西菲律賓海盆I8孔黏土礦物的物源分析

舒雨婷，鄭玉龍*，許　冬，初鳳友

(1. 國家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012; 2. 國家海洋局 海底科學重點實驗室，浙江 杭州 310012)

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西菲律賓海盆I8孔黏土礦物的物源分析

舒雨婷1,2，鄭玉龍*1,2，許冬1,2，初鳳友1,2

(1. 國家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012; 2. 國家海洋局 海底科學重點實驗室，浙江 杭州 310012)

摘要:應用X-射線衍射(XRD)方法分析了菲律賓海盆西部I8柱狀樣35個沉積物樣品中的黏土礦物組分，結果表明：I8孔中黏土礦物以伊利石(40%)為主，蒙皂石(28%)和綠泥石(20%)次之，高嶺石(12%)相對較低，且伊利石結晶度較好。黏土礦物來源分析表明，伊利石主要來源于亞洲大陸的風塵輸入；蒙皂石主要源于研究樣品周圍火山物質的蝕變；而綠泥石和高嶺石可能主要源自呂宋島風化產(chǎn)物。

關鍵詞:黏土礦物；物源；西菲律賓海盆

0引言

黏土礦物是海洋沉積物的重要組成部分，而且越來越多的研究表明，黏土礦物組合的變化和長期的氣候演變之間存在一定關系，陸源黏土礦物會受到大陸冰蓋厚度、海平面變化和源區(qū)物理化學風化的影響[1]，而海洋黏土礦物則與母巖特征、氣候和海洋環(huán)境等相關[2]。因此，黏土礦物組合及變化能夠記錄搬運、再沉積和環(huán)境演化等信息，反映沉積物特征、物源以及陸源物質入海后的運移規(guī)律和過程，同時有助于了解物源區(qū)氣候冷暖的周期性變化，提供了沉積區(qū)環(huán)境演化的重要信息，有助于討論古環(huán)境以及海陸對比[3]。黏土礦物組合及其變化、結晶度等在研究古環(huán)境方面得到越來越多的應用[4]。

菲律賓海是多臺風活動區(qū),也是全世界熱帶氣旋活動最頻繁的海區(qū)[5]；海底地形復雜,島弧、海脊、海嶺、海山、海丘、高原、海盆、深海溝、海槽、裂谷等地形形態(tài)俱全[6]；海流系統(tǒng)主要是黑潮流系，其次是北赤道流[7](圖1)。在北半球夏季，北赤道流分叉位置會南移，導致黑潮流量加大；冬季則相反，黑潮流量減小，棉蘭老流的運輸量相對增加[8]。對于菲律賓海的研究，主要集中在構造地質學和巖石學方面。而對于該區(qū)域的沉積學和礦物學方面的研究還較少。之前對于菲律賓海的研究主要集中在以下幾個區(qū)域：菲律賓海溝附近，臨近呂宋島的區(qū)域以及帕里西維拉海盆。石學法 等[9-10]對菲律賓海溝附近的黏土礦物進行了研究，萬世明 等[11-12]、池野 等[13]則對近呂宋島海域的黏土礦物物源等進行了探討，徐兆凱 等[8]、SEO et al[14]對西菲律賓黏土礦物中的風塵物質進行了集中探討，熊志方 等[15]、明潔 等[16-17]、翟濱 等[18]、靳寧 等[19]將帕里西維拉海盆西北區(qū)域黏土礦物與古環(huán)境結合探討，同時發(fā)現(xiàn)了大量的硅藻沉積。除此之外，張德玉[20-21]對馬里亞納海槽和西菲律賓海盆沉積物中的黏土礦物進行了研究，KOLLA et al[22]對整個菲律賓海盆的表層黏土礦物的分布和物質來源作過討論。而本研究站位位于菲律賓海溝東側主盆地，是以中央斷裂帶為中心的海底擴張形成，盆地水深5 500～6 000 m。盆地內發(fā)育有一系列線狀深海山、海槽，而深海山的走向有規(guī)律地變化[23]。研究站位并未處于構造活動帶及陸源物質大量輸入的區(qū)域，同時受到了黑潮及底流的影響，前人的研究中對本區(qū)黏土礦物分析較少。本文對該區(qū)I8柱狀樣中的黏土礦物進行分析，根據(jù)黏土礦物的相對含量和組合特征，結合其結晶度和化學指數(shù)探討了I8孔沉積物中黏土礦物的成因和來源。

