馬里亞納海溝“挑戰者”深淵沉積物地球化學特征及成因機制

摘 要 【目的】為探究馬里亞納海溝“挑戰者”深淵沉積物的主要類型、地球化學特征和成因機制。【方法】以馬里亞納海溝“挑戰者”深淵從北坡（上覆板塊）、軸部到南坡（俯沖板塊）16個站位的沉積物和蝕變基巖開展礦物學及地球化學分析。【結果與結論】“挑戰者”深淵沉積物分為褐紅色深海黏土質沉積物、硅質生物軟泥、自生沉積物（富錳微結核）和鈣質生物軟泥四種主要類型。其中，褐紅色深海黏土質沉積物為深淵沉積物的主要類型，對深淵沉積物的成分貢獻最大，其主量、微量元素地球化學特征與洋殼蝕變基巖具有相似性。提出了褐紅色深海黏土質沉積物成因主要源于俯沖板塊和上覆板塊玄武質基巖蝕變的觀點。此外，深淵底部活躍的有機質早期成巖作用，對沉積物地球化學性質產生了重要影響，是導致“挑戰者”深淵沉積物相比鄰近深海沉積物具有較低稀土元素含量和富集微錳結核的主要原因。

關鍵詞 馬里亞納海溝；挑戰者深淵；沉積物；成因機制

第一作者簡介 謝桐桐，女，1996年出生，碩士研究生，海洋地質，E-mail： xiett@idsse.ac.cn

通信作者 彭曉彤，男，研究員，E-mail： xtpeng@idsse.ac.cn

中圖分類號 P595 文獻標志碼 A

0 引言

深淵（hadal trenches），亦稱海斗深淵，專指海洋中深度大于6 000 m的區域。主要位于大洋板塊向大陸板塊俯沖形成的海溝地帶，是海洋中最深的地方。深淵區以壓力大、構造活躍、地震密集、生命奇特為特點，代表了地球上非常獨特的海洋極端環境[1]。深淵孕育了地球上最神秘的生態系統，有著人類至今為止知之甚少的環境特征及專屬性物理海洋、地球化學現象[2]。深淵俯沖帶特殊之處在于它位于板塊碰撞與消亡的邊界，是地表物質俯沖進入地球內部最重要的通道之一。因此，研究深淵區板塊俯沖及伴隨的物質循環和能量交換過程一直是地球科學領域的前沿和熱點，而深淵沉積物作為俯沖輸入的物質之一，其組成與性質對于俯沖帶物質循環的機理和通量具有重要的意義[3]。

馬里亞納海溝作為當前深淵科學研究中的熱點區域，是太平洋板塊自東向西俯沖至菲律賓板塊形成的一條向東凸起、主體呈近南北走向的海溝。它北起硫磺列島，西南至雅浦島附近，全長2 550 km，平均寬70 km，大部分水深超過8 km[4]。其南段的“挑戰者”深淵是全球最深的海域，最大水深約10 909 m。基于獲取的零星樣品，前人對馬里亞納海溝“挑戰者”深淵區的沉積物性質進行了初步研究。發現該區沉積物以遠洋—半遠洋沉積為主，黏土含量可超過70%[5?7]，同時含15%～30%的生物殘渣（放射蟲、硅藻席等）和5%～20%的碎屑礦物[8]。認為深淵沉積物主要來源于周圍火山物質和陸源風塵物質的輸入[9?12]。而最新的研究發現，深淵區廣泛分布的蝕變基巖可能為深淵沉積物的形成提供了潛在的物質來源[12]。此外，位于板塊碰撞區的深淵俯沖帶，構造活動強烈，頻發的海底滑坡或海底泥石流事件將周邊區域的沉積物攜入深淵區，使得深淵區成為潛在的有機質沉降中心，伴隨著活躍的有機質早期成巖作用[13?14]。強烈的有機質成巖過程通常對沉積物的物質組成和性質有著重要的影響，然而這一過程對“挑戰者”深淵區沉積物的影響鮮為人知。

