Distribution pattern of volcanic glasses in the surficial sediments of the South China Sea and their provenance
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摘要: 火山碎屑是边缘海沉积的重要来源，其分布特征对研究沉积作用与构造活动具有重要意义。对南海2276个表层站位碎屑矿物分析表明，664个站位含火山玻璃，占总站位数的29.17%，其中含量最高达95.8×10−3。表层沉积物火山玻璃主要出现在南海东部海域，往西呈逐渐降低趋势。南海东部主要重矿物磁铁矿和角闪石分布与火山玻璃十分相似，表明可能具有相同的来源。这些特征表明火山玻璃主要来自菲律宾群岛。这与南海东缘的琉球-台湾-菲律宾火山－地震带的吕宋岛大量活火山分布吻合。南海南缘苏门答腊-爪哇岛弧火山-地震带，虽然第四纪火山和地震活动频发，但对表层样火山玻璃贡献不大。南海海域火山可能有少量贡献，但不是主要因素，南海北缘及西缘基本没有贡献火山玻璃。Abstract: Pyroclast is a kind of important sediment source to marginal seas and the distribution of it is of great significance to the study of sedimentation and tectonic activities. In this paper, the detrital components from 2276 surficial samples of the South China Sea are studied. Volcanic glasses are found in 664 sites, accounting for 29.17%, of which the maximum is as high as 95.8×10−3. The volcanic glasses mainly occur in the eastern part of the South China Sea and gradually decrease westward. The distribution pattern of the main heavy minerals, such as magnetite and hornblende, is similar to that of volcanic glasses, indicating that they may have the same origin. Data suggests that volcanic glasses are mainly sourced from the Philippine islands. It is consistent with the distribution pattern of active volcanoes widely distributed in the Luzon island and partial Ryukyu-Taiwan-Philippines volcanic arc and seismic zone along the eastern margin of the South China Sea. The Sumatra-Java volcanic arc and seismic zone in the southern margin of the South China Sea, although there are frequent Quaternary volcanic and seismic activities, does not contribute much volcanic glasses to the surficial sediments. Volcanoes in the South China Sea are not the main contributor and the northern and western parts of the South China Sea have almost contributed nothing.
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Keywords:
- volcanic glass /
- surficial sediment /
- provenance analysis /
- South China Sea
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火山碎屑是南海沉积的主要来源之一，其含量、分布和源区特征对研究南海的沉积作用与构造活动具有重要意义[1-5]。前人对南海部分海域火山玻璃的含量、分布及其成分特征作了一些研究，初步探讨了火山物质的来源与搬运过程、火山喷发的关系[2,5-10]，并对局部海域火山玻璃的分布特征进行了较详细的研究[11-13]。杨群慧等对南海东部表层沉积物中火山玻璃研究认为[14]，其主要来源于附近弧状列岛的火山喷发物，基性火山碎屑矿物则主要来自海底火山岩的剥蚀物。陈忠等认为菲律宾岛弧火山带、南海深海盆火山喷发以及印尼岛弧火山带是南海火山玻璃的主要源区，火山玻璃的搬运和沉积主要受台风、越赤道气流和环流的影响与控制[4]。此外，利用柱状样研究晚更新世以来火山玻璃组成与分布特征，探讨其来源[2,15]；也开展了南海周边源区，包括东部菲律宾群岛[16]，北部华南地区等火山喷发特征及其物质组成，为海域火山物质来源提供参考。总体来看，受取样的限制，对南海海域火山玻璃分布特征的研究明显不足，缺乏整体的认识。
笔者近年对南海全海域进行系统取样，进行火山玻璃的分析鉴定与统计，旨在认识南海沉积物中火山玻璃分布的整体特征及其来源。
1. 材料与方法
1.1 表层沉积物样品
南海表层沉积物取自南海全海域，包括陆架、陆坡和深海盆地，总共2276个站位（图1）。取样方式包括抓斗取样、箱式取样和柱状取样。对箱式样和柱状样，通常取0～10 cm代表表层样。
1.2 样品处理与鉴定方法
按统一标准对表层样品进行碎屑矿物鉴定，大部分样品由广州海洋地质调查局测试所分析测试，部分由海南省地质测试研究中心完成。
海洋沉积物碎屑矿物鉴定，依据《海洋调查规范 第八部分：海洋地质地球物理调查》GB/T12763-2007，具体步骤按以下技术要求进行：
（1）将样品自然风干或烘干后，采用1/100的天平称取定量干样，通常为5.00 g；
（2）将样品置于烧杯中，加水充分浸泡后，冲洗，过筛，选取粒径0.063～0.25 mm的样品；
（3）将样品自然风干后，采用1/1000天平称其质量；
（4）淘洗，分离出相对重、轻矿物两部分；对重矿物部分进行磁选、电磁选；采用1/1000天平称分选后各部分质量；
（5）在实体显微镜下鉴定各类碎屑矿物，其中包括火山玻璃，并目估其含量，最后统计火山玻璃含量。
由于研究区范围很大，涉及沉积物类型很多，碎屑矿物含量变化很大，在碎屑矿物含量很低时，颗粒相对含量可能失真，因此换算成干样含量，可以更好地反映其区域分布特征。
2. 表层沉积物火山玻璃分布特征
南海表层沉积物样品火山玻璃呈橙黄色、浅褐色、灰白色等，透明至半透明，性脆，主要呈不规则的多角状、平板状等。火山玻璃是岩浆喷出地表时，因突然冷却、来不及结晶而凝固形成。因岩浆中含有大量气体，南海火山玻璃的气孔、气泡特别发育。根据火山玻璃主要成分分析，南海棕色火山玻璃为安山岩玻璃，白色火山玻璃为流纹岩玻璃[3]。
对2276个表层站位进行碎屑矿物鉴定，其中664个站位含火山玻璃，占总站位数的29.17%，其中424站位含量＜1×10−3，130个站位含量为1×10−3～10×10−3，110个站位含量＞10×10−3，最高含量为95.8×10−3，各区间站位数见图2。
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图 2 南海表层沉积物火山玻璃含量区间与站位数关系Figure 2. Relationship between volcanic glass content versus site number for surface sediments of the South China Sea南海火山玻璃主要分布于中东部深海海域，含量在20×10−3以上高值区主要分布于菲律宾群岛以西，靠近吕宋岛中部以南至卡拉棉群岛海域，向周边海域呈逐渐降低趋势；南海西部、北部和西南广大海域含量极少或基本不含火山玻璃（图3）。
