（海洋地质专业论文）南海北部陆坡古海洋环境的元素地球化学记录.pdf

摘要 摘要 重塑古气候和古环境变化规律是全球变化研究的重要内容之一。本文以国家自然 基金“2 m a 以来东亚季风演化和青藏高原快速隆升在南海沉积物中p b s r 同位素记录” 和“晚第四纪南海水合物潜在分布区甲烷释放通量及其对气候变化的影响”的相关研 究内容为基础，旨在通过对南海北部陆坡z h s 1 7 6 孔和o d p i1 4 6 孑l 柱状沉积物的常、 微量元素以及碳酸盐的分析研究，讨论该区域不同时间尺度( 3 5 k a 和2 m a ) 沉积物的 元素地球化学记录，并利用其变化特征揭示古气候和古海洋环境的变化。 碳酸盐的分析研究表明，近3 5 k a 以来z h s 1 7 6 沉积物碳酸盐含量变化表现出典 型的“大西洋型旋回”的特征且在2 5 0 - - 2 9 0 c m 处( 8 1 5 7 1 5 k a b p ) 出现一次低钙事件。 z h s 1 7 6 孔和o d p i1 4 6 孔柱状沉积物的常、微量元素分析表明：短时间尺度的 陆源元素对比值尽管很好地反映了气候变冷事件，但是在冰期间冰期尺度上，其陆 源元素对比值和陆源元素组合变化指示了海平面变化对陆源物质输入的制约，而不能 指示源区的化学剥蚀强度的变化；长时间尺度的陆源元素对比值和陆源元素组合能够 很好地记录了源区化学风化剥蚀强度的变化，进而指示了第四纪以来东亚夏季风的演 化。 o d p i1 4 6 站生源钡和古生产力计算结果表明，近2 m a 以来，南海北部陆坡古 生产力的变化受冰期间冰期气候变化旋回的制约：在冰期，古生产力降低；在间冰 期，古生产力升高。但是，4 0 - - , 6 0 m c d 处的钡异常与硫酸根甲烷反应界面的对应关系 表明，沉积物中的生源钡可能在6 0 m c d 之上发生了早期成岩作用转化；2 5 m c d 钡异常 代表了“古钡峰”，可以用以恢复历史时期的沉积物间隙水的硫酸根梯度。 对z h s 1 7 6 站柱状沉积物和o d p i l 4 6 站钻孔沉积物过剩a l 研究表明，南海北部陆 坡确实存在一定含量的自生铝，而且过剩铝的存在和水深有一定的关系。因此，对于 浅海陆架沉积物来说，把铝作为陆源物质的替代指标是合理的，而对于类似南海陆坡 等深海沉积物来说，把铝作为陆源物质的替代指标是不可取的。 关键词：南海北部陆坡元素地球化学气候变冷事件东亚夏季风古生产力 摘要 t h ee l e m e n tg e o c h e m i c a lr e c o r d so fp a l e o - o c e a n g r a p h i c a l e n v i r o n m e n ti nt h es e d i m e n t sf r o mt h en o r t h e m s l o p eo fs o u t h a b s t r a c t c h i n as e a r e b u i l d i n go fp a l e o c l i m a t ea n dp a l e o - e n v i r o n m e n ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t c o n t e n t so fg l o b a lc h a n g er e s e a r c h b a s e do nt h em a j o r - t r a c ee l e m e n t sa n a l y s i sa n d c a r b o n a t ea n a l y s i so fc o r ez h s 一1 7 6a n dc o r eo d p114 6 ，o b t a i n e di nn o r t h e r ns l o p eo f s o u t hc h i n as e a , t h i st h e s i st e n d st od i s c u s st h ee l e m e n tg e o - c h e m i s t r yr e c o r d si nt h i s a r e ai nd i f f e r e n tt i m e s c a l e s ( 35 k aa n d2 m a ) ，a n dt or e v e a lt h ep a l e o c l i m a t ea n d p a l e o - o c e a n g r a p h i c a le n v i r o n m e n tc h a n g e s t h i st h e s i si ss u p p