西北冰洋表层沉积物黏土矿物分布特征及物质来源

董林森，刘焱光＊，石学法，方习生，陈志华，闫仕娟，黄元辉

（1.国家海洋局 第一海洋研究所 海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室，山东 青岛266061）

1 引言

海相黏土矿物由于富含金属元素和污染物且在搬运和沉积后相对稳定不会发生矿物或者化学组分的转变而被作为一种长距离搬运的示踪矿物［1］。相关研究表明沉积物黏土矿物的丰度在时间和空间上的变化可以用来指示沉积物来源［2—4］。

北冰洋西部海洋沉积物黏土矿物组成特征研究的相关报道比较少［2—8］，对黏土矿物来源的意见也不统一。在以加拿大海盆为主的北冰洋深水区，黏土矿物相关研究站位相对更少，以致对该区物质来源的判别分歧很大：Naidu和 Mowatt［3］和陈志华等［5］认为加拿大海盆中黏土矿物主要来自加拿大马更些河；张德玉等［7］认为除马更些河的物质贡献以外，北冰洋欧亚海盆输送的细粒物质也可为加拿大海盆提供黏土矿物；Naidu和Cooper［9］的研究认为部分来源于俄罗斯陆架的黏土矿物也可随海冰被搬运到加拿大海盆；Rei mnitz［10］等认为东西伯利亚海和波弗特海可能为加拿大海盆沉积物中的蒙皂石做出贡献。所以对北冰洋深水区黏土矿物来源的研究尚无定论。本次研究采用我国多次北极考察获得的表层沉积物样品开展西北冰洋沉积物黏土矿物的物质来源系统研究，对于反映沉积物沉积过程以及重建古海洋学演化历史等有重要意义。

2 北冰洋的河流和洋流概况

北冰洋的入海河流主要包括西伯利亚陆地的鄂毕河（Ob River）、叶尼塞河（Yenisei River）、勒拿河（Lena River）、卡哈坦噶河（Khatanga River）、亚纳河（Yana River）、科雷马河（Koly ma River）和因迪吉尔卡河（Indigirka River）以及加拿大的马更些河（Mackenzie River）等（图1），这些河流可以将陆地来源的黏土矿物搬运至北冰洋。

洋流系统对于周缘陆地沉积物往北冰洋的搬运是非常重要的。太平洋的低盐水通过白令海峡进入北冰洋对北极表层水做出贡献，通过阿拉斯加沿岸流、白令陆架水及阿纳德尔流等3支海流将白令海沉积物搬运到楚科奇海［5］（图1）。西伯利亚沿岸流从拉普捷夫海（Laptev Sea）流至东西伯利亚海，最后到达楚科奇海域［11］（图1）。北冰洋主要的表层洋流有美亚盆地的波弗特环流以及欧亚盆地的穿极漂流（图1），它们控制了海冰和冰山的移动，这些海冰和冰山为北冰洋的沉积物的贡献也比较大。负北极涛动时，穿极漂流将来自西伯利亚的沉积物搬运到欧亚海盆后到达弗莱姆海峡（Fram Stait），而波弗特环流将来自美亚海盆周缘陆地的沉积物搬运到美亚海盆，正北极涛动时，西伯利亚陆架的沉积物则可被搬运到美亚海盆和门捷列夫脊［12］（图1）。

此外，中层水也为北冰洋贡献沉积物，粉砂和泥质沉积物可以通过中层水搬运或者再沉积［13］。北大西洋暖流到达北冰洋后分为两支，一支为弗莱姆海峡（Fram Strait）支流，一支为巴伦支海（Barents Sea）支流，这两支支流变冷下沉形成北冰洋中层水，在北冰洋沿着大陆坡和海脊流动，其中巴伦支海支流可以到达加拿大海盆的南端以及北风脊［14］（图1）。

3 材料与方法

本次研究所采用的样品为我国第二、三和四次北极科考获得的表层沉积物样品，共81站，其中楚科奇海陆架46站，加拿大海盆18站，北风脊5站、楚科奇海台6站、阿尔法脊4站、马克洛夫海盆2站，研究区位置及取样站位如图1所示。

