南海北部陸坡神狐海域富有孔蟲沉積層的特征及成因

李 牛, 陳多福

(1. 中國(guó)科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所 邊緣海地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510640; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

0 引 言

濁流活動(dòng)是一種常見(jiàn)而具有重大破壞性的海底重力流活動(dòng), 是陸源物質(zhì)向深海搬運(yùn)的主要方式反映[1]。濁流沉積對(duì)于海底扇、海底峽谷以及深海油氣藏的形成以及古氣候的變化記錄具有重要的指示意義[2–5]。失穩(wěn)沉積物的轉(zhuǎn)換, 河流、冰川邊緣產(chǎn)生的高密度流, 以及風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)所產(chǎn)生的陸架邊緣的沉積物再懸浮作用與濁流的形成密切相關(guān)[1,6]。而富有孔蟲濁流的發(fā)育與低海平面和高的海水表層初級(jí)生產(chǎn)力有關(guān)[3]。此外,甲烷泄漏以及其所產(chǎn)生的邊坡不穩(wěn)定性也可能導(dǎo)致濁流的發(fā)生, 地中海巨厚的濁積層被認(rèn)為與冰期時(shí)海平面下降導(dǎo)致的水合物分解產(chǎn)生的甲烷泄漏有關(guān)[7]。

南海的濁流沉積,文獻(xiàn)曾有許多報(bào)道。Damuth主要通過(guò)3.5 Hz淺地層剖面在20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)南海盆地北部馬尼拉海溝鄰海一邊平緩傾斜壁上有大片濁流引起的沉積波場(chǎng)[8]。隨后在南海的北部陸坡、北部深海盆地、中沙群島和南部陸坡都發(fā)現(xiàn)了濁流沉積[9]。由于神狐海域海底峽谷廣泛發(fā)育,地形坡度起伏大,甲烷滲漏強(qiáng)烈,我國(guó)第一個(gè)水合物鉆孔就位于該海域,因此具有發(fā)育濁流沉積良好的地質(zhì)背景[10]。

而與海底峽谷相關(guān)的沉積建造如濁積砂體等內(nèi)部由于發(fā)育孔隙度和滲透率較好的粗粒沉積物, 可以作為深水油氣、天然氣水合物的良好儲(chǔ)層, 一些國(guó)家層面的水合物計(jì)劃將水合物的鉆探站位布置于海底峽谷發(fā)育的區(qū)域[11]。因此深海濁流的識(shí)別對(duì)于天然氣水合物和深海油氣勘探具有重要的意義。南海西沙海槽和南海北部陸坡珠江口盆地重力流及等深流沉積類型多樣,包括峽谷、單向遷移水道、堤岸、朵葉及漂積體,是水合物的有利儲(chǔ)集相帶[12]。

本文對(duì)采集于水深 1805 m的南海北部陸坡神狐海域 DH-1柱樣的沉積物粒度、礦物和常量元素進(jìn)行了分析, 結(jié)果顯示沉積柱中發(fā)育的兩層灰白色富有孔蟲層為濁流沉積經(jīng)底流改造后的碎屑流沉積。

1 樣品采集與分析方法

圖1 南海北部陸坡所采集的沉積柱DH-1的位置圖(圖片修改自佟宏鵬等[13])Fig.1 Map showing location of the sediment core DH-1 on the northern continental slope of the South China Sea

研究的柱狀樣 DH-1位于南海北部陸坡中段神狐海域,介于西沙海槽和東沙群島之間(圖1)。從新近紀(jì)以來(lái),該海域發(fā)育了大量的深水扇沉積體, 其沉積速率相對(duì)較高, 有機(jī)質(zhì)豐富[10]。區(qū)內(nèi)水深300～3500 m,水深線與海岸線大致平行, 地形由北西由南東傾斜,平均坡度為 13.6‰, 平均坡角達(dá) 7°40′, 海底地形總體呈東北高、西南低的斜坡形態(tài), 是南海北部陸坡和中央海盆的過(guò)渡帶[14]。區(qū)內(nèi)沉積經(jīng)歷了河湖相-濱淺海-陸坡深海相的演化過(guò)程[15],在早中新世-中中新世發(fā)育濱淺海三角洲砂巖, 晚中新世以來(lái)受深部地幔作用, 在裂陷期之后繼續(xù)強(qiáng)烈熱沉降[16], 沉積環(huán)境演變?yōu)殛懫律钏h(huán)境, 發(fā)育巨型的珠江深水扇系統(tǒng)[17]。末次冰期以來(lái)在南海北部陸坡, 特別是珠江海底峽谷內(nèi)發(fā)育了大量的濁流沉積, 砂級(jí)組分中除含生源有孔蟲外, 還含不等量陸源長(zhǎng)石、石英碎屑等[18]。而在臺(tái)灣海峽全長(zhǎng)699 cm的HD133柱狀樣中共識(shí)別出1個(gè)厚沙層(厚127 cm)和8個(gè)薄沙層(單層厚度 8～15 cm), 這些沙層中含大量淺水底棲有孔蟲, 推測(cè)沙層是重力流和底流交互作用的產(chǎn)物[19]。

