南极半岛周边海域表层沉积物粒度分布特征及其环境指示意义

王春娟 陈志华 李传顺 杜德文 闫仕娟 朱志伟

0 引言

粒度是沉积物的基本性质之一，粒度分析是一种经典的沉积学研究方法。粒度组成、粒度参数及各种图解是识别沉积环境的类型，推断沉积物扩散搬运过程的常用手段［1］。沉积物的粒度特征是表征其物质组成的重要参数之一，是各种沉积动力、沉积过程作用于沉积物的综合结果，长期以来被应用于沉积物类型的划分、物质运移方式的判定及沉积动力环境的识别。粒度参数不仅可以对沉积物的成因作出解释，而且在区分沉积环境方面也具有重要的参考意义［1］。

南极大陆边缘海沉积中最重要的特征之一是受冰川作用的影响十分强烈［2］。冰川作用不仅直接塑造了南极大陆边缘海的沉积特性，而且通过海流的作用对海底沉积物进行不断地改造［3］。南极半岛周边海域表层沉积物受冰川作用的影响较为深刻。本文综合首次和第28次南极科学考察数据，以及收集的公开数据的分析结果，分析本区表层沉积物粒度组成和分布特征，并针对沉积物来源、沉积作用特点等问题加以讨论。

1 地质环境

本文所选研究区位于南极半岛的西侧、东侧和北侧，区域位置独特，地处南极大陆和南美大陆之间（德雷克海峡南侧），为南大洋大西洋扇区和太平洋扇区的过渡地带，其西南为别林斯高晋海，东南为威德尔海。南极半岛是南极大陆最大、向北伸入海洋最远（63°S）的大半岛，该地区气候相对温暖，同时也是近百年来南极地区气候、环境变化最为显著的地区［4-6］，其冰架的快速崩塌和解体已给全球海洋与气候变化带来了深刻影响［7-10］。主要陆地地貌单元包括南极半岛、南设德兰群岛和南奥克尼群岛，主要海底地形地貌单元包括德雷克海峡（Drake Passage）、斯科舍海（Scotia Sea）、南斯科舍海岭（South Scotia Ridge）、威德尔海（Weddel Sea）、鲍威尔海盆（Powell Basin）、珍海盆（Jane Basin）、布兰斯菲尔德海峡（Brendsfield Strait）等［11］。其中，威德尔海是地球上最大的边缘海，也是最著名的深海，海盆深4 500—4 700 m，最深的海沟深度达8 428 m［11］。威德尔海海域处于南极圈附近，属极地气候。年平均气温－3℃，海面多浮冰，大部分由陆缘冰分裂而来，在海上可飘浮几年到数十年，并在东南风作用下多堆积到南极半岛东岸，这里冷而重的陆架水下沉成为南极底层水，也是世界大洋深层水的主要源地。全世界的大洋底部冷水有一半以上源自南极海域，其中大部分即产生于威德尔海［11］。考察区流系主要由南极绕极流 （ACC，Antarctic Circumpolar Current）、威德尔海底层水 （WSBW，Weddell Sea Bottom Water）、威德尔海深层水 （WSDW，Weddell Sea Deep Water）、威德尔海涡流（Weddell Gyre）以及南极半岛陆架-岛架水等组成［12］。研究区地处冰川和海洋相互作用的地带，具有冰海沉积物特性。冰海沉积物是一种混杂沉积物，兼备冰川和海洋的双重成因特性。Anderson等根据冰海沉积物的特性对其进行了分类［13-16］。

2 数据来源及分析方法

本次研究所分析的样品为中国第28次南极科学考察队借助“雪龙”号船在南极半岛北部和东北部的陆架、陆坡，鲍威尔海盆以及南奥克尼微地块等区域取到的表层沉积物样品。第28次南极科学考察海洋地质考察共完成作业站位23站，除3个采空站位外，实际获取到样品的站位共有20站，其中4个站位只取到少量的砾石样品，其他站位取到不同程度的箱式、多管和柱状样的沉积物样品。此外，还收集了中国首次南极科学考察的32个表层沉积物粒度分析数据，以及Pangaea网站公开发表的65个表层沉积物粒度分析数据［17］（表1）。本次研究所涉及的海区范围较广：58°S—67°S、39°W—70°W，围绕南极半岛北部的东西侧和北侧；从深度为45 m的陆架区到5 356 m的深水区，涵盖了南极半岛周边海区从表层水到深层水的广泛深度（图1）。

