吴能友 钟和贤 段威武
摘要 通过对南极布兰斯菲尔德海峡26个站位表层沉积物的地球化学组成的因子分析和相关分析，探讨了影响表层沉积物地球化学特征的主要因素，揭示了控制沉积物特征的地球化学作用。结果表明，岛（陆）架—岛坡区表层沉积物地球化学特征较复杂，受到多种因素的影响，最主要的是受沉积区离岸远近和水深大小等因素控制的钙质生物、硅质生物和陆源碎屑的沉积作用，其次为中酸性火山碎屑沉积作用与基性火山碎屑的沉积作用；海槽—陆坡区表层沉积物地球化学特征主要由硅质碎屑沉积和粘土质陆源、火山碎屑在时空上的交替沉积所控制，宇宙源沉积、自生沉积、碱性火山碎屑沉积、热液作用等的影响较小。
关键词 元素相关性 影响因素 因子分析 相关分析 表层沉积物 南极
1 引言
沉积物是在特定的沉积环境中形成的。它记录和保存了其形成过程中的各种地球化学信息，留下了许多自然环境变迁的痕迹（文启忠等，1987）。沉积物各成分中的元素按来源可分成两类：一类来自陆源和海底火山碎屑，元素存在于各种硅酸盐矿物的晶格中，称之为碎屑来源，如Si、Al、K、Na、Ca、Mg、Cr、Li、Zr、Be、Ti、Sc等元素；另一类通过化学和生物作用，以直接或间接的方式从海水中析出，称之为化学沉积或水成物质来源，如Sr、P、Pb、Zn、Mn、Fe、Cu、Ni、Co、Mo、Ba、B等元素。因此，通过对沉积物中元素的地球化学相关性研究，可以揭示影响沉积作用的主要因素。
1990和1991年南大洋夏季，中国第七次南极考察队“海洋四号”船在南极布兰斯菲尔德海峡进行了地质、地球物理调查，在海峡不同地貌单元采集了43个站位的表层和柱状沉积物样品（图1）。本文选择其中26个站位的表层沉积物进行地球化学组成的因子分析和相关分析，探讨影响表层沉积物地球化学特征的主要因素，揭示控制沉积物特征的地球化学作用。
图1 布兰斯菲尔德海峡沉积物采样站位图 Fig.1 Sketch map showing the sampling sites in the Bransfield Strait（据王光宇等，1996）
2 区域地质背景
布兰斯菲尔德海峡位于南极半岛和南设得兰群岛之间（图1），是一个呈北北东向展布的狭长水下槽地。南侧南极半岛是南极大陆往北伸长的呈S型的半岛；北侧南设得兰群岛由一系列北东向链状排列的岛屿组成，在海峡中形成多个天然峡湾。海底地形从东北、西南两侧向中间倾斜，北侧分布着狭窄的岛架和岛坡，南侧分布着较为宽阔的陆架和陆坡，中部为海槽，呈不对称状，北陡南缓，西高东低（王光宇等，1996）。
布兰斯菲尔德海峡为新生代弧后裂谷盆地（Anderson,1989）。南设得兰群岛为一硅铝质岛弧，主要出露橄榄玄武岩、玄武质安山岩和含硅质的、单一低钾高铝的钙碱性安山岩，尚有少量强烈变形的片岩和类复理石岩系（Smellie,1983）。南极半岛主要由火山岩和岩浆岩组成，以中酸性的流纹岩和安山岩为主；中、新生代岛弧前侏罗系基底为浊流相沉积岩和低－中级变质岩，浊积岩主要由砂岩和泥岩组成，含少量砾石、石英岩和硅质岩，变质岩为低压高温的角闪岩相和高压低温的蓝片岩和绿片岩相（Weaver等，1982;Elliot,1983）。南设得兰群岛和南极半岛出露的岩石对布兰斯菲尔德海峡的沉积物特征具有重要影响。
对表层沉积物进行粒度分析和涂片鉴定，根据其主要粒级组分的含量，表层沉积物可分为砾质、砂质、粉砂质和泥质沉积物四类（王光宇等，1996）。表层沉积物分布具有不对称特征：岛架、岛坡沉积物相对于陆架、陆坡来说较细，且类型多而复杂，分布面积较小；细粒沉积物粉砂质硅藻软泥或硅藻软泥的沉积中心靠近南设得兰群岛。
3 研究样品与方法
所研究的沉积物样品共26个，其中采自岛（陆）架－岛坡区的有13个，分别为G7,G17,G24,G26,G27,G28,G29,G31,G35,G36,G40,G41和G43样品；而采自海槽－陆坡区的有13个，分别为GC4,GC6,GC8,PC10,GC11,GC13,GC14,G15,GC16,PC18,G23,G38和G39样品。所分析的化学成分共30项，其中有机碳、碳酸钙的含量运用滴定法测定，硅酸盐全分析包括SiO2、全铁、Al2O3、TiO2、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5和MnO，用发射光谱法测定的有B、Ba、Be、Co、Cr、Cu、Ga、La、Mo、Nb、Ni、Pb、Sc、Sr、V、Y、Yb和Zr等18种元素。样品的测试由国土资源部广州海洋地质测试中心完成。
对地球化学测试分析结果进行因子分析和相关分析，求取各化学组分的相关矩阵和因子方差，归入同一组合中的元素其相关系数一般大于0.5，且与其他地质资料吻合。
4 岛（陆）架—岛坡区元素的地球化学相关性与影响因素
