雅浦海溝沉積物的生物地球化學特征及其海洋學意義?

岳新安， 閆藝心， 丁海兵， 孫承君， 楊桂朋,2,3

(1.中國海洋大學化學化工學院，山東 青島 266100； 2.中國海洋大學海洋化學理論與工程技術教育部重點實驗室，山東 青島 266100； 3.海洋科學與技術青島協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 青島 266100； 4.國家海洋局第一海洋研究所海洋生態(tài)中心，山東 青島 266237)

同近海沉積相比，深海沉積遠離大陸，受河流和人類影響相對較小。因此，深海沉積物更加完好地記錄和保存了地球氣候、環(huán)境、地質、生物的演化信息。追蹤深海沉積物中的元素含量、組合、分布及其存在形式是研究沉積物的來源、搬運形式、沉積的物理、化學乃至氣候環(huán)境、沉積機理等方面的主要方法[1]。深海沉積物中的有機碳既是研究古生產力、古氣候和古環(huán)境變化的關鍵參數(shù)，也是研究全球碳循環(huán)不可或缺的組成部分[2]。深海沉積物中的微體化石是劃分地層確定地質年代的重要依據(jù)，也是了解深海環(huán)境和海盆發(fā)育歷史的重要手段[3]。

雅浦海溝位于菲律賓海板塊、太平洋板塊和卡羅琳板塊的交界處，北鄰馬里亞納海溝，西南接帕勞海溝，東側面向卡羅琳海嶺，最深點達8 527 m，是世界最深的海溝之一。海溝內存在低溫流體和冷泉生物群落[4]，是研究生物群落對極端環(huán)境適應機制和生命過程的理想場所。自二十世紀七十年代以來，國內外先后對雅浦海溝的巖石組成、水流運動、地質構造與演化等方面進行了研究[5-8]。作為深淵生物群落最重要的底棲環(huán)境，雅浦海溝沉積物對其中特有的生態(tài)系統(tǒng)不斷地提供著物質和能量。因此，雅浦海溝深淵(水深4 000～6 000 m)和超深淵(水深6 000 m以下)沉積物組成和分布的分析對海溝內底棲生物的研究具有重要意義。然而，由于取樣困難，雅浦海溝沉積物的生物地球化學特征至今仍未有相關報道。

本文首次對取自雅浦海溝深淵和超深淵的2個柱狀沉積物的含水率、化學元素、總有機碳和生物化石等參數(shù)進行了測定，掌握了它們的垂直分布規(guī)律，并進一步分析了這些沉積物的物質來源和氧化還原環(huán)境，討論了生物化石變化與地形結構、深海環(huán)流和地質運動的關系。本研究能夠為中國深淵和超深淵的生物地球化學研究提供一定的技術借鑒和基礎數(shù)據(jù)積累。

1 樣品的采集與分析

1.1 樣品的采集

2016年5月“向陽紅09”號科考船搭載的“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器執(zhí)行中國大洋37航次(蛟龍?zhí)枌嶒炐詰煤酱?考察，在雅浦海溝北段采用金屬多管和下潛方式分別獲取37I-Yap-S02站位(138°49.2′E,9°38.7′N,4 568 m)和Dive113站位(138°39.41′E,9°51.93′N,6 578 m)的沉積物樣品，圖1是研究區(qū)域的地理信息與站位分布圖。

“蛟龍?zhí)枴庇伞跋蜿柤t09”回收后，采集的沉積物樣品在現(xiàn)場立即以1 cm每層的方式切分置于密封袋中，混勻后于-20 ℃冷凍保存。37I-Yap-S02站位和Dive113站位均位于雅浦海溝東側坡壁，卡羅琳海嶺一側，其中37I-Yap-S02站位坡度較緩，在4 000～4 750 m的寬大平面上；Dive113站位坡度較大，在6 000 m以下的超深淵地帶。除37I-Yap-S02站位最上層含有少量的黑色錳結核礦物外，沉積物整體較松散，呈黃褐色，手感滑膩，無粗糙感。

圖1 研究區(qū)域地理信息、站位分布和地形剖面圖[9]

1.2 沉積物各參數(shù)的分析

1.2.1 含水率 取5 g左右的濕樣沉積物，在1-4LDPLUS型真空冷凍干燥機中干燥48 h，恒重，計算含水率。干燥后，Dive113站位沉積物呈土黃色，37I-Yap-S02站位沉積物自上而下由土黃色逐漸變?yōu)榘咨?。將研磨后的樣品分為兩組，一組過100目塑料篩用于元素含量的測定，一組過100目鋼篩用于總有機碳和掃描電鏡分析。

