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四国海盆岩芯沉积物元素地球化学 特征及物源初步研究 摘要 海洋沉积物是一个巨大的信息库，它储存着丰富的有关地球历史和环境演 化的信息。陆架海及其延伸海域的沉积物，沉积速率快，记录信息分辨率高， 同时包含大量陆源碎屑沉积，是开展海陆相互作用以及全球变化研究的理想场 所。作为西北太平洋边缘的弧后盆地，四国海盆海底地势相对平坦，沉积物保 存连续而且完整，对探讨西北太平洋古海洋环境演变具有重要意义。 本文选择位于四国海盆南部和中部的f 1 2 0 9 0 9 ( 5 4 c m ) 和f 1 3 0 6 0 1 ( g g c m ) 两岩芯沉积物，通过对其粒度和元素地球化学特征的分析，研究该区域的沉积 环境，并进一步讨论其物质来源。 粒度分析表明，两岩芯沉积物粒度垂向上总体比较均一，主要是粘土质粉 砂，但不同层位也稍有差别，表现为自下而上粒度由细逐渐变粗，尤其是表层 部分，含砂量有所增加，体现出陆源碎屑沉积的增强。 常量元素分析结果显示，两岩芯中主要氧化物依次为s i 0 2 、a 1 2 0 3 和f e 2 0 3 ， 此三项约占所有氧化物总含量的7 5 以上。整个岩芯自下而上各常量组分变化 不大，其平均值均与大洋沉积物基本接近；两岩芯中s 1 0 2 a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 a 1 2 0 3 和t i 0 2 a 1 2 0 s 的比值最接近深海粘土的比值特征。对于岩芯f 13 0 6 0 1 ，在3 0 c m 2 0 c m 深度上有明显的m n o 富集异常，可能与海底热液事件记录有关。从微量 元素组成看，两岩芯分别在不同层位上都表现出了c o 、n i 、c u 、p b 等元素的 富集显示，可能反映了火山物质的影响。微量元素配分模式显示，除明显富集 b a 和1 1 1 外，其它元素含量均与北美页岩类似：而r e e 配分曲线较平缓，无明 显e u 异常和c e 异常，也与北荚页岩类似。上述元素地球化学特征表明，四国 海盆沉积物应以半远洋和远洋沉积为主? 根据两岩芯所处位置和四国海盆的沉积动力环境，再结合物源判别图的分 析结果，我们认为：在深海底流的作用下，岩芯f 1 3 0 6 0 1 的沉积物主要来源子 南海海槽，包括陆源碎屑沉积和火山碎屑沉积；而对于f 1 2 0 9 0 9 ，由于地处盆 地南部，远离大陆，陆源性较f 1 3 0 6 0 1 稍弱，火山物质( 可能主要来源于四国 海盆中央的扩张带及九州海脊) 的影响更为明显。 关键词：四国海盆，地球化学，沉积特征，物源分析 c h a r a c t e r i s t i co fe l e m e n tg e o c h e m i s t r ya n ds e d i m e n t p r o v e n a n c ei ns e d i m e n tc o r e sf r o ms h i k o k ub a s i n a b s t r a c t m a r i n es e d i m e n ti sv e r yh u g ed a t a b a s e ，w h i c hh a sa b u n d a n tr e c o r d sa b o u tt h e e v o l u t i o no ft h ee n v i r o n m e n ta n dt h ee a r t h t h es e d i m e n tf r o mt h ec o n t i n e n ts h e l f a n do u t s p r e a da r e ai sc h a r a c t e r i s t i co fr a p i ds e d i m e n t a r yr a t ea n dh i g hr e s o l u t i o n b e s i d e s ，m a s s i v et e r r i g e n o u se l a s t i cm a t e r i a li si n c l u d e d ，w h i c hi sp r o p i t i o u st ot h e s t u d yo fl a n d o c e a ni n t e r a c t i o n s h i k o k ub a s i n ，l o c a t e da tt h em a r g i no fn o r t h w e s t p a c i f i c ，i sat y p i c a lb a c k a r cb a s i n t h es m o o t ht e r r a i nt h e r eh a ss t o r e dam a s so f s e d i m e n tw h i c hc o n t a i n sal o to fi n f o r m a t i o nf o rt h ee n v i r o n m e n