韩宗珠，孙宇菲，塔金璐，王　传，赵　利

(中国海洋大学 1.海底科学与探测技术教育部重点实验室； 2.海洋地球科学学院, 山东 青岛 266100)



南黄海北部B03孔黏土矿物和稀土元素地球化学特征及物源分析❋

韩宗珠1,2，孙宇菲2，塔金璐2，王传2，赵利2

(中国海洋大学 1.海底科学与探测技术教育部重点实验室； 2.海洋地球科学学院, 山东 青岛 266100)

摘要：本文通过对南黄海北部B03孔沉积物黏土矿物组成、黏土粒级沉积物元素地球化学分析以及沉积速率研究，探讨其物质来源及其环境变化记录。研究认为，B03孔沉积物中黏土矿物组分以伊利石为主，同时含有较多蒙脱石，伊利石-蒙脱石-(高岭石+绿泥石)判别图解表明该岩芯源区主要来自黄河沉积物；B03孔黏土粒级沉积物稀土元素分布模式显示，90 cm以上的黏土粒级沉积物稀土元素球粒陨石标准化分布模式与黄河沉积物的较为接近，表明其与黄河沉积物的亲缘性较大。结合B03孔的210Pb测年结果和稀土元素地球化学特征，推测1855年黄河改道对山东半岛东部陆架海的物源影响是造成该岩芯以90 cm为界分为上下两段沉积的主要原因。

关键词：南黄海；黏土矿物；稀土元素；物源；沉积环境

引用格式：韩宗珠， 孙宇菲， 塔金璐, 等. 南黄海北部B03孔黏土矿物和稀土元素地球化学特征及物源分析[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版)， 2016, 46(6)： 60-67.

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在海洋环境中，黏土矿物是组成沉积物的主要成分，由于具有颗粒微细、成分多变、结构无序、类质替换等特性[1]，对各种地质信息进行了详细的记录[2-4]，对于洋流的形成演化、物源输入变化、沉积环境特征和变迁、全球范围内的气候变化以及海平面的升降等方面的研究存在着重要的影响作用[5-7]。黄海为冰后期海侵形成的中国典型的封闭-半封闭陆架海，它受大河控制影响显著，在接受大量黄河、长江带来的细颗粒陆源物质的作用下形成了多个泥质沉积区，它们沉积速率较高、沉积记录连续性好，保存了良好的地质记录，是进行高分辨率环境记录和物源研究的适宜区域之一[8-10]。这些泥质沉积区由于受到不同条件海洋动力的影响，它们的沉积作用和沉积环境各有差异[11-14]。几十年来，很多学者对这些陆架泥质沉积体从物质来源、空间分布、沉积作用和古气候、古环境等方面做了大量研究，积累了丰富的数据资料[15-16]。但大多数研究主要集中于物源多样的南黄海中部海区，而山东半岛毗邻近海区的黏土矿物研究还较薄弱[17]。海底沉积物稀土元素的丰度、元素分布模式和参数对于探讨沉积物的形成条件、物源区性质和气候环境具有重要意义，近十年来有关海洋沉积物稀土元素地球化学的研究已见诸各类文献，这些研究阐述了海底沉积物稀土元素地球化学性质及其地域差异，为探讨区域性沉积物的物质来源、形成环境以及沉积物的对比提供了重要信息[18]。

本文分别通过对南黄海北部B03孔的黏土矿物、黏土粒级沉积物稀土元素地球化学特征和沉积速率的分析研究，探讨其物质来源及其可能的环境变化记录。

1样品及研究方法

1.1 样品描述

样品来自中国海洋大学“东方红2号”海洋调查船于2012年国家基金委员会春季共享航次所采集的柱样，采样点位于山东半岛泥质楔(取样位置为122.79°E，36.65°N，取样水深为27 m)(见图1)西北部，岩芯全长330 cm。岩芯在采样现场分别密封后低温保存，岩芯的描述和分样均在中国海洋大学海洋地球科学学院完成，分样间隔为1 cm。再以5 cm为间隔，取其中的67个样品进行测试分析。采用X射线衍射分析黏土矿物的组合和含量变化；利用ICP-AES和ICP-MS对黏土粒级沉积物(<2 μm)样品进行元素地球化学分析，得到稀土元素含量；选择岩芯中的合适层位进行210Pb测年。黏土矿物X射线衍射分析在中国海洋大学完成，ICP-AES、ICP-MS和210Pb测年在中国地质调查局青岛海洋地质研究所实验中心完成。

