b5-加拿大海盆表层沉积物中的粘土矿物.pdf

第2 6 卷第2 期 2 0 0 8 年4 月 海洋科 A D V A N C E SI N 学进展 M A R I N ES C I E N C E V 0 1 ．2 6N o ．2 A p r i l ，2 0 0 8 味木 疋科奇海一加拿大海盆表层 沉积物中的粘土矿物 张德玉1 ’2 ，高爱国h 2 ⋯，张道建1 1 ．国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛2 6 6 0 6 1 ；2 ．海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室，山东青岛2 6 6 0 6 1 ； 3 ．厦门大学海洋与环境学院海洋系，福建厦门3 6 1 0 0 5 摘 要楚科奇海～加拿大海盆表层沉积物中主要存在3 种粘土矿物组合1 伊利石一高岭石一绿泥石一蒙皂石， 仅见于加拿大海盆北部；2 伊利石一绿泥石一蒙皂石一高岭石，主要见于楚科奇海中部；3 伊利石一绿泥石一高岭 石一蒙皂石，普遍见于研究区内除上述两海区以外的广大区域。就各粘土矿物的区域变化而言，总体上由楚科奇 海向加拿大海盆，伊利石和高岭石呈含量增加趋势，绿泥石和蒙皂石含量呈减少趋势。根据粘土矿物的质量分数 和粘土矿物问比值的区域变化，可大体以 7 4 。3 0 ’N ，1 7 5 。W 和 7 1 。3 07 N ，1 5 0 。w 两点连线为界，将研究区分为南、北 两个明显不同的粘土矿物分区南区以绿泥石和蒙皂石含量较高为主要特征，其中s ／i 和S ／K 普遍较高、而K ／I 和 K ／O H 则普遍较低；北区则以伊利石和高岭石含量较高为主要特征，其中s ／i 和S ／K 普遍较低，而K ／I 和K ／C H 则 普遍较高。粘土矿物的这种分布格局和区域变化表明，在北冰洋的楚科奇海一加拿大海盆海域，不论是粘土矿物 的来源还是其分布变化的控制因素，都存在着明显的南、北之别在该海域的南部，粘土矿物主要来源于阿拉斯加 的岩石风化产物、育空河的入海物质以及东西伯利亚海沿岸主要河流的入海物质，其分布主要受来自太平洋的水 流结构和西伯利亚沿岸流所控制；而在该海域的北部，粘土矿物则主要来源于加拿大马更些河的入海物质和由北 冰洋欧亚海盆扩散而来的细粒物质，其分布主要受北冰洋的跨极漂流、来自大西洋的水流结构以及波弗特涡流等 所控制。 关键词楚科奇海；加拿大海盆；粘土矿物；区域变化；控制因素 中图分类号P 7 3 6 ．2文献标识码A文章编号1 6 7 1 - 6 6 4 7 2 0 0 8 0 2 一0 1 7 1 1 3 海洋沉积物中的粘土矿物是沉积物中比较稳定的主要组分，它们大都是来源于陆地上岩石的风化产物。 因此通过对粘土矿物的研究，不仅能有效地判识沉积物的来源及其扩散途径[ 1 1 ] ，而且还可以对源地的环境 和气候变化提供重要的信息E z , 5 - 9 3 ，正因为如此，人们对于海洋粘土矿物的研究一直予以高度重视。 对于北冰洋沉积物中的粘土矿物，因比其它组分更能有效地反映出沉积物的来源和扩散，所以得到了许 多学者的重视和研究，特别是对于北冰洋欧亚海盆中的粘土矿物，迄今已进行了较多的研究，并取得了许多 重要的研究成果E l o - 1 8 ] 。然而对于北冰洋美亚海盆 即楚科奇海一加拿大海盆海域 中的粘土矿物，除少数学 者进行过研究以外[ 3 ’1 钆”J9 ’2 ⋯，其他研究较少。这些研究结果表明，楚科奇海和阿拉斯加北冰洋陆架区粘土 矿物的来源和分布总体上主要受来自西面的西伯利亚沿岸流和来自南面的由白令海北部穿过白令海峡而进 人楚科奇海的洋流结构所制约∞‘1 1 ‘”矗⋯，前者带来的主要是以来自科雷马河与因迪吉尔卡河的富含伊利石 的粘土矿物组合为主，而后者带来的则主要是以来自育空河的富含蒙皂石的矿物组合为主。