北冰洋西部表层沉积物矿物学特征及其物质来源

董林森 石学法 刘焱光 方习生 陈志华 王春娟 邹建军 黄元辉

0 引言

北极在晚新生代环境演化及现今气候变化中都起着非常重要的作用［1］，一方面由于大面积的海冰覆盖，反照率大，影响全球能量平衡；另一方面北冰洋与大西洋和太平洋通过水体交换制约着全球海洋温盐循环［2］。北冰洋西部沉积环境比较复杂，既有水体作用，又有冰筏作用，特别是北冰洋与太平洋的水体交换以及加拿大北极群岛周边海域和欧亚陆架海冰（冰山）的冰筏沉积作用，都有别于其他海域。

为了研究北冰洋新生代沉积物来源、示踪河流卸载、海冰和冰山的冰筏沉积等颗粒搬运路径，前人曾开展了矿物学［3-9］、元素地球化学［6，10］及稳定同位素等［11-12］研究，对于矿物学的研究主要集中在重矿物［3］、冰筏碎屑［4-5］和黏土矿物［6-9］等方面。由于北冰洋深水区沉积物粒度较细，碎屑矿物含量较少，所以对沉积物全岩的X射线衍射（XRD）研究显得尤为重要。根据沉积物全岩的XRD研究可查明沉积物的矿物组成，对于反映沉积物的搬运路径、来源、沉积过程以及重建古海洋学演化历史等有重要意义［13］。

目前对北冰洋海域全岩XRD的研究主要是在欧亚盆地［13-15］。Vogt等人［14］对北冰洋 Yermak海台全岩XRD的研究发现，沉积物中的矿物主要为石英、长石、方解石、白云石和辉石，并跟据全岩矿物组成、黏土矿物组成以及结合有机地球化学特征阐明了冰盖历史，重建了古海洋学演化历史。März等［15］对北冰洋中部全岩XRD的研究发现沉积物中含石英、页硅酸盐、斜长石、钾长石、沸石、闪石、堇青石和黄铁矿等，并根据矿物学组成和元素组成查明早第四纪—晚第四纪的沉积机制的变化。Vogt等识别出北冰洋中东部全岩矿物中主要有石英、白云石、方解石和长石，通过对矿物的半定量计算得出各种矿物含量的平面分布图，查明沉积物大致的搬运路径及来源［13］。

对欧亚盆地沉积物质的研究，多数仅识别出主要矿物组成［14-15］，给出半定量计算的较少［13］。目前对北冰洋西部表层沉积物全岩XRD的研究尚未见报道。本文首次对北冰洋西部海域表层沉积物进行了全岩XRD研究，在查明矿物组成的同时给出全岩矿物的半定量计算结果，并在此基础上阐述其搬运机制及沉积物来源。

1 概况

1.1 地质背景

北冰洋西部的周缘陆地包括阿拉斯加、西伯利亚及加拿大北极群岛等。

阿拉斯加半岛由侏罗纪到白垩纪的砂岩、页岩和花岗岩，以及第三系以来的酸性火成岩、安山岩和玄武岩组成［16］。

西伯利亚的地质体和陆地包括西伯利亚地台、维尔霍扬斯克山脉、科累马-奥莫隆地块、鄂霍茨克-楚科奇海火山带和楚科奇地块［6］。俄罗斯中部的前寒武纪西伯利亚地台上覆大面积的沉积矿床和溢流玄武岩［17］。维尔霍扬斯克山脉位于西伯利亚地台的东部，山脉隆起导致泥盆纪的沉积物变形，形成了陆架碎屑岩沉积序列和深海页岩沉积。科累马-奥莫隆地块是一个增长的地形，是弧前和弧后盆地的残余物和大陆碎片拼贴形成的。鄂霍茨克-楚科奇海火山带的西部由酸性到中性火山岩组成，东部由中性到基性火山岩组成。楚科奇地块主要是由沉积岩组成［18］。

