黄雪华 陈芳 刘坚
（广州海洋地质调查局实验测试所 510760）
摘要 对南沙海域西南海区101个站位表层沉积物中的元素含量及分布特征分析表明：①元素含量的分布规律是Al、Fe、Mg、Ti、P、K、Na及Cu、Co、Ni、Pb、Zn、Ba、Zr含量从陆架到陆坡直到深海明显递增；Ca、Sr含量由陆架到陆坡递增，由陆坡向深海锐减；Si含量在陆坡低，在陆架和深海高。②沉积物中元素的分布和含量变化与沉积物类型有密切关系。粗粒沉积物中Si、Sr含量较高，细粒沉积物则相对富集Al、Fe、Mg、Ti、P、K、Na及Cu、Co、Ni、Pb、Zn、Ba、Zr等元素，并且随沉积物变细，其含量亦增加，在粘土中含量最高。③SiO2与其余常量组分均呈负相关，且随水深的增加，含量逐渐减少。Al、Fe与大多数常、微量元素（Si、Ca、Sr除外）呈正相关，Ca、Sr与大多数元素呈负相关，而它们本身呈强正相关。Co、Ni、Zn、Ba、Zr与Cu呈正相关，表现为亲铜性。④本区元素的分布主要受沉积物类型、物质来源、水深和生物生产力的影响。
关键词 南沙海域西南海区 表层沉积物 地球化学
南海是我国南部的大型边缘海，在古气候变化、古环境演变中具有特殊重要性而被地学界所关注。南海拥有丰富的生物资源和油气资源，自20世纪70年代以来，我国科学工作者已作了大量的调查研究，并取得了很大的成绩。本文根据在南海西南部调查取得的101个站位表层沉积物中的21项元素分析资料，对沉积物中元素含量与特征、元素相关性、控制因素等进行了探讨研究。
按项目要求，对54个站位表层沉积物进行了Si、Ti、Al、Fe、Mn、Mg、Ca、K、Na、P、烧失量等11项常量元素分析；对74个站位表层沉积物进行了Sr、Cu、Co、Ni、Pb、Zn、Cr、Ba、Zr等9项微量元素分析；对99个站位表层沉积物进行了碳酸盐（以CaCO3计）分析。采用无水碳酸钠熔融—动物胶凝聚重量法测定Si；重量法测定烧失量；容量法测定Al和碳酸盐（以CaCO3计）；Ti、P用光度法测定；用原子吸收光谱法测定Fe、Mn、Mg、Ca、K、Na等元素；Sr、Cu、Co、Ni、Pb、Zn、Cr、Ba、Zr等9项微量元素用等离子发射光谱法测定。
研究区位于南沙海域西南部，在108°～112°E,7°～10°N之间。取样站位及水深见图1。
图1 取样站位图
Fig.1 Sampling station （单位：m）
1 元素的含量及分布特征
1.1 常量元素的含量分布特征
SiO2为最常见的常量组分，含量为11.88%～83.40%（图2a），从浅海陆架到半深海陆坡区呈减少趋势，局部地区如在中南部的岛礁区出现最低值，在深海平原区，SiO2含量又稍微增加，这可能与深海生成自生硅有关。
CaO、CaCO3的含量由浅海陆架向半深海陆坡区逐渐增加（图2b），在中南部岛礁区和中北部区域形成高值区，随着水深的继续加深，CaO、CaCO3的含量又下降到低值。
图2 沉积物中SiO2、CaCO3含量分布
Fig.2 Distributions of SiO2 and CaCO3 in sediments
Al2O3的含量，由西向东，逐渐增加（图3a）。以区中南部的岛礁为界，西部浅海陆架区SiO2与Al2O3变化相反，东部从半深海陆坡到深海平原区SiO2,Al2O3变化相似，含量逐渐增加。Fe2O3、MgO、K2O、Na2O、TiO2、MnO的含量变化与Al2O3相似，也呈增加趋势（表1）。MgO与SiO2、CaCO3的变化不甚相同，说明MgO不以单一的硅酸盐形式或碳酸盐形式存在，可能以两种或多种形式存在。
图3 沉积物中Al2O3、MgO含量分布（%）
Fig.3 Distributions of Al2O3 and MgO in sediments
表1 表层沉积物常量元素含量表（wB/%）
MnO的含量从浅海、半深海陆坡向深海平原区逐渐增加，与Al2O3呈正相关，说明锰的迁移主要不是随碎屑进行的，而以络合物形式搬运。MnO在深海平原区的高含量，除赋存于粘土沉积物外，还与深海铁锰氧化物胶体的存在有关。
1.2 微量元素的含量分布特征
对采集的表层沉积物样品进行了Cu、Co、Ni、Pb、Zn、Cr、Sr、Ba、Zr等9项元素测试，结果表明，Sr、Ba的含量较高，一般为（100～1000）×10-6，少数站位超过1000×10-6,Zn的含量也在100×10-6以上。
Sr的含量分布（图4）以及Sr与CaCO3的变化相关图（图5），表明从浅海到半深海陆坡再到深海平原区，Sr的含量先增加，后减少，在礁滩区含量最高。Sr大部分存在于生物碳酸盐介壳中，与CaCO3成正相关，为亲生物源的元素。Cu、Co、Ni、Pb、Zn、Cr、Ba、Zr等与Al2O3呈正相关，这与粘土吸附多金属有关。Cu、Co、Ni、Pb、Zn、Cr、Ba、Zr等元素随着离岸距离的加大，水深的增加，含量也逐增（表2）。
图4 Sr含量分布图（10-6）
Fig.4 Distribution of Sr in sediments
表2 表层沉积物微量元素含量表（wB/10-6）
2 元素的相关分析