te v o l u t i o n t h u s ， t h es t u d yo ft h es e d i m e n ti ns h i k o k ub a s i na n dt h ea d j a c e n ta r e ai so fg r e a t i m p o r t a n c et ou n d e r s t a n d i n gt h ep a l e o e n v i r o n m e n to fn o r t h w e s tp a c i f i c i nt h i sp a p e r , t w os e d i m e n tc o r e sf 1 2 0 9 0 9 ( 5 4 c m ) a n df 1 3 0 6 0 1 ( 8 8 c m ) f r o m s o u t ha n dm i d d l es h i k o k ub a s i na r ec h o s e nf o rg r a i ns i z ea n a l y s i sa n de l e m e n t g e o c h e m i c a la n a l y s i s ，i n c l u d i n gm a j o re l e m e n t sa n dr a r ee l e m e n t s f u r t h e rm o r et h e s e d i m e n t a r ye n v i r o n m e n ta n dt h e i rp r o v e n a n c ea r ea l s od i s c u s s e d g r a i ns i z ea n a l y s i ss h o w st h a t ，t h et w os e d i m e n tc o r e sa r em a i n l ym a d eo fc l a y e y s i l t ，g e n e r a l l yu n i f o r mb u ts m a l lc h a n g e si nd i f f e r e n td e p t h s s u b s e c t i o nc o m p a r i s i o n i n d i c a t e st h a tt h eg r a i ns i z ec o a r s i n gu p w a r d sg r a d u a l l y , e s p e c i a l l yi nt h es u r f a c e w h e r es a n di su n i g n o r e d i tp r o b a b l yr e v e a l st h ee n h a n c e m e n to ft e r r i g e n o u se l a s t i c m a t e r i a l m a j o re l e m e n t sa n a l y s i ss h o w st h a tt h em a i nc o m p o n e n t si nt h es e d i m e n tc o r e s a l es i 0 2 ，a 1 2 0 3a n df e 2 0 3 ，w h i c ha c c o u n tf o ra sm u c ha s7 5 t h e r ei sn oo b v e r s e c h a n g ei nb o t hc o r e s ，w h i c ha r eq u i t es i m i l a rw i t ho c e a nm e a nv a l u e t h r o u g h c o m p a r i s i o no fs i 0 2 a 1 2 0 3 ，f e 2 0 d a l 2 0 3a n dt i 0 2 a 1 2 0 3w i t hs e d i m e n tf r o mo t h e r t y p i c a la r e a s ，t h es e d i m e n ti ns h i k o k ub a s i ni sm o s tc l o s et od e e p - s e ac l a y f o rc o r e f 13 0 6 0 1 ，i th a sa no b v i o u sm n oe n r i c h m e n ta t3 0 c mt o2 0 c md e p t h ，p r o b a b l yb y s e a f l o o rh y d r o t h e r m a la c t i v i t y r a r ee l e m e n t sa n a l y s i sr e v e a l sb o t hc o r e sa r er i c h e d i 1 1b aa n dt h t h eo t h e re l e m e n t sa r em o r eo rl e s st h es a m ew