Geochemical characteristics of surface sediments from the middle deep-sea basin of South China Sea
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摘要: 分析了南海海盆中部224个站位表层沉积物的常量组分和微量元素组成，结果表明，这些沉积物与大陆上地壳相比，具有相对贫Si和富Fe、Mg、Na、Ca、Mn的特点，微量元素含量总体与大陆上地壳较为相近。表层沉积物化学组分可以划分为4类组合：硅酸盐碎屑组分、钙质生物碎屑组分、火山碎屑组分和自生矿物组分；硅酸盐碎屑组分和钙质生物碎屑组分占绝对优势，两者含量互为消长，自生矿物和火山碎屑含量较低，仅在局部区域起到相对明显的贡献。南海海盆中部表层沉积物化学组成主要受水深、沉积作用和物质来源3个因素控制；水深和底流搬运作用影响钙质生物碎屑分布，深水海盆碳酸盐溶解作用强烈，海盆中部沉积物钙质生物碎屑含量低，而底流作用则将陆坡区钙质碎屑搬运至海盆边缘区域。沉积物地球化学特征指示，海盆中部沉积物陆源碎屑物质主要来自于西部或西南部，火山碎屑物质可能主要来自于吕宋岛弧火山喷发，并堆积于扩张中心以北和海盆东部区域。Abstract: This paper presents the major and trace elements compositions of the 224 surface sediments taking from the middle deep-sea basin of South China Sea (SCS). Data shows that the samples have low SiO2 and relatively high Fe2O3, MgO, CaO, Na2O, and MnO. The abundances of most trace elements are also higher compared to the upper continental crust. The sediments are composed of four fractions, i.e. the terrigenous silicate fraction, calcareous clastic fraction, pyroclastic fraction and authigenic mineral fraction. The terrigenous silicate and calcareous clastic fractions dominate, while the pyroclastic and authigenic mineral fractions are relatively low in general but significant in some regions. The geochemical characteristics of the surface sediments in the middle deep-sea basin of SCS are mainly controlled by water depth, depositional processes, and sediment sources. The distribution of calcareous clastic fraction is mainly controlled by water depth and deep bottom current transportation. The intensive dissolution of calcium carbonate results in the relatively low content of calcareous clastic fraction in the deep-sea basin deposits, while the terrigenous sediments are supplied to the middle deep-sea basin mainly from the source regions to the west and southwest. The pyroclastic fraction, which is characterized by relatively high content of Na2O, is possibly derived from the Luzon arc, and mainly deposited in the eastern deep-sea basin and the region to the north of the spreading ridge.
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Keywords:
- major elements /
- trace elements /
- geochemistry /
- South China Sea
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南海是西太平洋边缘海，其南部位于西太平洋暖池区，南海沉积物记录了边缘海海洋环境和全球气候变化的重要信息[1-4]。南海独特的地理位置及其复杂的构造环境决定了南海沉积作用具有鲜明的区域性特点，其沉积物质来源具有多源性[5]。南海沉积物的物质来源及其迁移过程研究是海洋沉积学的研究热点。目前在南海北部、东北部、西部陆架和陆坡已开展了大量的相关研究[6-12]；而宽广的深海盆作为南海周缘河流输入物的重要堆积场所，海盆沉积物来源和迁移过程研究相对不足。海盆东部的吕宋岛向南海提供了大量的蒙脱石矿物，这些细粒的黏土矿物入海后经海流搬运主要沉积在海盆北部和东北部陆坡区域[13]；海盆中部区域的碎屑矿物和地球化学特征显示，火山物质输入是区域的重要物质来源[14-16]；此外，研究发现海盆区存在巨大的浊流沉积区，尤其海盆南部区域，湄公河的输入物贡献较小，东南部婆罗洲和巴拉望的剥蚀物很可能是重要的物源[17]。南海海盆区水深较大(普遍大于4000m)，取样难度大，制约了对南海海盆物质来源及其输运机制的认识。本文通过对南海海盆中部表层沉积物常量组分和微量元素地球化学特征分析，探讨海盆区表层沉积物化学组成的控制因素，揭示其所蕴含的地质环境意义。