表3为各常量、微量元素及水深的相关矩阵。由表看出，Si与其它的常量组分呈负相关关系，并随水深的增加，含量逐渐减少；Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O、Na2O、TiO2之间的相关性较好，相关系数为0.820～0.956。Ca、Sr与大多数元素呈负相关关系，它们自己为强正相关（图5）。随水深的增加，SiO2、CaO、CaCO3含量减少，与水深的相关系数为－0.418,－0.236,－0.384。其余的常量元素含量增加，尤以Al2O3随水深增加的趋势最明显，相关系数为0.856。
图5 Sr与CaCO3相关图
Fig.5 Correlations between Sr and CaCO3 in sediments
表3 南沙海域西南海区表层沉积物元素相关矩阵 Tab.3 Interrelated matrix of elements in surface sediments at the Southwestern Nansha
微量元素与水深多为正相关关系（Sr除外），其中Cu、Co、Ni、Ba、Zn与水深的关系最为密切，它们的相关系数分别为：0.924,0.793,0.89,0.833,0.634。Co、Ni、Zn、Ba、Zr等与Cu关系密切，表现为亲铜性，正相关系数分别为0.774,0.908,0.715,0.801和0.679;Ni、Zn、Ba与Co呈正相关，Zn、Ba与Ni呈正相关，其余元素间的相关性不明显。
图6a为沉积物的Al-Fe相关图。图中浅海陆架、陆坡及深海盆区域呈逐渐过渡，并有明显的线性排列。表明Al/Fe比值似乎与沉积物类型无关，大致保持1:1的关系。这可能是沉积物中Al、Fe含量主要取决于粘土含量的多寡而定的。由浅海陆架、陆坡到深海盆，沉积物逐渐细化，粘土含量由10%上升到70%,Al2O3、Fe2O3的含量相应的由4.91%、2.96%上升为16.64%,6.08%。故此Al、Fe的含量往往与粘土呈正相关。
图6 沉积物中Al2O3与Fe2O3,Cu与Ba,Sr与Ba的关系
Fig.6 Correlations between Al2O3 and Fe2O3,Cu and Ba,Sr and Ba in sediments
●＜200m水深，陆架外缘；▲200～3000m水深，陆坡；◆＞3000m水深，深海
Cu-Ba相关图（图6b）特点是样品点分区明显，在陆架外缘Cu、Ba比值呈负相关关系，在陆坡和深海盆区Cu随Ba含量增加而增加，尤其是在陆坡区Cu、Ba的线性关系最好。这些现象在Al-Fe相关图中没有，说明Cu、Ba比值不像Al、Fe那样在各类沉积物中保持基本不变，而是有区别的，表明Cu、Ba含量和分布受多方面因素影响。
Sr-Ba相关图（图6c）表明Ba与生物成因关系密切的Sr（Ca）没有良好的线性关系。一般认为Ba的含量分布与生物作用有关。本区由浅海陆架到半深海陆坡，Sr、Ba呈正相关关系。含量分别由380×10-6、225×10-6增加为475×10-6、663×10-6；而从陆坡到深海盆Sr含量降低，Ba含量则增加，两者呈负相关。Sr、Ba的这种变化关系说明生物作用在浅海陆架—半深海陆坡区域对Ba的影响较大。另外Bostron（1973）研究了大洋沉积物中Ba的含量分布后认为，Ba的富集也可以与火山活动有关。本区陆坡生物种类丰富，生物量和碳酸钙高，但陆坡Ba含量（663×10-6）比深海盆的Ba含量（909×10-6）低，这说明可能是海底火山活动对Ba含量有影响。
3 元素分布的控制因素
影响元素分布的因素多种多样，是受所处地区各种因素及元素本身地球化学行为综合作用的结果。通过对南沙西南海区上述元素的研究分析，结果表明，控制该区元素分布的因素主要有：
3.1 物质来源
表层沉积物综合分析表明，调查区的沉积作用以碎屑沉积作用、生物沉积作用为主，化学沉积作用、火山物质沉积作用为辅。由西向东，调查区由大陆架，陆坡和深海平原组成。大陆架以陆源碎屑沉积为主，陆坡以生物沉积作用—陆源沉积作用为主，礁滩区以生物沉积为主，深海平原区以粘土－化学沉积为主。区内沉积物有多种沉积作用参与，表明物质来源具有多源性。物质来源不同使得元素的组成和含量变化出现差异。西部陆架区由于陆源碎屑沉积作用，SiO2的含量很高，平均值为73.71%，最高值达83.40%；陆坡中南部的礁滩区CaO、CaCO3、Sr含量较高，这是由于富含钙质生物砂等生物沉积作用的影响；Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O、Mn（）及微量元素Cu、Co、Ni、Zn、Ba等的含量随着海水深度的增加，含量逐渐增加，至深海平原区含量最高。如Mn（）在浅海陆架区的含量平均值只有0.07%，而在深海平原区含量的平均值高达2.17%，是陆架区含量的数十倍；Cu、Co、Ni、Zn、Ba等元素的含量变化也很明显。这是由于深海平原区的粘土－化学沉积作用的结果。来源于大陆和岛屿上的粘土、岩石风化产物，被风和流水搬运到海洋，又经海洋水动力的搬运以及海洋中氧化还原环境的影响、作用，Al、Fe、Mn及其它元素最后沉积在海底。火山沉积作用局部分布，见于调查区西南部和东北偏中部。
3.2 沉积物类型
