基于重矿物地球化学手段的南海东北部陆架沉积物物源研究

2020-08-06马一开黎刚颜文

海洋学报 2020年7期

马一开，黎刚，颜文

( 1. 中国科学院南海海洋研究所中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室/南海生态环境工程创新研究院，广东广州510301；2. 南方海洋科学与工程广东省实验室（广州），广东广州 511458；3. 中国科学院大学，北京 100049)

1 引言

末次冰期以来，南海北部的海陆分布格局发生了重大变化。研究南海东北部陆架的砂质沉积物来源，对揭示区内海陆变迁、古海洋水文状况和河流系统演化具有重要意义。有关南海北部陆架沉积物的物源研究，许多学者利用黏土矿物、元素地球化学、Sr/Nd同位素、碎屑矿物组合等方法开展了大量工作[1-7]，为陆架现代沉积动力分析、海洋古环境重建、陆架矿产资源圈定等提供了重要支撑。但是，地处热带、亚热带强风化环境下的风化过程对沉积物的元素组成、黏土矿物和碎屑矿物组合都有显著影响。此外，沉积物输运过程中的水动力分选，在很大程度上对其矿物组合与元素组成也有明显影响。在一些沉积物经过长距离搬运以及反复分选的情况下，全岩的矿物组合、元素地球化学等方法在大多数情况下很难有效识别沉积物的源区[8-10]。单矿物化学已被证明是一种有效的物源识别手段，它可以将水动力分选和风化作用的影响降到最小。诸多存在大量化学成分分异的碎屑矿物已被成功应用于砂质沉积物的物源研究中，如角闪石、石榴子石、电气石、铬尖晶石、辉石和金红石等[11]。近年来，也有学者运用重矿物化学手段对

南海陆架及周边地区沉积物开展了相关的物源研究[8-12]。Li等[12]通过对南海西北部陆架表层沉积物角闪石和电气石的单矿物化学研究，有效识别出了陆架上砂质沉积物的主要物源区。本文拟在前期对南海西北陆架现代沉积物研究的基础上，采用电气石和石榴子石的矿物化学方法，并结合重矿物组合对南海东北陆架现代沉积物物源进行进一步解析，识别出不同源区沉积物的空间分布范围，为恢复末次冰期南海北部古地理环境以及陆架砂矿资源勘查提供基础。

2 地质背景

2.1 陆地基岩地质概况

研究区为珠江口至台湾海峡之间的南海东北部大陆架（图1）。区内第一大河流是珠江，年输沙量高达7 500万t[13]；其次是紧邻闽粤省界发育的韩江，其年输沙量仅100万t，为少沙河流；区内其他河流如榕江、螺河、龙江等年输沙量均不足10万t[14]。

区域构造上，粤东-闽南地区处于东南沿海侵入岩-火山岩带和南岭花岗岩带两个构造-岩浆岩带的交汇部位[15]。受后期岩浆侵入和构造运动的影响，侏罗系地层普遍发生变质作用，沿接触带的泥质岩发生角岩化。区内中部发育的莲花山深大断裂带引起的动力热变质作用在带内及周边区域形成了板岩、片岩、千枚岩等一系列变质岩[16]；而长乐-南澳断裂带沿福建沿海分布，燕山期变质岩呈狭长带状分布于断裂带的两侧，东侧变质带出露大量低压高变质级的角闪岩相变质岩[17]（图 1）。

珠江流域西江支流下游的基岩多以元古界-古生界沉积岩与燕山期花岗岩为主；而在东江和北江流域，中侏罗统-白垩系花岗岩为主要的基岩类型，且东江流域内分布着一系列绿片岩相的浅变质岩；韩江流域主要为燕山期花岗岩和古生界沉积岩，且古生代地层普遍发生变质；榕江流域主要发育中生界花岗岩，上游紧邻莲花山断裂东南侧，可见千枚岩、石榴子石片岩、糜棱岩等一系列中-新生代变质岩；龙江上游毗邻莲花山深大断裂东南侧揭西地区，区内高基坪组中发育有矽卡岩[16]。另外，在广东东北部以及福建长乐-南澳断裂带也有矽卡岩分布[17]。

图 1 南海东北部陆架地质背景Fig. 1 Bedrock geology and surficial sediments on the northeastern shelf of the South China Sea

