南極布蘭斯菲爾德海峽表層沉積物中元素的地球化學相關(guān)性與影響因素初探

吳能友　鐘和賢　段威武

摘要　通過對南極布蘭斯菲爾德海峽26個站位表層沉積物的地球化學組成的因子分析和相關(guān)分析，探討了影響表層沉積物地球化學特征的主要因素，揭示了控制沉積物特征的地球化學作用。結(jié)果表明，島（陸）架—島坡區(qū)表層沉積物地球化學特征較復雜，受到多種因素的影響，最主要的是受沉積區(qū)離岸遠近和水深大小等因素控制的鈣質(zhì)生物、硅質(zhì)生物和陸源碎屑的沉積作用，其次為中酸性火山碎屑沉積作用與基性火山碎屑的沉積作用；海槽—陸坡區(qū)表層沉積物地球化學特征主要由硅質(zhì)碎屑沉積和粘土質(zhì)陸源、火山碎屑在時空上的交替沉積所控制，宇宙源沉積、自生沉積、堿性火山碎屑沉積、熱液作用等的影響較小。

關(guān)鍵詞　元素相關(guān)性　影響因素　因子分析　相關(guān)分析　表層沉積物　南極

1　引言

沉積物是在特定的沉積環(huán)境中形成的。它記錄和保存了其形成過程中的各種地球化學信息，留下了許多自然環(huán)境變遷的痕跡（文啟忠等，1987）。沉積物各成分中的元素按來源可分成兩類：一類來自陸源和海底火山碎屑，元素存在于各種硅酸鹽礦物的晶格中，稱之為碎屑來源，如Si、Al、K、Na、Ca、Mg、Cr、Li、Zr、Be、Ti、Sc等元素；另一類通過化學和生物作用，以直接或間接的方式從海水中析出，稱之為化學沉積或水成物質(zhì)來源，如Sr、P、Pb、Zn、Mn、Fe、Cu、Ni、Co、Mo、Ba、B等元素。因此，通過對沉積物中元素的地球化學相關(guān)性研究，可以揭示影響沉積作用的主要因素。

1990和1991年南大洋夏季，中國第七次南極考察隊“海洋四號”船在南極布蘭斯菲爾德海峽進行了地質(zhì)、地球物理調(diào)查，在海峽不同地貌單元采集了43個站位的表層和柱狀沉積物樣品（圖1）。本文選擇其中26個站位的表層沉積物進行地球化學組成的因子分析和相關(guān)分析，探討影響表層沉積物地球化學特征的主要因素，揭示控制沉積物特征的地球化學作用。

圖1　布蘭斯菲爾德海峽沉積物采樣站位圖　Fig.1　Sketch map showing the sampling sites in the Bransfield Strait（據(jù)王光宇等，1996）

2　區(qū)域地質(zhì)背景

布蘭斯菲爾德海峽位于南極半島和南設(shè)得蘭群島之間（圖1），是一個呈北北東向展布的狹長水下槽地。南側(cè)南極半島是南極大陸往北伸長的呈S型的半島；北側(cè)南設(shè)得蘭群島由一系列北東向鏈狀排列的島嶼組成，在海峽中形成多個天然峽灣。海底地形從東北、西南兩側(cè)向中間傾斜，北側(cè)分布著狹窄的島架和島坡，南側(cè)分布著較為寬闊的陸架和陸坡，中部為海槽，呈不對稱狀，北陡南緩，西高東低（王光宇等，1996）。

