2019, Vol. 43
文章信息
- 靳华龙, 万世明, 张晋, 宋泽华, 赵德博, 黄杰, 于兆杰, 李安春. 2019.
- JIN Hua-long, WAN Shi-ming, ZHANG Jin, SONG Ze-hua, ZHAO De-bo, HUANG Jie, YU Zhao-jie, LI An-chun. 2019.
- 北部湾表层黏土矿物分布特征及物源研究
- Distribution and provenance of clay minerals in surface sed-iments of the Beibu Gulf, the South China Sea
- 海洋科学, 43(1): 75-84
- Marina Sciences, 43(1): 75-84.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20180423001
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文章历史
- 收稿日期：2018-04-23
- 修回日期：2018-12-16
2. 中国科学院海洋地质与环境重点实验室, 山东 青岛 266071;
3. 中国科学院大学, 北京 100049
2. CAS Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071;
3. University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049
黏土矿物是母岩经风化和成壤作用形成的, 颗粒细小(< 2 μm), 在洋流作用下容易被远距离搬运, 在海洋沉积物中分布广泛。边缘海沉积物中黏土矿物组合与多种因素有关, 如源区的母岩性质、地形、温度、降水和海区的物源供应、表层洋流及水动力条件等, 不同的条件会形成特定的黏土矿物组合, 从而可能记录其形成和搬运过程中的地质信息。所以黏土矿物组合、含量变化、结晶参数和形貌特征等在分析海洋沉积物物源, 研究海洋沉积过程等方面有重要的作用[1-4]。
南海位于西太平洋, 紧靠亚洲大陆和西太平洋岛弧, 是一个典型的半封闭边缘海, 接受了亚洲大陆及周边岛屿大量的陆源碎屑物质, 是研究沉积物“源-汇”过程的绝佳区域[5]。近年来, 南海引起了国内外许多海洋地质工作者的注意, 并在此开展了大量的工作, 在南海表层黏土矿物空间分布及物源分析等方面取得了丰硕的成果。如Liu等[6]通过对南海表层黏土矿物含量和物源分析及利用洋流观测系统, 指出物源和差异性沉降是控制南海表层黏土矿物空间分布模式的两种重要机制, 并提出了南海东北部黏土矿物分布的运输机制:蒙脱石主要由受黑潮侵入影响的表层流从吕宋岛携带而来, 伊利石和绿泥石由南海深层流从台湾携带而来, 而来自珠江的高岭石由东向的广东沿岸流搬运。这些在南海沉积物研究方面所取得的成果, 使人们对南海沉积物有了总体上的认识, 但同时我们也注意到, 南海局部区域如北部湾地区仍缺少高分辨率的表层沉积物研究工作, 沉积物“源-汇”过程仍不清楚。本文选取北部湾为研究区域, 以北部湾表层沉积物为材料, 对湾内表层沉积物中黏土矿物的分布模式、物质来源和搬运过程开展详细的研究, 为该区黏土矿物沉积和古环境研究提供宝贵的资料。
1 区域背景北部湾位于南海西北部, 是由海南岛、雷州半岛、广西及越南所包围的一个半封闭海湾, 如图 1所示。北部湾通过琼州海峡与珠江口海域相连, 南通外海, 并有红河、南流江、昌化江等河流直接注入, 其中红河流域面积最大, 为38 100 km2, 输沙量为130 Mt/a[7]。北部湾区域面积大约有44 200 km2[8], 平均水深38 m, 最大水深106 m, 海底地形较为平坦, 从北东向南西缓慢倾斜, 等深线大致平行于海岸线。
