140 极地研究第 26 卷 和绕极环流的加强, 将陆源碎屑物质带到斯特舍海 [16 18] [19] 域的结果 有的研究者对德雷克海峡洋流 [20] 及其南部物质来源与威德尔环流也有阐述 [21], 并且开展了氧 氢 锶同位素研究 [22 23] 南极半岛周围海域沉积物中的火山源物质凸显, 因此,

Transcription

1 第 26 卷第 1 期 极地研究 Vol.26,No 年 3 月 CHINESEJOURNALOFPOLARRESEARCH March2014 毀 櫑 毀 毀研究论文櫑櫑櫑櫑櫑櫑櫑櫑櫑 毀 南极半岛东北部海域碎屑矿物特征与物源分析 1 刘忠诚 2 陈志华 1 金秉福 2 王昆山 ( 1 鲁东大学地理与规划学院, 山东烟台 ; 2 国家海洋局第一海洋研究所, 山东青岛 ) 提要基于南极半岛东北部海域 15 个表层碎屑沉积物样品和 1 个柱状样的碎屑矿物学分析, 对该区的沉积环境与物质来源进行了相关分析 结果显示, 该区碎屑矿物共有 31 种, 其中, 重矿物 19 种, 以石榴子石 紫苏辉石 绿帘石 普通角闪石为主 ; 轻矿物 12 种, 以石英 斜长石 火山玻璃 ( 褐色 无色 ) 为主 根据矿物组合分布特征, 研究区可以划分为 2 个碎屑物沉积区 :Ⅰ 区为辉石 磁铁矿 火山玻璃型, 主要物质来源为南设得兰群岛及南极半岛北段火山岩与火山喷发物, 冰川为其主要搬运介质和动力来源 ;Ⅱ 区为石榴子石 绿帘石 角闪石 石英型, 南奥克尼群岛物质 南极绕极环流搬运南极半岛及其附近岛屿的物质对该区沉积物均有贡献 关键词碎屑矿物物质来源南极半岛东北海域 doi: /j.jdyj 引言南极作为世界上最独特的自然科学实验室, 越来越引起人们的关注 随着对南极研究的不断拓宽和深入, 南极已成为全球气候 海洋系统的一个重要研究组分 各国对南极地区开展的地质 地球物理调查, 业已取得了许多重要的研究成果 [1], 但南极地区仍有颇多悬而未决的问题 南极半岛周围海域的碎屑沉积物蕴含有环境变化 南极绕极环流变迁与沉积物的源汇信息 [2 3] 认识现代沉积物的组成和沉积过程有助于更好地理解过去的南极冰盖动力学或底层洋流的产生模式 这不仅有助于了解古环境的变化, 而且对研究新生代长期环境变化有所启示 [4] ; 来自南极半岛 威德尔海南部及其附近岛屿的碎屑重矿物组合之间存在差别, 可能会提供有关西南极冰川历史的新见解 目前, 有关南极海域碎屑矿物的研究相对较少 已有研究表明 : 南极长城站附近海湾的重矿物源自海湾近岸区域, 尤其骏马河所搬运的物质对长城湾贡献突出 [5] ; 学者们对南极半岛西北部海域碎屑矿物分布特征 [6] [7] 麦克默多海峡柱样重矿物特征也有相关研究 ; 还有的对威德尔海及其邻近区域的碎屑物质分布特征和物源进行了探讨 [4] 黏土矿物特别是对高岭石在南极的发现引起国内外研究者广泛关注 [8],Lucchi 等 [9], Damiani 等 [10], Juntila [11] 等分别对南极诸多大陆架和陆隆黏土矿特征进行了阐述 ; 多数研究者认为, 这是内生原因 矿物的热液蚀变作用 [12 13] ; 也有人研究南极半岛长城站附近黏土矿物的分布规律及成因后, 认为其受到某些元素的地球化学行为和地貌类型等因素影响显著 [14] 有学者利用重矿物和黏土矿物综合分析了麦克默多海峡的沉积物来源 [15], 一些研究者认为斯特舍海域沉积物矿物组成特征, 是大陆冰川的扩张 [ 收稿日期 ] 2013 年 7 月 19 日收到来稿,2013 年 9 月 4 日收到修改稿 [ 基金项目 ] 南北极环境综合考察与评估专项 (CHINARE ,CHINARE ) 资助 [ 作者简介 ] 刘忠诚, 男,1987 年生 硕士生研究, 主要从事海洋地质研究 E mail: @163.com [ 联系作者 ] 金秉福,E mail: bfjin@126.com

2 140 极地研究第 26 卷 和绕极环流的加强, 将陆源碎屑物质带到斯特舍海 [16 18] [19] 域的结果 有的研究者对德雷克海峡洋流 [20] 及其南部物质来源与威德尔环流也有阐述 [21], 并且开展了氧 氢 锶同位素研究 [22 23] 南极半岛周围海域沉积物中的火山源物质凸显, 因此, 对火山碎屑物的研究扩大了对火山作用的认识及对火山景观和环境效应的理解 [24] 本文基于对南极半岛东北部海域 ( 德雷克海峡东部与威德尔海北部及斯特舍海南部 )15 个表层海洋沉积物样品以及 1 个柱样的轻 重矿物鉴定分析的结果, 初步探讨了南极半岛东北部海域表层样中碎屑矿物的组合与分布规律 结合矿物学分析结果 海流系统特征 南极半岛周围地质构造和岩性概况, 追溯蚀源区 物质迁移 沉积规律, 讨论了碎屑矿物空间分布特征及其与海流 火山岩分布和冰川活动之间的关联性 1 研究区自然地理与地质概况南极地区包括南极洲和南大洋 南极洲指 60 S 以南的南极大陆和岛屿 [25], 南大洋指从南极大陆海岸至 60 S 的环南极洋区 南极洲以横贯南极山脉为界分为东南极与西南极 [26] 西南极包括南极半岛 ( 含南设得兰群岛 ) 和伯德冰下盆地 (Byrd SubglacialBasin), 属于中 新生代褶皱带 南极半岛主要表现为中 新生代太平洋边缘岛弧, 东南极由古生代变质岩基底和中新生代岩浆岩两个构造层组成 [27] 本研究区( 图 1) 位于南极半岛东北部, 大致为 60 S 63 S,44 W 59 W 之间的区域 南极半岛是一个狭长的陆壳碎片, 其西部为太平洋洋壳, 东部为威德尔海 南极半岛与智利最南部安第斯科迪勒拉山脉之间存在许多相似的地质特征 [28] 图 1 研究区与样品站位分布图 Fig.1.Studiedareaandlocationsofsamples 南极大陆大部分地区被冰雪覆盖, 海域多有浮冰, 其地质特征复杂, 只能借助有限的海岸基岩露头 零散的角峰和分散的新生代火山与熔岩进行分析推断, 研究难度大 [29 30] 东南极绝大部分由南极高原组成, 其高程由海岸向内陆迅速增大 ; 西南极为平均海拔 850m 的褶皱带, 南极半岛为南极大陆主体向北延伸, 平均海拔 1500m [31] 海底地貌包括海底高原 隆起与海盆 [32], 水深 2000m 以上, 多为海盆, 常覆盖很厚的沉积物 [33] 南极海域的表层水 温, 冬季由南向北通常为 -1.9 至 1.0, 夏季可升到 -1 至 4.0 [34] 南极海域长年风速高, 罗斯海区多大于 15m s -1, 有时甚至超过 20m s -1, 高风速的风场是海冰移动的主要驱动力之一 [35] 南大洋环流系统一般可分为沿岸流 ( 极地东风流, 或称东风漂流 ) 和南极绕极流 ( 西风漂流,Ant arcticcircumpolarcurent(acc)) 两部分 在环绕南极大陆的近岸水域存在东风漂流, 主要环流路径是平行极地锋和亚南极锋 [21] 东风漂流的流速 流

