西南印度洋中脊沉積物粒度特征及不同前處理方法對粒度特征的影響

呂文哲,易 亮,付騰飛,楊繼超,陳廣泉,林 震,徐興永,于洪軍

(1.華東師范大學河口海岸科學研究院,上海200062;2.河口海岸學國家重點實驗室,上海200062;3.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061;4.海洋沉積與環境地質國家海洋局重點實驗室,山東青島266061;5.青島海洋科學與技術國家實驗室海洋地質過程與環境功能實驗室,山東青島266061;6.同濟大學海洋與地球科學學院,上海200092;7.海洋地質國家重點實驗室,上海200092;8.國家深海基地管理中心,山東青島266237)

西南印度洋中脊沉積物粒度特征及不同前處理方法對粒度特征的影響

呂文哲1,2,3,4,5,易 亮6,7*,付騰飛3,4,5,楊繼超8,陳廣泉3,4,5,林 震8,徐興永3,4,5,于洪軍8

(1.華東師范大學河口海岸科學研究院,上海200062;2.河口海岸學國家重點實驗室,上海200062;3.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061;4.海洋沉積與環境地質國家海洋局重點實驗室,山東青島266061;5.青島海洋科學與技術國家實驗室海洋地質過程與環境功能實驗室,山東青島266061;6.同濟大學海洋與地球科學學院,上海200092;7.海洋地質國家重點實驗室,上海200092;8.國家深海基地管理中心,山東青島266237)

通過采用多種前處理方法,對西南印度洋中脊沉積物粒度進行了測定、分析和對比研究。其中,未去除碳酸鹽的樣品平均粒徑介于7.18～8.35Φ;分選較差;偏度表現為極負偏,且負偏程度隨著分選變差逐漸變大;峰度表現為平坦。粒度頻率曲線呈較顯著的多峰分布。去除碳酸鹽之后,樣品平均粒徑介于5.95～6.64Φ;分選變好;偏度由極負偏變為極正偏;峰度由正態向平坦方向變化;黏土質量分數明顯減少,粉砂質量分數顯著增加。粒度頻率分布曲線、粒度象特征及粒度結構也都發生了明顯的改變。這些變化指示了沉積物的搬運處于靜水懸浮和遞變懸浮的過渡階段,而是否去除碳酸鹽將對粒度分析結果產生顯著影響。此外,有機質和生物硅的存在也對沉積物粒度測試結果造成了影響,使細粒組分明顯增加,但并不影響粒度分布的基本形態。

西南印度洋中脊;沉積物;粒度;前處理方法

在高壓、低溫的深海環境中,沉積物保存較為連續且受到后期干擾較少,蘊含有豐富的環境變化信息[1-2]。依其成因,深海沉積物可分為陸源碎屑和生物成因兩大組分[3]。前者可以提取豐富的深海環境變化信息,后者蘊含了深海生產力波動的信號。相比于其它大洋,西南印度洋中脊有很多獨特的特征,呈“入”形分布,西與大西洋中脊和南美洲—南極洲中脊交于布維三聯點(Bouvet Triple Junction),東與中印度洋中脊和東南印度洋中脊交于羅德里格斯三聯點(Rodrigues Triple Junction),屬慢速擴張中脊[4]。此外,McCave等認為西南印度洋包含有4層不同來源的水團,包括南極底層水,北印度洋深、中層水以及季風控制的表層海洋環流[5]。Faugères等提出深海沉積物聚集模式主要由深海底層流所控制[6]。因此,通過西南印度洋中脊沉積物的相關研究,有望獲得古環境和生產力的信息,進而反演區域特殊的地質環境過程。

粒度是進行沉積學分析的常用指標,其變化往往與沉積環境、介質動力等有關,并已廣泛應用于風塵、湖泊、河流和海洋沉積等研究[7-13]。孫東懷等[14]通過對中國黃土粒度分布特征的研究,揭示了黏粒組分的氣候學意義。孫千里等[15]和何華春等[16]分別通過岱海和洪澤湖沉積物粒度特征反演了湖泊水位和區域氣候的干濕變化。Zhou等[17]基于北黃海泥質區沉積物的粒度特征認為其變化與黃河流域內降水有關。張晉等[18]勾畫了南海南部表層沉積物的空間分布特征,指出物源、水動力條件、地形等是控制這一空間特征的主要因素。因此,沉積物粒度分析可以區分不同沉積類型,判斷沉積物的物源信息以及沉積時的水動力條件,進而重建古氣候和古環境。

