沖繩海槽中段沉積物物源識別及其熱液活動指示

魏杰瑞, 黃 朋

沖繩海槽中段沉積物物源識別及其熱液活動指示

魏杰瑞1, 2, 黃 朋1, 2

(1. 中國科學院 海洋研究所 海洋地質與環境重點實驗室, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院大學, 北京 100049)

沖繩海槽中段熱液活動區表層沉積物的主、微量和稀土元素分析結果表明: 區內沉積物主要由陸源物質與熱液源物質組分組成, Hg、Au、Sb、Cu、Pb、Zn、Ba、As、Fe和Co等微量元素富集; 沉積物的化學風化程度中等, A-CN-K圖解表明其暫未受到鉀交代影響, 且其母巖成分接近花崗閃長巖; 北美頁巖標準化稀土配分模式曲線整體較為平坦, 輕重稀土分餾較弱, 部分樣品具有與熱液流體類似的明顯正銪異常。受熱液活動影響, 部分沉積物中的Fe、Cu、As、Pb和Zn顯著富集, 結合樣品所處站位, 整體顯示含金屬沉積物-過渡沉積物-正常沉積物的空間分配模式。結合(La/Sm)N、(La/Yb)N比值指示區內沉積物的陸源物質主要來自于黃河與臺灣島河流。

沖繩海槽; 熱液活動; 表層沉積物; 物源

沖繩海槽是弧后盆地演化早期階段的典型代表, 強烈的構造-巖漿作用導致海槽內熱液活動廣泛發育,為了解弧后盆地熱液活動提供了一個天然實驗室。Yasui等[1]首次報道海槽內部存在異常的高熱流區。在此之后, 有關沖繩海槽熱液區的調查活動和研究從未停歇。迄今為止, 在沖繩海槽內部發現了諸多熱液區, 但在中段最為集中, 諸如伊平屋海嶺, 伊是名海洼, 夏島84-1海丘、南奄西海丘、比嘉等熱液區[2-5]。熱液產物進入海洋系統后, 通過沉積作用、生物過程和吸附沉淀等途徑, 以塊狀和顆粒狀組分、有機質和生物殼體以及顆粒物外包鐵錳氧化物/氫氧化物薄膜等形式, 混入正常海洋沉積物, 形成以“含金屬沉積物”-“過渡沉積物”-“正常沉積物”為特征的空間分布模式[6]。然而, 當前對海槽區熱液產物的地球化學研究多集中于熱液噴口附近的塊狀沉積物, 對分布更廣泛、熱液產物承載量更大的松散沉積物涉及相對較少[7-13]。尤其是針對作為典型熱液產物的含金屬沉積物研究較少, 而其記錄著熱液物質輸運的地質信息, 是了解熱液系統物質來源及其輸運過程的天然檔案[6, 14]。

研究所涉及樣品來自中國科學院海洋研究所主持的2014年沖繩海槽熱液航次, 采樣點位于沖繩海槽中段夏島84-1, 伊平屋北海丘和伊平屋熱液區附近一處新發現的熱液噴口周邊, 包括正常沉積物與含金屬沉積物。本研究分析所獲沉積物的常量、微量和稀土元素特征, 并將其與長江、黃河和臺灣島等陸源物質進行對比, 解析其物源。同時, 通過與JADE區熱液產物比較, 了解熱液組分在表層沉積物中的變化特征以及熱液活動對表層沉積物的地球化學貢獻。

1 區域背景

沖繩海槽地處西太平洋中北部, 是在陸內張裂作用形成的弧后盆地, 其整體為弧線彎曲, 向太平洋方向凸出, 軸線近N-S向延伸。近東-西向的吐喀喇和宮古斷裂帶將沖繩海槽由北至南分為三段, 地貌各有不同。北段地形復雜, 起伏較多; 中段較為平坦; 南段坡度變大, 呈現階梯狀地形。由于海槽處于東海大陸架東南部, 位于大陸邊緣, 其水文環流體系復雜。黑潮主干由臺灣島東側進入東海, 之后繼續沿東海大陸坡向東北方向移動, 其主干及支流是影響沖繩海槽的主要流系[2]。

