琼东南海域表层沉积物中的氮源分析

琼东南海域表层沉积物中的氮源分析

琼东南海域位于南海北部的大陆边缘。这是亚洲、印度-澳大利亚板块和太平洋板块的交汇处。其西北为海南岛,西南与莺歌海盆地相连,东北毗连西沙海槽,既是重要的常规油气富集区,又是新型能源——天然气水合物的有利赋存区(图1)。因此,前人在该区开展了很多相关研究,研究的重点主要集中在琼东南盆地的构造背景、盆地形成机制和历史以及油气赋存远景等方面,而对该海域的沉积物地球化学特点则少有人关注。近年来,该海域基础调查勘探等地质工作日益加深,获得了大量新的数据和资料,本文利用这些资料进行沉积物地球化学特点研究,有助于今后在该区开展沉积环境、沉积物源区等方面的深入研究。1含矿质粉砂、含落实研究区水深范围150～2203m,地貌类型比较简单,主要包括陆坡和深海盆两种地貌单元。区内表层沉积物类型共有6种,包括黏土质粉砂、含钙质生物黏土质粉砂、钙质生物黏土质粉砂、粉砂、含钙质生物粉砂、钙质生物砂质粉砂。含钙质生物黏土质粉砂和黏土质粉砂是最主要的两种沉积物类型。其中含钙质生物黏土质粉砂分布最广,其分布的水深范围为750～2200m。黏土质粉砂则主要分布在调查区中部,呈条带状贯穿南北,主要分布在坡度较缓的较深海区,水深一般大于1400m。含钙质生物粉砂分布零散,在调查区北部可以见到(图1)。2表层沉积物样品的采集2005年6月以来,广州海洋地质调查局“海洋四号”地质调查船在琼东南海域采集了大量沉积物样品。采样工具包括抓斗取样、箱式取样、重力管取样及大型重力活塞取样等。采样站位水深150～2200m,多数水深在1000m以上。“海洋四号”在该海域共采集了88个表层沉积物样品。所有样品恒温(60℃)烘干后,机械研磨至200目以下进行化学分析。分析项目包括常量元素的化学全分析(SiO2、Al2O3、、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、MnO、P2O5、TiO2、烧失量)、有机碳分析、碳酸钙分析等。其中烧失量采用重量法分析;SiO2采用碱熔-氟硅酸钾容量法分析;有机碳采用重铬酸钾-硫酸氧化法分析;碳酸钙采用二氧化碳容量法分析;其他主要元素均采用电感耦合等离子体发射光谱方法(ICP-AES)分析。分析过程采用国家海洋沉积物标准物质(GBW07313、GBW07314、GBW07315、GBW07316等)全程控制,分析结果满足本次研究工作的需要。样品分析测试由广州海洋地质调查局实验测试所完成。3岩石学和物源组成区内表层沉积物主要由SiO2、Al2O3、K2O、Fe2O3、MgO、CaO、Na2O、TiO2等组成,这8种组分约占沉积物总量的81.35%(平均值)。其中SiO2和CaO含量最高,平均值分别是41.15%、15.66%。Al2O3、Fe2O3、K2O和Na2O的平均含量分别为12.13%、4.59%、2.35%和2.38%。相对于陆壳物质本区SiO2、Al2O3、MgO、Na2O的含量略有降低,Fe2O3的平均含量降低幅度较大。P2O5、TiO2的含量与大陆地壳的值比较接近,K2O、MnO含量略有增加,CaO的含量明显偏高。上述元素的含量特点一则说明本区沉积物以陆源为主,另外,还说明本区钙质生物沉积作用比较发育,生源组分CaO含量较高,由于它们的稀释作用,造成了陆源组分SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、Na2O等含量相对偏低。海南岛离研究区较近,因此可能是陆源物质的主要源区。海南岛广泛发育中生代花岗岩,假如海区的陆源物质主要来自海南岛,则沉积物的物质组成应该继承岛上源岩的物质组成,但比较海区沉积物和海南岛中元古代花岗岩的常量组分发现,海南岛花岗岩为高Si岩石,SiO2含量(70.66%)远远高于沉积物中的SiO2含量(41.15%),但海区沉积物中的Al2O3含量与海南岛花岗岩相近,而Fe2O3、MgO、TiO2等组分含量明显高于花岗岩中的组分含量(表1),说明研究区的沉积物另有来源。