西沙群岛，古名七州洋、千里长沙，位于南海北部大陆坡的西沙台阶，北起北礁，南至先驱滩，西迄中建岛，地理位置在15°43′~17°07′N、111°11′~112°54′E之间，处于南海航道要冲。西沙群岛海域面积50多万km²，共有40座岛礁，其中露出海面29座，总面积大于8km²。可分为两大群组：东北面的宣德群岛和西南面的永乐群岛，其中三沙市政府所在地坐落于宣德群岛永兴岛上，永乐群岛的主体主要为永乐环礁。

古近纪末期，西沙地块由华南大陆裂离到现今位置^[12]。在随后热沉降过程中，早期高地成为发育碳酸盐台地的水下隆起。1973年以来，先后在永兴岛、石岛和琛航岛钻探了西永1井、西石1井、西永2井和西琛1井等多口科学钻孔，试图解释西沙隆起区碳酸盐台地发育、演化规律。吴时国等分析资料显示中晚中新世和第四纪为主要的成礁期^{[13, 14]}，认为从古近纪末期开始，西沙群岛一直是碳酸盐台地发育的地区，目前仍发育大量的碳酸盐岛礁。

研究区位于西沙群岛永乐环礁(图 1)，是一个晚新生代碳酸盐台地，水深变化为0~1138m，台地之上水深变化较小，为0~50m；台地斜坡水深变化剧烈，为50~800m；其周边深水盆地平原水深为800~1138m。

图  1  西沙群岛永乐环礁位置

Figure 1.  Location of study area

根据永乐环礁瀉湖内水深数据初步分析结果，选取YLD01重力柱状样(图 2)为研究对象，站位水深约49m，柱状样长度为113cm，柱状样从顶到底变化不多，主要为淡黄色粗砂，表层2~4cm颜色较深，松散状，无味，黏性较弱，呈次圆-次棱角状，分选性一般，主要物质成分为珊瑚碎屑砂，并含有大量的生物贝壳碎屑等(图 3)。

图  2  西沙群岛永乐环礁重力柱状样取样站位

Figure 2.  Site of the gravity core

图  3  西沙群岛永乐环礁YLD01柱状沉积物样品

Figure 3.  The gravity core for sample

柱状样品按照1~2cm进行取样，进行地球化学分析，共计60个样品；对YLD01柱状样取8个AMS¹⁴C测年样品进行测试。AMS¹⁴C测年由美国Beta Analytic Inc实验室完成，选柱状样中贝壳、珊瑚等为测年材料，得到有效年代数据，然后使用CALIB 7.1 Beta进行日历年转换，使用海洋放射性碳校正曲线(Marine13)^[15-17]进行日历年校正，计算实际的沉积速率。在海南省海洋地质测试研究中心，采用X-射线荧光光谱分析方法对柱状沉积物的常量元素进行测试分析。

沉积速率主要受陆源碎屑物输入、生源碎屑供应和深海CaCO₃的溶解等因素的影响，该环礁远离大陆，主要受生源的碎屑影响^{[18, 19]}。根据AMS¹⁴C测年结果(表 1)，YLD01柱状沉积物在晚全新世以来(1460aBP以来)的平均沉积速率为0.778mm/a(图 4)。从表 1可以看出，YLD01柱状样分别在65~50cm和40~30cm两处沉积速率最大，沉积速率均大于1mm/a，在柱状样底部113~85cm处沉积速率最小。此外，测定年龄结果无反转，表明晚全新世以来永乐环礁沉积环境比较稳定，没有发生滑塌等事件。

图  4  YLD01柱状沉积物常量元素垂直分布图

Figure 4.  Vertical distribution of major elements

YLD01柱状沉积物中主元素含量最多的是CaO(45.26%~52.07%，平均值为50.63%)，其次是MgO(1.26%~8.44%，平均值为2.46%)，随后是Na₂O(0.67%~1.01%，平均值为0.73%)、SiO₂(0.27%~1.01%，平均值为0.51%)、Fe₂O₃(0.01%~4.35%，平均值为0.13%)、P₂O₅(0.04%~0.11%，平均值为0.06%)、Al₂O₃(0.01%~0.03%，平均值为0.02%)、K₂O(平均值为0.02%)、MnO(0~0.03%，平均值为0.01%), TiO₂(0.001%~0.007%，平均值为0.002%)(表 2)。除了CaO和MgO含量外，其他主元素平均含量均小于1%(图 4)，与测试样品的CaCO₃平均含量为92%相比，YLD01柱状沉积物基本是由碳酸盐矿物组成。

