（地球化学专业论文）冲绳海槽沉积物中热液源组分的顺序淋滤萃取研究.pdf

冲绳海槽沉积物中热液源组分的顺序淋滤萃取研究 摘要 本文针对冲绳海槽多种物源沉积作用混杂的特征，采用顺序淋滤萃取方法对 海槽中部受热液活动影响的h 9 岩芯沉积物进行了分离，将沉积物中分为可交换 态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态五个部分并对各 个结合态中常量、微量和稀土元素组成进行了分析，确定了不同元素在不同结合 态中分配的比例，分析了控制不同元素进入沉积物的主要机制。去除生源和陆源 ( 火山源) 沉积组分的影响，讨论了热液源组分在岩芯沉积物中的变化规律，简 单估算了热液源组分中元素的堆积速率，并以稀土元素为例，初步探讨了热液流 体扩散过程中受到的改造作用。 主要结论包括： ( 1 ) 残渣态是冲绳海槽h 9 岩芯沉积物中元素的最主要赋存形态，典型碎屑 源组分a l 、t i 和k 在该态中的含量随岩芯深度无明显变化，反映该区陆源( 火 山源) 物质输入相对稳定，对该区沉积物起主要控制作用。 ( 2 ) 可交换态、碳酸盐结合态和有机结合态不是冲绳海槽h 9 岩芯沉积物中 元素的主要赋存形态。 ( 3 ) 铁锰氧化物结合态是除残渣态外的又一元素主要赋存形态，是控制元素 在非晶质结合态中赋存的主要因素，同时也是岩芯不同深度沉积物中元素含量和 萃取比例变化最大的一个相态。热液源组分主要赋存于该形态之中，是控制该岩 芯沉积物组成变化的关键因素。在铁锰氧化物结合态，金属元素m n 、c u 、n i 、 c o 、v 在岩芯8 0 c m 以上层位沉积物中富集，并以元素m n 和c o 的富集最为显 著，其上段平均丰度是下段元素丰度的近1 4 倍，清楚地记录了h 9 岩芯8 0 c m 以 上层位沉积期间热液沉积作用的加强。 ( 4 ) 文中简单估算了热液源金属元素和稀土元素的堆积速率，m n 和f e 元 素堆积速率与洋中脊和l a u 海盆等构造环境产出的热液影响沉积物相当或稍高， 反映了边缘海盆地悬浮体含量和沉降速率相对其他地区要高，热液中的m n 、f e 等元素能被更有效的清扫进入沉积物。 ( 5 ) 岩芯沉积物中热液源组分携带的稀土元素组成具有类似海水的分布模 式，反映了热液流体喷出海底后与其它物源物质之间的复杂的相互作用：一方面 大量生物和陆源碎屑物质的快速沉积导致溶解态的热液源物质( 尤其是稀土元 素) 被快速清扫，无法向外扩散，快速堆积在热液喷口附近；另一方面，随热液 羽状体向外扩散的颗粒态热液源物质也清扫海水中的元素共同进入沉积物。从这 一角度来看，冲绳海槽中部热液活动对海水中的稀土元素表现为汇。 关键词：元素结合态；顺序淋滤萃取；热液沉积；冲绳海槽 i l h y d r o t h e r m a isig n a t u r e sin m i d d l eo k i n a w at r o u g hb y t h es e dim e n t sf r o mt h e s e q u e n ti a ie x t r a c t i o n a b s t r a c t b a s e do nt h ec o m p l e x i t yo ft h es o u r c e sf o rt h es e d i m e n t si nt h eo k i n a w a t r o u g h , t h es e q u e n t i a le x t r a c t i o np r o c e d u r ew a sa p p l i e dt ot h eh y d r o t h e r m a l i n f l u e n e e ds e d i m e n t si nt h ef o r eh 9r e c o v e r e df r o mt h em i d d l eo k i n a w a t r o u g h f i v ef r a c t i o n s ，i n c l u d i n ge x c h a n g e a b l e ，b o u n dt oc a r b o n a t e s ，b o u n dt oi r o n a n dm a n g a n e s eo x i d e s ，b o u n dt oo r g a n i cm a t t e r , a n dr e s i d u a lw e r ea c q u i r e d b a s e d o nd e t a i l e da n a l y s i sf o rm a j o r , m i n o ra n dr a r ee a r t he l e m e n tc o m p o s i t i o n s ，t h e d i s t r i b u t i o n so ft h ee l e m e n t si nv a r i o u ss p e c i a t i o n so ft h es e d i m e n t sw e r ed e t e r m i n e d a n dt h ec o n t r o l l