南極普里茲灣表層沉積物的元素組合特征及物源分析

藍木盛 于培松 韓正兵 扈傳昱 潘建明 張海生

（國家海洋局第二海洋研究所，國家海洋局海洋生態系統與生物地球化學重點實驗室，浙江杭州310012）

0 引言

海洋沉積物記錄了自身演變及其與周圍大陸、海洋之間的物質和能量交換過程等多種信息［1-4］，關于海洋沉積物成因及物質來源的研究，是近代海洋沉積作用研究的核心問題之一［5-8］。海洋沉積物中元素的類型、豐度及賦存狀態在沉積物中的變化，是元素本身性質與外部條件的綜合反映，因此通過元素地球化學的方法，如研究沉積物中元素的組成、相對含量與分布、組合以及元素間的比值關系等，能很好地釋讀保存在沉積物中的環境和物源信息［9］。

普里茲灣深受南極大陸的影響，同時被季節性海冰覆蓋，自身沉積環境較為穩定，受人為因素干擾少，其海底沉積物元素地球化學的研究具有重要的意義［10-12］。普里茲灣形成開闊水域的時間短暫，但在融冰季節仍有較高生產力，從而擁有較快的沉積物沉積速率［13］。普里茲灣的生物種群比較簡單，浮游植物以硅藻為主，它們既是沉積物中有機碳和總氮的主要貢獻者也是整個普里茲灣的沉積主體［14-16］。此外，普里茲灣背靠南極大陸并受其深刻影響，尤其是蘭伯特冰川向該海域輸入大量冰閥碎屑的活動，向普里茲灣輸入了陸源物質從而改變了其沉積物的組成和分布結構。

本文利用歷次南極科考在該海域獲取的20個表層沉積物樣品，通過測定其粒度和常、微量元素含量，并采用多元統計的分析方法，研究了普里茲灣表層沉積物中多種元素的空間分布和組合規律，證實了在普里茲灣海域利用特征元素組合來指示物質來源的有效性，探討了普里茲灣沉積物來源的主要控制因素和規律。

1 采樣與分析

1.1 樣品采集

本文中的沉積物樣品來源于歷次中國南極科學考察，一共選取了第18—27次考察航次的20個表層樣，具體站位位置和水深數據如圖1。樣品站位覆蓋了普里茲灣陸架區、灣內和陸坡區等，水深從100—3 000 m不等，經緯度在 70°E—78°E，66.5°S—69.5°S的范圍內。樣品中的Ⅳ-10、Ⅱ-9、Ⅲ-13、ⅠS-2、ⅠS-4、ⅠS-11為柱狀樣，由PVC多管采樣器采集，切割其中的0—1 cm層，得到本文所需的表層樣。其余14個表層樣均為箱式表層樣，使用箱式采樣器采集沉積物至甲板后取其0—1 cm層無擾動沉積物為本文所需表層樣。樣品全部經冷凍保存帶回實驗室。

圖1 沉積物樣品采集站位Fig.1.Sampling stations

1.2 樣品描述

對普里茲灣沉積物樣品進行觀察后發現其顏色和組成等具有區域性差異，灣內中心和東南區域的表層沉積物顏色呈黃綠色、褐色，個別樣品含有生物碎屑；西側弗拉姆淺灘和艾默里冰架前緣陸架區的呈淺黃色、灰色，個別樣品含礫石，礫石磨圓度較差，沉積物的分選也較差。

1.3 分析方法

1.3.1 樣品預處理

用德國Christ Delta 1-24 LSC型凍干機將冷凍帶回的沉積物樣品進行冷凍干燥。冷凍后的干樣分成兩部分，一部分用球磨機研磨成粉末（研磨后粉末能通過200 mesh孔篩），用于元素測定；剩下部分用于粒度測定。處理過的樣品均密封干燥保存。

1.3.2 粒度測定

樣品的粒度組成采用德國Sympatec公司生產的HELOS型濕法測量激光粒度分析儀進行測定，粒度測量范圍為0.1—3 500μm，測量誤差＜3%。取沉積物干樣1—2 g溶于100 mL水中，加入數滴0.5 mol/L的六偏磷酸鈉作為分散質，靜置 24 h，再將試樣搖勻后置于超聲波振蕩器中，振蕩120 s，形成高分散的顆粒懸浮液后上機測試。獲得數據表、各粒級百分含量、頻率曲線和累積頻率曲線等數據文件。

