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冲绳海槽表层沉积物元素地球化学及其对物源和热液活动的指示

杨宝菊 吴永华 刘季花 刘焱光 张辉 王小静 李力

杨宝菊, 吴永华, 刘季花, 刘焱光, 张辉, 王小静, 李力. 冲绳海槽表层沉积物元素地球化学及其对物源和热液活动的指示[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2018, 38(2): 25-37. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2018.02.003
引用本文: 杨宝菊, 吴永华, 刘季花, 刘焱光, 张辉, 王小静, 李力. 冲绳海槽表层沉积物元素地球化学及其对物源和热液活动的指示[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2018, 38(2): 25-37. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2018.02.003
YANG Baoju, WU Yonghua, LIU Jihua, LIU Yanguang, ZHANG Hui, WANG Xiaojing, LI Li. Elemental geochemistry of surface sediments in Okinawa Trough and its implications for provenance and hydrothermal activity[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2018, 38(2): 25-37. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2018.02.003
Citation: YANG Baoju, WU Yonghua, LIU Jihua, LIU Yanguang, ZHANG Hui, WANG Xiaojing, LI Li. Elemental geochemistry of surface sediments in Okinawa Trough and its implications for provenance and hydrothermal activity[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2018, 38(2): 25-37. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2018.02.003

冲绳海槽表层沉积物元素地球化学及其对物源和热液活动的指示


doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2018.02.003
详细信息
    作者简介:

    杨宝菊(1986—),女,博士,主要从事海洋沉积地球化学研究; E-mail:bjyang@fio.org.cn

    通讯作者: 刘季花(1965—),女,研究员,主要从事海洋沉积地球化学与海底成矿资源研究,E-mail: jihliu@fio.org.cn
  • 基金项目:

    国家重点基础研究发展计划(973计划)“含金属沉积物的热液活动记录及其沉积模式” 2013CB429704

    “全球变化与海气相互作用”专项“IODP计划等海洋底质调查样品收集与补充测试分析(2013-2017年度)” GASI-01-02-01-04

    青岛市博士后人员应用研究项目“东太平洋深海沉积物稀土赋存矿物的地球化学特征及其对环境的指示” QDBSH2017003

    中国博士后基金“东太平洋深海沉积物稀土赋存矿物的成因及富集过程研究” 2016M602088

  • 中图分类号: P736.4+1

Elemental geochemistry of surface sediments in Okinawa Trough and its implications for provenance and hydrothermal activity

More Information
  • 摘要: 对采自冲绳海槽北部和南部唐印、第四与那国热液区附近的表层沉积物进行了主、微量和稀土元素分析。结果表明冲绳海槽北部和南部表层沉积物元素组成具有很大差异。北部沉积物中Ca、Sr、Na元素含量较高,大部分微量和总稀土元素含量较南部沉积物低。北部沉积物中有钙质生物组分及火山物质的加入,由于这些物质稀土含量较低,对沉积物中的稀土元素造成了稀释作用。北美页岩标准化稀土元素配分模式整体较平坦,轻稀土略富集,重稀土相对亏损,弱Ce和Eu异常,表明冲绳海槽北部表层沉积物陆源物质主要来自黄河和台湾河流输入的部分物质。冲绳海槽南部表层沉积物Si、Fe、Ba、Cu、Pb、Zn和稀土元素含量较高,轻重稀土分馏减弱,重稀土含量升高。由于受热液活动影响,一定量的黄铁矿、磁黄铁矿、重晶石及热液Fe-Mn氧化物的加入,使得南部沉积物的Fe以及部分微量元素含量升高,并表现出类似热液流体正Eu异常的稀土特征。这些Fe-Mn氧化物不仅从热液流体中清扫稀土元素,而且可以从海水中清扫稀土元素,使得沉积物负Ce异常减弱,总稀土含量升高。此外,样品中有一定量的过剩Si,来自热液活动。稀土元素配分模式及(La/Sm)N-(Gd/Yb)N比值表明冲绳海槽南部沉积物主要陆源物质来自台湾。
  • 图  1  冲绳海槽地质背景图

    “+”代表表层沉积物取样位置,“”代表已知热液区

    Figure  1.  Geological setting of the Okinawa Trough

    "+"represents sampling sites of the surface sediments, ""represents known hydrothermal fields

    图  2  冲绳海槽北部和南部表层沉积物样品的稀土元素及相关地质体的稀土元素经北美页岩[23]标准化的配分模式(a)及冲绳海槽北部和南部表层沉积物样品的稀土元素平均值及相关地质体的稀土元素经北美页岩[23]标准化的配分模式(b)

    各地质体及稀土元素数据来源为:北太平洋深层水[24]、长江沉积物[22]、黄河沉积物[22]、西太平洋远洋黏土[26]第四与那国热液流体[11]

    Figure  2.  North American shale composition (NASC) [23]normalized distribution patterns of REE of surface sediments from the NOT and SOT and associated materials, (b) The (NASC)[23]normalized distribution patterns of average REE of surface sediments from the NOTand SOT and REE of associated materials

    The associated materials and their REE data is after the following information:North Pacific Deep Water[24], Yangtze River[22], Yellow River[22], western pacific Pelagic sediments[26], Yonaguni Knoll IV hydrothermao fluids[11]

    图  3  冲绳海槽北部和南部表层沉积物样品及长江沉积物[22]、黄河沉积物[22]、台湾沉积物[37]、冲绳海槽火山岩[38]经北美页岩标准化(La/Sm)N-(Gd/Yb)N图解

    Figure  3.  NASC normalized (Gd/Yb)N vs. (La/Sm)N diagram of the surface sediments from the northern and southern Okinawa Trough, Yangtze River[22], Yellow River[22], Taiwan[37] materials and Okinawa Trough

    表  1  冲绳海槽北部和南部表层沉积物主量和微量元素组成

    Table  1.   Major and trace element composition of surface sediments from the northern and southern Okinawa Trough