o r t e db yn a t i o n a l s c i e n c ef u n d so f “p b s ri s o t o p er e c o r d so ft h ee v o l u t i o no f e a s ta s i am o n s o o na n d t h eu p l i f to ft i b e t a np l a t e a ur e c o r d e di ns o u t hc h i n as e a a n d t h ec h 4r e l e a s ef l u x a n di t si m p a c to nc l i m a t ec h a n g es i n c el a t eq u a t e r n a r yi nt h ep o t e n t i a ld i s t r i b u t i o no f h y d r a t ei ns o u t hc h i n as e a a c c o r d i n gt ot h ec a r b o n a t ea n a l y s i so ft h es e d i m e n ti nz h s - 17 6 ，d u r i n g3 5k a , t h ec a r b o n a t ec o n t e n t si ns e d i m e n t sh a v es h o w nat y p i c a l ”a t l a n t i c - t y p ec y c l e s ”，a n d t h e r eo c c u r r e dal o wc a r b o n a t ee v e n ta t2 5 0 2 9 0 c m ( 8 1 5 7 1 5k ab p ) b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h em a j o ra n dt r a c ee l e m e n ti nz h s 一17 6a n do d pi1 4 6 s i t e ：t h er a t i o so ft e r r i g e n o u se l e m e n tp a i ri ns h o r tt i m es c a l ec a l lr e f l e c tt h ec o o l i n g e v e n t sv e r yw e l l ，b u ti ng l a c i a l i n t e r g l a c i a lt i m es c a l e ，w h a tt h er a t i o so ft e r r i g e n o u s e l e m e n tp a i ra n dt e r r i g e n o u se l e m e n ta s s o c i a t i o nh a v es h o w n , w e r en o tt h ec h a n g e so f t h ei n t e n s i t yo fc h e m i c a lw e a t h e r i n gi ns o u r c ea r e a s ，b u tt h ec o n s t r a i n t so ft h ei n p u to f t e r r i g e n o u sm a t e r i a lo nc h a n g e so ft h el e v e lo ft h es e a ；t h er a t i o so ft e r r i g e n o u s e l e m e n tp a i ra n dt e r r i g e n o u se l e m e n ta s s o c i a t i o ni nl o n gt i m es c a l ec a nr e c o r dt h e c h a n g e so ft h ei n t e n s i t yo fc h e m i c a lw e a t h e r i n gi ns o u r c ea r e a sv e r yw e l l ，f u r t h e r m o r e ， t h e yi n d i c a t e dt h ee v o l u t i o no fe a s ta s i a ns u m m e rm o n s o o ns i n c eq u a t e r n a r y , r e f l e c t n 摘要 a s ：d u r i n gg l a c i a