馬里亞納“溝-盆”深水沉積環(huán)境稀土元素特征與物源約束

肖春暉，王永紅，林間，田紀(jì)偉

1. 海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)海洋大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，青島 266100

2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋地質(zhì)過(guò)程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，青島 266237

3. 中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所，廣州 510301

4. 物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)海洋大學(xué)，青島 266100

西太平洋邊緣海發(fā)育著地球上最年輕、最復(fù)雜的溝-弧-盆體系[1-4]，其獨(dú)具特色的構(gòu)造[5-7]、地形[8-13]和沉積作用[14-17]日益受到各界學(xué)者的關(guān)注。由于復(fù)雜地形的影響，西太平洋中一些遠(yuǎn)離陸地、夾在兩大俯沖帶之間且四周被深海溝包圍的海盆會(huì)因島弧和海脊的限制，形成陸源碎屑物質(zhì)匱乏的近封閉海盆環(huán)境，例如西太平洋的帕里西維拉海盆。它地理位置特殊，東臨西馬里亞納海脊，南部是復(fù)雜的溝弧和斷裂帶系統(tǒng)，西連帕勞海脊，北接四國(guó)海盆，與四國(guó)海盆連接處的索夫干斷裂又阻擋了大部分從北而來(lái)的沉積物輸送[18]。因而研究和對(duì)比帕里西維拉海盆與馬里亞納海溝的物質(zhì)來(lái)源有助于我們認(rèn)識(shí)西太平洋復(fù)雜地形控制下的深水沉積過(guò)程。

稀土元素（La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu和 Y）由于其在運(yùn)移過(guò)程中性質(zhì)穩(wěn)定，且蘊(yùn)藏了源區(qū)的母巖類型、氣候變化特征、沉積環(huán)境、搬運(yùn)過(guò)程等多種信息，也被學(xué)者們譽(yù)為地球化學(xué)示蹤劑、探途元素和指紋等，在追溯海洋沉積物物源時(shí)被廣泛應(yīng)用[17,19-28]。

目前雖然在國(guó)際上中國(guó)對(duì)帕里西維拉海盆以及馬里亞納海溝的研究已經(jīng)在物源、古氣候、古海洋及構(gòu)造等方面取得了優(yōu)勢(shì)性進(jìn)展[7,10,13,17,19-20,22,27-40]，但前人成果多集中在帕里西維拉海盆西部，海盆東部的研究還存在大片空白。本文基于沉積物稀土元素地球化學(xué)分析方法，選取帕里西維拉海盆東南部的C-P19柱狀樣和馬里亞納海溝南坡的L3柱狀樣進(jìn)行綜合分析，探討其物質(zhì)來(lái)源并對(duì)比其差異性，該研究是對(duì)比西太平洋邊緣?！皽?盆”深水沉積環(huán)境物質(zhì)來(lái)源的一次新嘗試，對(duì)今后研究深水沉積過(guò)程及物質(zhì)輸移路徑都具有重要參考意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

本文研究的C-P19 重力柱狀樣（12.81°N、140.83°E）由“實(shí)驗(yàn)3”考察船于2016年馬里亞納海溝綜合科考航次取得，水深4 171 m，位于西太平洋帕里西維拉海盆東南部（圖1），柱長(zhǎng)共378 cm。L3重力柱狀樣（10.35°N、142.29°E）位于馬里亞納海溝南坡，水深4 500 m，柱長(zhǎng)共225 cm。

1.2 分析方法

1.2.1 粒度分析

本文對(duì)帕里西維拉海盆C-P19柱狀樣的184個(gè)樣品和馬里亞納海溝南坡L3柱狀樣的表層（0 cm）、上層（45～50 cm）、中層（102～106 cm）以及下層（163～167 cm）4個(gè)樣品進(jìn)行了粒度分析。為了盡可能提取陸源信息，避免鈣質(zhì)、硅質(zhì)生物的干擾，樣品上機(jī)測(cè)試前需要進(jìn)行預(yù)處理，具體方法如下：取約0.3 g樣品放入15 mL離心管中，依次加入超純水、H2O2溶液（15%）、冰乙酸溶液（20%）和2.0 mol/L的Na2CO3溶液，分別去除沉積物中的海鹽、有機(jī)質(zhì)、碳酸鹽和生物硅組分。最后，上機(jī)測(cè)試前加入5 mL六偏磷酸鈉（0.05 mol/L）分散樣品，防止發(fā)生絮凝。

