李景瑞,劉升發(fā),胡利民,馮秀麗,孫興全,白亞之,石學(xué)法*

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院,山東青島266100;2.海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266100; 3.國(guó)家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061;4.海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266061; 5.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋地質(zhì)過(guò)程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室,山東青島266061)

孟加拉灣中部表層沉積物有機(jī)碳分布特征及來(lái)源

李景瑞1,2,3,4,劉升發(fā)3,4,5,胡利民3,4,5,馮秀麗1,2,孫興全1,2,白亞之3,4,石學(xué)法3,4,5*

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院,山東青島266100;2.海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266100; 3.國(guó)家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061;4.海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266061; 5.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋地質(zhì)過(guò)程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室,山東青島266061)

通過(guò)對(duì)孟加拉灣中部110個(gè)表層沉積物樣品有機(jī)碳、氮含量及粒度進(jìn)行測(cè)試分析,揭示了研究區(qū)表層沉積物平均粒徑、有機(jī)碳(TOC)、總氮(TN)、有機(jī)碳/總氮(TOC/TN)的分布特征,并討論了其有機(jī)質(zhì)來(lái)源及控制因素。結(jié)果表明,研究區(qū)表層沉積物的平均粒徑值為6.2～7.6Φ,平均為7.1Φ,其分布呈現(xiàn)出以16°N和15°N為界南北兩側(cè)海域粒度相對(duì)較細(xì)(＞7Φ),中間海域相對(duì)較粗(＜7Φ)的特點(diǎn);研究區(qū)TOC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.37%～1.24%,平均為0.84%,TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%～0.15%,平均為0.10%,兩者分布特點(diǎn)相似,大致以15°N和16°N為界表現(xiàn)出南北兩側(cè)海域高,中間海域低的特點(diǎn);TOC/TN比值為6.05～12.88,平均為8.38,中部海域比值高,南北兩側(cè)低。根據(jù)TOC/TN比值估算研究區(qū)陸源和海洋自生有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn),結(jié)果表明研究區(qū)陸源與海洋自生有機(jī)質(zhì)平均相對(duì)貢獻(xiàn)分別為60%和40%。研究區(qū)有機(jī)質(zhì)的分布主要受控于有機(jī)質(zhì)來(lái)源及輸運(yùn)方式,其中濁流輸運(yùn)導(dǎo)致的溢流沉積是其最主要的控制因素。另外,粒度、河流懸浮體的輸入沉降和有機(jī)質(zhì)保存條件等因素也起著重要作用。

孟加拉灣;沉積物;有機(jī)碳;粒度;TOC/TN

地球上最大的碳庫(kù)是海洋,海洋沉積物是大氣CO2的接受者,同時(shí)沉積物中的部分碳又會(huì)重新返回水體乃至大氣,因而海洋沉積物也是碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)[1]。全球有機(jī)碳(TOC)埋藏的很大一部分集中在邊緣海區(qū)域,這部分有機(jī)碳在全球碳循環(huán)中起著十分重要的作用[2-3]。TOC埋藏是僅次于硅酸鹽風(fēng)化和碳酸鹽沉降作用的大氣CO2的第二大“匯”[4]。研究表明,新近紀(jì)以來(lái)孟加拉深海扇TOC埋藏對(duì)大氣CO2的消耗甚至大于喜馬拉雅山硅酸鹽風(fēng)化[5]。深海沉積物中TOC占總碳比例較大,其分布受物源控制明顯,同時(shí)也受水動(dòng)力條件和其他條件影響[1]?！癎-B-M”河流(恒河-布拉馬普特拉河-梅娜河)輸運(yùn)系統(tǒng)是世界上最大的沉積輸運(yùn)系統(tǒng)之一[6],由G-B河(恒河-布拉馬普特拉河)的高入海通量導(dǎo)致懸浮物質(zhì)入海后形成范圍寬廣的羽狀流,影響范圍最遠(yuǎn)可達(dá)15°N[7]。孟加拉灣接受大量由“G-B-M”系統(tǒng)輸運(yùn)的來(lái)自喜馬拉雅山和青藏高原的侵蝕物質(zhì),其中的TOC隨沉積物經(jīng)歷搬運(yùn)、沉積、再懸浮等一系列過(guò)程后,尚未氧化分解的部分隨扇體沉積并快速埋藏下來(lái)[4-5]。另外,水體自生顆粒有機(jī)碳也是表層沉積物中TOC的重要來(lái)源之一。孟加拉灣處于半年際變化的印度季風(fēng)系統(tǒng)影響之下[8],接受大量河流入海物質(zhì),表層環(huán)流受季節(jié)性風(fēng)場(chǎng)影響,以半年際變化的環(huán)流模式為特征[9],這將直接影響上層水體自生有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)出,并對(duì)沉積物中TOC的來(lái)源和分布特征造成影響。