(BSCC:黄海沿岸流 YSWC:黄海暖流 KCC:朝鲜半岛沿岸流Tsushina Current：对马暖流 Kuroshio Current：黑潮TWC:台湾暖流ECSCC:浙闽沿岸流YSCC:黄海沿岸流(苏北沿岸流)。BSCC: Yellow Sea coastal current YSWC: Yellow Sea warm current KCC: Korean Peninsula coastal current TWC: Taiwan warm current ECSCC: Zhejiang and Fujian coastal current YSCC: Yellow Sea coastal current (Northern Jiangsu coastal current).改绘自李广雪Painted change from Li Guang-Xue)

图1采样位置图

Fig.1The map of sample location

1.2 研究方法

1.2.1 黏土矿物的x射线衍射黏土矿物分析测试在中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室完成。首先，黏土矿物的分离提取：根据Stoke原理所规定的离心转速及时间，采用滴片的方法制成定向薄片，自然风干，将自然风干的载玻片置于含乙二醇饱和蒸汽的干燥器中,待充分饱和后，加热450℃恒温2h,待自然冷却至室温，上机测试。测试仪器为日本的D/max-rB型X射线衍射仪(扫描范围：2.5～30，采样步宽：0.01°/0.02°，扫描速度:2(°)/min)。依据样品的射线衍射图谱对各种矿物进行定性鉴定，根据Biscaye编制的计算软件对黏土矿物进行半定量计算。

1.2.2 稀土元素含量测试元素含量测试在中国海洋大学海洋科学与探测技术教育部重点实验室完成，采用SPECTRO XEPOS台式偏振X射线荧光光谱仪。称取已烘干的样品4.0g，放入模具内拨平后用低压聚乙烯镶边垫底，在30t压力下压制成试样直径为32mm、镶边外径为40mm的圆片。在X荧光光谱仪上测定元素的含量。结果表明测定值与标准值之间的相对偏差小于5%,本方法最低检出限为2.4×10-6。

1.2.3210Pb测年将沉积物样品在110℃温度条件下烘干后，研磨至100目粉末备用。样品测量中采用了α谱仪和γ谱仪两种测量分析方法进行了210Pb测量，测量仪器分别为Canberra公司生产的7200-08型α谱仪和高纯锗探测器BE3830型的能谱仪，测试由国土资源部海洋地质实验检测中心完成。

2研究结果

2.1 B03孔岩性和粒度特征

根据沉积物的岩性特征，可把B03孔大体分为如下5段：

0～17cm，灰色至灰黑色，粉砂质黏土，流塑低密，其中0～6cm部分有较多有机质富集团块，呈暗色条带，最大团块的面积可达0.7×1.5cm2，水平层理；

17～48cm呈灰色，流塑中密，偶尔出现有机质富集团粒；

48～171cm，灰褐色，黏土质粉砂，软塑低密，有机质团粒明显增多，呈透镜体或脉状出现；

171～208cm呈灰褐色，黏土质粉砂，软塑中密，有机质团块呈不连续脉状分布，水平层理；

208～330cm呈灰褐色，黏土质粉砂，有机质团块明显增多，软塑中密。

柱状样的垂向粒度参数显示B03孔的岩性表现上下较为均一，沉积记录连续，颗粒粒径均为<0.25 mm的细砂、粉砂及黏土，主要为灰色、灰褐色黏土质粉砂。样品定名大部分为黏土质粉砂，少部分为砂质粉砂。岩芯的岩性及粒度参数的垂向特征如图2。

