王麗艷 李廣雪

研究論文

南極普里茲灣沉積物中生物硅對(duì)粒度測(cè)量結(jié)果的影響

王麗艷 李廣雪

(中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院, 海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266100)

為了探討生物硅對(duì)沉積物粒度測(cè)量結(jié)果的影響, 本文采用兩種不同前處理方法對(duì)普里茲灣重力柱狀樣品進(jìn)行了粒度測(cè)試。結(jié)果表明, 生物硅對(duì)沉積物的平均粒徑以及黏土、粉砂、砂組分的影響較小, 而對(duì)沉積物的分選、偏態(tài)、峰態(tài)以及粒度頻率分布的影響較顯著。結(jié)合兩組粒度組分相關(guān)性分析以及各粒級(jí)含量累積減小值, 認(rèn)為生物硅對(duì)沉積物中砂、粉砂、黏土級(jí)組分含量的影響逐漸減小, 這也造成未去除生物硅的沉積物粒度測(cè)量結(jié)果偏粗。另外, 通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)普里茲灣沉積物中生物硅粒徑主要分布在<3Φ、5.25Φ—7.25Φ、8.75Φ—9.75Φ的粒徑范圍。極地研究中, 沉積物粒度結(jié)果為重建古環(huán)境變化提供重要參考, 本文研究認(rèn)為在普里茲灣海域沉積物粒度研究中去除生物硅對(duì)研究結(jié)果有積極作用。

粒度 生物硅 前處理過(guò)程 普里茲灣

0 引言

沉積物粒度受源區(qū)性質(zhì)、搬運(yùn)方式以及沉積過(guò)程的影響, 其分布特征可以反映沉積物顆粒搬運(yùn)途徑、沉積過(guò)程的動(dòng)力學(xué)信息[1-8], 并且該資料已被廣泛應(yīng)用于沉積相的識(shí)別、季風(fēng)演化、冰架演化等古氣候環(huán)境的重建研究[9-18]。粒度分析的對(duì)象包括全巖顆粒和純石英顆粒[19-22], 為獲取沉積物中有效的陸源物質(zhì)信息, 樣品測(cè)試之前需要經(jīng)過(guò)前處理去除雜質(zhì)成分。前人通過(guò)對(duì)比不同前處理過(guò)程獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 探討了沉積物中有機(jī)碳、碳酸鹽以及生物硅對(duì)粒度測(cè)試結(jié)果的影響[23-28]。但以往的研究主要集中在陸架海、河口、陸地、湖泊等區(qū)域, 其結(jié)果僅適用于研究區(qū)域的沉積物特征, 不具有普適性。繁雜的前處理過(guò)程不僅增加了工作量, 而且減緩了工作進(jìn)度, 因此在粒度前處理過(guò)程中需要考慮到自身研究海域的特殊性, 在前人研究的基礎(chǔ)上選擇合適的預(yù)處理方案。南半球高緯海區(qū)硅質(zhì)生物的貢獻(xiàn)約占海洋初級(jí)生產(chǎn)力的40%[29-30], 水體中硅質(zhì)生物死亡后沉積至海底, 最終在沉積物中以生物硅的形式保存下來(lái)[31-32], 因此南大洋沉積物中具有較高的生物硅含量。張晉等[28]通過(guò)南海南部表層沉積物粒度分析也提出生物硅的存在對(duì)粒度組分含量、粒度參數(shù)以及沉積物類型具有顯著影響。不同區(qū)域海洋環(huán)境中硅質(zhì)生物對(duì)沉積物粒度的影響不同, 并且南極大陸周邊海域至今還沒(méi)有關(guān)于硅質(zhì)生物對(duì)沉積物粒度測(cè)量結(jié)果影響的研究。對(duì)于南極周邊海域沉積物粒度分析去除生物硅的前處理過(guò)程是否必要, 生物硅是如何影響粒度結(jié)果的以及普里茲灣區(qū)域硅質(zhì)生物主要的粒徑范圍, 諸如此類問(wèn)題還未曾有過(guò)研究。本文選取普里茲灣海域?yàn)檠芯繀^(qū)域, 采用兩種不同的粒度前處理方法, 一種是僅對(duì)沉積物樣品進(jìn)行去有機(jī)質(zhì)、碳酸鹽處理, 另一種是對(duì)沉積物樣品進(jìn)行去有機(jī)質(zhì)、碳酸鹽和生物硅處理。本研究旨在探討生物硅在沉積物粒度測(cè)試中對(duì)粒徑結(jié)果產(chǎn)生的影響, 為以后普里茲灣及鄰近海域的粒度研究工作提供參考。