受限于深淵采樣技術的限制，當前對“挑戰者”深淵沉積物的研究主要集中在南坡少量的站位，對于其他區域（包括最深點和北坡）沉積物性質的了解十分有限，其物質來源和成因機制還存在爭議。利用“奮斗者”號與“蛟龍”號載人潛水器等先進的取樣設備，在馬里亞納海溝“挑戰者”深淵區域從北坡、軸部與南坡共采集了16個站位沉積物樣品。采樣站位水深5 464～10 908 m，覆蓋了整個“挑戰者”深淵區。基于形態學、礦物學和地球化學分析，在水平與垂直兩個層面上，對馬里亞納海溝“挑戰者”深淵沉積物的類型、礦物組成及地球化學特征進行了系統研究，以期更為全面地揭示“挑戰者”深淵沉積物的特征、物質來源及成因機制。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

采樣點位于馬里亞納海溝南部的“挑戰者”深淵區，取樣方式有“奮斗者”號載人潛水器搭載Pushcore取樣器、“蛟龍”號載人潛水器搭載Push core取樣器、船載重力柱、箱式取樣器和著陸器。取樣站位覆蓋了北坡、海溝軸部以及南坡三個區域（圖1）。具體采樣信息見表1。

1.2 分析方法

1.2.1 涂片與顯微觀察

取少量的沉積物樣品，置于載玻片上，滴1～2滴超純水，用牙簽涂勻烘干，蓋上蓋玻片。在中國科學院深海科學與工程研究所深海地質與地球化學研究室，利用徠卡2700偏光顯微鏡和Leica LED5000 SLI體視鏡觀察主要礦物組成。

1.2.2 主微量元素

FDZ065為抓取的表層沉積物，其他15個站位為柱狀沉積物，取樣間隔為2～3 cm不等。沉積物樣品冷凍干燥之后，研磨至200目，在中科院地球化學研究所完成主微量元素分析。主量元素分析使用儀器為波長色散型X 射線熒光光譜儀（Thermo Fisher，ARL Perform’X 4200），采用熔片法制樣，標準樣品為GSR12 和GSR13。測試內容包含SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O、MnO、P2O5、TiO2 及燒失量（LOI）。微量元素分析儀器為等離子體質譜儀（Analytikjena，PlasmaQuant MS Elite），采用高溫高壓封閉溶樣內標法進行樣品溶解，HNO3 溶液進行溶樣。

1.2.3 X射線衍射分析

選取14個站位（不包括GT01和FDZ065）10 cm范圍內表層沉積物進行X射線衍射（X-Ray Diffrac?tion，XRD）測試分析，取樣點間隔為2～3 cm不等，每份樣品含量約5 g；GT01重力柱樣品取樣點間隔為3cm，每份約5 g；FDZ065站位沉積物為表層沉積物，取5 g進行測試。沉積物樣品通過真空冷凍干燥，并在瑪瑙缽中碾磨至200目。XRD分析在中國科學院廣州地球化學研究所Bruker D8 Advance X射線衍射儀上進行，掃描范圍3°～85°。采用HighScore軟件進行定性以及半定量分析。

2 結果

2.1 沉積物類型及主要礦物組成

根據海洋調查規范[15]，將馬里亞納海溝深淵沉積物分為褐紅色深海黏土質沉積物、硅質生物軟泥、自生沉積物（富微錳結核）和鈣質生物軟泥四類（圖2）。同時XRD結果表明（圖3），除鈣質生物軟泥之外的其他三種沉積物中，檢測到的礦物類型包括黏土類礦物（綠泥石和伊利石等）、長石、輝石、磁鐵礦、石英/無定形二氧化硅以及沸石等，但不同類型沉積物在主要礦物豐度上有所差異。不同類型沉積物的特點及分布情況詳情如下。