表1 南极半岛周边海域表层沉积物站位信息Table 1.Longitudes and latitudes of the surface sediment sites in the surrounding sea area of the Antarctic Peninsula

续表

对第28次南极科学考察获取的表层沉积物样品，除了必要的现场岩性描述外，还在室内进行了粒度分析。由于所采样品的物源及水动力条件的差异，粒径变化较大，粒度分析采用筛析法与激光粒度分析法相结合的方法。筛析法适用于粒径大于0.063 mm的粗颗粒样品的分析，这也是冰碛物粒度分析常用的方法。先采用四分法取样，样品用量参考取样质量估算表［18］，将取得的样品烘干分散后，通过不同孔径的筛子将样品由粗到细进行筛分，最后称量计算不同粒级所占百分含量。

对颗粒粒径上限为0.063 mm的细颗粒样品则利用Malvern公司生产的Mastersizer 2000激光粒度分析仪进行分析。该仪器测量范围为 0.02—2 000μm，分辨率为0.01Ф，重复测量相对误差小于3%。其分析步骤如下：加入15 mL浓度为15%的H2O2和2 mL浓度为1%的焦磷酸钠溶液，混合均匀并放置12 h后，放入已加热至85℃的水浴锅中，连续加热2 h后取出冷却，以去除沉积物中的有机质；加入5 mL浓度为10%的HCl以去除钙质生物和碳酸盐。此次研究还将硅藻去除，方法是加20 mL浓度为1 mol·L－1的碳酸钠溶液，在85℃的水浴锅内连续加热4 h，取出后冷却，离心3次，然后上机测试。粒级统一使用Udden-Wentworth等比值Ф粒级标准表示，利用矩法计算沉积物的平均粒径（μ）、分选系数（δ）、偏态（Sk）、峰态（Ku）等参数［18］。

图1 南极半岛周边海域表层沉积物样品站位Fig.1.Sites of the surface sediments in the surrounding sea area of the Antarctic Peninsula

由于本文所选海域水动力和地形的复杂性，以及站位所在地貌单元的特殊性和差异性，表层沉积物类型的划分根据不同的水深和地貌单元分为浅海陆架（或岛架）碎屑沉积物、半深海陆坡（或岛坡）沉积物和深海沉积物［19］。其中，水深＜510 m的陆架和岛架碎屑沉积物命名采用Folk等［20］沉积物命名方案进行命名，该方案能够很好地反映陆架浅海区沉积物的水动力环境及成因。先根据Udden-Wentworth粒度划分标准进行沉积组分的粒级划分［21］，然后在不同沉积物组分比值的基础上对沉积物进行命名。样品中含砾石（粒径＞2 mm）时，将粉砂和黏土的百分含量求和作为泥的百分含量［22］，应用砾石、粉砂和泥参与的福克含砾沉积物的三角形分类命名（图2a）；作为含砾福克法的扩充，在砾石含量为0时，使用砂、粉砂和黏土参与的更加详细的无砾 Folk等三角形分类命名（图2b）［23］。