西沙永乐环礁YLD01柱状沉积物与南海南部97-37^[20]和南海北部191柱状沉积物^[21]的常量元素含量相比(表 2)，YLD01柱状沉积物CaO平均含量最高，远高于其他海域及地壳平均含量；MgO平均含量略高于其他海区，低于地壳平均值；YLD01柱状沉积物其他常量元素均很低，与其他海区可比性较差。

聚类分析是地质成果推断解释的重要多元统计手段之一^[22]，为了研究西沙群岛永乐环礁地球化学指标随深度的变化特征及影响因素，计算常量元素之间相关系数见表 3、图 5，用R型聚类分析方法对YLD01柱状沉积物常量元素进行分析。图 4和表 3显示，CaO和MgO呈显著的负相关，相关系数高达-0.80，在岩芯顶部0~6cm层段MgO的高含量可能反映了高镁方解石的存在，而非白云石化作用的结果。

图  5  西沙群岛永乐环礁YLD01柱状沉积物常量元素R型聚类分析

Figure 5.  R-type cluster analysis for major element

由于西沙生物礁碳酸盐生物礁台地为大陆坡型碳酸盐台地，并且中间有西沙海槽与陆架相隔，陆源碎屑物质难以达到，但可能也有少量火山灰、风尘物质混入。因此，除CaO和MgO外，其他氧化物的含量很低，总体相关性一般。分析各常量元素之间的相关性(表 3、图 5)，若选择相关系数绝对值>0.6，可以将常量元素组分分为5类：

(1) 以CaO为主，辅以Na₂O的原生碳酸盐组分，该组分对应的主要造岩矿物是方解石，代表了未经白云岩化的生物礁原生碳酸盐沉积^[21]。图 4和表 3显示CaO和Na₂O呈显著的负相关，相关系数高达-0.91，在岩芯顶部0~6cm段含量变化较大，CaO含量从51.16%突降到45.26%，再突增到50.24%，而Na₂O含量变化与CaO含量变化趋势相反，从0.73%突增至1.01%，再突降到0.78%；24~42cm段，CaO含量呈增高趋势，而Na₂O含量为降低趋势，也是在该柱状样中的最高值和最低值处，变化幅度较大，变化频率一般；84~90cm段，CaO和Na₂O含量变化幅度较大，变化幅度、趋势与0~6cm段相似。总体上来看，Na₂O含量变化频率要大于CaO含量变化频率。

(2) 以MgO为主，辅以Fe₂O₃和MnO自生铁锰类矿物，珊瑚死亡后的外面黑色膜，代表了白云岩化作用中的富集作用，反映了相对封闭的瀉湖环境。图 4和表 3显示MgO分别与Fe₂O₃和MnO呈显著的正相关，相关系数分别为0.84和0.81，在岩芯顶部0~6cm段含量变化较大，MgO含量从2.12%突增到8.44%，再突降到2.88%，Fe₂O₃和MnO含量变化与MgO含量变化趋势相同，其中Fe₂O₃含量变化振幅最大；20~42cm段3个元素的变化振幅较大，频率较高，变化趋势基本相同；其余段处相对变化振幅较小，总体来说3个元素含量变化频率相对比较平稳，MnO含量有逐渐减小的趋势，MgO含量变化振幅较其余两元素较强。

(3) 以SiO₂为主，辅以Al₂O₃和K₂O，由于西沙群岛永乐环礁远离大陆，基本未受陆源物质的混杂，因此反映的应该是造礁生物对这些组分的富集作用。图 4和表 3显示SiO₂分别与Al₂O₃和K₂O呈显著的正相关，相关系数分别为0.49和0.68，根据3个元素含量总体变化，变化趋势相似，划分为2个下降段和3个上升段，在0~12cm、48~82cm和102cm以下为上升段，其中0~12cm段变化振幅较大；在12~48cm和82~102cm段为下降段，其中12~48cm段变化频率及振幅变化较大。

