南黃海NT2孔沉積物物源研究①

藍(lán)先洪 張志珣 李日輝 丁 東

(青島海洋地質(zhì)研究所 山東青島 266071)

0 前言

長(zhǎng)江和黃河兩大水系中大量的沉積物匯入南黃海陸架,對(duì)南黃海沉積作用有著重要影響。前人已從礦物學(xué)和元素地球化學(xué)角度進(jìn)行了不同程度的研究,初步得出了在不同的區(qū)域內(nèi),黃河、長(zhǎng)江物源及朝鮮半島物源影響作用不盡相同的重要結(jié)論[1～15],但在物源貢獻(xiàn)上仍然存在不同的看法[16]。南黃海西部受黃海沿岸流的作用,主要接收黃河帶來(lái)的物質(zhì)[3,4,11];東部是強(qiáng)潮流作用環(huán)境,有朝鮮半島入海河流(如錦江、榮山江等)的加入[6,9,10];南部受到南黃海冷水團(tuán)的影響,有長(zhǎng)江等沉積物自南向北輸入[1,13,15]。海底沉積物稀土元素的豐度、配分模式和配分參數(shù)對(duì)于探討沉積物的形成條件、物源區(qū)性質(zhì)和氣候環(huán)境具有重要意義,目前對(duì)于海洋沉積物的稀土元素(REE)的研究主要集中在表層或柱狀樣沉積物REE地球化學(xué)特征、分布及其控制因素等方面[17～22],利用鉆孔中REE特征進(jìn)行系統(tǒng)的研究還比較缺乏;李雙林等對(duì)南黃海盆地北緣的YA01孔沉積物稀土元素組成作了研究[23],但至今對(duì)蘇北岸外南黃海陸架區(qū)鉆孔的稀土元素分布特征研究尚未見(jiàn)有報(bào)道。本文依據(jù)國(guó)土資源地質(zhì)大調(diào)查取得鉆孔資料,分析了蘇北岸外南黃海陸架區(qū)NT2孔巖芯的稀土元素分布特征,并對(duì)該孔的物質(zhì)來(lái)源作了初步分析。

1 樣品與分析方法

南黃海海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查于2002年10月在南黃海海域進(jìn)行了地質(zhì)淺鉆調(diào)查,其中NT2孔孔深70.45 m(33°27.5377'N、122°15.4904'E,水深35.40 m),位于蘇北岸外南黃海陸架西南部海域(圖1,黃、東海流系據(jù)文獻(xiàn)[3]).T2孔共采集不同層位的各類(lèi)巖芯樣品(大致按1 m的間隔,巖性分層時(shí)加密)72個(gè)用于稀土元素分析。

圖1 南黃海NT2孔位置示意圖Fig.1 Sketch map of positions of Core NT2 from the South Yellow Sea

室內(nèi)樣品分析在國(guó)土資源部青島海洋地質(zhì)研究所測(cè)試中心完成。對(duì)NT2孔沉積物15個(gè)稀土元素進(jìn)行了分析測(cè)試。試樣經(jīng)過(guò)氧化鈉熔融后,用水提取,稀土元素形成氫氧化物沉淀,加三乙醇胺掩蔽鐵、鋁,加EDTA絡(luò)合鈣、鋇,過(guò)濾。稀土元素氫氧化物沉淀溶于2 mol/L鹽酸,經(jīng)強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂分離富集后,再用5 mol/L鹽酸洗提,蒸發(fā)定容后采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測(cè)定15個(gè)稀土元素含量。分析過(guò)程中進(jìn)行了重復(fù)樣和標(biāo)樣分析,稀土元素分析的相對(duì)偏差小于5%。

