北極東西伯利亞陸架沉積物物源：來自黏土礦物和化學元素的證據

李秋玲，喬淑卿,2，石學法,2*，胡利民,2，陳禹飛,3，白亞之，朱愛美，崔菁菁

(1.自然資源部第一海洋研究所 自然資源部海洋地質與成礦作用重點實驗室，山東 青島 266061；2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋地質過程與環境功能實驗室，山東 青島 266237；3.南京大學 海岸與海島開發教育部重點實驗室，江蘇 南京 210023)

1 引言

北極東西伯利亞陸架（East Siberian Arctic Shelf），包括東西伯利亞海（East Siberian Sea）和楚科奇海（Chukchi Sea），是世界上罕見的寬廣大陸架，發育特色的沉積體系，具有復雜的海洋環流以及強烈的陸源物質和淡水輸入[1-2]。其中，東西伯利亞海是北極陸源物質與淡水輸入最強烈的地區之一[1]。楚科奇海缺乏大型河流淡水輸入，但它受溫暖的太平洋入流水的影響強烈，是北極生物生產力最高的區域[3]。近半個世紀以來，在全球變暖的影響下，東西伯利亞陸架是目前北極海冰退化最嚴重、最顯著的地區[4-5]。海底凍土融化、海岸侵蝕加劇、河流淡水輸入增加等問題的出現正在改變北極地區的生態與沉積環境[6-8]。研究北極陸架現代沉積物的分布特征、來源及其運移過程將有助于更好地理解北極陸架沉積物的源?匯過程以及沉積環境的演變歷史，揭示北極邊緣海與周圍大陸、海洋之間的相互作用機制。

以往的研究顯示，東西伯利亞海表層沉積物以細粒級為主，局部出現粉砂和砂，黏土粒級組分含量達60%～70%[9-10]。黏土礦物組合以伊利石?綠泥石?蒙皂石?高嶺石為主，其中，伊利石含量最為豐富[11]。重礦物組合以角閃石、單斜輝石、綠簾石以及石榴石為主，在新西伯利亞群島（New Siberian Islands）附近和因迪吉爾卡河（Indigirka River）向海延伸方向上，以石榴石和鋯石為主，而在科雷馬河（Kolyma River）向海延伸方向上，單斜輝石含量較高，科雷馬河以東，斜方輝石成為主導[10,12]。楚科奇海內陸架沉積物以粉砂為主，分選良好，在近岸侵蝕強烈的區域，發育粗砂沉積物，其中混有礫石，分選極差，而在中、外陸架，沉積物顆粒較細，以泥為主[13]。黏土礦物中蒙皂石和綠泥石的含量較高[14]，主要礦物以石英、鉀長石、斜長石、云母為主，典型礦物包括角閃石、輝石、方解石等[15]。Viscosi-Shirley 等[16]提出東西伯利亞陸架表層沉積物元素地球化學特征有顯著的空間差異，可以劃分4 個不同的沉積端元：（1）東西伯利亞海沉積物，以富Al、K 以及REE 為特征；（2）楚科奇海沉積物，以富Mg 為主要特征；（3）弗蘭格爾島（Wrangel Islands）附近沉積物，以富Si 為主要特征；（4）新西伯利亞群島附近沉積物，以富Sr、Si 為主要特征。

國外學者對北極海域開展的研究讓我們對東西伯利亞陸架區沉積物的粒度、黏土礦物、重礦物、地球化學等分布特征有所了解，但大多數研究采用單一指標進行分析，缺乏多指標的結合研究。此外，詳細的沉積物元素地球化學特征的研究相對較少。國內學者對北極海域的研究則大多集中在楚科奇海深水部分[14-15,17-22]，對東西伯利亞海的研究基本未開展。本文研究對2016 年、2018 年兩次中俄北極聯合科考在東西伯利亞海與楚科奇海所取得的表層沉積物進行了粒度、黏土礦物與常微量元素分析，闡述了沉積物粒度、黏土礦物與元素地球化學的分布特征，探討了北極東西伯利亞陸架現代沉積物的來源與運移，為全面系統了解北冰洋沉積物的分布規律及其物源提供了新的資料和認識。