加拿大北极群岛主要由班克斯岛、维多利亚岛等组成，岩石类型总体上以碳酸盐岩和碎屑岩为主［19］。

1.2 沉积物输入

北冰洋周缘陆地的沉积物主要通过河流输运、海岸侵蚀以及海冰（冰山）的搬运输入到北冰洋。北冰洋西部的入海河流主要有：加拿大的马更些河，西伯利亚的鄂毕河、叶尼塞河、哈坦加河、勒拿河、亚纳河、科累马河和因迪吉尔卡河等（图1）。此外，阿拉斯加的育空河和卡斯科奎姆河流入到白令海之后通过洋流搬运到楚科奇海，也为北冰洋提供大量的入海物质［7］。各河流的流量、沉积物卸载量及其流域盆地的主要岩性见表1。海岸侵蚀也是北冰洋沉积物的一个重要来源［20］。海冰和冰山的沉积物搬运是北冰洋深水区的主要的搬运方式［21］。

1.3 洋流

洋流系统对于周缘陆地沉积物往北冰洋的搬运是非常重要的。太平洋的低盐水通过白令海峡进入北冰洋对北极表层水做出贡献，太平洋水由白令海峡进入楚科奇海以后，分三支向北扩散（图1），西面的一支沿50 m等深线向西北流动，至弗兰格尔岛东北部分成两支，分别沿赫雷德峡谷向北流向陆坡和沿60 m等深线折向东北；中间的一支大致沿170°W经线附近的中央水道向北流，至赫雷德浅滩东北部亦分为两支，一支继续向北流，一支折向东北；东面的一支沿阿拉斯加海岸带流动，在巴罗角附近折向东，沿波弗特海陆坡流动［34］。

西伯利亚沿岸流从拉普捷夫海（Laptev Sea）流至东西伯利亚海，最后到达楚科奇海域［6］（图1）。北冰洋主要的表层洋流有美亚盆地的波弗特环流以及欧亚盆地的穿极流（图1），它们控制了海冰和冰山的移动。这些海冰和冰山为北冰洋的沉积物做出贡献，发生负北极涛动时，穿极流将来自西伯利亚的沉积物搬运到欧亚海盆后到达弗拉姆海峡（Fram Stait），波弗特环流将来自美亚海盆周缘陆地的沉积物搬运到美亚海盆，正北极涛动时，西伯利亚陆架的沉积物被搬运到美亚海盆和门捷列夫脊［35］（图1）。

此外，中层水也为北冰洋贡献沉积物，粉砂和泥可以通过中层水搬运或者再沉积［36］。北大西洋暖流到达北冰洋后分为两支，一支为弗拉姆海峡支流，一支为巴伦支海（Barents Sea）支流，这两支支流变冷下沉形成中层水，在北冰洋沿着大陆坡和海脊流动，其中巴伦支海支流可以到达加拿大海盆的南端以及北风脊［37］（图 1）。

图1 研究区位置、河流、洋流［6，35，38-39］、海冰范围［40］及表层取样站位图.KS—喀拉海，LS—拉普捷夫海，ESS—东西伯利亚海，SCC—西伯利亚沿岸流，ACW—阿拉斯加沿岸流，BSW—白令陆架水，AW—阿纳德尔流，TPD—穿极流，BG—波弗特环流，＋AO—正北极涛动，－AO—负北极涛动.黄色实线为负北极涛动时海冰的流向，红色及紫色虚线分别代表正北极涛动时从喀拉海和拉普捷夫海搬运的海冰的流向Fig.1.Location of study area，rivers，currents，sea ice extentofnorth polar region and surface sampling stations.KS—Kara Sea，LS—Laptev Sea，ESS—east Siberian Sea，SCC—Siberian Coastal Current，ACW—Alaska Coastal Water，BSW—Bering shelf water，AW—Anadyr water，TPD—Trans-polor drift，BG—Beaufort gyre，＋AO—positive Arctic oscillation，－AO—negative Arctic oscillation.The TPD and the BG depict endmember extremes for both a strongly－AO phase（solid yellow drift arrows）and a strongly＋AO（dashed red arrows for Kara Sea ice and dashed maroon for Laptev Sea ice）

表1 各河流的流量、沉积物卸载量及其流域盆地的主要岩性Table 1.River discharge，sediment load and main rock types of drainage basins

