宋子君，孟凡祎，李維鼎，陳琳瑩，羅敏

上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海深淵科學(xué)工程技術(shù)研究中心，上海 201306

深淵區(qū)是指水深超過(guò)6 000～6 500 m的海域，主要由大洋海溝和海槽組成，盡管其總面積僅占全球海底面積的1%～2%，但其垂直深度構(gòu)成了全球大洋深度范圍的45%左右[1-5]。深淵海溝形成于板塊俯沖，具有獨(dú)特的非對(duì)稱的“V”字型的剖面特征，有利于沉積物向海溝的軸線位置堆積和儲(chǔ)存[6-8]。同時(shí)，這種比較局限的V字形，有助于形成高頻率的海流流動(dòng)，引起沉積物的再懸浮和再搬運(yùn)[9]。此外，與板塊交界處活躍的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相關(guān)的地震、濁流等事件，導(dǎo)致其中的沉積物通常不太穩(wěn)定，存在明顯的快速沉積事件和顆粒物質(zhì)的橫向搬運(yùn)[10]，最終加速了沉積物向海溝軸部搬運(yùn)。因此，深淵海溝被認(rèn)為是深海沉積物重要的匯。

深淵海溝是除了洋中脊以外，地球內(nèi)部與表層連通的另一個(gè)窗口，通過(guò)它可以獲得地球表層與深部物質(zhì)的能量交換等方面的信息[2]，而其中的沉積物則是記錄這些信息的絕佳載體。深海沉積物的來(lái)源通常較為復(fù)雜，主要由大陸風(fēng)化剝蝕而來(lái)的陸源物質(zhì)、火山碎屑以及海洋生物成因生物化石、海洋自生金屬氧化物等組成[11-12]。另外，盡管深淵海溝總體作為沉積物的匯，但是同一海溝不同水深和區(qū)域的沉積物組成可能差別很大。研究發(fā)現(xiàn)，馬里亞納海溝、克馬德克海溝和新赫布里底海溝內(nèi)部的地形變化和生境特征在不同尺度上均具有明顯的異質(zhì)性[13]。而沉積物作為底棲生物生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，深淵海溝內(nèi)物質(zhì)組成的差異控制著深淵微生物的種群分布和活動(dòng)強(qiáng)度。Glud等[14]對(duì)克馬德克和阿塔卡瑪海溝海底微生物耗氧速率原位觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，沿著海溝軸部不同位置的微生物呼吸速率變化范圍可達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，主要是由于局部沉積過(guò)程和物質(zhì)組成差異導(dǎo)致的。

前人通過(guò)地球化學(xué)元素、礦物成分以及粒度組分研究發(fā)現(xiàn)，馬里亞納海溝南坡水深4 500 m左右的沉積物主要為深海黏土，蒙脫石含量較高，同時(shí)其Eu正異常明顯，而且還發(fā)現(xiàn)有多種基性火山碎屑礦物，說(shuō)明受火山物質(zhì)影響強(qiáng)烈[15-17]。而在更深處的深淵區(qū)發(fā)現(xiàn)，其深淵區(qū)的沉積物物質(zhì)來(lái)源較為復(fù)雜，其物質(zhì)組成主要包括陸源物質(zhì)、生物碎屑物質(zhì)、火山物質(zhì)和自生礦物[18]，說(shuō)明同一海溝在不同水深和不同區(qū)域，其沉積物的來(lái)源明顯不同。

另外，張金鵬等[19]在馬里亞納海溝7 000 m水深處發(fā)現(xiàn)硅藻化石軟泥沉積物，表現(xiàn)為二氧化硅含量極高的乳白色硅藻席沉積 (laminated diatom mat,LDM)。這種硅藻席沉積在西菲律賓海盆也有報(bào)道[20]。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)主要為大篩盤藻化石沉積（Ethmodiscus rex），數(shù)量巨大，推測(cè)在該海區(qū)曾發(fā)生過(guò)E. rex勃發(fā)事件，且該勃發(fā)事件與末次盛冰期亞洲風(fēng)塵輸入增強(qiáng)存在很好的響應(yīng)。因此，推測(cè)末次盛冰期亞洲風(fēng)塵輸入增強(qiáng)為E. rex勃發(fā)提供豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[21-22]。

