王昆山 劉焱光 董林森 陳志華

0 引言

沉積礦物是海洋沉積物的具體表現(xiàn)，記錄了豐富的物源、氣候、沉積、環(huán)境等方面的信息［1］。北冰洋西部楚科奇海-加拿大海盆區(qū)域沉積物黏土礦物和粗粒級分析研究表明此區(qū)沉積物主要受河流輸入、海冰（冰山）搬運(yùn)以及太平洋入流水的影響［2-4］，區(qū)域內(nèi)表層沉積物除白令海峽以南的2個站位為砂質(zhì)沉積外，其他沉積物多為黏土質(zhì)沉積，偶見大的礫石（可能是冰川攜帶而來）；重礦物含量低，表明碎屑粗粒級輸入量低，而同樣發(fā)育海冰的鄂霍次克海，海冰所攜帶的碎屑沉積量很高，表層沉積物中砂含量超過5%可認(rèn)為有海冰覆蓋即有冰筏碎屑輸入［5］。研究區(qū)洋流發(fā)育，特別是在近岸區(qū)，在楚科奇半島北部近岸發(fā)育西伯利亞沿岸流，從南進(jìn)入白令海峽的洋流分成三股：阿納德流、白令陸架水以及阿拉斯加沿岸流［6］，這些洋流對沉積物的組成有重要的影響作用。

本文主要對區(qū)域內(nèi)表層沉積物重礦物進(jìn)行了鑒定分析，給出了典型礦物的分布特征，劃分了礦物組合分區(qū)，并討論重礦物所反映的物質(zhì)來源和沉積環(huán)境，為進(jìn)一步探討北冰洋西部沉積物來源與古氣候、古洋流等的相關(guān)關(guān)系等研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 樣品和方法

本文所分析的樣品是中國首次（1999年）和第二次（2003年）北極科學(xué)考察在楚科奇海及鄰近的北冰洋深水區(qū)采取的表層沉積物。這些樣品除進(jìn)行了黏土礦物分析［2］，選取其中的47站還進(jìn)行了碎屑礦物分析（圖1），利用Ocean Data views軟件作圖，水深來源于其數(shù)據(jù)包。碎屑礦物室內(nèi)分析流程如下：取沉積物原樣40—100 g，烘干后稱重，得到沉積物干樣重量。然后放入燒杯中用清水浸泡，經(jīng)充分?jǐn)嚢枋顾樾嫉V物與黏土組分分離，篩取0.063—0.125 mm粒級的細(xì)砂組分稱重并烘干，加三溴甲烷重液分離（重液比重為2.89）。分離后分別稱重，得到輕、重礦物重量，稱重精度為0.001 g。重礦物的鑒定研究工作采用實(shí)體顯微鏡觀察和偏光顯微鏡油浸法結(jié)合來進(jìn)行定性和定量分析，每站樣品鑒定礦物顆粒數(shù)在300粒以上，對礦物特征如顏色、形態(tài)、條痕、鐵染程度、蝕變程度、顆粒相對大小、光學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行了描述和鑒定。在此基礎(chǔ)上繪制北冰洋西部表層沉積物重礦物分布圖并劃分礦物組合分區(qū)，總結(jié)礦物分布特征和規(guī)律。

圖1 表層沉積物取樣站位圖及重礦物組合分區(qū)Fig.1.Sampling location of surface sediment in the western Arctic Ocean and provinces ofmineral assemblage

2 結(jié)果與分析

2.1 重礦物組成與分布

沉積物中碎屑礦物含量較低，除YP33站重礦物顆粒數(shù)不足300粒外，其他站位的樣品滿足了300粒（顆粒數(shù)）的定量統(tǒng)計(jì)要求。

本區(qū)共鑒定出重礦物29種，包括綠簾石、紫蘇輝石、普通角閃石、鈦鐵礦、石榴子石、磷灰石、赤鐵礦、綠泥石、普通輝石、藍(lán)晶石、褐鐵礦、鋯石、電氣石、自生黃鐵礦、榍石、膠磷礦、磁鐵礦、獨(dú)居石、白云母、黝簾石、黑云母、菱鐵礦、透閃石、金紅石、符山石、褐簾石、鐵錳微結(jié)核、金綠寶石和頑火輝石，樣品中含有少量的風(fēng)化碎屑。其中，綠簾石、紫蘇輝石和普通角閃石的平均含量超過10%，分別為48.8%、25.2%和13.5%，為海區(qū)的優(yōu)勢礦物。其他礦物的平均含量在10%之下，鈦鐵礦、石榴子石、磷灰石和赤鐵礦的平均含量在10%—3%之間，屬于常見礦物；其他礦物平均含量較低，部分礦物僅在少數(shù)站位沉積物中零星出現(xiàn)，但也存在例外，ICE-6站位沉積物中菱鐵礦含量達(dá)到20%左右。礦物顆粒百分含量變化見表1。

