王丽艳 李广雪
研究论文
南极普里兹湾沉积物中生物硅对粒度测量结果的影响
王丽艳 李广雪
(中国海洋大学海洋地球科学学院, 海底科学与探测技术教育部重点实验室, 山东 青岛 266100)
为了探讨生物硅对沉积物粒度测量结果的影响, 本文采用两种不同前处理方法对普里兹湾重力柱状样品进行了粒度测试。结果表明, 生物硅对沉积物的平均粒径以及黏土、粉砂、砂组分的影响较小, 而对沉积物的分选、偏态、峰态以及粒度频率分布的影响较显著。结合两组粒度组分相关性分析以及各粒级含量累积减小值, 认为生物硅对沉积物中砂、粉砂、黏土级组分含量的影响逐渐减小, 这也造成未去除生物硅的沉积物粒度测量结果偏粗。另外, 通过对比发现普里兹湾沉积物中生物硅粒径主要分布在<3Φ、5.25Φ—7.25Φ、8.75Φ—9.75Φ的粒径范围。极地研究中, 沉积物粒度结果为重建古环境变化提供重要参考, 本文研究认为在普里兹湾海域沉积物粒度研究中去除生物硅对研究结果有积极作用。
粒度 生物硅 前处理过程 普里兹湾
沉积物粒度受源区性质、搬运方式以及沉积过程的影响, 其分布特征可以反映沉积物颗粒搬运途径、沉积过程的动力学信息[1-8], 并且该资料已被广泛应用于沉积相的识别、季风演化、冰架演化等古气候环境的重建研究[9-18]。粒度分析的对象包括全岩颗粒和纯石英颗粒[19-22], 为获取沉积物中有效的陆源物质信息, 样品测试之前需要经过前处理去除杂质成分。前人通过对比不同前处理过程获得的实验结果, 探讨了沉积物中有机碳、碳酸盐以及生物硅对粒度测试结果的影响[23-28]。但以往的研究主要集中在陆架海、河口、陆地、湖泊等区域, 其结果仅适用于研究区域的沉积物特征, 不具有普适性。繁杂的前处理过程不仅增加了工作量, 而且减缓了工作进度, 因此在粒度前处理过程中需要考虑到自身研究海域的特殊性, 在前人研究的基础上选择合适的预处理方案。南半球高纬海区硅质生物的贡献约占海洋初级生产力的40%[29-30], 水体中硅质生物死亡后沉积至海底, 最终在沉积物中以生物硅的形式保存下来[31-32], 因此南大洋沉积物中具有较高的生物硅含量。张晋等[28]通过南海南部表层沉积物粒度分析也提出生物硅的存在对粒度组分含量、粒度参数以及沉积物类型具有显著影响。不同区域海洋环境中硅质生物对沉积物粒度的影响不同, 并且南极大陆周边海域至今还没有关于硅质生物对沉积物粒度测量结果影响的研究。对于南极周边海域沉积物粒度分析去除生物硅的前处理过程是否必要, 生物硅是如何影响粒度结果的以及普里兹湾区域硅质生物主要的粒径范围, 诸如此类问题还未曾有过研究。本文选取普里兹湾海域为研究区域, 采用两种不同的粒度前处理方法, 一种是仅对沉积物样品进行去有机质、碳酸盐处理, 另一种是对沉积物样品进行去有机质、碳酸盐和生物硅处理。本研究旨在探讨生物硅在沉积物粒度测试中对粒径结果产生的影响, 为以后普里兹湾及邻近海域的粒度研究工作提供参考。
普里兹湾位于印度洋扇区, 是南极大陆东部最大的边缘海, 面积约为80 000 km2, 是仅次于威德尔海和罗斯海的第三大海湾[33-34](图1)。湾顶连接埃默里冰架, 东西两侧分别为伊丽莎白公主地和麦克罗伯逊地以及达恩利角, 湾口发育四女士浅滩和弗拉姆浅滩[35](图1)。湾内发育广阔的埃默里海盆, 地形相对平缓, 湾内海沟向北延伸分别形成普里兹湾海峡和Svenner海峡(图1)。普里兹湾内陆架水深在400—600 m, 大陆坡地区水深在1 000—3 000 m, 陆坡北部开阔深水大洋水深从3 000增加到4 000 m[36]。普里兹湾海域发育的环流主要包括南极绕极流、陆坡流、沿岸流以及湾内涡旋流。
研究区沿岸常年有海冰覆盖, 具有明显的年周期变化, 其中每年的3—9月为冻结期, 10月至次年2月为消融期, 并且冬季海冰覆盖范围可以延伸到58°S。受营养盐供给以及水文条件的影响, 普里兹湾夏季叶绿素浓度以陆架坡为界, 湾内向湾外表现出明显的递减趋势, 由高到低依次为湾内陆架区(1.4 mg·m−3)、陆坡区(0.44 mg·m−3)和湾外深海区(0.25 mg·m−3)[36-37]。普里兹湾海域表层沉积物中生物硅含量也表现为湾内向湾外逐渐降低, 变化范围为0.01%—13.29%[37]。
新生代以来, 普里兹湾区域构造环境稳定, 沉积过程主要受冰川作用控制[38]。研究区主要沉积硅藻软泥、硅藻土以及陆源碎屑物质, 其中生源物质与区域海冰的覆盖程度密切相关, 碎屑沉积物主要由冰川和海流搬运而来。矿物和地球化学元素分析结果表明普里兹湾沉积物主要来源于南极大陆[39-40]。
