北冰洋西部表层沉积物重矿物特征

王昆山 刘焱光 董林森 陈志华

0 引言

沉积矿物是海洋沉积物的具体表现，记录了丰富的物源、气候、沉积、环境等方面的信息［1］。北冰洋西部楚科奇海-加拿大海盆区域沉积物黏土矿物和粗粒级分析研究表明此区沉积物主要受河流输入、海冰（冰山）搬运以及太平洋入流水的影响［2-4］，区域内表层沉积物除白令海峡以南的2个站位为砂质沉积外，其他沉积物多为黏土质沉积，偶见大的砾石（可能是冰川携带而来）；重矿物含量低，表明碎屑粗粒级输入量低，而同样发育海冰的鄂霍次克海，海冰所携带的碎屑沉积量很高，表层沉积物中砂含量超过5%可认为有海冰覆盖即有冰筏碎屑输入［5］。研究区洋流发育，特别是在近岸区，在楚科奇半岛北部近岸发育西伯利亚沿岸流，从南进入白令海峡的洋流分成三股：阿纳德流、白令陆架水以及阿拉斯加沿岸流［6］，这些洋流对沉积物的组成有重要的影响作用。

本文主要对区域内表层沉积物重矿物进行了鉴定分析，给出了典型矿物的分布特征，划分了矿物组合分区，并讨论重矿物所反映的物质来源和沉积环境，为进一步探讨北冰洋西部沉积物来源与古气候、古洋流等的相关关系等研究提供基础数据。

1 样品和方法

本文所分析的样品是中国首次（1999年）和第二次（2003年）北极科学考察在楚科奇海及邻近的北冰洋深水区采取的表层沉积物。这些样品除进行了黏土矿物分析［2］，选取其中的47站还进行了碎屑矿物分析（图1），利用Ocean Data views软件作图，水深来源于其数据包。碎屑矿物室内分析流程如下：取沉积物原样40—100 g，烘干后称重，得到沉积物干样重量。然后放入烧杯中用清水浸泡，经充分搅拌使碎屑矿物与黏土组分分离，筛取0.063—0.125 mm粒级的细砂组分称重并烘干，加三溴甲烷重液分离（重液比重为2.89）。分离后分别称重，得到轻、重矿物重量，称重精度为0.001 g。重矿物的鉴定研究工作采用实体显微镜观察和偏光显微镜油浸法结合来进行定性和定量分析，每站样品鉴定矿物颗粒数在300粒以上，对矿物特征如颜色、形态、条痕、铁染程度、蚀变程度、颗粒相对大小、光学性质等进行了描述和鉴定。在此基础上绘制北冰洋西部表层沉积物重矿物分布图并划分矿物组合分区，总结矿物分布特征和规律。

图1 表层沉积物取样站位图及重矿物组合分区Fig.1.Sampling location of surface sediment in the western Arctic Ocean and provinces ofmineral assemblage

2 结果与分析

2.1 重矿物组成与分布

沉积物中碎屑矿物含量较低，除YP33站重矿物颗粒数不足300粒外，其他站位的样品满足了300粒（颗粒数）的定量统计要求。

本区共鉴定出重矿物29种，包括绿帘石、紫苏辉石、普通角闪石、钛铁矿、石榴子石、磷灰石、赤铁矿、绿泥石、普通辉石、蓝晶石、褐铁矿、锆石、电气石、自生黄铁矿、榍石、胶磷矿、磁铁矿、独居石、白云母、黝帘石、黑云母、菱铁矿、透闪石、金红石、符山石、褐帘石、铁锰微结核、金绿宝石和顽火辉石，样品中含有少量的风化碎屑。其中，绿帘石、紫苏辉石和普通角闪石的平均含量超过10%，分别为48.8%、25.2%和13.5%，为海区的优势矿物。其他矿物的平均含量在10%之下，钛铁矿、石榴子石、磷灰石和赤铁矿的平均含量在10%—3%之间，属于常见矿物；其他矿物平均含量较低，部分矿物仅在少数站位沉积物中零星出现，但也存在例外，ICE-6站位沉积物中菱铁矿含量达到20%左右。矿物颗粒百分含量变化见表1。

碎屑矿物研究表明北冰洋西部表层沉积物重矿物特征主要有三点：重矿物含量低，平均仅为2.8%；颗粒细小脆性大，以次棱状到次圆状的颗粒为主，且表面不平多有溶蚀；优势矿物含量变化表现出不同的物质来源。这反映出本区碎屑物质输入量较低，矿物颗粒多有蚀变，物质来源多样。下面对主要的重矿物参数的分布特征进行简要描述，以分析影响其分布的主要因素。

