西北冰洋及白令海表層沉積物XRD全巖礦物分布特征

劉楊　汪衛國　董林森

關鍵詞 西北冰洋；白令海；全巖礦物；XRD（X射線衍射）；沉積物來源

第一作者簡介 劉楊，女，1997年出生，碩士研究生，海洋地質，E-mail： yliu2019@lzu.edu.cn通信作者 汪衛國，男，研究員，E-mail： wangweiguo@tio.org.cn

中圖分類號 P736.21 文獻標志碼 A

0 引言

北冰洋沉積物來源多樣，沉積過程復雜、種類繁多[1?6]。對北冰洋及其周邊海域現代沉積物的研究，可加深對該地區物質來源、搬運方式及運移路徑等的理解，并對北冰洋古海洋研究中代用指標的解釋、現代污染物遷移路徑的預測具有重要意義。為了探明北冰洋沉積物的源—匯問題，前人運用了多種技術手段和物源指標，但是高緯度地區以物理風化為主，沉積物中碎屑礦物占主導，沉積物中包含了不同物質來源和沉積機制的顆粒組分[7?8]，如果僅針對沉積物中特定顆粒組分、礦物或化學成分進行研究，可能無法全面反映沉積物的源—匯特征。因此，進行XRD（X射線衍射）全巖礦物研究可對區域內沉積物來源、搬運路徑和沉積機制有一個全面的認識[9?11]。Vogt[9]對北冰洋全巖礦物進行研究，在加拿大北極群島和北格陵蘭島附近的沉積物中發現了大量的碳酸鹽碎屑，而西伯利亞大陸架則主要是硅質碎屑。Dong et al.[10]在北冰洋西部識別出了18種礦物，并研究了其中10種礦物在西北冰洋的平面分布，查明了沉積物的來源及搬運路徑。Kobayashi et al.[12]在楚科奇與白令海大陸架的全巖礦物研究中，檢測出石英、長石、伊利石、綠泥石、高嶺石、角閃石、方解石和白云石等礦物，并認為（綠泥石+高嶺石）/伊利石和綠泥石/伊利石比率可指示波弗特旋回與白令海陸架流。前人在北極與白令海地區開展的XRD（X射線衍射）全巖研究中，多數僅對沉積物進行定性分析或僅研究個別礦物間的比值[11，13]，半定量研究其使用的計算方法也不相同[12，14?16]，這就導致了難以對現有研究進行統一分析。

由于北極復雜的沉積機制，致使小范圍內的研究難以反映整體沉積特征，尤其是遠距離搬運特征。因此，本文對西北冰洋和白令海表層沉積物進行XRD（X射線衍射）全巖分析，在Dong et al.[10]對楚科奇海陸架、馬克洛夫海盆、加拿大海盆的研究基礎上增加了西伯利亞陸架、白令海陸架、阿留申海盆和阿留申島弧等海域。并采用Rietveld全譜擬合法獲得沉積物中主要礦物含量，通過礦物分布規律分析不同區域沉積物的來源及運輸路徑。相較于傳統的XRD半定量分析方法（如：內標法、K值法、外標法等），Rietveld全譜擬合法無需標樣，且能很好地解決多相混合物重疊峰問題，能有效消除結晶度和擇優取向等干擾因素的影響，從而獲得更準確的半定量結果[17]，更好地反映各礦物相在北極區域的空間分布特征。