1.2.2 元素分析 元素含量的測定采用改進的微波等離子體原子發(fā)射光譜法[10]。具體步驟如下：取100 mg研磨過篩后的樣品于MDS-6G型多通量密閉微波儀中，加入5 mL硝酸、2 mL高氯酸和2 mL氫氟酸，以10 ℃/min升溫程序加熱至200℃，維持10 min。冷卻后加入2 mL鹽酸，于電熱板上加熱，根據(jù)消解情況，適量補加氫氟酸，直至消解完全。將溶液蒸發(fā)到不足1 mL，此時溶液呈現(xiàn)淡黃色，冷卻后為白色結晶物，用稀硝酸(V硝酸∶V水=1∶7)定容至10 mL，由ICAP-6300等離子體發(fā)射光譜儀測定其含量。元素標準為多金屬元素混標溶液(GSB 04-1767-2004，國家有色金屬及電子材料分析測試中心)和鈣離子單標溶液(GSB 04-1720-2004，國家鋼鐵材料測試中心鋼鐵研究總院)。

1.2.3 總有機碳(TOC) 總有機碳的測定采用原位酸洗法[11]和元素分析儀相結合的方法。具體步驟如下：取研磨過篩后的粉末100 mg左右于玻璃離心管中，滴加稀鹽酸(V鹽酸∶V水=1∶5)，至不再產生氣泡或粉末被液體恰好完全浸沒，輕輕晃動使反應充分，然后在鼓風干燥箱中60 ℃烘干，24 h后取出并恒重，輕輕研磨后用鋁箔紙包裹，存于干燥器中備用。測定時，迅速稱取10～30 mg樣品于錫杯中，用EA2000元素分析儀測定含量。因去除無機碳前后，粉末質量發(fā)生變化，有稍微增加，TOC含量需要進行質量因子校正，公式如下：

式中：ωTOC為海洋沉積物的TOC含量，%；m為稱取的沉積物質量，g；m′為去除無機碳的沉積物質量，g；ω為元素分析儀直接測定的TOC含量，%。

1.2.4 沉積物樣品的掃描電鏡觀察 取少量樣品于鉛塊上，經過吹掃、吸塵、噴金，利用Quanta 200型環(huán)境掃描電鏡對沉積物的大致形貌進行觀察，加速電壓為20 kV，選取合適的放大倍數(shù)對多個視野進行掃描，并保存圖像。根據(jù)化石的形貌，對化石進行鑒別。

2 結果

2.1 含水率

37I-Yap-S02站位沉積物(0～8 cm)含水率范圍為54%～75%，平均值為64%；Dive113站位沉積物(0～8 cm)含水率范圍為74%～81%，平均值為77%，見表1。

圖2是37I-Yap-S02站位和Dive113站位沉積物含水率的垂直分布圖。從圖中可知，37I-Yap-S02站位沉積物含水率隨深度增加不斷減小，且變化范圍較大，在4 cm處發(fā)生突然轉折，含水率減小近10%；Dive113站位沉積物含水率隨深度增加先緩慢減小后維持不變，整體變化范圍很小。

圖2 雅浦海溝37I-Yap-S02站位和Dive113站位柱狀沉積物含水率的垂直分布圖Fig.2 Vertical distribution of the water content of the columnar sediments from the 37I-Yap-S02 and Dive113 stations in the Yap Trench

2.2 元素含量

本研究共測定了Al、Ca、Fe、Mg、Mn、Ti、Ba、Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Sr、V和Zn共15種金屬元素在沉積物中的含量，見表1和2。其中Al、Ca、Fe、Mg、Mn和Ti是沉積物中的常量元素，其余屬于微量元素(包括痕量元素)。

從表1中可得，37I-Yap-S02站位沉積物常量元素中Ca含量隨深度的增加而增加，其余元素含量隨深度增加而減小，從上到下元素含量變化范圍較大；Dive113站位常量元素含量隨深度增加基本不變。

由表2可得，37I-Yap-S02站位沉積物中的微量元素，除Ba和Sr外，其余元素含量隨深度增加而減小。隨著深度增加，Sr含量一直增加，Ba含量先增加后減小。Dive113站位沉積物中的的微量元素含量隨深度增加基本不變。

總體上，37I-Yap-S02站位沉積物Ca、Sr和Ba含量遠大于Dive113站位站位Ca、Sr和Ba元素含量。

表1 雅浦海溝37I-Yap-S02站位和Dive113站位柱狀沉積物六種常量元素含量表Table 1 The contents of six major elements of the columnar sediments from the 37I-Yap-S02 and Dive113 stations in the Yap Trench /%