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| 图 1 研究区位置及洋流示意图 Fig. 1 Location map of the study area and current systems in the South China Sea (SCS) 图 1修改自文献[6], 其中夏季/冬季表层流引自文献[17-18, 20], 深层流引自文献[21-23], 黑潮引自文献[24], 广东沿岸流引自文献[25] Fig. 1 modified after reference[6], major surface currents cite reference[17-18, 20], deepwater currents cite reference[21-23], the Kuroshio current cite reference[24]; Guangdong coastal current cite reference[25] |
北部湾地处热带和亚热带, 受东亚季风的影响。东亚季风是亚洲大陆与西太平洋暖池之间差异加热驱动的热力大气环流系统, 控制着整个亚洲东部地区季节性变化的风力、降雨量、径流量和陆地植被等气候和环境特征[9-12]。东亚冬季风以大陆变冷、亚洲北部发育高压和东北风穿过南海为特征, 持续时间接近6个月(11月到翌年4月), 而夏季风则以大陆加热、西藏上空发育低压、南海上空形成西南风以及华南降雨量普遍增多为特征, 持续时间大约为4个月(5月中旬到9月中旬)[12-13]。北部湾表层海流因受东亚季风、海水密度梯度、潮汐以及琼州海峡的共同影响, 在冬季和夏季均表现为明显的逆时针方向[14-17]。广东沿岸流在东亚季风的影响下, 表现为冬季东北向, 夏季西南向流动[18-19]。
2 材料和方法本文所用样品来自1958年中国近海海洋综合普查, 普查区域涵盖了我国大部分近海海域, 是我国有史以来调查规模最大的一次海洋普查[26]。本次研究样品为南海普查时在北部湾用箱式取样器获取的84个表层沉积物样品。取样水深为4~88 m, 其中小于38 m共56个站位, 大于38 m共28个站位。为进行物源对比, 我们还对海南岛西部和北部主要河流进行了表层沉积物取样, 共取样24个, 取样站位如图 2所示。
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| 图 2 北部湾表层沉积物及海南岛河流取样站位图 Fig. 2 Locations of surface sediment samples from the Beibu Gulf and Hainan rivers |
黏土矿物分析采用黏土粒级组分(< 2 μm)定向薄片的X射线衍射(XRD)方法[27]。黏土矿物提取步骤如下:取1.5 g左右的样品放到离心瓶中, 先后加入浓度为15%的H2O2和25%的CH3COOH, 在60℃水浴加热各1 h, 以去除有机质和碳酸盐, 然后向样品中加入去离子水进行离心清洗。按Stoke原理所确定的时间, 提取出小于2 μm的颗粒, 用涂片法制成定向薄片, 自然风干。
XRD分析在中国科学院海洋研究所海洋地质与环境重点实验室完成, 分析仪器采用德国产D8 Advance衍射仪, CuKα辐射, 管压40 kV, 管流40 mA。上机测试前, 先对样品进行乙二醇蒸气饱和(60℃, 12 h)处理。每个样品扫描两次, 第一次扫描角度(2θ)为3°~30°, 步长0.02°, 第二次扫描角度(2θ)为24°~ 26°, 步长为0.01°。