1 區域背景

北冰洋因其被歐亞大陸和北美大陸圍繞，僅通過白令海峽和弗拉姆海峽分別與太平洋和北大西洋相連，也稱“北極地中?！盵18]。北冰洋沉積物主要通過河流、冰山、海冰、沿岸崩塌、粉塵等形式輸入[19]，周邊大陸巖性很大程度上決定了北冰洋表層沉積物的礦物組成。環北冰洋陸地由波羅的（Baltica）、北美、西伯利亞三個克拉通及其相間的褶皺帶組成，三個克拉通為前寒武結晶基底和其上的沉積巖組成，其中，北美加拿大極地群島區以古生代碳酸鹽為主，而波羅的和東西伯利亞區以碎屑巖為主。褶皺帶區，如楚科奇半島、阿拉斯加等地分布火山碎屑巖和變質巖[20?23]。葉尼塞河和哈坦加河流經西伯利亞火成巖?。▓D1）。河流輸入是北冰洋沉積物的一個重要來源。其中，以位于美洲大陸的馬更些河輸沙量最大，其次為歐亞大陸的勒拿河、鄂畢河、科雷馬河和葉尼塞河等（表1）。流入白令海的育空河，有1/3的泥沙被洋流帶入屬于北冰洋的楚科奇海[27]。其他一些較小的北極河流，如哈坦加河和亞納河，其輸沙量較上述河流的輸沙量低一個量級。各河流流域內的巖性差異導致沉積物中礦物的區域性差異（表1）。

北冰洋受多個洋流的控制（圖1），其中，太平洋水經白令海峽后，在楚科奇海陸架向北流，最終匯入加拿大海盆[34]；發源于拉普捷夫海的穿極流向北經過北冰洋中部，并經弗拉姆海峽匯入北歐海；波弗特旋回位于美亞海盆，呈順時針方向流動。受進入北冰洋的北大西洋流的影響，在北冰洋俄羅斯陸架形成自西向東的西伯利亞沿岸流，其在楚科奇海轉向北流[35]。海冰和冰山在洋流的作用下漂流并釋放沉積物。陸架和陸坡沉積物可在波浪、渦旋、重力流的作用下再次搬運[36?37]。

2 材料與方法

研究區位于西北冰洋及白令海。本次研究所使用樣品為2010年“中國第四次北極科學考察”以及2019年“中俄聯合北極考察（AMK78航次）”的82個站位的表層沉積物樣品（圖1）。所有樣品用箱式取樣器采集，取最表層5 cm 的沉積物裝入自封袋中4 ℃冷藏保存，用于實驗室分析。

樣品冷凍干燥后，用瑪瑙研缽將樣品研磨細至200目以下。將研磨好的粉末樣品裝入XRD樣品臺凹槽中，用光滑的平板玻璃將凹槽表面壓實，確保測試樣品表面平整且不會產生明顯的擇優取向。在自然資源部第三海洋研究所用XPert Pro MPD多晶X射線衍射儀進行XRD全巖測試。測試條件：Cu-Kα輻射；工作電壓和電流分別為40 kV和40 mA；發散狹縫與散射狹縫均為1°，接收狹縫5.5 mm；采用連續掃描方式，掃描范圍：5～80°（2θ），掃描時間29.845 s；掃描步長0.016 7113°。所有樣品測試條件相同。

得到的XRD圖譜，用HighScore Plus軟件進行礦物相檢索，并用“三強線”法[38]補充與檢測定性結果。得到礦物定性信息后，用Rietveld全譜擬合法進行半定量分析。單個礦物含量表示為其在全巖礦物中的占比。R_wp與R_p為反映計算圖譜與實測圖譜擬合程度的兩個因子。R值越小，擬合效果越好[38]。本次所有樣品的R_wp（平均值為9.5%）與R_p（平均值為6.4%）均小于15%（表2），說明擬合譜線重現性較好，結果可信[38]。

3 結果

在所有82個站點沉積物中均檢測到石英、斜長石、鉀長石、云母和綠泥石；另在63個站點檢測到白云石；在32個站點檢測到輝石；在60個站點檢測出角閃石（礦物卡片峰位置信息見表2，樣品定相結果見圖2）。所有識別出來的礦物含量以百分制表示（表3）。

研究區沉積物中石英的相對含量介于15.4%～82.0%，平均為37.5%。其中，白令海東北部、白令海峽、楚科奇海阿拉斯加近岸海域沉積物中石英含量整體較高，自阿拉斯加近岸向遠海、白令海北部向南，石英含量呈遞減的趨勢（圖3a）。俄羅斯極地海（東西伯利亞海、拉普捷夫海、喀拉海）一側，沉積物中石英含量整體偏低。

