悬浮体(suspended matter)是水体中所有处于悬浮状态物质的总称, 包括悬浮颗粒物(SPM)、非颗粒形态的悬浮生物遗骸及纤维等。南海三沙永乐龙洞位于南海西沙群岛的永乐环礁上, 洞深300m, 是世界上已知最深的海洋蓝洞。已有的研究表明, 海洋蓝洞悬浮体对其生态系统有重要影响, 悬浮有机质被蓝洞浮游生物和微生物利用, 在形成蓝洞独特的环境和生态系统中起重要作用(Fichez, 1991; Pohlman et al, 1997; Iliffe et al, 2007, 2009; Seymour et al, 2007; Gonzalez, 2010; Pohlman, 2011; Rastorgueff et al, 2015; Martínez et al, 2016)。因此, 在基于生态系统对地中海蓝洞生态质量进行评价的模型中, 进入蓝洞的陆源碎屑、人类活动产物、浮游生物及其产物等悬浮体组分构成了该模型的重要组分(Gischler et al, 2008)。悬浮体是海洋蓝洞沉积物的主要来源, 对洞底沉积物的组成、沉积速率和堆积量及其季节性变化起控制性作用, 被用于重建古海洋环境、古气候特别是热带风暴的变化(Shinn et al, 1996; Surić et al, 2010; Denommee et al, 2014; Van Hengstum et al, 2014)。

前人对包括蓝洞在内的近海洞穴悬浮体的研究集中在悬浮有机质方面, 如Fichez(1991)研究了地中海近海洞穴中悬浮颗粒有机碳、氮等有机组分及其含量。许多学者研究了巴哈马地区蓝洞悬浮有机质在生物地球化学过程中的作用(Pohlman, 2011; Gonzalez, 2010; Rastorgueff et al, 2015; Martínez et al, 2016)。Iliffe等(2009)指出, 近海洞穴中悬浮有机碎屑耗氧的生物化学过程是水体出现缺氧-无氧层的重要原因, 盐度跃层以上的悬浮有机质被微生物氧化产生大量CO₂, 使pH值达到最低。Shinn等(1996)发现美国佛罗里达Keys沉洞底质沉积物含有气溶胶、花粉孢子、生物骨屑等来自悬浮体的物质。Gischler等(2008)和Van Hengstum等(2014)发现在夏季热带风暴和冬季平静海况下进入巴哈马近海洞穴并沉积在洞底的沉积物粒度和成分差异很大。Surić等(2010)指出, 克罗地亚近海洞穴的陆源悬浮体主要来自意大利波河和亚平宁半岛河流。但是, 这些研究基本上都将近海洞穴的悬浮体作为研究背景进行简单叙述, 以悬浮体为主题的研究尚未见报道, 海洋蓝洞悬浮体的系统研究尚处于空白状态。

2016年10月和2017年3月我们对三沙永乐龙洞进行了调查, 根据洞内水体结构剖面特征, 在从表层到270m多个不同深度上采集了24层水体悬浮体样品, 采用扫描电镜和能谱分析对悬浮体组分进行了研究。本文根据上述结果, 分析了悬浮体的组分特征及其来源。

1 研究背景 1.1 区域背景

西沙群岛位于我国南海西北部大陆坡的西沙隆起区, 主要由宣德群岛和永乐群岛两大群岛组成(图 1a)。西沙群岛气候受热带季风控制, 11—2月盛行东北风, 5—10月盛行西南风。热带气旋较多, 年均10.2个, 集中在6—10月(海南省海洋厅等, 1996)。年均海表温度27.59℃(Yan et al, 2015), 表层盐度33.86—34.0(曾昭璇, 1986)。波浪一般较大, 与台风密切相关。平均潮差92cm, 潮型主要为不正规半日潮, 也有不规则日潮。潮流的往复流特征明显(海南省海洋厅等, 1996; Dong et al, 2015)。

西沙隆起区域于早中新世(约23Ma)开始沉降并发生海侵, 自中新世以来发育了以珊瑚礁相为主、厚度达到1251m的碳酸盐岩地层(Wu et al, 2014; 田洁, 2015)。石岛上的西科1井的碳酸盐岩岩心厚约1257m(毕东杰等, 2017), 说明该区域在23Ma以来沉降了约1130m左右。构造沉降和全球海平面波动是西沙群岛碳酸盐台地形成的控制性机制。

