雅浦海沟南部超深渊沉积物成分与形貌

尼 鑫孙承君金 红杨桂朋丁海兵*

(1.中国海洋大学 化学化工学院,山东 青岛266100;2.海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室,山东 青岛266100;3.自然资源部 第一海洋研究所生态中心,山东 青岛266061;4.山东省青岛生态环境监测中心,山东 青岛266003)

海沟是海洋中深度超过5000 m 的狭长沟槽,两壁陡峭,深度最大超过10000 m。世界最深处位于马里亚纳海沟的“挑战者”深渊,深11034 m。海沟沉积是典型的深海沉积,与近海沉积物相比深海沉积物受到陆源输入和人类活动影响较小,因此深海沉积物被认为能够更加完好地记录古代环境与气候特征。利用深海沉积物中的某些参数追踪古环境的演变是古海洋学研究的重要内容[1-2]。例如,深海沉积物中的有机碳能够反映古海洋的初级生产力和气候的变化[3];沉积物中的金属含量可反映沉积环境和生产力等信息[4]。沉积物的粒度则反映了搬运介质的性质、沉积形式、沉积类型、搬运方式以及沉积时的沉积环境状况等。从沉积物中的微体生物化石可以判断地层年代,推断古代环境变化和复原古地理特征,这些微体古生物对了解成岩、成矿过程也有重要作用[5]。

雅浦海沟是世界上最深的海沟之一,位于西太平洋雅浦海脊和雅浦群岛以东,从7°30′N 延伸至11°30′N,长度约为650 km,发育有典型的俯冲构造侵蚀[5],是太平洋板块、菲律宾板块和卡罗林板块的交界处,最深点达8527 m。雅浦海沟具有典型的超深渊环境特点,存在低温流体和冷泉生物群落[6],是研究极端环境生态系统以及各圈层之间相互作用的最佳对象之一。到目前为止,雅浦海沟的水流运动[7]、地震活动[8]、岩石组成[9-10]、地质构造与演化[11]等方面被广泛地关注和研究。作为超深渊生物的栖息地,雅浦海沟沉积物为其生态系统不断提供物质和能量。对雅浦海沟沉积物的研究有助于掌握其在西太平洋物质循环中的作用。然而由于取样困难,目前相关研究仍然较少。

岳新安等[12]分析过雅浦海沟北部(9°38′70″～9°53′54″N)5个站位不同深度(水深4435～6779 m)沉积物的含水率、有机碳含量、21种元素的含量等参数,探究各个参数的垂直变化特征,分析各沉积物样品的物质来源、微体古生物化石的变化与地形结构、海流运动和板块运动之间的关系。根据其研究结果,雅浦海沟北部的沉积物可分为硅质黏土沉积、硅质软泥和钙质软泥,海沟西侧沉积物受火山源影响更大。海沟东侧沉积物受陆源影响较大,根据微体古生物化石观察结果判断雅浦海沟深渊和超深渊上层8 cm 沉积物是上新世末期或早更新世以来的沉积。我们在前人的基础上,通过对雅浦海沟南部超深渊上层22 cm 沉积物样品的地球化学特征的研究,进一步探讨环境变化对沉积物的影响以及雅浦海沟与其他海域沉积物地球化学特征的异同,旨在为海洋沉积物的研究提供数据资料积累和参考。

我们对雅浦海沟南部超深渊D151站位柱状沉积物的含水率、粒径、元素质量分数、有机碳质量分数等参数进行研究。采用扫描电子显微镜(荷兰飞利浦公司生产Quanta-200型,带EDS能谱仪)观察,X 射线能谱(德国Bruker公司生产D8 Advance型)分析,掌握样品中各参数的垂直变化特征,并观察该沉积物样品的形貌和微体古生物化石的变化情况。在此基础上,进一步分析沉积物的物质来源,以及沉积物组分、沉积过程与雅浦海沟环境的关系,为海洋超深渊沉积物研究提供基础数据积累和技术借鉴。