2 研究區概況

北極東西伯利亞陸架包括東西伯利亞海和楚科奇海（圖1），面積約153×104km2[1]，其中東西伯利亞海具有世界上最寬闊的大陸架，海底凍土廣泛發育，西部以新西伯利亞群島為界，緊鄰拉普捷夫海（Laptev Sea）。楚科奇海位于東西伯利亞海東部，西至弗蘭格爾島，東側為北美大陸阿拉斯加，南經白令海峽與太平洋相通，是太平洋水體進入北冰洋的必要通道。東西伯利亞海一年之中大部分時間被海冰所覆蓋，僅在夏季海冰消退，可以通航。這里的大陸架寬而淺，地形平坦，平均水深58 m[24]，西部陸架寬度超過800 km，面積為93.6×104km2[10]。

圖1 北極東西伯利亞陸架概況及取樣站位分布（環流模式根據文獻[1,23]繪制）Fig.1 Environment setting of the East Siberian Arctic Shelf and sampling locations (circumfluence modified from references [1,23])

西伯利亞腹地河流系統發育且主要集中在中西部，包括勒拿河、亞納河、因迪吉爾卡河以及科雷馬河等[25]。這些河流徑流具有明顯的季節性，90%以上的徑流量出現在溫暖的春季和夏季[26]，流入東西伯利亞海最大的兩條河流是科雷馬河與因迪吉爾卡河。科雷馬河流域面積約647×103km2，年徑流量為122 km3，年均輸沙量為10.1×106t[27]，是流入東西伯利亞海徑流量最大的河流，第二大河流為因迪吉爾卡河，流域面積約為360×103km2，年徑流量為54.2 km3,年均輸沙量為11.1×106t（表1）[27-28]。雖然因迪吉爾卡河的年徑流量還不到科雷馬河徑流量的一半，但它的含沙量卻很高，使得因迪吉爾卡河對東西伯利亞海的泥沙貢獻超過了科雷馬河，成為東西伯利亞輸沙量最大的河流。除此之外，匯入拉普捷夫海的勒拿河，雖然沒有直接注入東西伯利亞海，但由于其巨大的徑流量與輸沙量，在西伯利亞沿岸流的影響下，也可以向東西伯利亞海西部供應沉積物。

表1 北極東西伯利亞陸架周邊主要河流特征[28]Table 1 Main rivers’ features around the East Siberian Arctic Shelf [28]

北冰洋水體主要由3 部分組成：表層水體、中層水體(大西洋層)和深層水體[1]。表層水體包括極地混合層與溫躍層，主要由河流輸入的淡水與太平洋入流水組成。在溫躍層以下，存在著一個更溫暖、鹽度更高的中間水體，稱為大西洋層，它在北極盆地中普遍存在，大約出現在200～800 m 水深。深層水體則主要為挪威海與格陵蘭海的深層水體的混合。北極東部海域水動力條件復雜，太平洋入流水、穿極流、波弗特環流和西伯利亞沿岸流構成陸架表層水體的主要環流系統，它們主要受風力驅動、徑流輸入和海冰過程的共同影響[24,29-30]。東西伯利亞陸架區被認為是太平洋入流水和北極陸架水體之間的過渡地帶[31]。

3 研究材料與方法

本次研究使用樣品為2016 年和2018 年兩次中俄北極聯合考察航次在東西伯利亞海和楚科奇海所取得的48 個表層沉積物，取樣位置見圖1，樣品采集水深在6～2 542 m 之間，采用箱式取樣器采集，現場將頂部1 cm 的浮泥樣品用自封袋于4℃保存，用于實驗室分析。對各站位表層沉積物樣品分別進行了粒度、黏土礦物和常微量元素分析測試，樣品粒度與元素分析測試均在自然資源部第一海洋研究所海洋沉積與環境地質重點實驗室完成，黏土礦物分析測試在中國科學院海洋研究所完成。

粒度分析測試。首先稱取適量的沉積物樣品，加入約15 mL 30%的H2O2靜置24 h 以上，去除有機質，然后加入約5 mL 3 mol/L 的鹽酸靜置24 h 以上，去除鈣質膠結物及生物殼體，待反應完全，離心清洗至中性，超聲振蕩使顆粒充分分散，然后上機測試。所用儀器為英國Master sizer 3000 型激光粒度儀，測試范圍為0.01～3 000 μm，樣品重復測量相對誤差小于3%。沉積物類型根據福克法定名[32]，粒度參數采用矩法計算[33]。