i n gm e c h a n i s mw a sd i s c n s s e d t h ev a r i a t i o n so fh y d r o t h e r m a l s i g n a t u r e si nt h ec o r e ，p a r t i t i o n e df r o mt h et e r r i g e n o u s ，v o l c a n i ca n db i o g e n i e m a t e r i a l s ，h a v eb e e nd e m o n s t r a t e da n dt h ea c c u m u l a t i o nr a t e so fs o m e e l e m e n t sw e r ee v a l u a t e d i na d d i t i o n ，t h ec h a n g eo fh y d r o t h e r m a lf l u i dd u r i n g t h ed i f f u s i n gp r o c e s sw a sd i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h ed i s t r i b u t i o np a t t e r n so fr a r e e a r t he l e m e n t sc o m p o s i t i o n s t h em a i nc o n c l u s i o n sa r el i s t e da sf o l l o w i n g ： ( 1 )t h er e s i d u a ls p e c i a t i o ni sc h a r a c t e r i z e db yt h eh i g h e s te l e m e n t a l c o n c e n t r a t i o n si nt h ec o r eh 9s e d i m e n t s m o r e o v e r , t h ec o n c e n t r a t i o n so fa 1 t ia n dk e x h i b i tl i t t l ev a r i a t i o nw i t i lt h ed e p t hi nt h ec o r e t h e s ef e a t u r e sr e f l a c tt h a t t e r r i g e n o u sa n dv o l c a n i ci n p u t so r er e l a t i v e l ys t e a d y , a n dt h e ya r et h em a i nf a c t o r s t 0c o n t r o lt h ee l e m e n t a ld i s t r i b u t i o ni nt h es e d i m e n t s 。 ( 2 ) n 地f r a c t i o n so f e x c h a n g e a b l e ，b o u n dt oc a r b o n a t e sa n do r g a n i cm a t t e ra r e n o tt h ei m p o r t a n ts p e c i a t i o n so f m o s te l e m e n t si nt h es e d i m e n t s ( 3 ) 1 1 1 ef r a c t i o nb o u n d e dt oi r o na n dm a n g a n e s eo x i d e si sa n o t h e rm a i n o c c u r r e n c es p e c i a t i o nb e s i d e st h er e s i d u a lf o rm o s te l e m e n t s i ti sa i s ot h em a i n f a c t o r st oc o n t r o lt h ea b u n d a n c e so fn o n c r y s t a lp h a s e 1 1 1 et y p i c a lf e a t u r ei st h a tt h e e l e m e n t a l n c e n 嘲i o n si nt h i ss p e c i a t i o na n dt h ep e r c e n t a g e so ft h i ss p e c i a t i o ni n s a m p l e sh a v es i g n i f i c a n t l yv a r i a t i o nd o w nt h ec o r e ，e s p e c i a l l yt h e r ei sas h a r p c h a n g ea tt h ed e p t ho f8 0 c m h y d r o t h e r m a lc o m p o n e n t sm