1. 材料和方法
2012年和2014年，中国地质调查局广州海洋地质调查局在南海海盆中部进行了系统的表层沉积物取样，取样区域见图 1。运用箱式取样器和抓斗取样器共采集了224件表层沉积物样品，调查船为“海洋四号”船。沉积物站位水深范围为1276~4930m，其中水深小于3500m的样品有4件，分别位于海盆中部海山区和西北部中沙台地边缘。研究区表层沉积物类型有砂质泥、含钙质生物泥、含钙质黏土、含钙质硅质黏土、含硅质黏土、含硅质钙质黏土、含硅质含钙质黏土、硅质黏土、硅质钙质黏土和硅质软泥，沉积物颜色有灰色、灰绿色、黄褐色和棕褐色，基本上由细粒组分构成。
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图 1 南海地理概况及研究区位置(表层洋流参考文献[18])Figure 1. The geography of the South China Sea and location of the study area沉积物样品在110℃温度下烘干，研磨成200目粉末。SiO2采用重量法分析；Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、MnO、P2O5、TiO2氧化物以硝酸、高氯酸、氢氟酸三酸溶解制成酸度7%的试液，采用ICP-OES(optima 4300DV)进行测试。微量元素分析(Li、Cs、Rb、Co、Cu、Ni、Pb、Cr、Sr、Zn、Zr、Sc、V、Ga、Ba等)采用等离子体光谱法，取试样用盐酸、氢氟酸、高氯酸加热分解，制成2%的盐酸溶液，用ICP-OES进行测定。烧失量采用重量法，取试样在1000℃灼烧至恒重，灼烧减少的量为烧失量。碳酸钙分析采用滴定法，用EDTA标准溶液滴定；有机碳分析采用重铬酸钾容量法进行测定。样品分析过程采用的国家标准物质包括：深海沉积物成分分析标准物质(GBW07315、GBW07316)和水系沉积物成分分析标准物质(GBW07309、GBW07333、GBW07334)。样品的处理和分析测试工作在广州海洋地质调查局实验测试所完成。
2. 元素的丰度特征
2.1 常量组分含量特征
研究区表层沉积物的常量组分和微量元素含量的统计结果见表 1。
表 1 南海海盆中部表层沉积物常量组分和微量元素成分含量Table 1. The compositions of major and trace elements for surface sediments from the middle deep-sea basin of SCS组分 最小值 最大值 平均值 UCC PAAS EF SiO2 /% 14.9 67.3 53.8 66.62 62.8 0.84 Al2O3/% 4.31 18.1 15.1 15.4 18.9 0.98 Fe2O3/% 1.23 7.29 5.41 5.04 6.5 1.10 MgO/% 1.09 3.56 2.66 2.48 2.2 1.08 CaO/% 0.75 39.5 4.78 3.59 1.3 1.86 Na2O/% 2.1 7.02 3.99 3.27 1.2 1.28 K2O/% 0.68 3.5 2.63 2.8 3.7 0.95 MnO /% 0.09 3.51 0.53 0.1 0.11 5.56 TiO2/% 0.13 0.77 0.60 0.64 1 0.95 P2O5/% 0.09 0.27 0.14 0.15 0.16 0.99 CaCO3/% 0.42 69.3 6.29 Corg/% 0.1 1.91 0.70 Cr/(μg/g) 7.62 113 77.3 92 110 0.86 Co/(μg/g) 4.89 34.3 17.2 17.3 25.7 1.03 Cu/(μg/g) 22.4 179 69.2 28 50 2.64 Ni/(μg/g) 19.4 174 70.2 47 55 1.58 Zn/(μg/g) 37.4 174 103 67 85 1.58 V/(μg/g) 25.8 167 117 97 150 1.23 Sr/(μg/g) 121 2900 313 320 200 1.30 Ba/(μg/g) 409 1530 764 678 650 1.21 Sc/(μg/g) 5.56 19 13.7 14 14.9 1.01 Zr/(μg/g) 48.4 285 111 193 210 0.60 Ga/(μg/g) 4.63 23 18.4 17.5 1.07 Pb/(μg/g) 9.33 32.1 21.4 17 1.31 Li/(μg/g) 16.1 111 66.4 21 3.18 Rb/(μg/g) 25.9 160 107 84 160 1.28 Nb/(μg/g) 3.02 57.8 13.5 12 19 1.12 Cs/(μg/g) 2.35 14.7 9.62 4.9 15 1.97 Ta/(μg/g) 0.21 2.18 1.05 0.9 1.12 1.17 Th/(μg/g) 2.75 15.7 10.6 10.5 14.6 1.03 Y/(μg/g) 15.1 37 25.5 21 27 1.29 注：富集系数EF=(元素/Al)样品/(元素/Al)UCC，UCC数据参考文献[19]，PAAS数据参考文献[20]。 南海海盆中部表层沉积物常量组分以SiO2含量最高，Al2O3含量次之，其次为Fe2O3、Na2O、CaO、K2O、MgO，含量较低的有MnO、TiO2、P2O5和Corg。常量组分变化范围较大，其中SiO2含量为14.9%~67.3%，平均值为53.8%；Al2O3含量为4.31%~18.1%，平均值为15.1%；Fe2O3含量为1.23%~7.29%，平均值为5.41%；Na2O含量为2.1%~7.02%，平均值为3.99%；CaO含量为0.75%~39.5%，平均值为4.78%；K2O含量为0.68%~3.5%，平均值为2.63%；MgO含量为1.09%~3.56%，平均值为2.66%；MnO、TiO2、P2O5和Corg含量平均值分别为0.53%、0.60%、0.14%和0.70%。常量组分含量的空间分布见图 2—3，由图可见常量组分含量仅在海盆边缘区域(即研究区东南角和西北角)表现快速变化趋势，SiO2、Al2O3、Fe2O3、Na2O、K2O、MgO和TiO2的含量均呈现向海盆中心增加的趋势，而CaO含量变化趋势则相反。这一趋势主要体现了钙质生物碎屑对沉积物化学组分的稀释作用，而在中部区域常量组分含量较为稳定，钙质生物碎屑的影响较小。