3 表层沉积物类型及分布

对表层沉积物进行粒度分析，根据其主要粒级的百分含量，将表层沉积物分为四大类：砾质、砂质、粉砂质以及泥质沉积物。根据不同的水深和地貌单元可将其分为陆架（或岛架）碎屑沉积物、陆坡（或岛坡）沉积物和深海沉积物［19］。南极半岛周边海域陆架和岛架浅海区的沉积物组成比较复杂，据粒度组成和Folk等［20］的海洋碎屑沉积物分类原则，划分为12种基本类型，分别是：泥质砂质砾（msG）、砾质砂（gS）、含砾砂［（g）S］、含砾泥质砂［（g）mS］、泥质砂（mS）、粉砂质砂（zS）、砂质粉砂（sZ）、粉砂（Z）、含砾泥［（g）M）、砾质泥（gM）、砂质泥（sM）、泥（M）。砾质沉积物主要分布于南极半岛北部迪维尔岛西南和东北陆架，在南奥克尼群岛西北岛架也有少量分布。砂质和粉砂质沉积物分布较为广泛：南极半岛东部陆架大部分、南设得兰群岛大部分岛架以及南奥克尼微地块南北两侧小部分海域。泥质沉积物在南极半岛东北部陆架坡折带和南设得兰群岛大部分岛架坡折带和部分岛架均有分布，南奥克尼微地块的中间区域大部分为泥质沉积物。总体看来，沉积物类型多且复杂，以砾和砂为主要成分，粉砂和泥为次。在沉积物概率累积曲线（图3）上表现为基本以滚动和跃移质组分为主，少量悬浮质，曲线形态各异，有二段式、三段式和四段式，粗、细截点明显，粗组分在40%以上，反映出较强的水动力条件。

图2 南极半岛周边海域陆架（或岛架）表层沉积物Folk等三角形分类图.（a）含砾；（b）无砾Fig.2.Folk’s triangle diagram classification of the surface sediments in the surrounding continental（or island）shelf of the Antarctic Peninsula.（a）Gravel；（b）No-gravel

半深海沉积物主要分布于陆坡和岛坡，沉积物组分主要以砂和粉砂为主，个别站位以泥为主，沉积物中见有砾石，其含量各站位不一。沉积物类型复杂，概率累计曲线形态基本为二段式和三段式为主，一般表现为跃移质组分多，悬浮质组分次之，滚动质组分较少。

水深＞2 000m的深海沉积物，主要以细粒沉积物为主，基本上是以泥质沉积物为主要类型，砂质沉积物次之，个别站位仍存在少量砾质沉积物，概率累积曲线形态以三段式为主，也有二段式、四段式，表现为总体以悬浮组分为主，跃移质组分为次，有的缺乏滚动质组分，反映出深海的水动力条件相对较弱。

图3 南极半岛周边海域表层沉积物粒度概率累积曲线图.（a）陆架或岛架；（b）陆坡或岛坡；（c）深海Fig.3.Possibility curves of grain size of the surface sediments in the surrounding sea area of the Antarctic Peninsula.（a）Continental（island）shelf；（b）Continental（island）slope；（c）Abyssal sea

4 冰海沉积物类型和分区

Anderson等［13］综合不同学者意见将冰海沉积物定义为：由冰川和海洋作用叠加堆积于海底，经历冰川、冰架或有关水流搬运的沉积物，其中含有冰川冰筏带来的未经分选、粒径大小各异的岩石物质。由于环境要素的差别，不同区域可以出现特征各异的冰海沉积物类型。Harland［3］在对比南极冰碛物和冰碛层时提出了正冰碛物（orthotill）和副冰碛物（paratill）的概念。前者系搁浅冰架融化后沉积的产物，特点是缺乏分选、无层理、不含海洋生物化石以及几乎未受底流的改造；而后者则指冰架或冰山、浮冰融化后所形成的沉积物，主要特点是沉积颗粒经受过不同程度的海流改造，并含丰富的海洋生物化石。Anderson等［3，13］通过南极威德尔海、罗斯海冰海沉积物的研究，提出根据粒度参数、层理、古生物和海洋环境将副冰碛物进一步划分为以细粒泥、粉砂组分为主的混合副冰碛物（compound paratill）和以砂砾为主的残副冰碛物（residual paratill）。吴能友等［2］根据布兰斯菲尔德海峡冰海沉积物特点，将混合副冰碛物和残副冰碛物进行了更进一步的划分，石丰登等［22］对此进行了总结归纳（表2）。

表2 冰海沉积物类型的划分方案［2，22］Table 2.Compartmentation precept about glacial-marine deposits［2，22］