碎屑礦物研究表明北冰洋西部表層沉積物重礦物特征主要有三點(diǎn)：重礦物含量低，平均僅為2.8%；顆粒細(xì)小脆性大，以次棱狀到次圓狀的顆粒為主，且表面不平多有溶蝕；優(yōu)勢礦物含量變化表現(xiàn)出不同的物質(zhì)來源。這反映出本區(qū)碎屑物質(zhì)輸入量較低，礦物顆粒多有蝕變，物質(zhì)來源多樣。下面對主要的重礦物參數(shù)的分布特征進(jìn)行簡要描述，以分析影響其分布的主要因素。

表1 北冰洋西部表層沉積物重礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1.Content and statistical data of heavy minerals in the western Arctic Ocean

重礦物含量它是指重礦物重量占輕、重礦物重量之和的百分含量，受底質(zhì)類型、沉積物改造程度以及礦物抗風(fēng)化能力等影響，可反映沉積物物源和成熟度等方面的信息。平均含量2.8%，變化范圍0.2%—11.6%（表1），與近海沉積物中重礦物含量相比含量較低，表明物質(zhì)輸入量較低，含量分布上表現(xiàn)出白令海峽南部重礦物含量高，達(dá)到10%左右，通過白令海峽向北重礦物含量低，在中部出現(xiàn)斑點(diǎn)狀中等含量（5%—7.5%），研究區(qū)北部含量低，平均含量2.8%以下（圖2）。

綠簾石綠黃色、淺黃綠色的次圓狀顆粒為主，顏色偏黃，表面溶蝕不平，透明到半透明，偶見有新鮮的黃綠色短柱狀顆粒，表明本區(qū)亦有少量的、新的物質(zhì)輸入（圖3a）。平均含量28.8%，變化范圍4.0%—64.7%。表1綠簾石的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)方差大，表明其含量變化跨度大，具有區(qū)域性分布的特點(diǎn)，高含量主要出現(xiàn)在靠近阿拉斯加一側(cè)海區(qū)沉積物中，而較低的含量出現(xiàn)在楚科奇海沉積物中（圖2）。

紫蘇輝石褐綠色、淺褐綠色的短柱狀，棱角不明顯，透明到半透明，部分顆粒表面粗燥有溶蝕（圖3b）。平均含量25.2%，最大值為55.7%。方差值大，含量變化跨度大，含量分布與綠簾石分布具有負(fù)相關(guān)性，高含量出現(xiàn)在北冰洋西部和楚科奇海北部，較低的含量出現(xiàn)在靠近阿拉斯加一側(cè)海區(qū)沉積物中（圖2）。

普通角閃石多以綠色、淺綠色的碎粒、短柱狀、短板狀出現(xiàn)，棱角不明顯，表面有磨蝕和溶蝕，透明度較高，長柱狀顆粒含量較低（圖3c）。一般在近海沉積物中含量較高，平均含量13.5%，變化范圍3.0%—23.3%。高含量主要出現(xiàn)在靠近阿拉斯加一側(cè)、楚科奇海東北部沉積物中，與水深變化呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，在水深區(qū)沉積物中含量逐漸降低（圖2）。

金屬礦物包括鈦鐵礦、赤鐵礦、磁鐵礦和褐鐵礦。鈦鐵礦和磁鐵礦呈現(xiàn)灰黑色、半金屬光澤的顆粒，顆粒磨圓度高，表面溶蝕不平且脆性大，壓碎后條痕略帶紅色調(diào)，表明礦物顆粒已經(jīng)部分赤鐵礦化。在樣品中也見有新鮮的、細(xì)小的金屬光澤較強(qiáng)的鈦鐵礦顆粒出現(xiàn)，鈦鐵礦在阿拉斯加北部海區(qū)沉積物中含量較高，在楚科奇海東部沉積物中含量較低（圖4），表現(xiàn)出物源的影響。赤鐵礦多為土狀光澤、半金屬光澤的灰黑色顆粒，次圓狀為主，見有圓柱狀、塊狀顆粒，硬度小，條痕櫻紅色。在YP11站位中，赤鐵礦多為塊狀、表面灰黑，含量高達(dá)30.7%（表1），高含量出現(xiàn)在研究區(qū)北部，近岸沉積物中含量低（圖4）。樣品中的褐鐵礦多為灰褐色、較為疏松的顆粒，硬度小，條痕發(fā)黃，成熟度低。本區(qū)沉積物中鈦鐵礦、磁鐵礦和赤鐵礦在顯微鏡下較難進(jìn)行精確區(qū)別（半蝕變狀態(tài)），加上少量的褐鐵礦，將4種礦物歸為一類進(jìn)行繪圖（圖4）。金屬礦物的分布則反映了鈦鐵礦和赤鐵礦的總體分布趨勢，高含量出現(xiàn)在研究區(qū)北部，近岸靠近白令海峽沉積物中含量較低。