黏土礦物分析測試。樣品先用30%的H2O2除去有機質，然后用1 mol/L 的鹽酸除去碳酸鹽，反應完全后，用去離子水反復清洗，直到具有抗絮凝作用。根據Stokes 沉降原理，提取出小于2 μm 的顆粒組分，采用刮片法制成樣品定向薄片。經乙二醇蒸氣60℃飽和處理12 h 后，上機測試。測試儀器為德國產D8 Advance 衍射儀，Cu Kα輻射，管壓為40 kV，管流為25 mA。分別掃描兩次：第一次掃描角度為3°～30°（2θ），步長為0.02°；為了更精確地識別綠泥石和高嶺石在3.54?/3.58?的混合峰（圖2），進行第二次掃描，掃描角度為24°～26°（2θ），步長為0.01°。

黏土礦物定性分析及半定量計算利用Topas2p 軟件進行。依據Biscaye[34]的方法計算4 種黏土礦物（蒙皂石、伊利石、高嶺石和綠泥石）的相對含量，即選用乙二醇飽和片圖譜上蒙皂石（17?）、伊利石（10?）、高嶺石+綠泥石（7?）4 種黏土礦物的3 個特征峰峰面積作為基礎，分別乘以權重因子1、4、2 進行計算。綠泥石和高嶺石的含量比例從3.54?和3.58?的衍射峰面積比值求出，4 種黏土礦物總含量為100%。

常微量元素分析測試。樣品經冷凍干燥后研磨至200 目以下，準確稱取50 mg 樣品，加入1.5 mL 高純HNO3、1.5 mL 高純HF，放入烘箱中190℃分解48 h以上。冷卻后取出溶樣內膽，置于加熱板上蒸干后，加入1 mL HNO3蒸至濕鹽狀，然后加入3 mL 體積分數為50%的HNO3和0.5 mL Rh（1.0×10?6）內標溶液，放入烘箱中150℃分解8 h 以上，以保證對樣品的完全提取。冷卻后用2%的HNO3溶液定容至50 g，用ICP-OES 測定常量元素（SiO2除外，其測試采用稱重法，委托山東省地質礦產勘查開發局第四地質大隊用SQP 電子分析天平進行）。從待測溶液中取出10 g，用ICP-MS 測定微量元素。測試過程中采用GSD-9作為質量監控樣，每隔10 個樣品做一個重復樣、質量監控樣。常量元素的測試誤差小于3%，微量元素測試誤差小于6%。

圖2 北極東西伯利亞陸架表層沉積物典型黏土礦物X 射線衍射圖譜Fig.2 X-Ray diffractograms of clay minerals in the surface sediments of the East Siberian Arctic Shelf

數據分析（因子分析和Q-型聚類分析）采用SPSS Statistics 22.0 統計分析軟件進行。因子分析經KMO和Bartlett 球形度檢驗，選用主成分分析方法，結果經最大方差旋轉；Q-型聚類分析方法選擇Ward 的方法，歐氏距離平方作為類間距離，聚類前進行Z 分數標準化。

4 結果

4.1 粒度分布特征

依據福克分類方法[32]，北極東西伯利亞陸架表層沉積物可以分為砂、砂質粉砂、粉砂、砂質泥和泥5 類。分選系數變化范圍在1.2～3.4 之間，低值區（＜2）主要分布在東西伯利亞北部深水區與楚科奇海，分選較差；高值區（＞2）呈斑狀分布，主要在弗蘭格爾島周圍與東西伯利亞海北部深水區局部區域，分選差（圖3）。平均粒徑變化范圍在2.79Φ～7.94Φ 之間，平均值為6.54Φ，空間分布整體上從近岸到北部深水區呈遞增的趨勢，并在北部深水區出現最大值，南部科雷馬河入海處出現最小值。粒級組分中粉砂的含量最高，在3.5%～84.0%之間，平均為63.1%，主要分布于楚科奇海、因迪吉爾卡河河口。其次為黏土，含量在1.4%～43.9%之間，平均為24.4%，高值主要出現在東西伯利亞海北部深水區，砂級組分含量最低，在0～95.2%之間，東西伯利亞海科雷馬河河口附近較高。

