西南印度洋中脊扩张轴部(34.9°S)西翼沉积物地球化学分析及物源探讨

林震, 于洪军, 徐兴永, 杨继超, 易亮, 付腾飞, 吕文哲

林震, 于洪军, 徐兴永, 杨继超, 易亮, 付腾飞, 吕文哲. 西南印度洋中脊扩张轴部(34.9°S)西翼沉积物地球化学分析及物源探讨[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2018, 38(5): 14-29. DOI: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2018.05.002
引用本文: 林震, 于洪军, 徐兴永, 杨继超, 易亮, 付腾飞, 吕文哲. 西南印度洋中脊扩张轴部(34.9°S)西翼沉积物地球化学分析及物源探讨[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2018, 38(5): 14-29. DOI: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2018.05.002
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LIN Zhen, YU Hongjun, XU Xingyong, YANG Jichao, YI Liang, FU Tengfei, LV Wenzhe. Geochemistry and provenance of the sediment from the west flank of the spreading southwest Indian Oceanic Ridge (34.9°S)[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2018, 38(5): 14-29. DOI: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2018.05.002
Citation: LIN Zhen, YU Hongjun, XU Xingyong, YANG Jichao, YI Liang, FU Tengfei, LV Wenzhe. Geochemistry and provenance of the sediment from the west flank of the spreading southwest Indian Oceanic Ridge (34.9°S)[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2018, 38(5): 14-29. DOI: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2018.05.002
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西南印度洋中脊扩张轴部(34.9°S)西翼沉积物地球化学分析及物源探讨

  • 1.

    中国科学院深海科学与工程研究所，三亚 572000

  • 2.

    国家深海基地管理中心，青岛 266237

  • 3.

    中国科学院大学，北京 100049

  • 4.

    国家海洋局第一海洋研究所，青岛 266061

  • 5.

    同济大学，上海 200092

基金项目: 

国家重点基础研究发展计划“超深渊生物群落及其与关键环境要素的相互作用机制研究” 2015CB755901

详细信息
    作者简介:

    林震(1990—)，男，博士研究生，主要从事深海沉积物研究，E-mail：linz@sidsse.an.cn

  • 中图分类号: P736.4

Geochemistry and provenance of the sediment from the west flank of the spreading southwest Indian Oceanic Ridge (34.9°S)

  • 1.

    Institute of Deep-sea Science and Engineering, China Academy of Sciences, Sanya 572000, China

  • 2.

    National Deep Sea Center, Qingdao 266237, China

  • 3.

    University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

  • 4.

    The First Institute of Oceanography, Sate Ocean Administration, Qingdao 266061, China

  • 5.

    Tongji University, Shanghai 200092, China

摘要

    摘要
  • 摘要: 西南印度洋中脊沉积物来源广泛，是区域海洋环境演化的记录器，对其沉积物特征及物源研究是区域古海洋研究的基础。对采自西南印度洋中脊扩张轴部(34.9°S)西翼的重力柱沉积物样品进行总碳、总有机碳、生物硅、主量元素、微量及稀土元素测试, 测试结果显示，样品中生物成因组分为沉积物的主要组成，主要包括碳酸盐和二氧化硅；主微量元素除了Ca、Sr与LOI外，其余元素的分布趋势基本一致，且相关系数基本大于0.8。结合不同生物组分特点进行分析计算，获得了沉积物中各生物组分的含量。去除生物成因组分重新计算了非生物成因元素含量，通过潜在物源及相应地球化学指标对比分析，发现非生物成因组分主要由非洲南部风成陆源物质组成，含少量洋中脊硫化物与结壳物质。
    Abstract: The multi-origin sediments on the southwest Indian Ridge (SWIR) are the archive of environmental evolution of the region. The study of sediment characteristics and provenances founded the basis of paleoceanographic study. In this paper, we analyzed the deep-sea sediment samples from a gravity core sampled at 34.9°S on the spreading SWIR, and a comprehensive data set was constructed for their bulk chemical compositions, including major elements, trace elements, and bio-components. As the data show, the bulk samples are dominated by bio-components, consisting of high bio-carbonate and low bio-silica. The distribution patterns of major elements are rather accordant. Except for Ca, Sr, and LOI, the correlation coefficient of other major elements are greater than 0.8. Based on the properties of bio-components of sediment, we computed the weight percentage of each bio-component. Removed the bio-components from the bulk, we recalculated the weight percentage of non-biotic elements. The data is used as geochemical proxies to study the potential sources. It is found that the abiotic component of the sediment is mainly terrestrial and local origin. The primary source is the aeolian dust from southern Africa, with a small amount of deposits from hydrothermal sulfide and manganese crust.
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  • 西南印度洋中脊沉积物主要为碳酸盐沉积，主要来源于表层水浮游有孔虫等碳酸盐生物壳体沉积[1]，当水深浅于碳酸盐溶跃层时，西南印度洋中脊沉积物中碳酸盐含量基本达80%以上[2, 3]。黄大松等研究了在西南印度洋中脊部分区域(37.4°~38.1°S, 48.6°~51.7°E)的14个表层样品，其CaCO3平均含量为87%；陈圆圆等指出，西南印度洋中脊50°S附近、水深1585~2327m处的9个表层样品中，细粒组分方解石含量都大于90%[3]。根据Kolla [4]的研究，印度洋不同区域的碳酸盐补偿深度(CCD，carbonate compensation depth)存在差异，从赤道到60°S之间，每10°分为一个区，而在30°~40°S这个区中，CCD为4800m，溶跃层为4400~4450m；Banakar等对中印度洋盆南北走向剖面(4°N~3°S，76°E)表层沉积物研究认为，中印度洋盆碳酸盐溶跃层只有300m厚的水深，在水深4400m以浅CaCO3 > 60%，在水深4700m以深CaCO3 < 10%[5]。

    西南印度洋中脊区域沉积物由于碳酸盐含量较高(>50%)[4, 6]，限制了沉积物非生物组分的研究[7]。为了避免生物组分的干扰，酸溶法已被许多国内外学者使用，但该法难免会造成Fe-Mn氧化物等部分非生物成因物质的流失[8]，最终影响数据的可靠性。另一种方法则是建立数学模型，计算非生物成因组分含量，由于沉积物沉积过程影响因素很多，导致各沉积组分来源供给不稳定，难以建立有效的定量、半定量沉积物组分分布数学模型。国内外学者已对西南印度洋中脊沉积物做了大量的调查和研究，而对沉积物非生物组分来源的研究仍存在着大量不足。例如DSDP第25、26航段在西印度洋区域取得的245、246、247、251、252站位等钻孔[9, 10]和英国皇家调查船达尔文号129航次[11, 12]于西印度洋开展取样工作(图 1)，此外，国内外对印度洋碳酸盐沉积物开展了许多相关研究[6]，但对西南印度洋中脊附近沉积物非生物物源并未进行全面的分析研究。

    图  1  采样位置及本文引用数据取样位置分布图(根据全球30位数据利用Arcgis软件作图)
    Figure  1.  Sampling location and data distribution
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    非碳酸盐物质组成来源复杂，是西南印度洋中脊沉积物来源分析的难点。该区域存在着洋中脊热液硫化物烟囱活动以及大量的洋中脊玄武岩分布[13-17]；洋流结构复杂且有季节性变化，底层流水主要来自南极绕极流底层流[18]；南印度洋两侧的澳大利亚与非洲南部都存在着大面积的干旱与半干旱气候区域，是全球大洋风尘沉积物的几大重要来源组成[19]。Kolla等[20]从大量的黏土矿物特征分析结果可知，研究区黏土矿物属于混合型，无明显的物源指示特征，导致黏土矿物在研究区难以作为物源研究指标，增加了物源分析的难度。黄大松等[6]利用48.6°~51.7°E西南印度洋脊表层沉积物的主量元素与硅的相关性分布，结合主微量元素物相特征与背景资料，认为沉积物中非碳酸盐组分为洋中脊玄武岩沉积形成。Li Z等[7]利用2个采自48°E西南印度洋中脊碳酸盐沉积物样品，经酸洗去除碳酸盐成分后，测试分析主微量元素特征，判断沉积物中非生物成因物质主要为硫化物与澳大利亚风成物质，再根据东太平洋硫化物与碳酸盐混合沉积物组分模型，计算沉积物中硫化物与风成澳大利亚风尘的百分含量。陈圆圆等[3]研究(49.8~51.8°E，37.4~37.8°S)西南印度洋脊钙质沉积物，认为沉积物以生物源为主，非生物组分为陆源物质，并混有幔源物质，受热液活动影响不明显。

