付少英 陈芳 刘广虎
（广州海洋地质调查局 广州 510760）
第一作者简介：付少英（1973—），男，博士，高级工程师，现从事天然气水合物和海洋地质研究。通讯地址：广州1180信箱矿产所，邮政编码：510760，e-mail:[email protected]，电话：020-82253987。
摘要 本文通过对西沙海槽HX132PC 站位岩心沉积物稀土元素组成的系统研究，结合该柱状样浮游有孔虫的氧同位素地层研究，对比分析了南海北部陆坡西沙海槽区晚第四纪以来的沉积物物源及其环境演变。
关键词 西沙海槽 稀土元素（REE）沉积环境 地球化学
1 前言
稀土元素（REE）是一组特殊的元素，在一般的沉积变质作用过程中，往往以一个“整体”运移，其分布模式保持不变。但由于不同的稀土元素之间性质仍有微小差异，外界条件变化可以导致稀土元素之间发生一定程度的分馏，引起稀土元素总量和分布模式的差异。因此稀土元素的分布模式及其之间的分异特征是良好的地球化学指示剂，可以用于揭示地质体形成过程中元素的迁移、富集和环境变化，被广泛运用于探讨岩石矿物的形成条件、物质来源、地球化学分异作用和沉积环境变化等领域。
在海洋沉积物的研究中，稀土元素其含量随深度的变化不仅反映出各类沉积物组成特征的变化，而且对于确定沉积物地层的划分及古海洋环境的演化均有指导意义。而海底沉积物中稀土元素的含量、配分模式和一些重要的稀土元素参数，不仅可以反映各类型沉积物的总体特征，而且对于探讨沉积物的形成条件、物源区性质和气候环境具有重要意义（沈华悌，1990；霍文冕等，2003）。本文通过对西沙海槽HX132 PC站位岩心沉积物稀土元素组成系统研究，分析了南海北部陆坡西沙海槽区晚第四纪以来的沉积物物源及其环境演变。
2 样品概况
HX132柱状样取自西沙海槽南部斜坡（17°34.5650′，113°04.2612′），水深1526m，柱长11.33m，为该区所获取的最长的重力柱状样。该柱状样沉积连续，岩性稳定单一，为含钙质生物粘土质粉砂，未见生物扰动现象和非正常沉积，未见底栖生物扰动和非正常搬运沉积。沉积物组分以海洋生物颗粒和粘土矿物为主，陆源碎屑矿物和海洋自生矿物少量。
根据浮游有孔虫Gs.ruber（白色）进行氧碳同位素地层的研究和划分，该柱状样揭示了氧同位素1-6期的沉积序列，构成里斯冰期（相当于氧同位素6期，该期未见底）→末次间冰期（相当于氧同位素5期）→玉木冰期（又包含一个玉木Ⅰ期→玉木亚间冰期→玉木Ⅱ期次级的气候旋回，分别对应于相当于氧同位素4、3、2期）→冰后期全新世期（相当于氧同位素1期）完整气候地层。该柱状样晚更新世以来的平均沉积速率为8.0cm/ka，但冰期和间冰期的沉积速率差异较大，冰期沉积速率高于间冰期沉积速率，氧同位素1、3和5期的沉积速率分别为5.0、4.6和7.8cm/ka，2、4期的沉积速率为16.0和6.7cm/ka，氧同位素6期未见底，根据平均沉积速率为8.0cm/ka推算，长1133cm的HX132柱状样代表约14万年以来的沉积。
以平均10cm间隔取样，共取样95个，样品由广州海洋地质调查局实验测试所分析测试，测试仪器为ICP4300 DV电感耦合等离子体发射光谱仪。
3 稀土元素含量和总体分布
经过测试分析，HX132站位95个柱状沉积物样品各稀土元素的含量变化范围及均值为：La为22.4～38.3 μg/g，均值为30.3 μg/g；Ce为38.3～68.0 μg/g，均值为51.85μg/g；Pr为8.0×10-6～15.6×10-6，均值为11.3 μg/g；Nd为14.9～94.4 μg/g，均值为31.8 μg/g；Sm为3.59～6.14 μg/g，均值为5.00 μg/g；Eu为0.83～1.50 μg/g，均值为1.12 μg/g；Gd为2.19～11.50 μg/g，均值为4.71 μg/g；Tb为0.20～3.81 μg/g，均值为1.21 μg/g；Dy为2.28～3.68 μg/g，均值为3.02 μg/g；Ho为0.50～1.26 μg/g，均值为0.76 μg/g；Er为2.04～3.47 μg/g，均值为2.88 μg/g；Tm为0.23～3.69 μg/g，均值为1.16 μg/g；Yb为1.49～2.63 μg/g，均值为2.06 μg/g；Lu为0.17～1.78 μg/g，均值为0.60 μg/g。而整个柱状沉积物中，样品的稀土元素总量w（∑REE）的变化范围为103.96～208.57 μg/g，平均值为147.8 μg/g。