图1 研究区地理位置及区域环流发育图.红色方框代表研究钻孔位置
Fig.1. Geographical location of the study area and regional current system. The red box represents the location of P7-09 core
依托中国第29次南极科学考察(2013年)南极周边海域海洋地质考察项目, 在南极大陆印度洋扇区的普里兹湾四女士浅滩外陆坡区获得了ANT29/P7-09重力样(66°31.759′S, 78°03.883′E, 柱长192 cm, 水深1 118.50 m), 文中简化为P7-09。实验室内将柱样沿深度方向剖开, 进行照相和岩心描述。采用2 cm间隔取样, 共获得96个沉积物样品。考虑到硅质生物在沉积物中所占的比例以及含砾石样品实验测试流程较复杂, 本文选取了其中83个不含砾石的样品进行分析。
为对比生物硅含量对沉积物粒径测量结果的影响, 本文对同一层位样品进行了两组粒度实验(A和B), 共166个测量样品, 研究粒径范围为0.49— 2 000 μm。具体步骤如下: 称取0.1—0.2 g沉积物样品(粉砂和细砂取0.5—1.0 g, 中粗砂取2.0—4.0 g)置于50 mL的塑料离心管中, 加入过量30%的过氧化氢溶液, 并放置于50°C水浴锅中加热, 直至没有气泡产生; 加入5 mL、0.25 mol·L−1的盐酸溶液, 并放置于50°C水浴锅中加热, 直至没有气泡产生。加入10 mL去离子水离心清洗(三次), 去除过量的酸(转速3 500 r·min−1, 时间6 min)。将B组所有样品超声分散, 加入20 mL、1 mol·L−1的Na2CO3溶液, 85°C水浴4 h, 加入去离子水离心清洗(三次), 去除过量的碱。A组和B组所有前处理完成后, 向测试样品中加入适量0.05 mol·L−1的六偏磷酸钠溶液超声, 待上机测试。另外, 我们在上机前随机抽取了B组20个样品, 进行涂片, 待薄片自然晾干后进行镜下观察,目的是为了检查硅质成分是否去除干净。粒度测试采用英国马尔文2000型号激光粒度仪进行分析, 测试范围为0.02—2 000 μm, 测量误差小于3%。其中A组样品的粒度测试在国家海洋局第二研究所完成, B组样品的粒度测试在国家海洋局第一海洋研究所完成。另外, 为了验证不同测试仪器之间粒度数据对比的可靠性, 我们均匀选取了21个平行样进行A组粒度实验前处理并使用国家海洋局第一海洋研究所激光粒度仪进行测试。
生物硅是借助化学方法测定的沉积物中的生源无定形硅含量[41]。生物硅含量测试采用Mortlock和Froelich[42]的测试方法, 测试过程在中国海洋大学海洋地球科学学院沉积物分析测试实验室完成, 具体操作过程如下: 取适量样品烘干、研磨; 称取130—140 mg样品放入50 mL的塑料离心管中, 目的是保证所测样品中总生物硅含量不超过25 mg; 加入5 mL、10%的过氧化氢溶液和5 mL、1︰9的盐酸对样品预处理, 目的是去除有机质和碳酸盐; 用去离子水清洗至中性, 烘干; 向干燥后的样品加入40 mL、2 mol·L−1的碳酸钠溶液, 混匀, 并将离心管放置于85°C的水浴锅中加热; 每隔1 h取出离心, 然后取0.125 mL上清液进行上机测试(分光光度法测定提取液中的硅), 连续提取8 h。最后, 基于提取液中Si含量随时间变化曲线的反向延长线与纵坐标的交点值确定样品中生物硅的含量。
我们对比了两台测试仪器测得的21个相同层位沉积物粒度数据,结果显示, 平均粒径、沉积物各组分(黏土、粉砂、砂)含量相关性好, 分选、峰态等参数相较于其他参数而言相关性差(图2)。但总体指标相关性均在0.95以上, 说明两台仪器粒度测量得到的结果误差对本文的研究影响不大。因此, 我们对两组粒度实验结果数据的对比分析是可行的。
3.1.1 粒度参数
刘志杰等[43]通过对比几种不同公式计算出的粒度参数结果, 提出Collias矩法公式反映的沉积物粒度分布特征更可靠。因此, 本文采用该方法对沉积物平均粒径、分选、偏态值、峰态值进行了计算。另外, 根据尤登-温德华氏粒级划分标准, 以4 μm、64 μm为界, 计算得到了黏土、粉砂、砂组分的体积分数。图3给出了两种不同前处理方法获得的粒度实验结果。