i t hn a s c a c c o r d i n g i i i t ot h en a s c - n o r m a l i z e dr e e d i s t r i b u t i o n ，b o t hc u r v e sa l en e a r l ya c l i n i ca n dt h e r e i sn oc ea n de ua b n o r m i t y a c c o r d i n gt ot h eg e o c h e m i s t r yr e s u l ta b o v e ，i ti s c o n c l u d e dt h a ts h i k o k ub a s i ni sc h a r a c t e r i z e db yh e m i p e l a g i ca n dp e l a g i cd e p o s i t c o n s i d e r i n gt h es a m p l e sl o c a t i o na n dc u r r e n tm o d e ，a sw e l la st h er e s u l tf r o m p r o v e n a n c ed i s c r i m i n a b l ed i a g r a m ，i ti si n f e r r e dt h a t ：s e d i m e n ti nf 13 0 6 0 1i sm a i n l y f r o mn a n k a it r o u g hd u et ot h ec o n t o u rc u r r e n t ，i n c l u d i n gt e r r i g e n o u se l a s t i ca n d v o l c a n i c l a s t i cm a t e r i a l ；f12 0 9 0 9 ，w h i c hi sf a rf r o mt h ec o n t i n e n t ，i sl e s sa f f e c t e db y n a n k a it r o u g hb u ta p p e a r sm o r ev o l c a n i ca c t i o na f f e c t ，p r o b a b l yf r o mt h ec e n t r a l s h i k o k ub a s i ns p r e a d i n gc e n t e ro rk y u s h ur i d g e k e yw o r d ：s h i k o k ub a s i n ，e l e m e n t sg e o c h e m i s t r y , s e d i m e n t a r yc h a r a c t e r , p r o v e n a n c e i v 独创声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ! 逵! 垫遗直基地盂噩挂型壹明的：奎拦里窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：巷起 签字日期：1 彳年多月卜日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名夕爹彬 p 签字日期：加吨年月p 日 一 越月 7，lv 锄斟 、争 字期签日师字导签 四国海盆岩芯沉积物元素地球化学特征及物源初步研究 0 1 研究意义 0 引言 海洋沉积物是一个巨大的信息库，它储存着丰富的有关地球历史和环境演 化的信息。陆架海及其延伸海域的沉积物，沉积速率快，记录信息分辨率高， 同时包含大量陆源碎屑沉积，是开展海陆相互作用以及全球变化研究的理想样 本。菲律宾海是西太平洋大陆边缘最大的边缘海。由于其重大的资源和环境意 义，已成为众多学者研究的目标。菲律宾海海底地形复杂，岛弧、海脊、海岭、 海山、海丘、高原、海盆、深海沟、海槽、裂谷等地形形态俱全。四国海盆位 于菲律宾海的东北部，北部通过南海海槽与日本诸岛接壤，东西两侧分别为伊 豆小笠原海脊和九州海脊，南部直接与帕里西维拉海盆相连( 见图1 1 ) 。作为 典型的西北太平洋边缘的弧后盆地，四国海盆海底地势相对平坦，沉积物保存 连续且完整，对探讨西北太平洋古海洋环境演变具有重要意义。 本文利用2 0 0 2 年中国海洋大学“东方红2 号”海洋科学考察船在执行“西 北太平洋环境调查”第二航次任务过程中获取的沉积物岩芯，从沉积物粒度和 元素地球化学角度入手，并参考了大量d s d p 和o d p 资料，探讨该区域的沉积 环境，沉积特点及物质来源。受采样难度及研究条件限制，我国对还从未对四 国海盆地区进行过较为全面和彻底的调查，从某种程度上，本文的撰写也丰富 了我们对于四国海盆海域的认识和了解。 o 2 研究方法综述 全球环境变化的研究使当前海洋沉积元素地球化学研究主要集中在化学风 化、气候和环境指标的元素地球化学分析以及对海洋沉积物来源的进一步调查 上。