1 样品采集与分析

1.1 样品采集

2017年5月“向阳红09”号科学考察船承载“蛟龙”号载人深潜器进行中国大洋协会的大洋38航次考察。2017年6月的第3航段考察任务中,在雅浦海沟南部D151站位(139°37′45″E,8°2′23″N)由“蛟龙”号载人深潜器所携带的金属多管取样器采集柱状沉积物,长度为22 cm(图1)。该站位于雅浦海沟西侧斜坡上,深度为6582 m。

图1 雅浦海沟和D151站位()Fig.1 The location of the Yap Trench and sampling station D151()

“蛟龙”号返回母船后,采集的样品按照上密下疏的原则[13]以0～1,1～2,2～3,3～4,4～5,5～6,6～7,7～8,8～9,9～10,10～12,12～14,14～16,16～18,18～20,20～22 cm 的方式进行切分,总共获得16层沉积物。每层沉积物一部分置于密封袋中用于金属元素质量分数等参数的分析,一部分样品(经过450 ℃灼烧6 h)用锡箔纸包好用于有机物的分析。分好的样品立即在-20 ℃的条件下保存并带回实验室。2017年8月—2019年8月在海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室进行分析。整体上该柱状沉积物为黄褐色,随深度增加颜色变深。

1.2 参数分析

1.2.1 含水率

沉积物样品的含水率测定基于《海洋调查规范》的方法[14]。取约5 g的沉积物于10 m L试管中称重,冷冻干燥48 h后,取出并放于硅胶干燥器中至恒重,根据干燥前后沉积物的质量差别计算含水率,测定相对标准偏差≤2%。干燥后的沉积物用研钵轻轻捣碎,过尼龙塑料筛后除去黑色碎块并称重,用于沉积物元素含量分析、SEM 观察和EDS能谱分析。另取一部分未过筛的沉积物进行粒径分析。

1.2.2 元 素

沉积物样品元素含量的测定基于国际标准化组织提出的ISO 14869—2001标准[15],具体过程:先使用上海新仪微波化学科技有限公司的MDS-6G 多通量密闭微波化学工作站对沉积物样品进行消解,取100 mg过筛后的沉积物样品于仪器附带的MP-100消解罐中,进行程序升温微波消解(130 ℃条件10 min,170 ℃条件5 min,200℃条件15 min),消解后的产物倒入聚四氟乙烯烧杯,放在电热板上赶酸,蒸至剩余约1 m L溶液,冷却后用稀硝酸(V硝酸∶V水=1∶7)定容至10 m L。定容后的样品保存在聚乙烯塑料瓶中,之后用美国赛默飞世尔科技公司的ICAP-6300等离子体发射光谱仪对消解后的沉积物样品的金属含量进行分析,测定的相对标准偏差均小于5%。元素标准品为多金属元素混标溶液(GSB 04-1767-2004,国家有色金属及电子材料分析测试中心生产)、钙离子单标溶液(GSB 04-1720-2004,国家有色金属及电子材料分析测试中心生产)、钠离子单标溶液(GSB 04-1738-2004,国家有色金属及电子材料分析测试中心生产)以及近海海洋标准物质(GBW07314,自然资源部第二海洋研究所生产)。

1.2.3 总有机碳(TOC)分析

沉积物样品中总有碳(TOC)的定量分析基于国家标准GB/T 30740—2014[16]。测定时,取保存在锡箔纸包中的沉积物2 g冷冻干燥,过不锈钢筛后,取少量置于天津泰斯特仪器有限公司生产的SX-12-10型箱式电阻炉450 ℃灼烧过的离心管中,精确称量其质量(m1)。将离心管置于干燥器中,加少量超纯水(德国默克密理博公司生产的Milli-Q 实验室纯水化系统)润湿,用12 mol/L 浓盐酸熏蒸24 h,熏蒸后的样品滴加稀盐酸(V盐酸∶V水=1∶5)至无气泡产生,除净无机碳,然后将样品在50 ℃烘干,恒重后再次称量,得到沉积物的质量(m2),然后取约10 mg处理后的样品于锡舟中包好,置于意大利Euro Vector公司生产的EA3000全自动元素分析仪进样器上检测其TOC 质量分数(wTOC1),沉积物有机碳质量分数wTOC=wTOC1×m2/m1,测定相对标准偏差为(±3)%。