表1为岛（陆）架—岛坡区13个表层沉积物样品30项化学成分因子分析的方差旋转因子载荷表。由表可见，以方差贡献大于5%作为标准选取的主因子数有10个，而且主因子F1的方差贡献为32.497%，相对最重要的前两个主因子的累积方差贡献也只有54.768%，前6个主因子的累积方差贡献约90%，因子载荷大于5%的主因子有5个，说明虽然没有一种绝对占主导地位的地球化学因素，但有一至二种主要因素控制表层沉积物的地球化学特征。主因子F1的正载荷方向为全铁、MnO、CaO、Cr、La含量，其中CaO、La既可能是钙质生物在CCD以下溶解释放的组分，反映了钙质生物的地球化学富集作用，与其有关的成矿元素是Fe、Mn，也可能是火成岩型Fe、Mn成矿元素预富集的重要因素之一，或者与Cr相同是陆源碎屑组分之一；负载荷方向为K20、有机碳、B、Ba含量，这些组分是硅质生物碎屑沉积作用的反映。由此可见，F1主因子可能反映了受离岸远近和水深大小等因素控制的钙质生物、硅质生物和陆源碎屑的沉积作用。沉积物类型、粒度、矿物组分和微体生物的分布特征也说明了这一点。主因子F2的正载荷方向为全铁、TiO2、Na2O、P2O5、MnO、Pb、Y、Zr含量，负载荷方向为单一的Ba含量，可能反映了中酸性火山碎屑沉积作用与硅质生物碎屑沉积作用的交替出现；主因子F3主要为正载荷的CaO、V、Sc含量和负载荷的SiO2含量，可能反映了基性火山碎屑沉积作用；主因子F4主要为负载荷的Al2O3、Ga含量，也许反映了陆源粘土或碎屑沉积作用；主因子F5和F6分别为负载荷的Mo含量和正载荷的Cu、V、Zn、Be含量，分别反映了基性岩浆和酸性岩浆的有关矿化作用，但主因子F6可能同时反映了宇宙尘沉积作用。主因子F7～F10构成的元素方差贡献均很小（仅1%～4%），可能反映的是海水水团性质的变化导致差异沉淀作用或槽底火山作用产生不同类型的流体作用，它们只在某一较短时期或对局部沉积物的地球化学特征有影响。
表1 岛（陆）架—岛坡区表层沉积物化学成分因子分析方差极大旋转因子F载荷表 Table1 F factor loading matrix of orthogonal solution for the factor analysis on chemical compositions of superficial sediments from the island（continental）shelf-island slope
图2 岛（陆）架—岛坡区（a）和海槽—陆坡区（b）表层沉积物因子分析主因子F1和F2相关图 Fig.2 Relation between F1 and F2 main factors from the factor analysis on the chemical compositions of uperficial sediments from the island（continental）shelf-island slope（a）and trough-continental slope（b）
以两个主因子F1和F2为变量作元素的因子相关图如图2a。根据主要化学成分在图上的位置和组合分布状态，并结合相关分析结果（表2），同时参考其他几个因子的载荷大小，可以将主要成分分为控制因素明显不同的5组。
（1）SiO2、有机碳、K20、B和Ba：可能与硅质生物碎屑沉积作用有关。虽然生物残体沉降到海底后形成生物SiO2，但岛架、岛坡区的SiO2可能主要来自陆源粘土矿物、碎屑矿物的硅酸盐组分。SiO2含量与全铁、CaO、MgO、MnO、Ni、Co、V、La、Nb含量都为明显的负相关，但与K20、有机碳、B和Ba含量为弱相关。有机碳含量与K2O、B、Ba含量之间为明显的正相关，说明K20、B和Ba在很大程度上取决于生物的富集作用。当然，由于Ba在岩石圈中含量很高，在海水中的平均含量很低，仅为0.02μg/g，而本区表层沉积物中Ba的平均含量很高，表明Ba元素除生物富集外，还有其他来源。本区比较强烈的火山和热液活动可能提供了部分Ba。
（2）CaO和La：可能受钙质生物碎屑沉积和陆源碎屑沉积作用的共同影响。海洋沉积物中CaO主要来自钙质生物壳体，另外硅酸盐矿物，如粘土矿物、斜长石等也可能提供部分CaO。本区CaO含量与MnO、全铁、Cr、La、Sc含量都具有明显的正相关性，与有机碳、K20、B和Ba含量具有明显的负相关性，说明CaO的来源极其复杂性。
（3）MnO和全铁：与海底自生沉积作用有关，然而全铁、MnO含量与TiO2、CaO、MgO、Co、Cu、V、La、Yb、Nb含量为正相关，与Al2O3、K2O、有机碳、B、Ba含量为负相关，说明其来源复杂，很可能陆源碎屑沉积也提供了相当一部分的MnO和全铁。
（4）TiO2、Na2O、Yb、Y：可能来自中酸性火山碎屑的沉积作用。TiO2含量除与Na2O、Yb、Y含量为正相关之外，还与全铁、P2O5、MnO、Cu、Zr等的含量正相关，与K2O和Ba含量为负相关。南极半岛西北侧出露的中酸性火山岩可能为本区提供了较多的TiO2、Na20、Yb、Y等组分。
（5）MgO、Co、Ni、Sr、Cr：可能来自基性火山碎屑的沉积作用。MgO含量与全铁、Cr、Ni、Co、La、Nb等组分的含量之间为正相关，与SiO2、Al2O3、K2O、Na2O、有机碳、B之间为负相关。南设得兰群岛上出露的基性火山岩可为本区提供丰富的MgO、Co、Ni、Sr、Cr等组分。