1.3.3 元素測定

本文對沉積物樣品進行了有機碳（OC）、總氮（TN）、S、K、Ca、Ti、Mn、Fe、Rb、Sr、Zr、Al、Ba等 13種元素含量的測定。

有機碳（OC）、總氮（TN）含量分析：稱取約0.3 g研磨后的樣品加入10%稀鹽酸，去除碳酸鹽，待反應結束后進行多次離心、去離子水清洗至pH＝7左右，烘干樣品。稱取10—15 mg上述干樣，使用Elementar Vario MICRO cube元素分析儀上機測試。分析誤差＜1%。在分析過程中，使用國標GB7314進行檢驗。分析儀可同時獲得樣品中TN的含量。

S、K、Ca、Ti、Mn等元素含量的測定，采用硼酸包裹-粉末壓片法制樣，由X熒光光譜儀測定。上機測定過程中，采用線性校準曲線模式，選用GBW07301-GBW07305、GBW07307-GBW12（水系沉積物國家標準物質）作為校準樣建立校準曲線，選用GBW07314標樣作為質控樣對校準曲線進行檢驗。所有樣品在同一測量條件下重復測量12次，將測定值進行排序后去除兩個最值，再進行Q檢驗（Q取0.9），將保留值的平均值代入校準曲線，計算所得值為沉積物中的元素含量。測定結果顯示除了元素S和 Zr的平均 RSD＞5%（分別為5.05%和5.23%）外，其余元素測定值的平均 RSD值均 ＜5%，滿足分析需要。

1.4 數據分析

為研究元素的統計學特征，本文利用統計學軟件SPSS17.0對元素測試結果進行了相關性分析和聚類分析。其中，聚類分析采用Ward法，并以Pearson相關性作為區間度量標準。

2 結果

2.1 表層沉積物中元素的含量與分布

元素測定結果表明，普里茲灣表層沉積物的元素含量變化較為復雜。如表1所示，13種測定元素的標準偏差（STD）和變異系數（CV）都較大，其中Rb元素變異系數最小為0.2，其余元素變異系數均≥0.3，Ca元素變異系數超過1.0。變異系數越小，表明沉積物中的元素分布越均勻。從表中可以看出，普里茲灣表層沉積物中所測元素的分布不均勻，梯度或分散性強。

表1 表層沉積物元素含量表（n＝20）Table 1.Value of element content in surface sediment（n＝20）

在水平分布上，表層沉積物中的各種元素呈現不同的空間分布特征，如圖2所示，基本呈現出2種分布模式。第一種分布模式以OC、TN和S為代表，它們的含量分布以灣內中心-東南區域為中心向周圍遞減，呈現灣內中心和東南區域高、西側弗拉姆淺灘和冰架前緣陸架區域低的分布特征；第二種分布模式以K、Ti、Rb、Sr和 Ca等元素為代表，它們的含量分布則由西側弗拉姆淺灘-冰架前緣陸架區向灣內中心-東南區域遞減，分布特征與第一種模式相反。

2.2 元素的統計學特征

相關系數是用于反映兩個變量之間的相關程度及其相關方向的指標，根據統計學軟件SPSS17.0對普里茲灣沉積物中所測元素的含量計算出的相關系數，如表2，呈現出三種相關關系，分別為顯著正相關、顯著負相關以及不明顯相關關系。具體表現為：（1）OC、TN和S元素，相互間呈顯著的正相關關系，OC與 TN、S之間的相關系數分別為 0.989和0.805，TN和 S之間的相關系數達0.833，它們均為生源元素；（2）K、Ti、Mn、Fe和 Rb等元素，相互間呈顯著正相關關系，它們都是親巖源的高場強元素或者大離子親石元素；（3）Ca和Sr元素，相關系數為0.934，呈顯著正相關關系，它們與鈣質生物的自生沉積作用有關，且容易發生同沉積作用。（1）、（2）之間呈顯著負相關關系，（3）、（1）以及（3）、（2）之間分別呈負相關和正相關，但相關關系不顯著。

圖2 沉積物中常微量元素分布圖Fig.2.Diagram of characteristic elements distribution

聚類分析的結果從圖3顯示，元素被分為兩大類群：第一大類包括OC、TN和S等；第二大類包括K、Ti、Mn、Fe、Rb等元素，第二大類元素又被分成兩小類。同類群元素之間基本為顯著正相關關系，第一大類與第二大類之間為負相關關系或不明顯相關關系，說明聚類分析的結果與元素的相關性（如表2）相一致。