粒度分析使用英國(guó)Mastersizer-2000型激光粒度儀，在海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，粒級(jí)間距為1/4 Φ，重復(fù)測(cè)量的相對(duì)誤差在2%以內(nèi)。本文平均粒徑（Mz）采用McManus矩法計(jì)算。

1.2.2 碎屑組分重礦物分析

本文對(duì)帕里西維拉海盆C-P19柱狀樣上段（118 cm）、中段（170 cm）和下段（334 cm）3個(gè)樣品以及馬里亞納海溝南坡L3柱狀樣表層（0 cm）、上層（45～50 cm）、中層（102～106 cm）和下層（163～167 cm）4個(gè)樣品進(jìn)行了重礦物分析，該實(shí)驗(yàn)在海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

取原樣3～4 g，加15%的過(guò)氧化氫溶液去除有機(jī)質(zhì)，充分反應(yīng)后篩取0.063～0.125 mm粒級(jí)的碎屑礦物烘干，用三溴甲烷重液（相對(duì)密度：2.89 g/cm3）進(jìn)行輕、重礦物組分分離。然后采用體視顯微鏡和偏光顯微鏡油浸法，對(duì)重礦物進(jìn)行系統(tǒng)鑒定，樣品量小于0.4 g時(shí)，對(duì)全部顆粒進(jìn)行觀察鑒定，超過(guò)0.4 g的樣品則用四分法或條帶分段法縮分，計(jì)數(shù)300～500顆以求得各種礦物的顆粒百分含量。

1.2.3 稀土元素分析

C-P19柱狀樣頂部（4～62 cm）和底部（324～374 cm）按10 cm的間隔取樣，中間部分（62～324 cm）按20 cm的間隔取樣，共25個(gè)樣品進(jìn)行了元素分析。L3柱狀樣中對(duì)表層（0 cm）、上段（45～50 cm）、中段（102～106 cm）和下段（163～167 cm）共 4個(gè)樣品進(jìn)行了稀土元素分析。樣品烘干后用瑪瑙研缽研成200目的粉末，再次烘干冷卻后準(zhǔn)確稱取40.00 mg（39～41）置于聚四氟乙烯材質(zhì)的溶樣內(nèi)膽中，加入經(jīng)亞沸蒸餾的高純HNO3和HF（各1.50 mL）并搖勻。將聚四氟乙烯內(nèi)膽擰緊瓶蓋后放入不銹鋼消解罐中，旋緊外蓋后放入烘箱，180 ℃高溫加熱48 h以上，冷卻后取出內(nèi)膽，于開(kāi)口狀態(tài)下置于電熱板上加熱，蒸至內(nèi)膽中的溶液呈濕鹽狀，隨后再加入1 mL經(jīng)亞沸蒸餾的HNO3蒸干（排出殘余的HF），然后加入3 mL經(jīng)亞沸蒸餾的高純HNO3和HF混合溶液（按照1∶1比例，即HNO3和HF各1.50 mL），再放入烘箱150 ℃加熱24 h以上，以確保對(duì)樣品的完全提取。冷卻后，將最終的提取液轉(zhuǎn)移至干凈的聚酯瓶中，再用2%的稀HNO3定容至80 g，待測(cè)。

以國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液（GNM-M16181、GNM-M33198）制備曲線用標(biāo)準(zhǔn)溶液，來(lái)繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，同時(shí)以GBW07308a、GBW07315、GBW07316為監(jiān)控樣品，使用Varian820電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS，美國(guó)瓦里安公司制造）測(cè)定了稀土元素（La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu，Y）和微量元素Zr。所測(cè)定元素的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）均小于5%，符合要求。

圖1 研究區(qū)樣品位置圖紅色圓點(diǎn)引自前人文獻(xiàn)中的站位，其中柱狀樣PV100609，PV090510，PV090815，PV091101來(lái)自文獻(xiàn)[40]，柱狀樣JL7KGC01A來(lái)自文獻(xiàn)[22]，箱式柱狀樣BC11和柱狀樣GC5，GC4，GC3來(lái)自文獻(xiàn)[39]，柱狀樣CD-1來(lái)自文獻(xiàn)[28]；紅色五角星為本文站位。Fig.1 Location map of the study areaRed dots are other cores cited from previous references, cores PV100609, PV090510, PV090815 and PV091101 from reference [40]; core JL7KGC01A from reference [22]; box core BC11 and cores GC5, GC4, GC3 from reference [39]; core CD-1 from reference [28]; red stars are cores in this paper.