    样号 冲绳海槽北部表层沉积物 冲绳海槽南部表层沉积物
    S1 S2 S3b S4-2 S5 S6 S7 S11 S12 S13 S14 S15-1 S16-1 S16-2 S17 HOBAB3-t2 HOBAB3-t3’ HOBAB3-t3’-2 HOBAB3-t4 HOBAB3-t9’
    SiO2 44.48 49.00 52.20 51.81 44.30 34.60 40.64 51.76 43.24 48.94 68.58 47.44 51.34 49.18 52.67 61.74 57.16 60.50 55.90 57.36
    Al2O3 10.56 10.19 15.00 10.27 9.14 7.38 5.79 11.57 10.07 9.96 8.44 13.19 12.31 12.34 11.81 14.13 14.93 14.31 15.32 16.04
    CaO 15.13 14.42 6.11 9.59 16.63 23.94 22.23 10.17 15.92 13.81 7.53 9.45 10.38 10.28 10.35 2.81 2.33 1.70 3.35 1.52
    TFe2O3 3.87 3.41 5.99 6.76 3.35 3.78 6.79 3.99 3.72 3.42 2.57 4.86 4.41 4.35 3.60 6.00 5.48 6.13 5.82 5.98
    K2O 2.17 2.17 3.12 2.27 2.03 1.66 1.89 2.41 2.13 2.30 2.43 2.76 2.55 2.58 2.50 2.72 3.01 2.73 3.09 3.19
    MgO 1.88 1.47 2.97 2.44 1.57 1.54 1.95 1.76 1.72 1.65 1.12 2.28 2.03 2.09 1.54 2.61 2.70 2.22 2.68 2.67
    MnO 0.15 0.10 0.09 0.15 0.04 0.04 0.05 0.16 0.07 0.05 0.03 0.18 0.23 0.09 0.06 0.07 0.04 0.08 0.07 0.05
    Na2O 4.17 4.87 2.23 2.26 3.08 2.70 2.11 4.30 3.49 3.03 2.42 3.80 4.19 4.14 4.07 2.42 3.27 2.85 2.93 3.14
    P2O5 0.12 0.11 0.16 0.15 0.11 0.09 0.09 0.14 0.12 0.11 0.09 0.14 0.14 0.13 0.12 0.14 0.15 0.13 0.14 0.17
    TiO2 0.46 0.45 0.75 0.77 0.41 0.32 0.27 0.52 0.45 0.45 0.37 0.59 0.55 0.56 0.51 0.71 0.74 0.71 0.73 0.77
    Ba 383.64 358.71 462.40 346.58 359.00 258.99 187.99 427.87 377.23 404.10 477.24 500.71 464.44 465.99 422.92 529.23 522.93 521.18 505.08 2014.69
    Sr 482.70 432.82 213.94 318.63 532.67 653.03 645.53 370.12 479.09 459.99 324.14 398.72 398.91 394.82 356.35 146.88 138.91 138.34 170.30 156.00
    Cu 21.72 14.71 30.61 14.65 13.98 11.04 7.81 23.55 18.84 14.75 5.35 29.33 24.84 24.43 17.54 48.74 43.10 109.27 25.67 129.68
    V 72.43 54.16 127.20 116.70 56.52 50.27 47.47 76.07 67.89 63.06 41.87 103.80 86.47 87.82 65.90 116.26 124.51 118.94 120.77 135.55
    Zn 77.38 73.24 98.42 88.88 63.57 58.42 69.17 79.56 72.45 60.84 36.58 104.90 91.73 93.68 71.83 436.40 146.20 738.90 98.80 325.50
    Pb 27.81 26.43 28.80 24.05 18.55 15.42 18.97 26.68 22.53 19.67 16.69 34.75 32.13 30.54 23.72 209.05 83.19 339.90 39.73 310.75
    Co 10.73 9.48 14.39 17.12 8.87 9.26 12.90 10.27 9.12 9.16 6.31 13.68 12.18 10.63 7.62 13.50 11.95 12.30 13.97 12.14
    Ni 35.63 30.61 41.25 39.21 28.51 27.85 30.14 32.79 32.86 29.69 15.19 53.29 37.24 38.39 25.07 31.35 36.56 30.19 37.09 36.67
    Mo 1.23 1.24 1.16 0.59 0.30 0.29 0.33 1.76 0.81 0.39 0.29 0.86 1.11 0.74 1.05 4.18 7.91 12.41 0.57 1.01
    Th 7.87 7.36 13.46 8.39 6.36 6.57 4.18 8.43 7.80 8.53 7.41 10.24 9.20 9.24 9.09 11.57 12.96 11.68 13.30 14.06
    U 1.65 1.54 2.48 1.61 1.49 1.25 1.15 1.75 1.60 1.69 1.39 2.22 1.85 1.92 1.95 3.29 3.76 4.56 2.86 2.66
    Zr 111.20 123.20 171.70 125.70 133.50 95.22 72.13 133.10 112.60 158.80 193.10 125.20 132.20 136.30 149.90 180.00 167.50 181.00 175.40 182.20
    Li 37.07 27.42 63.92 35.38 32.60 27.87 22.83 34.89 36.34 33.59 16.93 48.61 39.57 40.29 33.25 36.29 52.95 39.38 56.25 56.20
    Be 1.49 1.12 2.49 1.70 1.31 1.29 1.52 1.42 1.57 1.81 1.47 1.85 1.66 1.71 1.46 2.10 2.37 1.99 2.52 2.48
    Sc 12.51 9.51 14.88 13.31 8.47 7.61 7.82 11.55 9.75 10.36 6.57 11.96 12.15 12.05 11.99 14.34 13.66 12.65 13.91 13.61
    Cr 49.74 29.45 91.44 63.21 50.36 38.17 51.22 47.63 53.7 60.09 40.02 92.86 55.84 57.2 40.92 66.52 90.52 69.78 85.3 94.5
    Rb 88.96 71.21 143.98 92.65 83.41 68.99 74.59 83.32 87.36 88.87 72.31 110.63 95.26 95.93 87.28 108.36 124.22 113.40 131.74 136.99
    Hf 3.24 3.55 4.61 3.36 3.67 2.54 2.05 3.60 3.22 4.33 5.01 3.51 3.64 3.74 4.20 4.82 4.52 4.81 4.83 4.95
    La 21.67 19.46 34.95 26.61 20.43 19.23 12.85 23.53 22.22 24.84 25.42 28.97 25.83 26.89 24.79 31.40 33.23 31.42 35.45 36.65
    Ce 43.46 39.71 70.13 54.50 39.23 37.26 25.15 47.38 42.57 48.83 50.71 56.65 50.95 52.98 50.43 61.54 65.96 62.49 69.97 72.33
    Pr 5.19 4.82 8.14 6.24 4.61 4.29 2.91 5.67 5.21 5.69 5.82 6.69 6.09 6.31 6.03 7.15 7.49 7.19 7.97 8.17
    Nd 20.40 19.56 31.28 24.53 17.85 16.48 11.60 22.43 20.56 22.07 22.35 25.68 23.71 24.85 24.16 26.74 28.38 27.17 30.02 30.73
    Sm 4.03 4.07 5.86 4.72 3.37 2.98 2.16 4.49 3.97 3.99 4.01 4.77 4.54 4.80 4.88 5.17 5.26 5.23 5.56 5.85
    Eu 0.94 0.92 1.27 1.08 0.79 0.66 0.52 1.01 0.91 0.94 0.95 1.11 1.05 1.07 1.06 1.18 1.19 1.20 1.26 1.73
    Gd 3.69 3.72 5.30 4.26 3.11 2.68 1.97 4.00 3.58 3.53 3.51 4.44 4.10 4.27 4.36 4.57 4.67 4.59 4.84 5.13
    Tb 0.61 0.64 0.83 0.64 0.54 0.43 0.31 0.69 0.59 0.54 0.50 0.70 0.68 0.70 0.74 0.74 0.77 0.77 0.80 0.81
    Dy 3.68 4.03 4.77 3.58 3.17 2.37 1.81 4.12 3.56 2.99 2.81 4.15 4.12 4.23 4.41 4.35 4.38 4.48 4.55 4.68
    Ho 0.76 0.84 0.92 0.71 0.66 0.48 0.36 0.85 0.71 0.59 0.53 0.84 0.82 0.84 0.90 0.87 0.87 0.88 0.89 0.93
    Er 2.19 2.44 2.71 2.05 1.99 1.36 0.98 2.52 2.09 1.74 1.52 2.46 2.42 2.50 2.69 2.55 2.54 2.59 2.61 2.72
    Tm 0.34 0.38 0.39 0.29 0.29 0.20 0.14 0.37 0.31 0.25 0.22 0.37 0.37 0.39 0.40 0.38 0.38 0.38 0.39 0.41
    Yb 2.15 2.58 2.62 1.91 1.93 1.30 0.96 2.51 2.01 1.70 1.43 2.46 2.42 2.51 2.70 2.51 2.50 2.46 2.53 2.66
    Lu 0.33 0.38 0.39 0.29 0.28 0.19 0.14 0.37 0.31 0.26 0.21 0.37 0.36 0.38 0.41 0.38 0.37 0.39 0.39 0.39
    Y 20.59 23.18 25.00 19.16 18.72 13.24 10.14 23.53 20.02 16.04 14.10 23.32 23.01 23.71 25.08 23.98 23.70 24.07 24.88 25.34
    ∑REE 109.43 103.56 169.57 131.40 98.24 89.91 61.86 119.93 108.59 117.95 119.99 139.65 127.46 132.73 127.96 149.52 158.00 151.24 167.23 173.20
    注:元素氧化物含量单位为%;其余元素含量单位为μg/g。
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    表  2  冲绳海槽北部、南部表层沉积物样品及相关地质体稀土元素特征

    Table  2.   Rare earth elements of surface sediments from the northern and southern Okinawa Trough and associated materials

    ∑REE/ (μg/g) (La/Sm)N (Gd/Yb)N (La/Yb)N δEu δCe
    最大值 169.57 1.52 1.46 1.72 1.02 0.92
    冲绳海槽北部沉积物(本研究) 最小值 61.86 0.66 0.86 0.73 0.38 0.86
    平均值 117.22 1.02 1.08 1.11 0.73 0.89
    最大值 173.2 1.14 1.15 1.36 1.39 0.91
    冲绳海槽南部沉积物(本研究) 最小值 149.52 1.07 1.09 1.21 1.06 0.89
    平均值 159.84 1.11 1.12 1.29 1.14 0.91
    长江沉积物 平均值 167.11 1.06 1.49 1.57 0.98 0.82
    黄河沉积物 平均值 137.74 1.03 1.35 1.37 0.95 0.82
    西太平洋远洋黏土 平均值 353.95 0.62 1.13 0.64 1.09 0.52
    第四与那国热液流体 平均值 4.46×10-3 1.52 1.35 1.47 16.90 0.77
    北太平洋深层水 平均值 1.73×10-5 1.41 0.42 0.34 0.97 0.06
    台湾沉积物 平均值 1.46 1.36 1.84 0.94
    注:以上数据除∑REE外,均经北美页岩标准化;北美页岩、长江、黄河、西太平洋远洋黏土、第四与那国热液流体、北太平洋深层水参考资料同图 2,台湾沉积物参考文献[37];${\rm{ \mathsf{ δ} Eu = }}\frac{{{\rm{E}}{{\rm{u}}_{\rm{N}}}}}{{\sqrt {{\rm{S}}{{\rm{m}}_{\rm{N}}}{\rm{ \times G}}{{\rm{d}}_{\rm{N}}}} }}{\rm{, \mathsf{ δ} Ce = }}\frac{{{\rm{C}}{{\rm{e}}_{\rm{N}}}}}{{\sqrt {{\rm{L}}{{\rm{a}}_{\rm{N}}}{\rm{ \times Pr}}{{\rm{ }}_{\rm{N}}}} }}$
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    表  3  表层沉积物因子分析结果