第一類為褐紅色深海黏土質沉積物（圖2a），鏡下可見大量黏土礦物以及少量蝕變碎屑礦物，礦物成分主要為黏土類礦物（綠泥石、高嶺石、伊利石）、石英、輝石類（透輝石、頑火輝石）、鈉長石、磁鐵礦與鈣十字沸石等礦物（圖3d）。沉積物中蝕變碎屑組分高于其他類型沉積物，同時含有少量水烴錳礦。該類沉積物在深淵區南坡、軸部及北坡均有分布，是深淵沉積物的主要類型。

第二類為硅質生物軟泥（圖2b），典型樣品為JL121。顯微鏡觀察可見大量硅藻碎屑，含量超過50%，其主要礦物成分為無定型SiO2 和鈣長石（圖3b），蝕變碎屑礦物及黏土礦物含量相對較低。硅質生物軟泥主要分布在深淵區域的北坡和軸部。

第三類為自生沉積物（富微錳結核）（圖2c），可見明顯的黑色微錳結核分布，其礦物組分主要為鋇鎂錳礦和水烴錳礦（圖3c），含有少量黏土礦物和蝕變碎屑礦物。該類型沉積物主要分布在靠近深淵軸部沉積物中的富錳黑色紋層中。

第四類為鈣質生物軟泥（圖2d），主要由鈣質生物微化石組成，CaO含量近40%，主要礦物成分為方解石（圖3a），該類型主要分布在深淵區軸部區域。

2.2 主微量元素特征

2.2.1 主量元素特征

1） 表層沉積物平面分布特征

15個站位的表層沉積物取自沉積柱上層10 cm，其主量元素分布情況如表2所示。整體來看，南坡主量元素含量略高于北坡和軸部。JL121站位表層沉積物為硅質生物碎屑類，SiO2含量大于70%，其他站位SiO2含量則介于21.65%～58.11%。采自“挑戰者”深淵FDZ065站位的沉積物為鈣質生物碎屑，CaO含量約為40%。除FDZ065之外的其余站位中，TiO2、CaO和Al2O3具有較好的正相關性。南坡JL122、JL115、JL114三個站位Mn含量明顯富集，表明其可能受到流體活動所影響[16]。離軸部越近，沉積物Mg含量越高，暗示軸部可能有超基性巖蝕變物質的貢獻。

2） GT01巖心樣品垂向分布特征

GT01巖心全長361 cm。根據巖心剖面特征，將其分為頂部（0～100 cm）、中部（100～200 cm）和底部（200～361 cm）三個部分進行垂直分布特征的討論（表3）。總體來說，GT01沉積物中SiO2含量較高，但SiO2含量在不同層位有較大差別。底部褐紅色黏土層SiO2的平均含量為53.78%，中部平均為62.86%，位于頂部的硅質軟泥層則高達67.32%。隨著深度的增加，SiO2 和MnO 的含量逐漸減小，而Fe2O3、Al2O3、MgO、CaO、K2O、P2O5 及TiO2 則隨著深度增加逐漸增大。

2.2.2 微量元素特征

1） 表層沉積物平面分布特征

馬里亞納海溝深淵區表層沉積物微量元素蜘蛛網圖，采用原始地幔標準化方法繪制[17]（圖4a）。表層沉積物10 cm范圍內微量元素含量平均值大部分高于南坡新鮮玄武巖（圖4a）。同時，從北坡、軸部到南坡，沉積物中微量元素含量依次遞增，而南坡沉積物微量元素含量則隨著深度的增加而遞減。南坡所有站位沉積物微量元素含量均低于南坡不同程度蝕變玄武巖，高于北坡蝕變玄武巖。北坡和軸部的沉積物則低于北坡蝕變玄武巖。總體而言，深淵表層沉積物呈現出與不同蝕變程度玄武巖較為一致的分布特征，富集大離子親石元素，高場強元素分布較為平穩。