南海北部的沉积物陆源物质主要来自珠江、韩江等河流的输入,研究区的沉积物与南海北部沉积物相比,Al2O3、K2O、Fe2O3、MgO、CaO含量均偏高,而TiO2含量偏低(表1),说明物源也有区别。以上分析说明,琼东南海域表层沉积物陆源成分来源较复杂,并非单一来源。4海洋沉积的陆源性质一般来说,海洋沉积物主要由陆源碎屑及海洋自生组分组成,沉积物中各种元素含量的变化是这两种来源沉积物综合作用的结果。要通过主量元素准确探讨沉积物的来源及形成环境,必须消除沉积物中海洋自生沉积物对陆源碎屑的稀释作用。因为Ti在风化过程中从原矿物中淋滤出来后容易被沉积物吸附,因此常被认为是惰性元素,Ti元素可作为陆源碎屑组分的指标,尤其是在南海,故将主量元素用TiO2标准化,以减少沉积物中海洋自生组分对元素的稀释作用。结果如图2所示。SiO2/TiO2高值区位于西和西北部的上陆坡区,该区陆源物质输入较多,导致SiO2含量较高,研究区偏西部位沿南北方向SiO2/TiO2值较低,与钙质生物比较发育有关,海洋钙质生物碎屑的高含量对陆源物质SiO2具有稀释作用。总体上看SiO2/TiO2等值线分布与水深关系不明显,与陆源物质等值线也不完全一致,说明在研究区内陆源并非是SiO2的惟一来源,海洋来源的硅质沉积也有一定的贡献。Al2O3/TiO2、Fe2O3/TiO2、MgO/TiO2、K2O/TiO2、Na2O/TiO2等值线分布相似,大致由西北向东南增加。近海沉积物中的Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O、Na2O主要来源于陆源物质的输入,主要赋存于细粒矿物相中,随着沉积物搬运距离的增加,富含Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O、Na2O的细粒矿物相对增加。MnO/TiO2和P2O5/TiO2比值变化不大,因为Mn、P的元素地球化学行为与Ti相近。研究区中部和东北部的MnO/TiO2值较高,应该与该区化学沉积作用较强有关,碎屑矿物分析表明在这些部位发育了较多的微结核。研究区西北部P2O5/TiO2局部出现高值,恰好与SiO2/TiO2的高值相对应,说明也是陆源物质输入较多引起的。CaO/TiO2、CaCO3/TiO2、有机碳/TiO2比值等值线分布相似,由西北向东南方向增加。这3种组分主要为生物来源,说明由西北向东南生物沉积作用加强。另外有机碳主要在还原环境中富集,有机碳/TiO2比值等值线表明研究区域整体上体现了由西北向东南氧化沉积环境向还原沉积环境的转变。研究表明,南海沉积物的主要成分包括陆源碎屑和生物碳酸盐两部分。一般认为海洋沉积物中的Ti全部来源于陆源碎屑,因此,可以通过元素Ti含量来估算陆源碎屑含量。也有人用Al来估算陆源碎屑的含量,但最近发现南海存在过剩铝,而Murray等在赤道太平洋地区也发现了相同的情况。陆源碎屑计算公式为Terrigenous%=(TiO2-sample/TiO2-Ter)×100,本文中采用陆壳的TiO2值(0.70%)作为该公式的背景值。从陆源碎屑含量的等值线图可以看出,陆源物质应主要来自西和西北方向,向东和东南方向逐渐降低(图3)。海区西侧与另一传统油气聚集区莺歌海盆地相连,西北侧是海南岛,前面已经提到,海区沉积物的常量元素组成与可能作为源岩的海南岛花岗岩的组成相差较大,加之海南岛东部及东南部没有大的入海河流,因此,可以认为海南岛不是琼东南海域表层沉积物陆源碎屑的主要供应者。前人对此也有类似论述,张启明等、王国芝等认为,自5.3Ma年始至今,琼东南盆地和其西侧的莺歌海盆地相互联通,盆地内的陆源碎屑主要由流经滇西高原的古红河水系提供。本次工作成果从地球化学角度初步证明了这一论断的正确性。从陆源碎屑等值线图上可以看出,西北部的海南岛也可能提供了部分物源。