自20世紀60年代,深海鉆探計劃的實施廣泛促進了海洋沉積學的發展,在全球范圍內獲得了大量深海沉積物樣品,取得了豐富的成果。然而,西南印度洋的調查研究仍較少,西南印度洋中脊則更為匱乏,研究程度亟待提高[19]。此外,已有的研究多集中于沉積物地球化學、礦物學特征等方面,很少涉及沉積物粒度這一基本特征[20-24]。

針對這一研究現狀,本文對取自西南印度洋中脊的沉積物進行詳細的粒度分析,總結不同前處理方法獲得的粒級分布、粒度象特征、粒度結構等,提取其中蘊含的物源、水動力條件等環境信息,以期為深入研究該地區沉積環境的演化提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究所用S008GC02孔柱狀沉積物樣品由中國大洋協會于2015-02第35航次在西南印度洋通過重力取樣器獲得。鉆孔位于西南印度洋中脊(50°54'E,33°59'S)(圖1),水深4 430 m。該柱狀沉積物樣長240 cm,以淺棕色黏土質沉積物為主;以10 cm為間隔進行取樣,共獲取24個樣品用于本項研究。

圖1 研究區地理位置[5]Fig.1 Geographical location of the study area[5]

1.2 粒度測試

樣品的前處理和上機測試均在海洋沉積與環境地質國家海洋局重點實驗室測試中心完成。所用儀器為英國MALVERN公司生產的MASTERSIZER-2000型激光粒度儀,該儀器的測量范圍為0.02～2 000μm,重復測量誤差小于3%。每份沉積物樣品中取約0.5 g放入燒杯中,分別采取以下2種前處理方法:

前處理A(原始粒級):燒杯注滿蒸餾水,靜置24 h;

前處理B(去除碳酸鹽):燒杯中加入5～10 ml質量分數為10%的HCl,靜置12 h。

反應后的懸浮液在離心機中以4 000 r/min的轉速離心清洗15 min,用超聲波清洗機振蕩后測量。

1.3 粒度參數計算

常用的粒度參數有平均粒徑、分選系數、偏度、峰度等。粒度參數的計算方法有多種,本文采用Mc Manus[25]提出的矩值法進行計算。

平均粒徑

分選系數

偏度

峰度

式(1)～式(4)中:f為各粒級的質量分數,∑f=100;m?表示粒徑。

但隨著日子一天天過去，大家發現老鄧的嘴里得不到半點消息，而且他的出現比小偷更令營業部損失慘重，他每次不是要走幾斤臘肉，幾斤鹽巴，就是一瓶江津白酒，而且日復一日，沒半點消停的意思。剛開始他還到倉庫里轉悠轉悠，向甲洛洛詢問一些倉庫貨物的存儲情況，后來把這道手續也減免了，干脆徑自去找丁主任，拿完東西就走人。

2 結果與討論

2.1 粒級組成

根據謝帕德三角圖(圖2),前處理A所獲結果可命名為黏土質粉砂和粉砂質黏土;前處理B大部分為粉砂,少量為黏土質粉砂。如圖3所示,前處理A獲得的平均粒徑介于7.18～8.35Φ,隨深度的變化較小;分選較差;多表現為極負偏;峰度平坦。前處理B獲得的平均粒徑介于5.95～6.64Φ,整體大于前處理A;多表現為極正偏。

各組樣品黏土、粉砂、砂的質量分數如圖4所示。其中,前處理A大部分樣品的黏土和粉砂質量分數相差不大,介于40%～60%,砂的質量分數幾乎都小于10%;前處理B的樣品粉砂質量分數占有絕對優勢,黏土質量分數大多占10%～20%,砂的含量可以忽略不計。

根據粒度參數C(質量分數為1%的粒徑值)和M(質量分數為50%的粒徑值)作沉積物粒度象C-M圖(圖2)。前者代表樣品中最粗顆粒的粒徑,可以反映搬運介質能量的上限,即最大水動能;后者反映搬運介質的平均動能[28]。

