DIGITAL IMAGE ANALYSIS OF PHOSPHATIC CEMENTATION OF CORAL CALCARRENITE IN THE SOUTH CHINA SEA AND ITS ENVIRONMENTAL IMPLICATIONS
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摘要: 应用计算机数字影像学原理,建立了对磷质胶结微细纹层研究的数值化方法,研究了西沙东岛珊瑚砂砾屑灰岩磷质胶结物的胶结结构和微纹层特征,定量地刻画了微条纹的宽度和颜色变化信息。东岛珊瑚砂砾屑灰岩磷质胶结物的形成以沉淀胶结为主,不同时期形成的胶结物微条纹系列,由于受到气候、生态因素的影响,具有不同的宽度、明暗度组合;对3个层次磷质胶结物的分析表明,在2 900~5 700 aBP西沙群岛东岛存在至少3次鸟类和植物的繁盛期;不同时期微纹层的气候、生态记录对比发现,相对稳定的气候条件有利于岛屿海鸟数量的扩大;提供了一种新的方法来探索岛屿鸟粪磷质胶结物的结构和生态环境意义。Abstract: A digitization method was established using the principles of digital image to study the microlaminae and textures of the guano phosphatic cementation of coral calcarrenite. By this high-resolution method, some characters of the microlaminaes such as width, brightness and color were described and analyzed quantificationally. The results showed that the deposition of guano-derived phosphate onto the surface of carbonate bioclasts layer by layer might have been controlled by the cementation process of the coral calcarrenite. The digital characteristics for the phosphatic cements of three sedimentation layers indicated that the cemented time of coral calcarrenite was obviously different, and at least three episodes could be distinguished. Since the phosphate cementation on the surface of coral calcarrenite was closely associated with the superficial coating of avian guano on this island, the cementation processes with different times implied that there were at least three flourish periods of seabird population and vegetation distribution on the Dongdao Island between 2 900 and 5 700 aBP. Furthermore, the phosphate cements formed at different stages had different digital character assemblages of microlaminae width and brightness which might have recorded the continuous information of historical climate and ecology change. Comparing the change curves of seabird population and the climate on Dongdao Island at three stages of 2 900 aBP, 5 000 aBP and 5 700 aBP, we can find that the relatively stable climate condition might be advantageous for the increase of seabird population. This paper provides a new approach to studying the texture characteristics of guano phosphate cements found in numerous islands of tropical regions and their eco-environmental implications.
