北部湾东部海域表层沉积物常量元素地球化学特征及其物源指示意义

崔振昂，甘华阳，刘文涛，张 亮

(1.广州海洋地质调查局，广州 510760；2. 国土资源部海底矿产资源重点实验室 广州海洋地质调查局，广州 510760)



北部湾东部海域表层沉积物常量元素地球化学特征及其物源指示意义

崔振昂1, 2，甘华阳1，刘文涛1，张 亮1, 2

(1.广州海洋地质调查局，广州 510760；2. 国土资源部海底矿产资源重点实验室 广州海洋地质调查局，广州 510760)

对南海北部湾东部海域61个站位表层沉积物的常量元素分析结果表明，研究区沉积物中的常量元素以SiO2、Al2O3和 CaO 含量最高，平均含量分别为61.83%、11.18%和5.32%，其中SiO2、Al2O3代表了陆源碎屑组分，CaO代表了生物碎屑组分。沉积物中常量元素的含量与沉积物类型密切相关，表明元素的丰度受沉积物粒度控制明显；而元素较低的富集系数，指示沉积物中的碎屑物质主要为地壳来源。元素相关分析和 R 型因子分析表明，沉积作用、粒度效应、海洋生物作用和自生作用等，对沉积物中常量元素的分布起着主要控制作用。在因子分析基础上，应用Q型聚类法并综合元素空间分布规律和富集特征，把研究区分为六个地球化学分区：Ⅰ区沉积物主要来源于北部湾北部的河流输砂和近岸侵蚀物；Ⅱ区为琼州海峡东侧来砂、昌化江以及红河等其他河流输砂以及北部湾周边近岸侵蚀物的混合沉积；Ⅲ区主要为红河输砂；Ⅳ区沉积物主要来源于海南岛西部和南部近岸侵蚀物，另外海洋生物活动和自生作用也是该区沉积物的重要物质来源；Ⅴ区和Ⅵ区为北部湾湾内沉积物与外海沉积物共同作用下的混合沉积，其中Ⅵ区部分海域的沉积物受到自生作用影响。

表层沉积物； 地球化学； 常量元素； 物质来源； 北部湾

0 引言

北部湾位于南海西北部，西、北、东三面为陆地和岛屿环绕，是一个陆架型半封闭性海湾。北部湾海域不仅是周边河流入海物质的主要堆积场所，也是海陆相互作用的关键地带，物质来源和水动力条件极为复杂，关于北部湾现代沉积过程的探讨已成为区域地质研究的热点之一。近二十年来，随着国家海洋科研和勘察力度的加大, 特别是国家海洋局908专项的实施, 在北部湾海域开展了较为系统的地质地球物理调查，在区域海流特征、物质来源及动力沉积作用研究等方面取得了重要进展[1-8]。

元素地球化学作为海洋沉积学研究的重要内容，也是海洋地质学研究的重要手段。北部湾海域沉积物的化学元素分布和组合特征与沉积环境和物质来源有着密切关系，开展区域沉积物地球化学特征的研究，可以全面的了解入海陆源物质在各种水流和沉积条件下的“归宿” 及其分布规律[9-10]。然而迄今为止，对该海区表层沉积物地球化学的研究异常薄弱，尤其是表层沉积物常量元素组成及其控制因素尚未见报道。作者通过对北部湾东部海域61个站位浅表层沉积物的取样和地球化学分析, 研究表层沉积物中常量元素含量、空间分布规律及其控制因素, 探讨其中所包含的物源意义, 为深入了解该海域的沉积作用和沉积环境提供基础资料。

1 样品采集及测试

近年来，广州海洋地质调查局与德国波罗的海海洋研究所合作，在北部湾东部海域开展了三个航次的海上地质调查。调查期间，利用蚌式取样器获得了61个表层底质样品, 绝大多数站位的水深18 m～190 m，采样站位如图1所示。沉积物样品采集后，立即密封冷冻，带回实验室待测。