1材料與方法

本文的研究站位I8孔(12°45′04.44″N，128°17′20.41″E)位于菲律賓海盆西部(圖1)，水深5 405 m，柱狀樣長343 cm，沉積物主要由遠洋黏土組成。該柱狀沉積物是由中國科學院海洋研究所“科學號”考察船于2013年冬季航次，采用重力活塞取樣器取得。

I8孔沉積物按照10 cm間隔共取樣35個。全樣沉積物經(jīng)真空冷凍干燥后，取8～10 g樣品，加去離子水洗鹽后，加20 mL質量分數(shù)為20% 的H2O2去除有機質；然后加去離子水離心(3 500 r/min ,15 min)清洗2次。將去除有機質的沉積物樣品進行篩分，獲得粒徑小于63 μm的組分；按照Stoekes沉降原理，提取<2 μm的組分后，加入1 mol/L鹽酸去除碳酸鹽，然后用去離子水清洗2次，最終獲得<2 μm的組分。

圖1　I8孔和文中涉及巖芯的位置以及洋流分布示意圖(底圖根據(jù)文獻[13]改繪)Fig.1　Sketch map of the Philippine Sea showing the location of core I8 and other cores mentioned in the text, and ocean current(the base map modified after literature [13] )

對黏土粒級的樣品用涂片法制成自然片，進行X-射線衍射(XRD)測試；然后將自然片制成乙二醇飽和片(35 ℃、36 h)，對部分典型樣品加熱至550 ℃，2 h制成加熱片，分別進行XRD分析。 XRD分析采用荷蘭X’Pert PRO X-射線衍射儀，Cu靶輻射，管電壓為45 kV，管電流為40 mA，掃描范圍為3°～35°(2θ)，掃描速度1.8°/min。所有樣品的前處理和XRD分析在國家海洋局第二海洋研究所海底科學重點實驗室完成。

依據(jù)同一樣品在不同條件(自然片、乙二醇飽和片和加熱片)衍射特征的對比研究(圖2)，進行黏土礦物的識別[16]。使用Jade 6軟件在乙二醇飽和片衍射圖上對4種主要黏土礦物(伊利石、蒙皂石、綠泥石及高嶺石)進行半定量計算。根據(jù)BISCAYE[25]的計算方法，在乙二醇飽和片衍射峰上，17 ?、10 ?和7 ?3個特征峰分別代表了蒙皂石、伊利石、綠泥石+高嶺石，用這3個特征峰的面積分別乘以相應權重因子1、4、2，即可獲得各黏土礦物在4種黏土礦物中的相對含量。綠泥石和高嶺石的相對含量再采用3.54 ?和3.58 ?的衍射峰面積比值來計算[15]。

圖2　西菲律賓海I8柱狀樣中典型樣品(I8-10)黏土礦物X-射線典型衍射圖譜Fig.2　X-ray diffraction patterns of clay minerals in the typical sample (I8-10) from core I8 in the Western Philippine Sea

伊利石化學指數(shù)(CI)，用乙二醇飽和片衍射曲線上5 ?和10 ?的峰面積比來計算，如果CI大于0.5，則為富Al伊利石，表示強烈的水解條件[26-27]，表明伊利石形成于物理風化弱，且溫暖潮濕的氣候條件；而小于0.5則為富Fe-Mg伊利石，代表了物理風化的結果[28]，表明伊利石形成于物理風化程度強并且干冷的氣候條件[[29]。伊利石的結晶度用10 ?的半峰寬(FWHM)來表示，結晶度可以用來表示黏土礦物的有序度和晶體顆粒的大小，值越低表示結晶度越高，指示陸源物質的水解作用弱，氣候比較干冷，通過結晶度可以示蹤黏土礦物的物源區(qū)和搬運路徑。用伊利石/蒙皂石(I/S)值作為風塵輸入替代指標，高嶺石/伊利石(K/I)值作為化學風化程度指標。