表1列出了西沙海槽海域HX132站位及邻近的东沙群岛海域ODP1146站位、南沙群岛海域的NS02-1、NS02-21、NS02-50站位以及大洋玄武岩14种稀土元素的平均含量。从表1的结果可以看出，HX132、ODP1146、NS02-1、NS02-21 以及NS02-50 的稀土元素的平均含量总体上与中国黄土相似，而与大洋玄武岩稀土元素含量差异较大，具有一定的“亲陆性”。这反映了整个南海沉积物的来源都主要是以陆源供应为主。
另一方面，就南海的不同区域而言，西沙海槽HX132 站位沉积物的稀土元素含量，与南海南部南沙群岛海域的NS02-1、NS02-21以及NS02-50三个站位差异较大，而与同样位于南海北部陆坡区的东沙群岛海域ODP1146 站位的情况相似，但Pr、Nd、Tb、Tm以及Lu的平均含量相对较高，这一方面表明南海南北陆坡的沉积物源不同，整个南海北部陆坡区可能具有相似的物源供应。由于南海北部沉积物的陆源只能来自珠江、台湾岛及洋流经巴士海峡搬运而来的吕宋岛沉积物（邵磊等，2001），进一步的研究（刘岩等，1999；吴明清，1983）表明，南海北部陆坡与台湾浅滩沉积物及珠江口沉积物具有物质来源及成因上的同一性，而东沙群岛海域ODP1146站位沉积物的物源可能与台湾海峡沉积物更为接近一些（刘宝林等，2004）。因此，可以推测，西沙海槽HX132站位沉积物中，珠江口带来的陆源沉积物质要更多一些。
表1 HX132 站位及其它地区沉积物样品中稀土元素含量（wB/10-6） Table1 The distribution of REE in sediments of the core HX132 and other samples
注：1.HX132；2.ODP1146（刘宝林等，2004）；3.NS02-1（田正隆等，2005）；4.NS02-21（田正隆等，2005）5.NS02-50（田正隆等，2005）；6.中国黄土（文启忠，1989）；7.大洋玄武岩（Frey et al.，1964）
4 稀土元素配分模式
图1 HX132柱状样稀土元素分配模式与其他地区的对比图表
Fig.1 Comparison of REE distribution patterns of the core HX132 and other sediments
从南海不同区域海底表层沉积物中稀土元素平均的含量的配分模式（图1）看，南海不同的沉积区，沉积物的稀土分布模式存在差异。其中，南海南部南沙群岛海域的NS021、NS02-21以及NS02-50三个站位与南海北部陆坡区东沙群岛海域ODP1146站位的稀土元素的配分模式非常相似，表明南海南北的沉积物均来自陆源，且具有相同或相近的形成过程。稀土元素组成存在着明显的规律性，LREE/HREE＞1，为缓右倾斜型，轻稀土相对富集的分布模式，无明显的Eu异常。说明在沉积过程中相对于北美页岩，REE没有发生明显的分异。
相比而言，西沙海槽HX132站位沉积物虽然也没有明显的Eu异常，但其稀土元素配分曲线中重稀土元素富集，LREE/HREE＜1，呈现明显的Ce负异常（0.68），表明相对于东沙群岛和南沙群岛海域，在样品所揭示的时间-空间尺度内，西沙海槽海域沉积物的物质来源与形成环境具有一定的地域性，沉积物的形成环境总体具还原性。
为了进一步确定稀土元素的组成与沉积环境与物源的关系，这里对HX132站位沉积物的δEu和δCe的组成特征与代表沉积物的岩性特征的沉积物平均粒径MZ（Φ）、代表生物活动的CaCO3、代表有机质输入的有机碳、代表陆源输入的SiO2+Al2O3+Fe2O3以及代表火山活动的火山玻璃以及褐铁矿含量之间进行了相关分析（表2）。