永乐环礁距海南岛东南约300km, 距永兴岛西南约80km, 由中建岛、金银岛、珊瑚岛、甘泉岛、琛航岛、晋卿岛、盘石峪、广金岛等7个分隔的礁体组成, 围成约200km²的中央泻湖(图 1b), 中部水深约40m(曾昭璇, 1986)。

永乐环礁的水文、气象特征与西沙群岛类似。年均海表温度27.4℃, 年均表层盐度33.6, 非常适宜珊瑚群落的生长发育。潮汐基本上为不正规半日潮, 平均潮差0.9m。潟湖内环流受潮流和潮差的影响, 涨潮和落潮时海水经各个通道进出潟湖(Yan et al, 2015; Zhao et al, 2016)。

永乐龙洞位于晋卿岛至石屿之间的礁盘上(图 1c)。礁盘底部为白色沙质, 主要生长浅水石珊瑚, 有少量钙藻、软体动物贝壳和有孔虫等, 其松散沉积物主要由这些生物的碳酸盐碎屑组成, 也有很少量硅质海绵和藻类骨屑。受海域动力和物源影响, 粒度总体较粗, 细砾和粗砂居于优势地位, 粒度变化很大(钟晋樑等, 1979; 沙庆安, 1986)。

1.2 样品采集和研究方法 1.2.1 样品采集

海上调查时间分别为2016年10月和2017年3月, 采用Niskin卡盖式采水器采集了不同深度的悬浮体水样。2016年10月在水深5、10、12.6、17、24.8、40、60、90和120m采集了9层样品, 2017年3月在水深0、30、50、70、80、95、110、130、140、160、170、180、190、230和270m采集了15层样品, 共计24层样品。2016年悬浮体样品用事先称重的双层Waterman微孔滤膜(直径47mm, 微孔孔径0.45μm)随船抽滤水样, 抽滤体积为1550—3000mL, 洗盐后晾干, 以锡纸包裹保存。2017年悬浮体水体样品在船上用采水瓶低温密封保存, 实验室进行抽滤和洗盐, 抽滤体积为110—445mL。样品晾干后以锡纸包裹保存。

1.2.2 研究方法

通过扫描电镜(SEM)和X射线能谱分析仪(EDS)联用对悬浮体进行了系统分析。扫描电镜为荷兰FEI公司制造的环境扫描电镜Quanta 200, 能谱分析仪采用美国EDAX公司制造的GENESIS 2000型X射线能谱分析仪。从悬浮体滤膜中心位置剪取约3mm×5mm滤膜粘在电镜样品台上进行镀金或镀铂后进行分析。扫描电镜采用高真空模式, 工作距离10mm, 束斑为5, 加速电压25kV。所有研究的颗粒均进行了SEM和EDS分析。

悬浮颗粒的物相分析通过悬浮颗粒矿物的晶形、晶面习性或解理交角特征、各元素比例、可能的类质同象组合等进行综合判识, 以此确定、推定或推测物相。受方法的局限性及成分的复杂性, 许多颗粒尚无法准确判识或定名。本文中标准矿物的晶体形态和元素组分取自矿物学数据库(Mineralogy Database.www.tasagraphicarts.com/mineraldatabase.html)。

2 结果

永乐龙洞悬浮体的种类和数量十分丰富, 本文中只能选取若干代表性组分的较大颗粒图谱做重点表述。悬浮体组分可分为5种类型: (1)生源碎屑, 主要是生源碳酸盐碎屑; (2)陆源碎屑; (3)自生矿物颗粒; (4)有机包膜-海洋雪花; (5)人工产物碎屑。进一步可细分为30多种组分。

2.1 生源碎屑 2.1.1 生源碳酸盐碎屑

生源碎屑中以生源碳酸盐碎屑为主, 扫描电镜图谱的大范围观察显示, 生源碳酸盐碎屑在数量上占绝对优势, 许多颗粒以集合体形式存在, 形成更大的颗粒。生源碳酸盐成分主要是碳酸钙或含镁碳酸钙, 一部分可以识别的矿物有:文石(CaCO₃, 斜方晶系)、方解石(CaCO₃, 六方晶系)、镁方解石[(Ca_1-xMg_x)CO₃, x > 9%为高镁方解石]和白云石[CaMg(CO₃)₂]4种(图 2), 有些颗粒还保留了生物微结构(图 3)。碎屑粒度变化很大, 从小于1μm到大于100μm都有。