本文所选研究区位置独特，是近百年来南极地区气候、环境变化最为显著的地区，冰架崩塌融水的注入使海区内环境条件变化明显。这对海底沉积物以及栖息其中的生物群落造成一定的影响。根据表2提出的冰海沉积物划分依据，并结合表3研究区内冰海沉积物的分类特征，可以认为南极半岛周边海域的冰海沉积物呈现了几种副冰碛物特征，即基本缺乏粉砂、泥的ⅠA型残副冰碛物、含粉砂和泥的ⅠB型残副冰碛物、含砂砾的ⅡA型及基本缺乏砂砾的ⅡB型混合副冰碛物。其粒度组成和特征与吴能有等［2］和石丰登等［22］论述的分类特征稍有差异（表3）。

表3 南极半岛周边海域冰海沉积物分类特征Table 3.Classification of glacial-marine deposits in the surrounding sea area of the Antarctic Peninsula

冰海沉积物的类型分区主要受各种环境因素的制约，如岸线轮廓、海底地形及水文条件等。不同类型的冰海沉积物有着不同的介质条件和相应的生态环境组合，反映特定的沉积环境。本文根据表层沉积物的粒度特征以及冰海沉积物的不同类型，将南极半岛周边海域进行了分区（图4），反映了现代冰海沉积物类型的基本分布情况。

图4 南极半岛周边海域冰海沉积物类型分布图Fig.4.Distribution of the glacial-marine deposits in the surrounding sea area of the Antarctic Peninsula

残副冰碛物沉积区（Ⅰ）大部分集中分布于环南极半岛的陆架海域，另外，南设得兰群岛的利文斯顿岛南部岛架、南斯科舍海脊东南部、南奥克尼群岛的西部和北部小部分海域、南奥克尼微地块的中南部的斜坡深海区域、威德尔海西部海域的陆坡至深海区域等，有较小范围的分布。残副冰碛物区域的大部分为含粉砂和泥的ⅠB型冰海沉积物，沉积物以砂砾为主，含少量粉砂和泥，分选较差。基本缺乏粉砂和泥的ⅠA型沉积物主要分布于南极半岛北部的迪维尔岛和茹安维尔岛的岛架岛坡、以及环鲍维尔海盆东北西三侧海域，基本上属于一种无屏障开放性海洋环境，表层沉积物薄或缺失，分选性差，沉积物以砂砾为主，基本缺乏泥和粉砂，物源复杂，海流改造作用强烈，可能是南极底层水流和威德尔海水流流经处，或者是一个高密度寒冷水团。另外，南极半岛西部陆架和南奥克尼微地块的南部小部分海域有少量的分布。

含砂砾的ⅡA型混合副冰碛物主要分布于南极半岛东北部的威德尔海中北部陆坡至部分深海区域、南奥克尼微地块的大部分以及南斯科舍海的南部、在布兰斯菲尔德海峡的北部象岛陆架海域和西南岛坡区域、海峡内靠近南设得兰群岛的乔治王岛—纳尔逊岛—格林威治岛一线以南岛架岛坡带，另外，南极半岛东部陆架也有少量分布，沉积物以泥和粉砂为主，含少量砂砾，分选性较差。基本缺乏砂砾的ⅡB型混合副冰碛物分布较有规律，以水深＞2 000 m的深海区域为主。南极半岛西侧的陆坡及深海区域直至南斯科舍海的深海海域、布兰斯菲尔德海峡的中央海槽和南部下陆坡环境、鲍威尔海盆、珍海盆及威德尔海水深＞3 500m的大多深海海域都有集中分布，基本反映了半深海-深海的沉积特征。另外，威德尔海西部靠近南极半岛的陆架和南奥克尼微地块的中央台地有少量分布，沉积物以泥和粉砂为主，基本不含砂砾，分选性较差。

4 讨论

本文所选研究区的水深范围变化极大，地形变化比较复杂，流系较为丰富（图4）。沉积作用主要受到物源、气候、沉积动力过程、生物活动等一系列因素的制约［24-25］。根据沉积物粒度特征和冰海沉积物特性，结合物源、海底地形、水文动力条件及海流特征讨论研究区的沉积环境。

