南黄海NT2孔沉积物物源研究①

蓝先洪 张志珣 李日辉 丁 东

(青岛海洋地质研究所 山东青岛 266071)

0 前言

长江和黄河两大水系中大量的沉积物汇入南黄海陆架,对南黄海沉积作用有着重要影响。前人已从矿物学和元素地球化学角度进行了不同程度的研究,初步得出了在不同的区域内,黄河、长江物源及朝鲜半岛物源影响作用不尽相同的重要结论[1～15],但在物源贡献上仍然存在不同的看法[16]。南黄海西部受黄海沿岸流的作用,主要接收黄河带来的物质[3,4,11];东部是强潮流作用环境,有朝鲜半岛入海河流(如锦江、荣山江等)的加入[6,9,10];南部受到南黄海冷水团的影响,有长江等沉积物自南向北输入[1,13,15]。海底沉积物稀土元素的丰度、配分模式和配分参数对于探讨沉积物的形成条件、物源区性质和气候环境具有重要意义,目前对于海洋沉积物的稀土元素(REE)的研究主要集中在表层或柱状样沉积物REE地球化学特征、分布及其控制因素等方面[17～22],利用钻孔中REE特征进行系统的研究还比较缺乏;李双林等对南黄海盆地北缘的YA01孔沉积物稀土元素组成作了研究[23],但至今对苏北岸外南黄海陆架区钻孔的稀土元素分布特征研究尚未见有报道。本文依据国土资源地质大调查取得钻孔资料,分析了苏北岸外南黄海陆架区NT2孔岩芯的稀土元素分布特征,并对该孔的物质来源作了初步分析。

1 样品与分析方法

南黄海海洋区域地质调查于2002年10月在南黄海海域进行了地质浅钻调查,其中NT2孔孔深70.45 m(33°27.5377'N、122°15.4904'E,水深35.40 m),位于苏北岸外南黄海陆架西南部海域(图1,黄、东海流系据文献[3]).T2孔共采集不同层位的各类岩芯样品(大致按1 m的间隔,岩性分层时加密)72个用于稀土元素分析。

图1 南黄海NT2孔位置示意图Fig.1 Sketch map of positions of Core NT2 from the South Yellow Sea

室内样品分析在国土资源部青岛海洋地质研究所测试中心完成。对NT2孔沉积物15个稀土元素进行了分析测试。试样经过氧化钠熔融后,用水提取,稀土元素形成氢氧化物沉淀,加三乙醇胺掩蔽铁、铝,加EDTA络合钙、钡,过滤。稀土元素氢氧化物沉淀溶于2 mol/L盐酸,经强酸性阳离子交换树脂分离富集后,再用5 mol/L盐酸洗提,蒸发定容后采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定15个稀土元素含量。分析过程中进行了重复样和标样分析,稀土元素分析的相对偏差小于5%。

2 分析结果与讨论

2.1 分析结果

14C和ESR测定结果表明,NT2孔沉积物记录了苏北岸外南黄海陆架区大约中更新世中、晚期以来的沉积历史。依据NT2孔沉积物稀土元素含量的变化,并参考钻孔中有孔虫和孢粉等其他古环境指标①青岛海洋地质研究所。1∶100万南通幅海洋区域地质调查报告。2007的沉积环境的分析结果,可将NT2孔自上而下分为5层(图2和图3)。

第1层深度为0.0～5.50 m,稀土元素含量从上而下逐渐增高(图2),ΣREE介于187～234μg/g,平均为212μg/g。各稀土元素在地层中的变化趋势非常一致,表层最低,向下增加。沉积物以砂质粉砂、粉砂为主(图3),4.54～4.69 m14C年代为9 750a±240a BP,该层为全新世浅海沉积,相当于氧同位素1期。

第2层深度为5.50～19.30 m,稀土元素含量总体上从上而下逐渐降低,ΣREE介于184～232μg/g,平均为209μg/g;沉积物以砂质粉砂、粉砂为主,对应环境上部(5.55～13.00 m)为陆相沉积,下部为近岸浅海沉积。该层沉积相当于晚更新世晚期的氧同位素2期。

第3层深度为19.30～27.00 m,该层稀土元素含量从上而下逐渐增加,ΣREE介于152～197μg/g,平均为170μg/g;沉积物为砂质粉砂、粉砂质砂和砂,对应沉积环境上部为近岸浅海沉积,下部(25.05 ～27.00 m)为陆相沉积环境。该层20.95～21.05 m和25.30～25.35 m的ESR年代分别为21.4 ka BP和24.7 ka BP,上部近岸浅海相当于晚更新世晚期的氧同位素3期,而下部陆相相当于晚更新世晚期的氧同位素4期。