表2 HX132站位稀土元素δEu和δCe与沉积物其它参数的相关系数 Table2 The related geochemical parameters of sediments in the core HX132
结果显示，沉积物中代表生源输入的CaCO3与δEu和δCe的组成均呈现显著负相关的关系，而代表陆源输入的SiO2+Al2O3+Fe2O3与两者均成显著正相关关系，同时，δEu和δCe的组成与代表火山作用的火山玻璃和褐铁矿的组合成负相关，这一方面证实陆源输入是西沙海槽晚更新世以来沉积物的主要来源，也表明该时期生物碎屑碳酸盐沉积对陆源沉积的稀释作用显著。另一方面，沉积物的平均粒径MZ与δCe的组成呈正相关（与δEu负相关），有机质的含量与δCe的组成负相关（与δEu无相关性），这表明细粒沉积物中封闭性强，环境相对还原，有机质保存相对丰富。
5 稀土元素的纵向分布
晚更新世上次冰期以来，HX132柱状样碳酸盐岩溶解作用不强，受底流搬运活动的影响微弱，除了玉木冰期海平面的下降导致沉积环境发生微小波动外，一直处于较稳定的半深海沉积环境。从时间序列上看，经过里斯冰期→末次间冰期→玉木冰期→冰后期完整的冰期旋回，除了氧同位素4期和3期（对应于玉木冰期中的玉木Ⅰ期和玉木亚间冰期），沉积物稀土元素的配分模式总体上重稀土元素富集，LREE/HREE＜1，沉积物稀土元素中Pr、Nd、Gd、Tb显著富集，呈现明显的Ce负异常（图2）。
图2 HX132不同时代沉积物稀土元素的配分模式
Fig.2 REEs distribution patterns of sediments in different eras from HX132 core
同时，HX132柱状样各个时期的沉积物都表现出相似的配分模式，说明西沙海槽沉积环境和物质来源具有一定的继承性，反映了从14万年来西沙海槽沉积的供应基本保持稳定，而玉木冰期海平面的下降导致的沉积环境微小波动，也对沉积作用产生了一定的影响。不同时期沉积物中表现出的Ce特征，说明在源区岩石风化过程以及沉积物的沉积过程中，环境气候状况较不稳定。
由于氧化环境沉积物的∑REE高，稀土元素铈为正异常，即δCe＞1，表明铈富集；而还原环境的沉积物∑REE低，铈为负异常，即δCe＜1，铈的亏损代表还原环境。铈亏损程度越大，说明沉积还原程度越大。沉积物稀土元素参数（表2）更为清楚地显示出了不同时期的沉积环境的差异。HX132柱状样沉积物δCe的平均值都小于1（表3），为负异常，表明沉积环境总体具还原性。
表3 HX132站位不同时代沉积物样品中稀土元素参数 Table3 The related REEs parameters of sediments in different eras from the core HX132
总体上，∑REE和δCe值总体上随深度增加而增加，表明随着时间的推移，沉积环境的氧化性增强。对应于玉木冰期（对应于氧同位素4期→2期）沉积环境的微小波动，玉木Ⅰ期和玉木亚间冰期（对应于氧同位素4期和3期）形成的沉积物中，∑REE达到了整个柱状沉积的最大（分别为195.66和159.27），同时重稀土元素相对富集（∑Ce/∑Y达到了最低，为1.98和2.01），分子量较低的重稀土元素相对更为富集（NGd/NLu达到了最大，分别为16.36和16.53）。在上次冰期和末次冰期以来∑REE相对较低，而在上次间冰期相对较高，这表明上次间冰期的沉积环境相对地偏氧化性。
资料显示，在末次冰期（玉木冰期）冰盛期以来，西沙海槽火山活动增强，海平面下降，沉积速率增大，陆源物质的输入增加，同时生物活动活跃，有孔虫、硅藻和放射虫丰度达到最高值，陆源碎屑物质和火山陆灰含量骤增。这些作用的共同作用，正好造成了西沙海槽HX132站位不同深度沉积物中稀土元素的组成的差异。
6 结论
1）南海西沙海槽HX132柱状样沉积物稀土元素的特征，与东沙群岛和南沙群岛沉积物相似，具有明显的“亲陆性”，而与大洋玄武岩稀土元素含量差异较大，反映了陆源供应是南海沉积物的主要来源。
2）南海北部陆坡区的西沙海槽HX132站位，与东沙群岛海域ODP1146站位的沉积物的稀土元素特征相似，而与南海南部南沙群岛海域的NS02-1、NS02-21以及NS02-50三个站位差异较大，表明南海南北陆坡的沉积物源不同，南海北部陆坡区具有相似的物源供应；而根据稀土元素的组成特征分析，珠江口来的陆源物质对西沙海槽沉积物的贡献相对更多。
