海洋蓝洞指发育于碳酸盐海岸及岛礁上的水下洞穴, 因为深度大使得水体颜色明显区别于周围水体, 最早发现于巴哈马群岛(Mylroie et al, 1995), 如巴哈马群岛长岛上的迪恩斯蓝洞、红海北部的达哈布蓝洞、中美洲洪都拉斯伯利兹的灯塔蓝洞、马耳他戈佐蓝洞等。海洋蓝洞具有特殊的物理化学条件和生态环境, 孕育极端生物群落, 含有重要科学研究价值(Iliffe et al, 2007; Pohlman, 2011; Rastorgueff et al, 2015)。蓝洞沉积物是沉积记录的潜在载体, 可以用于重建历史时期地震、风暴等事件过程(Gischler et al, 2013)。

前人对世界上海洋蓝洞沉积物的报道不多。Shinn等(1996)报道了佛罗里达Keys洞底质沉积物组分, 发现有气溶胶、花粉孢子、生物骨屑等; Gischler等(2008, 2013)和van Hengstum等(2014)对巴哈马的近海洞穴的洞底沉积物进行了研究, 揭示了夏季热带风暴海况和冬季平静海况下进入洞口水体的颗粒沉积物粒度和成分的明显差异, 发现了正常海况下形成的由细颗粒碳酸盐沉积物构成的纹层以及风暴海况下形成的粗颗粒碳酸盐夹层, 并与该区的风暴事件建立联系; Surić等(2010)研究了克罗地亚的近海洞穴认为其中的陆源悬浮体主要来自波河和亚平宁半岛的河流入海沉积物等。这些研究, 着重于沉积物组成和来源, 探讨蓝洞沉积作用并尝试利用蓝洞中的沉积物进行沉积环境重建。

永乐龙洞位于我国南海西沙群岛永乐环礁中的晋卿岛与石屿之间的礁盘上, 地理坐标为16°31.5′N, 111°46′E, 距离三沙市首府永兴岛约70km(图 1)。永乐龙洞内部形态不规则, 侧壁起伏不平, 侧洞发育, 且在160m处发生转折, 形成中部的转折平台。与世界上其他海洋蓝洞相比, 南海永乐龙洞水深超过300m, 是迄今发现的最深的海洋蓝洞, 属于尚未被勘查的处女地。2016年10月和2017年6月, 三沙航迹珊瑚礁保护研究所和中国海洋大学共同对三沙永乐龙洞进行了较为系统的调查, 采集了龙洞不同深度和位置的多个沉积物样品, 为了解龙洞沉积物组成和对环境响应提供了可能。本文对上述调查取得的样品开展研究, 以阐明永乐龙洞沉积物特征, 并探讨其沉积作用, 为深入了解蓝洞成因和更好地保护龙洞生态环境提供科学参考。

1 材料和方法 1.1 样品采集

2016年10月、2017年6月两次对三沙永乐龙洞进行综合调查和采样, 沉积物样品由潜水员和水下机器人(美国VideoRay LLC公司生产的Video Ray Pro 4型遥控水下机器人)在龙洞侧壁、转折平台处及龙洞底部分别采集(表 1)。沉积物样品装入样品袋, 常温保存。

1.2 分析方法 1.2.1 粒度分析

根据沉积物粒级特点采用筛分法或激光粒度分析法分析, 得到各粒级沉积物的百分含量。

筛分法:砂粒级为主的沉积物使用该方法。取沉积物样品10—20g, 烘干称重后, 置于孔径间隔为0.5 Φ的一套标准筛中, 进行机械振动筛分, 分别获取各个粒级沉积物, 称重并经重量校正后得到各个粒级沉积物的重量百分含量。

激光粒度分析方法:粉砂粒级为主的沉积物使用该方法。取0.5—1g左右的样品放入100mL的干净烧杯中, 加入3mL分散剂(0.5mol/L六偏磷酸钠)超声30分钟确保充分分散, 供上机测试。测试仪器为英国Malvern公司的Mastersizer 2000型激光粒度分析仪, 该仪器测量范围为0.02—2000μm, 粒级分辨率为0.01Φ, 重复测量的相对误差 < 3%。

粒度分级采用伍登-温德华方案, 粒径使用Φ值标准, 粒度参数采用矩法公式(McManus, 1988)进行计算。

1.2.2 元素含量分析

采用X射线荧光光谱法(XRF)进行沉积物元素含量, 仪器为德国斯派克分析仪器公司SPECTRO XEPOS台式偏振X射线荧光光谱仪。分析方法如下:将样品在106℃下烘干24小时, 取4—5克研磨至300目以细粉末, 装入直径为32mm的聚乙烯样品杯内, 压实后上机测试。通过碳酸盐岩国家标准(GBW07120)和平行样进行质量控制, 所测元素的相对标准偏差都小于5%。分析后的样品回收供X射线衍射分析。