Note：①Station；②Depth；③Average value

表2 雅浦海溝37I-Yap-S02站位和Dive113站位柱狀沉積物9種微量元素含量表Table 2 The contentsof nine trace elements of columnar sediments from the 37I-Yap-S02 and Dive113 stations in the Yap Trench /×10-6

Note：①Station；②Depth；③Average value

2.3 總有機碳

經過元素分析儀的測定，總有機碳含量如表1所示，實驗中并未檢測到有機氮，說明有機氮含量低于檢測限或含氮有機物已經完全分解。37I-Yap-S02站位沉積物總有機碳含量范圍為0.07%～0.36%，平均值為(0.16±0.01)%；Dive113站位沉積物總有機碳含量范圍為0.30%～0.39%，平均值為(0.35±0.02)%。

圖3是雅浦海溝37I-Yap-S02站位和Dive113站位柱狀沉積物總有機碳含量的垂直分布圖。從圖上可知，37I-Yap-S02站位總有機碳隨深度增加先迅速減小，之后在深度4～7 cm保持基本不變，到7 cm時又開始增加。Dive113站位總有機碳含量隨深度增加變化不大，且有一定的波動性，但其含量明顯高于37I-Yap-S02站位。

2.4 掃描電鏡結果

圖4是37I-Yap-S02站位和Dive113站位沉積物表層(0～1 cm)和底層(7～8 cm)的掃描電鏡圖像。自上而下沉積變化如下：37I-Yap-S02站位沉積物由含硅質黏土逐漸向鈣質軟泥過渡，Dive113站位沉積物始終 是硅質軟泥。37I-Yap-S02站位沉積物具體的變化規(guī)律如下：0～2 cm，沉積物主要是黏土，含有硅藻、放射蟲和海綿骨針，以Ethmodiscusrex硅藻碎片為主，有少量的圓篩藻、蜂窩三角藻；2～4 cm，鈣質化石出現(xiàn)，而硅質化石不斷減少；5～8 cm，是由盤星石、角狀石和顆石構成的鈣質軟泥。沉積物中有塊狀碳酸鈣，自上而下逐漸增加；未發(fā)現(xiàn)海洋沉積物中常見的有孔蟲。Dive113站位沉積物是以硅藻、放射蟲和海綿骨針為主的硅質軟泥。硅藻主要是Ethmodiscusrex碎片，放射蟲以罩籠狀、球形為主，海綿骨針主要是單軸和四軸骨針。

圖3 雅浦海溝37I-Yap-S02站位和Dive113站位柱狀沉積物總有機碳含量的垂直分布圖Fig.3 Vertical distribution of total organic carbon content of the columnar sediments from the 37I-Yap-S02 and Dive113 stations in the Yap Trench

圖4 雅浦海溝37I-Yap-S02和Dive113站位沉積物表層(a/c)和底層(b/d)掃面電鏡圖

3 討論

3.1 雅浦海溝沉積物的含水率和金屬含量變化原因

37I-Yap-S02站位和Dive113站位沉積物相比，前者含水率明顯低于后者。如果僅考慮海水對沉積物的壓力作用，Dive113站位沉積物較37I-Yap-S02站位沉積物所承受的壓力高出近200個大氣壓，沉積物應更加密實，含水率應該較低。由此可見，海水壓力并不是兩站位沉積物含水率的決定性因素。沉積物的含水率還受其組成、粒度、空隙大小和水流方向等因素的影響。因此，兩站沉積物的組成、粒度或空隙大小應有很大的差異。此現(xiàn)象的原因可能是37I-Yap-S02站位和Dive113站位沉積物的平均粒徑相差較大引起，尤其是37I-Yap-S02站位沉積物在4 cm深度時平均粒徑發(fā)生了很大變化。這與圖4中掃描電鏡的結果也是一致的，2個站位的黏土和化石含量以及化石組成差異較大。