为更准确地进行黏土矿物的识别, 我们选取部分样品(9个)制成加热片(490℃, 2 h)。通过综合对比自然片、乙二醇饱和片和加热片的X射线衍射图谱进行黏土矿物的识别, 3种测试条件下黏土矿物的X射线衍射图谱如图 3所示, 图中括号内数字为晶面指数, 用于表征矿物的不同晶面。自然片中蒙脱石衍射峰在15Å, 而经乙二醇饱和后蒙脱石发生膨胀, 衍射峰移至17Å, 表明蒙脱石的存在。自然片和乙二醇饱和片中伊利石、高岭石和绿泥石衍射峰位置不发生变化:伊利石衍射峰有两个, 分别为10Å和5Å;高岭石和绿泥石衍射峰为7Å和3.5Å, 因3.5Å表现为双峰, 由此证明高岭石和绿泥石同时存在。加热条件下, 高岭石结构被破坏, 因而衍射峰消失; 绿泥石加热后结构可能被破坏, 其14Å和7Å衍射峰减弱甚至消失; 伊利石加热后层间水析出, 10Å衍射峰强度增加; 蒙脱石加热后, 自然片中15Å衍射峰和乙二醇饱和后17Å衍射峰转移到10Å[28-29]。
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| 图 3 北部湾表层沉积物典型黏土矿物X射线衍射图谱 Fig. 3 X-Ray diffractograms of clay minerals in the surface sediments of the Beibu Gulf |
4种黏土矿物组分百分比通过乙二醇饱和片的X射线衍射图谱计算得出。首先将衍射图谱扣除背景、平滑, 通过Topas2p软件进行拟合, 分别获得蒙脱石(光波长度为17Å, 下同)、伊利石(10Å)和绿泥石+高岭石(7Å)的特征衍射峰面积, 然后将特征衍射峰面积分别乘以各自的强度因子: 17Å衍射峰面积×1, 10Å衍射峰面积×4, 7Å衍射峰面积×2[30]。高岭石和绿泥石的含量根据3.58Å(高岭石)和3.54Å(绿泥石)衍射峰面积比值求出。求出4种黏土矿物加权面积后, 将其总含量校正为100%。伊利石结晶度指数用乙二醇饱和曲线上10Å的衍射峰半高宽(FWHM)表示, 低的结晶度指数代表高的结晶度, 按Ehrmann的分类方法可分为以下4类:结晶极好(FWHM < 0.4°(Δ2θ), 下同)、结晶好(0.4°~0.6°(Δ2θ))、结晶中等(0.6°~ 0.8°(Δ2θ))和结晶差(> 0.8°(Δ2θ))[1]。伊利石化学指数根据乙二醇饱和曲线上5Å/10Å衍射峰面积比计算而得, 衍射峰面积比值小于0.4为富Fe-Mg伊利石, 代表未风化的云母和伊利石, 比值大于0.4为富Al伊利石, 代表高度风化的伊利石[31]。
3 结果 3.1 表层黏土矿物组成及空间分布特征北部湾表层黏土矿物组分百分比空间分布如图 4所示。北部湾表层黏土矿物主要由伊利石、蒙脱石、高岭石和绿泥石组成。蒙脱石组分百分比变化范围为8%~52%, 平均为30%, 高值出现在北部湾中部, 向岸方向有减小的趋势。伊利石组分百分比变化范围为22%~66%, 平均为35%, 大部分区域伊利石含量偏低, 高值出现在北部湾西部和西南部, 向东北方向含量逐渐降低, 东北部为低值区。高岭石组分百分比变化范围很大, 为15%~66%, 平均为30%, 高值出现在北部湾东北部沿岸, 具有近平行于海岸线分布的特征, 向海方向含量迅速降低, 但是从研究区的中部到西部其含量的变化并不明显。绿泥石组分百分比最低, 变化范围为0~12%, 平均为5%, 与伊利石含量的分布具有一致性, 在红河口富集。
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| 图 4 北部湾表层4种黏土矿物组分百分比的空间分布 Fig. 4 Spatial distribution of the percentage contents of four major clay minerals in the surface sediments of the Beibu Gulf |