(高 峻 編輯)

研究認(rèn)為全球河流輸運(yùn)的TOC大約70%(例如亞馬遜河)埋藏之前在大陸邊緣被氧化從而返回大氣[10]。但孟加拉灣地區(qū)具有較高TOC埋藏效率,原因是受喜馬拉雅山和青藏高原高侵蝕通量物質(zhì)供應(yīng)、高沉積速率及良好的保存條件的綜合影響,這顯著區(qū)別于其他邊緣海地區(qū)。該區(qū)是研究海陸相互作用的理想場(chǎng)所,為闡明本區(qū)沉積有機(jī)質(zhì)的“源-匯”過(guò)程提供了有利條件。目前關(guān)于該區(qū)TOC的研究主要集中在陸架與河口,且偏重于水體研究,對(duì)深海扇體表層沉積物中TOC的分布及來(lái)源的研究相對(duì)較少。我們基于孟加拉灣中部110個(gè)表層沉積物樣品有機(jī)碳、總氮(TN)和粒度的分析資料,闡明了研究區(qū)沉積有機(jī)碳、氮的分布特征、物源及影響因素,并從有機(jī)質(zhì)角度初步探討了研究區(qū)沉積物的“源-匯”過(guò)程。

1 研究區(qū)概況

孟加拉灣位于東北印度洋,被南亞大陸(西側(cè)和北側(cè))及東南亞大陸(東側(cè))三面環(huán)繞,東側(cè)以安達(dá)曼-尼科巴群島為界,毗鄰安達(dá)曼海,是世界第一大海灣。喜馬拉雅山的隆起和侵蝕提供了大量的碎屑物質(zhì),經(jīng)由研究區(qū)最大的2條河流——恒河和布拉馬普特拉河搬運(yùn)至河口及陸架,形成了恒河三角洲,其后經(jīng)“無(wú)底大峽谷”由濁流將沉積物輸運(yùn)至陸坡及深海平原,經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史形成了世界第一大海底扇——孟加拉扇[11]。海灣陸架的北部和東部相對(duì)較寬,其中本區(qū)最大的海底峽谷——“無(wú)底大峽谷”即分布于北部陸架與陸坡區(qū)。研究區(qū)位于孟加拉灣中部海域(圖1),水深為2 200～3 000 m。

研究區(qū)表層環(huán)流受印度季風(fēng)強(qiáng)烈影響,顯示出典型的熱帶海洋性和季風(fēng)性氣候,降水集中于西南季風(fēng)期(夏季),東北季風(fēng)期(冬季)相對(duì)較少[12]。西南季風(fēng)期,表層環(huán)流呈順時(shí)針?lè)较蛄鲃?dòng),東北季風(fēng)期則轉(zhuǎn)變?yōu)槟鏁r(shí)針?lè)较蛄鲃?dòng)(圖1),呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化。該區(qū)較大的河流包括北部的恒河、布拉馬普特拉河,印度大陸的默哈納迪河、戈達(dá)瓦里河和克里希納河以及緬甸的伊洛瓦底江等。