1.2.4 沉积物粒径

沉积物粒径测定基于《海洋调查规范》[14],用英国马尔文公司生产的Mastersizer 3000型激光粒度仪(仪器量程为0.1～3500.0μm)进行分析。分析前将沉积物样品过筛除去超过量程的成分,再先后用质量分数为30%的双氧水与盐酸(V盐酸∶V水=1∶5)浸泡24 h除去有机物胶结与碳酸盐,离心后超声分散30 s,然后进行分析。

1.2.5 SEM 和EDS能谱观察

使用荷兰FEI公司生产的Quanta 200扫描电子显微镜观察沉积物样品,加速电压为20 k V。用样品匙取少量样品洒在样品台的导电胶带上,经过吹扫,喷金后置于扫描电子显微镜下观察,用EDS能谱确定发现的矿物以及生物化石的化学成分。

2 结 果

2.1 沉积物的含水率、粒径以及有机碳质量分数

D151站位沉积物的含水率随深度变化(图2),变化范围为55%～72%,平均值为65%。随着深度增加,该沉积物样品的含水率呈现减小趋势,含水率最高值出现在2～3 cm 沉积层,最低值出现在深度为18～20 cm 的沉积层。

D151站位沉积物平均粒径随深度增加呈减小的趋势,最小值出现在18～20 cm 沉积层,为11μm;最大值出现在8～9 cm 沉积层,为20μm。

D151站位沉积物中TOC质量分数随深度增加呈现降低的趋势,质量分数变化范围为0.11%～0.49%,平均值为0.30%。在2～3 cm 与18～20 cm 沉积层TOC质量分数分别出现最大值与最小值,TOC质量分数分别为0.49%和0.11%,在7～8 cm 沉积层出现次极大值,其质量分数为0.48%。

图2 雅浦海沟D151站位柱状沉积物含水率、TOC质量分数、平均粒度、常量元素和微量元素质量分数的垂直变化Fig.2 Vertical variations of water content,mass fraction of TOC,average grain size and mass fraction of major elements and trace elements in the sediment samples from D151 station in the Yap Trench

2.2 元素垂直变化特征

沉积物中的元素可划分为常量元素与微量元素[9]。D151站位沉积物样品中检测到的21种元素中Al,Ca,Fe,Mg,Mn,Na是常量元素;As,B,Ba,Cd,Co,Cr,Cu,Ga,Ni,Pb,Sb,Sr,Ti,V,Zn为微量元素(图2)。Al,B,Ca,Fe,Mg,Ti,V 的质量分数都在10～12 cm 沉积层附近达到最小值,在16～18 cm沉积层附近出现极大值,随深度增加这些元素的质量分数呈下降趋势;Mn,Cd,Co,Cu,Ni,Zn的质量分数在14～16 cm 沉积层以浅变化不大,在16～18 cm 沉积层升高达到最大值;As的质量分数在0～7 cm 沉积层随深度增加而显著减少,在12～14 cm 沉积层突然升高,之后随沉积深度增加保持稳定;Na质量分数在1～2 cm 沉积层达到最大值,在其余沉积层变化不显著;整体上Ba的质量分数随沉积层深度增加变化较小,在6～8 cm沉积层突然增高达到最大值;Ga和Sr的质量分数分别在3～4 cm 和4～5 cm 沉积层达到最大值,在16～18 cm 沉积层出现次极大值;Pb和Cr的质量分数在2～3 cm 与4～5 cm 沉积层达到最小值,在16～18 cm沉积层出现极小值;Sb的质量分数在0～4 cm 沉积层迅速下降,5～6 cm 沉积层迅速升高,在更深的沉积层随深度增加呈逐渐上升趋势。