布蘭斯菲爾德海峽為新生代弧后裂谷盆地（Anderson,1989）。南設(shè)得蘭群島為一硅鋁質(zhì)島弧，主要出露橄欖玄武巖、玄武質(zhì)安山巖和含硅質(zhì)的、單一低鉀高鋁的鈣堿性安山巖，尚有少量強烈變形的片巖和類復理石巖系（Smellie,1983）。南極半島主要由火山巖和巖漿巖組成，以中酸性的流紋巖和安山巖為主；中、新生代島弧前侏羅系基底為濁流相沉積巖和低－中級變質(zhì)巖，濁積巖主要由砂巖和泥巖組成，含少量礫石、石英巖和硅質(zhì)巖，變質(zhì)巖為低壓高溫的角閃巖相和高壓低溫的藍片巖和綠片巖相（Weaver等，1982;Elliot,1983）。南設(shè)得蘭群島和南極半島出露的巖石對布蘭斯菲爾德海峽的沉積物特征具有重要影響。

對表層沉積物進行粒度分析和涂片鑒定，根據(jù)其主要粒級組分的含量，表層沉積物可分為礫質(zhì)、砂質(zhì)、粉砂質(zhì)和泥質(zhì)沉積物四類（王光宇等，1996）。表層沉積物分布具有不對稱特征：島架、島坡沉積物相對于陸架、陸坡來說較細，且類型多而復雜，分布面積較小；細粒沉積物粉砂質(zhì)硅藻軟泥或硅藻軟泥的沉積中心靠近南設(shè)得蘭群島。

3　研究樣品與方法

所研究的沉積物樣品共26個，其中采自島（陸）架－島坡區(qū)的有13個，分別為G7,G17,G24,G26,G27,G28,G29,G31,G35,G36,G40,G41和G43樣品；而采自海槽－陸坡區(qū)的有13個，分別為GC4,GC6,GC8,PC10,GC11,GC13,GC14,G15,GC16,PC18,G23,G38和G39樣品。所分析的化學成分共30項，其中有機碳、碳酸鈣的含量運用滴定法測定，硅酸鹽全分析包括SiO₂、全鐵、Al₂O₃、TiO₂、CaO、MgO、Na₂O、K₂O、P₂O₅和MnO，用發(fā)射光譜法測定的有B、Ba、Be、Co、Cr、Cu、Ga、La、Mo、Nb、Ni、Pb、Sc、Sr、V、Y、Yb和Zr等18種元素。樣品的測試由國土資源部廣州海洋地質(zhì)測試中心完成。

對地球化學測試分析結(jié)果進行因子分析和相關(guān)分析，求取各化學組分的相關(guān)矩陣和因子方差，歸入同一組合中的元素其相關(guān)系數(shù)一般大于0.5，且與其他地質(zhì)資料吻合。

4　島（陸）架—島坡區(qū)元素的地球化學相關(guān)性與影響因素

表1為島（陸）架—島坡區(qū)13個表層沉積物樣品30項化學成分因子分析的方差旋轉(zhuǎn)因子載荷表。由表可見，以方差貢獻大于5%作為標準選取的主因子數(shù)有10個，而且主因子F₁的方差貢獻為32.497%，相對最重要的前兩個主因子的累積方差貢獻也只有54.768%，前6個主因子的累積方差貢獻約90%，因子載荷大于5%的主因子有5個，說明雖然沒有一種絕對占主導地位的地球化學因素，但有一至二種主要因素控制表層沉積物的地球化學特征。主因子F₁的正載荷方向為全鐵、MnO、CaO、Cr、La含量，其中CaO、La既可能是鈣質(zhì)生物在CCD以下溶解釋放的組分，反映了鈣質(zhì)生物的地球化學富集作用，與其有關(guān)的成礦元素是Fe、Mn，也可能是火成巖型Fe、Mn成礦元素預富集的重要因素之一，或者與Cr相同是陸源碎屑組分之一；負載荷方向為K₂0、有機碳、B、Ba含量，這些組分是硅質(zhì)生物碎屑沉積作用的反映。由此可見，F(xiàn)₁主因子可能反映了受離岸遠近和水深大小等因素控制的鈣質(zhì)生物、硅質(zhì)生物和陸源碎屑的沉積作用。沉積物類型、粒度、礦物組分和微體生物的分布特征也說明了這一點。主因子F₂的正載荷方向為全鐵、TiO₂、Na₂O、P₂O₅、MnO、Pb、Y、Zr含量，負載荷方向為單一的Ba含量，可能反映了中酸性火山碎屑沉積作用與硅質(zhì)生物碎屑沉積作用的交替出現(xiàn)；主因子F₃主要為正載荷的CaO、V、Sc含量和負載荷的SiO₂含量，可能反映了基性火山碎屑沉積作用；主因子F₄主要為負載荷的Al₂O₃、Ga含量，也許反映了陸源粘土或碎屑沉積作用；主因子F₅和F₆分別為負載荷的Mo含量和正載荷的Cu、V、Zn、Be含量，分別反映了基性巖漿和酸性巖漿的有關(guān)礦化作用，但主因子F₆可能同時反映了宇宙塵沉積作用。主因子F₇～F₁₀構(gòu)成的元素方差貢獻均很小（僅1%～4%），可能反映的是海水水團性質(zhì)的變化導致差異沉淀作用或槽底火山作用產(chǎn)生不同類型的流體作用，它們只在某一較短時期或?qū)植砍练e物的地球化學特征有影響。