l ，a st h er a t i o so ft e r d g e n o u se l e m e n tp a i rd e c r e a s e d ，t h ei n t e n s i t yo f e a s ta s i a ns u m m e rm o n s o o nw e a k e n e d ；a n dd u r i n gi n t e r g l a c i a l ，a st h er a t i o s i n c r e a s e d ，t h ei n t e n s i t yo fe a s ta s i a ns u m m e rm o n s o o ne n h a n c e d e s p e c i a l l ys i n c e t h e ”m i d - p l e i s t o c e n er e v o l u t i o n ”，t h ee a s ta s i a ns u m m e rm o n s o o n - t y p ee v o l u t i o n c y c l e sb e c o m em o r ep r o n o u n c e d a c c o r d i n g t ot h ec o n t e n t so f b i o g e n i cb aa n dt h ep a l e o - p m d u c t i v i t yi no d p i l 4 6 ， s i n c e2 m a ，t h ep a l e o - p r o d u c t i v i t yw a sr e s t r i c t e db yg l a c i a l i n t e r g l a c i a lc y c l e s ：d u r i n g t h eg l a c i a l ，t h ep a l e o - p r o d u c t i v i t yd e c r e a s e da n di n t e r g l a c i a l ，i tw a so p p o s i t e b u t ，t h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e n b aa n o m a l ya t4 0 - - 6 0 m c da n ds m ii n d i c a t e ，t h eb i o g e n i cb ai n s e d i m e n t sm a y b eu n d e r w e n te a r l yd i a g e n e s i sa b o v e6 0 m c d ，a n dt h ep a l e o b ap e a ka t 2 5 m c dc a l lb eu s e dt or e c o n s t r u c tt h es u l f a t eg r a d i e mo fi n t e r s t i t i a lw a t e ro fs e d i m e n t i nh i s t o r i c a lp e r i o d b a s e do nt h er e s e a r c h e sa b o u tt h ee x c e s sa io ft h es e d i m e n t si nz h s 17 6a n d o d p114 6s i t e ，t h ee x c e s sa 1d oe x i s ti nt h es l o p ei nn o r t h e r ns o u t hc h i n as e a , a n di td o h a v es o m er e l a t i o n s h i pw i t ht h ed e p t ho ft h ew a t e r t h e r e f o r e ，t ot h es e d i m e n t so f s h a l l o ww a t e r , i ti sr e a s o n a b l et om a k et h ec o n t e n to fa ia st h es u b s t i t u t i o ni n d e xo f t e r r i g e n o u sm a t e r i a l s ，b u t ，t ot h ed e e p s e as e d i m e n t so fc o n t i n e n t a ls h e l fi n s o u t h c h i n as e a , i