2 分析結(jié)果與討論

2.1 分析結(jié)果

14C和ESR測(cè)定結(jié)果表明,NT2孔沉積物記錄了蘇北岸外南黃海陸架區(qū)大約中更新世中、晚期以來(lái)的沉積歷史。依據(jù)NT2孔沉積物稀土元素含量的變化,并參考鉆孔中有孔蟲(chóng)和孢粉等其他古環(huán)境指標(biāo)①青島海洋地質(zhì)研究所。1∶100萬(wàn)南通幅海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告。2007的沉積環(huán)境的分析結(jié)果,可將NT2孔自上而下分為5層(圖2和圖3)。

第1層深度為0.0～5.50 m,稀土元素含量從上而下逐漸增高(圖2),ΣREE介于187～234μg/g,平均為212μg/g。各稀土元素在地層中的變化趨勢(shì)非常一致,表層最低,向下增加。沉積物以砂質(zhì)粉砂、粉砂為主(圖3),4.54～4.69 m14C年代為9 750a±240a BP,該層為全新世淺海沉積,相當(dāng)于氧同位素1期。

第2層深度為5.50～19.30 m,稀土元素含量總體上從上而下逐漸降低,ΣREE介于184～232μg/g,平均為209μg/g;沉積物以砂質(zhì)粉砂、粉砂為主,對(duì)應(yīng)環(huán)境上部(5.55～13.00 m)為陸相沉積,下部為近岸淺海沉積。該層沉積相當(dāng)于晚更新世晚期的氧同位素2期。

第3層深度為19.30～27.00 m,該層稀土元素含量從上而下逐漸增加,ΣREE介于152～197μg/g,平均為170μg/g;沉積物為砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂和砂,對(duì)應(yīng)沉積環(huán)境上部為近岸淺海沉積,下部(25.05 ～27.00 m)為陸相沉積環(huán)境。該層20.95～21.05 m和25.30～25.35 m的ESR年代分別為21.4 ka BP和24.7 ka BP,上部近岸淺海相當(dāng)于晚更新世晚期的氧同位素3期,而下部陸相相當(dāng)于晚更新世晚期的氧同位素4期。

第4層深度為27.00～54.60 m,該層沉積物為粉砂和砂質(zhì)粉砂(圖3),對(duì)應(yīng)沉積環(huán)境為近岸淺海。稀土元素含量從上而下逐漸增高,ΣREE介于183～228 μg/g,平均為204μg/g;該層44.10～44.16 m和53.60 ～53.67 m ESR年代分別為62.2 ka BP和116.6 ka BP,相當(dāng)于晚更新世早期的氧同位素5期。

圖2 南黃海NT2孔稀土元素分布圖Fig.2 REE distributions in Core NT2 from the South Yellow Sea

第5層深度為54.60～70.31 m,稀土元素含量變化較大,從上而下先降后升,在底部出現(xiàn)NT2孔的最高值,ΣREE介于128～248μg/g,平均為170μg/g (圖3)。上部沉積物為灰色細(xì)砂夾深灰色粉砂質(zhì)黏土薄層,下部沉積物為細(xì)砂與粉砂質(zhì)細(xì)砂(圖4),本層沉積環(huán)境為濱岸相與陸相交替。該層56.00～ 56.07 m和69.62～69.70 m ESR年代分別為138.6 ka BP和674 ka BP,相當(dāng)于中更新世中、晚期沉積。

圖3 南黃海NT2孔ΣREE、ΣLREE/ΣHREE、δEu、δCe和沉積物類(lèi)型垂向變化Fig.3 Downcore variations ofΣREE,ΣLREE/ΣHREE,δEu,δCe and sediment type in the sediments of Core NT2 from the South Yellow Sea

圖4 黃河、長(zhǎng)江和NT2孔沉積物巖芯上地殼標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式Fig.4 UCC-normalized REE distribution patterns of samples in Yellow River,Yangtze River and Core NT2

