东太平洋阿塔卡马海沟沉积物矿物学和地球化学特征及其物源指示

陈逸伦, 罗 敏, 2*, 陈多福

东太平洋阿塔卡马海沟沉积物矿物学和地球化学特征及其物源指示

陈逸伦1, 罗 敏1, 2*, 陈多福1

(1. 上海海洋大学 海洋科学学院 深渊科学技术研究中心, 上海 201306; 2. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋地质过程与环境功能实验室, 山东 青岛 266061)

深渊海沟是全球海洋中最深的区域, 在全球物质循环体系中占有重要的地位。为进一步了解深渊海沟沉积物的组成与来源, 分析了东太平洋阿塔卡马海沟沉积物的全岩主量、微量元素和稀土元素、矿物组成、黏土矿物组成与碎屑组分Sr-Nd同位素组成等矿物学和地球化学特征, 进而揭示海沟沉积物的物源。研究发现, 阿塔卡马海沟沉积物主要来源于其紧邻的阿塔卡马沙漠地区, 以北部火山物质为主, 并且可能记录了安第斯山脉中北部火山链发生过地壳同化的特征, 同时陆源碎屑物质对其也有一定贡献。不仅如此, 海沟轴部站位沉积物从北至南还明显反映了物源区降雨量逐渐减小的这一气候特征。因此, 深渊海沟尽管水深巨大、远离陆地, 海沟轴部仍可能是陆地母岩风化产物的最终归宿, 并记录了临近陆地气候信息。

深渊海沟; 地球化学特征; 物源示踪; 降雨量; 阿塔卡马海沟

0 引 言

深渊区是海洋中最深的区域, 水深大于6000 m, 主要由海沟和海槽组成(Wolff, 1959; Jamieson et al., 2010)。深渊区域的面积虽然只占全球海底面积的1%～2%, 但其垂直深度却占据了全球海洋深度范围的45%, 因而在全球海洋体系中占有重要地位(Jamieson et al., 2015; Liu et al., 2018)。长期以来, 由于水深大、采样困难等原因, 对深渊区生物学、生态学和地球化学的认识都十分匮乏, 甚至一度认为其是“生态荒漠”(林刚, 2019)。然而随着近些年来不断发展的深海技术, 对深渊区域的探测和研究逐渐增加, 人们逐渐发现, 深渊区有着较高的底栖生物量以及独特的深渊生物, 且海沟漏斗状地形地貌有利于沉积物向海沟轴线水平迁移和积累。此外, 位于俯冲带的海沟易受到多发地震和火山爆发的影响, 加之这一区域浊流较多, 也有助于沉积物质快速进入海沟(肖春晖等, 2017)。但是我们对海沟沉积物的成分和来源的了解仍然十分有限。

当前对于深渊海沟沉积特征的研究较多集中于太平洋地区, 通过沉积物主量、微量元素和矿物成分以及Sr-Nd同位素分析发现马里亚纳海沟南部的沉积物碎屑组分主要来源为火山物质并明显受风尘输入的影响(朱坤杰等, 2015; Luo et al., 2018)。粒度和矿物学研究显示爪哇海沟的沉积物主要来源于周边的造山带和火山活动区, 而且大部分来自于喜马拉雅抬升基底(Mallik, 1978)。此外, 沉积物稀土元素、黏土矿物组成表明新不列颠海沟表层沉积物主要来自周围岛屿火山物质和陆源河流沉积, 但整体上主要来源于中性火山物质(林刚, 2019)。另外, 对大西洋波多黎各海沟的研究发现, 其沉积物主要来源于与其相邻的奥里诺科河三角洲和伊斯帕尼奥拉岛(肖春晖等, 2017)。本研究通过对世界上最长海沟——阿塔卡马海沟沉积物的主量、微量元素和稀土元素、全岩矿物和黏土矿物组成以及碎屑组分Sr-Nd同位素组成特征的研究, 分析其来源及对邻近地区的气候响应, 揭示深渊海沟物质的源汇过程。