黏土矿物组成的分析程序大体如下：取大约10～50 g的沉积物样品放入大烧杯中，加蒸馏水分散搅拌，并加少量双氧水去除有机质，按斯托克斯沉降定律，用吸管吸取小于2μm的黏土粒级颗粒，重复多次，以获取足量黏土，制取黏土矿物的定向片。待定向片干燥后，一套直接上机测试，另一套用乙二醇蒸汽饱和48 h后再上机测试。黏土矿物的X射线衍射分析在国家海洋局第一海洋研究所海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室完成，所用仪器为日本理学Dmax2500X射线衍射仪，仪器的工作条件为：Cu Kα发射，工作电压为40 k V，工作电流为100 mA，扫描宽度为3°～30°（2θ），扫描速率为4°／min。

黏土矿物半定量分析用Bicaye［17］方法，即选用乙二醇饱和片图谱上蒙皂石（17）、伊利石（10）、绿泥石（7）＋高岭石（7）4种矿物的3个特征衍射峰的峰面积作为基础数据进行计算。峰面积计算方法为衍射峰高乘以半峰宽；权因子确定，蒙皂石重量因子为1，伊利石重量因子为4，绿泥石＋高岭石重量因子为2，其中高岭石和绿泥石是通过拟合3.58／3.54衍射峰峰面积比值来确定。黏土矿物的定性及半定量分析是利用X衍射仪测得的数据结果结合Jade6.0软件进行的。

4 结果

4.1 实验结果

北冰洋西部表层沉积物中的黏土矿物主要为伊利石、绿泥石和高岭石，另含有少量的蒙皂石。根据前面提到的XRD数据处理方法，对取得的北冰洋西部表层沉积物中黏土矿物相对含量计算得出，伊利石含量为49.2%～72.5%，绿泥石含量为14.8%～33.8%，高岭石含量为7.4%～22.9%，蒙皂石的含量为0～5.6%。伊利石的化学指数是通过衍射图谱上5／10峰面积比来计算，比值大于0.5为富Al伊利石，代表强烈的水解作用；比值小于0.5的为富Fe－Mg伊利石，为物理风化结果。伊利石的结晶度是根据10衍射峰处的半峰宽来确定，利用Diek mann和Wopfner［18］对结晶程度的划分标准：对伊利石来说，结晶极好（＜0.4）、结晶好（0.4～0.6）、中等结晶（0.6～0.8）和结晶差（＞0.8），各个站位的黏土矿物组成数据列于表1。

表1 研究区表层沉积物黏土矿物组成

续表1

续表1

4.2 黏土矿物的区域变化特征

图2所示为北冰洋西部表层黏土矿物组成的区域变化，从图中可以看出其分布和变化均表现出明显的规律性。

蒙皂石：蒙皂石是本区含量最低的黏土矿物，其含量在楚科奇海陆架的变化范围为0～5.6%，平均值为1.74%，西北冰洋深水区（含北风脊、楚科奇海台、加拿大海盆、阿尔法脊和马克洛夫海盆）的变化范围为0.96%～5.56%，平均值为3.26%。在加拿大海盆、阿尔法脊和楚科奇海台等海域蒙皂石含量较高。总体上看，西北冰洋深水区沉积物蒙皂石含量要略高于楚科奇海陆架（见图2a）。

伊利石：伊利石是本研究区内含量最高的黏土矿物，其含量在楚科奇海陆架的变化范围为49.3%～72.5%，平均值为60.3%。西北冰洋深水区伊利石含量相对较低，含量范围为49.15%～70.0%，平均值为60.3%。从图2b可以看出，阿拉斯加一侧的楚科奇海近岸海域、楚科奇海台和北风脊的伊利石含量最高，其他海域相对较低。总体上楚科奇海含量高于西北冰洋深水区。

高岭石：楚科奇海陆架沉积物高岭石的含量为7.4%～21.4%，平均值为14.3%，西北冰洋深水区的含量范围为10.3%～22.9%，平均值为14.3%。从图2c可以看出，研究区高岭石含量的高值区集中在楚科奇海陆架局部和阿尔法脊等80°N以北等海域，其他海域含量较低。

绿泥石：楚科奇海陆架沉积物绿泥石的含量为14.8%～33.8%，平均值为23.7%。西北冰洋深水区的含量范围为16.6%～26.9%，平均值为22.2%。高值主要出现在楚科奇海高地及南端靠近白令海峡处，靠近阿拉斯加一侧的楚科奇海域和加拿大海盆部分海域绿泥石含量相对较低（图2d）。

