文章编号:1001-909X (2008)01-0058-07收稿日期:2006-05-15基金项目:国家自然科学基金资助项目(40476050)作者简介:邱中炎(1981-),男,广西柳州市人,硕士研究生,主要从事海洋环境记录方面的研究。
南海粘土矿物组合特征及其环境意义邱中炎1,2,沈忠悦3,韩喜球1,2,陈建芳1(1.国家海洋局第二海洋研究所,浙江杭州 310012; 2.国家海洋局海底科学重点实验室,浙江杭州 310012; 3.浙江大学地球科学系,浙江杭州 310027)摘 要:利用X 射线衍射法(X RD )对南海12个海底表层沉积物和20个悬浮物样品中粘土矿物组成和分布特征进行了综合分析。
结果表明:(1)研究区的表层沉积物粘土矿物以伊利石为主,其次为绿泥石、高岭石、伊/蒙间层矿物以及蒙皂石;悬浮物粘土矿物是以绿泥石为主,其次为高岭石、蒙皂石、伊利石以及伊/蒙间层矿物。
(2)粘土矿物的组成和分布特征主要受气候条件、物质来源、水动力条件及相互间稀释作用的制约。
伊利石的含量随离岸距离和水深的增加呈增大趋势;高岭石则在近岸区特别是河口区富集;绿泥石在西部沿岸海区的含量较低,在东部岛弧和北部台湾岛附近海区的含量较高;蒙皂石与火山作用密切相关,在东部火山岛弧附近海区含量较高。
(3)粘土沉积物的来源以河流输入为主,海洋自生和风尘搬运对该区的沉积影响不大。
(4)深海悬浮物粘土矿物的组成变化能够很好地指示短尺度气候环境的变迁,伊利石的结晶程度对气候和环境变化反映灵敏,其随所处环境的压力增大而变差。
关键词:南海;粘土矿物;结晶度;环境意义中图分类号:P736.21 文献标识码:A0 引言南海背靠亚洲大陆、外绕岛弧,是一个典型的半封闭性边缘海,其独特的地理位置和晚新生代以来的高沉积速率,引起了中外众多海洋地质学家的极大关注。
海洋粘土矿物的分布非常广泛,它的组成和分布特征可以反映源区气候以及许多非气候条件,如物质来源、沉积环境和水动力条件等。
对粘土矿物的组合、含量、粒度分布特征以及结构特点的深入研究,可为了解粘土矿物的形成、推测来源区气候环境的特征及沉积环境提供有益的信息,对解决相关的地质科学问题、改善生态环境具有重要意义。
前人对南海表层沉积物中的粘土矿物特征曾进行了大量的研究[1-6],本文在对其组合特征进行研究的同时,还对不同季节、不同水深采集到的悬浮物样品中粘土矿物组合特征进行了研究,为未来南海粘土矿物来源及在时间和空间上变化的进一步研究提供科学依据。
1 样品及实验方法本文共采集了32个样品,其中12个样品来自于南海海底表层沉积物,20个样品来自于南海N E 2站位(17.2534°N 、119.5013°E )的海洋悬浮物(图1)。
表层沉积物样品是利用箱式采集器采集的,悬浮物样品是1998年7月8日～1999年4月30日利用悬浮物采集器采集的。
采集悬浮物时,将各采集器悬挂于浅、中、深3种不同水深处,当悬浮物缓慢沉淀到采集器中后,将悬浮物取出,经低温冷冻烘干后密封保存,供实验室分析和测量使用,采集的周期为半个月至一个月不等。
实验室分析和测量步骤如下:(1)原样品经醋酸处理去除碳酸盐矿物后,用离心法分离,获得粒级小于2μm 的粘土矿物;(2)采用自然沉降法制取定向样品,并进行X 射线衍射(X RD)分析;(3)自然定向样品在60℃的乙二醇饱和蒸汽中恒温16h,第26卷 第1期2008年3月海 洋 学 研 究JOURNAL OF MARINE S CIENC ESV ol.26 N o.1M a r., 2008图1 采样站位图Fig.1 M ap of sampling sta tio ns制成乙二醇饱和样品,并进行X RD 分析;(4)乙二醇饱和样品在420℃中恒温1h,制成加热样品,并进行XRD 分析;(5)用Jade 5.0衍射数据处理软件分析衍射图谱,扣除背景值后获得各衍射峰的积分强度和峰高强度;(6)用改进的Schultz 粘土矿物半定量计算方法获得各样品的粘土矿物组成[7],并利用伊利石 1.0nm 峰半高峰处低角度一侧b 与高角度一侧a 之比计算伊利石的结晶度指数——开形指数(Ns )[8]。
所有样品均在日本理学Rigaku D /M ax-ⅢB X射线衍射仪上进行测定,并保持相同的测试条件。
测试条件为:Cu K α衍射线,波长(λ)为1.540598°A ,石墨单色器,工作电压为40kV ,工作电流为40m A ,发散狭缝为1°,防散射狭缝为1°,接收狭缝为0.30m m ,扫描速度为4(°)/min ,扫描范围为3°～30°。
2 结果分析2.1 粘土矿物的X 射线衍射谱特征根据X RD 分析的结果,研究区的样品主要含有伊利石族、绿泥石族、高岭石族和蒙皂石族4族粘土矿物以及少量的石英和长石矿物。
2.1.1 伊利石伊利石属2∶1型层状硅酸盐矿物,其层电荷接近于1,一般被钾离子所平衡。
定向样品的X 射线衍射峰图谱中出现伊利石d (001)= 1.0nm 、d (002)=0.5nm 和d (003)=0.33nm 衍射峰,经乙二醇饱和及加热处理后,其衍射峰位置基本保持不变(图2)。
伊利石多半是含有蒙皂石的混层矿物,其衍射峰不对称,向低角度分向扩展。
2.1.2 绿泥石绿泥石族矿物属2∶1∶1型层状硅酸盐矿物,类质同像置换现象十分普遍,层电荷不定。