4.2 黏土礦物特征

東西伯利亞海與楚科奇海黏土礦物中，伊利石的平均含量最高，為68%，含量在56%～76%之間；綠泥石次之，平均含量為20%，含量在14%～26%之間；蒙皂石與高嶺石的平均含量最低，均為6%，其含量變化范圍分別為0～17%和3%～17%（表2）。

4 種黏土礦物的分布特征如圖4 所示。伊利石在整個東西伯利亞陸架黏土礦物中占主導地位，在東西伯利亞海陸架區含量尤其高，約為70%，在東西伯利亞海北部深水區、楚科奇海弗蘭格爾島周圍含量相對較低（＜60%）；綠泥石主要在楚科奇海富集，平均含量約為24%，東西伯利亞海陸架區含量略低，平均為18%，北部深水區含量最低，約為15%；蒙皂石主要分布在東西伯利亞海北部深水區，出現17%的最高值，其他區域含量較低（＜10%）；高嶺石在整個北極西伯利亞陸架區含量都很低（＜10%），但在東西伯利亞海北部深水區，含量有所升高，出現了17%的最高值。

圖3 北極東西伯利亞陸架表層沉積物粒度特征Fig.3 Grain size characteristics of surface sediments in the East Siberian Arctic Shelf

表2 北極東西伯利亞陸架表層沉積物黏土礦物相對含量Table 2 Relative content of clay minerals in the surface sediments of the East Siberian Arctic Shelf

4.3 常微量元素特征

東西伯利亞陸架沉積物常量元素中SiO2含量最高，平均為64.01%，含量在52.70%～77.02%之間變化。高值區主要分布在東西伯利亞海近岸河口地區與弗蘭格爾島周圍，在科雷馬河口附近出現77%的最高值，北部深水區含量最低（＜50%），整體由近岸向深海呈現含量降低的趨勢；其次為Al2O3，平均含量為12.79%，含量在8.69%～16.12%之間變化（表3），其分布特征與SiO2相反，在東西伯利亞海北部深水區出現最高值，超過了15%，而在科雷馬河河口附近、弗蘭格爾島周圍與楚科奇海含量較低（＜10%）（圖5）；TFe2O3、K2O、MgO 以及TiO2的平均含量分別為5.27%、2.59%、1.76%和0.69%，含量分別在2.15%～8.62%、1.69%～3.09%、0.75%～2.77%與0.48%～0.82%之間變化。它們的分布特征與Al2O3類似，略有不同的是，MgO 在楚科奇海也具有較高的含量，約為2.3%；TiO2在東西伯利亞海近岸河口區也出現高值，約為0.8%；Na2O、P2O5和CaO 的平均含量分別為3.51%、0.23%和1.17%，含量分別在2.73%～5.12%、0.10%～0.48%和0.69%～3.91%之間變化，這3 種元素都在楚科奇海顯示較高含量，但Na2O 在東西伯利亞海陸坡一帶也出現高值，平均含量約為4.0%。CaO 在楚科奇海與東西伯利亞海北部深水區均出現高值，平均含量約為3.3%，其他地方含量均很低（＜1%）；MnO 的平均含量為0.27%，含量在0.03%～1.52%之間變化，其分布特征與其他元素明顯不同，在東西伯利亞海陸坡以北含量較高（＞0.5%），而在陸坡以南東西伯利亞海與楚科奇海陸架區含量則幾乎為0。

圖4 北極東西伯利亞陸架表層沉積物黏土礦物分布特征Fig.4 Distribution of clay minerals in the surface sediments of the East Siberian Arctic Shelf

表3 東西伯利亞陸架表層沉積物常微量元素含量Table 3 Content of major and trace elements in the surface sediments of the East Siberian Arctic Shelf