3 第 1 期 刘忠诚等 : 南极半岛东北部海域碎屑矿物特征与物源分析 141 幅和流量均不大, 但对南极底层的水团形成却有着重要作用 南极绕极流与盛行的西风带有密切关系 [36], 海面表层东向 ACC 的流速约 0.04m s -1, 随着向南则流速迅速递增, 到南极锋北部边缘可增至 0.15m s -1, 而在南极锋带中则常出现急流, 曾观测到 m s -1 的高速流 [16,37] 南极大陆的主体是东南极地盾, 基底为早前寒武纪的变质岩系, 其上零星出露晚前寒武纪及古生代的沉积盖层 它的北面是横贯南极山脉, 为古生代褶皱带, 西南极的埃尔斯沃斯地和南极半岛则是中 新生代褶皱带 [38] 南设得兰群岛和南极半岛实际上是一条与南美洲南端火地岛相连的 弯曲的巨大岛弧 [39] 南极半岛和东部埃尔斯沃思地代表侏罗纪到晚第三纪安第斯造山带深层侵蚀的岩浆弧 [30,40 41] 南极半岛褶皱带上最老的岩石为三叠系, 主要是砂岩和页岩 ; 三叠系之上是巨厚的侏罗纪 白垩纪火山岩, 晚侏罗世钙碱性火山岩广泛分布在南极半岛的西海岸和东海岸 新生代的火山岩有明显的构造分区性, 在南极半岛的西面主要为裂隙喷发的碱性玄武岩类, 而在南极半岛东面和设得兰群岛主要为钙碱性安山岩类 [28] 这些火山岩组成玄武岩 安山岩 流纹岩套, 通常为近水平沉积 乔治王岛上的菲尔德斯半岛由玄武岩和安山岩熔岩组成, 含少量凝灰质沉积岩, 火山岩被许多岩墙和一些闪长岩大岩颈侵入 [28,42] 中生代的低钾钙碱性玄武岩和玄武安山岩在南设得兰群岛广布 其中位于菲尔德斯半岛的长城站附近 包括半岛中部和南部, 几乎全部由玄武质和玄武安山质熔岩 火山碎屑岩和火山碎屑沉积岩所组成 这套火山岩具有典型的岛弧火山岩的特征 [43] 威德尔海域前寒武纪结晶岩和古中生代沉积岩占主导地位 [17] 2 材料与方法样品来源 :2011 年 11 月至 2012 年 4 月, 在南极半岛周围海区开展了海洋生物 物理 化学 地质与地球物理等多学科, 多项目的海洋综合考察 调查范围为 55 W W,60 S S 之间, 表层沉积物的采样站位 水深及岩性特征见 ( 表 1) 本研究分析的样品主要来自中国第 28 次南极科学考察, 采集的样品有箱式样 多管样 柱状样, 主要为 15 个表层样和 1 个柱状样 表 1 样品站位 水深和岩性特征 Table1.Location,depth,lithologyofthesamples 站号经度纬度深度 /m 岩性 D W S 2712 青灰色粉砂质砂 D W S 1100 青灰色黏土质粉砂 D W S 212 灰色含砾砂质粉砂 D W S 45 青灰色黏黏土质粉砂 D W S 627 灰黑色砾 D W S 3429 青灰色黏土质粉砂 D W S 3401 青灰色黏土质砂 D W S 323 青灰色粉砂 D W S 243 灰色含砾黏土质粉砂 D W S 灰黄色黏土质粉砂 D W S 青灰色黏土质粉砂 D W S 385 含黑色岩块黏土质粉砂 D W S 青黄色含砾砂 D W S 2036 灰白色砂质粉砂 N W S 75 灰色黏土 碎屑矿物样品制备, 按照中国近海海洋综合调 [44] 查与评价专项技术规程 海洋底质调查中矿物分析方法的规范要求进行, 取湿样 500g, 用 0.25,0.125 和 0.063mm 套筛进行筛分, 经筛选冲洗后, 得到 mm 和 mm 两个待鉴定样品粒级 ; 然后进行重液分离, 重液为 CH Br 3 ( 比重范围 d 20 4 = ),3 次搅拌后静置 8h, 将轻 重矿物分离后分别冲洗 烘干 称重, 获得到重 轻矿物重量数据 重矿物在实体显微镜双目镜和偏光镜, 采用条带颗粒记数进行计数, 约 个颗粒, 用折光率为 1.70 的浸油制成油浸薄片, 置于偏光镜下检查, 最后统计颗粒数 轻矿物制成砂薄片, 在镜下鉴定并统计颗粒数 辅以扫描电镜 电子探针 能谱电镜等辅助方法进一步定名 得到原始矿物颗粒数据, 并计算得到各种矿物的颗粒百分含量 3 碎屑矿物组合与分布特征 重矿物 : 重矿物在碎屑矿物中所占的比重为 0.65% 15.33%, 平均含量为 4.5% 研究区表层沉积物中重矿物主要有石榴子石 紫苏辉石 绿帘石 普通角闪石 普通辉石 磁铁矿 赤铁矿 白云母 褐铁矿和风化碎屑, 其他比较常见的重矿物有钛铁矿 锆石 黑云母 金红石 透闪石 榍石 菱铁矿 棕

4 142 极地研究第 26 卷 闪石 十字石 黝帘石等 ( 表 2) 石榴子石 : 小粒状或碎粒状, 以浅粉色为主, 光泽较强, 未见有完整晶形颗粒 普通角闪石 : 绿色或黑绿色, 短柱状为主, 断口不平坦 有破损, 磨蚀 绿帘石 : 黄绿色, 小粒状, 多为紫苏辉石蚀变而来 黑云母 : 褐黑色, 较厚, 片状, 边缘破损 白云母 : 无色, 片状 紫苏辉石 : 浅褐色, 略带紫色调, 磨蚀 表面不干净, 以粒状为主, 短柱状次之, 断口处有粉末 磁铁矿 : 小粒状, 表面较为干净, 金属光泽 褐铁矿 : 黄褐色, 粒状, 表面不光滑, 成熟度高 赤铁矿 : 黑色, 粒状, 表面疏松 轻矿物 : 轻矿物在碎屑矿物中所占的比重为 84.67% 99.35%, 平均含量为 95.48% 研究区主要轻矿物有石英 斜长石 火山玻璃 黑色渣状物 风化碎屑 黑色火山物质等, 其他常见的轻矿物组分还有生物碎屑 绿泥石 海绿石 白云母等 ( 表 2) 石英 : 无色透明, 粒状, 玻璃光泽, 与长石伴生, 有磨蚀, 表面不干净 长石 : 基本上为斜长石 灰白色或无色透明, 粒状, 少数板柱状, 玻璃光泽 ; 通常有磨蚀和溶蚀, 表面脏, 部分为渣状粒 火山玻璃 : 含量变化大, 且分布广泛 以浅褐色为主, 其形状有碎粒状 树枝状 腐竹状 鸡骨状 锥状 条状 蜂窝状 撕裂状等, 棱角明显, 有的气孔发育 颗粒表面的玻璃突起或褶皱已经磨蚀或溶蚀, 表面沾染粉末 绿泥石 : 绿色 浅绿色, 粒状, 多为斜长石风化 生物碎屑 : 生物溶蚀产物, 多见硅质生物, 渣状 3.1 碎屑矿物组分特征重矿物主要包含石榴子石 紫苏辉石 绿帘石 普通角闪石, 它们平均含量分别为 26.5% 21.9% 13.1% 12%( 表 2) 重要矿物有普通辉石 磁铁矿 赤铁矿等, 个别站位 (D2 4) 白云母含量突出 (60%) 该区域的矿物组成种类少, 主要矿物含量突出 轻矿物主要有石英 斜长石 火山玻璃, 含量分别为 62.6% 14.9% 14.8%, 此外, 有微量的风化碎屑 研究区的矿物组成大致包含两种物源, 火山源与陆源, 其特征如下 站号 普通角闪石 表 2 南极半岛东北部海域矿物数据统计表 ( 百分含量 %, 表示未见 ) Table2.Mineral sstatisticsofthestudiedarea(%, indicateszero) 绿帘石石榴子石 普通辉石 重矿物 紫苏辉石 磁铁矿 赤铁矿 重矿物含量 石英 斜长石 轻矿物 无色火山玻璃 褐色火山玻璃 轻矿物含量 D D D D D D D D D D D D D D N 最小值 最大值 平均值