本研究選取馬里亞納海溝南部水深5 800～10 954 m的海底沉積物為研究對(duì)象，旨在通過(guò)沉積地球化學(xué)研究手段，分析和對(duì)比馬里亞納海溝不同水深的沉積物組成和碎屑組分來(lái)源，探討沉積古氧化還原條件的變化及其機(jī)制，以期對(duì)深淵沉積環(huán)境和沉積物組成的異質(zhì)性有新的認(rèn)識(shí)。

1 區(qū)域背景

馬里亞納海溝形成于太平洋板塊向菲律賓板塊俯沖，是一條北起硫黃島、西南至雅浦島附近，南北向延伸向東突出，全長(zhǎng)約2 550 km的狹長(zhǎng)弧形海溝。世界最深處“挑戰(zhàn)者深淵”位于其中。受板塊俯沖作用影響，馬里亞納海溝周邊火山廣泛分布，以西部呂宋島火山及東部弧前海底火山帶為主[23-24]。馬里亞納島弧火山巖類型基本為玄武質(zhì)、安山質(zhì)和英安質(zhì)，且年齡較新，不晚于上新世，且具有十分強(qiáng)烈的島弧巖漿作用[25]。馬里亞納島弧前弧地區(qū)存在拉斑和鈣堿性系列的火山巖，其產(chǎn)生可能與始新世到早漸新世以及晚漸新世到古新世的兩次大規(guī)模的火山活動(dòng)有關(guān)[26-27]。

馬里亞納海溝區(qū)表層海水主要受到太平洋北赤道流、黑潮、棉蘭老流以及赤道逆流等洋流的影響[20]。底層水主要受到兩支底層流動(dòng)影響：繞極底層水和北太平洋深層水[2,28]。其中，繞極底層水從南部進(jìn)入太平洋并且沿著順時(shí)針?lè)较虿粩嘞虮绷鲃?dòng)[29-30],并途徑太平洋西部的深淵區(qū)域[31]。至于北太平洋深層水在深淵中的海流向西流回阿留申群島和千島-堪察加半島海溝，并向南流經(jīng)日本和伊豆-小笠原海溝[2]。

2 材料與方法

2.1 樣品

研究樣品于2019年11—12月由“探索一號(hào)”科考船采集于馬里亞納海溝南端（圖1），水深為5 800～10 954 m。采樣站位MBR02位于海溝軸部，由全海深著陸器底棲培養(yǎng)箱采集，MBR04（海盆站位）、MBR05（向海斜坡）和MBR06（向海斜坡）由大型箱式取樣器采集。具體站位和巖芯信息見(jiàn)表1。除了MBR05整根巖芯和MBR06巖芯8～20 cm處發(fā)現(xiàn)有大量明顯的硅藻席沉積外，其余沉積物均為黃褐色黏土組成。

表 1 沉積物柱樣站位信息Table 1 Detailed information of retrieved sediment cores

2.2 實(shí)驗(yàn)與方法

2.2.1 主微量和稀土元素

沉積物樣品冷凍干燥后研磨均勻至粒度小于200目。沉積物SiO2含量用堿溶方法處理，除SiO2外的沉積物主、微量和稀土元素用酸溶方法處理。微量、稀土元素的測(cè)試采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，常量元素測(cè)試采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，測(cè)試前對(duì)空白樣、重復(fù)樣和若干標(biāo)準(zhǔn)樣進(jìn)行測(cè)試以控制樣品的測(cè)試精度和準(zhǔn)確度。樣品測(cè)試在中國(guó)科學(xué)院貴陽(yáng)地球化學(xué)研究所完成。常量元素含量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差＜3%，微量、稀土元素含量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差＜10%。