研究区沉积物中，南极半岛西部海域的绝大部分陆源碎屑来自无地表径流的南极半岛和南设得兰群岛，而东北部南奥克尼微地块海区的陆源碎屑主要来自于南奥克尼群岛。根据沉积物的粒度分选特征和累积曲线，并结合柱状沉积物的组织构造，判断西部的布兰斯菲尔德海峡、东部的威德尔海和南奥克尼微地块［11，26］均存在不同程度的浊流沉积物。这可能是由于冰川部分融化，筏运碎屑物质增加，重力流的产生使海流的营运能力增强，重力流夹杂碎屑物质顺坡而下，从而产生浊流沉积。由于南极半岛和南设得兰群岛存在不少与弧后扩张［27-29］有关的频繁的火山活动，例如，仅乔治王岛火山喷发中心就有12处，喷发中心见有大量的火山渣、火山砾和火山灰，而属于现代火山的欺骗岛依然还在活动［30］。火山喷发物质对南极半岛西北侧沿岸区和南设得兰群岛周围岛架海域的陆源碎屑物质的贡献是必不可忽视的，火山喷发物质主要是基性玄武岩和玄武质安山岩［31］，其中，南设得兰群岛周围海域以基性火山碎屑矿物为特征，南极半岛西北侧沿岸区和利文斯顿岛西北部海域以中酸性火成碎屑矿物为特征［32］。根据沉积物的碎屑成分和邻近基岩的岩性比较分析，认为研究区的陆源碎屑物质主要为近地沉积的产物，主要来自邻近大陆和岛屿，即南极半岛和南设得兰群岛。

深海沉积物的物源主要是生源物质，如硅藻、放射虫和有孔虫的遗骸，它们是构成本区表层沉积物的一个不可忽视的组成部分。不仅在深海，在水深＜1 000m的南极半岛西北陆架区，硅藻数量仍然较多，与粉砂一起构成陆架海域表层沉积物的细粒组分。

邻近极地海域，浮冰筏运对碎屑沉积物搬运起着重要作用［33］。研究区由西北东环南极半岛，属于地理上的南大洋极地海域，而且南极大陆缺少携带泥沙入海的地表径流，其搬运介质显然以冰川的冰筏搬运为主。南极海域冰筏是搬运大量碎屑物质的主要营力，通过冰筏所沉积下来的沉积物呈现分选较差、粗细混杂的主要特点。冰筏作用的沉积物具有随机性，本区表层沉积物不论其离岸远近和海底水深深浅，均有站位含有大小不等的砾石，粒级不集中（图5a），粗细混杂、分选程度多为差—中等、概率累积曲线呈四段式、三段式或两段式，砾石的磨圆度多数呈棱角状和次棱角状，只有少量的才是扁平状或半滚圆状，而且它们的含量变化幅度较大（图5），出现无规律性的分布。显然，这是冰筏作用的结果，说明了研究区冰筏作用对海底沉积的影响较大。

研究区地形复杂，海流较多，受到威德尔海冷水支流的影响，水动力条件相对较强。南极绕极流［34］从南极半岛西北部深水区域向东穿过德雷克海峡，向南斯科舍海继续分流而去（图4）。南极半岛东部的威德尔海底层水发源于威德尔海中部，向北分成两支，一支向西进入鲍威尔海盆，向西北绕鲍威尔海盆转向海盆东南部又进入威德尔海，另一支沿着珍海盆南部向东演变成威德尔海深层水［12］，又分成两支，其中一支向东绕过南奥克尼台地沿南斯科舍海脊向东南进入南极半岛西部的别林斯高晋海。进入鲍威尔海盆的一支威德尔海底层水在海盆的西北部沿又分出一支强烈的底层流沿南奥克尼微地块的西北边缘对海底沉积物进行冲刷，使海盆西北部直至南斯科舍海的粗组分较多（图5a、5b）。南极半岛西北侧的海域大致以威德尔海底层水为界（图4），东部陆架区处于威德尔海底流深层水强烈冲刷地带，使海底沉积物变粗，成为以砂砾为主的残副冰碛物沉积区，水深一般＜1 000 m，表层沉积物以砂组分为特征，砂组分含量较高（图5b），个别站位高达83%，砾石组分含量不一，有的站位最高达79%，也有的站位根本不含砾石，采集的砾石样品多呈棱角状和次棱角状，说明其未经海浪和海流的充分磨蚀和搬运；以威德尔海底层水为界的西部半深海-深海区海底沉积物组分以粉砂和泥为主，由于具有良好的自然地理条件，海流对海底的冲刷相对较弱，形成基本不含砂砾的混合副冰碛物，个别站位含有少量砾质组分，表层沉积物表面普遍盖有一层浮泥，浮泥之下的沉积物粗细混杂，表明近期沉积环境相对稳定，同时也说明冰川筏运对沉积作用有一定的贡献。在南极半岛的东部海域，向西进入鲍威尔海盆的另一支威德尔海底层水产生底流的强烈冲刷作用，沿底流产生明显的分界，底流的内部鲍威尔海盆受底流冲刷的程度很少，形成基本不含砂砾的混合副冰碛物；海盆外部地形起伏复杂的地带，受底流冲刷影响较大，且在该区域的几个站位只取到少量的砾石样品，沉积层薄或者缺失，形成反差较大的基本不含粉沙和泥的ⅠA型残副冰碛物。显然，该区受到强烈的底流冲刷作用而使细粒沉积物几近缺失。