5 第 1 期 刘忠诚等 : 南极半岛东北部海域碎屑矿物特征与物源分析 火山源碎屑矿物本研究区普通辉石 紫苏辉石 角闪石 石榴子石 火山玻璃等火山源组分含量高 火山玻璃有褐色和无色两种, 它们棱角明显, 形状有片状, 鸡骨状 腐竹状 弧面多角状等 本区以褐色玄武质玻屑居多, 无色英安质玻屑含量较少 长石类矿物只见到斜长石 重矿物石榴子石 紫苏辉石 磁铁矿占优势, 三者总和大于 50% 火山矿物主要分布在南设得兰群岛周围海域 陆源碎屑矿物陆源矿物主要有石榴子石 绿帘石 普通角闪石 透闪石 白云母等, 矿物多数晶形保存不完整, 多有磨蚀 风化现象 ; 也有部分矿物经过长距离搬运, 呈次棱角状 次圆状 石榴子石未见完整晶型 研究区陆源碎屑矿物分布广泛, 在南极半岛以东有一定程度富集, 斯科舍海域相对于南极半岛沿岸陆源组分含量增加 3.2 矿物分布特征按照样站分布空间属性, 结合采样水深资料, 将样品划分为 3 个系列, 分别为 (1) 南奥克尼群岛南部系列 (D5 2 D5 3 D5 4 D5 5 D5 6 D5 7 D5 9 1);(2) 深水站位系列 (D1 3 D3 7 D4 9 D5 9 1); (3) 柱样 D5 9 系列 (D5 9 1 D5 9 3 D5 9 5 D5 9 7 D5 9 9 D5 9 11) 南奥克尼群岛南部系列采样站位分布由 D5 2 至 D5 9 水深逐渐加深 ( m), 该系列样品重 轻矿物分布如下 : 重组分中普通角闪石含量呈现增长趋势 ( 图 2), 除去 D5 7 为突变点相对含量低 绿帘石含量在陆坡上大幅度的降低, 而海盆中其处于中等水平 D5 2 到 D5 3 站位石榴子石含量 (7% 34.3%) 剧增, 随后各站位稳步增加, 至 D5 7 含量最高 (65%) 普通辉石含量则表现为随水深增加而减少的序列 紫苏辉石含量呈波动状态 磁铁矿含量同样在 D5 7 含量最高 (15%) 赤铁矿则表现出随水深增加含量逐渐减少的现象 其中绿帘石和磁铁矿分布状况有较强的正相关性 (0.75) 轻组分中石英含量为明显的增加序列 (44.3% 88.3%), 呈现出了倍增的特征 ; 斜长石与石英则具有负相关性, 由 45.3%(D5 2) 减少至 7.3%(D5 9); 无色火山玻璃在前 3 个站位出现, 随着水深的增加, 其他站位均未出现, 各站位均含有褐 图 2 南奥克尼群岛南部矿物分布 Fig.2.Mineral sdistributionofthesouthernofsouthorkney Islands 色火山玻璃, 而且隐约呈降低的趋势 南奥克尼群岛南部的系列站位随水深的增加, 样品中黏土的成分比重加大, 沉积环境趋于平静 石英 / 长石 角闪石 / 绿帘石 ( 表 3) 两者皆与水深呈正相关, 随水深的加大, 数值稳步增加, 而不稳定矿物 / 稳定矿物比值 (UM/SM) 则可以作为区分物源和沉积环境的指标之一 [45], 可代表源区物质风化程度, 对于物源相同的沉积物, 会随搬运距离的增大,UM/SM 的值会减小 [46] ) 则呈现波动起伏状态 深水站位系列矿物组合分布特征 D1 3 位于德雷克海峡, 其他三个站位则分布在斯科舍海盆 总体上, 出现的矿物种类极其相近, 但是各种矿物的含量在两个区的差异较大 ( 图 3) D1 3 重矿物紫苏辉石占据绝对主要地位 (79.4%), 轻矿物石英含量 (46.8%) 偏低, 火山玻璃和火山渣含量高 (20% 左右 ), 显然样站区域沉积物与火山活动或者火山岩有关联 斯科舍海区重矿物中石榴子石含量明显较高,50% 左右, 普通辉石含量高 (16% 图 3 深水系列站位矿物分布 Fig.3.Mineral sdistributionofdeepwaterseriesstations

6 144 极地研究第 26 卷 24%); 轻矿物石英含量突出,90% 左右 另外, 含有少量的斜长石, 火山玻璃偶现, 未见火山渣 ; 该区域石榴子石可能来源于变质岩区 该样品系列, 石英 / 长石 UM/SM 值均在 D1 3 样站出现最小值, 而在其他 3 个站位少有起伏, 采集的样品岩性特征同样与站位分布密切相关,D1 3 靠近岛屿, 砂质缺失, 采集到砾石样, 而海盆中的样品为黏土质粉砂 柱样 D5 9 系列 D5 9 岩芯岩性特征分层描述如下 : (1)D5 9 1 样品所属层位 0 14cm, 灰褐色黏土质粉砂 (2)D5 9 3 样品所属层位 48 68cm, 深灰黄色粉砂质黏土, 颜色和成分不均一 (3)D5 9 5 样品所属层位 74 94cm, 灰黄色含有孔虫黏土, 颜色和成分不均一 (4)D5 9 7 样品所属层位 cm, 灰黄色含砂砾黏土, 以黏土和粉砂为主, 含较多的砾石和砂 (5)D5 9 9 样品所属层位 cm, 灰黄色粉砂质黏土, 颜色较均一 (6)D 样品所属层位 cm, 灰黄褐色含砾石黏土 各个层位的物质颜色基本以灰色 黄色为主 沉积物的组成特征表现为, 自 D5 9 1 至 D5 9 7 层位随柱样深度的增加, 粉砂组分含量减少, 与此同时黏土含量增加, 而且粗砂与砾石级含量呈现上升趋势, 到 D5 9 7 层位已可见较多砾石, 自 D5 9 7 层位以下砾石含量降低 石英 / 长石 表 3 3 个站位系列中的矿物指数 Table3.Mineral sindexofthethreesampleseries 深水系列 南奥克尼群岛南部系列 D3 7D4 9D5 9 1D1 3 D5 2D5 3D5 4D5 5D5 6D5 7D 角闪石 / 绿帘石 UM/SM 石英 / 长石 角闪石 / 绿帘石 柱样系列 D5 9 1 D5 9 3 D5 9 5 D5 9 7 D5 9 9 D UM/SM 主要重矿物 ( 图 4) 有 : 石榴子石 (34.8%) 普 通角闪石 (24.5%) 紫苏辉石 (18.5%), 含量较高矿物有绿帘石 (8.1%) 和磁铁矿 (7.3%); 轻矿物 ( 图 5): 