稀土元素含量使用北美頁(yè)巖進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化[41]，Ce/Ce*和 Eu/Eu*的 計(jì) 算 參 照[42]： δCe=Ce/Ce*=CeN/（1/2LaN+1/2PrN），δEu=Eu/Eu*=EuN/（1/2SmN+1/2GdN）。

1.2.4 物源判別分析

為了判別各可能物源對(duì)該區(qū)沉積物物質(zhì)來(lái)源的貢獻(xiàn)及影響程度，我們利用物源判別函數(shù)進(jìn)行判斷。具體公式如下：

式中，（C1x/C2x）表示研究區(qū)樣品中兩種元素的比值，（C1L/C2L）表示可能的潛在物源中兩種元素的比值。當(dāng)|DF|＜0.5時(shí)，指示二者的物源相近，且|DF|值越小，二者的沉積物來(lái)源越相近，該方法已廣泛應(yīng)用于海洋沉積物的物源判別[17,19-20,22,28,43]。

由于稀土元素性質(zhì)穩(wěn)定，且各元素間的化學(xué)性質(zhì)非常相近，為了提高DF公式判別的準(zhǔn)確性，我們決定選用稀土元素對(duì)Lu/Yb和Sm/Nd來(lái)分別計(jì)算當(dāng)?shù)氐幕鹕轿镔|(zhì)來(lái)源和經(jīng)風(fēng)塵輸入的陸源黃土來(lái)源。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 巖性特征

帕里西維拉海盆的C-P19柱狀樣沉積物為黃褐色深海軟泥，其顏色在淺黃色—棕色—棕褐色間交替變化，4～22 cm，沉積物含水量高，顏色較淺，呈淺黃色，偶見(jiàn)有孔蟲；22～50 cm，樣品呈棕色，52～60 cm，樣品顏色再次變淺，呈淺黃色；隨后顏色加深，含水量減少，沉積物壓實(shí)致密，顏色以棕色—棕褐色為主，在104和226 cm處又可見(jiàn)幾厘米的淺黃色沉積層。

馬里亞納海溝南坡的L3柱狀樣沉積物為褐黃色深海軟泥，表層含少量礫石（主要為巖屑和結(jié)核），底部致密，各層段樣品顏色一致，未見(jiàn)明顯變化。

2.2 粒度特征

根據(jù)Shepard沉積物分類方案，帕里西維拉海盆C-P19柱狀樣沉積物多為粉砂和砂質(zhì)粉砂，含少量黏土質(zhì)粉砂，偶見(jiàn)粉砂質(zhì)砂。平均粒徑的變化范圍較大，為 5.32～86.76 μm，平均值為 19.97 μm；分選系數(shù)為1.11～2.89，平均值為1.62，分選較差；偏態(tài)為-0.46～0.14，平均值為-0.29，為負(fù)偏；峰態(tài)為0.74～1.39，平均為 1.11，峰態(tài)呈中等—窄（表 1）。

馬里亞納海溝南坡L3柱狀樣沉積物多為粉砂，僅表層樣品為砂質(zhì)粉砂，平均粒徑變化范圍較小，為 12.11～14.68 μm，平均值為 13.38 μm，沉積物粒度明顯比C-P19小得多；分選系數(shù)為1.49～2.40，平均值為1.72，分選差；偏態(tài)的波動(dòng)范圍較大，為-1.34～1.01，平均值為-0.05，近于對(duì)稱；峰態(tài)變化范圍為 1.99～3.00，平均為 2.26，峰態(tài)很窄（表 1）。

