武 力, 曾志剛, 殷學(xué)博, 王曉媛, 陳 帥

(1. 中國科學(xué)院 海洋研究所 海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 2. 中國科學(xué)院 研究生院, 北京 100039)

東太平洋海隆(EPR) 13°N附近含金屬沉積物孔隙率研究

武 力1,2, 曾志剛1, 殷學(xué)博1, 王曉媛1, 陳 帥1,2

(1. 中國科學(xué)院 海洋研究所 海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 2. 中國科學(xué)院 研究生院, 北京 100039)

研究了采自東太平洋海隆13°N(EPR 13°N)的一個(gè)熱液成因含金屬箱式沉積物巖心E272的孔隙率變化特征。樣品孔隙率在70.0%～85.2 %之間, 頂部層位比底部層位高14 %左右?？紫堵孰S深度增加而指數(shù)式單調(diào)遞減, 平均遞減梯度約為-0.31%/cm。該巖心上部層位呈紅棕色, 下部層位呈黃綠色, 表明該巖心經(jīng)歷了顯著的早期化學(xué)成巖作用。前人關(guān)于該巖心的元素地球化學(xué), 粒度和年代學(xué)數(shù)據(jù), 共同證明該巖心孔隙率隨深度變化特征受穩(wěn)態(tài)壓縮過程控制。其孔隙率隨深度的變化關(guān)系符合穩(wěn)態(tài)壓縮模型的經(jīng)驗(yàn)擬合公式。E272頂部沉積物-水界面處溶解物質(zhì)與海水的交換以離子擴(kuò)散機(jī)制為主, 而巖芯內(nèi)部溶解物質(zhì)的遷移則可能主要受自下而上的孔隙水流動機(jī)制控制, 這與巖芯中活動元素含量上部高,下部低的分布模式一致。該研究對將來進(jìn)一步討論 E272巖心在早期成巖作用中的化學(xué)過程具有指導(dǎo)意義。

成巖作用; 含金屬沉積物; 孔隙率; 穩(wěn)態(tài)壓縮模型; EPR 13°N

含金屬沉積物是形成于海底的非固結(jié)沉積物,以富Fe, Mn及多種其他金屬和微量元素, 貧Al, Ti為重要特征[1]。含金屬沉積物廣泛分布于洋中脊兩側(cè)的低洼地區(qū), 它主要是由來自洋中脊熱液活動的 Fe-,Mn-氧化物/氫氧化物與風(fēng)塵碎屑, 生物鈣質(zhì)和/或硅質(zhì), 以及火山物質(zhì)等共同沉積于海底而形成[2-3]。含金屬沉積物沉積后, 由于環(huán)境物理、化學(xué)(有時(shí)伴有生物作用)條件的變化, 而進(jìn)入早期成巖活動階段。早期成巖活動是發(fā)生于水環(huán)境中的對新生沉積物有改造作用的所有物理、化學(xué)以及生物過程[4]。早期成巖過程中, 溶解態(tài)物質(zhì)(主要是溶解金屬離子)有向別處遷移的趨勢。該過程有兩種主要機(jī)制：其一是分子擴(kuò)散, 由沉積物孔隙水中溶解物質(zhì)的濃度差異引起, 可由菲克擴(kuò)散定律描述。其二是孔隙水整體定向流動[5], 由沉積物所受外力對孔隙水產(chǎn)生的超壓引起。兩種機(jī)制的特征和對沉積物的影響有所不同。第一種機(jī)制將引起沉積物孔隙水中元素濃度的差異變化。而第二種機(jī)制則不會改變孔隙水的化學(xué)組成。特別地, 在沉積物-水界面處, 兩種機(jī)制哪一種占主導(dǎo)將對底部海水的化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生不同的影響。對孔隙水運(yùn)移機(jī)制的研究有助于豐富和深化人們對自然環(huán)境中元素循環(huán)機(jī)理的認(rèn)識。海洋沉積物與海水之間的物質(zhì)交換是元素地球化學(xué)循環(huán)的重要方面之一。含金屬沉積物相對于一般遠(yuǎn)洋沉積富含大量的過渡金屬等元素且分布廣泛[6], 早期成巖過程中這類元素容易溶解于孔隙水中并向別處遷移。從而, 對含金屬沉積物中元素遷移機(jī)制的研究具有重要意義。 前人曾對含金屬沉積物孔隙水中的 O2, NO3-,DOC(可溶有機(jī)碳), Mn2+, Fe2+等物質(zhì)進(jìn)行過直接測量研究[5,7-8], 但是通過對含金屬沉積物孔隙率的變化特征來反映孔隙水化學(xué)組分變化的研究至今未見報(bào)道?？紫堵适浅练e物的重要指標(biāo)之一。影響沉積物孔隙率變化的因素主要包括沉積物沉積時(shí)的初始孔隙率大小和沉積后的早期成巖作用改造。后者包括物理加重、化學(xué)交結(jié)、生物擾動等[4]。通過沉積物(巖)孔隙率的研究有助于了解其沉積和成巖歷史[9]。國外學(xué)者在這方面進(jìn)行了較多工作[4-5,9-10], 而國內(nèi)學(xué)者對沉積物(巖)孔隙率的研究主要針對石油地質(zhì)展開[11]。本文研究采自EPR 13°N的一個(gè)含金屬沉積物箱式柱狀樣E272的孔隙率特征, 并搜集和再分析了袁春偉等[12], 殷學(xué)博等[13-14]所發(fā)表的該柱狀樣的粒度, 年代學(xué)和地球化學(xué)數(shù)據(jù), 以探討早期成巖過程中該柱狀樣孔隙率的變化規(guī)律及其意義。期望能為將來進(jìn)一步研究E272巖心在早期成巖過程中的地球化學(xué)過程提供線索。