表1　島（陸）架—島坡區(qū)表層沉積物化學成分因子分析方差極大旋轉(zhuǎn)因子F載荷表　Table1　F factor loading matrix of orthogonal solution for the factor analysis on chemical compositions of superficial sediments from the island（continental）shelf-island slope

圖2　島（陸）架—島坡區(qū)（a）和海槽—陸坡區(qū)（b）表層沉積物因子分析主因子F₁和F₂相關(guān)圖　Fig.2　Relation between F₁ and F₂ main factors from the factor analysis on the chemical compositions of uperficial sediments from the island（continental）shelf-island slope（a）and trough-continental slope（b）

以兩個主因子F₁和F₂為變量作元素的因子相關(guān)圖如圖2a。根據(jù)主要化學成分在圖上的位置和組合分布狀態(tài)，并結(jié)合相關(guān)分析結(jié)果（表2），同時參考其他幾個因子的載荷大小，可以將主要成分分為控制因素明顯不同的5組。

（1）SiO₂、有機碳、K₂0、B和Ba：可能與硅質(zhì)生物碎屑沉積作用有關(guān)。雖然生物殘體沉降到海底后形成生物SiO₂，但島架、島坡區(qū)的SiO₂可能主要來自陸源粘土礦物、碎屑礦物的硅酸鹽組分。SiO₂含量與全鐵、CaO、MgO、MnO、Ni、Co、V、La、Nb含量都為明顯的負相關(guān)，但與K₂0、有機碳、B和Ba含量為弱相關(guān)。有機碳含量與K₂O、B、Ba含量之間為明顯的正相關(guān)，說明K₂0、B和Ba在很大程度上取決于生物的富集作用。當然，由于Ba在巖石圈中含量很高，在海水中的平均含量很低，僅為0.02μg/g，而本區(qū)表層沉積物中Ba的平均含量很高，表明Ba元素除生物富集外，還有其他來源。本區(qū)比較強烈的火山和熱液活動可能提供了部分Ba。

（2）CaO和La：可能受鈣質(zhì)生物碎屑沉積和陸源碎屑沉積作用的共同影響。海洋沉積物中CaO主要來自鈣質(zhì)生物殼體，另外硅酸鹽礦物，如粘土礦物、斜長石等也可能提供部分CaO。本區(qū)CaO含量與MnO、全鐵、Cr、La、Sc含量都具有明顯的正相關(guān)性，與有機碳、K₂0、B和Ba含量具有明顯的負相關(guān)性，說明CaO的來源極其復雜性。

（3）MnO和全鐵：與海底自生沉積作用有關(guān)，然而全鐵、MnO含量與TiO₂、CaO、MgO、Co、Cu、V、La、Yb、Nb含量為正相關(guān)，與Al₂O₃、K₂O、有機碳、B、Ba含量為負相關(guān)，說明其來源復雜，很可能陸源碎屑沉積也提供了相當一部分的MnO和全鐵。