第4层深度为27.00～54.60 m,该层沉积物为粉砂和砂质粉砂(图3),对应沉积环境为近岸浅海。稀土元素含量从上而下逐渐增高,ΣREE介于183～228 μg/g,平均为204μg/g;该层44.10～44.16 m和53.60 ～53.67 m ESR年代分别为62.2 ka BP和116.6 ka BP,相当于晚更新世早期的氧同位素5期。

图2 南黄海NT2孔稀土元素分布图Fig.2 REE distributions in Core NT2 from the South Yellow Sea

第5层深度为54.60～70.31 m,稀土元素含量变化较大,从上而下先降后升,在底部出现NT2孔的最高值,ΣREE介于128～248μg/g,平均为170μg/g (图3)。上部沉积物为灰色细砂夹深灰色粉砂质黏土薄层,下部沉积物为细砂与粉砂质细砂(图4),本层沉积环境为滨岸相与陆相交替。该层56.00～ 56.07 m和69.62～69.70 m ESR年代分别为138.6 ka BP和674 ka BP,相当于中更新世中、晚期沉积。

图3 南黄海NT2孔ΣREE、ΣLREE/ΣHREE、δEu、δCe和沉积物类型垂向变化Fig.3 Downcore variations ofΣREE,ΣLREE/ΣHREE,δEu,δCe and sediment type in the sediments of Core NT2 from the South Yellow Sea

图4 黄河、长江和NT2孔沉积物岩芯上地壳标准化稀土元素配分模式Fig.4 UCC-normalized REE distribution patterns of samples in Yellow River,Yangtze River and Core NT2

在球粒陨石标准化[24]情况下所计算的样品δEu值在0.59～0.71之间,变化范围小且均显示明显的负Eu异常,表明相对于球粒陨石沉积物已经产生明显的分异,分异程度接近大陆地壳。在球粒陨石标准化情况下计算的样品δCe值在0.86～1.05之间,没有明显的Ce异常。图3中δEu和δCe值随深度的变化曲线表明,δEu和δCe值随深度的变化与ΣREE的变化基本同步,在ΣREE明显变化的位置,δEu和δCe值也相应具有明显变化,但δEu值和δCe值的变化与ΣREE的变化趋势不尽相同,在第3、4层δCe值与ΣREE的变化大致呈镜像关系,第5层δCe值的变化与ΣREE的变化趋势相同,而δEu值第5层则与ΣREE的变化趋势相反。ΣLREE/ΣHREE变化范围在3.34～4.42,其变化与ΣREE、δEu和δCe值的变化均有所不同,可能反映了LREE/HREE变化主要与沉积环境和物质来源变化有密切关系。

依据长江、黄河沉积物的分析数据[25],采用上地壳(UCC)[26]对稀土元素标准化(图4)。由图4可见长江、黄河沉积物的稀土元素具有相同分布模式, REE分异不明显,均呈现Ce弱的负异常和Eu弱的正异常.T2孔岩芯的稀土元素分布模式比较平缓, 0～5.50 m、5.50～19.30 m和27.00～54.60 m更接近于长江沉积物稀土元素分布模式,而19.30～ 27.00 m和54.60～70.31 m更接近于黄河沉积物稀土元素分布模式。

2.2 稀土元素组成的控制因素

沉积物中REE组成主要受沉积物源区的源岩、粒度、矿物组成、化学风化和成土作用强弱以及人类活动等控制[27],而受风化剥蚀、搬运、水动力、沉积、成岩及变质作用影响小。虽然一些研究揭示,化学风化强烈时,沉积物的REE组成会出现明显的分异,而明显偏离源岩组成,但是不少学者也认为,沉积物的物源仍然是控制REE组成的最重要因素[27],因而REE常用作为沉积物的物源示踪剂。黄河沉积物REE组成主要继承了黄河流域黄土的特征,长江REE特征受该流域下古生代、中生代泥岩地层及中、上游地区石灰岩分布的制约,而化学风化对黄河和长江REE的组分影响较弱[28,29];长江与黄河沉积物的稀土元素(REE)组成特征不同,复杂的源岩决定了长江沉积物中的REE含量变化比黄河沉积物中的高,元素含量变化也大于黄河样品(图4)。