然而对于北冰 洋深水区和加拿大海盆中伊利石和高岭石的来源，不同学者看法则不尽相同有人认为可能主要与来自加拿 大马更些河的物源有关口⋯，但也有人认为可能与来自西部的富含伊利石的冰载沉积物有关E z l3 ，对此至今尚 收稿日期2 0 0 7 0 4 1 9 资助项目国家自然科学基金重点项目楚科奇海沉积物中古环境变化的地球化学响应 4 0 3 7 6 0 1 7 ；科技部中国一丹麦合作研究项 目东海晚第四纪高分辨率的古环境和古气候演变序列研究 2 0 0 2 D F G 0 0 0 3 4 作者简介张德玉 1 9 4 9 一 ，男，山东章丘人，研究员，主要从事海洋沉积、粘土矿物及大洋矿产资源研究与技术开发方面工作． 段焱编辑 万方数据 1 7 2 海洋科学进展2 6 卷 无定论。 本文旨在对楚科奇海一加拿大海盆表层沉积物中的粘土矿物进行研究，并根据粘土矿物的组合及区域 变化特征，对其来源和控制其分布变化的主要因素等进行探讨。 1 样品及研究方法 本文对我国第2 次北极科学考察期间 2 0 0 3 年7 月3 0 日一9 月7 日 取自楚科奇海一加拿大海盆海域 的共计4 3 个表层样品中的粘土矿物进行了分析。各样品的取样站位及本文研究区的位置如图l 所示。 图例 圆 研究区位置 表层取样站位 图1研究区位置及表层取样站位图 F i g ．1 L o c a t i o n so fs t u d ya r e aa n ds u r f a c es a m p l i n gs t a t i o n s 将所分析的样品首先用蒸馏水去除可溶性盐类，利用双氧水去除有机质，并利用超声波使其充分分散悬 浮。然后采用湿筛法分离出粒径 0 ．0 6 3m m 的砂粒级。对于粒径 0 ．2 4 主要出现在楚科奇海以北的广大海域，其最高比值 O ．3 6 均集中在研究区的最北部，即加拿大 海盆的北部；而较低的K ／I 比值 d 0 ．2 4 则主要集中在研究区的南部，即楚科奇海及其北部邻近海域，高于 0 ．2 4 的K ／I 比值仅出现在白令海峡以北靠近阿拉斯加半岛一侧和弗兰格尔岛以东的楚科奇海中部，而且其 最高比值大多在0 ．2 8 左右 图8 。 图3楚科奇海一加拿大海盆表层伊利石的区域变化特征 F i g ．3R e g i o n a lv a r i a t i o n so fi l l i t ei nt h es u r f a c e s e d i m e n t sf r o mt h eC h u k c h iS e a a n dt h eC a n a d i a nB a s i n 图4 楚科奇海一加拿大海盆表层蒙皂石的区域变化特征 F i g ．4R e g i o n a lv a r i a t i o n so fs m e c t i t ei nt h es u r f a c e s e d i m e n t sf r o mt h eC h u k c h iS e at h eC a n a d i a nB a s i n 万方数据 1 7 6海洋科学进展 2 6 卷 图5楚科奇海一加拿大海盆表层高岭石的区域变化特征 F i g ．5R e g i o n a lv a r i a t i o n so fk a o l i n i t ei nt h es u r f a c e s e d i m e n t sf r o mt h eC h u k c h iS e aa n dt h eC a n a d i a nB a s i n 图7 楚科奇海一加拿大海盆表层沉积物 中蒙皂石／伊利石 S ／1 比值的变化特征 F i g ．7R e g i o n a lv a r i a t i o n so fs m e c t i t e ／i l l i t e s ／I i nt h e 图6楚科奇海一加拿大海盆表层绿泥石的区域变化特征 F i g 。