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Keywords:
- phosphatic cementation /
- microlaminae /
- digital image /
- Dongdao Island
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西太平洋边缘海发育着地球上最年轻、最复杂的沟−弧−盆体系[1-4]，其独具特色的构造[5-7]、地形[8-13]和沉积作用[14-17]日益受到各界学者的关注。由于复杂地形的影响，西太平洋中一些远离陆地、夹在两大俯冲带之间且四周被深海沟包围的海盆会因岛弧和海脊的限制，形成陆源碎屑物质匮乏的近封闭海盆环境，例如西太平洋的帕里西维拉海盆。它地理位置特殊，东临西马里亚纳海脊，南部是复杂的沟弧和断裂带系统，西连帕劳海脊，北接四国海盆，与四国海盆连接处的索夫干断裂又阻挡了大部分从北而来的沉积物输送[18]。因而研究和对比帕里西维拉海盆与马里亚纳海沟的物质来源有助于我们认识西太平洋复杂地形控制下的深水沉积过程。
稀土元素（La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu和Y）由于其在运移过程中性质稳定，且蕴藏了源区的母岩类型、气候变化特征、沉积环境、搬运过程等多种信息，也被学者们誉为地球化学示踪剂、探途元素和指纹等，在追溯海洋沉积物物源时被广泛应用[17, 19-28]。
目前虽然在国际上中国对帕里西维拉海盆以及马里亚纳海沟的研究已经在物源、古气候、古海洋及构造等方面取得了优势性进展[7, 10, 13, 17, 19-20, 22, 27-40]，但前人成果多集中在帕里西维拉海盆西部，海盆东部的研究还存在大片空白。本文基于沉积物稀土元素地球化学分析方法，选取帕里西维拉海盆东南部的C-P19柱状样和马里亚纳海沟南坡的L3柱状样进行综合分析，探讨其物质来源并对比其差异性，该研究是对比西太平洋边缘海“沟−盆”深水沉积环境物质来源的一次新尝试，对今后研究深水沉积过程及物质输移路径都具有重要参考意义。
1. 材料与方法
1.1 样品采集
本文研究的C-P19重力柱状样（12.81°N、140.83°E）由“实验3”考察船于2016年马里亚纳海沟综合科考航次取得，水深4 171 m，位于西太平洋帕里西维拉海盆东南部（图1），柱长共378 cm。L3重力柱状样（10.35°N、142.29°E）位于马里亚纳海沟南坡，水深4 500 m，柱长共225 cm。
1.2 分析方法
1.2.1 粒度分析
本文对帕里西维拉海盆C-P19柱状样的184个样品和马里亚纳海沟南坡L3柱状样的表层（0 cm）、上层（45～50 cm）、中层（102～106 cm）以及下层（163～167 cm）4个样品进行了粒度分析。为了尽可能提取陆源信息，避免钙质、硅质生物的干扰，样品上机测试前需要进行预处理，具体方法如下：取约0.3 g样品放入15 mL离心管中，依次加入超纯水、H2O2溶液（15%）、冰乙酸溶液（20%）和2.0 mol/L的Na2CO3溶液，分别去除沉积物中的海盐、有机质、碳酸盐和生物硅组分。最后，上机测试前加入5 mL六偏磷酸钠（0.05 mol/L）分散样品，防止发生絮凝。
粒度分析使用英国Mastersizer-2000型激光粒度仪，在海底科学与探测技术教育部重点实验室完成，粒级间距为1/4 Φ，重复测量的相对误差在2%以内。本文平均粒径（Mz）采用McManus矩法计算。
1.2.2 碎屑组分重矿物分析
本文对帕里西维拉海盆C-P19柱状样上段（118 cm）、中段（170 cm）和下段（334 cm）3个样品以及马里亚纳海沟南坡L3柱状样表层（0 cm）、上层（45～50 cm）、中层（102～106 cm）和下层（163～167 cm）4个样品进行了重矿物分析，该实验在海底科学与探测技术教育部重点实验室完成。
取原样3～4 g，加15%的过氧化氢溶液去除有机质，充分反应后筛取0.063～0.125 mm粒级的碎屑矿物烘干，用三溴甲烷重液（相对密度：2.89 g/cm3）进行轻、重矿物组分分离。然后采用体视显微镜和偏光显微镜油浸法，对重矿物进行系统鉴定，样品量小于0.4 g时，对全部颗粒进行观察鉴定，超过0.4 g的样品则用四分法或条带分段法缩分，计数300～500颗以求得各种矿物的颗粒百分含量。
1.2.3 稀土元素分析
C-P19柱状样顶部（4～62 cm）和底部（324～374 cm）按10 cm的间隔取样，中间部分（62～324 cm）按20 cm的间隔取样，共25个样品进行了元素分析。L3柱状样中对表层（0 cm）、上段（45～50 cm）、中段（102～106 cm）和下段（163～167 cm）共4个样品进行了稀土元素分析。样品烘干后用玛瑙研钵研成200目的粉末，再次烘干冷却后准确称取40.00 mg（39～41）置于聚四氟乙烯材质的溶样内胆中，加入经亚沸蒸馏的高纯HNO3和HF（各1.50 mL）并摇匀。将聚四氟乙烯内胆拧紧瓶盖后放入不锈钢消解罐中，旋紧外盖后放入烘箱，180 ℃高温加热48 h以上，冷却后取出内胆，于开口状态下置于电热板上加热，蒸至内胆中的溶液呈湿盐状，随后再加入1 mL经亚沸蒸馏的HNO3蒸干（排出残余的HF），然后加入3 mL经亚沸蒸馏的高纯HNO3和HF混合溶液（按照1∶1比例，即HNO3和HF各1.50 mL），再放入烘箱150 ℃加热24 h以上，以确保对样品的完全提取。冷却后，将最终的提取液转移至干净的聚酯瓶中，再用2%的稀HNO3定容至80 g，待测。