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图 2 表层沉积物SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、Na2O、K2O、MgO、TiO2含量空间分布图Figure 2. The distributions of SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, Na2O, K2O, MgO, and TiO2 for surface sediments from the middle deep-sea basin of SCS![]()
图 3 表层沉积物MnO、P2O5、Corg和CaCO3含量空间分布图Figure 3. The distributions of MnO, P2O5, Corg and CaCO3 for surface sediments from the middle deep-sea basin of SCS2.2 微量元素含量特征
南海海盆中部表层沉积物微量元素的最小值、最大值和平均值见表 1。微量元素中碱土族元素Sr、Ba含量最高，平均值分别为313μg/g(介于121~2900μg/g)和764μg/g(介于409~1530μg/g)；碱性元素Li、Rb、Cs含量平均值分别为66.4、107和9.62μg/g；铁族元素V、Cr、Co、Ni含量平均值分别为117、77.3、17.2和70.2μg/g；亲铜元素Cu、Zn、Pb含量平均值分别为69.2、103、21.4μg/g；高场强元素Zr、Nb、Ta及亲石元素Ga、Th、Sc含量分别为111、13.5、1.05、18.4、10.6、13.7μg/g。由图 4可见，Sr、Ba含量较高区域位于东南部海盆边缘，Th、Cr、Sc、Zn含量较高区域位于调查区西南部，Co含量空间变化小。总体上，微量元素含量变化范围也较大，海盆边缘区域表层沉积物微量元素(除Sr外)含量较低，也受到钙质生物碎屑的“稀释”。
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图 4 表层沉积物微量元素含量空间分布图Figure 4. The distributions of trace elements for surface sediments from the middle deep-sea basin of SCS2.3 元素的富集系数
海洋沉积物中既有陆源碎屑组分和海洋生物碎屑组分，还有海洋化学沉积组分和火山碎屑组分；而且，陆源碎屑组分在风化剥蚀、沉积搬运和埋藏过程中，不同元素表现出不一样的化学过程。本文计算了南海海盆中部表层沉积物化学元素的富集系数，各站位元素富集系数平均值见表 1。
南海海盆中部表层沉积物中富集系数小于1的元素包括Si、Al、K、P、Cr、Zr，其他元素的富集系数大于1(表 1)。元素Al、K、P富集系数分别为0.98、0.95和0.99，表明这3个元素含量值与上地壳平均值较为接近。与上地壳(UCC)和后太古代澳大利亚页岩(PAAS)相比，沉积物常量组分以贫Si(富集系数为0.84)和富Fe、Mg、Na、Ca、Mn为特点，其中，Fe、Mg、Na、Ca、Mn的富集系数平均值分别为1.10、1.08、1.28、1.86和5.56。元素Fe、Mg、Na的富集程度略低，仅元素Mn的富集程度较高。深海环境中，容易发生铁锰氧化物沉积，形成铁锰微结核，从而在局部区域发生Fe、Mn组分的相对富集[21]。微量元素Co、Cu、Zn、V也与铁锰氧化物发生共沉淀，因此，它们的富集系数也大于1，平均值分别为1.03、2.64、1.58和1.23，其中Cu、Zn更易于沉淀。
钙质生物碎屑富含微量元素Sr，南海海盆表层沉积物Sr的富集系数为0.33~32.4，平均为1.3，变化范围非常大，其中有20个站位沉积物Sr的富集系数大于2，主要位于海盆边缘区域。微量元素Ba、Sc、Ga、Pb、Li、Cs、Rb、Nb、Ta、Th、Y富集系数平均值分别为1.21、1.01、1.07、1.31、3.18、1.97、1.28、1.12、1.17、1.03和1.29；仅微量元素Zr的富集系数小于1，平均值为0.60。
海盆区水深普遍超过4000m，沉积物以细粒黏土组分为主，对于亲石元素、碱金属元素和碱土元素等都有较强的吸附作用，从而使这些元素发生一定程度的富集；海盆区尽管大部分区域碳酸钙溶解较为彻底，但是，在海盆边缘区域和海山边缘区，受底流作用影响，沉积物中仍有一定的钙质生物碎屑，使得这些区域沉积物的微量元素Sr富集特征明显。赋存于重矿物中的元素(如Zr)，由于重矿物迁移能力较弱，因此，在远离源区的海盆中央，沉积物表现出相对贫Zr的特征。
3. 讨论
3.1 元素组合特征
对研究区表层沉积物化学元素含量之间的相关性进行了分析。结果显示，SiO2与大部分元素的相关性不明显，与常量组分Al2O3、Na2O的相关系数较高，分别为0.65和0.57。Al2O3与大部分组分表现出正相关关系，Al2O3与常量组分Fe2O3、MgO、K2O、TiO2的相关系数分别为0.80、0.84、0.85、0.82，但是与Na2O、Corg、MnO的相关性差；Al2O3与微量元素Cr、Zn、Sc、V、Ga、Rb、Th呈较好的正相关性。CaO与大部分元素呈明显的负相关或不相关，但是，CaO与Sr呈较好的正相关，相关系数为0.91。另外，MnO与Co、Cu、Ba的相关性较好，相关系数分别为0.50、0.74、0.61；Na2O只与SiO2、P2O5表现出一定的正相关。