馬里亞納海溝深淵沉積物稀土元素配分圖采用球粒隕石標準化繪制（圖4b）。沉積物稀土元素總量（ΣREE）介于5～254.2 μg/g，所有站位呈現輕稀土富集，重稀土分異程度較低，具有明顯Eu負異常、Ce無異常或微弱負異常的特征。這些站位整體相似的稀土配分模式可能表明這些沉積物具有相似的來源。但在某些站位，稀土元素配分模式也有一定的變化。例如，南坡6 000 m水深區域站位與其他站位相比，具有更明顯的Ce負異常。所有站位沉積物的稀土元素含量在水平方向上的變化與微量元素變化特征相似，即離軸部越近含量越低，而北坡沉積物的稀土含量低于南坡。

2） GT01巖心樣品垂向分布特征

對頂部、中部和底部三個層位樣品，采用原始地幔標準化方法，繪制了帶有誤差帶的微量元素蜘蛛網圖（圖5a）。可以看出，從頂部、中部到底部，沉積物微量元素含量逐漸遞增（圖5a）。對于Rb、Ba、Th、U以及LREE等元素，深淵沉積物的含量高于大洋中脊玄武巖和全球平均洋殼，接近于島弧玄武巖；而HREE、Nb、Ta、Hf、Zr、Y等元素則明顯低于其他幾種端源。Rb、Ba、Th和U則接近島弧玄武巖。在總體配分模式方面，GT01三個層位樣品的微量元素配分模式則與南坡采集的蝕變基巖配分模式較為一致。

稀土元素配分圖采用球粒隕石標準化方法繪制（圖5b）。GT01沉積物頂部、中部、底部分布模式相似，呈現LREE富集，具有明顯的Eu負異常的特點，整體與蝕變基巖較為一致。Ce在GT01巖心部分層位顯示出輕微正異常，可能與沉積物中微錳結核富集有關。

2.3 GT01 巖心樣品總稀土含量與代表性主量元素垂向分布特征

GT01巖心樣品中總稀土含量（REE）、Mn、Si、Fe、P 的垂向分布特征如圖6 所示。結果顯示，在0～200 cm范圍內的硅藻席層中，表現為黑色和灰白層交替出現，且存在交錯層理，說明沉積環境的波動與變化。在黑色紋層處呈現出Mn富集及明顯的Ce正異常特征，同時總稀土元素含量對應呈現虧損狀態。Si、Fe和P的含量呈相反的變化趨勢，這與GT01沉積物中硅藻席的含量有關，即隨著深度增加硅藻含量減少而黏土類礦物增加。

3 討論

3.1 早期成巖作用對深淵沉積物稀土含量的影響

從稀土含量來看，軸部深淵沉積物中稀土元素含量最低（圖4b）。然而，近些年在太平洋多個區域發現深海沉積物中稀土元素明顯富集[19?21]，含量高于馬里亞納海溝深淵沉積物兩個數量級。因此，對深淵沉積物稀土元素分布受控因素的研究顯得尤為重要。有研究顯示，在沉積物早期成巖階段，Mn的氧化還原過程與稀土元素含量的變化十分相關[22]，沉積物中的稀土元素可能隨著Mn還原過程被釋放到孔隙水和海水中。而在稀土元素富集的過程中，多位學者發現沉積物中自生磷灰石等磷酸鹽礦物的形成對稀土元素富集起關鍵作用[13，23?25]。在深淵沉積物活躍的早期成巖作用下，Mn可能經歷多次氧化還原過程；在這些過程中，如果沉積物中未形成容易富集稀土元素的自生磷酸鹽礦物，則可能造成沉積物中稀土元素的丟失，這在圖6中P含量的分布情況有所顯示，即Mn富集的區域磷的含量較低。位于深淵區軸部的GT01巖心樣品富含有機質的硅藻層出現了多期次Mn紋層，含量高于2%（圖6），說明深淵區早期成巖作用十分劇烈[26?27]，這可能是導致深淵區沉積物相比于太平洋深海平原沉積物稀土含量明顯偏低的主要原因。同時，早期成巖作用對沉積物稀土含量的影響同樣反映在“挑戰者”深淵南坡不同深度沉積物上。研究發現，南坡站位離軸部越近，沉積物中稀土元素含量就越低。這與隨著水深增加，深淵沉積物中有機質含量增加，早期成巖作用進一步加強的認識是一致的[14?15]。

