南极普里兹湾表层沉积物的元素组合特征及物源分析

蓝木盛 于培松 韩正兵 扈传昱 潘建明 张海生

（国家海洋局第二海洋研究所，国家海洋局海洋生态系统与生物地球化学重点实验室，浙江杭州310012）

0 引言

海洋沉积物记录了自身演变及其与周围大陆、海洋之间的物质和能量交换过程等多种信息［1-4］，关于海洋沉积物成因及物质来源的研究，是近代海洋沉积作用研究的核心问题之一［5-8］。海洋沉积物中元素的类型、丰度及赋存状态在沉积物中的变化，是元素本身性质与外部条件的综合反映，因此通过元素地球化学的方法，如研究沉积物中元素的组成、相对含量与分布、组合以及元素间的比值关系等，能很好地释读保存在沉积物中的环境和物源信息［9］。

普里兹湾深受南极大陆的影响，同时被季节性海冰覆盖，自身沉积环境较为稳定，受人为因素干扰少，其海底沉积物元素地球化学的研究具有重要的意义［10-12］。普里兹湾形成开阔水域的时间短暂，但在融冰季节仍有较高生产力，从而拥有较快的沉积物沉积速率［13］。普里兹湾的生物种群比较简单，浮游植物以硅藻为主，它们既是沉积物中有机碳和总氮的主要贡献者也是整个普里兹湾的沉积主体［14-16］。此外，普里兹湾背靠南极大陆并受其深刻影响，尤其是兰伯特冰川向该海域输入大量冰阀碎屑的活动，向普里兹湾输入了陆源物质从而改变了其沉积物的组成和分布结构。

本文利用历次南极科考在该海域获取的20个表层沉积物样品，通过测定其粒度和常、微量元素含量，并采用多元统计的分析方法，研究了普里兹湾表层沉积物中多种元素的空间分布和组合规律，证实了在普里兹湾海域利用特征元素组合来指示物质来源的有效性，探讨了普里兹湾沉积物来源的主要控制因素和规律。

1 采样与分析

1.1 样品采集

本文中的沉积物样品来源于历次中国南极科学考察，一共选取了第18—27次考察航次的20个表层样，具体站位位置和水深数据如图1。样品站位覆盖了普里兹湾陆架区、湾内和陆坡区等，水深从100—3 000 m不等，经纬度在 70°E—78°E，66.5°S—69.5°S的范围内。样品中的Ⅳ-10、Ⅱ-9、Ⅲ-13、ⅠS-2、ⅠS-4、ⅠS-11为柱状样，由PVC多管采样器采集，切割其中的0—1 cm层，得到本文所需的表层样。其余14个表层样均为箱式表层样，使用箱式采样器采集沉积物至甲板后取其0—1 cm层无扰动沉积物为本文所需表层样。样品全部经冷冻保存带回实验室。

图1 沉积物样品采集站位Fig.1.Sampling stations

1.2 样品描述

对普里兹湾沉积物样品进行观察后发现其颜色和组成等具有区域性差异，湾内中心和东南区域的表层沉积物颜色呈黄绿色、褐色，个别样品含有生物碎屑；西侧弗拉姆浅滩和艾默里冰架前缘陆架区的呈浅黄色、灰色，个别样品含砾石，砾石磨圆度较差，沉积物的分选也较差。

1.3 分析方法

1.3.1 样品预处理

用德国Christ Delta 1-24 LSC型冻干机将冷冻带回的沉积物样品进行冷冻干燥。冷冻后的干样分成两部分，一部分用球磨机研磨成粉末（研磨后粉末能通过200 mesh孔筛），用于元素测定；剩下部分用于粒度测定。处理过的样品均密封干燥保存。

1.3.2 粒度测定

样品的粒度组成采用德国Sympatec公司生产的HELOS型湿法测量激光粒度分析仪进行测定，粒度测量范围为0.1—3 500μm，测量误差＜3%。取沉积物干样1—2 g溶于100 mL水中，加入数滴0.5 mol/L的六偏磷酸钠作为分散质，静置 24 h，再将试样摇匀后置于超声波振荡器中，振荡120 s，形成高分散的颗粒悬浮液后上机测试。获得数据表、各粒级百分含量、频率曲线和累积频率曲线等数据文件。

