孫興全，劉升發(fā)，李景瑞，曹鵬，張輝，趙廣濤，Somkiat Khokiattiwong，Narumol Kornkanitnan，石學法

1. 中國海洋大學海洋地球科學學院，海底科學與探測技術教育部重點實驗室，青島 266100

2. 自然資源部第一海洋研究所，海洋沉積與環(huán)境地質自然資源部重點實驗室，青島 266061

3. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室，海洋地質過程與環(huán)境功能實驗室，青島 266061

4. Marine and Coastal Resources Research and Development Institute，Department of Marine and Coastal Resources，Bangkok 10210，Thailand

1 區(qū)域地質背景

孟加拉灣是位于印度洋東北部的半封閉式海灣，總面積為217.2×104km2，平均水深2 586 m，是世界第一大海灣。孟加拉灣周邊河流眾多，每年攜帶大量陸源物質入海[1-2]（表1），充足的沉積物供給在此形成了世界上最大的深海濁積扇—孟加拉扇[3-4]。孟加拉灣的表層流系對灣內的沉積物輸運影響顯著，受印度季風影響，研究區(qū)夏季盛行西南季風，冬季盛行東北季風，導致其表層環(huán)流冬季呈逆時針方向，夏季呈順時針方向；孟加拉灣西部的東印度沿岸流在冬季風作用期間沿印度東岸和斯里蘭卡向南流，在夏季風期間大致以10°N 為界，10°N 以北為北向沿岸流，以南則為南向沿岸流[5-6]（圖1）。

作為亞洲大陸典型的邊緣海，孟加拉灣是喜馬拉雅山和青藏高原侵蝕物質的重要“匯”區(qū)，同時也接收來自印度大陸、東南亞等地區(qū)的陸源物質，其海底沉積物中蘊含了豐富的“源”區(qū)信息，是研究海洋沉積物“源-匯”過程的理想區(qū)域[7-9]。目前已有眾多關于孟加拉灣沉積物來源的研究，研究結果大多認為陸源碎屑物質是孟加拉灣沉積物的主要類型，而沉積物的主要來源是恒河-布拉馬普特拉河所搬運的喜馬拉雅山侵蝕物質，另有少部分來自印度半島和東南亞[7,10-12]。濁流作用是孟加拉灣的優(yōu)勢沉積過程，在孟加拉扇體表面發(fā)現了大量的沉積物輸運通道，但這些水道多已廢棄，僅有一條“活躍水道”與北部的“無底大峽谷”相連（圖1），它被認為是目前唯一活躍的水道[13]。受控于水道內的濁流及其溢流作用，在孟加拉灣中部尤其是水道附近區(qū)域的沉積物多認為主要為喜馬拉雅單一物源[8,14]，而在孟加拉灣的西部和東部除喜馬拉雅山以外，又分別受到次要源區(qū)印度半島和緬甸物質的影響[9,15-17]。在目前高海平面時期，濁流活動相對較弱，尤其是在孟加拉扇的下扇區(qū)，濁流活動幾乎已停止[3,12]，這必然使得表層懸浮體沉降帶來的印度大陸和東南亞物質信號有所增強，然而該區(qū)域在現今高海平面條件下的物質來源問題尚不清晰，尤其缺少大范圍高密度的表層取樣研究，這限制了我們對孟加拉灣“源-匯”過程的整體認識。

稀土元素傾向于在細顆粒物質及一些重礦物中富集，在表生環(huán)境中物理化學性質比較穩(wěn)定，主要受物源區(qū)源巖類型控制，風化剝蝕、搬運和沉積的過程中稀土元素組成變化較小[18-20]，是研究細顆粒沉積物來源的有效指標，在示蹤物源方面得到了廣泛的應用并取得良好效果[2,21-24]。為此，本文使用孟加拉灣南部表層沉積物的稀土元素數據，分析了稀土元素的空間分布特征及其配分模式，并利用稀土元素分異參數對表層沉積物的來源進行了識別，進而結合本區(qū)域周邊河流的稀土元素組成特征及海洋水動力條件探討了沉積物的輸運方式，以期為理解熱帶印度洋的“源-匯”過程提供理論支撐，并為全球其他深海沉積物來源和輸運模式研究提供一定的理論依據。