图1 研究区位置及取样站位

沉积物样品的粒度分析采用了筛析法和激光粒度仪法，其中含砾石的砂质样品采用了筛析法，获得砂质(>0.063 mm)质量百分比，在估算其密度后换算成体积百分比，测量误差<1 %。细颗粒样品利用Mastersizer 2000激光粒度仪进行粒度测量，重复测量的误差小于3 %。SiO2分析采用重量法：样品用无水Na2CO3熔融, 盐酸浸取后蒸发至湿盐状，冷却后加浓HCL, 用动物胶凝聚硅酸，过滤、灼烧、称重; 滤液中残余SiO2采用ICP-OES 测试。其余常量元素分析(Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、MnO、P2O5、TiO2)：样品以HNO3+HCLO4+HF分解, 蒸发后HCL提取，制成酸度为5%的溶液，在Optima 4300DV 型ICP-OES 上进行测试。烧失量采用重量法，取试样在1 000℃灼烧至恒重，灼烧减少的量为烧失量；有机碳分析，采用K2Cr2O7法，在加热条件下将样品中有机碳氧化成CO2，剩余的K2Cr2O7用Fe2SO4标准溶液回滴，按照K2Cr2O7的消耗量，计算样品中有机碳的含量；所有沉积物样品常量化学元素的分析误差<3%。样品的分析测试工作由广州海洋地质调查局实验测试所完成。

2 结果

2.1 沉积物类型与分布

北部湾东部海域表层沉积物的平均粒径范围为0.10 Φ～7.64 Φ，主要以细粒沉积物为主，依据Shepard[11]沉积物分类系统，研究区表层沉积物主要有粘土质粉砂(YT)、砂质粉砂(ST)、粉砂质砂(TS)、粘土质砂(YS)、砂(S)、砂-粉砂-黏土(S-T-Y)六种类型，其中黏土质粉砂比例最大，其次为粉砂质砂(图2)。较粗的物质主要集中在琼州海峡西口及海南岛西部和西南部近岸区，以中粗砂为主，主要是受强的潮流和近岸潮汐作用所致。另外，在北部湾中部也有部分粗粒沉积物分布。

图2 北部湾东部海域表层沉积物分布图

2.2 沉积物常量元素含量及分布特征

研究区内表层沉积物地球化学组成以SiO2和Al2O3为主(表1)，其平均含量分别为61.83%和11.18%，两者之和占总化学成分的70%以上，表明区内沉积物以硅酸盐和铝硅酸盐为主，两者平均含量均与南海浅海和海南岛近海相近，反映了区域沉积特征。沉积物中CaO含量较高，仅次于SiO2和Al2O3，平均含量为5.32%，虽略低于南海浅海和海南岛近海的平均值，但远高于南海三大入海河流沉积物中的含量，表明生物碳酸盐的沉积作用在本区相对活跃。其他常量元素的含量相对较低，且各元素的平均含量与海南岛近海和南海浅海沉积物平均值相接近，但比珠江、红河和湄公河的含量都低，这可能与研究区生物钙质碎屑“稀释”程度有关。

SiO2和Al2O3作为沉积物最主要的两个组分，在区域分布上呈此消彼长态势(图3)，Al2O3含量高值区一般对应SiO2含量低值区。SiO2含量的高值区主要分布在北部湾的中部、北部广西近岸、琼州海峡西口以及海南岛西南部外海的湾口海域。而Al2O3的高值区分布在海南岛西北部近岸海域，另外在西部远岸海域和岛南部外海也有较高Al2O3含量。

沉积物中CaO含量在区域上变化较大，含量范围为0.56%～22.54%。CaO的变异系数(CV)较高为0.71，指示其在平面分布上非常不均。CaO高含量区主要分布在海南岛西南部近岸海域以及南部外海，而低值区则主要分布在北部湾的北部海域，从湾口至湾中部海底沉积物中CaO含量普遍较低。

表1 研究区表层沉积物中常量元素组分含量特征

图3 研究区表层沉积物常量元素的分布特征(%)

Fe2O3、MgO、K2O、Ti2O和P2O5总体上含量相对较低，平均含量分别为4.50%、1.89%、2.16%、1.46%、0.57%和0.10%，且其变异系数均小于0.3，表明其在空间分布上较为均匀。其总体分布特征也非常相似，含量高值主要出现在琼洲海峡西口、南部外海和北部湾中心地带。

Na2O和MnO的含量也相对较低，平均含量分别为1.46%和0.09%。但两者变异系数较高，尤其是MnO的变异系数高达0.84，属于强变异；Na2O的变异系数也达到了0.39，可能受到除母岩外的其他因素的影响。从图3可看出，研究区MnO存在两个异常高值区，研究区南部的外海和海南岛中西部近海区；Na2O含量高值区主要有三个区域：北部湾中部、海南岛西北部近岸至外海和海南岛南部外海。

总有机碳(TOC)的变化范围为0.22%～1.02%，平均值为0.56%，其含量特征总体上随远离海岸呈增加趋势，这可能主要由于近岸区水浅和水动力条件较强，不利于有机质的保存。烧失量变化范围为4.40%～23.14%，平均值为10.46%，其高值区主要分布在南部外海和海南岛西部近岸海域。