为一进步分析南海海盆中部表层沉积物化学元素的组合特征，对沉积物进行了元素聚类分析(图 5)。结果显示，研究区表层沉积物化学组分可以划分为4类元素组合，第一类组合包括常量组分SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、MgO、TiO2、Corg和微量元素Cr、Zn、Sc、V、Ga、Nb、Rb、Th、Cs，代表硅酸盐碎屑，该组化学成分在海盆区中部含量较高，边缘区含量较低；第二类组合包括CaO、CaCO3、Sr，代表钙质生物碎屑，仅在海山和边缘区域含量较高，海盆中部含量很低，钙质生物碎屑基本上被溶解了；第三类组合包括常量组分MnO和微量元素Co、Cu、Ba、Pb，代表自生矿物(铁锰氧化物)，与化学沉积作用有关，从含量分布特征来看，仅在局部位置出现MnO含量的相对高值，体现化学沉积作用对沉积环境较为敏感；第四类组合包括常量组分Na2O和P2O5，海盆火山碎屑(火山玻璃等)通常具有略高的Na2O含量，该类组合代表火山碎屑物质的贡献。根据化学组分的含量组成特点，南海海盆中部表层沉积物主要由第一类和第二类组分组成，表明硅酸盐碎屑组分和钙质生物碎屑组分占主导，两者存在明显的互为消长关系。自生矿物和火山碎屑仅在局部区域起到相对明显的贡献，这两个组分的贡献相对较低。
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图 5 研究区表层沉积物化学组分聚类分析树状图Figure 5. The dendrogram of chemical composition by clustering analysis for surface sediments in the study area3.2 元素粒度效应
沉积物中化学元素含量通常表现出随粒度变化而有规律的变化，即“元素的粒度效应”。南海海盆中部表层沉积物平均粒径(Ф值)与常量组分、微量元素含量之间的关系图(图 6、图 7)。可以看出，南海海盆中部表层沉积物的平均粒径为5~8Φ，主要由细粒的粉砂组成，沉积物平均粒度的空间变化较小。随着粒度变细(即Ф值变大)，常量组分Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O、TiO2含量逐渐增大，而常量组分Na2O含量逐渐减小，常量组分SiO2、CaO、MnO含量没有表现出递变规律；随着粒度变细，微量元素Zn、Sc、Ga、V含量逐渐增大，其他微量元素没有表现明显的递变规律。粒度变细表明沉积物中细粒组分(如黏土)逐渐增加，亲铝组分Fe2O3、MgO、K2O、TiO2和部分微量元素(Zn、Sc、Ga、V)含量也相应增加；而生物碎屑组分(CaO、Sr)和化学沉积组分(MnO、Co、Cu)受粒度影响也较小。总体上，南海海盆中部表层沉积物陆源碎屑化学组成表现出一定的“粒度效应”特征。
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图 6 表层沉积物常量组分含量与平均粒径关系图Figure 6. The diagrams of major element abundance vs. mean grain size for surface sediments in the study area![]()
图 7 表层沉积物微量元素含量与平均粒径关系图Figure 7. The diagrams of trace element abundance vs. mean grain size for surface sediments in the study area3.3 控制因素分析
(1) 水深
海洋生源组分明显受控于水深，陆坡区生物活动活跃，沉积物中有孔虫壳体和珊瑚碎屑等生源物质含量较高；而南海海盆中部水深普遍大于4000m，碳酸盐溶解作用强烈，因此，海盆区大部分站位沉积物中CaO含量普遍低于5%。由陆坡边缘往海盆中部，随水深增加，CaO含量下降明显。在海盆中部，沉积物中CaCO3含量均低于5%，远低于碳酸钙临界补充深度含量10%[2]，而且，扩张中脊北部和靠近海沟的海盆区，沉积物CaCO3含量普遍低于2%(站位数为102个)。据调查项目尚未发表的数据显示，研究区海盆中部多数站位未鉴定出有孔虫和钙质超微化石，表明南海是存在碳酸钙补偿深度的(约3900~4000m)，大于该深度的海盆区沉积物碳酸钙溶解作用强烈。
(2) 沉积作用
沉积物的形成经历了风化作用、搬运作用和沉积作用，与沉积环境有着密切的关系[22, 23]。南海地形地貌复杂，区域内深水重力流沉积作用发育普遍[17, 24]。南海海盆中部有26个站位表层沉积物CaCO3含量大于10%，其中3个位于海山边缘，其余站位位于海盆东南部、西北部边缘(平均水深3945m，有10个站位水深大于4000m)。在这些站位中，出现浅水种底栖有孔虫；而且，在几个站位沉积物中，还零星出现粉红色Gs. rubber，该种在南海南部400kaBP后大量出现至120kaBP灭绝，这些特征均反映了底流作用对碳酸钙沉积的影响。海盆边缘区域受到底流搬运作用的影响，沉积物中输入了较高的钙质生物碎屑，导致沉积物具有高CaCO3含量，同时，也对SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O等硅酸盐化学组分产生了稀释作用。
(3) 物源
前面分析显示，南海海盆中部沉积物来源包括有陆源碎屑组分、钙质生物组分、火山碎屑组分和海洋化学沉积组分。钙质生物碎屑主要提供CaO、Sr组分；海洋化学沉积组分主要提供MnO、Co、Cu、Ba、Pb，占总体物质的比重相对较低，绝大部分站位中MnO含量低于1%。硅酸盐矿物组分在沉积物中占有绝对优势，包括有陆源输入硅酸盐碎屑物和火山喷发碎屑物。
元素组合分析显示，Na2O是火山碎屑物质的代表性组分，因为，陆源风化剥蚀物中Na是最容易流失的化学元素，在河流沉积物中Na2O含量非常低。据前人研究显示，珠江河流悬浮物Na2O含量仅为0.3%，湄公河悬浮物Na2O含量为0.77%[25]，红河沉积物Na2O含量为0.70%[26]，吕宋岛河流沉积物Na2O含量为1.74%[27]，均低于南海海盆中部沉积物Na2O含量平均值3.99%。南海海盆沉积物中具有一定含量的火山碎屑物质，而且，化学分析表明火山玻璃具有较高的Na2O含量[28]。由Na2O含量的空间分布来看(图 2)，Na2O含量相对较高区域分布在扩张脊以北和研究区东部区域。同样的，Na2O/Al2O3比值和Na2O/K2O比值也具有相同的分布特征(图 8)，均显示在扩张脊以北和研究区东部区域比值较大，表明火山碎屑物质对扩张脊以北和研究区东部区域沉积物的贡献较大，往西和西南方向贡献减弱。南海海盆中部以及南海东部吕宋岛弧分布着大量的第四纪火山，这些火山喷发产生大量的火山碎屑物质沉积在南海海盆区域[14, 28, 29]。