3.2 馬里亞納海溝深淵沉積物主要物質成分及成因機制

深淵沉積物由于其特殊的地理位置和沉積環境，以及復雜的構造背景和水動力條件，其來源也往往具有多源性[28]。本文研究顯示，沉積物主要有硅質生物軟泥、鈣質生物軟泥、自生沉積物（富微錳結核）以及紅色黏土類四種，其中紅色黏土類沉積物為主要類型。其微量元素蜘蛛網圖及稀土元素分配模式圖均與采樣區附近的蝕變基巖最為相似（圖5）。通過將Al與其他主量元素線性擬合發現，Al與Ti（R2=0.95，n=121）、Fe（R2=0.94，n=121）、Ca（R2=0.94，n=121）、K（R2=0.9，n=121）、Si（R2=-0.9，n=121））、Mg（R2=0.79，n=121）具有較強的線性相關關系（圖7）。這些主量元素在沉積物形成過程中遷移以及富集規律相似，主要以硅酸鹽的形式存在。結合礦物學分析可知，這主要反映了深淵沉積物以黏土礦物為主，包含少量蝕變巖屑礦物的組成特征。

硅鋁比值已被證實為有效的沉積物源識別指標[29]。研究區沉積物硅鋁比值的變化范圍為4.60～5.90（平均為5.20）。馬里亞納海溝附近的火山物質Si/Al的值介于2.60～3.07[30]，采樣區附近新鮮的玄武巖Si/Al的值約為3.38[10]，而馬里亞納海溝沸石相蝕變基巖比值約為5.09[12]。因此，基于Si/Al比值可發現馬里亞納海溝深淵中黏土類的沉積物在物源上則更接近于蝕變基巖。這一特征通過Sc-Th-Zr/10的三元圖中得到進一步體現（圖8），火山物質及新鮮的基巖與不同類型的蝕變基巖在圖中具有明顯的區別，而本研究中的沉積物樣品均落在不同類型蝕變基巖區域，且最接近沸石相蝕變基巖以及部分蝕變基巖，進一步表明馬里亞納海溝深淵沉積物主要來源于附近蝕變的基巖。

判別函數分析（Discriminant Function，DF）是追蹤沉積物物質來源較為常用的手段，DF值小于0.5則認為該物源與沉積物的組成有關，分值越小則貢獻度越大。前人對馬里亞納海溝南部沉積物利用判別函數（DF）分析，認為該區域主要物質來源于周邊火山、海底火山物質的貢獻和陸源物質的輸入[7]。通過對挑戰者深淵附近軸部、北坡和南坡15個站位表層沉積物以及GT01柱狀沉積物與周圍不同的火山源、玄武巖和蝕變基巖進行分析，結果顯示（表4），上覆板塊沸石相蝕變基巖DF值平均為0.011，俯沖板塊蝕變基巖DF平均值為0.013。本研究火山來源DF值介于0.10～0.21，前人火山來源的DF 值介于0.03～0.16[7，32?33]，雖然包括前人研究在內的不同地區的火山源DF值皆小于0.5，但是沸石相蝕變基巖及俯沖板塊蝕變基巖的DF值小于不同地區火山物質1～2個數量級，因此馬里亞納海溝深淵沉積物的主要物質來源于附近基巖的蝕變而非附近的火山物質（表4）。