石榴子石多為粉色、不規(guī)則粒狀顆粒，表面溶蝕不平，少見有完整晶形的顆粒（圖3d）。平均含量4.4%，最高含量14%，每個站位沉積物中都有出現(xiàn)，分布廣泛，含量分布帶有區(qū)域性，由白令海峽向北含量減少，在楚科奇海中部含量增加，到深水區(qū)含量又減少（圖4）。

風(fēng)化碎屑主要為透明礦物蝕變后的產(chǎn)物，多為灰色、灰黃色的不規(guī)則顆粒，不透明，光澤弱，壓碎后多為粉末狀；在研究區(qū)分布普遍，靠近阿拉斯加海區(qū)一側(cè)含量較高。

磷灰石多為灰白色、半透明、次圓狀顆粒，常見到生物磷酸鹽溶蝕的、淺黃色的次圓狀顆粒（圖3e）。在樣品中常見有磷灰石蝕變成球狀的膠磷礦（圖 3f）。

圖2 表層沉積物中重礦物重量含量及優(yōu)勢重礦物含量分布Fig.2.Content of heavymineral weight and dominant heavy minerals in the surface sediment

圖3 偏光顯微鏡下的幾種典型礦物形態(tài)和光性特征（顯微鏡下比例尺相同）.（a）綠簾石（Ep）；（b）紫蘇輝石（Hy）；（c）普通角閃石（Hbl）；（d）石榴子石（Grt）；（e）磷灰石（Ap）；（f）膠磷礦（Clh）；（g）綠泥石（Chl）；（h）普通輝石（Aug）；（i）藍(lán)晶石（Ky）；（j）鋯石（Zrn）；（k）榍石（Spn）；（l）獨(dú)居石（Mnz）Fig.3.The shape and optics characters of the typicalmineral in polarized microscope（the same scale inmicroscope）.（a）Epidote；（b）Hyperthene；（c）Common hornblende；（d）Garnet；（e）Apatite；（f）Cellophane；（g）Chlorite；（h）Augite；（i）Kyanite；（j）Zircon；（k）Sphene；（l）Monazite

圖4 表層沉積物中金屬礦物及石榴子石含量分布Fig.4.Distribution ofmetallicminerals and garnet in the surface sediment

其他一些較為常見但平均含量較低的礦物如綠泥石（圖3g）、普通輝石（圖 3h）、藍(lán)晶石（圖 3i）、鋯石（圖 3j）、榍石（圖3k）、獨(dú)居石（圖 3l）等在部分站位中出現(xiàn)，本文給出了這些礦物在偏光顯微鏡下的形態(tài)和光性特征。

2.2 組合分區(qū)

將主要的7種礦物參數(shù)作為變量，即重礦物含量、綠簾石、紫蘇輝石、普通角閃石、鈦鐵礦、石榴子石和赤鐵礦，利用數(shù)學(xué)聚類方法進(jìn)行碎屑礦物組合分區(qū)［8］。重礦物含量參數(shù)可以反映沉積物細(xì)砂的分布，與碎屑礦物富集程度密切相關(guān)，綠簾石、紫蘇輝石和普通角閃石為重礦物的優(yōu)勢礦物，鈦鐵礦、石榴子石、赤鐵礦為常見礦物。這6種礦物的平均含量之和達(dá)到了83.7%，完全可以代表整體礦物的分布趨勢。聚類結(jié)果顯示出5個較為不同的分區(qū)：白令海峽南北部的4個樣品最先獨(dú)立出來，成為一個單獨(dú)的分區(qū)；楚科奇海東北部深水區(qū)樣品、弗爾格爾島東部海區(qū)樣品以及阿拉斯西北海區(qū)樣品各成為一個分區(qū)；中部的樣品為混合區(qū)。這表明研究區(qū)沉積物碎屑礦物組成受不同的物質(zhì)來源以及水動力的影響，物質(zhì)來源具多源性。