2.3 重礦物組合及其變化特征

2.3.1 帕里西維拉海盆C-P19柱狀樣

帕里西維拉海盆C-P19柱狀樣沉積物中63～125 μm的碎屑礦物含量低，其變化范圍為0.26%～0.86%，平均為0.63%，其中重礦物含量在碎屑礦物中占0.55%～1.89%，平均為1.11%。重礦物種類較單一，已鑒定的有10種，其中主要礦物有磁鐵礦、鈦鐵礦、鋯石、斜方輝石、綠簾石、普通角閃石，質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低或僅在個(gè)別層位出現(xiàn)的礦物有赤、褐鐵礦和白云母，此外還可見(jiàn)大量巖屑。巖屑以基性為主，顏色較深，呈黑色、紅褐色等，結(jié)構(gòu)致密。在不同段位，重礦物類型差別不大，但各礦物所占比例具有明顯差異（表2）。

2.3.2 馬里亞納海溝南坡L3柱狀樣

馬里亞納海溝南坡L3柱狀樣沉積物中63～125 μm的碎屑礦物含量低，其變化范圍為0.28%～2.15%，平均為0.79%，但重礦物含量在碎屑礦物中所占比例較高，為4.53%～22.86%，平均為14.16%。重礦物類型比帕里西維拉海盆復(fù)雜，主要有巖屑、單斜輝石、斜方輝石、赤/褐鐵礦、普通角閃石、磁鐵礦、鈦鐵礦、綠簾石、鋯石等，質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低或僅在個(gè)別層位出現(xiàn)的礦物有白云母、電氣石、金紅石、磷灰石、重晶石、自生黃鐵礦、透閃石、石榴石、榍石等（表2），偶見(jiàn)火山玻璃，在偏光鏡下呈淺色、氣孔狀、珍珠狀及其他不規(guī)則形狀，正極低突起的非晶質(zhì)礦物。

表1 L3和C-P19柱狀樣的粒度參數(shù)Table 1 Grain size parameters of the cores L3 and C-P19

2.4 稀土元素的垂向分布特征

2.4.1 帕里西維拉海盆C-P19柱狀樣

帕里西維拉海盆C-P19柱狀樣沉積物的稀土元素測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。樣品整體稀土元素總量（∑REY，∑REE+Y）的變化范圍為 147.15～342.29 μg/g，平均為282.25 μg/g，樣品表現(xiàn)為明顯的δCe負(fù)異常和輕微 δEu正異常，其中 δCe為 0.58～0.72，平均值為0.64，δEu 值為 1.10～1.18，平均值為 1.13。

表2 C-P19和L3柱狀樣沉積物中主要重礦物類型及所占比例（%）Table 2 Types of heavy minerals and their proportions in the sediments of core L3 and C-P19（%）

輕稀土元素（La-Eu）總量（∑LREE）與重稀土元素（Gd-Lu）總量（∑HREE）比值變化范圍為 5.82～7.63，平均為6.56，表明輕重稀土元素間發(fā)生了明顯的分異，輕稀土與重稀土相比更加富集，且隨深度增加呈現(xiàn)緩慢遞增趨勢(shì)。分別用稀土元素對(duì)（La/Yb）N、（La/Sm）N和（Sm/Yb）N代表輕稀土（La-Nd）、中稀土（Sm-Dy）和重稀土（Ho-Lu+Y）之間的比值關(guān)系，C-P19柱狀樣沉積物的（La/Yb）N、（La/Sm）N和（Sm/Yb）N平均值分別為 0.76、0.85和1.13，顯示輕、中、重稀土元素內(nèi)部也發(fā)生了輕微的分異作用，且輕稀土和中稀土元素的富集程度在垂向上變化趨勢(shì)相近（表3）。

2.4.2 馬里亞納海溝南坡L3柱狀樣

馬里亞納海溝南坡L3柱狀樣表、上、中、下段沉積物的稀土元素測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。柱狀樣中表層（0 cm）稀土含量總量最高，∑REY為 451.61 μg/g，明顯高于帕里西維拉海盆的C-P19柱狀樣。樣品表現(xiàn)為明顯的δCe負(fù)異常和輕微δEu正異常，其中δCe平均為 0.49，δEu 平均為 1.13。

