海洋沉積物巖中元素地球化學(xué)方法的釋讀

海洋沉積物巖中元素地球化學(xué)方法的釋讀

與沉積礦物學(xué)、同步地球化學(xué)和微體古生物學(xué)一樣，元素地球化學(xué)在古代環(huán)境、古氣候變化和物源學(xué)的研究中發(fā)揮著極其重要的作用。元素類型、豐度及賦存狀態(tài)在沉積物搬運、沉積和成巖過程中是不斷變化的,這種變化是元素在地表各部分不同物理化學(xué)條件下不斷遷移集散的表現(xiàn),是元素本身性質(zhì)與外部條件,包括源區(qū)母巖風(fēng)化的原始礦物組分和性質(zhì)、搬運形式、沉積條件和成巖作用期間元素重新分配等各種因素的綜合反映。無論是常量元素,還是微量元素(包括稀土元素(REE)在內(nèi)),作為地球化學(xué)指示劑,它們在海洋沉積環(huán)境和物源研究中,表現(xiàn)出日益明確的示蹤作用。1元素地球化學(xué)記錄在海洋沉積環(huán)境和物源研究中的釋讀方法1.1研究元素的組成、相對含量和分布Sc,Ti,Zr,Nb,Hf,Ta,Th,Y和REE等高場強元素以及大離子親石元素Rb,Ga,Cs等,在巖石的風(fēng)化過程中很不活潑,往往被固體物質(zhì)結(jié)合或吸附,隨顆粒物一起搬運和沉積,它們在海水中的含量極小,存留時間短,在自生物質(zhì)中的富集程度很低。所以在海底沉積物中,這些元素幾乎全部來自碎屑物質(zhì),反映碎屑源區(qū)的地球化學(xué)特征,如Ti含量代表沉積物中陸源碎屑所占的比例。在海洋沉積地球化學(xué)研究中,常把SiO2作為陸源沉積的一種標(biāo)志,CaCO3常被作為生物沉積的標(biāo)志。微量元素Zr和Sr的地球化學(xué)行為與SiO2和CaCO3相似,即可以把Zr作為陸源沉積的標(biāo)志,Sr是親生物元素,為非陸源沉積的標(biāo)志。Ba認(rèn)為是保存在硅質(zhì)沉積物中,半深海沉積物中Ba的含量與上覆水體的生物通量存在一定比例關(guān)系,而且沉積后保存狀況好,因而可利用其恢復(fù)古生產(chǎn)力。河流是供給海洋物質(zhì)的主要渠道,大量陸源物質(zhì)源源不斷地由河流輸入海洋,故對海洋環(huán)境造成較大的影響。黃河、長江和珠江等河口地區(qū)沉積地球化學(xué)研究表明,河口沉積物中的B,Ti,Zr,V,Co,Cr,Ga等元素含量及B/Ga,Sr/Ca,Ca/(Ca+Fe)等比值和CaCO3含量可為判斷物質(zhì)來源、沉積環(huán)境及其氣候變化的佐證。不同元素的在海區(qū)的平面分布,反映了陸表風(fēng)化過程、物源和海區(qū)生物生產(chǎn)力的基本情況。1.2研究元素間的比值元素比值不僅可以表明元素的比例關(guān)系,而且依據(jù)比值的變化還可以表明元素的相對富集或分散以及變化幅度的大小。中國淺海砂、粉砂、泥中Si/Al值分別是10.5,5.3,3.4,因此Si/Al值可作為衡量沉積物粒度配分的指標(biāo)。有時把Al作為海洋中陸源成分的指標(biāo),通過不同元素與Al比值的變化,探討元素的物質(zhì)來源和自生變化等。Ishiga等學(xué)者研究了日本西南海岸瀉湖沉積物中Ti/Zr,Zr/Y和Nb/Y的比值后認(rèn)為,這些比值的激增和銳減反映了千年尺度人類活動對地表的侵蝕和改造。古海洋學(xué)研究表明,有孔蟲殼體Cd/Ca和Corg/Babio值被認(rèn)為是海水生產(chǎn)力的標(biāo)志,底棲Ba/Ca值對于追蹤深層水變化具有顯著意義。此外,Sr/Ca,Mg/Ca,V/Ca和U/Ca值均對揭示古海洋環(huán)境有重要作用。貝殼中Sr/Ca和Ba/Ca的比值與生物棲息地海水的相應(yīng)值呈相當(dāng)好的正相關(guān)關(guān)系,同時它們還受溫度的不同程度的影響,各種分析實驗結(jié)果表明貝殼化學(xué)沉積作用后的變化不會對原始Sr和Ba的含量產(chǎn)生影響,這兩種元素比值可作為研究地球化學(xué)歷史和古環(huán)境的可靠工具。