dm3;2)在50～5080m较表层低,呈先增后降趋势,在500m达到最高的0.04mg/dm3.在3000～5080m基本稳定在0.02mg/dm3;3)在5080m之下急剧增加,在5130m左右达到最大值(0.09mg/dm3).与悬浮体含量变化类似,悬浮体中的生源钡的含量也呈现三段式分布:1)在表层从0.05μg/dm3急剧增加至0.11μg/dm3(50m),之后又急剧降低至0.04μg/dm3(99m);2)在99～5080m以下呈波动变化,在99～1500m变化趋势与悬浮体含量变化趋势类似,变化幅度较悬浮体含量要高,在1500m以下开始增加,总体呈“S”形分布,在1500m(0.03μg/dm3)和5080m(0.07μg/dm3)出现极值;3)在5080m以下又有降低,由于采样间隔较小,降低幅度较小.水体中铝元素含量变化也与悬浮体含量的类似,在表层(48m)为1.37～2.25μg/dm3,在48～3000m铝元素含量变化趋势与钡的类似,在0.35～1.83μg/dm3波动.在5080m之下从2.45μg/dm3急剧增加至3.66μg/dm3.总体而言三者变化都可分为三段,在水体表层三者均呈现先增加后降低的趋势.在5250m以下生源钡含量降低,铝含量急剧增加.水体中悬浮体、生源钡和铝元素含量均表现为三段式分布.三者在各站的含量变化趋势有差异.3.3原生元素含量之比值作说明从悬浮体含量分布看,近底部水体内悬浮体含量有明显波动.其物质主要来自上覆水体垂向沉降及洋流侧向运移携带的颗粒物和未固结的底质沉积物再悬浮的颗粒物,前者在水体中含量极低,生源物质含量相对较高,后者在近底层含量较高,陆源组分含量相对较高,两者存在着广泛的交换.悬浮体中各元素含量极低,其绝对值无法与底质沉积物中的进行对比,利用筛选出的反映生源和陆源物质的敏感性指标的比值可以消除悬浮体与底质沉积物中元素含量绝对量的差异,能较好地反映颗粒物质在水体与底质之间的交换.研究区三个站位的水体中生源钡与铝元素的含量之比值变化曲线从表层到底层均可以分为三段(见图3～5).在近底层段都表现为两元素含量的比值急剧降低:在WS0504站(见图3)从5000m的0.10急剧降为0.03(5200m),在底质沉积物中降至最低(不足0.01);在ES0504站(见图4)从5300m的0.06略微增加,之后又降低,在底质沉积物中降至最低(不足0.01);在E05-02站(见图5)从5080m的0.03急剧降低,在5130m即降至0.02左右,底质沉积物中降至最低(不足0.01).三站近底雾状层内反映生物组分的生源钡和陆源组分的铝元素含量的比值从近底层水体向底质沉积物降低,在底质沉积物中降到最低值,说明近底雾状层内随水深增加生源物质相对含量逐渐降低,陆源物质相对含量逐渐增加.悬浮体含量、生源钡和铝元素含量及生源钡与铝元素含量的比值在近底层均有明显变化,反映出近底雾状层的分布和变化特征.近底部水体与底质沉积物之间存在着明显的物质交换,表现为底质沉积物再悬浮中以陆源为主的颗粒物对近底层水体中生源颗粒物的稀释.生源钡与铝元素含量的比值在近底雾状层内由水体向底质沉积物持续降低,显示了底质沉积物再悬浮颗粒物在近底雾状层内运移的范围及其与水体颗粒物交换的程度.颗粒物中钡与铝元素含量的比值可以作为近底雾状层内颗粒物运移的示踪指标.3.4悬浮物体元素含量变化分析悬浮颗粒物中示踪元素的含量主要受水体悬浮体含量、悬浮体中颗粒物质来源的控制.悬浮体含量在水体中的分布呈现出三段式变化:表层含量较高;中下层为波动变化层,悬浮体含量较低;近底层悬浮体含量急剧变化.与此相似,悬浮体中生源钡、铝等物源示踪元素的含量在水体中的分布也表现出三段式变化,但元素含量在各个层位的变化趋势受悬浮体颗粒物物质来源的控制更明显,其分布在一些层段与悬浮体含量变化趋势不同,其中尤以近底层差别最大.物质来源是影响颗粒物中元素含量的根本因素.在水体透光层内生物作用较强,一方面悬浮颗粒物为浮游生物及微生物提供了丰富的营养物质和寄居的场所,另一方面这些生物又影响颗粒物的聚集及分散,其本身和代谢产物等也是重要的悬浮物质和物源,故悬浮体含量较高,相应地反映生源组分的生源钡含量也高.在水体中下层海洋动力环境比较稳定.水体中悬浮颗粒物主要来源于上覆水体的沉降,组分比较稳定.随着生物体的降解不溶组分含量相对略有增加.生源钡以重晶石形式存在,不溶于水,同样陆源成因的铝元素也很难发生迁移.两元素含量在中下层相应表现出略微增加的趋势.水体近底层底质沉积物质再悬浮引起悬浮体含量明显增加.底质沉积物中陆源组分相对含量远较水体中的高,受其在水体中扩散的影响,近底层内随水深增加生源组分相对含量逐渐降低,陆源组分相对含量逐渐增加.颗粒物中生源钡和铝元素含量在近底层内呈现出相应的变化.利用颗粒物中生源钡与铝元素含量的比值可以消除悬浮颗粒物与底质沉积物中元素绝对含量的差异.在近底层内两元素含量的比值的变化更明显地显示出底质沉积物再悬浮对近底层颗粒物分布的影响.底质沉积物的再悬浮是近底层悬浮颗粒物增加形成近底雾状层的直接因素.3.5陆源元素与铝元素的相关性开辟区东、西两区水体中悬浮体含量及悬浮体中生源钡、铝及钛元素含量、它们的含量比值有明显差异(见图3～5),表现在位于西区的WS0504站水体中悬浮体含量总体上明显高于东区站位的;WS0504站反映陆源物质的钛与铝元素的相关性明显差于东区站位的;铝元素含量在水体中变化特征明显不同,西区水体中铝元素含量在表层最高,在中下水层随水深增加呈持续降低的趋势,在近底层又有增加.东区水体中铝元素含量在表层最高,然后急剧下降,在中下水层呈波动变化,变化幅度较小,在近底层又有增加.两区水体中悬浮物质来源的差异可能是导致这些差别的主要原因.大洋中悬浮颗粒物来源主要有生物源、陆源和海底火山、热液源等.前两者在两区差别微小,而西区洋底火山喷发作用强烈,相应的火山源颗粒物质供应