微量元素中Ba 的含量最高，平均含量達603 μg/g（表3），大致在東西伯利亞海陸坡一帶出現高值，約680 μg/g，而在近岸與北部深水區含量較低，約為550 μg/g；V、Zn、Li、Rb 和Cr 的平均含量分別為130 μg/g、92 μg/g、42 μg/g、94 μg/g 和68 μg/g，分布特征與常量元素Al2O3、TFe2O3等類似，在東西伯利亞海北部深水區出現高值，其中，V、Zn、Rb 的含量超過了100 μg/g，Li、Cr 的含量超過了50 μg/g，在近岸河口附近與楚科奇海含量最低，Cr 略有不同，其在楚科奇海含量也相對較高（約75 μg/g）；Ni 的平均含量為32 μg/g，空間分布與常量元素MnO 類似，在東西伯利亞海陸坡以北出現較均勻的高值（約為60 μg/g），陸坡以南含量低于30 μg/g；Zr 和Sr 的平均含量分別為217 μg/g 和178 μg/g，其分布特征與SiO2類似，在近岸河口區出現高值，其他地方含量較低，Sr 在東西伯利亞海北部也顯示較高含量；稀土元素以Ce 的含量最高，平均達69 μg/g，其次為La、Nd，平均含量分別為34 μg/g 與31 μg/g。稀土族元素具有類似的空間分布特征，高值集中分布于因迪吉爾卡河河口附近，楚科奇海含量則很低。以La 為例，其在因迪吉爾卡河河口含量超過40%，而在楚科奇海，含量則低于25%。

5 討論

5.1 沉積物分區

圖5 北極東西伯利亞陸架表層沉積物典型常微量元素分布特征Fig.5 Distribution of typical elements in the surface sediments of the East Siberian Arctic Shelf

對常微量元素進行R 型因子分析，從大量的元素地球化學數據中提取出共性因子，進而找出元素之間的內在聯系[35]。因子分析得到方差特征值大于1 的5 個主因子，其累計貢獻超過了89%。其中，因子1 與因子2 的初始方差貢獻分別占48%和21%，對沉積物元素地球化學分布特征起主導作用。因子F1 主要由TFe2O3、MgO、Al2O3、K2O、Li、V、Zn、Cr、Rb、Ni 組成，這些元素的分布特征與黏土粒級的分布特征類似，說明這些元素主要在細粒級沉積物中富集，表現出明顯的“粒度控制律”[36]；因子F2 主要由TiO2、Zr、La 以及SiO2組成，TiO2是比較穩定的元素，一般認為海洋中的TiO2均來自陸源碎屑，Zr 常以鋯石等重礦物形式富集于粉砂沉積物中，SiO2則是陸源粗碎屑沉積物的主要成分，因此，因子F2 很可能反映的是陸源碎屑的輸入；因子F3 主要由Na2O 與P2O5組成，這兩種元素的共同特征是在楚科奇海出現了富集；因子F4 主要由MnO、Ba、Ni 組成，MnO 與Ni 屬于過渡金屬元素，其分布在很大程度上受控于環境中氧化還原條件的變化[37-38]；因子F5 主要由CaO、Sr 組成，這兩種元素常富集在碳酸鹽巖中，在海洋沉積物中的富集往往與生物作用有關。

利用沉積物的平均粒徑、4 種黏土礦物的含量以及常微量因子分析所得到的5 個因子得分載荷對48 個沉積物樣品進行Q 型聚類分析，得到4 類聚類結果（圖6a，圖6b）。結合北極夏季最小冰緣線與河流沖淡水邊界（24.5 等鹽度線）（圖6c），將研究區劃分為4 個不同的沉積區域：東西伯利亞海近岸河口區（I 區）、東西伯利亞海中部（II 區）、東西伯利亞海北部深水區（III 區）以及楚科奇海（IV 區）（圖6b，表4）。

5.2 沉積物來源

北極東西伯利亞陸架沉積物的來源主要包括河流輸入、沿岸侵蝕以及太平洋入流水所攜帶的沉積物[39-42]，北部深水區還可能受大西洋中層水影響[15]。季節性的海冰過程、表層環流模式對沉積物的混合有重要影響。黏土礦物三組分圖解能很好地反映沉積物黏土礦物組合的不同分布特征，可以確定不同區域沉積物的來源和運輸路徑[11,42-46]。稀土元素、高場強元素（Nd、Zr、Hf 等）以及Th、Cr 等元素在風化作用中遷移性較弱，它們之間的元素比值能進一步去除粒度分選的影響，是沉積物物源判別的常用指標[47-48]。本文利用伊利石?蒙皂石?高嶺石+綠泥石三組分圖解（圖7）和微量元素Rb/Th-La/Th 比值和Zr/Hf-La/Th 比值散點圖（圖8）對各區沉積物物源進行研究。