石英 (78.3%) 斜长石 (9.7%), 有少量褐色火山玻璃 (3.9%) 图 4 柱样重矿物分布特征 Fig.4.Distributionofheavymineralsincoresample 图 5 柱样轻矿物分布特征 Fig.5.Distributionoflightmineralsincoresample 普通角闪石含量基本稳定 ( 约 20%), 绿帘石在中间层位 D5 9 7 含量最低 2.5%, 两侧都表现出一定程度增加 ; 石榴子石呈现出与绿帘石负相关的特征, 同样以 D5 9 7 层位为对称中心, 该层含量最低 (17.1%), 该层位两侧分别向上 向下其含量增加 ; 紫苏辉石 D5 9 7 层位含量最高 (40.2%), 两侧含量近似对称降低 ; 磁铁矿含量较低 (7.3%), 但其各层位分布特征和紫苏辉石分布特征正相关 D5 9 7 层位石英含量最低 (66%) 两侧分别向上与向下对称增加 ; 斜长石表层含量低, 自次表层 (D5 9 3) 以下有微弱的减少趋势 ; 褐色火山玻璃于 D5 9 7 层含量突出 (15.7%) 而两侧急剧降低, 无色火山玻璃鲜有出现 石英 / 长石比值波动分布, 离散程度较小 ;UM/ SM 在 D5 9 7 出现极小值, 可能是有新物源加入, 影

7 第 1 期 刘忠诚等 : 南极半岛东北部海域碎屑矿物特征与物源分析 145 响了该层的矿物组成特征 ; 角闪石 / 绿帘石比值则在该层位出现极大值, 同样表征突变层位 柱样的矿物组成和微体古生物数据可以推测深水的温度, 每年海冰覆盖程度和环流强度等环境条件 [7,16] 因此, 研究区柱样的矿物特征, 可能反映 ACC 古环境以及当前沉积的环境 虽然难以量化古环境的实际情况, 它们的影响通常可以估测 [47] 因为 D5 9 7 层位紫苏辉石 褐色火山玻璃 磁铁矿等一系列矿物在这一时间段明显同时增加, 更重要的是, 在其两侧出现近似镜面对称状的分布 可以合理的推测在该层位所处的地质时期前后有火山活动, 或者出现冰川扩张现象, 当然也有可能绕极环流的轴线发生偏转, 携带大量火山岩矿物, 并持续较长时间, 从而垂向出现此矿物分布特征 3.3 矿物组合类型与分区根据南极半岛东北海域各个样点碎屑矿物组合 分布特征, 特别是几种主要矿物组分的空间分布状况, 参考样品分布区域的地质地貌特征与洋流系统, 大致将研究区划分为两大矿物组合区 ( 图 6):Ⅰ 区辉石 磁铁矿 火山玻璃型, 分布在南极半岛北部巴斯菲尔德海峡与德雷克海峡东部 ;Ⅱ 区石榴子石 绿帘石 角闪石 石英型, 分布在威德尔海北部与斯特舍海南部 Ⅰ 区, 辉石占优势, 普通辉石和紫苏辉石约占重矿物总量的 70.8%, 其次为磁铁矿 赤铁矿 石榴子石 普通角闪石等 轻矿物以褐色火山玻璃含量高为特征, 平均含量为 30.8%, 个别站位含量显著 (D1 7 站位达 83%), 斜长石含量较高, 部分站位斜长石含量大于石英, 其石英 / 长石之比为 2.75, 这种矿物组合拟合于基性火山岩型 Ⅱ 区, 石榴子石含量十分显著 (42.1%), 然后为绿帘石 (19.4%) 角闪石 (16.4%), 再其次有辉石 赤铁矿 磁铁矿等 轻矿物石英占主要地位 (77.3%), 另外有一定量的长石 褐色火山玻屑 石英 / 长石之比为 4.56 这种矿物组合类型, 其源可能为变质岩, 还反映可能有中酸性岩石的矿物组分加入 图 6 南极半岛东北海域矿物分区示意图 (Ⅰ 区为辉石 磁铁矿 火山玻璃型 ;Ⅱ 区为石榴子石 绿帘石 角闪石 石英型 ) Fig.6.MineralprovincesintheseaofnortheasternofAntarcticPeninsula(ProvinceI,Augite Magnetite Volcanicglastype;Province Ⅱ,Garnet Epidote Hornblende Quartztype) 4 讨论 4.1 物质来源从源与汇角度分析, 碎屑矿物组合分区与物源区的关系极为密切 上述两个矿物组合区的矿物特征, 指示了南极半岛和附近岛屿是该矿物组合区主要控制源 Ⅰ 区, 火山碎屑矿物 ( 辉石 火山玻璃等 ) 来自火山岩和火山喷发物, 它们的高值沉积区, 位于南设得兰群岛周围及其东部海域 已知南设得兰群岛是由侏罗 白垩纪的中生代火山岩组成, 主要为低钾钙碱性玄武岩和玄武安山岩 [39] 这些火山岩的风化碎屑物质通过冰川 浮冰 海流搬运入海和岛屿上火山灰的沉降或海底火山喷发提供了大量火山物质, 从而形成了辉石 磁铁矿 火山玻璃矿物组合类型

8 146 极地研究第 26 卷 这种矿物组合类型特征反映出, 南设得兰群岛以及南极半岛北端的火山岩剥蚀与火山活动是形成该矿物区的主要控制因素 该区海底沉积物测年与南极大陆的年龄相当 [22], 这又进一步证明这些沉积物来自南极大陆, 本文矿物学研究结果与这种认识相符 辉石是南设得兰火山岩矿物组合区中最突出的重矿物 [48 49], 布兰斯菲尔德海峡及附近地区的表层沉积物的矿物数据显示, 辉石类矿物含量在 60% 以上且与高比例的火山玻璃和磁铁矿等金属矿物相关, 进一步强调了南设得兰群岛为本区源之一 以中酸性火山岩岩石为主的南极半岛, 应是该矿物区的物源区 ; 以变质岩为主的象岛和克劳伦斯 [6] 岛是变质矿物的源 中酸性火山岩碎屑矿物与南极半岛关联度高, 半岛西部以玄武岩为主, 至东部变为以流纹岩为主 [6] 研究数据显示白云母等矿物, 只在象岛与克劳伦斯岛之间个别站位 D2 4 出现极大值 (60%), 显然与象岛的片岩等变质岩密切相关 Ⅱ 区, 角闪石和绿帘石含量与南设得兰群岛周围样站相比较, 高出一定水平, 而且一些矿物含量呈现出自南奥克尼群岛向深海方向降低的趋势, 表征有近源性 本区矿物组合石榴子石含量最高, 绿帘石和角闪石含量较高, 反映本区的源区以变质岩为主 南奥克尼变质矿物组合中石榴子石含量高 (57%), 绿帘石组具有较高平均浓度 (23%) 此外, 绿帘石组中, 主要由斜黝帘石组成 [4] 低级和中等变质岩在南奥克尼群岛上广泛分布 [50], 这些资料显示南奥克尼群岛可能是 Ⅱ 区的主要物源区 由于南极半岛西部无明显石榴子石来源 ( 表 4), 表示沉积物可能来源于南极半岛东部与威德尔海南部湾畔 相对高含量的绿帘反映可能存在低的变质岩沉积物由南极半岛供给 ; 以上的各类矿物在南极半岛南部拉西特海岸 (LasiterCoast) 海岸的混杂堆积碎屑物中均有发现 [51] 这些物质要到达 Ⅱ 区, 威德尔环流的作用应该引起重视 表 4 南极矿物研究结果比较 ( 百分含量 %, 表示未见 ) Table4.ComparisonofAntarcticmineralresearch(%, indicateszero) 磷灰石 锆石 石榴子石 绿帘石 角闪石 辉石 不透明矿物 火山玻璃 南极半岛东北部海域 南极半岛西部海域 [6] [5] 长城湾 [7] 麦克默多海峡 搬运介质及其动力条件 冰川作用南极半岛附近海湾以及陆架区, 即 Ⅰ 区, 沉积物属于残积冰碛物类型, 粒度较粗, 为含砾细砂质粗砂 分选差的含砾砂质粉砂 碎屑物质多数来自南极半岛和邻近的岛屿, 它们组成特征主要受冰川作用影响, 可能以冰筏漂流的方式搬运, 在极少数情况下出现的深层流汇集, 也会使细的碎屑物质沉积 [48] 由于研究区冰盖接近大陆架边缘, 丰富的陆源物质被带到陆缘, 布兰斯菲尔德海峡等相对远离大陆或岛屿的深水海区, 沉积物粒度变细以黏土质粉砂为主, 属混合副冰碛物 其沉积物组成特征同时受到南极半岛和南设得兰群岛两个物源区的影响, 在两个物源的交汇处往往形成混合型的矿物组合区 Ⅱ 区, 南斯科舍海区, 出现较粗粒级碎屑且具有多个来源, 包括深成岩和火山岩, 海盆中粗组分应由冰筏提供 这也表明了南极半岛, 南美南部和安 [52] 第斯火山 深成岩复合物的南奥克尼群岛等岛屿可为其源区 冰川的扩张为其主要动力和搬运介质 粒度特征和矿物区的分布, 有力地反映了冰筏碎屑的积累与威德尔环流过程中的主要冰山漂移轨迹相一致 [4] [53 54] 已有研究结果表明, 冰筏是外海砂石运输最重要的机制, 而高比例的淤泥和黏土细粒沉积物, 主要由永久性或暂时性的底部环流搬运 [55] 从沉积物样本中获得的大块玄武岩 片麻岩碎屑, 展示出冰川磨损的迹象, 表明可能由冰筏携带砾石达到相应位置, 而泥质成分则可能由环流搬运 海流系统 本区矿物组合类型明显受海流的影响, 主要受自西向东流的 ACC 的作用, 许多研究已经指出 ACC 沿大陆坡流动 [21,56 58], 使南极半岛与南设得兰群岛的冰筏沉积物向东扩散 顺时针方向通过斯科舍南部的威德尔环流对此也有影响, 它使南极半岛西南部碎屑物向东北方向扩算,ACC 最深的水团是在北

9 第 1 期 刘忠诚等 : 南极半岛东北部海域碎屑矿物特征与物源分析 147 部而威德尔海深水区在南部 [59] 总之, 本区的环流模式对沉积物扩散分配有明显的控制作用 现代 ACC 主要或全部是风驱动的, 可延伸到海床 其路径认为受到地形影响 [3], 无论是再悬浮过程还是随后的沉积过程, 深环流有分选细沉积物的效果 [60], 因而, 南奥克尼群岛附近站位矿物分布特征随水深的增加表现出非常拟合的相关性 靠近岛弧的海盆区域环流较弱 ( 平均 6.8 8cm s -1 ) [61], 又没有底栖风暴, 现场只出现有良好的淤泥和黏土沉积 [2] 地形通过影响环流的路径与强度从而作用于沉积物 在德雷克海峡北部的沉积物显示, 有非常强的底部环流到达大陆坡脚下, 因为没有证据证明是第三纪坡进积 [18], 强烈的底部环流对物质分配作用显著 斯科舍海地大部分为孤立的, 这意味着大部分沉积物的供给得追溯到绕极环流中 有学者强调 [62], 威德尔海盆沉积物主要由洋流作用供给 在东南极只有极少数的携砂冰山能够向威德尔海中央运动, 冰筏碎屑物的记录极少, 海上携砂冰山的出现比较罕见 [63], 在南极洲周围的其他边缘海也观测到类似结果 [64 65] 既然研究区携砂冰山对海 盆内沉积物贡献微弱, 那么沉积物主要由洋流搬运而来是比较合理的解释 5 结论 (1) 研究区主要重组分有石榴子石 紫苏辉石 绿帘石 普通角闪石 普通辉石 磁铁矿 赤铁矿 白云母 褐铁矿和风化碎屑等 ; 轻组分包括石英 斜长石 褐色火山玻璃 无色火山玻璃 风化碎屑 黑色火山物质等 (2) 依据表层碎屑矿物组合与分布特征, 将该研究区域可划分为两个矿物区 : 辉石 磁铁矿 火山玻璃矿物区 ; 石榴子石 绿帘石 角闪石 石英矿物区 (3) 南极半岛东北海域的碎屑物质的分布特征是物源 ACC 威德尔环流以及冰川活动等多重因素综合作用产物,Ⅰ 区主要源区为南极半岛及南设得兰群岛火山岩区 ;Ⅱ 区除南奥克尼群岛等岛屿的贡献外,ACC 携带物质的补给作用显著 致谢本研究使用的中国第 28 次南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 参考文献 1 杨永, 邓希光, 任江波. 南极大陆及其周缘海域重 磁异常特征及区域构造分析. 地球物理学进展,2013,28(2): PudseyCJ.LatequaternarychangesinantarcticbotomwatervelocityinferedfromsedimentgrainsizeinthenorthernWeddelSea.MarineGeolo gy,1992,107(1 2): LazarusD,CauletJP.CenozoicSouthernOceanreconstructionsfromsedimentologic,radiolarianandothermicrofosildata//KennetJP,Warnke DA.TheAntarcticpaleoenvironment:Aperspectiveonglobalchange.PartⅡ.AGUAntarcticResearchSeries,1993,60: DiekmannB,KuhnG.Provenanceanddispersalofglacial marinesurfacesedimentsintheweddelseaandadjoiningareas,antarctica:ice rafting versuscurenttransport.marinegeology,1999,158(1 4): 赵奎寰. 南极长城站海湾的重矿物组成. 黄渤海海洋,1987,5(2): 马克俭, 王先兰, 李志珍, 等. 南极半岛西北部海域表层沉积物碎屑矿物研究. 