    Table  3.   Factor analysis results of the surface sediments

    元素 冲绳海槽北部表层沉积物 元素 冲绳海槽北部表层沉积物
    公因子 公因子方差 公因子 公因子方差
    F1 F2 F3 F1 F2 F3
    SiO2 -0.148 0.908 -0.072 0.851 SiO2 -0.742 0.491 -0.267 0.862
    Al2O3 0.783 0.564 -0.038 0.932 Al2O3 0.990 -0.003 0.072 0.986
    Fe2O3 0.288 -0.174 0.913 0.947 Fe2O3 -0.225 0.967 0.021 0.987
    P2O5 0.852 0.341 0.335 0.955 P2O5 0.898 0.016 -0.225 0.858
    TiO2 0.652 0.528 0.439 0.896 TiO2 0.974 -0.066 -0.194 0.991
    CaO -0.388 -0.908 -0.045 0.977 CaO -0.262 -0.395 0.873 0.988
    MnO 0.830 0.033 0.047 0.692 MnO -0.748 0.488 0.352 0.921
    Na2O 0.563 -0.080 -0.746 0.880 Na2O 0.672 -0.500 -0.396 0.858
    K2O 0.536 0.773 0.116 0.898 K2O 0.954 -0.234 0.153 0.988
    Sr -0.357 -0.898 -0.140 0.954 Sr 0.515 0.127 0.838 0.982
    Ba 0.450 0.792 -0.324 0.935 Ba 0.832 0.450 -0.267 0.965
    Zr -0.127 0.957 -0.162 0.957 Zr 0.018 0.999 0.020 0.999
    Co 0.538 -0.075 0.816 0.961 Co -0.249 0.116 0.959 0.995
    Cu 0.916 0.226 -0.014 0.890 Cu 0.328 0.680 -0.640 0.979
    Zn 0.927 0.025 0.321 0.963 Zn -0.535 0.677 -0.476 0.972
    方差贡献 5.647 5.403 2.640 13.689 方差贡献 6.740 4.031 3.560 14.331
    方差贡献百分数/% 37.643 36.020 17.598 91.262 方差贡献百分数/% 44.931 26.874 23.735 95.541
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    表  4  表层沉积物部分元素的富集因子

    Table  4.   Enrichment factors of some elements of the surface sediments

    元素 冲绳海槽北部沉积物 冲绳海槽南部沉积物 长江沉积物 黄河沉积物
    Cu 0.48 1.35 0.61 0.27
    Zn 1.60 5.20 1.17 0.70
    Pb 2.82 16.38 2.86 1.96
    Ba 1.36 2.01 0.77 1.27
    Co 0.62 0.53 0.43 0.37
    Ni 0.64 0.48 0.39 0.29
    Sr 1.65 0.42 0.26 0.42
    Mn 1.29 0.53 0.62 0.38
    Cr 0.79 0.85 0.45 0.65
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-04-10
  • 修回日期:  2017-06-27
  • 刊出日期:  2018-04-28

冲绳海槽表层沉积物元素地球化学及其对物源和热液活动的指示

doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2018.02.003
    作者简介:

    杨宝菊(1986—),女,博士,主要从事海洋沉积地球化学研究; E-mail:bjyang@fio.org.cn

    通讯作者: 刘季花(1965—),女,研究员,主要从事海洋沉积地球化学与海底成矿资源研究,E-mail: jihliu@fio.org.cn
基金项目:

国家重点基础研究发展计划(973计划)“含金属沉积物的热液活动记录及其沉积模式” 2013CB429704

“全球变化与海气相互作用”专项“IODP计划等海洋底质调查样品收集与补充测试分析(2013-2017年度)” GASI-01-02-01-04

青岛市博士后人员应用研究项目“东太平洋深海沉积物稀土赋存矿物的地球化学特征及其对环境的指示” QDBSH2017003

中国博士后基金“东太平洋深海沉积物稀土赋存矿物的成因及富集过程研究” 2016M602088

  • 中图分类号: P736.4+1

摘要: 对采自冲绳海槽北部和南部唐印、第四与那国热液区附近的表层沉积物进行了主、微量和稀土元素分析。结果表明冲绳海槽北部和南部表层沉积物元素组成具有很大差异。北部沉积物中Ca、Sr、Na元素含量较高,大部分微量和总稀土元素含量较南部沉积物低。北部沉积物中有钙质生物组分及火山物质的加入,由于这些物质稀土含量较低,对沉积物中的稀土元素造成了稀释作用。北美页岩标准化稀土元素配分模式整体较平坦,轻稀土略富集,重稀土相对亏损,弱Ce和Eu异常,表明冲绳海槽北部表层沉积物陆源物质主要来自黄河和台湾河流输入的部分物质。冲绳海槽南部表层沉积物Si、Fe、Ba、Cu、Pb、Zn和稀土元素含量较高,轻重稀土分馏减弱,重稀土含量升高。由于受热液活动影响,一定量的黄铁矿、磁黄铁矿、重晶石及热液Fe-Mn氧化物的加入,使得南部沉积物的Fe以及部分微量元素含量升高,并表现出类似热液流体正Eu异常的稀土特征。这些Fe-Mn氧化物不仅从热液流体中清扫稀土元素,而且可以从海水中清扫稀土元素,使得沉积物负Ce异常减弱,总稀土含量升高。此外,样品中有一定量的过剩Si,来自热液活动。稀土元素配分模式及(La/Sm)N-(Gd/Yb)N比值表明冲绳海槽南部沉积物主要陆源物质来自台湾。

English Abstract

  • 冲绳海槽位于我国东海和琉球群岛之间,发育并保存了晚第四纪以来巨厚的连续沉积。许多学者通过矿物学、地球化学等手段对冲绳海槽物质来源进行了广泛研究并取得众多成果。研究表明,冲绳海槽陆源物质主要来自长江、黄河[1, 2],也有研究认为台湾物质对冲绳海槽物质来源具有重要贡献[3]。此外,在冲绳海槽北部沉积物中还广泛发育了日本西南地区的阶段性火山喷发物质——火山灰层[4],并被很多研究者通过矿物学和地球化学等手段识别;再者,冲绳海槽中部和南部发育多处热液活动区,受热液活动影响,冲绳海槽热液区附近沉积物与非热液区相比,元素组成也有显著差异。冲绳海槽是一个年轻的弧后扩张盆地,槽内强烈的构造活动以及频繁的岩浆侵入为热液活动的发育提供了良好的环境。自1988年日本学者第一次在冲绳海槽发现热液活动至今,人们对冲绳海槽热液活动的调查从未停止。20世纪80年代至90年代初在冲绳海槽中部发现了夏岛84-1海丘(Natsushima 84-1 Knoll)、伊平屋海岭(Iheya Ridge)、伊是名海洼(Izena Hole)、南奄西海丘(Minani-Ensei Knoll)等多处热液活动区,并对热液区的地球物理特征、热液产物的矿物和地球化学特征、热液流体化学组成等进行了详细研究并取得大量研究成果[5-8]。从冲绳海槽中部到南部,地形变化显著,水深明显变深,大陆坡变陡。相较于海槽中部,南部的调查相对较晚。1999年和2000年,日本学者利用“Shinkai 2000”号深潜器在冲绳海槽南部发现了鸠间海丘和第四与那国(Yonaguni Knoll IV)两处大型热液活动区。第四与那国热液流体具有明显的轻稀土富集,Eu正异常特征,与东太平洋海隆及大西洋TAG热液区热液流体稀土特征类似[9, 10],但与洋中脊无沉积物覆盖地区的热液流体相比,重稀土要明显富集[11]。2014年,中国学者利用“科学”号考察船在冲绳海槽南部发现了一处新的热液活动区,命名为唐印热液区[12]。冲绳海槽热液流体富H2、CO2、CH4、NH4、H2S、I、CO、K,具有较高的碱度[11]。热液矿床以具有富Zn-Cu-Pb多金属硫化物和大量的硫酸盐为特征,很多学者研究认为冲绳海槽热液矿床与黑矿型火山成因块状硫化物矿床非常相似[13]。受热液活动影响,热液区附近沉积物化学组成也具有显著异常,主要富集Fe、Mn、Cu、Pb、Zn、As等元素,这种富集金属元素的沉积物被称为海底含金属沉积物[16]。热液柱在上升以及水平扩散过程中,热液流体中形成的铁锰氢氧化物及少量的硫化物、硫酸盐会随水体扩散并最终沉降在下覆沉积物中[15],从而影响沉积物的矿物及化学组成。有研究认为冲绳海槽热液区附近沉积物与非热液区相比,明显富集Mn、Zn、Pb、Cu、Au、Ag、Hg等金属元素[16]。海底含金属沉积物是热液活动形成的地球化学分散晕,是研究海底热液活动和寻找海底硫化物矿床的一个有效的信息载体。目前对冲绳海槽含金属沉积物的研究相对较少,仅有关于冲绳海槽北部和中部的部分报道[17, 18],对冲绳海槽南部热液区附近含金属沉积物的报道非常少。本研究以冲绳海槽北部正常沉积物及冲绳海槽南部唐印热液区、第四与那国热液区附近含金属沉积物为主要研究对象,分别分析其主量、微量和稀土元素,并与长江、黄河、台湾沉积物等陆源物质进行对比,分析沉积物的物源;通过与热液流体、海槽中部的含金属沉积物进行对比,探讨沉积物的成因及热液活动对沉积物元素富集的影响。