以国家有色金属及电子材料分析测试中心多元素标准溶液（GNM-M16181、GNM-M33198）制备曲线用标准溶液，来绘制标准工作曲线，同时以GBW07308a、GBW07315、GBW07316为监控样品，使用Varian820电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，美国瓦里安公司制造）测定了稀土元素（La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu，Y）和微量元素Zr。所测定元素的相对标准偏差（RSD）均小于5%，符合要求。
稀土元素含量使用北美页岩进行标准化[41]，Ce/Ce*和Eu/Eu*的计算参照[42]：δCe=Ce/Ce*=CeN/（1/2LaN+1/2PrN），δEu=Eu/Eu*=EuN/（1/2SmN+1/2GdN）。
1.2.4 物源判别分析
为了判别各可能物源对该区沉积物物质来源的贡献及影响程度，我们利用物源判别函数进行判断。具体公式如下：
$$ {\rm{DF = }}\left( {{{\rm{C}}_{{\rm{1x}}}}{\rm{/}}{{\rm{C}}_{{\rm{2x}}}}} \right){\rm{/}}\left( {{{\rm{C}}_{{\rm{1L}}}}{\rm{/}}{{\rm{C}}_{{\rm{2L}}}}} \right){\rm{ - 1}} $$ 式中，（C1x/C2x）表示研究区样品中两种元素的比值，（C1L/C2L）表示可能的潜在物源中两种元素的比值。当|DF|＜0.5时，指示二者的物源相近，且|DF|值越小，二者的沉积物来源越相近，该方法已广泛应用于海洋沉积物的物源判别[17, 19-20, 22, 28, 43]。
由于稀土元素性质稳定，且各元素间的化学性质非常相近，为了提高DF公式判别的准确性，我们决定选用稀土元素对Lu/Yb和Sm/Nd来分别计算当地的火山物质来源和经风尘输入的陆源黄土来源。
2. 实验结果
2.1 岩性特征
帕里西维拉海盆的C-P19柱状样沉积物为黄褐色深海软泥，其颜色在浅黄色—棕色—棕褐色间交替变化，4～22 cm，沉积物含水量高，颜色较浅，呈浅黄色，偶见有孔虫；22～50 cm，样品呈棕色，52～60 cm，样品颜色再次变浅，呈浅黄色；随后颜色加深，含水量减少，沉积物压实致密，颜色以棕色—棕褐色为主，在104和226 cm处又可见几厘米的浅黄色沉积层。
马里亚纳海沟南坡的L3柱状样沉积物为褐黄色深海软泥，表层含少量砾石（主要为岩屑和结核），底部致密，各层段样品颜色一致，未见明显变化。
2.2 粒度特征
根据Shepard沉积物分类方案，帕里西维拉海盆C-P19柱状样沉积物多为粉砂和砂质粉砂，含少量黏土质粉砂，偶见粉砂质砂。平均粒径的变化范围较大，为5.32～86.76 μm，平均值为19.97 μm；分选系数为1.11～2.89，平均值为1.62，分选较差；偏态为−0.46～0.14，平均值为−0.29，为负偏；峰态为0.74～1.39，平均为1.11，峰态呈中等—窄（表1）。
表 1 L3和C-P19柱状样的粒度参数Table 1. Grain size parameters of the cores L3 and C-P19样品 深度 平均粒径/μm 分选系数 偏度 峰态 砂/% 粉砂/% 黏土/% L3柱状样 表层（0 cm） 14.68 2.40 −1.34 3.00 22.23 55.88 21.89 上层（45～50 cm） 12.11 1.49 1.01 2.01 5.21 82.68 12.11 中层（102～106 cm） 14.19 1.49 0.69 1.99 8.62 82.27 9.12 下层（163～167 cm） 12.53 1.50 −0.54 2.03 6.78 82.20 11.01 平均值 13.38 1.72 −0.05 2.26 10.71 75.76 13.53 C-P19柱状样 最小值 5.32 1.11 −0.46 0.74 0 40.66 4.95 最大值 86.76 2.89 0.14 1.39 53.05 87.88 37.34 平均值 19.97 1.62 −0.29 1.11 14.88 73.06 12.06 马里亚纳海沟南坡L3柱状样沉积物多为粉砂，仅表层样品为砂质粉砂，平均粒径变化范围较小，为12.11～14.68 μm，平均值为13.38 μm，沉积物粒度明显比C-P19小得多；分选系数为1.49～2.40，平均值为1.72，分选差；偏态的波动范围较大，为−1.34～1.01，平均值为−0.05，近于对称；峰态变化范围为1.99～3.00，平均为2.26，峰态很窄（表1）。
2.3 重矿物组合及其变化特征
2.3.1 帕里西维拉海盆C-P19柱状样
帕里西维拉海盆C-P19柱状样沉积物中63～125 μm的碎屑矿物含量低，其变化范围为0.26%～0.86%，平均为0.63%，其中重矿物含量在碎屑矿物中占0.55%～1.89%，平均为1.11%。重矿物种类较单一，已鉴定的有10种，其中主要矿物有磁铁矿、钛铁矿、锆石、斜方辉石、绿帘石、普通角闪石，质量分数较低或仅在个别层位出现的矿物有赤、褐铁矿和白云母，此外还可见大量岩屑。岩屑以基性为主，颜色较深，呈黑色、红褐色等，结构致密。在不同段位，重矿物类型差别不大，但各矿物所占比例具有明显差异（表2）。