2.2 陆架地貌和水文背景

南海北部大陆架宽而平缓，平均坡度为1.5′，平均宽度为200～220 km，陆架坡折带水深在150～200 m。南澳岛与澎湖列岛连线以南的陆架主要为不规则半日潮，最大流速可达3.0 kn以上[18]。研究区的表层流主要为由季风引发的沿岸流[19]（图1）。冬季以西向流为主，夏季以东向流为主。南海暖流常年向东流，位于外大陆架和陆坡上部[20]。台湾海峡夏季流总体呈东北向流趋势，但同时在台湾浅滩东西两侧存在顺时针涡旋；而冬季是逆风的东北向流[21]。区内2月份海流方向全部向西，仅在8月份有部分海流向东。

研究区内沉积类型比较多样，但是砂质沉积物分布极广[22]（图1）。南海东北部沿岸大部分区域为中、细砂质沉积区，部分区域分布有砾石；珠江口外海内陆架表层沉积物大部分为粉砂质砂；福建外海的大陆架，包含台湾浅滩，主要为中-细砂分布区[23]。前人研究表明，南海东北部陆架上的砂质沉积物多为冰后期的海侵残留沉积，但受到风暴、内波等现代海洋动力的改造[24]。

表 1 南海东北部陆架样品主要重矿物组成及重矿物指数Table 1 Heavy mineral assemblage and indices of samples on the northeastern shelf of the South China Sea

3 材料与方法

为了便于判定陆架沉积物的源-汇关系，收集了河口和近岸的6个样品来表征潜在来源，又根据陆架水深资料（图1）挑选了外陆架的6个样品用于物源判定。

取约100 g样品放入烧杯中，加入适量的六偏磷酸钠使样品充分离散，用铜筛提取出63～125 μm粒级组分，在低温（40℃）下烘干，用三溴甲烷进行重矿物分离。矿物鉴定采用显微镜光学鉴定结合扫描电镜EDS能谱的手段。矿物挑选和鉴定在中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室和圣玛利大学（Saint Mary's University）扫描电镜实验室完成。在光学显微镜下从12个样品中筛选出电气石和石榴子石。挑选的矿物颗粒，首先制靶，然后抛光和喷碳。在长安大学地球科学与资源学院用JXA-8 100电子探针对电气石和石榴子石的矿物成分进行了定量分析。使用的电子束直径约为0.5 μm，运行参数为15 kV、10 nA。确定的元素有Si、Al、Na、Ca、Fe、Mg、Mn、Cr、P、Ti、K 和 Ni。

MinPet软件[25]用于重新计算电气石的矿物化学成分和原子数以及绘制电气石成因判别图（Al-Fe-Mg和Ca-Fe-Mg三角图）。石榴子石原子数和各端元矿物成分的计算也用MinPet软件完成，石榴子石的成因判别采用Suggate和Hall[26]总结的判别图，并从已发表的文献[27-34]中整理出华南陆域基岩石榴子石的化学成分，用以辅助识别潜在物源。

4 结果分析

4.1 重矿物组合及特征指数

沉积物样品的重矿物鉴定结果列于表1中。电气石和角闪石为研究区内的优势矿物，电气石在南海东北陆架的分布特征表现为在珠江口外的大陆架为高含量区，向东含量降低，而角闪石在珠江口向东至韩江口含量逐渐增加，二者在区内西部到中部大致的分布规律呈现出此消彼长的关系。钛铁矿的分布在南海东北部陆架显示出明显的变化，东山岛和南澳岛以南海域为钛铁矿高含量区，而向西含量逐渐降低，至珠江口外的近海又出现一高值区。鉴于钛铁矿存在连续转化的浸出蚀变过程[35]，将钛铁矿、假金红石和白钛石三者合并，分析含钛矿物总量，结果显示区内东部海域沉积物中含钛矿物的总量显著高于其他海域。磁铁矿在东山岛附近的Y5站位和外陆架D5站位含量异常高。绿帘石在区内中部Y3、Y4站位含量相对较高。独居石含量普遍较低，但在珠江口与闽南海域的样品中含量接近1%。

ZTR指数（锆石+电气石+金红石在重矿物中的百分含量）代表着重矿物的成熟度，可以表征沉积物从源到汇搬运过程中重矿物的富集。区内样品的ZTR指数受电气石含量的影响整体呈现出西高东低的分布趋势。采用密度相近的两种矿物含量比值，在物源判别时可以减少水动力分选效应的影响，如RZi指数[含钛矿物/（含钛矿物+锆石）]和GZi指数[石榴子石/（石榴子石+锆石）]。GZi指数在外陆架样品中普遍高于近岸样品，近岸样品中珠江口外（Y1）和东山岛以外（Y6）样品中数值高于其他样品。RZi指数在大部分样品中都高，显示出研究区沉积物中含钛矿物相对于锆石明显富集。在近岸Y3、Y4站位样品中锆石含量相对较高，而RZi值相对较低。