1 区域环境背景

阿塔卡马海沟, 又称秘鲁–智利海沟, 位于东太平洋秘鲁智利以西附近的海域, 距离秘鲁及智利海岸约160 km。整体为一个“S”型狭长海沟, 走向贴合海岸线, 南起智利中部康赛普西翁附近海域, 北至秘鲁北部皮乌拉附近海域, 由南向北延伸, 全长约5900 km, 是世界上最长的海沟, 主要由南极洲板块向美洲板块俯冲形成。位于20°S～30°S的区域是阿塔卡马海沟最深的部分之一, 最大深度超过8000 m(Angel, 1982; Thornburg and Kulm, 1987)。海沟南部紧邻智利海岭, 东部为高耸的安第斯山脉, 中部紧邻阿塔卡马沙漠。在安托法加斯塔地区(25°S), 阿塔卡马海沟最深处与其相邻的尤耶亚科火山顶存在着14800 m的高差, 这也是目前地球上已知的相邻地区的最大高差(Taussi et al., 2019)。

阿塔卡马海沟位于纳斯卡板块和南美板块的交界处, 周围海底地形较为复杂。南美洲板块在侏罗纪随着东面大西洋展开向西漂移, 纳斯卡大洋板块的东缘受到南美洲大陆板块西缘的挤压, 发生潜没和隆起。伴随着来自地幔的大量岩浆侵入, 同时形成了南美洲大陆板块西部边缘的火山弧。这种活动强度在新生代期间进一步加强, 最终形成了阿塔卡马海沟及其临近的安第斯山脉。作为环太平洋火山带的一部分, 该区域至今很多火山仍非常活跃(Ziegler et al., 1981; Breitkreuz and Werner, 1994; Bernard et al., 2010)。

阿塔卡马海沟所在海域及其周边地区, 全年盛行离岸南风或东南风, 使得表层海水向西偏离海岸, 产生了一个重要的上升流——秘鲁寒流。寒流流经区域海水上涌带来了大量的硝酸盐、磷酸盐等营养物质, 使得表层海水具有非常高的初级生产力, 因此孕育了大量的海洋生物, 形成了世界著名渔场之一的秘鲁渔场。同时沙漠边缘盛行的离岸风也带来了大量的风尘(Croce et al., 1997; Sabbatini et al., 2002)。

2 样品和方法

2.1 样品采集

本次沉积物样品来源于2018年3月2日至4月2日进行的RV SONNE SO261航次, 航次中共计在9个站位进行柱状沉积物采样, 其中6个站位位于水深7700 m以上的海沟轴部, 另有2个站位位于大陆边缘, 1个站位位于深海平原作为参考, 具体采样位置信息见图1和表1。浅层沉积物由多管采样器采集, 柱样长度约为30～35 cm。沉积柱采样后, 0～10 cm部分按照1 cm间隔进行现场分样, 10～20 cm部分按照2.5 cm间隔进行分样, 20 cm以下部分按照5 cm间隔进行分样, 样品于−20℃保存(Wenzhöfer, 2019)。

图1 阿塔卡马海沟积物站位位置及其附近区域环境背景

表1 阿塔卡马海沟沉积物站位信息

2.2 样品分析方法

2.2.1 主量、微量元素和稀土元素

样品分析在中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室完成。样品研磨至粉末后, 放入特氟龙杯中, 先后加入HNO3、HCl和HF并加热至180 ℃, 12 h后在电热板上蒸酸至近干。添加1 mL内标浓度为0.5 μg/g的Rh、2mL的HNO3与3 mL的去离子水到特氟龙杯中, 密封后加热至140 ℃并溶解5 h以上。主量元素测试添加1 mL浓度为0.6 μg/g的内标Cd, 稀释后用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES, Varian Vista Pro)测试。微量元素测试则直接取溶解后的溶液稀释后用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS, Perkin-Elmer ELAN 6000)测试。主量元素含量的相对标准偏差控制在<3%, 微量元素含量的相对标准偏差控制在<10%。