伊利石化学指数：楚科奇海陆架的变化范围为0.37～0.84，平均值为0.54。西北冰洋深水区的变化范围为0.36～0.63，平均值为0.47。总体看来，伊利石化学指数高值集中出现在楚科奇海靠东西伯利亚海一侧，从低纬度到高纬度逐渐降低（图2e）。

图2 表层沉积物中黏土矿物的含量（%）、伊利石化学指数和伊利石结晶度分布

伊利石结晶度：楚科奇海陆架伊利石结晶度值范围为0.28～0.51，平均值为0.388，西北冰洋深水区范围为0.32～0.48，平均值为0.391，从图2f可以看出，在研究区的东侧，伊利石结晶度值较高。

利用Q型聚类分析方法，对上述6种黏土矿物参数进行聚类分析，可将研究区各站位的矿物组合类型分为6类（见图3），各类黏土矿物组合的矿物组成特征列于表2。

图3 研究区黏土矿物组成的Q型聚类分析

表2 各矿物组合的平均黏土矿物组成

矿物组合分区图（见图4）显示，Ⅰ类矿物分布在楚科奇海及楚科奇海的北部边缘，包括楚科奇海台和北风脊，Ⅱ类矿物组合分布在白令海峡附近，以绿泥石含量高为特征，Ⅲ类和Ⅳ类组合主要分布在楚科奇海北部和加拿大海盆南部，Ⅴ类组合分布在加拿大海盆和楚科奇海的西北部，Ⅵ类组合主要分布在楚科奇海的中部和北部边缘。

5 讨论

由上述结果可以看出，北冰洋西部表层沉积物黏土矿物组成的区域分布和变化以及聚类分析的研究均表现出明显的规律性特征，这些特征可有效的反映研究区沉积物中黏土矿物的来源和成因。

5.1 楚科奇海陆架

一般认为，伊利石和绿泥石是碎屑黏土矿物，是物理风化和冰川侵蚀的典型产物，因此也是高纬度地区典型的黏土矿物，北冰洋海域中大量的伊利石和绿泥石多来自变质沉积岩和火成岩的物理风化［1］。研究区伊利石化学指数均小于0.5，说明化学风化作用很弱，伊利石都为物理风化的结果（见图2e）。楚科奇海和加拿大海盆的伊利石结晶度相当，平均值都稍大于0.4，伊利石结晶度低值代表结晶度高，说明结晶度均处于极好与好之间，指示陆地物源区水解作用弱，为干冷的气候条件（见图2f），可见沉积物中的伊利石主要来自周缘陆地变质的沉积岩和火成岩的物理风化，这些岩石在西伯利亚和阿拉斯加非常普遍［19－20］。从伊利石结晶度和化学指数的分布图可以看出，楚科奇海东侧的结晶度值高，化学指数值低，西侧的结晶度值低，化学指数值高，说明伊利石至少有两个来源。科雷马河和因迪吉尔卡河（见图1）卸载的高含量的伊利石在西伯利亚沿岸流的作用下搬运到楚科奇海［21］，此外，育空河等河流沉积物在阿拉斯加沿岸流作用下被搬运到楚科奇海。

图4 黏土矿物组合分区图

研究发现白令海峡附近黏土矿物主要是Ⅱ类组合，以绿泥石含量高为特征，楚科奇海北端的绿泥石含量也高于楚科奇海南端和北冰洋深水区（见图2b），前人的研究［3，22］认为绿泥石是北太平洋的主要黏土矿物，这就说明绿泥石可以作为太平洋水通过白令海峡流入北冰洋的示踪矿物。Ortiz等［8］的研究认为楚科奇海绿泥石的来源是阿拉斯加的河流流到北太平洋，然后通过白令海峡输运到楚科奇海的。

通过西伯利亚河流搬运到楚科奇海陆架的黏土矿物中伊利石和绿泥石的含量分别大于59%和21%［2］。Viscosi－Shirley等［11］研究也认为在西伯利亚陆架表层沉积物中伊利石和绿泥石的含量分别大于50%和20%。本次研究结果发现楚科奇海西部主要是以Ⅳ类矿物组合为主，伊利石和绿泥石含量分别为55.2%和24.4%，说明来源为西伯利亚陆地，是在西伯利亚沿岸流的作用下搬运到楚科奇海的（图4）。所以可以判断西伯利亚陆架为楚科奇海提供沉积物。