2分析結果

由表1可以看出，I8孔的黏土礦物組成中，伊利石含量最高(平均為40%)，其次為蒙皂石(平均為28%)，綠泥石(平均為20%)和高嶺石(平均為12%)相對較少。伊利石結晶度較好。

4種主要黏土礦物含量和特征參數(shù)的垂直變化如圖3所示。伊利石和蒙皂石含量出現(xiàn)較明顯的負相關，而高嶺石和綠泥石則是明顯的正相關。黏土礦物的含量呈現(xiàn)出周期性的變化，根據(jù)伊利石含量變化，可將I8孔自下而上分為4個階段：

表1　I8孔和參考站位的黏土礦物含量和特征參數(shù)

注：表中空白處表示無數(shù)據(jù)。

第一階段(343~190 cm)各曲線波動頻繁，伊利石周期性旋回明顯，含量相對較低，蒙皂石與伊利石曲線變化趨勢相反，而綠泥石和高嶺石處于明顯的高值。伊利石/蒙皂石(I/S)值變化趨勢與伊利石一致。伊利石化學指數(shù)(CI)與結晶度變化頻率較高，振幅相對偏大，可能指示著源區(qū)相對潮濕的環(huán)境。較高的高嶺石/伊利石(K/I)值也指示著此階段高嶺石源區(qū)相對于后期的氣候更加溫暖潮濕。

第二階段(190~80 cm) 伊利石含量上升，蒙皂石變化趨勢與伊利石相反，綠泥石和高嶺石的含量明顯降低，波動幅度較上一階段有所減小。伊利石結晶度和K/I值降低且變化趨于平穩(wěn)，同時I/S值變化趨勢與K/I值相反，指示伊利石形成于物理風化程度強、干冷的源區(qū)氣候下。

第三階段(80~40 cm)伊利石相對含量增大，蒙皂石減小，而綠泥石和高嶺石變化趨勢與伊利石相反且變化幅度突然增大。伊利石結晶度略有增大，化學指數(shù)由高值逐漸減小。I/S值增大，K/I值略有減小，可能指示了進一步干燥寒冷的氣候。

第四階段(40~0 cm)伊利石含量依舊為高-低-高的周期性變化，此時綠泥石和高嶺石的變化也與伊利石一致，而蒙皂石卻體現(xiàn)了相反的變化。伊利石結晶度和K/I值無明顯變化。伊利石化學指數(shù)CI先上升后降低，I/S值與其呈鏡像變化。

圖3　I8孔黏土礦物含量和特征參數(shù)分布Fig.3　Distribution of clay mineral content and characteristic parameters in core I8