2.3 SEM 观察和EDS能谱仪分析结果

D151站位沉积物以黏土为主,微古生物化石以硅藻、放射虫、海绵骨针、硅鞭藻等硅质生物为主。因D151站位在碳酸盐补偿深度(CCD)以下,沉积物中未发现钙质生物。在这些生物化石中Ethmodiscusrex硅藻片最多,每一层沉积物样品中都有;放射虫也是每层沉积物中都有,大部分的放射虫为泡沫虫,笼罩虫在0～12 cm 沉积物中出现。除Ethmodiscusrex硅藻片,D151站位沉积物中的典型硅藻还有圆筛藻和羽纹藻等,但数量较少;海绵骨针在各层沉积物中均有发现,以单轴种为主,还有少量的三轴、四轴以及棘棒状骨针;硅鞭藻数量很少,仅在1～2 cm 沉积层中发现(图3和图4)。

图3 D151站位沉积物中发现的部分矿物SEM 照片及其EDS能谱Fig.3 SEM photos of partial minerals found in the sediment sample from D151 station and its EDS spectrum

图4 雅浦海沟D151站位表层(0～1 cm)与底层(16～18 cm)沉积物扫描电子显微镜照片Fig.4 SEM images of surface sediment(0～1 cm)and bottom sediment(16～18 cm)from D151 station in the Yap Trench

根据SEM 的观察结果,D151站位沉积物中的主要非生物成分为黏土;根据EDS能谱判断,沉积物中有多种矿物。一种典型矿物的主要成分包括O,Mg,Si等元素,与蛇纹石成分一致(图3h)。而图3b中的矿物成分为Ba,S和O,表明该矿物为重晶石,此种矿物在每一层沉积物中都有存在。根据EDS能谱结果与多孔形貌判断图3e中的沉积物组分为火山玻璃,在9～22 cm 沉积层中存在,其中16～18 cm 沉积层的火山玻璃最多。在该沉积层发现了大量铁锰微结核且多为聚集状(图3a),该沉积物样品中发现的矿物还有长石(图3f)、钒钛磁铁矿(图3g)和白云石(图3h)等,部分长石有明显的蚀变现象(图3f)。

3 讨 论

3.1 D151站位的沉积环境

D151站位沉积物含水率随着沉积层深度增加呈减小趋势,这与上覆沉积物压力造成的挤压作用有关[17]。该站位沉积物平均含水率为65%,0～8 cm 处平均含水率为71%,低于雅浦海沟北部相近深度的Dive 113站位0～8 cm 沉积物的平均含水率(水深6578 m,77%)[12],和马里亚纳海沟“挑战者”深渊南侧水深6471 m表层沉积物含水率接近(约70%)[18],明显高于渤海北部B108站位沉积物的(约43%)[19],略高于冲绳海槽北部S9站位沉积物的(56%～62%)[20],超深渊沉积物较高的含水率可能与D151站位超深渊环境水动力较小,沉积物粒度较细且水压较高有关。

D151站位沉积物样品粒度数据(图5)显示其组成以粉砂为主,按照福克命名法[21],判定深度浅于9 cm沉积物属于粉砂,深度在9～22 cm 沉积物属于砂质粉砂。该沉积物样品平均粒度范围是9.2～19.8μm,明显小于黄、渤海陆架的沉积物粒度(20.6～58.3μm),接近于冲绳海槽北部S9站位(128°15′49″E,29°23′30″N,水深1062 m,6.8～15.6μm)的,比西南印度洋洋中脊(50°54′E,34°59′S,水深4430 m,2.8～7.3μm)[21]沉积物的和“挑战者”深渊南侧JL7KGC01A 站位沉积物粒度(6～11μm)[22]大,说明该站位沉积物搬运动力和冲绳海槽相接近,和近海环境相比搬运动力较小,比同样位于深海环境下的西南印度洋洋中脊(坡度约为3°)沉积物的大,可能与海沟坡度(约为20°)较大有关。

图5 D151站位沉积物粒度组成以及三角图Fig.5 Grain size composition and triangular graph of the sediment in D151 station