來自長江和黃河的陸源物質供應, 使得海槽北部的沉積層非常厚(可達8 km)。沖繩海槽相對遠離大陸, 同時具有淺海與深海沉積環境, 并受到黑潮的影響。由于海槽與大洋的聯系被琉球島弧隔斷, 而濁流和海底火山、熱液活動又豐富了槽內沉積物, 這使得沖繩海槽的沉積環境更加復雜。Zhao等[15]通過中國大陸架沉積物與海槽沉積物元素含量對比, 反映海槽的陸源物質主要來自于長江、黃河。然而, 沖繩海槽沉積物中有21種元素明顯富集, 如Au、Hg、Mu、Sb和Bi等, 這些元素的富集被認為是海底熱液活動的貢獻。

沖繩海槽中部, 熱液活動格外發育。自1986年發現夏島84-1熱液噴口以來, 海槽中段還陸續發現伊平屋海洼、伊是名海洼、南奄西海丘等一系列熱液區。海槽中段熱液礦物種類豐富, 主要有硫化物、硫酸鹽、碳酸鹽、氧化物等6大類40多種; 熱液沉積物相對于正常沉積物富集金屬元素, 如Fe、Mn、Zn、Pb、Cu、Au、Ag和Hg等。但不同熱液活動區, 熱液礦物組合與地球化學組成有明顯差異。例如伊平屋海洼熱液產物以富碳酸鹽礦物為特征, 如錳方解石、菱錳礦等, 相對其他熱液區更富集Mn、Ca和Si; 伊是名海洼則以硫化物為主, 如閃鋅礦、方鉛礦、黃銅礦等, 相對更富集Zn、Pb和Hg[2-3]。

圖1 沖繩海槽地質圖(數據來自https://topex.ucsd.edu/cgi-bin/get_data.cgi)

2 樣品和實驗方法

本文研究所選用的樣品是2014年沖繩海槽熱液專屬航次采集的新發現熱液噴口及附近7站表層沉積物樣品。站位沉積物樣品顏色大多為黑色, 弱黏性,無特殊氣味, 未見生物殼體; 樣品主要為松散砂質沉積, 分選由差到一般, ?；煊屑毜[; T2、T4站位樣品以粗粉砂為主, 其中T4站位樣品呈現黃褐色。

樣品元素組成測試在中國科學院海洋研究所海洋地質與環境重點實驗室完成。將沉積物樣品使用純水清洗3次, 然后在60 ℃溫度下烘干24 h, 并使用瑪瑙研缽研磨至小于200目。稱取40 mg樣品粉末于Teflon罐中, 加入硝酸和氫氟酸, 加熱, 使其完全溶解, 用DDW(雙蒸水)稀釋至40 g, 上機測試分析儀器為ICP-MS(美國產的Varian 820型電感耦合等離子質譜儀)。標樣選用美國地質調查局和中國巖石與沉積物標準物質BCR-2、BHVO-2、GBW07314、GBW07315和GBW07316, 其中T4站樣品為重復樣, ICP-MS的檢出限10–12～10–9g/g, 分析誤差小于5%。

3 結果

3.1 常量元素

本文對全樣中Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、MnO、TiO2、P2O5共9種常量元素百分含量進行分析。Al2O3含量明顯高于其他元素, 除T4站位外, 各站位樣品的Al2O3含量均大于10%。Fe2O3和CaO兩種成分在各站位之間差異較大, 其中T4、T6站位樣品的Fe2O3、CaO為異常高值, 含量達25.8%、22.6%。MgO、Na2O、K2O三種成分含量大多為1.00%～3.00%; MnO、TiO2、P2O5三種成分含量較低, 普遍小于0.30%(表1)。除Fe2O3和CaO外, 其余元素含量分布較為穩定。