1 材料和方法

研究樣品為2003年9～11月, 中國大洋協(xié)會DY105-14航次中國首次東太平洋海隆熱液硫化物調(diào)查航段(第六航段)獲得的含金屬沉積物箱式柱狀樣, 編號E272。站位(見圖1, 等深線數(shù)據(jù)引自：http：//www.geomapapp.org/)位于海隆西側(cè) 45 km 處(12°36′39″N,104°19′28″W), 上部 1～27 cm 為紅褐色, 28～48 cm 為灰綠色。樣品自海底采集上船后, 及時(shí)以1 cm順序等間隔分割, 共取得 48個(gè)子樣品, 并對分割得到的子樣品進(jìn)行了孔隙率、含水率、干密度等的測定?？紫堵蕼y量方法為：將分割后的子樣品分別放入5 mL的容器內(nèi),使用萬分之一天平準(zhǔn)確稱量其總質(zhì)量m1。低溫(60℃)烘干樣品, 然后 105℃繼續(xù)烘干 2 h, 稱量烘干后樣品和容器總質(zhì)量m2。得到的質(zhì)量差為孔隙水的質(zhì)量：mw=m1-m2, 則孔隙率為：Φ=(mw/5ρw)×100%。其中ρw為孔隙水的密度, 設(shè)為常數(shù), 且等于1 g/cm3。

圖1 溫表EPR 13°N等深圖Fig. 1 Bathymetric chart of EPR 13°N

2 結(jié)果和討論

測試結(jié)果(表1)表明 E272孔隙率在 70.0%～85.2 %之間, 頂部層位比底部層位高 14 %左右(表1)?？紫堵孰S深度變化散點(diǎn)圖(圖2a)顯示, 孔隙率隨深度增加而單調(diào)遞減, 平均遞減梯度約為-0.31%/cm。

該巖心的元素地球化學(xué)數(shù)據(jù)[12]顯示, 過渡族元素在上部層位含量較高, 而在下部層位含量較低。這與手標(biāo)本上該巖心上部層位顯示紅棕色而下部層位顯示黃綠色的特征一致, 表明該巖心經(jīng)歷了早期化學(xué)成巖作用。該巖心粒度數(shù)據(jù)[13]顯示, 中值粒徑和平均粒徑指標(biāo)相似, 其變化趨勢也相似, 兩者相關(guān)程度很高(R2=0.88)?？偟膩碇v, 不同層位粒徑變化很小(4.81～11.84 μm), 中值粒徑平均為 6.35 μm, 且粒度組成也比較均一, 幾乎不含砂組分(＜0.3%), 樣品為松散的黏土質(zhì)粉砂, 說明雖然E272經(jīng)歷了化學(xué)成巖作用, 樣品并未因此而發(fā)生交結(jié), 化學(xué)成巖作用對樣品的孔隙率特征不產(chǎn)生顯著影響。樣品不同層位元素含量[12]的差異表明樣品未受過顯著的生物擾動影響, 否則層位之間的地球化學(xué)指標(biāo)將趨于均一化。而穩(wěn)定均一的沉積速率[14]則表明物質(zhì)供給速率也穩(wěn)定均一, 從而排除了產(chǎn)生偶然超壓的可能。所以推斷沉積物孔隙率的變化主要受控于上覆沉積物對下伏沉積物的穩(wěn)定增重而產(chǎn)生的壓縮效應(yīng), 即樣品孔隙率變化可能由穩(wěn)態(tài)壓縮過程控制。