DH-1柱狀沉積物柱樣是2012年廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局“海洋六號(hào)”調(diào)查船在南海北部神狐海域水深 1805 m 海底采集(19°48.7004′N、116°51.5624′E)(圖1)。采集的沉積物柱樣長(zhǎng) 548 cm, 可分為4層:近海底的 A1層(0～120 cm)由灰黑色黏土質(zhì)粉砂組成,A2層(120-245cm)由含貝殼碎片的粒度較粗的灰白色有孔蟲砂組成, 與上下層成突變接觸, A3層(245～345 cm)由灰黑色黏土質(zhì)粉砂組成, A4a層(345～470 cm)由灰黑色黏土質(zhì)粉砂和灰白色有孔蟲砂混合組成, 與上下層成漸變接觸, 沉積物粒度由上向下越來(lái)越粗, 底部的A4b層(470～548 cm)由含貝殼碎片的粒度較粗的灰白色有孔蟲砂組成。整個(gè)沉積柱以 2 cm間隔取樣, 約 100 g樣品冷凍干燥后,研磨致小于200目的粉末備后續(xù)分析。

全巖粉末樣品物相分析(XRD)由中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所的Bruker X-射線衍射儀(D8 Advance)完成, 工作參數(shù)為Cu靶Kα射線, 石墨單色器,測(cè)試電壓為 40 kV, 電流為 40 mA, 掃描角度為5°～70°(2θ), 步進(jìn)掃描, 步寬為 0.02°, 發(fā)散狹縫為0.5°, 接受狹縫為 0.15 mm, 防散射狹縫為 0.5°, 礦物含量是依面積法進(jìn)行半定量分析, 結(jié)果由SIROQUANT程序完成[20]。

主元素分析在中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所完成,取粉沫樣品40 mg放入特氟龍杯中并加入1 mL HF和1 mL HNO3, 把密封的特氟龍杯放入電烘箱中于185 ℃下維持約 36 h。冷卻后, 特氟龍杯置于電熱板上蒸干, 最后加入Rh內(nèi)標(biāo)及稀硝酸, 用ICP-AES測(cè)試主元素[21]。GSR-1、OU-6、1633-a、GXR-2、GXR-5標(biāo)樣進(jìn)行質(zhì)量控制, 主元素精度和準(zhǔn)確度為優(yōu)于5%。

激光粒度分析樣品為10 cm一個(gè)樣品, 共54個(gè)樣品, 在中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所的 Mastersizer 2000激光粒度分析儀進(jìn)行測(cè)試, 分析范圍為 0.02～2000 μm, 重復(fù)測(cè)量的相對(duì)誤差小于2%。

年代測(cè)定選取關(guān)鍵層位6～10 cm、130～134 cm、228～232 cm、352～356 cm、480～484 cm、544～548 cm共 6個(gè)樣品, 在雙目鏡下挑選出 Globigerinoides ruber和Globigerinoides sacculifer浮游有孔蟲混種12 mg進(jìn)行 AMS14C測(cè)年。挑出的浮游有孔蟲用15% H2O2和水浴超聲振蕩, 去除有孔蟲的有機(jī)碳。14C測(cè)年在美國(guó)邁阿密Beta分析公司采用Accelerator Mass Spectrometry (AMS)方法完成, 詳細(xì)的分析步驟見(jiàn)http://www.radiocarbon.com/analytic.htm。測(cè)定的年齡數(shù)據(jù)首先經(jīng)δ13C同位素分餾校正, 再進(jìn)行樹(shù)輪曲線IntCal09校正。