NT2孔的化学风化指数[27](CIA)值为48～73,∑REE组成与化学分化指数(CIA)之间呈弱正相关(图5),表明该孔化学分化作用对NT2孔REE含量影响较小。粒度对元素的控制作用被认为是对元素含量的主要控制因素[7],稀土元素总量的变化也受粒度变化的控制,一般细粒级的泥和粉砂质泥较粗粒级的砂和粉砂含量高[7].T2孔沉积物中稀土元素含量的垂向变化研究表明,稀土元素地球化学特征与不同类型沉积物有一定关系(图3),有向细粒沉积物富集的趋势,∑REE与细粒沉积物呈正相关,而与砂质沉积物呈负相关,但NT2孔这种趋势不是很明显, NT2孔沉积物的∑REE与沉积物粒度平均值之间呈弱的正相关性(图6),反映出粒度对NT2孔沉积物中REE的控制作用并不显著。

沉积物中一些重矿物对沉积物的REE含量及配分形式有显著影响,锆石、石榴石、电气石、榍石、褐帘石、角闪石、磷灰石和独居石等它们在沉积物中含量变化也会对整个沉积物的REE组成及模式产生较大影响[28].T2孔沉积物中含有角闪石、磷灰石、石榴石、榍石和锆石等重矿物,角闪石平均含量为5.0%,其他重矿物平均含量在0.1%～1.0%;NT2孔在孔深2.08～10.04 m和大于52.88 m的沉积物中重矿物含量较高①青岛海洋地质研究所。1∶100万南通幅海洋区域地质调查报告。 2007.T2孔在该段∑REE并没有明显变化(图3),说明NT2孔重矿物对REE含量影响不明显。因此可以说NT2孔沉积物REE的变化主要是由沉积物组分的变化造成的。

图5 NT2孔∑REE与CIA的相关图Fig.5 Correlation between∑REE and CIA of Core NT2

图6 NT2孔∑REE与平均粒径的相关图Fig.6 Correlation between∑REE and average grain diameter of Core NT2

2.3 NT2孔沉积物物源判别

王颖等[30]和张家强等[31]对南黄海西部陆架区潮流沙脊沉积特点和水动力研究认为,潮流沙脊的物质来源主要受古长江-现代长江流域的影响,黄河物质主要在全新世最大海侵以来对其北部产生影响。秦蕴珊等[2]发现晚更新世低海面时期在南黄海西部存在埋藏古河道,分布在水深40～80 m,根据古河道的地理位置和沉积物中富含CaCO3,认为是古黄河河道。杨子赓[32]通过对QC2(34°18'N、122°16'E,水深49.05 m)粒度、浅层剖面和矿物组合研究认为黄河对南黄海陆架的作用主要在全新世,而长江则从早更新世就存在古长江三角洲,古长江及古黄河是南黄海苏北岸外陆架最主要陆缘物源区。南黄海表层沉积物稀土元素研究表明,西部沉积物主要来源于黄河及长江物质输入,韩国河流沉积物对南黄海的影响主要在124°30'以东区域[22]。

用判别函数(DF)来表示黄河和长江沉积物同该区域物质的接近程度,DF值越接近0,表示两种沉积物越接近。判别函数计算方法为:DF=|(E1/ E2)南黄海/(E1/E2)黄河或长江-1|。依据现代长江和黄河沉积物的对比研究结果及数据[25],选择∑LREE/∑HREE系统计算了NT2孔沉积物的DF值。

图7为∑LREE/∑HREE的判别函数。判别函数越小,表明沉积物化学成分越接近研究区沉积物组成。图7表明长江、黄河判别函数(DFcj、DFhh)都较小,反映出黄河、长江物质为该区域的主要影响要素,外来物质对该区域影响较小。

图7的判别函数表明,长江和黄河的判别函数值都小于0.5,说明长江、黄河物源为该孔的主要沉积物来源。在19.30～27.00 m和54.60～70.31 m岩芯段中黄河DF值均小于其它岩芯段,同时也小于长江DF值,说明本区域这段岩芯所对应的沉积物来源更接近黄河;而在19.30 m以上、27.00～54.60 m岩芯沉积物中的长江DF值较上述岩芯相比都小,说明南黄海NT2孔中这三段岩芯沉积物与长江关系更近。

判别函数(DF)和稀土元素的配分模式表明,南黄海NT2孔沉积物物质主要来源于长江和黄河。 NT2孔中粒度、重矿物和化学分化作用对 NT2孔REE含量影响较小,因此NT2孔沉积物REE的变化主要是由沉积物组分的变化造成的。

NT2孔沉积物δEuN-ΣREEs关系图(ΣREEs不含Y值)[33]揭示了该孔沉积物物源存在明显差异(图8)。0～5.50 m、5.50～19.30 m和27.00～ 54.60 m的样品数值大部分落在了长江沉积区,而19.30～27.00 m和54.60～70.31 m的样品数值基本上都落在了黄河沉积物区内。

