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第 30 卷 第 1 期海 洋 学 报Vol 30, No 1 2008 年 1 月ACTA OCEANOLOGICA SINICAJanuary 2008 南海北部表层沉积物中黏土和碎屑矿物 组成及其地质意义 高水土1, 2, 张德玉3, 陈荣华1, 2, 赵庆英1, 2 1 国家海洋局 第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012; 2 国家海洋局 第二海洋研究所 国家海洋局海底科学重点实 验室, 浙江 杭州 310012; 3 国家海洋局 第一海洋研究所, 山东 青岛 266061 收稿日期 2006 -04 -28; 修订日期 2007 - 07 -02。 基金项目 国家自然科学基金资助项目 40176015 ; 国家专项资助项目。 作者简介 高水土 1950 , 男, 浙江省杭州市人, 高级工程师, 从事大洋沉积调查和黏土矿物学研究。E -mail zanghongklsg mail com 摘要 以 X -射线衍射仪和偏光显微镜为主要手段, 对南海调查区表层底质沉积物中黏土和碎屑矿 物组分进行分析和研究, 结果表明黏土矿物主要有伊利石、 蒙皂石、 高岭石和绿泥石, 其组合特征在 不同区域表现出明显的差异。碎屑成分主要由生物壳 钙质和硅质 、 轻矿物 石英、 长石为主 和含 量低但种类多的重矿物组成。一般认为物质来源是调查区沿岸风化岩石遭受进一步剥蚀后细小组 分通过水动力搬运沉积而成的。钙质和硅质生物壳分布受南海碳酸盐补偿深度 CCD 的控制。 关键词 表层沉积物; 黏土和碎屑矿物; 南海北部 中图分类号 P58822 P722 7 文献标识码 A 文章编号 0253 -41932008 01 -0086 -07 1 引言 南海位于广东省、 广西壮族自治区及台湾省以 南, 东濒菲律宾的吕宋岛, 西临越南及马来半岛, 南 至印度尼西亚北面的广阔海域。它的面积约为 350 km 2。南海地处欧亚、 太平洋和印度洋三大板块的 交汇处, 是连接太平洋和印度洋最便捷的交通要道。 南海海底地形总体特点是由北向南倾斜, 宏观上看, 陆架、 陆坡和海盆是其三大地貌特征, 次一级地貌单 元 如水下阶地、 水下三角洲、 谷地、 深海丘陵、 深海 平原、 洼地等 发育。独特和重要的地理位置引起了 国外一些国家的重视, 如美国、 前苏联、 日本和德国 等都对南海作了许多调查研究工作。我国在南海也 曾多次进行过地质、 地球物理、 生物和化学等学科的 调查和相关研究 [ 1 4] 。为进一步了解南海地质环 境, 近年来我们对其北部调查区 A 区和 B 区的表层 沉积物中的黏土与碎屑矿物组分进行了分析和研 究, 从而为 海底环境调查提供不可或缺的重要资 料。底质沉积物调查区如图 1 所示。 图 1 南海北部调查区位置示意图 2 黏土矿物特征 2 1 分析方法和数据处理 首先对 48 个表层沉积物样品进行处理。分别用 蒸馏水和双氧水除去可溶性盐类和有机质, 并利用 超声波使其充分 分散悬浮, 然后采用湿 筛法分离出 国家海洋局第二海洋研究所 南海北部表层沉积物调查报告 2000 大于 0 063 mm 的粒级组分, 对于小于 0 063 mm 的 组分采用沉降法, 而对于小于 2 m 的黏土组分则按 斯托克定律提取。获得黏土级样品后再用稀盐酸清 除碳酸钙和氯离子, 而后制成黏土薄片, 将其风干并 作乙二醇蒸气饱和处理, 对其中部分薄片分别按 150 和275 / h 加热。对经过这样预处理的黏土薄片在 相同的条件下进行 X -射线衍射分析。分析使用的仪 器为国产 Y500 型 X -射线衍射仪。分析条件 管电压 为40 kV, 管电流为 25 mA, 扫描速度为1 8 / min。 针对黏土矿物组成进行了定性和半定量分析。 定性分析主要是根据各矿物的 00l 衍射峰及其变 化与其标准衍射卡片进行对比来完成。半定量分析 是在乙二醇饱和处理的 X -射线衍射图谱上进行的, 并根据衍射峰的面积来反映黏土矿物的含量。