1.3.3 元素测定

本文对沉积物样品进行了有机碳（OC）、总氮（TN）、S、K、Ca、Ti、Mn、Fe、Rb、Sr、Zr、Al、Ba等 13种元素含量的测定。

有机碳（OC）、总氮（TN）含量分析：称取约0.3 g研磨后的样品加入10%稀盐酸，去除碳酸盐，待反应结束后进行多次离心、去离子水清洗至pH＝7左右，烘干样品。称取10—15 mg上述干样，使用Elementar Vario MICRO cube元素分析仪上机测试。分析误差＜1%。在分析过程中，使用国标GB7314进行检验。分析仪可同时获得样品中TN的含量。

S、K、Ca、Ti、Mn等元素含量的测定，采用硼酸包裹-粉末压片法制样，由X荧光光谱仪测定。上机测定过程中，采用线性校准曲线模式，选用GBW07301-GBW07305、GBW07307-GBW12（水系沉积物国家标准物质）作为校准样建立校准曲线，选用GBW07314标样作为质控样对校准曲线进行检验。所有样品在同一测量条件下重复测量12次，将测定值进行排序后去除两个最值，再进行Q检验（Q取0.9），将保留值的平均值代入校准曲线，计算所得值为沉积物中的元素含量。测定结果显示除了元素S和 Zr的平均 RSD＞5%（分别为5.05%和5.23%）外，其余元素测定值的平均 RSD值均 ＜5%，满足分析需要。

1.4 数据分析

为研究元素的统计学特征，本文利用统计学软件SPSS17.0对元素测试结果进行了相关性分析和聚类分析。其中，聚类分析采用Ward法，并以Pearson相关性作为区间度量标准。

2 结果

2.1 表层沉积物中元素的含量与分布

元素测定结果表明，普里兹湾表层沉积物的元素含量变化较为复杂。如表1所示，13种测定元素的标准偏差（STD）和变异系数（CV）都较大，其中Rb元素变异系数最小为0.2，其余元素变异系数均≥0.3，Ca元素变异系数超过1.0。变异系数越小，表明沉积物中的元素分布越均匀。从表中可以看出，普里兹湾表层沉积物中所测元素的分布不均匀，梯度或分散性强。

表1 表层沉积物元素含量表（n＝20）Table 1.Value of element content in surface sediment（n＝20）

在水平分布上，表层沉积物中的各种元素呈现不同的空间分布特征，如图2所示，基本呈现出2种分布模式。第一种分布模式以OC、TN和S为代表，它们的含量分布以湾内中心-东南区域为中心向周围递减，呈现湾内中心和东南区域高、西侧弗拉姆浅滩和冰架前缘陆架区域低的分布特征；第二种分布模式以K、Ti、Rb、Sr和 Ca等元素为代表，它们的含量分布则由西侧弗拉姆浅滩-冰架前缘陆架区向湾内中心-东南区域递减，分布特征与第一种模式相反。

2.2 元素的统计学特征

相关系数是用于反映两个变量之间的相关程度及其相关方向的指标，根据统计学软件SPSS17.0对普里兹湾沉积物中所测元素的含量计算出的相关系数，如表2，呈现出三种相关关系，分别为显著正相关、显著负相关以及不明显相关关系。具体表现为：（1）OC、TN和S元素，相互间呈显著的正相关关系，OC与 TN、S之间的相关系数分别为 0.989和0.805，TN和 S之间的相关系数达0.833，它们均为生源元素；（2）K、Ti、Mn、Fe和 Rb等元素，相互间呈显著正相关关系，它们都是亲岩源的高场强元素或者大离子亲石元素；（3）Ca和Sr元素，相关系数为0.934，呈显著正相关关系，它们与钙质生物的自生沉积作用有关，且容易发生同沉积作用。（1）、（2）之间呈显著负相关关系，（3）、（1）以及（3）、（2）之间分别呈负相关和正相关，但相关关系不显著。

图2 沉积物中常微量元素分布图Fig.2.Diagram of characteristic elements distribution

聚类分析的结果从图3显示，元素被分为两大类群：第一大类包括OC、TN和S等；第二大类包括K、Ti、Mn、Fe、Rb等元素，第二大类元素又被分成两小类。同类群元素之间基本为显著正相关关系，第一大类与第二大类之间为负相关关系或不明显相关关系，说明聚类分析的结果与元素的相关性（如表2）相一致。