2.2.2 矿物成分

沉积物全岩矿物成分分析在中国科学院广州地球化学研究所矿物学与成矿学重点实验室进行。将样品研磨后使用德国BRUKER D8 ADVANCE型X射线衍射仪(XRD)进行衍射分析, 扫描范围2=3°～85°, 狭缝1 mm, 扫描速度4 °/min。黏土矿物组成分析在华东师范大学完成。称取适量全岩样品与10% H2O2溶液和10%醋酸溶液反应24 h, 然后离心清洗3次以去除有机质和碳酸盐。按Stokes沉降经验公式确定沉降时间, 将悬浮物(<2 μm)的上层浊液吸出, 上层浊液以4800转/min的速度离心10 min, 采用涂片法将离心后的样品制成自然片(N片), 自然片在60 ℃环境中经乙二醇蒸汽处理12 h后制成乙二醇饱和片(EG片), 然后使用荷兰的PANalytical-X Pert. Pro MPD型XRD进行分析, 扫描范围2=3°～35°, 狭缝1 mm, 扫描速度: 2 °/min。矿物组成使用Jade6软件分析图谱, 计算各衍射峰强度与峰面积。采用Biscaye (1965)方法计算4种主要黏土矿物(蒙脱石、高岭石、伊利石和绿泥石)的相对百分含量, 4种黏土矿物的总含量校正为100%。矿物成分半定量分析误差为5%～10%。此外, 伊利石结晶度可由乙二醇饱和曲线上伊利石衍射峰的半峰宽表示, 数值越低表示伊利石矿物晶格有序度越高, 指示源区水解作用较弱, 气候寒冷、干燥。伊利石化学指数的计算是在乙二醇饱和曲线上根据5 Å/10 Å峰面积比确定, 比值小于0.5为富Fe-Mg伊利石, 为物理风化结果; 比值大于0.5为富Al伊利石, 代表经历过强烈的水解作用。

采用大区对比不设重复，各处理设在单独的水稻池块中。每处理1500平方米，4月8日播种，5月13日插秧，秧龄3.5叶。各处理均采用日本井关高速插秧机插秧、携带侧深施肥器施肥，栽培密度保持在30穴/m2左右，单穴保苗6-9株；即井关高插机设置为最小株距、最大取秧量。侧深施肥器的施肥量调到20公斤每亩。共设6个试验处理：

2.2.3 Sr-Nd同位素

样品分析在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成。称取适量冻干沉积物研磨后添加10% HCl和10% H2O2去除钙质及有机质, 洗至中性再添加 0.3 mol柠檬酸钠和1 mol碳酸氢钠, 充分溶解共振后加入少量硫代硫酸以去除铁锰自生矿物。最后加入2 mol饱和碳酸钠溶液, 85 ℃水浴5 h以去除生物硅(Rea and Janecek, 1981; Clemens and Prell, 1990)。将前处理后的残渣放入特氟龙杯中, 加入HNO3、HCl和HF后加热至180 ℃, 12 h后在电热板上蒸酸至近干。接着加入0.5 mL HCl, 电热板上蒸干, 再添加5 mL 6% HCl, 密封加热至120 ℃, 5 h后取出, 再加入0.3 mL 10%抗坏血酸, 过离子交换柱分离Sr和 Nd, 转移到离心管中后上机测试。测试过程中, 采用86Sr/88Sr=0.1194内部校正仪器质量分馏, Sr同位素国际标准物质NIST SRM 987作为外标校正仪器漂移; 采用146Nd/144Nd=0.7219内部校正仪器质量分馏, Nd同位素国际标准物质JNdi-1作为外标校正仪器漂移。Sr同位素组成通常表示为87Sr/86Sr, Nd同位素组成则通常表示为Nd=[(143Nd/144Nd)sample/ (143Nd/144Nd)CHUR−1]×10000, 其中(143Nd/144Nd)CHUR为球粒陨石的比值(0.512638, Depaolo and Wasserburg, 1976)。