a i n l yo c c t l ri nt h i s i s p e c i a t i o na n dc o n t r o lt h ed o w n c o r ev a r i a t i o n so ft h es e d i m e n tc h e m i c a l c o m p o s i t i o n s t h ec o n c e n t r a t i o n so fm r gc u , n i ，c oa n dvi nt h ec o r es e d i m e n t s a b o v et h ed e p t ho f8 0 c ma r eh i g h e rt h a nt h o s ei nt h eb e l o wt h a td e p t h t h e r a t i o so fm na n dc oi nt h eu p p e r8 0 c mc o r es e d i m e n t st ot h el o w e rp a r ta r e b o t hn e a r l y14 ，w h i c hc l e a r l yd e m o n s t r a t e st h ee n h a n c e m e n to fh y d r o t h e r m a l i n p u t si nt h ec o r ea b o v et h ed e p t ho f8 0 c m ( 4 ) t h ea c c u m u l a t i o nr a t e so f e l e m e n t sd e r i v e df r o mh y d r o t h e r m a li n p u t sw e r e e v a l u a t e d m na n df ea c c u m u l a t i o nr o t e sa r es i m i l a rt oo rs l i g h t l yh i g h e rt h a nt h o s e p r e v i o u s l yd e t e r m i n e df o rs e d i m e n t sf r o mm i d o c e a nr i d g e sa n dt h el a ub a s i n , w h i c h r e f i e c t e st h eh i g hl e v e l so fs u s p e n d e dp a r t i c u l a t ea n ds e d i m e n t a t i o nr a t e si nt h e t r o u g h ( 5 ) t h ed i s t r i b u t i o np a t t e r n so fr a r ee a r t he l e m e n t ( r e e 、c o m p o s i t i o n si n t h eh y d r o t h e r m a lc o m p o n e n t sa r es i m i l a rt ot h a to fp a c i f i cs e a w a t e r t h i si n f e r s t h ec o m p l e xa n ds i g n i f i c a n ti n t e r a c t i o n so fh y d r o t h e r m a lf l u i dw i t hs u r r o u n d i n g s e a w a t e rd u r i n gi t sd i f f u s i n gp r o c e s s d i s s o l v e dt r a c em e t a l s ( e s p e c i a l l yr e e s ) i nt h e h y d r o t h e r m a lf l u i dc 缸b er e m o v e db ys e t t l i n gt e r r i g e n o u so rb i o g e n i cp a r t i c u l a t e s a n dp r e c i p i t a t e dq u i c k l yf r o mt h eh y d r o t h e r m a lp l u m er o u n dt h ev e n t o nt h eo t h e r h a n d ，h y d r o t h e r m a lp a r t i c u l a t e sw o u l d a l s os c a v e n g es o m ee l e m e n t sf r o mt h e s e a w a t e rt oc o p r e c i p i t a t ei n t ot h es e d i m e n t s t h u s ，t h eh y d r o t h e r m a ls y s t e mi n t h eo k i n a w at r o u g hm a yb eas i n kf o rd i s s o l v e dr e e si ns e a w a t e r k e y w o r d s ：s p e c i a t i o n ；s e q u e n t i a ie x t r a c t i o n ：h y d r o t h e r m a is e d i n m n t ； t h eo k i n a w at r o u g h 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! 