图7 南黄海NT2孔沉积物的∑LREE/∑HREE判别函数变化Fig.7 Variation of discriminate function of∑LREE/∑HREE for sediments in Core NT2 of the South Yellow Sea

图8 南黄海NT2孔沉积物δEuN-ΣREEs关系图Fig.8 Correlation betweenδEuN and∑REEs for sediments in Core NT2 of the South Yellow Sea

NT2孔下部70.31～54.60 m沉积物主要为黄河源,该段56.00～56.07 m和69.62～69.70 mESR年代分别为138.6 ka BP和674 ka BP,相当于中更新世中、晚期沉积。源区沉积物环境和物质特征是南黄海沉积物组成的主要影响因素之一。潘保田等[34]研究表明,现代黄河东流入海的格局至少在1.165 Ma前就已出现。黄河沉积物主要来源于黄土高原,黄河流域以蒸发盐和碳酸盐类风化为主[35],黄河流域物理风化占主导地位,物理风化时REE一般不会产生分异,其REE特征继承了黄土的REE组成特点,REE分异作用较弱,这就决定了沉积物的轻、重稀土元素分异程度(LREE/HREE)相对较弱(图3)。随着海平面上升和源区沉积环境变化,NT2孔中下部54.60 ～27.00 m沉积物转换为以长江源为主要来源,该段44.10～44.16 m和53.60～53.67 m ESR年代分别为62.2 ka BP和116.6 ka BP,相当于晚更新世早期近岸浅海沉积。由于组成长江沉积物的来源相对黄河而言更为复杂,而且长江流域的酸性岩浆发育[35],因此长江沉积物的REE含量比较高(图3)。杨子赓[32]研究认为南黄海陆架存在古长江三角洲,长江从早更新世到现代已对南黄海陆架起主要作用。

NT2孔中部27.00～19.30 m沉积物主要为黄河源,20.95～21.05 m和25.30～25.35 m的ESR年代分别为21.4 ka BP和24.7 ka BP,上部近岸浅海为更新世晚期的末次冰期中间冰阶(暖期)的海侵层,而下部陆相为晚更新世晚期的早玉木冰期。海平面变化是南黄海沉积物的来源和物质供应量的主要控制因素之一,因而也是沉积物REE特征的主要控制因素之一。随着海平面下降,苏北岸外南黄海陆架沉积物的来源也相应发生了变化,由以沉积长江沉积物为主,转变为以沉积黄河沉积物为主,前人研究也认为晚更新世晚期黄河已流入黄海陆架区[36],使得沉积物的REE具有类似黄河沉积物的特征(图4).T2孔19.30 m以上沉积物以长江源为主,上部5.50～ 19.30 m相当于晚更新世晚期的末次冰期晚期沉积,主要为陆相和滨岸相;顶部0～5.50 m为全新世滨岸及浅海沉积;南黄海陆架随着海平面上升,全新世海侵逐步由南向北扩展,体现在该孔海相性逐渐增强,而黄河对南黄海的影响相对减弱[37].oshihiro等[38]研究表明,在南黄海中西部的Sr同位素比值87Sr/86Sr介于0.720 3～0.723 7之间,与长江中、下游泛滥平原细粒沉积物的87Sr/86Sr平均值(0.7214)相当[39],可见Sr同位素比值特征表明南黄海中西部表层沉积物源于长江。南黄海表层沉积物物源逐步判别分析也表明[40],南黄海西部靠近现代长江口和老长江口,以长江源物质占优势,该区沉积作用明显受到现代长江物质输运和古长江三角洲物质再悬浮扩散机制的影响。随着海平面上升和黄海暖流的作用,全新世以来很可能来源于黄河的物质在此沉积下来逐渐减少,而长江物质相对逐渐增加,从而造成了这一时期沉积物稀土元素的组成特征发生了变化。

3 结论

南黄海NT2孔稀土元素分布特征表明,稀土元素组成的垂向变化可自上而下分为5层。相关分析揭示粒度和化学风化对REE组成影响较小。判别函数和稀土元素配分模式研究表明南黄海NT2孔沉积物物源主要为长江源和黄河源;REE判别图解揭示NT2孔上部0～5.50 m,5.50～19.30 m沉积物主要为长江源,中部19.30～27.00 m和下部54.60～ 70.31 m沉积物主要为黄河源,其间夹近28 m厚沉积物则主要为长江源,可见黄河在中更新世中晚期已开始对南黄海陆架沉积作用有明显影响,而长江从晚更新世早期到现代对南黄海陆架起着主要作用。

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