圖6 Q 型聚類分析樹狀圖（a）和分區圖（b），1922?2012 年年均海表鹽度分布（c）Fig.6 Dendrogram of Q-mode cluster analysis (a),and provinces of the East Siberian Arctic Shelf according to the Q-mode cluster analysis (b),and annual average sea surface salinity distribution from 1922 to 2012 (c)

表4 各沉積區內平均水深、粒徑、黏土礦物含量以及因子得分統計Table 4 Mean water depth,grain size,clay minerals content and factor score of elements in each province

5.2.1 東西伯利亞海近岸河口區（I 區）

圖7 伊利石?蒙皂石?高嶺石+綠泥石三組分圖解Fig.7 Ternary diagram of clay minerals

圖8 Rb/Th-La/Th 比值（a）和Zr/Hf-La/Th 比值（b）散點圖Fig.8 Scatter plot of Rb/Th-La/Th (a) and Zr/Hf-La/Th (b) ratio

該區平均水深16 m，沉積物以粉砂和砂質粉砂為主，平均粒徑為5.80Φ，是研究區內沉積物顆粒最粗的區域。因子F2 在該區得分0.79，是該區的主控因子，SiO2、TiO2、Zr、Sr 在該區含量最高，其他元素都處于低值。黏土礦物組合為伊利石?綠泥石?蒙皂石?高嶺石，其中伊利石占絕對優勢，平均含量為70%，綠泥石次之，平均含量為19%，蒙皂石與高嶺石含量小于10%。從伊利石?蒙皂石?高嶺石+綠泥石三組分圖解（圖7）中可以看出，I 區黏土礦物組成與科雷馬?因迪吉爾卡河三角洲極其類似，La/Th 比值（平均4.0）與Zr/Hf 比值（平均35.1）均為最大值，與勒拿河、亞納河懸浮沉積物具有較相似的比值特征。科雷馬河與因迪吉爾卡河在很大程度上控制了東西伯利亞海黏土礦物的組成，其次，勒拿河與亞納河輸入到拉普捷夫海的物質在西伯利亞沿岸流的作用下可能存在向東運輸。在夏季冰消融時期，大量河流淡水輸入在東西伯利亞海近岸形成了一個溫暖、低鹽的水域[53]，等鹽度線24.5 被認為是被河流徑流稀釋的陸架水體邊界的標志[31]，從1955?2012 年平均夏季海表鹽度分布（圖6c，數據來源：http://odv.awi.de）可以看出，Ⅰ沉積區完全位于24.5 等鹽度線之內，是河流輸入最為強烈的區域。結合科雷馬河與因迪吉爾卡河河口沉積物的分布特征與流域巖性組成，即在科雷馬河河口砂粒級組分含量出現95%的最大值，SiO2含量大于70%，流域巖性以砂巖為主，高達72.3%，因迪吉爾卡河流域巖性組成則以頁巖為主（60.1%），砂巖含量為39.9%[54]。我們認為，科雷馬河是I 區粗粒沉積物的主要貢獻者，而因迪吉爾卡河輸入的沉積物以細粒級為主。此外，海岸侵蝕是近岸沉積物的一個重要來源。西伯利亞海岸帶內凍土帶廣泛分布，科雷馬河以西的亞納?因迪吉爾卡河低地廣泛分布著第四紀松散沉積物[10]，夏季溫暖的河水輸入將加速富含沉積物的冰楔融化，使得海岸侵蝕輸入的沉積物顯著增加。