图3a显示B组前处理方法得到的沉积物平均粒径整体上较A组有变细的趋势, 其中88%的样品均有不同程度的偏细, 剩下12%的样品平均粒径较未去生物硅的样品略偏粗(表1)。平均粒径通常被用来反映沉积物颗粒粗细变化, 主要与源区沉积物以及搬运介质动力强弱有关[44]。两组沉积物平均粒径总的变化趋势一致, 说明该参数所指示的沉积环境变化规律基本相同。另外, 结果显示两组沉积物的分选系数变化不大(变化范围−0.129—0.09), 去除生物硅的沉积物中有75.9%的样品分选系数相应减小, 说明沉积物分选整体上相对变好, 但总的来看, 两组结果均显示沉积物分选较差。偏态值结果显示(图3c), A组沉积物主要表现为极正偏(29)、负偏(22)、极负偏(20), 其次为正偏(11); B组沉积物粒度偏态主要表现为极正偏(41), 其次为正偏(18)、负偏(16)、极负偏(6), 表明去除生物硅后的沉积物粒度有偏粗的趋势。普里兹湾沉积物峰态都属于宽平和很宽平, 去除生物硅前后有 21个沉积物样品峰态由宽平变为很宽平。沉积物偏态和峰态主要反映沉积环境对粒度的改造结果[45], 表明B组粒度结果所揭示的沉积环境较A组更稳定。
图2 同一前处理方法两台激光粒度仪沉积物粒度测量结果对比
Fig.2. Comparison of sediment grain-size measurement using two laser particle size with the same pretreatment method
Fig.3. Comparison of the grain size parameters and the volume percentage of clay, silt and sand with different pretreatment methods. a)average grain size and variations of its difference (Φ); b)sorting and variations of its difference; c)skewness and variations of its difference; d)kurtosis and variations of its difference; e)clay content and sorting variations of its difference (%); f)silt content and sorting variations of its difference (%); g)sand content and sorting variations of its difference (%)
为了更直观地说明两组粒度实验结果的差异, 本文对两组实验获得的数据结果进行了相关性分析(图4)。结果显示, 硅质生物对沉积物的平均粒径影响较小(2=−0.9), 对分选、偏态及峰态的影响较显著,2分布在0.47—0.64范围内(图4), 表明去除生物硅前后的粒度结果对沉积物的来源信息、沉积动力强弱变化信息的判别影响较小, 而对沉积环境分析结果有影响。
3.1.2 沉积物组分
沉积物组分结果显示, B组粒度实验结果相较于A组分别有79.5%沉积物样品中黏土组分体积百分含量有所增加, 72.3%的样品沉积物中粉砂组分体积百分含量也有不同程度的增加, 而约79.5%的沉积物样品砂组分体积百分含量减少。普里兹湾区域黏土和粉砂组分(<63 μm)主要由区域海流搬运, 砂组分(>63 μm)多为海冰或冰山所携带[46-47]。研究区沉积物中黏土和粉砂组分主要代表了水动力强弱信息, 分别反映弱、强水动力环境, 砂组分则反映了区域海冰的发育程度。总体上, 两种前处理方法获得的粒度各组分含量变化趋势相同(图4e-f), 区别仅表现在量上。另外, 通过对两种不同前处理方法得到的同一样品沉积物组分相关性分析(图4)可以看出, 沉积物中硅质生物对三组分(黏土、粉砂、砂)的影响不大,2可以达到0.9左右(图4), 表明两种方法获得的沉积物粒度结果对沉积环境的判别以及其所揭示的水动力强弱变化特征影响不大。
Fig.4. Correlation of grain size results of sediments from group A and group B
沉积物粒度频率曲线和概率累计曲线能够直观、准确、定量地显示沉积物粒度组成, 并且能够很好地反映各特征组分的分选性, 对了解研究区沉积动力条件变化具有重要意义。A组实验得到的频率曲线表现为单峰或双峰分布形态, B组实验频率曲线表现为单峰、双峰或多峰分布形态。极地陆架边缘沉积物通常分选很差(图3), 除了区域海流所携带的细颗粒物质之外, 最主要是冰架崩解下来的冰山所携带的粗细碎屑混杂沉积物。通过两组实验粒度频率曲线对比我们发现(图5), 生物硅的存在掩盖了沉积物粒度特征所揭示的真实的物源信息。总体上, B组沉积物最大粒径较A组明显偏细(图5), 累计曲线分布特征反映了B组沉积物粒度结果所揭示的沉积环境较A组复杂。