2 材料與方法

本文使用樣品為自然資源部第一海洋研究所于2018 年1—3 月在孟加灣南部（孟加拉扇下扇區(qū)）利用箱式取樣器獲取的98 個表層沉積物樣品，具體取樣位置詳見圖1，取樣水深范圍為2 930～3 663 m。對各站位表層沉積物樣品（0～5 cm）分別進行粒度和元素地球化學分析測試。樣品的預處理及測試分析均在海洋沉積與環(huán)境地質自然資源部重點實驗室完成。

表 1 孟加拉灣周邊河流概況[1-2]Table 1 An overview of the rivers around the Bay of Bengal

圖1 研究區(qū)地理位置和取樣站位分布Fig.1 Location of the study area and sampling sites

粒度分析測試首先稱取適量的沉積物樣品，加入約15 mL 的3%雙氧水靜置24 h 以上，以去除有機質，之后加入3 mol/L 的稀鹽酸約5 mL 靜置24 h以上，以去除鈣質組分，待反應完全后，離心清洗直至中性，接下來經超聲振蕩使顆粒充分分散，最后進行上機測試。所用儀器為英國Master sizer 2000型激光粒度儀，儀器分析范圍為0.02～2 000 μm，樣品重復測量相對誤差小于3%。沉積物平均粒徑采用矩法計算[25-26]。

經過冷凍干燥后，使用瑪瑙研缽將待測沉積物研磨至200 目，烘箱烘干，稱取50 mg 樣品于聚四氟乙烯消解罐中，使用高純硝酸和氫氟酸按照1∶1 比例混合的溶液充分溶解樣品，烘箱溫度190 ℃保持48 h，待樣品冷卻之后使用電熱板蒸干，而后加入3 mL 50%的HNO3，放置于溫度150 ℃的烘箱中繼續(xù)溶樣8 h 以上，移液后定容待測。沉積物稀土元素含量使用等離子體質譜分析方法（ICP-MS）測定，在樣品測試分析過程中，用國家一級標準物質GSD-9、空白樣品和重復樣進行質量控制，測試結果顯示，標樣和重復樣合格率為100%，樣品與標樣的相對誤差小于6%，稀土元素重復樣的相對誤差小于5%。使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）對表層沉積物的常量元素進行測試，常量元素數據已在我們之前的研究工作中使用并發(fā)表，實驗方法及數據分析等詳見文獻[25]。

3 結果

3.1 稀土元素含量及空間分布特征

研究區(qū)98 個表層沉積物的稀土元素總含量范圍 為67.62 ～180.67 μg/g，其 平 均 值 為100.85 μg/g（表2），與深海黏土的稀土元素總含量（411.96 μg/g）[27]存在較大差異，而更為接近上陸殼物質的稀土元素總含量（146.37 μg/g）[28]和孟加拉灣周邊主要河流沉積物的稀土元素總含量[29-31]（表2）。稀土元素總含量在空間分布上表現出西高東低的變化趨勢（圖2），西部區(qū)域多在105 μg/g 以上，而東部區(qū)域其含量則多小于95 μg/g。稀土元素總含量與研究區(qū)表層沉積物平均粒徑的相關性較弱（R2=0.12），而與陸源碎屑物質的代表性元素鈦的相關性極高（R2=0.83）（圖3），從而顯示出明顯的“陸源”屬性。

表 2 研究區(qū)及周邊河流稀土元素含量及分異參數Table 2 Rare earth elements composition and differentiation parameters of sediments of the study area and adjacent rivers

圖2 研究區(qū)表層沉積物平均粒徑(左)和稀土元素總含量平面分布(右)圖Fig.2 Distributions of mean grain size （left） and total concentrations of rare earth elements （right）of the surface sediments of the study area

3.2 稀土元素配分模式

本次研究采用球粒隕石[32]對稀土元素進行標準化，經標準化后的配分模式見圖4。研究區(qū)98 個表層沉積物的稀土元素配分模式具有明顯的Eu 負異常、無明顯的Ce 異常、輕稀土含量明顯富集（La-Eu）和重稀土含量相對均一（Gd-Lu）的特點。一般而言，相比于火山源和生物源物質，陸源物質的輕稀土元素表現為異常富集；而火山源物質的特點是Eu 幾乎無異常和重稀土元素輕微富集；相比之下，生物源物質的稀土元素總含量要低得多，中稀土元素則顯示為輕微富集[33]。從研究區(qū)表層沉積物稀土元素的配分模式來看，可推斷其主要來源為陸源碎屑。

