南海北部陆坡神狐海域富有孔虫沉积层的特征及成因

李 牛, 陈多福

(1. 中国科学院 广州地球化学研究所 边缘海地质重点实验室, 广东 广州 510640; 2. 中国科学院大学, 北京 100049)

0 引 言

浊流活动是一种常见而具有重大破坏性的海底重力流活动, 是陆源物质向深海搬运的主要方式反映[1]。浊流沉积对于海底扇、海底峡谷以及深海油气藏的形成以及古气候的变化记录具有重要的指示意义[2–5]。失稳沉积物的转换, 河流、冰川边缘产生的高密度流, 以及风暴、台风所产生的陆架边缘的沉积物再悬浮作用与浊流的形成密切相关[1,6]。而富有孔虫浊流的发育与低海平面和高的海水表层初级生产力有关[3]。此外,甲烷泄漏以及其所产生的边坡不稳定性也可能导致浊流的发生, 地中海巨厚的浊积层被认为与冰期时海平面下降导致的水合物分解产生的甲烷泄漏有关[7]。

南海的浊流沉积,文献曾有许多报道。Damuth主要通过3.5 Hz浅地层剖面在20世纪70年代发现南海盆地北部马尼拉海沟邻海一边平缓倾斜壁上有大片浊流引起的沉积波场[8]。随后在南海的北部陆坡、北部深海盆地、中沙群岛和南部陆坡都发现了浊流沉积[9]。由于神狐海域海底峡谷广泛发育,地形坡度起伏大,甲烷渗漏强烈,我国第一个水合物钻孔就位于该海域,因此具有发育浊流沉积良好的地质背景[10]。

而与海底峡谷相关的沉积建造如浊积砂体等内部由于发育孔隙度和渗透率较好的粗粒沉积物, 可以作为深水油气、天然气水合物的良好储层, 一些国家层面的水合物计划将水合物的钻探站位布置于海底峡谷发育的区域[11]。因此深海浊流的识别对于天然气水合物和深海油气勘探具有重要的意义。南海西沙海槽和南海北部陆坡珠江口盆地重力流及等深流沉积类型多样,包括峡谷、单向迁移水道、堤岸、朵叶及漂积体,是水合物的有利储集相带[12]。

本文对采集于水深 1805 m的南海北部陆坡神狐海域 DH-1柱样的沉积物粒度、矿物和常量元素进行了分析, 结果显示沉积柱中发育的两层灰白色富有孔虫层为浊流沉积经底流改造后的碎屑流沉积。

1 样品采集与分析方法

图1 南海北部陆坡所采集的沉积柱DH-1的位置图(图片修改自佟宏鹏等[13])Fig.1 Map showing location of the sediment core DH-1 on the northern continental slope of the South China Sea

研究的柱状样 DH-1位于南海北部陆坡中段神狐海域,介于西沙海槽和东沙群岛之间(图1)。从新近纪以来,该海域发育了大量的深水扇沉积体, 其沉积速率相对较高, 有机质丰富[10]。区内水深300～3500 m,水深线与海岸线大致平行, 地形由北西由南东倾斜,平均坡度为 13.6‰, 平均坡角达 7°40′, 海底地形总体呈东北高、西南低的斜坡形态, 是南海北部陆坡和中央海盆的过渡带[14]。区内沉积经历了河湖相-滨浅海-陆坡深海相的演化过程[15],在早中新世-中中新世发育滨浅海三角洲砂岩, 晚中新世以来受深部地幔作用, 在裂陷期之后继续强烈热沉降[16], 沉积环境演变为陆坡深水环境, 发育巨型的珠江深水扇系统[17]。末次冰期以来在南海北部陆坡, 特别是珠江海底峡谷内发育了大量的浊流沉积, 砂级组分中除含生源有孔虫外, 还含不等量陆源长石、石英碎屑等[18]。而在台湾海峡全长699 cm的HD133柱状样中共识别出1个厚沙层(厚127 cm)和8个薄沙层(单层厚度 8～15 cm), 这些沙层中含大量浅水底栖有孔虫, 推测沙层是重力流和底流交互作用的产物[19]。

DH-1柱状沉积物柱样是2012年广州海洋地质调查局“海洋六号”调查船在南海北部神狐海域水深 1805 m 海底采集(19°48.7004′N、116°51.5624′E)(图1)。采集的沉积物柱样长 548 cm, 可分为4层:近海底的 A1层(0～120 cm)由灰黑色黏土质粉砂组成,A2层(120-245cm)由含贝壳碎片的粒度较粗的灰白色有孔虫砂组成, 与上下层成突变接触, A3层(245～345 cm)由灰黑色黏土质粉砂组成, A4a层(345～470 cm)由灰黑色黏土质粉砂和灰白色有孔虫砂混合组成, 与上下层成渐变接触, 沉积物粒度由上向下越来越粗, 底部的A4b层(470～548 cm)由含贝壳碎片的粒度较粗的灰白色有孔虫砂组成。整个沉积柱以 2 cm间隔取样, 约 100 g样品冷冻干燥后,研磨致小于200目的粉末备后续分析。

