东太平洋CC区西区表层沉积物黏土矿物和地球化学特征

付 锋，郑 洋，姚旭莹，倪建宇*

(1.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012; 2.国家海洋局 海底科学重点实验室，浙江 杭州 310012)

东太平洋CC区西区表层沉积物黏土矿物和地球化学特征

付 锋1,2，郑 洋1,2，姚旭莹1,2，倪建宇*1,2

(1.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012; 2.国家海洋局 海底科学重点实验室，浙江 杭州 310012)

本文以太平洋CC区西区12个表层沉积物样品作为研究对象，对其粒度、化学组分和矿物成分进行分析，讨论其沉积环境和物质来源。研究区地处深海，主要以深海黏土和硅钙质黏土为主，含有少量的硅质黏土、黏土质硅质软泥和黏土质钙质软泥。黏土矿物成分主要是蒙皂石和伊利石，含有部分的高岭石和绿泥石。黏土矿物组成表明，区内沉积物主要是陆源，由高空气流携带而来，南极底流和热液活动对其物源的来源有一定影响。沉积物地球化学特征也表明，物源以陆源为主，稀土元素分布曲线和北太平洋表层海水稀土曲线类似，且表现出强的Ce亏损，表明生物活动导致的生物沉降对表层沉积物也有一定的影响。

东太平洋；CC区；化学组分；黏土矿物；物源

0 引言

黏土矿物组成和地球化学性质是研究大洋表层沉积物特征的基本内容。大洋黏土矿物的特征、化学成分对其物质来源、沉积环境具有指示意义[1-3]，前人对太平洋表层沉积物研究发现，其黏土矿物主要来自陆源，部分来自于海底火山碎屑物质的风化[4-5]。深海沉积物含有较多的生物组分和海洋自生矿物，其稀土含量通常高于陆架边缘海沉积物，显示出Ce负异常。稀土元素在深海中通常受到物质组分的控制，铁锰颗粒、黏土矿物和磷质骨屑对稀土具有富集作用，而钙质生物和硅质生物对其具有稀释作用[5-6]，通过研究稀土元素可以揭示海洋黏土物质的来源。前人对东太平洋CC区的研究多集中在多金属结核矿床的调查和地质构造研究[7-8]，本论文将通过研究CC区西区表层沉积物来反映该地区的深海环境和沉积物源。

1 区域概况

CC区位于东太平洋海盆克拉里昂和克里帕顿断裂带之间，其西侧是莱恩西断裂带，东部为东太平洋洋隆。区内地形以东西走向为主，地形变化不大，南北走向相间排列，变化较复杂。海底海山区坡度一般在5°以上，部分大于10°；而在深海盆地，坡脚大多小于5°，小于5°的区域占总面积的80%以上，表明CC区地形较为平缓[7]。研究区受到了风、表层流和底层流等营力的影响(图1)。研究区远离大陆，陆源沉积物的量主要受到信风和高空气流的强弱影响，来自中、南亚的高空气流将沙漠物源携入；而来自北美的信风，气温相对湿温，携带的物源相对高空气流来说较少[9]。太平洋底流主要受到南极底层流控制。南极底层流形成后，经过萨摩亚水道向北流入中太平洋海盆后分成两支，其中一支穿过夏威夷南面莱恩岛链一个深水道注入东太平洋海盆，进入CC区，并继续东移。南极底层水流能对海底沉积物进行侵蚀改造，其周期性强弱变化造成沉积与间断的交替出现。此外,南极底层流富氧，在CC区形成氧化环境，利于铁锰氧化物的形成。CC区东西两区的构造结构不同，西区主要以火山地形为主，在海山周围，水路变窄，流速变大，冲刷作用加强；东区以断块构造为主，多为低洼的丘陵区，南极底流自西向东流动，水路较宽，运动到东区时，流速慢，易于沉积物沉淀[8]。

图1 北太平洋洋流和大气环流示意图(改编自文献[10])Fig.1 The ocean current and atmospheric circulation of the North Pacific (adapted from reference[10])