一般情況下,自生組分元素通過以下方式進(jìn)行估算:E自生=E測量值-Ti測量值×(E/Ti)地殼平均值或E自生=E測量值-Al測量值×(E/Al)鋁硅酸巖。式中,E代表自生組分元素。1.3研究過渡元素和稀土元素在氧化還原條件下的變化V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Mo,Cd和U等過渡金屬元素,在底層海水、沉積物、孔隙水之間的循環(huán)很大程度上受控于這些環(huán)境內(nèi)的氧化還原條件的變化,是探討底層水氧化還原狀態(tài)變化的有效示蹤劑。在強還原條件下,這些元素(Mn除外)會從孔隙水中沉積出來而在沉積物中富集,Co,Ni,Cu,Zn,Cd等親硫元素在較高的還原環(huán)境下,均以硫化物形式沉淀并富集于沉積物中;而Co,Ni在低氧化環(huán)境下往往易被Mn,Fe氧化物捕獲而隨Mn,Fe一起富集;像Cr,V和U等變價元素,在還原狀態(tài)下,以低價態(tài)形式存在時,容易被固體表面吸附而富集于沉積物中,并可在程度稍低的還原狀態(tài)下出現(xiàn)。在富氧海水中,Mn很快會以MnO2形式沉積下來,并在氧氣能夠穿透到的沉積物表層大量富集;而在沉積物內(nèi)氧氣穿透面以下,MnO2成為最重要的二級氧化劑,代替氧氣繼續(xù)氧化分解有機質(zhì)。在此過程中,MnO2不斷被還原為易溶的Mn2+,而在沉積物中含量逐漸降低。Mn對環(huán)境物理化學(xué)狀況的改變比較敏感,其生物地球化學(xué)作用也很活躍,許多因素都可影響到Mn的沉積富集,所以Mn的含量變化具有特定的環(huán)境意義,作為地層和氣候劇變的標(biāo)志。一般情況下,底層水的含氧量,受底層水的補充決定,并受表層海水生產(chǎn)力的影響,因此過渡元素的存在形式和富集程度在一定程度上代表著在其相應(yīng)的沉積時期有機質(zhì)的輸入通量。稀土元素在不同的氧化還原條件下,元素的狀態(tài)和元素間的分餾也會產(chǎn)生不同的響應(yīng)。陳衍景借助軟硬酸理論認(rèn)為:在化學(xué)沉積中,氧化環(huán)境的沉積物ΣREE高,Eu/Eu*低,(La/Yb)N低;還原環(huán)境的沉積物ΣREE低,Eu/Eu*高,(La/Yb)N高。1.4研究元素的組合、多元圖解和配分模式沉積物中各種元素含量的變化較為復(fù)雜,一方面與元素固有的地球化學(xué)行為有關(guān),另一方面又與沉積物化學(xué)組成復(fù)雜的多因素控制有關(guān)。僅通過單個元素或某些元素的變化趨勢,很難全面準(zhǔn)確地分析研究區(qū)的物質(zhì)變化。因此,為能充分了解控制沉積物化學(xué)組成的主要因素,常對元素組合進(jìn)行R型聚類分析,以及R型因子分析。聚類分析就是對元素進(jìn)行組合分類,元素共生組合已成為反映沉積物地球化學(xué)的主要特征之一。在判斷元素來源以及元素間相互關(guān)系研究中,元素—元素(濃度)圖解、比值—比值圖解、直角坐標(biāo)系(兩組變量)圖解、三角(三組變量)圖解、對數(shù)—對數(shù)圖解和其它類型圖解是不可缺少的直觀有效的方法。各種圖解都是基于不同的研究體系和目的,不過,在一個圖解中應(yīng)盡可能容納更多的信息量和更清楚地顯示變量之間的關(guān)系。海洋沉積物中稀土元素地球化學(xué)研究是近年來的研究熱點,通過大量的研究建立了海洋沉積物的稀土分布模式,并用之判斷物源和恢復(fù)環(huán)境。