三角图(图5b)显示,该沉积物样品粒径分布整体较为集中,表征形成该沉积物的水动力环境在地质历史中整体较为稳定。利用Passega提出的C-M 图(图6)[23]分析沉积物与沉积环境,其中C为累计曲线1%对应粒度,代表最大搬运动能;M 为中值粒径,代表平均搬运能力。D151站位C-M 图表明该站位沉积物主要搬运方式应为均匀悬浮,均匀悬浮沉积方式颗粒较细,沉积速率较慢。Yang等人的C14定年数据[24]显示雅浦海沟北部S02站位(138°49′E,9°38′N)表层沉积物平均沉积速率约为0.2 cm/ka。海沟东侧D152站位比D151站位沉积物C-M 图数据点分布更为分散。D151站位位于坡度较大的雅浦海沟西侧,与海沟东侧站位D152(137°50′37″E,8°1′23″N,水深6679 m 的待发表数据)相比,该站位沉积物会有更多沿着斜坡滑落下来的岩石影响C 值与M 值。而大洋沉积速率是不断变化的[25],因此与东侧站位相比,D151站位沉积物粒度变化较大。且沉积物中值粒径与偏度以及分选系数之间存在的一定的负相关关系(图7),当沉积物粒径由粗转细时,表明搬运动力逐渐下降,偏度逐渐转向负偏(细偏),分选性变好,指示着沉积环境转变为更加稳定低能的环境。

图6 Passega提出的沉积物粒度C-M 图和D151站位沉积物粒度C-M 图Fig.6 C-M plot of sediment grain size proposed by Passege and drawed on the data of D151 station separately

图7 D151站位沉积物偏度(中值粒径)与分选系数(中值粒径)图Fig.7 Plots of skewness-median particle diameter and sorting coefficient-median particle diameter of the sediment from D151 station

D151站位沉积物的TOC质量分数随深度降低,可能与沉积物中微生物对有机物的分解,以及Mn O2、Fe3+、溶解氧和其它氧化剂对有机物的氧化等因素有关。根据吴彬等人的研究结果,雅浦海沟沉积物D150站位的TOC应属于降解型分布,其垂直变化受降解速率影响较大[26]。与雅浦海沟北部相近深度的D113站位(0～8 cm,0.23%～0.28%)相比,D151 站位TOC 质量分数随深度减小幅度较大(0～8 cm,0.24%～0.49%)。可能与D113站位沉积速率较快导致较高比例的有机物被埋藏有关,整体上使沉积物中的TOC含量升高[12]。D151站位沉积物TOC质量分数平均值接近于渤海湾北部表层(117°30′～119°30′E,38°30′～39°30′N,0.4%)[27]和马里亚纳海沟南部“挑战者”深渊(142°E,11°N,水深10900 m,约0.4%)[28],说明与生产力较高的近海海域相比,雅浦海沟有明显的汇聚作用。TOC 质量分数明显低于中美海沟(90°56′W,12°43′N,水深5529 m,约2.5%)[29]、秘鲁海沟(80°35′6″W,9°45′9″S,水深5086 m,2.54%)[30-31]以及冲绳海槽北部S9站位(约1%)[20]。这应是雅浦海沟距离陆地较远,陆源物质较少输入导致的。

综上所述,与近海环境相比D151所在站位沉积动力较小,粒度较细,含水率明显较高,沉积方式属于均匀悬浮。受海沟坡度较大的影响,与同样位于深海环境下的西南印度洋中脊相比搬运动力较大,但所研究区域水动力环境历史上变化并不大。受有机碳降解作用的影响,沉积物中的TOC 质量分数随深度逐渐减少。雅浦海沟虽对有机碳有明显的汇聚作用,但因陆地较远,与距离陆地较近的沉积物相比,沉积物中TOC 质量分数较低。

3.2 D151站位沉积物中元素质量分数变化的地球化学意义

D151站位不同元素质量分数相关性分析的结果(表1)显示,Al分别与Fe,Mg和Ti,Ca分别与Fe和Mg,Fe分别与Mg和Ti,Mg与Ti之间存在显著正相关;Cd分别与Cu和Ni,Cu分别与Ni和Zn,Ni分别与Zn,Sr与V 显著正相关;As分别与B,Ti和V,Ca与V,Fe分别与Sr和V,Mg分别与Sr和V,Mn分别与Ni和Zn,Na分别与Sr和V,Ti分别与B,Sr和V 之间显著正相关,As,Ba,Cr,Ga,Na,Pb,Sb,Sr与其他元素之间无显著相关关系。