    • 冲绳海槽是一个深水槽地,呈弧形弯曲,总体上呈NE向延伸。海槽内断裂构造广泛发育,其中NW向的吐喀喇断裂带和宫古断裂带将冲绳海槽分为北、中、南三段。北段走向NNE,水深较浅,约600~800m,中段走向NE,水深1000~1200m;南段走向NEE,水深较深,大部分超过2000m[19]。冲绳海槽位于东海陆架东南部,地处大陆边缘,环流体系非常复杂。黑潮主干沿台湾东侧进入东海后,由南向东北沿海槽西坡流动,为海槽提供热量和大洋物质;此外,大陆丰富的河流注入东海使得巨量淡水和陆源物质进入冲绳海槽。冲绳海槽远离大陆,并受黑潮强劲贯冲的影响,陆源物质供应受到一定限制,而琉球岛弧的屏障作用又削弱了其与大洋的联系,使冲绳海槽沉积条件具有鲜明的区域性特征。冲绳海槽北部表层沉积物类型特征明显,西部以晚更新世末次冰期低海平面时形成的粗粒沉积为主,主要来源于长江和黄河携带的物质沉积而成;东部邻近琉球岛弧,以火山碎屑和生物沉积为主。冲绳海槽南部表层沉积物主要为粉砂,其次为黏土和砂,空间分布上受控于地貌单元和水深,陆架边缘和陆坡带沉积物较粗,海槽深水区沉积物较细[20]。台湾北部入海河流携带大量泥沙进入冲绳海槽南部,成为海槽重要的碎屑物质来源[21]。冲绳海槽的热液活动主要分布在中部和南部,由北向南,热液区水深由浅至深。冲绳海槽南部的第四与那国热液区和唐印热液区附近可见由大量贻贝、蛤、管状蠕虫为主构成的热液喷口生物群落,并可见喷出清澈流体的裂隙或烟囱体,烟囱体主要由硫化物组成[12]

      2013—2014年,分别利用“科学一号”和“科学”号考察船在冲绳海槽北部和南部采集部分表层沉积物。在冲绳海槽北部,利用箱式取样器采集15站表层沉积物(样品编号见表 1),取样位置水深在287~1134m之间,沉积物颜色为深灰色,弱黏性,无特殊气味,未见生物壳体,样品平均粒径3.11~6.83Φ,主要为砂质粉砂和粉砂质砂。在冲绳海槽南部,利用电视抓斗采集5站表层沉积物(样品编号见表 1),取样位置水深1200~1520m,沉积物平均粒径6.06~6.98Φ,主要为粉砂。其中HOBAB3-t3’和HOBAB3-t3’-2站位位于新发现的唐印热液区附近(图 1),沉积物为深灰色,有浓烈的臭鸡蛋气味,表层见大量活体贻贝;HOBAB3-t9’位于第四与那国热液区附近(图 1),沉积物为灰绿色,未见生物壳体;其余站位(HOBAB3-t2、HOBAB3-t4)沉积物均为深灰色粉砂。

      表 1  冲绳海槽北部和南部表层沉积物主量和微量元素组成

      Table 1.  Major and trace element composition of surface sediments from the northern and southern Okinawa Trough

      样号 冲绳海槽北部表层沉积物 冲绳海槽南部表层沉积物
      S1 S2 S3b S4-2 S5 S6 S7 S11 S12 S13 S14 S15-1 S16-1 S16-2 S17 HOBAB3-t2 HOBAB3-t3’ HOBAB3-t3’-2 HOBAB3-t4 HOBAB3-t9’
      SiO2 44.48 49.00 52.20 51.81 44.30 34.60 40.64 51.76 43.24 48.94 68.58 47.44 51.34 49.18 52.67 61.74 57.16 60.50 55.90 57.36
      Al2O3 10.56 10.19 15.00 10.27 9.14 7.38 5.79 11.57 10.07 9.96 8.44 13.19 12.31 12.34 11.81 14.13 14.93 14.31 15.32 16.04
      CaO 15.13 14.42 6.11 9.59 16.63 23.94 22.23 10.17 15.92 13.81 7.53 9.45 10.38 10.28 10.35 2.81 2.33 1.70 3.35 1.52
      TFe2O3 3.87 3.41 5.99 6.76 3.35 3.78 6.79 3.99 3.72 3.42 2.57 4.86 4.41 4.35 3.60 6.00 5.48 6.13 5.82 5.98
      K2O 2.17 2.17 3.12 2.27 2.03 1.66 1.89 2.41 2.13 2.30 2.43 2.76 2.55 2.58 2.50 2.72 3.01 2.73 3.09 3.19
      MgO 1.88 1.47 2.97 2.44 1.57 1.54 1.95 1.76 1.72 1.65 1.12 2.28 2.03 2.09 1.54 2.61 2.70 2.22 2.68 2.67
      MnO 0.15 0.10 0.09 0.15 0.04 0.04 0.05 0.16 0.07 0.05 0.03 0.18 0.23 0.09 0.06 0.07 0.04 0.08 0.07 0.05
      Na2O 4.17 4.87 2.23 2.26 3.08 2.70 2.11 4.30 3.49 3.03 2.42 3.80 4.19 4.14 4.07 2.42 3.27 2.85 2.93 3.14
      P2O5 0.12 0.11 0.16 0.15 0.11 0.09 0.09 0.14 0.12 0.11 0.09 0.14 0.14 0.13 0.12 0.14 0.15 0.13 0.14 0.17
      TiO2 0.46 0.45 0.75 0.77 0.41 0.32 0.27 0.52 0.45 0.45 0.37 0.59 0.55 0.56 0.51 0.71 0.74 0.71 0.73 0.77
      Ba 383.64 358.71 462.40 346.58 359.00 258.99 187.99 427.87 377.23 404.10 477.24 500.71 464.44 465.99 422.92 529.23 522.93 521.18 505.08 2014.69
      Sr 482.70 432.82 213.94 318.63 532.67 653.03 645.53 370.12 479.09 459.99 324.14 398.72 398.91 394.82 356.35 146.88 138.91 138.34 170.30 156.00
      Cu 21.72 14.71 30.61 14.65 13.98 11.04 7.81 23.55 18.84 14.75 5.35 29.33 24.84 24.43 17.54 48.74 43.10 109.27 25.67 129.68
      V 72.43 54.16 127.20 116.70 56.52 50.27 47.47 76.07 67.89 63.06 41.87 103.80 86.47 87.82 65.90 116.26 124.51 118.94 120.77 135.55
      Zn 77.38 73.24 98.42 88.88 63.57 58.42 69.17 79.56 72.45 60.84 36.58 104.90 91.73 93.68 71.83 436.40 146.20 738.90 98.80 325.50
      Pb 27.81 26.43 28.80 24.05 18.55 15.42 18.97 26.68 22.53 19.67 16.69 34.75 32.13 30.54 23.72 209.05 83.19 339.90 39.73 310.75
      Co 10.73 9.48 14.39 17.12 8.87 9.26 12.90 10.27 9.12 9.16 6.31 13.68 12.18 10.63 7.62 13.50 11.95 12.30 13.97 12.14
      Ni 35.63 30.61 41.25 39.21 28.51 27.85 30.14 32.79 32.86 29.69 15.19 53.29 37.24 38.39 25.07 31.35 36.56 30.19 37.09 36.67
      Mo 1.23 1.24 1.16 0.59 0.30 0.29 0.33 1.76 0.81 0.39 0.29 0.86 1.11 0.74 1.05 4.18 7.91 12.41 0.57 1.01
      Th 7.87 7.36 13.46 8.39 6.36 6.57 4.18 8.43 7.80 8.53 7.41 10.24 9.20 9.24 9.09 11.57 12.96 11.68 13.30 14.06
      U 1.65 1.54 2.48 1.61 1.49 1.25 1.15 1.75 1.60 1.69 1.39 2.22 1.85 1.92 1.95 3.29 3.76 4.56 2.86 2.66
      Zr 111.20 123.20 171.70 125.70 133.50 95.22 72.13 133.10 112.60 158.80 193.10 125.20 132.20 136.30 149.90 180.00 167.50 181.00 175.40 182.20
      Li 37.07 27.42 63.92 35.38 32.60 27.87 22.83 34.89 36.34 33.59 16.93 48.61 39.57 40.29 33.25 36.29 52.95 39.38 56.25 56.20
      Be 1.49 1.12 2.49 1.70 1.31 1.29 1.52 1.42 1.57 1.81 1.47 1.85 1.66 1.71 1.46 2.10 2.37 1.99 2.52 2.48
      Sc 12.51 9.51 14.88 13.31 8.47 7.61 7.82 11.55 9.75 10.36 6.57 11.96 12.15 12.05 11.99 14.34 13.66 12.65 13.91 13.61
      Cr 49.74 29.45 91.44 63.21 50.36 38.17 51.22 47.63 53.7 60.09 40.02 92.86 55.84 57.2 40.92 66.52 90.52 69.78 85.3 94.5
      Rb 88.96 71.21 143.98 92.65 83.41 68.99 74.59 83.32 87.36 88.87 72.31 110.63 95.26 95.93 87.28 108.36 124.22 113.40 131.74 136.99
      Hf 3.24 3.55 4.61 3.36 3.67 2.54 2.05 3.60 3.22 4.33 5.01 3.51 3.64 3.74 4.20 4.82 4.52 4.81 4.83 4.95
      La 21.67 19.46 34.95 26.61 20.43 19.23 12.85 23.53 22.22 24.84 25.42 28.97 25.83 26.89 24.79 31.40 33.23 31.42 35.45 36.65
      Ce 43.46 39.71 70.13 54.50 39.23 37.26 25.15 47.38 42.57 48.83 50.71 56.65 50.95 52.98 50.43 61.54 65.96 62.49 69.97 72.33
      Pr 5.19 4.82 8.14 6.24 4.61 4.29 2.91 5.67 5.21 5.69 5.82 6.69 6.09 6.31 6.03 7.15 7.49 7.19 7.97 8.17
      Nd 20.40 19.56 31.28 24.53 17.85 16.48 11.60 22.43 20.56 22.07 22.35 25.68 23.71 24.85 24.16 26.74 28.38 27.17 30.02 30.73
      Sm 4.03 4.07 5.86 4.72 3.37 2.98 2.16 4.49 3.97 3.99 4.01 4.77 4.54 4.80 4.88 5.17 5.26 5.23 5.56 5.85
      Eu 0.94 0.92 1.27 1.08 0.79 0.66 0.52 1.01 0.91 0.94 0.95 1.11 1.05 1.07 1.06 1.18 1.19 1.20 1.26 1.73
      Gd 3.69 3.72 5.30 4.26 3.11 2.68 1.97 4.00 3.58 3.53 3.51 4.44 4.10 4.27 4.36 4.57 4.67 4.59 4.84 5.13
      Tb 0.61 0.64 0.83 0.64 0.54 0.43 0.31 0.69 0.59 0.54 0.50 0.70 0.68 0.70 0.74 0.74 0.77 0.77 0.80 0.81
      Dy 3.68 4.03 4.77 3.58 3.17 2.37 1.81 4.12 3.56 2.99 2.81 4.15 4.12 4.23 4.41 4.35 4.38 4.48 4.55 4.68
      Ho 0.76 0.84 0.92 0.71 0.66 0.48 0.36 0.85 0.71 0.59 0.53 0.84 0.82 0.84 0.90 0.87 0.87 0.88 0.89 0.93
      Er 2.19 2.44 2.71 2.05 1.99 1.36 0.98 2.52 2.09 1.74 1.52 2.46 2.42 2.50 2.69 2.55 2.54 2.59 2.61 2.72
      Tm 0.34 0.38 0.39 0.29 0.29 0.20 0.14 0.37 0.31 0.25 0.22 0.37 0.37 0.39 0.40 0.38 0.38 0.38 0.39 0.41
      Yb 2.15 2.58 2.62 1.91 1.93 1.30 0.96 2.51 2.01 1.70 1.43 2.46 2.42 2.51 2.70 2.51 2.50 2.46 2.53 2.66
      Lu 0.33 0.38 0.39 0.29 0.28 0.19 0.14 0.37 0.31 0.26 0.21 0.37 0.36 0.38 0.41 0.38 0.37 0.39 0.39 0.39
      Y 20.59 23.18 25.00 19.16 18.72 13.24 10.14 23.53 20.02 16.04 14.10 23.32 23.01 23.71 25.08 23.98 23.70 24.07 24.88 25.34
      ∑REE 109.43 103.56 169.57 131.40 98.24 89.91 61.86 119.93 108.59 117.95 119.99 139.65 127.46 132.73 127.96 149.52 158.00 151.24 167.23 173.20
      注:元素氧化物含量单位为%;其余元素含量单位为μg/g。