伊利石结晶度指数和化学指数如图 5所示。北部湾东北部为伊利石结晶度指数的高值区, 向海方向伊利石结晶度指数逐渐减小, 中部为低值区。研究区伊利石结晶度指数变化范围为0.20°~0.47°(Δ2θ), 平均为0.25°(Δ2θ), 绝大多数(83个)样品的伊利石结晶度指数小于0.40°(Δ2θ), 表明伊利石结晶度极好, 大陆源区水解作用较弱[1]。伊利石化学指数的高值区出现在北部湾北部和东北部沿岸, 中部为低值区。研究区伊利石化学指数变化范围为0.2~1.0, 平均为0.5, 绝大部分(82个)样品的伊利石化学指数大于0.4, 表明伊利石主要来自化学风化作用占主导的源区, 以富Al伊利石为主[31]。因为在不同构造/气候背景下, 不同源区的伊利石结晶度及化学风化程度有所不同, 所以伊利石结晶度指数和化学指数可用于分析物源[1, 32]。
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| 图 5 伊利石结晶度指数和化学指数 Fig. 5 Illite crystallinity index and chemical index |
南海北部陆架表层沉积物大部分是陆源的, 且以河流输入为主, 自生及风尘搬运影响相对较小, 南海黏土矿物组成和表层分布模式的控制因素主要是物源及入海后洋流的搬运[33-37], 因此各端元沉积物入海通量是控制北部湾表层沉积物组成的一级因素。通过黏土矿物含量、Sr-Nd同位素分析及扫描电镜观察等方法, 前人对研究区表层沉积物物源进行了一系列研究, 认为北部湾表层沉积物受到了红河、珠江及周边河流的共同影响[6, 38-40]。北部湾表层沉积物的潜在物源有红河、广西沿岸河流、海南岛沿岸河流、越南沿岸河流和珠江。除珠江外, 其他河流都是直接注入北部湾, 直接影响北部湾表层沉积物组成和分布特征。珠江陆源物质入海后, 在广东沿岸流和华南近岸流的影响下, 部分细粒级悬浮物质也可穿越琼州海峡在北部湾沉积[2, 41-45]。研究区潜在物源河流径流量及输沙量如表 1所示, 从表 1中可以看出红河为北部湾主要物源。
| 河流名称 | 流域面积/km2 | 流量/(mm/a) | 悬浮物流量/(Mt/a) |
| 珠江 | 450 000 | 636 | 69.00 |
| 南流江 | 6 600 | 773 | 1.10 |
| 南渡江 | 6 600 | 773 | 1.10 |
| 昌化江 | 5 100 | 745 | 0.08 |
| 太平河 | 15 000 | 600 | 1.00 |
| 红河 | 120 000 | 1 000 | 130.00 |
| 马江 | 28 000 | 607 | 3.00 |
| 注:表内数据引自文献[7]。 | |||
不同源区的黏土矿物组成是不同的, 因此我们可通过研究区同周边可能源区的黏土矿物组成对比并结合研究区黏土矿物的分布特征, 分析北部湾黏土矿物物源。从表 2可以看出:红河主要含伊利石+绿泥石, 珠江主要含伊利石+绿泥石和高岭石, 海南岛河流和广西河流高岭石含量相对高, 越南北部河流主要含伊利石+绿泥石。
| 地区 | 样品数量/个 | 黏土矿物组分百分比/% | 参考文献 | |||
| 蒙脱石 | 伊利石 | 高岭石 | 绿泥石 | |||
| 红河 | 43 | 3(0~8) | 62(45~76) | 19(9~28) | 16(10~24) | [6] |
| 珠江 | 36 | 1(0~3) | 50(21~68) | 36(19~69) | 13(9~20) | [6] |
| 海南河流 | 9 | 3(0~7) | 22(13~45) | 70(46~80) | 5(4~6) | [6] |
