印度洋东经90°海岭现代沉积物稀土元素组成及其物源示踪意义

齐文菁，李小艳，范德江，张辉，殷征欣，刘升发

1. 中国海洋大学海洋地球科学学院，青岛 2661002. 自然资源部第一海洋研究所，自然资源部海洋地质与成矿作用重点实验室，青岛 2660613. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室，青岛 2662374. 国家海洋局南海调查技术中心，广州 510275

稀土元素（REE）具有相似的地球化学性质和低溶解度，通常情况下物理化学性质稳定，在风化、搬运和沉积过程中基本不会被破坏，其组成主要受源岩类型控制[1-3]。因此REE被广泛应用在物源示踪方面，并已取得了良好效果[4-5]，其空间分布规律可指示不同来源物质的沉积过程[6]，而其时间变化序列则可反演过去地质时期沉积环境演化历史[7]。

东经90°海岭大致沿东经90°线延伸，将孟加拉湾分隔为西部盆地和中央盆地，海岭北至孟加拉大陆架的西缘，南至中印度洋海盆的阿法纳西-尼基廷海山，其大部分被孟加拉沉积扇覆盖[8-9]。前人对东经90°海岭海岭的起源、性质和沉积记录有一定研究[10-15]，海岭区域沉积速率相对稳定，沉积记录连续，沉积物主要为生物成因的远洋CaCO3[12]，碳酸盐组分高[15]。

研究区北部水动力条件以孟加拉湾表层环流为主，孟加拉湾冬季盛行东北风，表层环流呈逆时针方向，夏季盛行西南风，表层环流呈顺时针方向[16]。西南季风盛行时，顺时针方向的孟加拉湾环流通过普雷帕里斯海峡进入安达曼海，东北季风盛行时，表层环流继续向南流动，与印度尼西亚沿岸的表层洋流汇合，通过十度海峡和格雷特海峡流动至海岭[17]。此外，前人一般认为海岭北部还存在一定的浊流作用[18]；在印度洋赤道以南有一支较强的赤道逆流，流速较大[19]，研究区南部在赤道逆流影响范围内。印度洋赤道以南9月后受东南信风控制，赤道以北冬末春初受东北季风的控制[20]。

为此，本文以东经90°海岭北部42个表层沉积物为研究对象（图1），开展现代沉积物REE组成特征研究，揭示其空间分布规律，探讨影响其组成的主要因素及其蕴含的沉积物“源-汇”过程信息，为理解热带印度洋陆海相互作用提供理论支撑。

图1 研究区地理位置表层环流和赤道逆流据文献[19，21]改绘。Fig.1 Location of the study areaCirculation patterns and Equatorial countercurrent are modified from [19, 21].

1 材料与方法

本文使用样品为国家海洋局南海调查技术中心2019年在东经90°海岭海域利用箱式取样器获取的42个表层沉积物，取样水深范围为2235～4744 m。每个站位选取表层5 cm的无扰动样品进行元素地球化学和粒度测试，样品的预处理及测试分析在自然资源部海洋地质与成矿作用重点实验室完成。

粒度分析测试：称取适量的沉积物样品，加入约15 mL3%的H2O2静置24 h以上除去有机质，之后加入3 mol/L的稀HCl约5 mL静置24 h以上除去钙质组分，待反应完全后，离心清洗直至中性。超声振荡后上机测试。所用仪器为英国Mastersizer3000型激光粒度仪，粒度仪分析范围为0.02～2000 μm，样品经重复测量，相对误差小于3%。采用矩法计算沉积物平均粒径[22]。

元素地球化学测试：将待测样品冷冻干燥后，研磨至200目，放置烘箱110 ℃烘干2 h，准确称取50 mg样品于聚四氟乙烯消解罐中，加入3 mL1：1的高纯HNO3和HF，密闭后放置于烘箱中190 ℃保持48 h，待样品冷却后置于电热板150 ℃蒸干赶尽HF后加入3 mL50%的HNO3，密闭后置于温度150 ℃的烘箱中提取8 h以上，冷却后移液定容待测。用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）法测定REE含量，用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）法测定常量元素含量。测试分析过程严格控制流程空白，用GSD-9标样作为质控样，选取10%重复样监测精密度，测试相对误差小于6%。