研究表明, 穩(wěn)態(tài)壓縮過程中, 孔隙率隨深度增加而呈指數(shù)降低, 符合經(jīng)驗(yàn)公式[15]：

其中Φ為孔隙率,x為深度,A,B,C為擬合系數(shù)。其中A,C＞0,B＜0。Φ(x)是一個(gè)單調(diào)遞減函數(shù)。且當(dāng)x趨于無限大時(shí), 存在極限C。它表示在某深度以下,孔隙率的變化率將非常小, 如圖2b所示。

表1 樣品孔隙率測試結(jié)果Tab. 1 The porosity of the sample

將測試數(shù)據(jù)代入(0)式, 得到了滿意的擬合效果(圖2c)。從而斷定, 樣品的孔隙率的確符合穩(wěn)態(tài)壓縮模型。

穩(wěn)態(tài)壓縮[4]下, 某一指定深度的沉積物孔隙率不隨時(shí)間變化。這是穩(wěn)態(tài)壓縮的最重要特征。圖形上表示為任意時(shí)刻, 沉積物孔隙率隨深度變化曲線的形狀都相同。而某一指定層位孔隙率的變化是由于上覆沉積物不斷沉積使得下伏沉積物承受的重量不斷增加而引起。即穩(wěn)態(tài)壓縮情況下, 孔隙率的變化主要受控于上覆沉積物對下伏沉積物的增重, 本文關(guān)于指定深度, 指定層位的概念見圖3, 在不同時(shí)刻,指定深度距沉積物-水界面的距離不發(fā)生變化, 而指定層位則會隨著時(shí)間推移而不斷掩埋到更深的地方,據(jù)沉積物-水界面的距離不斷增加。

圖2 孔隙率對深度散點(diǎn)圖Fig. 2 Scatter plots of porosity vs. depth

壓縮過程屬于早期成巖作用范疇, 根據(jù)成巖作用的一般描述方程, Berner[4]給出了描述沉積物中壓縮效應(yīng)的方程組：

這里所有未知數(shù)都是時(shí)間t(ka)和深度x(cm)的二元函數(shù), 且以沉積物-海水界面為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系。其中,Cts為單位體積沉積物中固相物質(zhì)的質(zhì)量(g/cm3);Cw為單位體積沉積物中孔隙水的質(zhì)量(g/cm3);ω為相對于沉積物-水界面, 固相物質(zhì)的掩埋速率(cm/ka);v為孔隙水的掩埋速率(cm/ka)。Dts為固相沉積物的總擴(kuò)散系數(shù)(cm/ka)。Rts為固相物質(zhì)的化學(xué)生成速率,Rw為孔隙水的生成速率。該方程組表示, 某一組分在指定深度的濃度變化由三方面因素決定：擴(kuò)散, 對流和化學(xué)反應(yīng)。

需要強(qiáng)調(diào)的是, 該方程適用于無生物擾動下沉積物孔隙率變化情況的描述。有關(guān)生物擾動對孔隙率的影響可見其他作者的研究成果[16-17]。由于本次研究的樣品沒有生物擾動跡象, 故而可用上述方程來描述。

圖3 指定深度和指定層位的概念Fig. 3 The concepts of specific depth and specific layer

其中ρts,ρw分別表示固相沉積物密度和孔隙水密度(設(shè)為常數(shù))。又因?yàn)闃悠窞樗缮⒊练e物, 沒有發(fā)生化學(xué)交結(jié)。對于固體而言擴(kuò)散效應(yīng)也可以忽略不計(jì)。所以(1), (2)式中右邊的第一和第三項(xiàng)都為0。將(3), (4)代入簡化后的(1), (2)便有：

對于穩(wěn)態(tài)壓縮, 指定深度孔隙率將不隨時(shí)間變化, 即有：

將(7)代入(5)和(6)則有：

上面兩式表示在任意選定的某個(gè)時(shí)間剖面上,任意深度的沉積物都有：

這里下標(biāo)lim表示孔隙率接近極限的位置,Cons意為常數(shù)。由于在極深的地方, 壓縮達(dá)到極致, 孔隙率不再發(fā)生變化, 此時(shí)vlim近似等于ωlim, 即孔隙水相對于包含它的沉積物不發(fā)生相對移動。所以上兩式可以寫成

(12)式表示在固定時(shí)間剖面上, 固相掩埋速率ω也是一個(gè)單調(diào)遞減的函數(shù), 且當(dāng)Φ達(dá)到極限Φlim時(shí),ω也取得相應(yīng)的極限ωlim。而仔細(xì)觀察(13)式可以發(fā)現(xiàn)：