3.文化体制改革目标。在文化体制改革方面，提出：“加快完善文化管理体制和文化生产经营机制，基本建立现代文化市场体系，健全国有文化资产管理体制，形成有利于创新创造的文化发展环境。”［1］

表2 元素间的相关系数Table 2.Correlation between elements

图3 元素聚类分析图Fig.3.Hierarchical cluster analysis

3 讨论

3.1 元素组合对物源的指示意义

根据普里兹湾沉积物中元素含量的测定结果以及统计学特征分析，生源元素OC、TN和S等元素的含量分布特征一致，属于第一种分布模式，元素之间呈显著正相关关系并且属于同一类群，说明它们相关性强，在沉积过程中富集程度相似。OC和TN由有机质分解而来，而有机质的分解过程又与硫酸盐的还原作用和黄铁矿的生成作用密切相关［17］，即有机质分解与S的富集密切相关，因此OC、TN和S的元素组合代表了生源沉积。

K、Ti和Rb等元素的含量分布一致，属于第二种分布模式，元素间呈显著正相关关系，它们都是具有抗风化和交代作用的高场强元素或者大离子亲石元素［18］。其中，Ti元素在表生作用中比较稳定，属于惰性元素，风化后难以形成可溶性化合物，是陆源碎屑组分的指标，因此这些元素与Ti元素共同指示了沉积物中的陆源输入。

此外，第二种分布模式的元素被分为两小类群，第二小类中元素Ca和Sr之间成正相关关系，但是与其他元素的相关关系复杂。这是因为Ca和Sr等元素的沉积除了受陆源输入影响外还与钙质生物的自生沉积作用有关，且容易发生同沉积作用。因此表明它们的沉积作用受到生源与陆源输入的双重影响，并且以陆源输入的影响为主。两种分布模式的特征相反，说明沉积在该海域的生源与陆源物质在不同区域各自产生主导作用，而彼此间产生了“稀释剂”的作用。

3.2 元素含量分布的影响因素

3.2.1 元素含量分布与生物生产

普里兹湾在夏季融冰期有大量浮游植物生长，生产力迅速升高，由此产生的颗粒物不断向下输送并形成较高沉积速率［14］，因此该海域的生物生产是元素含量分布的重要影响因素之一。

如图2所示，代表着生源沉积的OC、TN和S元素的含量分布均呈现出湾内中心和东南区域高，向周围弗拉姆浅滩-冰架前缘陆架区和陆坡区降低的特点。根据宁修仁等［19-22］的研究，虽然实测所得的叶绿素a浓度、初级生产力和新生产力等生物生产指标随着普里兹湾及其邻近海域的冰情、气象以及水文条件等存在着年际差异，但是总体分布具有很好的一致性，高值均出现在普里兹湾中心以及东南区域，并向周围弗拉姆浅滩-冰架前缘陆架区和陆坡区递减，生物生产指标的分布特征与生源元素分布一致。再利用反映海洋生产力变化的Ba/Al比值这一指标［23-24］对研究区的生产力进行反演比对（图4），结果也与生源元素和实测所得生物生产指标的分布差异相吻合。这表明普里兹湾沉积物中的有机质沉积与上层水体生物生产为正相关关系。

根据图4所示的元素比值分布结果，研究区的OC/TN比值在5—7之间，而OC/TN比值被认为是一个有效判断海洋沉积物中有机质来源的指示标志［25-26］，沉积物中的陆源有机质 OC/TN比值 ＞10，海源有机物的比值一般＜10。这进一步说明普里兹湾沉积物中的有机质均为海源，即普里兹湾沉积物中的有机沉降颗粒物均直接源于普里兹湾上层水体的生物生产。

图4 元素比值分布图Fig.4.Element ratio distribution

3.2.2 元素含量分布与海冰

普里兹湾生物生产对周围陆架区与陆坡区的沉积控制作用减弱，一方面源于周围陆架区与陆坡区的生产力水平相对较低［19-22］，另一方面与陆源物质的输入引起的“稀释作用”有关系。