圖1 孟加拉灣位置及調(diào)查站位分布圖(表層環(huán)流據(jù)文獻(xiàn)[13-14]重繪)Fig.1 Location of the Bay of Bengal and sampling sites(superficial circulation patterns are modified from references[13]and[14])

2 材料與方法

2.1 樣品采集

2014-03-05國(guó)家海洋局第一海洋研究所科研人員于孟加拉灣中部使用箱式取樣器采集了110個(gè)表層沉積物樣品,取其上0～5 cm樣品保存用于測(cè)試分析。采樣站位分布如圖1所示。

2.2 粒度分析

將待測(cè)樣品混合搖勻,然后稱取未研磨沉積物濕樣約0.2 g,加入15 m L質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的H2O2去除有機(jī)質(zhì),待反應(yīng)完全后,加入5 m L 3 mol/L的稀鹽酸去除鈣質(zhì)膠結(jié)物及生物殼體,反應(yīng)完全后,離心清洗至中性,超聲振蕩使顆粒充分分散,進(jìn)行上機(jī)測(cè)試。使用激光粒度儀(英國(guó)Mastersizer 2000型)對(duì)沉積物樣品進(jìn)行粒度分析,分析范圍為0.02～2 000μm,樣品重復(fù)測(cè)量的相對(duì)誤差小于3%,粒度參數(shù)計(jì)算采用矩法參數(shù)[15]。

2.3 有機(jī)碳和總氮測(cè)定

準(zhǔn)確稱取1 g左右冷凍干燥并研磨至200目的沉積物,加2 m L 1 mol/L HCl浸泡并超聲去除無(wú)機(jī)碳,置于低溫電熱板上12 h使HCl揮發(fā),干燥后準(zhǔn)確稱取50 mg左右沉積物于錫舟中,置于元素分析儀(德國(guó)Elementar Vario ELIII型),并用CN模式對(duì)有機(jī)碳(TOC)進(jìn)行分析測(cè)定。沉積物在低溫烘干后,準(zhǔn)確稱取50 mg左右直接上機(jī)進(jìn)行總碳(TC)、總氮(TN)的測(cè)定。測(cè)試過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行10%平行樣與標(biāo)準(zhǔn)樣GSD-9的分析,TC,TN,TOC的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.004%,0.001%,0.006%。測(cè)試工作于2015-09-10在國(guó)家海洋局第一海洋研究所海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

3 結(jié)果與討論

3.1 平均粒徑、TOC和TN分布及特征

研究區(qū)表層沉積物的平均粒徑值為6.2～7.6Φ,平均為7.1Φ,屬黏土質(zhì)粉砂粒級(jí)。平均粒徑的分布呈現(xiàn)出南北兩側(cè)海域(16°N以北和15°N以南)粒度相對(duì)較細(xì)(＞7Φ),中間海域(15°～16°N)相對(duì)較粗(＜7Φ)的特點(diǎn)(圖2)。研究區(qū)TOC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.37%～1.24%,平均為0.84%;TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%～0.15%,平均為0.10%。兩者分布特點(diǎn)相似,也大致以15°N和16°N為界表現(xiàn)出南北兩側(cè)海域高,中間海域低的特點(diǎn)。由于TOC更易在細(xì)顆粒沉積物中富集[16],故TOC的分布特征在一定程度上與底質(zhì)狀況密切相關(guān),但TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)與粘土粒級(jí)相關(guān)性并不顯著(圖3),這可能是由于研究區(qū)海底水動(dòng)力條件較弱,受濁流溢流沉積[17]及河流沉積物輸入沉降的影響[7],導(dǎo)致沉積物粒度范圍相對(duì)集中(6.2～7.6Φ)。有機(jī)碳/總氮比值(TOC/TN比值)為6.05～12.88,平均為8.38,與TOC和TN分布特征相反,中部海域高,南北兩側(cè)低(圖2),這可能是受到粒度和有機(jī)質(zhì)輸入的綜合影響。