| 海南河流 | 24 | 9(2~24) | 30(13~43) | 61(45~80) | 1(0~4) | 本文 |
| 广西河流 | 5 | 1(0~2) | 29(22~37) | 57(46~65) | 13(9~18) | [6] |
| 越南北部河流 | 24 | 1(0~7) | 54(31~72) | 33(15~58) | 12(4~19) | [6] |
| 北部湾 | 84 | 30(8~52) | 35(22~66) | 30(15~66) | 5(0~12) | 本文 |
| 注:括号前和括号内数字分别为黏土矿物组分百分比平均值和变化范围; 文献[6]中样品前处理采用0.5%HCl去除碳酸盐。 | ||||||
海洋沉积物中的蒙脱石主要有两种来源:一种为陆源碎屑来源, 另一种为海底火山岩石或火山灰蚀变而成, 后者在南海的贡献很小而忽略不计[46]。Gibbs[47]通过对亚马逊河口黏土矿物的研究认为:由于蒙脱石的粒径(平均0.4 μm)通常小于伊利石(2~ 4 μm)、高岭石(1~2 μm)和绿泥石(1~10 μm)3种黏土矿物的粒径, 所以相比于其他3种黏土矿物, 蒙脱石在洋流的作用下更易被远距离搬运。正是这种由于粒径大小差异所致的物理分异作用, 粒径大的伊利石、绿泥石和高岭石在靠近河口的地区优先沉降下来, 而粒径小的蒙脱石可长途搬运在远离河口的地区相对富集。北部湾表层沉积物中蒙脱石的含量分布看起来也支持这一观点:研究区蒙脱石组分百分比平均达30%, 而周边潜在源区(红河、珠江、海南岛等)蒙脱石组分百分比都很低(1%~9%), 这用简单的物源混合无法解释, 因此我们推测北部湾存在明显的黏土矿物物理分异作用, 这不同于长江物质在东海内陆架上千公里黏土矿物组成基本稳定[48]。在北部湾周边物源中, 红河和珠江是输沙量最大的两条河流, 输沙量分别高达130 Mt/a和69 Mt/a[7], 红河沉积物中蒙脱石组分百分比平均为3%, 而珠江沉积物中几乎不含蒙脱石[6], 因此可以认为红河是北部湾蒙脱石的主要物源。此外, 海南岛北部是我国第四纪火山岩分布最大的地区, 火山岩又以基性玄武岩为主[49], 这些火山岩在碱性环境下可以通过化学风化形成富含蒙脱石的物质, 如海南岛北部南渡江沉积物中蒙脱石组分百分比达到了10%, 通过NASA卫星照片可以看出这些入海物质在洋流的搬运下经琼州海峡可进入北部湾沉积, 但是海南岛北部入海河流沉积物通量极低(~1 Mt/a), 对北部湾的沉积物贡献十分有限。综上, 我们认为北部湾的蒙脱石主要来源于红河, 其次为海南岛。
4.3 伊利石和绿泥石物源伊利石是最稳定的一种黏土矿物, 基本上被认为是陆源成因, 主要从母岩物理侵蚀继承而来, 或钾长石、白云母等矿物风化而来[50]。从图 4伊利石含量分布图可以看出:伊利石组分百分比的高值区位于红河口附近, 并且向北部湾中部远离河口方向迅速降低, 表明伊利石主要来源于红河。考虑到红河沉积物通量巨大(130 Mt/a)[7], 且伊利石组分百分比平均为62%[6], 可以推断红河是北部湾伊利石最重要的源区。珠江输沙量虽然少于红河, 但也达到了69 Mt/a[7], 并且黏土矿物组成以伊利石为主(组分百分比平均为50%)[6], 珠江物质入海后, 在广东沿岸流和华南近岸流的影响下可向西搬运, 部分悬浮物质穿越琼州海峡在北部湾沉积。因此, 珠江可成为北部湾伊利石的一个次要来源。越南北部的太平河及马江黏土矿物组成虽然以伊利石为主(平均54%)[6], 但其输沙量太低(~4 Mt/a)[7], 相比于红河和珠江对研究区伊利石贡献有限。
