冲绳海槽中段沉积物物源识别及其热液活动指示

魏杰瑞, 黄 朋

冲绳海槽中段沉积物物源识别及其热液活动指示

魏杰瑞1, 2, 黄 朋1, 2

(1. 中国科学院 海洋研究所 海洋地质与环境重点实验室, 山东 青岛 266071; 2. 中国科学院大学, 北京 100049)

冲绳海槽中段热液活动区表层沉积物的主、微量和稀土元素分析结果表明: 区内沉积物主要由陆源物质与热液源物质组分组成, Hg、Au、Sb、Cu、Pb、Zn、Ba、As、Fe和Co等微量元素富集; 沉积物的化学风化程度中等, A-CN-K图解表明其暂未受到钾交代影响, 且其母岩成分接近花岗闪长岩; 北美页岩标准化稀土配分模式曲线整体较为平坦, 轻重稀土分馏较弱, 部分样品具有与热液流体类似的明显正铕异常。受热液活动影响, 部分沉积物中的Fe、Cu、As、Pb和Zn显著富集, 结合样品所处站位, 整体显示含金属沉积物-过渡沉积物-正常沉积物的空间分配模式。结合(La/Sm)N、(La/Yb)N比值指示区内沉积物的陆源物质主要来自于黄河与台湾岛河流。

冲绳海槽; 热液活动; 表层沉积物; 物源

冲绳海槽是弧后盆地演化早期阶段的典型代表, 强烈的构造-岩浆作用导致海槽内热液活动广泛发育,为了解弧后盆地热液活动提供了一个天然实验室。Yasui等[1]首次报道海槽内部存在异常的高热流区。在此之后, 有关冲绳海槽热液区的调查活动和研究从未停歇。迄今为止, 在冲绳海槽内部发现了诸多热液区, 但在中段最为集中, 诸如伊平屋海岭, 伊是名海洼, 夏岛84-1海丘、南奄西海丘、比嘉等热液区[2-5]。热液产物进入海洋系统后, 通过沉积作用、生物过程和吸附沉淀等途径, 以块状和颗粒状组分、有机质和生物壳体以及颗粒物外包铁锰氧化物/氢氧化物薄膜等形式, 混入正常海洋沉积物, 形成以“含金属沉积物”-“过渡沉积物”-“正常沉积物”为特征的空间分布模式[6]。然而, 当前对海槽区热液产物的地球化学研究多集中于热液喷口附近的块状沉积物, 对分布更广泛、热液产物承载量更大的松散沉积物涉及相对较少[7-13]。尤其是针对作为典型热液产物的含金属沉积物研究较少, 而其记录着热液物质输运的地质信息, 是了解热液系统物质来源及其输运过程的天然档案[6, 14]。

研究所涉及样品来自中国科学院海洋研究所主持的2014年冲绳海槽热液航次, 采样点位于冲绳海槽中段夏岛84-1, 伊平屋北海丘和伊平屋热液区附近一处新发现的热液喷口周边, 包括正常沉积物与含金属沉积物。本研究分析所获沉积物的常量、微量和稀土元素特征, 并将其与长江、黄河和台湾岛等陆源物质进行对比, 解析其物源。同时, 通过与JADE区热液产物比较, 了解热液组分在表层沉积物中的变化特征以及热液活动对表层沉积物的地球化学贡献。

1 区域背景

冲绳海槽地处西太平洋中北部, 是在陆内张裂作用形成的弧后盆地, 其整体为弧线弯曲, 向太平洋方向凸出, 轴线近N-S向延伸。近东-西向的吐喀喇和宫古断裂带将冲绳海槽由北至南分为三段, 地貌各有不同。北段地形复杂, 起伏较多; 中段较为平坦; 南段坡度变大, 呈现阶梯状地形。由于海槽处于东海大陆架东南部, 位于大陆边缘, 其水文环流体系复杂。黑潮主干由台湾岛东侧进入东海, 之后继续沿东海大陆坡向东北方向移动, 其主干及支流是影响冲绳海槽的主要流系[2]。

来自长江和黄河的陆源物质供应, 使得海槽北部的沉积层非常厚(可达8 km)。冲绳海槽相对远离大陆, 同时具有浅海与深海沉积环境, 并受到黑潮的影响。由于海槽与大洋的联系被琉球岛弧隔断, 而浊流和海底火山、热液活动又丰富了槽内沉积物, 这使得冲绳海槽的沉积环境更加复杂。Zhao等[15]通过中国大陆架沉积物与海槽沉积物元素含量对比, 反映海槽的陆源物质主要来自于长江、黄河。然而, 冲绳海槽沉积物中有21种元素明显富集, 如Au、Hg、Mu、Sb和Bi等, 这些元素的富集被认为是海底热液活动的贡献。