3.3 不同成因機制對深淵沉積物的貢獻

雖然黏土類沉積為深淵沉積物的主要類型，但是硅質生源物質在深淵沉積物中的比例也不容忽視。為了進一步限定硅質生源物質在深淵沉積物中的比例，基于GT01巖心，根據海洋中生物Si含量半定量方法[35?36]限定生物Si和黏土礦物的含量，從而計算硅質生源物質對深淵沉積物的貢獻；同時根據黑色富錳層中的錳含量限定早期成巖作用影響，最終得出深淵沉積物中不同成分所占的比例。計算結果如表5所示，0～100 cm的范圍內沉積物主要受硅質生源物質的影響，生源硅超過50%；隨著深度的增加，硅質生源物質隨之遞減，黏土含量則超過50%；而在底部的褐紅色黏土層，硅藻含量則只有5%左右，約90%為黏土礦物。此外，在北坡、軸部和南坡的15個站位表層沉積物中，90%樣品為褐紅色黏土類型。因此，黏土礦物為深淵沉積物最主要的物質成分。

3.4 鈣質生物碎屑沉積物對俯沖碳循環的啟示

海洋生物的殘骸為深海沉積物的主要來源之一，主要分為鈣質沉積和硅質沉積。在碳酸鈣補償深度（Carbonate Compensation Depth，CCD）界面之上，沉積物富含鈣質軟泥，而在CCD界面之下，則主要為硅質軟泥。前人關于馬里亞納海溝深淵沉積物中生物碎屑的報道主要集中于不同類型的硅藻化石，并認為硅藻是馬里亞納海溝深淵沉積物最重要的生物碎屑物質來源[6]，主要原因則在于馬里亞納海溝“挑戰者”深淵位于CCD 界面之下。然而， 通過“奮斗者”號在馬里亞納海溝“挑戰者”深淵調查發現，深淵區也存在鈣質生物碎屑沉積物的分布。例如，“奮斗者”號FDZ065潛次在8 247 m海底采集的沉積物樣品為鈣質沉積物，主要成分為方解石，CaO 含量近40%。然而，關于在CCD界面以下的挑戰者深淵為何存在鈣質沉積物仍需進一步研究，這可能與鈣質沉積物在深海的快速堆積保存有關[37]。馬里亞納海溝為非增生俯沖邊緣，意味著俯沖板塊上所有的沉積物都將俯沖進入地球內部。該區域發現的鈣質生物碎屑沉積物表明，位于CCD界面以下的深淵區同樣存在無機沉積碳俯沖，這一部分無機碳可能對俯沖帶碳的輸入輸出通量計算和深部碳循環過程產生重要影響。

4 結論

（1） 馬里亞納海溝深淵沉積物主要分為褐紅色深海黏土質沉積物、硅質生物軟泥、自生沉積物（富微錳結核）及鈣質生物軟泥四種類型，沉積物成因主要受基巖蝕變、生物碎屑沉降以及早期成巖作用等三個方面的影響。

（2） 馬里亞納海溝深淵沉積物稀土含量低于太平洋其他地區深海沉積物，同時隨著水深的增加稀土元素含量逐漸降低，軸部稀土含量最低。而深淵底部因有機質富集而導致的異常活躍的早期成巖作用，是深淵沉積物相比鄰近深海沉積物具有低稀土元素含量以及沉積物中微錳結核富集的主要原因。

（3） 馬里亞納海溝俯沖和上覆板塊上的玄武質基巖蝕變對深淵沉積物物源組成影響巨大，貢獻了深淵沉積物的主要物質組成，這一認識挑戰了深淵沉積物主要來源于火山和陸源物質輸入的傳統觀點。

致謝 感謝三位評審專家及編輯部老師對本文提出的寶貴意見和建議； 感謝在DY37、TS01、TS03 及TS21 航次中全體參航人員的幫助。

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基金項目：中國科學院戰略性先導科技專項（XDB06020000）［Foundation： The Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sci?ences， No.XDB06020000］