1.2.3 矿物物相分析

使用XRF分析后回收样品进行矿物物相分析。所用X射线衍射仪为德国布鲁克公司生产的Bruker D8 ADVANCE型衍射仪, 铜靶, 管电压40kV, 管电流100mA。衍射条件设置:步进长度0.02°(2θ), 扫描速度4°/min, 扫描范围3°—65°。得到的测试结果运用Jade5软件进行物相分析。采用自清洗方法计算矿物相对含量(Milliman et al, 1974), 其中文石、方解石(含高镁方解石)的K值取自国际衍射数据中心(ICDD)的PDF-4矿物数据库, 分别为0.55(d=1.99)、2.65(d=3.02);方解石中MgCO₃含量依据Goldsmith等(1955)方解石(104)面网间距方法计算得到。

2 研究结果 2.1 沉积物粒度特征

龙洞侧壁沉积物、中部转折平台和洞底沉积物粒度构成存在明显差异。

侧壁沉积物呈灰白色, 颗粒粗, 几乎都由砾石级、砂粒级的白色生物碎片构成, 其中可见大量的珊瑚碎片。砾石级的生物碎屑含量1%—15%, 砂级生物碎屑含量为84%—98%, 粉砂粒级生物碎屑不足10%。侧壁沉积物平均粒径为0.72—2.64Φ, 分选差、负偏态、峰态较陡(表 2); 沉积物的频率分布曲线呈现多峰特点, 主众数位于2.25Φ, 次级众数分别位于–1.75Φ, –0.5Φ、0.75Φ、1.25Φ等, 总体上显示分选差、图形不对称、重心偏向细粒部分(图 2)。

龙洞中部转折平台、洞底沉积物仍然以生物碎屑为主, 但是颗粒明显变细, 为粉砂质砂, 未见砾石级碎屑, 其中砂级碎屑占47%—86%, 粉砂级碎屑占11%—42%, 黏土粒级碎屑不足10%, 分选差、正偏、高峰态(表 2)。粒度频率分布图呈不对称单峰, 众数在2Φ左右, 粒级明显向粗粒级方向集中, 细粒级端留下细长的拖尾(图 3)。

2.2 永乐龙洞沉积物矿物组成

南海永乐龙洞沉积物矿物类型较单一, 主要由文石、高镁方解石和低镁方解石3种矿物构成, 以文石为主, 高镁方解石次之, 出现少量低镁方解石。3者的平均含量分别为69%、28%、3%(图 4, 表 3)。根据晶体衍射参数估算高镁方解石的MgCO₃含量约为14%。

2.3 龙洞沉积物地球化学特征

龙洞沉积物中的元素相对简单, 其含量见表 4。Ca元素含量最高, 平均35%左右, 其他元素含量不足1%。元素组成中可以明显地分成两组:其一为钙质组分元素, 包括Ca、Mg、Sr等, 平均含量分别为35.5%、0.9%、0.5%。Ca是文石、方解石的主要元素, 而Mg、Sr元素性质和离子半径接近于Ca, 以类质同象替代Ca方式进入碳酸盐矿物晶格之中, 它们含量关系密切。另一组元素赋存于陆源碎屑之中, 包括Si、Al、K等元素, 它们含量很少, 都小于0.5%, 但是在各个沉积物中都存在。从陆源元素的组合分析, 该陆源碎屑物质应该以黏土矿物为主。除了以上元素之外, 其余的元素含量都很少, 其值介于n×10×10^–6—n×100×10^–6, 它们属于碳酸盐或黏土矿物中的微量元素。

从垂向分布上看, 龙洞中部转折平台处元素组成与侧壁沉积存在明显差异, 该处钙质组分元素Ca、Sr减少, 而陆源组分Si、Al、Ti增加; 同时S、P两个元素也表现为增加的趋势(图 5)。龙洞底部沉积物元素组成与侧壁较为一致。