2.2.2 Sr-Nd同位素

稱取適量?jī)龈沙练e物研磨后的沉積物首先分別去除鈣質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、鐵錳自生礦物及生物硅[32-33]。將前處理后的殘?jiān)湃胩胤埍?，先后加入HNO3、HCl、HF并加熱至180 ℃，12小時(shí)后在電熱板上蒸酸至近干。接著加入0.5 mL的HCl，同樣電熱板上蒸干，再添加5 mL的 6% HCl，密封加熱至120 ℃，5小時(shí)后取出，再加入0.3 mL的10%抗壞血酸后過(guò)離子交換柱分離Sr和Nd，轉(zhuǎn)移到離心管之后上機(jī)測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中，采用86Sr/88Sr=0.119 4內(nèi)部校正儀器質(zhì)量分餾，Sr同位素國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)NISTSRM987作為外標(biāo)校正儀器漂移；采用146Nd/144Nd=0.721 9內(nèi)部校正儀器質(zhì)量分餾，Nd同位素國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)JNdi-1作為外標(biāo)校正儀器漂移。前處理與測(cè)定在南京聚譜檢測(cè)科技有限公司完成。

2.2.3 總有機(jī)碳放射性14C年齡測(cè)定

稱取一定量的粉末狀樣品, 用10%的HCl進(jìn)行酸溶去除無(wú)機(jī)碳。然后用去離子水清洗至中性后冷凍干燥，稱取38～40 mg樣品用于上機(jī)測(cè)試。在處理過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行空白和標(biāo)樣的酸處理, 以矯正酸處理過(guò)程對(duì)有機(jī)質(zhì)14C 年齡結(jié)果的影響。前處理與測(cè)定在中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所完成。利用Calib.8.2程序中Marine 20校正曲線和全球平均儲(chǔ)庫(kù)年齡（400 a）將放射性14C年齡轉(zhuǎn)換成校正后日歷年齡。

2.2.4 黏土礦物

稱取約1.5 g未研磨的干燥沉積物樣品，前處理去除鈣質(zhì)和有機(jī)質(zhì)。清洗至中性倒入300 mL的燒杯，加水充分?jǐn)噭?。根?jù)斯托克定律在20℃室溫下靜置4小時(shí)5分鐘使其中黏土礦物（＜2 μm）與粉砂（2～63 μm）分離。使用虹吸管虹吸液面下5 cm渾濁液體，離心渾濁液以提取沉積物。之后將離心后的沉積物，制成自然片、乙二醇片、高溫片分別上機(jī)測(cè)試?；贐iscaye的方法，根據(jù)不同礦物在X光掃描后峰值位置不同（蒙脫石，17 ?；伊利石，10 ?；高嶺石/綠泥石，7 ?）對(duì)礦物含量進(jìn)行半定量分析[34]。之后根據(jù)3.57/3.54 ?峰區(qū)數(shù)值對(duì)高嶺石和綠泥石含量進(jìn)行定量。前處理與測(cè)定在東京海洋大學(xué)完成。

2.2.5 粒度測(cè)試

取適量樣品前處理分別去除有機(jī)質(zhì)、碳酸鹽、鐵、錳自生礦物及和生物硅。之后使用貝克曼激光粒度儀（Beckmann Coulter LS13320）對(duì)處理后的樣品進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試范圍為0.02～2 000 m，重復(fù)測(cè)試誤差＜3%。