不同前處理的2組樣品在C-M圖上表現出明顯的分異性:前處理B的樣品在C-M圖上分布相對集中,并據此可知搬運方式處于靜水懸浮和遞變懸浮的過渡階段。此外,最大水動能(C值)較小,可能指示了該區域的物質來源相對單一。這一特征與該區域常年受到南極底層水的影響有關[5]。

圖2 沉積物粒度象C-M圖及三角圖投點示意圖Fig.2 The grain-size C-M diagram and ternary diagram of the sediments

圖3 沉積物粒度參數曲線Fig.3 The grain-size parameter curves of the sediments

圖4為2種前處理方法后獲得的沉積物粒度各粒級質量分數。2種前處理方法相對比發現在＜4μm與4～8μm組分中,同一組分去除碳酸鹽之后的質量分數明顯小于未去除碳酸鹽的,而8～16μm,16～32 μm,32～63μm與＞64μm的組分則相反。32～63μm組分中2種前處理方法獲得的質量分數隨深度的變化沒有明顯的相關關系,＜4μm,4～8μm以及＞64μm的組分中變化趨勢大致相同。針對同一種前處理方法,8～16μm,16～32μm兩個組分隨深度的變化具有顯著的相關性。這說明大部分碳酸鹽礦物以＜8 μm的形式存在,或者是前處理過程中超聲波振蕩將大顆粒的碳酸鹽礦物擊碎,從而導致細粒部分的增加。

圖4 沉積物粒度各粒級質量分數(%)Fig.4 Grain size compositions(%)

通過2種前處理方法獲得的粒級組成及粒度參數具有明顯的不同。相比前處理A,前處理B獲得的粒度參數隨深度的變化相對平緩,波動幅度小;平均粒徑變大,分選變好,偏度由極負偏變為極正偏,峰度則由正態向平坦方向變化;黏土含量顯著減少,粉砂含量相應增加;所測結果在C-M圖與謝帕德三角圖(圖3)中投點更為集中。由此反映出碳酸鹽的存在使得粒度參數和粒級組成發生了明顯改變,無法反映真實的水動力條件。

2.2 粒度象特征

根據文獻[26-27],選取粒度參數:A為＜4μm組分的質量分數;L為＜31μm組分的質量分數;F為＜125μm組分的質量分數。分別以A對M、L對M、F對M作A-M、L-M、F-M圖,可以很好地反映沉積物組分的變化,通過對這些圖的分析,來判斷沉積物可能的搬運模式和形成環境[6]。

由圖5可知,兩種前處理方法中,隨M的增大F變化較小。前處理A中,隨M的增大,A急劇減小,呈較好的負相關關系;而L的減小趨勢不明顯。4～31μm的組分質量分數隨M的增大緩慢增加,但細粒物質的質量分數始終較高。前處理B中,A和L隨M增大緩慢減小,M的增加主要由4～31μm組分控制。由此反映出該地區沉積環境的平均水動能較大,控制沉積物粒度的為中粗粒組分。

圖5 S008GC02孔沉積物粒度象A-M、L-M、F-M綜合圖Fig.5 The A-M,L-M,and F-M diagrams of the sediments in Borehole S008GC02

2.3 粒度結構

沉積物的粒度參數可以較為直觀地反映沉積物的特征[7]。由圖6可知,前處理A獲得的樣品偏度與分選系數之間存在負相關關系。前處理B獲得的樣品偏度與分選系數之間則不存在明顯的相關關系,隨著分選系數的變化,偏度變化較小。前處理A在平均粒徑和分選系數散點圖中投點分散,而前處理B則投點相對集中。

去除碳酸鹽的沉積物平均粒徑變大、分選變好,分選系數的分異度小,所指示的水動力條件較強,水動力過程波動幅度小,水動能環境較穩定。全部表現為正偏,偏度與分選系數之間沒有明顯的相關關系。