在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化[24]情況下所計(jì)算的樣品δEu值在0.59～0.71之間,變化范圍小且均顯示明顯的負(fù)Eu異常,表明相對(duì)于球粒隕石沉積物已經(jīng)產(chǎn)生明顯的分異,分異程度接近大陸地殼。在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化情況下計(jì)算的樣品δCe值在0.86～1.05之間,沒(méi)有明顯的Ce異常。圖3中δEu和δCe值隨深度的變化曲線(xiàn)表明,δEu和δCe值隨深度的變化與ΣREE的變化基本同步,在ΣREE明顯變化的位置,δEu和δCe值也相應(yīng)具有明顯變化,但δEu值和δCe值的變化與ΣREE的變化趨勢(shì)不盡相同,在第3、4層δCe值與ΣREE的變化大致呈鏡像關(guān)系,第5層δCe值的變化與ΣREE的變化趨勢(shì)相同,而δEu值第5層則與ΣREE的變化趨勢(shì)相反。ΣLREE/ΣHREE變化范圍在3.34～4.42,其變化與ΣREE、δEu和δCe值的變化均有所不同,可能反映了LREE/HREE變化主要與沉積環(huán)境和物質(zhì)來(lái)源變化有密切關(guān)系。

依據(jù)長(zhǎng)江、黃河沉積物的分析數(shù)據(jù)[25],采用上地殼(UCC)[26]對(duì)稀土元素標(biāo)準(zhǔn)化(圖4)。由圖4可見(jiàn)長(zhǎng)江、黃河沉積物的稀土元素具有相同分布模式, REE分異不明顯,均呈現(xiàn)Ce弱的負(fù)異常和Eu弱的正異常.T2孔巖芯的稀土元素分布模式比較平緩, 0～5.50 m、5.50～19.30 m和27.00～54.60 m更接近于長(zhǎng)江沉積物稀土元素分布模式,而19.30～ 27.00 m和54.60～70.31 m更接近于黃河沉積物稀土元素分布模式。

2.2 稀土元素組成的控制因素

沉積物中REE組成主要受沉積物源區(qū)的源巖、粒度、礦物組成、化學(xué)風(fēng)化和成土作用強(qiáng)弱以及人類(lèi)活動(dòng)等控制[27],而受風(fēng)化剝蝕、搬運(yùn)、水動(dòng)力、沉積、成巖及變質(zhì)作用影響小。雖然一些研究揭示,化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)烈時(shí),沉積物的REE組成會(huì)出現(xiàn)明顯的分異,而明顯偏離源巖組成,但是不少學(xué)者也認(rèn)為,沉積物的物源仍然是控制REE組成的最重要因素[27],因而REE常用作為沉積物的物源示蹤劑。黃河沉積物REE組成主要繼承了黃河流域黃土的特征,長(zhǎng)江REE特征受該流域下古生代、中生代泥巖地層及中、上游地區(qū)石灰?guī)r分布的制約,而化學(xué)風(fēng)化對(duì)黃河和長(zhǎng)江REE的組分影響較弱[28,29];長(zhǎng)江與黃河沉積物的稀土元素(REE)組成特征不同,復(fù)雜的源巖決定了長(zhǎng)江沉積物中的REE含量變化比黃河沉積物中的高,元素含量變化也大于黃河樣品(圖4)。

NT2孔的化學(xué)風(fēng)化指數(shù)[27](CIA)值為48～73,∑REE組成與化學(xué)分化指數(shù)(CIA)之間呈弱正相關(guān)(圖5),表明該孔化學(xué)分化作用對(duì)NT2孔R(shí)EE含量影響較小。粒度對(duì)元素的控制作用被認(rèn)為是對(duì)元素含量的主要控制因素[7],稀土元素總量的變化也受粒度變化的控制,一般細(xì)粒級(jí)的泥和粉砂質(zhì)泥較粗粒級(jí)的砂和粉砂含量高[7].T2孔沉積物中稀土元素含量的垂向變化研究表明,稀土元素地球化學(xué)特征與不同類(lèi)型沉積物有一定關(guān)系(圖3),有向細(xì)粒沉積物富集的趨勢(shì),∑REE與細(xì)粒沉積物呈正相關(guān),而與砂質(zhì)沉積物呈負(fù)相關(guān),但NT2孔這種趨勢(shì)不是很明顯, NT2孔沉積物的∑REE與沉積物粒度平均值之間呈弱的正相關(guān)性(圖6),反映出粒度對(duì)NT2孔沉積物中REE的控制作用并不顯著。