表1 北冰洋西部表层沉积物重矿物质量分数Table 1.Content and statistical data of heavy minerals in the western Arctic Ocean

重矿物含量它是指重矿物重量占轻、重矿物重量之和的百分含量，受底质类型、沉积物改造程度以及矿物抗风化能力等影响，可反映沉积物物源和成熟度等方面的信息。平均含量2.8%，变化范围0.2%—11.6%（表1），与近海沉积物中重矿物含量相比含量较低，表明物质输入量较低，含量分布上表现出白令海峡南部重矿物含量高，达到10%左右，通过白令海峡向北重矿物含量低，在中部出现斑点状中等含量（5%—7.5%），研究区北部含量低，平均含量2.8%以下（图2）。

绿帘石绿黄色、浅黄绿色的次圆状颗粒为主，颜色偏黄，表面溶蚀不平，透明到半透明，偶见有新鲜的黄绿色短柱状颗粒，表明本区亦有少量的、新的物质输入（图3a）。平均含量28.8%，变化范围4.0%—64.7%。表1绿帘石的统计数据方差大，表明其含量变化跨度大，具有区域性分布的特点，高含量主要出现在靠近阿拉斯加一侧海区沉积物中，而较低的含量出现在楚科奇海沉积物中（图2）。

紫苏辉石褐绿色、浅褐绿色的短柱状，棱角不明显，透明到半透明，部分颗粒表面粗燥有溶蚀（图3b）。平均含量25.2%，最大值为55.7%。方差值大，含量变化跨度大，含量分布与绿帘石分布具有负相关性，高含量出现在北冰洋西部和楚科奇海北部，较低的含量出现在靠近阿拉斯加一侧海区沉积物中（图2）。

普通角闪石多以绿色、浅绿色的碎粒、短柱状、短板状出现，棱角不明显，表面有磨蚀和溶蚀，透明度较高，长柱状颗粒含量较低（图3c）。一般在近海沉积物中含量较高，平均含量13.5%，变化范围3.0%—23.3%。高含量主要出现在靠近阿拉斯加一侧、楚科奇海东北部沉积物中，与水深变化呈现负相关关系，在水深区沉积物中含量逐渐降低（图2）。

金属矿物包括钛铁矿、赤铁矿、磁铁矿和褐铁矿。钛铁矿和磁铁矿呈现灰黑色、半金属光泽的颗粒，颗粒磨圆度高，表面溶蚀不平且脆性大，压碎后条痕略带红色调，表明矿物颗粒已经部分赤铁矿化。在样品中也见有新鲜的、细小的金属光泽较强的钛铁矿颗粒出现，钛铁矿在阿拉斯加北部海区沉积物中含量较高，在楚科奇海东部沉积物中含量较低（图4），表现出物源的影响。赤铁矿多为土状光泽、半金属光泽的灰黑色颗粒，次圆状为主，见有圆柱状、块状颗粒，硬度小，条痕樱红色。在YP11站位中，赤铁矿多为块状、表面灰黑，含量高达30.7%（表1），高含量出现在研究区北部，近岸沉积物中含量低（图4）。样品中的褐铁矿多为灰褐色、较为疏松的颗粒，硬度小，条痕发黄，成熟度低。本区沉积物中钛铁矿、磁铁矿和赤铁矿在显微镜下较难进行精确区别（半蚀变状态），加上少量的褐铁矿，将4种矿物归为一类进行绘图（图4）。金属矿物的分布则反映了钛铁矿和赤铁矿的总体分布趋势，高含量出现在研究区北部，近岸靠近白令海峡沉积物中含量较低。

石榴子石多为粉色、不规则粒状颗粒，表面溶蚀不平，少见有完整晶形的颗粒（图3d）。平均含量4.4%，最高含量14%，每个站位沉积物中都有出现，分布广泛，含量分布带有区域性，由白令海峡向北含量减少，在楚科奇海中部含量增加，到深水区含量又减少（图4）。

风化碎屑主要为透明矿物蚀变后的产物，多为灰色、灰黄色的不规则颗粒，不透明，光泽弱，压碎后多为粉末状；在研究区分布普遍，靠近阿拉斯加海区一侧含量较高。

磷灰石多为灰白色、半透明、次圆状颗粒，常见到生物磷酸盐溶蚀的、浅黄色的次圆状颗粒（图3e）。在样品中常见有磷灰石蚀变成球状的胶磷矿（图 3f）。

图2 表层沉积物中重矿物重量含量及优势重矿物含量分布Fig.2.Content of heavymineral weight and dominant heavy minerals in the surface sediment