5.2.2 東西伯利亞海中部（II 區）

該區平均水深74 m，海底沉積物以粉砂和泥為主，平均粒徑為6.91Φ。因子F4 在該區的得分較高（0.31），是控制該區常微量元素分布特征的主要因子，MnO、Ni、Ba 等在該區顯示較高的含量。黏土礦物組合與I 區類似，但La/Th、Zr/Hf 比值比I 區略低，分別為3.4 與33.1。科雷馬河與因迪吉爾卡河仍是該區沉積物的主要來源，但隨著離岸距離的增加，陸源輸入物質減少，海洋自生組分增加。前人研究顯示，冬季北極東西伯利亞陸架上容易形成間歇性的冰間湖[55-56]，這些冰間湖內波浪和海流作用強烈，大量的細粒物質極易發生再懸浮，在寒冷加劇時被保存在海冰之中，當夏季到來，在海冰后退的過程中，破碎的海冰作為細粒沉積物的搬運者，將沉積物帶到其他地方，使不同來源的沉積物在中、外陸架區混合。從1981?2010 年平均夏季最小冰緣線（數據來源：www.meereisportal.de）的位置可以看出該區大部分常年被海冰覆蓋（圖6），夏季最小冰緣線一方面阻隔陸源物質向北運輸，將大量粗粒沉積物留在近岸河口區，另一方面，常年海冰之下生物生產力極低，有機物質供應減少，氧氣的消耗減少，使底層水相對富含氧氣，形成氧化環境，造成MnO、Ni 等氧化還原敏感元素逐漸富集。

5.2.3 東西伯利亞海北部深水區（III 區）

該區平均水深1 375 m，最大水深2 542 m。海底沉積物以泥為主，平均粒徑為7.47Φ，是研究區沉積物最細的區域。因子F1、F5 在該區得分最高，分別為1.59 與1.89，Al2O3、TFe2O、MgO、V、Li 和Cr 在該區達到最大值。黏土礦物組合為伊利石?綠泥石?高嶺石?蒙皂石，伊利石含量在該區為最低值，平均含量為60%，蒙皂石與高嶺石在該區達到最大值，分別為12%和13%。該區黏土礦物組成與東西伯利亞海陸架區明顯不同，蒙皂石與高嶺石的含量明顯增多，在黏土礦物三角圖解中位于拉普捷夫海與東西伯利亞陸架之間，與勒拿河的黏土礦物組成較為相似。La/Th、Rb/Th 比值與II 區極其接近，Zr/Hf 比值略低，為32.0。陸源河流輸入的物質通常最遠只能到達陸架坡折處，難以直接到達深海，且蒙皂石與高嶺石在東西伯利亞陸架區含量極低。因此，該區細粒沉積物除了東西伯利亞陸架區沉積物的向北輸運外，還存在其他來源。結合該區黏土礦物特征，我們推測該區沉積物很可能受大西洋中層水以及波弗特環流的影響。蒙皂石在北極海域具有重要的物源指示意義，它的主要來源是西伯利亞腹地普托拉納（Putorana）山脈中巨大的中生代玄武巖[57]，流經該山脈的鄂畢河、葉尼塞河以及哈坦加河將大量蒙皂石搬運到喀拉海和拉普捷夫海西部，使這兩個海區成為北極地區蒙皂石含量最高的海區。此外，Wahsner 等[42]的研究顯示，在巴倫支海北部存在高嶺石富集區（含量大于30%），是北極高嶺石的主要源區。北冰洋表層水體以下，存在一種更溫暖、鹽度更高的中間水體，稱為大西洋層[1]，這一水體為大西洋暖流分兩支進入北冰洋形成，其中一支經巴倫支海，通過圣安娜海槽，與另一支匯合后沿著歐亞大陸邊緣延伸[24]。研究區北部深水區蒙皂石與高嶺石的富集很可能來自于該水體穿過巴倫支海與喀拉海時所攜帶的細粒物質。另外，阿拉斯加北部和加拿大存在頁巖和殘余土壤[43]，波弗特海和加拿大海盆沉積物中高嶺石含量約在10%～30%之間[43,51]，這些富含高嶺石的沉積物在波弗特環流的作用下，也可以向北極中部輸運。