具体包括古气候，物质来源，沉积环境，古海洋学事件等。本文正是利用沉 积物的粒度和元素化学特征，从沉积环境和物质来源两个方面进行了初步探讨。 0 2 1 研究沉积环境 深海沉积物中微量元素的含量分布受物源、存在形式和沉积过程的影响。深 海黏土明显富集n i 、c o 、c u 、p b 、z n 等微量元素。深海沉积物中的元素富集是 四国海盆岩芯沉积物元素地球化学特征及物源初步研究 沉积物在沉降过程中颗粒表面吸附作用的结果。沉积微粒沉降慢时，沿途吸附得 多；沉降快时，吸附得少。这种富集机制称为微量元素表面富集理论( w e d e p o h l ， 1 9 6 0 ) 。后来，t u r e k i a n ( 1 9 6 1 ) 认为，太平洋和大西洋深海沉积物微量元素含 量之不同是由于它们的供应来源和移出机制可能有所不同，因而提出了“差异搬 运理论 。微量元素含量与沉积物粒径和沉积速率的关系都非常明显。深海黏土 颗粒最细，沉积速率最小，具有最高的微量元素含量，而生物作用对某些微量元 素( 如c a 、p b 、z n 、c d 、s r 等) 有特殊的富集作用。而海底扩张热液活动，同 样对元素( 女1 b a 、h g 等) 有富集作用( 赵一阳、鄢明才，1 9 9 4 ；姚伯初等，1 9 9 8 ) 。 h e n d e r s o n 等( 1 9 9 9 ) 计算了u 、1 1 1 、l i 、o s 、s r 、n d 等元素在富钴结壳中的有 效扩散速率，l i 、o s 和s r 在富钴结壳中的扩散很快，无法精确地保存古海水 的组成。因此，有关微量元素进入沉积物的机制，现在看来是多元和复杂的。 o 2 2 探讨物质来源 探讨沉积物物源的方法很多，包括矿物学方法、古生物方法、地球化学方 法等等。目前，国内外的研究，以矿物学方法和地球化学方法居多。由于矿物 学一成因矿物学的研究受到沉积物粒级因素的影响和制约，沉积物地球化学得 以广泛应用。地球化学方法既能定性研究、也能定量研究，并且具有直观、经 济等优势，己被越来越多地应用于探讨沉积物的物质来源、形成条件、沉积机 制和气候环境变化等( 高志友，2 0 0 5 ) 。 利用元素地球化学方法探讨沉积物的物质来源，主要从三个方面来进行研 究，包括微量元素地球化学方法，稀土元素地球化学和同位素地球化学。 ( 1 ) 微量元素地球化学 由于表生地球化学环境中元素的地球化学行为的差异，某些微量元素在母 岩风化、剥蚀、搬运、沉积及成岩过程中不易迁移，几乎被等量地转移到碎屑 沉积物中，自生富集程度很低，基本反映了碎屑源区的地球化学特征，因而可 被作为沉积物物源的示踪剂。 利用微量元素地球化学方法研究沉积物的特征和物源示踪，主要集中在对 以下特征参数的分析与探讨。1 ) 元素丰度、形态分布及元素比值；2 ) 元素与元 素间的相关性：3 ) 过渡元素和稀土元素在氧化还原条件下的变化；4 ) 元素组合、 数理统计、多元图解。 2 四国海盆岩芯沉积物元素地球化学特征及物源初步研究 ( 2 ) 稀土元素地球化学 稀土元素在海洋环境中可以用来反映沉积物来源( p i p e r ，1 9 7 4 ) 、沉积作用 和沉积环境的变化，岩芯沉积物中稀土元素的含量随深度的变化不仅反映出各 沉积物组成特征的变化，而且对调查区沉积地层界线的确定及古海洋学的环境 都有指示意义，因而对深海沉积物稀土元素地球化学特征的研究具有重要的意 义。稀土元素主要通过两种机制进入海洋沉积物中。一是由陆源碎屑直接直接 携带进入沉积物，这一机制在近海尤为突出：另一种是颗粒物质从海水中吸附 稀土元素进入进入沉积物中，这一机制在深海粘土富集的海洋沉积物中较为重 要。 o 3 四国海盆及临近区域的研究现状 西北太平洋地区一直是广大学者研究的重点，目前国际上对四国海盆地区的 调查较多。1 9 7 7 年1 2 月，“深海大洋钻探计划( d s d p ) 的第5 8 站位选择在四国 海盆中部地区取得了3 个沉积物岩芯样品，d s d p 4 4 2 、4 4 3 和4 4 4 ，首次对该区域 做了较为深入的调查。通过研究，( 1 ) 基本确定了最老的沉积物年龄，盆地的扩 张模式；( 2 ) 沉积物的类型和分布，及构造活动历史；( 3 ) 对玄武岩样品进行了矿 物学，岩石学和地球化学的研究；( 4 ) 确定了自盆地开始裂开到盆地形成过程中 的古洋流状况( 许淑梅等，2 0 0 4 ) 。 2 0 0 0 年，大洋钻探计划组织( o d p ) 的第1 9 0 站位选在了四国海盆以南的南 海海槽地区，通过对两个断面和6 个钻孔( o d p i l 7 3 1 1 7 8 ) 的全面调查，改变 了前人关于m u r o t o 断面构造演变的认识。中新统和上新世时期，浊流沉积增生形 成了大面积冲断层断裂带( l t s z ) 。伴随这一事件，沉积物的横向转移系统发生 了改变，大量粗颗粒物质从岛弧被带到了南海海槽内，然后经轴向转移又从海槽 东部带到了海槽深处。在过去的2 百万年里，l t s z 增生得到了快速的生长 ( s r a p b o a r ds c i e m i f i ep a r t y , 2 0 0 0 ) 。 