3 讨论

3.1 沉积物粒度效应及富集特征

沉积物中的常微量元素的含量与沉积物的类型及粒径关系密切，即元素的粒度效应[9]。为研究不同沉积物中常量元素的含量特征，对不同类型沉积物中常量元素的平均含量进行了统计分析(表2)，并就各种类型沉积物元素含量的平均值[Mean(s)]与该元素在整个区域沉积物平均值[Mean(t)]相比作图(图4)。从图4可看出，SiO2在不同类型沉积物中变化幅度较小，但总体表现为随粒度变细而含量逐渐降低。Al2O3、Fe2O3、MgO和K2O在不同类型沉积物中变化幅度和变化趋势相似，在粒度较粗的砂中最低，粘土质粉砂中最高，总体表现为随粒度变细而含量逐渐增加。CaO、Na2O、MnO、P2O5、TiO2在不同沉积物类型中的无明显的规律性，表明其受到了粒度外其他因素的影响。海洋沉积物中CaO除继承母岩含量特性外，海洋生物和化学作用也会产生CaCO3，进而增加沉积物中CaO的含量，而这些生物化学作用和沉积物的粒度并无直接关系。Na2O、MnO，P2O5、TiO2在常量元素中所占比例较小，除粒度效应外，其他如碳酸盐稀释作用、自生作用以及海底热液等其他因素均可显著改变其在沉积物中的含量特征[14-16]。

图4 常量元素含量随沉积物类型的变化趋势图

表2 研究区不同类型沉积物中常量元素含量分布

为消除粒度变化和碳酸盐对沉积物元素地球化学产生的影响，以更为准确反映常量元素在空间上的分布特征，在上述分析的基础上，对各常量元素的富集因子(EF)进行了计算。沉积物中某元素相对于地壳元素丰度的富集因子(EF)定义为：EF=(E/AL)沉积物/(E/AL)上地壳。如果EF值按近于1，认为该元素为地壳来源；如果EF>10，则认为该元素为非地壳来源[16]。计算结果表明，研究区表层沉积物中的常量元素除CaO和MnO外，其他元素的富集因子最大值均不大于4.0，且所有常量元素的平均值均小于2.5(图5和表3)，总体而言富集特征不明显，表明地壳来源是沉积物的主要为来源，其中MgO、Na2O、P2O5相对于上地壳亏损；而SiO2、CaO、K2O、MnO、TiO2相对于上地壳富集。CaO和MnO富集因子变化范围相对较大，最大值分别为17.41和12.54，表明两者在局部海域受到了陆源以外其他因素的影响。

表3 研究区表层沉积物常量元素富集因子

图5 研究区表层沉积物常量元素的空间富集特征

表4 常量元素氧化物之间的相关性分析(n= 61)

3.2 元素组合特征及控制因素

海洋沉积物元素含量变化的控制因素较多，单一元素的含量变化具有多解性，然而一定的元素组合却具有成因专属性，因此具有物源或者沉积环境的指示意义[18-19]。为了探讨研究区表层沉积物常量元素的控制因素, 分析研究区的物质来源和沉积环境, 应用SPSS软件对研究区表层沉积物的常量元素、总有机碳(TOC)及烧失量(LOI)等进行相关分析和R型因子分析(表4和表5)。在公因子载荷大于“1”的条件下，共得到3个主因子。3个主因子的方差贡献的累积贡献率为 87.8%，基本代表了沉积物中常量元素的主要信息。

表5 研究区表层沉积物常量元素因子分析

1)因子F1的方差贡献率为59.8%，是影响元素含量变化的主导因素。其元素组合为Al2O3、Fe2O3、TOC、TiO2、MgO、Na2O、P2O5和K2O。从元素相关性上看，F1各公因子之间均存在着不同程度的正相关关系。Al 是粘土矿物的特征元素[18]，Fe2O3、TiO2等元素与 Al2O3及MZ的正相关关系，进一步表明这些元素含量变化与沉积物中黏土矿物密切相关。另外TiO2在表生作用中比较稳定，属于惰性元素，风化后难以形成可溶性化合物，是陆源碎屑组分的重要指示指标[20-21]，因此与 TiO2显著相关的Al2O3、Fe2O3、MgO、P2O5等元素可能主要是陆源输入。总之因子F1的组成元素代表了陆源细粒沉积物的特征。