(4) TiO₂，在南海通常以Ti作为陆源物质指标。TiO₂平均含量为0.002%，在0.001%~0.007%之间变化，与其他常量元素相关性较差。

(5) P₂O₅，代表了生物自身沉积的作用，表现为含P高的生物碎屑沉积。含量在0.04%~0.11%之间变化，平均含量为0.06%，与其他常量元素相关性较差。

元素在地层中的分布与气候变化关系密切，蕴含重要的古海洋学意义^{[5, 11, 20]}。西沙群岛永乐环礁瀉湖YLD01柱状沉积物中主元素含量的垂直变化看，CaCO₃和CaO含量变化趋势基本相同(图 6)，相关系数为0.60，钙为亲生物元素，来源于生物作用和生物化学作用，反映了该海区海平面和生物生产力的变化。海底沉积物中CaCO₃含量的变化是一项对气候环境敏感的地球化学指标。图 6显示YLD01柱状沉积物的沉积速率与CaO、CaCO₃含量之间关系，1460aBP以来CaO、CaCO₃含量非常高，CaCO₃含量变化范围为86.82%~94.29%，平均值为91.99%。在此阶段CaCO₃含量变化有3次是升高过程：(1)86~62cm沉积速率为升高过程，从0.547mm/a升高到1.154mm/a，该段大部分沉积速率为0.769mm/a，相对应CaCO₃含量在90.65%~93.03%之间变化；(2)38~24cm沉积速率降低过程，从1.333mm/a降低到0.811mm/a，相对应CaCO₃含量在91.26%~94.29%之间变化；(3)14~4cm沉积速率平稳过程，该段沉积速率为0.769mm/a，相对应CaCO₃含量在86.82%~92.87%之间变化，总体来说，CaCO₃含量升高过程为沉积速率较高阶段。西沙群岛永乐环礁在远离大陆的开阔海区，海底沉积物中CaCO₃的主要来源为珊瑚碎屑，其次为少量的钙质生物壳体，如有孔虫等。

图  6  YLD01柱状沉积物CaO和CaCO₃含量的纵向耦合关系

Figure 6.  The vertical coupling relationship of CaO and CaCO₃

SiO₂、Al₂O₃、K₂O和MgO、Fe₂O₃两组含量变化相似(图 4)，SiO₂、Al₂O₃、K₂O组变化振幅较大，两组组分主要来自陆源的砂质碎屑和黏土矿物，其变化反映了陆源物输入/输出量的变化。图 4显示，自1460aBP以来，随着沉积速率的增加，SiO₂、Al₂O₃、K₂O和MgO、Fe₂O₃两组含量有递增的趋势，但两组含量均较小，除MgO含量超过1%以外，其他元素含量均小于1%，说明西沙永乐环礁瀉湖的陆源物质较少。

海洋沉积物中MgO与Al₂O₃含量比值大小主要反映陆源物质的输入量大小，比值越小，陆源物质输入量越多，反之则越少^[20]。MgO与Al₂O₃含量比值变化可以较好地指示源区的气候环境因子变化的特征。YLD01柱状沉积物中，底部年代为1460aBP，即晚全新世，指示了冰后期较温暖的气候特征，MgO/Al₂O₃含量比值平均值为133，在78~214之间变化(图 7)。MgO/Al₂O₃含量比值与沉积速率对比，随着沉积速率的增加，MgO/Al₂O₃含量比值逐渐降低。但总体上MgO/Al₂O₃含量比值较大，反映冰后期陆源物质的输入量相对来说极少，该柱状样极高的钙含量也说明研究区沉积物来源主要为钙质生物。

图  7  YLD01柱状沉积物MgO和Al₂O₃含量比值曲线图

Figure 7.  MgO and Al₂O₃ ratio curve

根据YLD01柱状沉积物的AMS¹⁴C测年，该柱状样晚全新世时期1460aBP以来的平均沉积速率为0.778mm/a(表 1)。各层段的沉积速率略有不同，以该柱状样平均沉积速率为准，将全柱自上而下划分出6个沉积速率高低交替阶段：(1)上部0~30cm层段(现今至360aBP)沉积速率较高阶段；(2)30~40cm层段(360~435aBP)为沉积速率高阶段；(3)40~50cm层段(435~595aBP)沉积速率较低阶段；(4)50~65cm层段(595~725aBP)为沉积速率高阶段；(5)65~85cm层段(725~985aBP)为沉积速率略低阶段，沉积速率接近平均沉积速率；(6)85~113cm层段(985~1460aBP)为沉积速率最低阶段。根据章伟艳等研究的南海深水区晚更新世以来的沉积速率^[23]，南海柱状样分布极不均匀，西北陆坡—深海盆区柱状样分布密集，东南陆坡—深海盆其次，东北陆坡柱状样较少，西南陆坡及中央深海盆几乎没有柱状样，南海氧同位素1期沉积速率为1.67~26.67cm/ka, 平均8.13cm/ka。与永乐环礁瀉湖内YLD01柱状样对比，平均速率远高于南海的平均沉积速率，可能由于瀉湖是礁顶珊瑚的生长和堆积作用较强所致。

