Journal of Marine Sciences >

2023 , Vol. 41 >Issue 3: 56 - 72

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-909X.2023.03.006

Clay mineral characteristics of sediments in the seamount basin of the Western Pacific and its indicative significance

  • DENG Tao , 1, 2 ,
  • XU Dong , 1, 2, * ,
  • XIAO Tinglu 1, 2 ,
  • YE Liming 1, 2 ,
  • ZHANG Weiyan 1, 2
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  • 1. Key Laboratory of Submarine Geosciences, MNR, Hangzhou 310012, China
  • 2. Second Institute of Oceanography, MNR, Hangzhou 310012, China

Received date: 2022-10-31

  Revised date: 2023-03-21

  Online published: 2023-10-24

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Abstract

The clay mineral assemblage in abyssal sediments can reflect the paleoclimate and paleoenvironment changes of the provenance area. Predecessors have many studies about the characteristics of clay mineral assemblages in the Pacific sediments west of the Mariana Trench, but the less research on the characteristics of clay mineral assemblages in the east of the Mariana Trench limits a deeper understanding of the relationship between the Asian aeolian dust input and the Pacific deep-sea sedimentary environment. In this study, 31 surface samples and 1 core sample collected in the Malkus-Wake Seamount area of the Western Pacific during the 2019 DY54 cruise were analyzed for clay minerals, combined with the data collected in the Western Pacific and nearby areas, we discussed the characteristics of composition, distribution and the provenance of clay minerals. The results showed that illite was the main clay mineral in surface sediments of the study area, with an average value of 69%; the content of chlorite and kaolinite were the second, with an average of 16% and 11% respectively; that of smectite was the least, with an average of 3%. In the core P04, the assemblage of the clay mineral was basically the same as surface samples, but below 250 cm depth, the content of smectite increased significantly, while the content of illite decreased relatively. Provenance analysis showed that Asian aeolian dust was the main source of illite in the study area, and kaolinite and chlorite might also be from Asian aeolian dust, and the East Asian winter monsoon was the main transport force of these clay minerals. The smectite in sediments could be mainly formed by weathering of submarine volcanic materials. The increase of illite content while the decrease of smectite content in the upper layer of core P04 sediment was responded to the increase of Asian aeolian dust input since the Middle Pleistocene.

Key words： Western Pacific; clay minerals; aeolian deposition; provenance

Cite this article

DENG Tao , XU Dong , XIAO Tinglu , YE Liming , ZHANG Weiyan . Clay mineral characteristics of sediments in the seamount basin of the Western Pacific and its indicative significance[J]. Journal of Marine Sciences, 2023 , 41(3) : 56 -72 . DOI: 10.3969/j.issn.1001-909X.2023.03.006

0 引言

黏土矿物是一种具有层状结构的硅酸盐矿物,粒径一般小于2 μm,容易被远距离搬运,在海洋中分布广泛,是深海沉积物的主要组分[1⇓-3]。黏土矿物对气候和环境的变化较为敏感,其组合与形态特征被广泛应用于物源示踪和源区气候分析[3⇓-5]。
海洋沉积物中的黏土矿物主要包括伊利石、高岭石、绿泥石和蒙脱石。对西太平洋深海沉积物中黏土矿物的物源分析认为:伊利石、高岭石和绿泥石主要为陆源,蒙脱石有陆源和海底火山物质风化两种来源;陆源黏土矿物主要通过河流和风尘输入深海[2,6-7]。
黏土矿物在西太平洋海底的分布受源区黏土矿物组成的影响,也与黏土矿物的搬运过程和海底地形等因素有关。伊利石是亚洲大陆风尘的代表性组分,其在西太平洋沉积物中的分布具有离亚洲大陆越远含量越低的趋势[8]。黄杰 等[9]对帕里西维拉海盆的研究发现,伊利石主要富集于地势较低处,蒙脱石则在靠近地势较高处呈现高值,深水区沉积物中风尘组分较少受到周边海山或海脊物质稀释作用和底层洋流侵蚀作用的影响。王银 等[1]则发现马里亚纳海沟以东的海山区域的黏土矿物,在水深处蒙脱石含量较高,在水浅处伊利石含量较高,底层洋流可能带来了外来蒙脱石。黏土矿物在西太平洋地区的总体分布特征以及地形和洋流等对黏土矿物分布的影响尚无定论,还需要进行深入系统的研究。
黏土矿物指标对气候变化敏感,在不同海区,不同的黏土矿物组合能指示东亚冬季风[10-11]与东亚夏季风的变化[12],同时黏土矿物含量的比值能够作为风尘通量的指标[13]。众多研究表明,西太平洋黏土矿物组成反映了中更新世以来亚洲风尘源区气候逐渐变得干旱、寒冷,东亚冬季风持续增强,风尘通量也在增加的整体趋势[3,13⇓-15]。目前对西太平洋深海沉积中黏土矿物记录的研究主要集中在菲律宾海[2-3,14-15],亟需补充西太平洋中高纬地区和沟-弧-盆系统以东区域的黏土矿物研究资料,以便更好地理解亚洲大陆气候变化对高空物质扩散过程和西太平洋深海海洋过程的影响。本文以马里亚纳海沟以东的马尔库斯-威克海山区内31个表层样和1个柱状样为研究材料,通过对黏土矿物的组合特征等进行分析,讨论其物源,从而研究马里亚纳海沟以东的海山盆地对亚洲大陆气候变化的响应。