全岩粉末样品物相分析(XRD)由中国科学院广州地球化学研究所的Bruker X-射线衍射仪(D8 Advance)完成, 工作参数为Cu靶Kα射线, 石墨单色器,测试电压为 40 kV, 电流为 40 mA, 扫描角度为5°～70°(2θ), 步进扫描, 步宽为 0.02°, 发散狭缝为0.5°, 接受狭缝为 0.15 mm, 防散射狭缝为 0.5°, 矿物含量是依面积法进行半定量分析, 结果由SIROQUANT程序完成[20]。

主元素分析在中国科学院地球化学研究所完成,取粉沫样品40 mg放入特氟龙杯中并加入1 mL HF和1 mL HNO3, 把密封的特氟龙杯放入电烘箱中于185 ℃下维持约 36 h。冷却后, 特氟龙杯置于电热板上蒸干, 最后加入Rh内标及稀硝酸, 用ICP-AES测试主元素[21]。GSR-1、OU-6、1633-a、GXR-2、GXR-5标样进行质量控制, 主元素精度和准确度为优于5%。

激光粒度分析样品为10 cm一个样品, 共54个样品, 在中国科学院南海海洋研究所的 Mastersizer 2000激光粒度分析仪进行测试, 分析范围为 0.02～2000 µm, 重复测量的相对误差小于2%。

年代测定选取关键层位6～10 cm、130～134 cm、228～232 cm、352～356 cm、480～484 cm、544～548 cm共 6个样品, 在双目镜下挑选出 Globigerinoides ruber和Globigerinoides sacculifer浮游有孔虫混种12 mg进行 AMS14C测年。挑出的浮游有孔虫用15% H2O2和水浴超声振荡, 去除有孔虫的有机碳。14C测年在美国迈阿密Beta分析公司采用Accelerator Mass Spectrometry (AMS)方法完成, 详细的分析步骤见http://www.radiocarbon.com/analytic.htm。测定的年龄数据首先经δ13C同位素分馏校正, 再进行树轮曲线IntCal09校正。

2 结 果

2.1 沉积物的粒度

激光粒度分析结果显示灰黑色黏土质粉砂层(A1和 A3)的中值粒径一般在 6～15 µm 之间, 黏土(＜4 µm)及粉砂(4～63 µm)分别约为 16.7%～37.3% (平均27%)和 48.9%～68.6% (平均 59%), 砂级(＞ 63 µm)沉积物含量小于 20% (图 2)。而在灰白色富有孔虫砂层(A2和 A4b)的中值粒径一般大于 250 µm, 砂的含量可达到 39.6%～86.9% (平均 67%), 黏土和粉砂含量则明显减少, 分别为4.9%～25.1% (平均11.7%)和7.8%～41.8% (平均20.2%) (图2)。灰黑色黏土质粉砂和灰白色有孔虫砂的混合层(A4a)具有典型的正粒序粒度特征, 中值粒径从底向上逐渐变细, 粉砂和黏土含量越来越高, 砂含量越来越低,渐渐过渡到A3层。

2.2 矿物成分和陆源元素

DH-1孔沉积物中的矿物成分主要为方解石、石英、长石、伊利石和绿泥石。方解石含量的变化与通过总 Ca含量扣除陆源背景值计算: CaCO3= 2.5[Catot– (Altot× Ca/Alaverageshale)], 其中 Ca/Alaverageshale比值为 0.276[22], 得出的 CaCO3含量的趋势一致(图2)。可以看出A4b层CaCO3含量稳定在80%左右, 然后从A4a层底向上到顶递减到20%左右, 在A3层稳定在20%左右, 之后在A2层突增到80%左右, 最后在A1底部突降并稳定在20%左右。而方解石含量的变化与陆源矿物伊利石 + 绿泥石 + 石英 + 长石呈镜像关系(图2)。A2和A4b层的长石、伊利石和绿泥石没有检出, 主要矿物成分为方解石和石英。

Ti/Al、K/Al和Fe/Al比值在灰黑色黏土质粉砂层(A1和 A3)比较一致, 均值分别为 0.05、0.3、0.55和0.0016 (图2)。而灰白色富有孔虫砂层(A2和A4b)的Ti/Al、K/Al和Fe/Al比值显著高于灰黑色黏土质粉砂层, 表明了陆源物质输入的变化。混合层(A4a)的Ti/Al比值类似于灰黑色黏土质粉砂层(A1和A3),而K/Al和Fe/Al比值有从下向上递减的趋势, 最后降到A3层的值。K/Al、Ti/Al及Fe/Al比值在灰白色富有孔虫砂层中均表现出与中值粒径相似的变化规律, 在灰白色富有孔虫砂层(A2和A4b)的元素比值迅速升高, 而在混合层(A4a)K/Al和 Fe/Al随着粒度向上变细的同时, 元素比值也逐渐减小(图2)。这反映了K、Ti、Fe等元素在灰白色富有孔虫砂层相对富集, 且富集趋势与粒度变化紧密相关。