此外, 伊利石结晶度指数和化学指数也可用来指示源区[1, 32]。伊利石结晶度指数可以用来反映伊利石结晶程度, 结晶度指数越小, 表明结晶程度越好[1]。伊利石的化学指数可以用来反映伊利石的化学组成, 化学指数高于0.4为富Al伊利石, 指示强烈化学风化的产物, 而化学指数低于0.4为富Fe-Mg伊利石(黑云母和白云母类), 指示强烈物理侵蚀的产物[31]。北部湾伊利石结晶度指数和化学指数平均分别为0.25°(Δ2θ)和0.5, 表明北部湾伊利石结晶度极好, 为富Al伊利石, 来源于化学风化占主导的区域, 这与红河伊利石结晶度指数(平均0.20°(Δ2θ))和化学指数(平均0.4)及珠江伊利石结晶度指数(平均0.30°(Δ2θ))和化学指数(平均0.6)十分接近[51], 暗示与红河及珠江的亲缘性。
绿泥石的形成环境与伊利石类似, 主要是陆上岩石在寒冷干燥条件下, 经物理风化作用形成, 在高纬地区分布较广[52]。北部湾绿泥石组分百分比平均为5%, 含量极低, 与地处热带亚热带环境条件相符。南海表层沉积物分布和第四纪以来黏土矿物组合变化都揭示出绿泥石和伊利石具有很好的正相关性, 表明其成因和来源的相似性[2], 并且北部湾表层沉积物中绿泥石含量分布与伊利石含量分布十分类似, 在红河口富集, 因此我们认为绿泥石与伊利石有着相同的源区, 主要来源为红河, 次要来源为珠江。
4.4 高岭石物源高岭石一般是岩石在温暖潮湿的酸性环境下经强烈的化学风化、淋滤作用形成的, 其在海洋表层沉积物中的空间分布与陆源物质供应及陆上气候环境密切相关, 是一种典型的周边陆地母岩的化学风化产物[53]。高岭石从河流入海后, 遇到碱性的海水极易发生絮凝作用[54], 因此, 在河口及近岸大量沉积。高岭石组分百分比在北部湾中西部区域变化很小, 平均为20%左右, 但在北部湾的北岸特别是靠近广西、琼州海峡和海南岛附近很高, 平均达40%左右, 并且沿岸高值区具有明显的平行海岸线特征。红河输沙量巨大, 且黏土矿物组成中高岭石组分百分比(平均19%)仅次于伊利石[6], 因此红河是北部湾高岭石的一个重要源区。珠江是南海北部的一个重要的物源区, 输沙量达69 Mt/a[7], 沉积物中又以高含量的高岭石为特征(平均36%)[6], 但只向南海北部输送了少量的高岭石, 前人研究认为主要原因是在广东沿岸流和华南近岸流的影响下, 高岭石从河口出来以后即被向西搬运, 可能部分穿越琼州海峡进入北部湾, 在北部湾沉积下来[2]。海南岛和广西分别位于热带和亚热带地区, 气候温暖湿润, 构造稳定, 化学风化作用占主导, 十分有利于高岭石的形成和保存, 因此海南岛河流和广西河流沉积物中黏土矿物组成以高岭石为主, 组分百分比平均值分别可达61%和57%[6], 当这些河流注入北部湾后, 高岭石便在北部湾沉积下来。综上, 我们认为红河、珠江、海南岛河流及广西河流是北部湾高岭石的主要物源。
5 结论本文利用XRD分析技术对北部湾表层沉积物中的黏土矿物进行了半定量分析, 并与周边潜在物源进行对比, 讨论了黏土矿物的物源及搬运方式, 得出以下结论: (1)北部湾表层沉积物中黏土矿物组成以伊利石、蒙脱石和高岭石为主, 绿泥石含量最少。在空间分布上, 蒙脱石含量呈中部高, 向岸方向降低的特征; 伊利石含量呈西南高, 东北低的特征, 绿泥石含量与之类似, 而高岭石含量则与之相反。(2)北部湾表层沉积物中黏土矿物受红河、珠江、广西河流以及海南河流的共同影响。结合研究区周边潜在物源的入海通量、黏土矿物含量、伊利石化学指数与结晶度指数以及研究区洋流等特征, 我们认为蒙脱石主要物源为红河, 其次为海南岛河流; 伊利石和绿泥石主要物源为红河, 次要物源为珠江; 高岭石主要物源为红河、珠江、海南岛河流及广西河流。
致谢: 本文研究所用样品由1958—1960年“金星”号调查船全国海洋普查航次所提供。感谢船上所有科学家以及参与海洋普查的相关工作人员, 同时也感谢审稿专家对本文提出的宝贵修改建议。
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