1 区域背景

研究区主要位于马尔库斯-威克海山区东南沿线(图1),地形地貌单元并不复杂,以板块内热点火山作用而形成的海山和环绕海山分布的海盆为主,海山的形成时间集中于120~90 Ma B.P.[16]。研究区远离大陆,水深大部分在4 000 m以上,流经研究区附近的深层洋流主要是下部环南极深层水(lower circumpolar deep water,LCDW)[17]。研究区中心向东南约700 km为威克岛,西距马里亚纳海沟约1 000 km,与临近大陆和边缘海区均有岛弧或海沟相隔,地理上处于亚洲冬季风的下风向,大致的冬季风向如图1所示[18]。研究区的沉积物来源较为单一,沉积物类型主要为黏土,混有少量钙质软泥等。邱忠荣 等[6]认为研究区所在的马尔库斯-威克海山区的表层沉积物主要为陆源风尘物质,但受到海洋自生物质的影响。
图1 研究区区位图

Fig.1 Overview map of the study area

2 材料与方法

样品于2019年在西太平洋马尔库斯-威克海山区东南部调查区取得,包括表层样和柱状样。表层样选用箱式取样器采样,31个站位的布设见图2。柱状样选用柱状取样器在表层样P04站位所在位置取样,即P04柱状样。P04柱状样取样水深为5 735 m,长3.28 m,整体呈褐色,且层位越深颜色越深。
图2 研究区采样站位布设图

Fig.2 Schematic map of sampling stations

黏土矿物分析前处理步骤:首先用冷冻干燥机真空冷冻干燥沉积物样品;取约10 g样品并用去离子水洗盐;使用过量的质量分数为30%的双氧水去除有机质;在去除有机质后,加去离子水离心(4 500 r/min, 15 min)清洗两次,以尽可能地去除残留于样品中的多余双氧水;筛分经过上述处理的沉积物样品,以获得粒径小于63 μm的组分;依据Stock沉降原理提取样品中小于2 μm的组分;使用过量1 mol/L的盐酸去除样品中的碳酸盐,并在反应完全后用去离子水清洗两次去除残留的稀盐酸,最终获得进行X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)测试所需的小于2 μm的组分。
用涂片法将经过上述前处理的黏土粒级样品制成自然片,进行XRD测试分析;然后将测试后的自然片都制成乙二醇饱和片(35 ℃,36 h),再进行XRD测试分析;将部分典型样品制成高温片(550 ℃,2 h),再进行XRD测试分析。 XRD测试分析采用荷兰X’Pert PRO X射线衍射仪,该仪器使用Cu靶辐射,管电压为45 kV,管电流为40 mA,扫描范围为3°~35°(2θ),扫描速度为1.8°/min。全部样品的前处理工作和XRD分析均在自然资源部海底科学重点实验室完成。实验流程详见图3。
图3 实验流程图

Fig.3 Experiment process

针对同一样品的自然片、乙二醇饱和片和高温片,通过对比分析其衍射特征来识别样品中的黏土矿物组成,再依据BISCAYE方法[19]半定量计算伊利石、蒙脱石、绿泥石和高岭石等4种主要黏土矿物的含量。使用Jade 6软件对乙二醇饱和片的数据进行处理并绘图,如图4中乙二醇饱和片曲线的衍射特征峰上,17Å特征峰指示蒙脱石,10Å特征峰指示伊利石,7Å特征峰指示绿泥石和高岭石。用权重因子1、4、2分别乘以上述3个特征峰的峰面积作为各种矿物的含量。进一步依据3.53Å衍射峰(绿泥石)和3.58Å衍射峰(高岭石)的面积比值来计算绿泥石和高岭石的含量。最后将4种黏土矿物的总含量校正为100%,得出4种黏土矿物的相对含量[20]。
图4 P01站位表层样X射线衍射图谱

Fig.4 X-ray diffraction diagram of surface sample in P01 station

同时,可利用乙二醇曲线计算得到伊利石化学指数与伊利石结晶度指数等黏土矿物特征参数。5Å衍射峰和10Å衍射峰的峰面积比值为伊利石化学指数。伊利石化学指数小于0.5指示伊利石风化程度较弱,主要遭受物理风化,伊利石富铁和镁。伊利石化学指数大于0.5指示伊利石风化程度较大,主要遭受化学风化,并受到过较强的水解作用,伊利石富铝[1,5]。结晶度指数可以指示黏土矿物的有序度和晶体颗粒的大小[1],10Å衍射峰的半峰宽值可用来指示伊利石结晶度指数。结晶程度可划分为差、中等、好与极好4个等级[4,7]:结晶度指数小于0.4表示结晶度极好;0.4~0.6表示结晶度好;0.6~0.8表示结晶度中等;大于0.8表示结晶度差。结晶程度好,对应的大陆物源区气候条件寒冷、干燥,伊利石遭受的水解作用较弱。