沉積物中一些重礦物對(duì)沉積物的REE含量及配分形式有顯著影響,鋯石、石榴石、電氣石、榍石、褐簾石、角閃石、磷灰石和獨(dú)居石等它們?cè)诔练e物中含量變化也會(huì)對(duì)整個(gè)沉積物的REE組成及模式產(chǎn)生較大影響[28].T2孔沉積物中含有角閃石、磷灰石、石榴石、榍石和鋯石等重礦物,角閃石平均含量為5.0%,其他重礦物平均含量在0.1%～1.0%;NT2孔在孔深2.08～10.04 m和大于52.88 m的沉積物中重礦物含量較高①青島海洋地質(zhì)研究所。1∶100萬(wàn)南通幅海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告。 2007.T2孔在該段∑REE并沒(méi)有明顯變化(圖3),說(shuō)明NT2孔重礦物對(duì)REE含量影響不明顯。因此可以說(shuō)NT2孔沉積物REE的變化主要是由沉積物組分的變化造成的。

圖5 NT2孔∑REE與CIA的相關(guān)圖Fig.5 Correlation between∑REE and CIA of Core NT2

圖6 NT2孔∑REE與平均粒徑的相關(guān)圖Fig.6 Correlation between∑REE and average grain diameter of Core NT2

2.3 NT2孔沉積物物源判別

王穎等[30]和張家強(qiáng)等[31]對(duì)南黃海西部陸架區(qū)潮流沙脊沉積特點(diǎn)和水動(dòng)力研究認(rèn)為,潮流沙脊的物質(zhì)來(lái)源主要受古長(zhǎng)江-現(xiàn)代長(zhǎng)江流域的影響,黃河物質(zhì)主要在全新世最大海侵以來(lái)對(duì)其北部產(chǎn)生影響。秦蘊(yùn)珊等[2]發(fā)現(xiàn)晚更新世低海面時(shí)期在南黃海西部存在埋藏古河道,分布在水深40～80 m,根據(jù)古河道的地理位置和沉積物中富含CaCO3,認(rèn)為是古黃河河道。楊子賡[32]通過(guò)對(duì)QC2(34°18'N、122°16'E,水深49.05 m)粒度、淺層剖面和礦物組合研究認(rèn)為黃河對(duì)南黃海陸架的作用主要在全新世,而長(zhǎng)江則從早更新世就存在古長(zhǎng)江三角洲,古長(zhǎng)江及古黃河是南黃海蘇北岸外陸架最主要陸緣物源區(qū)。南黃海表層沉積物稀土元素研究表明,西部沉積物主要來(lái)源于黃河及長(zhǎng)江物質(zhì)輸入,韓國(guó)河流沉積物對(duì)南黃海的影響主要在124°30'以東區(qū)域[22]。

用判別函數(shù)(DF)來(lái)表示黃河和長(zhǎng)江沉積物同該區(qū)域物質(zhì)的接近程度,DF值越接近0,表示兩種沉積物越接近。判別函數(shù)計(jì)算方法為:DF=|(E1/ E2)南黃海/(E1/E2)黃河或長(zhǎng)江-1|。依據(jù)現(xiàn)代長(zhǎng)江和黃河沉積物的對(duì)比研究結(jié)果及數(shù)據(jù)[25],選擇∑LREE/∑HREE系統(tǒng)計(jì)算了NT2孔沉積物的DF值。