2 样品采集与分析方法

2.1 样品采集

本文所研究的12个样品主要分布于东太平洋CC区西区(4°～15°N，142°～155°W)域内，其采集站位见图2。样品由2013年广州海洋地质调查局“海洋六号”科考船的DY29航次以箱式取样器获取。12个样品平均水深为5 154 m，大多位于CCD面以下，个别站位位于CCD面以上。

2.2 粒度分析方法

粒度分析按照海洋调查规范[11]要求进行，取湿沉积物样品1 g左右置于烧杯中，加0.5 mol/L的六偏磷酸钠5 mL，经24 h分散后进行粒度分析。使用Mastersizer 2000型激光粒度分析仪分析，该实验在国家海洋局第二海洋研究所海底科学实验室进行。

2.3 化学元素测试分析方法

取部分沉积物样品，用玛瑙研磨磨至200目以下后，采用标准压片法，使用等离子光谱分析(ICP-AES)法，测定其化学组分。样品测试由浙江省地质矿产研究所完成。

2.4 黏土矿物测试分析方法

样品经真空冷冻干燥，取8～10 g干样至离心杯中，加去离子水洗盐，静置一晚，倒掉上层清液并加20 mL 20%的H2O2水除去有机质，再加入去离子水离心(3 500 r/min,15 min)清洗2次，将沉积物过63 μm筛，粒径小于63 μm的沉积物按照Stock原理确定沉降时间，吸取<2 μm的悬浮物至另一烧杯中，加入1 mol/L盐酸(去除碳酸盐并加速沉淀)，静止并倒出上层清液。将样品转移至离心杯中加入去离子水离心洗酸2次，得到黏土矿物样品。黏土矿物样品用涂片法制成自然风干的定向薄片(自然片)，所有自然片进行X射线衍射测试后，用同一定向片制成乙二醇饱和片(乙二醇片35 ℃,36 h)再进行X射线衍射测试，并对个别典型乙二醇饱和片加热至550 ℃,2 h制成加热片进行X射线衍射测试。该实验在国家海洋局第二海洋研究所海底科学实验室进行。

图2 研究站位分布图Fig.2 Distribution of research stations

3 结果与讨论

3.1 粒度特征

根据FOLK et al[12]提出的粒级分类法，将沉积物颗粒分为砂(>62.5 μm)、粉砂(3.9～62.5 μm)、黏土(<3.9 μm)，采用福克和沃德粒度参数公式计算粒度参数，即平均粒径(Mz)、分选系数(σi)、偏态(Ski)和峰态(Kg)。

从图3所示的研究区沉积物粒度变化可以看出，由北到南，砂含量逐渐增多，反映出由北到南，研究区内水动力条件逐渐增强，这与研究区地形相关。从图2可以看出，研究区南部主要是海山，北部为深海平原，南部水动力条件受到海山的影响，南极底流水遇到海山，流速增快，水动力增强。由北到南，沉积物平均粒径逐渐变大，颗粒逐渐变粗。研究区内沉积物偏态范围为-0.30～0.35，基本呈正偏，其中，ES1305和RA1302两个站位呈负偏，表明区内沉积物组分中细组分较多，区内水动力条件比较弱。研究区内沉积物峰态范围为0.83～1.37，除APEI1304点峰态窄外，其余的峰态大致处于平坦和正态分布之间，说明研究区内的颗粒粒径分布较宽，分选较差(表1)。

图3 由北至南采样点表层沉积物组成分布图Fig.3 Composition distribution of surface sediments from north to south

3.2 沉积物类型

本文沉积物分类与命名方法运用深海沉积物三角分类法[13-14]，以黏土、钙质生物和硅质生物作为三角图的3个端元，将深海沉积物分为深海黏土、钙质软泥、硅质软泥和黏土-硅质-钙质软泥4大类，又对4大类沉积物分类细分为16类。其中沉积物中的CaCO3、生物SiO2含量作为钙质生物和硅质生物含量的2个替代参数指标[14]。本文粒度分析采用的是激光粒度测试方法，而海洋沉积分类以沉降法为准，因此，需要将激光粒度分析结果进行校正[14-15]。根据张富元 等[15]提出的方法，对激光法得到的数据进行进一步处理：