    本研究拟对柱状样沉积物来源进行研究，开展沉积物样品总碳、总有机碳、生物硅、主量元素、微量及稀土元素等组分测试工作，结合沉积物地球化学特征及其潜在物源对其进行物源分析研究，确定沉积物样品的成分组成与沉积来源分布。

    1.   材料与方法

    西南印度洋中脊长度约7000km，是超慢速扩张洋中脊(全扩张速率 < 12mm/a)[21]，分开了非洲板块与南极洲板块。在35~69°E区间，西南印度洋中脊被多条断裂切割，这些断裂是洋中脊两侧深层洋流运输的主要通道[22]。本研究采样点位于马达加斯海盆东南坡，东面为马达加斯加隆起，东南面为西南印度洋中脊(图 2)。西南印度洋中脊已发现多处硫化物热液活动区，距离本研究采样点最近的是龙旂热液区[23]，位于采样点东南方向约300km处。

    图  2  采样位置图(图中区域为图 1中红色方框区域)
    Figure  2.  Map of sampling location (the red rectangle in Fig. 1)
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    本研究样品是大洋35航次于2015年2月15日采自西南印度洋中脊西侧(距洋中脊轴约200km)斜坡上的重力柱沉积物样品，采样位置经纬度坐标为：33°59.514′S，50°54.605′E，水深4430m(图 2)。样品长度240cm，为土红色软泥，无明显分层，未见有浊流沉积和块体坍塌再沉积结构，多数层位出现肉眼可见有孔虫壳体，其粒径可达0.5mm以上。本研究对样品进行10cm间距取样进行测试分析，取样厚度为1cm，共取样24个，经冷冻干燥，研磨至74μm(200目筛)，再进行主微量与稀土元素、总碳、总有机碳及生物硅测试。

    主量元素用荧光光谱仪(XRF)法进行测试分析，设备型号PANalytical Magix Fast(荷兰)；微量与稀土元素用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)，设备型号Perkin Elmer Elan 9000(美国)，以上的测试分析实验在澳实分析检测(广州)有限公司完成。主量元素测量精度是0.01%，测试内容包括Al2O3、As2O3、BaO、CaO、Cl、CoO、Cr2O3、CuO、TFe2O3、K2O、MgO、MnO、Na2O、NiO、P2O5、PbO、SiO2、SnO2、SO3、SrO、TiO2、V2O5、ZnO、ZrO2。微量元素(与精度)包括Cr(10×10-6)；V(5×10-6)；Zr(2×10-6)；Sn、W(1×10-6)；Ba、Ce、La、Y(0.5×10-6)；Hf、Nb、Rb(0.2×10-6)；Ga、Nd、Sr、Ta(0.1×10-6)；Dy、Gd、U(0.05×10-6)；Er、Eu、Pr、Sm、Yb(0.03×10-6)；Cs、Ho、Lu、Tb、Tm、Th(0.01×10-6)。

    无机碳是利用总有机碳(TOC)与总碳(TC)的测试结果进行相减获得的，总有机碳(TOC)、总碳(TC)含量使用德国Elementar公司生产的Vario EL Ⅲ型元素分析仪在国家海洋局第一海洋研究所海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室完成。测试过程中，用乙酰苯胺(ACET)做标样，水系沉积物样品(GSD-9)做质量控制，测试误差 < 0.1%。

    生物成因SiO2测试采用硅钼蓝比色法，用棱光-721分光光度计(上海精密科学仪器有限公司)测定，测试工作于国家海洋局第一海洋研究所海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室完成。测试结果用标准硅溶液(氟硅酸钠Na2SiF6配制)测试值校正，测试误差为±4.0%。

    2.   结果

    2.1   主微量及稀土元素分布

    主量元素测试结果显示(表 1)，含量>0.1%的主量元素由高到低依次是CaO、SiO2、Al2O3、TFe2O3、Na2O、Cl、MgO、K2O、SO3、TiO2、MnO、P2O5，含量值≤0.1%有SrO、BaO、As2O3、CoO、Cr2O3、CuO、NiO、PbO、SnO2、V2O5、ZnO、ZrO2，为微量元素。样品烧失量(LOI，loss on ignition)平均值为33.22%，其主要成分为样品加热分解的气态产物(如CO2、H2O等)和有机质。从沉积物主量元素深度分布曲线(图 3)可以看出几乎所有的主量元素具有一致的变化规律，只有CaO和LOI与其他主量元素分布趋势相反。

    表  1  主量元素数据(%)
    Table  1.  Data of major elements
    取样层位/cm Al2O3 BaO CaO Cl TFe2O3 K2O MgO MnO Na2O P2O5 SiO2 SO3 SrO TiO2 LOI
    0~10 3.64 0.08 40.7 1.50 1.95 0.61 0.85 0.20 1.69 0.12 13.55 0.29 0.16 0.22 35.42
    10~20 3.52 0.12 41.1 1.46 1.87 0.65 0.84 0.21 1.68 0.10 13.88 0.30 0.16 0.23 35.12
    20~30 3.41 0.09 41.7 1.77 1.84 0.62 0.83 0.17 1.86 0.10 12.99 0.32 0.17 0.22 35.64
    30~40 3.91 0.12 39.8 1.54 2.08 0.73 0.94 0.20 1.96 0.10 15.56 0.31 0.16 0.25 34.54
    40~50 4.46 0.13 37.7 1.76 2.40 0.81 1.06 0.22 2.07 0.12 17.64 0.33 0.15 0.29 33.19
    50~60 6.35 0.19 29.7 2.09 3.45 1.13 1.46 0.33 2.61 0.19 24.61 0.40 0.12 0.41 28.52
    60~70 6.46 0.20 29.9 2.22 3.65 1.14 1.58 0.39 2.72 0.20 24.25 0.43 0.13 0.43 29.18
    70~80 4.63 0.15 37.3 1.94 2.57 0.83 1.15 0.28 2.21 0.15 17.58 0.37 0.15 0.31 32.37
    80~90 5.79 0.15 32.7 2.14 3.43 1.04 1.46 0.34 2.45 0.22 21.03 0.39 0.12 0.37 31.12
    90~100 5.53 0.15 34.6 1.94 3.10 0.99 1.38 0.35 2.29 0.22 19.79 0.36 0.13 0.34 31.39
    100~110 4.95 0.13 37.1 2.00 2.78 0.87 1.26 0.33 2.14 0.21 17.37 0.35 0.14 0.30 32.67
    110~120 3.88 0.11 41.0 1.63 2.16 0.70 1.00 0.23 1.82 0.16 13.61 0.30 0.15 0.23 34.84
    120~130 3.41 0.09 42.9 1.64 1.89 0.61 0.88 0.19 1.68 0.14 11.78 0.30 0.15 0.20 36.12
    130~140 3.36 0.08 43.4 1.50 1.82 0.60 0.88 0.19 1.62 0.13 11.51 0.27 0.15 0.20 36.34
    140~150 3.73 0.09 42.2 1.48 2.02 0.66 0.97 0.20 1.68 0.14 12.61 0.29 0.15 0.22 35.73
    150~160 3.30 0.08 43.8 1.43 1.78 0.60 0.87 0.18 1.56 0.11 11.08 0.27 0.16 0.20 36.59
    160~170 7.39 0.25 25.7 2.11 4.01 1.33 1.76 0.44 2.91 0.21 28.84 0.46 0.12 0.48 26.73
    170~180 4.60 0.15 37.4 1.97 2.50 0.86 1.18 0.26 2.24 0.12 18.06 0.37 0.16 0.30 31.91
    180~190 3.11 0.10 42.8 1.65 1.69 0.59 0.82 0.18 1.76 0.10 12.40 0.31 0.17 0.20 36.48
    190~200 3.91 0.14 38.7 1.91 2.13 0.74 0.99 0.20 2.04 0.14 16.04 0.35 0.16 0.25 33.64
    200~210 6.21 0.20 30.8 2.02 3.47 1.11 1.48 0.33 2.55 0.21 24.13 0.41 0.13 0.39 29.20
    210~220 4.38 0.12 38.0 1.78 2.49 0.79 1.09 0.25 2.05 0.16 16.23 0.33 0.15 0.28 34.18
    220~230 4.27 0.11 38.9 1.68 2.40 0.77 1.07 0.24 1.99 0.15 15.79 0.32 0.15 0.27 34.13
    230~240 5.15 0.14 35.1 1.90 2.95 0.94 1.30 0.30 2.27 0.18 19.11 0.36 0.14 0.33 32.31
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    图  3  主量元素含量随取样深度的分布曲线
    Figure  3.  Major elements abundance in the core
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    微量元素测试结果(表 2)显示Cr、Sn、Ta、W 4种元素因测试值与测试误差较为接近，数据可信度低，因此舍弃。其中Sr与其他微量及稀土元素分布趋势相反，其余的微量元素含量与稀土元素随着深度的变化趋势和频率基本一致(图 4)。