目前對沉積物稀土元素配分模式的研究可通過兩個途徑,一是以球粒隕石為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,反映樣品相對地球原始物質(zhì)的分異程度,揭示沉積物源區(qū)特征;二是以北美頁巖為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,了解其沉積過程中的混合、均化的影響和分異程度。近海沉積物的稀土元素主要存在于礦物晶格之中,吸附成分很少。由于近海沉積物主要來源于大陸,因此REE含量和分布模式與大陸物質(zhì)相似;深海沉積物的REE含量變化很大,主要與沉積物類型有關(guān),其共同特點是重稀土的相對富集和Ce的明顯虧損。在海洋沉積物中,Ce正異常則主要是通過粘土、鐵錳氧化物直接從海水中捕獲吸附Ce4+所致,而Ce負(fù)異常主要來自生物碳酸鹽等自生沉積物。Ce負(fù)異常較明顯,可能反映自生沉積物產(chǎn)量較大和相對較小的陸源碎屑輸入通量。但有人認(rèn)為在生物成因和非生物成因的海洋生成物中,Ce的富集與虧損機理可能并不相同。而Eu異常的情形與Ce則完全不同,Eu/Eu*的變化和自生沉積物沒有什么關(guān)系,則完全反映碎屑物源的組成。1.5研究元素與同位素關(guān)系將元素與同位素聯(lián)合應(yīng)用討論地球化學(xué)問題,這對于近30a來的同位素地球化學(xué)和元素地球化學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響。REE,Rb,Sr,Ti,Nb等以及Rb/Sr,Sm/Nd,Al2O3/TiO2,U/Pb,La/Sm,La/Yb和Eu/Eu*等比值已廣泛應(yīng)用于各種不同的同位素體系中。沉積物中元素和同位素同時記錄了樣品形成當(dāng)時的溫度、鹽度、深度、氧化還原條件及其生物狀況等多種環(huán)境因素,與微量元素標(biāo)志相比,同位素的變化受全球性環(huán)境因素,如古氣候、古海平面的升降的影響更明顯;而微量元素更容易受地區(qū)性背景因素,特別是物源區(qū)母巖性質(zhì)的影響。綜合使用元素和同位素指標(biāo),使區(qū)域性變化與全球性變化聯(lián)系起來,將使釋讀古環(huán)境的可靠性大大增強。微量元素鍶及其同位素的地球化學(xué)研究,已作為氣候、風(fēng)化速率、環(huán)境記錄等重要指標(biāo)。Krom等利用87Sr/86Sr與Ti/Al和87Sr/86Sr與Fe/Al的關(guān)系,來示蹤地中海Levantine盆地表層沉積物的物質(zhì)來源,闡述撒哈拉風(fēng)塵和尼羅河物質(zhì)對該盆地沉積物的貢獻(xiàn)。2元素地球化學(xué)記錄釋讀海洋沉積環(huán)境和物源的主要內(nèi)容全球環(huán)境變化的研究使當(dāng)前海洋沉積元素地球化學(xué)研究主要集中在化學(xué)風(fēng)化、氣候和環(huán)境指標(biāo)的元素地球化學(xué)分析以及對海洋沉積物來源的進(jìn)一步調(diào)查上。2.1古氣候在沉積物來源區(qū),以FeO/Fe2O3,SiO2/Al2O3為標(biāo)志的氧化物比值,反映了碎屑、黃土、古土壤等沉積物形成的氧化—還原條件和風(fēng)化作用程度。一般說來,SiO2/Al2O3和FeO/Fe2O3的比值,隨著氣候和濕潤程度的加劇、風(fēng)化程度的加深而減小。(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3反映了活動組分與惰性組分之間的關(guān)系,也與氣候條件有關(guān)。Ti/Al(或TiO2/Al2O3)比值可作為氣候變化指數(shù),在濕熱氣候條件下Ti比Al穩(wěn)定,Al有較多遷移,導(dǎo)致比值變大。同樣,潮濕氣候條件下Nb/Ta比值比干燥氣候低。因Ti在風(fēng)化過程中不移動和石英在粉塵粗粒級中富集,SiO2/TiO2值可作為指示冬季風(fēng)強度的大氣粉塵粒度的替代指標(biāo)。