冲绳海槽中部, 热液活动格外发育。自1986年发现夏岛84-1热液喷口以来, 海槽中段还陆续发现伊平屋海洼、伊是名海洼、南奄西海丘等一系列热液区。海槽中段热液矿物种类丰富, 主要有硫化物、硫酸盐、碳酸盐、氧化物等6大类40多种; 热液沉积物相对于正常沉积物富集金属元素, 如Fe、Mn、Zn、Pb、Cu、Au、Ag和Hg等。但不同热液活动区, 热液矿物组合与地球化学组成有明显差异。例如伊平屋海洼热液产物以富碳酸盐矿物为特征, 如锰方解石、菱锰矿等, 相对其他热液区更富集Mn、Ca和Si; 伊是名海洼则以硫化物为主, 如闪锌矿、方铅矿、黄铜矿等, 相对更富集Zn、Pb和Hg[2-3]。

图1 冲绳海槽地质图(数据来自https://topex.ucsd.edu/cgi-bin/get_data.cgi)

2 样品和实验方法

本文研究所选用的样品是2014年冲绳海槽热液专属航次采集的新发现热液喷口及附近7站表层沉积物样品。站位沉积物样品颜色大多为黑色, 弱黏性,无特殊气味, 未见生物壳体; 样品主要为松散砂质沉积, 分选由差到一般, 常混有细砾; T2、T4站位样品以粗粉砂为主, 其中T4站位样品呈现黄褐色。

样品元素组成测试在中国科学院海洋研究所海洋地质与环境重点实验室完成。将沉积物样品使用纯水清洗3次, 然后在60 ℃温度下烘干24 h, 并使用玛瑙研钵研磨至小于200目。称取40 mg样品粉末于Teflon罐中, 加入硝酸和氢氟酸, 加热, 使其完全溶解, 用DDW(双蒸水)稀释至40 g, 上机测试分析仪器为ICP-MS(美国产的Varian 820型电感耦合等离子质谱仪)。标样选用美国地质调查局和中国岩石与沉积物标准物质BCR-2、BHVO-2、GBW07314、GBW07315和GBW07316, 其中T4站样品为重复样, ICP-MS的检出限10–12～10–9g/g, 分析误差小于5%。

3 结果

3.1 常量元素

本文对全样中Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、MnO、TiO2、P2O5共9种常量元素百分含量进行分析。Al2O3含量明显高于其他元素, 除T4站位外, 各站位样品的Al2O3含量均大于10%。Fe2O3和CaO两种成分在各站位之间差异较大, 其中T4、T6站位样品的Fe2O3、CaO为异常高值, 含量达25.8%、22.6%。MgO、Na2O、K2O三种成分含量大多为1.00%～3.00%; MnO、TiO2、P2O5三种成分含量较低, 普遍小于0.30%(表1)。除Fe2O3和CaO外, 其余元素含量分布较为稳定。

表1 冲绳海槽中部表层沉积物常量和微量元素组成

注: 黄河、长江数据来源于杨守业等[17-18];“—”表示无数据

3.2 微量及稀土元素

研究区样品微量元素含量普遍较高, 其中T3, T4样品中元素含量表现突出。T3站位样品Cu含量506 μg/g, Zn含量825 μg/g, Ba含量13 031 μg/g, Pb含量1 323 μg/g; T4站位样品Cu含量6 032 μg/g, Zn含量16 113 μg/g, As含量1 092 μg/g, Ba含量920 μg/g, Pb含量3 908 μg/g。Sr含量比海槽北段沉积物的高, 与南段沉积物相当[9]。

各站位样品中, 除了T4站样品的∑REE低于100 μg/g外, 其余站位样品介于117～196 μg/g之间, 平均160.7 μg/g, 高于冲绳海槽北段沉积物∑REE(125.68 μg/g), 与冲绳海槽南段沉积物∑REE含量(159.86 μg/g)相当, 低于长江沉积物∑REE含量(170.95 μg/g), 而高于黄河沉积物∑REE含量(138.76 μg/g)[9, 17](表1)。

经北美页岩标准化后, 样品REE分配模式整体较为平坦。T1、S5、T6、T7站样品轻稀土略富集, 重稀土相对亏损, 具弱Ce和Eu异常。T2站位样品呈现轻稀土相对亏损, 重稀土相对富集, 弱Ce异常和明显的Eu正异常。而T3、T4站样品具明显Eu正异常, REE分布形态总体与北美页岩形态类似。