2.2.4 化学风化指数计算

化学风化指数(chemical index of alteration, CIA)最早由Nesbitt and Young(1982)在研究加拿大古元古代的碎屑岩时首次提出, 至今被作为一个判断源区化学风化程度的化学指标而被广泛应用。其计算公式为: CIA=(Al2O3/(Al2O3+CaO*)+Na2O+K2O)×100,其中氧化物为摩尔质量百分比, CaO*指硅酸盐中的CaO。CIA值越高指示硅酸盐矿物中Na、K和Ca矿物从母岩中淋失越多, 化学风化作用越强(邵菁清和杨守业, 2012)。本研究计算CIA所用的各组分含量均为主量元素分析时所测得, 硅酸盐中的CaO含量由全岩中的CaO含量减去碳酸盐中的CaO含量得到。沉积物中碳酸钙含量的测试通过沉积物总碳(TC)和总有机碳(TOC)的差值计算得到: CaCO3=(TC−TOC)×8.83。

3 结 果

3.1 主量、微量元素和稀土元素

阿塔卡马海沟每个站位浅层沉积物的主量元素平均含量与上地壳(UCC)进行标准化, 发现所有站位中MgO、P2O5和Fe2O3均为富集, Na2O和K2O均为亏损, TiO2则接近于UCC值(表2; 图2a)。CaO在海沟轴部样品中均为亏损, 但在大陆边缘站位样品中相对富集, MnO在海沟轴部站位样品中强烈富集, 但在大陆边缘站位样品中则接近于UCC值, 而Al2O3在海沟轴部样品中接近于UCC值, 但在大陆边缘参照站位样品略微亏损。可以发现阿塔卡马海沟浅层沉积物与其周边的北部火山物质及沙漠土壤的主量元素分布比较接近(Taylor and Mclennan, 1985, 1995; Gerlach et al., 1988; Matthews et al., 1994; Michalski et al., 2004; Kramer et al., 2005; Oerter et al., 2016; Pourkhorsandi et al., 2017; Robidoux et al., 2020)(图2b)。

阿塔卡马海沟每个站位浅层沉积物微量元素的平均含量大部分高于洋中脊玄武岩(MORB)(Pearceand Parkinson, 2000; 表3; 图3)。其中大离子亲石元素相对于MORB有明显的富集, 只有Sr相对MORB略微富集。高场强元素的富集情况则各有不同, Th、U和Pb相对MORB较明显富集, Ta、Nb、Zr和Hf略微富集, 而Y相对MORB则基本持平或略微亏损。此外, 大陆边缘站位相比海沟轴部站位, Ba和U的富集程度较大, 其他基本持平。深海平原站位相比海沟轴部站位则只有Ba的富集程度较大, 其他基本持平。总体而言, 阿塔卡马海沟轴部内不同站位沉积物的微量元素特征基本相似, 而深海平原及大陆边缘站位沉积物中的微量元素特征则个别不同。

表2 阿塔卡马海沟浅层沉积物主量元素平均含量(%)

图2 阿塔卡马海沟沉积物及周围可能物源的常量元素分布图(上地壳数值据Taylor and Mclennan, 1985, 1995)

表3 阿塔卡马海沟沉积物微量元素值(μg/g)

阿塔卡马海沟每个站位浅层沉积物平均稀土元素总量(∑REE)较低(表4), 在115～144 μg/g之间, 平均为127 μg/g, 轻、重稀土元素比值(LREE/HREE)为5.19～7.35(平均6.37), δCe*值为0.82～1.04(平均0.93), δEu*值为0.75～0.86(平均0.8)。整体而言, 阿塔卡马海沟中不同站位的沉积物稀土元素配分模式基本一致, 有着明显的轻稀土富集, 重稀土分异度低这一特征, 说明其源地比较接近。有微弱的Ce和Eu负异常(表4)。

图3 阿塔卡马海沟沉积物微量元素分布图(MORB数值据Pearce and Parkinson, 1993)