图5 沉积物中不同生物硅含量对应的粒度频率曲线和累计曲线分布特征. A组和B组实验结果分别用黑线和红线表示
Fig.5. The grain size frequency distribution and probability accumulation curves of the sample for different range of Biogenic Silica content. The experimental results of group A and group B are shown by black and red lines, respectively.
Shepard[46]和Folk等[47]的沉积物结构分类是目前较为常用的沉积物分类和命名方法, 其中谢帕德分类方法只是单纯的描述性分类, 而福克分类方法包含了动力强度以及介质浑浊度的信息, 具有明显的动力学意义[48]。我们分别用这两种方法借助两组实验粒度结果对沉积物进行命名, 进而对比两者之间的差异(图6)。
两组粒度数据分别借助福克命名方法得到沉积物类型, 结果显示两组沉积物均主要以粉砂质砂、砂质泥、泥为主, B组部分沉积物样品中砂、粉砂成分所占比例明显较A组小, 说明去除生物硅之后的沉积物粗组分有减少趋势。谢帕德分类方法得到的沉积物类型两组结果均表现为以粉砂质砂、黏土质粉砂以及砂-粉砂-黏土为主, 其中B组实验结果表现出砂、粉砂成分所占比例的减少。两种不同前处理方法获得的沉积物分类总体上均没有很明显的变化, 仅少数样品命名发生了改动或样品中各成分所占比例有细微的变化。因此, 两种不同前处理方法对沉积物类型的划分以及物质来源解释影响不大。
图6 两种前处理方法得到的福克分类(a)和谢帕德分类(b)结果对比
Fig.6. Folk (a) and Shepard (b) classifications with different pretreatment methods
为了定量表征生物硅对普里兹湾沉积物粒度的影响, 本文计算了两种预处理方法测得的沉积物粒度平均粒径之间所产生的差值(图7)。文中采用下式分别计算了去除生物硅前后沉积物各粒径平均百分含量、黏土、粉砂以及砂组分含量的差值: X=XA−XB, 式中X为去除生物硅前后的数据差值, XA、XB分别为未去除生物硅和去除生物硅测得的粒度相关参数值。差值结果为正, 说明该组分在去除生物硅之后含量减少; 差值的绝对值越大说明去除生物硅以后的沉积物中该组分含量变化幅度越大。考虑到本文主要是探讨生物硅的存在对沉积物粒度测量结果的影响, 因此我们更多地关注去除生物硅样品相较于未去除生物硅样品含量减少的组分分布特征。
粒度差值结果显示, 整个柱状样去除生物硅沉积物平均粒径均表现出不同程度的减小, 仅有几个层位沉积物较未去生物硅时表现出粒度变粗的变化特征(图3a), 平均粒径最大变化值可达127.46 μm。普里兹湾区域沉积物不同前处理过程对后期粗组分含量的测定影响较大, 说明受到硅质生物影响未去除生物硅的测量结果会比实际矿物颗粒粒径测量结果偏粗。同时对比了沉积物中黏土、粉砂、砂组分的变化值随深度的变化特征, 整体上来看, 黏土、粉砂、砂组分含量随深度变化均表现出不同程度的增加或减少, 与去除生物硅样品结果相比, 各层位均表现为粗组分含量减小, 细组分含量增加的变化特征, 仅部分层位沉积物细组分含量减小, 粗组分含量相应增多。例如, 118—192 cm层段沉积物样品砂组分含量减少, 对应黏土、粉砂组分含量增多; 82—115 cm层段沉积物样品中黏土组分含量减少, 对应粉砂和砂组分含量略有增加; 0—26 cm层段样品粉砂组分含量明显减少, 对应黏土组分含量增多(图7)。这一结果说明硅质生物的生长粒径多分布在沉积物砂组分粒径范围, 少量分布在粉砂和黏土组分粒径范围, 这就说明生物硅的粒径范围分散。
图7 沉积物各参数差值分布特征(A组−B组). a)去除生物硅(红线)和未去生物硅(蓝线)两种前处理方法获得的平均体积频率曲线以及其差值分布柱状图, 蓝线和红线分别代表A组和B组沉积物粒径平均频率分布曲线; b)黏土、粉砂、砂百分含量差值, 差值为正代表该组分含量在去除生物硅之后减少