由于 黏土样品的制样方法采用的是涂抹法, 因此对各黏 土矿物的加权系数作了调整, 即蒙皂石为 1, 伊利石 为 3, 高岭石和绿泥石均为 175。对所有分析数据 和 X -射线衍射图谱均由计算机自动处理完成。 2 2 黏土矿物组成 分析结果表明, 表层沉积物中的黏土矿物主要 有伊利石、 蒙皂石、 高岭石和绿泥石。在 A 区伊利 石含量最高 50 68 , 其次为绿泥石, 大部分含 量在 20左右, 蒙皂石和高岭石含量相对较低 一 般是百分之几至百分之十几 。在 B 区多数样品中 蒙皂石含量比伊利石的高, 但两者互补性强。高岭 石和绿泥石的含量变化不大 各站的黏土矿物含量 略, 可详见调查资料 。 2 3 黏土矿物组合特征 以上四种黏土矿物的组合特征在不同区域表现 出明显的差异。主要有两种不同组合 一种为伊利 石 -绿泥石 -蒙皂石 -高岭石, 另一种为蒙皂石 -绿泥 石 -伊利石 -高岭石。前者主要出现于研究区的西 部, 后者主要在东部, 即靠近吕宋岛西岸的海域。除 这两种主要组合类型外, 还有伊利石 -绿泥石 -高岭 石 -蒙皂石组合, 不过这类组合仅见于研究区西部的 南北两端的个别站位。 2 4 黏土矿物分布 伊利石是区内含量最高的黏土矿物 平均为 56 , 高含量 60 出现于西北和北部地区, 低 含量 45 的蒙皂石均集中于吕宋岛以西海 域, 低含量 30 , 在其他地方含量均低 见 图 2d 。 2 5 黏土矿物来源 一般认为海洋沉积物中的伊利石、 绿泥石、 高岭 石是陆源碎屑成因。我国华南大陆和台湾省以及菲 律宾群岛等地均有火山岩、 变质岩和沉积岩出 露 5, 6。它们风化的大量剥蚀物通过海流搬运, 为 研究区提供了丰富的黏土矿物。蒙皂石可能还有自 生成因之说。 3 碎屑颗粒特征 3 1 样品处理和鉴定方法 表层样品有 48 个, 它们分布在调查区的 A 区 和 B 区。对较细颗粒的沉积物样品都采用涂片方 法鉴定。取样品少许放于载玻片上, 滴上几滴蒸馏 水, 并使之均匀分布于载玻片上。烘干后将加拿大 树胶滴在样品上, 盖上盖玻片让其在室温下自然干 燥, 制成固定片。对粗颗粒样品的处理是先在其中加 入偏磷酸钠溶液浸泡至完全离散, 用水冲洗并选取大 于 63 m 的粒级组分, 烘干后经重液 CHBr3 三溴甲 烷 分离成轻、 重矿物组分, 分别称其质量并鉴定之。 在双目偏光镜下对各涂片中的生物壳体和矿物 种类作定量鉴定统计。一般在镜下观察三个相邻视 域, 鉴定的颗粒数为 300 500。生物壳分硅质和钙 质, 对它们分别统计。由于涂片鉴定很难区分某些 光学性质相似的矿物, 因而做如下归类处理 石 英、 长石等为轻矿物类; 云母、 绿泥石等为片状矿物 类; 磁铁矿、 钛铁矿等为黑色金属矿物类; 锆石、 磷 灰石等为抗风化矿物类; 十字石、 蓝晶石等为变质 矿物类; 对其他重矿物如闪石类、 辉石类等分别统 计, 最后计算出各类矿物的颗粒百分数。经重液分 离后的粗颗粒样品以实体显微镜鉴定为主 辅以偏 光显微镜 , 主要根据它们的物理特征和晶形鉴定, 对少数疑难矿物可在偏光镜下凭其光学性质特征予 871 期 高水土等 南海北部表层沉积物中黏土和碎屑矿物组成及其地质意义 图 2 黏土矿物分布特征 以确认, 并且统计不同矿物之颗粒数和所占的百 分数。 3 2 生物介壳和矿物碎屑成分及含量 碎屑成分主要由生物壳、 轻矿物和重矿物组成 图 3 , 两 区总 平均 含量 分别 达 43 30, 45 59 和 3 70。A 区和B 区各组分颗粒百分含量见表1和 2。 生物壳分为硅质壳和钙质壳两类, 包括硅藻、 放 射虫、 海绵骨针、 浮游和底栖有孔虫、 翼足类、 钙质超 微化石、 各种生物介壳体和团集物等。 轻矿物主要是石英、 斜长石、 钾长石等, 它们具 有陆源风化碎屑的特征, 颗粒多为半自形及短柱状, 其些矿物表面有风化物。 火山碎屑成分为火山玻璃, 白色- 深褐色, 无 固定形态。正交偏光下显示均质特征。 碎屑组分中的重矿物种类较多, 对它们的鉴定 特征不一一赘述。