2 结果

2.1 粒度组成特征

东经90°海岭上42个表层沉积物砂组分的含量为18.49%～53.38%，平均含量24.28%，其空间分布表现为西南部含量高、东北部含量低；粉砂组分的含量为32.48%～56.45%，平均含量51.23%，其空间分布特征与砂粒级组分分布相反；黏土组分的含量为14.15%～30.18%，平均含量24.49%，其中粗黏土（8～10 Φ）平均含量较高，细黏土占比小于1%，分布特征与粉砂组分含量的空间分布特征一致。从平均粒径来看，研究区沉积物颗粒的空间分布整体上呈现西南部较粗、东北部较细的特征，沉积物的分选性差（图2）。

图2 东经90°海岭42个表层沉积物粒度组成a. 砂含量，b. 粉砂含量，c. 黏土含量，d. 平均粒径，e. 分选系数，f. 偏态，g. 峰态。Fig.2 The grain size distribution of 42 surface sediments in the Ninetyeast Ridgea. Sand content, b. silt content, c. clay content, d. mean grain size, e.sorting coefficient, f. skewness, g. kurtosis.

2.2 REE含量及空间分布特征

研究区表层沉积物REE含量总体偏低，稀土元素 总 含 量（∑REE）为26.37～156.80 μg/g，平 均为57.35 μg/g；轻 稀 土 元 素 含 量（∑LREE）为21.30～136.37 μg/g，平 均 为47.77 μg/g；重 稀 土 元 素 含 量（∑HREE）为4.91～20.43 μg/g，平 均 为7.94 μg/g。∑LREE明显较∑HREE高（表1），∑REE、∑LREE、∑HREE在空间上均表现出南北高中间低的特征（图3）。

图3 东经90°海岭42个表层沉积物REE分布a. ∑LREE, b. ∑HREE, c. ∑REE,d.δEu, e. δCe, f. (La/Yb)N, g. (Sm/Nd)N。Fig.3 REE composition of 42 surface sediments in the Ninetyeast Ridgea. ∑LREE, b. ∑HREE, c. ∑REE, d. δEu, e. δCe, f. (La/Yb)N, g. (Sm/Nd)N.

表1 东经90°海岭及周边区域沉积物REE组成Table 1 REE composition of sediments of the Ninetyeast Ridge and adjacent areas

2.3 REE配分模式

一般认为球粒陨石作为地球原始物质不存在分异现象，本文将42个表层样品REE用球粒陨石进行标准化，消除元素奇偶效应，并反映样品的分异程度，进而反映物源区地球化学特征[28]。从标准化后的REE配分图来看，海岭区域表层沉积物LREE较富集，HREE相对低而均一，存在Ce负异常和Eu负异常（图4）。

图4 东经90°海岭表层沉积物及周边区域沉积物REE配分图Fig.4 Distribution pattern of the REE composition of 42 surface sediments in the Ninetyeast Ridge and adjacent areas

δEu和δCe分别反映了Eu和Ce的异常程度。海岭42个表层沉积物REE的δEu值为0.71～0.79，平均值为0.77，而δCe则为0.46～0.97，平均值为0.75。

3 讨论

3.1 REE控制因素

沉积物中的REE含量主要受控于物源区岩石组分，此外还受到沉积物类型等其他因素的影响[1,3]，因此在用REE进行分析、追踪物源时，应先对这些影响因素进行探讨。

重矿物对沉积物中REE含量有显著影响，不同矿物中REE含量不同，锆石、电气石、石榴石等富集HREE，角闪石、榍石、独居石、磷灰石等富集LREE和中稀土元素（MREE）[29]。研究区沉积物总体偏细，砂质组分平均含量为24.28%，这就导致本区域重矿物含量很低，研究区北部的孟加拉下扇区重矿物总含量平均值仅为0.04%，而与REE密切相关的重矿物更是鲜有分布[30]。因此在海岭区域重矿物对REE分布的影响可以忽略。

REE倾向于在黏土粒级沉积物中富集[31]，而在粗颗粒沉积物中亏损，因此沉积物的粒度可能会影响REE的分布。为此分析了平均粒径与∑REE之间的线性关系（图5），二者之间的相关系数为0.02，没有明显的相关性，因此粒度对研究区REE的分布影响很小，这可能主要受控于研究区低能沉积环境导致的沉积物均一化分布格局。

研究区沉积物与伊瓦洛底江、克里希纳-戈达瓦里河河等河流以及苏门答腊岛样品的REE配分模式相似，显示出强烈的陆源信号，而沉积物中铁元素与钛、铝（陆源指示元素）相关性极强，相关性均接近于1，表明铁元素主要来源于陆源碎屑。铁元素与锰元素的相关性相对于陆源指示元素较低（相关性约为0.6）（图5），说明海岭区域自生铁锰氧化物和氢氧化物的含量较低。因而陆源物质对研究区REE的影响占主导因素，自生铁锰氧化物和氢氧化物的影响较小，可以排除自生源物质对研究区REE组成的影响。