圖2 研究區(qū)表層沉積物平均粒徑、TOC、TN、TOC/TN等值線圖Fig.2 Contour maps for mean grain size,TOC,TN,TOC/TN in surface sediments in the study area

3.2 有機(jī)碳物源貢獻(xiàn)估算

3.2.1 TOC/TN與有機(jī)碳物源

TOC/TN比值已廣泛用于判別海洋中有機(jī)質(zhì)的不同來(lái)源。Redfield比值用來(lái)表示海洋浮游植物體內(nèi)C和N的原子比,海洋生物來(lái)源的有機(jī)質(zhì)TOC/TN比值為4～10,平均約為6.7[18],陸源高等植物來(lái)源的有機(jī)質(zhì)TOC/TN比值＞15[19],沉積物中的TOC/TN比值越接近Redfield比值,其有機(jī)物來(lái)源越接近海源,越大于Redfield比值,越接近陸源[20]。研究區(qū)沉積物TOC/TN比值為6.05～12.88,平均為8.38,顯示了海、陸混合源的特征。研究區(qū)TOC和TN顯示了一定的相關(guān)性(圖3),表明其物質(zhì)來(lái)源基本相同,但受到其他因素的干擾。海洋沉積物中的N可以分為有機(jī)氮(ON)和無(wú)機(jī)氮(IN),其中ON與TOC的來(lái)源基本相同[21],而IN主要來(lái)源于海水中的亞硝酸鹽和硝酸鹽等含氮化合物以及細(xì)顆粒物質(zhì)對(duì)NH+4的吸附,其主要來(lái)源是含氮無(wú)機(jī)肥料[6]。當(dāng)TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí),樣品中的IN可能會(huì)對(duì)應(yīng)用TOC/TN比值這一指標(biāo)判別有機(jī)碳來(lái)源產(chǎn)生影響。研究中,TOC平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.84%且遠(yuǎn)大于TN(0.1%),IN不會(huì)對(duì)TOC/ TN比值造成明顯影響,可以用TOC/TN比值判別有機(jī)碳來(lái)源。

圖3 TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)與黏土體積分?jǐn)?shù)、TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)關(guān)系Fig.3 Correlation between TOC mass percentage and clay volume percentage,TN mass percentage

3.2.2 海、陸源入海有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)估算

利用TOC/TN比值定量估算陸源和水源有機(jī)碳的方法已得到廣泛認(rèn)可和應(yīng)用,如渤海灣[21]、珠江口[22]和長(zhǎng)江口[23]等。但必須指出,還有其他因素影響海洋沉積物中TOC/TN比值,且陸源和海洋自生有機(jī)質(zhì)TOC/TN比值并非恒定值,估算中根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果及參考端元值的設(shè)定等,這些都對(duì)物源結(jié)果的定量估算有一定影響。但對(duì)于了解區(qū)域沉積有機(jī)質(zhì)來(lái)源的相對(duì)貢獻(xiàn)仍具有參考意義。

印度河流年輸入TOC通量約為7.67×106t[24],入?？谔幊练e物TOC/TN比值約為11.6[25];喜馬拉雅河流(G-B)年輸入TOC通量約為16.6×106t[24],梅娜河洪泛平原近入?？谔嶵OC/TN比值約為11[26],根據(jù)以下質(zhì)量平衡公式求得陸源有機(jī)質(zhì)TOC/TN約為11.2:

其中,Fi,(TOC/TN)i分別代表印度河流年輸入TOC通量及入海口處TOC/TN比值,Fh和(TOC/TN)h分別代表喜馬拉雅河流年輸入TOC通量及入海口處TOC/TN比值。