南极研究,1990,2(3): EhrmannW,PolozekK.TheheavymineralrecordinthePliocenetoQuaternarysedimentsoftheGIROS 2drilcore,McMurdoSound,Antarctica. SedimentaryGeology,1999,128(3 4): EhrmannW U,MackensenA.SedimentologicalevidencefortheformationofanEastAntarcticicesheetinEocene/Oligocenetime.Palaeogeogra phy,palaeoclimatology,palaeoecology,1992,93(1 2): LucchiRG,RebescoM,CamerlenghiA,etal.Mid latepleistoceneglacimarinesedimentaryprocesesofahigh latitudedeep seasedimentdrift AntarcticPeninsulaPacificmargin.MarineGeology,2002,189(3 4): DamianiD,GiorgetiG,MemmiIT.ClaymineralfluctuationsandsurfacetexturalanalysisofquartzgrainsinPliocene Quaternarymarinesediments fromwilkeslandcontinentalrise(eastantarctica):paleoenvironmentalsignificance.marinegeology,2006,226(3 4): JuntilaJ,RuikkaM,StrandK.Claymineralasemblagesinhigh resolutionplio PleistoceneintervalatODPSite ,PrydzBay,Antarcti ca.globalandplanetarychange,2005,45: 赵俊琳. 南极长城站地区现代环境地球化学特征与自然环境演变. 北京 : 科学出版社,1991: 谢又予. 南极中国长城站地区 ( 乔治王岛费尔德斯半岛 ) 地貌特征与环境演化. 科学通报,1987,(15): 李锋, 李天杰. 南极长城站地区黏土矿物的空间分布规律与成因探讨. 极地研究,1997,9(4):

10 148 极地研究第 26 卷 15 GiorgetiG,TalaricoF,SandroniS,etal.ProvenanceofPleistocenesedimentsintheandriland 1Bdrilcore:Clayandheavymineraldata.Global andplanetarychange,2009,69(3): PudseyCJ,HoweJA.QuaternaryhistoryoftheAntarcticCircumpolarCurent:evidencefromtheScotiaSea.MarineGeology,1998,148(1 2): DiekmannB,KuhnG,RacholdV,etal.TerigenoussedimentsupplyintheScotiaSea(SouthernOcean):responsetoLateQuaternaryicedynam icsinpatagoniaandontheantarcticpeninsula.palaeogeography,palaeoclimatology,palaeoecology,2000,162(3 4): BarkerPF,BurelJ.TheinfluenceonSouthernOceancirculation,sedimentationandclimateoftheopeningofDrakePasage//CraddockC.Ant arcticgeoscience.madison:universityofwisconsinpres,1982: ZhangB,KlinckJM.TheefectofAntarcticCircumpolarCurenttransportonthefrontalvariabilityinDralcePasage.DynamicsofAtmospheres andoceans,2008,45(3 4): FrantsM,GileST,HataM,etal.Analysisofhorizontalandverticalprocesescontributingtonaturalironsupplyinthemixedlayerinsouthern DrakePasage.Deep SeaResearchPartⅡ:TopicalStudiesinOceanography,2013,90: OrsiAH,WhitworthⅢ T.HydrographicatlasoftheWorldOceanCirculationExperiment(WOCE)//SparowM,ChapmanP,GouldJ.Vol.1, SouthernOcean.Southampton,UK:InternationalWOCEProjectOfice, 徐步台, 高水土. 南极半岛西部海域沉积黏土的氢 氧同位素组成及其物质来源探讨. 地质学报,1988,(1): 徐步台, 乔广生. 南极半岛西部海域沉积物的锶同位素组成特征. 矿物岩石地球化学通报,1989,(3): ManvileV,NémethK,KanoK.Sourcetosink:Areviewofthreedecadesofprogresintheunderstandingofvolcaniclasticprocesesdeposits,and hazards.sedimentarygeology,2009,220(3 4): DrewryDJ.Isostaticaly adjustedbedrocksurfaceofantarctica//drewrydj.antarctica:glaciologicalandgeophysicalfolio.london:scotpo larresearchinstitute,universityofcambridge, 陈廷愚, 沈炎彬, 赵越, 等. 南极洲地质发展与冈瓦纳古陆演化. 北京 : 商务印书馆, 刘小汉, 郑祥身, 鄂莫岚. 南极洲大地构造区划和冈瓦纳运动. 南极研究 ( 中文版 ),1991,3(2): WeaverSD, 金庆民, 译. 南设得兰群岛和南极半岛中生代 新生代火山作用 地球化学特征和板块构造意义. 国外火山地质,1988, (4): HandlerM R,WysoczanskiRJ,GambleJA.ProterozoiclithosphereinMarieByrdLand,westAntarctica:Re Ossystematicofspinelperidotite xenoliths.chemicalgeology,2003,196(1 4): HilenbrandCD,GrobeH,DiekmannB,etal.DistributionofclaymineralsandproxiesforproductivityinsurfacesedimentsoftheBelingshausen andamundsenseas(westantarctica)relationtomodernenvironmentalconditions.marinegeology,2003,193(3 4): KingJC,TurnerJ, 著, 张占海等, 译. 