垫遗查墓丝爰要挂别直盟 曲：奎拦互窒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：高玉蒎签字日期：卿年6 月孑日 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。( 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：瘴玉苏 签字日期：伊7 年( 月云日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签字：j 硬壅 签字日期： 印年占月罗日 电话： 邮编 冲绳海槽沉积物中热液潦组分的顺序淋滤萃取研究 0 前言 0 1 选题依据和研究意义 冲绳海槽是西太平洋边缘、正处于初始扩张阶段的弧后盆地( s i b u e t 等， 1 9 8 7 ) ，整体呈北东向南西倾斜的槽状地堑，玄武质火山岩见于中部和南部，但 目前基底仍以陆壳为主。槽内火山和地震活动频繁，热流值极高( 可达 2 6 0 0 8 m w m 2 ，喻酱之等，1 9 9 2 ) ，热液活动发育，并形成类似于陆地上大量开采 的k u r o k o 型多金属矿床，被认为是揭示弧后盆地发生与发展、地幔源区熔融与 岩浆起源、壳幔相互作用与能量传递、洋陆转换与现代海底热浓活动等地球内部 动力学过程的不可多得的“窗口”( 翟世奎等，2 0 0 1 a ) 。海底热液沉积是洋中脊、 火山活动带及其附近近代沉积作用中不容忽视的因素，受热液活动影响的沉积层 是地层划分中难得的标志层。作为现代海底热液活动标志并记录构造、沉积和热 液活动历史的重要载体，热液活动发育的海槽中部近代沉积物岩芯研究必定是揭 示冲绳海槽热液活动规律、探讨弧后盆地早期扩张过程中热液沉积作用的强有力 工具。 在2 0 世纪6 0 年代，大量科学家就发现沿整个洋中脊系统存在有富金属沉积 物，在海底沉积物水界面( a i + f e + m n ) a ! 等值线圈上勾勒出很好的沿中脊高值区 ( a r r h e n i u s 和b o n a t t i ，1 9 6 5 ；s k o m y a k o v a ，1 9 6 5 ；b o s t r o m 和p e a r s o n ，1 9 6 6 ， 1 9 6 9 ；b e n d e r 等，1 9 7 1 ；d y m o n d 等，1 9 7 3 ：p i p e r ，1 9 7 3 ：b o n a t t i ，1 9 7 5 ：d y m o n d 和v c e h 。1 9 7 5 ) ，直到1 9 7 7 年在o a l a p a g o s 裂谷和东太平洋海隆( e p r ) 2 1 。n 海底分别直接观测到低温和高温现代海底热液活动( c o r l i s s 等，1 9 7 9 ：s p i e s s ， 1 9 8 0 ) ，这些富金属沉积物被理所当然的归因于现代海底热液活动的产物，同时， 研究工作也从大范围的洋脊沉积物调查转向更局域的热液区内沉积物研究 ( g e r m a n 等，1 9 9 3 ，1 9 9 9 ；l a l o u 等，1 9 8 6 ；m e t z 等，1 9 8 8 ；m i l l s 等，1 9 9 3 ) ， 冲绳海槽沉积物中热液源组分的顺序淋滤萃取研究 并对洋脊附近以及两翼取到的沉积物岩芯进行详细的地球化学分析( b a r r e t t 等， 1 9 8 8 ：o l i v a r e z 和o w e n ，1 9 8 9 ：g e r m a n 等，1 9 9 7 ，1 9 9 9 ) ，通过岩芯中金属浓 度的变化来反映热液活动强度的变化。因此，热液影响沉积物中的元素地球化学 特征不仅成为热液活动区分布的重要示踪计( w a l t e r 和s t o f f e r s ，1 9 8 5 ；i y e r 等， 1 9 9 7 ；r o o n w a l 等，1 9 9 5 ) ，而且正逐渐成为研究海底热液活动演化历史的重要 手段( k u h n 等，2 0 0 0 ) 。 现代海底热液活动向大洋中注入大量成分、物理化学性质均与海水截然不同 的流体，为海洋提供了新的源和汇，是地球内部向大洋释放热和化学物质的主要 通道，并且在海水和地壳之间的元素循环中扮演重要角色( k a d k o 等，1 9 9 5 ) 。 同时，还原型热液流体与周围氧化型海水混合，导致大范围的沉淀和氧化反应。 热液羽状体逐渐向上和向外扩散达到中性浮力之前，也会受到海水的强烈稀释， 反应形成的颗粒物加入海底沉积物之中。