    表  2  微量元素(包括稀土元素)数据(×10-6)
    Table  2.  Data of race elements (including rare earth elements)
    取样层位/cm Ba Zr Nb Rb Sr Th U V Y Cs Ga Hf La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
    0~10 785 40 3.9 21.2 1320 3.86 0.55 30 23.3 1.34 5.4 1.0 17.5 30.6 4.47 18.3 3.92 0.99 3.95 0.66 3.80 0.79 2.19 0.32 2.01 0.30
    10~20 1045 39 3.8 21.2 1320 3.53 0.52 29 21.5 1.46 5.3 1.0 16.7 27.1 4.17 17.1 3.67 0.92 3.84 0.56 3.49 0.72 1.98 0.29 1.82 0.27
    20~30 839 37 3.8 21.7 1345 3.58 0.49 34 23.2 1.41 5.5 1.0 17.4 28.0 4.33 17.2 3.96 0.97 3.93 0.59 3.71 0.76 2.05 0.29 1.82 0.28
    30~40 1090 44 4.4 23.7 1280 4.13 0.55 38 24.4 1.55 6.5 1.1 18.6 30.8 4.86 19.3 4.24 1.06 4.39 0.65 3.96 0.82 2.25 0.32 1.94 0.29
    40~50 1165 49 5.0 27.5 1205 4.74 0.60 41 28.0 1.84 7.4 1.2 21.4 35.6 5.47 22.0 4.61 1.17 5.03 0.76 4.53 0.91 2.44 0.36 2.23 0.34
    50~60 1670 74 7.5 40.3 1005 7.14 0.88 60 40.4 2.62 11.2 1.9 30.1 53.2 8.04 32.0 7.22 1.82 7.36 1.09 6.71 1.41 3.84 0.53 3.28 0.50
    60~70 1680 77 7.6 40.5 1050 7.39 0.90 65 45.1 2.51 11.5 1.9 33.5 59.3 8.84 34.6 7.79 1.96 7.78 1.23 7.39 1.48 3.98 0.59 3.49 0.52
    70~80 1305 54 5.3 30.5 1320 5.57 0.72 40 34.6 1.83 7.5 1.4 26.6 45.9 6.70 27.0 5.52 1.45 5.89 0.85 5.27 1.07 3.02 0.42 2.61 0.38
    80~90 1410 70 6.5 40.9 1140 7.46 0.90 52 49.8 2.51 10.3 1.7 35.5 59.6 9.00 36.0 7.75 2.05 8.20 1.16 7.57 1.52 4.35 0.64 3.78 0.56
    90~100 1285 64 5.8 36.9 1110 6.57 0.83 50 44.3 2.26 9.1 1.5 32.0 51.6 8.07 32.9 6.71 1.82 7.46 1.04 7.16 1.32 3.82 0.53 3.26 0.49
    100~110 1260 59 5.5 34.7 1245 6.48 0.78 48 45.4 2.08 9.4 1.4 33.7 52.4 8.31 33.4 6.88 1.90 7.55 1.07 7.19 1.38 3.79 0.58 3.44 0.51
    110~120 1080 49 4.4 28.5 1385 5.10 0.67 41 36.9 1.72 7.8 1.1 26.8 41.9 6.58 26.8 5.34 1.42 5.98 0.84 5.64 1.15 3.15 0.44 2.61 0.39
    120~130 916 41 3.6 24.6 1410 4.32 0.58 32 33.2 1.49 7.0 0.9 23.8 36.1 5.97 24.0 4.70 1.23 5.25 0.79 4.96 0.98 2.72 0.39 2.41 0.35
    130~140 795 39 3.6 24.5 1380 4.06 0.53 32 29.9 1.45 6.7 0.9 21.9 34.1 5.40 21.6 4.28 1.12 4.87 0.68 4.51 0.90 2.41 0.35 2.10 0.30
    140~150 766 37 3.4 24.1 1155 4.02 0.51 22 27.1 1.41 5.4 1.0 19.9 31.5 5.03 20.3 4.36 1.08 4.64 0.70 4.18 0.88 2.38 0.35 2.25 0.33
    150~160 726 35 3.1 22.4 1255 3.63 0.47 22 25.2 1.35 4.9 0.9 19.4 29.7 4.81 19.5 3.92 1.04 4.46 0.66 3.91 0.81 2.26 0.32 1.99 0.30
    160~170 2010 81 7.7 46.1 909 7.65 0.97 62 42.2 2.83 11.5 2.1 32.5 58.7 8.22 33.6 6.89 1.77 7.59 1.12 6.87 1.35 3.72 0.54 3.27 0.48
    170~180 1285 49 4.6 29.9 1290 4.54 0.61 40 26.5 1.74 7.3 1.4 22.7 36.1 5.52 22.7 4.78 1.22 4.65 0.73 4.25 0.88 2.40 0.34 2.11 0.32
    180~190 904 32 3.1 20.0 1365 3.23 0.43 31 21.7 1.21 5.3 0.8 17.6 25.3 4.26 16.9 3.75 0.86 3.73 0.55 3.37 0.71 1.91 0.28 1.71 0.26
    190~200 1305 45 4.2 26.2 1355 4.31 0.56 44 27.5 1.58 7.4 1.1 22.5 35.2 5.71 23.4 5.00 1.20 5.03 0.74 4.47 0.88 2.36 0.34 2.10 0.32
    200~210 1810 72 6.8 42.0 1085 7.09 0.86 54 45.0 2.44 11.1 1.8 33.8 56.8 8.67 34.3 7.70 1.87 7.66 1.20 6.93 1.43 3.86 0.54 3.24 0.49
    210~220 1110 46 4.8 29.3 1215 5.12 0.63 53 33.9 1.78 7.3 1.0 24.8 40.0 6.15 25.3 5.54 1.42 5.48 0.82 5.19 1.09 3.07 0.44 2.65 0.41
    220~230 1075 43 4.4 27.3 1215 5.11 0.61 45 32.4 1.70 6.7 1.0 23.8 38.4 5.98 25.0 5.65 1.27 5.48 0.78 4.93 1.00 2.94 0.41 2.56 0.37
    230-240 1320 56 5.5 34.6 1145 6.40 0.76 51 41.7 2.13 8.9 1.4 29.4 47.9 7.65 31.6 6.88 1.68 7.21 0.99 6.18 1.26 3.69 0.55 3.21 0.48
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    图  4  微量与稀土元素总量(×10-6)随取样深度变化分布曲线
    Figure  4.  Trace elements abundance(×10-6) in the core
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    根据测试结果分布曲线，几乎所有成分表现出一致的分布变化频率，其中CaO、LOI及Sr变化一致且与其余元素反相分布。可以看出这些变化规律一致元素具有稳定的物质来源，沉积物特征变化受同样的因素影响。虽然物源供给量或沉积速率发生变化，但其物源组分结构长期稳定。因此认为，即使本研究柱状样品是长时间沉积形成，其沉积物也可以代表该区域沉积物来源。

    在海洋沉积物中，Ti与Al常被作为陆源碎屑指示元素，并且被用于陆源物质的估算，而Al常出现在生物成因的Al过剩，因此，本文使用Ti来指示陆源物质[24]。主量元素与Ti基本呈线性分布(图 5)，说明各主成分与Ti比值稳定；从R2值(图 5)可以看出以上列出的主量元素与Ti的曲线拟合度很高，因此认为，沉积物受陆源物质作用主导。

    图  5  主量元素/TiO2分布散点图
    Figure  5.  Correlation of major elements vs. TiO2
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    2.2   元素组分特征统计分析

    不同层位的沉积物元素组成具有基本一致变化趋势等特征，说明样品的物源供给较为稳定，其数据统计特征可代表物源特征。

    利用SPSS软件对样品测试数据进行相关性分析和系统聚类，其相关系数分布如表 3所示，聚类结果如图 6所示。其中CaO、Sr、LOI成正相关，相关系数都大于0.8，且与其余元素呈负相关，而其余元素之间都为正相关。利用元素相关性进行聚类分析(结果如图 6)，将主微量元素及稀土分为以下5组：