3 结果

3.1 表层沉积物中黏土矿物的组成

叠加对比乙二醇曲线、高温曲线和常温曲线[20]可识别出蒙脱石、伊利石、绿泥石和高岭石四种黏土矿物以及石英与长石两种非黏土矿物(图4)。
图4中常温曲线上14Å附近的蒙脱石与绿泥石叠加峰经过乙二醇饱和处理后,分异成17Å和14Å两个特征峰,这与蒙脱石在乙二醇饱和后膨胀致使其特征峰向低角度移动至17Å的特征[2]相符,说明样品中含有蒙脱石和绿泥石。蒙脱石在高温加热后会脱水转化为伊利石,与常温曲线对比,高温曲线上17Å的蒙脱石特征峰几乎完全消失,而伊利石10Å特征峰的强度有较为明显的增强。伊利石的特征峰为10Å和5Å。图4中10Å和5Å的衍射峰明显,且常温片经过乙二醇饱和后,10Å和5Å的衍射峰没有明显的位置和强度变化,说明样品中含有伊利石。高岭石与绿泥石的特征峰出现在7Å 与3.5Å附近,如图4所示,常温曲线上7Å 与3.5Å附近均可见衍射峰,其中7Å 为高岭石与绿泥石叠加峰,3.5Å附近则出现了3.58Å(高岭石002衍射峰)与3.53Å(绿泥石004衍射峰)的双峰,且常温片经过乙二醇饱和后,特征峰的位置与强度没有明显变化,说明样品中含有高岭石和绿泥石。绿泥石在14Å、7Å、4.72Å和3.53Å附近共存在4个特征峰, 7Å(绿泥石002衍射峰)与3.53Å(绿泥石004衍射峰)特征峰的强度明显大于14Å(绿泥石001衍射峰)与4.72Å(绿泥石003衍射峰),且研究区大部分表层样的XRD图谱都呈现此特征,说明研究区大部分表层样衍射图谱中绿泥石的第一级与第三级基面的反射较第二级与第四级基面明显偏弱,指示绿泥石富铁[2,21]。除上述黏土矿物之外,3.33Å的特征峰指示含有石英,2.8Å的特征峰指示含有长石。

3.2 表层沉积物中黏土矿物分布特征

研究区31个表层样中,蒙脱石含量为1%~11%,平均值约为3%,最大值出现在P06站位,最小值出现在P05、P25和P35站位;伊利石是表层样中含量最多的黏土矿物,其含量为61%~75%,平均值约为69%,最大值出现在P05和P17站位,最小值出现在P06站位;高岭石含量为8%~13%,平均值约为11%,最大值出现在P04和P07站位,最小值出现在P35站位;绿泥石的含量为12%~20%,平均值约为16%,最大值出现在P24站位,最小值出现在P05站位;伊利石化学指数的范围为0.27~0.43,平均值约为0.38;伊利石结晶度指数的范围为0.27~0.38,平均值约为0.29(见图5与表1)。
图5 研究区表层沉积物黏土矿物分布图