根据SEM 观察结果(图3),沉积物中重晶石长度为2μm 左右,呈现出两端较尖的形态特征(图3b),这种形态的重晶石被认为是生物体死后形成的[32]。部分重晶石中心出现溶蚀现象(图3c),我们在溶蚀的重晶石中检测到了Sr,重晶石的溶蚀普遍被认为是其中富集的Sr导致的[33],这与我们的EDS结果是相符合的。Bernstein的研究[34]表明重晶石中的Sr来自于棘骨虫Acanthaarians骨骼中的SrSO4。Ti作为陆源输入的指示因子,与Al,B,Ca,Fe,Mg,Na,Sr,V 显著正相关说明上述元素含量变化受陆源物质影响较大,其中V 能够在钛磁铁矿形成的初期取代Fe3+进入矿物而富集,因此V 和Ti显著正相关与钛磁铁矿的存在有关[35](图3g)。火山活动是沉积物中锰微结核的来源之一。锰微结核可能是火山喷发后由于元素熔点不同从岩浆中分离出来的物质[36]。通过扫描电子显微镜观察发现在D151站位沉积物的16～18 cm 沉积层有较多聚集状锰微结核以及火山玻璃(图3)。这些聚集状锰微结核可能是一些小颗粒矿物在火山岩浆中相互黏合导致的。雅浦海沟北部站位37I-Yap-S01表层锰结核含量很高(92%),受此影响Ba,Cd,Co,Cu,Mn,Ni,Sb,Sr,V,Zn在表层出现最大值[12]。在D151站位沉积物样品的16～18 cm 沉积层中,这几种元素含量也出现极大值,很可能与火山活动产生的锰微结核有关。此外由于自然环境中的As主要来源于地壳风化和火山爆发等[37],在D151站位12～22 cm 沉积层,As元素含量迅速升高也可归于火山活动。洋壳的主要成分为岩浆岩,Cd,Co,Cu,Ni,Zn以及二价Mn属于亲硫元素,与岩浆岩的形成往往有密切的联系。董冬冬等人认为雅浦海沟因俯冲侵蚀而没有发育明显的水平沉积[11],因此D151站位沉积物中Cd,Co,Cu,Mn,Ni,Zn之间相关性较大可能是海底裸露岩石剥蚀的影响所导致的。蛇纹石可以由基性岩和超基性岩经热液蚀变产生,经过电子扫描显微镜观察和EDS能谱扫描分析结果,沉积物中蛇纹石较多,也同样说明沉积物的成分受到岩石的剥蚀影响,海水的冲刷和腐蚀作用以及海洋生物活动都可以对海底物质产生破坏作用。

Murry等人提出的计算沉积物中陆源物质占比公式:陆源物质占比=(wTi样品/wTiPAAS)×100%,wTiPAAS是晚太古代澳大利亚页岩的Ti质量分数[38]。对D151站位沉积物样品陆源物质占比的计算结果(表2)表明,样品中沉积物陆源物质平均质量分数约占60%,变化范围是54%～70%。且随沉积物深度增加陆源组分所占百分比呈下降趋势。另一方面,以太平洋深海黏土指示陆源,以太平洋拉斑玄武岩指示火山来源,以太平洋底栖附浊层指示生物源,以wTi/wAl比值为0.06,0.10,0.12分别代表中太平洋深海黏土、火山源、生物源[12],D151站位wTi/wAl比值变化范围是0.05～0.06,说明该沉积物主要来源是陆源。以wFe/wAl比值为0.61,0.73,1.56分别代表陆源、火山源和生物源,D151站位Fe/Al比值范围是0.80～0.96,更偏向于火山源,因此判断D151站位的物质来源主要是陆源和火山源。陆源物质的输入方式有河流、风和海洋动力等,由于研究站位远离大陆,陆源物质应以风尘输入为主。王汾连等人认为雅浦海沟附近的马里亚纳海沟南部站位陆源物质主要来源于中国黄土[23],而我们的结果(表3和表4)与中国黄土(wSr/wAl=22.74,wCa/wAl=0.88,wMg/wAl=0.22,wFe/wAl=0.46,wCr/wAl=10.22,wNi/wAl=5.38,wCo/wAl=2.93,wCu/wAl=2.38)[39]相比,0～8 cm 沉积层样品的wCa/wAl(0.28)明显较低,wMg/wAl(0.56)、wFe/wAl(0.87)、wCr/wAl(28.47)、wNi/wAl(34.04)、wCo/wAl(6.75)以及wCu/wAl(46.64)明显较高,说明沉积物的化学组成与黄土差异较大,黄土成分对沉积物贡献较低。另外海底火成岩的剥蚀产物是火山源之一。雅浦海沟缺少活跃的火山活动,但海沟周边存在很多火山岛,因此火山玻璃可能来自其附近区域,由风尘或洋流搬运过来。