3）从中新世（14万年）以来，经过里斯冰期→末次间冰期→玉木冰期→冰后期完整的冰期旋回，除了玉木冰期中的玉木Ⅰ期和玉木亚间冰期，西沙海槽沉积供应基本保持稳定，而玉木冰期海平面的下降导致的沉积环境微小波动，也对沉积作用产生了一定的影响。
4）在上次冰期和末次冰期以来∑REE相对较低，而在上次间冰期相对较高，这表明上次间冰期的沉积环境相对地偏氧化性。
参考文献
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Frey F A，Haskin L.1964.Rare earths in ocean icba salts［J］.Geophys.Res.69（4）：775～780
Geochemical Characteristics Of Rare Earth Elements In Sediments Of Xisha Trouth Area，South China Sea
Fu Shaoying Chen Fang Liu Guanghu
（Guangzhou Marine Geology Survey，Guangzhou，510760）
Abstract：Rare earth elements in the HX132 core of sediments sampled from Xisha Trouth Area，South China Sea，were measured by ICP-MS method，and the stable istopes of oxygen（δ18O）were also measured.The rare earth element（REE）distribution patterns were compared between Xisha Trouth core samples and other area samples，It is found that there are very similar in REE contents but the Chonddrite-normalized REE distribution patterns are great differences LREE（light rare earth element）enrichment and Eu negative anomaly，indicating that there are a similar terrestrial sediment source in South China Sea and it mainly due from the mouth Pearl River in the North of the South China Sea，including Xisha Trouth and Dongsha sea area.And The REE distribution patterns in lengthways orientation were discussed in HX132 core，and their correlation with sedimentary environment were also studied.It is indicated that the difference of the REE content and distribution patterns are mainly controlled by the sedimentary environment，and during the last interglacial it was in some oxidation of environment.
Key Words：Xisha Trouth Area rare earth element（REE）sedimentary environment geochemistry