3.文化體制改革目標。在文化體制改革方面，提出：“加快完善文化管理體制和文化生產經營機制，基本建立現代文化市場體系，健全國有文化資產管理體制，形成有利于創新創造的文化發展環境。”［1］

表2 元素間的相關系數Table 2.Correlation between elements

圖3 元素聚類分析圖Fig.3.Hierarchical cluster analysis

3 討論

3.1 元素組合對物源的指示意義

根據普里茲灣沉積物中元素含量的測定結果以及統計學特征分析，生源元素OC、TN和S等元素的含量分布特征一致，屬于第一種分布模式，元素之間呈顯著正相關關系并且屬于同一類群，說明它們相關性強，在沉積過程中富集程度相似。OC和TN由有機質分解而來，而有機質的分解過程又與硫酸鹽的還原作用和黃鐵礦的生成作用密切相關［17］，即有機質分解與S的富集密切相關，因此OC、TN和S的元素組合代表了生源沉積。

K、Ti和Rb等元素的含量分布一致，屬于第二種分布模式，元素間呈顯著正相關關系，它們都是具有抗風化和交代作用的高場強元素或者大離子親石元素［18］。其中，Ti元素在表生作用中比較穩定，屬于惰性元素，風化后難以形成可溶性化合物，是陸源碎屑組分的指標，因此這些元素與Ti元素共同指示了沉積物中的陸源輸入。

此外，第二種分布模式的元素被分為兩小類群，第二小類中元素Ca和Sr之間成正相關關系，但是與其他元素的相關關系復雜。這是因為Ca和Sr等元素的沉積除了受陸源輸入影響外還與鈣質生物的自生沉積作用有關，且容易發生同沉積作用。因此表明它們的沉積作用受到生源與陸源輸入的雙重影響，并且以陸源輸入的影響為主。兩種分布模式的特征相反，說明沉積在該海域的生源與陸源物質在不同區域各自產生主導作用，而彼此間產生了“稀釋劑”的作用。

3.2 元素含量分布的影響因素

3.2.1 元素含量分布與生物生產

普里茲灣在夏季融冰期有大量浮游植物生長，生產力迅速升高，由此產生的顆粒物不斷向下輸送并形成較高沉積速率［14］，因此該海域的生物生產是元素含量分布的重要影響因素之一。

如圖2所示，代表著生源沉積的OC、TN和S元素的含量分布均呈現出灣內中心和東南區域高，向周圍弗拉姆淺灘-冰架前緣陸架區和陸坡區降低的特點。根據寧修仁等［19-22］的研究，雖然實測所得的葉綠素a濃度、初級生產力和新生產力等生物生產指標隨著普里茲灣及其鄰近海域的冰情、氣象以及水文條件等存在著年際差異，但是總體分布具有很好的一致性，高值均出現在普里茲灣中心以及東南區域，并向周圍弗拉姆淺灘-冰架前緣陸架區和陸坡區遞減，生物生產指標的分布特征與生源元素分布一致。再利用反映海洋生產力變化的Ba/Al比值這一指標［23-24］對研究區的生產力進行反演比對（圖4），結果也與生源元素和實測所得生物生產指標的分布差異相吻合。這表明普里茲灣沉積物中的有機質沉積與上層水體生物生產為正相關關系。

根據圖4所示的元素比值分布結果，研究區的OC/TN比值在5—7之間，而OC/TN比值被認為是一個有效判斷海洋沉積物中有機質來源的指示標志［25-26］，沉積物中的陸源有機質 OC/TN比值 ＞10，海源有機物的比值一般＜10。這進一步說明普里茲灣沉積物中的有機質均為海源，即普里茲灣沉積物中的有機沉降顆粒物均直接源于普里茲灣上層水體的生物生產。

圖4 元素比值分布圖Fig.4.Element ratio distribution

3.2.2 元素含量分布與海冰

普里茲灣生物生產對周圍陸架區與陸坡區的沉積控制作用減弱，一方面源于周圍陸架區與陸坡區的生產力水平相對較低［19-22］，另一方面與陸源物質的輸入引起的“稀釋作用”有關系。