    表  3  主微量及稀土元素相关系数分布
    Table  3.  The correlated coefficient of major and trace elements
    CaO Al2O3 Cl TFe2O3 K2O MgO MnO Na2O P2O5 SiO2 SO3 TiO2 LOI Ba Cs Ga Hf Nb Rb Sr Th U V Y Zr ΣrIE
    CaO 1.00
    Al2O3 -0.99 1.00
    Cl -0.87 0.86 1.00
    TFe2O3 -0.98 0.99 0.86 1.00
    K2O -0.97 0.99 0.86 0.98 1.00
    MgO -0.95 0.98 0.87 0.99 0.99 1.00
    MnO -0.84 0.87 0.79 0.88 0.87 0.89 1.00
    Na2O -0.98 0.97 0.90 0.96 0.96 0.94 0.85 1.00
    P2O5 -0.70 0.74 0.66 0.79 0.73 0.77 0.65 0.69 1.00
    SiO2 -1.00 0.98 0.86 0.97 0.97 0.95 0.84 0.99 0.67 1.00
    SO3 -0.85 0.85 0.84 0.84 0.85 0.87 0.87 0.86 0.58 0.85 1.00
    TiO2 -0.96 0.96 0.85 0.96 0.96 0.96 0.80 0.94 0.72 0.95 0.79 1.00
    LOI 0.99 -0.98 -0.88 -0.96 -0.98 -0.95 -0.86 -0.98 -0.68 -0.99 -0.88 -0.94 1.00
    Ba -0.96 0.94 0.86 0.93 0.93 0.91 0.79 0.96 0.67 0.97 0.87 0.91 -0.97 1.00
    Cs -0.96 0.98 0.85 0.98 0.96 0.97 0.85 0.94 0.78 0.95 0.82 0.94 -0.95 0.92 1.00
    Ga -0.93 0.95 0.87 0.95 0.93 0.95 0.82 0.91 0.76 0.92 0.81 0.89 -0.93 0.92 0.96 1.00
    Hf -0.97 0.98 0.87 0.97 0.96 0.96 0.88 0.96 0.67 0.97 0.88 0.93 -0.98 0.94 0.96 0.93 1.00
    Nb -0.98 0.98 0.87 0.98 0.95 0.95 0.84 0.96 0.76 0.97 0.81 0.94 -0.97 0.94 0.98 0.96 0.97 1.00
    Rb -0.95 0.98 0.86 0.98 0.97 0.99 0.86 0.93 0.80 0.94 0.85 0.94 -0.94 0.92 0.98 0.97 0.95 0.96 1.00
    Sr 0.88 -0.90 -0.64 -0.88 -0.89 -0.87 -0.74 -0.84 -0.60 -0.87 -0.66 -0.87 0.85 -0.76 -0.86 -0.76 -0.84 -0.84 -0.83 1.00
    Th -0.92 0.95 0.84 0.97 0.93 0.96 0.84 0.89 0.86 0.89 0.80 0.90 -0.90 0.87 0.97 0.96 0.92 0.95 0.98 -0.80 1.00
    U -0.93 0.95 0.81 0.96 0.92 0.94 0.83 0.89 0.80 0.91 0.82 0.88 -0.92 0.89 0.96 0.96 0.94 0.95 0.97 -0.78 0.97 1.00
    V -0.91 0.90 0.88 0.90 0.89 0.88 0.74 0.91 0.80 0.90 0.73 0.87 -0.88 0.89 0.91 0.92 0.84 0.93 0.89 -0.72 0.90 0.87 1.00
    Y -0.76 0.82 0.74 0.86 0.80 0.86 0.76 0.74 0.86 0.73 0.69 0.77 -0.74 0.72 0.88 0.90 0.78 0.82 0.91 -0.64 0.95 0.90 0.80 1.00
    Zr -0.97 0.98 0.86 0.98 0.96 0.97 0.87 0.94 0.75 0.96 0.84 0.92 -0.96 0.93 0.98 0.98 0.98 0.99 0.98 -0.82 0.97 0.98 0.90 0.87 1.00
    ΣREE -0.85 0.90 0.82 0.93 0.88 0.93 0.82 0.83 0.86 0.83 0.78 0.85 -0.84 0.82 0.94 0.95 0.87 0.90 0.96 -0.72 0.99 0.95 0.86 0.98 0.93 1.00
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    图  6  样品化学成分聚类结果分布
    Figure  6.  The cluster of chemical composition of samples
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    Ⅰ：Al2O3、TFe2O3、K2O、Rb、MgO、Nb、Zr、Cs、Hf、Ga、U、Na2O、Cl、SiO2、Ba、V、Th、∑REE、TiO2、Y；

    Ⅱ：SO3；

    Ⅲ：MnO；

    Ⅳ：P2O5；

    Ⅴ：LOI、CaO、Sr

    Ⅰ组中元素成分最多，基本上代表样品中多数主微量及稀土元素来源。其中∑REE与组内其余元素相关系数都大于0.8，平均值为0.9，因此，可利用REE的特征分析判断该组分的物质来源。

    Ⅱ、Ⅲ与Ⅳ组的组分比较单一，有可能受单一的物质来源或地质作用控制。

    Ⅴ组分是本研究样品的主要组成，其总量平均值超过70%，其物质来源代表本研究主要物源。

    2.3   生物组分的计算与结果

    沉积物样品中生物组分主要有碳酸盐、生物成因SiO2与含磷生物沉积。

    深海沉积物中生物成因碳酸盐主要为碳酸钙，碳酸钙晶体主要有两种：菱形晶系的方解石和斜方晶系的霰石。其中霰石较不稳定，很少能在沉积物中长期保存[19]；方解石中可能含有高镁方解石(碳酸镁含量可达4%以上)，但在深海的环境下较为罕见[25]。本研究样品Mg与碳酸盐主要组成的CaO、Sr、LOI的相关系数分别为-0.95、-0.87、-0.95，且其分布趋势相反，说明样品中来自生物成因碳酸盐髙镁方解石的Mg含量很小，因此，本研究生物成因碳酸盐计算忽略MgCO3。

    由于Sr与Ca常以类质同象出现在碳酸盐岩矿物(方解石)晶体中，在富含碳酸盐矿物中富集[26]，因此，本研究使用Li Z等[7]在西南印度洋中脊(38°S，48°E)取的表层碳酸盐沉积物经过酸溶法(去除生物成因碳酸盐)获得的生物成因Sr约为样品中Sr总量的80.3%，作为样品中Sr元素的生物成因含量比例。本文生物成因碳酸盐计算使用无机碳物质的量近似代表生物成因碳酸盐物质的量，即为生物成因Ca与Sr物质的量之和，Sr的物质的量根据上述方法获得，Ca根据无机碳总量减去生物成因Sr的量计算获得。根据有机碳与总碳测试结果，计算样品中生物成因碳酸盐含量。样品的碳酸盐平均含量为62.30%，取值范围为43.35%~73.63%，其分布如图 7所示。

    图  7  生物沉积组分变化分布图
    Figure  7.  Bio-components in the core
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    根据生物硅测试结果分析，其分布变化如图 7所示。沉积物中的硅含量平均值为7.96%，生物硅为0.95%(bio-SiO2为2.08%)，生物硅含量为沉积物中硅总量的11.94%，说明沉积物的硅主要来源不是生物成因，而是来自其他物源的供给。

    根据Filippelli等[27]对太平洋赤道区沉积物中磷的沉积地球化学研究结果，沉积物中自生磷、铁膜包裹磷(iron-bound)、有机磷、吸附磷以及碎屑磷的含量分别占总磷的61%~86%、7%~17%、3%~12%、2%~9%与0~1%。其中只有有机磷可能来源于生物成因，取最大值12%，结果约为0.018%。沉积物中生物成因碳酸盐中磷的平均含量约为(300±80)×10-6，对于孔虫壳体其值更低(< 60×10-6)而对细粒超微化石则更高(380×10-6)[28]。取平均值300×10-6，结果为0.019%，与前一种方法所计算的总有机磷的比例接近，但从样品中出现大量的有孔虫壳体说明碳酸盐中的磷的值明显小于这个值。由于样品中磷含量相对碳酸盐总量约为1/400(0.15%/63.1%)，说明生物成因磷的含量值对总样品生物组分与非生物组分影响很小。因此，取有机磷含量的最大值代表生物成因磷，为样品总磷的12%。利用主量元素P2O5的测试结果计算沉积物样品中生物成因磷的含量，其平均含量为0.018%，取值范围为0.012%~0.026%，其分布如图 7所示，从含量值可以看出生物成因磷对沉积物总量影响是微弱的。

    3.   讨论

    根据沉积物来源，本研究将样品分为生物成因与非生物物质来源两类，其中生物成因沉积物是样品的主要组成，来源比较单一，非生物组分占的比重比较小，其物质来源比较复杂，是本研究主要讨论部分。