2)F2的方差贡献率为21.4%，CaO、LOI 和SiO2组成，其中CaO 和LOI为正载荷，而SiO2为负载荷。CaO和LOI具有显著正相关性，相关系数为0.76，表明两者的同源性。Ca 是海洋生源沉积物的特征元素,代表了生源钙质沉积[22-23]。从空间分布上看，CaO 其高值点主要分布在海南岛西南和南部近岸海域，而在此两处的沉积物中也发现了大量的生物贝壳，显然CaO的含量高值主要由于海洋生物的碳酸盐作用所致。另外从相关性上看，沉积物中的CaO和LOI与SiO2，以及F1因子中反映陆源碎屑组份的Al2O3、Fe2O3、TiO2等均呈一定的负相关关系，表明陆源碎屑组份和生源组份存在互为消长关系。在平面的分布特征上表现为陆源碎屑组份相反的变化趋势。

3)F3的方差贡献率为6.6%，仅由MnO组成。浅海沉积物中Mn的含量除受近岸河流输入和沉积后期的迁移作用控制外，在含氧丰富的水体环境中Mn也会以自生氧化物的形式沉积下来[14,15]。从表1中可看出，MnO与CaO存在一定的正相关性(表4)，其出现在海南岛西部海域的一高值区，与CaO的高值区相对应，这可能指示该区域的水体中富含大量氧，水体大量氧存在一方面促使生物活动活跃，另一方面也促成自生Mn的沉积。

3.3 元素地球化学分区及物源分析

北部湾独特的地理位置及其复杂的构造环境决定了其沉积物质来源的丰富性和多样性，既有陆源物质源源不断地通过河流(如红河、南流江、昌化江等)输入到海洋中，又有部分火山和自生物质的贡献，也有来自周围海区的洋流携带外海物质的输入。另外北部湾环流格局异常复杂，冬季为一逆时针环流所控制[24]，外海海水北上从海南岛南部进入湾内北上，直达湾东北部, 随后转向西流, 汇入越南南向沿岸流, 至湾南又受外海北进水的推动转向北流。虽然北部湾夏季环流路线究竟是顺时针[25]还是逆时针[26]存在很大分歧, 但冬夏两季复杂的环流格局对于沉积物的搬运产生重要影响。

为进一步分析北部湾沉积物常量元素的区域分布进而分析其物源特征，依据样品(站位)的因子得分，对研究区61个沉积物样品进行Q型聚类分析，结果表明研究区沉积物样品可分为4种类型(图6)。在此基础上，结合元素的空间分布和富集特征，将研究区划分为6个地球化学分区(Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区、Ⅴ区和Ⅵ区)(图6)。

图6 北部湾东部表层沉积物元素地球化学分区

1)Ⅰ区以SiO2、TiO2、Fe2O3和MgO等反映陆源的元素富集为特征，在地理位置上其位于北部湾北部近岸海域，北部湾北部较大的入海河流-南流江由此入海，因此该区的沉积物应主要来源于南流江输砂和北部湾北部沿岸的侵蚀。

2)Ⅱ区大部分常量元素在本区富集特征不显著，Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O和TiO2等在含量上表现为相对高值，具有较强的陆源特征。该区既有琼州海峡东部来砂，又有昌化江携砂入海，另外红河、南流江等河流沉积物在夏季顺时针环流作用下也可能搬运到本区，因此该区沉积物应为多物源混合沉积。

3)Ⅲ区位于北部湾中部，SiO2、Fe2O3、K2O、MgO和TiO2在该区均表现为一定程度的富集，在区域上该区与红河口较为接近，且在元素分布上据有一定的空间独立性。前人研究表明该区为古红河三角洲残留沉积[26]，因此该区域可能主要源于红河的输砂。

4)Ⅳ区位于海南岛西部和南部近岸带，沉积物以粉砂质砂为主。就元素富集程度来看，在本区除反映陆源的SiO2、MgO、P2O5、Ti2O的富集系数较高外，一些反映生物活动和自生作用的CaO和MnO富集程度较高，尤其是在海南岛中西部和南部地区，富集最为明显。沉积物中的陆源组分应主要为海南岛西部和南部近岸侵蚀物，CaO、MnO在本区高富集特征同时也表明海洋生物活动和自生作用也是沉积物的重要来源。

5)Ⅴ区位于北部湾湾口中心地带，表层沉积物以粉砂质砂、砂质粉砂等细粒沉积物为主，所含的样品类型较多，且无明显的规律性，除Ti2O较为富集外，其他元素在本区的富集特征均不明显。该区沉积物可能受到海南岛西南侧河流沉积物和沿岸侵蚀物、北部湾西部和北部搬运来的沉积物以及外海沉积物的综合影响。