Fig.5 Clay mineral distribution of surface sediments in the study area

表1 表层沉积物取样位置与黏土矿物特征

Tab.1 Sampling sites and clay mineral characteristics of surface sediments

站位 经度 纬度 黏土矿物含量/% 伊利石化学指数 伊利石结晶度指数
蒙脱石 伊利石 高岭石 绿泥石
P01 160.30°E 23.00°N 3 69 11 17 0.41 0.31
P02 160.30°E 22.19°N 2 70 11 16 0.37 0.29
P03 160.30°E 21.38°N 2 71 12 15 0.34 0.30
P04 160.30°E 20.54°N 4 67 13 15 0.38 0.28
P05 160.26°E 19.71°N 1 75 12 12 0.27 0.36
P06 160.30°E 18.90°N 11 61 10 17 0.41 0.29
P07 161.15°E 23.03°N 2 70 13 16 0.37 0.29
P08 161.12°E 22.18°N 8 66 9 17 0.43 0.28
P09 161.12°E 21.36°N 4 70 12 14 0.37 0.30
P10 161.29°E 20.48°N 3 72 11 15 0.36 0.30
P11 161.12°E 19.72°N 6 67 10 17 0.42 0.29
P12 161.15°E 18.93°N 4 69 10 18 0.39 0.30
P13 161.94°E 23.00°N 3 69 12 16 0.37 0.28
P14 161.94°E 22.18°N 3 69 12 15 0.37 0.28
P15 161.95°E 21.37°N 3 70 10 17 0.40 0.30
P16 161.94°E 20.54°N 3 70 12 16 0.35 0.29
P17 161.91°E 19.68°N 2 75 10 13 0.32 0.38
P18 161.89°E 18.89°N 7 66 12 15 0.39 0.28
P19 162.81°E 23.00°N 2 71 11 16 0.36 0.29
P20 162.76°E 22.18°N 3 70 10 18 0.38 0.28
P21 162.76°E 21.42°N 2 71 12 15 0.37 0.29
P22 162.76°E 20.52°N 2 71 12 15 0.38 0.29
P23 162.76°E 19.72°N 3 69 12 16 0.40 0.30
P24 162.76°E 18.90°N 3 67 10 20 0.41 0.27
P25 163.58°E 23.00°N 1 70 12 17 0.38 0.29
P26 163.58°E 22.18°N 5 67 12 16 0.37 0.29
P27 163.58°E 21.35°N 4 70 11 15 0.36 0.28
P31 164.40°E 23.00°N 2 70 12 16 0.36 0.27
P32 164.40°E 22.18°N 5 69 9 18 0.39 0.30
P33 165.22°E 23.00°N 2 70 9 19 0.40 0.30
P35 166.04°E 23.00°N 1 73 8 18 0.38 0.31
图6展示了表层样4种黏土矿物的水平分布情况。整体来看,研究区南部蒙脱石含量明显高于北部,但研究区北部的P08和P26站位的蒙脱石含量也较高。伊利石整体呈现出北高南低的分布规律。高岭石的水平分布规律则不明显。绿泥石含量在研究区南部海山附近出现数个低值。
图6 4种黏土矿物的平面分布图

Fig.6 Distribution of four clay minerals

研究区蒙脱石与伊利石的相关性见图7。皮尔逊相关系数R的绝对值在0~1之间,越接近1相关性越强,相关系数R为正代表正相关,相关系数R为负则代表负相关。表层样和P04柱状样中蒙脱石与伊利石的负相关关系均十分明显,其中表层样的相关性系数R值为-0.86,P04柱状样中相关性系数R值为-0.96。两种矿物含量此消彼长,指示蒙脱石和伊利石应当来自不同的物源。
图7 研究区表层样(a)与P04柱状样(b)中蒙脱石与伊利石的相关性

Fig.7 Correlation of smectite and illite in surface samples (a) and core P04 samples (b) in the study area

3.3 柱状沉积物中黏土矿物含量变化特征

柱状样可显示垂直方向黏土矿物含量变化(图8),层位由深到浅:P04柱状样中蒙脱石含量逐步减少的趋势明显;伊利石与高岭石含量增加的趋势也较为明显,但二者的变化幅度小于蒙脱石;绿泥石含量波动较大,变化趋势不明显。在250 cm以深,蒙脱石含量超过了高岭石,与绿泥石含量相当;而伊利石含量明显较低。
图8 P04柱状样各黏土矿物含量变化与深度的关系

Fig.8 The relationship between change of four clay minerals and depth in core P04

4 讨论

4.1 研究区黏土矿物成因及其物源分析

4 种黏土矿物的不同组合指示不同的原岩特征和源区气候。伊利石是典型的陆源碎屑矿物,它主要由陆地上火成岩、变质岩或古老的沉积岩侵蚀所形成[3,22],干冷的气候和弱的淋滤作用等条件有利于伊利石的保存[14]。蒙脱石有两个来源:一是陆源,主要由中性、基性火山岩风化后形成[7,23];二是海底火山物质的风化[7],有研究认为大洋沉积物中蒙脱石主要来源于海底火山物质的风化[24]。高岭石是在潮湿气候下,酸性介质中母岩(如花岗岩、花岗闪长岩、中酸性火山岩)被强烈淋滤后形成[7,14],其母岩多富含碱金属和碱土金属[23]。海洋的碱性或弱碱性环境制约了高岭石的形成[7,14],高岭石一般是低纬陆地的产物,在中高纬度地区的土壤和黄土中也有一定数量的分布[14,24]。绿泥石一般是由中高纬地区陆地低级变质岩、火成岩及古老沉积岩在干冷的气候环境下机械侵蚀而成的[1,7],具有活跃构造环境和强烈季节性降水的低纬度地区也可能有一定数量的绿泥石生成[23]。深海沉积物中的绿泥石主要来源于陆地碎屑[14]。
在菲律宾海和研究区所在的马尔库斯-威克海山区,海洋沉积物中的黏土矿物均具有陆源和火山物质混合来源的特征[1,6]。将太平洋及周边地区的黏土矿物数据进行对比分析,绘制出了以蒙脱石、伊利石和高岭石+绿泥石为3个端元的三角图(图9)。相比其他地区,研究区的蒙脱石含量较低,中国黄土、东海陆架、冲绳海槽、西菲律宾海、中太平洋以及研究区西侧的C海盆和M海盆海区沉积物中的黏土矿物组合特征与研究区有一定相似性,即高岭石+绿泥石占比大致在10%~35%。因此可以推测:与上述地区物源相似,研究区黏土矿物主要源自亚洲风尘和海底火山物质的风化。
图9 蒙脱石-伊利石-(高岭石+绿泥石)黏土矿物三角图

(数据来源见表2。)

Fig.9 Ternary diagram of three clay mineral groups

(The data sources are shown in Table 2.)