（4）TiO₂、Na₂O、Yb、Y：可能來自中酸性火山碎屑的沉積作用。TiO₂含量除與Na₂O、Yb、Y含量為正相關(guān)之外，還與全鐵、P₂O₅、MnO、Cu、Zr等的含量正相關(guān)，與K₂O和Ba含量為負相關(guān)。南極半島西北側(cè)出露的中酸性火山巖可能為本區(qū)提供了較多的TiO₂、Na₂0、Yb、Y等組分。

（5）MgO、Co、Ni、Sr、Cr：可能來自基性火山碎屑的沉積作用。MgO含量與全鐵、Cr、Ni、Co、La、Nb等組分的含量之間為正相關(guān)，與SiO₂、Al₂O₃、K₂O、Na₂O、有機碳、B之間為負相關(guān)。南設(shè)得蘭群島上出露的基性火山巖可為本區(qū)提供豐富的MgO、Co、Ni、Sr、Cr等組分。

總之，本區(qū)表層沉積物的地球化學特征較為復雜，受到多種地球化學因素的影響，但最主要的是受沉積區(qū)離岸遠近和水深大小等因素控制的鈣質(zhì)生物、硅質(zhì)生物和陸源碎屑的沉積作用，其次為中酸性火山碎屑沉積作用與基性火山碎屑沉積作用。

5　海槽—陸坡區(qū)元素含量的相關(guān)性與影響因素

表3為水深相對較大的海槽—陸坡區(qū)13個表層沉積物樣品30項化學成分因子分析的方差旋轉(zhuǎn)因子載荷表。由表可見，以方差貢獻大于5%為原則選取的主因子數(shù)有10個，相對最重要的前兩個主因子的累積方差貢獻也只有62.514%，因子載荷大于5%的主因子有6個，累積方差貢獻約為91%，說明控制該區(qū)表層沉積物特征的地球化學因素相對較為復雜。盡管如此，F(xiàn)₁主因子的方差貢獻已占據(jù)43.259%，說明在眾多的地球化學因素中還是有一種起主導作用的。F₁的負載荷方向為SiO₂、K₂0、有機碳、B、Ba含量，為放射蟲、硅藻等硅質(zhì)生物碎屑沉積作用所致，正載荷方向為全鐵、Al₂O₃、TiO₂、CaO、P₂0₅、V、Sr、Pb含量，這些組分為陸源粘土質(zhì)沉積作用的主要組分，因此，F(xiàn)₁反映硅質(zhì)軟泥（硅質(zhì)碎屑沉積）和粘土質(zhì)陸源、火山碎屑在時空上交替沉積的一種地球化學作用，在粘土質(zhì)碎屑沉積發(fā)育期間，硅質(zhì)軟泥的沉積作用相對較弱。從該因子的成分組合可以看出，組成礦物的主要元素與硅質(zhì)碎屑沉積和粘土質(zhì)碎屑沉積有關(guān)。主因子F₂的方差貢獻為19.256%，對表層沉積物地球化學特征的影響也較大，它以Be、Zr、Cr等組分含量具較大的負載荷和MgO、Na₂O、Sc等組分含量具較大的正載荷為特征，包括基性火山碎屑組分和宇宙塵組分，可能反映陸源碎屑和宇宙源差異沉積作用；主因子F₃以較大正載荷的MnO、Ni、Co、La、Yb、Y、Ga含量為特征，反映硅質(zhì)生物沉積間斷期的自生沉積作用或成巖作用；主因子F₄正載荷方向為La、Yb、Y、Nb含量，負載荷方向為單一的Ba含量，可能反映了堿性火山碎屑沉積作用；F₅和F₆主因子分別為負相關(guān)的Cu含量與Ga含量和Cr含量與Sc含量，可能反映的是不同類型的熱液作用。