    3.1   生物沉积

    深海生物沉积主要由钙质软泥(碳酸盐)和硅质(二氧化硅)软泥两种类型组成[19, 28]，根据研究区的沉积物分布特征[3, 4, 29]及样品测试结果计算，样品中生物成因组分总量均值约为64.4%。其中含量最高的是碳酸盐，主要源自有孔虫等浮游生物碳酸盐壳体沉积形成。研究区底层水为由南向北运动的南极底层水[18, 30, 31]，南大洋底层水富生物硅颗粒。研究区处于西南印度洋中脊北坡，西南印度洋中脊南侧的克洛泽海盆南极底层水向北运输主要是通过西南印度洋中脊的深断裂带流向马达加斯海盆[22]。北向运动的南极底层水通过洋中脊断裂进入开阔的马达加斯海盆[22]，具有与三角洲相似的卸载作用，发生沉积作用，因此认为，研究区生物成因硅(蛋白石)沉积与南极底层水有关。

    3.2   非生物碎屑物质

    根据样品主微量元素测试结果，减去生物成因组分，重新计算非生物沉积物组分的百分含量。根据非生物组分地球化学特征，利用地球化学指标对比分析非生物组分来源。

    3.2.1   非生物物质来源组成

    上陆壳元素平均值常作为深海沉积物陆源特征分析指标[7]，利用主微量元素与上陆壳(UCC，upper continental crust)主量元素平均值的比值分析[32]，由图 8可以看出沉积物中主量元素Si、Al、K、Fe、Ca、Na、Mg、Ti的含量与UCC较为接近，呈弱贫Si、Al、K，弱富Fe、Ca、Na、Mg、Ti，明显富P、Mn、S元素。

    图  8  非生物组分主量元素与上陆壳(UCC)比值(据文献[32])
    Figure  8.  Comparisons of major element compositions between the abiotic components and UCC
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    深海沉积物(非生物成因)中SiO2、Al2O3与CaO的两大主要来源是陆源碎屑和洋中脊火山产物[33]。根据主量元素与UCC比值可以看出样品与UCC主量元素特征具有一定的相似性；而从P、Mn、S与UCC比值可以看出样品物质来源存在与UCC明显不同的成分组成，说明样品主要物质成分由陆源物质和其他来源物质多源组成。结合聚类分析结果，认为Mn、S可能来源于Mn结核结壳、硫化物等洋中脊的物质。图 8中Ca含量波动变化，可能是由于碳酸盐溶跃层环境变化，造成碳酸钙溶解率不稳定，或是碳酸盐沉积物输入量的变化，导致非碳酸盐含钙沉积物沉积速率波动变化[34]。比如：气候变化造成了生产力变化，影响了CaCO3物质的供给；海平面变化造成了溶跃层海水温度、盐度、压力等条件变化，导致溶跃层不稳定；热液活动的不规律性以及活动强度不同，造成局部海水温度、盐度等环境变化，影响碳酸盐的溶解度等[35, 36]。

    研究区位于深海盆地且远离大陆(距最近陆地马达加斯加约1200km)(图 1)，河流搬运的陆源物质难以直接到达；再者，研究区底层水为向北运动的南极底层水[18, 35]，而该底层水流到达研究区必须穿越过西南印度洋中脊，受坡的阻挡，大量的物质将沉积在西南印度洋中脊南坡。表层水则为阿加勒斯回流，主要表现为由南向北运动趋势。因此，认为研究区陆源物质主要通过风成搬运沉积形成。

    从图 9可以看出，样品稀土元素特征与陆源物质较为相似，说明沉积物非生物组分主要受陆源物质作用。一般陆源深海沉积物REE分布模式表现出长距离搬运特征，表现为较UCC与PAAS富LREE贫HREE，而样品则表现为相对贫LREE弱富HREE(图 9)，说明REE组成有非陆源物质作用，即洋中脊物源物质参与沉积作用造成的。

    图  9  样品与PAAS、UCC球粒陨石标准化稀土元素模式分布
    PAAS为太古代澳大利亚页岩稀土元素标准值(据文献[36])；UCC为上陆壳成分均值(据文献[32])；球粒陨石标准值据文献[37]
    Figure  9.  The chondrite normalized rare earth elements pattern of samples, PAAS, UCC
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    根据上述样品地球化学特征与采样点地理位置特征，说明样品非生物组分主要来源是陆源风成物质，受较弱的洋中脊原生物质作用，因此认为，非生物沉积物潜在来源有：风成搬运物质、洋中脊原生物质(玄武岩、硫化物与结核结壳物质)，本文针对上述潜在物源分别进行对比分析研究。

    3.2.2   风成物质来源分析

    风成物质在全球洋盆中大规模分布主要受盛行风系统控制，具有纬向成带分布特征[38]。南印度洋的两大风成物质来源分别是东西两岸的非洲南部与澳大利亚大陆，如图 10所示，样品与非洲南部及澳大利亚陆源物质球粒陨石标准化稀土元素分布模式都很相似，说明前者与后两者可能有一定的物源成因关系。

    图  10  来自澳大利亚样品与非洲南部样品的物质稀土元素球粒陨石标准化分布模式
    西北澳大利亚陆架沉积物(据文献[47]); 厄加勒斯沉积物(据文献[11]); 阿特拉斯(据文献[48]); 坎宁盆地石灰岩(据文献[41]); 彭盖铁建造(据文献[49]); 澳大利亚晚太古代沉积岩(据文献[42]); 东南澳大利亚(据文献[50]); 非洲南部科马提(据文献[51]); 林波波带南部(据文献[52])；西南斯威斯兰(据文献[53])
    Figure  10.  The chondrite normalized rare earth elements pattern suggesting the potential sediment sources from Africa and Australia
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    根据研究区的洋流和盛行风的搬运途径分析，认为研究区可能有两大风成物质来源：低纬度东南信风搬运来自澳大利亚物质[38]，再通过亚热带洋流搬运至研究区[39, 40]；西风带西风作用搬运来自非洲东南部区域物质。虽然印度洋洋流受冬、夏季风影响，但在这两个不同季风条件下，研究区表层流和次表层流基本没有变化(图 11)，主要受西南信风影响[41, 42]。

    图  11  印度洋表层及次表层流分布(据文献[39])
    EACC-东非洲沿岸流(East African Coastal Current)；SEC-南赤道流(South Equatorial Current)；SECC-南赤道逆流(South Equatorial Countercurrent)；NEMC (SEMC) -北(南)马达加斯加流(Northeast and Southeast Madagascar Current)
    Figure  11.  The monsoon current in the Indian Ocean
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    研究区与澳大利亚相距大于7000km，有可能沉积来自该物源的沉积物。空气中的大颗粒物质受到风化侵蚀破碎后，可迅速提升其搬运速度和延长其搬运距离，大量证据表明大颗粒(>62.5μm)在空气中搬运可达10000km [43, 44]。然而，风成搬运粉尘物质中大于1μm的颗粒在1000km内就大部分发生沉积[45]; 根据沉降速率理论，搬运距离大于100km的大多数为粒径小于20μm[46]。

    研究区垂向洋流结构较复杂[18]，洋流层间过渡水团具有对下降小颗粒物质屏蔽作用，导致远距离搬运的澳大利亚风成物质小颗粒难以沉积到达海底；其次，研究区位于南半球西风带(35~65°S)北端，且表层流表现为西南向东北运动趋势(图 11)，基本不受东南信风影响，因此认为，直接通过空气从澳大利亚搬运至研究区的沉积物含量极少。研究区中来自澳大利亚的风成物质主要是通过东南信风作用，降落在南半球低纬度区，再通过南赤道流与东南马达加斯加流搬运至研究区。由于距离物源太远(>7000km)，因此认为，研究区来源于澳大利亚的陆源沉积物的比重较小。

    根据盛行风、洋流特征、物源距离以及物质组分相似性综合分析，认为研究区的风成物质主要是通过西风带的作用将非洲南部的物质搬运沉积。如图 11所示，在研究区到非洲东南部区域，西风带的表层流与次表层流的轨迹都经过研究区，说明了通过西风带搬运的非洲风成物质降落海面后，有很大一部分通过洋流搬运经过研究区。根据样品—非洲南部来源物质稀土元素球粒陨石标准化分布模式(图 10)，样品与非洲南部地区物源稀土元素特征非常相似，因此，认为研究区的陆源沉积物主要为非洲南部风成物质。

    3.2.3   洋脊原生物质

    西南印度洋中脊产生的沉积物物源主要有热液成因物质、结壳[7, 17, 54, 55]、玄武岩。随着距离洋中脊距离的增加，洋中脊热液物质快速地沉积与稀释[56]，所以洋中脊热液成因物质沉积在大洋沉积物中的分布范围主要集中在洋中脊热液区附近。