2.1.2 浮游生物遗骸

浮游动物主要是桡足类, 辨识出甲壳动物亚门桡足类剑水蚤和哲水蚤的幼体遗骸, 粒度范围为100—600μm(图 4a), 有些遗骸已经腐烂缺失。还有有孔虫壳(CaCO₃)(图 4b)和放射虫(SiO₂·nH₂O)(图 4c), 粒度为20—50μm(图 4b)。浮游植物骨屑主要是硅藻(SiO₂·nH₂O), 数量和种类较多, 粒度为20—100μm(图 4d, e)。也有少量甲藻, 粒度为50—160μm(图 4f)。

2.1.3 生源硅质碎屑

基本成分是SiO₂, 有些具有生物形态, 可以辨识的仅有海绵骨针等(图 5), 粒度为10—50μm。

2.1.4 植物纤维

经常呈弯曲细长条状, 边缘卷曲, 宽度为5—10μm, 长度 > 20μm, 亦有 > 400μm和更长的纤维, 估计来自陆地或水生植物(图 6a)。

2.2 陆源碎屑 2.2.1 造岩矿物

是最常见的组分, 主要是石英和长石类, 还有角闪石、云母、绿泥石等铝硅酸盐矿物(图 7)。粒度为1—30μm, 个别石英颗粒可达140μm。

2.2.2 副矿物

有榍石、钙钛矿、金红石、锆石、磷灰石-氟磷灰石、独居石以及含稀土的硅酸盐等(图 8)。

2.2.3 金属氧化物-氢氧化物和硫化物

主要是磁铁矿、赤铁矿和氢氧化铁(图 9), 赤铁矿也可能来自船体的铁锈。金属硫化物为黄铁矿(图 10a)和黄铜矿(图 10b), 粒度为5—40μm。

2.3 自生矿物颗粒

自生矿物颗粒有重晶石, 微粒氧化铁球状集合体和纳米黄铁矿集合体。重晶石形态不规则, 粒度为2—10μm(图 11a)。微粒氧化铁球状集合体可分为氧化铁集合体和含铬锰的氧化铁集合体两种, 由多个 < 1μm的微粒组成, 球体直径为10—15μm, 偏高的铁含量暗示有可能是磁铁矿型微粒(图 11b)。纳米黄铁矿集合体由多个微米级(约0.2—0.5μm)的黄铁矿微粒组成, 从较分散的微粒到紧密相接的微粒集合体均有, 多呈球状, 直径为3—10μm(图 12)。在130m以下开始出现, 数量随水深增加。

2.4 有机包膜-海洋雪花

有机包膜由有机胶态物组成, 在电镜图上呈现为暗色膜状物, 常包覆着多个颗粒, 形成较大的有机包膜集合体(图 13)。由于其比重小, 常呈片状漂浮在水体中, 构成海洋雪花。如包裹的颗粒较多(图 13b), 会因比重加大而下沉。

2.5 人工产物碎屑

人工产物碎屑主要为金属碎屑、微塑料纤维丝和过硫化铅丝。金属碎屑包括铁、钨和多种合金钢碎屑, 粒度为5—20μm。其中有铁片、钨及钨合金片、铬镍合金钢、铬镍锰合金钢、含钛钴铜的钨合金等颗粒(图 14)。个别合金钢中有氧的成分, 可能是有部分锈蚀。微塑料纤维呈细长均匀的丝状, 长度可超过600μm(图 6b), 可能是渔网的残余。过硫化铅丝长度可超过60μm(图 10c), 硫含量显著偏高, 其形态显示可能是人工产物。

3 讨论

生源碎屑种类丰富, 生源碳酸盐碎屑是其主体成分, 数量上居绝对优势, 是龙洞悬浮体组分的基本特征。前人的研究表明, 西沙群岛珊瑚礁和晋卿岛东北珊瑚礁的现代松散沉积物都是造礁石瑚珊占优势, 少量是石灰藻、贝壳、有孔虫、苔藓虫等(邹仁林等, 1979), 其骨骼组分都是碳酸盐。永乐龙洞处于晋卿岛-石屿珊瑚礁盘的中东部, 其礁盘松散沉积物组分应与上述组分一致。在潮流和大风浪等动力或船舶活动的作用下, 礁盘松散沉积物被再悬浮并搬运进入永乐龙洞, 成为其生源碳酸盐悬浮颗粒的来源。浮游生物遗骸/骨屑则来自附近海域和洞内的浮游生物, 一部分硅质组分可能来自海绵或非钙质藻类。生源碎屑粒度变化很大, > 30μm的颗粒并不鲜见。它们无法长期保持在悬浮状态, 因此是近期进入洞内的碎屑。

