遼東灣東南部海域ldc30孔沉積物稀土元素特征及其影響因素

遼東灣東南部海域ldc30孔沉積物稀土元素特征及其影響因素

稀土（ree）在環(huán)境中具有穩(wěn)定的性質(zhì)。很難將巖屑風(fēng)化、剝削、運(yùn)輸?shù)胶恿鞑⑵涑练e物轉(zhuǎn)移到海底。然而，由于沉積物的來源和沉積環(huán)境的不同，稀釋土壤元素的含量適應(yīng)單元和重要的稀釋土壤元素參數(shù)之間存在一定的差異，但也保持了源區(qū)的組成特征，能夠敏感地記錄沉積環(huán)境和氣候的發(fā)展信息[1.4]。因此，ree被廣泛用于研究沉積物的起源、物源區(qū)的性質(zhì)和氣候環(huán)境。近年來,我國對(duì)渤海、黃海、東海、南海和臺(tái)灣海灘等海區(qū)以及長江黃河等地區(qū)沉積物REE地球化學(xué)特征、分布及其控制因等方面大量的研究[5~8],并利用REE特征進(jìn)行沉積物物源表層沉積物REE的豐度、分布模式和一些REE比值參數(shù),有效指示了沉積物的來源、形成條件和控制因素。遼東灣是中國渤海三大海灣之一,位于渤海北部,是我國緯度最高的半封閉海灣。遼東灣海域潮流主要為不規(guī)則半日潮,在西南部海域?yàn)橐?guī)則全日潮和不規(guī)則全日潮,潮流以往復(fù)流為主,強(qiáng)潮流區(qū)見于入海河口附近。灣內(nèi)環(huán)流主要由黃海暖流余脈和遼東灣沿岸流組成,由于受季風(fēng)的影響,環(huán)流具有季節(jié)性差異,冬季主要為穩(wěn)定的順時(shí)針環(huán)流,夏季相反,為逆時(shí)針,冬季環(huán)流強(qiáng)于夏季環(huán)流(圖2)。水團(tuán)源于入海徑流的沖淡水,鹽度較低,分布在20m等深線以內(nèi)。遼東灣周邊河流眾多,其中主要的河流有灤河、大凌河、小凌河、雙臺(tái)子河、大遼河、六股河等(圖1),這些河流源源不斷向遼東灣輸運(yùn)大量的泥沙(表1),對(duì)遼東灣海域陸源物質(zhì)的沉積有很大的影響。灣內(nèi)沉積了豐富的第四紀(jì)沉積物,由于波浪和強(qiáng)潮流對(duì)沉積物的侵蝕、搬運(yùn)、再沉積作用,使得灣東部形成遼東淺灘現(xiàn)代沉積區(qū)。該區(qū)域物質(zhì)來源和水動(dòng)力環(huán)境復(fù)雜,前人對(duì)其沉積物類型、沉積環(huán)境、礦物的組合特征以及遼東淺灘成因等方面已做了大量的研究工作。研究發(fā)現(xiàn),潮流砂最初來自低海平面時(shí)各種環(huán)境的物質(zhì),經(jīng)潮流的侵蝕、搬運(yùn)、再沉積,目前它們已經(jīng)與潮流動(dòng)力環(huán)境相適應(yīng),并且在粒度、礦物、化學(xué)和生物等方面均有其自身的特點(diǎn)[13~15]。與潮流砂相比,前人對(duì)本文研究區(qū)的研究目前相對(duì)比較薄弱,特別是對(duì)于該區(qū)沉積物稀土元素地球化學(xué)研究目前還鮮見報(bào)道。本文通過對(duì)研究區(qū)遼東灣東部潮流沙脊區(qū)北側(cè)LDC30孔沉積物的稀土元素分析,揭示該區(qū)域沉積物的元素地球化學(xué)特征和物源屬性。1icp-ms分析本研究樣品LDC30孔于2009年取自于遼東灣北部海域(39.76°N,120.97°E;圖2)。巖芯長度100cm,取樣水深28.6m。取樣后將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,之后進(jìn)行2cm間隔分樣進(jìn)行稀土元素和粒度的分析。沉積物樣品中稀土元素的分析采用等離子質(zhì)譜分析方法ICP-MS進(jìn)行測(cè)定,實(shí)驗(yàn)在中科院海洋所海洋環(huán)境與地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室完成。具體方法如下:準(zhǔn)確稱取40mg樣品于Teflon溶樣罐中,加0.6mLHNO3+2mLHF密封,置于防腐型反應(yīng)釜內(nèi),于150℃烘箱上溶樣24小時(shí);冷卻,加0.25mLHClO4于150℃電熱板上敞開蒸酸至近干;然后加1mLHNO3+1mLH2O密閉于150℃烘箱內(nèi)回溶12h;冷卻后,經(jīng)高純H2O定容至40g;然后進(jìn)行上機(jī)測(cè)試,測(cè)試誤差小于5%。