3.2 全岩矿物

3.3 黏土矿物

阿塔卡马海沟的沉积物中, 黏土矿物成分主要为伊利石(26.21%～58.47%), 其次为蒙脱石(13.62%～43.93%)、绿泥石(9.37%～26.99%)和高岭石(3.88%～20.40%)(表5)。伊利石(0.16°～0.38°)和蒙脱石(0.22°～0.90°)的结晶度较高, 说明伊利石(<0.4°)和蒙脱石(<1.5°)的结晶程度均极好(Ehrmann, 1998)。此外, 沉积物中伊利石的化学指数较低(0.14～0.62)。

表4 阿塔卡马海沟沉积物稀土元素平均值(μg/g)及相关参数

3.4 Sr-Nd同位素

阿塔卡马海沟不同站位沉积物的Sr-Nd同位素值如表6所示。87Sr/86Sr值在0.7059～0.7112之间, 平均值为 0.7076;Nd值在−6.90 ～ −1.61之间, 平均值为−4.22。Nd值的变化相对明显, AT-S2站位样品不同层位间的87Sr/86Sr值变化最大, AT-S4站位样品不同层位间的Nd值变化最大。

3.5 化学风化指数

阿塔卡马海沟沉积物的CIA值整体较低且随深度变化不明显, 每个站位平均值如表7所示。其中海沟轴部各站位CIA值变化较小, 说明其源地比较接近, 深海平原AT-S7站位的CIA值略高于轴部站位, 而大陆边缘站位AT-S1的CIA值明显低于海沟轴部及深海平原站位, 说明其源区母岩受到的化学风化程度最低。

图4 阿塔卡马海沟沉积物全岩矿物组成

4 讨 论

4.1 沉积物的物源示踪与安第斯山脉北部火山的地壳同化

海洋沉积物中高场强元素与稀土元素较不活泼, 基本可以反映源区母岩特征(Rollinson, 2001), 但也有研究发现这些不活泼元素可能会受到化学风化影响, 进而改变母岩信息(Sharma and Rajamani, 2000)。Ti在风化过程中常被认为是惰性元素, 通过Ti标准化可以推测化学风化和搬运过程中元素的丢失或富集程度, 以及海洋自身组分对元素的稀释强度。本研究中阿塔卡马海沟沉积物的Th/Ti、Hf/Ti和∑REE/Ti值与水深没有明显的相关性(图5), 说明这些元素在搬运过中丢失较少且受海洋自身组分的影响较小。另外, 沉积物CIA值总体相对较低(表7)。因此, 推测本研究的阿塔卡马海沟沉积物中高场强元素与稀土元素特征基本可以反映母岩信息(古森昌等, 1989; Shotyk et al., 2001)。

表5 阿塔卡马海沟沉积物黏土矿物组成(%)及相关参数

续表5:

注: 样品编号括号内表示柱状沉积物采样位置, 单位为cm。

表6 阿塔卡马海沟沉积物Sr-Nd同位素丰度

续表6:

注: 样品编号括号内表示柱状沉积物采样位置, 单位为cm。

表7 阿塔卡马海沟沉积物不同站位平均CIA值

阿塔卡马海沟沉积物的稀土元素球粒陨石标准化配分模式呈现出轻稀土富集, 重稀土相对亏损这一特征(图6), 其配分模式与UCC的非常相似。同时与周围的北部火山物质及沙漠土壤的配分模式也比较接近。这表明海沟沉积物可能受到周围的火山物质和陆源物质的混合影响。此外, 由于元素分异作用使Eu在上地壳缺失, 下地壳富集, 所以来自上地壳或酸性岩的沉积物中会呈现Eu负异常, 而来自下地壳基性岩的沉积物会呈现Eu正异常, 来自中性岩的沉积物则没有Eu异常的特性(林刚, 2019)。阿塔卡马海沟沉积物的稀土元素配分模式显示有较弱的Eu负异常, 这表明阿塔卡海沟的沉积物可能来源于上地壳和酸性岩, 与其周围多为中–酸性喷出岩和第四纪沉积的地质背景比较符合(Matthews et al., 1994, 1996; Michalski et al., 2004; Kramer et al., 2005; Wang et al., 2014; Holbik, 2014; Pourkhorsandi et al., 2017)。