Rb/Sr值具有明顯的氣候意義,可作為衡量東亞夏季風(fēng)強度的替代性指標(biāo)。黃土中碳酸鹽總量取決于堆積區(qū)當(dāng)時的生物氣候環(huán)境,主要由土壤的淋溶程度所控制,可作為降水量變化的一個替代性指標(biāo)。淺海造礁珊瑚具有生長速率快的特點,可以提供高分辨率的海洋環(huán)境信息。珊瑚中一些元素比值如Sr/Ca,Mg/Ca,U/Ca等是海洋表面溫度的良好指標(biāo)(溫度計),但這些元素比值溫度計不具有全球性的普適性。Mitsuguchi利用等離子體光譜(ICP-AES)方法成功地建立了太平洋西部的濱珊瑚Mg/Ca溫度計;韋剛健等利用等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)嘗試建立適用于南海北部的高精度濱珊瑚Mg/Ca溫度計,獲得精度達(dá)±0.5℃的溫度分辨率,其溫度適用范圍是20~32℃。2.2物質(zhì)來源元素的種類、豐度和區(qū)域分布,受物源影響最大。黃河、長江和珠江等河口三角洲近代沉積化學(xué)特征差別較大,這種差異是由于沉積化學(xué)成分受地帶性的生物、氣候及河口地球化學(xué)環(huán)境制約的結(jié)果,依據(jù)這種沉積化學(xué)特征,可用來判別沉積物的來源和古三角洲的變遷。長江與黃河現(xiàn)代表層沉積物元素組成明顯不同,在表生環(huán)境下較穩(wěn)定的元素如Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Li,及Be等可被用來示蹤長江與黃河沉積物。長江沉積物REE含量一般高于黃河沉積物的REE含量,Eu虧損相當(dāng)明顯,可以用來示蹤海洋沉積物中陸源物質(zhì)組成。黃河和長江沉積物中主要粘土礦物也存在著明顯的化學(xué)差異,黃河的伊利石和蒙皂石分別富鉀和鈣,而長江的伊利石和蒙皂石則以貧鉀、鈣,富鐵、鎂為特征。在黃海東部泥質(zhì)沉積物中,V的高含量或V/Al值高,代表沉積物來源于黃河;Mn的高含量或V/Al值低,指示沉積物來自朝鮮半島。Dean等研究了加里福尼亞大陸邊緣沉積物中幾種元素與鋁含量的關(guān)系,作圖顯示Fe,Ti,Li,V與Al呈明顯的線性關(guān)系,并且投影點都落在平均頁巖線上,表明這5種元素都來自于陸殼;而Mo,Cu,Ni,Zn,Ba,Sr這6種元素與Al都不呈線性關(guān)系,含量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過平均頁巖值,說明它們在水體中產(chǎn)生過自生富集,來源于海水。2.3沉積環(huán)境古環(huán)境研究中,邊緣海碳酸鹽的百分含量與水深和水溫關(guān)系密切,碳酸鹽旋回的不同類型取決于各個海盆深層水來源和性質(zhì)。南海末次冰期及晚更新世以來的古海洋學(xué)調(diào)查分析表明:溶躍面之上CaCO3含量主要受陸源碎屑沉積物的稀釋作用控制,冰期時CaCO3含量低,間冰期含量高,是“大西洋型”碳酸鹽旋回;在溶躍面之下,主要受深海溶解作用控制,冰期時含量高,間冰期含量低,是“太平洋型”碳酸鹽旋回。南海柱狀樣碳酸鹽溶解作用的變化揭示,在近0.8Ma以來CaCO3含量存在冰期高、間冰期低的“太平洋型”碳酸鹽旋回,數(shù)次碳酸鹽強溶解作用均發(fā)生在間冰期向冰期的轉(zhuǎn)折期。南沙南部陸坡沉積物元素地球化學(xué)分析結(jié)果顯示:元素經(jīng)Sc標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)果以及一些特征元素比值的變化與氣候變化密切相關(guān),意味著氣候驅(qū)動機制的存在,周邊陸殼風(fēng)化強度的變化影響著陸源碎屑輸入的通量;在南沙鄰近海域,除了陸源碎屑物質(zhì)輸入之外,自生顆粒物質(zhì)的累積對沉積物的沉積速率也有重要的貢獻(xiàn)。