研究区结晶好的绿泥石常具有d (001)= 1.42nm 、d (002)=0.70nm 和d (003)=0.353nm 等一系列强而清晰的00l 型底面反射。
经乙二醇饱和及加热处理后,其衍射峰位置基本保持不变(图2)。
由于绿泥石和高岭石的X 射线衍射峰位置的相似性,一般以绿泥石的d (003)(为0.353nm )与高岭石的d (002)(为0.358nm)差异来区分两者。
2.1.3 高岭石高岭石族矿物属1∶1型层状硅酸盐矿物,在高岭石矿物的晶体结构中,无阳离子类质同像的取代现象,故层电荷为0。
在定向样品的X 射线衍射峰图谱中,呈现高岭石d (001)=0.72nm 和d (002)=0.358nm 的衍射峰,经乙二醇饱和处理和加热处理后,其衍射峰位置不变(图2)。
2.1.4 蒙皂石蒙皂石族矿物属于2∶1型层状硅酸盐矿物,层电荷为0.25～0.60,具有较强的膨胀性能和离子交换能力。
定向样品的X 射线衍射峰图谱出现蒙皂石d (001)= 1.2～ 1.4nm 的衍射峰。
用乙二醇饱和处理的样品衍射峰将膨胀至1.5～ 1.7nm;而经加热处理后则使层间距离收缩至 1.0nm 左右(图2)。
图2 S 026样品的X 射线衍射峰图谱Fig .2 X -ray diff ractog ra ms o f the samplefr om the So uth China Sea·59·邱中炎等:南海粘土矿物组合特征及其环境意义2.2 海底表层沉积物中粘土矿物的分布特征X RD 分析的结果表明,南海研究区表层沉积物中的主要粘土矿物以伊利石为主,其次为绿泥石、高岭石,再次为伊/蒙间层矿物和少量的蒙皂石(表1)。
表1 海底表层沉积物中粘土矿物的含量及Ns 指数T ab.1 Clay mineral compositio ns and illite c rystallinity index (N s )of surface sediments站位水深/m 高岭石(%)绿泥石(%)蒙皂石(%)伊利石(%)伊/蒙间层矿物(%)N sS00125252413317 1.4S 013848172514711 2.0S026287323333626 2.1S 028189322331412 1.7S035215121311443 1.5S0451966172614115 1.3S0471560203213413 1.8S056265314255560 2.0S 05781218510256 2.2S066306814365405 1.7S 090315523331430 1.3S10053515393440 1.8最大值255155626 2.2最小值2240250 1.3平均值173324091.72.2.1 伊利石伊利石是研究区海底表层沉积物粘土矿物中含量最高的,其含量为25%～56%,平均值为40%,变化规律不太明显。
但除个别站位外,深水区伊利石含量均较高。
2.2.2 绿泥石绿泥石是研究区海底海洋沉积物中较为普遍的粘土矿物,含量为24%～51%,平均值为33%,变化规律不太明显。
西部沿岸海区绿泥石的含量较低,特别在珠江口附近的S001站位绿泥石出现了24%的最低值;东部岛弧和北部台湾岛附近海区绿泥石的含量较高,各站位均超过30%,在该海区内的S 057站位绿泥石出现了51%的最高值。
2.2.3 高岭石研究区高岭石的含量为2%～25%,平均含量为17%。
珠江口附近的S 001站位出现了25%的最高值,同时在印支半岛、台湾岛和吕宋岛的近岸区,高岭石含量均超过20%,但越向深海,其含量将降低。
2.2.4 蒙皂石研究区蒙皂石的含量极少,为0%～5%,平均值仅为2%。
南海西部和南部各站位蒙皂石含量均约为1%,东部火山岛弧附近海区蒙皂石出现了5%的高值。
伊利石结晶度是反映气候变化的灵敏指标,可以反映出气候环境的短期变化[9]。
研究表明,高温和大的降雨量将导致伊利石矿物的强水解,致使其结晶程度变差;而在低温和干燥的条件下,伊利石矿物的结晶程度则较高,可见伊利石结晶度可以反映源区矿物环境的水解能力[10]。
Ns 指数可以指示伊利石的结晶程度,N s 越接近1,表明结晶程度越高[8]。
研究区大多站位伊利石的N s 指数不超过2.0,最大值为2.2,最小值为1.3,平均值为1.7,说明该区伊利石的结晶程度较高;Ns 指数的分布特征明显,即Ns 值随着离岸距离和水深的增加而增大。
2.3 N E2站位悬浮物中粘土矿物的分布特征与海底表层沉积物相比,N E 2站位悬浮物中蒙皂石和高岭石的含量较高,而伊利石、伊/蒙间层矿物含量及其Ns 指数较低,两者绿泥石的含量相差不大(表2)。
表2 海底表层沉积物和NE 2站位悬浮物中的粘土矿物平均含量及Ns 指数的比较Tab .2 The av erag e compositions and illite cr ystallinity index (N s )of cla y mine rals in surface sediments a nd suspended matte rs fro m N E2station样品高岭石(%)绿泥石(%)蒙皂石(%)伊利石(%)伊/蒙间层矿物(%)N s 海底表层沉积物17332409 1.7N E 2站位悬浮物2537191711.2·60·海 洋 学 研 究26卷1期 表3为N E2站位悬浮物样品中粘土矿物的含量及N s指数。