2 結(jié) 果

2.1 沉積物的粒度

激光粒度分析結(jié)果顯示灰黑色黏土質(zhì)粉砂層(A1和 A3)的中值粒徑一般在 6～15 μm 之間, 黏土(＜4 μm)及粉砂(4～63 μm)分別約為 16.7%～37.3% (平均27%)和 48.9%～68.6% (平均 59%), 砂級(jí)(＞ 63 μm)沉積物含量小于 20% (圖 2)。而在灰白色富有孔蟲砂層(A2和 A4b)的中值粒徑一般大于 250 μm, 砂的含量可達(dá)到 39.6%～86.9% (平均 67%), 黏土和粉砂含量則明顯減少, 分別為4.9%～25.1% (平均11.7%)和7.8%～41.8% (平均20.2%) (圖2)。灰黑色黏土質(zhì)粉砂和灰白色有孔蟲砂的混合層(A4a)具有典型的正粒序粒度特征, 中值粒徑從底向上逐漸變細(xì), 粉砂和黏土含量越來(lái)越高, 砂含量越來(lái)越低,漸漸過(guò)渡到A3層。

2.2 礦物成分和陸源元素

DH-1孔沉積物中的礦物成分主要為方解石、石英、長(zhǎng)石、伊利石和綠泥石。方解石含量的變化與通過(guò)總 Ca含量扣除陸源背景值計(jì)算: CaCO3= 2.5[Catot– (Altot× Ca/Alaverageshale)], 其中 Ca/Alaverageshale比值為 0.276[22], 得出的 CaCO3含量的趨勢(shì)一致(圖2)?？梢钥闯鯝4b層CaCO3含量穩(wěn)定在80%左右, 然后從A4a層底向上到頂遞減到20%左右, 在A3層穩(wěn)定在20%左右, 之后在A2層突增到80%左右, 最后在A1底部突降并穩(wěn)定在20%左右。而方解石含量的變化與陸源礦物伊利石 + 綠泥石 + 石英 + 長(zhǎng)石呈鏡像關(guān)系(圖2)。A2和A4b層的長(zhǎng)石、伊利石和綠泥石沒(méi)有檢出, 主要礦物成分為方解石和石英。

Ti/Al、K/Al和Fe/Al比值在灰黑色黏土質(zhì)粉砂層(A1和 A3)比較一致, 均值分別為 0.05、0.3、0.55和0.0016 (圖2)。而灰白色富有孔蟲砂層(A2和A4b)的Ti/Al、K/Al和Fe/Al比值顯著高于灰黑色黏土質(zhì)粉砂層, 表明了陸源物質(zhì)輸入的變化。混合層(A4a)的Ti/Al比值類似于灰黑色黏土質(zhì)粉砂層(A1和A3),而K/Al和Fe/Al比值有從下向上遞減的趨勢(shì), 最后降到A3層的值。K/Al、Ti/Al及Fe/Al比值在灰白色富有孔蟲砂層中均表現(xiàn)出與中值粒徑相似的變化規(guī)律, 在灰白色富有孔蟲砂層(A2和A4b)的元素比值迅速升高, 而在混合層(A4a)K/Al和 Fe/Al隨著粒度向上變細(xì)的同時(shí), 元素比值也逐漸減小(圖2)。這反映了K、Ti、Fe等元素在灰白色富有孔蟲砂層相對(duì)富集, 且富集趨勢(shì)與粒度變化緊密相關(guān)。

2.3 有孔蟲14C定年

關(guān)鍵層位浮游有孔蟲 Globigerinoides ruber和Globigerinoides sacculifer的14C定年結(jié)果顯示近海底的 A1灰黑色黏土質(zhì)粉砂層上部的年齡為 1985～2275 cal. a BP?；野咨挥锌紫x砂A2層上部為15095～15345 cal. a BP, 下部為22435～22680 cal. a BP。而混合層的A4a層上部為 43150～44970 cal. a BP, 下部為 42455～43525 cal. a BP。沉積柱的最深部 A4b灰白色富有孔蟲砂層下部年齡大于43500 cal. a BP (表1和圖 2)。

表1 DH-1孔浮游有孔蟲的AMS-14C測(cè)年數(shù)據(jù)Table 1 AMS-14C data for Foraminifera in DH-1core sediments

3 討 論

灰黑色黏土質(zhì)粉砂層(A1和A3)的沉積物Ti/Al =0.05、K/Al = 0.3、Fe/Al = 0.55類似于神狐海域表層沉積物的值(Ti/Al = 0.05、K/Al = 0.3、Fe/Al = 0.52)[25],中值粒徑一般在6～15 μm之間, 礦物組成以陸源長(zhǎng)英質(zhì)和黏土為主, 也顯示神狐海域表層正常半深海沉積特征[26]。