相对国际上广泛开展的研究，我国目前对四国海盆区域的直接调查研究还比 较少。受采样难度及研究条件限制，多数研究主要集中在西菲律宾海域以及东菲 律宾帕里西维拉海盆地区。 1 9 8 8 年中科院海洋所“科学一号”考察船对西菲律宾海域进行了一次调查研 四国海盆岩芯沉积物元素地球化学特征及物源初步研究 究。该航次取得了3 个沉积物柱样，秦蕴珊等( 1 9 9 5 ) 通过对其岩性和矿物的研 究发现，岩芯岩性基本相似，均由粉砂质粘土与粘土质粉砂组成，含有孔虫与火 山灰。但岩芯的不同层位在颜色上有明显差异，其中中间一层为黄色陆源沉积。 这是我国首次在深海盆地中发现如此广泛的陆源沉积物。考虑到这层黄色沉积物 位于菲律宾海沟东侧，近岸陆源物质难以到达，故初步认定可能是风成事件沉积， 它们对于研究该区域古环境，古气候特别是古大气环流有着重要意义。 石学法、陈丽蓉等( 1 9 9 4 ，1 9 9 5 ，1 9 9 6 ) 也分别对其做了系统的地球化学研 究。通过x 衍射、等离子发射光谱和中子活化发分别分析了该批样品的矿物组成， 主、微量元素分布及稀土的配分模式。矿物学研究表明：西菲律宾海域柱状样 w p l ，w p 2 和w p 3 中共检测出1 1 种矿物，将其沉积物划分为2 个主要矿物组合：a ， 方解石+ 石英+ 斜长石+ 钾长石，该组合中水云母含量高，角闪石、斜发沸石和 滑石含量低；b ，斜长石+ 方解石+ 石英+ 钾长石，该组合中角闪石、斜发沸石 和滑石含量高，水云母含量低。主量元素组成和c a c 0 3 分析显示：该区沉积物属 半远洋沉积，发育陆源沉积作用、海洋生物沉积作用和海底火山沉积作用。其 c a c 0 3 既有大西洋型溶解旋回，又有太平洋型溶解旋回。稀土研究的结论表明： 该区轻稀土含量较低，具有强烈的c e 负异常，球粒陨石标准化的分布模式曲线表 现为负斜率，轻重稀土发生分馏，富集轻稀土，沉积物均一化程度低于陆源沉积 物而高于海水和深海沉积物，以页岩为标准皆显示e u 正异常。沉积物来源复杂， 有陆源、火山源、生物源和自生源，火山物质占有相当成分。沉积物的形成环境 为氧化条件。 2 0 0 4 年，中国科学院海洋研究所的“科学一号”对东菲律宾海进行了一次环 境调查。通过对该航次所采集样品的分析，徐兆凯等( 2 0 0 6 ，2 0 0 7 ) 先后对东菲 律宾帕里西维拉海盆地区深海铁锰结壳的特征和成因进行了全面的研究，发现东 菲律宾海新型铁锰结壳较附近海脊及其它地区海山结壳m n 、c o 、n i 含量及m n f f e 比均偏低，而f e 、c u 、a 1 含量则略为偏高。f e 、m n 、p 、c o 、p b 及r e e 等元素 之间具有很强的正相关，表明这些元素具有成因上的一致性，很可能都是水成成 因。结壳稀土元素北美页岩标准化分配模式及r e e 在铁锰结壳一海水系统之间的 分配系数计算结果表明，结壳中较为富集的稀土元素主要来源于铁锰氧化物的 吸附作用，并且结壳对轻稀土元素的吸附优先于重稀土元素。根据结壳矿物及化 4 四国海盆岩芯沉积物元素地球化学特征及物源初步研究 学成分判明其为新型深水水成成因结壳，与海山水成结壳之间存在一定差异。通 过进一步对其微间距取样获得样品的地球化学和铀系年代学的综合研究，了解了 这种特殊成因下反映的古海洋学记录。结果显示，该结壳可分为3 个主要生长阶 段及其对应的古海洋环境。第一阶段为晚中新世晚期早上新世的结壳快速生长 期，壳层结构疏松并含有较多的火山碎屑物质，对应着中中新世初期上新世早 期的南极底流活跃和降温；第二阶段为早、中上新世的结壳生长间断期，形成深 海粘土沉积，表明此时南极底流的减弱和升温；第三阶段为中上新世以来的结壳 缓慢生长期，指示着南极底流的再次活跃和强降温，其强度和范围均超过第一阶 段，更利于致密和高纯壳层的发育。 除了对铁锰结壳进行分析，徐兆凯等( 2 0 0 7 ) 还对该区沉积物样品中元素的 赋存状态，粒度及粘土矿物学特征进行了研究。其结果是，成矿元素中f e 绝大部 分赋存在残渣态中，m n 、c u 、c o 和n i 则主要赋存在铁锰氧化物结合态中，稀土 元素也主要赋存在这两个相态中，碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机结合 态对重稀土元素优先吸附或具络合作用，引起重稀土元素的相对富集和c e 的负异 常，残渣态表现为轻稀土元素的富集和c e 的正异常，火山物质则使表层沉积物残 渣态表现出e u 的正异常特征。 孟庆勇等( 2 0 0 6 ) 对东菲律宾海帕里西维拉海盆西侧f 0 9 0 1 0 2 柱样进行了 系统的古地磁和岩石磁学研究，测量了天然剩磁倾角、磁化率、饱和等温剩磁、 非磁滞剩磁等磁学参数，进行了磁性地层的划分对比，识别出松山反极性时内 的贾拉米洛和奥都维正极性亚时。对磁学参数及其有关比值的研究发现，岩芯 磁性矿物以低矫顽力磁铁矿为主，可能含有一定的钛磁铁矿。磁性矿物主要是 陆源碎屑成因，岩芯底段受到海底火山作用的影响。根据磁学参数随深度的变 化将岩芯分为3 段，各段反映了沉积环境和古气候的变化。 