3 結(jié)果

3.1 主微量和稀土元素

5個(gè)站位的常量元素百分比含量見(jiàn)附表1，微量元素含量數(shù)據(jù)見(jiàn)附表2，稀土元素含量數(shù)據(jù)見(jiàn)附表3。Al和Ti由于其穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，常被作為參照值對(duì)常量元素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以降低生源物質(zhì)稀釋效應(yīng)并更好地反映元素指示的巖性變化[35]。各站位鐵、錳以及主要氧化還原敏感元素（Zn、U、V、Co、Ni）及二氧化硅百分含量與Al比值隨深度變化如圖2所示，相對(duì)上地殼平均富集系數(shù)如圖3所示，富集系數(shù)=[(X/Al樣品)/(X/Al上地殼)][36]。硅藻席沉積基本由生物蛋白石組成，故二氧化硅含量與硅藻席沉積含量有較好對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以近似用樣品二氧化硅含量變化來(lái)指示硅藻席含量變化，二氧化硅含量越高，硅藻席沉積密度越大。硅藻席沉積樣品中鐵錳元素與Al比值相對(duì)無(wú)硅藻席沉積樣品呈降低趨勢(shì)。圖3中選定的元素均相對(duì)上地殼含量呈不同程度富集，硅藻席沉積中氧化還原敏感元素相對(duì)無(wú)硅藻席沉積略微富集，而鐵錳則相對(duì)虧損。澳大利亞太古宙頁(yè)巖（PAAS）標(biāo)準(zhǔn)化后的稀土配分如圖4所示。硅藻席沉積樣品稀土元素比值顯著低于無(wú)硅藻席沉積樣品，總體低于PAAS含量（比值＜1），而含硅藻席沉積樣品稀土元素含量明顯高于無(wú)硅藻席沉積樣品，變化范圍也相對(duì)更大。無(wú)硅藻席沉積樣品統(tǒng)一表現(xiàn)出輕稀土（La—Nd）相對(duì)虧損特征，在中稀土（Sm—Tb）與重稀土（Dy—Lu）相對(duì)富集的特征。軸部站位MBR02中、重稀土接近PAAS值，而其他站位均表現(xiàn)相對(duì)于PAAS明顯富集。特別注意到，Ce元素在無(wú)硅藻席沉積中均表現(xiàn)為負(fù)異常，而在硅藻席沉積中呈明顯正異常。

圖 3 鐵錳與主要氧化還原敏感元素相對(duì)上地殼平均富集系數(shù)Fig.3 Average enrichment factors of Fe, Mg, and main redox sensitive elements relative to the upper continental crust

圖 4 馬里亞納海溝沉積物澳大利亞太古宙頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化的REE配分模式圖圖中紅色線為無(wú)硅藻席沉積平均值，藍(lán)色線為硅藻席沉積平均值。Fig.4 PAAS-normalized REE distribution patternThe orange curves are average REE patterns of non-LDM samples, and blue curves are those of LDM samples.

3.2 總有機(jī)碳放射性14C年齡

總有機(jī)碳放射性14C年齡和校正后的日歷年齡如表2所示，日歷年齡隨深度變化如圖5所示。各個(gè)站位年齡數(shù)據(jù)不隨深度單調(diào)遞增，部分樣品發(fā)生年齡倒轉(zhuǎn)。軸部站位MBR02沉積物TOC的14C年齡相對(duì)其他站位更加年輕，為約2.7～3.5 cal.kaBP。MBR04、MBR05、MBR06站位14C年齡分別為約6.9～18.8、11.7～19.6、6.3～8 cal.kaBP。

圖 5 馬里亞納海溝沉積物日歷年齡與深度關(guān)系黃色背景區(qū)為硅藻席沉積分布深度。Fig.5 Variations in calendar age of TOC with depthThe yellow background areas represent the occurrence of LDM.

3.3 Sr-Nd同位素

Sr-Nd同位素?cái)?shù)據(jù)見(jiàn)附表4。放射性143Nd/144Nd表 示 為εNd(0)=(143Nd/144Nd–0.512 638)×104[37]。樣 品有無(wú)硅藻席沉積的Sr-Nd同位素組成差別較大。無(wú)硅藻席沉積放射性鍶釹同位素值較為一致，平均值(87Sr/86Sr≈0.708 5，εNd(0)≈-3.5)與現(xiàn)代大洋深海沉積平均值(87Sr/86Sr≈0.709 17，εNd(0)≈-4～0)相近，而與附近的馬里亞納島數(shù)值差別較大(87Sr/86Sr≈0.703 2～0.703 5，εNd(0)≈7.061 5～9.012 2[38])。受硅藻席沉積影響，放射性鍶釹同位素值與西太平洋深海沉積平均值差別較大，表現(xiàn)為更高的更具有放射性的87Sr/86Sr值和更低的εNd(0)，平均值分別為0.709 4和4.5。