2.3 有孔虫14C定年

关键层位浮游有孔虫 Globigerinoides ruber和Globigerinoides sacculifer的14C定年结果显示近海底的 A1灰黑色黏土质粉砂层上部的年龄为 1985～2275 cal. a BP。灰白色富有孔虫砂A2层上部为15095～15345 cal. a BP, 下部为22435～22680 cal. a BP。而混合层的A4a层上部为 43150～44970 cal. a BP, 下部为 42455～43525 cal. a BP。沉积柱的最深部 A4b灰白色富有孔虫砂层下部年龄大于43500 cal. a BP (表1和图 2)。

表1 DH-1孔浮游有孔虫的AMS-14C测年数据Table 1 AMS-14C data for Foraminifera in DH-1core sediments

3 讨 论

灰黑色黏土质粉砂层(A1和A3)的沉积物Ti/Al =0.05、K/Al = 0.3、Fe/Al = 0.55类似于神狐海域表层沉积物的值(Ti/Al = 0.05、K/Al = 0.3、Fe/Al = 0.52)[25],中值粒径一般在6～15 µm之间, 矿物组成以陆源长英质和黏土为主, 也显示神狐海域表层正常半深海沉积特征[26]。

灰白色富有孔虫砂层(A2和A4b)富含碳酸钙, 中值粒径大于 250 µm, 有孔虫砂含量高。Ti/Al、K/Al、Fe/Al和Zr/Al比值高, 显示相对于A1层, 富有孔虫砂层(A2和 A4b)的陆源粗颗粒碎屑物质含量相对黏土矿物的升高。混合层 A4a层砂含量呈现向上逐渐降低, 粉砂和黏土含量向上逐渐增高, 碳酸钙含量依次递减, K/Al和Fe/Al比值也依次递减, 显示富钾和铁等陆源粗颗粒碎屑物质相对于黏土矿物含量输入的降低, 形成典型的正粒序沉积层, 而且A4a层顶部和底部的年龄相差不大(43150～44970 a BP和42455～43525 a BP)。

此外, 富有孔虫砂层 A2和 A4b包含大量浮游有孔虫和浅水的生物碎屑(如珊瑚、珊瑚藻、贝类), 碳酸钙含量大于80%(图2), 同时含有末次冰期以前的有孔虫, 如 Dentoglobigerina altispira altispira、Globoquadrina dehiscens、Globorotaliamulti camerata和Spahaeroidinellopsis kochi。南海西部深海平原和南海北部东沙海域也有相似的浊流搬运引起的碳酸钙富集现象[17,27]。

在粒度 CM图中粒度分布分为3个部分: 富有孔虫砂层(A2和A4b)的M值小于4, C值在0～1之间;灰黑色黏土质粉砂层(A1和A3)的M值在6～8之间, C值在0～4之间; 混合层(A4a)在两者之间过渡(图3)。这些特征表明 A2和 A4层为跳跃搬运的牵引流沉积[28]。A2和A4层中浅水有孔虫含量高, 表明这些沙质沉积物是由陆架或上陆坡搬运来的。而A2层与上下界面均为突变接触, 可能不是由单一的重力流形成的。大量的研究表明深水底流形成的沉积物具有顶部突变的特征, 在深水区由底流形成的牵引沉积比较普遍, 且形成向上突变的接触关系[17,29]。因此,A2和 A4富有孔虫层可能是浊流经底流改造后的碎屑流沉积, 其特征是缺乏泥质沉积, 是在底流的作用下泥质细粒物质被淘洗(即再悬浮)后搬走, 留下了以细砂和少量粗砂为主的沉积物。台湾海峡也有类似的富有孔虫沉积, 碳酸钙含量大于 60%以上,富含大量浅水底栖有孔虫, 为重力流和底流交互作用的产物[18]。

图3 DH-1孔的粒度CM图Fig.3 Particle size CM diagram for the DH-1 core sediments,whereas C is the particle size for 1% content at cumulative curve, M is the particle size for 50% content at cumulative curve, i.e., the median particle size C为累积曲线上颗粒含量1%处对应的粒径; M值是累积曲线上50%处对应的粒径, 即粒度中值。

4 结 论

南海北部神狐海域水深 1805 m的陆坡区沉积柱样中发育了2层富有孔虫沉积, 其中的粗粒成分、碳酸钙含量和Ti/Al、K/Al和Fe/Al比值比正常海相沉积物高。下部的A4层沉积发生在42.46～43.53 ka BP之后, 上部的A2层沉积发生在15.1～15.3 ka BP之后。浊流从浅海带来的大量有孔虫在陆坡沉积,并经底流改造形成富有孔虫沉积层。

感谢中国科学院地球化学研究所漆亮研究员帮助完成了样品的主元素分析、中国科学院南海海洋研究所陈忠研究员在粒度分析中提供的帮助以及中国科学院广州地球化学研究所黄琦瑜教授和陈文煌博士对有孔虫鉴定的指导。特别感谢两位审稿人提出的宝贵修改意见, 对论文质量的提高具有非常大的帮助。

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