许淑梅等( 2 0 0 4 ) 根据d s d p 报告，分析认为：更新世( 1 6 - 0m a ) 以来， 四国海盆主要为半远洋泥岩，包括钙质和硅质生物沉积。帕里西维拉盆地除了 少量的远洋非生物粘土外，基本没有沉积。半远洋生物泥岩的出现标志着南海 海槽形成于中更新世，它的形成影响了盆地内沉积物的物源。硫黄岛海脊和九 州一帛琉海脊北段已无火山活动，但仍向盆地供应少量沉积物。九州一帛琉海 脊南段和西马里亚纳海脊已经没入水面，不向盆内供应沉积物。 四国海盆岩芯沉积物元素地球化学特征及物源初步研究 四国海盆沉积粘土矿物也可以作为沉积环境演化的指标。从粘土矿物分析 结果可知，中新世四国海盆的沉积主要受火山物质影响。晚中新世一更新世沉 积环境主要受大陆气候影响。其中绿泥石、伊利石主要来自日本岛和东亚大陆， 蛭石、坡屡石的物源为亚洲大陆，蒙脱石主要来自海盆两侧的火山弧，高岭石 则由东南亚经黑潮输送而来，不规则混层粘土的物源为日本岛、亚洲大陆和海 盆两侧的岛弧。从粘土矿物的种类和含量变化规律可推测出中新世硫黄岛海脊 和九州一帛琉海脊形成并出露于水面，更新世九州一帛琉海脊沉降，没于海面 之下。这与根据沉积相分析的结果一致。 2 0 0 2 年，以中国海洋大学为首的专家学者又对西北太平洋地区，尤其是东 菲律宾海域的四国海盆地区进行了一次大规模深入调查，除了深海钻探取芯， 还利用多波束和浅剖获取了大量珍贵地形地貌资料。本文的撰写正是基于对此 次调查所取得的岩芯沉积物元素地球化学分析而完成。 6 四国海盆岩芯沉积物元素地球化学特征及物源初步研究 1 1 地理位置 1 研究区区域概况 菲律宾海位于西太平洋边缘，介于东海、南海和西太平洋之间，被岛弧和 海沟包围，是西太平洋最大的边缘海盆。菲律宾海海底地形复杂，岛弧、海脊、 海岭、海山、海丘、高原、海盆、深海沟、海槽、裂谷等地形形态俱全( 图1 1 ) 。 海底地势的主要特征是南北长，北窄南宽，水深较大。5 0 0 0 m 等深线可将菲律 宾海分成东、西两半( 李常珍等，2 0 0 0 ) 。本文的研究区域四国海盆就位于东半 侧的北部。 四国海盆北部通过南海海槽与日本诸岛接壤，东西两侧分别为伊豆小笠原 海脊和九州海脊，南部直接与帕里西维拉海盆相连。北面处在1 3 4 。1 3 8 0 e 之 间；南部处在1 3 6 0 1 4 1 0 e 之间；南北长跨越7 个纬度( 2 5 0 3 2 0 n ) 。为近n n n w 走向，呈扇形向n n w 方向展开，南北长1 2 0 0 k i n ，东话宽5 0 0 k m ，深约 4 5 k m 。北宽南窄，北部比南部宽2 0 0 k m 。盆内地形极不规则，盆地东部包括一 系列小规模的海山和海槽，起伏较大，西部则比较宽缓、平坦( 许淑梅等，2 0 0 4 ) 。 1 2 地质环境 西太平洋是现今地球上超巨型俯冲带发育区，主要的弧后盆地分布在欧亚 板块的东缘和菲律宾海板块的东部。位于菲律宾海板块东部的四国海盆和帕里 西维拉海盆是世界上最大的两个弧后盆地，这两个边缘海盆地在几何学上显示 出对称特征，并平行于俯冲带分布( k o b a y a s h ie ta 1 ，1 9 7 8 ) 。南海海槽位于四国 海盆和日本的四国岛之间，其水深在5 0 0 0 m 以内，轴向倾斜梯度逐渐向西南倾 斜。沉积物在海槽内的沉积速率非常快，这主要由于沉积物源区一本州岛弧与 伊豆岛弧碰撞区的快速抬升和碎屑物质的侵蚀( t a k a c ta 1 ，1 9 8 6 ) 。晚上新世以 来，大陆陆源碎屑物质在s u r u g a 海槽和东南海海槽内沉积，活动俯冲区正逐渐 由现在的位置向大洋方向推移。东南海海槽槽内的沉积物主要由浊流沿南海深 海海峡带来。沉积物主要来源于位于“日本大裂谷( f o s s am a g n a ) ”南部的f u j i 和k a n o 河地区及t e r n y u 河地区。南海深海海峡已经演变成浊流沉积的主要通 道( s h i m a m u r a , 1 9 8 8 ) 。位于四国海盆东西两侧的九州海脊和伊豆小笠原海脊， 7 四国海盆岩芯沉积物元素地球化学特征及物源初步研究 都属于板块碰撞形成的残留火山弧，其主要成分为基性的火山岩。 图1 1 研究区海底地形图( 据靳宁，2 0 0 6 修改) f i g 1 1t o p o g r a p h ym a p o ft h es t u d ya r e a ( m o d i f i e d 丘d mj i nn i n g ，2 0 0 6 ) 1 3 洋流特征 对于古代沉积物沉积模式的恢复和重建非常困难。因为深海沉积物在沉积 过程中要受到表层流、底层流、重力流、以及生物扰动的影响( g o r s l i n e ，1 9 8 4 ) 。 因此，全面了解研究区域的海流分布，对于研究沉积环境具有重要的意义。 四国海盆岩芯沉积物元素地球化学特征及物源初步研究 在黑潮的作用下，日本南部表层水沿九州岛和四国岛向东北方向运动( 见 图1 1 ) ，其流速约为3 0 c m s 5 0 c m s ，有时甚至会高达1 8 0 c m s ( t a r , 1 9 7 2 1 9 7 8 ) 。