如圖2所示，代表陸源輸入的K、Ti和Rb等元素的含量分布均呈現出西側弗拉姆淺灘-冰架前緣陸架區高，向灣內中心及東南區域降低的特點。沉積物的表觀特征也表明西側弗拉姆淺灘-冰架前緣陸架區沉積物的陸源組分比例高于灣內中心和東南區域。此外，針對Ca元素的沉積作用受到生源與陸源的雙重輸入這一特點，本文用Ca/Ti比值將常量元素Ca標準化以減小沉積物中海洋自生組分對元素的稀釋作用從而更加準確指示陸源碎屑來源的分布，比值結果如圖4，其分布特征與K、Ti和Rb等元素一致。普里茲灣是一個半封閉型海灣，季節性冰封的同時現今并無河流輸入，沉積物中陸源組分來源的最大可能是其背靠的冰川及沿岸冰的輸入。蘭伯特冰川是世界上最大的冰川，東南極幾十萬平方公里面積上的冰體可經由蘭伯特冰川向普里茲灣海域傾瀉，艾默里冰架就是冰川向該海域流動形成的陸架冰。ODP（大洋鉆探計劃）于1988年在普里茲灣鉆探獲取的巖芯主要包括松散的冰磧物和已膠結的冰磧巖，兩者分選均很差，粒徑范圍自粘土到礫石，幾乎都是冰川搬運物，巖性分析表明物源區主要是普里茲灣沿岸及查爾斯王子山區［27］。這表明普里茲灣沿岸及查爾斯王子山區能夠為普里茲灣提供充足的陸源物質，而冰川活動則為陸源物質輸入提供良好的搬運條件。

根據圖5所示的普里茲灣表層沉積物粒度分布，灣內中心及東南區域的沉積物粒度均＜64μm，含砂率＜20%，為泥質沉積；西側弗拉姆淺灘陸架區的沉積物粒度均＞64μm，含砂率＞40%，近岸區可高達80%，石英顆粒等巖源組分占主要比例，主要為粉砂-砂質沉積。沉積物粒度分布的特征與前文中K、Ti和Rb等元素的分布以及標準化后的Ca/Ti比值特征基本一致。根據卞林根等［28］和鄭少軍［29］的研究與衛星影像資料顯示，夏季弗拉姆淺灘附近陸架區的海冰堆積程度在普里茲灣研究區最高（圖6），海冰密集度與砂質沉積比例分布一致。董兆乾等［30-32］曾對普里茲灣夏季流場進行分析，認為在東風影響下，普里茲灣沿岸附近基本是西向漂流，這種漂流也有利于海冰在陸架區的堆積，從而利于海冰攜帶的陸源物質在該區域的積累。粒度分布特征佐證了陸架區的陸源物質輸入，也指示了陸源物質由近岸陸架區向灣中心和中心東南區域輸運的方向。

圖5 沉積物中值粒徑分布圖Fig.5.Distribution of sediment particle size

圖6 2003年到2008年1月份多年平均海冰密集度（改編自鄭少軍［29］）Fig.6.Average sea ice concentration in January from 2003 to 2008

綜合以上研究成果判斷：攜帶近岸或者內陸礫石等陸源碎屑的沿岸冰或冰川進入普里茲灣后，由陸架區向遠岸的灣內中心及東南區域漂移，但在自身動力減弱、同時受到西向漂流的作用下，大部分的冰筏碎屑在弗拉姆淺灘附近堆積，并在夏季融冰期發生沉降。因此，普里茲灣的沉積物源受到冰筏碎屑的影響，這種影響由近岸的弗拉姆淺灘-冰架前緣陸架區向灣內中心及東南區域減弱。

4 結論

（1）普里茲灣表層沉積物中所測元素含量的變異系數均比較大，呈現兩種分布模式。OC、TN和S等元素的含量分布總體上呈現灣內中心及東南區域高、周圍弗拉姆淺灘-冰架前緣陸架區和陸坡區低的特點；K、Ti和Rb等的高值區則均出現在近岸陸架區，分布特征與OC、TN和S等元素相反。

（2）元素的統計學特征與比值特征有效指示了普里茲灣沉積物的物質來源。OC、TN和S元素的組合指示了沉積物中的生物來源，K、Ti和Rb等元素的組合指示了陸源碎屑沉積，Sr、Ba和Ca既是親生源元素，也接受陸源碎屑的輸入；所測元素中的特殊組合，如 C/N比值、Ba/Al比值和 Ca/Ti比值分別對普里茲灣的有機質來源、生物生產和巖源物質來源的指示意義明顯。

（3）普里茲灣的沉積作用主要受到生物生產和海冰的控制。灣內中心及東南區域的沉積主要為生源泥質沉積，沉積作用主要受生物生產控制；近岸弗拉姆淺灘-冰架前緣陸架區為粉砂-砂質沉積，沉積物中除了有生源物質外還有大量冰筏碎屑的輸入。

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