Sr-Nd同位素同样也是一个良好的物源示踪指标。根据不同端元的混合线, 可估算不同端元组分贡献的相对比例。如图7所示, 安第斯山脉南北部火山链的Sr-Nd值有着较大的差异, 南部火山物质的87Sr/86Sr值相对较低,Nd值相对较高, 呈现典型火山物质端元的Sr-Nd同位素特征(James, 1982)。而北部火山物质的87Sr/86Sr值相对较高,Nd值显著低于南部火山物质, 显示地壳物质混入的特征。事实上, 临近阿塔卡马海沟的安第斯山脉北部具有很强的地壳同化特征(James, 1982)。形成这一特征的主要原因是安第斯山脉中北部范围内的地壳有明显增厚, 这部分增厚的地壳与岩浆混合并发生熔融形成独特的大陆弧火山岩。熔融的上地壳基底对弧前火山作用造成了巨大的影响, 使北部火山链喷发的熔岩在浅层受到地壳物质的同化, 呈现出类似于地壳的地球化学成分特征, 这也解释了北部火山物质的稀土元素配分模式与上地壳比较接近的原因(Siegers et al., 1969; Godoy et al., 2017)(图6)。而相邻纬度的南美洲黄土与北部火山物质的Sr-Nd同位素比较接近。由于阿塔卡马沙漠的Sr-Nd同位素组成未见报道, 故本研究中选取与其气候背景接近的塔克拉玛干沙漠中第四纪沉积物作为陆源物质端元(Rogers and Hawkesworth, 1989; Grousset et al., 1992; Taylor and Mclennan, 1995; Blas et al., 1999; Hattori et al., 2003; Smith et al., 2003; Holbik, 2014; Godoy et al., 2017)。

图5 阿塔卡马海沟沉积物元素比值与深度关系图

图6 阿塔卡马海沟沉积物球粒陨石标准化稀土元素配分模式及其潜在物质来源(球粒陨石数据值据Sun andMcdonough, 1989)

图7 阿塔卡马海沟沉积物Sr-Nd同位素组成分布图

Rollinson (1993)对南美洲阿根廷黄土的相关研究显示, 其含有高含量的火山物质, 且主要来自相邻的安第斯山脉, 通过西风或河流等方式输送至黄土区。黄土的Sr-Nd值显示出与安第斯火山岩相似的随纬度变化的规律, 且数值也高度贴合。而位于安第斯山脉西侧的阿塔卡马沙漠, 在气候及地形上与东侧黄土区比较相似, 可以推测安第斯山脉的火山碎屑同样会通过地势及风力输送到阿塔卡马沙漠及盆地地区, 这也较好解释了阿塔卡马沙漠土壤稀土元素配分模式与附近火山物质比较接近这一特征。输送到沙漠中的火山物质由于受到沙漠边缘盛行离岸风的影响, 最终以风尘的形式输入太平洋。Stuut et al. (2007)对智利大陆架沉积物的研究显示,来自阿塔卡马沙漠通过风尘输送的火山物质是沉积物的重要组成部分。