粒度采用Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer2000型激光粒度分布測(cè)量儀進(jìn)行測(cè),測(cè)量過程中要先去除沉積物中有機(jī)質(zhì),然后再進(jìn)行充分的分散,之后進(jìn)行上機(jī)測(cè)試,測(cè)量采用的粒級(jí)間隔為0.15ue788,重復(fù)測(cè)試誤差小于3%。粒度的測(cè)定在國土資源部海洋油氣資源和環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。2結(jié)果2.1孔ree含量LDC30孔稀土元素含量及其參數(shù)值,如表2;其垂向變化特征見圖3?？傁⊥猎?ΣREE)含量波動(dòng)不大,變化于128.04~199.86μg/g之間,平均值為149.49μg/g,見表2。低于全球沉積物ΣREE的平均值(150~300μg/g)、北美頁巖ΣREE含量(163.94μg/g);與中國大陸架沉積物的REE平均含量相比,LDC30孔的ΣREE含量略高于黃海(134.03μg/g)和東海(140.34μg/g),但是低于南海(187.58μg/g)和渤海(229.29μg/g)的平均含量。輕稀土元素(LREE:La~Eu)變化于115.74~182.53μg/g之間,平均值為135.49μg/g,相對(duì)較富集,約占總稀土含量的90.6%;重稀土元素(HREE:Gd~Lu)豐度較低,變化于12.3~17.3μg/g之間,平均值為14.0μg/g,約占總稀土含量的9.4%。δCe變化于0.96~1.03之間,平均值為1,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.02。δEu變化于0.61~0.80之間,平均值為0.71,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.04。從總稀土元素垂向變化特征看,可在51cm處將鉆孔分為兩段(圖3):上段(0~51cm)ΣREE含量隨著深度的減小而呈增加的趨勢(shì),下段(51~99cm)ΣREE含量在垂向上比較穩(wěn)定,沒有明顯的波動(dòng)變化。δCe整體上比較穩(wěn)定,但在上段(0~51cm)呈現(xiàn)下降,垂向上也相對(duì)穩(wěn)定的趨勢(shì),尤其是在巖芯下段δEu基本上處于穩(wěn)定的狀態(tài),但在上段呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),δEu在上段也呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),且下降趨勢(shì)較δCe明顯。2.2稀土元素地球化學(xué)對(duì)REE數(shù)據(jù)進(jìn)行球粒隕石、北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化已被廣泛應(yīng)用于海洋地球化學(xué)分析中。LDC30孔稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式,如圖4所示?？傮w上表現(xiàn)出明顯的輕稀土富集的特征,而重稀土一端較平穩(wěn),輕、重稀土具較強(qiáng)的分異作用,呈左高右低的V型曲線。無明顯的Ce異常,Eu為中度虧損。與世界頁巖平均值相比,除個(gè)別層位重稀土元素高于世界頁巖之外,LDC30孔巖芯沉積物的REE含量整體上低于北美頁巖,且各深度沉積物的REE分布模式近平行,表明巖芯的物質(zhì)來源比較穩(wěn)定。稀土元素的配分模式與上地殼和北美頁巖配分模式非常一致,這說明LDC30表現(xiàn)出強(qiáng)烈的陸源特征。而REE配分曲線中La~Eu段較陡,Eu~Lu段較緩,反映出LREE分異程度較HREE高。