陆源碎屑种类也十分丰富, 粒度变化大, 但数量较少。细小的陆源造岩矿物碎屑, 有可能来自气溶胶的沉降, 不排除来自悬浮在边缘海中的细粒河流沉积物的可能性。一些粒度较大(20μm以上)的钙钛矿、榍石等含钛矿物和晶形良好的大粒锆石、磁铁矿等重矿物, 以及金红石、独居石、绿泥石等组分, 和海南岛东南部海岸的海砂及沿岸钛铁矿砂矿的矿物组分非常相似(林明坤等, 2016), 可能来自海南岛东南部沿岸海砂。但是, 这样大的重矿物颗粒不可能以悬浮形式被海流长途搬运到龙洞, 推测它们来自琛航岛等工程建设(余强等, 2013)用砂的散落物, 被海洋动力搬运-沉积到龙洞周边礁盘上, 通过再悬浮进入龙洞。因此, 大粒陆源碎屑具有人类活动的标记。磷灰石颗粒较大、晶形清晰, 可能来自永乐群礁鸟粪层淋滤-重结晶形成的岛屿磷块岩残余(王国忠等, 1987)。

自生矿物是龙洞水体中的产物。生物成因的自生重晶石在海洋中常见, 主要在浮游生物丰富的上层水体中的生物遗体降解过程中形成(Sun et al, 2015)。微粒氧化铁球状集合体具有自生成因的典型胶体球状形态。纳米黄铁矿及其集合体是由存在硫化氢的无氧极端环境水体中的微生物作用形成(Drobner et al, 1990; Rickard et al, 1997)。永乐蓝洞100m以下为无氧水体(毕乃双等, 2018), 同时开始出现硫化氢, 并随水深增加。推测可能硫化氢要达到一定浓度才能生成纳米黄铁矿, 所以从130m才开始出现并随水深增大而增多。这是海洋蓝洞无氧水体中首次发现纳米黄铁矿及其集合体的报道, 对于深入认识无氧极端水体的生物地球化学过程有重要意义。

有机包膜-海洋雪花是微生物参与下水体中生物遗体(包括软组织)降解或生物粪粒分解等过程的产物。

金属碎屑分为单一的金属铁、钨和铬镍合金钢、铬镍锰合金钢、钨合金两类, 其中铬镍合金钢较多。除铁以外, 其他金属碎屑都具有强度高和耐腐蚀的特点, 可能来自船只金属部件耗损的碎屑, 它们和微塑料纤维一样, 都是现代人工产物, 说明永乐龙洞水体已经带有现代人类活动产物的印记。

悬浮体是永乐龙洞底质沉积物的主要来源, 悬浮体组分及其特征和变化都会保存在底质沉积记录中, 因此, 悬浮体组分的研究有助于认识永乐龙洞的环境变化和人类活动演化史。

4 结论

(1) 本文是海洋蓝洞悬浮体组分的首次系统研究。发现永乐龙洞悬浮体组分种类丰富, 主要有生源碎屑、陆源碎屑、自生矿物、有机包膜-海洋雪花和人工产物碎屑5类, 进一步可细分出30多种组分, 生源碳酸盐碎屑在数量上占绝对优势。

(2) 永乐龙洞悬浮体组分来源广泛。生源碎屑主要来自现代珊瑚礁碳酸盐松散沉积物, 少量来自研究海域海洋生物骨屑或遗骸。陆源碎屑主要是造岩矿物和副矿物, 细小的陆源造岩矿物碎屑, 有可能来自气溶胶沉降, 不排除来自悬浮在边缘海中源自细粒河流沉积物的可能性。大颗粒碎屑和一部分细胞颗粒陆源碎屑可能来自邻近岛屿工程建设中散落的海南岛东南沿岸海砂。自生矿物和有机包膜-海洋雪花等是龙洞水体生物地球化学过程的产物。人工产物碎屑包括金属及合金颗粒、微塑料纤维等, 是龙洞海域现代人类活动的产物。首次在130m以下的水体中发现了自生纳米黄铁矿及其集合体, 是含硫化氢的无氧极端环境水体的特定产物。

(3) 悬浮体组分粒度变化很大, 大粒悬浮体碎屑可能与龙洞周边人类活动和海洋动力作用下浅水礁盘上沉积物的再悬浮和输送有关。

(4) 人工产物悬浮碎屑是是现代人类活动的印记。

(5) 悬浮体组分的研究有助于认识海洋蓝洞环境变化和人类活动的沉积记录。

致谢 对在调查过程中三沙航迹珊瑚礁保护研究所提供后勤支持和协助取样的全体成员及协助取样的杨丽标、陈霖等表示衷心的感谢。