西北冰洋表層沉積物黏土礦物分布特征及物質來源

董林森，劉焱光＊，石學法，方習生，陳志華，閆仕娟，黃元輝

（1.國家海洋局 第一海洋研究所 海洋沉積與環(huán)境地質國家海洋局重點實驗室，山東 青島266061）

1 引言

海相黏土礦物由于富含金屬元素和污染物且在搬運和沉積后相對穩(wěn)定不會發(fā)生礦物或者化學組分的轉變而被作為一種長距離搬運的示蹤礦物［1］。相關研究表明沉積物黏土礦物的豐度在時間和空間上的變化可以用來指示沉積物來源［2—4］。

北冰洋西部海洋沉積物黏土礦物組成特征研究的相關報道比較少［2—8］，對黏土礦物來源的意見也不統一。在以加拿大海盆為主的北冰洋深水區(qū)，黏土礦物相關研究站位相對更少，以致對該區(qū)物質來源的判別分歧很大：Naidu和 Mowatt［3］和陳志華等［5］認為加拿大海盆中黏土礦物主要來自加拿大馬更些河；張德玉等［7］認為除馬更些河的物質貢獻以外，北冰洋歐亞海盆輸送的細粒物質也可為加拿大海盆提供黏土礦物；Naidu和Cooper［9］的研究認為部分來源于俄羅斯陸架的黏土礦物也可隨海冰被搬運到加拿大海盆；Rei mnitz［10］等認為東西伯利亞海和波弗特?？赡転榧幽么蠛Ｅ璩练e物中的蒙皂石做出貢獻。所以對北冰洋深水區(qū)黏土礦物來源的研究尚無定論。本次研究采用我國多次北極考察獲得的表層沉積物樣品開展西北冰洋沉積物黏土礦物的物質來源系統研究，對于反映沉積物沉積過程以及重建古海洋學演化歷史等有重要意義。

2 北冰洋的河流和洋流概況

北冰洋的入海河流主要包括西伯利亞陸地的鄂畢河（Ob River）、葉尼塞河（Yenisei River）、勒拿河（Lena River）、卡哈坦噶河（Khatanga River）、亞納河（Yana River）、科雷馬河（Koly ma River）和因迪吉爾卡河（Indigirka River）以及加拿大的馬更些河（Mackenzie River）等（圖1），這些河流可以將陸地來源的黏土礦物搬運至北冰洋。

洋流系統對于周緣陸地沉積物往北冰洋的搬運是非常重要的。太平洋的低鹽水通過白令海峽進入北冰洋對北極表層水做出貢獻，通過阿拉斯加沿岸流、白令陸架水及阿納德爾流等3支海流將白令海沉積物搬運到楚科奇海［5］（圖1）。西伯利亞沿岸流從拉普捷夫海（Laptev Sea）流至東西伯利亞海，最后到達楚科奇海域［11］（圖1）。北冰洋主要的表層洋流有美亞盆地的波弗特環(huán)流以及歐亞盆地的穿極漂流（圖1），它們控制了海冰和冰山的移動，這些海冰和冰山為北冰洋的沉積物的貢獻也比較大。負北極濤動時，穿極漂流將來自西伯利亞的沉積物搬運到歐亞海盆后到達弗萊姆海峽（Fram Stait），而波弗特環(huán)流將來自美亞海盆周緣陸地的沉積物搬運到美亞海盆，正北極濤動時，西伯利亞陸架的沉積物則可被搬運到美亞海盆和門捷列夫脊［12］（圖1）。

此外，中層水也為北冰洋貢獻沉積物，粉砂和泥質沉積物可以通過中層水搬運或者再沉積［13］。北大西洋暖流到達北冰洋后分為兩支，一支為弗萊姆海峽（Fram Strait）支流，一支為巴倫支海（Barents Sea）支流，這兩支支流變冷下沉形成北冰洋中層水，在北冰洋沿著大陸坡和海脊流動，其中巴倫支海支流可以到達加拿大海盆的南端以及北風脊［14］（圖1）。

3 材料與方法

本次研究所采用的樣品為我國第二、三和四次北極科考獲得的表層沉積物樣品，共81站，其中楚科奇海陸架46站，加拿大海盆18站，北風脊5站、楚科奇海臺6站、阿爾法脊4站、馬克洛夫海盆2站，研究區(qū)位置及取樣站位如圖1所示。