ti su n r e a s o n a b l e k e yw o r d s ：t h en o r t h e r ns l o p eo ft h es o u t hc h i n as e a ；e l e m e n tg e o c h e m i s t r y ； c o o l i n ge v e n t s ；e a s ta s i a ns u m m e rm o n s o o n ；p a l e o - p r o d u c t i v i t y i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 弘7 爱e l 期：加夕年莎月，e l 学位论文使用授权说明 本人完全了解国家海洋局第一海洋研究所关于收集、保存、使用学位论文的 规定，即： 按照本所要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 研究所有权保存学位论文印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 研究所可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文： 研究所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。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名：私松 导师签钒壶净 日期：础哆年。莎旁，7 日 南海北部陆坡古海洋环境的元素地球化学记录 引言 近十几年来，全球变化一直是地球科学研究的热点。“全球变化( g l o b a l c h a n g e ) ”一词首现于2 0 世纪7 0 年代，为人类学家所使用。当时国际社会科学团体使 用“全球变化 一词意在表达人类社会、经济和政治系统越来越不稳定，特别是国际 安全和生活质量逐渐降低这一特定意义的。2 0 世纪8 0 年代，自然科学家借用并拓展了 “全球变化”概念，将其概念延伸至全球环境，即将地球的大气圈、水圈、生物圈和 岩石圈的变化纳入“全球变化 范畴，并突出地强调地球环境系统及其变化，并定名 为国际地图、生物圈计划，简称i g b p 。因而，全球变化成为全球系统的变化，包括地 球大气圈、水圈、生物圈和岩石圈之间的物理、化学、生物的作用过程，以及人和环 境之间的相互作用过程。以古论今，重塑古气候和古环境变化规律是研究未来气候和 环境演变的基础，也是全球变化研究的重要内容。 古气候、古环境的变化的研究对象有很多，海洋沉积物由于它的形成与分布经历 了一系列复杂的物理和生物化学等环境变化过程，记录了海洋环境变化信息，因此， 海洋沉积物被视为研究古气候和古海洋环境的有效信息载体。此外，大多数海底沉积 物具有沉积连续、分辨率高、信息量丰富、分布地区广、沉积时间跨度大等特点，因 此成为研究古环境气候的理想对象。 目前，利用海洋沉积物中的化学记录研究古气候和古海洋环境的方法已有很多。 其中，元素地球化学参数在古环境、古气候的变化研究中，占据着极其重要的地位， 是讨论环境变化的重要手段之一。 众多研究表明，许多常量组分和微量元素与海洋沉积物中的陆源组分有密切关系 ( g o l d b e r ged ，a r r h e n i u sg0s ，1 9 5 8 ) 。元素的类型、丰度及赋存状态在沉积 物搬运、沉积和成岩过程中是不断变化的。这种变化是元素在地表各部分不同物理化 学条件下不断迁移、集散的表现，是元素本身性质与外部条件，包括源区母岩风化的原 始矿物组分和性质、搬运形式、沉积条件和成岩作用期间元素重新分配等各种因素的 综合反映( 邓宏文，钱凯，1 9 9 3 ) 。且不同元素及其组合( 或比值) 特征反映不同的环 引言 境条件是环境信息的综合体现和良好标志。无论是常量元素，还是微量元素( 包括稀土 元素( r e e ) 在内) ，作为地球化学指示剂，它们在海洋沉积环境研究中，表现出日益明确 的示踪作用。研究这些元素在海洋沉积物中的变化可以揭示沉积物源区的古化学侵蚀 状况及古气候变化( n e s b i t thw ，y o u n ggm ，1 9 8 2 ：k r o n b e r gbi ，n e s b i t thw ，l a m ww ，1 9 8 6 ) 。 本文以国家自然基金“2 m a 以来东亚季风演化和青藏高原快速隆升在南海沉积物 中p b - s r 同位素记录 和“晚第四纪南海水合物潜在分布区甲烷释放通量及其对气候 变化的影响”的相关研究内容为基础，旨在通过对南海北部陆坡z h s - 1 7 6 孑l 和o d p i l 4 6 孔柱状沉积物的常、微量元素以及碳酸盐的分析研究，讨论该区域不同时间尺度( 3 5 k a 和2 m a ) 沉积物的元素地球化学记录，并利用其变化特征揭示古气候和古海洋环境的 变化。 