    洋中脊是玄武岩产出和分布的主要区域，西南印度洋中脊是超慢速洋中脊，其热液活动一直持续[16, 54]。由于样品采于洋中脊西翼的下坡处，因此认为其沉积物源可能与附近的洋中脊玄武岩有关。在西南印度洋中脊50°S附近，玄武岩为亏损型洋中脊玄武岩(N-MORB)，弱贫LREE(LREE/HREE均值为1.21)，低(La/Sm)N值(0.52~0.7)[14]，而本研究样品明显富集轻稀土元素(LREE/HREE均值为6.29)，较高的(La/Sm)N值(2.6~3.2)，与N-MORB稀土元素模式不同。如图 12，样品稀土元素模式分布与西南印度洋中脊玄武岩明显不同。通常洋中脊玄武岩MgO约为7%~11%，较UCC(MgO约2.48%)具有更高的Mg [57, 58]，从图 8可以看出样品中非生物成因物质的Mg含量与UCC相近，与洋中脊玄武岩的取值明显不同。显然，沉积物的元素地球化学特征与西南印度洋中脊玄武岩不同，说明样品沉积物来源基本不受洋中脊玄武岩作用。

    图  12  洋脊原生物质稀土元素模式球粒陨石标准化分布
    西南印度洋中脊49.6°~50.5°E玄武岩数据引自文献[14]；49°39′E硫化物数据引自文献[13, 17](本次引用数据为前人研究样品数据均值)；结壳引自文献[59]；48°~51°E钙质沉积物数据引自文献[3, 6]；球粒陨石标准值引自文献[37]
    Figure  12.  The chondrite normalized rare earth elements pattern of ocean ridge deposits
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    如图 12所示，样品与附近洋中脊钙质沉积物稀土元素球粒陨石标准化分布模式相似，说明研究区沉积物物质组成较为稳定且成分相似，样品具有区域性特征，可作为区域沉积特征研究对象。其中硫化物、结核的稀土元素分布模式都与样品的稀土元素分布模式较为相似，说明这两者很有可能是样品主要的洋脊原生物质来源。结合元素聚类结果，认为沉积物中主要洋脊物质来源可能是硫化物与富锰结壳物质。

    本研究沉积物稀土元素具有LREE富集、HREE亏损、以及弱Eu负异常的特征，(La/Sm)N值为2.6~3.2，都与西南印度洋脊硫化物烟囱体稀土元素特征[13, 17]相似(图 12)。样品与UCC比值说明样品明显较UCC富硫元素(图 8)，由于硫是热液硫化物中容易扩散运移的成分，所以认为其来源于洋中脊硫化物。

    西南印度洋中脊硫化物烟囱体富Fe、Cu、Zn，其平均含量分别为2.83%、45.6%、3.28% [13]。本研究样品中TFe2O3含量为2.52%，CuO ≤ 0.01%，ZnO ≤ 0.01%。在非生物组分中TFe2O3含量7%，Fe相对UCC呈弱富集(图 8)。由于采样位置距离洋中脊约220km，洋中脊热液硫化物到达的信号将明显减弱，而Fe元素容易溶解于海水，可长距离搬运，其异常可能形成于硫化物来源。

    从稀土元素分布模式图(图 12)可以看出，本研究样品与研究区附近的富钴结壳物质[59]的稀土元素分布模式最为接近，说明沉积物中可能含有结壳物质来源。根据余芝华等[55]在西南印度洋中脊(32°~37°S，50°~57°E)采的富钴结壳研究结果，其Mn、Fe、Co、Cu、Ni平均值分别为18.96%、19.71%、0.53%、0.099%、0.47%。而在本研究样品中，这些主要的结壳富集元素并未表现出明显富集。从聚类分析和主成分与上陆壳对比分析结果可以看出，Mn元素独立其他元素且较上陆壳明显富集(约为UCC的5~9倍)(图 8)。西南印度洋中脊硫化物中Mn < 0.1%[13]，因此认为，其主要来源不是硫化物，而是结壳物质，根据MnO在样品中的均值含量0.26%与结壳物质Mn均值含量为18.96%计算，假设UCC中Mn比例为样品中陆源Mn含量，计算含富钴结壳物质约为样品总量的0.67%。

    西南印度洋中脊富钴结壳物质δEu的均值为0.20(0.19~0.24)，δCe均值为1.34(0.99~1.83)，LaCN/LuCN的值4187(3279~6243)[55]，显然，结壳物质的稀土元素特征值较本研究沉积物样品明显不同(表 4)，说明了结壳物质不是本研究沉积物样品非生物的主要组成。从样品中并未见到明显的结壳碎屑也说明了这一点；同时也解释了沉积物中Mn元素的含量明显小于结壳物质沉积物的值(约为UCC的100倍以上)。

    表  4  研究区沉积物及岩石样品稀土元素特征指标平均值
    Table  4.  The average REE indices of sediments and rocks
    数据来源 LREE HREE LREE/HREE ∑REE (La/Sm)N (La/Yb)N δCe δEu
    50°E玄武岩 21.23 17.59 1.21 38.82 0.54 0.47 0.99 1.08
    49°E硫化物 2.18 0.69 2.97 2.87 3.48 8.82 1.05 0.86
    48°~51°E沉积物 16.31 3.56 4.61 19.87 3.36 5.39 0.68 0.72
    本研究 85.61 13.49 6.34 99.10 2.90 6.57 0.76 0.75
    富钴结壳 1046.30 132.51 8.18 1178.82 82.13 553.21 1.34 0.20
    PAAS 132.8 13.0 10.25 184.0 4.33 9.13 1.01 0.63
    UCC 106.8 10.4 10.30 148.2 4.15 10.45 0.99 0.69
    注：硫化物据文献[13]；玄武岩数据据文献[14]；48°~51°E钙质沉积物据文献[3, 6]；富钴结壳据文献[59]
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    4.   结论

    (1) 根据样品不同层位的元素分布具有一致的特征，以及本研究样品与附近钙质沉积物稀土元素分布模式相似，说明研究区沉积物长期来源稳定；

    (2) 研究区沉积物以生物成因沉积物为主，占沉积物总量的64.4%，主要由碳酸盐和生物成因二氧化硅组成，平均含量分别为62.30%与2.08%；

    (3) 非生物组分主要为陆源风成物质，含少量洋脊原生物质。陆源物质主要为非洲南部风成物质。沉积物中的S与Mn主要来自硫化物与富钴结壳物质，富钴结壳物质约为样品总量的0.67%。

    致谢: 感谢中国大洋35航次船员及科考队员对沉积物样品采集的辛勤付出。

  • 图  1   采样位置及本文引用数据取样位置分布图(根据全球30位数据利用Arcgis软件作图)

    Figure  1.   Sampling location and data distribution

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    图  2   采样位置图(图中区域为图 1中红色方框区域)

    Figure  2.   Map of sampling location (the red rectangle in Fig. 1)

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    图  3   主量元素含量随取样深度的分布曲线

    Figure  3.   Major elements abundance in the core

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    图  4   微量与稀土元素总量(×10-6)随取样深度变化分布曲线

    Figure  4.   Trace elements abundance(×10-6) in the core

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    图  5   主量元素/TiO2分布散点图

    Figure  5.   Correlation of major elements vs. TiO2

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    图  6   样品化学成分聚类结果分布

    Figure  6.   The cluster of chemical composition of samples

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    图  7   生物沉积组分变化分布图

    Figure  7.   Bio-components in the core

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    图  8   非生物组分主量元素与上陆壳(UCC)比值(据文献[32])

    Figure  8.   Comparisons of major element compositions between the abiotic components and UCC

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    图  9   样品与PAAS、UCC球粒陨石标准化稀土元素模式分布

    PAAS为太古代澳大利亚页岩稀土元素标准值(据文献[36])；UCC为上陆壳成分均值(据文献[32])；球粒陨石标准值据文献[37]

    Figure  9.   The chondrite normalized rare earth elements pattern of samples, PAAS, UCC

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    图  10   来自澳大利亚样品与非洲南部样品的物质稀土元素球粒陨石标准化分布模式

    西北澳大利亚陆架沉积物(据文献[47]); 厄加勒斯沉积物(据文献[11]); 阿特拉斯(据文献[48]); 坎宁盆地石灰岩(据文献[41]); 彭盖铁建造(据文献[49]); 澳大利亚晚太古代沉积岩(据文献[42]); 东南澳大利亚(据文献[50]); 非洲南部科马提(据文献[51]); 林波波带南部(据文献[52])；西南斯威斯兰(据文献[53])

    Figure  10.   The chondrite normalized rare earth elements pattern suggesting the potential sediment sources from Africa and Australia