6)Ⅵ区沉积物以粘土质粉砂为主，除MnO显示弱富集外，其他元素富集特征均不显著，该区濒临南海外海，区内沉积物可能为北部湾湾内沉积物与外海沉积物混合体。而MnO在局部的弱富集，表明沉积物中可能包含由自生作用产生的微锰结核。

4 结论

1)南海北部湾(东部)海域表层沉积物中含量最高的三种组分是 SiO2、Al2O3和 CaO,其平均含量分别为61.83%、11.18%和5.32%，表明沉积物主要来源于陆源碎屑和黏土组分以及碳酸盐型的生物碎屑组分。从元素空间分布上看，这两种组分互为消长, 是控制研究区沉积物化学成分的主控因素。

2)不同沉积物类型中SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO和K2O中含量变化较为明显，显示了元素含量与粒度之间的变化关系。所有元素在区域上富集特征不明显(富集因子均值小于2.5)，表明沉积物中的碎屑物质主要为地壳来源。而CaO和MnO的异常高值(EF>10)，表明在局部地区沉积物受到了生物活动和自生作用的影响。

3)元素相关分析和R型因子分析表明,调查区表层沉积物中的常量元素氧化物可以分为3类: 第1类包括Al2O3、Fe2O3、TOC、TiO2、MgO、Na2O、P2O5、K2O、SiO2和MZ，代表陆源碎屑沉积; 第2 类包括CaO和LOI,代表海洋生物沉积; 第3类仅包含MnO,可能反映了局部地区受到了自生作用的影响。

4)依据沉积物样品的Q聚类分析，并结合元素空间分布和富集特征，把研究区为了6个地球化学分区。Ⅰ区主要来源于北部湾北部河流和近岸侵蚀；Ⅱ区受到琼州海峡东侧、昌化江以及红河等其他河流综合影响；Ⅲ区主要为红河输砂；Ⅳ区沉积物主要来源于海南岛西部和南部近岸侵蚀物，另外区域生物活动和自生作用也是沉积物的重要来源。Ⅴ和Ⅵ区沉积物为北部湾湾内沉积物与外海沉积物混合体，其中Ⅵ区部分区域受到了自生作用的影响。

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Geochemical characteristics of major elements and provenance implication of surface sediments in the eastern Beibu gulf

CUI Zhen-ang1, 2, GAN Hua-yang1, LIU Wen-tao1, ZHANG Liang1, 2

(1. Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510760, China；2. MLR Key Laboratory of Marine Mineral Resources, Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou 510075，China)

61 surface sediment samples were taken from the eastern Beibu gulf to analyze their major elements and hence to study geochemical characteristics and sediment source. The result showed that SiO2, Al2O3and CaO are the main chemical compositions in the surface sediments, with average contents 61.83%、11.18% and 5.32% respectively. The close correlation between the contents of major elements and the type of sediments indicates that the element abundance is controlled seriously by grain size of sediments, and the lower enrichment coefficient of the elements indicates the sediments are mainly from the earth's crust. The correlation analysis and R-factor analysis revealed that the sedimentation, grain size effect, marine biogenic and authigenic process were the mainly controlling factors for the distribution of the major elements in the surface sediments. The study area was separated into six zones based on the clustering result and the distributions characteristics of the major elements. The sediments in the zone I were mainly from the river alluvium and coastal erosion in north of Beibu gulf; zone II was multiple sediment source area, the sediments from the east part Qiongzhou strait, together with the sediment of Changhua river, Red river and coastal erosion around, provided abundant material to this area; zone III, as the part of palaeodelta of Red river, mainly originated from the Red river; the sediments in zone IV are mainly from the coastal erosion of eastern and southern Hainan island, meanwhile, the marine biogenic process and authigenic mineral were also as the important sources for the sediments; both V and VI zone are mixed deposits area, material from the inner and outer Beibu gulf controlled the composition of the sediments, meanwhile, the VI zone was partly influenced by authigenesis.

surface sediments； geochemistry； major elements； provenance； the Beibu gulf

2014-07-03 改回日期：2014-09-29

国土资源部海底矿产资源重点实验室开放基金项目(KLMMR-2013-A-14)

崔振昂(1974-)，男，博士，高级工程师，从事海洋环境地质研究，E-mail：cuizhenang@163.com。

1001-1749(2015)04-0522-10

P 632

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2015.04.18