6R e g i o n a lv a r i a t i o n so fc h l o r i t ei nt h es u r f a c e s e d i m e n t sf r o mt h eC h u k e h iS e at h eC a n a d i a nB a s i n 图8 楚科奇海一加拿大海盆表层沉积物 中高岭石／伊利石 K ／I 比值的变化特征 F i g ．8R e g i o n a lv a r i a t i o n so fk a o l i n i t e ／i l l i t e K ／1 i nt h e s u r f a c es e d i m e n t sf r o mt h eC h u k c h iS e aa n dt h eC a n a d i a nB a s i n s u r f a c es e d i m e n t sf r o mt h eC h u k c h iS e aa n dt h eC a n a d i a ．1 勘s i n 万方数据 2 期张德玉，等楚科奇海一加拿大海盆表层沉积物中的粘土矿物 1 7 7 蒙皂石就总体而言，蒙皂石是本研究区内含量最低的粘土矿物，它在全区平均质量分数只有6 ％左右， 质量分数最高为1 4 ％，最低仅1 ％左右 表1 。由图4 可以看到，该矿物的分布格局与伊利石基本上呈相反 的变化趋势，其高含量区 质量分数 5 ％ 主要集中在楚科奇海，并在该海域形成一个近N E S w 向的蒙皂 石高含量区，其中最高含量区 质量分数 1 1 ％ 基本上位于楚科奇海的中央部位 图4 。而在楚科奇海以 北的广大海域，包括加拿大海盆、北冰洋深水区以及波弗特海西部在内，均为蒙皂石的低含量区 质量分数 1 4 ％ 主要集中在加拿大海盆和楚科奇海以北的北冰洋深水区，其中最高 含量区 质量分数 2 2 ％ 出现在加拿大海盆北部，而低含量区 质量分数 1 ．0 均集中在 加拿大海盆北部，向南该比值逐渐减小，至楚科奇海盆，该比值大都减小到0 ．5 以下，从而形成明显的北高南 低之势 图1 0 。 绿泥石就全区平均质量分数而言，该矿物是本研究区内位居第二的粘土矿物，其平均质量分数高达 2 7 ％以上 表1 。由图6 可以看到，在研究区的绝大部分海域，该矿物的质量分数都在2 3 ％以上，最高可达 3 8 ％左右，其中高含量区 质量分数 2 7 ％ 主要集中在楚科奇海及其北部邻近海域，特别是在阿拉斯加西北 岸外的陆架海域，绿泥石含量最高，由此向N 、W 和S W 三个方向以近似指状形态呈减少趋势 图6 。绿泥 石的低含量区 质量分数 5 ％ 主要集中在研究区南部的楚科奇海，其低含量区 质 量分数 2 0 ％ 的育空河人海物质也同时从白令海北部被带入楚科奇海，并在楚科奇海沉积下来，从而使楚科奇海成为来自 育空河物质的主要储存地。由此可见，本区蒙皂石的其他来源应该主要是来自育空河的人海物质，这一结论 与前人研究结果基本一致。但是需要指出的是，从图4 所示蒙皂石的总的分布格局来看，来自育空河的物质 主要影响的范围是 7 4 。3 0 ’N ，1 7 5 。W 和 7 1 。3 0 ’N ，1 5 0 。W 两点连线以南海域，而对这两点连线以北的广大海 域，其影响则大幅度减弱。看来，通过对楚科奇海及其邻近海域中蒙皂石分布变化的进一步研究，可以对深 入了解太平洋物质对北冰洋的影响范围和影响程度提供重要资料。 3 ．3 高岭石 高岭石主要形成于温暖潮湿的低纬陆地环境[ 5 。2 | ，而北极地区气候寒冷，又多冰冻，因此缺少形成高岭 石的有利条件。但是在北冰洋沉积物中高岭石的质量分数最高可达2 0 ％以上 表1 。对此许多学者认为， 北冰洋的高岭石主要是来源于陆地上含有高岭石或者先前已高岭石化的一些沉积岩的物理风化产物心H “， 其中欧亚海盆及其陆地边缘海中的高岭石主要来源于法兰士约瑟夫地群岛上的沉积岩[ 1 4 , 2 9 ] ，而美亚海盆及 其陆地边缘海中的高岭石可能主要来源于马更些河和育空河的人海物质[ 3 , 1 1 , 1 4 , 2 0 3 。