图 2 电气石的化学组成（Al-Fe-Mg和Ca-Fe-Mg三角图引自文献[36]）Fig. 2 Chemical compositions of detrital tourmaline (the Al-Fe-Mg and Ca-Fe-Mg ternary diagrams are cited from reference [36])

4.2 电气石

根据Henry和Guidotti[36]提出的Al-Fe-Mg和Ca-Fe-Mg三角图来判定电气石成因（图2）。在Al-Fe-Mg图中，全部电气石颗粒落在了B型、D型、E型和F型区域中。在Ca-Fe-Mg图中，大多数电气石颗粒落在2型和10型区域，个别Ca含量较高的电气石落入9型区域。10个样品中电气石成因构成如图2所示。

电气石的化学数据显示了6个近岸站位间电气石成因构成的差别：位于珠江古三角洲的Y1样品花岗岩成因电气石含量最高（61%），其次是东山岛的Y6和韩江口的Y5样品。陆丰的Y3样品与汕尾的Y2样品中变质成因电气石含量超过60%。在Al-Fe-Mg和Ca-Fe-Mg三角图上，Y2和Y3样品分布区基本重合（图2a），韩江口的Y5样品中电气石的投影区虽然在Y2和Y3样品分布范围内，但Y5样品中B型或者2型的花岗岩成因电气石明显高于Y2和Y3样品（图2a，图2b，图3）。Y1和Y6样品电气石投影区分布相近，但是Y6样品中的电气石Ca含量更高（图2a，图2b）。

图 3 各样品中不同成因类型电气石的相对丰度Fig. 3 Relative abundance of tourmalines with different origins in each samples

以沿岸6个站位（Y1～Y6）为潜在源区，将外陆架6个样品（D1～D6）中电气石的投影区与沿岸站位进行比较，以此判定沉积物的源-汇关系。在Al-Fe-Mg三角图中，D1样品有75%落入B型区域，与Y1的主分区相对应，但少量的电气石也投影在Y2和Y3样品的分布区内，同时D1样品含有少量Y1样品中未见的F型电气石（图2c）。D2样品的电气石在Al-Fe-Mg和Ca-Fe-Mg三角图上的投影区间与沿岸汕尾-陆丰处的Y2和Y3样品非常吻合（图2c），仅有极少量的电气石分布在Y1样品的投影区内。由于Y5样品中电气石的投影区位于Y2和Y3样品点分布范围内，因此从其投影区很难与Y2/Y3样品区别，但是其花岗岩成因的电气石含量比Y2和Y3样品高，接近50%。样品D3中电气石的类型与Y2、Y3样品相近，在Al-Fe-Mg和Ca-Fe-Mg三角图上三者的投影区间也很相近，但是D3样品中花岗岩成因的电气石超过50%，这与韩江口Y5样品的电气石成因构成相吻合（图2d，图3）。在两个投影图上，样品D4中电气石的成因投影点基本落在Y6样品的范围内，表明两者具有相似的成因（图2e）。在Al-Fe-Mg和Ca-Fe-Mg三角成因类型图上，样品D6的电气石成分显示与华南近海的6个参考样品存在明显差异，其含有比较高的富Fe3+的石英电气石岩成因的电气石（F型，图3）。

4.3 石榴子石

石榴子石不仅常见于各种变质岩中，同时也存在于深成火成岩、伟晶岩和一些火山岩中。在所有样品中，共发现44颗石榴子石，除韩江口样品中不含石榴子石外，其余样品中均含有0.2%～4.2%不等的石榴子石。超9成的石榴子石发现于区内中部与东部。矿物化学分析表明，本研究中发现的石榴子石以铁铝榴石和锰铝榴石为主，而钙铝榴石和镁铝榴石较为少见，这与华南地区花岗岩中石榴子石的特征吻合[27]。本文采用钙铝榴石+钙铁榴石+钛榴石、铁铝榴石、镁铝榴石和锰铝榴石的三角图解[26]（图4）进行物源判别。将收集到的华南陆域基岩（上蔡矽卡岩[28]，尖山矽卡岩[29]，东山-忠门-平潭变质岩[30]，东山亲营山组的花岗岩与变质岩[31]，明溪玄武岩[32]，东山花岗岩[33]，武平花岗岩[34]）中石榴子石电子探针数据作为潜在源区的判定依据（图4a，图4b）。广东尖山和福建上蔡的矽卡岩钙铝榴石落入了钙硅质岩-矽卡岩成因区域。福建的东山、忠门等地燕山期花岗岩中的石榴子石化学数据都投影在了花岗岩成因区域，而东山-忠门-平潭一线的变质岩则落入了角闪岩相成因区域，福建明溪玄武岩中的石榴子石则是全部投影在基性岩成因区。然而，福建武平的S型花岗岩中的石榴子石却投影在角闪岩相区域。