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图 8 表层沉积物Na2O/K2O、Th/Sc、Th/Cr、Nb/Ta比值空间分布图Figure 8. The distributions of Na2O/K2O, Th/Sc, Th/Cr and Nb/Ta for surface sediments in the middle deep-sea basin of SCS沉积物化学组成是进行沉积物物源分析的有效方法[30, 31]。陆源碎屑组分以SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、MgO占绝对比重，南海海盆中部沉积物的SiO2/Al2O3、Fe2O3/Al2O3、K2O/Al2O3、MgO/Al2O3比值空间变化不大，其中，Fe2O3/Al2O3比值为0.2~0.51，均值为0.36，K2O/Al2O3比值为0.1~0.21，均值为0.17，MgO/Al2O3比值为0.13~0.28，均值为0.18，与上地壳比值0.33、0.18和0.16十分相近，表明源岩主要为长英质岩石。微量元素Th、Cr、Co、Sc、Nb、Ta、Zr在搬运和沉积过程中的活动性较弱，La/Sc、Th/Sc、Th/Cr、Th/Co等元素比值基本稳定，保留了源岩的比值特征[32-34]。研究区表层沉积物的Th/Sc、Th/Cr、Th/Co、Nb/Ta比值的平均值分别为0.78、0.15、0.66、12.3，与周缘主要河流悬浮物比值相近，表明这些沉积物主要来源于周缘陆地。在空间分布上，Th/Sc、Th/Cr、Nb/Ta比值在海盆区比值较为稳定，但是，仍然显示出相对高值位于海盆西部区域，由西往东特征元素比值逐步减小，可能反映主要陆源物质的运移方向为西往东，表明西部和西南部陆源是海盆中部沉积物重要的源区。前人研究显示，吕宋岛向南海输入了大量的蒙脱石矿物[13]，但是，海盆中部表层沉积物相对高的Na2O、K2O含量，明显不同于吕宋岛河流沉积物化学组成特征，可能表明吕宋岛河流输入物质大部分被搬运到南海东北部区域，对海盆中部的贡献主要为火山喷发物质。此外，海盆东南部存在较高的钙质生物碎屑组分，反映该区域受到明显的底流影响，表明存在由东南方输入的浊流物质，但是，底流影响的区域主要局限在海盆边缘区域，远小于前人研究圈定的海盆大型浊流沉积区[17]。东南部婆罗洲和巴拉望的剥蚀物很可能是重要的物质来源，具体的物质运移路径和搬运机制有待进一步的研究。华南大陆和台湾岛尽管是南海最重要的物源区，但是，海盆中部远离北部物源区，沉积物常量组分和微量元素分布特征上也没有表现出南北分布的空间差异，可能指示北部陆源碎屑对海盆中部沉积物的贡献较低。
4. 结论
(1) 南海海盆中部表层沉积物以细粒组分为主，与大陆上地壳平均值相比，常量组分具有相对贫Si和富Fe、Mg、Na、Ca、Mn的特点，元素Al、K、P含量相近；大部分微量元素含量略高于大陆上地壳平均值，元素Li、Cu富集系数较高(分别为3.18和2.64)，元素Zr富集系数最小(0.60)，其他微量元素富集系数为1~2，表明微量元素含量总体与大陆上地壳较为接近；
(2) 相关分析和聚类分析表明，表层沉积物化学组分可以划分为4类元素组合，第一类元素组合包括常量组分SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、MgO、TiO2、Corg和微量元素Rb、Cs、Li、Th、Cr、Zn、Sc、V、Ga、Nb，代表硅酸盐碎屑；第二类元素组合包括CaO、CaCO3、Sr，代表钙质生物碎屑；第三类元素组合包括常量组分MnO和微量元素Co、Cu、Ba、Pb，代表与化学沉积作用有关的自生矿物(铁锰氧化物)；第四类组合包括常量组分Na2O和P2O5，代表火山碎屑物质。南海海盆中部表层沉积物主要由硅酸盐碎屑组分和钙质生物碎屑组分组成，两者存在明显的互为消长关系。自生矿物和火山碎屑仅在局部区域起到相对明显的贡献，两个组分含量相对较低；
(3) 南海海盆中部表层沉积物化学组成主要受水深、沉积作用和物质来源3个因素控制。海盆区水深较大，钙质生物碎屑溶解作用强烈，海盆中部钙质生物含量较低，而在海盆边缘区域受底流沉积作用影响，仍堆积了部分来自陆坡区的钙质生物碎屑。火山喷发产生的碎屑物也是南海海盆中部沉积物的重要物质来源，影响较大的区域分布在扩张脊以北和海盆东部区域。表层沉积物地球化学特征表明，海盆中部沉积物主要陆源区位于西部或西南部，陆源物质对海盆沉积物的影响由西往东逐步降低；另外，海盆东南部区域沉积物明显受到底流搬运作用影响。
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图 1 南海地理概况及研究区位置(表层洋流参考文献[18])
Figure 1. The geography of the South China Sea and location of the study area
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图 2 表层沉积物SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、Na2O、K2O、MgO、TiO2含量空间分布图
Figure 2. The distributions of SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, Na2O, K2O, MgO, and TiO2 for surface sediments from the middle deep-sea basin of SCS
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图 3 表层沉积物MnO、P2O5、Corg和CaCO3含量空间分布图
Figure 3. The distributions of MnO, P2O5, Corg and CaCO3 for surface sediments from the middle deep-sea basin of SCS