斜長石相對含量介于3.0%～40.9%，均值為19.0%。阿留申島弧上的ARC4-B02站點斜長石含量最高。白令海陸架斜長石含量整體較高，尤其是在白令海東北部育空河口附近、圣勞倫斯島周邊的沉積物樣品，斜長石平均含量高達32.5%（圖3b）。楚科奇海阿拉斯加沿岸斜長石含量較低，但在楚科奇海中部，斜長石含量升高，并呈自南向北含量降低的趨勢。加拿大海盆斜長石相對含量整體偏低，均小于15%。俄羅斯極地海一側（22.7%）沉積物中斜長石含量顯著高于加拿大海盆的（10.1%）。鉀長石相對含量介于0.8%～19.2%，均值為8.6%。阿留申海盆中的鉀長石含量高于白令海陸架。拉普捷夫海東側和新西伯利亞群島附近，鉀長石含量最高可達19.2%（圖3c）。

云母的相對含量介于2.6%～45.9%，均值為23.9%。云母含量在加拿大海盆中最高，均值為32.6%；俄羅斯極地海云母含量次之，均值為26.0%；楚科奇海（21.0%）及白令海（12.9%）云母含量顯著偏低，最小為2.6%（圖3d）。綠泥石相對含量分布趨勢與云母相似（圖3e）。綠泥石相對含量呈自楚科奇海陸架中部向加拿大海盆隨著緯度增加而增加的趨勢。俄羅斯極地海一側，喀拉海沉積物中綠泥石含量較高，最高為13.8%，均值為11.5%。白云石的相對含量介于0～15.5%，均值為2.3%。

白云石主要分布于加拿大海盆，其余海域幾乎未檢測到白云石（圖3f）。輝石在沉積物中的相對含量介于0～7.8%，均值為0.9%。阿留申島弧上沉積物中輝石含量可達7.7%，白令海峽附近輝石含量也較高，介于1.1%～5.1%（圖3g）。角閃石的相對含量介于0～1.8%，均值為0.3%。除阿留申島弧上沉積物中角閃石含量全區最高外，僅在育空河口的少數站點、楚科奇海中北部站位檢測到角閃石碎屑（圖3h）。

以82個站點各礦物相的相對含量為變量，進行Q型聚類分析。測量區間采用歐式距離，聚類方法為組間聯接。根據Q型聚類分析結果（圖4），選取距離8將研究區劃分為六個礦物區（分別命名為A～F），以便更直觀地呈現成果對比。其中A、B、D又細分為兩個亞區（圖5），因位于阿留申島弧上的ARC4-B02站位自成一類，且只有一個站位，因此不進行分區，區域A～F中各礦物的平均含量見表4。

A區細分為A1和A2兩個亞區，A1亞區位于俄羅斯極地海一側，包括喀拉海、拉普捷夫海、東西伯利亞海以及楚科奇海陸架的北部的部分區域，以較高云母（26.6%）與綠泥石（10.0%）含量為特征，幾乎不含白云石（0.5%）和輝石（0）；A2亞區位于阿留申海盆處，其沉積物中斜長石（26.3%）、鉀長石（16.0%）、云母（30.4%）、綠泥石（10.2%）含量高，不含白云石和輝石。B區主要位于北冰洋洋盆區，包括馬克洛夫海盆與加拿大海盆，根據礦物特征，將B區分為B1和B2兩個亞區，B1亞區主要位于楚科奇海臺和海盆，以較高的云母（32.0%）、白云石（9.5%）、輝石（4.6%）含量以及較低的斜長石含量（8.7%）為特征；B2亞區位于B1南北兩側，少部分位于拉普捷夫海陸架，以云母（36.5%）、綠泥石（10.0%）含量高為特征。C區位于北風脊，以白云石含量高（7.8%）、石英、云母、綠泥石含量中等、長石類礦物（7.7%）極低為特征。D區位于白令海陸架以及楚科奇海陸架的西側，D區細分為D1和D2兩個亞區，其中D1位于白令海陸架的西側與楚科奇海陸架的西側，D2位于白令海陸架東側。D1亞區石英與斜長石含量均高于D2區域，且D2亞區不含輝石。E區位于圣勞倫斯島以北、楚科奇海南端海域，除極高的石英含量（64.4%）外，也含有較高的輝石（2.5%）。F位于楚科奇海阿拉斯加近岸海域，以極高的石英含量為特征（76.8%），其他礦物的含量均較低。