流速的变化主要受海底地形和厄尔尼诺现象的影响( i t oa n dh o r i k a w a , 2 0 0 0 ) 。另外，来自日本东北部的o y a s h i o 冷水团在伊豆群岛附近与黑潮相遇， 其相遇点随季节及冰期的旋回而改变( o b aa n dy a s u d a , 1 9 9 2 ) 。因此，在一段时 间尺度上，南海海槽和四国海盆上方的表层水的流速和方向经常发生改变。 图1 2 四国海盆附近海流示意图( 据u n d e r w o o d ，2 0 0 3 ) 说明：深蓝色实线一表层流( 黑潮) ：绿色虚线一底层流：a a l w 南极中 层水；n p d w 北太平洋深水。粗体箭头代表浊流或重力流的方向，红色 一伊豆小笠原岛弧，紫色一伊豆本州碰撞区，黑色一外部大陆 f i g 1 2s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o n so fo c e a nc u r r e n t sa r o u n ds h i k o k ub a s i n 目前，对于深海底层海流的资料比较少。在水深2 0 0 0 米的深度上，黑潮流 速曾达到4 0 c m s ( i t 0 ，1 9 9 7 ) ，因此，黑潮有可能带动海底雾状层的运动。t a f te t a 1 ( 1 9 7 3 ) 研究表明，本州和四国岛附近的深海底层流跟表层流的方向是不同 的，有时甚至是相反的。5 0 0 m 以上水深的流速在l o o c m s ，东北方向的海流仅 存在于1 0 0 0 水深以上( w o r t h i n g t o na n dk a w a i ，1 9 7 2 ) 。鉴于南海海槽和四国海 盆基本位于水深2 0 0 0 m 以下，所以黑潮对海底物质的影响极小。 另外，深海温盐环流对深海沉积物的影响也是十分明显的。海底等深流 ( c o n t o u rc u r r e n t s ) 沿伊豆海脊两侧有两个运动方向( l e ea n do g a w a , 1 9 9 8 ) 。 在伊豆小笠原海脊东侧，向东偏转，而在伊豆小笠原海脊西侧，y a p 和马里亚 函 四国海盆岩芯沉积物元素地球化学特征及物源初步研究 那海沟阻挡了南极低层水( a n t a r c t i cb o t t o mw a t e r , a a b w ) 由南半球进入菲律 宾海，所以北向的海流主要是由南极中层水( a n t a r c t i ci n t e r m e d i a t ew a t e r , a a i w ) 组成。受地形条件影响，南极中层水在四国海盆内部以逆时针方向旋 转，照片及直接测量的证据表明，其流速足以带动海底碎石和泥沙( 2 0 c r n s ) ( o k a d aa n do h t a , 1 9 9 3 ) 。 1 0 四国海盆岩芯沉积物元素地球化学特征及物源初步研究 2 1 样品介绍 2 研究材料和方法 本次研究所用沉积物岩芯是由中国海洋大学“东方红2 号”海洋科学考察 船在执行“西北太平洋环境调查第二j 抗次任务过程中获取( 2 0 0 2 年1 1 月1 8 日：- - 2 0 0 2 年1 2 月1 3 日) 。 o ”e13 00 0 ”e 1 4 00 0 ”e 图9 - 1 采样位置示意图 ( 白色十字标记为采样位置，白色五角星为d s d p 4 4 2 钻孔) f i g 2 1l o c a t i o no f s e d i m e n t c o r ef 1 2 0 9 0 9a n df 1 3 0 6 0 1 四国海盆岩芯沉积物元素地球化学特征及物源初步研究 柱状沉积物岩芯f 1 2 0 9 0 9 和f 1 3 0 6 0 1 均取自菲律宾海东北，日本以南的四 国海盆地区( 采样位置见图2 1 ) 。其中，f 1 3 0 6 0 1 位于四国海盆西中部，靠近 九州一帛琉海脊；f 1 2 0 9 0 9 位于四国海盆南部，靠近帕里西维拉海盆。两岩芯 岩性比较均一，均为粉砂质粘土，岩芯具体参数指标见表2 1 。 表2 - 1 岩芯样品基本参数 a b l e2 1m a i nc h a r a c t e r so fs e d i m e n tc o r e s 受岩芯长度和条件所限，样品并没有进行年代测定。但是，通过阅读文献， 我们发现1 9 7 7 年d s d p 在西北太5 8 站位的4 4 2 钻孔( 2 8 9 8 3 3 0 n ，1 3 6 0 5 7 2 0 e ) 与本文的f 1 3 0 6 0 1 岩芯位置非常接近( 图2 1 ) 。由d s d p 4 4 2 钻孔的测年资料 ( d e v r i e sk l e i ne ta 1 ，1 9 8 0 ) ，我们估计本文采样位置的沉积速率约为 5 5 6 m m y ，因此两岩芯的年代据估算分别约为9 7l ( a 和1 5 81 【a 。 