表2 研究区与太平洋其他海域及附近地区的黏土矿物含量平均组成对比

Tab.2 The average content composition of clay minerals in the study area and other sea areas in the Pacific and nearby areas

区域和站位 黏土矿物含量/% 数据来源
蒙脱石 伊利石 高岭石+
绿泥石
本研究区 3 69 27 本研究①
C海盆 16 64 20 文献[1]①②
M海盆 22 62 16 文献[1]①②
北太平洋和白令海 10 47 43 文献[25]①
白令海SO202-18-3站
与SO202-18-6站		 11 49 40 文献[26]③
中太平洋PC15 68 13 19 文献[26]③
南太平洋 53 21 26 文献[27]②
中国黄土 1 78 21 文献[28]①②
南海北部ODP1146站 34 45 22 文献[28]②
珠江 1 52 47 文献[28]①②
长江 5 69 25 文献[28]①②
台湾浊水溪 0 69 31 文献[28]①
东海陆架 12 60 29 文献[29]①②
南海北部陆架 12 50 38 文献[29]①②
冲绳海槽 25 61 13 文献[29]①②
四国海盆 15 60 25 文献[30]①②
西菲律宾海 85KL 23 56 21 文献[31]②③
I8孔 28 40 32 文献[32]②③
XT4孔 15 52 33 文献[15]②③
平均 22 49 29 文献[15,31-32]①
帕里西维拉
海盆		 南部 49 35 16 文献[9]①②
西北部 35 47 18 文献[33]①②
F090815 53 34 13 文献[2]②③
F100609 35 52 13 文献[2]②③
F090102 34 49 17 文献[24]②③
F090203 42 42 16 文献[24]②③
F090815 32 49 19 文献[24]②③
F100214 27 67 6 文献[24]②③
F100705 16 65 19 文献[24]②③
F100901 21 61 18 文献[24]②③
F101012 35 52 13 文献[24]②③
F101101 74 18 8 文献[24]②③
PV091101 47 39 14 文献[14]②③
PV090510 49 36 15 文献[14]②③
吕宋岛东 Ph03 47 6 47 文献[33]②
Ph04 50 3 47 文献[33]②
平均 49 5 47 文献[33]①
菲律宾海沟
附近		 WP1 37 16 47 文献[34]②
WP2 54 7 40 文献[34]②
WP40 56 7 37 文献[34]②
平均 49 10 41 文献[34]①
马里亚纳
海槽		 61KL 85 2 13 文献[31]②
57KL 48 27 25 文献[31]②
75 15 10 文献[35]②
平均 69 15 16 文献[31,35]①