表 2 C-P19和L3柱状样沉积物中主要重矿物类型及所占比例（%）Table 2. Types of heavy minerals and their proportions in the sediments of core L3 and C-P19（%）矿物类型 C-P19柱状样 L3柱状样 上 中 下 表 上 中 下 磁铁矿 20 44.33 16.67 4.02 3.44 4.46 钛铁矿 3.64 11.34 8.89 2.89 2.87 2.19 17.83 赤、褐铁矿 4.12 5.20 19.54 17.81 21.66 锆石 20 2.06 4.44 0.87 0.57 1.25 0.96 榍石 0.32 磷灰石 0.31 金红石 0.58 0.96 电气石 1.82 1.03 1.45 1.15 石榴石 0.58 0.57 斜方辉石 10.91 3.09 27.78 4.05 8.05 4.69 0.96 单斜辉石 16.18 26.72 12.19 2.23 普通角闪石 9.09 6.19 6.67 5.20 4.60 1.25 1.59 阳起透闪石 1.45 0.57 0.32 绿帘石 9.09 14.43 14.44 5.49 6.32 4.06 1.59 （斜）黝帘石 0.29 黑云母 1.11 白云母 1.82 2.06 0.58 1.25 自生黄铁矿 2.19 0.32 碳酸盐 3.76 2.87 0.96 水云母 1.25 岩屑 23.64 11.34 20 51.73 21.84 47.81 45.86 重晶石 0.31 2.3.2 马里亚纳海沟南坡L3柱状样
马里亚纳海沟南坡L3柱状样沉积物中63～125 μm的碎屑矿物含量低，其变化范围为0.28%～2.15%，平均为0.79%，但重矿物含量在碎屑矿物中所占比例较高，为4.53%～22.86%，平均为14.16%。重矿物类型比帕里西维拉海盆复杂，主要有岩屑、单斜辉石、斜方辉石、赤/褐铁矿、普通角闪石、磁铁矿、钛铁矿、绿帘石、锆石等，质量分数较低或仅在个别层位出现的矿物有白云母、电气石、金红石、磷灰石、重晶石、自生黄铁矿、透闪石、石榴石、榍石等（表2），偶见火山玻璃，在偏光镜下呈浅色、气孔状、珍珠状及其他不规则形状，正极低突起的非晶质矿物。
2.4 稀土元素的垂向分布特征
2.4.1 帕里西维拉海盆C-P19柱状样
帕里西维拉海盆C-P19柱状样沉积物的稀土元素测试结果见表3。样品整体稀土元素总量（∑REY，∑REE+Y）的变化范围为147.15～342.29 μg/g，平均为282.25 μg/g，样品表现为明显的δCe负异常和轻微δEu正异常，其中δCe为0.58～0.72，平均值为0.64，δEu值为1.10～1.18，平均值为1.13。
表 3 C-P19和L3柱状样沉积物稀土元素含量（μg/g）及特征参数Table 3. REE contents（μg/g）and characteristic parameters of the core C-P19 and L3深度/cm La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Y ∑REY ∑LREE/
∑HREEδEu δCe (La/sm)N (La/Yb)N (Sm/Yb)N C-P19 4 22.86 32.84 5.90 25.04 5.69 1.47 5.59 0.94 6.13 1.18 3.02 0.47 2.72 0.43 32.87 147.15 6.21 1.14 0.62 0.72 0.81 1.14 12 25.61 37.75 6.57 27.88 6.28 1.60 6.24 1.04 6.94 1.29 3.38 0.53 3.00 0.49 37.38 165.98 6.27 1.13 0.63 0.73 0.83 1.14 22 28.76 41.18 7.43 31.45 7.02 1.84 7.22 1.19 7.94 1.49 3.81 0.59 3.46 0.54 40.87 184.79 6.10 1.14 0.61 0.73 0.81 1.10 32 44.03 64.69 11.61 49.07 11.33 2.91 11.23 1.86 12.38 2.31 6.07 0.94 5.43 0.85 61.28 285.99 6.05 1.13 0.62 0.69 0.79 1.14 42 45.33 64.25 11.99 50.24 11.78 3.04 11.58 1.93 12.67 2.33 6.14 0.96 5.57 0.85 63.8 292.46 6.02 1.14 0.60 0.69 0.79 1.15 52 33.86 50.91 8.75 36.47 8.20 2.08 8.02 1.34 8.72 1.61 4.22 0.64 3.77 0.58 43.38 212.55 6.65 1.12 0.64 0.74 0.87 1.18 62 35.12 53.33 9.09 37.96 8.51 2.19 8.34 1.38 9.07 1.67 