2 南海北部陆坡古海洋环境的元素地球化学记录 第1 章沉积物中古海洋环境元素地球化学示踪的基本原理 地壳中元素的地球化学性质是决定其在海洋环境中性状的内因；而元素在海洋系 统中的行为又受到海洋环境的制约。从根本上来看，海洋沉积物中元素含量和赋存状 态及其变化受制于沉积类型、沉积物的物质来源、源区的气候变化、沉积环境和早期 成岩作用的制约，而常量元素的行为又制约着微量元素的行为。因此，沉积物中元素 含量、元素对比值和元素组合对特定的古海洋环境变化具有明显的示踪作用。本章在 系统查阅相关文献的基础上，归纳、概括了某些元素对古海洋环境变化的示踪作用。 1 1 沉积物中某些常、微量元素的地球化学性状及其古海洋环境示踪作用 1 1 1 某些常量元素的地球化学性状及其古海洋环境示踪作用 钙、镁( c a 、m g ) ：海洋沉积物中的钙和部分镁的分布，往往受生物作用控制。 例如，含有 3 0 骨骼碳酸盐的钙质软泥差不多覆盖了深海底的一半，是最重要的深海 沉积类型。因此，沉积物中的碳酸盐通常是指示生源物质的指标。但是，陆源和火山 物质也供给深海沉积物以钙和镁，因此，可以利用钙含量作为沉积物中是否含有火山 物质的标志。例如，当泥质沉积物中以硅酸盐形式出现的c a o 含量超过1 5 时，即可 作为沉积物中含有来自玄武岩或者安山岩质火山灰的证据。 铁、锰( f e 、m n ) ：有硅酸盐铁锰和氢氧化物铁锰，后者属于海洋环境下的自生 矿物，或构成其他碎屑物质的皮膜，或自生成颗粒态。铁锰氢氧化物对许多痕量元素 有很大的吸附能力，将他们从海水中“清扫”出来，造成沉积物痕量元素过剩( 高于 正常值) 。硅酸盐铁锰来自大陆和海底火山作用。海底热液作用是另一重要的铁、锰 来源。此外，以自生相存在的铁、锰在早期成岩作用下也能发生活化、迁移和再沉积。 因此，在特定环境下，沉积物中的铁、锰不仅可以指示沉积物中的自生源物质、火山 和热液作用，而且可以指示氧化一还原环境。 铝( a 1 ) ：在浅海环境中，铝为亲陆源碎屑元素，在海洋沉积物中不参与生物介质， 主要赋存于铝硅酸盐碎屑矿物中，在化学侵蚀过程中，a l 对淋滤有抵制作用，进而在侵 第1 章沉积物中古海洋环境元素地球化学示踪的基本原理 蚀产物中富集( n e s b i t thw ，y o u n ggm ，1 9 8 2 ：n e s b i t thw ，m a r k o v i c sg ，1 9 9 7 ) ， 进而在海洋沉积物中有较高的a 1 t i 比值，因此铝往往代表陆源物质；但是，近几年 来，深海环境下自生铝( 生物成因) 的发现否定了铝作为深海沉积物陆源指标的合理 性。 钛( t i ) ：t i 是海洋沉积物中陆源物质的最佳指示因子( 韦刚健，2 0 0 3 ) ，在化学 侵蚀过程中，钛从原始材料中释放出来，但在迁移之前就沉淀下来，不会发生化学迁 移( n e s b i t thw ，m a r k o v i c sg ，1 9 9 7 ) 。在研究侵蚀剖面时，钛通常被看为一种保 守元素，其与其他元素的比值可以作为元素在化学侵蚀中行为的示踪因子。此外，有 研究表明，元素与t i 的比值还可以排除了生物成因和自生成因对元素沉积记录的稀释 所造成的影响，有助于鉴别这些元素在沉积物中是否有自生成因的富集( m u r r a yrw ， k n o w l t o nc ，l e i n e nm ，e ta l ，2 0 0 0 ) 。因此，对于深海沉积物，与铝相比，钛更 适合于指示陆源物质。 磷( p ) ：重要的营养元素。生活于透光带的生物自海水摄取磷。生成的生物碎屑 在向深水降落的过程中，大部分受分解，抗侵蚀最强的磷酸盐物质则可以加入海底沉 积物，保存下来。铁锰结核富含磷，平均大约为深海沉积的三倍。而富磷沉积物主要 形成于有上升流的近岸环境。在地质时间尺度上，古海洋生产力主要受到大洋中营养 元素可利用程度，特别是大洋中活性磷含量的控制( t y r r e l lt ，1 9 9 9 ) ；因此古海洋 的活性磷埋藏记录，无疑可以作为古海洋生产力的指标之一( f s l l m ikb ，1 9 9 5 ) 。但 是，对于浅海环境，由于陆源磷的稀释作用，沉积物中磷对于海洋生产力的指示作用 可能会失效。 钠、钾( n a 、k ) ：富集在成岩矿物中的碱金属在沉积环境中会发生化学迁移( 李 献华，韦刚健，2 0 0 3 ) 。n a 在化学侵蚀过程中比a 1 、k 活泼，更易于从母岩中迁移出 来。