圖7為∑LREE/∑HREE的判別函數(shù)。判別函數(shù)越小,表明沉積物化學(xué)成分越接近研究區(qū)沉積物組成。圖7表明長(zhǎng)江、黃河判別函數(shù)(DFcj、DFhh)都較小,反映出黃河、長(zhǎng)江物質(zhì)為該區(qū)域的主要影響要素,外來(lái)物質(zhì)對(duì)該區(qū)域影響較小。

圖7的判別函數(shù)表明,長(zhǎng)江和黃河的判別函數(shù)值都小于0.5,說(shuō)明長(zhǎng)江、黃河物源為該孔的主要沉積物來(lái)源。在19.30～27.00 m和54.60～70.31 m巖芯段中黃河DF值均小于其它巖芯段,同時(shí)也小于長(zhǎng)江DF值,說(shuō)明本區(qū)域這段巖芯所對(duì)應(yīng)的沉積物來(lái)源更接近黃河;而在19.30 m以上、27.00～54.60 m巖芯沉積物中的長(zhǎng)江DF值較上述巖芯相比都小,說(shuō)明南黃海NT2孔中這三段巖芯沉積物與長(zhǎng)江關(guān)系更近。

判別函數(shù)(DF)和稀土元素的配分模式表明,南黃海NT2孔沉積物物質(zhì)主要來(lái)源于長(zhǎng)江和黃河。 NT2孔中粒度、重礦物和化學(xué)分化作用對(duì) NT2孔R(shí)EE含量影響較小,因此NT2孔沉積物REE的變化主要是由沉積物組分的變化造成的。

NT2孔沉積物δEuN-ΣREEs關(guān)系圖(ΣREEs不含Y值)[33]揭示了該孔沉積物物源存在明顯差異(圖8)。0～5.50 m、5.50～19.30 m和27.00～ 54.60 m的樣品數(shù)值大部分落在了長(zhǎng)江沉積區(qū),而19.30～27.00 m和54.60～70.31 m的樣品數(shù)值基本上都落在了黃河沉積物區(qū)內(nèi)。

圖7 南黃海NT2孔沉積物的∑LREE/∑HREE判別函數(shù)變化Fig.7 Variation of discriminate function of∑LREE/∑HREE for sediments in Core NT2 of the South Yellow Sea

圖8 南黃海NT2孔沉積物δEuN-ΣREEs關(guān)系圖Fig.8 Correlation betweenδEuN and∑REEs for sediments in Core NT2 of the South Yellow Sea

NT2孔下部70.31～54.60 m沉積物主要為黃河源,該段56.00～56.07 m和69.62～69.70 mESR年代分別為138.6 ka BP和674 ka BP,相當(dāng)于中更新世中、晚期沉積。源區(qū)沉積物環(huán)境和物質(zhì)特征是南黃海沉積物組成的主要影響因素之一。潘保田等[34]研究表明,現(xiàn)代黃河?xùn)|流入海的格局至少在1.165 Ma前就已出現(xiàn)。黃河沉積物主要來(lái)源于黃土高原,黃河流域以蒸發(fā)鹽和碳酸鹽類(lèi)風(fēng)化為主[35],黃河流域物理風(fēng)化占主導(dǎo)地位,物理風(fēng)化時(shí)REE一般不會(huì)產(chǎn)生分異,其REE特征繼承了黃土的REE組成特點(diǎn),REE分異作用較弱,這就決定了沉積物的輕、重稀土元素分異程度(LREE/HREE)相對(duì)較弱(圖3)。隨著海平面上升和源區(qū)沉積環(huán)境變化,NT2孔中下部54.60 ～27.00 m沉積物轉(zhuǎn)換為以長(zhǎng)江源為主要來(lái)源,該段44.10～44.16 m和53.60～53.67 m ESR年代分別為62.2 ka BP和116.6 ka BP,相當(dāng)于晚更新世早期近岸淺海沉積。由于組成長(zhǎng)江沉積物的來(lái)源相對(duì)黃河而言更為復(fù)雜,而且長(zhǎng)江流域的酸性巖漿發(fā)育[35],因此長(zhǎng)江沉積物的REE含量比較高(圖3)。楊子賡[32]研究認(rèn)為南黃海陸架存在古長(zhǎng)江三角洲,長(zhǎng)江從早更新世到現(xiàn)代已對(duì)南黃海陸架起主要作用。