南极天气和气候. 北京 : 海洋出版社,2007: GordonAL,MolineliE,BakerT.Large scalerelativedynamictopographyofthesouthernocean.journalofgeophysicalresearch,1978,83 (C6): 孙松, 刘永芹. 南极磷虾与南大洋生态系统. 自然杂志,2009,31(2): PaulyT,NianS,HigginbotomL,etal.DistributionandabundanceofAntarctickril(Euphausiasuperba)ofEastAntarctica(80 E 150 E) duringtheaustralsummerof Deep SeaResearchⅡ,2000,47(12 13): ArigoKR,WorthenD,SchnelA,etal.PrimaryproductioninSouthernOceanwaters.JournalofGeophysicalResearch,1998,103(C8): MurphyEJ,WatkinsJL,ReidK,etal.InterannualvariabilityoftheSouthGeorgiamarineecosystem:biologicalandphysicalsourcesofvariation intheabundanceofkril.fisheriesoceanography,1998,7(3 4): 樊伟, 伍玉梅, 陈雪忠, 等. 南极磷虾的时空分布及遥感环境监测研究进展. 海洋渔业,2010,32(1): 郑剑东. 南极洲地质构造概况及南设得兰群岛简介. 地质评论,1985,31(5): 朱诚. 论南极乔治王岛地理环境的战略意义. 安徽师范大学报,1990,(3): EliotDH.TheplanarcrestofGrahamLand,northernAntarcticPeninsula:posibleoriginsandtimingofuplift//BarkerPF,CooperAK.Geolo gyandseismicstratigraphyoftheantarcticmargin,part2.antarct.res.ser.71.washington,dc:americangeophysicalunion,1997: RowleyPD,KeloggKS,VennumW R,etal.TectonicsetingoftheEnglishCoast,easternElsworthLand,Antarctica//ThomsonMRA,Cra meja,thomsonjw.geologicalevolutionofantarctica.cambridge:cambridgeuniversitypres,1991: StoreyBC,DalzielIW D,GaretSW,etal.WestAntarcticainGondwanaland:Crustalblocks,reconstructionandbreakupproceses.Tectono physics,1988,155(1 4): 李兆乃, 刘小汉. 南极乔治王岛菲尔德斯半岛长城站地区火山岩系的地质特征. 地质评论,1987,33(5): 国家海洋局 908 专项办公室. 海洋化学调查技术规程 我国近海海洋综合调查与评价专项技术规程 ( 第七册 ). 北京 : 海洋出版社,

11 第 1 期 刘忠诚等 : 南极半岛东北部海域碎屑矿物特征与物源分析 高建华, 李军, 汪亚军, 等. 鸭绿江河口及近岸海域沉积物中重矿物组成 分布及其沉积动力学意义. 海洋学报,2009,31(3): 吕亚男. 山东日照近岸沉积物的重矿物分布与来源. 山东海洋学院学报,1982,12(3): CarlosM,RobertCB,BreakO,etal.AfirstdescriptionoftheAntarcticPeninsulaCoastalCurent.Deep SeaResearch I,2008,55(3 4): EdwardsDS,GoodelHG.ThedetritalmineralogyofoceanfloorsurfacesedimentsadjacenttotheAntarcticPeninsula,Antarctica.MarineGeolo gy,1969,7(3): TrolG,MathiesD,HofsteterA,etal.Recentandsubrecentsedimentsofthenorth westernweddelseaandthebransfieldstrait,antarctica. Polarforschung,1992,62(2 3): BarkerPF,DalzielIW D,StoreyBC.TectonicdevelopmentoftheScotiaarcregion//TingeyRJ.TheGeologyofAntarctica.Oxford:Claren don,1991: CrawfordK,KuhnG,HambreyM.ChangesinthecharacterofglaciomarinesedimentationinthesouthwesternWeddelSea,Antarctica:evidence fromthecoreps AnnalsofGlaciology,1996,2: HofmannEE,KlinckJM,LocarniniRA,etal.KriltransportintheScotiaSeaandenvirons.AntarcticScience,1998,10(4): AndersonJB,KennedyDS,SmithM J.SedimentaryfaciesasociatedwithAntarctica sfloatingicemases.andersonjb,ashleygm.glacial MarineSedimentation,PalaeoclimaticSignificance(Geol.Soc.Am.Spec.Pap.261).Boulder:TheGeologicalSocietyofAmerica,1991: Elverh ia.evidenceforalatewisconsinglaciationoftheweddelsea.nature,1981,293(5834): ,. 