分析沉积物及其可能源区的87Sr/86Sr和Nd值发现, 尽管阿塔卡马海沟部分沉积物样品落在南部和北部火山物质的混合线附近, 但是考虑到南部火山物质源区离我们采样站位较远(图1), 故南部火山物质对阿塔卡马海沟沉积物贡献可忽略不计。因此, 我们认为阿塔卡马海沟沉积物主要受到来自北部火山物质及上地壳陆源物质的贡献, 但海沟轴部不同站位的特征也有明显区别。AT-S2站位的Sr-Nd值有最明显的陆源物质特征, 结合地理位置分析, 在AT-S2站位相同纬度有一条持续性河流Loa River输入太平洋, 该站位较明显的陆源物质输入可能与该河流带来的陆源物质有关。另外, 尽管安第斯山脉北部具有明显的地壳同化特征, 但也有报道在北部火山链仍存在着受上地壳同化影响较小的火山, 其仍然显示出典型火山物质的低87Sr/86Sr和高Nd值特征, 数值上大体与南部火山相近。因此, AT-S3、AT-S4和AT-S9站位显示出除受到北部火山物质及陆源物质的影响外, 还可能受到这部分地壳同化较弱的北部火山物质影响的特征。由于蒙脱石通常来源于出露的火山物质的化学风化和海底火山物质的蚀变, 海沟沉积物黏土矿物中AT-S3和AT-S9站位较高的蒙脱石含量(表5), 同样说明其受到了部分地壳同化较弱的火山物质的贡献。由于北部火山物质和陆源物质的Nd值的变化范围较相似, 不易进行区分, 但北部火山物质的87Sr/86Sr值明显比陆源物质的值低。整体上, 在混合的物质来源中, 火山端元的贡献度约为70%, 陆源河流沉积物质的贡献度则约为30%。结合其他主要风沙源区的87Sr/86Sr值分析发现, 虽然有相关研究显示澳洲沙漠风尘可以穿越太平洋, 并沉积在智利海隆中(Mcgowan and Clark, 2008; Albani et al., 2012), 但其对20°S～25°S的阿塔卡马海沟, 几乎没有影响(图7)。

4.2 沉积物的气候指示意义

黏土矿物主要在地表风化作用中形成, 在沉积作用和埋藏过程中可发生转变。它的形成和转化除了与母岩类型有关, 还与其所处的环境关系密切。控制黏土矿物形成和转化的因素可能有多种, 但最重要的是气候条件和物源特征, 温度和湿度的差异导致黏土矿物组合及其结构特点也有明显差异(陈涛等, 2003)。阿塔卡马海沟沉积物黏土矿物以伊利石为主, 而且结晶度高, 化学指数较低, 说明其富含Fe、Mg, 产于盛行物理风化作用的干旱环境, 这与其临近的智利干旱地区的气候条件相符, 整个阿塔卡马地区属于沙漠气候, 降水稀少。黏土矿物组成整体上与其临近河流沉积物比较接近(Scheidegger and Krissek, 1982; Basu et al., 1990)(图8)。

已有研究显示, 由于智利狭长的地形跨越纬度很大, 气候类型多变, 自北向南, 气候由湿润逐渐变为干旱, 气候的变化将影响沉积物的组成和变化(Lamy et al., 1998)。与海沟临近的阿塔卡马沙漠地区通常被认为全年干旱, 但通过阿塔卡马沙漠地区年降水量图可以发现, 虽然阿塔卡马沙漠地区整体属于沙漠气候, 但其降水量的南北差异巨大(图9)。在18°S～22°S的沙漠区域中, 年降水量可以达到200～400 mm, 且多为高原降水, 因为降水丰富, 还形成了多条持续性河流, 并最终输入太平洋。自北向南降水量不断递减, 在23°S附近位置发生急剧下降, 23°S以南沙漠地区下降到几乎为零。这一气候变化特征也反映在阿塔卡马海沟轴部沉积物中。高岭石一般认为是在潮湿气候、酸性介质中由长石、云母和辉石经强烈淋滤形成, 因此气候温暖潮湿有利于高岭石的形成和保存(汤艳杰等, 2002)。阿塔卡马海沟沉积物中的高岭石含量较低, 符合其源区较为干旱的特征, 但海沟轴部不同站位的高岭石含量有着较大的差别。如图9所示, 由北向南高岭石含量显著减小, 这显示出不同站位样品的源地气候存在一定差异。同时, 伊利石的结晶度也有一定的气候指示意义, 一般情况下结晶度越高则说明其源地的气候较为潮湿(Ducloux et al., 1976; 桑原, 2006)。结合这两项指标我们可以推测, 研究区阿塔卡马海沟南部的样品源地相较北部站位更为干旱, 与当地气候特征基本一致(Tapia et al., 2018)。