4 讨论

4.1 常量元素相关性变化及其物源指示意义

冲绳海槽中段沉积物3个主因子累积方差贡献为92%, 可以代表所有分析样品的情况(表2)。第一主因子F1的贡献率为50%, 表明这对冲绳海槽中段沉积物的化学组成有着决定性的影响。与F1因子关系紧密的成分包括Al2O3、K2O, 是陆源组分的代表, 其中CaO在本组分中占49%, 有一定的比重, 代表一定程度生物源物质的加入。F2因子的贡献率为30%, 与之紧密相关的成分是MgO、Na2O、TiO2, 为火山源物质的组合。F3因子的贡献率为12%, 与之紧密相关的成分为MnO, 其中P2O5、Fe2O3在该组分中占据0.11和0.13, 以及在F1, F2因子中均有一定程度的占比, 代表热液源物质和海洋自生组分的加入。

表2 表层沉积物因子分析结果

4.2 表层沉积物化学蚀变特征

Wedepohl[19]大致计算了上地壳的矿物构成, 以斜长石、钾长石和石英为主要成分。由此可见, 上地壳的化学风化过程中, 其母源矿物主要是长石类矿物。其蕴含的Na、K等碱金属元素随地表流体的运移而流失, 黏土矿物也在此时形成(如蒙脱石, 绿泥石, 高岭石等)。同时在风化过程中, 风化产物的Al2O3摩尔分数会随着化学风化程度的加强而变化。基于此, Nesbitt等[20]提出把化学蚀变指数(CIA)作为一个指标来反映物源区风化程度。根据CIA计算公式, 对沉积物中的CaO数据进行校正, 采用McLennan的方法, 即如果CaO

A-CN-K三角图解是判断源岩成分的有效方法[23]。通过确定样品风化趋势线, 并将它与源岩进行对比, 即可判断源岩的成分。图2显示, 研究区沉积物风化趋势线位于理想风化趋势线左侧, 反映源区风化产物暂时未到受钾交代的影响。在A-CN-K图中, 根据实际风化趋势线的反向延长线与长石连线的交点, 可以大致估算物源区岩石中斜长石与钾长石之比。由此, 研究区表层沉积物物源区斜长石与钾长石的比值大致为4︰1, 表明中段表层沉积物的母岩成分接近于花岗闪长岩。

图2 表层沉积物A-CN-K图解

注: 长江沉积物与黄河沉积物数据来源参考文献[18], Pl为斜长石, Ksp为钾长石, Mos为白云母, II为伊利石, Gd为花岗闪长岩

4.3 元素富集因子

作为热液活动区, 研究区沉积物受热液产物的影响, 通常在某些元素的组成上表现出富集的趋势。这里引入了富集因子法来为判定元素是否富集, 并定量的表述其富集程度。富集因子法(enrichment factors, 以E表示)主要以Al作为参考值, 某一元素(Me)相对于地壳元素丰度的富集程度来定义:E= (Me/Al)沉积物/(Me/Al)地壳。当E值为1时, 认为目标元素来源于地壳, 未经历明显富集过程;E值位于1～10区间时, 代表该目标元素可能来源于地壳, 但经历了明显的富集过程; 当E值大于10时, 认为地壳不是目标元素的主要来源。冲绳海槽中部T3、T4站位表层沉积物的Cu、Pb、Zn、Ba、As元素富集系数均大于1。特别是T4站沉积物, Cu、Zn、Pb的富集因子远大于10, 结合图1采样站位, 指示热液活动对沉积物组成有重要贡献(表3)。

表3 表层沉积物部分元素富集因子

注: 长江沉积物与黄河沉积物数据来源于参考文献[18]

此外, Co、Ni是典型水成成因元素, 且常通过自生铁锰相矿物的吸附作用而被富集。表3中Co的元素富集系数显著较低, 而Ni的富集系数与长江、黄河略相当, 表明区内自身铁锰相可能形成于沉积期后作用。

4.4 沉积物地球化学组成与热液活动的特征

冲绳海槽中段, 热液区分布较为集中, 热液组分对沉积物组成的影响较大[24-26]。相对于热液活动区外的表层沉积物组成, 研究区沉积物常量元素中Fe2O3、MnO的含量明显更高。K2O、MgO、CaO含量变化较大, TiO2的含量很低; CaO含量较高, 但总体变化较大, 1.46%～22.6%, 表明区内生物沉积强度不一, 这可能与黑潮的活动路径有关。