因此，虽然热液喷溢作用向大洋供应的 总体物质通量很高 ( e d m o n d 等，1 9 7 9 ) ，但热液羽状体中的物质沉淀和化学反 应将强烈改变这一通量( m o t t l 和m c c o n a c h y ，1 9 9 0 ：g e r m a n 等，1 9 9 0 ，1 9 9 1 ) 。 扩散热液羽状体下方的沉积物中记录了从热液流体中分离出来的部分，因此，热 液区附近沉积物岩芯研究也是确定流体喷出海底后改交程度的重要依据( m i l l s 和e l d e r f i e l d ，1 9 9 5 ；c a v e 等，2 0 0 2 ) 。 虽然具有热液活动特征的沉积物常见于洋中脊附近，但近几年也见于岛弧和 弧后盆地。相对比较细致的工作主要集中在北f i j i 海盆和l a u 海盆( r i e c h ，1 9 9 0 ； m c m u r t r y 等，1 9 9 1 ；h o d k i n s o n 等，1 9 8 6 ，1 9 9 1 ) ，尤其是近期对l a u 海盆中部扩 张中心、东部扩张中心以及v a l uf a 海脊附近表层沉积物和柱状岩芯中热液成分 的系列研究，很好的揭示并证明了l a u 海盆的扩张演化历史( c r o n a n 和 h o d k i n s o n ，1 9 9 7 ：d a e s s l e 等，2 0 0 0 ，2 0 0 2 ) 。 2 冲绳海槽沉积物中热液源组分的顺序淋滤莘取研究 对于冲绳海槽，自1 9 8 4 年在其中部发现热液活动现象以来( k i m u r a ，1 9 8 6 ) ， 该区热液活动的调查和研究从未间断，在槽内发现了大量活动喷口和矿床沉积， 如夏岛8 4 1 海丘、伊平屋海岭、伊是名海洼、南奄西海丘、德之岛和鸠间海丘 等( k i m u r a 等，1 9 8 8 ；中村光一等，1 9 8 8 ，1 9 9 0 ；田中武南等，1 9 8 9 ；门马大 和等，1 9 8 9 ，t a n a k a 等，1 9 9 0 ) ，在热液区地球物理特征、热液矿床的矿物和化 学组成、热液流体特征等方面获得了大量研究成果( k i y o y u k i 等，1 9 9 1 ：k i n o s h i t a 等，1 9 9 0 ：k a s a h a r a 等，1 9 9 5 ：g a m o 等，1 9 9 1 ；n a k a s h i m a 等，1 9 9 3 ，1 9 9 4 ： s h i t a s h i m a ，1 9 9 4 ；h a l b a e h 等，1 9 8 9 ，1 9 9 3 ，1 9 9 7 ；s a k a i 等，1 9 9 0 ；c h i b a 等， 1 9 9 3 ) ，但是在热液影响的沉积物方面研究较少。从2 0 世纪8 0 年代早期人们就 开始对冲绳海槽表层沉积物和柱状岩芯进行矿物和地球化学研究，并按矿物组合 及化学成分特征将海槽划分为不同的陆源、生源、火山源和自生源沉积区( 如陈 丽蓉等，1 9 8 3 ；陈冠球等，1 9 8 6 ：吴明清等，1 9 8 8 ，1 9 9 1 ；郑铁民等。1 9 8 9 等 等) 。部分研究涉及到热液源沉积物的分布及其特征( m a s u d a 等，1 9 8 7 ；t s u g a r u 等，1 9 9 1 ；赵一阳等1 9 9 4 ，1 9 9 6 ；孟宪伟等，1 9 9 7 ，高学民等，2 0 0 0 ) ，但是， 对受热液活动影响的沉积物和热液活动在沉积物中的记录等方面研究较少，对柱 状岩芯中热液组分变化的讨论更是少见( m a r u m o 和h a t t o r i ，1 9 9 9 ) 。这可能主 要来自两个原因，一是冲绳海槽处于弧后扩张早期，活动热液区分布比较局限， 并大多数分布于海槽底部，高温喷溢区也较少，因此不利于向外扩散影响到沉积 物，多数局限于喷口附近沉积下来，形成多金属矿床；另一方面，热液活动区多 分布于基岩裸露的区域，沉积物盖层相对较薄，不利于沉积物样品的获得。本论 文正是针对这一薄弱环节，基于夏岛8 4 1 、伊平屋和伊是名三个热液区中间凹地 取到的近代沉积物柱状岩芯h 9 ，并结合邻近地区表层沉积物特征，分析了热液 沉积组分在岩芯中的变化，这不但有助于弄清冲绳海槽热液活动的演化规律，对 探讨热液流体喷出海底后受到的改造作用，更好的理解海底热液系统对元素地球 冲绳海措沉积物中热演源组分的顺序漤涟萃取研究 化学通量和循环的影响具有重要意义。 冲绳海槽沉积物的典型特征是火山喷发物、生物碎屑和陆源物质三位一体 ( 翟世奎等，2 0 0 1 a ) ，在海槽中部，热液源沉积进一步混入其中。因此，利用元 素总量对冲绳海槽沉积物的来源和沉积环境进行研究，只能反映不同化学组分在 沉积物中的总体丰度特征，讨论的是各种物质来源并以各种形式进入沉积物的元 素的整体分布，而很难反映不同形式元素所携带的物源和环境信息，尤其是沉积 物中自生组分的元素地球化学信息。近年来，选择特定的化学试剂，分步萃取沉 积物中不同结合态( 有时称相) 中元素的顺序淋滤萃取方法在环境地球化学和海 洋地球化学领域逐渐得到广泛的应用。