黏土礦物組成的分析程序大體如下：取大約10～50 g的沉積物樣品放入大燒杯中，加蒸餾水分散攪拌，并加少量雙氧水去除有機質，按斯托克斯沉降定律，用吸管吸取小于2μm的黏土粒級顆粒，重復多次，以獲取足量黏土，制取黏土礦物的定向片。待定向片干燥后，一套直接上機測試，另一套用乙二醇蒸汽飽和48 h后再上機測試。黏土礦物的X射線衍射分析在國家海洋局第一海洋研究所海洋沉積與環(huán)境地質國家海洋局重點實驗室完成，所用儀器為日本理學Dmax2500X射線衍射儀，儀器的工作條件為：Cu Kα發(fā)射，工作電壓為40 k V，工作電流為100 mA，掃描寬度為3°～30°（2θ），掃描速率為4°／min。

黏土礦物半定量分析用Bicaye［17］方法，即選用乙二醇飽和片圖譜上蒙皂石（17）、伊利石（10）、綠泥石（7）＋高嶺石（7）4種礦物的3個特征衍射峰的峰面積作為基礎數據進行計算。峰面積計算方法為衍射峰高乘以半峰寬；權因子確定，蒙皂石重量因子為1，伊利石重量因子為4，綠泥石＋高嶺石重量因子為2，其中高嶺石和綠泥石是通過擬合3.58／3.54衍射峰峰面積比值來確定。黏土礦物的定性及半定量分析是利用X衍射儀測得的數據結果結合Jade6.0軟件進行的。

4 結果

4.1 實驗結果

北冰洋西部表層沉積物中的黏土礦物主要為伊利石、綠泥石和高嶺石，另含有少量的蒙皂石。根據前面提到的XRD數據處理方法，對取得的北冰洋西部表層沉積物中黏土礦物相對含量計算得出，伊利石含量為49.2%～72.5%，綠泥石含量為14.8%～33.8%，高嶺石含量為7.4%～22.9%，蒙皂石的含量為0～5.6%。伊利石的化學指數是通過衍射圖譜上5／10峰面積比來計算，比值大于0.5為富Al伊利石，代表強烈的水解作用；比值小于0.5的為富Fe－Mg伊利石，為物理風化結果。伊利石的結晶度是根據10衍射峰處的半峰寬來確定，利用Diek mann和Wopfner［18］對結晶程度的劃分標準：對伊利石來說，結晶極好（＜0.4）、結晶好（0.4～0.6）、中等結晶（0.6～0.8）和結晶差（＞0.8），各個站位的黏土礦物組成數據列于表1。

表1 研究區(qū)表層沉積物黏土礦物組成

續(xù)表1

續(xù)表1

4.2 黏土礦物的區(qū)域變化特征

圖2所示為北冰洋西部表層黏土礦物組成的區(qū)域變化，從圖中可以看出其分布和變化均表現出明顯的規(guī)律性。

蒙皂石：蒙皂石是本區(qū)含量最低的黏土礦物，其含量在楚科奇海陸架的變化范圍為0～5.6%，平均值為1.74%，西北冰洋深水區(qū)（含北風脊、楚科奇海臺、加拿大海盆、阿爾法脊和馬克洛夫海盆）的變化范圍為0.96%～5.56%，平均值為3.26%。在加拿大海盆、阿爾法脊和楚科奇海臺等海域蒙皂石含量較高?？傮w上看，西北冰洋深水區(qū)沉積物蒙皂石含量要略高于楚科奇海陸架（見圖2a）。

伊利石：伊利石是本研究區(qū)內含量最高的黏土礦物，其含量在楚科奇海陸架的變化范圍為49.3%～72.5%，平均值為60.3%。西北冰洋深水區(qū)伊利石含量相對較低，含量范圍為49.15%～70.0%，平均值為60.3%。從圖2b可以看出，阿拉斯加一側的楚科奇海近岸海域、楚科奇海臺和北風脊的伊利石含量最高，其他海域相對較低?？傮w上楚科奇海含量高于西北冰洋深水區(qū)。

高嶺石：楚科奇海陸架沉積物高嶺石的含量為7.4%～21.4%，平均值為14.3%，西北冰洋深水區(qū)的含量范圍為10.3%～22.9%，平均值為14.3%。從圖2c可以看出，研究區(qū)高嶺石含量的高值區(qū)集中在楚科奇海陸架局部和阿爾法脊等80°N以北等海域，其他海域含量較低。

綠泥石：楚科奇海陸架沉積物綠泥石的含量為14.8%～33.8%，平均值為23.7%。西北冰洋深水區(qū)的含量范圍為16.6%～26.9%，平均值為22.2%。高值主要出現在楚科奇海高地及南端靠近白令海峽處，靠近阿拉斯加一側的楚科奇海域和加拿大海盆部分海域綠泥石含量相對較低（圖2d）。