      图  1  冲绳海槽地质背景图

      Figure 1.  Geological setting of the Okinawa Trough

      沉积物主微量和稀土元素分析方法如下:

      使用美国Thermo Fisher Scientific公司生产的iCAP6300型ICP-AES进行主量及部分微量元素(Al、Fe、Ca、Mg、K、Na、Mn、Ti、P、Ba、Cr、Sr、V、Cu、Zn、Zr)测试,使用美国Thermo Fisher Scientific公司生产的X Series II型ICP-MS进行稀土元素(REE+Y)和其他微量元素测试。上述测试工作在国家海洋局第一海洋研究所海洋沉积与环境地质重点实验室测试中心完成。取各站位样品约5g,加入100mL超纯水,连续浸泡30h,离心去掉上清液,去掉沉积物中多余的盐分。将样品冷冻干燥,转移至玛瑙钵中研磨至200目;精确称量50mg粉末样品放入聚四氟乙烯坩埚中,加入1.5mL HNO3和1.5mL HF,置于烘箱中高温分解,随后再加入1mL HNO3蒸至湿盐状,再加入3mL体积分数50%的HNO3和0.5mL的Rh内标溶液(μg/g),在烘箱中恒温加热。待样品冷却后定容至50g,进行常量元素测试。从中取出10g再次定容至20g,进行微量和稀土元素测试。测试采用的标准样品为GBW-07313,主量元素测试相对误差为0.5%~3%,微量元素及稀土元素测试相对误差为0.5%~6%。Si含量单独由山东省第四地质矿产勘查院实验测试中心用重量法测试。

    • 冲绳海槽北部和南部表层沉积物的主要化学组成见表 1。冲绳海槽北部沉积物主量元素主要由SiO2、CaO和Al2O3等组成,这三种组分占沉积物总量的65.92%~84.55%。其中SiO2含量的变化范围为34.60%~68.58%,平均值48.57%;CaO含量的变化范围为6.11%~23.94%,平均值12.83%;Al2O3含量的变化范围为5.79%~15.00%,平均值10.67%。冲绳海槽南部沉积物主量元素主要由SiO2、Al2O3、TFe2O3等组成,这三种组分占沉积物总量的77.04%~81.87%。其中SiO2含量的变化范围为55.90%~61.74%,平均值58.53%;Al2O3含量的变化范围为14.13%~16.04%,平均值14.95%;TFe2O3含量的变化范围为5.48%~6.13%,平均值5.88%。

      冲绳海槽南部表层沉积物微量元素含量普遍较高,其中Ba、Cu、Pb、Zn、Mo、Th、U及∑REE的含量平均值分别为818.62、71.29、196.53、349.16、5.22、12.71、3.43、159.84μg/g,以上元素含量均显著高于北部沉积物,但Sr含量(150.09μg/g)较北部沉积物低。冲绳海槽南部HOBAB3-t9’站位Ba含量高达2014.69μg/g,Pb含量为310.75μg/g;HOBAB3-t3’-2站位的Zn含量高达738.90μg/g,Pb含量达339.90μg/g。冲绳海槽北部表层沉积物大部分微量元素与南部沉积物相比较低,Ba、Cu、Pb、Zn、Mo、Th、U及∑REE的含量平均值分别为399.57、18.21、24.45、77.79,0.81、8.27、1.70、117.22μg/g,Sr含量显著较高,其平均值为428.61μg/g。

    • 冲绳海槽北部除了位于海槽西坡的S5、S6、S7站位因钙质组分含量较高,沉积物∑REE低于100μg/g,其余站位∑REE介于103.56 ~169.57μg/g之间(表 1),平均125.68μg/g,接近黄河沉积物∑REE平均值138.76μg/g[22](表 2)。冲绳海槽南部沉积物∑REE含量相对略高,在149.52 ~167.23μg/g之间,平均159.86μg/g,低于长江沉积物∑REE含量(170.95μg/g)[22],而高于黄河沉积物∑REE含量(138.76μg/g)[22]

      表 2  冲绳海槽北部、南部表层沉积物样品及相关地质体稀土元素特征

      Table 2.  Rare earth elements of surface sediments from the northern and southern Okinawa Trough and associated materials