灰白色富有孔蟲砂層(A2和A4b)富含碳酸鈣, 中值粒徑大于 250 μm, 有孔蟲砂含量高。Ti/Al、K/Al、Fe/Al和Zr/Al比值高, 顯示相對(duì)于A1層, 富有孔蟲砂層(A2和 A4b)的陸源粗顆粒碎屑物質(zhì)含量相對(duì)黏土礦物的升高。混合層 A4a層砂含量呈現(xiàn)向上逐漸降低, 粉砂和黏土含量向上逐漸增高, 碳酸鈣含量依次遞減, K/Al和Fe/Al比值也依次遞減, 顯示富鉀和鐵等陸源粗顆粒碎屑物質(zhì)相對(duì)于黏土礦物含量輸入的降低, 形成典型的正粒序沉積層, 而且A4a層頂部和底部的年齡相差不大(43150～44970 a BP和42455～43525 a BP)。

此外, 富有孔蟲砂層 A2和 A4b包含大量浮游有孔蟲和淺水的生物碎屑(如珊瑚、珊瑚藻、貝類), 碳酸鈣含量大于80%(圖2), 同時(shí)含有末次冰期以前的有孔蟲, 如 Dentoglobigerina altispira altispira、Globoquadrina dehiscens、Globorotaliamulti camerata和Spahaeroidinellopsis kochi。南海西部深海平原和南海北部東沙海域也有相似的濁流搬運(yùn)引起的碳酸鈣富集現(xiàn)象[17,27]。

在粒度 CM圖中粒度分布分為3個(gè)部分: 富有孔蟲砂層(A2和A4b)的M值小于4, C值在0～1之間;灰黑色黏土質(zhì)粉砂層(A1和A3)的M值在6～8之間, C值在0～4之間; 混合層(A4a)在兩者之間過(guò)渡(圖3)。這些特征表明 A2和 A4層為跳躍搬運(yùn)的牽引流沉積[28]。A2和A4層中淺水有孔蟲含量高, 表明這些沙質(zhì)沉積物是由陸架或上陸坡搬運(yùn)來(lái)的。而A2層與上下界面均為突變接觸, 可能不是由單一的重力流形成的。大量的研究表明深水底流形成的沉積物具有頂部突變的特征, 在深水區(qū)由底流形成的牽引沉積比較普遍, 且形成向上突變的接觸關(guān)系[17,29]。因此,A2和 A4富有孔蟲層可能是濁流經(jīng)底流改造后的碎屑流沉積, 其特征是缺乏泥質(zhì)沉積, 是在底流的作用下泥質(zhì)細(xì)粒物質(zhì)被淘洗(即再懸浮)后搬走, 留下了以細(xì)砂和少量粗砂為主的沉積物。臺(tái)灣海峽也有類似的富有孔蟲沉積, 碳酸鈣含量大于 60%以上,富含大量淺水底棲有孔蟲, 為重力流和底流交互作用的產(chǎn)物[18]。

圖3 DH-1孔的粒度CM圖Fig.3 Particle size CM diagram for the DH-1 core sediments,whereas C is the particle size for 1% content at cumulative curve, M is the particle size for 50% content at cumulative curve, i.e., the median particle size C為累積曲線上顆粒含量1%處對(duì)應(yīng)的粒徑; M值是累積曲線上50%處對(duì)應(yīng)的粒徑, 即粒度中值。

4 結(jié) 論

南海北部神狐海域水深 1805 m的陸坡區(qū)沉積柱樣中發(fā)育了2層富有孔蟲沉積, 其中的粗粒成分、碳酸鈣含量和Ti/Al、K/Al和Fe/Al比值比正常海相沉積物高。下部的A4層沉積發(fā)生在42.46～43.53 ka BP之后, 上部的A2層沉積發(fā)生在15.1～15.3 ka BP之后。濁流從淺海帶來(lái)的大量有孔蟲在陸坡沉積,并經(jīng)底流改造形成富有孔蟲沉積層。

感謝中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所漆亮研究員幫助完成了樣品的主元素分析、中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所陳忠研究員在粒度分析中提供的幫助以及中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所黃琦瑜教授和陳文煌博士對(duì)有孔蟲鑒定的指導(dǎo)。特別感謝兩位審稿人提出的寶貴修改意見(jiàn), 對(duì)論文質(zhì)量的提高具有非常大的幫助。

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