δEu 和δCe 是表征稀土元素分異特征的重要參數，常用于反映沉積環(huán)境的變化[2]。經球粒隕石標準化后，研究區(qū)表層沉積物稀土元素的δEu 值為0.75～0.97，其平均值為0.85，而δCe 則為0.92～1.14，其平均值為1.04。這說明相對于球粒隕石，所研究沉積物的稀土元素組成已發(fā)生了明顯分異，其分異程度與上陸殼的稀土元素相近，也與恒河-布拉馬普特拉河、戈達瓦里河-克里希納河等河流沉積物接近（表2）。

圖3 研究區(qū)表層沉積物稀土元素總含量與平均粒徑和TiO2 相關圖Fig.3 Correlation between total concentrations of rare earth elements, mean grain size, and TiO2 in the surface sediments of the study area

圖4 研究區(qū)表層沉積物稀土元素總含量配分模式圖Fig.4 Chondrite-normalized rare earth elements distribution pattern of the surface sediments in study area

4 討論

4.1 稀土元素控制因素分析

作為沉積物來源識別的常用指標，稀土元素主要在碎屑礦物的晶格中賦存，在沉積過程中表現為較強的惰性，因此，沉積物的稀土元素組成基本反映了物源區(qū)源巖的屬性特征[19-20]。然而，除受物源控制之外，海洋沉積物中的稀土元素含量和組成特征還可能受到風化剝蝕與河流輸運過程、自生鐵錳氧化物和氫氧化物、重礦物、自生碳酸鹽以及沉積物粒度的影響[34-35]，在判定物源之前有必要對這些影響因素進行評估。

輕、重稀土元素在化學分化過程中所表現出的活潑性不同，相比于輕稀土元素，重稀土元素的帶出能力更強，容易在風化剝蝕與河流輸運過程中以溶液的形式發(fā)生遷移，而輕稀土元素則更加傾向于在風化殘余物中富集[34,36-37]。對恒河-布拉馬普特拉河河流剖面的研究顯示[31,38]，造成河流深度剖面上沉積物的化學蝕變指數和風化指數變化的主要原因是水動力的分選作用而非強烈的化學風化；河底床沉積物的化學蝕變指數與喜馬拉雅源巖接近，且河流懸浮沉積物和底床推移質與研究區(qū)表層沉積物的稀土元素配分模式相似，均顯示出相近的輕稀土元素富集和較為平坦的重稀土元素的特點（圖5），這說明風化剝蝕與河流輸運過程不會對我們使用稀土元素特征來判別研究區(qū)表層沉積物的來源產生明顯的影響。

研究區(qū)表層沉積物中的鐵元素與錳元素的相關性較差（R2=0.24）（圖6），而與陸源指示元素鋁、鈦具有很強的相關性。因子分析結果顯示鐵元素與鋁、鈦、鎂、鉀等成巖元素受同一因子控制[25]，這表明研究區(qū)鐵元素主要來自陸源碎屑，而非自生氧化物和氫氧化物。同時，相關分析表明，研究區(qū)表層沉積物中的錳元素與稀土元素總含量相關性很低（R2=0.08）（圖6），表明其對稀土元素的影響較小，因此，自生鐵錳氧化物和氫氧化物在本區(qū)域對稀土元素的影響可以排除。

海洋沉積物中重礦物含量及類型對稀土元素組成有較大的影響，其中，重稀土元素易于在鋯石、石榴子石等礦物中富集，輕稀土元素則在角閃石、榍石、獨居石、磷灰石等礦物中含量較高[39]。研究區(qū)表層沉積物中重礦物含量極低，重礦物總含量范圍為0.001%～0.27%，平均值僅為0.04%，而與稀土元素密切相關的重礦物更是鮮有分布[40]，說明在本研究區(qū)重礦物對稀土元素空間分布的影響可以忽略。

圖5 研究區(qū)表層沉積物稀土元素平均值與周邊河流稀土元素配分模式Fig.5 Chondrite-normalized rare earth elements distribution pattern of the average REE composition in study area and adjacent rivers