表1 东太平洋CC区西区沉积物粒度参数Tab.1 Grain size parameters of sediments in the western region of CC Zone in the East Pacific Ocean

粉砂：Y=0.129X+30.714

(1)

黏土：Y=0.301 3X+38.468

(2)

式中：Y为激光法粒度含量，X为沉降法粒度含量,黏土粒级的粒径范围为<0.01 mm，粉砂粒级的粒径范围为0.01～0.063 mm。通过对深海沉积物3个端元的粒度和化学分析数据归一化处理，深海沉积物类型划分结果如图4所示：

I 深海黏土类：I1深海黏土、I2硅质黏土、I3钙质黏土、I4硅钙质黏土；II硅质软泥类：II1硅质软泥、II2钙质硅质软泥、II3黏土质硅质软泥、II4黏土质-钙质硅质软泥；III钙质软泥类：III1钙质软泥、III2黏土质钙质软泥、III3硅质钙质软泥、III4黏土质-硅质钙质软泥；IV黏土-硅质-钙质混合软泥类：IV1黏土-硅质-钙质混合软泥、IV2黏土质硅质-钙质混合软泥、IV3硅质钙质-黏土混合软泥、IV4钙质硅质-黏土混合软泥图4 太平洋表层沉积物分类[13]Fig.4 Classification of surface sediments in the Pacific Ocean[13]

由图4可知，研究区内的沉积物主要为深海黏土和硅钙质黏土，少部分为硅质黏土、黏土质硅质软泥和黏土质钙质软泥。其中， APEI1301、ES1305、PRZ1304、WS1302、PRZ1310和PRZ1301六个站位为深海黏土；PRZ1308、RA1302和APEI1303三个站位为硅钙质黏土；APEI306站为硅质黏土；APEI1304站为黏土质硅质软泥；APEI1305站为黏土质钙质软泥。研究表明深海黏土和软泥的分布主要受到构造活动、地形、水深、大气环流、洋流和生物生产力等作用影响[16]。点APEI1305位于CCD面以上，钙质生物壳体保持较好，因此形成钙质软泥；而其他点均位于CCD面以下，钙质壳体大量溶解，使得硅质壳体和黏土含量增多。深海黏土站位均处于深海平原，周围地势较为平坦；硅钙质黏土、黏土质硅质软泥和硅质黏土站位多位于海山山脚，可能受到地势变化的影响。

3.3 黏土矿物组成

黏土矿物在自然条件、乙二醇饱和条件及加热条件下得到3种衍射曲线，如图5所示，对黏土中的矿物进行识别解释[17]，并使用Jade 6软件在乙二醇图谱上对黏土矿物波峰参数进行半定量计算。在自然定向片图谱上，由2θ低角度向高角度依次出现了14.38Å、10.04Å、7.11Å、5.00Å、4.7Å、3.58Å、3.54Å、3.35Å和2.8Å明显的的衍射峰。黏土矿物主要由蒙皂石、高岭石、伊利石和绿泥石等组成，非黏土矿物由石英、长石和云母等组成。

利用各黏土矿物(001)晶面衍射峰的面积比来计算黏土矿物的相对含量，根据BISCAYE[18]修正后的计算方法，17Å、10Å和7Å附近的3个特征峰分别代表了蒙皂石、伊利石和绿泥石+高岭石的衍射强度，用这3个峰面积分别乘以相应权重因子1、4和2来计算对应的含量，再利用绿泥石3.54Å和高岭石3.58Å的衍射峰面积比值来计算出两者的相对含量，然后4种矿物总量归为100%[19]，计算结果见表2。

图5 PRZ1310站位黏土组分的XRD图谱(单位：Å)Fig.5 XRD patterns of clay composition in PRZ1310 station (unit: Å)

表2 研究区主要黏土矿物组成Tab.2 Composition of the main clay minerals in the study area

注：空白表示无数据，*表示数据来自文献[10]