至于如何甄别这几个物源区对海区陆源物质的贡献程度,则需要更多的资料和进一步的工作。5元素的组合及其地质意义5.1陆源元素与沉积相因为海洋沉积物中的Ti几乎全部来源于陆源碎屑,因此,根据表层沉积物元素(组分)间的相关分析可以探讨元素的来源(表2)。本区表层沉积物中各元素与水深的相关性均不明显,说明本区沉积物源区较复杂。SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O与TiO2存在明显至显著的正相关关系,表明这些元素具有陆源输入的特征。烧失量、CaO、CaCO3与TiO2呈显著的负相关,这些物质主要与钙质生物有关。Na2O、MnO、P2O5、有机碳等与TiO2无明显的相关关系,说明这些元素受陆源物质影响较小,主要为海洋来源,包括海水、海洋生物以及海底火山活动。与生物相关的元素Ca和SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O、TiO2之间存在明显至显著的负相关关系,反映了该区生物碎屑碳酸盐沉积对陆源沉积的稀释。5.2研究区沉积成岩因子沉积物中各元素组分含量的变化一方面与元素固有的地球化学行为有关,另一方面又与沉积物化学成分复杂的多因素控制有关,为了充分了解控制沉积物化学组成的因素,分析琼东南海域的物质来源及其沉积环境,应用SPSS13.0软件包对琼东南海域表层沉积物的常量元素进行R型因子分析。选取极大方差旋转法作为因子分析主成分分析的旋转法,选取公因子载荷大于1.0的元素,可得3个主因子,其方差贡献累加值为83.099%(即代表了原始数据全部信息的83.099%)(表3)。从表3也可看出各元素间的相关组合关系。第一主因子F1的方差贡献为61.703%,元素组合为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、TiO2、烧失量、CaCO3,其中SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O、TiO2为正载荷,与CaO、烧失量、CaCO3呈负相关(表3)。因此,可以认为F1因子代表了陆源碎屑及碳酸盐型的生物碎屑组分,这两种组分互为消长,成为控制研究区沉积物化学成分的最主要因素。F2因子的方差贡献为12.896%,元素组合为Na2O、MnO,为正载荷,可能代表了火山源物质和海洋化学沉积(表3)。F3因子的方差贡献为8.499%,元素组合为P2O5、有机碳,P2O5为负载荷,有机碳为正载荷,二者呈负相关。海洋沉积物中的P来源有二:一是含磷的陆源碎屑输入,另外是由死亡的海洋生物提供(包括生物介壳、骨骼、牙齿和粪便等)。海洋沉积物中的有机碳主要来源也有两种:一为陆源碎屑输入,其次是海洋自生成因,主要是海洋浮游植物等初级生产力产物通过水层沉降后形成的。F3因子P2O5的贡献大于有机碳,且P2O5与TiO2的相关性较有机碳明显,因此该因子可能代表了陆源碎屑和海洋自生的混合沉积,以海洋自生沉积为主(表3)。从因子关系图也可以看出,研究区的常量元素可分为4组(图4),第1组由SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O、TiO2组成,代表陆地来源;CaO、CaCO3、烧失量虽然也是因子1的组成元素,但它们的载荷为负,表明其对其他陆源物质的稀释作用,因此单列为第2组,代表海洋钙质生物来源。第3组由P2O5和有机碳组成,代表陆源碎屑和海洋生物的混合沉积。第4组由Na2O、MnO组成,主要代表火山源物质和海洋化学沉积。6陆源碎屑和非织造环境的提取(1)琼东南海域表层沉积物中含量最高的两种组分是SiO2和Al2O3,其平均含量分别为41.15%和15.66%。琼东南海域表层沉积物中以陆源碎屑为主,生源物质也有重要影响。(2)研究区表层沉积物陆源物质的物源区较复杂,主要的陆源碎屑可能来自滇西