1 區(qū)域概況

普里茲灣位于印度洋扇區(qū), 是南極大陸東部最大的邊緣海, 面積約為80 000 km2, 是僅次于威德?tīng)柡：土_斯海的第三大海灣[33-34](圖1)。灣頂連接埃默里冰架, 東西兩側(cè)分別為伊麗莎白公主地和麥克羅伯遜地以及達(dá)恩利角, 灣口發(fā)育四女士淺灘和弗拉姆淺灘[35](圖1)。灣內(nèi)發(fā)育廣闊的埃默里海盆, 地形相對(duì)平緩, 灣內(nèi)海溝向北延伸分別形成普里茲灣海峽和Svenner海峽(圖1)。普里茲灣內(nèi)陸架水深在400—600 m, 大陸坡地區(qū)水深在1 000—3 000 m, 陸坡北部開(kāi)闊深水大洋水深從3 000增加到4 000 m[36]。普里茲灣海域發(fā)育的環(huán)流主要包括南極繞極流、陸坡流、沿岸流以及灣內(nèi)渦旋流。

研究區(qū)沿岸常年有海冰覆蓋, 具有明顯的年周期變化, 其中每年的3—9月為凍結(jié)期, 10月至次年2月為消融期, 并且冬季海冰覆蓋范圍可以延伸到58°S。受營(yíng)養(yǎng)鹽供給以及水文條件的影響, 普里茲灣夏季葉綠素濃度以陸架坡為界, 灣內(nèi)向?yàn)惩獗憩F(xiàn)出明顯的遞減趨勢(shì), 由高到低依次為灣內(nèi)陸架區(qū)(1.4 mg·m?3)、陸坡區(qū)(0.44 mg·m?3)和灣外深海區(qū)(0.25 mg·m?3)[36-37]。普里茲灣海域表層沉積物中生物硅含量也表現(xiàn)為灣內(nèi)向?yàn)惩庵饾u降低, 變化范圍為0.01%—13.29%[37]。

新生代以來(lái), 普里茲灣區(qū)域構(gòu)造環(huán)境穩(wěn)定, 沉積過(guò)程主要受冰川作用控制[38]。研究區(qū)主要沉積硅藻軟泥、硅藻土以及陸源碎屑物質(zhì), 其中生源物質(zhì)與區(qū)域海冰的覆蓋程度密切相關(guān), 碎屑沉積物主要由冰川和海流搬運(yùn)而來(lái)。礦物和地球化學(xué)元素分析結(jié)果表明普里茲灣沉積物主要來(lái)源于南極大陸[39-40]。

圖1 研究區(qū)地理位置及區(qū)域環(huán)流發(fā)育圖.紅色方框代表研究鉆孔位置

Fig.1. Geographical location of the study area and regional current system. The red box represents the location of P7-09 core

2 材料與方法

2.1 重力樣

依托中國(guó)第29次南極科學(xué)考察(2013年)南極周邊海域海洋地質(zhì)考察項(xiàng)目, 在南極大陸印度洋扇區(qū)的普里茲灣四女士淺灘外陸坡區(qū)獲得了ANT29/P7-09重力樣(66°31.759′S, 78°03.883′E, 柱長(zhǎng)192 cm, 水深1 118.50 m), 文中簡(jiǎn)化為P7-09。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將柱樣沿深度方向剖開(kāi), 進(jìn)行照相和巖心描述。采用2 cm間隔取樣, 共獲得96個(gè)沉積物樣品?？紤]到硅質(zhì)生物在沉積物中所占的比例以及含礫石樣品實(shí)驗(yàn)測(cè)試流程較復(fù)雜, 本文選取了其中83個(gè)不含礫石的樣品進(jìn)行分析。