对于本文研究区中的高 岭石，如前所述，其总的分布变化特点是由北向南呈减少趋势，而且也是以 7 4 。3 0 ’N ，1 7 5 。w 和 7 1 。3 0 ’N ， 1 5 0 。W 两点连线为界明显分为北部高含量区和南部低含量区 图5 。这一总的趋势恰与伊利石总的变化趋 势 图3 大体一致。因此可以推断，本区高岭石很可能与伊利石一样，主要与两个方面的来源有关一个是 来自加拿大马更些河的富含伊利石和高岭石 平均质量分数 1 3 ％[ 1 u 的人海物质；另一个是在上述大西洋 水流作用下由北冰洋欧亚海盆扩散而来的细颗粒物质。这两种不同来源的物质在上述大西洋水流和波弗特 涡流的双重作用下，造就了本区高岭石和伊利石均呈北高南低的分布格局。不过需要指出的是，由太平洋水 流带来的育空河人海物质和由西伯利亚沿岸流带来的科雷马河和因迪吉尔卡河的人海物质，也都含有一定 数量的高岭石u 1 1 。这些物质在太平洋水流和西伯利亚沿岸流的共同作用下，使楚科奇海中高岭石分布复杂 化，导致局部出现高岭石含量相对较高的现象 图5 ，但是对于全区高岭石总的分布变化趋势来说，并未产 万方数据 2 期张德玉，等楚科奇海一加拿大海盆表层沉积物中的粘土矿物 1 8 1 生重要的影响。 3 ．4 绿泥石 该矿物和伊利石一样主要是陆上岩石特别是变质岩和较老的沉积岩风化剥蚀而成的一种陆源碎屑矿 物[ 1 ’5 ] 。如前所述，本区绿泥石分布的主要特征是其高含量区 质量分数 2 7 ％ 几乎全部集中在 7 4 。3 0 ’N ， 1 7 5 。w 和 7 1 。3 07 N ，1 5 0 。w 两点连线以南的楚科奇海及其北面的邻近海域，特别是在阿拉斯加西北岸外的 陆架海域含量最高 质量分数 3 0 ％ ，由此向北、西和西南三个方向以近似指状形态呈减少趋势 图6 ；而 其低含量区 质量分数 2 5 ％ 则主要集中于上述两点连线以南的加拿大海盆和北冰洋的深水区，并在加拿 大海盆的最北部达到最低值 质量分数 2 0 ％ 。显然，绿泥石的这种分布特征明显说明其主要来源应在阿 拉斯加。研究表明，在阿拉斯加西北部出露有大量变质岩[ 3 1 | ，这些岩石的风化剥蚀无疑向楚科奇海提供了 大量富含绿泥石的物质。这些物质人海后，在来自太平洋的水流的作用下发生扩散，但由于该矿物颗粒一般 较粗，所以其高含量主要出现在其源地附近，而在远离其源地的海域，数量必然减少，可能正是由于这些原因 才形成了本区绿泥石的上述分布格局。但这里还应该指出，在西伯利亚大陆向欧亚海盆提供的物质中也含 有较多的绿泥石[ 1 1 ’“’26 I ，这些物质在西伯利亚沿岸流的作用下也有可能被带入楚科奇海，不过，可能由于其 数量有限，所以在楚科奇海的东南部出现有绿泥石的低含量区 图6 。 综合以上分析可以看到，本研究区表层沉积物中的粘土矿物均为陆源碎屑成因，它们的分布变化主要受 物质来源和洋流结构所制约在本区 7 4 。3 0 ’N ，1 7 5 。W 和 7 1 。3 07 N ，1 5 0 。w 两点连线以北的广大海域，即加 拿大海盆和北冰洋深水区，主要受北冰洋的跨极漂流、来自大西洋的水流结构和波弗特涡流的综合作用所控 制，粘土矿物的来源主要以来自加拿大马更些河的人海物质和由北冰洋欧亚海盆扩散而来的细粒物质为主； 而在上述两点连线以南的海域，即楚科奇海及其以北的邻近海域，则主要受来自太平洋的水流结构和西伯利 亚沿岸流所制约，粘土矿物的来源主要以来自阿拉斯加的岩石风化产物、育空河的人海物质以及东西伯利亚 海沿岸主要河流的人海物质为主。此外，海洋粘土矿物的分布受纬度控制的结论已为广大学者所接受，但是 北冰洋中高岭石的普遍存在表明，纬度的高低未必是控制粘土矿物分布的最重要的因素，相比之下，物质来 源和洋流结构特征对粘土矿物组合分布和区域变化的控制可能更为明显和有效。 4 结论 通过对北冰洋楚科奇海～加拿大海盆海域表层沉积物中粘土矿物的研究，可以得出如下结论 1 本区表层沉积物中的粘土矿物主要为伊利石，其次为绿泥石和高岭石，之后为蒙皂石。