3.4 黏土礦物

黏土礦物數(shù)據(jù)見(jiàn)附表5。研究區(qū)黏土礦物組成基本以蒙脫石為主（約70%～80%），伊利石次之（約15%～25%），高嶺石最少（約1%～4%）。站位間黏土礦物含量差異不大，硅藻席沉積相對(duì)無(wú)硅藻席沉積樣品具有更高的伊利石含量與更低的蒙脫石含量。含硅藻席沉積的MBR05站位具有最低的蒙脫石含量（平均71.7%）和最高的伊利石含量（平均25.2%），與之同為向海斜坡的MBR06站位不含硅藻席沉積的部分含有最高的蒙脫石含量（平均80.6%）和最低的伊利石含量（平均17.7%）。海盆站位MBR04黏土礦物含量介于二者之間，蒙脫石平均為77.4%，伊利石平均為19.9%。

表 2 馬里亞納海溝總有機(jī)碳放射性14C定年結(jié)果Table 2 Total organic carbon AMS-14C dating results of the Mariana Trench sediments

3.5 粒度

沉積物樣品碎屑組分的平均粒徑、中值粒徑及黏土、粉砂、砂占比如附表6所示，中值粒徑隨深度變化如圖6所示。硅藻席樣品受內(nèi)部大量生物蛋白石影響，難以完全提取碎屑組分進(jìn)行粒度測(cè)試，故只報(bào)道MBR02和MBR04數(shù)據(jù)。粒度總體上隨沉積深度變化不大，MBR02站位平均粒徑為10.7 μm，平均中值粒徑為7.2 μm；MBR04站位平均粒徑為21.4 μm，平均中值粒徑9 μm。兩站位在組成上均以粉砂為主，黏土次之。

圖 6 中值粒徑與深度變化關(guān)系圖Fig.6 Variations in median grain size with depth

4 討論

4.1 碎屑組分物源示蹤

Sr-Nd同位素示蹤的主要原理是不同母巖地質(zhì)體中的Sr-Nd同位素比值差異較大，這種差異與其礦物成分、年齡有關(guān)，尤其Nd同位素不受化學(xué)風(fēng)化、生物過(guò)程和蒸發(fā)作用的影響，是可靠的示蹤指標(biāo)[39]。根據(jù)前人研究推斷，研究區(qū)馬里亞納海溝南部沉積物主要為以呂宋島火山物質(zhì)為代表的年輕火山鏈輸入和以東亞沙漠（EADs）、中央亞洲沙漠（CADs）、北亞沙漠（NCDs）為主導(dǎo)的亞洲風(fēng)塵輸入[40-42]。在Sr-εNd(0)相關(guān)圖（圖7）上可以看出，研究站位Sr-Nd同位素組合主要落在呂宋島弧和亞洲風(fēng)塵混合線之間，火山物質(zhì)來(lái)源和風(fēng)塵源約各占一半?？傮w來(lái)看，軸部站位（MBR02）的Sr-Nd同位素特征顯示，火山物質(zhì)的來(lái)源貢獻(xiàn)比例最高，這可能是受到俯沖板塊上盤海底火山風(fēng)化剝蝕進(jìn)而被搬運(yùn)至海溝軸部的影響。此外，樣品有無(wú)硅藻席沉積在圖上表現(xiàn)出一定源區(qū)差異：無(wú)硅藻席沉積樣品中以火山質(zhì)相對(duì)貢獻(xiàn)略高，平均占50%～60%，而含有硅藻席沉積樣品以風(fēng)塵物質(zhì)的相對(duì)貢獻(xiàn)偏高，平均占50%～60%。因此，含有硅藻席沉積的樣品受風(fēng)塵輸入的影響更大。已有研究表明，粒度對(duì)碎屑組分Sr同位素比值有較大影響，這主要是由于不同粒徑的礦物組成及其同位素組成差異導(dǎo)致的[43]。據(jù)Feng等的研究推測(cè)，碎屑顆粒粒徑大小對(duì)Nd-Sr同位素判別物源的影響可達(dá)20%[40,43]。本研究各柱樣的粒度對(duì)深度變化不大（圖6），中值粒徑為6～13 μm，因此，認(rèn)為粒度變化對(duì)Sr-Nd判別物源的結(jié)果影響不大。