馬里亞納海溝南坡L3柱狀樣輕稀土元素（La-Eu）總量（∑LREE）與重稀土元素（Gd-Lu）總量（∑HREE）比 值 ∑LREE/∑HREE的 變 化 范 圍 為4.92～6.27，平均值為5.66，表明輕重稀土元素間發(fā)生了明顯的分異，輕稀土與重稀土相比更加富集，且輕重稀土元素的分異程度隨深度增加而增加（表 3）。（La/Yb）N、（La/Sm）N和（Sm/Yb）N比值結(jié)果顯示，L3柱狀樣沉積物的輕、中、重稀土元素內(nèi)部也發(fā)生了較明顯的分異作用，且中稀土和重稀土富集程度相似。

表 3 C-P19 和L3 柱狀樣沉積物稀土元素含量（μg/g）及特征參數(shù)Table 3 REE contents（μg/g）and characteristic parameters of the core C-P19 and L3

2.5 稀土元素的配分模式

帕里西維拉海盆C-P19柱狀樣和馬里亞納海溝南坡L3柱狀樣沉積物的稀土元素經(jīng)過(guò)北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化后均顯示出一致的配分模式，指示其沉積物來(lái)源具有一定相似性。由圖2可知，二者輕、重稀土均呈較富集狀態(tài)，C-P19柱狀樣上段（4～104 cm）的稀土元素總量較中段（124～304 cm）和下段（324～374 cm）略低，而L3柱狀樣則恰好相反，其表層的稀土元素總量明顯較其他層位高，該差異可能是由這段沉積時(shí)期二者物源供給情況不同導(dǎo)致的。此外，C-P19柱狀樣和L3柱狀樣的稀土元素配分曲線中均表現(xiàn)出明顯的Ce負(fù)異常，和輕微的Eu正異常，且L3柱狀樣沉積物的Ce負(fù)異常程度明顯比CP19大。

3 討論

3.1 粒度對(duì)稀土元素含量的影響

研究結(jié)果顯示，影響海洋沉積物中的稀土含量分布最主要的因素是物源[44-47]，此外，沉積物粒級(jí)也會(huì)造成REE含量與分布的差異[48-50]。因此，在用REE示蹤沉積物物源時(shí)，應(yīng)對(duì)其制約因素進(jìn)行討論。粒度是影響沉積物REE組成的重要因素，且前人研究表明REE存在明顯向細(xì)粒沉積物中富集的趨勢(shì)[49-50]。C-P19柱狀樣沉積物中∑REY與黏土含量和平均粒徑均無(wú)明顯相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.37和0.13（圖3），說(shuō)明研究區(qū)稀土元素富集與沉積物粒度的關(guān)系較弱。

圖2 帕里西維拉海盆和馬里亞納海溝南坡柱狀樣沉積物稀土元素北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線圖Fig.2 NASC-normalized REE patterns of core samples in the Parece Vela Basin and south slope of the Mariana Trench

圖3 C-P19柱狀樣沉積物∑REY含量與粒度相關(guān)圖Fig.3 Correlation diagram of ∑REY content and grain size of the C-P19 core sediments

3.2 物源分析

3.2.1 重礦物對(duì)物源的指示

在不考慮巖屑的情況下，根據(jù)礦物的穩(wěn)定性可將重礦物分為4類，研究結(jié)果表明：馬里亞納海溝南坡L3柱狀樣沉積物以穩(wěn)定礦物（平均45.74%）和不穩(wěn)定礦物（平均39.04%）為主，相對(duì)穩(wěn)定礦物（平均10.18%）含量次之，極穩(wěn)定礦物（平均5.38%）含量最低；而帕里西維拉海盆C-P19柱狀樣沉積物以穩(wěn)定礦物（平均43.44%）為主，不穩(wěn)定礦物（平均26.57%）含量次之，相對(duì)穩(wěn)定礦物（平均15.41%）和極穩(wěn)定礦物（平均11.36%）含量最低（圖4）。

在帕里西維拉海盆和馬里亞納海溝南坡，表征礦物成熟度的ZTR/HP=（鋯石+電氣石+金紅石）/（角閃石+輝石）分別為0.43和0.15，說(shuō)明帕里西維拉海盆沉積物中的礦物成熟度比馬里亞納海溝南坡高，由此可以推斷馬里亞納海溝南坡沉積物應(yīng)以近源沉積的火山物質(zhì)為主，而帕里西維拉海盆沉積物中除了沉積來(lái)自周邊的火山碎屑等不穩(wěn)定礦物之外，還可能有部分經(jīng)由遠(yuǎn)距離搬運(yùn)而來(lái)的以穩(wěn)定礦物為主的沉積物來(lái)源。