但在不同区域 这4 种粘土矿物的组合特征则有所不同在加拿大海盆北部为伊利石一高岭石一绿泥石一蒙皂石；在楚科奇 海中部为伊利石一绿泥石一蒙皂石一高岭石；在本区的其它区域则普遍为伊利石一绿泥石一高岭石一蒙 皂石。 2 本区粘土矿物的区域分布和变化具有明显的规律性总体上由楚科奇海向加拿大海盆，伊利石和高岭 石呈增加趋势，而绿泥石和蒙皂石则呈减少趋势。根据粘土矿物的质量分数和矿物间比值的区域变化，可大 体以 7 4 。3 07 N ，1 7 5 。W 和 7 1 。3 0 ’N ，1 5 0 。w 两点连线为界，将整个研究区分为南、北两个明显不同的粘土矿 物分区南区为绿泥石和蒙皂石的高含量区，其中S ／I 和S ／K 普遍较高、而K ／I 和K ／C H 则普遍较低；北区 为伊利石和高岭石的高含量区，其中s ／1 和S ／K 普遍较低，而K ／I 和K ／C H 则普遍较高。 3 本区粘土矿物均为陆源碎屑成因，其来源和分布主要受陆源物质的来源和北冰洋的环流结构所制约。 在本区南部，粘土矿物主要来源于阿拉斯加的岩石风化产物、育空河的人海物质以及东西伯利亚海沿岸主要 河流的人海物质，其分布格局主要受来自太平洋的水流结构和西伯利亚沿岸流所控制；而本区北部，粘土矿 物则主要来源于加拿大马更些河的入海物质和由北冰洋欧亚海盆扩散而来的细粒物质，其分布格局主要受 北冰洋的跨极漂流、来自大西洋的水流结构和波弗特涡流等所控制。 万方数据 1 8 2 海洋科学进展2 6 卷 4 J L 冰洋中高岭石的普遍存在表明，对于粘土矿物组合分布和区域变化的控制而言，虽然纬度的高低是 一个重要的因素，但是相比之下，物质的来源和洋流的结构可能是更为明显和有效的制约因素。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 1 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 3 [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 儿] [ 1 2 3 [ 1 3 1 [ 1 4 ] [ 1 5 1 [ 1 6 ] [ 1 7 ] [ 1 8 1 [ 1 9 ] [ 2 0 ] [ 2 1 ] [ 2 2 ] [ 2 3 ] [ 2 4 1 [ 2 5 ] G R I F F I NJJ ，W I N D ／M1 4 , 。G O L D B E R GED ．T h ed i s t r i b u t i o no fc l a ym i n e r a l si nt h ew o r l do c e a n [ J ] ．D e e p - s e aR e s ．，1 9 6 8 ，1 5 4 3 3 4 5 9 ． S I N G E RA ．T h ep a l e o c l i m a t i ci n t e r p r e t a t i o no fc l a ym i n e r a l si ns e d i m e n t s - Ar e v i e w [ J ] ．E a r t h S c i e n c eR e v i e w s ，1 9 8 4 ，2 1 2 5 1 _ 2 9 3 ． K H I MBK ．T w om o d e so fc l a y m i n e r a ld i s p e r s a lp a t h w a y sont h ec o n t i n e n t a ls h e l v e so ft h eE a s tS i b e r i a nS e aa n dw e s t e r nC h u k c h iS e a [ J ] ．G e o s c i e n c e sJ o u r n a l ，2 0 0 3 ，7 3 2 5 3 2 6 2 ． L A NxH ，z H A N GxH ，z H A N Gzx ．