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    图  11   印度洋表层及次表层流分布(据文献[39])

    EACC-东非洲沿岸流(East African Coastal Current)；SEC-南赤道流(South Equatorial Current)；SECC-南赤道逆流(South Equatorial Countercurrent)；NEMC (SEMC) -北(南)马达加斯加流(Northeast and Southeast Madagascar Current)

    Figure  11.   The monsoon current in the Indian Ocean

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    图  12   洋脊原生物质稀土元素模式球粒陨石标准化分布

    西南印度洋中脊49.6°~50.5°E玄武岩数据引自文献[14]；49°39′E硫化物数据引自文献[13, 17](本次引用数据为前人研究样品数据均值)；结壳引自文献[59]；48°~51°E钙质沉积物数据引自文献[3, 6]；球粒陨石标准值引自文献[37]

    Figure  12.   The chondrite normalized rare earth elements pattern of ocean ridge deposits

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    表  1   主量元素数据(%)

    Table  1   Data of major elements

    取样层位/cm Al2O3 BaO CaO Cl TFe2O3 K2O MgO MnO Na2O P2O5 SiO2 SO3 SrO TiO2 LOI
    0~10 3.64 0.08 40.7 1.50 1.95 0.61 0.85 0.20 1.69 0.12 13.55 0.29 0.16 0.22 35.42
    10~20 3.52 0.12 41.1 1.46 1.87 0.65 0.84 0.21 1.68 0.10 13.88 0.30 0.16 0.23 35.12
    20~30 3.41 0.09 41.7 1.77 1.84 0.62 0.83 0.17 1.86 0.10 12.99 0.32 0.17 0.22 35.64
    30~40 3.91 0.12 39.8 1.54 2.08 0.73 0.94 0.20 1.96 0.10 15.56 0.31 0.16 0.25 34.54
    40~50 4.46 0.13 37.7 1.76 2.40 0.81 1.06 0.22 2.07 0.12 17.64 0.33 0.15 0.29 33.19
    50~60 6.35 0.19 29.7 2.09 3.45 1.13 1.46 0.33 2.61 0.19 24.61 0.40 0.12 0.41 28.52
    60~70 6.46 0.20 29.9 2.22 3.65 1.14 1.58 0.39 2.72 0.20 24.25 0.43 0.13 0.43 29.18
    70~80 4.63 0.15 37.3 1.94 2.57 0.83 1.15 0.28 2.21 0.15 17.58 0.37 0.15 0.31 32.37
    80~90 5.79 0.15 32.7 2.14 3.43 1.04 1.46 0.34 2.45 0.22 21.03 0.39 0.12 0.37 31.12
    90~100 5.53 0.15 34.6 1.94 3.10 0.99 1.38 0.35 2.29 0.22 19.79 0.36 0.13 0.34 31.39
    100~110 4.95 0.13 37.1 2.00 2.78 0.87 1.26 0.33 2.14 0.21 17.37 0.35 0.14 0.30 32.67
    110~120 3.88 0.11 41.0 1.63 2.16 0.70 1.00 0.23 1.82 0.16 13.61 0.30 0.15 0.23 34.84
    120~130 3.41 0.09 42.9 1.64 1.89 0.61 0.88 0.19 1.68 0.14 11.78 0.30 0.15 0.20 36.12
    130~140 3.36 0.08 43.4 1.50 1.82 0.60 0.88 0.19 1.62 0.13 11.51 0.27 0.15 0.20 36.34
    140~150 3.73 0.09 42.2 1.48 2.02 0.66 0.97 0.20 1.68 0.14 12.61 0.29 0.15 0.22 35.73
    150~160 3.30 0.08 43.8 1.43 1.78 0.60 0.87 0.18 1.56 0.11 11.08 0.27 0.16 0.20 36.59
    160~170 7.39 0.25 25.7 2.11 4.01 1.33 1.76 0.44 2.91 0.21 28.84 0.46 0.12 0.48 26.73
    170~180 4.60 0.15 37.4 1.97 2.50 0.86 1.18 0.26 2.24 0.12 18.06 0.37 0.16 0.30 31.91
    180~190 3.11 0.10 42.8 1.65 1.69 0.59 0.82 0.18 1.76 0.10 12.40 0.31 0.17 0.20 36.48
    190~200 3.91 0.14 38.7 1.91 2.13 0.74 0.99 0.20 2.04 0.14 16.04 0.35 0.16 0.25 33.64
    200~210 6.21 0.20 30.8 2.02 3.47 1.11 1.48 0.33 2.55 0.21 24.13 0.41 0.13 0.39 29.20
    210~220 4.38 0.12 38.0 1.78 2.49 0.79 1.09 0.25 2.05 0.16 16.23 0.33 0.15 0.28 34.18
    220~230 4.27 0.11 38.9 1.68 2.40 0.77 1.07 0.24 1.99 0.15 15.79 0.32 0.15 0.27 34.13
    230~240 5.15 0.14 35.1 1.90 2.95 0.94 1.30 0.30 2.27 0.18 19.11 0.36 0.14 0.33 32.31
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    表  2   微量元素(包括稀土元素)数据(×10-6)

    Table  2   Data of race elements (including rare earth elements)

    取样层位/cm Ba Zr Nb Rb Sr Th U V Y Cs Ga Hf La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
    0~10 785 40 3.9 21.2 1320 3.86 0.55 30 23.3 1.34 5.4 1.0 17.5 30.6 4.47 18.3 3.92 0.99 3.95 0.66 3.80 0.79 2.19 0.32 2.01 0.30
    10~20 1045 39 3.8 21.2 1320 3.53 0.52 29 21.5 1.46 5.3 1.0 16.7 27.1 4.17 17.1 3.67 0.92 3.84 0.56 3.49 0.72 1.98 0.29 1.82 0.27
    20~30 839 37 3.8 21.7 1345 3.58 0.49 34 23.2 1.41 5.5 1.0 17.4 28.0 4.33 17.2 3.96 0.97 3.93 0.59 3.71 0.76 2.05 0.29 1.82 0.28
    30~40 1090 44 4.4 23.7 1280 4.13 0.55 38 24.4 1.55 6.5 1.1 18.6 30.8 4.86 19.3 4.24 1.06 4.39 0.65 3.96 0.82 2.25 0.32 1.94 0.29
    40~50 1165 49 5.0 27.5 1205 4.74 0.60 41 28.0 1.84 7.4 1.2 21.4 35.6 5.47 22.0 4.61 1.17 5.03 0.76 4.53 0.91 2.44 0.36 2.23 0.34
    50~60 1670 74 7.5 40.3 1005 7.14 0.88 60 40.4 2.62 11.2 1.9 30.1 53.2 8.04 32.0 7.22 1.82 7.36 1.09 6.71 1.41 3.84 0.53 3.28 0.50
    60~70 1680 77 7.6 40.5 1050 7.39 0.90 65 45.1 2.51 11.5 1.9 33.5 59.3 8.84 34.6 7.79 1.96 7.78 1.23 7.39 1.48 3.98 0.59 3.49 0.52
    70~80 1305 54 5.3 30.5 1320 5.57 0.72 40 34.6 1.83 7.5 1.4 26.6 45.9 6.70 27.0 5.52 1.45 5.89 0.85 5.27 1.07 3.02 0.42 2.61 0.38
    80~90 1410 70 6.5 40.9 1140 7.46 0.90 52 49.8 2.51 10.3 1.7 35.5 59.6 9.00 36.0 7.75 2.05 8.20 1.16 7.57 1.52 4.35 0.64 3.78 0.56
    90~100 1285 64 5.8 36.9 1110 6.57 0.83 50 44.3 2.26 9.1 1.5 32.0 51.6 8.07 32.9 6.71 1.82 7.46 1.04 7.16 1.32 3.82 0.53 3.26 0.49
    100~110 1260 59 5.5 34.7 1245 6.48 0.78 48 45.4 2.08 9.4 1.4 33.7 52.4 8.31 33.4 6.88 1.90 7.55 1.07 7.19 1.38 3.79 0.58 3.44 0.51
    110~120 1080 49 4.4 28.5 1385 5.10 0.67 41 36.9 1.72 7.8 1.1 26.8 41.9 6.58 26.8 5.34 1.42 5.98 0.84 5.64 1.15 3.15 0.44 2.61 0.39
    120~130 916 41 3.6 24.6 1410 4.32 0.58 32 33.2 1.49 7.0 0.9 23.8 36.1 5.97 24.0 4.70 1.23 5.25 0.79 4.96 0.98 2.72 0.39 2.41 0.35
    130~140 795 39 3.6 24.5 1380 4.06 0.53 32 29.9 1.45 6.7 0.9 21.9 34.1 5.40 21.6 4.28 1.12 4.87 0.68 4.51 0.90 2.41 0.35 2.10 0.30
    140~150 766 37 3.4 24.1 1155 4.02 0.51 22 27.1 1.41 5.4 1.0 19.9 31.5 5.03 20.3 4.36 1.08 4.64 0.70 4.18 0.88 2.38 0.35 2.25 0.33
    150~160 726 35 3.1 22.4 1255 3.63 0.47 22 25.2 1.35 4.9 0.9 19.4 29.7 4.81 19.5 3.92 1.04 4.46 0.66 3.91 0.81 2.26 0.32 1.99 0.30
    160~170 2010 81 7.7 46.1 909 7.65 0.97 62 42.2 2.83 11.5 2.1 32.5 58.7 8.22 33.6 6.89 1.77 7.59 1.12 6.87 1.35 3.72 0.54 3.27 0.48
    170~180 1285 49 4.6 29.9 1290 4.54 0.61 40 26.5 1.74 7.3 1.4 22.7 36.1 5.52 22.7 4.78 1.22 4.65 0.73 4.25 0.88 2.40 0.34 2.11 0.32
    180~190 904 32 3.1 20.0 1365 3.23 0.43 31 21.7 1.21 5.3 0.8 17.6 25.3 4.26 16.9 3.75 0.86 3.73 0.55 3.37 0.71 1.91 0.28 1.71 0.26
    190~200 1305 45 4.2 26.2 1355 4.31 0.56 44 27.5 1.58 7.4 1.1 22.5 35.2 5.71 23.4 5.00 1.20 5.03 0.74 4.47 0.88 2.36 0.34 2.10 0.32
    200~210 1810 72 6.8 42.0 1085 7.09 0.86 54 45.0 2.44 11.1 1.8 33.8 56.8 8.67 34.3 7.70 1.87 7.66 1.20 6.93 1.43 3.86 0.54 3.24 0.49
    210~220 1110 46 4.8 29.3 1215 5.12 0.63 53 33.9 1.78 7.3 1.0 24.8 40.0 6.15 25.3 5.54 1.42 5.48 0.82 5.19 1.09 3.07 0.44 2.65 0.41
    220~230 1075 43 4.4 27.3 1215 5.11 0.61 45 32.4 1.70 6.7 1.0 23.8 38.4 5.98 25.0 5.65 1.27 5.48 0.78 4.93 1.00 2.94 0.41 2.56 0.37
    230-240 1320 56 5.5 34.6 1145 6.40 0.76 51 41.7 2.13 8.9 1.4 29.4 47.9 7.65 31.6 6.88 1.68 7.21 0.99 6.18 1.26 3.69 0.55 3.21 0.48
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    表  3   主微量及稀土元素相关系数分布