大陆上的化学侵蚀变化很大程度上受控于湿度和温度，湿热的气候可以增强化学 侵蚀( n e s b i t thw ，y o u n ggm ，1 9 8 2 ) 。化学侵蚀的加强可以导致侵蚀产物中a l 、 k 含量增加( 李献华，2 0 0 4 ) 。所以，这些元素比值可以进一步指示源区古气候环境的 变化。 4 南海北部陆坡古海洋环境的元素地球化学记录 1 1 2 某些微量元素的地球化学性状及其古海洋环境示踪作用 海洋中某些微量元素的地球化学行为或与有机质的改造有关( b a ) ，或受到氧化还 原条件变化的控制( m o ) ，或受到某种生物生长的影响( s r ) ，从而能够直接或者间接地 作为古海洋生产力和古气候的指标。 钡( b a ) ：b a 是应用最早、也是目前运用最为广泛的微量元素古海洋生产力指标 之一( p f e i f e rk ，k a s t e ns ，2 0 0 1 ) 。g o l d b u r g 和a r r h e n i u s ( 1 9 5 8 ) 首先在赤道太 平洋的上升流地区发现了高含量的b a s 0 。( 重晶石) ，并将其与海洋生产力联系起来。 多年之d e h a i r s ( 1 9 8 0 ) 等在沉积物和水柱中分离出硫酸钡颗粒，并发现其与生产力密 切相关。但是对海相硫酸钡的具体形成过程还不很清楚，可能与生物和非生物过程都 有关系。目前海相沉积物中的b a s 0 4 已经被广泛用于古海洋生产力的研究当中，并且 已经推导出b a s 0 4 与有机碳堆积速度之间的定量关系( d y m o n dj ，s u e s se ，1 9 9 2 ) 。 使用钡作为古海洋生产力指标需要注意几项制约条件。首先是如何确定陆源钡的 影响，特别当陆源碎屑b a 含量达到总量的5 0 以上的时候，就必须对陆源碎屑的b a 含 量进行准确的估计，获得准确的陆源成分的b a a 1 比值非常重要。该比值决定于沉积 物源区的地球化学特征，与气候的变化也有一定的关系( k l u m pj ，h e b b e l nd ，w e f f e r g 2 0 0 0 ) 。此外，由于b a s o 。在沉积物中的保存效率受到大洋b a s 0 。饱和程度和底层水氧 化还原条件的控制而处于变化之中，从而不利于该指标的使用。人们目前对地质历史 中大洋的b a s 0 。饱和状态还一无所知，但即使就近的冰期间冰期旋回中，海水中的b a 浓度也已经发生了显著的变化。在贫氧一缺氧成岩作用的条件下，b a s o 。中的硫酸根离 子由于还原作用而损失，加剧- f b a s 0 。的溶解，因此在富有机质的沉积物中，b a 的记录 常常不足以提供古生产力变化的证据( m a c m a n u sj ，b e r e l s o nwm ，k li nk h a m m e r g p ，e ta l ，1 9 9 8 ) 。 w o l g e m u t h 和b r o e c k e r ( 1 9 7 0 ) 运用箱式模型估计全球现代大洋b a 的埋藏效率为 1 5 ；d y m o n d 等( 1 9 9 2 ) 提出为3 0 ，并随着全岩沉积速率的变化而改变。在可以分离 出b a s 0 。颗粒的条件下( 如在未固结的沉积物中) ，测定b a s o 。颗粒中的s r b a 比值可 以了解b a s 0 。保存作用的信息( v a nb e e kp ，r e y s sjl ，b o n t ep ，e ta l ，2 0 0 3 ) 。 钼( m o ) ：在极度还原的硫化环境下，m o 等变价离子容易与硫离子结合而进入沉 第l 章沉积物中古海洋环境元素地球化学示踪的基本原理 积物，并且其通量与有机碳的堆积速度近似成正比，因而m o 可以作为某种条件下的 生产力指标。例如在现代的缺氧盆地一委内瑞拉的c a r i a c o 盆地中，由于底层水硫化 条件的存在，m o 和有机碳的沉积通量维持正相关关系( ly o n stw ，w e r n ejp ， h o l l a n d e rdj ，2 0 0 3 ) 。并且在某些古生代黑色页岩中，有机质含量c o r g 与m o a 1 之 间存在正相关关系( w i l d ep ，q u n b y h u n tms ，ly o n stw ，2 0 0 1 ) 。b r u m s a c k ( 1 9 8 6 ) 报道了c a p ev e r d e 盆地岩心的白垩纪黑色页岩中有机碳与v 、m o 、z n 之间非常好的 正相关关系。以上关系的成立，为m o 成为古海洋生产力的指标创造了条件。 