B03孔中粉砂含量在67.18%～74.13%之间，平均值为70.12%，黏土含量在12.33%～21.55%之间，平均值为16.88%。沉积物平均粒径为5.48～6.24φ，均值为5.82φ，中值粒径在4.94～5.68φ之间，均值为5.32φ，小于平均粒径。平均粒径和中值粒径变化一致，上段0～175cm附近粒径由大变小，沉积物变细，下段则相反。峰态系数、偏态系数、和分选系数整体变化范围不大，分选系数在1.83～2.14之间波动，均值为1.98，分选较差；偏态系数在0.31～0.49间，均值为0.42；峰态系数在0.89～1.19之间，均值为1.0。分选系数与前两者的变化趋势刚好相反，分选较差，偏态系数与峰态系数变化一致。

综上分析表明，沉积物自上而下粒径较细，粒度变化较小且沉积连续，反映了岩芯处于低能且稳定的沉积环境，水动力条件较弱。

2.2 B03孔黏土矿物特征

B03孔沉积物中主要黏土矿物的组成特征见图3。黏土矿物组分中伊利石含量比较高，为65.4%～70.6%，平均含量为68.5%；蒙脱石、高岭石和绿泥石含量相对较少，分别在11.0%～15.2%、9.8%～13.2%、6.0%～9.6%之间，平均含量分别为12.6%、11.4%和7.5%。其沉积物黏土矿物组合为伊利石-蒙脱石-高岭石-绿泥石型。蒙脱石含量的变化趋势波动较大；伊利石含量从下向上逐渐增大，从50cm处向上含量又逐渐减少；高岭石和绿泥石的变化趋势相似，从下向上含量逐渐较少，到了顶部高岭石含量锐减，而绿泥石含量却锐增。

沉积物中的蒙脱石含量是用来区别黄河和长江沉积物不同的一个重要指标。如图3中显示，蒙脱石的含量整体变化不大，并且含量都大于10%，最大值与最小值分别出现在80cm处和205cm处。前人对长江、黄河沉积物矿物组合特征的研究表明，黄河沉积物中的黏土矿物具有蒙脱石含量较高的特征，一般可以达到15%左右，而长江沉积物中的蒙脱石含量只有5%～7%左右，因此B03孔沉积物中黏土矿物含量组合与黄河沉积物比较接近，而与长江沉积物相差较远。结合前人对黄河、长江等河流的黏土矿物蒙脱石、伊利石、高岭石+绿泥石三角端元图[19](见图4)的研究，B03孔蒙脱石、伊利石、高岭石+绿泥石三角端元图(见图5)也表明，B03孔沉积物黏土矿物大部分层位的投点位置与黄河沉积物最为接近，所以表明B03孔的沉积物主要为黄河型物质。范德江等[19]对长江和黄河沉积物中黏土矿物、地球化学组成进行研究，得出长江沉积物中的伊利石/蒙脱石比值大于8，而黄河沉积物中伊利石/蒙脱石比值小于6。B03孔中伊利石/蒙脱石比值的平均值为5.4，与黄河沉积物中的伊利石/蒙脱石比值更为接近，也证实了B03孔的物源区主要来自黄河流域。

杨作升等[20]等应用X射线衍射分析、X光能谱微区分析、ICP-AES等手段对长江、黄河沉积物中的黏土矿物和黏土矿物的地球化学组分进行了研究，长江流域沉积物主要来源于沿江各大小径流提供的酸性一中酸性火成岩物质和各种变质岩物质，所以长江沉积物黏土矿物以具有富铁蒙脱石、贫钾伊利石为特点；黄河沉积物由于源区单一，90%来自黄土高原，而黄土高原的气候干燥寒冷，又处于弱的化学风化环境，所以黄河沉积物中形成一些富钙蒙皂石、富钾伊利石和方解石等黏土矿物。在南黄海北部B03孔黏土粒级沉积物中以富钙蒙皂石、富钾伊利石为特点，与前人研究相符，说明此研究区的气候也是干旱寒冷。