2 材料与方法

本研究所用样品为中国第2次至第4次北极科学考察所采集的表层沉积物，共79个样品，其中楚科奇海44站，楚科奇海台4站，北风脊2站，阿尔法脊5站，加拿大海盆22站，马克洛夫盆地2站（图1）。

先用研磨机将沉积物研磨成＜200 mesh的粉末。矿物成分鉴定所使用的仪器为日本理学公司的D／max-2500型转靶X射线衍射仪，样品测试前仪器已校正，衍射强度稳定度误差＜0.5%，衍射角测量准确度＜0.04。采用铜靶辐射，工作电压40 kV，工作电流100 mA，扫描范围为 3°—65°（2θ），扫描速率为2°·min－2［38］。所有样品的测试条件相同。由于每种矿物出现衍射峰的角度不同，因此可由衍射峰位置来鉴定沉积物的组成矿物。衍射峰的强度大致可以判断矿物含量的多少，但无法计算矿物的绝对含量，分析误差＜5%。X射线衍射图形因仪器本身的影响可能产生位移，2θ值稍有变化，范围在±0.1°左右。

各种矿物的鉴定以及相对含量计算按照Cook等［41］的方法进行（表2）。利用 Jade 6.0软件读取各站位沉积物衍射峰，识别并计算出各矿物衍射峰高度和面积。

表2 矿物衍射数据Table 2.Minerals actively sought in diffraction data analysis

3 结果

3.1 沉积物中的矿物含量

全岩矿物的定性及半定量分析是利用X衍射仪进行测定并结合Jade 6.0软件加以处理。识别出了北冰洋西部表层沉积物中的主要矿物（含量＞5%）以石英、钾长石、斜长石、云母为主，典型矿物包括角闪石、辉石、方解石、白云石、高岭石和绿泥石等，这些矿物可以示踪沉积物的物质来源。此外，在XRD谱线上还识别出了针铁矿、钙十字石、文石、盐岩、锐钛矿、黄铁矿、菱铁矿和硬石膏等矿物（图2），以百分制计算所有识别出来的矿物含量，根据需要，表3仅列出了其中的主要矿物和典型矿物的百分含量。

3.2 沉积物矿物分布特征

矿物分布图是基于Arcgis的反距离权重插值法得出的，从图3上可以看出，石英在楚科奇海靠阿拉斯加一侧含量较高，含量最高达45%，另外，在阿尔法脊及加拿大海盆北端含量也相对较高，总体上楚科奇海的石英含量高于北冰洋深水区（包括阿尔法脊、北风脊、加拿大海盆和楚科奇海台）。钾长石含量最高为13.04%，在研究区靠近欧亚海盆一侧的含量高于美亚海盆一侧，加拿大海盆区含量较低。斜长石的分布特征跟钾长石基本一致，含量范围为2.82%—20.49%。在加拿大海盆及马克洛夫海盆云母含量较高，含量高达22.99%，在楚科奇海以及北风脊、楚科奇海台和阿尔法脊含量相对较低。楚科奇海的角闪石含量为0—1.51%，北冰洋深水区含量为0—1.25%，总体上楚科奇海角闪石含量高于北冰洋深水区，且楚科奇海的高值区集中在靠东西伯利亚海一侧。辉石在加拿大海盆南端、北风脊、楚科奇海台以及阿尔法脊和马克洛夫海盆的含量较高，最高值为4.1%，其他海区含量较低。在加拿大海盆方解石和白云石的含量较高，最高值分别为11.1%和13.04%，楚科奇海含量较低。高岭石含量范围为0.47%—4.81%，没有明显的变化特征。绿泥石含量变化范围为0—4.67%，在楚科奇海含量较高，加拿大海盆含量较低。

图2 北冰洋西部表层沉积物矿物X射线衍射峰特征图Fig.2. Multiple X-ray diffraction diagrams of typical samples in western Arctic Ocean

表3 北冰洋西部表层沉积物主要及典型矿物组成Table 3.Composition of primaryminerals and representativeminerals of sediments in western Arctic Ocean

续表3

图3 北冰洋西部沉积物主要矿物和典型矿物分布图Fig.3.Distribution of primaryminerals and representativeminerals of sediments in western Arctic Ocean