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图 4 表层沉积物微量元素含量空间分布图
Figure 4. The distributions of trace elements for surface sediments from the middle deep-sea basin of SCS
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图 5 研究区表层沉积物化学组分聚类分析树状图
Figure 5. The dendrogram of chemical composition by clustering analysis for surface sediments in the study area
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图 6 表层沉积物常量组分含量与平均粒径关系图
Figure 6. The diagrams of major element abundance vs. mean grain size for surface sediments in the study area
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图 7 表层沉积物微量元素含量与平均粒径关系图
Figure 7. The diagrams of trace element abundance vs. mean grain size for surface sediments in the study area
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图 8 表层沉积物Na2O/K2O、Th/Sc、Th/Cr、Nb/Ta比值空间分布图
Figure 8. The distributions of Na2O/K2O, Th/Sc, Th/Cr and Nb/Ta for surface sediments in the middle deep-sea basin of SCS
表 1 南海海盆中部表层沉积物常量组分和微量元素成分含量
Table 1 The compositions of major and trace elements for surface sediments from the middle deep-sea basin of SCS
组分 最小值 最大值 平均值 UCC PAAS EF SiO2 /% 14.9 67.3 53.8 66.62 62.8 0.84 Al2O3/% 4.31 18.1 15.1 15.4 18.9 0.98 Fe2O3/% 1.23 7.29 5.41 5.04 6.5 1.10 MgO/% 1.09 3.56 2.66 2.48 2.2 1.08 CaO/% 0.75 39.5 4.78 3.59 1.3 1.86 Na2O/% 2.1 7.02 3.99 3.27 1.2 1.28 K2O/% 0.68 3.5 2.63 2.8 3.7 0.95 MnO /% 0.09 3.51 0.53 0.1 0.11 5.56 TiO2/% 0.13 0.77 0.60 0.64 1 0.95 P2O5/% 0.09 0.27 0.14 0.15 0.16 0.99 CaCO3/% 0.42 69.3 6.29 Corg/% 0.1 1.91 0.70 Cr/(μg/g) 7.62 113 77.3 92 110 0.86 Co/(μg/g) 4.89 34.3 17.2 17.3 25.7 1.03 Cu/(μg/g) 22.4 179 69.2 28 50 2.64 Ni/(μg/g) 19.4 174 70.2 47 55 1.58 Zn/(μg/g) 37.4 174 103 67 85 1.58 V/(μg/g) 25.8 167 117 97 150 1.23 Sr/(μg/g) 121 2900 313 320 200 1.30 Ba/(μg/g) 409 1530 764 678 650 1.21 Sc/(μg/g) 5.56 19 13.7 14 14.9 1.01 Zr/(μg/g) 48.4 285 111 193 210 0.60 Ga/(μg/g) 4.63 23 18.4 17.5 1.07 Pb/(μg/g) 9.33 32.1 21.4 17 1.31 Li/(μg/g) 16.1 111 66.4 21 3.18 Rb/(μg/g) 25.9 160 107 84 160 1.28 Nb/(μg/g) 3.02 57.8 13.5 12 19 1.12 Cs/(μg/g) 2.35 14.7 9.62 4.9 15 1.97 Ta/(μg/g) 0.21 2.18 1.05 0.9 1.12 1.17 Th/(μg/g) 2.75 15.7 10.6 10.5 14.6 1.03 Y/(μg/g) 15.1 37 25.5 21 27 1.29 注：富集系数EF=(元素/Al)样品/(元素/Al)UCC，UCC数据参考文献[19]，PAAS数据参考文献[20]。 
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[1] Wang L J, Sarnthein M, Erlenkeuser H, et al. East Asian monsoon climate during the Late Pleistocene: high-resolution sediment records from the South China Sea[J]. Marine Geology, 1999, 156: 245-284. doi: 10.1016/S0025-3227(98)00182-0
[2] 钱建兴.晚第四纪以来南海古海洋学研究[M].北京:科学出版社, 1999. QIAN Jianxing. A Study of Paleoceanography in the South China Sea During the Late Quaternary [M]. Beijing, Science Press, 1999.