在海洋沉积物中，黏土矿物的含量及组合类型主要取决于三个方面，即黏土矿物的物源、沉积时的海水动力环境及其沉积后的地质环境。由于南黄海沉积物的沉积历史并不太长，因此，主要决定因素是前两者。前者决定了沉积物中黏土矿物的初始类型，并且可根据各种黏土矿物的成因特点反映其来源所在。而后者则决定了各种黏土矿物在沉积时所表现出的黏土矿物共生组合类型的变化特征[21]。许多研究表明，南黄海黏土矿物主要为陆源的。研究区B03孔沉积物中黏土矿物的类型和共生组合特点，说明其沉积物主要来自于周边黄河携带的大量陆源物质。但风力以及流经沉积区内的黄海暖流也可带入陆源或来自大洋的细粒物质[22]。

2.3 B03孔稀土元素组成

B03孔沉积物黏土粒级稀土元素的垂向变化特征(见图6)所示，REE总量的分布范围为204.93～243.36μg/g，平均值为224.145为μg/g。高于上部地壳(ΣREE=146.37μg/g)，也大大高于大洋玄武岩(ΣREE=58.64μg/g)[23]。同时均高于中国浅海沉积物(ΣREE=159.53μg/g)[24]、中国大陆沉积物(ΣREE=172.11μg/g)[24]、中国黄土(ΣREE=155.31μg/g)。与中国内陆河流沉积物的稀土总量(长江为167.11μg/g，黄河为137.77μg/g)[25]相比含量较高，但是低于珠江沉积物(ΣREE=279.21μg/g)[26]。其中轻稀土元素(LREE)较富集,平均值为200.57μg/g;重稀土元素(HREE)丰度较低,平均值为21.28μg/g,所以,LREE的变化总体上决定了ΣREE的变化。在球粒陨石标准化情况下计算的δEu的变化区间为0.64～0.67，变化范围小且均显示明显的负Eu异常，表明相对于球粒陨石沉积物已经产生明显的分异,分异程度接近大陆地壳[18]。δCe在0.87～0.96之间变化,呈现弱的负异常。根据REE总量的分布特征可大致将岩芯分为两段，上段(0～90cm)REE总量相对略低，整体变化不大；下段(90～330 cm)REE总量略高，且波动较大。LREE/HREE、δCe、δEu、(La/Yb)UCC、(Gd/Yb)UCC、(La/Sm)UCC的垂向变化模式与ΣREE的变化模式相似，都以90cm为界分成上下两部分，底部的值整体大于顶部，且波动较顶部更为明显，说明上下两段以90cm为界沉积环境发生过变化。

以球粒陨石标准值对B03孔沉积物黏土粒级沉积物中的稀土元素进行标准化，根据上述各稀土元素特征值的垂向变化模式，B03孔以90cm为界分成上下两段，0～90cm与90～330cm的黏土粒级沉积物稀土元素球粒陨石标准化分布模式(见图7a、7b)存在一定的相似性与差异。二者整体的分布模式均向右倾，为轻稀土元素富集、重稀土元素亏损型，分布曲线在轻稀土处具有较大的斜率,重稀土处较为平坦。并且和黄河沉积物的球粒陨石分配曲线形状基本一致,模式具负斜率,表明其物质来源主体是陆源的。但可以看出90cm以上的黏土粒级沉积物与黄河沉积物更为相似。杨守业[27]对黄河沉积物(<63μm粒级组分)的研究表明δEu的变化范围为0.65～0.76，而B03孔90cm以上的黏土粒级沉积物稀土元素中δEu的变化区间为0.64～0.67，显示Eu负异常，二者数值接近，也进一步证实了0～90cm的黏土粒级沉积物与黄河沉积物的亲缘性相对较大。

REE特征参数的纵向变化可作为判别古气候变化的指标,ΣREE的高值段代表冷湿的气候环境,而ΣREE和δCe的低值代表温暖湿润的气候环境信息[28]。如图6所示,B03孔岩芯90cm以上的ΣREE值相对于90cm以下的值要小，为相对低值段，反映了当时可能处于温暖湿润的气候；而90cm以上为相对高值段，代表当时的环境可能逐渐变为了冷湿的气候环境。