采用上地殼的平均值對(duì)稀土元素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,發(fā)現(xiàn)LDC30孔沉積物稀土元素配分模式近似的呈直線并出現(xiàn)略微右傾的趨勢(shì),未見明顯的Eu和Ce異常,不同深度配分模式具有明顯的一致性(圖5),基本處于平行的狀態(tài),并且均表現(xiàn)為重稀土元素(HREE)相對(duì)虧損的模式。與遼東灣周邊河流標(biāo)準(zhǔn)化曲線相比,稀土元素的配分模式與大遼河、雙臺(tái)子河、小凌河非常接近,而與復(fù)州河具有一定的差異。與長江、黃河標(biāo)準(zhǔn)化曲線比,與黃河較為接近。2.3土分餾特征的參數(shù)值通常用REE的典型參數(shù)來反映輕、重稀土元素之間的分餾特征,輕、重稀土元素內(nèi)部的分餾特征。(La/Yb)N一般被用于指示輕、重稀土元素之間的分餾特征,比值越大,說明LREE越富集。(La/Sm)N、(Gd/Yb)N用于指示LREE和HREE的內(nèi)部分異特征,比值越大,說明輕LREE和HREE內(nèi)部分異特征越是明顯。稀土元素的分餾特征的典型參數(shù)值如表2所示;(La/Yb)N變化范圍為9.73~12.51,平均值為11.01,表明沉積物中LREE和HREE分異較明顯;(La/Sm)N值介于3.69~4.27之間,平均值3.9,(Gd/Yb)N均值為1.93。各參數(shù)的垂向變化特征如圖3,下段(La/Yb)N變化趨勢(shì)比較穩(wěn)定,上段則上呈現(xiàn)略微上升的趨勢(shì),與ΣREE變化趨勢(shì)相似。(La/Sm)N、(Gd/Yb)N整體上比較穩(wěn)定,沒有明顯的增加或減少。沉積物中REE組成由于受到粒度和礦物的影響而產(chǎn)生的差異,但總體來說,REE具有相似的化學(xué)性質(zhì)和低溶解度,在風(fēng)化和成巖作用過程中很少發(fā)生分餾。(La/Sm)N和(Gd/Yb)N值是表征REE分餾的兩個(gè)參數(shù),研究區(qū)巖芯上段(Gd/Yb)N與平均粒徑(Mz)相關(guān)系數(shù)R2為0.017,下段的相關(guān)系數(shù)R2為0.019,總體整個(gè)巖芯平均粒徑(Mz)與(Gd/Yb)N相關(guān)系數(shù)幾乎為零(圖6),并且(La/Sm)N和(Gd/Yb)N之間也幾乎不相關(guān),表明該巖芯沉積物中稀土元素的分餾不受粒度的控制。3討論3.1成巖年齡及沉積相關(guān)系數(shù)對(duì)巖芯ree含量的影響研究發(fā)現(xiàn),控制沉積物中REE組成最主要的因素是物源[22~25],而對(duì)于有相同且穩(wěn)定來源的沉積物,在經(jīng)過搬運(yùn)沉積過程中受到化學(xué)風(fēng)化、水動(dòng)力分選等作用造成粒級(jí)與礦物的不同而產(chǎn)生REE組成與分布模式的差異。因此,在用REE進(jìn)行沉積物物源示蹤時(shí),應(yīng)對(duì)影響沉積物REE組成的制約因素進(jìn)行探討。粒度是控制沉積物REE組成的重要因素。REE趨向于在細(xì)粒沉積物中富集,研究區(qū)LDC30孔沉積物粒徑介于4.79~5.95ue788之間,粒度較粗,并且粒度在0~51cm和51~99cm有一定的差別,REE在這兩段內(nèi)也存在一定的差別,但是ΣREE與粒度之間并沒有明顯的相關(guān)性(圖3),經(jīng)計(jì)算它們之間的相關(guān)系數(shù)R2為0.016,這表明REE與粒度之間無明顯的相關(guān)性。ΣREE含量與主要賦存于黏土粒級(jí)的細(xì)顆粒中受控于“粒度效應(yīng)”的Al2O3、Fe2O3等亦呈弱負(fù)相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)分別為-0.15,-0.18),說明巖芯REE的組成基本不受“粒度效應(yīng)”的控制。研究發(fā)現(xiàn),沉積物中的重礦物對(duì)整個(gè)沉積物的REE含量及組成有顯著影響:HREE趨向富集于鋯石、石榴子石、電氣石等中,LREE和MREE則在榍石、褐簾石、角閃石、磷灰石、獨(dú)居石等中含量較高。遼東灣重礦物含量與黃海、東海等海域相比較高,且沉積物在潮流的往復(fù)淘洗作用下使得沉積物中角閃石、石榴子石、黝簾石等重礦物相對(duì)含量較高;此外,遼東灣周邊河流(灤河、六股河、小凌河、大凌河、雙臺(tái)子河等)入海沉積物中普通角閃石、綠簾石、磁鐵礦、鈦鐵礦、石榴子石、褐鐵礦重礦物含量較高。