[3] 翦知湣, 王吉良, 成鑫荣, 等.南海北部近6Ma以来的氧同位素地层与事件[J].中国科学D辑, 2001, 31 (10) : 816-822. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zgkx-cd200110004 JIAN Zhimin, WANG Jiliang, CHENG Xinrong, et al. Oxygen isotope stratigraphy and events in the northern South China Sea during the last 6 million years[J]. Science in China (Series D), 2001, 31 (10): 816-822. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zgkx-cd200110004
[4] 汪品先, 翦知湣, 赵泉鸿, 等.南海演变与季风历史的深海证据[J].科学通报, 2003, 48(21): 2228-2239. doi: 10.3321/j.issn:0023-074X.2003.21.005 WANG Pinxian, JIAN Zhimin, ZHAO Quanhong, et al. Evolution of the South China Sea and monsoon history revealed in deep sea records[J]. Chinese Science Bulletin, 2003, 48(21): 2228-2239. doi: 10.3321/j.issn:0023-074X.2003.21.005
[5] 蔡观强, 彭学超, 张玉兰.南海沉积物物质来源研究的意义及其进展[J].海洋科学进展, 2011, 29(1):113-121. doi: 10.3969/j.issn.1671-6647.2011.01.014 CAI Guanqiang, PENG Xuechao, ZHANG Yulan. The significances of and advances in the study of sediment sources in the South China Sea[J]. Advances in Marine Sciences, 2011, 29(1):113-121. doi: 10.3969/j.issn.1671-6647.2011.01.014
[6] 邵磊, 李献华, 韦刚健, 等.南海陆坡高速堆积体的物质来源[J].中国科学D辑, 2001, 31(10): 828-833. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zgkx-cd200110006 SHAO Lei, LI Xianhua, WEI Gangjian, et al. Provenance of a prominent sediment drift on the northern slope of the South China Sea[J]. Science in China (Series D), 2001, 31(10): 828-833. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zgkx-cd200110006
[7] 邵磊, 乔培军, 庞雄, 等.南海北部近代沉积物钕同位素分布及意义[J].科学通报, 2009, 54(1): 98-103. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=kxtb200901018 SHAO Lei, QIAO Peijun, PANG Xiong, et al. Nd isotopic variations and its implications in the recent sediments from the northern South China Sea[J]. Chinese Science Bulletin, 2009, 54(1): 98-103. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=kxtb200901018
[8] Li X H, Wei G J, Liu Y, et al. Geochemical and Nd isotopic variations in sediments of the South China Sea: A response to Cenozoic tectonism in SE Asia[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2003, 211: 207-220. doi: 10.1016/S0012-821X(03)00229-2
[9] 刘志飞, 赵玉龙, 李建如, 等.南海西部越南岸外晚第四纪黏土矿物记录:物源分析与东亚季风演化[J].中国科学D辑, 2007a, 37(9): 1176-1184. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zgkx-cd200709005 LIU Zhifei, ZHAO Yulong, LI Jianru, et al. Late Quaternary clay minerals off Middle Vietnam in the western South China Sea: Implications for source analysis and East Asian monsoon evolution[J]. Science in China (Series D), 2007, 37(9): 1176-1184. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zgkx-cd200709005
[10] 刘志飞, Colin C, 黄维, 等.珠江流域盆地表层沉积物的黏土矿物及其对南海沉积物的贡献[J].科学通报, 2007b, 52(4): 448-456. doi: 10.3321/j.issn:0023-074X.2007.04.013 LIU Zhifei, Colin C, HUANG Wei, et al. Clay minerals in surface sediments of the Pearl River drainage basin and their contribution to the South China Sea[J]. Chinese Science Bulletin, 2007, 52(4): 448-456. doi: 10.3321/j.issn:0023-074X.2007.04.013
[11] Wan S M, Li A, Clift P D, et al. Increased contribution of terrigenous supply from Taiwan to the northern South China Sea since 3 Ma[J]. Marine Geology, 2010, doi: 10.1016/j.margeo.2010.09.008
[12] Wei G J, Liu Y, Ma J L, et al. Nd, Sr isotopes and elemental geochemistry of surface sediments from the South China Sea: Implications for Provenance Tracing[J]. Marine Geology, 2012, (319-322): 21 -34. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0025322712001375
[13] Liu Z F, Colin C, Li X H, et al. Clay mineral distribution in surface sediments of the northeastern South China Sea and surrounding fluvial drainage basins: Source and transport[J]. Marine Geology, 2010, 277: 48-60. doi: 10.1016/j.margeo.2010.08.010
[14] 杨群慧, 林振宏, 张富元, 等.南海中东部表层沉积物矿物组合分区及其地质意义[J].海洋与湖沼, 2002, 33(6): 591-599. doi: 10.3321/j.issn:0029-814X.2002.06.004 YANG Qunhui, LIN Zhenhong, ZHANG Fuyuan, et al. Mineral assemblage provinces for surficial sediments of the central-eastern South China Sea and their geological significances[J]. Oceanologica et Limnologia Sinica, 2002, 33(6): 591-599. doi: 10.3321/j.issn:0029-814X.2002.06.004
[15] 张霄宇, 张富元, 章伟艳.南海东部海域表层沉积物锶同位素物源示踪研究[J].海洋学报, 2003, 25(4): 43-49. doi: 10.3321/j.issn:0253-4193.2003.04.006 ZHANG Xiaoyu, ZHANG Fuyuan, ZHANG Weiyan. Regional variation of 87Sr/86Sr ratio and compositions of the surface sediment in the eastern South China Sea[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2003, 25(4): 43-49. doi: 10.3321/j.issn:0253-4193.2003.04.006
[16] 张富元, 张霄宇, 杨群慧, 等.南海东部海域的沉积作用和物质来源研究[J].海洋学报, 2005, 27(2): 79-90. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/hyxb200502010 ZHANG Fuyuan, ZHANG Xiaoyu, YANG Qunhui, et al. Research on sedimentations and material sources in the eastern South China Sea[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2005, 27(2): 79-90. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/hyxb200502010
[17] Wetzel A, Unverricht D. A muddy megaturbidite in the deep central South China Sea deposited ~350 yrs BP[J]. Marine Geology, 2013, 346: 91-100. doi: 10.1016/j.margeo.2013.08.010
[18] Morton B, Blackmore G. South China Sea[J]. Marine Pollution Bulletin, 2001, 42(12): 1236-1263. doi: 10.1016/S0025-326X(01)00240-5
[19] Rudnick R L, Gao S. Composition of the Continental Crust[M]//In: Rudnick R L (Ed.). Treatise in Geochemistry. The Crust, vol. 3, Elsevier, Oxford, 2003: 1-64.