图8 阿塔卡马海沟沉积物黏土矿物组成特征

考虑到阿塔卡马沙漠紧邻安第斯山脉, 地形狭长且窄, 海拔落差极大, 且北部受到高原降雨的冲刷作用, 通过河流将碎屑物质快速搬运至深海中, 南部地区则由于缺少降水没有河流, 基本只通过风尘和洋流将碎屑物质输送至海沟轴部(Nozaki and Ohta., 1993; Glud et al., 2013)。尽管海沟海底水深大, 但是临近大陆的火山和陆源物质仍然是海沟沉积物的重要组成部分, 这些碎屑物质通过河流、海流和风尘等搬运途径, 最终沉积到海沟海底, 并记录了相邻纬度陆地的气候特征。

5 结 论

(1) 阿塔卡马海沟中的沉积物主要来源于其紧邻的阿塔卡马沙漠地区, 其中以北部火山物质为主, 并主要记录了安第斯山脉中北部火山链存在着地壳同化的特征; 同时还有一定量的和上地壳特征接近的陆源碎屑物质的贡献。

图9 阿塔卡马沙漠地区年降水量与海沟轴部站位沉积物气候指示特征

(2) 尽管阿塔卡马沙漠整体气候极度干旱, 但其北部在高原降雨的支持下形成多条持续性河流, 对深海沉积物的搬运有重要影响, 体现在相邻纬度的海沟轴部站位有陆源物质信号的Sr-Nd指标明显增强的特征。不仅如此, 海沟轴部站位沉积物从北至南还反应了降雨量逐渐减小的特征。

(3) 由于安第斯山脉区域巨大的海拔落差, 以及海沟的漏斗状地形, 即使海沟水深巨大, 陆地上的陆源物质及火山物质最终仍可以沉积到相邻海沟中, 并记录物源区物质的地球化学特征和气候信息。

致谢:感谢南丹麦大学Ronnie N. Glud教授为本研究提供的样品。同时感谢中国科学院地球化学研究所漆亮研究员、日本东京海洋大学山中寿朗教授在测试分析及论文撰写等方面的帮助, 感谢中国科学院海洋研究所常凤鸣研究员和另一位匿名评审专家为本文所提供的建设性修改意见。

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Geochemical and mineralogical characteristics of sediments in the Atacama Trench: Insights into the provenance of sediments

CHEN Yilun1, LUO Min1, 2*, CHEN Duofu1

(1. Hadal Science and Technology Research Center, College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 2. Laboratory for Marine Geology and Environment, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266061, Shangdong, China)

Thehadal trench is the deepest region amongst all oceans globally and plays an important role in the global ocean system. In order to understand the source and composition of the sediment of the hadal trench, the Atacama Trench in the eastern Pacific Ocean was selected for this research paper. Analyses of the major, trace, and rare earth elements, clay mineralogy of bulk sediment, as well as strontium and neodymium isotope of detrital fraction, were conducted to reveal the sources of the detrital sediment. The results showed that the sediment of the Atacama Trench were mainly derived from the adjacent Atacama desert area and the northern Andes volcanics. Features of significant crustal assimilation in the northern Andes volcanic chain were also reflected in the trench sediment. In addition, the sediment along the axis of the trench from the north to south also reflected the climate characteristics on the adjacent south American continent, which exhibited a significant north-south decrease in rainfall. Although the hadal trench is overlain by a large depth of water and usually remote from the land, the trench bottom may be the final trap for the weathering products of the parent rock on land, thereby recording the important climate information and sink processes of marine sediments.

hadal trench; geochemical characteristics; sediment provenances; rainfall; Atacama Trench

P581; P597

A

0379-1726(2022)05-0570-15

10.19700/j.0379-1726.2022.05.006

2020-11-02;

2021-02-28

国家自然科学基金青年基金项目(41703077)和青岛海洋科学与技术试点国家实验室开放基金(QNLM2016ORP0208)联合资助。

陈逸伦(1996–), 男, 硕士研究生, 海洋沉积地球化学研究方向。E-mail: 940551253@qq.com

罗敏(1987–), 男, 副研究员, 主要从事极端环境海底元素循环的研究。E-mail: mluo@shou.edu.cn