总之，本区表层沉积物的地球化学特征较为复杂，受到多种地球化学因素的影响，但最主要的是受沉积区离岸远近和水深大小等因素控制的钙质生物、硅质生物和陆源碎屑的沉积作用，其次为中酸性火山碎屑沉积作用与基性火山碎屑沉积作用。
5 海槽—陆坡区元素含量的相关性与影响因素
表3为水深相对较大的海槽—陆坡区13个表层沉积物样品30项化学成分因子分析的方差旋转因子载荷表。由表可见，以方差贡献大于5%为原则选取的主因子数有10个，相对最重要的前两个主因子的累积方差贡献也只有62.514%，因子载荷大于5%的主因子有6个，累积方差贡献约为91%，说明控制该区表层沉积物特征的地球化学因素相对较为复杂。尽管如此，F1主因子的方差贡献已占据43.259%，说明在众多的地球化学因素中还是有一种起主导作用的。F1的负载荷方向为SiO2、K20、有机碳、B、Ba含量，为放射虫、硅藻等硅质生物碎屑沉积作用所致，正载荷方向为全铁、Al2O3、TiO2、CaO、P205、V、Sr、Pb含量，这些组分为陆源粘土质沉积作用的主要组分，因此，F1反映硅质软泥（硅质碎屑沉积）和粘土质陆源、火山碎屑在时空上交替沉积的一种地球化学作用，在粘土质碎屑沉积发育期间，硅质软泥的沉积作用相对较弱。从该因子的成分组合可以看出，组成矿物的主要元素与硅质碎屑沉积和粘土质碎屑沉积有关。主因子F2的方差贡献为19.256%，对表层沉积物地球化学特征的影响也较大，它以Be、Zr、Cr等组分含量具较大的负载荷和MgO、Na2O、Sc等组分含量具较大的正载荷为特征，包括基性火山碎屑组分和宇宙尘组分，可能反映陆源碎屑和宇宙源差异沉积作用；主因子F3以较大正载荷的MnO、Ni、Co、La、Yb、Y、Ga含量为特征，反映硅质生物沉积间断期的自生沉积作用或成岩作用；主因子F4正载荷方向为La、Yb、Y、Nb含量，负载荷方向为单一的Ba含量，可能反映了碱性火山碎屑沉积作用；F5和F6主因子分别为负相关的Cu含量与Ga含量和Cr含量与Sc含量，可能反映的是不同类型的热液作用。
表2 岛（陆）架—岛坡区表层沉积物化学成分含量之间的相关系数 Table2 Correlation coefficient matrix of the correlation analysis on chemical compositions of superficial sediments from the island（continental）shelf—island slope
表3 海槽—陆坡区表层沉积物化学成分因子分析方差极大旋转因子F载荷表 Table3 F Factor loading matrix of orthogonal solution for the factor analysis on chemical compositions of superficial sediments from the trough—continental slope
以因子分析的两个主因子F1和F2为变量作元素的因子相关图如图2b。根据主要化学成分在图上的位置和组合分布状态，并结合相关分析结果（表4），同时参考其他几个因子的载荷大小，可以将主要成分分为控制因素明显不同的5组。
（1）SiO2、K2O、有机碳、B、Ba：主要受硅质生物碎屑沉积作用控制。SiO2含量与K20含量之间为明显正相关，与有机碳、B、Ba含量为较弱正相关，而与全铁、Al203、TiO2、CaO、MgO、Na2O、P2O5、MnO、Co、V、Sc、Sr、Pb等的含量为明显负相关；K20、有机碳含量与B、Ba含量之间都为正相关。
（2）全铁、Al2O3、TiO2、CaO、V、Sr、Pb：可能主要受粘土质陆源火山碎屑沉积作用的影响。Al的地球化学性质比较稳定，基本上不参与生物作用，沉积物中其含量的变化基本上受粘土矿物等铝硅酸盐组分的控制，与生物遗迹沉积的数量成反比；Ti与Al相似，地球化学性质较稳定，主要赋存于粘土矿物中。Al2O3含量与全铁、TiO2、CaO、V、Sr、Pb含量之间为明显的正相关，而与SiO2、K20、有机碳、B、Ba含量为负相关。
（3）Be、Zr、Cr：可能与基性火山碎屑的海解作用或宇宙尘沉积有关。Cr含量与Be、Zr含量之间具有较大的正相关。
（4）MgO、Na2O、Sc：可能与基性火山碎屑沉积作用有关。MgO含量与Na2O、Sc含量之间为明显的正相关。
（5）MnO、Ni、Co、La、Yb、Y、Ga、Mo、Nb、Cu：主要受硅质生物沉积间断期的自生沉积作用或成岩作用的影响。MnO含量与Ni、Co、La、Yb、Y、Ga、Mo、Nb、Cu含量之间具有较明显的正相关。
由此可见，本区表层沉积物的地球化学特征主要由硅质碎屑沉积和粘土质陆源、火山碎屑在时空上的交替沉积所控制，宇宙源沉积、自生沉积、碱性火山碎屑沉积、热液作用等具有较小的影响。