通过这种层层分离的方法，可以确定不同 元素在不同结合态中分配的比例，从而分析控制不同元素进入沉积物的主要机 制，可以了解沉积物中元素，尤其是微量元素的来源、迁移、分散、活动、生物 化学及物理化学活性等特征。因此，针对冲绳海槽多种物源沉积作用混杂的特征， 本论文采用顺序淋滤萃取方法对海槽中部热液影响沉积物岩芯沉积物进行分析， 可以去除碎屑沉积和生源沉积的影响。弄清热液源组分赋存的状态，有效地将热 液沉积组分和其它来源组分区分开来，从而更好的评估海槽区热液活动对沉积物 的元素地球化学贡献。讨论热液流体喷出海底后受到的改造作用。 0 2 国内外研究现状 0 2 1 ；中绳海槽现代海底热液活动调查研究现状 1 9 8 4 年，日本“岩石圈计划”在冲绳海槽中部伊平屋海岭发现热液活动的 迹象( k i m u r a 等。1 9 8 6 ) ，揭开了冲绳海槽现代热液活动调查研究的序幕。1 9 8 6 年7 月又在夏岛8 4 1 海丘发现了流体喷出温度达4 2 0 c 的活动热液i e 体( k i m u r a 等。1 9 8 8 ) 1 9 8 8 年6 月日德科学家利用“太阳号”在伊是名海洼发现热液硫化 物矿床，这是首次在具有大陆性地壳的弧后盆地发现海底热液矿床。1 9 8 8 年9 4 冲绳海橹沉积物中热液源组分的顺序淋滤摹取研究 月“s h i n k a l 2 0 0 0 ”在伊是名海洼发现了三个矿址及黑烟囱群，一处烟囱喷口 附近的热液流体温度为6 7 0 c ，黑色的热液硫化物沉积直接裸露。另一处烟囱已 停止活动，但地热测量结果表明热流值仍然较高。同年在伊平屋海岭北坡发现 了活动的热液底栖生物群和复式丘状热液沉积体，丘体裂隙中喷出的热液流体 温度高达2 2 0 0 c ( 中村光一等，1 9 8 8 ) 。1 9 8 9 年6 月在伊是名海洼发现活动的“黑 烟囱”，次月测得从烟囱中喷出的热液流体温度达3 2 0 0 c ，在伊平屋c l a m 区 也首次发现了碳酸盐烟囱和丘体( 中村光一等，1 9 9 0 ；田中武男等，1 9 8 9 ) 。自 此之后，又在海槽中部和南部的南奄西海丘、德之岛西海山、鸠间海丘以及八 重山海丘等多处发现热液活动区。 我国在冲绳海槽也进行了海底热液活动专项调查，中国科学院海洋研 究所在1 9 9 2 、1 9 9 4 年相继组织了两个热液活动调查航次( 赵一阳等，1 9 9 6 ； 高爱国，1 9 9 6 ) ，发现热液活动区多分布在位于海槽中轴部的中央地堑中。 翟世奎等通过对海槽北部l ：1 0 0 万比例尺调查中拖网采得的仅存于活动热 液喷口附近的“热液伴溢蛤”壳体的研究，推断冲绳海槽北部也可能存在 现代海底热液活动( 翟世奎等，2 0 0 1 b ) 。 活跃、丰富的海底热液活动现象及其产出的独特的构造和沉积环境吸引了 国内外地质学者对冲绳海槽现代海底热液体系的广泛关注，在热禳区地质和地 球物理特征、热液沉积物的矿物和化学组成、热液流体的物理化学性质以及热液 生物学特征等方面开展了大量研究工作( k i f i m o t o 等，1 9 9 1 ：k i n o s h i t a 等，1 9 9 0 1 k a s a h a r a 等，1 9 9 5 ；g a m o 等，1 9 9 1 ；n a k a s h i m a 等，1 9 9 3 ，1 9 9 4 1s h i t a s h i m a1 9 9 4 ， h a l b a c h 等，1 9 8 9 ，1 9 9 3 ，1 9 9 7 ；s a k a i 等，1 9 9 0 ；c h i b a 等，1 9 9 3 ) ，并与陆地 黑矿以及洋中脊等其它海底构造环境下的热液系统进行了广泛的对比，首次在伊 平屋发现的碳酸盐热液烟囱及丘状物、富集a u 、a g 、a s 和h g 等贵金属的热液 冲绳海槽沉积物中热液源组分的_ 噘序淋涎摹取研究 硫化物矿床以及富含c 0 2 等气体的热液流体等都是众多研究的焦点( 田中武男 等，1 9 8 9 ) ，也取得了许多重要的研究成果。 兼有陆架沉积环境与深海沉积环境过渡性质的冲绳海槽沉积作用与东海陆 架和太平洋均不相同，多种物源沉积物混杂是海槽沉积的重要特征但是由于热 液活动多集中于海槽中部的轴部地堑，海槽热液影响沉积物研究工作相对不多， 而且基本集中于对表层沉积物的研究。1 9 9 4 年赵一阳等研究认为，热液沉积物 中的汞异常可以作为现代海底热液效应的“指示剂”，进一步研究发现冲绳海槽 热液活动区热液沉积物与非热液区相比明显富集m n ，z n 、p b 、c u 、a u 、a g ， h g 等多种金属元素；与大洋中脊相比则相对富集p b 、a s 、a u 、a g 等元素，而 贫f e 和c u ( 赵一阳等，1 9 9 6 ) 。m a r u m o 和h a t t o r i ( 1 9 9 9 ) 对位于海槽中部伊 是名海洼j a d e 热液括动区附近获得的岩芯沉积物进行研究，同样发现热液影响 沉积物中z n ，p b ，a s ，a g 的富集，并且利用热液影响沉积物在岩芯中的记录估 计该区热液活动可以追溯到1 8 0 0 3 0 0 y b p 。