2.4 沉积物岩芯地层年代的确定

把样品按每5cm间距取样，烘干,测定含水量,研磨备测。采用浸取法对样品进行化学处理[29]用208Po作为示踪剂,用α多道能谱仪测定210Pb放射性活度。选用恒定初始浓度模式法进行计算，公式如下：

方程中，如果将210Pb放射性活度的对数值与深度之间的线性系数设定为k，就有k=-λ/S，

计算过程中，将深度H设为自变量轴，将lnNH设为因变量，然后进行投图后得出：

得出关于210Pb放射性活度与岩芯深度的散点图(见图8)，再对它们进行线性拟合，拟合出的直线的斜率值就是上面公式中的k值，将k值带入公式中计算得出，南黄海北部B03孔岩芯沉积速率为0.55cm/a。210Pb的放射性活度随岩芯深度明显衰减，斜线段为210Pb的衰变段，这种分布多见于现代陆架泥沉积区。

3讨论

南黄海的特殊地形和它所处的特殊地理位置,使该海域的环流复杂多变,因而导致了南黄海物源复杂。对南黄海黏土粒级沉积物的物源研究,应该同时运用黏土矿物、稀土元素等物源判别方法来进行物源识别,而且应该进行系统的定量研究[30]。

经研究，B03孔沉积物中黏土矿物以伊利石为主，并含有大量蒙脱石的特征与黄河沉积物最为接近，伊利石-蒙脱石-(高岭石+绿泥石)三角端元图的投点位置也与黄河沉积物基本重合，黄河入海物质主要来源于黄土高原，黄土中富含蒙皂石、高岭石含量低，B03孔沉积物中以富钙蒙皂石、富钾伊利石为特点，这与黄河沉积物的特点也是相符的，说明该岩芯源区可能主要来自黄河沉积物，为黄河型物质。B03孔中的黏土矿物主要来自于周边黄河携带的大量陆源物质，但风力以及流经沉积区内的黑潮分支之一黄海暖流也可带入陆源或来自大洋的细粒物质。在B03孔黏土粒级沉积物稀土元素特征变化中，出现B03孔以90cm为界呈现上下两段的变化，说明研究区在此处前后沉积物物源有了重大的改变。B03孔黏土粒级沉积物稀土元素球粒陨石标准化分布模式图与黄河沉积物的球粒陨石分配曲线形状基本一致，尤其是90cm以上的分布模式图与黄河沉积物的更为接近。而90cm上下的稀土元素总量都明显高于黄河沉积物的背景值，出现此高背景值的原因可能与其物源的复杂性有关，结合前人对本区物源的研究，推测研究区可能接受了山东半岛及其沿岸海域基岩的外源物质，使研究区带入了大量的黄河物质，造成B03孔90cm以上的沉积物与黄河沉积物有较大的亲缘性。

研究区环流体系主要由黄海暖流和黄海沿岸流组成。通常认为，黄海暖流属于黑潮的一个分支，自南向北由济州岛附近海域进入北黄海。黄海沿岸流起源于渤海湾，沿山东半岛北部东流，绕过成山头转向西南[31]。此外，B03孔所处的山东半岛泥质楔是由渤海的黄河入海泥沙在黄海沿岸流驱动下进入黄海，绕山东半岛沿途沉积形成的沉积体系。经研究，B03孔沉积物主要来自黄河，为黄河型物质，其分布主要受控于山东半岛东北部的黄海沿岸流以及黄海暖流。

本文依据B03孔的210Pb测年数据，计算出B03孔的沉积速率为0.55cm/a，与前人研究结果相符[32-34]。再根据B03孔的水深和长度，计算出B03孔在163a时期可能经历了重大的沉积事件，使其在90cm处出现了上下两段不同的变化规律。综合210Pb测年得出的结果分析，黄河尾间长期以来不断发生变迁改道，交替注入渤海和黄海[33-35]，黄河曾于1855年由黄海入海改道至渤海，时间上推断该分界线和1855年黄河改道时间相符，因此推测B03孔90cm上下两段沉积物的差异极可能是由黄河改道引起的。