楚科奇海沉积物中的蒙皂石可以通过河流注入、海岸侵蚀以及海冰携带而来［23—24］。Viscosi－Shirley等［11］认为楚科奇－阿拉斯加海域的蒙皂石来自东西伯利亚火山岩省，在东西伯利亚海陆架、喀拉海东部和拉普捷夫海西部的表层沉积物中蒙皂石含量均较高［25］，这些蒙皂石的来源是Putorana高原的中生代溢流玄武岩，通过叶尼塞河和卡哈坦噶河搬运，在西伯利亚沿岸流的作用下搬运到楚科奇海域。Dethleff等［26］认为在哈坦加河的悬浮颗粒中黏土矿物主要由蒙皂石组成，含量平均为83%，物源为西伯利亚玄武岩。勒拿河悬浮体中黏土矿物以伊利石为主，含量为54%；亚纳河中未见蒙皂石，伊利石含量高达67%，绿泥石含量高达29%，高岭石含量小于10%。本次研究显示，楚科奇海陆架西侧海域蒙皂石含量较低，这是因为在亚纳河等不含蒙皂石的河流作用下稀释了卡哈坦噶河等河流搬运的蒙皂石，此外由于远距离搬运也对蒙皂石含量起到了稀释作用。在楚科奇海陆架东侧蒙皂石含量相对较高，这主要是育空河等河流的沉积物在阿拉斯加沿岸流的作用下将蒙皂石搬运到楚科奇海陆架，Naidu等［2］和 Viscosi－Shirley等［11］研究得出的结论是楚科奇海的蒙皂石是西伯利亚和阿拉斯加的火山岩经河流入白令海，然后经白令海峡搬运到楚科奇海。综合前人研究结果，我们认为蒙皂石有两个主要的来源，一个是西伯利亚和阿拉斯加的火山岩经河流入白令海，然后经白令海峡搬运到楚科奇海［3，5，7，11］。另一个是卡哈坦噶河等携带的来自西伯利亚中生代Putorana高原玄武岩的蒙皂石在西伯利亚沿岸流的作用下搬运到楚科奇海。

极地的高岭石可能来源于含高岭石的沉积物以及古土壤的侵蚀等［4］。本次研究发现高岭石含量并没有明显的区域变化，前人的研究判断白令海的高岭石通过白令海峡到达楚科奇海西部［4，7］。另外科雷马河和因迪吉尔卡河输入到东西伯利亚海的沉积物也为楚科奇提供少量的高岭石［2，5，7］。

从矿物组合来看，楚科奇海的类型较多，靠近阿拉斯加一侧海域以Ⅰ类组合为主，靠东西伯利亚海一侧主要有Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类，中部主要为Ⅵ类。根据矿物组合分区结合来自太平洋的3股洋流的方向以及西伯利亚沿岸流的流向，可以判断楚科奇海Ⅲ类和Ⅳ类矿物来源为西伯利亚陆地，经河流搬运后在西伯利亚沿岸流的作用下到达楚克奇海的西侧，Ⅱ类组合可能是阿纳德尔流搬运而来，Ⅵ类矿物由白令陆架水搬运而来，Ⅰ类矿物由阿拉斯加沿岸流搬运而来。

综上所述，楚科奇海的黏土矿物来源于西伯利亚和阿拉斯加的火山岩、变质岩以及一些含高岭石的沉积物以及古土壤等，经河流搬运，在北太平洋的3股洋流及西伯利亚沿岸流的作用下沉积形成的。

5.2 西北冰洋深水区

西北冰洋深水区包含楚科奇海台、北风脊、加拿大海盆、阿尔法脊和马克洛夫海盆。西北冰洋深水区中黏土矿物含伊利石、绿泥石、高岭石和蒙皂石，其中伊利石含量最高，其次为绿泥石和高岭石，蒙皂石含量最小。