h s u 等( 2 0 0 3 ) 对冲绳海槽南部 k u e i s a n t a o 岛附近d r 3 热液区上覆海水中的悬浮体进行了分步顺序淋滤萃取 分析，讨论了热液影响颗粒物中m n 和p b 的赋存状态和它们进入沉积物的机制， 并初步估算了元素f e 、m n 和p b 的热液沉积通量。 0 2 2 顺序淋滤萃取法研究现状 顺序淋滤萃取法是基于土壤学中的元素化学分析方法建立起来的一种固态 颗粒( 沉积物、悬浮体等) 中微量元素地球化学研究方法。不同成分、不同来源、 不同环境进入沉积物的元素在沉积物中的赋存形式也有所不同，不同赋存形式的 元素又因进入沉积物的机制不同与不同相态( s p e c i a t i o n ) 结合，如吸附态、碳酸 盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机物结合态等。因此，向沉积物中顺序加入一 系列相应的化学萃取试剂，可以将具有特定结合态的元素彼此分离开来。必须明 确指出的是顺序萃取法获得的不同的“态与实际的“态”有所差异，不同方法及不 6 冲绳海槽沉积物中热渡源组分的顺序游滤萃取研究 同的试剂，将获得不同的结果，因此这些“态”是给定方法及流程的“态”，与试剂 的选择性密切相关。在实际应用中，不同的研究工作通常根据自己所关注的成分 不同选择不同的方法获得不同的态。 早在1 9 7 6 年，c h e s t e r 等( 1 9 6 7 ) 就曾提出沉积物中元素分析的多步萃取法， 但目前应用较广而且影响较大的方法是t e s t i e r 等( 1 9 7 9 ) 提出的五步顺序萃取 法( 下面简称t e s s i e r 法) 。在这一方法的基础上，不同的人又提出不同的改进措 施。例如k e r s t e n 和f o r s t n e r ( 1 9 8 6 ) 将铁锰氧化物结合态( 也称还原态) 进一 步划分为易还原态和稳定还原态：k r y c 等( 2 0 0 3 ) 在t e s s i e r 法基础上又增加松 散吸附相态和蛋白石相态；b a y o n 等( 2 0 0 2 ) 则提出在萃取铁锰氧化物结合态时， 用i m 的盐酸羟铵代替o 0 4 m 的盐酸羟铵，即改变萃取试剂浓度等等。虽然已有 方法不同程度获得接受，但是始终缺少统一的、普遍认可的方法和流程。在这种 情况下，欧共体下属一个研究发展规划( b c r ) 于1 9 8 7 年启动一项统一各方法 的项目，并于1 9 9 2 年提出一种三步顺序萃取法( 下面简称b c r 法) 。b c r 法将 沉积物划分为三个相态：酸溶态、可还原态和可氧化态。在b c r 法中，可交换 态与碳酸盐结合态被统一归为酸溶态。 t e s s i e r 法和b c r 法除了相态的划分不同外，萃取试剂和萃取条件的选择上 也有所不同，而萃取试剂和萃取条件是影响实验结果的关键。有很多学者曾对这 两种常用方法进行比较，例如u s e r o 等( 1 9 9 8 ) 分别用t e s s i e r 法和b c r 法对 i - l u e l r a 海岸沉积物中不同结合态微量元素含量做了对比研究，结果表明与t e s s i e r 法萃取的可交换态和碳酸盐结合态中微量元素含量之和相比较，b c r 法酸溶态 中各微量元素含量相对较高，t e s s i e r 法萃取的有机结合态中大部分金属元素含量 也比b c r 法萃取的低。u s e r o 等认为这可能是t e s s i e r 法对于样品的萃取和解析 时间不够，导致碳酸盐没有完全溶解和有机结合态物质的重新吸附。t e s s i e r 本 身也认为由于不同金属元素的碳酸盐的溶度积常数差别很大，所以也不可避免地 冲绳擗槽沉积物中热液源组分的i 畈牟 滤萃取研究 存在不完全溶解现象。碳酸盐的萃取时间一般和沉积物的颗粒粒径、碳酸盐的含 量及类型有关( k u n z e ，1 9 6 5 ) ，t e s s i e r 法对大部分细粒沉积物可能是足够的，但 是对含碳酸盐较高的，或者相对租粒沉积物，可能需要萃取更长时间。b c r 法 是针对环境问题提出的萃取方法，在有机物结合态的萃取方面相对比较成功。因 此，海洋环境污染研究中多使用b c r 法对样品进行萃取，也取得了很好的效果。 例如d a s s e n a k i s 等( 2 0 0 3 ) 使用b c r 法对e u v o i k o s 海湾沉积物的1 4 个站位的 重金属元素进行分析研究，可以发现靠近污染源的站位，有机结合态中的重金属 元素含量明显增加，从而有效地评价了污染元素的来源及分布。 b c r 法获得的还原态中大部分微量元素浓度相对t e s s i e r 法常有所偏低 ( u s e r o 等，1 9 9 8 ) 。r a u r e t 等( 1 9 9 9 ) 认为用0 i m 的n h 2 0 h h c i 在室温条件下， 不能彻底萃取铁锰氧化物，提出用0 1 5 m 的n h 2 0 h h c l 代替原来的试剂，并把 酸度调节到p h = 1 5 。该法被称为修正的b c r 法，曾被许多研究工作者所采用 ( p e t i t 等，1 9 9 9 ：d a v i d s o n 等，2 0 0 4 ) t e s s i e r 等认为其方法中对铁锰氧化物结 合态中微量元素的萃取最为成功。