沉积物中元素的分布、组合和含量变化与沉积物类型有密切的关系（表4）。本调查区由西向东，随水深的加大，沉积物逐渐细化，砂和粉砂粒级沉积物逐渐减少，粘土粒级沉积物逐渐增多。由表可见，砂，粉砂等粗颗粒沉积物中Si、Sr等元素的含量高；而细颗粒沉积物则相对富集Al、Fe、Mg、K、Na、Cu、Co、Ni、Ba等元素，它们的含量随着沉积物变细而增加，在粘上粒级沉积物中含量最高。Ca在各粒级沉积物中的含量相近。
表4 不同粒度沉积物中化学元素的含量
3.3 水深
水深对生物种类和数量有影响，从陆架到陆坡再到深海平原，生物（有孔虫，钙质超微化石）的丰度由低到高，再变低，表现为两头低，中间高的特点。浅海陆架区沉积物中CaO的平均含量达6.36%，陆坡区沉积物中CaO的平均含量为13%，在水深大于3000m的深海平原，CaO的含量明显减小，平均只有2.77%。CaO的含量变化同样表现出两头低，中间高的特点，说明Ca是亲生物源的元素，其含量分布同样受水深的影响。水深也影响Si的含量，因深海自生硅的生成，使得硅含量随水深的增加而增加，表现出含量随水深先降后升的分布特点。
3.4 生物
本区海洋生物对元素的贡献也是明显的，生物死亡后其中未被分解的生物残体成为沉积物的一部分。本区陆坡中南部的礁滩区，沉积物中的含量异常高，究其原因，正是由于这些区域生物发育繁盛，生物沉积作用明显造成的。
4 结论
南沙海域西南海区表层沉积物类型多，生物含量高。本文通过对调查区的表层沉积物的元素地球化学特征的上述分析，得到以下认识：
（1）调查区绝大多数常、微量元素的分布具有从陆架、陆坡向深海平原逐渐增加的特征。SiO2的含量在陆架区最高，说明浅海陆架区以陆源碎屑补给为主，随着离岸距离的加大，陆源物质中以SiO2为主的碎屑逐渐减少，以Al2O3为主要成分的粘土矿物逐渐增加。
（2）调查区由西向东，水深逐渐加深，沉积物逐渐细化，元素在不同粒级沉积物中的分布有不同的特点。粗粒级沉积物中Si、Sr含量高，细粒级沉积物富集Al、Fe、K、Na及Cu、Co、Ni、Pb、Zn、Ba等多种金属。
（3）控制本区沉积物分布的因素主要是物质来源、沉积物类型、水深及水化学作用等。
参考文献
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THE GEOCHEMICAL CHARACTERISTICS OF SURFACE SEDIMENTS AT THE SOUTHWESTERN NANSHA, SOUTH CHINA SEA
Huang Xuehua Chen Fang Liu Jian
Abstract:The analyses of elements in 101 samples of surface sediment from the southwestern Nansha,South China Sea，reveal the following geochemical characteristics:（1）There appears to be a tight relation between the contents of elements and the sediment type.While coarse-grain sediment is rich with Si and Sr,fine-grain sediment is rich with Al、Fe、Mg、Ti、P、K、Na、Ca、Co、Ni、Pb、Zn、Ba and Zr.What is more,the finer the grain is,the higher their contents are;（2）It is suggested that the contents of Al、Fe、Mg、Ti、P、K、Na、Cu、Co、Ni、Pb、Zn、Ba and Zr increase with the depth of the water,Al、Fe、Mg、Ti、P、K、Na、Cu、Co、Ni、Pb、Zn、Ba and Zr contents increase gradually from the outer continental shelf and the continental slope to the deep-sea,and contents of Ca、Sr,also increase from the outer continental shelf to the continental slope,but decrease rapidly from the slope to the deep-sea，Si concentration is higher on the outer shelf and in the deep-sea than on the slope;（3）the major controlling factors of chemical composition and element content in the sediment are material source，sediment type，water depth and productive forces of creature.
Key words:southwestern Nansha area,surface sediment,geochemistry