4.35 0.68 3.93 0.60 45.98 222.20 6.68 1.14 0.65 0.74 0.87 1.18 82 50.68 69.61 13.04 55.60 12.81 3.31 12.91 2.11 14.12 2.64 6.89 1.05 6.27 0.98 70.08 322.10 5.91 1.13 0.59 0.70 0.78 1.11 104 44.79 63.97 11.63 48.57 11.10 2.82 11.01 1.83 12.08 2.22 5.76 0.89 5.23 0.80 59 281.70 6.26 1.12 0.61 0.72 0.83 1.15 124 52.67 72.03 13.55 57.26 13.06 3.29 13.18 2.22 14.62 2.77 7.31 1.12 6.62 1.02 72.87 333.59 5.84 1.10 0.59 0.72 0.77 1.07 144 49.86 71.61 12.34 51.72 11.90 3.00 11.89 1.95 13.19 2.44 6.55 1.02 5.96 0.93 67.96 312.32 6.16 1.11 0.63 0.75 0.81 1.09 164 55.18 73.29 13.51 57.72 13.03 3.30 13.27 2.18 14.76 2.74 7.31 1.11 6.70 1.02 75.27 340.39 5.93 1.10 0.58 0.75 0.80 1.06 184 54.92 74.60 13.37 56.69 12.88 3.27 12.97 2.15 14.80 2.81 7.55 1.16 6.92 1.06 77.14 342.29 5.82 1.11 0.60 0.76 0.77 1.01 206 52.24 74.37 13.03 54.29 12.32 3.16 12.29 2.05 13.39 2.58 6.83 1.06 6.32 0.96 68.52 323.41 6.23 1.13 0.62 0.76 0.80 1.06 226 37.47 53.26 9.23 38.45 8.65 2.14 8.47 1.37 9.13 1.66 4.47 0.68 4.07 0.60 45.82 225.47 6.72 1.10 0.62 0.77 0.89 1.16 244 51.09 76.51 12.51 52.41 11.88 3.07 11.66 1.93 12.72 2.34 6.34 0.98 5.79 0.87 62.42 312.52 6.63 1.14 0.66 0.77 0.85 1.12 264 52.80 79.24 13.12 54.65 12.51 3.12 12.34 2.04 13.37 2.41 6.45 1.00 5.97 0.91 65.95 325.88 6.64 1.10 0.66 0.75 0.86 1.14 284 51.23 77.78 12.63 52.28 11.85 3.04 11.54 1.92 12.78 2.36 6.38 0.99 5.96 0.90 63.5 315.14 6.60 1.14 0.67 0.77 0.83 1.08 304 49.64 79.23 12.23 50.96 11.43 2.83 11.01 1.81 11.91 2.17 5.65 0.90 5.33 0.81 58.46 304.37 7.17 1.11 0.70 0.77 0.90 1.16 324 51.59 84.12 12.47 51.20 11.22 2.85 10.77 1.76 11.49 2.11 5.67 0.87 5.21 0.78 57.32 309.43 7.63 1.14 0.72 0.82 0.96 1.17 334 51.26 79.98 12.37 50.30 11.07 2.80 10.44 1.71 11.34 2.04 5.49 0.83 5.04 0.76 56.95 302.38 7.61 1.14 0.69 0.83 0.99 1.19 344 51.74 77.81 12.27 50.40 11.00 2.90 10.61 1.72 11.49 2.10 5.66 0.86 5.18 0.79 59.11 303.64 7.37 1.18 0.67 0.84 0.97 1.15 354 51.28 77.86 12.29 50.87 11.15 2.91 10.71 1.75 11.58 2.14 5.57 0.87 5.30 0.79 57.03 302.10 7.32 1.17 0.68 0.82 0.94 1.14 364 49.19 72.76 11.90 49.18 10.83 2.82 10.47 1.72 11.37 2.02 5.46 0.84 5.08 0.76 59.72 294.12 7.17 1.16 0.66 0.81 0.94 1.16 374 48.58 73.91 11.82 49.77 10.95 2.84 10.70 1.75 11.53 2.18 5.73 0.90 5.40 0.81 57.45 294.32 6.93 1.15 0.67 0.79 0.87 1.10 L3 0 69.1 62.9 