3物源區(qū)分析

3.1蒙皂石物源區(qū)分析

蒙皂石在大洋中分布十分廣泛。海洋中的蒙皂石可以是由周圍大陸巖石在溫暖到半干旱氣候條件下水解，或者是由海底基性火山物質長時間海解作用形成[30]。本區(qū)I8孔蒙皂石平均含量為28% (表1),在周圍可能物源區(qū)中僅有菲律賓附近區(qū)域蒙皂石的含量明顯高于I8孔(圖4)，并且其每年大約可以輸運 16×106t懸浮沉積物進入附近的深海中[31]，但海溝和黑潮可能會減少菲律賓群島蒙皂石對I8孔的貢獻。對比菲律賓海溝兩側巖芯中的蒙皂石含量，發(fā)現(xiàn)其西側巖芯(如：WP2和WP40[10])及呂宋島附近站位(Ph03[13]和MD06-3047[8]) 蒙皂石含量均大于50%，明顯高于其東側站位WP1[10]及I8孔，可見海溝和黑潮確實會減少菲律賓群島沉積物向東的輸送。除了陸源物質，蒙皂石也可以由海底基性火山物質海解形成。由圖4可以看出，馬里亞納海溝、帕里西維拉海盆和菲律賓海溝附近站位蒙皂石含量都非常高，這是由于這幾個區(qū)域有大量的火山物質輸入[19-20，32]。石學法 等[10]、于兆杰[33]研究發(fā)現(xiàn)這些基性火山物質會形成形狀不規(guī)則、邊緣模糊的自生蒙皂石，并造成沉積物中的δEu正異常[34]，而I8孔沉積物中也存在明顯δEu正異常(數(shù)據(jù)未發(fā)表)，表示存在大量的基性火山物質，會形成一定量的蒙皂石。所以I8孔蒙皂石應主要來源于附近火山物質蝕變，可能少量來自呂宋島，這有待進一步調查。

圖4　I8孔及其周邊黏土礦物特征三角圖[10-13,15,19-20,32,35-37]Fig.4　Ternary showing variation in clay mineral compositions of sediments from core I8 and its surrounding areas[10-13,15,19-20,32,35-37]

3.2伊利石物源區(qū)分析

伊利石是海洋沉積中最常見的黏土礦物，普遍認為其來自陸地，主要通過河流和風運輸[38]。前人對于菲律賓海中伊利石的研究認為其主要來源于臺灣島[22]或中亞沙漠[39]。本研究中I8孔伊利石平均含量較高(40%)，由圖4可知，呂宋島伊利石含量較少，只有中國黃土、臺灣島和沖繩海槽等伊利石含量高于研究區(qū)。從化學指數(shù)來看，I8孔的伊利石化學指數(shù)為0.364~0.482，與中國黃土較符合(圖5)。而結晶度(0.192°~0.245°Δ2θ)位于中國黃土和臺灣島之間，但結晶度會受到儀器和實驗條件的影響[40]。臺灣島沉積物至I8孔的方向由北向南，與黑潮相反，不可能運送如此高比例的伊利石至研究區(qū)。雖然該區(qū)的呂宋潛流方向自北至南，但其是否存在，作用大小及冰期的變化還沒有定論[33]?？梢娕_灣島并非I8孔伊利石的主要來源。為了探討研究區(qū)風塵物質來源，將I8孔和各風塵源區(qū)的伊利石/高嶺石(I/K)值做對比。I8孔I/K值范圍為2.6～5.5，考慮到高嶺石可能有其他來源，其風塵源區(qū)I/K值應大于這個值。非洲的I/K值為0.2~2.6[41-42]，澳洲的I/K值為0.79~1.86[43-44]，北美的I/K值為1.1~3.5[45]，這幾個風塵源區(qū)相比I8孔，均更富高嶺石；而亞洲的I/K值為1~22[46-47],內陸氣候干旱，伊利石含量較高。結合圖5中I8孔與黃土一致的化學指數(shù)，可以認為本研究區(qū)伊利石應主要來自于亞洲沙漠。

圖5　I8孔及其可能物源區(qū)伊利石結晶度和化學指數(shù)關系[11-12]Fig.5　Correlation between chemical index and crystallinity of illite in core I8 and its possible provenance areas[11-12]

3.3綠泥石和高嶺石物源區(qū)分析

研究區(qū)I8孔綠泥石相對百分含量平均值為20%，高嶺石的相對百分含量平均值為12 %(表1)。I8孔高嶺石和綠泥石有著較強的相關性(圖6)，而與其它黏土礦物間無明顯相關性，說明高嶺石和綠泥石可能同源。