Redfield研究結(jié)果顯示,海洋生物來(lái)源有機(jī)質(zhì)TOC/TN比值為4～10[18];Geider研究表明在營(yíng)養(yǎng)鹽充足時(shí),海洋生物來(lái)源有機(jī)質(zhì)TOC/TN比值最低值約為3[27]。研究區(qū)位于南亞和東南亞大陸之間,接受大量來(lái)自陸源的營(yíng)養(yǎng)鹽輸入,印度洋N含量高于全球大洋平均水平[28-31],這導(dǎo)致印度洋海洋生物有機(jī)質(zhì)TOC/ TN比值相對(duì)全球大洋平均水平而言偏低,故認(rèn)為研究本區(qū)海洋自生有機(jī)質(zhì)TOC/TN比值取值為4較為合適。據(jù)此,研究區(qū)陸源和海洋自生有機(jī)質(zhì)TOC/TN比值分別為11.2和4,根據(jù)如下公式

式中,TOC和TN為測(cè)量值,TOCl和TOCw分別為陸源和海洋自生有機(jī)碳含量,TNl和TNw分別為陸源和海洋自生有機(jī)氮含量?？傻?/p>

可得陸源與海洋自生有機(jī)碳的相對(duì)貢獻(xiàn)比例為式中,Fl和Fw分別為陸源和海洋自生有機(jī)碳的相對(duì)貢獻(xiàn)百分?jǐn)?shù)。運(yùn)用該公式對(duì)研究區(qū)表層沉積物樣品中的陸源和海洋自生有機(jī)碳的相對(duì)貢獻(xiàn)比例進(jìn)行估算,結(jié)果表明研究區(qū)陸源與海洋自生有機(jī)質(zhì)平均相對(duì)貢獻(xiàn)分別為60%和40%,即研究區(qū)有機(jī)質(zhì)的來(lái)源為混合源,但以陸源輸入為主。海洋自生有機(jī)碳貢獻(xiàn)值分布如圖4,貢獻(xiàn)量大的海域TOC/TN比值較低(圖2和圖4),二者具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖4 研究區(qū)海洋自生有機(jī)碳貢獻(xiàn)比例(%)空間分布Fig.4 Distribution of the contribution proportions(%)of authigenic organic carbon from the oceanic sources

3.3 控制因素分析

3.3.1 粒度特征

TOC傾向于在細(xì)顆粒物質(zhì)中富集,平均粒徑大小對(duì)其分布有一定控制作用[16]。TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)與平均粒徑分布特征相似(圖2)且二者具有相關(guān)性(圖3),說(shuō)明研究區(qū)粒度特征對(duì)TOC的分布有一定的控制作用。平均粒徑相對(duì)較粗的海域主要位于研究區(qū)中部,處于中扇區(qū)向下扇區(qū)過(guò)渡位置,TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低。研究區(qū)南北兩側(cè)區(qū)域主要受正常溢流沉積和河流懸浮體輸入沉降影響[7],平均粒徑較細(xì),TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高。

3.3.2 有機(jī)碳來(lái)源及供應(yīng)方式

孟加拉灣初級(jí)生產(chǎn)力受鹽度、渦旋和光照影響較大。北部和中部表層水體由于G-B河的高入海通量,具有高溫、低鹽特征,使得水體出現(xiàn)層化現(xiàn)象;西南季風(fēng)期輸入的高懸浮體通量影響范圍大,使得水體上層受到了光抑制;開闊海域常出現(xiàn)的渦旋也影響了水柱中的營(yíng)養(yǎng)鹽分布。三者共同作用降低了表層初級(jí)生產(chǎn)力,但孟加拉灣開闊海域表層生產(chǎn)力水平仍與南海相當(dāng)[33]。