表4 海槽—陆坡区表层沉积物化学成分含量之间的相关系数 Table4 Correlation coefficient matrix of the correlationanalysis on chemical compositions of superficial sediments from the trough-continental slope
南海地质研究.12
6 结论
通过初步研究，得出如下两点认识：
（1）岛（陆）架—岛坡区表层沉积物的地球化学特征较复杂，受到多种地球化学因素的影响，但最主要的是受沉积区离岸远近和水深大小等因素控制的钙质生物、硅质生物和陆源碎屑的沉积作用，其次为中酸性火山碎屑沉积作用与基性火山碎屑沉积作用。根据主要地球化学成分在表层沉积物中的分布模式，可将它们归为5组：SiO2、有机碳、K20、B和Ba;CaO和La;MnO和全铁；TiO2、Na2O、Yb、Y;MgO、Co、Ni、Sr、Cr。
（2）海槽—陆坡区表层沉积物的地球化学特征主要受硅质碎屑沉积和粘土质陆源、火山碎屑在时空上的交替沉积所控制，宇宙源沉积、自生沉积、碱性火山碎屑沉积、热液作用等影响较小。根据主要地球化学成分在表层沉积物中的分布模式，可将它们归为5组：SiO2、K20、有机碳、B、Ba；全铁、Al2O3、TiO2、CaO、V、Sr、Pb;Be、Zr、Cr;MgO、Na2O、Sc;MnO、Ni、Co、La、Yb、Y、Ga、Mo、Nb、Cu。
参考文献
1.王光宇、陈邦彦、张国祯、段威武、陈圣源等，1996，南极布兰斯菲尔德海区地质——“海洋四号”船南极地质地球物理科学考察成果，地质出版社，129。
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PRELIMINARY STUDY ON ELEMENT GEOCHEMICAL CORRELATION AND INFLUENCING FACTORS OF SUPERFICIAL SEDIMENTS FROM BRANSFIELD STRAIT,ANTARCTICA
Wu Nengyou Zhong Hexian Duan Weiwu
Abstract
Based upon the factor analysis and correlation analysis on the geochemical compositions of 26-site superficial sediments from the Bransfield Strait,Antarctica,the main influencing factors on the geochemical features of superficial sediments are preliminarily discussed and the geochemical actions controlling the sedimentation are revealed in the present paper.The superficial sediments from the island（continental）shelf-island slope area are of the complicated geochemical feature and were controlled by the various factors.The main geochemical actions are the calcareous microbiological,siliceous microbiological and terrigenous clastic sedimentation cotrolled by the distances from the coast and water depths.The secondary are the medium-acidic and basic volcaniclastic sedimentation.The geochemical features of superficial sediments from the trough-continental slope area were mainly controlled by the space－time alternation between the siliceous clastic sedimentation and the clayey terrigenous,col caniclastic sedimentation.The other actions such as the cosmogenous,authigemic,alkali volcani clastic sedimentation and the hydrothermalism were less important.
Keywords:element correlation,influencing factor,factor analysis,correlation analysis,superficial sediment,Antarctica