图5 东经90°海岭42个表层沉积物REE与平均粒径及有关元素的相关性Fig.5 Correlation between REE and mean grain size and related elements of 42 surface sediments on the Ninetyeast Ridge

3.2 REE物源指示意义

研究区沉积方式为半远洋沉积[13]，其北部表层沉积物粒度较细，与安达曼海西部沉积物粒度接近[32]，表明环流带来的安达曼海物质是北部区域沉积物组成的重要影响因素。

研究区42个站位的∑REE与陆源物质的代表性元素Ti相关性很强（R2=0.95），说明陆源物质是影响本区域沉积物REE分布的主要因素。∑REE、∑LREE、∑HREE在空间上均表现出南北高中间低的特征，表明研究区南北区域REE分布受到2个不同端元的控制（图3）。

通常陆源物质的∑LREE相对较高，火山源物质∑HREE相对较高，几乎无Eu异常；生物源物质的∑REE较低，而MREE轻微富集[33]。从REE的配分模式来看，海岭表层沉积物与伊瓦洛底江、戈达瓦里河-克里希纳河、恒河-布拉马普特拉河等河流[25-27]以及苏门答腊岛近海样品的配分模式基本相似，LREE含量高，HREE缺乏，Eu有明显负异常，相对于海水中HREE稍富集的特征，本区域沉积物表现出明显陆源属性；Ce 负异常主要与生物碳酸盐等自生沉积物有关，碳酸盐含量越高，δCe 值越低[34]。研究区气候温暖，生物沉积作用强，受其影响沉积物碳酸盐含量高[15]，造成本区域沉积物有明显的Ce负异常。

上述分析表明，研究区沉积物由陆源物质与生物源物质混合组成，沉积物组成表现出明显的陆源属性，但受到了一定程度的生物稀释作用。研究区位于孟加拉扇深海端、安达曼海和苏门答腊岛三者之间，从研究区的地理位置、环流特征以及上述样品粒度和REE空间分布特征来看，其陆源物质的潜在来源包括印度半岛及喜马拉雅山来源，伊洛瓦底江来源和苏门答腊岛来源。从REE配分模式来看，研究区表层沉积物与上述区域样品的REE配分模式也有一定相似性，表明这几个端元可能影响着研究区的沉积物组成。

为分析研究区内不同区域的物质来源，选取沉积物∑REE、∑LREE/∑HREE、（Sm/Nd）N、（La/Yb）N、δEu、δCe等特征参数，使用SPSS 24软件，对42个表层沉积物采用组间距离法进行Q型聚类分析，将特征相似的样品聚为一类。分析结果显示，研究区的沉积物分为3种类型，由北向南过渡为3个区域（图6）。

考虑到研究区沉积物的（Sm/Nd）N和δEu与平均粒径相关性差，粒度对其结果没有影响，我们使用（Sm/Nd）N-δEu指标，选取了伊洛瓦底江[25]、克里希纳-戈达瓦里河[26]、默哈纳迪河[26]、恒河-布拉马普特拉河[27]和“全球变化与海气相互作用”专项“东印度洋IND-CJ01区块调查区块海底底质和底栖生物调查（GASI-02-IND-CJ01）”项目获取的苏门答腊岛西南部近岸海域BS24钻孔样品数据绘制物源判别图，对研究区表层沉积物的来源进行分析。由图6可知，研究区沉积物的落点与恒河-布拉马普特拉河、默哈纳迪河范围均较远，与克里希纳-戈达瓦里河范围接近但没有明显重合，而与伊洛瓦底江的落点范围重合，且越往北的站位，与伊瓦洛底江的关系越近，Ⅰ区落点完全在伊洛瓦底江范围内，Ⅱ区部分落点在范围内。

图6 90°海岭表层沉积物分区（a）及物源定性判别（b）Fig.6 Different zones for the surface sediments of the Ninetyeast Ridge (a) and provenance identification (b)

此外，我们使用判别函数FD来验证上述结果，寻找其他可能源区，并判断研究区沉积物与不同物源之间的接近程度。本文选取Sm/Nd指标，以伊洛瓦底江、克里希纳-戈达瓦里河和苏门答腊岛样品的平均值为端元，计算研究区沉积物的FD值，计算方法为[35]：

式中，i为两元素之比（Sm/Nd）；Cix为研究区沉积物中Sm、Nd的比值；Cim为端元沉积物中Sm、Nd的比值。FD值越小，说明研究区沉积物与端元的关系越接近。