表1 沖繩海槽中部表層沉積物常量和微量元素組成

注: 黃河、長江數據來源于楊守業等[17-18];“—”表示無數據

3.2 微量及稀土元素

研究區樣品微量元素含量普遍較高, 其中T3, T4樣品中元素含量表現突出。T3站位樣品Cu含量506 μg/g, Zn含量825 μg/g, Ba含量13 031 μg/g, Pb含量1 323 μg/g; T4站位樣品Cu含量6 032 μg/g, Zn含量16 113 μg/g, As含量1 092 μg/g, Ba含量920 μg/g, Pb含量3 908 μg/g。Sr含量比海槽北段沉積物的高, 與南段沉積物相當[9]。

各站位樣品中, 除了T4站樣品的∑REE低于100 μg/g外, 其余站位樣品介于117～196 μg/g之間, 平均160.7 μg/g, 高于沖繩海槽北段沉積物∑REE(125.68 μg/g), 與沖繩海槽南段沉積物∑REE含量(159.86 μg/g)相當, 低于長江沉積物∑REE含量(170.95 μg/g), 而高于黃河沉積物∑REE含量(138.76 μg/g)[9, 17](表1)。

經北美頁巖標準化后, 樣品REE分配模式整體較為平坦。T1、S5、T6、T7站樣品輕稀土略富集, 重稀土相對虧損, 具弱Ce和Eu異常。T2站位樣品呈現輕稀土相對虧損, 重稀土相對富集, 弱Ce異常和明顯的Eu正異常。而T3、T4站樣品具明顯Eu正異常, REE分布形態總體與北美頁巖形態類似。

4 討論

4.1 常量元素相關性變化及其物源指示意義

沖繩海槽中段沉積物3個主因子累積方差貢獻為92%, 可以代表所有分析樣品的情況(表2)。第一主因子F1的貢獻率為50%, 表明這對沖繩海槽中段沉積物的化學組成有著決定性的影響。與F1因子關系緊密的成分包括Al2O3、K2O, 是陸源組分的代表, 其中CaO在本組分中占49%, 有一定的比重, 代表一定程度生物源物質的加入。F2因子的貢獻率為30%, 與之緊密相關的成分是MgO、Na2O、TiO2, 為火山源物質的組合。F3因子的貢獻率為12%, 與之緊密相關的成分為MnO, 其中P2O5、Fe2O3在該組分中占據0.11和0.13, 以及在F1, F2因子中均有一定程度的占比, 代表熱液源物質和海洋自生組分的加入。

表2 表層沉積物因子分析結果

4.2 表層沉積物化學蝕變特征

Wedepohl[19]大致計算了上地殼的礦物構成, 以斜長石、鉀長石和石英為主要成分。由此可見, 上地殼的化學風化過程中, 其母源礦物主要是長石類礦物。其蘊含的Na、K等堿金屬元素隨地表流體的運移而流失, 黏土礦物也在此時形成(如蒙脫石, 綠泥石, 高嶺石等)。同時在風化過程中, 風化產物的Al2O3摩爾分數會隨著化學風化程度的加強而變化?；诖? Nesbitt等[20]提出把化學蝕變指數(CIA)作為一個指標來反映物源區風化程度。根據CIA計算公式, 對沉積物中的CaO數據進行校正, 采用McLennan的方法, 即如果CaO

A-CN-K三角圖解是判斷源巖成分的有效方法[23]。通過確定樣品風化趨勢線, 并將它與源巖進行對比, 即可判斷源巖的成分。圖2顯示, 研究區沉積物風化趨勢線位于理想風化趨勢線左側, 反映源區風化產物暫時未到受鉀交代的影響。在A-CN-K圖中, 根據實際風化趨勢線的反向延長線與長石連線的交點, 可以大致估算物源區巖石中斜長石與鉀長石之比。由此, 研究區表層沉積物物源區斜長石與鉀長石的比值大致為4︰1, 表明中段表層沉積物的母巖成分接近于花崗閃長巖。