主要有角闪石 浅绿色, 长柱 状, 多色性显著, 二轴晶负光性 、 绿泥石、 绿帘石 粒状, 亮黄绿色 、 电气石 黑色, 长柱状, 多色性 和吸收性明显, 一轴晶负光性 、 锆石 高突起, 干 涉色鲜艳, 一轴晶正光性 、 石榴子石 浅粉红色, 图 3 表层沉积物中各碎屑组分颗粒百分含量分布示意图 88海洋学报 30 卷 表 1 A区表层沉积物中生物壳和碎屑矿物组分颗粒百分含量 种类平均含量 最高含量 最低含量 硅质壳27 5544 191232 钙质壳16 9336 39000 轻矿物45 5566 672636 重矿物3 867 80074 火山碎屑4 3910 66033 自生矿物2 355 20083 普通角闪石1 061 96000 片状矿物和绿泥石1 112 93019 抗风化矿物0 581 29017 铁锰微结核1 162 39000 碳酸盐矿物1 022 84022 岩屑0 511 13016 普通辉石0 801 76000 表 2 B 区表层沉积物中生物壳和碎屑矿物组分颗粒百分含量 种类平均含量 最高含量 最低含量 硅质壳27 4146 131073 钙质壳14 9927 88122 火山碎屑6 158 81206 轻矿物45 0453 643261 重矿物3 695 62142 片状矿物和绿泥石1 322 45053 自生矿物2 043 16087 岩屑0 471 15018 碳酸盐矿物0 821 42020 铁锰微结核1 061 60017 抗风化矿物0 580 88020 普通辉石0 811 37047 高突起, 均质 、 十字石 淡黄色, 多色性显著, 二 轴晶正光性 、 磁铁矿、 钛铁矿、 硅线石、 磷灰石以及 云母类和辉石类等矿物, 此外还有自生矿物, 如海 绿石和黄铁矿等, 它们多充填在生物介壳内。 3 3 生物和碎屑矿物的分布特征 硅质生物的高值带基本处于深海区 见图 4a , 含量大于 30 的区域主要在水深约 3 500 m 的深海 盆地, 即东沙附近 A 区 的东南部以及 B 区北部的 巴士海峡与巴林塘海峡之间的深海盆地边缘, 在其他 区域硅质生物含量一般小于 20。钙质生物含量大 于30的区域 见图4b 主要集中在 A 区的北部和西 北部, 在东南部含量小于 15 。含量在 15 30 的区域主要位于 B 区的中南部以及 A 区的中部。 轻矿物含量大于 50 的区域主要在 B 区的北 部 见图 4c , 大致位于巴林塘海峡以西海域, 另一 区域在 A 区南部。在其他地方含量均在 35 50。 重矿物高含量区在 A 区的东南部 含量大于 5 , 其次在 B 区 3 5 , 在其他地方含量均 小于 3 见图 4d 。 其他矿物 如片状矿物、 铁锰微粒、 自生矿物等 的分布因其单种含量太低不再赘述。 891 期 高水土等 南海北部表层沉积物中黏土和碎屑矿物组成及其地质意义 图 4 生物壳和碎屑矿物颗粒百分含量分布 3 4 生物与碎屑矿物的因子组合分析 在 48 个表层沉积物样品中至少对一个样品含 量大于 2 的组分进行 Q 型因子分析1, 其结果能 较好地反映研究区的生物壳和碎屑矿物组成及种类 的变化。 各组分的因子得分见表 3。因子 1 解释了总方 差的 2539 , 为轻矿物组合 根据其因子得分和各 样品的因子载荷分布而确定 , 并含有较多绿帘石和 抗风化矿物 锆石、 磷灰石 等重矿物, 主要分布在研 究区北部 巴士海峡和巴林塘海峡以西 和 A 区南 部。因子 2 解释了总方差的 14 33, 为铁锰微结 核、 碳酸盐矿物、 闪石类和火山玻璃组合, 分布在水 深 3 500 m 以深的南海深海盆地。因子 3 解释了总 方差的 1339 , 为钙质生物和碳酸盐矿物组合, 分 布在 A 区及 B 区中部的浅水区, 在水深 3 500 4 000 m处含量急剧减小。因子 4 解释了总方差的 1188 , 为硅质生物组合, 与因子 3 的分布正好相 反。 表 3 表层沉积物各组分因子分析得分 种类因子 1因子 2因子 3因子 4 钙质生物0 2110. 