綜合重礦物含量分布及聚類結(jié)果，將研究區(qū)分出5個礦物組合區(qū)（圖1）：Ⅰ區(qū)為白令海峽區(qū)域礦物區(qū)；Ⅱ區(qū)為楚科奇海中部礦物區(qū)；Ⅲ區(qū)為楚科奇海北部礦物區(qū)；Ⅳ區(qū)為阿拉斯加西北部近海礦物區(qū)；Ⅴ區(qū)為楚科奇海北部深水區(qū)礦物區(qū)。各組合分區(qū)礦物種類和含量變化較為明顯，與物質(zhì)來源、沉積環(huán)境與水動力條件密切相關(guān)。表2為各分區(qū)主要礦物參數(shù)含量統(tǒng)計(jì)。

Ⅰ區(qū)：白令海峽區(qū)域礦物區(qū)，樣品數(shù)4。本區(qū)重礦物重量含量為研究區(qū)最高，平均達(dá)到8.2%，優(yōu)勢礦物為綠簾石、紫蘇輝石和普通角閃石，特征礦物為鈦鐵礦、石榴子石和普通輝石，磷灰石分布普遍，含量不高，樣品聚類表明其與Ⅲ區(qū)礦物組成較為相似。

Ⅱ區(qū)：楚科奇海中部礦物區(qū)，樣品數(shù)9。重礦物含量低，變化范圍大，優(yōu)勢礦物為紫蘇輝石、普通角閃石和綠簾石，其中紫蘇輝石的平均含量達(dá)到45.7%，變化范圍相對較小，表明紫蘇輝石是本區(qū)最主要的重礦物。特征礦物為鈦鐵礦，其他礦物分布廣泛，含量低。

表2 北冰洋西部表層沉積物重礦物組合分區(qū)主要礦物參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 2.Statistical data of provinces of mineral assemblage in surface sediment

Ⅲ區(qū)：楚科奇海北部礦物區(qū)，樣品數(shù)19，站位分布較為密集。重礦物含量略低于全區(qū)平均含量，優(yōu)勢礦物為綠簾石、紫蘇輝石和普通角閃石，特征礦物為鈦鐵礦和石榴子石，礦物組合與Ⅰ區(qū)相似，普通角閃石含量相比略低。

Ⅳ區(qū)：阿拉斯加西北部近海礦物區(qū)，樣品數(shù)10。有數(shù)個站位已分布到波弗特海內(nèi)，靠近阿拉斯加，重礦物含量較低，優(yōu)勢礦物為綠簾石、紫蘇輝石、鈦鐵礦和普通角閃石，特征礦物石榴子石、磷灰石、赤鐵礦等普遍分布。

Ⅴ區(qū)：楚科奇海北部深水區(qū)礦物區(qū)，樣品數(shù)5。站位位于深水區(qū)，重礦物含量最低，僅為1.4%，優(yōu)勢礦物為綠簾石、紫蘇輝石和赤鐵礦，赤鐵礦含量最高的站位即位于本區(qū)，綠簾石多有蝕變，且赤鐵礦含量高表明碎屑礦物輸入量少。

3 討論

利用碎屑礦物含量分布及組合分區(qū)結(jié)果，結(jié)合沉積物粗組分分布［4］，討論本區(qū)沉積物物質(zhì)來源及其擴(kuò)散趨勢、沉積物成熟度和風(fēng)化作用類型。