研究区表层沉积物的Cu、Pb、Zn以及Ba、Mo明显较北段沉积物富集, 与南段沉积物大致相当[9], 极可能受到热液活动影响。除T1、T2站位外, 其余站位微量元素Cu、Zn、Pb、Sr、Ba含量明显较高, 特别是在T3、T4站, 沉积物显著富集Cu、Zn、Pb、Ba、As。

海洋含金属沉积物一般富集Fe、Mn、Ni、Co、Cu、Zn、Cr、U、As和Hg等元素, 而相对亏损Al、Ti等陆源元素; 元素含量比值Fe+Mn/Ti>25, 或者同时满足Fe/Al+Fe+Mn>0.5,Al/Al+Fe+Mn<0.3,Fe+Mn/Al>2.5[27]。对于无生物沉积的含金属沉积物, Fe的含量应当大于或等于10%, 同时亏损Al和Ti等元素[6]。前人对东太平洋海隆的含金属沉积物研究表明Fe的含量在6.08%～20.5%, Mn的含量在0.94%～ 5.39%, Ba的含量在1 197～10 650 μg/g, Cu的含量为92.6～1 498 μg/g, Zn的含量为34.0～404 μg/g; 如若去除钙质生物(CaCO3)的影响,Fe>10%,Mn>3%,Al/Al+Fe+Mn<0.3[28]。在冲绳海槽中段夏岛84-1, 伊平屋和伊是名热液区之间的沉积物, 受热液活动影响明显富集Cu、Pb、Zn、Hg、Co、Cd、Ni和V等元素, 这与冲绳海槽中段热液硫化物中所富集的元素一致[29]。前人基于对JADE区热液矿床硫化物和岩石的Pb同位素研究表明JADE热液区中的铅来自于沉积物和火山岩[30], 与在Lau盆地的研究结果相类似[31]。事实上, 冲绳海槽沉积物中的Pb元素富集程度要高于Lau盆地。至于沉积物中的As和Sb的富集, 可能是沉积物从热液物质中浸出这些元素的结果, 而Rubin则提出海底热液系统中大量的As和Sb也可能起源于岩浆[32]。

T3、T4站位表层沉积物样品中, CaO含量较低(1.52%, 1.46%)对其他组分影响较小, 可为去钙质沉积研究。研究区沉积物中Cu、Pb、Zn和Ba等元素含量较高, 高于一般含金属沉积物的微量元素含量, 但Mn、Fe的含量相对较低, 仅有T4站位样品略高于上述含金属沉积物; Al、Ti等陆源元素含量较高(0.60≤Al/Al+Fe+Mn≤0.71, T4站位0.12), 反映研究区样品大部分为正常沉积物。

以上沉积物元素组成表明T4站位沉积物为典型含金属沉积物, T3站位为正常沉积物与含金属沉积物之间的过渡沉积物, 其余站位沉积物为正常沉积物。

冲绳海槽的陆源物质主要来自于长江、黄河和台湾岛河流沉积物[33-34]。在表生环境中, 稀土元素的化学性质非常稳定, 其携带的物源信息不易变化, 可用于沉积物物源示踪剂[33]。由于冲绳海槽中段热液活动较为频繁, 沉积物若处在热液喷口附近, 则会继承热液流体的REE分配模式, 表现为明显的Eu正异常; 而远离喷口的沉积物, 热液流体REE特征会逐渐减弱, Eu一般无明显异常, 逐渐呈现海水的重稀土富集特征[35]。图3和表4显示, 长江沉积物与台湾岛河流沉积物的稀土总量相近, 高于黄河沉积物, 海槽中部热液硫化物稀土总量低于上述三种沉积物。源自长江、黄河和台湾岛河流的沉积物具有较为接近的(La/Yb)N、(La/Sm)N、(Gd/Yb)N比值, 指示长江、黄河、台湾岛河流三者沉积物具有较为明显的轻-重稀土、重稀土之间的分馏, 轻稀土之间分馏较弱。JADE区热液硫化物的轻、重稀土之间的分馏都很明显, 且表现明显的负铈异常与较弱的正铕异常。

图3 冲绳海槽中段表层沉积物及相关地质体北美页岩稀土配分模式

注: 长江、黄河沉积物数据来源文献[17], JADE区硫化物数据来源文献[29], 台湾岛河流沉积物数据来源文献[36], NPDW数据来源文献[37]