      ∑REE/ (μg/g) (La/Sm)N (Gd/Yb)N (La/Yb)N δEu δCe
      最大值 169.57 1.52 1.46 1.72 1.02 0.92
      冲绳海槽北部沉积物(本研究) 最小值 61.86 0.66 0.86 0.73 0.38 0.86
      平均值 117.22 1.02 1.08 1.11 0.73 0.89
      最大值 173.2 1.14 1.15 1.36 1.39 0.91
      冲绳海槽南部沉积物(本研究) 最小值 149.52 1.07 1.09 1.21 1.06 0.89
      平均值 159.84 1.11 1.12 1.29 1.14 0.91
      长江沉积物 平均值 167.11 1.06 1.49 1.57 0.98 0.82
      黄河沉积物 平均值 137.74 1.03 1.35 1.37 0.95 0.82
      西太平洋远洋黏土 平均值 353.95 0.62 1.13 0.64 1.09 0.52
      第四与那国热液流体 平均值 4.46×10-3 1.52 1.35 1.47 16.90 0.77
      北太平洋深层水 平均值 1.73×10-5 1.41 0.42 0.34 0.97 0.06
      台湾沉积物 平均值 1.46 1.36 1.84 0.94
      注:以上数据除∑REE外,均经北美页岩标准化;北美页岩、长江、黄河、西太平洋远洋黏土、第四与那国热液流体、北太平洋深层水参考资料同图 2,台湾沉积物参考文献[37];${\rm{ \mathsf{ δ} Eu = }}\frac{{{\rm{E}}{{\rm{u}}_{\rm{N}}}}}{{\sqrt {{\rm{S}}{{\rm{m}}_{\rm{N}}}{\rm{ \times G}}{{\rm{d}}_{\rm{N}}}} }}{\rm{, \mathsf{ δ} Ce = }}\frac{{{\rm{C}}{{\rm{e}}_{\rm{N}}}}}{{\sqrt {{\rm{L}}{{\rm{a}}_{\rm{N}}}{\rm{ \times Pr}}{{\rm{ }}_{\rm{N}}}} }}$

      表 3  表层沉积物因子分析结果

      Table 3.  Factor analysis results of the surface sediments

      元素 冲绳海槽北部表层沉积物 元素 冲绳海槽北部表层沉积物
      公因子 公因子方差 公因子 公因子方差
      F1 F2 F3 F1 F2 F3
      SiO2 -0.148 0.908 -0.072 0.851 SiO2 -0.742 0.491 -0.267 0.862
      Al2O3 0.783 0.564 -0.038 0.932 Al2O3 0.990 -0.003 0.072 0.986
      Fe2O3 0.288 -0.174 0.913 0.947 Fe2O3 -0.225 0.967 0.021 0.987
      P2O5 0.852 0.341 0.335 0.955 P2O5 0.898 0.016 -0.225 0.858
      TiO2 0.652 0.528 0.439 0.896 TiO2 0.974 -0.066 -0.194 0.991
      CaO -0.388 -0.908 -0.045 0.977 CaO -0.262 -0.395 0.873 0.988
      MnO 0.830 0.033 0.047 0.692 MnO -0.748 0.488 0.352 0.921
      Na2O 0.563 -0.080 -0.746 0.880 Na2O 0.672 -0.500 -0.396 0.858
      K2O 0.536 0.773 0.116 0.898 K2O 0.954 -0.234 0.153 0.988
      Sr -0.357 -0.898 -0.140 0.954 Sr 0.515 0.127 0.838 0.982
      Ba 0.450 0.792 -0.324 0.935 Ba 0.832 0.450 -0.267 0.965
      Zr -0.127 0.957 -0.162 0.957 Zr 0.018 0.999 0.020 0.999
      Co 0.538 -0.075 0.816 0.961 Co -0.249 0.116 0.959 0.995
      Cu 0.916 0.226 -0.014 0.890 Cu 0.328 0.680 -0.640 0.979
      Zn 0.927 0.025 0.321 0.963 Zn -0.535 0.677 -0.476 0.972
      方差贡献 5.647 5.403 2.640 13.689 方差贡献 6.740 4.031 3.560 14.331
      方差贡献百分数/% 37.643 36.020 17.598 91.262 方差贡献百分数/% 44.931 26.874 23.735 95.541

      冲绳海槽北部和南部沉积物北美页岩标准化[23]REE配分模式整体较平坦,轻稀土略富集,重稀土相对亏损,弱Ce和Eu异常(图 2),与北美页岩形态类似,但两者之间,以及与长江和黄河沉积物相比,稀土元素仍然具有明显差异。冲绳海槽北部沉积物LaN/YbN平均值为1.11,δEu(Eu/Eu*)为1.00~1.11,轻微正异常,δCe(Ce/Ce*)为0.86~0.92,具有轻微负异常(表 2),整体与黄河沉积物稀土元素特征近似。冲绳海槽南部沉积物具有轻微正Eu异常和弱负Ce异常,大部分站位δEu介于1.06~1.08之间;HOBAB3-t9’站位,δEu达1.39,与长江和黄河沉积物相比Eu显著富集;δCe值大部分为0.91,相较于长江和黄河沉积物(分别为0.81,0.83),Ce亏损减弱。冲绳海槽南部沉积物LaN/YbN平均值为1.29,轻重稀土分馏较北部沉积物增强,但明显弱于长江沉积物(LaN/YbN为1.57)。第四与那国热液区喷口流体稀土配分模式表现为轻稀土富集,并具有强烈的正Eu异常,与无沉积物覆盖的洋中脊热液流体稀土配分模式类似,但本区热液流体还有一个典型特点,即重稀土及La含量较洋中脊热液流体升高[13],与冲绳海槽南部HOBAB3-t9’站位稀土特征类似。

      图  2  冲绳海槽北部和南部表层沉积物样品的稀土元素及相关地质体的稀土元素经北美页岩[23]标准化的配分模式(a)及冲绳海槽北部和南部表层沉积物样品的稀土元素平均值及相关地质体的稀土元素经北美页岩[23]标准化的配分模式(b)

      Figure 2.  North American shale composition (NASC) [23]normalized distribution patterns of REE of surface sediments from the NOT and SOT and associated materials, (b) The (NASC)[23]normalized distribution patterns of average REE of surface sediments from the NOTand SOT and REE of associated materials

    • 利用PASW Statistics18软件对研究区样品的部分主微量元素进行了R型因子分析,根据特征值大于1的原则,经方差极大正交旋转后,共获得了3个主因子。冲绳海槽北部沉积物3个主因子累计方差贡献为91%,可以代表所有分析样品的情况。第一因子F1的累计方差贡献为38%,对冲绳海槽沉积物化学组分有重要影响。与第一主因子F1密切相关的元素包括Al2O3、P2O5、MnO、Cu、Zn,该元素组合包括代表自生组分的Mn、P及一些微量元素。赵一阳曾研究过冲绳海槽沉积物的元素碎屑指数和自生指数,两者分别代表某一元素的陆源碎屑属性和海洋自生属性占该元素总量的比例。在冲绳海槽内,Mn和P的自生指数较大陆架区有较大增长,化学和生物化学沉积方式逐渐增强,而这种现象正与海槽内自生的锰结核、胶磷矿有关[25]。因此第一因子主要代表由化学作用或生物化学作用形成的自生组分。第二因子F2的累计方差贡献为36%,与F1因子相当,是冲绳海槽北部沉积物化学组分的另一重要组成。与F2因子密切相关的元素包括SiO2、K2O、Zr、Ba、CaO、Sr,其中SiO2、K2O、Zr为正载荷,代表典型的陆源组分,CaO、Sr为负载荷,代表钙质生物源组分,Ba的富集可能是自生重晶石的存在。第三因子F3的累计方差贡献为18%,与F3关系密切的元素包括Fe2O3、Co、Na2O,其中Fe2O3和Co为正载荷,该元素组合代表亲铁元素Fe、Co的富集;Na2O为负载荷,有研究认为冲绳海槽沉积物中的Na2O可以作为一种火山活动的指示剂,并且该元素与陆源组分SiO2、K2O、Al2O3、Zr没有明显的相关性,说明该组分中有火山物质的加入。

      冲绳海槽南部沉积物3个主因子累计方差贡献为96%,可以代表所有分析样品的情况。第一主因子F1的累计方差贡献为45%,对冲绳海槽南部沉积物化学组分有决定性的影响。与F1关系密切的元素包括Al2O3、P2O5、TiO2、K2O、Ba,该元素组合包括代表陆源组分的Al2O3、TiO2、K2O和自生组分的P2O5、Ba等元素。第二因子F2的累计方差贡献为27%。与F2关系密切的元素包括SiO2、Fe2O3、MnO、Zr、Cu、Zn,该元素主要代表热液组分对沉积物的贡献。其中SiO2在本组分中占0.491,占有一定比重,而且在代表陆源和自生组分的F1因子中,SiO2为负载荷,说明在冲绳海槽南部表层沉积物中,SiO2除了常规的碎屑来源外,热液活动也可能提供了部分Si。第三因子F3的累计方差贡献为24%,与F3关系密切的元素包括CaO、Sr、Co,其中CaO、Sr元素组合主要指示生物源沉积。

    • 富集因子法(Enrichment Factors,简称EF)主要以Al作为参考值,将某一微量元素通过地壳中该元素进行标准化,用以消除由于矿物和粒度变化所产生的影响,从而达到判断沉积物物源的目的[28]。某一元素(Me)相对于地壳元素丰度的富集因子定义为:

      EF=(Me/Al)沉积物/(Me/Al)地壳

      当富集因子为1时,认为该元素来源于地壳,当富集因子大于10时,认为该元素是非地壳来源。冲绳海槽北部表层沉积物的Zn、Pb、Ba元素富集系数略大于1,整体与长江或黄河沉积物的富集系数相当,表现为主要受陆源物质影响的特征。而Sr、Mn元素富集系数显著高于长江、黄河沉积物以及冲绳海槽南部沉积物,暗示冲绳海槽北部沉积物存在较高含量的生物源物质和自生物质。Co和Ni是典型的水成成因元素,Co、Ni可能通过铁锰氧化物的吸附作用而被富集。冲绳海槽南部沉积物亲硫元素Pb、Zn元素富集系数显著大于1,其中Pb元素富集系数大于10,Zn元素富集系数大于5,Cu和Ba的元素富集系数也明显高于长江和黄河沉积物的元素富集系数,说明冲绳海槽南部沉积物中Pb、Zn、Ba、Cu元素可能有热液物质的加入(表 4)。

      表 4  表层沉积物部分元素的富集因子

      Table 4.  Enrichment factors of some elements of the surface sediments

      元素 冲绳海槽北部沉积物 冲绳海槽南部沉积物 长江沉积物 黄河沉积物
      Cu 0.48 1.35 0.61 0.27
      Zn 1.60 5.20 1.17 0.70
      Pb 2.82 16.38 2.86 1.96
      Ba 1.36 2.01 0.77 1.27
      Co 0.62 0.53 0.43 0.37
      Ni 0.64 0.48 0.39 0.29
      Sr 1.65 0.42 0.26 0.42
      Mn 1.29 0.53 0.62 0.38
      Cr 0.79 0.85 0.45 0.65
    • 冲绳海槽北部沉积物主量元素分析结果与前人的分析结果接近[27],而南部沉积物的分析结果与前人对冲绳海槽南部无热液活动影响的槽底沉积物[28]分析结果相比,SiO2的含量明显较高,MnO、CaO含量较低,其余主量元素Al2O3、TFe2O3、K2O、MgO、P2O5、TiO2含量相当;微量元素中Ba、Zn明显较前人分析结果高,而Sr含量明显较低。与水深小于200m的东海大陆架浅海沉积物[29]相比,冲绳海槽北部沉积物CaO、MnO、Na2O、Cu、Zn、Mo等元素含量升高。从陆架到陆坡,再到槽底,元素含量存在一定变化。冲绳海槽西坡6个站位水深较浅,为287.7~598.3m,平均粒径为3.11~6.83Φ,大部分站位沉积物的Al2O3低于北部和南部其他站位,且从西坡到槽底Al2O3含量逐渐升高;南部槽底沉积物Al2O3含量高于北部。CaO含量变化范围较大,其中S6和S7站位CaO含量较高,分别为23.94%、22.23%,超过冲绳海槽北部及南部其他站位CaO含量,西坡其余站位CaO含量为7.53%~16.63%,从西坡到槽底CaO无明显规律,冲绳南部沉积物CaO含量显著低于北部。与中太平洋海山周围盆地中的深海黏土相比,深海黏土明显更富集TFe2O3、MnO、MgO、P2O5等主量元素,以及Ba、Co、Ni、Cu、Mo和REY(REE+Y)等微量元素。不同于冲绳海槽陆源物质及生源物质的快速沉积,深海黏土形成于陆源沉积和生源沉积速率极低的深海环境,较高的REY、Co、Ni、Cu、Mo元素可能与深海黏土缓慢的沉积环境以及沸石、黏土等的吸附作用有关;此外深海黏土中散落一定量的磷酸盐鱼牙鱼骨碎屑,使得深海黏土中磷含量升高(P2O5可高达2.78%),这些磷酸盐也成为稀土的重要赋存矿物,促使深海黏土中的稀土含量升高(REY最高含量达874.01μg/g)[26]。冲绳海槽北部和南部表层沉积物元素含量也存在明显差异,南部表层沉积物SiO2、Al2O3、TFe2O3、K2O、MgO以及大部分微量元素含量较北部高,而CaO、MnO、Sr含量显著较北部低。

      众所周知,Ca、Sr、C、N等是海洋中典型的亲生物元素,冲绳海槽北部Ca、Sr含量较高,表明生物沉积作用较强。此外,冲绳海槽北部沉积物中的Mn含量较高,根据前面论述Mn主要是通过化学或生物-化学作用自生沉淀形成,Mn在后期成岩过程中会吸附一些微量元素[30],导致冲绳海槽北部沉积物中MnO、Cu、Zn、Mo等元素较浅海[29, 31]含量增高。

      冲绳海槽南部表层沉积物亲铜元素Cu、Pb、Zn及Ba、Mo含量明显较北部沉积物高,很有可能受到了热液活动的影响。海底含金属沉积物一般富集Fe、Mn、Ni、Co、Cu、Zn、Cr、U、As和Hg等元素,而相对亏损Al、Ti等陆源元素[32],一般元素含量比值(Fe+Mn)/Ti>25,或者同时满足Fe/(Al+Fe+Mn)>0.5,Al/(Al+Fe+Mn) < 0.3,(Fe+Mn)/Al>2.5[33]。对于无生物沉积的含金属沉积物,Fe含量应当大于或等于10%,同时亏损Al和Ti等元素。在研究程度较高的东太平洋海隆,有研究报道典型含金属沉积物[34]Fe含量为6.08~20.5%,Mn含量为0.94%~5.39%,Ba含量为1197~10650μg/g,Cu含量为92.58 ~1498μg/g,Zn含量为33.98 ~404μg/g;去除钙质生物(CaCO3)影响,Fe>10,Mn>3,Al/(Al+Fe+Mn) < 0.3。在冲绳海槽中部夏岛84-1、伊平屋和伊是名热液区之间受热液活动影响的沉积物较未受热液活动影响的沉积物明显富集Cu、Pb、Zn、Hg、Co、Cd、Ni、V、Sr、Ba等元素,与冲绳海槽热液活动成因硫化物中富集元素一致[19]。冲绳海槽南部研究区样品CaO含量较低,为1.52%~3.35%,平均含量为2.34%,对其他组分的影响较小,可作非钙质沉积研究。研究区沉积物Ba、Cu、Pb、Zn等含量都较高,位于上述东太平洋海隆典型含金属沉积物的微量元素含量范围内。但Mn含量相对较低,尽管Fe含量略高于北部沉积物,但仍低于上述含金属沉积物的Fe含量,Si以及Al、Ti等陆源元素含量较高(0.64≤Al/(Al+Fe+Mn)≤0.67),明显高于上述东太平洋典型含金属沉积物的比值。沉积物中Si元素可能有两种来源:(1)碎屑来源;(2)自生沉积来源(热液硅、生物硅)。为了估算样品是否有自生Si加入导致的Si过剩等情况,引入Si/Al指标(Al为典型陆源元素)。已有研究证明冲绳海槽沉积物主要的陆源物质贡献者为长江、黄河和台湾物质[1-3],从东海大陆架到陆坡再到槽底,Si/Al比依次降低,分别为6.56、4.43、3.11[31]。冲绳海槽南部研究区沉积物Si/Al比为7.48~8.49,平均值为7.91,明显高于槽底沉积物的Si/Al平均值3.11,也高于陆架Si/Al平均值6.56。假设以东海大陆架沉积物作为陆源物质,研究区样品明显含有大量的过剩Si,由于样品中生物硅(硅藻、放射虫等硅质生物化石)含量较少,因此过量的Si应该主要由热液活动带入。以上证据说明冲绳南部研究区样品主要来自陆源物质,但明显受到了热液活动的影响。