圖2 表層沉積物A-CN-K圖解

注: 長江沉積物與黃河沉積物數據來源參考文獻[18], Pl為斜長石, Ksp為鉀長石, Mos為白云母, II為伊利石, Gd為花崗閃長巖

4.3 元素富集因子

作為熱液活動區, 研究區沉積物受熱液產物的影響, 通常在某些元素的組成上表現出富集的趨勢。這里引入了富集因子法來為判定元素是否富集, 并定量的表述其富集程度。富集因子法(enrichment factors, 以E表示)主要以Al作為參考值, 某一元素(Me)相對于地殼元素豐度的富集程度來定義:E= (Me/Al)沉積物/(Me/Al)地殼。當E值為1時, 認為目標元素來源于地殼, 未經歷明顯富集過程;E值位于1～10區間時, 代表該目標元素可能來源于地殼, 但經歷了明顯的富集過程; 當E值大于10時, 認為地殼不是目標元素的主要來源。沖繩海槽中部T3、T4站位表層沉積物的Cu、Pb、Zn、Ba、As元素富集系數均大于1。特別是T4站沉積物, Cu、Zn、Pb的富集因子遠大于10, 結合圖1采樣站位, 指示熱液活動對沉積物組成有重要貢獻(表3)。

表3 表層沉積物部分元素富集因子

注: 長江沉積物與黃河沉積物數據來源于參考文獻[18]

此外, Co、Ni是典型水成成因元素, 且常通過自生鐵錳相礦物的吸附作用而被富集。表3中Co的元素富集系數顯著較低, 而Ni的富集系數與長江、黃河略相當, 表明區內自身鐵錳相可能形成于沉積期后作用。

4.4 沉積物地球化學組成與熱液活動的特征

沖繩海槽中段, 熱液區分布較為集中, 熱液組分對沉積物組成的影響較大[24-26]。相對于熱液活動區外的表層沉積物組成, 研究區沉積物常量元素中Fe2O3、MnO的含量明顯更高。K2O、MgO、CaO含量變化較大, TiO2的含量很低; CaO含量較高, 但總體變化較大, 1.46%～22.6%, 表明區內生物沉積強度不一, 這可能與黑潮的活動路徑有關。

研究區表層沉積物的Cu、Pb、Zn以及Ba、Mo明顯較北段沉積物富集, 與南段沉積物大致相當[9], 極可能受到熱液活動影響。除T1、T2站位外, 其余站位微量元素Cu、Zn、Pb、Sr、Ba含量明顯較高, 特別是在T3、T4站, 沉積物顯著富集Cu、Zn、Pb、Ba、As。

海洋含金屬沉積物一般富集Fe、Mn、Ni、Co、Cu、Zn、Cr、U、As和Hg等元素, 而相對虧損Al、Ti等陸源元素; 元素含量比值Fe+Mn/Ti>25, 或者同時滿足Fe/Al+Fe+Mn>0.5,Al/Al+Fe+Mn<0.3,Fe+Mn/Al>2.5[27]。對于無生物沉積的含金屬沉積物, Fe的含量應當大于或等于10%, 同時虧損Al和Ti等元素[6]。前人對東太平洋海隆的含金屬沉積物研究表明Fe的含量在6.08%～20.5%, Mn的含量在0.94%～ 5.39%, Ba的含量在1 197～10 650 μg/g, Cu的含量為92.6～1 498 μg/g, Zn的含量為34.0～404 μg/g; 如若去除鈣質生物(CaCO3)的影響,Fe>10%,Mn>3%,Al/Al+Fe+Mn<0.3[28]。在沖繩海槽中段夏島84-1, 伊平屋和伊是名熱液區之間的沉積物, 受熱液活動影響明顯富集Cu、Pb、Zn、Hg、Co、Cd、Ni和V等元素, 這與沖繩海槽中段熱液硫化物中所富集的元素一致[29]。前人基于對JADE區熱液礦床硫化物和巖石的Pb同位素研究表明JADE熱液區中的鉛來自于沉積物和火山巖[30], 與在Lau盆地的研究結果相類似[31]。事實上, 沖繩海槽沉積物中的Pb元素富集程度要高于Lau盆地。至于沉積物中的As和Sb的富集, 可能是沉積物從熱液物質中浸出這些元素的結果, 而Rubin則提出海底熱液系統中大量的As和Sb也可能起源于巖漿[32]。