175- 0 830- 0 329 硅质生物- 0 0430 367- 0 4370 707 石英0 888- 0 02- 0 092- 0 239 长石0 899- 0 070 006- 0 195 绿帘石0 6330 020 208- 0 306 绿泥石和云母类- 0 1420 354- 0 1800 487 抗风化矿物0 4980 336- 0 3990 262 闪石类和火山玻璃0 3700 4090 293- 0 199 普通辉石0 4520 100 4940 298 铁锰微结核0 1640 5540 3060 282 碳酸盐矿物0 128- 0 572- 0 572- 0 263 海绿石和黄铁矿- 0 2520 1410 1410 214 90海洋学报 30 卷 3 5 沉积环境控制因素探讨 从各组分的含量和因子组合的分布可看出, 离 岸距离远近、 与海流相关的搬运作用以及水深对生 物和碎屑矿物各组分的平面和垂向分布影响最大。 生物壳类型在海底的分布受水深的影响最为明 显, 由于调查区海底水深变化大, 因此在某些区域 钙质壳和硅质壳的含量也有很大变化。钙质壳总体 呈水深增加而减少的趋势 见图 4b , 尤其在南海水 深3 500 4 000 m 的 CCD 界面以下的海底的含量 急剧减小。除个别样品外含量一般不足 5 , 甚至 缺失。由于二氧化硅在整个海水柱中都不饱和, 在 水深 3 000 m 以浅硅质壳含量都很低。在南海CCD 界面以下由于碳酸盐溶解, 钙质生物含量急剧减小, 硅质生物含量才明显增加, 最高可达 100 , 并控制 研究区水深较大的南海深海盆地 见图 4a 。因此, 因子的钙质生物组合和因子 4 的硅质生物组合实际 上反映的是与水深相关的深海碳酸盐溶解作用所导 致的变化。 碎屑矿物除碳酸盐成分受水深控制外, 其他矿 物分布均与水深关系不大, 呈现出台湾省以南和菲 律宾岛的西北部以及 B 区北部的矿物含量高的特 征 见图 4c, d , 说明研究区的碎屑矿物主要来源于 华南地区, 而且这些陆源物质主要通过巴士海峡和 台湾海峡的海流带来, 台湾省的物质的输入对本区 东北部的沉积有较大影响。有研究表明, 北部陆源 碎屑向南一直扩散到约 17N [ 4] 。除海流带来的亚 洲大陆陆源物质外, 该区也可能接受了吕宋岛较多 的风化物质, 这一点亦得到因子分析的证实 因子 1的轻矿物组合 含有较多重矿物 反映的是与搬运 作用相关的离岸距离远近和海流的影响; 因子 2 反 映的是火山物质和自生矿物存在的沉积环境。吕宋 岛的火山爆发为 A 区的大部分地区提供了丰富的 火山玻璃。铁锰微结核和黄铁矿微粒的存在与海底 的微环境有关, 前者形成于氧化环境中, 后者则以还 原环境为主, 因此在靠近巴士海峡与巴林塘海峡之 间的 B 区南部和 A 区西部, 在铁锰微结核比较富集 的情况下, 仅局部出现少量黄铁矿, 反之亦然。 上述分析研究结果使我们对南海北部表层沉积 物中黏土和碎屑矿物的组成、 含量、 分布特征以及物 质来源等问题有了进一步的了解, 从而为综合评估 各地质要素对南海海洋环境的影响提供了不可或缺 的重要基础资料。 4 结语 1 表层沉积物中的黏土矿物主要是伊利石、 蒙皂石、 高岭石和绿泥石。它们的组合特征在不同 区域表现出明显的差异 一种为伊利石 -绿泥石 -蒙 皂石 -高岭石, 另一种为蒙皂石 -绿泥石 -伊利石 -高岭 石。前者主要出现于研究区的西部, 后者主要出现 在东部。 2 碎屑组分由三大类组成 生物壳 钙质壳和 硅质壳 、 轻矿物 石英、 斜长石、 钾长石等 和较多种 类的重矿物。 3 各组分的 Q 型因子分析结果较好地反映了 研究区的生物壳和碎屑矿物组成及其种类的变化。 4 碎屑矿物来源, 除有些自生矿物受海底地 球化学因素 氧化或还原环境 影响外, 一般被认为 是陆上岩石, 特别是濒临南海的沿岸风化岩石遭受 进一步剥蚀后, 其细小组分通过水动力的搬运而成 的。钙质和硅质生物壳严格受水深的控制, 即在南 海碳酸盐补偿深度 3 500 4 000 m 以浅沉积着大 量钙质壳体, CCD 界面以下基本为硅质生物壳。 