圖 7 馬里亞納海溝沉積物與可能物源源區(qū)87Sr/86Sr-εNd圖畫(huà)圈區(qū)為各個(gè)可能源區(qū)，其中呂宋火山源區(qū)（Luzon）與風(fēng)塵源區(qū)間曲線為二者混合曲線。NCDs：北亞洲沙漠，CADs：中央亞洲沙漠，EADs：東亞洲沙漠，Ordos：鄂爾多斯沙漠。亞洲風(fēng)塵數(shù)據(jù)源：呂宋島風(fēng)塵數(shù)據(jù)來(lái)自Dfant等 [44]；亞洲風(fēng)塵數(shù)據(jù)來(lái)自Honda等[45], Woodhead[46-47], Chen [48], Rao [49], Nakano [50], Seo [51]。Fig.7 87Sr/86Sr vs εNd ratio of detrital sediments in the Mariana Trench and possible source areasThe circled areas are possible sources. The curves were drawn from between Luzon volcanic endmember and Asian dust endmembers in twocomponent mixing model. Data source: Luzon: Dfant et al., 1990[44]; Asian dust: Honda et al.[45], Woodhead [46-47], Chen [48], Rao [49], Nakano [50], Seo [51].

圖 8 各站位鍶釹同位素相關(guān)性Fig.8 Sr-Nd isotope correlation of each site

一般來(lái)說(shuō)，火山物質(zhì)和陸源物質(zhì)兩個(gè)源區(qū)端元混合使得沉積物碎屑組分的Sr-Nd同位素呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[52]。但在硅藻席沉積的樣品中，Sr-Nd同位素呈明顯正相關(guān)（圖8）。研究發(fā)現(xiàn)，東亞風(fēng)塵源區(qū)的Sr-Nd同位素呈現(xiàn)弱的正相關(guān)[45]。由于硅藻席沉積受風(fēng)塵輸入影響明顯，推測(cè)Sr-Nd同位素正相關(guān)關(guān)系可能也是由于繼承了風(fēng)塵端元Sr-Nd同位素信息導(dǎo)致的。同時(shí)，硅藻席樣品Sr-Nd同位素?cái)?shù)據(jù)基本落在火山物質(zhì)端元和東亞風(fēng)塵端元的混合線上。事實(shí)上，對(duì)西菲律賓海硅藻席E. rex殼體的硅同位素研究顯示，硅藻席的勃發(fā)受到明顯陸源風(fēng)塵硅來(lái)源的影響[53]。但是受分析樣品數(shù)量的限制，基于線性相關(guān)分析得出的結(jié)論可能不具普遍性，需更多的后續(xù)研究證實(shí)該推測(cè)。

黏土礦物大多是由母巖經(jīng)風(fēng)化作用而形成，粒徑通常小于2 μm，可被遠(yuǎn)距離搬運(yùn)，是深海沉積物的重要組成部分。源區(qū)、氣候等因素均會(huì)影響到黏土礦物的組成。海洋環(huán)境的變化，控制和影響著海洋沉積物中的黏土礦物組成，因此，海洋沉積物中黏土礦物組合特征可以作為研究海洋環(huán)境演變的指標(biāo)[54-60]。研究區(qū)黏土礦物組成表現(xiàn)出蒙脫石主導(dǎo)的特征。蒙脫石的主要來(lái)源之一是火山物質(zhì)蝕變的產(chǎn)物，同時(shí)，黏土礦物組分三角圖顯示，大部分樣品與呂宋島黏土礦物組成相近，指示了黏土礦物物源以火山物質(zhì)為主。其中，硅藻席沉積與無(wú)硅藻席沉積樣品均位于火山物質(zhì)端元和亞洲風(fēng)塵端元的混合線上，但是，硅藻席沉積的黏土礦物組合略微更接近風(fēng)塵端元（圖9），這與Sr-Nd同位素分析結(jié)果吻合。

圖 9 馬里亞納海溝沉積物及可能源區(qū)黏土礦物組成三元圖呂宋島黏土礦物數(shù)據(jù)[61]和亞洲風(fēng)塵黏土礦物[62]展示以作對(duì)比。Fig.9 Ternary diagram of clay mineral composition in the Mariana Trench sedimentsClay-mineral assemblages from Luzon volcanic [61] and Asian aeolian dust [62] are shown for comparison.