Fig. 7. Distribution characteristics of different values of particle-size parameter (A−B). a)Mean volume frequency curves obtained by two pre-processing methods and the difference of average percentage content of sediment particle size. Blue line and Red line represent the average frequency distribution curves of grain size for group A and B, respectively. b)Difference of clay, silt and sand content (%); positive difference means that the content of this component decreases after removing Bio-Silicon
为了进一步说明这一点, 我们统计了沉积物样品各粒径范围所占的平均百分含量差值(图7a), 结果表明黏土、粉砂、砂组分测量结果均受到生物硅不同程度的影响, 但其影响的粒径范围有一定规律可循。P7-09柱状样沉积物各粒径百分含量减小的范围主要分布在<3Φ、5.25Φ—7.25Φ、8.75Φ—9.75Φ三个区段, 表明普里兹湾海域沉积物中生物硅的赋存对这几个粒径范围测量结果影响最大。因此, 普里兹湾区域保存在沉积物中的生物硅的粒级范围主要分布在<3Φ、5.25Φ— 7.25Φ、8.75Φ—9.75Φ三个区间内。另外, 通过对比各粒径范围累积百分含量减小值, 发现生物硅对沉积物砂、粉砂以及黏土组分的影响程度依次递减。
P7-09柱状样中生物硅含量变化较大, 变化范围为0.05%—9.75%, 垂向分布特征表现为从底部向顶部含量逐渐增多。其中, 62—192 cm层位生物硅含量较低, 平均含量稳定在0—2%之间; 24—62 cm层位生物硅含量相较于上一段略有增加, 平均值稳定在2%—4%之间; 0—24cm层位生物硅含量明显增加, 并在13 cm位置处达到峰值(图8)。为了探讨不同生物硅含量与硅质生物对沉积物粒度结果造成的影响之间的关系, 我们将生物硅浓度以1%为间隔划分为十组, 最终样品统计量分别为50(0—1%)、18(1%—2%)、13(2%— 3%)、5(3%—4%)、0(4%—5%)、0(5%—6%)、4(6%—7%)、2(7%—8%)、3(8%—9%)、1(9%— 10%)。
本文选取了10个生物硅浓度等级得到的粒度实验结果进行讨论(图5), 结果显示, 两组粒度结果之间的差异变化与生物硅浓度之间没有明显的规律可循, 不同浓度生物硅都对沉积物样品颗粒有不同程度的影响。另外, 我们将生物硅浓度与各粒度参数变化差值做了相关性分析, 发现生物硅浓度与平均粒径、分选、峰态值以及偏态值相关性均较低, 并且生物硅含量与沉积物组分之间的相关性也很差(图9)。该结果说明生物硅含量与其对沉积物粒度结果的影响没有规律可循, 因此我们不能提出可以划定两种粒度实验预处理方法的临界生物硅含量或范围。根据前面分析, 普里兹湾海域生物硅生长的粒径范围大, 测定的生物硅含量不仅取决于硅质生物的大小, 还取决于硅质生物的数量多少以及硅质生物种类。因此, 研究区生物硅生长粒径的非集中性, 使得生物硅含量在粒度实验前处理过程中不具有参考价值。
图8 P7-09柱状样沉积物中生物硅含量分布特征. 图中标注的数字代表每个生物硅等级统计的样品量
Fig. 8. Distribution characteristics of Biogenic Silica content in P7-09 core sediments. Numbers labeled to represent the statistical sample size
本文通过设置两组不同的粒度前处理实验, 对南极普里兹湾P7-09重力柱状样沉积物进行了粒度分析, 探讨了生物硅对普里兹湾沉积物粒度测量结果的影响。两组不同前处理方法获得的粒度参数结果及其相关性分析表明, 生物硅对沉积物的平均粒径以及黏土、粉砂、砂组分的影响不大, 而对沉积物的分选、偏态及峰态的影响较显著。生物硅对沉积物各粒度组分含量均产生了不同程度的影响, 其中生物硅主要影响沉积物中粗组分的含量, 从而导致未去除生物硅的沉积物粒度测量结果总体上偏粗。另外, 各粒径范围平均频率累计含量的变化特征揭示了砂、粉砂、黏土组分受生物硅影响逐渐减弱。生物硅含量对沉积物分类的影响较小, 基于两种前处理方法获得的各粒径平均百分含量分布特征, 普里兹湾沉积物中生物硅主要分布在<3Φ、5.25Φ—7.25Φ、8.75Φ—9.75Φ三个粒径范围。极地沉积物粒度信息通常被用来反映搬运介质类型以及水动力强弱信息, 因此沉积物粒度测试研究中去除生物硅的前处理过程对重建普里兹湾及周边海域环境的演化过程有积极作用。另外, 研究区钻孔揭示的生物硅含量低(<10%), 不同范围生物硅的含量与粒度参数以及各组分相关性差, 表明普里兹湾海域生物硅含量不能作为粒度实验前处理流程中是否需要去除生物硅的判断依据。