3.4 表层沉积物地球化学特征

研究区表层沉积物常量元素分析如表3所示，整体上看，除黏土质钙质软泥以CaO为主外，深海黏土、硅钙质黏土、硅质黏土和黏土质硅质软泥均以SiO2和Al2O3为主，占约60%，说明洋底沉积物主要是铝硅酸盐物质和硅质生物。其中，SiO2含量均高于大洋沉积物平均值，但略低于太平洋远洋黏土平均值。剩余SiO2能够反映出表层水体硅质生物初级生产力，研究区剩余SiO2变化较大。铝主要存在于铝硅酸盐中，且深海沉积物中的铝硅酸盐碎屑以陆源为主，因此，我们将其他氧化物值与Al2O3值进行标准化处理，用于判断沉积物的元素组成和物源特征[20]。分析结果在下文3.5.2中介绍。

表3 各站位表层沉积物常量元素含量表Tab.3 The contents of major elements in surface sediments of different stations

注：“-”表示未检出，空白表示无数据；*表示数据来自文献[10]，**表示数据来自文献[21]

表层沉积物稀土元素组成如表4所示，研究区沉积物中重稀土HREE含量均低于轻稀土LREE含量，LREE/HREE比值为2.46～4.66，其中APEI1305站位的稀土含量最低，RA1302站位稀土含量最高。沉积物的∑Ce/∑Y值介于北太平洋表层水和北美页岩[6]之间;δCe值均小于0.8，为负异常，低于黄海陆架沉积(0.85)和中国黄土(0.96)；深海黏土和硅钙质黏土中的δEu值在1附近，未表现出明显的异常现象，但硅质黏土、黏土质钙质软泥和黏土质硅质软泥δEu值均大于4，显示出明显的正异常；分异系数(La/Yb)N和(Ce/La)N分别为0.05～0.57和0.13～0.96。与黄海沉积物和中国黄土相比，研究区的LREE/HREE、∑Ce/∑Y值和δCe值均较低，反映出本研究区沉积物的沉积环境和物质来源与他们有较大的差异。除黏土质硅质软泥外，其他沉积物的LREE/HREE均高于北太平洋表层水，说明研究区比北太平洋表层水更加富集轻稀土。

3.5 物源指示

3.5.1 黏土矿物组成对物源的指示

伊利石通常是由母质中的硅酸盐矿物在气温较低、淋滤作用不强的弱碱性环境中风化而来。伊利石在海洋沉积中非常常见，它可以在不同的气候条件和不同的碱性环境中形成[23]。目前普遍认为海洋中的伊利石来自陆地，主要通过河流和风运输[3]。利用黏土矿物乙二醇曲线计算伊利石化学指数(CI)，用5Å/10Å的峰面积比来计算，CI如大于0.5，则为富Al伊利石，表示受到强烈的水解作用；如小于0.5则为未风化的富Fe-Mg伊利石，代表了物理风化的结果[24-25]。研究区样品的CI范围为0.22～0.33(表2)，均小于0.5，表示研究区伊利石为富Fe-Mg伊利石，是物理风化的结果。区内沉积物以伊利石为主，与陆源黏土伊利石含量相近，由于研究区远离大陆，通过河流运输基本不可能，所以认为区内的伊利石基本都是由风从大陆带入。

蒙皂石在大洋中的成因较为复杂，主要是与火山活动、火山物质热液蚀变、风化作用和海解作用等相关[26]。火山灰在碱性介质条件下容易形成蒙皂石，海底火山物质的蚀变为蒙皂石的重要来源，部分蒙皂石是陆地老火山岩风化作用的结果，蒙皂石在海底较为稳定，当沉积物中火山物质增加时，蒙皂石含量也会相应增加[27-30]。研究表明，本研究区自早中新世以来存在热液活动，现在有所减弱，但是自生成因的蒙皂石在本区有一定的残留[31]。本文采用蒙皂石和伊利石含量的比值M/I作为衡量黏土矿物自生程度的指标，以反映火山蚀变成因自生黏土矿物和陆源黏土矿物的相对比例：M/I比值越小，陆源黏土含量越高，自生程度越低[27]。区内M/I比值的变化范围为0.50～1.02，绝大多数在0.50～0.60左右，与东太平洋的M/I比值相近，表明区内物源主要是陆源。蒙皂石从北至南，含量逐渐增加。研究区西部以火山为主，火山物质较多，因此，蒙皂石部分可能来自于西部火山物质蚀变。区内蒙皂石可以认为是陆源黏土和火山物质蚀变共同组成的，但以陆源黏土为主。