陸源輸入主要為G-B河及印度半島河流入海攜帶的TOC輸入。喜馬拉雅河流(G-B)年輸入TOC通量約為16.6×106t[24],對(duì)比孟加拉扇沉積物中TOC及喜馬拉雅山源巖中的TOC,扇體沉積物有機(jī)碳埋藏對(duì)大氣CO2的損耗(mol/kg)甚至是硅酸鹽風(fēng)化的2～3倍[5]。另外,印度河流年輸入TOC約7.67×106t[24],且由于印度季風(fēng)的影響,輸入量季節(jié)性變化明顯,西南季風(fēng)期有機(jī)質(zhì)輸入量可以達(dá)到東北季風(fēng)期輸入量的3～91倍[32]。France和Derry研究表明,孟加拉扇、印度扇和印度-恒河平原TOC埋藏量占據(jù)了現(xiàn)代全球TOC埋藏量的15%[32]。

另一方面,研究區(qū)特有的沉積物輸運(yùn)方式也是影響TOC分布來(lái)源的重要因素。研究表明,研究區(qū)沉積特征主要是濁流輸運(yùn)導(dǎo)致的溢流沉積[17](圖5),另外包括少量河流沖淡水?dāng)y帶的懸浮物質(zhì)沉降[7]。G-B河流及印度河流入海物質(zhì)主要被三角洲和陸架捕獲(印度物質(zhì)主要由表層環(huán)流輸運(yùn)至北部陸架區(qū))[33-37],而后在海洋環(huán)流動(dòng)力作用下已沉積的物質(zhì)在陸架運(yùn)移或再懸浮并被研究區(qū)最大的海底峽谷——“無(wú)底大峽谷”捕獲[38],進(jìn)而向陸坡下運(yùn)移,加之陸坡上不穩(wěn)定塊體在重力作用下發(fā)生的滑塌形成密度較大的濁流,到達(dá)坡腳后就沿目前孟加拉扇表面最活躍的水道“Active Valley(AV)”向扇體下部方向輸運(yùn)。隨著從上扇向下扇的輸運(yùn),濁流強(qiáng)度不斷降低,但AV的橫截面積也大為減小,導(dǎo)致水道內(nèi)輸運(yùn)的濁流溢出兩側(cè)“堤壩”,隨著動(dòng)力減弱逐漸沉積于扇體表面。這作為研究區(qū)沉積物的主要來(lái)源及供應(yīng)方式,對(duì)有機(jī)碳的分布起著最重要的控制作用。研究區(qū)北部由于距G-B河物源區(qū)較近,相比中部和南部海域接受沉積物量更大,且處于上扇區(qū)向中扇區(qū)的過(guò)渡位置,水道橫截面積減小造成了濁流溢出水道,懸浮物質(zhì)在扇體表面沉積下來(lái)。南部處于中扇與下扇區(qū)的過(guò)渡處,水道橫截面積的減小導(dǎo)致一定程度的溢流沉積,但強(qiáng)度相對(duì)較小。西南部海域靠近克里希納河和戈達(dá)瓦里河河口處,尤其是戈達(dá)瓦里河顆粒有機(jī)物質(zhì)的產(chǎn)量居世界第5位[25](僅次于黃河、長(zhǎng)江、G-B河和亞馬遜河),大量的有機(jī)物質(zhì)入海后在環(huán)流作用下對(duì)研究區(qū)西南部影響較大。研究區(qū)中部既不像北部接近物源,又不像西南部受克里希納河和戈達(dá)瓦里河有機(jī)物質(zhì)影響明顯,故TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低。

圖5 高海面時(shí)期孟加拉扇沉積模式圖(據(jù)文獻(xiàn)[17]改編)Fig.5 Model of turbidity current deposition for the Bengal Fan during a high stand of sea level (modified from reference[17])