19.0 82.9 19.7 5.00 20.6 3.38 18.9 4.27 11.1 1.66 10.1 1.55 121.56 451.61 4.92 1.09 0.38 0.63 0.66 1.06 50 49.2 61.1 13.3 56.3 13.2 3.54 13.6 2.22 12.4 2.71 7.05 1.05 6.41 0.99 74.58 317.52 5.88 1.16 0.52 0.67 0.74 1.12 106 44.1 51.4 11.9 51.6 12.2 3.15 12.6 2.06 11.4 2.53 6.72 1.01 6.07 0.94 68.17 285.85 5.55 1.12 0.49 0.65 0.70 1.09 167 41.7 55.5 11.0 47.1 11.1 2.87 11.2 1.83 9.99 2.19 5.77 0.873 5.14 0.80 59.51 266.67 6.27 1.13 0.56 0.67 0.79 1.17 轻稀土元素（La-Eu）总量（∑LREE）与重稀土元素（Gd-Lu）总量（∑HREE）比值变化范围为5.82～7.63，平均为6.56，表明轻重稀土元素间发生了明显的分异，轻稀土与重稀土相比更加富集，且随深度增加呈现缓慢递增趋势。分别用稀土元素对（La/Yb）N、（La/Sm）N和（Sm/Yb）N代表轻稀土（La-Nd）、中稀土（Sm-Dy）和重稀土（Ho-Lu+Y）之间的比值关系，C-P19柱状样沉积物的（La/Yb）N、（La/Sm）N和（Sm/Yb）N平均值分别为0.76、0.85和1.13，显示轻、中、重稀土元素内部也发生了轻微的分异作用，且轻稀土和中稀土元素的富集程度在垂向上变化趋势相近（表3）。
2.4.2 马里亚纳海沟南坡L3柱状样
马里亚纳海沟南坡L3柱状样表、上、中、下段沉积物的稀土元素测试结果见表3。柱状样中表层（0 cm）稀土含量总量最高，∑REY为451.61 μg/g，明显高于帕里西维拉海盆的C-P19柱状样。样品表现为明显的δCe负异常和轻微δEu正异常，其中δCe平均为0.49，δEu平均为1.13。
马里亚纳海沟南坡L3柱状样轻稀土元素（La-Eu）总量（∑LREE）与重稀土元素（Gd-Lu）总量（∑HREE）比值∑LREE/∑HREE的变化范围为4.92～6.27，平均值为5.66，表明轻重稀土元素间发生了明显的分异，轻稀土与重稀土相比更加富集，且轻重稀土元素的分异程度随深度增加而增加（表3）。（La/Yb）N、（La/Sm）N和（Sm/Yb）N比值结果显示，L3柱状样沉积物的轻、中、重稀土元素内部也发生了较明显的分异作用，且中稀土和重稀土富集程度相似。
2.5 稀土元素的配分模式
帕里西维拉海盆C-P19柱状样和马里亚纳海沟南坡L3柱状样沉积物的稀土元素经过北美页岩标准化后均显示出一致的配分模式，指示其沉积物来源具有一定相似性。由图2可知，二者轻、重稀土均呈较富集状态，C-P19柱状样上段（4～104 cm）的稀土元素总量较中段（124～304 cm）和下段（324～374 cm）略低，而L3柱状样则恰好相反，其表层的稀土元素总量明显较其他层位高，该差异可能是由这段沉积时期二者物源供给情况不同导致的。此外，C-P19柱状样和L3柱状样的稀土元素配分曲线中均表现出明显的Ce负异常，和轻微的Eu正异常，且L3柱状样沉积物的Ce负异常程度明显比C-P19大。
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图 2 帕里西维拉海盆和马里亚纳海沟南坡柱状样沉积物稀土元素北美页岩标准化配分曲线图Figure 2. NASC-normalized REE patterns of core samples in the Parece Vela Basin and south slope of the Mariana Trench3. 讨论
3.1 粒度对稀土元素含量的影响
研究结果显示，影响海洋沉积物中的稀土含量分布最主要的因素是物源[44-47]，此外，沉积物粒级也会造成REE含量与分布的差异[48-50]。因此，在用REE示踪沉积物物源时，应对其制约因素进行讨论。粒度是影响沉积物REE组成的重要因素，且前人研究表明REE存在明显向细粒沉积物中富集的趋势[49-50]。C-P19柱状样沉积物中∑REY与黏土含量和平均粒径均无明显相关性，相关系数分别为0.37和0.13（图3），说明研究区稀土元素富集与沉积物粒度的关系较弱。
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图 3 C-P19柱状样沉积物∑REY含量与粒度相关图Figure 3. Correlation diagram of ∑REY content and grain size of the C-P19 core sediments3.2 物源分析
3.2.1 重矿物对物源的指示
在不考虑岩屑的情况下，根据矿物的稳定性可将重矿物分为4类，研究结果表明：马里亚纳海沟南坡L3柱状样沉积物以稳定矿物（平均45.74%）和不稳定矿物（平均39.04%）为主，相对稳定矿物（平均10.18%）含量次之，极稳定矿物（平均5.38%）含量最低；而帕里西维拉海盆C-P19柱状样沉积物以稳定矿物（平均43.44%）为主，不稳定矿物（平均26.57%）含量次之，相对稳定矿物（平均15.41%）和极稳定矿物（平均11.36%）含量最低（图4）。