竺可桢划分了中国大陆近5000年来气候冷暖变化的几个阶段^[24]，他展示了近1700年来中国的气温波动同格陵兰岛冰川剖面δ¹⁸O含量曲线所表征的世界冷暖变化如出一辙；他指出中国大陆23—600AD为冷期，600—1100AD为暖期，1100—1894AD为冷期，1894AD以来为暖期，这与晏宏、孙立广等人^[25]研究的西沙晚全新世温暖期(990AD左右)的高海温特性相符。西沙永乐环礁瀉湖内YLD01柱状样近1700年来沉积速率与历史温度波动曲线的趋势相似(图 8)，永乐环礁地区历史气候的冷热分期与我国大陆大体上一致。西沙群岛区域自新生代以来属热带，冰后期冷热变化是相对性的，其年际气温波动幅度虽不超过4℃，但对海水表面温度敏感的珊瑚生物仍会产生一定的影响^[18]，具有相当明显的相关关系，存在“寒处较短，暖处较长”的规律^[26]，也就是说一般气候温暖时生物繁盛，沉积物多，沉积速率高。珊瑚生长速率对现代瀉湖的沉积速率有较大影响，珊瑚生长较快，提供的物源多，加快沉积，从而沉积速率较大。张会领、余克服等利用珊瑚生长率重建了西沙海域中晚全新世海温变化^[27]，得出在中晚全新世以来，西沙海域SST总体上先降后升的趋势，并在2985~2904aBP期间平均SST为26.5℃，为晚全新世以来的SST最低值，在此阶段至现今为升高阶段，这与YLD01柱状沉积物总体上沉积速率升高相符。

图  8  1700年来世界气温波动与永乐环礁瀉湖沉积速率变化

Figure 8.  World temperature fluctuation and relation with the sedimentation of lagoon in Yongle Atoll since 1700

(1) AMS¹⁴C测年结果表明，YLD01柱状沉积物在晚全新世以来(1460aBP以来)的平均沉积速率为0.778mm/a。将全柱自上而下划分出6个沉积速率高低交替阶段，测年结果无反转情况发生，表明晚全新世以来永乐环礁沉积环境比较稳定，沉积速率总体为升高趋势。

(2) YLD01柱状沉积物中主元素含量最多的是CaO，其次是MgO，其他主元素平均含量均小于1%。根据主元素之间的相关性，大致可以分为5类：①以CaO为主，辅以Na₂O的原生碳酸盐组分，该组分对应的主要造岩矿物是方解石，代表了未经白云岩化的生物礁原生碳酸盐沉积；②以MgO为主，辅以Fe₂O₃和MnO，代表了白云岩化作用中的富集作用，反映了相对封闭的瀉湖环境；③以SiO₂为主，辅以Al₂O₃和K₂O，由于西沙群岛永乐环礁远离大陆，基本未受陆源物质的混杂，因此反映的应该是造礁生物对这些组分的富集作用；④TiO₂在南海通常以Ti作为陆源物质指标，但其含量非常低，说明该海域陆源物质较少；⑤P₂O₅表现为含磷高的生物碎屑沉积，在该海域主要为生物粪便沉积，其含量较低。

(3) 与沉积速率对比，随着沉积速率的增加，MgO/Al₂O₃含量比值逐渐变小，但总体上MgO/Al₂O₃含量比值较大，反映冰后期陆源物质的输入量相对极少，说明研究区沉积物来源主要为钙质生物。这与CaCO₃和CaO含量垂直变化趋势基本相同，钙为亲生物元素，并且CaCO₃含量非常高，说明本区沉积物的来源主要为生物成因，极少量来自其他物质输入。

(4) YLD01柱状沉积物沉积速率远高于南海西北陆坡-盆地沉积速率，可能由于瀉湖是礁顶珊瑚的生长和堆积作用。与晚全新世气候相比，总体上永乐环礁瀉湖随SST升高沉积速率呈升高的趋势。