高岭石在热带及亚热带低纬度地区可由长石淋滤风化而成，是强烈的化学风化产物，而这种地区会因为碱金属和碱土金属的流失而呈弱酸性环境[23]。在海洋这种碱性、弱碱性的环境，并不能满足高岭石的自生条件，因此大洋高岭石都是陆源[32]。绿泥石往往是在高、中纬地区干冷的气候环境下，由陆地低级变质岩、火成岩和古老沉积岩低温机械侵蚀形成[33]，深海沉积物中大多数绿泥石是陆源碎屑成因[32]，部分由海底火山物质蚀变而成，但稳定性差，在搬运过程中会发生转变，因此不作为物源指示标志[10]。在太平洋高纬度地区，绿泥石含量较高，部分可达30%，流经该区的加利福尼亚寒流向南运动，可能将高纬度地区的绿泥石搬运至此[34]。

3.5.2 元素地球化学特征对物源的指示

研究表明，区内的SiO2/Al2O3均高于太平洋深海黏土标准值，且南部SiO2/Al2O3值比北部高，表明沉积物中硅质沉积增多，受到生物源的影响[21]，南部生物活性更高。除黏土质钙质软泥和黏土质硅质软泥外，区内沉积物的Al2O3值变化不大，但都低于太平洋远洋黏土的均值，与大洋沉积物均值相近。Na2O、MnO和P2O5值多高于太平洋远洋黏土均值，而K2O和MgO值略低于太平洋远洋黏土均值，说明是生物吸收海水中的Na，遗骸沉淀至海底，形成这种化学成分组成。Fe2O3/Al2O3和TiO2/Al2O3与太平洋深海黏土和拉班玄武岩的比值相当，表明CC区受到火山热液活动和深海黏土的影响较大。根据表层沉积物化学组成分析，可以看出，研究区物质来源于大洋底流和生物源，生物作用导致沉积物化学组成差异，也受到了火山热液活动的影响。

研究区沉积物的稀土元素经过北美页岩标准化后的分布模式如图6所示，沉积物有明显的Ce异常，这点与北太平洋表层水相似。点APEI1301与洋壳稀土曲线较为一致，可能与位置有关，该点距克拉里昂断裂带较近，受断裂带深部物质来源影响所致；点APEI1304和APEI1305与其他站位点的稀土分布具有明显的差异性，与北太平洋表层水较为相似，但Ce负异常更加明显，表明其稀土来源相似，而研究区表层沉积物中的海洋生物是沉积物稀土Ce亏损的主要原因[2]。研究区域沉积物稀土与其他区域稀土分布模式相比较发现，其与陆源物质稀土特征相差较为明显，与北太平洋表层海水形态较为相似，存在明显的Ce异常，为典型的受海水来源影响的稀土分配模式。

图6 表层沉积物稀土元素北美页岩标准化配分模式Fig.6 North American Shale-normalized REE distribution patterns of surface sediments海水放大106倍处理The rare earth element in the sea water was magnified 106

4 结论

通过对沉积物粒度分析发现，研究区由北到南，粒度逐渐变粗，可能与研究区域地形相关，南部多海山，南极底流遇到海山，流速加快，导致分选性发生变化。

按照深海沉积物三角分类法将研究区内的沉积物分为深海黏土、硅钙质黏土、硅质黏土、黏土质硅质软泥和黏土质钙质软泥；其中以深海黏土和硅钙质黏土为主。深海黏土多位于深海平原，附近地势较为平坦；硅钙质黏土、硅质黏土、黏土质硅质软泥多位于海山附近，南极底流受到海山等构造的影响，使沉积物发生了变化；黏土质钙质软泥位于CCD面以上，生物遗体的钙质壳体得到了保留。