海洋沉積物中，Ca主要存在形式是硅酸鹽和碳酸鈣，而硅酸鹽為主的深海黏土Ca含量遠低于37I-Yap-S02站位沉積物Ca含量平均值9.83%。沈華悌等[12]通過對中太平洋海盆(7°N～12°N，166°N～178°W)的碳酸鈣含量測定，發(fā)現(xiàn)碳酸鹽補償深度(CCD線)在5 200 m附近。因此，該站位Ca應以碳酸鈣為主，即雅浦海溝的CCD線應位于4 568 m以深。在CCD線以上的海洋沉積物，大量的碳酸鈣沉積往往導致其他元素含量的降低，即碳酸鈣的“稀釋作用”，尤其是鈣質軟泥沉積，碳酸鈣含量大于30%[13]。Dive113站位對應深度遠大于CCD線，Ca的存在形式只能是硅酸鹽，沉積物中六種常量元素隨深度增加基本保持不變。若37I-Yap-S02站位消除碳酸鈣的干擾，元素含量與Dive113站位表層沉積物更為接近，這種現(xiàn)象表明該站位可能受地形影響發(fā)生了重力流沉積，導致表層沉積物的堆積。Dive113站位的有機碳隨深度變化不大的特征也表明可能發(fā)生了重力流沉積。此外，Dive113站位沉積物總有機碳明顯高于37I-Yap-S02站位，表明海溝的“V”型地形有利于有機碳的埋藏[14-15]。由于板塊的俯沖作用，這部分有機碳可能會進入到地球內部，使海溝成為有機碳從生物圈進入地球內部的重要通道。

3.2 沉積物源和氧化還原環(huán)境

深海沉積物的來源主要包括生物源、火山源、陸源、自生源和宇宙源。因常量元素占比較大，所以常用于海洋沉積的物源分析。在深海沉積中，Al主要是以鋁硅酸鹽的形式存在，是典型的陸源碎屑元素。雅浦海溝37I-Yap-S02和Dive113站位柱狀沉積物中Al元素的平均值分別為3.91%和5.16%，顯著低于太平洋深海黏土鋁含量的平均值8.79%[16]，因此雅浦海溝沉積物并非典型的深海黏土沉積。37I-Yap-S02沉積物中“親生物元素”Ca、Sr和Ba含量較高，表明沉積物中生物源占比較大[17-18]。

為了避免個別物質(如碳酸鈣)含量較大產生的“稀釋作用”，采用元素比值法進一步分析沉積的物質來源。若以太平洋深海黏土(PPC)指示陸源，以太平洋拉斑玄武巖(ATP)指示火山來源，以太平洋底棲附濁層(BNL)指示生物源[19]，則雅浦海溝37I-Yap-S02和Dive113站位柱狀沉積物中部分元素比值如表3。以Fe/Al=0.61代表陸源，0.73代表火山源，1.56代表生物源，可以看出37I-Yap-S02和Dive113站位Fe/Al的值都介于0.70～0.92之間，但更偏向0.73，尤其是37I-Yap-S02站位平均值即為0.73，因此該區(qū)的沉積物來源主要是火山源和生物源。其中，火山源物質可能來自附近相對活躍的馬里亞納火山弧。而以Ti/Al=0.06代表陸源，0.10代表火山源，0.12代表生物源，37I-Yap-S02和Dive113站位沉積物應該來自陸源。掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)沉積物中生物殘體比重較大，而鐵是生物的半微量元素，鋁和鈦受生物影響較小，因此導致Fe/Al比值較Ti/Al比值偏向生物源。

沉積物的微量元素沉積過程受到生物的和非生物的干擾，而非生物的沉積因水體的氧化還原環(huán)境不同，導致了不同的元素富集程度不同[20]。因此，可以利用微量元素的比值來重構古沉積的氧化還原條件。常常把Ni/Co=5、V/Cr=2作為氧化環(huán)境和貧氧環(huán)境的界限[21-22]，低于此值為氧化環(huán)境，高于此值為貧氧環(huán)境。由表3得到，37I-Yap-S02和Dive113站位沉積物Ni/Co值上下變化不大，平均值分別為3.27和3.01，均低于5；V/Cr的平均值分別為1.35和1.62，均低于2。所以，雅浦海溝37I-Yap-S02和Dive113站位沉積環(huán)境均是氧化環(huán)境，這可能跟南極富氧底層水的流入有關[6]。

表3 雅浦海溝沉積物的部分元素比值表

Note：①Station；②Depth；③Average value；④Standard values for Pacific deep sea clay；⑤Pacific abyssal pyroclastic tholeiite；⑥Pacific benthic nepheloid layer

結合掃描電鏡的結果表明，雅浦海溝37I-Yap-S02和Dive113站位表層(0～8 cm)沉積物主要來自生物源、陸源和火山源，表層有少量的自生錳結核生成，海溝底部可能存在南極深層水的輸送，6 500 m深度以上均為氧化水體，這與航次中采取的4 000～5 917 m水樣溶解氧濃度范圍為5.1～5.8 mg/L相一致。