    • 冲绳海槽特殊的半深海沉积环境,既有陆源碎屑又有广泛的生源沉积,活跃的火山及热液活动使得沉积物的物质组成更加复杂。稀土元素在表生环境中化学性质非常稳定,沉积物在风化、搬运、沉积及成岩过程中稀土组成变化较小,其携带的物源信息一般不会丢失,因此稀土元素常被用作沉积物物源示踪剂[35]。前人研究认为冲绳海槽沉积物主要由陆源物质、火山物质和生源碎屑组成,这3个端元的稀土元素参数都有明显的差异[28, 30]。沉积物稀土元素以北美页岩为标准进行标准化(以下标N表示),可以了解沉积过程中的混合、均化和分异程度,其中(La/Yb)N、(La/Sm)N、(Gd/Yb)N常用来表示轻重稀土之间、轻稀土之间以及重稀土之间的分异程度[36]。在冲绳海槽,陆源物质主要来自长江、黄河[1, 2]及台湾河流输入的沉积物[3],由于源区环境和物质组成的不同,长江沉积物更富集轻稀土,总稀土(∑REE)、(La/Yb)N、(Gd/Yb)N明显高于黄河沉积物,δEu、δCe、(La/Sm)N值与黄河沉积物相当。台湾河流输入的沉积物也具有较高的(La/Yb)N、(La/Sm)N[37],各地质体具体的稀土元素参数见表 2。综合以上参数,通过不同稀土元素参数组合,可以有效识别冲绳海槽沉积物的陆源物质来源。冲绳海槽北部沉积物∑REE含量和稀土经北美页岩标准化配分模式更接近黄河物质而与长江物质具有明显差别,在稀土元素(La/Sm)N-(Gd/Yb)N图解中,冲绳海槽北部沉积物样品除了受到黄河物质影响外,部分样品明显具有台湾物质来源,分析与前人的研究结果一致。前人研究认为约7ka以来,黑潮主轴位置可能重新进入冲绳海槽,使得台湾物质可以随黑潮北上进入冲绳海槽[3]。因此,冲绳海槽北部表层沉积物主要陆源物质为黄河和台湾物质。冲绳海槽南部表层沉积物∑REE含量高于黄河沉积物,而更接近长江沉积物,但轻重稀土分馏程度减弱,重稀土富集增加,北美页岩标准化Eu正异常增强。上述稀土元素特征说明在冲绳海槽南部,表层沉积物的成因或者来源有别于北部沉积物。首先,在陆源物质组成上,根据(La/Sm)N-(Gd/Yb)N图解,冲绳海槽南部沉积物样品远离黄河、长江沉积物区域,接近台湾沉积物,说明冲绳海槽南部沉积物主要陆源物质来自台湾。其次,其他物质贡献,在(La/Sm)N-(Gd/Yb)N图解中,南部沉积物并不完全位于台湾沉积物所代表的区域内,并且轻重稀土分馏程度减弱,重稀土富集增加,说明可能有其他富集重稀土的物质端元的贡献。冲绳海槽南部HOBAB3-t9’站位沉积物具有明显的正Eu异常,REE元素配分模式与研究区附近的第四与那国热液区喷口流体相似,说明冲绳海槽南部沉积物很可能受到热液源物质的贡献,但HOBAB3-t9’站位沉积物δEu和δCe异常明显减弱,重稀土Gd-Lu含量逐渐增高,暗示除了受热液活动影响,沉积物还有可能受到其他过程的作用。

      图  3  冲绳海槽北部和南部表层沉积物样品及长江沉积物[22]、黄河沉积物[22]、台湾沉积物[37]、冲绳海槽火山岩[38]经北美页岩标准化(La/Sm)N-(Gd/Yb)N图解

      Figure 3.  NASC normalized (Gd/Yb)N vs. (La/Sm)N diagram of the surface sediments from the northern and southern Okinawa Trough, Yangtze River[22], Yellow River[22], Taiwan[37] materials and Okinawa Trough

      前人对第四与那国热液流体稀土元素的研究显示,喷口流体喷出海底后,随着流体与海水的混合及扩散,离喷口越远,流体的正Eu异常越弱,而负Ce异常越强[13]。在东太平洋海隆19°S和胡安德富卡洋脊45°N(SJFR 45°N)热液区喷口流体在扩散过程中热液流体及下覆沉积物的Fe、Mn及稀土元素也出现了明显变化[39]。在SJFR 45°N,近喷口端(< 10 km)沉积物中的Mn/Fe比值非常低(0.07),与太平洋其他地区典型含金属沉积物的Mn/Fe比值相当;在远喷口端(>16km),沉积物中Mn/Fe比值明显升高到0.43,Mn和Fe之间的分馏减小,也暗示随着沉积物远离喷口,热液活动的影响减弱。喷口流体、周围海水及下覆沉积物稀土元素的变化与热液柱中Fe-Mn颗粒物的快速沉积及其对热液流体和海水中稀土元素的强烈清扫作用有明显关系[40]。喷口流体在与海水混合过程中,流体中溶解的Fe2+会被氧化为氧化物或氢氧化物,迅速沉积下来,SJFR 45°N喷口流体REE/Fe比值小于下覆沉积物的REE/Fe比值,表明热液柱中的Fe氧羟化物不仅对热液流体,同时对周围海水的稀土元素具有强烈的清扫作用[39]。此外,热液柱中也会形成一些硫化物或硫酸盐颗粒,这些颗粒物及Fe-Mn氧羟化物沉降到下覆沉积物中,可能会对下覆沉积物的元素组成产生影响。

      热力学及相关理论研究表明在表生环境下,除了某些极其还原、碱性缺氧的海洋沉积物孔隙水环境,水溶液中Eu主要以+3状态存在。在温度超过250℃的热液流体中,Eu主要以+2状态存在[41]。海相沉积物中出现明显正Eu异常主要有两种情况:(1)沉积过程中有富Ca长石类矿物的火山碎屑加入;(2)沉积过程中有热液产物硫化物、硫酸盐、热液Fe-Mn氧化物的加入。冲绳海槽HOBAB3-t9’站位表层沉积物表现出明显的正Eu异常(δEu为1.49),样品取自第四与那国热液区附近,暗示样品中很有可能有热液产物的加入。有研究显示在冲绳海槽中部JADE热液区附近沉积物中显著富集Cu(高达240μg/g)、Zn(628μg/g)、Ba(1025μg/g)、Pb(1145μg/g)等,沉积物无热液蚀变,Marumo等研究认为沉积物中金属元素的富集与热液柱颗粒物中硫化物、硫酸盐的沉积有关[18]。碎屑矿物鉴定表明,冲绳海槽南部表层沉积物重矿物中有一定量的黄铁矿、磁黄铁矿、重晶石及热液的Fe-Mn氧化物的加入,这些矿物的加入应该是南部沉积物中的Fe以及大部分微量元素含量升高的主要原因。

      在正常海水中,Ce是唯一一个在表生氧化还原条件下发生价态变化的稀土元素,在氧化条件下水体中溶解的Ce3+会通过生物作用[42],或者在非生物作用下通过Fe、Mn氧化物沉淀下来[43, 44]。海洋自生沉积物铁锰结核或结壳中因水羟锰矿等吸附海水中的Ce及其他轻稀土,而表现出强烈的正Ce异常[45, 46]。深海沉积物中会散落部分铁锰微结核,其稀土元素也具有明显的正Ce异常。冲绳海槽南部沉积物样品δCe的弱负异常较第四与那国喷口流体以及北部表层沉积物都明显减弱,总稀土含量逐渐增高,暗示可能有Fe-Mn氧化物的加入,或受海水的影响加强。热液柱中的Fe-Mn颗粒物沉降到下覆沉积物后,将不断改变沉积物的REE配分模式,使沉积物的Ce亏损减弱,热液流体中轻稀土富集而重稀土亏损的印记逐渐减弱,而总稀土含量逐渐升高的特征在沉积物中表现逐渐加强。如深海黏土在缓慢的沉积作用下,沉积物与海水有足够的时间接触,海水的REE被沉积物吸附后总稀土含量升高,表现出轻稀土略亏损而重稀土略富集的类似海水的左倾型稀土配分模式[47]。有证据表明热液喷口附近的沉积物较好地保留了热液流体的REE配分模式,Eu正异常明显,而远离喷口的沉积物,热液流体REE特征的印记会明显减弱,一般Eu基本无异常,取而代之逐渐表现为海水的稀土特征,即重稀土逐渐富集[13, 34]。此外,南部沉积物样品亲铜元素Cu、Pb、Zn及Ba、Mo含量明显较北部沉积物高,很有可能也是受热液铁锰氧化物的影响。于增慧等对冲绳海槽含金属沉积物进行化学相态分析表明,沉积物中热液源的元素组分主要赋存在铁锰氧化相态中[48]

      以上研究表明冲绳海槽南部表层沉积物中黄铁矿、磁黄铁矿、重晶石及热液的Fe-Mn氧化物的加入使得南部沉积物中的Fe以及大部分微量元素含量升高,而热液Fe-Mn氧化物颗粒的加入,使沉积物表现出类似热液流体正Eu异常的稀土特征,这些颗粒物不仅从热液流体中清扫稀土元素,也可以从海水中清扫稀土元素,使得沉积物Ce异常减弱,总稀土含量升高。

    • (1) 冲绳海槽北部表层沉积物主要由自生组分、陆源组分、生物源组分及火山组分构成,钙质生物组分和火山组分的加入导致沉积物的总稀土含量降低,北美页岩标准化稀土元素配分模式及(La/Sm)N-(Gd/Yb)N比值表明冲绳海槽北部的陆源组分主要来自黄河和台湾河流输入的物质。

      (2) 冲绳海槽南部表层沉积物主要由陆源组分、自生组分、热液组分及部分生物源组分构成,由于受热液活动影响,一定量的黄铁矿、磁黄铁矿、重晶石及热液Fe-Mn氧化物的加入,使得南部沉积物的Fe以及Ba、Cu、Pb、Zn及总稀土元素含量升高,并表现出类似热液流体的正Eu异常的稀土特征。这些Fe-Mn氧化物不仅从热液流体中清扫稀土元素,也可以从海水中清扫稀土元素,使得沉积物负Ce异常减弱,总稀土含量升高。此外,样品中有一定量的过剩硅,来自热液活动。稀土元素配分模式及(La/Sm)N-(Gd/Yb)N比值表明冲绳海槽南部沉积物主要陆源物质来自台湾。

参考文献 (48)

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