在黄河未改道前，B03孔距离黄河河口较远，90cm以下的沉积物主要以接受山东半岛近岸及海底基岩剥蚀的产物为主，因此B03孔以90cm为界下层的沉积物中钾、钙含量明显比较低。而1855年发生的黄河改道这一重大事件影响着渤黄海物源的输入，在黄河改道后山东半岛沿岸流携带的大量黄河物质在此处快速沉积，形成不同于90cm以下的沉积物，并且与黄河沉积物有很大的亲缘性。所以综上得出，1855年黄河改道对山东半岛东部陆架海物源的改变是造成B03孔在以90cm为界分为上下两段沉积的主要原因。

4结论

(1)B03孔沉积物中黏土矿物以伊利石为主，并含有大量蒙脱石的特征与黄河沉积物比较接近，伊利石-蒙脱石-(高岭石+绿泥石)判别图解也说明B03孔的黏土矿物来源与黄河密切相关，主要为黄河型物质。

(2)ΣREE、LREE/HREE、δCe、δEu等的稀土元素特征值的垂向变化模式都比较相似，都以90cm为界分成上下两部分，底部的值整体大于顶部，且波动较顶部更为明显，说明上下两段以90cm为界沉积环境发生过变化。

(3)B03孔沉积物黏土粒级沉积物的稀土元素球粒陨石分配曲线的特点是整体向右倾，为轻稀土元素富集、重稀土元素亏损型，和黄河沉积物的球粒陨石分配曲线形状基本一致，尤其是90cm以上的曲线更为接近。说明B03岩芯90cm以上的黏土粒级沉积物与黄河沉积物的亲缘性相对较大。

(4)依据B03孔的稀土元素地球化学特征和210Pb测年资料综合推断，1855年黄河改道对山东半岛东部陆架海物源的影响，使研究区带入了山东半岛及其沿岸海域基岩的外源物质是造成岩芯以90cm为界分为上下两段沉积的主要原因。

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责任编辑徐环

Clay Minerals and Geochemical Characteristic of Rare Earth Elements and Provenance Analysis from B03 Hole Sediments in the Northern Part of the South Yellow Sea

HAN Zong-Zhu1, 2, SUN Yu-Fei2, TA Jin-Lu2, WANG Chuan2, ZHAO Li2

(Ocean University of China, 1.The Key Lab of Sea Floor Resource and Exploration Technique, Ministry of Education； 2.College Of Marine Geoscience, Qingdao 266100, China)

Abstract:In the paper, we have studied the clay minerals composition, the elements geochemical analysis of clay fraction sediments and deposition rate of B03 hole sediments that obtained from the northern part of the South Yellow Sea mud area, and explored the sedirnets source and sedimentary environment variations. Studies suggest that B03 hole clay mineral assemblages show the core is mainly illite, it also contains more smectite, discrimination diagram of illite-smectite-(kaolinite+chlorite) indicates the core is mainly consist of Yellow River sediments. B03 hole clay-grain size sediments REE distribution patterns show that chondrite-normalized REE distribution patterns of 90cm above clay-grain size is close to Yellow River sediments REE distribution pattern, indicating a greater affinity with the Yellow River Sediments. B03 hole integrated210Pb dating results and rare earth elements geochemical analysis can be inferred that provenance impact in 1855 of the Yellow River in eastern Shandong Peninsula shelf seas is the main reason to the core is divided into two deposits as 90cm bounary.

Key words:Southern Yellow Sea; clay minerals; rare earth elements; provenance; sedimentary environment

基金项目：❋国家自然科学基金项目(41376053)资助

收稿日期：2015-02-05；

修订日期：2015-05-15

作者简介：韩宗珠(1964- )，男，教授。E-mail:hanzongzhu@ouc.edu.cn

中图法分类号：P574.2

文献标志码：A

文章编号：1672-5174(2016)06-060-08

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20150045

Supported by Projects of the National Natural Science Found action of China (41376053)