NT2孔中部27.00～19.30 m沉積物主要為黃河源,20.95～21.05 m和25.30～25.35 m的ESR年代分別為21.4 ka BP和24.7 ka BP,上部近岸淺海為更新世晚期的末次冰期中間冰階(暖期)的海侵層,而下部陸相為晚更新世晚期的早玉木冰期。海平面變化是南黃海沉積物的來(lái)源和物質(zhì)供應(yīng)量的主要控制因素之一,因而也是沉積物REE特征的主要控制因素之一。隨著海平面下降,蘇北岸外南黃海陸架沉積物的來(lái)源也相應(yīng)發(fā)生了變化,由以沉積長(zhǎng)江沉積物為主,轉(zhuǎn)變?yōu)橐猿练e黃河沉積物為主,前人研究也認(rèn)為晚更新世晚期黃河已流入黃海陸架區(qū)[36],使得沉積物的REE具有類(lèi)似黃河沉積物的特征(圖4).T2孔19.30 m以上沉積物以長(zhǎng)江源為主,上部5.50～ 19.30 m相當(dāng)于晚更新世晚期的末次冰期晚期沉積,主要為陸相和濱岸相;頂部0～5.50 m為全新世濱岸及淺海沉積;南黃海陸架隨著海平面上升,全新世海侵逐步由南向北擴(kuò)展,體現(xiàn)在該孔海相性逐漸增強(qiáng),而黃河對(duì)南黃海的影響相對(duì)減弱[37].oshihiro等[38]研究表明,在南黃海中西部的Sr同位素比值87Sr/86Sr介于0.720 3～0.723 7之間,與長(zhǎng)江中、下游泛濫平原細(xì)粒沉積物的87Sr/86Sr平均值(0.7214)相當(dāng)[39],可見(jiàn)Sr同位素比值特征表明南黃海中西部表層沉積物源于長(zhǎng)江。南黃海表層沉積物物源逐步判別分析也表明[40],南黃海西部靠近現(xiàn)代長(zhǎng)江口和老長(zhǎng)江口,以長(zhǎng)江源物質(zhì)占優(yōu)勢(shì),該區(qū)沉積作用明顯受到現(xiàn)代長(zhǎng)江物質(zhì)輸運(yùn)和古長(zhǎng)江三角洲物質(zhì)再懸浮擴(kuò)散機(jī)制的影響。隨著海平面上升和黃海暖流的作用,全新世以來(lái)很可能來(lái)源于黃河的物質(zhì)在此沉積下來(lái)逐漸減少,而長(zhǎng)江物質(zhì)相對(duì)逐漸增加,從而造成了這一時(shí)期沉積物稀土元素的組成特征發(fā)生了變化。

3 結(jié)論

南黃海NT2孔稀土元素分布特征表明,稀土元素組成的垂向變化可自上而下分為5層。相關(guān)分析揭示粒度和化學(xué)風(fēng)化對(duì)REE組成影響較小。判別函數(shù)和稀土元素配分模式研究表明南黃海NT2孔沉積物物源主要為長(zhǎng)江源和黃河源;REE判別圖解揭示NT2孔上部0～5.50 m,5.50～19.30 m沉積物主要為長(zhǎng)江源,中部19.30～27.00 m和下部54.60～ 70.31 m沉積物主要為黃河源,其間夾近28 m厚沉積物則主要為長(zhǎng)江源,可見(jiàn)黃河在中更新世中晚期已開(kāi)始對(duì)南黃海陸架沉積作用有明顯影響,而長(zhǎng)江從晚更新世早期到現(xiàn)代對(duì)南黃海陸架起著主要作用。

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