5.2.4 楚科奇海（IV 區）

海底表層沉積物主要由粉砂和砂質粉砂組成，平均粒徑為6.41Φ。因子F3 和F5 在該區得分分別為1.14 與0.46，Na2O、P2O5、CaO 與Sr 在該區含量較高。黏土礦物組合為伊利石?綠泥石?高嶺石?蒙皂石，伊利石含量較東西伯利亞海略低，為65%，綠泥石在該區最為富集，平均含量為25%，蒙皂石與高嶺石含量則小于10%。從黏土礦物三角圖解中可以發現，該區沉積物以較高的綠泥石含量與東西伯利亞海沉積物相區分，位于波弗特海、白令海與馬更些河、東西伯利亞陸架之間。La/Th 比值、Rb/Th 比值與Zr/Hf比值均為最小值，在散點圖中的分布位置與鄂霍次克?楚科奇火山帶較為接近。該區沉積物除海岸侵蝕、少量河流輸入之外，受太平洋入流水影響強烈。溫暖、高鹽的太平洋水體為楚科奇海提供了大量營養物質，使該區成為生物生產力最高的區域。楚科奇海沉積物中較高的綠泥石含量，一方面可能來自于海岸侵蝕的輸入，另一方面可能與太平洋入流水有關。研究顯示，加拿大大陸和北美海岸地區綠泥石的濃度高達47%，海岸侵蝕為楚科奇海提供了豐富的綠泥石[58]；其次，白令海表層沉積物中綠泥石含量在20%～30%之間，局部區域大于30%[42,59]，這些富含綠泥石的沉積物在太平洋入流水的攜帶下，也可以進入到楚科奇海沉積下來。在弗蘭格爾島西側，綠泥石含量為22%的等值線與太平洋入流水和東西伯利亞海陸架水之間的邊界（172°E）[31]幾乎一致，這很可能是太平洋水體在楚科奇海運移的證據。

6 結論

（1）北極東西伯利亞陸架表層沉積物分為砂、砂質粉砂、粉砂、砂質泥和泥5 種類型。平均粒徑范圍在2.79Φ～7.94Φ 之間；黏土礦物組合以伊利石?綠泥石?蒙皂石?高嶺石為主，東西伯利亞海陸架區伊利石占主導地位，約為70%，北部深水區以蒙皂石和高嶺石含量較高為特征；楚科奇海以綠泥石含量較高為特征。

（2）常量元素中SiO2含量最高，其次為Al2O3，其余常量元素含量均小于10%。微量元素中Ba 的含量最高，平均為603 μg/g，其次為Sr、Zr，其余微量元素平均含量均小于100 μg/g。空間分布上，SiO2、TiO2、Zr 主要分布在近岸河口區；Al2O3、K2O、TFe2O3等主要富集于北部深水區的細粒級沉積物中；MnO 和Ni 的分布特征受控于環境中氧化還原條件的變化；CaO、P2O5等主要富集于楚科奇海，與生物作用有關。

（3）研究區可以劃分為4 個不同的沉積區：I 區位于東西伯利亞海近岸河口附近，沉積物以粉砂和砂質粉砂為主，黏土礦物組合為伊利石?綠泥石?蒙皂石?高嶺石，以伊利石含量占絕對優勢，SiO2、TiO2、Zr 含量較高。河流輸入與海岸侵蝕是該區主要的沉積物貢獻者；II 區位于東西伯利亞海中部，海底沉積物以粉砂和泥為主，黏土礦物組合與Ⅰ區類似，MnO、Ba與Ni 等在該區顯示較高的含量。該區沉積物來源主要為河流輸入的細粒沉積物，且隨著離岸距離的增加海洋自生組分開始增多；III 區位于東西伯利亞海北部深水區，海底沉積物以泥為主，黏土礦物中蒙皂石與高嶺石在該區達到最大值，Al2O3、K2O、V、Li 等元素在該區最為富集。該區細粒沉積物很可能受大西洋中層水以及波弗特環流的影響；Ⅳ區位于楚科奇海，海底表層沉積物為粉砂和砂質粉砂，綠泥石在該區最為富集，CaO、P2O5含量較高。該區沉積物主要來自于沿岸侵蝕與太平洋入流水所攜帶的沉積物。

致謝：本次使用樣品為2016 年與2018 年兩次中俄北極聯合科學考察航次中獲得，感謝參加調查工作的全體考察隊員。