从沉积物粒度分析结果可知多数样品分选程度中等到差，表明碎屑物质沉积时“泥沙俱下”，未经过充分淘选，显然海流侵蚀冲刷了南极半岛西部的陆架、上陆坡区、浅滩和台地，产生主要由冰筏粗碎屑和粗砂砾组成的残副冰碛物沉积作用。在陆架、岛架等浅水区，主要发生冰川的侵蚀作用和砂砾等粗碎屑的沉积作用，由于冰川的强烈侵蚀和冰筏的搬运作用，粗碎屑沉积物向海方向迁移至陆坡区，以陆架区侵蚀而来的沉积物沉积下来，形成残副冰碛物。在深水区沉积物中，冰筏产生的砂砾较少（图5a、5b）。水深＞2 000 m的深水区，鲍威尔海盆和威德尔海东部，主要分布泥质沉积物和粉砂质沉积物，细组分含量较高（图5c、5d），沉积物类型随地形变化较为明显。南奥克尼群岛、周边海域地形较为复杂，相对而言，沉积物类型多、也较为复杂，冰海沉积类型相对丰富，但是根据水深的不同，地块内部中心位置辐射向外为粉砂，再向外直至坡地海区为砂质沉积物（图5b、5c），沉积物随地形部位变化呈环带状分布的规律较为明显。

图5 南极半岛周边海域表层沉积物各粒级百分含量分布.（a）砾石；（b）砂；（c）粉砂；（d）黏土Fig.5.The percentage contentofeach composition of the surface sediments in the surrounding sea area of the Antarctic Peninsula.（a）Gravel；（b）Sand；（c）Silt；（d）Clay

5 结论

对表层沉积物进行粒度分析，根据其主要粒级的百分含量，将表层沉积物分为四大类：砾质、砂质、粉砂质以及泥质沉积物。根据不同的水深和地貌单元可分为陆架（或岛架）碎屑沉积物、陆坡（或岛坡）沉积物和深海沉积物［10］。

根据冰海沉积物划分依据，南极半岛周边海域的冰海沉积物呈现了几种副冰碛物特征，即以砂砾为主的Ⅰ型残副冰碛物和以粉沙和泥为主的Ⅱ型混合副冰碛物，前者又细分为基本缺乏粉砂和泥的ⅠA型残副冰碛物、含粉砂和泥的ⅠB型残副冰碛物，后者又分为含砂砾的ⅡA型与基本缺乏砂砾的ⅡB型混合副冰碛物，几种副冰碛物的分布呈现一定的规律性。

南极半岛周边海域冰海沉积物的搬运介质以冰川、冰筏为主，沉积了所负载的粗碎屑，其中的细粒物质入海后远离冰川漂移，在其搬运途中不断将封冻在其中的碎屑物质卸载。研究区内海流对沉积物的影响较为明显，砾石、砂以及黏土的含量在研究区内具有较好的规律性，沉积物类型随地形变化而呈有规律的分布。

致谢 本研究使用的中国第28次南极科学考察采集的样品由中国极地研究中心沉积物库提供。

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