T3、T4站位表層沉積物樣品中, CaO含量較低(1.52%, 1.46%)對其他組分影響較小, 可為去鈣質沉積研究。研究區沉積物中Cu、Pb、Zn和Ba等元素含量較高, 高于一般含金屬沉積物的微量元素含量, 但Mn、Fe的含量相對較低, 僅有T4站位樣品略高于上述含金屬沉積物; Al、Ti等陸源元素含量較高(0.60≤Al/Al+Fe+Mn≤0.71, T4站位0.12), 反映研究區樣品大部分為正常沉積物。

以上沉積物元素組成表明T4站位沉積物為典型含金屬沉積物, T3站位為正常沉積物與含金屬沉積物之間的過渡沉積物, 其余站位沉積物為正常沉積物。

沖繩海槽的陸源物質主要來自于長江、黃河和臺灣島河流沉積物[33-34]。在表生環境中, 稀土元素的化學性質非常穩定, 其攜帶的物源信息不易變化, 可用于沉積物物源示蹤劑[33]。由于沖繩海槽中段熱液活動較為頻繁, 沉積物若處在熱液噴口附近, 則會繼承熱液流體的REE分配模式, 表現為明顯的Eu正異常; 而遠離噴口的沉積物, 熱液流體REE特征會逐漸減弱, Eu一般無明顯異常, 逐漸呈現海水的重稀土富集特征[35]。圖3和表4顯示, 長江沉積物與臺灣島河流沉積物的稀土總量相近, 高于黃河沉積物, 海槽中部熱液硫化物稀土總量低于上述三種沉積物。源自長江、黃河和臺灣島河流的沉積物具有較為接近的(La/Yb)N、(La/Sm)N、(Gd/Yb)N比值, 指示長江、黃河、臺灣島河流三者沉積物具有較為明顯的輕-重稀土、重稀土之間的分餾, 輕稀土之間分餾較弱。JADE區熱液硫化物的輕、重稀土之間的分餾都很明顯, 且表現明顯的負鈰異常與較弱的正銪異常。

圖3 沖繩海槽中段表層沉積物及相關地質體北美頁巖稀土配分模式

注: 長江、黃河沉積物數據來源文獻[17], JADE區硫化物數據來源文獻[29], 臺灣島河流沉積物數據來源文獻[36], NPDW數據來源文獻[37]

表4 表層沉積物與相關地質體稀土元素特征

注: 長江、黃河沉積物數據來源文獻[17], JADE區硫化物數據來源文獻[29], 臺灣島河流沉積物數據來源文獻[36], NPDW數據來源文獻[37]

研究區沉積物整體(La/Yb)N平均值1.12, (La/Sm)N平均值1.03, (Gd/Yb)N平均值1.03, δCeN為0.82～0.92, 為弱負異常, δEuN為0.98～1.41, 變化較大, 僅T6顯示為負銪異常; 輕重稀土分餾不明顯, 曲線較為平坦, 與長江、黃河沉積物類似[17]。結合(La/Sm)N、(La/Yb)N指標(圖4), 研究區表層沉積物樣品部分與臺灣島河流、黃河沉積物重合, 遠離長江沉積物, 說明沖繩海槽中段表層沉積物的陸源物質主要來源于臺灣島河流與黃河。其次, 在(La/Sm)N-(La/Yb)N圖解中(圖4), 沖繩海槽中段沉積物并不完全位于臺灣島河流與黃河沉積物所代表的區域內, 并且部分樣品輕稀土、重稀土的分餾減弱, 重稀土含量升高, 反映其他富集重稀土的物質端元的貢獻, 諸如熱液、巖漿活動。