重礦物的含量也可以對(duì)稀土元素有重要貢獻(xiàn)[50]，并且一些特征重礦物（如磷灰石、鋯石、榍石、獨(dú)居石等）可能會(huì)影響沉積物的REE分異特征與配分曲線形態(tài)。重礦物分析結(jié)果顯示，C-P19柱狀樣沉積物中未見(jiàn)磷灰石、榍石和獨(dú)居石等重礦物類型，但鋯石在各層位中均有分布，其∑REY與Zr元素的相關(guān)系數(shù)為0.86，表明帕里西維拉海盆沉積物中的稀土元素含量與鋯石含量呈正相關(guān)。L3柱狀樣沉積物中鋯石、榍石和磷灰石的總和在表、上、中、下層位中的含量均小于2%，故不考慮特征重礦物對(duì)馬里亞納海溝南坡沉積物中稀土元素富集的影響。

3.2.2 稀土元素對(duì)物源的指示

前人研究表明，帕里西維拉海盆和馬里亞納海溝受東亞冬季風(fēng)影響明顯，其沉積物物源除了來(lái)自附近島弧、海脊的火山物質(zhì)外，還有小部分陸源風(fēng)塵的輸入[17,34-35,37-38,51]。為了進(jìn)一步確定研究區(qū)沉積物中火山物質(zhì)和大陸風(fēng)塵對(duì)物源的貢獻(xiàn)，我們計(jì)算了各潛在可能物源的DF值，結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，九州-帕勞海脊、馬里亞納海槽玄武巖、西馬里亞納海脊凝灰?guī)r以及帕里西維拉海盆凝灰?guī)r火山物質(zhì)的DF值都遠(yuǎn)小于0.5，表明當(dāng)?shù)丶案浇鹕轿镔|(zhì)是帕里西維拉海盆C-P19柱狀樣和馬里亞納海溝南坡L3柱狀樣的主要物質(zhì)來(lái)源。此外，我們還將結(jié)果與馬里亞納海溝南坡附近的其他柱狀樣（JL7KGC01A, CD-1, GC3, GC4, GC5和 BC11）和馬里亞納海溝挑戰(zhàn)者深淵上方水體中的下沉顆粒進(jìn)行了對(duì)比，研究結(jié)果表明，馬里亞納“溝-盆”沉積體系中，沉積物來(lái)源具有同源性，且來(lái)自西馬里亞納海脊的火山物質(zhì)對(duì)該區(qū)沉積物來(lái)源的貢獻(xiàn)最大。

研究區(qū)C-P19柱狀樣和L3柱狀樣的陸源中國(guó)黃土的DF值雖然也小于0.5，但是與火山源DF結(jié)果相比，明顯偏高，說(shuō)明來(lái)自中國(guó)黃土的陸源風(fēng)塵物質(zhì)對(duì)研究區(qū)的沉積物來(lái)源存在一定貢獻(xiàn)，但其貢獻(xiàn)程度與火山物質(zhì)相比要小得多。此外，可能由于馬里亞納海溝南坡距離亞洲大陸更遠(yuǎn)且緯度更低，受東亞冬季風(fēng)影響較帕里西維拉海盆和挑戰(zhàn)者深淵更小，L3柱狀樣的黃土DF值也明顯高于帕里西維拉海盆C-P19柱狀樣和挑戰(zhàn)者深淵上方水體中下沉顆粒的黃土DF值，表明亞洲風(fēng)塵對(duì)馬里亞納海溝南坡沉積物的貢獻(xiàn)更小，而相應(yīng)地火山物質(zhì)在物源貢獻(xiàn)中的占比將更大。

圖4 馬里亞納海溝南坡和帕里西維拉海盆沉積物重礦物含量對(duì)比Fig.4 Comparison of heavy mineral contents in the sediments of the south slope of Mariana Trench and the Parece Vela Basin