长石／石英（F／Qz）比值已经成为沉积物化学风化强度的传统性替代指标，并据此探讨沉积物的来源和气候变化［42］，从图4可以看出 Fk／Qz，Fp／Qz和（Fk＋Fp）／Qz表现出相同的变化趋势，研究区靠近欧亚海盆一侧的比值大于美亚海盆一侧，说明风化程度相对较低。

图4 沉积物长石／石英比值变化分布图Fig.4.Variation of the ratios of Fk／Qz（a），Fp／Qz（b）and（Fk＋Fp）／Qz（c）of sediments in western Arctic Ocean

3.3 聚类分析

以79个站位矿物组分的主成分得分作为划分的新指标，用欧氏距离来衡量各矿物组成的差异大小，采用类平均法对各站位进行系统聚类，划分为6类矿物组合（图5），其中R08和Bn03均自成一类不做考虑。将Ⅰ类矿物组合分为Ⅰa、Ⅰb和Ⅰc三类。各矿物组合的平均矿物组成见表4，其中，Ⅰa型分布在楚克奇海的两端，靠阿拉斯加一侧（Ⅰa1）石英含量较高，靠西伯利亚海一侧（Ⅰa2）石英含量较低，与其他矿物组合相比，斜长石含量相对较高。这一点和Ⅰc型矿物组合相似，Ⅰc型矿物组合也位于楚科奇海西部。Ⅰb型矿物组合分布在加拿大海盆的南部（Ⅰb1）和中部（Ⅰb2），以云母含量高，石英和斜长石含量低为特征，其中南部的碳酸盐含量略高于中部。Ⅱ型矿物组合以方解石和白云石含量高为特征，平均含量分别为6.08%和5.66%。Ⅲ型矿物组合以石英和白云石含量高为特征，平均含量分别为25.85%和6.8%。该型矿物分布在阿拉斯加北部海域。Ⅳ型矿物钾长石和斜长石含量高，平均为9.81%和18.39%，该型矿物主要集中在白令海峡附近。Ⅴ型矿物组合方解石和白云石含量也相对较高，平均含量分别为5.18%和3.72%，与Ⅱ型相比略低。Ⅵ型矿物组合石英含量最高，平均为36.74%，该型矿物分布在赫雷德浅滩和汉纳浅滩附近。矿物组合类型分布见图6。

图5 研究区全岩矿物组成的Q型聚类分析Fig.5.Q Cluster analysis of bulk mineral assemblages in study area

4 讨论

由于楚科奇海和北冰洋西部深水区的水文结构和沉积物的潜在物质来源存在差异，所以将研究区分为楚科奇海和北冰洋西部深水区两部分来讨论。

4.1 楚科奇海

楚科奇海位于北冰洋西部陆架区，周缘陆地河流众多，水文环境复杂，可能存在多个物质来源。楚科奇海陆架区的沉积物来源包括河流、海岸侵蚀、洋流和海冰融化等。大量的地质体和陆地沉积物通过河流等被搬运到大陆架。北冰洋的入海河流众多，且河流的卸载量较高，是最主要的来源之一。前已述及，太平洋水进入北冰洋以阿拉斯加沿岸流、白令陆架水及阿纳德尔流等三支海流将白令海沉积物搬运到楚科奇海，白令海的入海河流包括阿拉斯加的育空河和卡斯科奎姆河以及楚科奇半岛的阿纳德尔河。

其中，育空河和卡斯科奎姆河沉积物在阿拉斯加沿岸流的作用下被搬运到楚科奇海，Ortiz等［43］研究发现，巴罗海峡西北部的楚科奇海陆架沉积物大量来自育空河以及阿拉斯加的一些较小的河流。育空河和卡斯奎姆河流域盆地的岩石类型以页岩、砂岩和花岗岩为主［16］，石英含量高，从洋流与沉积物组合类型的关系上可以判断，Ⅰa1型矿物组合应该是育空河和卡斯奎姆河沉积物在阿拉斯加沿岸流的作用下沉积形成的，Ⅵ型矿物应该也受这两条河流沉积物的影响。Eberl［44］对育空河从源头到入海口的沉积物矿物组成进行了XRD的半定量分析，发现育空河入海口处沉积物中斜长石的含量约22%，钾长石的含量约13%，石英的含量约50%，方解石和白云石的含量都较低，不足1%。这与本次研究得出的Ⅲ型沉积物石英含量高是吻合的，长石含量相对较低可能是搬运过程中长石的不稳定性所造成的。