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图 3 表层沉积物火山玻璃含量分布图（干样含量）Figure 3. Distribution map of volcanic glass content in surface sediments (bulk sediment sample)根据其分布特征，大致以北东向为分界线，分为南北两区，北区高值区位于吕宋岛中南部以西海域，大致呈扇形往周边扩展；最北部可能有其他来源。南部的高值区位于民都洛与巴拉望到北部之间的西北海域，往西南含量下降。
3. 物源分析
3.1 南海周边火山分布特征
南海周边有两条重要的岛弧火山—地震带（图4）：①东缘的琉球-台湾-菲律宾岛弧火山—地震带，属安山岩、石英安山岩或玄武岩；②南缘的苏门答腊-爪哇岛弧火山—地震带，属安山岩、玄武岩和流纹岩[4, 17]。第四纪以来这2条火山地震带一直在活动，对南海的沉积作用产生了极大的影响[14]。
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图 4 南海周边部分活火山分布Figure 4. Distribution of some active volcanoes around the South China Sea南海东缘菲律宾群岛位于欧亚板块和菲律宾板块的交界，是西太平洋边缘构造带的一部分，西部欧亚板块南海洋壳往东俯冲于菲律宾群岛之下，东部菲律宾海板块洋壳往西也俯冲于菲律宾群岛之下，形成双向俯冲的复杂构造带，成为火山和地震多发区，第四纪火山活动频繁[4, 18]。
据统计菲律宾有多达22座活火山，其中，吕宋岛有塔阿尔（Taal）火山、巴纳豪（Banahaw）火山、皮纳图博（Pinatubo）火山、马荣（Mayon）火山，巴布延岛有巴布延克拉罗火山，内格罗斯岛有坎拉翁火山，棉兰老岛有拉冈火山、阿波火山，霍洛岛（和乐岛）有霍洛火山等（https://www.59baike.com/a/236647-51）。
塔阿尔火山是菲律宾最活跃的火山之一，1572年有记录以来共爆发33次。因突然、猛烈的喷发特征导致其存在巨大的潜在危害[19]，其中1911年的爆发导致逾千人死亡。早期的火成岩以英安岩为主，SiO2含量为64%～65%[20]，但后期的火成岩和火山灰主要是玄武岩和玄武质安山岩（SiO2含量为53%～56%），具有弧后盆地到岛弧玄武岩特征[21-22]。巴纳豪火山位于Makiling 和Malepunyo火山以东15 km处，位于Santa Cruz断层南北向的投影方向之上[23]，海拔2 170 m。由安山岩组成，其岩浆与塔阿尔火山相似，显示出碱性倾向[24]。最近一次火山喷发在1843年。
皮纳图博（Pinatubo） 火山，位于菲律宾吕宋岛，海拔1 486 m。1991年6月爆炸式大喷发是20世纪世界上最大的火山喷发之一，喷出的岩浆为玄武岩和英安岩混合岩浆，主要成分是橄榄石、辉石、石英等，喷出大量火山玻璃达到南海中部、西部海域，并且影响到海洋生态系统[7, 25-26]。
马荣火山是比科尔火山链的一部分，位于吕宋岛东南部，距马尼拉约500 km，是世界上最著名的活火山之一，被称为世界上最完美的火山锥，方圆130 km，高2 421 m（图4）。马荣火山在本世纪的喷发历史具有周期性，几乎每10年爆发1次[27]。历史上有记载，马荣火山共喷发47次，最大的一次是1814年2月，火山岩浆埋没了卡格沙瓦（Cagsawa）城，1200人丧生。马荣火山的火成岩从玄武岩到安山岩均有分布，但大多数是玄武质安山岩，SiO2含量为54%～58%，其岩浆整体碱性较塔阿尔火山弱[28]。
南海南缘印度板块洋壳沿巽他-爪哇海沟往北俯冲于巽他大陆之下，形成苏门答腊-爪哇岛弧火山－地震带，第四纪火山和地震活动频发。位于苏门答腊岛的西北部的多巴（Toba）火山是其中典型的火山之一，是全球第二大超级火山。约75 000 aBP的大爆发，喷出物体积达到了3 200 km3，被认为是25 Ma以来最大规模火山爆发，火山灰使得天空灰暗，南极的Vostok冰芯记载显示地球上的气温平均下降了4℃[29-31]。
此外，南海北部有新生代基性、超基性火山活动[32-33]。南海深海盆地海底扩张后仍有大量火山活动，形成以基性为主的火山岩[17, 34-37]。南海周边，以及海盆的地震活动为沉积玻璃提供了来源。
3.2 表层火山玻璃来源
对南海表层沉积物火山玻璃分布特征，陈忠等做了至今最为系统的总结[4]，认为表层沉积物中的火山玻璃含量基本呈南北向分布, 并由陆架向中部和东部深海盆逐渐增加。但由于取样数量的限制，其分布特征还比较粗糙。张富元等认为南海东部海域火山作用明显[38]，而南海西部表层沉积物较详细的碎屑矿物研究表明，南海西部火山玻璃极少[39]。