3.2.3 二者物源及沉積環(huán)境的差異性分析

雖然帕里西維拉海盆與馬里亞納海溝在物源組成上具有同源性，但二者物源供給量仍表現(xiàn)出顯著差異。帕里西維拉海盆C-P19柱狀樣的底界年齡小于1.072 Ma，沉積速率在大約1～0.78 Ma期間為400 cm/Ma，0.78 Ma至今為 360 cm/Ma[55]；馬里亞納海溝南坡的L3柱狀樣與前人研究的JL7KGC-01A柱狀樣地理位置相同，2.9 Ma以來(lái)的沉積過(guò)程分為3個(gè)階段：2.9～1.2 Ma期間沉積速率為83 cm/Ma，1.2～0.7 Ma期間為183 cm/Ma，而大約0.7 Ma后出現(xiàn)沉積缺失，沉積層被富含南極底層水的底流侵蝕[36]。研究區(qū)下深層的太平洋環(huán)流主要為南極底層水[56-59]，它先流經(jīng)馬里亞納海溝南坡，隨后小部分再經(jīng)由馬里亞納海溝與雅浦海溝的連接處流入帕里西維拉海盆[17,60-61]。所以，馬里亞納海溝南坡比帕里西維拉海盆的水動(dòng)力更強(qiáng)，導(dǎo)致L3柱狀樣遭受了較嚴(yán)重的底流侵蝕，而C-P19柱狀樣沉積物得以更好地保存。

二者稀土元素特征對(duì)比結(jié)果顯示（圖5），大約2.1～1 Ma期間，馬里亞納海溝南坡L3柱狀樣的∑REY含量整體較穩(wěn)定，呈略增趨勢(shì)，說(shuō)明該時(shí)期馬里亞納海溝南坡的物源供給穩(wěn)定且充足，1 Ma時(shí)∑REY含量與帕里西維拉海盆的C-P19柱狀樣接近；1～0.74 Ma期間，L3柱狀樣的∑REY含量明顯增加，且δEu與δCe明顯減小，而C-P19的∑REY含量相對(duì)穩(wěn)定，無(wú)明顯波動(dòng)，反映該時(shí)期海溝南坡沉積環(huán)境動(dòng)蕩，物源供給增加，而帕里西維拉海盆內(nèi)沉積環(huán)境和物源供給均相對(duì)穩(wěn)定；0.74 Ma之后馬里亞納海溝南坡受到活躍的南極底層水影響，沉積層遭受侵蝕，出現(xiàn)沉積中斷，而在0.74～0.22 Ma期間帕里西維拉海盆ΣREY含量出現(xiàn)小幅波動(dòng)，該時(shí)期水動(dòng)力條件可能較之前有所增強(qiáng)，但物源供給整體仍較穩(wěn)定；0.22 Ma之后C-P19的ΣREY含量呈明顯遞減趨勢(shì)，雖然該時(shí)期伊豆-小笠原?。↖zu-Bonin arc）存在明顯的火山活動(dòng)[62]，增強(qiáng)的火山活動(dòng)理應(yīng)為較大的區(qū)域帶來(lái)豐富的火山物質(zhì)，使得物源供給增加，但可能也是受到中更新世以來(lái)愈發(fā)活躍的南極底層水影響[17,22,36,63]，底流的搬運(yùn)作用將帕里西維拉海盆東南部的部分沉積物帶去他處沉積，使得該時(shí)期C-P19的物源供應(yīng)不增反降。

前人研究表明，含長(zhǎng)石類礦物的火山物質(zhì)輸入會(huì)使海相沉積物呈現(xiàn)明顯的Eu正異常[22,64]，C-P19和L3柱狀樣沉積物相近的δEu異常結(jié)果也與之前的DF判別結(jié)果一致，表明火山物質(zhì)是二者沉積物物源的主要貢獻(xiàn)者。由于當(dāng)海水處于強(qiáng)氧化狀態(tài)時(shí)，Ce3+可氧化成為 Ce4+，并形成 Ce（OH）4沉淀析出，使得該過(guò)程中出現(xiàn)Ce負(fù)異?，F(xiàn)象[17,22,65-67]。由圖5可知，C-P19和L3均表現(xiàn)出明顯的Ce負(fù)異常，表明沉積物形成時(shí)期海水處于相對(duì)氧化的條件下，且L3柱狀樣的Ce負(fù)異常程度明顯比C-P19大得多，說(shuō)明其氧化程度也較帕里西維拉海盆更高。上述Ce負(fù)異常結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)了富氧的南極底層水[68]在馬里亞納海溝南坡更加活躍。