表4 各矿物组合的平均矿物组成Table 4.Theminerals composition of different styles

图6 沉积物矿物组合类型分布图Fig.6.Distribution ofmineral assemblages of surface sediments in study area

靠近白令海峡的楚科奇海南端沉积物以Ⅳ型为主，钾长石和斜长石的含量最高。阿纳德尔河流域的岩石类型主要是火山岩、花岗岩和花岗闪长岩［33］，这些岩石类型中斜长石和钾长石的含量非常高，由此可以判断，Ⅳ型沉积物主要是阿纳德尔河沉积物在阿纳德尔流作用下被搬运到楚科奇海南端。Ⅰa2型和Ⅰc型沉积物中钾长石和斜长石的含量也较高，结合洋流的流向，可以判断阿纳德尔流对这两类沉积物做出贡献；此外，西伯利亚沿岸流携带欧亚陆架沉积物搬运到楚科奇海，也对这两类沉积物做出贡献。前面提到，西伯利亚陆地由酸性到基性火山岩及一些沉积岩等组成，在河流的搬运下可以为沉积物提供钾长石、斜长石和石英等轻矿物以及一些重矿物和黏土矿物。哈坦加河流经西伯利亚玄武岩携带大量的辉石在拉普捷夫海西部入海，是该海区主要的重矿物，勒拿河携带大量角闪石在拉普捷夫海中东部入海，并成为该区含量最高的重矿物；另外，贝尔加山（Byrranga Mountains）的冰川融水为拉普捷夫海提供了高含量的云母［3］，西伯利亚沿岸流将拉普捷夫海沉积物搬运到东部到达东西伯利亚海，最后到达楚科奇海［45］，为研究区提供辉石、角闪石和云母等矿物。高岭石和绿泥石等黏土矿物的来源前人已经开展大量研究，认为绿泥石来自变质沉积岩和火成岩的物理风化［46］，这些岩石在西伯利亚和阿拉斯加非常普遍。黏土矿物通过河流搬运到东西伯利亚海［6，47］，东西伯利亚海的沉积物在向东的西伯利亚沿岸流的作用下通过德朗海峡搬运到楚科奇海西部［45，48］。Ⅲ型矿物组合中白云石含量高，这可能与马更些河沉积物卸载有关，马更些河流域盆地中碳酸盐岩含量较高［31］，为Ⅲ型沉积物提供物质来源。

4.2 北冰洋深水区

北冰洋西部深水区的沉积物矿物组合类型主要包括Ⅰb型、Ⅱ型和Ⅴ型。该区受到波弗特环流、穿极流以及大西洋中层水的影响，在这些洋流的作用下，欧亚陆架和加拿大北极群岛周缘海域沉积物被搬运到北冰洋西部深水区。