依据石榴子石的矿物化学成分，将各沉积物样品中的石榴子石投影在图4c和图4d中。榕江口Y4样品投影区域与华南燕山期花岗岩成因石榴子石相近，同时也存在少数变质成因来源的角闪岩相的石榴子石。区内Y6和D6样品中的花岗岩成因与角闪岩相成因的石榴子石二者数量基本持平（图4c，图4d），这与福建东山亲营山组岩石中石榴子石成因判别特征一致。D4样品的石榴子石均投影在角闪岩相区域内（图4d），而沿岸Y3样品中的石榴子石缺乏火成岩来源。另外Y3、Y6和D6样品中均含有一定量矽卡岩成因的钙铝榴石（图4c）。

5 讨论

5.1 综合物源分析

陈丽蓉[4]研究显示南海北部陆架沉积物中的重矿物以钛铁矿、角闪石、绿帘石为主，并依据钛铁矿和红柱石等特征矿物的含量及分布规律将南海东北陆架区分成了珠江口南部、珠江口东部、115°30′E以东海域3个区域。方建勇等[3]利用908海洋调查的资料分析了南海北部陆架沉积物的重矿物组合与分布特征，并通过因子分析法对南海北部进行了重矿物分区，但受样品限制，调查区主要分布于116°E以西。本研究的重矿物组合分析结果显示：南海东北部陆架表层砂质沉积物中主要的重矿物为角闪石、电气石和含钛矿物（钛铁矿+假金红石+白钛石）。钛铁矿、电气石、磁铁矿和绿帘石等的分布规律与文献[3-4]的研究结果基本一致。

图 4 华南不同类型基岩及陆架沉积物中石榴子石成分投影图（石榴子石成分图解引自文献[26]）Fig. 4 Detrital garnet compositions from potential source rocks and studied samples on the shelf of eastern South China Sea (triangular plots using “end-member” garnets arecited from reference [26])

根据重矿物的组合和电气石、石榴子石的矿物化学特征，进一步对陈丽蓉[4]依据碎屑矿物组合划定的南海东北部重矿物分区进行了修正（图5）。I区为珠江沉积物主导区域，基本上对应鲍才旺[37]圈定的多期古珠江三角洲范围。位于Ⅰ区内的Y1和D1样品含有1%左右的独居石，富电气石贫角闪石反映了珠江流域花岗岩广泛分布的特征。矿物化学探针数据也显示沉积物中电气石以花岗岩成因为主，在电气石的成因投影图上，外陆架的D1样品和珠江口外的Y1样品两者基本重合（图2c），显示出明显的亲缘关系。高的ZTR指数也反映了沉积物普遍经过了长距离的搬运以及多次的分选。II区位于韩江和珠江之间，陆域基岩主要受到莲花山断裂带的影响。位于II区近岸的Y2和Y3样品含有较高的变质矿物，如绿帘石、角闪石等（表1）。近岸Y2和Y3样品中有超过60%的变质岩成因电气石，这表明与莲花山断裂带相伴生的变质岩是汕尾-陆丰近海海域沉积物的主要源区。通过电气石的矿物化学组成的比较可以判明外陆架的D2样品与汕尾-陆丰近海海域沉积物更具亲缘关系（图2c），其主要来源并非珠江。III区沉积物主要代表韩江沉积的影响区。韩江流域广泛分布的中生界花岗岩是韩江沉积物中花岗岩成因电气石的源区[16]。由于韩江的泥沙多来源于梅江[38]，而梅江紧邻莲花山深大断裂发育，因此韩江河口沉积物中也含有近一半的变质成因电气石。III区外陆架D3样品中电气石在Al-Fe-Mg和Ca-Fe-Mg三角图上与Y2、Y3和Y5样品分布区重叠，但是其成因构成比例与Y5样品更接近（图2d，图3）。这表明韩江可能是D3站位沉积物的主要源区，但也受到汕尾-陆丰沿岸河流沉积物的影响。陈丽蓉[4]依据碎屑矿物组合将东山岛以东海域划为IV区，本研究的重矿物组合也显示D5和D6与Y6样品具有一定的亲缘关系：比较高的 GZi（大于 50）和 RZi（大于 95）指数，另外 Y6 和D6样品中都含有独居石。电气石的矿物化学表明闽南近海Y6样品中花岗岩来源与变质岩来源各占一半，其变质成因的电气石可能来源于长乐-南澳断裂带东侧的角闪岩相变质带[17]，而火成岩成因矿物主要来源于区内的燕山期花岗岩。矿物化学组成显示Y6和D4样品中电气石成因构成相似，两者具有同源的特征。另外，Y6样品中出现的相对较多的钙铝榴石与沿长乐-南澳断裂带分布的矽卡岩密切相关（图4）。但是区内D6样品中的电气石投影在华南6个近岸参考样品分布区之外（图2e），表明可能存在其他尚未识别的物源。由于本次研究中D5样品中重矿物含量较低，而且大部分为磁铁矿，因此获得的电气石个数太少，并未进行探针分析，但根据前人的矿物组合分区[4]，仍然将其纳入IV区中。