表4 帕里西維拉海盆和馬里亞納海溝物源判別函數(shù)值（DF）Table 4 DF value of provenance discrimination function in the Parece Vela Basin and the Mariana Trench

4 結(jié)論

（1）基于重礦物種類及其組合特征可知，研究區(qū)沉積物來(lái)源以火山源為主，帕里西維拉海盆沉積物中的礦物成熟度比馬里亞納海溝南坡高，且馬里亞納海溝南坡碎屑礦物中的重礦物含量比帕里西維拉海盆高，說(shuō)明馬里亞納海溝南坡以近源沉積的海脊火山物質(zhì)為主，火山源碎屑物質(zhì)對(duì)沉積物來(lái)源的貢獻(xiàn)占比高，而帕里西維拉海盆沉積物中除了火山物質(zhì)可能還有部分經(jīng)遠(yuǎn)距離搬運(yùn)而來(lái)的以穩(wěn)定礦物為主的沉積物。

（2）馬里亞納海溝南坡L3柱狀樣沉積物中ΣREY 變化范圍為 266.67～451.61 μg/g，平均值為330.41 μg/g，帕里西維拉海盆C-P19柱狀樣沉積物中 ΣREY 變化范圍為 147.15～342.29 μg/g，平均值為282.25 μg/g；二者輕稀土相對(duì)重稀土均較富集，呈明顯Ce負(fù)異常和Eu正異常，且REE北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線具有較好地一致性，表明二者雖稀土含量差異較大但是沉積物的來(lái)源相近。

圖5 馬里亞納海溝南坡和帕里西維拉海盆柱狀沉積物稀土參數(shù)的垂向?qū)Ρ人{(lán)色圓點(diǎn)表示C-P19柱狀樣，綠色三角表示L3柱狀樣，其中C-P19柱狀樣的年齡引自文獻(xiàn)[55], L3柱狀樣的年齡引自文獻(xiàn)[36]。Fig.5 Vertical comparison of REE parameters of core sediments on the south slope of Mariana Trench and in the Parece Vela BasinBlue dots represent the core C-P19, green triangles represent the core L3, the ages of the core C-P19 and L3 were cited from reference [55] and [36] respectively.

（3）研究區(qū)沉積物稀土元素總量與鋯石含量呈正相關(guān)，但與粒度之間并無(wú)明顯相關(guān)性。物源判別函數(shù)（DF）結(jié)果表明，帕里西維拉海盆—馬里亞納海溝體系的沉積物來(lái)源具有相似性，其中西馬里亞納海脊剝蝕下來(lái)的火山物質(zhì)對(duì)研究區(qū)的物質(zhì)來(lái)源貢獻(xiàn)最大；來(lái)自中國(guó)內(nèi)陸黃土的陸源風(fēng)塵物質(zhì)對(duì)研究區(qū)的物源供給有一定貢獻(xiàn)，但是，其貢獻(xiàn)程度與火山物質(zhì)相比要小得多，且在馬里亞納海溝南坡，亞洲風(fēng)塵對(duì)物源的貢獻(xiàn)與帕里西維拉海盆相比更小。

（4）C-P19和L3柱狀樣沉積物形成時(shí)期海水均處于相對(duì)氧化的條件下，南極底層水在馬里亞納海溝南坡更加活躍，其沉積物形成時(shí)期對(duì)應(yīng)的底層水氧化程度也更高，與此同時(shí)，沉積物遭受底層水的侵蝕作用也較帕里西維拉海盆更強(qiáng)。

致謝：本文樣品由“馬溝計(jì)劃”首個(gè)調(diào)查航次和“西太平洋中南部水體綜合調(diào)查航次及馬里亞納海溝綜合試驗(yàn)航次”取得，調(diào)查隊(duì)成員及全體船員為此付出了艱辛的勞動(dòng)；中科院南海海洋研究所的徐維海副研究員和田雨杭博士在分樣工作中給予了指導(dǎo)和幫助；中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院的張愛(ài)濱老師在ICP-MS測(cè)試過(guò)程中給予了極大的幫助，在此謹(jǐn)表謝意。