河流沖淡水?dāng)y帶的懸浮物質(zhì)沉降對(duì)研究區(qū)有機(jī)質(zhì)也有一定的貢獻(xiàn)。海洋中沉降顆粒是從海洋表層向內(nèi)部垂向質(zhì)量輸運(yùn)的主要載體,因而對(duì)于海洋生物地球化學(xué)循環(huán)具有十分重要的作用[39-40]。孟加拉灣位于亞洲兩大季風(fēng)區(qū)之一的印度季風(fēng)區(qū),印度季風(fēng)影響區(qū)域物質(zhì)通量的主要機(jī)制是通過(guò)控制降水量的變化[41]。在西南季風(fēng)期,降水豐沛,河流攜帶來(lái)自喜馬拉雅山和青藏高原及印度源區(qū)的物質(zhì)入海通量高,形成的沖淡水可以一直向南擴(kuò)散至15°N[7],幾乎影響整個(gè)研究區(qū),隨后隨沉積動(dòng)力減弱其中的懸浮物質(zhì)沉降至海底扇體表面沉積下來(lái)。在此過(guò)程中,經(jīng)過(guò)沉降過(guò)程中的選擇性降解、生源顆粒的溶解作用等由顆粒態(tài)向溶解態(tài)轉(zhuǎn)化的再礦化過(guò)程等[42],損失部分有機(jī)質(zhì)。研究區(qū)不同區(qū)域顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)來(lái)源在季風(fēng)期和季風(fēng)交替期主控機(jī)制不同。研究區(qū)北部顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)來(lái)源主要是河流輸入物質(zhì)形成的渾水羽狀流向南擴(kuò)散(季風(fēng)期)及上升流區(qū)域沿東印度東海岸的擴(kuò)散(NE-SW季風(fēng)交替期);研究區(qū)南部顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)主要受控于風(fēng)力驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致的生源成分含量增加(季風(fēng)期)及海洋過(guò)程誘導(dǎo)的海洋生產(chǎn)力變化(NE-SW季風(fēng)交替期)[43]。

3.3.3 有機(jī)質(zhì)的保存

沉積物中TOC埋藏通量與沉積速率關(guān)系密切,沉積速率通常是決定TOC埋藏通量的主導(dǎo)因素[44]。對(duì)喜馬拉雅山源巖、G-B河沉積物及孟加拉扇沉積物綜合有機(jī)碳收支模型[4]的研究表明,該區(qū)有機(jī)碳的輸運(yùn)受控于沉積物的快速源匯過(guò)程,而在向海洋輸運(yùn)和沉積過(guò)程中TOC的氧化損失可以忽略,70%～85%的有機(jī)碳是在輸運(yùn)過(guò)程中捕獲的土壤有機(jī)碳和新鮮的植物碎屑等現(xiàn)代陸源有機(jī)碳?？傊?源區(qū)喜馬拉雅山的高侵蝕速率導(dǎo)致孟加拉灣TOC較高的沉積速率和較低的降解損失,從而維持孟加拉灣較高的TOC埋藏效率。

氧化還原條件是影響有機(jī)質(zhì)保存的另一個(gè)重要因素。研究區(qū)水深較大,底流活動(dòng)較弱,等深流基本位于85°E以西流動(dòng)[45],由于接納大量來(lái)自陸地的淡水輸入,表層水體密度較低,難以產(chǎn)生區(qū)域性的下沉水團(tuán)[45],因此水體不同深度間存在層化“水障”[33],垂向混合相對(duì)較弱,這些因素造成研究區(qū)海域底部含氧量不足,有利于有機(jī)質(zhì)的保存。研究發(fā)現(xiàn),孟加拉扇最有利的有機(jī)質(zhì)發(fā)育區(qū)應(yīng)為中扇上部[46](即研究區(qū)北部),這與本研究中北部海域TOC高含量區(qū)相一致,也與底層有利于TOC保存的氧化還原條件是密切相關(guān)的。

4 結(jié) 論

1)研究區(qū)TOC和TN的分布主要以15°N和16°N為界,呈現(xiàn)出南北兩側(cè)海域質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,中間海域低的特征,顯示在一定程度上受到粒度控制。