在北冰洋、特别是沉积速率较低的深海区，海冰及冰山的搬运是其沉积物的主要搬运方式，Darby等［49］认为北冰洋中部全部的粗组分和几乎全部的细组分均来源于冰筏沉积。从矿物组成可以看出，Ⅱ类和Ⅴ类沉积物以方解石和白云石含量高为特点，且在波弗特环流的路径上，可以判断加拿大北极群岛周缘海域为这两类沉积物的主要来源。对于碳酸盐岩的来源前人均认为是加拿大北极群岛的碳酸盐岩地台在海冰（冰山）的作用下通过波弗特环流搬运而来。Polyak等［50］的研究也认为门捷列夫脊附近的NP26站位沉积物中的碳酸盐碎屑来源于加拿大北极群岛的班克斯岛（Banks Island）和维多利亚岛（Victoria Island）。美亚盆地晚第四纪沉积物碎屑中含大量的石灰岩岩屑从马克洛夫海盆到加拿大海盆东南部含量增加，这就说明源自劳伦泰德冰盖的冰山携带碎屑物质进入北冰洋中部［5］，物源为加拿大西北部以及加拿大北极群岛的、早古生代富含石灰岩的碳酸盐岩层［19］。Ⅰb1型沉积物主要在楚科奇海台、北风脊等中等水深的海域，该海域环流结构复杂，既受波弗特环流和穿极流的影响，又受大西洋中层水的影响；Ⅰb2型沉积物在加拿大海盆中部。这两类沉积物的特点是方解石和白云石的含量均较低，说明受波弗特环流影响相对较小；此外，与其他矿物组合类型相比，云母含量最高。前面提到，贝尔加山的冰川融水能为拉普捷夫海提供高含量的云母，结合洋流的搬运路径可以判断，在正北极涛动时，来自拉普捷夫海海冰沉积物为Ⅰb型沉积物做出了一定的贡献［51］，Polyak等［50］对门捷列夫脊附近沉积物的研究认为石英的来源主要是拉普捷夫海。此外，一些黏土级细粒物质可能由大西洋中层水携带而来［8，36］。

5 结论

通过北冰洋西部表层沉积物矿物学特征及其物质来源的上述分析与研究，可得出以下的几点基本认识：

（1）北冰洋西部表层沉积物中的主要矿物（含量＞5%）以石英、斜长石、钾长石、云母为主，典型矿物包括方解石、白云石、辉石、角闪石、高岭石和绿泥石等，这些矿物可以示踪沉积物的物质来源。此外，在XRD谱线上还识别出了针铁矿、钙十字石、文石、盐岩、锐钛矿、黄铁矿、菱铁矿和硬石膏等矿物。共分出6个矿物组合。其中，Ⅰ类矿物组合又可分为Ⅰa1、Ⅰa2、Ⅰb1、Ⅰb2和Ⅰc五类。其中，Ⅰa1和Ⅵ型矿物组合石英含量较高，Ⅰa2和Ⅰc型矿物组合相似，与其他矿物组合相比，以斜长石和角闪石含量高为特征，Ⅰb型矿物组合以云母含量高，石英和斜长石含量低为特征；Ⅱ型和Ⅴ型矿物组合以方解石和白云石含量高为特征，Ⅲ型矿物组合以白云石含量高为特征，Ⅳ型矿物斜长石和钾长石含量高。

（2）楚科奇海的矿物组合类型包括Ⅰa1、Ⅰa2、Ⅰc型、Ⅲ型、Ⅳ型以及Ⅵ型。其中，Ⅳ型分布在楚科奇海的中部靠近白令海峡处，这主要是阿纳德尔流携带的、来自阿纳德尔河的沉积物，Ⅰa2和Ⅰc型沉积物矿物组合相似，分布在楚科奇海的西侧，受阿纳德尔流和东西伯利亚沿岸流的双重影响，沉积物来自西伯利亚陆地的高含长石的一些火山岩。Ⅰa1和Ⅵ型分布在楚科奇海的东侧，来源为阿拉斯加沿岸流携带的育空河及卡斯奎姆河的沉积物。Ⅲ型分布在阿拉斯加北部，与马更些河搬运的沉积物有关。

（3）北冰洋西部深水区的组合类型主要包括Ⅰb1型、Ⅰb2型、Ⅱ型、Ⅴ型。Ⅱ型、Ⅴ型沉积物以方解石和白云石含量高为特点，主要受波弗特环流的影响，来源主要为加拿大北极群岛的班克斯岛和维多利亚岛；此外，还受来自西伯利亚陆架、主要是拉普捷夫海沉积物的影响。Ⅰb1型分布在楚科奇海北部边缘及加拿大海盆南端，方解石和白云石的含量较低，说明受波弗特环流影响相对较小，Ⅰb2型沉积物方解石和白云石含量更低，说明几乎不受波弗特环流的影响。这两种类型的主要来源是来自拉普捷夫海的海冰沉积物，此外，一些黏土级细粒物质可能由大西洋中层水携带而来。

致谢 本研究使用的中国第二次、第三次和第四次北极科学考察采集的样品由中国极地研究中心沉积物库提供，在此深表感谢。

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