一般情況下，Ce 負異常主要與生物碳酸鹽等自生沉積物有關，碳酸鹽含量越高，δCe 值越低[41]，研究區(qū)表層沉積物稀土元素Ce 負異常不明顯，δCe 值為0.92～1.14，平均值為1.04（圖4），因此，可以認為海洋自生碳酸鹽對研究區(qū)稀土元素影響很小。

沉積物的粒度對稀土元素有重要影響，稀土元素趨向于在細粒沉積物中富集[34]，研究區(qū)表層沉積物粒度較細，且較均勻，平均粒徑集中于6.0～7.8Φ，且平均粒徑與稀土元素總含量（圖3）等參數相關性較小，因此，粒度對研究區(qū)稀土元素組成起次要作用。綜合以上分析我們認為，研究區(qū)表層沉積物稀土元素組成及分異特征主要受沉積物來源影響。

4.2 稀土元素物源指示

從上文的分析中可以看出，研究區(qū)表層沉積物稀土元素組成具有明顯的陸源屬性，且受除物源以外的其他因素影響較小，可以用于識別本區(qū)域沉積物陸源組分的來源。從研究區(qū)的地理位置、環(huán)流特征 及 前 人 的 研 究 成 果 來 看[2,7, 9, 16,42-44]，研 究 區(qū) 陸 源 物質的潛在來源包括：通過恒河-布拉馬普特拉河搬運而來的喜馬拉雅山的物質，通過戈達瓦里河-克里希納河、默哈納迪河等河流入海的印度半島物質以及通過伊洛瓦底江輸入的緬甸地區(qū)的物質。研究區(qū)表層沉積物稀土元素的平均值與周邊河流稀土元素的配分模式有較好的一致性（圖6），說明沉積物來源可能與它們都有關。

圖6 MnO 與TFe2O3 和稀土元素總含量之間的相關性Fig.6 Correlation between MnO, TFe2O3, and total concentrations of rare earth elements

為了進一步分析研究區(qū)各區(qū)域稀土元素組成特征及其物質來源，我們選取稀土元素總含量、（La/Yb）N、（Sm/Nd）N、δEu 和總輕稀土/總重稀土等特征參數，使用SPSS 19 軟件，對研究區(qū)表層沉積物站位進行聚類分析（圖7），結果顯示研究區(qū)大致可以分為東西兩個區(qū)域，西側Ι 區(qū)沉積物相比于東側的Ⅱ區(qū)沉積物總稀土元素值明顯較高，且普遍具有更高的（Sm/Nd）N和更低的（La/Yb）N，這可能是不同源區(qū)物質在空間上分布的差異導致。

本文使用（La/Yb）N-（Sm/Nd）N物源識別圖對孟加拉灣南部表層沉積物來源進行識別。由圖8 可見，研究區(qū)表層沉積物落點與伊洛瓦底江和默哈納迪河距離較遠，而與恒河-布拉馬普特拉落點最為接近，尤其是位于東側的Ⅱ區(qū)沉積物幾乎全部在恒河-布拉馬普特拉河落點范圍內。恒河-布拉馬普特拉河是本區(qū)最重要的河流系統(tǒng)，每年攜帶大量來自喜馬拉雅山的侵蝕物質入海，從本次的物源識別結果來看，恒河-布拉馬普特拉河無疑是孟加拉扇下扇區(qū)表層沉積物最重要的物質供應者。位于西側的Ι 區(qū)沉積物絕大多數則位于恒河-布拉馬普特拉河與戈達瓦里河-克里希納河之間，說明研究區(qū)的西側沉積物受到來自印度半島河流戈達瓦里河-克里希納河沉積物的影響，表現為明顯的混合來源。

因此，基于稀土元素的物源識別結果，我們認為研究區(qū)表層沉積物的主要物質來源為喜馬拉雅山和印度半島，且喜馬拉雅山為最重要源區(qū)，印度半島物質主要對研究區(qū)西側沉積物產生影響。