参考文献 [ 1] 国家海洋局 南海中部海域环境资源综合调查报告[ R] 北京 海洋出版社, 1988 269 278 [ 2] 陈忠, 夏斌, 颜文, 等 南海火山玻璃的分布特征、 化学成分及源区探讨[ J] 海洋学报, 2005, 27 5 73 79 [ 3] 谈丽芳 南海火山玻璃的初步研究[ J] 南海地质研究, 1991, 3 158 171 [ 4] 张富元, 张霄宇, 杨群慧, 等 南海东部海域的沉积作用和物质来源研究[ J] 海洋学报, 2005, 27 2 79 89 [ 5] 孙嘉诗 南海北部及广东沿海新生代火山活动[ J] 海洋地质与第四纪地质, 1991, 11 3 41 65 [ 6] ALT I C, HONNOREZ J Alteration of the upper oceanic crust, DSDP site 417 mineralogy and chemistry[ J] . Cotrib Mineral Petrol, 1984, 87 149 169 911 期 高水土等 南海北部表层沉积物中黏土和碎屑矿物组成及其地质意义 Composition of clay and detrital minerals in surface sediment of the northern South China Sea and geological significance GAO Shu- i tu1, 2, ZHANG De -yu3, CHEN Rong -hua1, 2, ZHAO Qing -ying1, 2 1 Second Institute of Oceanography , State Oceanic Administration, H angzhou 310012, China; 2 Key Laboratory of Sub - marine Geosciences of State Oceanic Administration, Second Institute of Oceanogranhy , State Oceanic Administration, H an- gzhou 310012, China; 3 First Institute of Oceanograp hy , State Oceanic A dministration, Qingdao 266061, China Abstract The compositions of clay and detrital minerals in the surface sediment of the northern South Ch- i na Sea are studied based on the analyses of X -ray diffraction and microscope observations It is found that clay minerals consist mainly of illite, smectite, kaolinite and chlorite Distribution characeteristics of the clay and detrital minerals are apparently different in the western and eastern areas Detrital compositions are mainly microfossils calcareous and siliceous , light minerals quartz and feldspar , and many kinds of heavy minerals with low contents The research result shows that the detrital materials are derived from the fine eroded debris in the coastal areas by the sea current T he distributions of calcareous and siliceous microfossils are apparently controlled by the carbonate dissolution. Key words surface sediment; clay and detrital minerals; northern South China Sea 92海洋学报 30 卷