3 讨论 3.1 南海永乐龙洞沉积物来源

依据永乐龙洞沉积物矿物、元素组成可以清晰地分成两种类型:碳酸盐岩类沉积物和非碳酸盐岩类沉积物。X射线物相分析显示3种碳酸盐岩矿物相, 即文石、高镁方解石和低镁方解石, 它们主要来自钙质生物碎屑。前人研究表明西沙岛礁处生活着种类繁多的珊瑚, 在宣德环礁上西科1井中共鉴定出16个属的六射珊瑚和1个属的8射珊瑚(刘新宇等, 2015); 在西琛1井也鉴定出了大量的珊瑚、钙藻、海绵等造礁生物(许红等, 1989)。除了造礁珊瑚之外, 礁体上还生活着众多的附礁生物, 有孔虫、腹足类、双壳类等(许红等, 1989; 魏喜等, 2008)。珊瑚礁体的矿物物相以文石为主, 少量的高镁方解石(Milliman et al, 1974; 朱而勤等, 1987), 这与该区出现的沉积物矿物组成一致。从附礁生物种类看, 壳体矿物也是以文石、高镁方解石为主, 但是可以出现低镁方解石(范德江等, 2005)。这些生物碎屑亦可能加入礁坪沉积之中。

除了钙质生物碎屑外, 该处沉积物还出现了少量的陆源碎屑, 其矿物组成中出现了石英、黏土矿物, 元素组成中出现了一定量的Si、Al、Ti等陆源组分。由于西沙远离大陆, 礁体又明显高出海底, 河流输送的陆源沉积物难以影响该海域。南海位于东亚季风影响区, 有证据表明亚洲大陆风尘可以向东南方向输送至中国南海和台湾(Jiang et al, 2013), 所以推断西沙龙洞沉积物中出现的石英、黏土矿物等陆源物质是通过亚洲大陆风尘搬运方式到达该处的。

3.2 永乐龙洞沉积物的沉积作用

永乐龙洞侧壁沉积物主要由砂级、砾石级的生物碎屑构成, 其粒度概率累积曲线表现为典型的两段式, 即滚动搬运次总体(–2—2Φ)和跳跃搬运次总体(2—4Φ), 缺失悬浮搬运(图 6)。由于龙洞内水体运动受限, 现场测得流速几乎为零, 处于静止状态。由此分析, 龙洞内沉积物的搬运属性保留了礁坪沉积物搬运和沉积特点。这些沉积物形成于礁坪环境, 仅经历较短距离的搬运作用, 使得生物碎屑受搬运改造弱, 碎屑棱角明显。在潮汐和风暴作用之下, 礁坪上的沉积物经推移搬运经过龙洞时被龙洞捕获, 降落到龙洞之中, 受龙洞形态的影响, 这些沉积物率先滞留在侧壁上, 部分继续滑落至转折平台处、或者龙洞底部。这部分成因的沉积物颗粒较粗, 为砂以及砾石级的颗粒, 与在中美洲灯塔蓝洞中风暴事件层的颗粒组成相似(Gischler et al, 2013)。

龙洞转折平台处沉积物平均粒径较细, 为4.47Φ; 洞底沉积物颗粒亦较细, 平均粒径为2.46Φ。它们的概率累积曲线明显区别于侧壁沉积物, 出现了悬浮搬运次总体(图 7), 而它们的频率分布则为平缓的形态(图 3)。联系到转折处沉积物出现了大量的有机质残骸(图 8), 可以认为转折处沉积物以及洞底沉积物除了来自礁坪沉积物的滚落之外, 尚有来自水体中悬浮搬运的沉积物, 它们为相对细小的生物碎屑、有机质团块以及黏土矿物等颗粒, 这些沉积物颗粒细, 可以长期悬浮在水体之中被搬运, 受颗粒沉降作用最终沉积于龙洞转折处以及洞底等部位。

4 结论

南海永乐龙洞中沉积物以砂粒级碎屑为主, 粒度跨度大, 包含了砾石级到粉砂粒级的颗粒, 分选和磨圆差; 矿物组成以文石、高镁方解石为主, 平均含量分别69.1%、28.1%, 出现少量的低镁方解石, 平均含量为2.8%;元素组成主要是Ca、Mg、Sr等元素, 平均含量分别为35.5%、0.9%、0.5%, 出现了少量的Si、Al等元素, 其平均含量分别是0.27%、0.15%。洞壁沉积物粒度较粗, 阶地平台及洞底沉积物较细。研究表明该区沉积物主要来自礁坪上的钙质生物碎屑, 少量来自东亚季风风尘搬运的陆源物质; 龙洞沉积作用包括机械捕获作用和垂直沉降作用两种方式, 而以捕获作用为主, 垂直沉降作用次之。

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、以及协助取样的杨丽标、陈霖等表示衷心的感谢。