如图2所示，代表陆源输入的K、Ti和Rb等元素的含量分布均呈现出西侧弗拉姆浅滩-冰架前缘陆架区高，向湾内中心及东南区域降低的特点。沉积物的表观特征也表明西侧弗拉姆浅滩-冰架前缘陆架区沉积物的陆源组分比例高于湾内中心和东南区域。此外，针对Ca元素的沉积作用受到生源与陆源的双重输入这一特点，本文用Ca/Ti比值将常量元素Ca标准化以减小沉积物中海洋自生组分对元素的稀释作用从而更加准确指示陆源碎屑来源的分布，比值结果如图4，其分布特征与K、Ti和Rb等元素一致。普里兹湾是一个半封闭型海湾，季节性冰封的同时现今并无河流输入，沉积物中陆源组分来源的最大可能是其背靠的冰川及沿岸冰的输入。兰伯特冰川是世界上最大的冰川，东南极几十万平方公里面积上的冰体可经由兰伯特冰川向普里兹湾海域倾泻，艾默里冰架就是冰川向该海域流动形成的陆架冰。ODP（大洋钻探计划）于1988年在普里兹湾钻探获取的岩芯主要包括松散的冰碛物和已胶结的冰碛岩，两者分选均很差，粒径范围自粘土到砾石，几乎都是冰川搬运物，岩性分析表明物源区主要是普里兹湾沿岸及查尔斯王子山区［27］。这表明普里兹湾沿岸及查尔斯王子山区能够为普里兹湾提供充足的陆源物质，而冰川活动则为陆源物质输入提供良好的搬运条件。

根据图5所示的普里兹湾表层沉积物粒度分布，湾内中心及东南区域的沉积物粒度均＜64μm，含砂率＜20%，为泥质沉积；西侧弗拉姆浅滩陆架区的沉积物粒度均＞64μm，含砂率＞40%，近岸区可高达80%，石英颗粒等岩源组分占主要比例，主要为粉砂-砂质沉积。沉积物粒度分布的特征与前文中K、Ti和Rb等元素的分布以及标准化后的Ca/Ti比值特征基本一致。根据卞林根等［28］和郑少军［29］的研究与卫星影像资料显示，夏季弗拉姆浅滩附近陆架区的海冰堆积程度在普里兹湾研究区最高（图6），海冰密集度与砂质沉积比例分布一致。董兆乾等［30-32］曾对普里兹湾夏季流场进行分析，认为在东风影响下，普里兹湾沿岸附近基本是西向漂流，这种漂流也有利于海冰在陆架区的堆积，从而利于海冰携带的陆源物质在该区域的积累。粒度分布特征佐证了陆架区的陆源物质输入，也指示了陆源物质由近岸陆架区向湾中心和中心东南区域输运的方向。

图5 沉积物中值粒径分布图Fig.5.Distribution of sediment particle size

图6 2003年到2008年1月份多年平均海冰密集度（改编自郑少军［29］）Fig.6.Average sea ice concentration in January from 2003 to 2008

综合以上研究成果判断：携带近岸或者内陆砾石等陆源碎屑的沿岸冰或冰川进入普里兹湾后，由陆架区向远岸的湾内中心及东南区域漂移，但在自身动力减弱、同时受到西向漂流的作用下，大部分的冰筏碎屑在弗拉姆浅滩附近堆积，并在夏季融冰期发生沉降。因此，普里兹湾的沉积物源受到冰筏碎屑的影响，这种影响由近岸的弗拉姆浅滩-冰架前缘陆架区向湾内中心及东南区域减弱。

4 结论

（1）普里兹湾表层沉积物中所测元素含量的变异系数均比较大，呈现两种分布模式。OC、TN和S等元素的含量分布总体上呈现湾内中心及东南区域高、周围弗拉姆浅滩-冰架前缘陆架区和陆坡区低的特点；K、Ti和Rb等的高值区则均出现在近岸陆架区，分布特征与OC、TN和S等元素相反。

（2）元素的统计学特征与比值特征有效指示了普里兹湾沉积物的物质来源。OC、TN和S元素的组合指示了沉积物中的生物来源，K、Ti和Rb等元素的组合指示了陆源碎屑沉积，Sr、Ba和Ca既是亲生源元素，也接受陆源碎屑的输入；所测元素中的特殊组合，如 C/N比值、Ba/Al比值和 Ca/Ti比值分别对普里兹湾的有机质来源、生物生产和岩源物质来源的指示意义明显。

（3）普里兹湾的沉积作用主要受到生物生产和海冰的控制。湾内中心及东南区域的沉积主要为生源泥质沉积，沉积作用主要受生物生产控制；近岸弗拉姆浅滩-冰架前缘陆架区为粉砂-砂质沉积，沉积物中除了有生源物质外还有大量冰筏碎屑的输入。

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