55 KuhnG,DiekmannB,HilenbrandCD,etal.MarineGeologie//JokatW,OerterH.DieExpeditionANTARKTIS XIVmitFS Po larstern 1997 BerichtvomFahrtabschnitAIV XIV/3.Ber.Polarforsch,1998,267: NowlinW DJr,KlinckJM.ThephysicsoftheAntarcticCircumpolarCurent.ReviewsofGeophysics,1986,24(3): HofmannEE,KlinckJM,DalyKL,etal.USsouthernoceanglobalecosystemsdynamicsprogram.Oceanography.TheOceanographySociety, 2002,15(2): GordonAL.OceanographyofAntarcticwaters.AntarcticResearchSeries,1971,15: LocarniniRA,Whitworth IT,NowlinJrW D.TheimportanceoftheScotiaSeaontheoutflowofWeddelSeaDeepWater.JournalofMarineRe search,1993,51(1):135 l McCaveLN,ManighetiB,RobiasonSG.Sortablesiltandfinesedimentsize/compositionslicing:parametersforpaleocurentspeedandpalaeo ceanography.paleoceanography,1995,10(3): BarberM,CraneD.Curentflowinthenorth westweddelsea.antarcticscience,1995,7(1): SwithinbankC,McClainP,LitleP.DrifttracksofAntarcticicebergs.PolarRecord,1980,18(116): TcherniaP,JeanninPF.ObservationsontheAntarcticEastWindDriftusingtabularicebergstrackedbysateliteNimbusF( ).Deep SeaResearchPartA.OceanographicResearchPapers,1980,27(6): WarnkeDA.Glacialerosion,icerafting,andglacial marinesediments:antarcticaandthesouthernocean.americanjournalofscience,1970, 269(3): AndersonJB,DomackEW,KurtzDD.Observationofsediment ladenicebergsinantarcticwaters:implicationstoglacialerosionandtransport. JournalofGlaciology,1980,25: CHARACTERISTICSANDPROVENANCEOFCLASTICMINERALS INSURFACESEDIMENTSINTHEWATERSNORTHEAST OFTHEANTARCTICPENINSULA LiuZhongcheng 1,ChenZhihua 2,JinBingfu 1,WangKunshan 2 ( 1 ColegeofGeographyandPlanning,LudongUniversity,Yantai264025,China; 2 TheFirstInstituteofOceanography,SOA,Qingdao266061,China) Abstract ThedepositionalenvironmentandsedimentaryprovenancewerestudiedintheseatothenortheastoftheAnt

12 150 极地研究第 26 卷 arcticpeninsulabasedonmineralogicalanalysisof15surfacesedimentsamplesandacoresample.thirty onetypes ofmineralswererecognizedinthisstudy,including19speciesofheavymineraland12speciesoflightmineral. Garnet,hypersthene,amphiboleandepidotearethedominantheavyminerals,andquartz,plagioclaseandvolcan icglas(brownandwhite)arethemainlightmineralspecies.from thedistributionofthemineralasemblages, twomineralprovincescanbeidentified.provinceiisofthepyroxene magnetite volcanicglastypeandprovinceⅡ isofthegarnet epidote amphibole quartztype.thevolcanicrocksandvolcaniceruptionsofthesouthshetland IslandsandthenorthernpartoftheAntarcticPeninsula,whichhavebeentransportedbyglacialproces,arethe mainsourceofprovincei.detritalmaterialsfromthelocalareaofthesouthorkneyislandsandtheantarcticpen insulaandadjacentislandscariedbytheantarcticcircumpolarcurentarethemainsourceforprovinceⅡ. Keywords detritalminerals,provenance,watersnortheastoftheantarcticpeninsula