3.1 物質(zhì)來源及擴(kuò)散方向

北冰洋西部的楚科奇海冬季全部被海冰覆蓋，夏季海冰融化形成大面積開闊水域，但北部還是有海冰覆蓋［7］，主要是礦物組合分區(qū)的Ⅴ區(qū)，接受海冰攜帶的沉積物碎屑量很少，沉積速率低。從整個礦物分區(qū)來看，Ⅰ區(qū)水動力強(qiáng)，重礦物含量高，洋流攜帶的物質(zhì)具有向北輸送的趨勢；通過白令海峽，洋流開始分流［6，8］，在重礦物含量和組分上發(fā)生變化，北部偏西（Ⅱ區(qū)）具有高含量的紫蘇輝石，表明其物質(zhì)主要來源于楚科奇海近岸的西伯利亞近岸的楚科奇山原，物質(zhì)向東擴(kuò)展不明顯。Ⅱ區(qū)沉積物中重礦物組成與拉普捷夫海（東西伯利亞海的西部）沉積物中重礦物組成相似，優(yōu)勢重礦物為角閃石、輝石、綠簾石和石榴子石，含量在10%—30%之間變化［9］。沿阿拉斯加沿岸向東的流系區(qū)（Ⅳ區(qū)）的沉積物中綠簾石含量高，石榴子石，磷灰石、赤鐵礦等普遍分布。這表明沉積物來源穩(wěn)定，搬運(yùn)距離長，其來源可能與阿拉斯加近岸河流沉積有關(guān)，物質(zhì)來源具有向東北擴(kuò)散的趨勢，沉積速率相對較高［10］。而楚科奇海北部（Ⅲ區(qū)）重礦物含量接近全區(qū)平均值，綠簾石的平均含量最高，紫蘇輝石的平均含量次之，鈦鐵礦和石榴子石含量較高，為接受沉積較為穩(wěn)定的區(qū)域。Ⅲ區(qū)與Ⅱ區(qū)具有同源性，普通角閃石的平均含量達(dá)到13.8%，較西伯利亞近岸沉積物中的普通角閃石含量低（平均含量在20%左右），但高于白令海峽靠近阿拉斯加一側(cè)沉積物中普通角閃石的平均含量（一般在10%以下）［11］，部分物質(zhì)可能來源于阿拉斯加河流沉積，屬于混合來源區(qū)。

3.2 碎屑沉積物成熟度

碎屑沉積物成熟度是指在形成作用的影響下接近于最終產(chǎn)物的程度，也就是原巖在風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)過程中經(jīng)磨蝕和分選作用后的礦物成分、粒度、結(jié)構(gòu)等達(dá)到最終產(chǎn)物的程度。目前較多地選擇穩(wěn)定性高的礦物作為其成熟度指標(biāo)，如鋯石-電氣石-金紅石。從本區(qū)重礦物研究結(jié)果來看，沉積物碎屑重礦物主要為綠簾石、紫蘇輝石和普通角閃石，部分表層沉積物中富集鈦鐵礦和赤鐵礦?？傮w來看，碎屑沉積物成熟度低，不穩(wěn)定礦物組合的含量明顯高于穩(wěn)定礦物組合的含量，表現(xiàn)為不利于風(fēng)化作用的寒冷氣候。這與研究區(qū)所處氣候帶相一致。下面討論礦物顆粒特征所體現(xiàn)的風(fēng)化作用類型。

3.3 風(fēng)化作用類型

碎屑礦物表面特征表明本區(qū)物理風(fēng)化作用較強(qiáng)，特別是較高含量的綠簾石的分布，綠簾石新鮮顆粒少，多為淺黃綠色顆粒，有蝕變，而輝石、角閃石、斜長石經(jīng)過蝕變后均可形成綠簾石。與此同時穩(wěn)定性強(qiáng)的礦物如石榴子石、鋯石等分布普遍，但沒有出現(xiàn)富集現(xiàn)象。此外，礦物顆粒表面存在溶蝕坑，表明也存在化學(xué)風(fēng)化作用。

4 結(jié)論

通過對中國兩次北極科學(xué)考察在楚科奇海和鄰近的北冰洋深水區(qū)采取的表層沉積物進(jìn)行的碎屑重礦物鑒定分析與研究，得出以下的基本認(rèn)識。

（1）北冰洋西部楚科奇海沉積物中重礦物含量低，陸源物質(zhì)輸入量低。重礦物主要以綠簾石、紫蘇輝石和普通角閃石等抗風(fēng)化能力較弱的礦物為主，特征礦物為鈦鐵礦、赤鐵礦和石榴子石。從礦物形態(tài)、特征和含量表現(xiàn)出海區(qū)風(fēng)化作用類型以物理風(fēng)化為主，也見有化學(xué)風(fēng)化跡象。

（2）重礦物組合分區(qū)表明北冰洋西部沉積物來源、水動力條件較為復(fù)雜：楚科奇海中部沉積物中富集紫蘇輝石、鈦鐵礦和石榴子石；阿拉斯加沿岸沉積物中富集綠簾石、紫蘇輝石等，赤鐵礦含量較高；楚科奇海北部深水區(qū)赤鐵礦含量高，碎屑礦物沉積速率低且多有蝕變；而在白令海峽南部沉積物重礦物含量高，與其水動力強(qiáng)密切相關(guān)。

致謝 本研究使用的中國首次、第二次北極科學(xué)考察采集的樣品由中國極地研究中心沉積物庫提供。

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