沉metallicelementsinthesedimentofD151station性关相间之素元物积位站1 D151表Table1 Therelationshipbetweenvarious Zn V Ti Sr Sb Pb Ni Na Mn Mg Ga Fe Cu Cr Co Cd Ca Ba B As Al 1 Al 1 0.354 As 1 0.845 0.548 B 1 0.321 -0.623 -0.531 Ba 1 0.773 0.431 0.838 -0.481 Ca 1 0.040 0.490 0.078 -0.266 0.270 Cd 1 0.002 0.128 -0.047 0.129 0.165 0.758 Co 1 0.503 0.224 0.513 -0.165 0.492 -0.268 -0.231 Cr 1-0.216 0.304 -0.183-0.089 -0.032 0.935 0.778 -0.494 Cu 1 0.966 0.326 0.898 -0.360 0.860 -0.054 -0.022 0.534 -0.282 Fe 1 0.558 0.245 0.493 -0.280 0.484 0.011 -0.191 0.189 -0.105 0.525 Ga 1 0.949 0.286 0.830 -0.207 0.812 -0.051 0.097 0.539 -0.247 0.969 0.466 Mg 1-0.408 0.246 -0.322-0.005 -0.215 0.861 0.711 -0.562 0.968 -0.475 -0.232-0.432 Mn 1 0.717 0.200 0.532 -0.136 0.765 0.082 0.212 0.486 -0.149 0.762 0.440 0.769 -0.350 Na 1-0.352 0.269 -0.268-0.077 -0.153 0.883 0.733 -0.523 0.977 -0.412 -0.224-0.367 0.991 -0.319 Ni 1-0.689-0.389 -0.563 0.279 -0.590 0.102 0.252 -0.674 0.297 -0.622 -0.682-0.582 0.418 -0.572 0.409 Pb 1-0.702-0.234 -0.453 0.090 -0.408 0.254 0.207 -0.475 0.362 -0.665 -0.624-0.707 0.513 -0.647 0.471 0.641 Sb 1 0.795 0.236 0.660 -0.143 0.797 0.185 0.208 0.203 -0.012 0.838 0.546 0.821 -0.223 0.863 -0.195-0.457 -0.587 Sr 1 0.925 0.295 0.812 -0.316 0.774 -0.184 -0.063 0.519 -0.394 0.958 0.453 0.938 -0.572 0.812 -0.523-0.586 -0.704 0.822 Ti 1 0.850 0.501 0.735 -0.360 0.839 0.348 0.359 0.256 0.153 0.848 0.457 0.851 -0.052 0.800 -0.003-0.516 -0.541 0.898 0.831 V 1-0.434 0.331 -0.293-0.117 -0.230 0.848 0.672 -0.507 0.939 -0.491 -0.282-0.461 0.979 -0.396 0.979 0.435 0.533 -0.305 -0.579-0.095 Zn项此无为白:空注