表2　島（陸）架—島坡區(qū)表層沉積物化學成分含量之間的相關(guān)系數(shù)　Table2　Correlation coefficient matrix of the correlation analysis on chemical compositions of superficial sediments from the island（continental）shelf—island slope

表3　海槽—陸坡區(qū)表層沉積物化學成分因子分析方差極大旋轉(zhuǎn)因子F載荷表　Table3　F Factor loading matrix of orthogonal solution for the factor analysis on chemical compositions of superficial sediments from the trough—continental slope

以因子分析的兩個主因子F₁和F₂為變量作元素的因子相關(guān)圖如圖2b。根據(jù)主要化學成分在圖上的位置和組合分布狀態(tài)，并結(jié)合相關(guān)分析結(jié)果（表4），同時參考其他幾個因子的載荷大小，可以將主要成分分為控制因素明顯不同的5組。

（1）SiO₂、K₂O、有機碳、B、Ba：主要受硅質(zhì)生物碎屑沉積作用控制。SiO₂含量與K₂0含量之間為明顯正相關(guān)，與有機碳、B、Ba含量為較弱正相關(guān)，而與全鐵、Al₂0₃、TiO₂、CaO、MgO、Na₂O、P₂O₅、MnO、Co、V、Sc、Sr、Pb等的含量為明顯負相關(guān)；K₂0、有機碳含量與B、Ba含量之間都為正相關(guān)。

（2）全鐵、Al₂O₃、TiO₂、CaO、V、Sr、Pb：可能主要受粘土質(zhì)陸源火山碎屑沉積作用的影響。Al的地球化學性質(zhì)比較穩(wěn)定，基本上不參與生物作用，沉積物中其含量的變化基本上受粘土礦物等鋁硅酸鹽組分的控制，與生物遺跡沉積的數(shù)量成反比；Ti與Al相似，地球化學性質(zhì)較穩(wěn)定，主要賦存于粘土礦物中。Al₂O₃含量與全鐵、TiO₂、CaO、V、Sr、Pb含量之間為明顯的正相關(guān)，而與SiO₂、K₂0、有機碳、B、Ba含量為負相關(guān)。

（3）Be、Zr、Cr：可能與基性火山碎屑的海解作用或宇宙塵沉積有關(guān)。Cr含量與Be、Zr含量之間具有較大的正相關(guān)。

（4）MgO、Na₂O、Sc：可能與基性火山碎屑沉積作用有關(guān)。MgO含量與Na₂O、Sc含量之間為明顯的正相關(guān)。

（5）MnO、Ni、Co、La、Yb、Y、Ga、Mo、Nb、Cu：主要受硅質(zhì)生物沉積間斷期的自生沉積作用或成巖作用的影響。MnO含量與Ni、Co、La、Yb、Y、Ga、Mo、Nb、Cu含量之間具有較明顯的正相關(guān)。

由此可見，本區(qū)表層沉積物的地球化學特征主要由硅質(zhì)碎屑沉積和粘土質(zhì)陸源、火山碎屑在時空上的交替沉積所控制，宇宙源沉積、自生沉積、堿性火山碎屑沉積、熱液作用等具有較小的影響。

表4　海槽—陸坡區(qū)表層沉積物化學成分含量之間的相關(guān)系數(shù)　Table4　Correlation coefficient matrix of the correlationanalysis on chemical compositions of superficial sediments from the trough-continental slope

南海地質(zhì)研究.12

6　結(jié)論

通過初步研究，得出如下兩點認識：

（1）島（陸）架—島坡區(qū)表層沉積物的地球化學特征較復雜，受到多種地球化學因素的影響，但最主要的是受沉積區(qū)離岸遠近和水深大小等因素控制的鈣質(zhì)生物、硅質(zhì)生物和陸源碎屑的沉積作用，其次為中酸性火山碎屑沉積作用與基性火山碎屑沉積作用。根據(jù)主要地球化學成分在表層沉積物中的分布模式，可將它們歸為5組：SiO₂、有機碳、K₂0、B和Ba;CaO和La;MnO和全鐵；TiO₂、Na₂O、Yb、Y;MgO、Co、Ni、Sr、Cr。