表4 表层沉积物与相关地质体稀土元素特征

注: 长江、黄河沉积物数据来源文献[17], JADE区硫化物数据来源文献[29], 台湾岛河流沉积物数据来源文献[36], NPDW数据来源文献[37]

研究区沉积物整体(La/Yb)N平均值1.12, (La/Sm)N平均值1.03, (Gd/Yb)N平均值1.03, δCeN为0.82～0.92, 为弱负异常, δEuN为0.98～1.41, 变化较大, 仅T6显示为负铕异常; 轻重稀土分馏不明显, 曲线较为平坦, 与长江、黄河沉积物类似[17]。结合(La/Sm)N、(La/Yb)N指标(图4), 研究区表层沉积物样品部分与台湾岛河流、黄河沉积物重合, 远离长江沉积物, 说明冲绳海槽中段表层沉积物的陆源物质主要来源于台湾岛河流与黄河。其次, 在(La/Sm)N-(La/Yb)N图解中(图4), 冲绳海槽中段沉积物并不完全位于台湾岛河流与黄河沉积物所代表的区域内, 并且部分样品轻稀土、重稀土的分馏减弱, 重稀土含量升高, 反映其他富集重稀土的物质端元的贡献, 诸如热液、岩浆活动。

图4 表层沉积物北美页岩标准化(La/Sm)N-(La/Yb)N图解

注: 长江沉积物、黄河沉积物[17], JADE区硫化物[29], 台湾岛沉积物[36], 冲绳海槽火山岩[38]

以上研究表明, 研究区表层沉积物主要源自大陆风化的陆源碎屑, 且陆源组分主要来自于黄河和台湾岛河流, 同时, 火山热液活动对其物质组成也有重要贡献。

5 结论

1) 冲绳海槽中段表层沉积物主要由陆源组分、热液组分、部分生物源组分以及自生组分构成; 富集Fe、Cu、Zn、Pb、Ba和As等元素, 其中T4站位沉积物为典型含金属沉积物, 全部样品为含金属沉积物向正常沉积物过渡; 其CIA值反映区内沉积物化学风化程度中等偏上, A-CN-K图解显示其暂未受到钾交代影响, 且其母岩成分接近花岗闪长岩。

2) 冲绳海槽中段表层沉积物主要由来自大陆风化的陆源碎屑组成, 结合(La/Sm)N、(La/Yb)N比值, 其陆源组分主要来自于黄河和台湾岛河流。此外, 受热液活动影响, 冲绳海槽中段部分样品表现出与热液流体相似的正铕异常的稀土特征。

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Provenance identification of sediments in the central Okinawa Trough and its implications for hydrothermal activity

WEI Jie-rui1, 2, HUANG Peng1, 2

(1. CAS Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Surface samples in hydrothermal fields of the central Okinawa Trough are analyzed for major and trace element composition. Results propose that the samples are mainly composed of terrestrials and hydrothermal materials. The deposits are an enrichment of trace elements such as Hg, Au, Sb, Cu, Pb, Zn, Ba, As, and Co, which have moderate chemical alteration index (CIA) values and are not affected by potassium replacement. The A-CN-K diagram shows that the parent rock composition is close to granodiorite. The standardization rare earth elements (REE) distribution pattern of North American Shale is relatively flat, which implies the slight fraction between light-group rare earth elements (LREE) and heavy-group rare earth elements (HREE). Part of samples have positive Eu anomalies similar to those of hydrothermal fluids. Under the influence of hydrothermal activity, some sediments are prominently enriched in Fe, Cu, As, Pb, and Zn. Combined with the location of the samples, the spatial distribution shows a pattern of metalliferous sediments-transitional sediments-normal sediments. This pattern and ratios of (La/Sm)Nand (La/Yb)Nindicate that the terrigenous component of the samples in the central Okinawa Trough comes mainly from the Yellow River and Taiwan island river.

Okinawa Trough; hydrothermal activity; surficial sediments; provenance

Jan. 19, 2021

P67

A

1000-3096(2021)12-0008-10

10.11759/hykx20210119002

2021-01-19;

2021-03-12

国家自然科学基金项目(41576055); 中国科学院战略性先导科技专项(XDB42020303)

[National Natural Science Foundation of China, No. 41576055; Chinese Academy of Sciences Strategic Leading Science and Technology project, No. XDB42020303]

魏杰瑞(1996—), 男(汉族), 湖北省潜江人, 硕士, 主要从事海洋沉积学研究, E-mail: 873340421@qq.com; 黄朋(1972—),通信作者, E-mail: huangpeng@qdio.ac.cn

(本文编辑: 赵卫红)