由表2可知，位于海岭北部的Ⅰ区沉积物与伊洛瓦底江和克里希纳-戈达瓦里河关系较为接近，其中伊洛瓦底江影响程度明显更大。海岭北部的浊流活动带来的沉积物往往是细颗粒物质[12]，但从表层沉积物的平均粒径分布特征来看（图2），研究区东北部的沉积物多为粉砂或粗黏土，细黏土含量很少，并且与安达曼海西部沉积物粒度特征接近[32]，表明研究区北部更多地受到环流的影响，其沉积物主要是环流带来的伊瓦洛底江物质，而非浊流或风力带来的印度半岛细颗粒物，物源判别图中Ⅰ区与伊洛瓦底江落点范围重合也证明了这一点（图6）。

表2 东经90°海岭表层沉积物REE判别函数（FD）计算结果Table 2 The REE discrimination values for 42 surface sediments of the Ninetyeast Ridge

位于研究区中部的Ⅱ区与3个端元的FD值接近，为混合沉积区。Ⅱ区的粒度和REE特征与Ⅰ区相似，并且在物源判别图中（图6）Ⅱ区与伊洛瓦底江落点范围有部分重合，这表明海岭北部的浊流和环流活动仍影响着Ⅱ区的物质搬运。此外，根据Kolla等对东印度洋的黏土矿物研究，海岭的5°N和15°S之间受到印尼群岛火山活动影响（Ⅱ区纬度范围大致在4°N—1°S之间），海岭区的蒙脱石主要来源于印度尼西亚，其主要运输动力是风[36]。

从FD值来看，位于研究区南部的Ⅲ区沉积物与苏门答腊岛关系最为接近。与Ⅰ区和Ⅱ区相比，Ⅲ区沉积物的粒度和元素特征出现明显变化，其沉积物平均粒径较粗（图2），REE含量较高（图3），并且在物源判别图中（图6）Ⅲ区与伊洛瓦底江落点范围没有重合，这表明在本区域环流和浊流的影响已经减弱，而苏门答腊岛陆源物质成为影响沉积物分布特征的重要因素。结合张振芳等[12]对海岭上陆源物质运输机制的探讨，研究区南部的陆源沉积物主要为赤道东风或东南季风带来的印尼群岛物质。此外，研究区南部附近存在一支较强的赤道逆流[19]，能够携带苏门答腊岛物质自西向东搬运。

综合研究区表层环流特点和上述分析结果，研究区陆源沉积物存在3个来源：研究区北部沉积物运输主要依靠环流，夏季西南季风盛行时，顺时针的孟加拉湾环流通过普雷帕里斯海峡，将伊洛瓦底江河口输入物质运送至安达曼海，冬季孟加拉湾表层环流继续向南流动，汇合印度尼西亚沿岸的表层洋流，将安达曼海的物质和苏门答腊岛沿岸物质，通过十度海峡和格雷特海峡继续运送至东经90°海岭中北部海域并沉积；此外研究区北部的浊流活动能将印度半岛细颗粒物质搬运至海岭沉积。研究区南部沉积物主要来源于苏门答腊岛，其主要运输动力为风[12]，赤道南侧的一支较强赤道逆流也可能影响着苏门答腊岛的物质运输。

4 结论

（1）东经90°海岭42个表层沉积物中，∑REE变化范围为26.37～156.80 μg/g，平均为57.35 μg/g。经球粒陨石标准化后，REE的配分模式表现为LREE富集，具有明显陆源特征，HREE相对缺乏而均一，存在明显的Ce负异常和Eu负异常。

（2）东经90°海岭42个表层沉积物REE组成主要受源区岩石成分控制，也受到一定的生物碳酸盐影响，受沉积物粒度、类型和重矿物等的影响较小。基于REE主要特征参数可以将研究区分为3个区，由北向南依次为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区。

（3）（Sm/Nd）N-δEu物源判别图以及判别函数（FD）计算结果显示，Ⅰ区沉积物主要来源是伊洛瓦底江输入的陆源物质，次要来源是克里希纳-戈达瓦里河陆源物质输入的印度半岛物质；Ⅱ区为伊洛瓦底江物质、印度半岛物质和苏门答腊岛物质的混合沉积区；Ⅲ区沉积物主要为赤道季风或赤道逆流带来的苏门答腊岛陆源物质。

致谢：“海测3301”号调查船全体船员参与了研究区沉积物采集，自然资源部第一海洋研究所李贞、崔菁菁、王小静、朱爱美协助进行了沉积物粒度和地球化学测试，作者在此一并表示感谢。