[20] Taylor S R, McLennan S M. The Continental Crust: Its Composition and Evolution[M]. Blackwell, Oxford, 1985.
[21] 赵一阳, 鄢明才.中国浅海沉积物地球化学[M].北京:科学出版社, 1994. ZHAO Yiyang, YAN Mingcai. Geochemistry of Sediments in Chinese Shallow Sea [M]. Beijing, Science Press, 1994.
[22] Nessbitt H W, Markovics G, Price R C. Chemical processes affecting alkalis and alkaline earths during continental weathering[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1980, 6: 887-898. doi: 10.1016-0016-7037(80)90218-5/
[23] Cullers R L. The controls on the major and trace element variation of shales, siltstones and sandstones of Pennsylvanian-Permian age, from uplifted continental block in Colorado to platform sediment in Kansas, USA[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1994, 55: 4955-4972. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0016703794902240
[24] 邵磊, 李学杰, 耿建华, 等.南海北部深水底流沉积作用[J].中国科学D辑, 2007, 37(6): 771-777. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zgkx-cd200706008 SHAO Lei, LI Xuejie, GENG Jianhua, et al. Deepsea bottom current sedimentation in northern South China Sea[J]. Science in China (Series D), 2007, 37(6): 771-777. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zgkx-cd200706008
[25] Gaillardet J, Dupré B, Allègre C J. Geochemistry of large river suspended sediments: Silicate weathering or recycling tracer[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1999, 63: 4037-4051. doi: 10.1016/S0016-7037(99)00307-5
[26] Borges J, Huh Y. Petrography and chemistry of the bed sediments of the Red River in China and Vietnam: Provenance and chemical weathering[J]. Sedimentary Geology, 2007, 194: 155-168. doi: 10.1016/j.sedgeo.2006.05.029
[27] Liu Z F, Zhao Y L, Colin C, et al. Chemical weathering in Luzon, Philippines from clay mineralogy and major-element geochemistry of river sediments[J]. Applied Geochemistry, 2009, 24: 2195-2205. doi: 10.1016/j.apgeochem.2009.09.025
[28] 陈忠, 夏斌, 颜文, 等.南海火山玻璃的分布特征、化学成分及源区探讨[J].海洋学报, 2005, 27(5):73-81. doi: 10.3321/j.issn:0253-4193.2005.05.011 CHEN Zhong, XIA Bin, YAN Wen, et al. Distribution, chemical characteristics and source area of volcanic glass in the South China Sea[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2005, 27(5): 73-81. doi: 10.3321/j.issn:0253-4193.2005.05.011
[29] 梁细荣, 韦刚健, 邵磊, 等. Toba火山喷发在南海沉积物中的记录—ODP1143站钻孔火山玻璃的证据[J].中国科学D辑, 2001, 31 (10): 861-866. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zgkx-cd200110011 LIANG Xirong, WEI Gangjian, SHAO Lei, et al. Records of Toba eruptions in the South China Sea-chemical characteristics of the glass shards from ODP 1143[J]. Science in China (Series D), 2001, 31(10): 861-866. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zgkx-cd200110011
[30] Roser B P, Korsch R J. Provenance signatures of sandstone-mudstone suits determined using discriminant function analysis of major-element data[J]. Chemical Geology, 1988, 67: 119-139. doi: 10.1016/0009-2541(88)90010-1
[31] Cullers R L. The controls on the major and trace element variation of shales, siltstones and sandstones of Pennsylvanian-Permian age, from uplifted continental block in Colorado to platform sediment in Kansas, USA[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1994, 55: 4955-4972. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0016703794902240
[32] McLennan S M, Taylor S R, McCulloch M T, et al. Geochemical and Nd-Sr isotopic composition of deep-sea turbidites: crustal evolution and plate tectonic associations[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1990, 54: 2015-2050. doi: 10.1016/0016-7037(90)90269-Q
[33] McLennan S M, Hemming S, Mcdaniel D K, et al. Geochemical approaches to sedimentation, provenance and tectonics[J].Geological Society of America Special Paper, 1993, 284: 21-40. https://pubs.geoscienceworld.org/books/book/424/chapter/3798429/
[34] Crichton J G, Condie K C. Trace elements as source indicators in cratonic sediments: a case study from the early Proterozoic Libby Creek Group, southeastern Wyoming[J]. The Journal of Geology, 1993, 101: 319-332. doi: 10.1086/648226
-
期刊类型引用(3)
1. 杨丹丹，刘盛，张志顺，赵彦彦，杨俊，魏浩天，张广璐，孙国静，郭晓强. 南海北部神狐海域不同粒级沉积物的地球化学特征及其物源指示意义. 中国海洋大学学报(自然科学版). 2022(10): 109-126 . 
百度学术
2. 姜柳青，汪卫国，梁积伟，戴霜，蒋敏，陶文星，马晓军. 太平洋CC区西部沉积物地球化学特征及其成因. 沉积学报. 2021(05): 1185-1197 . 百度学术
3. 高红芳，钟和贤，孙美静，聂鑫，姜涛，黄文凯，杜文波，陈家乐. 南海海盆东南部大型深水浊积扇体系及其成因的构造控制. 中国地质. 2020(05): 1395-1406 . 百度学术
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