锶( s r ) ：近年来的研究表明，在现代上升流区域，微晶碳酸盐中s r c a 比值的 增加与颗石藻的钙化和生长速度保持良好的相关关系微晶碳酸盐s r c a 比值能够体现 海洋生产力的变化( s t o l lhm ，s c h r a gdp ，2 0 0 0 ) 。同时珊瑚s r - c a 温度计，弥 补了0 同位素温度计的不足，极大地满足了全球变化研究中对过去短时间尺度上高分 辨率古气候信息提取的迫切需要，为在深层次上更详细地研究古气候变化提供了一种 可靠手段，对于古气候演化的研究具有重要的科学意义。 还有一些能够反映古生产力变化的微量元素指标，如c d 在海洋中的行为与p 接近， 所以常常利用有孔虫壳体的c d 含量反映海水中的p 含量，b o y l e ( 1 9 8 8 ) 提倡使用钙质生 物壳体的c d c a 比值推算古生产力变化。 1 2 某些元素对比值的古海洋环境示踪作用 利用沉积物元素对比值示踪古海洋环境的基本原理是通过选择两类具有不同性 质的元素对，根据其比值的变化更加突出某种制约因素的变化，或者通过选择两类性 质相同的元素对，根据其比值的变化消除某种制约因素。例如，在海底沉积物地球化 学研究中，通常利用元素与a l 或者元素与t i 的比值讨论粒度对沉积物中元素含量的影 响，s i o ：a 1 。0 。突出粒度变化的制约，因为s i o 。赋存于粗粒沉积物中，而a 1 ：0 。赋存于细 粒沉积物；f e 。0 。a 1 ：0 。却消除了粒度的影响，因为二者都富集于细粒沉积物中。再如， r b s r 比值。虽然两者的化学性质相似，但地球化学性质却不同。在风风化作用过程 中，s r 更容易随溶液淋失，而r b 却易于富集于残留相中，因此r b s r 比值具有明显的 气候意义，可作为衡量东亚夏季风强度的替代性指标( 陈骏，王永进，季峻峰等， 1 9 9 7 ) 。 6 南海北部陆坡古海洋环境的元素地球化学记录 此外，古海洋学研究中某些特定元素对比值都是依据个别元素的特殊地球化学性 质而赋于其特定的古海洋环境指示意义。如浮游有孔虫壳体c d c a 和c 。，。b a 。；。值被认为 是海水生产力的标志，而底栖有孔虫的b a c a 值对于追踪深层水变化具有显著意义： 珊瑚中一些元素比值女i s r c a 、m g c a 、u c a 等受温度变化的影响，是海洋表面温度的 良好指标( 温度计) 。 1 3 沉积物中元素组合的古海洋环境示踪作用 利用元素组合示踪古海洋环境的基本原理是某些特定的元素组合代表了特定的 地质地球化学过程。与单元素指标相比，利用元素组合解释的古海洋环境变化信息更 可靠。例如，s i o 。和z r 组合往往反映了沉积物的陆源粗粒组分，而a 1 ：0 。、f e 。0 。、e 2 0 和 某些金属元素组合通常揭示了细粒陆源物质组分；s r 、c a 和p 组合可以作为典型的生 物源组分。 1 4 碳酸盐旋回的特殊古海洋学意义 在全球环境变化研究中，除了元素地球化学方面的研究，碳酸盐沉积也是一重要 的研究方向。碳酸盐的相对含量是深海沉积物最直观的特征变量，也是重要的古环境 信息来源。古环境研究中，边缘海碳酸盐的百分含量与水深和水温关系密切，碳酸盐旋 回的不同类型取决于各个海盆深层水来源和性质。深海碳酸盐有两种不同的冰期旋回： “太平洋型 和“大西洋型”，前者冰期含量高，间冰期含量低；后者相反。汪品先等 最早发现了南海溶跃面以上冰期碳酸盐属“大西洋型，该结论并被大量研究证实。 之后又发现了在溶跃面以下为“太平洋型”旋回，并与赤道太平洋进行对比，同时还通 过o d p 钻探进行长周期的旋回研究。溶跃面以上，碳酸盐含量高，其分布曲线与氧同位 素有很好的对应关系，成为南海晚第四纪地层划分的标准。 7 第2 章材料与分析方法 2 1 研究材料 第2 章材料与分析方法 本论文的研究材料取自2 0 0 5 年“海洋四号用重力活塞在南海北部陆坡采集的 z h s 一1 7 6 柱状样品和o d p 第1 8 4 航次1 1 4 6 站位的沉积柱状样品。 z h s - 1 7 6 站位于南海北部( 2 0 。0 0 0 7 n ，1 1 5 。3 3 3 5 7 e ) ，水深为1 3 8 3 m 。柱长 为7 8 7 c m ( 女n 图1 ) 。采样间距为2 c m ，共分为3 9 4 个样品。对于孔沉积物进行的分析项目 包括：粒度分析3 9 4 件，碳酸盐分析样品3 9 4 个，全岩常、微量元素化学分析样品3 9 4 个，无碳酸盐( c a r b o n a t e f r e e ) 碎屑a 1 、t i 、b a 分析1 9 7 件。分析测试由国家海洋 局第一海洋研究所完成。 o d p i l 4 6 站位于南海北部中陆坡( 1 9 。2 7 4 0 7 n ，1 1 6 。3 7 e ) ，水深2 0 9 1 m 。