详细取样分析表明，南海表层沉积物火山玻璃主要分布于南海东部，高含量区出现在紧邻吕宋岛-巴拉望岛北部海域，并呈现由该中心往周边扩散的特征，并非南北向分布，这与前人认识有所不同[2, 4]。
从重矿物分布来看，南海西部海域相对单调，除自生的微结核外，主要有磁铁矿和角闪石，其他矿物含量很低。磁铁矿主要分布于南海北部和西南陆架区和东部深海区（图5），尤其在东部海域最高含量超过0.8%，比南北陆架区高。角闪石分布与磁铁矿相似，主要分布于南海南北陆架区和东部深海区，含量比磁铁矿略高，且最高含量也出现在东部深海海域。
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图 5 表层沉积物磁铁矿与角闪石含量分布a.磁铁矿，b.角闪石。Figure 5. Distribution of the content of Magnetite and Hornblende in surface sedimentsa. Magnetite,b. hornblende.对比磁铁矿、角闪石与火山玻璃的分布特征，南海南北陆架两者基本不相关，而西部却十分相似，同样呈现从东部靠近菲律宾群岛海域往外含量逐步下降的特征。这表明南海表层沉积物磁铁矿和角闪石有不同来源，陆架区主要来自陆缘碎屑，东部深海区与火山玻璃一样来自火山喷发。杨群慧等也认为南海东部表层沉积中磁铁矿和角闪石与火山玻璃分布格局相似，可能来源于陆架的沉积物和火山物质[14]。
南海表层火山玻璃通常认为是就地海底火山作用喷出的产物[1]，附近岛弧火山喷发的结果[2、17]，或兼而有之[14]。
表层火山玻璃及磁铁矿和角闪石等重矿物分布特征表明，物源主要来自菲律宾群岛。大致呈南北两区的分布特征表明其可能来自不同的火山喷发。这与现代菲律宾群岛的大量火山喷发相吻合（图4）。海域出现小范围的火山玻璃局部富集，可能表明其来自海域的火山喷发或海流等因素导致的相对富集。
南海南缘苏门答腊岛、爪哇岛、小巽他群岛分布着大量火山及活火山，在风力作用下，巽他火山带喷发的火山玻璃可以被输送到南海的广阔海域并沉积下来[4]。研究认为，南海南部ODP1143钻孔的火山玻璃主要来自苏门答腊的多巴火山[40]，但从大量表层沉积物火山玻璃分布来看，南海南缘火山的贡献应该很小，主要来自菲律宾群岛。
4. 结论
对南海大量的表层沉积物碎屑矿物分析表明，火山玻璃含量变化极大，2276个表层站位中664个站位含火山玻璃，占总站位的29.17%，其中最高为95.8×10−3。表层沉积物火山玻璃主要出现在南海东部海域，菲律宾吕宋岛-民都洛岛一带海域为高含量中心，往西呈逐渐降低趋势。南海东部主要重矿物磁铁矿和角闪石分布与火山玻璃十分相似，表明可能具有相同的来源。
重矿物与火山玻璃分析表明，火山玻璃主要来自南海东部菲律宾吕宋等岛屿。这与南海东缘的琉球-台湾-菲律宾火山－地震带大量活火山分布吻合。南海南缘苏门答腊-爪哇岛弧火山－地震带，虽第四纪火山和地震活动频发，但对南海表层沉积贡献不大，南海海域火山可能有少量贡献，但不是主要因素，南海北缘和西缘基本没有贡献。
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图 2 南海表层沉积物火山玻璃含量区间与站位数关系
Figure 2. Relationship between volcanic glass content versus site number for surface sediments of the South China Sea
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图 3 表层沉积物火山玻璃含量分布图（干样含量）
Figure 3. Distribution map of volcanic glass content in surface sediments (bulk sediment sample)
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图 4 南海周边部分活火山分布
Figure 4. Distribution of some active volcanoes around the South China Sea
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百度学术
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