（2）海槽—陸坡區(qū)表層沉積物的地球化學特征主要受硅質(zhì)碎屑沉積和粘土質(zhì)陸源、火山碎屑在時空上的交替沉積所控制，宇宙源沉積、自生沉積、堿性火山碎屑沉積、熱液作用等影響較小。根據(jù)主要地球化學成分在表層沉積物中的分布模式，可將它們歸為5組：SiO₂、K₂0、有機碳、B、Ba；全鐵、Al₂O₃、TiO₂、CaO、V、Sr、Pb;Be、Zr、Cr;MgO、Na₂O、Sc;MnO、Ni、Co、La、Yb、Y、Ga、Mo、Nb、Cu。

參考文獻

1.王光宇、陳邦彥、張國禎、段威武、陳圣源等，1996，南極布蘭斯菲爾德海區(qū)地質(zhì)——“海洋四號”船南極地質(zhì)地球物理科學考察成果，地質(zhì)出版社，129。

2.文啟忠等，1987，第四紀沉積地球化學研究的若干進展，礦物巖石地球化學通訊，4,196-199。

3.Anderson,J.B.,1989,Antarctica's glacial setting,In:Glacial-marine Sedimentation（Short Course in Geology）,28th Int.Geol.Congr.,ed.by Anderson,J.B.and Molnia,B.F..AGU,Washington,DC.,11～57.

4.Elliot.D.H..1983,The mid-Mesozoic to mid-Cenozoic to active plate margin of the Antarctic Peninsula,In:0liver,R.L.et al..eds..Antarctic Earth Science,London,Cambridge University Press.347～351.

5.Smellie,J.L..1983,A geochemical overview of subduction-related igneous activity in the South Shetland Islands,Lesser Antarctica,In:Oliver,R.L.et al.,ed..Antarctic Earth Science,London,Cambridge University Press,352～356.

6.Weaver,S.D..Saunders,A.D..Tarney,J..1982,Mesozoic-CenozoIc volcanism in the South Shetland Islands and the Antarctic Peninsula:geochemical nature and palte tectonic significance,In:Craddock,C.,ed.,Antarctic Geoscience,Univ.Wisconsim Press,Madison,263～173.

PRELIMINARY STUDY ON ELEMENT GEOCHEMICAL CORRELATION AND INFLUENCING FACTORS OF SUPERFICIAL SEDIMENTS FROM BRANSFIELD STRAIT,ANTARCTICA

Wu Nengyou　Zhong Hexian　Duan Weiwu

Abstract

Based upon the factor analysis and correlation analysis on the geochemical compositions of 26-site superficial sediments from the Bransfield Strait,Antarctica,the main influencing factors on the geochemical features of superficial sediments are preliminarily discussed and the geochemical actions controlling the sedimentation are revealed in the present paper.The superficial sediments from the island（continental）shelf-island slope area are of the complicated geochemical feature and were controlled by the various factors.The main geochemical actions are the calcareous microbiological,siliceous microbiological and terrigenous clastic sedimentation cotrolled by the distances from the coast and water depths.The secondary are the medium-acidic and basic volcaniclastic sedimentation.The geochemical features of superficial sediments from the trough-continental slope area were mainly controlled by the space－time alternation between the siliceous clastic sedimentation and the clayey terrigenous,col caniclastic sedimentation.The other actions such as the cosmogenous,authigemic,alkali volcani clastic sedimentation and the hydrothermalism were less important.

Keywords:element correlation,influencing factor,factor analysis,correlation analysis,superficial sediment,Antarctica

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2分鐘,看看地球上最孤獨的地方,方圓2688公里荒無人煙
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