3.3 沉積歷史

CCD線以上的37I-Yap-S02站位下層(下4 cm)均出現(xiàn)了明顯的盤星石和角狀石沉積。盤星石是劃分第三紀和第四紀沉積的標志化石[23]，因此 37I-Yap-S02站位下層沉積為第三紀沉積。在超過450 個大氣壓壓力下，碳酸鈣遇熱很容易溶解甚至分解。因此，鈣質化石能大量沉積并保存下來，既表明了第四紀以來雅浦海溝沒有大規(guī)模的火山活動，也表明了卡羅琳海嶺向菲律賓海板塊俯沖導致了水深增加，這與目前的研究成果是一致的[24]。沉積物中盤星石以六枝為主，枝長且彎曲，似傘狀，根據(jù)盤星石的演化過程和形態(tài)分析應為布勞沃盤星石(Discoasterbrouweri)。Discoasterbrouweri在地層中首次出現(xiàn)是在第三紀的中新世時期，剛開始以六星占絕大多數(shù)，到上新世三星、四星、五星已普遍存在，在其徹底滅絕前，即上新世末期，又突然變?yōu)榱钦純?yōu)勢[25]。角狀石最早出現(xiàn)在晚中新世時期，至早更新世后就滅絕，是中新世和上新世的典型化石。因此，本研究的沉積上限應該是第三紀的上新世末期到第四紀的更新世早期，大約250萬年前。

37I-Yap-S02站位上層和Dive113站位硅藻化石是以Ethmodiscusrex藻碎片為主，Ethmodiscusrex藻屬于暖水遠洋種，是典型的巨型“樹蔭種”硅藻，有很強的抗溶性，能沉積到很深的海溝中[26-28]。西北太平洋Ethmodiscusrex藻沉積范圍較廣，附近的帕里西維拉盆地、馬里亞納海溝等均有發(fā)現(xiàn)，已取得大量的研究資料。王開發(fā)等[26]研究了JL7KGC05孔的硅藻化石及其組合，認為Ethmodiscusrex沉積形成于晚第四紀；熊志方和翟濱等[27-28]通過帕里西維拉盆地的硅藻席沉積樣品，并對其進行定年分析，認為Ethmodiscusrex沉積形成于末次冰期晚期，并且主要產生于末次冰期的極盛期。所以，雅浦海溝37I-Yap-S02和Dive113站位上層沉積層可能是更新世末期以來的沉積。

綜上所述，雅浦海溝沉積層出現(xiàn)了第三紀末期到末次冰期近250萬年的沉積間斷。沉積間斷的產生往往與深海環(huán)流和滑坡有密切的關系，雅浦海溝狹窄陡峭的地形決定了兩者對沉積層影響都較大。更新世最典型的特點就是冰期和間冰期之間深海環(huán)流存在明顯的交替變化，當間冰期時，深海環(huán)流強；冰期時，深海環(huán)流弱[29]。冰期和間冰期不斷的循環(huán)，不利于沉積層在海溝坡壁的堆積。最新的研究表明，深海環(huán)流在270萬年突然變化，轉變成目前的深海環(huán)流模式[30]，這有可能就是雅浦海溝底層流形成的時間點。而末次冰期，深海環(huán)流較弱，有利于沉積發(fā)生，尤其是“新仙女木”事件的發(fā)生，很多學者認為深海環(huán)流突然中斷[31]?？紤]到雅浦海溝的“V”型地形結構，有可能發(fā)生大規(guī)模的滑坡，但恰好留下第三紀末期的鈣質超微化石沉積，可能性較低。因此認為雅浦海溝內存在的深海流不利于沉積發(fā)生，其沉積速率很低，而上層的硅質沉積很容易受到重力流影響而再堆積于更深處，海溝內的沉積可能是深海環(huán)流和重力流共同影響的結果。

4 結論

(1)雅浦海溝沉積物主要來自生物源、陸源和火山源，海溝底層屬于氧化環(huán)境，可能跟南極底層水的輸入有關。

(2)雅浦海溝CCD線位于4 568 m以深。隨深度增加，37I-Yap-S02站位沉積物由硅質黏土沉積向鈣質軟泥沉積過渡，4 cm以下保存大量的第三紀末期的盤星石、顆石和角狀石，表明了第四紀以來雅浦海溝無大規(guī)模的火山地震活動；Dive113站位沉積物始終是硅質軟泥(0～8 cm)，主要由硅藻、放射蟲和海綿骨針構成，可能是海溝“V”形結構導致的重力流沉積。

(3)海溝“V”型地形結構有利于有機碳埋藏，板塊間的俯沖作用可能使海溝成為生物圈層有機碳進入地球內部的重要通道。

(4)根據(jù)典型的Discoasterbrouweri和大量的Ethmodiscusrex藻碎片判斷沉積層存在第三紀末期到末次冰期的沉積間斷，這可能與深海環(huán)流或重力流滑坡有關，也可能是兩者共同作用的結果。

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