从伊利石化学指数和结晶度的分布图上可以大致判断黏土矿物有东侧物源和西侧物源。根据海冰的流向（见图1）可以进一步判断有来自西伯利亚陆架和加拿大北极群岛的物质贡献。

北冰洋中部的沉积物主要是冰筏搬运［27—28］，一些专家认为俄罗斯陆架的海冰被搬运到了美亚海盆［9］，为美亚海盆提供沉积物。穿极漂流可以将海冰中的沉积物搬运到北冰洋的深水区，穿极漂流分为西伯利亚支流和穿极支流，西伯利亚支流海冰来源为东喀拉海和西拉普捷夫海，蒙皂石含量较高；穿极支流的海冰来源为东西拉普捷夫海，蒙皂石含量较低，伊利石含量较高［26］。从图2a看出北冰洋深水区蒙皂石含量比楚科奇海含量高，可能是西伯利亚陆架为研究区提供了蒙皂石，从图1可以看出，正北极涛动时，来自喀拉海和拉普捷夫海的海冰均被搬运到了美亚海盆，这就为美亚海盆提供大量蒙皂石。亚纳河流域是由二叠纪和石炭纪的陆源沉积物（主要是页岩）组成，这些沉积物中含大量绿泥石，通过亚纳河等河流卸载［26］，正北极涛动时为北冰洋深水区沉积物提供绿泥石。此外还提供伊利石及高岭石等黏土矿物。加拿大北极群岛的维多利亚岛出露一些玄武岩以及辉绿岩的岩墙和岩床［29］，在维多利亚岛和班克斯岛周缘海域海冰沉积物中蒙脱石和绿泥石含量也较高［30］，负北极涛动时，波弗特环流可以搬运携带该海域沉积物的海冰，为北冰洋深水区提供蒙皂石、伊利石以及绿泥石等黏土矿物。研究区周缘陆地的古土壤可为研究区提供高岭石。

此外，大西洋中层水也可以搬运沉积物到楚科奇海台附近海域［7］。Yurco等［31］认为北大西洋中层水洋流动力较弱，不能将弗莱姆海峡附近的黏土矿物搬运到加拿大海盆的南部，但是西拉普捷夫海和喀拉海的黏土矿物可以被北大西洋中层水搬运到加拿大海盆的南部以及楚科奇海台等海域［32］。

从矿物组成分区图上可以看出，加拿大海盆和阿尔法脊以Ⅴ类为主，该类组合蒙皂石含量比其他五类高，说明主要为西伯利亚海冰来源，另外根据洋流方向可以判断有加拿大北极群岛来源。楚科奇高地和北风脊以Ⅰ类为主，伊利石含量高达68.2%，西伯利亚的亚纳河等河流中伊利石含量高达67%，在大西洋中层水的作用下搬运到楚科奇高地、北风脊等海域。加拿大北极群岛的班克斯（Banks Island）和马更些河为北风脊沉积物的主要来源。与加拿大海盆不同，马克洛夫盆地的两站分别为Ⅰ类和Ⅲ类，可能是受北大西洋中层洋流弗莱姆海峡支流的影响。

综合以上信息，我们认为西北冰洋深水区的沉积物来源为来自欧亚陆架和加拿大北极群岛周缘海域的海冰沉积和大西洋水体的搬运以及加拿大马更些河的河流注入。

6 结论

本文通过系统研究北冰洋西部表层沉积物黏土矿物组成及分布特征，取得了以下结论：

（1）本区黏土矿物的区域分布和变化具有明显的规律性：从楚科奇海到北冰洋深水区，蒙皂石含量增高，绿泥石含量降低，伊利石高值区出现在楚科奇环阿拉斯加海域以及楚科奇海台和北风脊，高岭石的高值区出现在阿尔法脊和加拿大海盆的北端。研究区伊利石化学指数西侧高于东侧，楚科奇海高于北冰洋深水区，伊利石结晶度值总体上西侧低于东侧。

（2）楚科奇海的黏土矿物是西伯利亚和阿拉斯加的火山岩、变质岩以及一些含高岭石的沉积物以及古土壤等，经河流搬运，在北太平洋的3股洋流及西伯利亚沿岸流的作用下沉积形成的，其中Ⅲ类和Ⅳ类矿物来源为西伯利亚陆地，经河流搬运后在西伯利亚沿岸流的作用下到达楚科奇海的西侧，Ⅱ类组合可能是阿纳德尔流搬运而来，Ⅵ类矿物由白令陆架水搬运而来，Ⅰ类矿物由阿拉斯加沿岸流搬运而来。

（3）西北冰洋深水区的黏土矿物以穿极漂流和波弗特环流控制的海冰搬运为主，来源分别为欧亚陆架和加拿大北极群岛周缘海域，楚科奇海台和北风脊的Ⅰ类矿物组合可能由于北大西洋中层水的搬运，加拿大马更些河为加拿大海盆的南端和北风脊提供黏土矿物。致谢：对第二次（2003年）、第三次（2008年）和第四次（2010年）北极科学考察队特别是地质组成员在现场取样中付出的艰辛劳动，在此深表感谢！

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