①为图11参考数据。

②为图9参考数据。

③依据参考文献柱状样顶部黏土矿物含量重新计算。

接下来展开对伊利石、蒙脱石、高岭石和绿泥石等4种主要黏土矿物的具体物源分析。

4.1.1 伊利石来源

海洋中的伊利石来源于陆源碎屑物质,它们由陆地上的火成岩、变质岩或古老的沉积岩遭受风化侵蚀所形成[3,22],河流与风是伊利石到达大洋的主要搬运动力[36]。
伊利石与高岭石的比值(Illite/Kaolinite,简称I/K值)可以作为伊利石陆源分析的指标[1]。研究区表层样中的I/K值为5.1~9.6,平均值为6.4。将研究区I/K值与亚洲(1~22)[1,37]、美洲(1.1~3.5)[1,38]和澳大利亚(0.8~1.9)[1,39]对比可以发现,研究区I/K值超出了澳大利亚物源和美洲物源的I/K值范围,处在亚洲物源I/K值范围内,亚洲应为研究区伊利石的主要物源。研究区也正好位于东亚冬季风的下风向,故推测样品中占主要成分的伊利石主要是由冬季风搬运而来。研究区I/K值稳定且集中,在绝大部分站点为5~7,由此推断研究区表层伊利石的物源单一,且较为稳定。
菲律宾群岛、我国台湾岛和内陆黄土区都位于研究区的上风向。菲律宾群岛沉积物中的伊利石含量小于20%[40],而研究区表层样中伊利石含量大于60%,其平均值为69%,故菲律宾群岛不可能是研究区伊利石的主要源地。台湾岛浊水溪伊利石含量较高,平均值为69%[28],与研究区相近,但伊利石化学指数(台湾岛平均值为0.49,研究区平均值为0.38)和伊利石结晶度指数(台湾岛平均值<0.23,研究区平均值为0.29)与研究区表层样的数据有明显差异[5,41-42],故台湾岛不可能是研究区伊利石的主要源地。中国黄土中的伊利石含量与研究区接近(中国黄土平均值为78%[28],研究区平均值为69%),中国黄土与古土壤的结晶度指数(中国黄土为0.22~0.33,古土壤为0.22~0.42[24])也与研究区(0.26~0.39)相近,研究区伊利石与黄土有相似的物源。
研究区表层样中伊利石化学指数小于0.5,说明研究区伊利石遭受风化程度较弱,且以物理风化为主;伊利石结晶度指数小于0.4,指示研究区伊利石结晶程度极好,遭受过的水解作用较弱,伊利石物源区的气候条件干旱、寒冷。
综上,亚洲内陆干旱、寒冷地区为研究区伊利石物源区。从地理位置来看,将沉积物从物源区搬运到研究区可能的营力有河流、洋流和季风。考虑到亚洲大陆与研究区之间有多道岛弧、海沟以及洋流组成的隔断体系,河流与洋流很难将陆地物质运往研究区,故推测风是伊利石输入研究区的主要搬运营力。从亚洲物源区到研究区的可能运输路径来看,西风急流和东亚冬季风可能是伊利石的主要搬运营力。西风急流的分布范围(30°N—50°N)[1]与研究区所在海域(18°N—24°N,见图2)相距较远,西太平洋的西风急流轴在30°N偏北附近[43],因此西风急流不应是最主要的搬运营力,但强劲的西风急流可能搬运了部分伊利石。东亚冬季风的主要运行轨迹为从亚洲内陆的干旱、寒冷地区(新疆、蒙古和西伯利亚地区的冷高压区)向东南运动到太平洋中部,覆盖了研究区所在海区。图9指示了研究区的黏土矿物组成与西菲律宾海相近,可能有相同的物源。前人研究认为东亚冬季风是西菲律宾海沉积物中的风尘物质的主要携带动力[44⇓-46],故推测东亚冬季风应是研究区伊利石的主要搬运营力。

4.1.2 蒙脱石来源

一般认为海洋沉积物中的蒙脱石有陆地碎屑搬运和海底火山物质风化两个来源[7]。海底火山物质经历长期海解形成的蒙脱石是大洋沉积物中蒙脱石的主要来源[24]。研究区表层样中蒙脱石含量很低,绝大多数站位不到10%,个别甚至接近1%(见表1),但是在柱状样中,下部层位蒙脱石含量明显增大,部分超过了15%(见图8)。
研究区海山较多,海底火山物质风化应该是蒙脱石的主要来源。以表层样黏土矿物数据来看,近期火山物质来源相对匮乏,黏土矿物物源整体以陆源为主。柱状样中蒙脱石含量呈深度越大含量越高的变化趋势(图8),可能有以下原因:一是研究区曾经有过较为活跃的火山活动,火山物质对沉积物组成有过重要贡献,为沉积物提供了较为丰富的蒙脱石;二是曾经陆源风尘的输入较少,沉积物中海底火山风化形成的蒙脱石受到来自陆源风尘的稀释较弱,从而使得蒙脱石的含量相对增加。

4.1.3 高岭石来源

研究区高岭石含量为8%~13%,平均值为11%,与亚洲大陆黄土中高岭石的含量(6%~16%)[47-48]相近。前人认为,研究区附近海域的C海盆与M海盆、东菲律宾海帕里西维拉海盆以及西菲律宾海奄美三角盆地沉积物中的高岭石均与亚洲风尘输入有关[1,14,47]。研究区与亚洲大陆之间有多道岛弧、海沟以及洋流组成的隔断体系,河流与洋流很难将陆地物质运往研究区。推测研究区表层黏土矿物中高岭石的主要物源可能为亚洲风尘。

4.1.4 绿泥石来源

一般认为绿泥石与伊利石都生成于干冷气候环境下的大陆中高纬地区[14],陆地低级变质岩、火成岩及古老沉积岩在干冷的气候环境下遭受机械侵蚀生成绿泥石[1],深海沉积物中的绿泥石主要来自陆地碎屑[7,14]。
研究区表层样中绿泥石的含量为12%~20%,平均值为16%。从X射线衍射图谱(图4)可知,研究区表层样中的绿泥石与中国黄土中的绿泥石具有相同特征,均为富铁绿泥石[2,21]。研究区附近海域的C海盆与M海盆、东菲律宾海帕里西维拉海盆以及西菲律宾海奄美三角盆地沉积物中的绿泥石都与亚洲风尘输入相关[1,14,47]。推测研究区表层黏土矿物中绿泥石的主要物源可能也为亚洲风尘。
综上所述,研究区蒙脱石主要由邻近区域海底火山物质风化形成。伊利石、高岭石和绿泥石的主要物源是亚洲风尘,东亚冬季风是这几类陆源黏土矿物的主要搬运营力,西风急流可能参与了部分陆源黏土矿物的搬运。
亚洲风尘源区主要是中亚造山带、青藏高原北部和中国北部沙漠戈壁等亚洲干旱区[49]。也有研究[50-51]认为黄河等东亚河流的沉积物也可能是风尘的重要源头,黄河带来的沉积物是黄土高原风尘沉积的重要组分。黄河和长江是东亚的大河,其地质历史冰期时干旱暴露的河谷沉积物和冲积平原沉积物可能是潜在的风尘源[52]。