图3 偏光显微镜下的几种典型矿物形态和光性特征（显微镜下比例尺相同）.（a）绿帘石（Ep）；（b）紫苏辉石（Hy）；（c）普通角闪石（Hbl）；（d）石榴子石（Grt）；（e）磷灰石（Ap）；（f）胶磷矿（Clh）；（g）绿泥石（Chl）；（h）普通辉石（Aug）；（i）蓝晶石（Ky）；（j）锆石（Zrn）；（k）榍石（Spn）；（l）独居石（Mnz）Fig.3.The shape and optics characters of the typicalmineral in polarized microscope（the same scale inmicroscope）.（a）Epidote；（b）Hyperthene；（c）Common hornblende；（d）Garnet；（e）Apatite；（f）Cellophane；（g）Chlorite；（h）Augite；（i）Kyanite；（j）Zircon；（k）Sphene；（l）Monazite

图4 表层沉积物中金属矿物及石榴子石含量分布Fig.4.Distribution ofmetallicminerals and garnet in the surface sediment

其他一些较为常见但平均含量较低的矿物如绿泥石（图3g）、普通辉石（图 3h）、蓝晶石（图 3i）、锆石（图 3j）、榍石（图3k）、独居石（图 3l）等在部分站位中出现，本文给出了这些矿物在偏光显微镜下的形态和光性特征。

2.2 组合分区

将主要的7种矿物参数作为变量，即重矿物含量、绿帘石、紫苏辉石、普通角闪石、钛铁矿、石榴子石和赤铁矿，利用数学聚类方法进行碎屑矿物组合分区［8］。重矿物含量参数可以反映沉积物细砂的分布，与碎屑矿物富集程度密切相关，绿帘石、紫苏辉石和普通角闪石为重矿物的优势矿物，钛铁矿、石榴子石、赤铁矿为常见矿物。这6种矿物的平均含量之和达到了83.7%，完全可以代表整体矿物的分布趋势。聚类结果显示出5个较为不同的分区：白令海峡南北部的4个样品最先独立出来，成为一个单独的分区；楚科奇海东北部深水区样品、弗尔格尔岛东部海区样品以及阿拉斯西北海区样品各成为一个分区；中部的样品为混合区。这表明研究区沉积物碎屑矿物组成受不同的物质来源以及水动力的影响，物质来源具多源性。

综合重矿物含量分布及聚类结果，将研究区分出5个矿物组合区（图1）：Ⅰ区为白令海峡区域矿物区；Ⅱ区为楚科奇海中部矿物区；Ⅲ区为楚科奇海北部矿物区；Ⅳ区为阿拉斯加西北部近海矿物区；Ⅴ区为楚科奇海北部深水区矿物区。各组合分区矿物种类和含量变化较为明显，与物质来源、沉积环境与水动力条件密切相关。表2为各分区主要矿物参数含量统计。

Ⅰ区：白令海峡区域矿物区，样品数4。本区重矿物重量含量为研究区最高，平均达到8.2%，优势矿物为绿帘石、紫苏辉石和普通角闪石，特征矿物为钛铁矿、石榴子石和普通辉石，磷灰石分布普遍，含量不高，样品聚类表明其与Ⅲ区矿物组成较为相似。

Ⅱ区：楚科奇海中部矿物区，样品数9。重矿物含量低，变化范围大，优势矿物为紫苏辉石、普通角闪石和绿帘石，其中紫苏辉石的平均含量达到45.7%，变化范围相对较小，表明紫苏辉石是本区最主要的重矿物。特征矿物为钛铁矿，其他矿物分布广泛，含量低。

表2 北冰洋西部表层沉积物重矿物组合分区主要矿物参数统计表Table 2.Statistical data of provinces of mineral assemblage in surface sediment

Ⅲ区：楚科奇海北部矿物区，样品数19，站位分布较为密集。重矿物含量略低于全区平均含量，优势矿物为绿帘石、紫苏辉石和普通角闪石，特征矿物为钛铁矿和石榴子石，矿物组合与Ⅰ区相似，普通角闪石含量相比略低。

Ⅳ区：阿拉斯加西北部近海矿物区，样品数10。有数个站位已分布到波弗特海内，靠近阿拉斯加，重矿物含量较低，优势矿物为绿帘石、紫苏辉石、钛铁矿和普通角闪石，特征矿物石榴子石、磷灰石、赤铁矿等普遍分布。

Ⅴ区：楚科奇海北部深水区矿物区，样品数5。站位位于深水区，重矿物含量最低，仅为1.4%，优势矿物为绿帘石、紫苏辉石和赤铁矿，赤铁矿含量最高的站位即位于本区，绿帘石多有蚀变，且赤铁矿含量高表明碎屑矿物输入量少。