2)基于TOC/TN比值估算的研究區(qū)表層沉積物有機(jī)質(zhì)來(lái)源為混合源,陸源與海洋自生有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)比例分別約為60%和40%,即研究區(qū)沉積物中TOC以陸源為主。

3)研究區(qū)TOC來(lái)源包括陸源輸入和海洋自生輸入。陸源TOC主要輸運(yùn)方式為濁流溢流沉積,這是本區(qū)TOC分布的主要控制因素。此外,粒度、河流沉積物的輸入沉降、較高的沉積速率和較有利的氧化還原條件等都對(duì)研究區(qū)TOC埋藏保存有一定的影響。

致謝:國(guó)家海洋局第一海洋研究所朱影、中國(guó)海洋大學(xué)葉文星協(xié)助進(jìn)行了粒度樣品處理及測(cè)試。

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Distribution and Source of Organic Carbon in Surface Sediment From Mid-Bengal Bay

LI Jing-rui1,2,3,4,LIU Sheng-fa3,4,5,HU Li-min3,4,5,FENG Xiu-li1,2,SUN Xing-quan1,2, BAI Ya-zhi3,4,SHI Xue-fa3,4,5
(1.College of Marine Geosciences,Ocean University of China,Qingdao 266100,China; 2.Key Laboratory of Submarine Geosciences and Prospecting,Qingdao 266100,China; 3.The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao 266061,China; 4.Key Laboratory of Marine Sedimentology and Environmental Geology,SOA,Qingdao 266061,China; 5.Laboratory for Marine Geology,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266061,China)

This study analyzed total organic carbon(TOC),total nitrogen(TN)and grain size of 110 surface samples from the mid-Bengal Bay,indicated their distributional patterns of some proxies such as mean grain size(Mz),TOC,TN and TOC/TN,and then discussed the origin of organic matter and its controlling factors.The Mz varies in a range of 6.2～7.6Φ,with an average of 7.1Φ.The distribution features of Mz, TOC,TN and TOC/TN are generally similar,and all of them show the same two"boundaries":15°N and 16°N,And,based on these two boundaries,the study area can be subdivided into the following three parts, northern,central and southern area.For Mz,it is fine-grained in the northern and southern areas(＞7Φ) and coarse in the central area(＜7Φ).Contents of TOC and TN vary in a range of 0.37%～1.24%with an average of 0.84%and 0.05%～0.15%with an average of 0.10%,respectively.Compared to those in the central area,the contents of both TOC and TN in the northern and southern areas are higher.TOC/TN varies in a range of 6.05～12.88 with an average of 8.38,which are higher in the central area than the northern and southern areas.According to the TOC/TN ratios,we estimated the average contributions of terrigenous and oceanic organic matter to the study area,60%and 40%,respectively.We suggested that the distribution pattern of organic matter in the study area are mainly controlled by material sources and supply paths,and the most important factor is the overflowing sediments caused by turbidity currents.In addition,some other factors such as grain size,sedimentation of suspended materials(carried by the river plume)and preservation conditions for organic matters,play important role as well.

Bay of Bengal;sediment;grain size;organic carbon;TOC/TN

P736.21

:A

:1671-6647(2017)01-0073-10

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.01.008

2016-01-13

全球變化與海氣相互作用專項(xiàng)——東印度洋IND-CJ02區(qū)塊海底底質(zhì)和底棲生物調(diào)查(GASI-02-IND-CJ02)和亞洲大陸邊緣“源-匯”過(guò)程與陸海相互作用(GASI-GEOGE-03);泰山學(xué)者工程專項(xiàng)

李景瑞(1989-),男,山東濱州人,博士研究生,主要從事海洋沉積學(xué)方面研究.E-mail:zhljr2008@126.com

*通訊作者:石學(xué)法(1965-),男,山東昌邑人,研究員,博士,主要從事海洋沉積學(xué)與海底成礦方面研究.E-mail:xfshi@fio.org.cn

Received:January 13,2016