综合上述分析来看，单矿物矿物化学方法可以减少分选效应的影响，利用多种重矿物的矿物化学分异可以获得多维的信息，从而更易限定陆架沉积物的源区。南海东北陆架沉积中，珠江、韩江沉积物以花岗岩/火成岩来源为主，与流域主导的燕山期花岗岩分布有关；发育于莲花山断裂带以及长乐-南澳断裂带的小型河流，其沉积物中变质成因的矿物明显高于其他河流，这些以变质岩来源为主的小河沉积物可以分布到外陆架。矽卡岩成因的钙铝榴石主要发现于南澳岛以东的陆架沉积中，在区内其他海域很少见，且与华南陆域矽卡岩的分布区基本吻合[39]。

图 5 南海东北部陆架依据碎屑矿物组合与矿物化学划分的沉积物物源构成分区（图中古河道和古三角洲分布据文献[37]）Fig. 5 Four zones with different mineral assemblage and mineral chemical compositions on the northeastern shelf of the South China Sea (paleo-drainages identified in the figure are based on reference [37])

5.2 南海东北部大陆架古沉积环境及古水系分布

末次冰盛期南海海平面在现今海平面以下100～120 m之间波动[40]，而地貌证据和14C测年结果显示，末次冰盛期南海北部古海岸线分布在约130 m等深线处[41]。末次冰盛期以后，随着海平面不断上升，海岸线逐渐后退，冰后期的海侵作用不断改造和分选原来低海面时期的沉积物，形成了大量的残留砂质沉积物，并且促进了重矿物在砂质沉积物中逐渐积累[42]。浅层地震剖面识别出了低海面时期古珠江河道的分布和古三角洲的范围[37]，D2样品站正处在古珠江三角洲的最东缘（图5）。

重矿物组合显示珠江口内陆架Y1样品和古珠江三角洲外陆架上D1样品的矿物组成非常相似，都具有高的电气石含量，且都含有独居石。电气石矿物地球化学也证实Y1和D1样品具有比较强的亲缘关系，均含有超60%的花岗岩来源的B型电气石，而两者站位以东的样品中火成岩成因的电气石含量显著下降。虽然D2样品站位于鲍才旺[37]圈定的一期古珠江三角洲垛体上，但是其电气石化学成分表明其主要以汕尾附近的小河输入物为主，变质岩成因占优势。相关黏土矿物研究也表明，末次冰盛期古珠江向正南方向陆坡上供应的陆源物质要高于东南方向[2]。D1和D2样品的电气石矿物化学组成存在的差异，表明古珠江三角洲的东缘应该位于D1和D2站位之间。

南海东北部陆架沉积物类型的分布显示，韩江及榕江河口有一处呈扇形分布的含砾砂沉积区域。在D3站位附近的外陆架也有一片弧形分布的砂砾区。从电气石的矿物化学成分来看，D3站位附近沉积物可能主要来自于韩江（图2d），可能混合了部分榕江及陆丰附近小河的沉积物。D3站位附近的砂砾区有可能是低海面时期古韩江河口。而东侧D4站位的电气石化学成分与韩江物源区差别较大（图2，图3），显示低海面时期古韩江主要向正南方向延伸，向东影响应该止于D4和D3站位之间。

综合矿物化学和重矿物组合特征，可大致恢复出低海面时期南海北部大陆架古水系的分布特征：大部分水系以南向延伸为主，未发现显著的侧向迁移和长距离迁移的沿岸泥沙流；古珠江水系向东不会超过115°30′E（大致 D2 站位的位置）；古韩江主要向正南方向延伸到南海北部上陆坡；东山岛以东主要是古闽南水系的分布区域；众多小河可以延伸分布到陆架外缘。