该站 位共有3 个钻孔( 11 4 6 a ，1 1 4 6 b ，11 4 6 c ) ，岩芯总长1 4 5 2 2 2 m ( 图1 ) 。根据浮游有孔虫氧 同位素变化曲线，按合成深度( m c d ) 在卜1 9 0 m 区段内分别在1 1 4 6 站三个钻孔( a ，b 和c ) 取样，平均取样间隔为1 1 m ，共取得1 6 5 件沉积物样品。对于该孔细粒沉积物( 0 0 4 m m ) 进行的分析的项目包括：无碳酸盐( c a r b o n a t e f r e e ) 碎屑常量分析样品1 6 3 个。b a 元素分析9 7 件。分析测试由河北廊坊中国地质科学院地球物理地球化学勘查研 究所完成。 2 2 分析方法 2 2 1 样品的预处理 在上机测试分析之前，必须进行一系列的样品预处理。具体流程如图2 所示： 南海| 匕部陆坡古海洋环境的囊地球化学记录 z h s 1 7 6 拦 品预处理： 圈1 柱状沉积物采样位置图 o d p i l 4 6 样 品顶处理 国2z h s 1 7 6 和o d p i l 拍# 位样品预处理m 程圈 第2 章材料与分析方法 z h s - 1 7 6 样品首先经过研磨，粒径2 0 0 目即可。然后样品分为两份，一份直接用 于全岩样品的常、微量元素测试。另一份样品首先进行抽稀，选择奇数号样品，用 0 2 5 n h c l 浸泡1 小时，其间间断搅拌，以此达到溶去生物碳酸盐的目的，待生物碳 酸盐溶尽后，用蒸馏水反复离心、冲洗，至p h 为中性，取出样品进行烘干，烘干样 品置于干燥器内待用。 o d p i l 4 6 站钻孔沉积物样品首先经过筛析，将样品分为3 个粒级， o 0 6 3 m m ，取粒径 毋i o c 芝n o ! 上 卜o nno o 寸o o o n p n o n协io nonl卜 o o o p 卜o o o o o o o o o 幻卜寸o no“一 o o o o n n 0 n o o 0 l l 0 西卜咆o o o o 1 寸0 n o o - 0 n卜0 o o o 1 n o 冀o i q o o qo 西= o g o o o - l o o i | 0 o n z o o o 1 - n 芝 c n j n ：u o o i o _ i n o n 山 o c = n o i 上 nonll nod o o o a 苫 o n ) o 耐z n 乏 籁峰彬霉g堪翼霸唧懒候删器靶霉鼷蜉耘：-szn 1 僻 喉篁扑睾篱簧冁g基锹坪簧戋5是忸霉娶嚣嶷橙冲k刿牡洙 = - _ 一 黑 ，o +；+撵_、薅一 同u ， 一 嗤鬻扑搴箭鸢*墨螺旨枯游忸韩嚣等建 =g 。 峨彬g型嚣奸嘲扣将候雄口2如zn=毋 ke拈口 3 。 瞻)啊：一蚶 ， 三h品 8 i键i。 - li癌0： 噼翠扑皋精簧懈惺g荤削掉k壮#霉辱蛙鞋控抖k咛n材村”辩 南海北部陆坡古海洋环境的元素地球化学记录 5 3 元素组合的物源指示意义 如前述，沉积物中的元素组合特征可以反映物质来源信息。本节针对z h s 1 7 6 沉积物的1 9 个常微量元素进行r 型因子分析，以得到不同的元素组合，进而揭示沉 积物各元素的物质来源。 在累积方差贡献达7 1 0 9 的条件下，得到了表2 所示的代表不同元素组合的3 个因 子( f 1 、f 2 、f 3 ) 。这3 个因子的方差贡献分别为2 8 4 2 、2 3 3 4 和1 9 3 3 ，方差特 征值在取3 个因子时大于1 ，因此这3 个因子可以提供原始数据的大部分信息。因子分 析结果列于表2 中，从中可以看出各因子代表的元素组合分别为： f 1 ：k 2 0 、a 1 2 0 3 、t f e 2 0 3 、t i 、c r 、l i 、z r 和z n ： f 2 ：c a o 、m n 、s r 、b a 和n i ： f 3 ： n a 2 0 、m g o 、p 、v 、c u 和c o 。 f 1 代表的元素组合中，t i 、a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 、k 2 0 在表生环境下地球化学性质稳定， 且赋存于陆源黏土矿物中；c r 为典型的过渡族金属元素，其化学活动性一般较低，“ 等微量元素的富集与黏土矿物有关，其从大陆进入海洋中主要是以黏土形式搬运的。z r 在化学风化过程中表现得非常稳定，其性质与稀土元素相似，因此其在海洋沉积物中 的含量主要取决于陆源碎屑所占的含量。因此，f 1 因子代表了细粒的陆源碎屑沉积组 合，是控制研究区沉积物化学成分的最主要因素。 f 2 因子代表的元素组合中，s r 是亲生物元素，b a 是古生产力评价的重要指标，c a o 是生物沉积碳酸盐的重要