伊利石化學指數：楚科奇海陸架的變化范圍為0.37～0.84，平均值為0.54。西北冰洋深水區(qū)的變化范圍為0.36～0.63，平均值為0.47。總體看來，伊利石化學指數高值集中出現在楚科奇?？繓|西伯利亞海一側，從低緯度到高緯度逐漸降低（圖2e）。

圖2 表層沉積物中黏土礦物的含量（%）、伊利石化學指數和伊利石結晶度分布

伊利石結晶度：楚科奇海陸架伊利石結晶度值范圍為0.28～0.51，平均值為0.388，西北冰洋深水區(qū)范圍為0.32～0.48，平均值為0.391，從圖2f可以看出，在研究區(qū)的東側，伊利石結晶度值較高。

利用Q型聚類分析方法，對上述6種黏土礦物參數進行聚類分析，可將研究區(qū)各站位的礦物組合類型分為6類（見圖3），各類黏土礦物組合的礦物組成特征列于表2。

圖3 研究區(qū)黏土礦物組成的Q型聚類分析

表2 各礦物組合的平均黏土礦物組成

礦物組合分區(qū)圖（見圖4）顯示，Ⅰ類礦物分布在楚科奇海及楚科奇海的北部邊緣，包括楚科奇海臺和北風脊，Ⅱ類礦物組合分布在白令海峽附近，以綠泥石含量高為特征，Ⅲ類和Ⅳ類組合主要分布在楚科奇海北部和加拿大海盆南部，Ⅴ類組合分布在加拿大海盆和楚科奇海的西北部，Ⅵ類組合主要分布在楚科奇海的中部和北部邊緣。

5 討論

由上述結果可以看出，北冰洋西部表層沉積物黏土礦物組成的區(qū)域分布和變化以及聚類分析的研究均表現出明顯的規(guī)律性特征，這些特征可有效的反映研究區(qū)沉積物中黏土礦物的來源和成因。

5.1 楚科奇海陸架

一般認為，伊利石和綠泥石是碎屑黏土礦物，是物理風化和冰川侵蝕的典型產物，因此也是高緯度地區(qū)典型的黏土礦物，北冰洋海域中大量的伊利石和綠泥石多來自變質沉積巖和火成巖的物理風化［1］。研究區(qū)伊利石化學指數均小于0.5，說明化學風化作用很弱，伊利石都為物理風化的結果（見圖2e）。楚科奇海和加拿大海盆的伊利石結晶度相當，平均值都稍大于0.4，伊利石結晶度低值代表結晶度高，說明結晶度均處于極好與好之間，指示陸地物源區(qū)水解作用弱，為干冷的氣候條件（見圖2f），可見沉積物中的伊利石主要來自周緣陸地變質的沉積巖和火成巖的物理風化，這些巖石在西伯利亞和阿拉斯加非常普遍［19－20］。從伊利石結晶度和化學指數的分布圖可以看出，楚科奇海東側的結晶度值高，化學指數值低，西側的結晶度值低，化學指數值高，說明伊利石至少有兩個來源?？评遵R河和因迪吉爾卡河（見圖1）卸載的高含量的伊利石在西伯利亞沿岸流的作用下搬運到楚科奇海［21］，此外，育空河等河流沉積物在阿拉斯加沿岸流作用下被搬運到楚科奇海。

圖4 黏土礦物組合分區(qū)圖

研究發(fā)現白令海峽附近黏土礦物主要是Ⅱ類組合，以綠泥石含量高為特征，楚科奇海北端的綠泥石含量也高于楚科奇海南端和北冰洋深水區(qū)（見圖2b），前人的研究［3，22］認為綠泥石是北太平洋的主要黏土礦物，這就說明綠泥石可以作為太平洋水通過白令海峽流入北冰洋的示蹤礦物。Ortiz等［8］的研究認為楚科奇海綠泥石的來源是阿拉斯加的河流流到北太平洋，然后通過白令海峽輸運到楚科奇海的。

通過西伯利亞河流搬運到楚科奇海陸架的黏土礦物中伊利石和綠泥石的含量分別大于59%和21%［2］。Viscosi－Shirley等［11］研究也認為在西伯利亞陸架表層沉積物中伊利石和綠泥石的含量分別大于50%和20%。本次研究結果發(fā)現楚科奇海西部主要是以Ⅳ類礦物組合為主，伊利石和綠泥石含量分別為55.2%和24.4%，說明來源為西伯利亞陸地，是在西伯利亞沿岸流的作用下搬運到楚科奇海的（圖4）。所以可以判斷西伯利亞陸架為楚科奇海提供沉積物。