沉積物中大量自生Mn的沉積,表明南沙海域底層水一直處于富氧狀態(tài),水體補充充分。2.4古海洋學(xué)事件20多年前,人們正是分析研究了白堊系—第三系界線的粘土層中微量元素銥及鈷、鎳、砷、銻的異常含量,才得出恐龍等一大批古生物滅絕是由球外星體撞擊地球所造成的這一轟動性假說。目前在第四紀(jì)古海洋學(xué)中非漸變性地質(zhì)事件研究,已成為主流方向,如末次間冰期以來地球氣候系統(tǒng)的突變研究,就利用了海洋沉積地層中的元素和同位素記錄。對全巖樣品進(jìn)行微量元素分析已被當(dāng)作對重大地層界線進(jìn)行對比的重要輔助手段之一。強烈的地質(zhì)事件可以造成環(huán)境性質(zhì)的長期改變,進(jìn)而改變沉積物元素地球化學(xué)特征。特征微量元素可以通過一系列途徑富集于海洋沉積物中,如隕擊塵降物、深位火山噴發(fā)、風(fēng)暴沉積、大洋缺氧事件層和濁流沉積等,由此而形成的化學(xué)峰可用于區(qū)域或全球性地層對比。在巖心剖面上的某一層位中不同元素含量幾乎同時發(fā)生異常變化,從而揭示這一地質(zhì)時期,沉積環(huán)境曾有過明顯的變化,是地層界限的重要標(biāo)志。青藏高原隆升是新生代晚期亞洲和全球重大的地質(zhì)事件之一,影響所及,無論海洋沉積、海水化學(xué)成分以至大氣環(huán)流,甚至大氣成分,都可能發(fā)生響應(yīng)變化。高原隆升,陸地風(fēng)化剝蝕加劇,帶給海水的不僅有Sr,還有其它各種元素,包括P,C等與生產(chǎn)力直接相關(guān)的元素。所以元素地球化學(xué)在示蹤青藏高原隆起所引起的古環(huán)境變化中,也具有相當(dāng)重要的作用。3沖繩海槽元素地球化學(xué)的沉積環(huán)境和物源研究沖繩海槽以其特殊的大地構(gòu)造位置和獨特的海洋地質(zhì)特征吸引著學(xué)者們的注意,其沉積環(huán)境和物源研究對揭示西太平洋溝—弧—盆體系的形成和發(fā)展、第四紀(jì)東海古海洋學(xué)特征和全球氣候變化、古陸水系的形成和古三角洲的變遷,都有著不可替代的重大意義。沖繩海槽不同地貌單元下的沉積環(huán)境的元素地球化學(xué)組合具有很大的不同,可以劃分出若干個地球化學(xué)分區(qū),在結(jié)合沉積物特征和礦物組合特征的基礎(chǔ),利用元素和元素組合可以較準(zhǔn)確地進(jìn)行沉積環(huán)境和物源的分析判斷。元素地球化學(xué)研究表明:沖繩海槽表層沉積物與黃河、長江、東海陸架沉積物以及西太平粘土元素地球化學(xué)相比,絕大部分常量組分與黃河、長江和東海沉積物相近。在17個可以比較的微量元素中,有Ba,Ni,Cu等12個元素與黃河、長江和東海陸架沉積物接近。稀土元素的分布模式與黃河、長江及東海陸架沉積物基本相同,輕稀土相對富集,Eu稍呈負(fù)異常,表現(xiàn)出陸殼稀土特征,而與西太平洋粘土相差較大。海槽沉積物中大多數(shù)元素如Al2O3,Fe2O3,P2O5,Co,Cr,Zn,S等20多個被測試的元素在槽底的含量高于陸架邊緣和西坡和東坡的含量,從陸架邊緣和陸坡→槽底→島坡,沉積物SiO2,TiO2,Zr,Hf,ΣREE含量呈現(xiàn)高到低的趨勢,而CaCO3,CaO,Sr含量出現(xiàn)由低到高的趨勢。海槽沉積物特征除了生物組分含量明顯增大以外,火山物質(zhì)也是一種具有區(qū)域性特征的組分,沉積物中的Ag,Sb,As,Pb等元素的局部富集與槽底的熱液活動有關(guān)。另外,自生組分增加也是海槽的重要沉積特征之一,海槽內(nèi)Mn和P的自生指數(shù)已超過碎屑指數(shù),但大多數(shù)元素的碎屑指數(shù)與東海陸