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图 4 马里亚纳海沟南坡和帕里西维拉海盆沉积物重矿物含量对比Figure 4. Comparison of heavy mineral contents in the sediments of the south slope of Mariana Trench and the Parece Vela Basin在帕里西维拉海盆和马里亚纳海沟南坡，表征矿物成熟度的ZTR/HP=（锆石+电气石+金红石）/（角闪石+辉石）分别为0.43和0.15，说明帕里西维拉海盆沉积物中的矿物成熟度比马里亚纳海沟南坡高，由此可以推断马里亚纳海沟南坡沉积物应以近源沉积的火山物质为主，而帕里西维拉海盆沉积物中除了沉积来自周边的火山碎屑等不稳定矿物之外，还可能有部分经由远距离搬运而来的以稳定矿物为主的沉积物来源。
重矿物的含量也可以对稀土元素有重要贡献[50]，并且一些特征重矿物（如磷灰石、锆石、榍石、独居石等）可能会影响沉积物的REE分异特征与配分曲线形态。重矿物分析结果显示，C-P19柱状样沉积物中未见磷灰石、榍石和独居石等重矿物类型，但锆石在各层位中均有分布，其∑REY与Zr元素的相关系数为0.86，表明帕里西维拉海盆沉积物中的稀土元素含量与锆石含量呈正相关。L3柱状样沉积物中锆石、榍石和磷灰石的总和在表、上、中、下层位中的含量均小于2%，故不考虑特征重矿物对马里亚纳海沟南坡沉积物中稀土元素富集的影响。
3.2.2 稀土元素对物源的指示
前人研究表明，帕里西维拉海盆和马里亚纳海沟受东亚冬季风影响明显，其沉积物物源除了来自附近岛弧、海脊的火山物质外，还有小部分陆源风尘的输入[17, 34-35, 37-38, 51]。为了进一步确定研究区沉积物中火山物质和大陆风尘对物源的贡献，我们计算了各潜在可能物源的DF值，结果见表4。
表 4 帕里西维拉海盆和马里亚纳海沟物源判别函数值（DF）Table 4. DF value of provenance discrimination function in the Parece Vela Basin and the Mariana Trench样品类型 火山源 陆源 九州-帕劳海脊
凝灰岩马里亚纳海槽
玄武岩西马里亚纳海脊
凝灰岩帕里西维拉海盆
凝灰岩中国黄土 C-P19柱状样 0.09 0.11 0.03 0.12 0.37 L3柱状样 0.08 0.12 0.02 0.14 0.44 JL7KGC01A柱状样 0.10 0.09 0.04 0.11 0.38 CD-1柱状样 0.10 0.10 0.04 0.11 0.43 GC3柱状样 0.04 0.19 0.05 0.21 0.39 GC4柱状样 0.04 0.18 0.04 0.19 0.38 GC5柱状样 0.03 0.19 0.05 0.20 0.39 BC11柱状样 0.07 0.15 0.04 0.17 0.39 马里亚纳海沟挑战者深渊上方
水体中的沉降颗粒物0.09 0.12 0.05 0.13 0.35 东菲律宾海深海黏土 0.07 0.02 0.12 0.33 注：计算所用Lu/Yb和Sm/Nd数据分别来自于：九州−帕劳海脊、西马里亚纳海脊和帕里西维拉海盆凝灰岩数据源于文献[52]；马里亚纳海槽玄武岩数据源于文献[53]；中国黄土数据源于文献[54]。JL7KGC01A柱状样的DF值据文献[22]计算；CD-1柱状样的DF值据文献[28]计算；GC3、GC4、GC5和BC11柱状样的DF值据文献[39]计算；挑战者深渊下沉颗粒的DF值引自文献[17]；东菲律宾海深海黏土DF值引自文献[19]。 由表4可知，九州−帕劳海脊、马里亚纳海槽玄武岩、西马里亚纳海脊凝灰岩以及帕里西维拉海盆凝灰岩火山物质的DF值都远小于0.5，表明当地及附近火山物质是帕里西维拉海盆C-P19柱状样和马里亚纳海沟南坡L3柱状样的主要物质来源。此外，我们还将结果与马里亚纳海沟南坡附近的其他柱状样（JL7KGC01A, CD-1, GC3, GC4, GC5和BC11）和马里亚纳海沟挑战者深渊上方水体中的下沉颗粒进行了对比，研究结果表明，马里亚纳“沟−盆”沉积体系中，沉积物来源具有同源性，且来自西马里亚纳海脊的火山物质对该区沉积物来源的贡献最大。
研究区C-P19柱状样和L3柱状样的陆源中国黄土的DF值虽然也小于0.5，但是与火山源DF结果相比，明显偏高，说明来自中国黄土的陆源风尘物质对研究区的沉积物来源存在一定贡献，但其贡献程度与火山物质相比要小得多。此外，可能由于马里亚纳海沟南坡距离亚洲大陆更远且纬度更低，受东亚冬季风影响较帕里西维拉海盆和挑战者深渊更小，L3柱状样的黄土DF值也明显高于帕里西维拉海盆C-P19柱状样和挑战者深渊上方水体中下沉颗粒的黄土DF值，表明亚洲风尘对马里亚纳海沟南坡沉积物的贡献更小，而相应地火山物质在物源贡献中的占比将更大。
3.2.3 二者物源及沉积环境的差异性分析