4 討論

4.1 俄羅斯極地海礦物分布特征及物源分析

俄羅斯極地海沉積物礦物分區多數為A1，在拉普捷夫海陸架上存在B2和C區礦物。李秋玲[47]在東西伯利亞海表層沉積物XRD全巖半定量的結果顯示，東西伯利亞海的沉積物中斜長石高達33%，斜長石平均含量為13%，這與本研究中的A1區礦物特征一致。西伯利亞大陸富含云母[48]與綠泥石[49]，在河流與沿岸流的作用下進入俄羅斯極地海。

拉普捷夫海陸架的礦物分區組成反映了多輸入或運移機制。除勒拿河與亞納河[5]帶來的西伯利亞地臺碎屑顆粒外，周邊島嶼也為拉普捷夫海陸架提供了豐富的物質。新西伯利亞群島周圍的沉積物，斜長石與鉀長石含量較高，這與新西伯利亞群島南端出露的白堊紀花崗巖[50]有關，Viscosi-Shirley et al.[51]研究發現拉普捷夫海沉積物在成分上類似于新西伯利亞群島上的沉積物。新西伯利亞群島上的冰川、沿岸侵蝕產生的沉積物在冰山、海冰和沿岸流作用下輸送至新西伯利亞群島周邊海域。普捷夫海的海冰在穿極流的作用下將沉積物向北運輸[2，52]，海冰運移過程中被波弗特旋回捕獲[6，53]，因此加拿大海盆中會出現與拉普捷夫海陸架類似的礦物分區。

4.2 阿留申海盆—白令海—楚科奇海—美亞海盆區礦物分布特征及物源分析

位于阿留申島弧上的ARC4-B02站點檢測到極高的斜長石、輝石、角閃石含量以及極低的石英、鉀長石、云母、綠泥石含量，這與阿留申島弧上主要出露鈉長石化沉積巖和火成巖復合體有關[54]。而在阿留申海盆內沉積物中的長石類礦物仍很高，且石英含量極低，與阿留申島弧的沉積物相似，但阿留申海盆內沉積物中不含輝石，而且斜長石含量低于島??；鉀長石含量明顯高于島?。淮送猓⒘羯旰Ｅ鑳瘸练e物中含有較高的綠泥石。白令海沉積物中的斜長石在陸架區含量最高，向西南海盆方向斜長石含量降低。這些特征說明阿留申島弧不是阿留申盆地沉積物的唯一物源，還含有亞洲大陸[55]、白令海陸架[56]和洋流攜入的阿拉斯加半島南部地區的沉積物[57]。

白令海陸架沉積物礦物分區主要為D1和D2。受海岸侵蝕以及河流的搬運作用，白令海接收了來自阿拉斯加大陸豐富的物質[58]。育空河從阿拉斯加大陸搬運的沉積物以石英和長石顆粒為主[59]。也有少量的角閃石，由于角閃石密度較大，往往只在靠近源區的地方沉積下來，使得育空河口外側D1區域比西側的D2區域擁有更高含量的角閃石。Kobayashi etal.[12]在此區域也發現了較高的斜長石與角閃石含量，斜長石+角閃石這一礦物組合表明育空河流域的中性火成巖或變質巖為白令海陸架的重要物質來源[33]。

楚科奇海陸架沉積物礦物分區分別為位于楚科奇海西部的D2、白令海峽附近的E以及楚科奇海東部的F 三個區域。E 和F 區石英含量均超過60%，Dong et al.[10]也在靠近阿拉斯加大陸一側的楚科奇海陸架發現了較高含量的石英，這與來自阿拉斯加大陸的沉積物中富含石英有關[60]。位于楚科奇海南部和白令海北部的E區，沉積物中斜長石含量比位于楚科奇海東北側，靠近阿拉斯加沿岸海域F區沉積物中的高，這與E區沉積物主要來自育空河流域，該流域長石含量更高有關。來自育空河的沉積物隨太平洋水進入楚科奇海，并主要沉積于楚科奇海南部[27，61]，使得楚科奇海西南部沉積物礦物分區與白令海陸架的相似，同為D2區。楚科奇海阿拉斯加沿岸的沉積物可向西搬運，且楚科奇海中部還有來自太平洋入流水和西伯利亞沿岸流輸入的沉積物[61]，因此，楚科奇海中部沉積物中石英含量低于阿拉斯加沿岸海域。