M a t e r i a lsourcesa n dt r a n s p o r t a t i o no fs e d i m e n t si nt h es o u t h e r nY e l l o wS e a [ J ] ．T r a n s a c t i o n s o fO c e a n o l o g ya n dL i m i n o l o g y ，2 0 0 5 ， 4 5 3 6 0 ．蓝先洪，张训华，张志殉．南黄海沉积物的物质来源及运移研究[ J ] ．海洋湖沼通报， 2 0 0 5 ， 4 5 3 - 6 0 ． C H A M I L E YH ．C l a ys e d i m e n t o l o g y [ M ] ．B e r l i n S p r i n g e r V e r l a g ，1 9 8 9 ． L A NxH ．P a l e o e n v i r o n m e n t a ls i g n i f i c a n c eo fc l a ym i n e r a la s s e m b l a g e si nm a r i n es e d i m e n t s [ J ] ．M a r i n eG e o l o g yL e t t e r s ，2 0 0 1 ，1 7 1 5 7 ．蓝先洪．海洋沉积物中粘土矿物组合特征的古环境意义[ J ] ．海洋地质动态，2 0 0 1 ，1 7 1 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n e n t a lo r i g i n [ J ] ．E a r t hS c i e n c e R e v i e w s ，2 0 0 0 ，4 9 2 0 l - 2 2 1 ． N A I D UAS ，C R E A G E RJS ，M O W A T TTC ．C l a ym i n e r a ld i s p e r s a lp a t t e r n si nt h en o r t hB e r i n ga n dC h u k c h iS e a s [ J ] ．M a r i n eG e o l o g Y ，1 9 8 2 。4 7 1 1 - 1 5 ． N A I D UAS ，M O W A T TTC ．S o u r c e sa n dd i s p e r s a lp a t t e r n so fc l a ym i n e r a l si ns u r f a c es e d i m e n t sf r o mt h ew e s t e r nc o n t i n e n t a ls h e l fa r easo fA l a s k a [ J ] ．G e o l o g i c a lS o c i e t yo fA m e r i c a nB u l l e t i n ．，1 9 8 3 ，9 4 8 4 1 8 5 4 ． N A I D UAS ，H A NMW ，M O W A T TTC ，e ta 1 ．C l a ym i n e r a l sa si n d i c a t o r so fS O U r c e so ft e r r i g e n o u ss e d i m e n t s ，t h e i rt r a n s p o r t a t i o n a n dd e p o s i t i o n B e r i n gB a s i n ，R u s s i a n A l a s k a nA r c t i c [ J ] ．M a r i n eG e o l o g y ，1 9 9 5 ，1 2 7 1 8 7 1 0 4 ． N U R N B E R GD ，W O L L E