图9 生物硅与粒度参数、各组分体积百分含量差值相关性
Fig. 9. Correlation between Biogenic Silica content and the difference in particle size parameters and volume percentages of each component
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INFLUENCE OF BIOGENIC SILICA ON MEASUREMENTS OF SEDIMENT GRAIN SIZE IN PRYDZ BAY, ANTARCTICA
Wang Liyan, Li Guangxue
(Ocean University of China, College of Marine Geosciences, Key Lab of Submarine Sciences & Prospecting Techniques, MOE, Qingdao 266100, China)
Samples obtained from a gravity core from Prydz Bay were pretreated by the removal of biogenic silica. Sediment grain size and volume percentages of particles of different sizes were measured; results between treated and untreated samples were compared. Main grain size distribution of biogenic silica in the sediments of Prydz Bay is <3Φ, 5.25—7.25Φ, and 8.75—9.75Φ. We conducted a correlation analysis on the grain size parameters and the percentage content of each component obtained from the two sets of experiments, and inferred that biogenic silica has little influence on the average particle size, sand, silt and clay fractions in the sediment, but has a clear influence on the sorting, skewness and kurtosis of grain size distribution; as a result, in untreated samples, measured particle size is larger than actual particle size. Study results indicate that removal of biogenic silica from sediments is a prerequisite for grain size studies and provenance analyses in polar regions.
Grain size, Biogenic silica, Pretreatment methods, Prydz Bay
2019年4月收到来稿, 2019年6月收到修改稿
中国地质调查局我国海域关键地质问题跟踪分析与研究专题项目(DD20160147、GZH201100202)、国家自然科学基金重点项目(41030856)资助
王丽艳, 女, 1990年生。博士研究生, 主要从事海洋沉积学研究。E-mail: zywly90@163.com
李广雪, E-mail: estuary@ouc.edu.cn
10. 13679/j.jdyj.20190017