4.2 黏土矿物分布特征与水深的关系

前人研究认为深海沉积物中黏土矿物含量与水深具有一定关系[8-9]。研究区蒙脱石含量与水深大体呈正相关关系,而伊利石含量与水深大体呈负相关关系(图10),这一现象与王银 等[1]的结果一致。
图10 蒙脱石和伊利石含量与水深的关系

Fig.10 Relationship between the content of smectite and illite and water depth

研究区所在的西太平洋海山盆地区域有LCDW大致自南向北流经(图1)[17],而赤道以南的南太平洋海区,因火山活动较为活跃,沉积物中富含蒙脱石(平均含量约为53%)[53]。若研究区蒙脱石主要由LCDW带来,那么在研究区的海山盆地理论上应当有较高的蒙脱石含量,但研究区所有表层样中的蒙脱石含量均相当低(见表1)。因此,笔者认为研究区沉积物中蒙脱石应当是邻近区域海底火山物质风化的产物,LCDW携带而来的蒙脱石可以忽略。沉积分选可能是海山盆地蒙脱石含量相对浅水区更高的原因。按照沉降原理,粒径较大的先沉降,与伊利石、高岭石和绿泥石相比,蒙脱石粒径更小,故更易随海流发生搬运与分选[54],所以在研究区内,蒙脱石在海流流速较慢的海山盆地更易沉降,含量更高。

4.3 西太平洋海域表层沉积物黏土矿物基本分布格局

综合研究区和西太平洋其他海域的表层黏土矿物数据,可以得到西太平洋海域黏土矿物分布的基本格局(图11)。整体来看,伊利石是黏土矿物中的主要成分,在东亚边缘海和西太平洋各海盆均占有近半或更高的含量。东亚边缘海伊利石含量较高而蒙脱石含量较低,马里亚纳海沟以东的海山盆地区域也具有这一特点;而马里亚纳海沟以西的菲律宾海区域则有所不同,伊利石含量有所降低而蒙脱石含量有所增加。沿冬季风下风向,从东亚大陆向菲律宾海,代表陆源输入的伊利石含量逐渐降低,符合风尘向大洋的输送量随距离逐渐减少的规律。另外,在构造活跃的地区,如马里亚纳海槽和菲律宾海沟附近,伊利石含量下降而蒙脱石含量显著上升,这反映了海底火山风化形成的蒙脱石对伊利石的稀释。总的来说,西太平洋深海沉积中伊利石的含量一方面受与源区的距离控制,一方面受区域海底火山风化物质稀释作用影响,后者可能更为重要。
图11 西太平洋海域表层沉积物黏土矿物基本格局

(数据来源见表2。)

Fig.11 Basic pattern of clay minerals in surface sediments in the Western Pacific

(The data sources are shown in Table 2.)

钻探研究显示菲律宾海中部九州-帕劳海脊的火山活动大约在34 Ma B.P.结束,菲律宾海东部西马里亚纳海脊的火山活动大约在11 Ma B.P.结束,两座海脊之间的帕里西维拉海盆的年龄约为30~15 Ma B.P.[55]。西太平洋海山区的海山集中形成于120~90 Ma B.P.[16],远早于菲律宾海。这造成区域内海底火山物质易被沉积物等覆盖,火山物质风化形成的蒙脱石供应相对有限,对风尘沉积的稀释能力较弱。故马里亚纳海沟以东海山盆地沉积物的黏土矿物组合更类似于风尘源区。