虽然帕里西维拉海盆与马里亚纳海沟在物源组成上具有同源性，但二者物源供给量仍表现出显著差异。帕里西维拉海盆C-P19柱状样的底界年龄小于1.072 Ma，沉积速率在大约1～0.78 Ma期间为400 cm/Ma，0.78 Ma至今为360 cm/Ma[55]；马里亚纳海沟南坡的L3柱状样与前人研究的JL7KGC-01A柱状样地理位置相同，2.9 Ma以来的沉积过程分为3个阶段：2.9～1.2 Ma期间沉积速率为83 cm/Ma，1.2～0.7 Ma期间为183 cm/Ma，而大约0.7 Ma后出现沉积缺失，沉积层被富含南极底层水的底流侵蚀[36]。研究区下深层的太平洋环流主要为南极底层水[56-59]，它先流经马里亚纳海沟南坡，随后小部分再经由马里亚纳海沟与雅浦海沟的连接处流入帕里西维拉海盆[17, 60-61]。所以，马里亚纳海沟南坡比帕里西维拉海盆的水动力更强，导致L3柱状样遭受了较严重的底流侵蚀，而C-P19柱状样沉积物得以更好地保存。
二者稀土元素特征对比结果显示（图5），大约2.1～1 Ma期间，马里亚纳海沟南坡L3柱状样的∑REY含量整体较稳定，呈略增趋势，说明该时期马里亚纳海沟南坡的物源供给稳定且充足，1 Ma时∑REY含量与帕里西维拉海盆的C-P19柱状样接近；1～0.74 Ma期间，L3柱状样的∑REY含量明显增加，且δEu与δCe明显减小，而C-P19的∑REY含量相对稳定，无明显波动，反映该时期海沟南坡沉积环境动荡，物源供给增加，而帕里西维拉海盆内沉积环境和物源供给均相对稳定；0.74 Ma之后马里亚纳海沟南坡受到活跃的南极底层水影响，沉积层遭受侵蚀，出现沉积中断，而在0.74～0.22 Ma期间帕里西维拉海盆ΣREY含量出现小幅波动，该时期水动力条件可能较之前有所增强，但物源供给整体仍较稳定；0.22 Ma之后C-P19的ΣREY含量呈明显递减趋势，虽然该时期伊豆−小笠原弧（Izu-Bonin arc）存在明显的火山活动[62]，增强的火山活动理应为较大的区域带来丰富的火山物质，使得物源供给增加，但可能也是受到中更新世以来愈发活跃的南极底层水影响[17, 22, 36, 63]，底流的搬运作用将帕里西维拉海盆东南部的部分沉积物带去他处沉积，使得该时期C-P19的物源供应不增反降。
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图 5 马里亚纳海沟南坡和帕里西维拉海盆柱状沉积物稀土参数的垂向对比Figure 5. Vertical comparison of REE parameters of core sediments on the south slope of Mariana Trench and in the Parece Vela Basin前人研究表明，含长石类矿物的火山物质输入会使海相沉积物呈现明显的Eu正异常[22, 64]，C-P19和L3柱状样沉积物相近的δEu异常结果也与之前的DF判别结果一致，表明火山物质是二者沉积物物源的主要贡献者。由于当海水处于强氧化状态时，Ce3+可氧化成为Ce4+，并形成Ce（OH）4沉淀析出，使得该过程中出现Ce负异常现象 [17, 22, 65-67]。由图5可知，C-P19和L3均表现出明显的Ce负异常，表明沉积物形成时期海水处于相对氧化的条件下，且L3柱状样的Ce负异常程度明显比C-P19大得多，说明其氧化程度也较帕里西维拉海盆更高。上述Ce负异常结果也进一步证实了富氧的南极底层水[68]在马里亚纳海沟南坡更加活跃。
4. 结论
（1）基于重矿物种类及其组合特征可知，研究区沉积物来源以火山源为主，帕里西维拉海盆沉积物中的矿物成熟度比马里亚纳海沟南坡高，且马里亚纳海沟南坡碎屑矿物中的重矿物含量比帕里西维拉海盆高，说明马里亚纳海沟南坡以近源沉积的海脊火山物质为主，火山源碎屑物质对沉积物来源的贡献占比高，而帕里西维拉海盆沉积物中除了火山物质可能还有部分经远距离搬运而来的以稳定矿物为主的沉积物。
（2）马里亚纳海沟南坡L3柱状样沉积物中ΣREY变化范围为266.67～451.61 μg/g，平均值为330.41 μg/g，帕里西维拉海盆C-P19柱状样沉积物中ΣREY变化范围为147.15～342.29 μg/g，平均值为282.25 μg/g；二者轻稀土相对重稀土均较富集，呈明显Ce负异常和Eu正异常，且REE北美页岩标准化配分曲线具有较好地一致性，表明二者虽稀土含量差异较大但是沉积物的来源相近。
（3）研究区沉积物稀土元素总量与锆石含量呈正相关，但与粒度之间并无明显相关性。物源判别函数（DF）结果表明，帕里西维拉海盆—马里亚纳海沟体系的沉积物来源具有相似性，其中西马里亚纳海脊剥蚀下来的火山物质对研究区的物质来源贡献最大；来自中国内陆黄土的陆源风尘物质对研究区的物源供给有一定贡献，但是，其贡献程度与火山物质相比要小得多，且在马里亚纳海沟南坡，亚洲风尘对物源的贡献与帕里西维拉海盆相比更小。
（4）C-P19和L3柱状样沉积物形成时期海水均处于相对氧化的条件下，南极底层水在马里亚纳海沟南坡更加活跃，其沉积物形成时期对应的底层水氧化程度也更高，与此同时，沉积物遭受底层水的侵蚀作用也较帕里西维拉海盆更强。
致谢：本文样品由“马沟计划”首个调查航次和“西太平洋中南部水体综合调查航次及马里亚纳海沟综合试验航次”取得，调查队成员及全体船员为此付出了艰辛的劳动；中科院南海海洋研究所的徐维海副研究员和田雨杭博士在分样工作中给予了指导和帮助；中国海洋大学海洋地球科学学院的张爱滨老师在ICP-MS测试过程中给予了极大的帮助，在此谨表谢意。
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