圖4 表層沉積物北美頁巖標準化(La/Sm)N-(La/Yb)N圖解

注: 長江沉積物、黃河沉積物[17], JADE區硫化物[29], 臺灣島沉積物[36], 沖繩海槽火山巖[38]

以上研究表明, 研究區表層沉積物主要源自大陸風化的陸源碎屑, 且陸源組分主要來自于黃河和臺灣島河流, 同時, 火山熱液活動對其物質組成也有重要貢獻。

5 結論

1) 沖繩海槽中段表層沉積物主要由陸源組分、熱液組分、部分生物源組分以及自生組分構成; 富集Fe、Cu、Zn、Pb、Ba和As等元素, 其中T4站位沉積物為典型含金屬沉積物, 全部樣品為含金屬沉積物向正常沉積物過渡; 其CIA值反映區內沉積物化學風化程度中等偏上, A-CN-K圖解顯示其暫未受到鉀交代影響, 且其母巖成分接近花崗閃長巖。

2) 沖繩海槽中段表層沉積物主要由來自大陸風化的陸源碎屑組成, 結合(La/Sm)N、(La/Yb)N比值, 其陸源組分主要來自于黃河和臺灣島河流。此外, 受熱液活動影響, 沖繩海槽中段部分樣品表現出與熱液流體相似的正銪異常的稀土特征。

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Provenance identification of sediments in the central Okinawa Trough and its implications for hydrothermal activity

WEI Jie-rui1, 2, HUANG Peng1, 2

(1. CAS Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Surface samples in hydrothermal fields of the central Okinawa Trough are analyzed for major and trace element composition. Results propose that the samples are mainly composed of terrestrials and hydrothermal materials. The deposits are an enrichment of trace elements such as Hg, Au, Sb, Cu, Pb, Zn, Ba, As, and Co, which have moderate chemical alteration index (CIA) values and are not affected by potassium replacement. The A-CN-K diagram shows that the parent rock composition is close to granodiorite. The standardization rare earth elements (REE) distribution pattern of North American Shale is relatively flat, which implies the slight fraction between light-group rare earth elements (LREE) and heavy-group rare earth elements (HREE). Part of samples have positive Eu anomalies similar to those of hydrothermal fluids. Under the influence of hydrothermal activity, some sediments are prominently enriched in Fe, Cu, As, Pb, and Zn. Combined with the location of the samples, the spatial distribution shows a pattern of metalliferous sediments-transitional sediments-normal sediments. This pattern and ratios of (La/Sm)Nand (La/Yb)Nindicate that the terrigenous component of the samples in the central Okinawa Trough comes mainly from the Yellow River and Taiwan island river.

Okinawa Trough; hydrothermal activity; surficial sediments; provenance

Jan. 19, 2021

P67

A

1000-3096(2021)12-0008-10

10.11759/hykx20210119002

2021-01-19;

2021-03-12

國家自然科學基金項目(41576055); 中國科學院戰略性先導科技專項(XDB42020303)

[National Natural Science Foundation of China, No. 41576055; Chinese Academy of Sciences Strategic Leading Science and Technology project, No. XDB42020303]

魏杰瑞(1996—), 男(漢族), 湖北省潛江人, 碩士, 主要從事海洋沉積學研究, E-mail: 873340421@qq.com; 黃朋(1972—),通信作者, E-mail: huangpeng@qdio.ac.cn

(本文編輯: 趙衛紅)