4.2 末次盛冰期沉積環(huán)境變化

在稀土元素配分中，硅藻席沉積樣品可以明顯觀測(cè)到Ce元素相較PAAS正異常，而無(wú)硅藻席沉積樣品中則為負(fù)異常。在氧化海洋沉積環(huán)境中，Ce由正三價(jià)被氧化至正四價(jià)，四價(jià)Ce表現(xiàn)出易吸附于懸浮膠體或鐵錳氧化物的特點(diǎn)，因此，在沉積物中表現(xiàn)為相對(duì)虧損，呈負(fù)異常。在亞氧化-還原性環(huán)境中，Ce由正四價(jià)被還原至正三價(jià)，其特性與其他三價(jià)稀土元素相似，導(dǎo)致最小分餾，在該情況下表現(xiàn)為無(wú)異?；蛉跽惓63-66]。

稀土元素的Ce異常(δCe＝CeN/[(LaN+PrN)/2][34]，其中N表示樣品與球粒隕石數(shù)值比值），δCe＞1為正異常，δCe＜1為負(fù)異常。Ce異常值隨深度變化如圖10所示。無(wú)硅藻席沉積站位Ce異常值接近典型熱帶遠(yuǎn)洋土沉積物[22]，呈現(xiàn)弱Ce負(fù)異常，指示氧化性沉積環(huán)境。而軸部站位（MBR02）Ce異常值平均為0.865，略微高于其他無(wú)硅藻席沉積站位平均值（0.736）。含硅藻席沉積樣品顯著區(qū)別于無(wú)硅藻席沉積樣品，Ce呈明顯弱正異常，且該異常值變化趨勢(shì)與SiO2含量變化有較好的正相關(guān)性（圖11）。因此，硅藻席沉積含量越多，Ce正異常越明顯，指示越強(qiáng)的次氧化-還原性環(huán)境。至于硅藻席古沉積環(huán)境到底是次氧化環(huán)境還是缺氧-還原性環(huán)境，Luo等[36]通過(guò)對(duì)沉積物中Mo-U含量相關(guān)關(guān)系的研究也發(fā)現(xiàn)硅藻席沉積指示次氧化的沉積環(huán)境。

圖 10 馬里亞納海溝沉積物Ce元素異常值深度變化曲線黃色背景區(qū)為硅藻席沉積分布深度。Fig.10 Depth variation of Ce anomaly in the sediments of Mariana TrenchYellow areas denote the occurrence of LDM.

圖 11 各站位SiO2含量與Ce異常相關(guān)性Fig.11 Correlation between SiO2 content and Ce anomaly at each site