實(shí)際上(13)和(14)式表明, 孔隙水掩埋速率v是關(guān)于深度x的單調(diào)遞增函數(shù)。相對于沉積物-水界面(指定深度)有v＞0, 也就是說孔隙水不會越過該界面而流入底部海水。另一方面, 沉積物內(nèi)部, 孔隙水的掩埋速率小于對應(yīng)的固相物質(zhì)的掩埋速率, 即：v＜ω。表明相對于指定層位, 孔隙水總是自下而上流動的, 即表明, 穩(wěn)態(tài)壓縮過程中, 沉積物所含孔隙水量是守恒的。

E272遭受了顯著的早期化學(xué)成巖作用, 使得某些活動元素在下部層位的含量明顯低于上部層位含量。下部層位由于缺乏 O2, NO3-等氧化劑使得 Fe,Mn等的高價(jià)離子在有機(jī)碳等還原劑作用下被還原而呈游離態(tài)大量進(jìn)入孔隙水, 由于擴(kuò)散或者孔隙水的流動而發(fā)生遷移。菲克定律指出, 控制擴(kuò)散機(jī)制的主導(dǎo)因素是濃度梯度, 但是濃度梯度的方向可由多種因素決定, 帶有不確定性。以上討論顯示, E272內(nèi)部孔隙水的流動方向總是自下而上的單向流動, 這與其上部層位活動元素含量高, 下部層位活動元素含量低的觀察事實(shí)相一致。這種一致性說明, 孔隙水自下而上的定向流動可能是E272早期成巖過程中溶解物質(zhì)遷移的主導(dǎo)機(jī)制, 但是由于孔隙水守恒, 沉積物與底部海水在沉積物-水界面處的物質(zhì)交換則由濃度擴(kuò)散機(jī)制起主要作用。該推論對進(jìn)一步理解E272在早期成巖過程中所經(jīng)歷的地球化學(xué)過程具有指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

E272經(jīng)歷了顯著的早期化學(xué)成巖作用, 而其孔隙率變化受穩(wěn)態(tài)壓縮過程控制。沉積物內(nèi)部的孔隙水量守恒?？紫端辉诔练e物內(nèi)部自下而上流動, 不會越過沉積物-水界面, 故而化學(xué)成巖過程中, 溶解物質(zhì)在沉積物-水界面的交換主要受濃度擴(kuò)散機(jī)制控制, 而在沉積物內(nèi)部, 孔隙水自下而上的定向流動可能是早期成巖過程中溶解物質(zhì)遷移的主導(dǎo)機(jī)制。

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Study on the porosity of a metalliferous sediment core from the East Pacific Rise 13°N

WU Li1,2, ZENG Zhi-gang1, YIN Xue-bo1, WANG Xiao-yuan1, CHEN Shuai1,2
(1. Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071, China; 2 Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

May, 12, 2011

diagenesis process; metalliferous sediment; porosity; steady-state compaction model; EPR 13°N

The porosity of a metalliferous sediment core E272 collected from 13°N East Pacific Rise (EPR 13°N)was studied. The porosity of this core monotonically decreases with increasing depth rangeing from 70.0%～85.2%with difference of about 14% between its top layer and its bottom and an average decreasing gradient of about-0.31%/cm. The red-brown color of the upper layers and yellow-green color of the lower layers of this core indicate early chemical diagenesis has exerted significant influence on this core. A combined analysis of reported geochemical, grain-size and chronological data of this core suggests that the porosity of this core might be controlled by steady-state-compaction process. The profile of its porosity versus depth fits well with the steady state compaction model. Exchanging mechanism of dissolved materials between bottom sea water and the sediment at the water-sediment interface is dominated by molecular diffusion, while under that interface, the mechanism controlling the transportation of dissolved materials is the directed flow of the interstitial water from the bottom up, and this is consistent with the profiles of labile elements versus depth of this sediment core. This study is instructive for further study on the chemical diagenesis of this sediment core.

P736.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-3096(2012)01-0081-06

2011-05-12;

2011-08-11

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40830849, 40976027); 山東省自然科學(xué)杰出青年基金項(xiàng)目(JQ200913); 中國科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(MGE2009KG03)

武力(1983-), 男, 四川綿陽人, 碩士, 從事海洋沉積地球化學(xué)研究, E-mail：wl011022@hotmail.com

致謝：對 DY105-14航次第六航段所有船、隊(duì)員為采集樣品、數(shù)據(jù)和資料所做出的貢獻(xiàn)表示感謝！感謝成都理工大學(xué)余少雄博士在實(shí)驗(yàn)方面的工作, 感謝兩位審稿專家提出的寶貴意見！

劉珊珊)