    Table  3   The correlated coefficient of major and trace elements

    CaO Al2O3 Cl TFe2O3 K2O MgO MnO Na2O P2O5 SiO2 SO3 TiO2 LOI Ba Cs Ga Hf Nb Rb Sr Th U V Y Zr ΣrIE
    CaO 1.00
    Al2O3 -0.99 1.00
    Cl -0.87 0.86 1.00
    TFe2O3 -0.98 0.99 0.86 1.00
    K2O -0.97 0.99 0.86 0.98 1.00
    MgO -0.95 0.98 0.87 0.99 0.99 1.00
    MnO -0.84 0.87 0.79 0.88 0.87 0.89 1.00
    Na2O -0.98 0.97 0.90 0.96 0.96 0.94 0.85 1.00
    P2O5 -0.70 0.74 0.66 0.79 0.73 0.77 0.65 0.69 1.00
    SiO2 -1.00 0.98 0.86 0.97 0.97 0.95 0.84 0.99 0.67 1.00
    SO3 -0.85 0.85 0.84 0.84 0.85 0.87 0.87 0.86 0.58 0.85 1.00
    TiO2 -0.96 0.96 0.85 0.96 0.96 0.96 0.80 0.94 0.72 0.95 0.79 1.00
    LOI 0.99 -0.98 -0.88 -0.96 -0.98 -0.95 -0.86 -0.98 -0.68 -0.99 -0.88 -0.94 1.00
    Ba -0.96 0.94 0.86 0.93 0.93 0.91 0.79 0.96 0.67 0.97 0.87 0.91 -0.97 1.00
    Cs -0.96 0.98 0.85 0.98 0.96 0.97 0.85 0.94 0.78 0.95 0.82 0.94 -0.95 0.92 1.00
    Ga -0.93 0.95 0.87 0.95 0.93 0.95 0.82 0.91 0.76 0.92 0.81 0.89 -0.93 0.92 0.96 1.00
    Hf -0.97 0.98 0.87 0.97 0.96 0.96 0.88 0.96 0.67 0.97 0.88 0.93 -0.98 0.94 0.96 0.93 1.00
    Nb -0.98 0.98 0.87 0.98 0.95 0.95 0.84 0.96 0.76 0.97 0.81 0.94 -0.97 0.94 0.98 0.96 0.97 1.00
    Rb -0.95 0.98 0.86 0.98 0.97 0.99 0.86 0.93 0.80 0.94 0.85 0.94 -0.94 0.92 0.98 0.97 0.95 0.96 1.00
    Sr 0.88 -0.90 -0.64 -0.88 -0.89 -0.87 -0.74 -0.84 -0.60 -0.87 -0.66 -0.87 0.85 -0.76 -0.86 -0.76 -0.84 -0.84 -0.83 1.00
    Th -0.92 0.95 0.84 0.97 0.93 0.96 0.84 0.89 0.86 0.89 0.80 0.90 -0.90 0.87 0.97 0.96 0.92 0.95 0.98 -0.80 1.00
    U -0.93 0.95 0.81 0.96 0.92 0.94 0.83 0.89 0.80 0.91 0.82 0.88 -0.92 0.89 0.96 0.96 0.94 0.95 0.97 -0.78 0.97 1.00
    V -0.91 0.90 0.88 0.90 0.89 0.88 0.74 0.91 0.80 0.90 0.73 0.87 -0.88 0.89 0.91 0.92 0.84 0.93 0.89 -0.72 0.90 0.87 1.00
    Y -0.76 0.82 0.74 0.86 0.80 0.86 0.76 0.74 0.86 0.73 0.69 0.77 -0.74 0.72 0.88 0.90 0.78 0.82 0.91 -0.64 0.95 0.90 0.80 1.00
    Zr -0.97 0.98 0.86 0.98 0.96 0.97 0.87 0.94 0.75 0.96 0.84 0.92 -0.96 0.93 0.98 0.98 0.98 0.99 0.98 -0.82 0.97 0.98 0.90 0.87 1.00
    ΣREE -0.85 0.90 0.82 0.93 0.88 0.93 0.82 0.83 0.86 0.83 0.78 0.85 -0.84 0.82 0.94 0.95 0.87 0.90 0.96 -0.72 0.99 0.95 0.86 0.98 0.93 1.00
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    表  4   研究区沉积物及岩石样品稀土元素特征指标平均值

    Table  4   The average REE indices of sediments and rocks

    数据来源 LREE HREE LREE/HREE ∑REE (La/Sm)N (La/Yb)N δCe δEu
    50°E玄武岩 21.23 17.59 1.21 38.82 0.54 0.47 0.99 1.08
    49°E硫化物 2.18 0.69 2.97 2.87 3.48 8.82 1.05 0.86
    48°~51°E沉积物 16.31 3.56 4.61 19.87 3.36 5.39 0.68 0.72
    本研究 85.61 13.49 6.34 99.10 2.90 6.57 0.76 0.75
    富钴结壳 1046.30 132.51 8.18 1178.82 82.13 553.21 1.34 0.20
    PAAS 132.8 13.0 10.25 184.0 4.33 9.13 1.01 0.63
    UCC 106.8 10.4 10.30 148.2 4.15 10.45 0.99 0.69
    注：硫化物据文献[13]；玄武岩数据据文献[14]；48°~51°E钙质沉积物据文献[3, 6]；富钴结壳据文献[59]
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-05-04
  • 修回日期:  2017-06-11
  • 刊出日期:  2018-10-27

目录

摘要
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  • 1.   材料与方法

  • 2.   结果

  • 2.1   主微量及稀土元素分布

  • 2.2   元素组分特征统计分析

  • 2.3   生物组分的计算与结果

  • 3.   讨论

  • 3.1   生物沉积

  • 3.2   非生物碎屑物质

  • 3.2.1   非生物物质来源组成
  • 3.2.2   风成物质来源分析
  • 3.2.3   洋脊原生物质

  • 4.   结论

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