楚科奇海沉積物中的蒙皂石可以通過河流注入、海岸侵蝕以及海冰攜帶而來［23—24］。Viscosi－Shirley等［11］認為楚科奇－阿拉斯加海域的蒙皂石來自東西伯利亞火山巖省，在東西伯利亞海陸架、喀拉海東部和拉普捷夫海西部的表層沉積物中蒙皂石含量均較高［25］，這些蒙皂石的來源是Putorana高原的中生代溢流玄武巖，通過葉尼塞河和卡哈坦噶河搬運，在西伯利亞沿岸流的作用下搬運到楚科奇海域。Dethleff等［26］認為在哈坦加河的懸浮顆粒中黏土礦物主要由蒙皂石組成，含量平均為83%，物源為西伯利亞玄武巖。勒拿河懸浮體中黏土礦物以伊利石為主，含量為54%；亞納河中未見蒙皂石，伊利石含量高達67%，綠泥石含量高達29%，高嶺石含量小于10%。本次研究顯示，楚科奇海陸架西側海域蒙皂石含量較低，這是因為在亞納河等不含蒙皂石的河流作用下稀釋了卡哈坦噶河等河流搬運的蒙皂石，此外由于遠距離搬運也對蒙皂石含量起到了稀釋作用。在楚科奇海陸架東側蒙皂石含量相對較高，這主要是育空河等河流的沉積物在阿拉斯加沿岸流的作用下將蒙皂石搬運到楚科奇海陸架，Naidu等［2］和 Viscosi－Shirley等［11］研究得出的結論是楚科奇海的蒙皂石是西伯利亞和阿拉斯加的火山巖經河流入白令海，然后經白令海峽搬運到楚科奇海。綜合前人研究結果，我們認為蒙皂石有兩個主要的來源，一個是西伯利亞和阿拉斯加的火山巖經河流入白令海，然后經白令海峽搬運到楚科奇海［3，5，7，11］。另一個是卡哈坦噶河等攜帶的來自西伯利亞中生代Putorana高原玄武巖的蒙皂石在西伯利亞沿岸流的作用下搬運到楚科奇海。

極地的高嶺石可能來源于含高嶺石的沉積物以及古土壤的侵蝕等［4］。本次研究發(fā)現高嶺石含量并沒有明顯的區(qū)域變化，前人的研究判斷白令海的高嶺石通過白令海峽到達楚科奇海西部［4，7］。另外科雷馬河和因迪吉爾卡河輸入到東西伯利亞海的沉積物也為楚科奇提供少量的高嶺石［2，5，7］。

從礦物組合來看，楚科奇海的類型較多，靠近阿拉斯加一側海域以Ⅰ類組合為主，靠東西伯利亞海一側主要有Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類，中部主要為Ⅵ類。根據礦物組合分區(qū)結合來自太平洋的3股洋流的方向以及西伯利亞沿岸流的流向，可以判斷楚科奇海Ⅲ類和Ⅳ類礦物來源為西伯利亞陸地，經河流搬運后在西伯利亞沿岸流的作用下到達楚克奇海的西側，Ⅱ類組合可能是阿納德爾流搬運而來，Ⅵ類礦物由白令陸架水搬運而來，Ⅰ類礦物由阿拉斯加沿岸流搬運而來。

綜上所述，楚科奇海的黏土礦物來源于西伯利亞和阿拉斯加的火山巖、變質巖以及一些含高嶺石的沉積物以及古土壤等，經河流搬運，在北太平洋的3股洋流及西伯利亞沿岸流的作用下沉積形成的。

5.2 西北冰洋深水區(qū)

西北冰洋深水區(qū)包含楚科奇海臺、北風脊、加拿大海盆、阿爾法脊和馬克洛夫海盆。西北冰洋深水區(qū)中黏土礦物含伊利石、綠泥石、高嶺石和蒙皂石，其中伊利石含量最高，其次為綠泥石和高嶺石，蒙皂石含量最小。