为了更准确的反映四国海盆沉积物来源，我们分别代表性选取了南海海槽 的浅层( 6 1 c m ) 沉积物( k e v i ne ta 1 ，1 9 9 3 ) ，九州海脊北部的玄武岩样品( s a t o r u e ta 1 ，2 0 0 3 ) 和伊豆岛弧北部的浮岩样品( p e a r c ee ta 1 ，1 9 9 9 ) 资料进行对比。 具体数据和讨论见以下各章节。 2 2 实验方法 对所采两柱状沉积物岩芯每隔5 c m 切割分段，取样，两个岩芯共采集3 0 个样品。对其分别进行了粒度和元素地球化学( 包括常量元素和微量元素) 的 测定。粒度测定由中国海洋大学岩土实验室完成；常量元素是由山东省地矿四 院完成；微量元素在中国海洋大学地球科学学院超净实验室完成。 2 2 1 粒度分析 对所有样品均进行了粒度分析，粒级标准采用u d d e n - - w e n t w o r t h 分类法 中的9 标准，9 标准与毫米粒径的对应关系见表2 2 。 1 2 四国海盆岩芯沉积物元素地球化学特征及物源初步研究 表2 2巾标准和毫米粒径对照表 t a b l e 2 2g r a i ns i z et r a n s f o r mb e t w e e n 巾a n dm m 粒组砂粉砂 粘土 巾一1012345678 9l o i 姗 21 0 50 2 50 1 2 50 0 6 30 0 3 20 0 1 60 0 0 80 0 0 40 0 0 2 0 0 0 1 粒度分析仪器采用英国马尔文( m a l v e m ) 公司生产的m s 2 0 0 0 型激光粒度 仪，分析方法依据海洋环境调查技术规程，具体步骤如下： 【1 】取沉积样品数克，放入烧杯中，加水，加六偏磷酸钠( n a p 0 3 6 ) 5 m l ， 浸泡2 4 h ，浸泡期间每隔8 h 搅拌一次； 【2 】激光粒度仪样品池中注入蒸馏水，测量背景； 【3 】准备好的样品添加到样品池中，测量前采用超声波振动，使所测样品充 分分散： 【4 】选择适当的泵速，按照测量软件的提示进行测量； 【5 】测量完毕，结果存盘。 2 2 2 常量元素分析 常量元素是有山东省第四地质矿产勘察院实验测试中心于2 0 0 6 年2 月份测 试完成，其主要检测依据是硅酸盐岩石化学成分分析( g b t 1 4 5 0 6 1 9 9 3 ) 。 表2 3 常量元素分析方法列表 t a b l e2 - 3m e t h o d sf o rm a j o re l e m e n t sa n a l y s i s 1 3 四国海盆岩芯沉积物元素地球化学特征及物源初步研究 2 2 3 微量元素分析 样品的微量元素分析在中国海洋大学地球科学学院超净实验室完成，其中 s r ，b a 以等离子体原子发射光谱仪( i c p a e s ，o p t i m a4 3 0 0d v ) 分析完成； c o 、n i 、c u 、p b 和稀土元素以等离子质谱仪( i c p m s ，a g i l e n t7 5 0 0 cs e r i e s ) 分析完成。 为了准确获得各微量元素含量，本次实验的样品前处理采取了微波消解 ( m u l t i w a v e 3 0 0 0 ) 技术。微波消解技术具有加热快，消解能力强，样品溶解时 间短，酸用量少，空白值低，消解过程在密闭状态下进行等特点，有效避免了 污染，也避免了易挥发组分的损失，提高了分析的准确度和精密度。 烘干( 1 0 5 c ) 的沉积物样品首先在玛瑙研钵里研磨至2 0 0 目以下，然后再 次将样品放置于烘箱1 0 5 下烘干，置于干燥器中冷却备用。准确称取0 0 4 0 0 9 样品于清洗干净的t e f l o n 微波消解管中，加入2 m lh n 0 3 ：i - i f = 1 0 ：1 的混酸溶 液，放入微波消解仪中执行消解程序。待程序执行完毕，取出样品转移至聚四 氟乙烯坩锅在电热板上1 6 0 c 力h 热，驱赶酸气。等到白色烟雾冒尽之后，趁热向 坩埚中加入2 的h n 0 3 浸取干涸物，最后转移至5 0 r a l 聚四氟乙烯小瓶。先将 小瓶里的溶液稀释至2 0 9 准备a e s 测定，在配制好的a e s 待测溶液再取出5 9 稀释至2 0 9 备m s 测定。 实验中，采用的标准样品为g b w 0 7 3 1 3 ，试剂均为优级纯，水为亚沸蒸馏 水。m s 分析时采用元素铑( i 也) 作为内标。 用该方法对国家标准样品g b w 0 7 3 1 3 进行了3 次平行测定。测试标准为 g b t 1 4 5 0 5 ，仪器测量精度由多次测量国家标准物质样品( g s d 9 和g s d l 0 ) 控制，其中常量元素的测试精度低于l ，微量元素的测量精度低于5 。 1 4 四国海盆岩芯沉积物元素地球化学特征及物源初步研究 3 1 沉积物粒度分析 3 结果分析与讨论 海洋沉积物的粒度分析，是海洋沉积研究中的一个基础项目。粒度分析成果 不仅是确定海底沉积物类型，编制海底沉积物类型图的基础，同时又是阐明海底 沉积物的物质来源，机械分异过程，动力环境及沉积作用不可缺少的资料。沉积 物的粒度组分和粒度参数可以反映水动力和沉积环境的变迁( 李绍全等，2 0 0 2 ) ， 如平均粒径( m z ) 可指示沉积物粒径频率分布的中心趋向，