YapTrench值比数分D151stationofthe量质素元分部的物积沉位D151站沟海浦雅2表massfractionsratiosofpartialelementinthesedimentfrom Table2 The 21 19 17 15 13 11 9.5度/cm 8.5深层积沉7.5 6.5 5.5 4.5 3.5 2.5 1.5 0.5值比素元0.89 0.95 0.05 0.56 0.8 0.96 0.06 0.58 1.24 1.02 0.05 0.57 0.73 0.96 0.06 0.58 0.67 0.98 0.05 0.54 0.8 1.04 0.06 0.54 0.74 0.94 0.05 0.57 0.79 0.96 0.06 0.58 0.83 0.95 0.06 0.57 0.78 0.94 0.06 0.61 0.79 0.95 0.06 0.63 1.27 0.94 0.06 0.65 0.82 0.96 0.06 0.66[38]数分0.74 0.97 0.06 0.65量质Ti的0.75 1.03 0.06 0.70中岩页代古0.84 1.05 0.06 0.67太亚利大澳w V/w Cr Al 示Fe/w w w Ti/w Al TiPAAS*/w品:*表w Ti样注

wV/wCr比值可用于判断沉积环境是氧化环境还是还原环境,wV/wCr比值低于2,沉积物的形成环境为氧化环境,否则为还原环境[40]。D151站位wV/wCr比值均低于2,表明该站位表层沉积物形成于氧化环境。所有沉积层中wV/wCr变化范围为0.67～1.27,总体上该站位沉积物可能主要形成于氧化环境,这种氧化环境可能与含氧量较高的南极底层水的进入有关[41]。

表3 常量元素质量分数(%)Table 3 The mass fraction of major elements(%)

表4 微量元素质量分数(×10-6)Table 4 The mass fraction of trace elements(×10-6)

扫描电镜结果表明D151站位沉积物的主要成分为黏土,黏土是典型的陆源物质,说明陆源成分对沉积物贡献较大。蛇纹石可由橄榄石蚀变产生,其形成与热液活动密切相关[42],在俯冲带可以发生大规模的蛇纹石化反应。白云石主要由碳酸钙与Mg2+作用产生[43],由于该站位深度远深于碳酸盐补偿深度(CCD),因此白云石可能来自海沟上方沟壁的沉积物。火山玻璃的存在对应火山事件,第三纪雅浦海沟与卡罗琳海岭相撞使得雅浦海沟缺少活动的火山作用[44],但所发现的火山玻璃说明雅浦海沟可能仍存在火山活动。该沉积物样品中重晶石尺寸多为2～3μm,归为生物成因[45]。根据SEM 观察结果(图4),D151站位主要非生物成分为黏土,按照张富元等提出的深海沉积物三角命名方案[46],D151站位沉积物中钙质和硅质生物含量都小于50%,应归为深海黏土类。电子扫描显微镜观察和EDS能谱分析结果显示,沉积物样品中含有长石。长石可以陆源碎屑的形式进入沉积物,也能在火成岩中存在,因此也可能来自于海底岩石的分解。

4 结 语

我们对雅浦海沟南部D151站位柱状沉积物样品含水率、总有机碳(TOC)、多种金属元素质量分数、粒径以及表面形貌进行了分析研究,该沉积物的含水率和TOC质量分数随沉积物深度增加而下降,可能与上覆沉积物的挤压作用和有机物的降解有关,其TOC 质量分数与渤海湾北部和马里亚纳海沟“挑战者”深渊的沉积物较为接近,明显低于冲绳海槽北部S9站位。Cd,Co,Cu,Mn,Ni,Zn受海底岩石剥蚀影响较大。沉积物中的Ba,Cd,Co,Cu,Mn,Ni,Sb,Sr,V,Zn的质量分数在16～18 cm 沉积层出现最大值,可能与火山活动产生的锰微结核有关。D151站位沉积物的主要物质来源为陆源和火山源,该站位沉积环境为氧化环境,可能与南极底层水输入有关。沉积物主要成分为黏土、微生物化石以硅藻、放射虫以及海绵骨针为主,该站位位于碳酸盐补偿深度(CCD)以下,碳酸钙溶解,因此未发现钙质生物和碳酸钙。该站位沉积物属于深海黏土,以粉砂和砂质粉砂为主,搬运方式以均匀悬浮为主,沉积动力接近于冲绳海槽北部,C-M 图的数据点分布较为分散,可能与雅浦海沟西侧较为陡峭有关,随着搬运动力减小,粒度逐渐转向负偏,分选系数逐渐减小,显示形成该站位沉积物的水动力环境在地质历史中整体上较为稳定。

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