圖6　I8孔沉積物中不同黏土礦物的相關圖解Fig.6　Correlation of different clay minerals in core I8

目前對菲律賓海的研究認為其中的高嶺石和綠泥石主要來自于風塵輸入[32-33]或菲律賓島[13]。但中國內陸黃土中綠泥石和高嶺石相對百分含量較I8孔低[11-12，35，48]。另外，帕里西維拉海盆站位沉積物同樣主要來源于風塵輸入[16]，同I8孔相比，有著相近含量的伊利石百分含量，但帕里西維拉海盆綠泥石及高嶺石卻明顯低于I8孔，因此風塵輸入不足以提供足夠的高嶺石和綠泥石至研究站位(表2)。而呂宋島分布著富含綠泥石的結晶片巖[22,49]和高嶺石，呂宋島及菲律賓海溝附近站位[10,12-13]高嶺石和綠泥石含量均略高于或相近于I8孔。同時，PC631站及帕里西維拉海盆內各站位高嶺石和綠泥石間均無明顯相關性[14,32]，而I8、MD06-3047及WP1等越靠近菲律賓群島 的站位綠泥石和高嶺石間的相關性越明顯[8,10-11]，可見研究區(qū)綠泥石和高嶺石受其西側陸地影響明顯。但同蒙皂石一樣，菲律賓海溝和黑潮也會對綠泥石和高嶺石的輸運有影響。通過對比菲律賓海溝左側Ph03站、Ph04站和其右側WP1站位黏土礦物含量(表3)，發(fā)現(xiàn)黑潮及菲律賓海溝對蒙皂石含量的影響明顯高于綠泥石和高嶺石。這可能是由于蒙皂石顆粒更細[50]，在運移時其水深位置相對綠泥石和高嶺石較淺，更多的位于黑潮影響區(qū)域內。所以本區(qū)綠泥石和高嶺石應大部分來自于菲律賓，少部分來自于風塵物質。

表2　I8孔與帕里西維拉海盆巖芯黏土礦物含量

表3　菲律賓海溝附近黏土礦物組成對比

4小結

應用X-射線衍射(XRD)方法分析了菲律賓海盆西部I8柱狀樣35個沉積物樣品中的黏土礦物組分，并對各主要黏土礦物進行了來源識別，結果表明：

(1)I8孔柱狀樣中的礦物組分以伊利石為主(40%)，蒙皂石(28%)和綠泥石(20%)次之，高嶺石(12%)相對較低，伊利石結晶度較好。

(2)本研究區(qū)受多個物源影響，伊利石主要來源于亞洲大陸的風塵輸入；蒙皂石主要源于研究樣品周圍的火山物質的蝕變；而綠泥石和高嶺石主要源自呂宋島風化產(chǎn)物，少量來自亞洲風塵。

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The provenance of clay minerals in core I8 from the

West Philippine Basin

SHU Yu-ting1,2, ZHENG Yu-long*1,2, XU Dong1,2, CHU Feng-you1,2

(1.TheSecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou310012,China;

2.KeyLaboratoryofSubmarineGeosciences,SOA,Hangzhou310012,China)

Abstract:Clay mineral compositions of 35 samples in core I8 recovered from the West Philippine Basin were analyzed by X-ray diffraction (XRD) technique. The results show that the clay mineral assemblages in core I8 consist dominantly of illite (40%), with a lesser abundance of smectite (28%) and chlorite (20%), as well as a low amount of kaolinite (12%), and illite has good crystallinity. The source analysis of clay minerals indicate that the high contents of illite may come from the input of Asian dust, while smectite may be contributed by the nearby ocean bottom volcanoes, and weathering product from Luzon may play the most important role in providing chlorite and kaolinite.

Key words:clay minerals; provenance; the West Philippine Basin

作者簡介:黃世玉(1964-)，男，福建南平市人，副教授，主要從事水產(chǎn)養(yǎng)殖與微藻生理生態(tài)研究。E-mail：hsy@jmu.edu.cn

基金項目:國家自然科學基金項目資助(39900020)

收稿日期:2015-10-10修回日期:2015-10-26

Doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2015.04.007

中圖分類號:P736.3

文獻標識碼:A

文章編號:1001-909X(2015)04-0061-09