圖6 沉積物粒度結構散點圖Fig.6 The grain-size structural scatter diagram of the sediments

2.4 粒度分布

由圖7可知,經前處理A獲得的粒度頻率曲線呈顯著的多峰分布,主峰位置在2.52～4.38μm,并隨深度存在一定的波動。

經前處理B獲得的粒度頻率分布曲線雖仍為多峰特征,但主峰位置明顯向右側移動,峰值所處的粒徑明顯變大。其中間層位呈雙峰分布,次峰峰值隨深度增加而逐漸增加。兩者的差值曲線大致呈峰-谷的變化趨勢,峰谷之間的斜率較大。在谷值之后,普遍出現一個次峰值,隨后差值曲線緩慢趨于0。由此反映出該地區沉積物的物質來源相對單一、穩定,在中間層位發生了擾動,水動力條件或者物質來源發生改變,之后又逐漸恢復單一穩定的狀態。

2.5 碳酸鹽的影響

碳酸鹽的存在對沉積物粒度特征產生了明顯的影響[28],本文結果也支持了這一觀點。去除碳酸鹽之后,沉積物的平均粒徑變大,分選變好,偏度由極負偏變為極正偏,峰度則由正態向平坦變化。去除碳酸鹽的樣品中,黏土含量明顯減少,粉砂含量相應增加。根據C-M圖所反映出的沉積物的搬運方式也發生了改變,搬運方式為靜水懸浮和遞變懸浮。相比于未去除碳酸鹽的樣品,去除碳酸鹽之后的C值可以更好地指示區域底層水的變化特征。此外,去除碳酸鹽之后,粒度象特征、粒度結構和粒度分布都發生了明顯的改變。

上述測量結果的差異,反映出碳酸鹽對該地區沉積物粒度測量的影響。總之,我們認為大部分碳酸鹽礦物以＜8μm的形式存在,前處理過程中去除碳酸鹽將導致細粒級組分減少,中粗粒級組分所占比重相應增大。另有一部分碳酸鹽礦物以＞64μm的粗粒級形式或者以膠結作用的形式存在,前處理過程中的超聲波振蕩將其擊碎[9,31]。碳酸鹽礦物的存在,使得西南印度洋中脊地區沉積物粒度參數發生了改變,而要準確獲得沉積物的粒度分析結果、探討該地區的環境演化,去除碳酸鹽的影響是必須的。

2.6 生物硅和有機質的影響

為了進一步研究生物硅和有機質對粒度測量的影響,我們選取4個層位的樣品進行對比。由圖8知,是否去除生物硅或有機質,對沉積物粒度分布形態影響不大,只是改變了各組分的相對含量。相比于未去除生物硅或有機質的沉積物粒度,去除之后的沉積物粒度頻率曲線峰值向右移動、細顆粒組分含量減少。這說明有部分生物硅或有機質可能以細粒級的形式存在,或者是前處理過程中H2O2或NaOH的加入以及超聲振蕩破壞了有機質或生物硅的絮凝作用,導致細粒級組分的增加。

圖8 選取4個層位的不同前處理粒度頻率曲線圖Fig.8 The grain-size frequency distribution curves of the sediments choose from Borehole S008GC02

去除生物硅和去除有機質的樣品粒度頻率曲線具有高度一致性(圖8),可能指示了沉積物中生物硅和有機質的含量基本相當。海洋沉積物中有機質的絮凝作用可以促使不易沉降的陸源礦物碎屑和生物骨屑聚集在一起[29]。圖9中GC-MS的測量結果表明,沉積物中有機質主要為烷烴、烯烴、酯類、酚類以及醇類,由于水體中的羥基、羧基、酚基、氨基等組分可以和多價金屬離子、懸浮泥沙顆粒形成有機絮凝團塊[30],我們因此推測,在西南印度洋中脊沉積物中,有機質和生物硅以絮凝體的形式存在,而粒度測量的前處理過程中,無論是去除有機質,還是生物硅,都可以破壞這種絮凝體,再加上超聲波的振蕩作用,使得陸源碎屑和其他物質分離。但由于生物硅或有機質組分對粒度特征的影響相對較小,并不足以引起粒度頻率曲線的改變。

圖9 沉積物GC-MS測量結果Fig.9 The results of GC-MS of the sediments

3 結 論

本文采用不同的前處理方法,對西南印度洋中脊沉積物粒度進行測定和分析,通過對比分析實驗結果,獲得了以下認識:

1)西南印度洋中脊S008GC02孔沉積物平均粒徑介于5.95～6.64Φ;大部分為粉砂,少量為黏土質粉砂;分選較差;偏度多數表現為極正偏,少數樣品表現為正偏,分選系數與偏度之間沒有明顯的相關關系;峰度表現為平坦。粒度頻率分布曲線呈雙峰分布。粒度特征反映研究區最大水動能較小,變化范圍較小,物質來源相對單一,可能與南極底層水的影響有關。沉積物的搬運方式處于靜水懸浮和遞變懸浮的過渡階段。水動力環境相對穩定,平均水動能較大。

2)是否去除碳酸鹽,對西南印度洋中脊沉積物粒度的分析結果產生了較大影響。去除碳酸鹽的沉積物平均粒徑變大,分選變好,偏度由極負偏變為極正偏,峰度則由正態向平坦方向變化。黏土質量分數顯著減少,粉砂質量分數相應增加。粒度象特征、粒度結構和粒度分布也都發生了明顯的改變,所指示的水動力條件改變。該地區沉積物中大部分碳酸鹽礦物以＜8μm的形式存在,另有一部分以＞64μm的砂粒級形式或者以膠結作用的形式存在。因此,在西南印度洋中脊沉積物粒度測量的前處理過程中去除碳酸鹽是必要的,可以更準確地反映該地區的水動力條件。

3)在西南印度洋沉積物中,有機質和生物硅以絮凝體的形式存在,對沉積物粒度測量結果產生了一定影響,使細粒組分明顯增加,但不會影響粒度分布的基本形態。

致謝:國家海洋局第一海洋研究所李朝新和朱影在粒度測試中提供了幫助,韓彬在有機地球化學實驗中提供了幫助。

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Grain-size Characteristics and Environmental Significance of Abyssal Sediments From the Southwest Indian Ridge

LüWen-zhe1,2,3,4,5,YI Liang6,7,FU Teng-fei3,4,5,YANG Ji-chao8,CHEN Guang-quan3,4,5,LIN Zhen8,XU Xing-yong3,4,5,YU Hong-jun8
(1.Institute of Estuarine and Coastal Sciences,East China Normal University,Shanghai 200062,China;2.State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research,Shanghai 200062,China;3.The First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao 266061,China;4.Key Laboratory of Marine Sedimentology and Environmental Geology,State Oceanic Administration,Qingdao 266061,China;5.Laboratory for Marine Geology,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao 266061,China;6.School of Ocean and Earth Science,Tongji University,Shanghai 200092,China;7.State Key Laboratory of Marine Geology,Shanghai 200092,China;8.National Deep Sea Center,Qingdao 266237,China)

Abyssal sediments collected from the Southwest Indian Ridge were analyzed in this study.The results showed that the average grain sizes range from 7.183Φto 8.354Φ,poorly sorted,fine skewed and platykurtic,and their distributions have one or three modal without carbonates.The average grain sizes decrease to 5.952Φto 6.635Φ,better sorted,symmetrical and platykurtic after removing carbonates in the sediments.These features indicate that a transition condition from static to graded suspension of sedimentary hydronamics.It is thus concluded that a significant impact on the results of particle size analysis exists when removing from the sediments.In addition,the presence of organic matter and biogenic silica also leads to a significant increase in the sediment grain size,but do not change the basic morphology of the grain-size distributions.

Southwest Indian Ridge;sediments;grain size;pretreatment

July 30,2016

P736

A

1671-6647(2017)04-0512-12

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.04.008

2016-07-30

國家自然科學基金項目——萊州灣南部晚新生代海-陸相沉積的磁性地層學研究(41402153)和濱海地區地下水對潮汐作用的響應機制研究(41406072)

呂文哲(1992-),男,山東濱州人,碩士研究生,主要從事海洋地質方面研究.E-mail:lvwenzhe@fio.org.cn

*通訊作者:易 亮(1982-),男,江西贛州人,博士,副研究員,主要從事海洋沉積與年代學方面研究.E-mail:yi.liang82@gmail.com

(陳 靖 編輯)