從伊利石化學指數和結晶度的分布圖上可以大致判斷黏土礦物有東側物源和西側物源。根據海冰的流向（見圖1）可以進一步判斷有來自西伯利亞陸架和加拿大北極群島的物質貢獻。

北冰洋中部的沉積物主要是冰筏搬運［27—28］，一些專家認為俄羅斯陸架的海冰被搬運到了美亞海盆［9］，為美亞海盆提供沉積物。穿極漂流可以將海冰中的沉積物搬運到北冰洋的深水區(qū)，穿極漂流分為西伯利亞支流和穿極支流，西伯利亞支流海冰來源為東喀拉海和西拉普捷夫海，蒙皂石含量較高；穿極支流的海冰來源為東西拉普捷夫海，蒙皂石含量較低，伊利石含量較高［26］。從圖2a看出北冰洋深水區(qū)蒙皂石含量比楚科奇海含量高，可能是西伯利亞陸架為研究區(qū)提供了蒙皂石，從圖1可以看出，正北極濤動時，來自喀拉海和拉普捷夫海的海冰均被搬運到了美亞海盆，這就為美亞海盆提供大量蒙皂石。亞納河流域是由二疊紀和石炭紀的陸源沉積物（主要是頁巖）組成，這些沉積物中含大量綠泥石，通過亞納河等河流卸載［26］，正北極濤動時為北冰洋深水區(qū)沉積物提供綠泥石。此外還提供伊利石及高嶺石等黏土礦物。加拿大北極群島的維多利亞島出露一些玄武巖以及輝綠巖的巖墻和巖床［29］，在維多利亞島和班克斯島周緣海域海冰沉積物中蒙脫石和綠泥石含量也較高［30］，負北極濤動時，波弗特環(huán)流可以搬運攜帶該海域沉積物的海冰，為北冰洋深水區(qū)提供蒙皂石、伊利石以及綠泥石等黏土礦物。研究區(qū)周緣陸地的古土壤可為研究區(qū)提供高嶺石。

此外，大西洋中層水也可以搬運沉積物到楚科奇海臺附近海域［7］。Yurco等［31］認為北大西洋中層水洋流動力較弱，不能將弗萊姆海峽附近的黏土礦物搬運到加拿大海盆的南部，但是西拉普捷夫海和喀拉海的黏土礦物可以被北大西洋中層水搬運到加拿大海盆的南部以及楚科奇海臺等海域［32］。

從礦物組成分區(qū)圖上可以看出，加拿大海盆和阿爾法脊以Ⅴ類為主，該類組合蒙皂石含量比其他五類高，說明主要為西伯利亞海冰來源，另外根據洋流方向可以判斷有加拿大北極群島來源。楚科奇高地和北風脊以Ⅰ類為主，伊利石含量高達68.2%，西伯利亞的亞納河等河流中伊利石含量高達67%，在大西洋中層水的作用下搬運到楚科奇高地、北風脊等海域。加拿大北極群島的班克斯（Banks Island）和馬更些河為北風脊沉積物的主要來源。與加拿大海盆不同，馬克洛夫盆地的兩站分別為Ⅰ類和Ⅲ類，可能是受北大西洋中層洋流弗萊姆海峽支流的影響。

綜合以上信息，我們認為西北冰洋深水區(qū)的沉積物來源為來自歐亞陸架和加拿大北極群島周緣海域的海冰沉積和大西洋水體的搬運以及加拿大馬更些河的河流注入。

6 結論

本文通過系統研究北冰洋西部表層沉積物黏土礦物組成及分布特征，取得了以下結論：

（1）本區(qū)黏土礦物的區(qū)域分布和變化具有明顯的規(guī)律性：從楚科奇海到北冰洋深水區(qū)，蒙皂石含量增高，綠泥石含量降低，伊利石高值區(qū)出現在楚科奇環(huán)阿拉斯加海域以及楚科奇海臺和北風脊，高嶺石的高值區(qū)出現在阿爾法脊和加拿大海盆的北端。研究區(qū)伊利石化學指數西側高于東側，楚科奇海高于北冰洋深水區(qū)，伊利石結晶度值總體上西側低于東側。

（2）楚科奇海的黏土礦物是西伯利亞和阿拉斯加的火山巖、變質巖以及一些含高嶺石的沉積物以及古土壤等，經河流搬運，在北太平洋的3股洋流及西伯利亞沿岸流的作用下沉積形成的，其中Ⅲ類和Ⅳ類礦物來源為西伯利亞陸地，經河流搬運后在西伯利亞沿岸流的作用下到達楚科奇海的西側，Ⅱ類組合可能是阿納德爾流搬運而來，Ⅵ類礦物由白令陸架水搬運而來，Ⅰ類礦物由阿拉斯加沿岸流搬運而來。

（3）西北冰洋深水區(qū)的黏土礦物以穿極漂流和波弗特環(huán)流控制的海冰搬運為主，來源分別為歐亞陸架和加拿大北極群島周緣海域，楚科奇海臺和北風脊的Ⅰ類礦物組合可能由于北大西洋中層水的搬運，加拿大馬更些河為加拿大海盆的南端和北風脊提供黏土礦物。致謝：對第二次（2003年）、第三次（2008年）和第四次（2010年）北極科學考察隊特別是地質組成員在現場取樣中付出的艱辛勞動，在此深表感謝！

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