LDC30孔沉積物中LREE含量遠(yuǎn)高于HREE(特別是上段0~51cm;圖3),輕重稀土分異明顯的特征可能與周邊河流重礦物的含量有關(guān)。3.2河洋河口砂脊沉積型巖芯遼東灣是一個(gè)半封閉的海灣,沉積物主要來源于周邊入海河流、外來海水帶入、沿岸島嶼及基巖的侵蝕等,其中以河流輸入物質(zhì)的貢獻(xiàn)最為突出。另外,河流輸入物質(zhì)的遷移也受到海洋水動(dòng)力條件(潮流和環(huán)流)的制約。遼東灣海域潮流主要為不規(guī)則半日潮,在西南部海域?yàn)橐?guī)則全日潮和不規(guī)則全日潮,潮流以往復(fù)流為主,強(qiáng)潮流區(qū)見于入海河口附近。然而,在像渤海這樣的淺海系統(tǒng)中,沉積物的長期輸運(yùn)過程主要是環(huán)流的作用。遼東灣內(nèi)環(huán)流主要有黃海暖流余脈和遼東灣沿岸流組成,近岸地區(qū)主要受沿岸流的控制,由于受季風(fēng)的影響,環(huán)流具有季節(jié)性差異(圖2),并且冬季環(huán)流強(qiáng)于夏季,因此遼東灣內(nèi)沉積物在長期的搬運(yùn)過程中主要受冬季環(huán)流的影響。遼東灣區(qū)沿岸有眾多河流輸入,沿岸河流切割河床、沖刷兩岸母巖,攜帶大量泥沙源源不斷地注入遼東灣。早期的研究發(fā)現(xiàn)灣內(nèi)大部分地區(qū)沉積物皆是現(xiàn)代陸源碎屑沉積。近些年的研究證實(shí),遼東灣東部區(qū)域由于較強(qiáng)的潮汐作用而發(fā)育形態(tài)典型的潮流沙脊,這片區(qū)域沉積物是全新世漲潮流三角洲演化的產(chǎn)物,其物質(zhì)主要來自老鐵山水道。本文研究的LDC30孔位于砂脊北部區(qū)域,但沉積物粒度特征與潮流沉積物不一致,具有河流砂的特征。因此,LDC30位可能為高水位體系域下的河口沉積。研究區(qū)LDC30孔沉積物球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式(圖4)與上地殼以及世界頁巖相似,表明研究區(qū)物質(zhì)主要來自于陸源的輸入,這與前人研究結(jié)果相同。由于各河流流域的母巖性質(zhì)不同,造成不同河流及河口沉積物中稀土元素參數(shù)存在一定的差異。為進(jìn)一步研究遼東灣周邊河流輸入物質(zhì)對(duì)LDC30孔沉積物的影響,本文采用稀土元素參數(shù)(La/Yb)ucc與δEu進(jìn)行物源的判別。下段(51~99cm)稀土元素的參數(shù)分布比較集中(圖7),并且與大遼河、雙臺(tái)子河、小凌河較為相似,而與六股河、復(fù)州河差異明顯。大遼河、雙臺(tái)子河、小凌河這三條河流入海沉積物礦物學(xué)等特征等相似,由于稀土元素受重礦物的制約作用,因而其沉積物中稀土元素的(La/Yb)ucc與δEu圖解也較為接近(圖7)。上段(0~51cm)物源判別圖中顯示沉積物稀土元素參數(shù)分布相對(duì)分散,與河流沉積物參數(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn),LDC30孔上段物源與下段基本相同,同樣也主要來自于大遼河、雙臺(tái)子河、小凌河,與六股河、復(fù)州河存在明顯差異,除此之外,灤河可能存在一定的貢獻(xiàn)。大遼河、雙臺(tái)子河、小凌河都是位于遼東灣灣頂?shù)暮恿?圖1),這些河流雖然與LDC30距離相對(duì)較遠(yuǎn),但是其年徑流量與輸沙量都比較大(表1),并且加上遼東灣內(nèi)主要的環(huán)流(冬季環(huán)流)的作用(圖2),使得河流的輸入物質(zhì)被搬運(yùn)到研究區(qū)內(nèi);而六股河、復(fù)州河的年徑流量與輸沙量非常小,尤其是復(fù)州河,其年輸沙量為16.8×104t,因此,這兩條河流的沉積物很難被輸送到研究區(qū)。因此,六股河、復(fù)州河物質(zhì)的輸入對(duì)巖芯LDC30沉積物的沉積基本上沒有影響。灤河雖然年輸沙量較大(表1),但是由于遼東灣內(nèi)主要的海洋水動(dòng)力作用,冬季為順時(shí)針環(huán)流,灤河入海物質(zhì)在沿岸流的作用下向北運(yùn)