3 讨论

利用碎屑矿物含量分布及组合分区结果，结合沉积物粗组分分布［4］，讨论本区沉积物物质来源及其扩散趋势、沉积物成熟度和风化作用类型。

3.1 物质来源及扩散方向

北冰洋西部的楚科奇海冬季全部被海冰覆盖，夏季海冰融化形成大面积开阔水域，但北部还是有海冰覆盖［7］，主要是矿物组合分区的Ⅴ区，接受海冰携带的沉积物碎屑量很少，沉积速率低。从整个矿物分区来看，Ⅰ区水动力强，重矿物含量高，洋流携带的物质具有向北输送的趋势；通过白令海峡，洋流开始分流［6，8］，在重矿物含量和组分上发生变化，北部偏西（Ⅱ区）具有高含量的紫苏辉石，表明其物质主要来源于楚科奇海近岸的西伯利亚近岸的楚科奇山原，物质向东扩展不明显。Ⅱ区沉积物中重矿物组成与拉普捷夫海（东西伯利亚海的西部）沉积物中重矿物组成相似，优势重矿物为角闪石、辉石、绿帘石和石榴子石，含量在10%—30%之间变化［9］。沿阿拉斯加沿岸向东的流系区（Ⅳ区）的沉积物中绿帘石含量高，石榴子石，磷灰石、赤铁矿等普遍分布。这表明沉积物来源稳定，搬运距离长，其来源可能与阿拉斯加近岸河流沉积有关，物质来源具有向东北扩散的趋势，沉积速率相对较高［10］。而楚科奇海北部（Ⅲ区）重矿物含量接近全区平均值，绿帘石的平均含量最高，紫苏辉石的平均含量次之，钛铁矿和石榴子石含量较高，为接受沉积较为稳定的区域。Ⅲ区与Ⅱ区具有同源性，普通角闪石的平均含量达到13.8%，较西伯利亚近岸沉积物中的普通角闪石含量低（平均含量在20%左右），但高于白令海峡靠近阿拉斯加一侧沉积物中普通角闪石的平均含量（一般在10%以下）［11］，部分物质可能来源于阿拉斯加河流沉积，属于混合来源区。

3.2 碎屑沉积物成熟度

碎屑沉积物成熟度是指在形成作用的影响下接近于最终产物的程度，也就是原岩在风化、剥蚀、搬运过程中经磨蚀和分选作用后的矿物成分、粒度、结构等达到最终产物的程度。目前较多地选择稳定性高的矿物作为其成熟度指标，如锆石-电气石-金红石。从本区重矿物研究结果来看，沉积物碎屑重矿物主要为绿帘石、紫苏辉石和普通角闪石，部分表层沉积物中富集钛铁矿和赤铁矿。总体来看，碎屑沉积物成熟度低，不稳定矿物组合的含量明显高于稳定矿物组合的含量，表现为不利于风化作用的寒冷气候。这与研究区所处气候带相一致。下面讨论矿物颗粒特征所体现的风化作用类型。

3.3 风化作用类型

碎屑矿物表面特征表明本区物理风化作用较强，特别是较高含量的绿帘石的分布，绿帘石新鲜颗粒少，多为浅黄绿色颗粒，有蚀变，而辉石、角闪石、斜长石经过蚀变后均可形成绿帘石。与此同时稳定性强的矿物如石榴子石、锆石等分布普遍，但没有出现富集现象。此外，矿物颗粒表面存在溶蚀坑，表明也存在化学风化作用。

4 结论

通过对中国两次北极科学考察在楚科奇海和邻近的北冰洋深水区采取的表层沉积物进行的碎屑重矿物鉴定分析与研究，得出以下的基本认识。

（1）北冰洋西部楚科奇海沉积物中重矿物含量低，陆源物质输入量低。重矿物主要以绿帘石、紫苏辉石和普通角闪石等抗风化能力较弱的矿物为主，特征矿物为钛铁矿、赤铁矿和石榴子石。从矿物形态、特征和含量表现出海区风化作用类型以物理风化为主，也见有化学风化迹象。

（2）重矿物组合分区表明北冰洋西部沉积物来源、水动力条件较为复杂：楚科奇海中部沉积物中富集紫苏辉石、钛铁矿和石榴子石；阿拉斯加沿岸沉积物中富集绿帘石、紫苏辉石等，赤铁矿含量较高；楚科奇海北部深水区赤铁矿含量高，碎屑矿物沉积速率低且多有蚀变；而在白令海峡南部沉积物重矿物含量高，与其水动力强密切相关。

致谢 本研究使用的中国首次、第二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。

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