北冰洋高緯度海盆區為B1、B2、C三種沉積物礦物分區，該區域以白云石、云母和綠泥石含量高為特征。白云石是加拿大北極群島與馬更些河流域的代表性礦物[4，62]，因此B1、B2區沉積物中豐富的白云石碎屑是加拿大北極群島的冰山以及馬更些河輸入的，再經波弗特旋回搬運至加拿大海盆，Dong et al.[10]的研究也證明，北冰洋高緯度海盆區的高白云石特征，主要是波弗特旋回造成的。育空河輸入的黏土礦物中綠泥石含量最高[59]，綠泥石顆粒細微，對水動力作用敏感[63]，不易在水動力強的河口區沉積，隨著向北的太平洋入流水，可遠距離懸浮搬運到北冰洋海盆區。北冰洋海盆區云母含量高也是因為片狀礦物易遠距離懸浮搬運所致。

石英和長石是沉積物中最常見的礦物。在巖石風化過程中，石英抗風化能力強，為穩定礦物。而長石抗風化能力弱，為不穩定礦物，但鉀長石（Kfs）的抗風化能力稍強于斜長石（Pl）?？衫瞄L石/石英（F/Q）比值指示沉積物風化強度、探尋沉積物來源及環境變化影響[64?65]。研究區內沉積物的Kfs/Q、Pl/Q 和（Kfs+Pl）/Q在空間上呈相同的變化趨勢（圖6）。阿留申海盆內的F/Q值最高，阿留申海盆（2.11）—白令海（0.83）—楚科奇海（0.60）—加拿大海盆（0.58），自南向北F/Q值有逐漸減小的趨勢，Wang et al.[11]在阿留申海盆的研究也顯示，自阿留申島弧向北，F/Q值有逐漸降低的趨勢。俄羅斯極地海一側，F/Q均值1.07。整體上，位于俄羅斯極地海一側的長石/石英比值高于靠近美洲大陸一側的比值。

近美洲大陸一側的F/Q比值較俄羅斯極地海一側的比值低，說明美洲大陸來源的沉積物經歷較強的風化作用，因長石大量風化而迅速減少，導致石英相對富集。F/Q比值可作為北冰洋沉積物物質來源的判斷指標。

5 結論

通過對西北冰洋及白令海表層沉積物進行全巖礦物XRD鑒定與分析，取得以下幾點認識。

（1） 俄羅斯極地海一側，拉普捷夫海除接受勒拿河與亞納河帶來的西伯利亞地臺碎屑外，也接受了新西伯利亞群島富含長石沉積物，部分沉積物伴隨著海冰在穿極流與波弗特旋回作用下運移至加拿大海盆。

（2） 阿留申海盆—白令海—楚科奇海—美亞海盆區一側，阿留申海盆的沉積物來自亞洲大陸、白令海陸架、阿拉斯加半島南部等，其礦物含量和種類與阿留申島弧上沉積物的差異明顯；育空河輸入白令海的沉積物在洋流作用下，再次輸送至北冰洋，使得楚科奇海南部沉積物礦物特征與白令海陸架的相似；海陸架上的細粒及片狀物質如綠泥石和云母，隨洋流長距離搬運至加拿大海盆，而加拿大海盆中的白云石，則來自加拿大北極群島和馬更些河。

（3） 美洲大陸經歷了較強的風化作用，相較于西伯利亞大陸，美洲大陸顆粒對北冰洋沉積物的貢獻程度更高。

致謝 感謝中國第四次北極科學考察隊和2019 年中俄聯合北極科考（AMK78 航次） 胡利民、Rusakov Valery、Nikiforov Sergey、Scheglov Peter 等沉積組采樣人員。感謝審稿專家對本文提出的建設性意見。