4.3 孟加拉灣南部細顆粒物質輸運方式

孟加拉扇是世界上最大的深海濁積扇，扇體沉積物受濁流及其溢流作用影響重大，來自喜馬拉雅山的大量侵蝕產物通過濁流作用，經由海底峽谷和水道搬運至深海并沉積下來[3,9,45]。與北部陸架“無底大峽谷”連接的“活躍水道”被認為是目前唯一活躍的濁流通道[4,46-47]。孟加拉扇中扇區(qū)沉積物的物源分析顯示，“活躍水道”在該區(qū)沉積物輸運中扮演著最重要的角色，表層環(huán)流則起著次要作用[8,42,44]。而在現今高海平面時期，河流輸送的沉積物絕大部分被陸架捕獲，海底濁流活動較低海平面時期大大減弱[3,9]，沉積中心由深海移至陸架[48]，在這種條件下，濁流及其溢流僅發(fā)生在上扇和中扇區(qū)，而對下扇區(qū)幾乎不產生影響[3,12,49]。

受海嶺阻隔，孟加拉灣等深流活動主要出現在85°E 以西[50]。在冰期，較強的東北季風可能帶來來自青藏高原的粉塵[49,51]，但在現階段這對研究區(qū)的影響可以忽略，因為此時的東北季風相比于冰期已大大減弱[52]。河流沖淡水所攜帶的陸源碎屑可以在洋流的作用下搬運至下扇區(qū)[49]，這也成為研究區(qū)陸源物質輸送的主要形式。

圖7 稀土元素聚類分區(qū)圖Fig.7 Cluster partition map of rare earth elements

圖8 (La/Yb)N-(Sm/Nd)N 物源識別圖Fig.8 (La/Yb)N-(Sm/Nd)N provenance identification diagram

孟加拉灣沉積物的產量及輸運受季風影響顯著，在西南季風期間雨水充沛，恒河-布拉馬普特拉河入海物質通量在此期間達到峰值[9,53-54]，沉積物搬運量占全年總量的95%[55]，大量的懸浮顆粒隨河流沖淡水向南輸送[56]，并在夏季順時針的環(huán)流作用下在灣內擴散、沉降，而由于恒河-布拉馬普特拉河極高的入海物質通量，這也成為下扇區(qū)陸源物質的主要來源。

印度大陸一側的陸坡區(qū)海底峽谷發(fā)育較小，并無大型海底峽谷輸運印度物質對孟加拉扇進行物質供應，向研究區(qū)的物質輸送主要依靠表層環(huán)流的搬運。模型研究的結果顯示，由戈達瓦里河-克里希納河搬運的印度半島物質可以在東印度沿岸流的作用下向深海搬運[57]。從孟加拉灣表層環(huán)流特征及戈達瓦里河-克里希納河與研究區(qū)的相對位置來看，印度源區(qū)物質向研究區(qū)的輸運主要依靠東北季風流。在東北季風期間，東印度沿岸流沿著印度東部向南流動[6]，形成一低鹽度的羽狀流[58]，攜帶來自印度半島的物質向南搬運，并與此時孟加拉灣內的逆時針環(huán)流的共同作用下向下扇區(qū)輸送沉積物并對研究區(qū)西側Ι 區(qū)沉積物產生影響。

5 結論

（1）研究區(qū)表層沉積物稀土元素總含量的平均值為100.85 μg/g，經球粒隕石標準化后稀土元素具有明顯的Eu 負異常而無明顯的Ce 異常的特點，配分模式整體顯示出輕稀土含量明顯富集、重稀土含量相對均一的特征。

（2）研究區(qū)表層沉積物稀土元素具有明顯的陸源屬性，其主要來源為陸源物質，而受風化剝蝕與河流輸運過程、自生鐵錳氧化物和氫氧化物、重礦物、自生碳酸鹽和沉積物粒度等的影響較小。基于稀土元素主要參數可以將研究區(qū)分為兩個區(qū)：西部的Ι 區(qū)和東部的Ⅱ區(qū)。

（3）基于稀土元素（La/Yb）N-（Sm/Nd）N物源識別圖的分析結果，研究區(qū)表層沉積物的最主要來源為恒河-布拉馬普特拉河搬運的喜馬拉雅山侵蝕物質，其對整個研究區(qū)均有重要影響；次要來源為戈達瓦里河-克里希納河輸送的印度半島物質，其主要影響范圍為研究區(qū)西側的Ι 區(qū)。兩大源區(qū)沉積物向研究區(qū)的搬運主要依靠表層環(huán)流。

致謝：感謝M.V.SEAFDEC 號調查船全體船員參與了研究區(qū)沉積物采集，自然資源部第一海洋研究所朱愛美、高晶晶、崔菁菁協助進行了稀土元素測試，在此一并表示感謝。