Xiong與Luo等通過(guò)對(duì)不同組分沉積物氧化還原敏感元素對(duì)比，發(fā)現(xiàn)硅藻席沉積相對(duì)無(wú)硅藻席沉積表現(xiàn)出主要氧化還原敏感元素的富集，并推測(cè)指示硅藻席沉積為相對(duì)次氧化環(huán)境[22,36]。然而本研究主要氧化還原敏感元素富集系數(shù)相對(duì)上地殼富集，但并未表現(xiàn)出硅藻席沉積相對(duì)于無(wú)硅藻席沉積物樣品更為富集的特征（圖3）。結(jié)合元素隨深度變化特征發(fā)現(xiàn)（圖2），大部分氧化還原敏感元素與鐵錳元素變化趨勢(shì)一致。推測(cè)沉積物影響氧化還原敏感元素的主要為鐵錳氧化物。鐵錳元素含量在硅藻席沉積中相對(duì)無(wú)硅藻席呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，鐵錳氧化物一般在次氧化-還原的沉積環(huán)境中被有機(jī)質(zhì)還原而發(fā)生分解，這也與Ce推測(cè)的硅藻席沉積指示的偏還原的環(huán)境一致。另外，軸部站位相對(duì)其他無(wú)硅藻席站位表現(xiàn)出相對(duì)高Ce異常值與低鐵錳富集系數(shù)（圖2），推測(cè)指示軸部站位相對(duì)更還原的氧化還原環(huán)境，可能是由于軸部較強(qiáng)的微生物活動(dòng)而引起較快氧氣消耗導(dǎo)致的[8]。如圖2與圖5所示，MBR05站位中SiO2含量在約40 cm深度達(dá)最大值，對(duì)應(yīng)年齡約為19 cal.kaBP，MBR06站位硅藻席深度年齡約為18 cal.kaBP，均與末次冰盛期時(shí)間對(duì)應(yīng)，指示大部分硅藻席沉積形成于末次盛冰期，這與前人在菲律賓海盆和馬里亞納海溝南坡發(fā)現(xiàn)的硅藻席定年結(jié)果一致[36,53]。值得注意的是，部分沉積年齡出現(xiàn)倒置現(xiàn)象，使得MBR05柱樣盡管都存在硅藻席沉積，但定年結(jié)果并不都落在末次盛冰期期間，這可能與海溝區(qū)不穩(wěn)定的沉積特征有關(guān)[9,67]。結(jié)合Sr-Nd同位素和黏土礦物的物源分析結(jié)果推測(cè)，E. rex大型成席硅藻勃發(fā)后死去的硅藻遺體沉積至海底，提供了大量的有機(jī)物質(zhì)，使海底的微生物活動(dòng)增強(qiáng)，耗氧增加，進(jìn)而引起氧化還原條件由氧化變?yōu)榇窝趸?。而E. rex勃發(fā)可能是由于末次盛冰期盛行西風(fēng)的顯著增強(qiáng)，使得亞洲風(fēng)塵向西太平洋的輸入增加，帶來(lái)了更多微量營(yíng)養(yǎng)元素，為E. rex勃發(fā)提供了良好的條件。

5 總結(jié)

通過(guò)對(duì)馬里亞納海溝沉積物主微量和稀土元素、Sr-Nd同位素、黏土礦物組成、總有機(jī)碳放射性14C年齡的分析，發(fā)現(xiàn)不同水深沉積物組成差別顯著，沉積物中碎屑組分來(lái)源基本是陸源風(fēng)塵和火山碎屑物質(zhì)，含E. rex硅藻席樣品中的陸源風(fēng)塵貢獻(xiàn)略高于不含硅藻席沉積樣品。同時(shí)，含硅藻席樣品中顯示次氧化的沉積環(huán)境，而不含硅藻席沉積樣品則為氧化環(huán)境。這一變化機(jī)制推測(cè)出E. rex在末次盛冰期大量勃發(fā)后沉降到海底，使得有機(jī)質(zhì)礦化增強(qiáng)，微生物耗氧增加，引起沉積環(huán)境發(fā)生變化。

致謝：沉積物樣品由上海海洋大學(xué)深淵中心采得，感謝全體采樣人員與船員。感謝東京海洋大學(xué)山中壽郎教授對(duì)實(shí)驗(yàn)的幫助。

附錄

附表 1 各站位主量元素值Table A1 Concentrations of major elements of each site %

附表 2 各站位微量元素值Table A2 Concentrations of trace elements of each site μg/g

附表 3 各站位稀土元素值Table A3 Concentrations of REEs of each site μg/g

附表 4 各站位Sr-Nd同位素及含量Table A4 Sr-Nd isotope and the concentrations in each site

附表 5 各站位黏土礦物含量Table A5 Clay mineral composition and relevant parameters in each site

附表 6 各站位沉積物平均粒度及組成Table A6 Average grain size of sediments and relative fractions at each site