f i l i p 等( 1 9 9 9 ) 基于t e s s 衙法的萃取流程， 对五等份的土壤样品。分别进行了各种结合态的单独提取( 除第一相态外，其余 各相态理论上可由相邻两步的结果之差获得) ，结果表明在可还原态中各元素含 量与t e s s i e r 法获得的结果有良好的一致性。这也进一步说明t c s s i e r 法对铁锰氧 化物结合态中元素的萃取相对比较合理。因此，目前关于铁锰结核以及其他海洋 铁锰沉积研究中，t e s s i e r 法得到了广泛的应用( k o s c h i n s k y 等。1 9 9 5 ) 。 0 3 本文研究工作 本文以“国家自然科学基金一冲绳海槽中部近代沉积物元素地球化学研究” 项目为依托，对取自冲绳海槽中部的夏岛8 4 1 、伊平屋和伊是名三个热液区中间 凹地的近代沉积物岩芯h 9 ，利用改进的t e s s i e r 顺序淋滤萃取方法对沉积物中多 种元素尤其是稀元素进行了分析，比较了不同元素在岩芯沉积物中的赋存形态 窘 冲绳痔槽沉积物中热液潭组分的顺序赫淀萃教研究 及其进入沉积物的控制机制，去除生源沉积和陆源( 火山源) 的影响，讨论了热 液组分在岩芯沉积物中的变化规律，简单估算了热液组分的元素地球化学通量， 以舔土元素为主，初步探讨了热液流体受到的改造作用。具体研究内容如下： ( 1 ) 顺序淋滤萃取方法的建立。通过阅读大量文献，对比多种顺序摹取法 的差异，考虑到t e s s i e r 法在深海沉积物，尤其是自生沉积物组分的元素赋存形 态分析方面具有广泛应用，结合冲绳海槽热液硫化物和沉积物的矿物组成特点， 选定t e s s i e r 法做为本文实验方法。通过多个批次的模拟实验和分析。在实验室 初步建立了改进的t e s s i e r 顺序淋滤萃取法，尤其是实现了不同结合态稀土元素 的分析。主要实验工作见表o 1 。 袭0 1 主要实验工作一览表 ( 2 ) 冲绳海槽h 9 岩芯沉积物中元素赋存状态研究。通过对海槽中部受热液 活动影响h 9 岩芯沉积物的顺序淋滤萃取实验，分析了不同元素在沉积物中的赋 存状态，结合前人工作，对比岩芯中不同层位元素赋存状态的变化，分析不同相 态中稀土元素组成的配分模式，去除生源沉积和陆源沉积( 火山源) 的影响，确 定了热液源组分在岩芯沉积物中的赋存形态。 9 冲绳海槽沉积物中热液源组分的顺序淋滤萃取研究 ( 3 ) 冲绳海槽热液活动对沉积物的元素地球化学贡献。估算了热液组分的沉 积通量。讨论了冲绳海槽现代海底热液活动在沉积物中的记录，并以稀土元素为 例，初步分析了热液流体喷出海底后受到的改造作用。 1 0 冲绳海槽沉积物中热液源组分的顺序淋滤萃取研究 1 冲绳海槽的自然地理及区域地质概况 1 1 自然地理概况 冲绳海槽是一个形似新月，向东南方向突出的扩张型半深海盆地，总体走 向为n e sw 向，与东海大陆架的走向延伸方向相一致( 图1 1 ) 。冲绳海槽大体 位置在东海大陆架钓鱼岛隆褶带与琉球岛弧之间，地处弧后，与岛弧近于平行( 秦 蕴珊等，1 9 8 7 ) 。形态上南宽北窄，南深北浅。海槽长约1 2 0 0 k m ，宽1 0 0 1 5 0 k m ， 面积约1 4 x 1 0 5 k m 2 。 图1 1 冲绳海褶地理位置图 1 2 地形地貌 冲绳海槽地形复杂，起伏明显，横断面呈u 形，两侧陡峭起伏、底部较平坦。 基本趋势是水深由北向西南方向增大，奄美大岛以北的吐噶喇构造带和冲绳岛与 宫古岛之闻的宫古构造带将冲绳海槽分为北、中、南三段。北段走向n n e - s s w ， 水深较浅，约6 0 0 8 0 0 m ，海底起伏变化较大：中段走向n e s w ，水深1 0 0 0 - 2 0 0 0 m ： 冲绳海槽沉积物中热液源组分的顺序淋滤萃取研究 南段走向n e e - s w w ，水深大部分超过2 0 0 0 m ，槽底平坦。海槽底部总体上地形 较平坦，但有许多海丘和海底火山，地形起伏明显，水深变化较大。海槽的地形 在南部边缘变得起伏不平，中部地形较为平坦。海槽西坡为东海大陆架向东延伸 的东海大陆坡，其上发育多级阶梯状地形。海槽东坡为琉球岛弧西侧岛坡，海底 地形变化更为复杂，有断崖、海底谷地和海丘等，它们沿着群岛西坡呈弧形分布。 1 3 构造特征 冲绳海槽位于太平洋板块和欧亚板块的汇聚带上，是西太平洋大陆边缘琉球 沟一弧盆构造体系的一个活动的弧后扩张盆地。 冲绳海槽的构造活动从中新世晚期开始( 李乃胜，1 9 9 0 ) ，在大陆边缘产生 一系列走向断裂，南部的拉张轴迅速被上新世沉积物充填。更新世早期或晚上新 世，现今的构造格局基本上奠定下来。海槽内主要发育两组交互的断裂带，一组 是与海槽走向相交的横切断裂带，一组是大体沿海槽走向伸展的平行断裂带。横 切断裂带是水平错动型的扭性断裂，较大的有吐噶喇断裂带和宫古断裂带等，以 二为边界将冲绳海槽分为北、中、南三段：北中段处于尚未充分发育的裂陷期， 南段已达到扩张期。平行断裂带主要由高角度正断层组成，在北段星n n e 向， 中段为n e 向，南段近e w 向。海槽轴部还发育了次一级地堑构造( 槽中槽) ，地 堑轴断断续续呈北北东向雁行斜列，纵贯整个冲绳海槽( k i u m r a ，