4.4 柱状样黏土矿物含量变化的指示意义

根据尚未发表的P04柱状样古地磁定年结果,P04柱状样在134 cm、230 cm和274 cm这3个层位的控制点年代分别为781 ka B.P.、988 ka B.P.和1 072 ka B.P.。根据区间平均沉积速率0.478 cm/ka外推得到P04柱状样底部年龄约为1.19 Ma B.P.,柱状样250 cm之下蒙脱石含量呈明显高值的层位的沉积年代约为1.19 Ma~1.00 Ma B.P.。
依据上文对研究区黏土矿物物源的分析,研究区蒙脱石主要由海底火山物质风化形成,伊利石则主要为陆源物质,且东亚冬季风是伊利石的主要搬运营力。结合前人研究数据绘制了1.20 Ma B.P.以来P04柱伊利石/蒙脱石矿物学指标与其他全球气候变化指标的对比图(图12)。1.00 Ma B.P.之前P04柱伊利石/蒙脱石值处在一个相对稳定的低值,但在约1.00 Ma B.P.之后P04柱伊利石/蒙脱石比值的增加趋势明显,这反映了1.00 Ma B.P.以来研究区沉积物中陆源物质输入的增加和亚洲冬季风的增强。P04柱的伊利石结晶度指数小于0.4,结晶程度极好,指示源区气候寒冷。且P04柱伊利石化学指数与东菲律宾海帕里西维拉海盆PV090510站变化趋势一致,1.20 Ma B.P.以来有下降趋势,降低的伊利石化学指数指示源区气候逐渐寒冷[14,56]。1.00 Ma B.P.以来华北黄土堆积速率加快,北太平洋风尘通量增加,日本海U1430站伊利石/蒙脱石比值整体增长,帕里西维拉海盆PV090510站(伊利石+绿泥石+高岭石)/蒙脱石比值整体增长,与P04柱反映的趋势相同,同时全球深海δ18O曲线的整体变化指示全球气候在1.00 Ma B.P.以来逐渐变冷[13-14,56⇓⇓-59]。
图12 亚洲和全球气候变化指标的对比

(LR04站δ18O参考自文献[57];华北黄土堆积速率参考自文献[58];北太平洋风尘通量参考自文献[59];U1430站数据参考自文献[13];PV090510站数据参考自文献[14]和文献[56]。)

Fig.12 Comparisons of Asian and global climate change indicators

(δ18O of LR04 station from reference[57];Loess mass accumulation rate of Loess Plateau from reference[58];North Pacific Eolian mass accumulation rate form reference[59];data of U1430 station from reference[13];data of PV090510 station from reference[14] and [56].)

前人通过对日本海沉积的研究认为,1.00 Ma B.P.以来,亚洲内陆地区不断变得更寒冷、干燥且多尘,华北黄土堆积的速率与北太平洋的风尘通量也在不断增加[13,60]。1.95 Ma B.P.以来,亚洲大陆内陆的干旱化加剧,东亚冬季风增强,风尘输入逐步增大,这种气候变化通过风尘信号传导到处于下风带的菲律宾海地区[14]。风尘通量增加的机制比较复杂,传统的认识是青藏高原的隆升和亚洲内陆的干旱导致了风尘通量的增加[14,39,60],但近期的研究认为风尘通量的增加源于侵蚀作用的增强,而侵蚀作用的增强则由亚洲内陆冰川作用或季风降水的增强所导致,风尘通量的变化也受到由全球降温引起的源区蒸发量减少的影响,西风带的移动也对风尘通量的变化起到了控制作用[61⇓-63]。综合前人研究,本研究认为1.00 Ma B.P.以来亚洲内陆风尘源区的气候逐渐变冷,输入西太平洋海山区的风尘通量可能增大,稀释了沉积物中的蒙脱石,表现为P04柱状样中蒙脱石含量的明显减少和伊利石含量的明显增加。西太平洋海山盆地虽然远离亚洲大陆,但沉积物中的黏土矿物信号仍然能响应亚洲内陆的气候变化。在未来的研究中,还需要更精确厘定柱状样年代框架,并利用其他反映风尘贡献和海底火山物质输入的指标进行对比分析。

5 结论

本研究分析了研究区的表层样与柱状样黏土矿物数据,主要得出了以下几点结论。
1)表层沉积物中黏土矿物类型以伊利石为主,所有站位的伊利石含量均超过60%,平均值为69%;绿泥石和高岭石含量次之,绿泥石含量平均值为16%,高岭石含量平均值为11%;蒙脱石含量最少,绝大多数站位小于10%,平均值为3%。柱状样的黏土矿物组合与表层样基本一致,但在柱状样的下部(250 cm深度以下),蒙脱石含量明显增加,伊利石含量相对减少。
2)亚洲风尘是研究区伊利石的主要物源,高岭石和绿泥石的主要物源可能也是亚洲风尘,东亚冬季风是这几类黏土矿物的主要搬运营力。蒙脱石主要由邻近区域海底火山物质风化形成。
3)蒙脱石与伊利石含量呈现较为明显的负相关关系,随着水深的增大,伊利石含量逐渐减小,而蒙脱石含量逐渐增大。水深与黏土矿物组合分布的这种特征可能与黏土矿物在海盆沉积过程中发生的差异性沉降有关。
4)在整个西太平洋海域表层沉积物黏土矿物中,伊利石占主要地位,东亚冬季风是其主要搬运营力。构造背景会影响海底火山风化物质输入量,进而影响到表层沉积物中黏土矿物的组成。与菲律宾海相比,西太平洋海山区表层沉积物中较高的伊利石含量与较低的蒙脱石含量可能与区域内海山形成的年代较老有关。
5)P04柱状样黏土矿物组成的变化反映了中更新世以来东亚冬季风增强与亚洲输入太平洋风尘通量增加的过程。

感谢2019年大洋54航次的所有调查队员采集了本文所用样品。感谢实验员李奇同志对本文黏土矿物分析工作的指导。

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