区内黏土矿物以蒙皂石和伊利石为主，还存在高岭石和绿泥石，M/I值与东太平洋的M/I值基本相同，主要是受陆源影响，另外还受到西部火山物质的影响，其随着南极底流搬运至此；伊利石为富Fe-Mg伊利石，是物理风化的结果，主要是亚洲黄土通过高空气流搬运至此；高岭石是陆源指示矿物，其在大洋环境中不能自生；绿泥石则可能是往南流动的加利福尼亚寒流搬运至此，并在过程中发生变化。

沉积物的化学成分以SiO2和Al2O3为主，SiO2/Al2O3值高于太平洋远洋黏土，南部SiO2/Al2O3值比北部高，说明物质来源以陆源为主，且受到生物活动的影响，南部生物活性更强。从Fe2O3/Al2O3和TiO2/Al2O3可以看出，CC区受到火山热液活动和深海黏土的影响较大但程度相同，导致沉积物化学组成差异。

区内稀土元素比洋壳和表层海水富集能力强，LREE/HREE为2.46～4.66，高于北太平洋表层水，表明该区轻稀土较重稀土更为富集，∑Ce/∑Y值介于北太平洋表层水和北美页岩之间。区内稀土表现出强Ce负异常，受到海洋生物沉降的影响。稀土分布模式在轻稀土部分与北太平洋表层水较为相似，表明其稀土元素的来源主要是受到了表层海水的影响。

总的来说，研究区物质来源以陆源为主，主要来自亚洲的高空气流携带的黄土，南极底流由南至北，将西部的火山物质和高纬度海区的深海黏土携带到研究区，在运输过程中火山物质发生了一些变化，研究区南部物源生物影响比北部更大。

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Clay mineral and geochemical analysis of surface sediments in the western region of CC Zone in the East Pacific Ocean

FU Feng1,2，ZHENG Yang1,2，YAO Xu-ying1,2，NI Jian-yu*1,2

(1.SecondInstituteofOceanography，SOA，Hangzhou310012，China；2.KeyLaboratoryofSubmarineGeosciences，SOA,Hangzhou310012，China)

12 surface sediment samples from the western region of CC Zone of the East Pacific Ocean were taken as the research material, and the particle size, chemical composition and mineral composition were analyzed to discuss its sedimentary environment and material source. The study area is located in the deep ocean, and the sediment is mainly composed of the abyssal clay and silicon calcareous clay. It contains a small amount of siliceous clay, clayey siliceous ooze and clayey calcareous ooze. Clay mineral composition is mainly smectite and illite, containing part of the kaolinite and chlorite. Clay minerals indicate that the sediments in the area are mainly terrigenous，which are carried by high airflow. The Antarctic Bottom Water and hydrothermal activity have a certain influence on the source of the provenance. The geochemical characteristics of sediments also indicate that the sediments are mainly derived from terrestrial sources. The distribution curve of the REE is similar to that in the surface water of the North Pacific Ocean, and it shows strong Ce losses, indicating that the bio-deposition caused by biological activities also has a certain impact on the surface sediments.

The East Pacific Ocean; The CC Zone; chemical composition; clay minerals; source

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.007.

2016-09-22

2016-12-30

大洋矿产资源勘探开发专项基金项目资助(DY125-14-E-01)

付锋(1991-)，男，江西南昌市人，主要从事海洋地球化学等方面的研究。E-mail:fufengg@163.com

*通讯作者：倪建宇(1969-)，男，研究员，主要从事海洋地球化学和海洋环境化学方面的研究。E-mail:jianyuni@sio.org.cn

P736.3

A

1001-909X(2017)01-0055-11

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.007

付锋，郑洋，姚旭莹，等.东太平洋CC区西区表层沉积物黏土矿物和地球化学特征[J].海洋学研究,2017,35(1):55-65,

FU Feng，ZHENG Yang，YAO Xu-ying，et al. Clay mineral and geochemical analysis of surface sediments in the western region of CC Zone in the East Pacific Ocean[J].Journal of Marine Sciences,2017,35(1):55-65, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.007.