2.2 粒度分析

為對(duì)比生物硅含量對(duì)沉積物粒徑測(cè)量結(jié)果的影響, 本文對(duì)同一層位樣品進(jìn)行了兩組粒度實(shí)驗(yàn)(A和B), 共166個(gè)測(cè)量樣品, 研究粒徑范圍為0.49— 2 000 μm。具體步驟如下: 稱取0.1—0.2 g沉積物樣品(粉砂和細(xì)砂取0.5—1.0 g, 中粗砂取2.0—4.0 g)置于50 mL的塑料離心管中, 加入過(guò)量30%的過(guò)氧化氫溶液, 并放置于50°C水浴鍋中加熱, 直至沒(méi)有氣泡產(chǎn)生; 加入5 mL、0.25 mol·L?1的鹽酸溶液, 并放置于50°C水浴鍋中加熱, 直至沒(méi)有氣泡產(chǎn)生。加入10 mL去離子水離心清洗(三次), 去除過(guò)量的酸(轉(zhuǎn)速3 500 r·min?1, 時(shí)間6 min)。將B組所有樣品超聲分散, 加入20 mL、1 mol·L?1的Na2CO3溶液, 85°C水浴4 h, 加入去離子水離心清洗(三次), 去除過(guò)量的堿。A組和B組所有前處理完成后, 向測(cè)試樣品中加入適量0.05 mol·L?1的六偏磷酸鈉溶液超聲, 待上機(jī)測(cè)試。另外, 我們?cè)谏蠙C(jī)前隨機(jī)抽取了B組20個(gè)樣品, 進(jìn)行涂片, 待薄片自然晾干后進(jìn)行鏡下觀察，目的是為了檢查硅質(zhì)成分是否去除干凈。粒度測(cè)試采用英國(guó)馬爾文2000型號(hào)激光粒度儀進(jìn)行分析, 測(cè)試范圍為0.02—2 000 μm, 測(cè)量誤差小于3%。其中A組樣品的粒度測(cè)試在國(guó)家海洋局第二研究所完成, B組樣品的粒度測(cè)試在國(guó)家海洋局第一海洋研究所完成。另外, 為了驗(yàn)證不同測(cè)試儀器之間粒度數(shù)據(jù)對(duì)比的可靠性, 我們均勻選取了21個(gè)平行樣進(jìn)行A組粒度實(shí)驗(yàn)前處理并使用國(guó)家海洋局第一海洋研究所激光粒度儀進(jìn)行測(cè)試。

2.3 生物硅分析

生物硅是借助化學(xué)方法測(cè)定的沉積物中的生源無(wú)定形硅含量[41]。生物硅含量測(cè)試采用Mor-tlock和Froelich[42]的測(cè)試方法, 測(cè)試過(guò)程在中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院沉積物分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)室完成, 具體操作過(guò)程如下: 取適量樣品烘干、研磨; 稱取130—140 mg樣品放入50 mL的塑料離心管中, 目的是保證所測(cè)樣品中總生物硅含量不超過(guò)25 mg; 加入5 mL、10%的過(guò)氧化氫溶液和5 mL、1︰9的鹽酸對(duì)樣品預(yù)處理, 目的是去除有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽; 用去離子水清洗至中性, 烘干; 向干燥后的樣品加入40 mL、2 mol·L?1的碳酸鈉溶液, 混勻, 并將離心管放置于85°C的水浴鍋中加熱; 每隔1 h取出離心, 然后取0.125 mL上清液進(jìn)行上機(jī)測(cè)試(分光光度法測(cè)定提取液中的硅), 連續(xù)提取8 h。最后, 基于提取液中Si含量隨時(shí)間變化曲線的反向延長(zhǎng)線與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)值確定樣品中生物硅的含量。

3 結(jié)果與討論

我們對(duì)比了兩臺(tái)測(cè)試儀器測(cè)得的21個(gè)相同層位沉積物粒度數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示, 平均粒徑、沉積物各組分(黏土、粉砂、砂)含量相關(guān)性好, 分選、峰態(tài)等參數(shù)相較于其他參數(shù)而言相關(guān)性差(圖2)。但總體指標(biāo)相關(guān)性均在0.95以上, 說(shuō)明兩臺(tái)儀器粒度測(cè)量得到的結(jié)果誤差對(duì)本文的研究影響不大。因此, 我們對(duì)兩組粒度實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的對(duì)比分析是可行的。

3.1 生物硅對(duì)沉積物粒度結(jié)果的影響

3.1.1 粒度參數(shù)

劉志杰等[43]通過(guò)對(duì)比幾種不同公式計(jì)算出的粒度參數(shù)結(jié)果, 提出Collias矩法公式反映的沉積物粒度分布特征更可靠。因此, 本文采用該方法對(duì)沉積物平均粒徑、分選、偏態(tài)值、峰態(tài)值進(jìn)行了計(jì)算。另外, 根據(jù)尤登-溫德華氏粒級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn), 以4 μm、64 μm為界, 計(jì)算得到了黏土、粉砂、砂組分的體積分?jǐn)?shù)。圖3給出了兩種不同前處理方法獲得的粒度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3a顯示B組前處理方法得到的沉積物平均粒徑整體上較A組有變細(xì)的趨勢(shì), 其中88%的樣品均有不同程度的偏細(xì), 剩下12%的樣品平均粒徑較未去生物硅的樣品略偏粗(表1)。平均粒徑通常被用來(lái)反映沉積物顆粒粗細(xì)變化, 主要與源區(qū)沉積物以及搬運(yùn)介質(zhì)動(dòng)力強(qiáng)弱有關(guān)[44]。兩組沉積物平均粒徑總的變化趨勢(shì)一致, 說(shuō)明該參數(shù)所指示的沉積環(huán)境變化規(guī)律基本相同。另外, 結(jié)果顯示兩組沉積物的分選系數(shù)變化不大(變化范圍?0.129—0.09), 去除生物硅的沉積物中有75.9%的樣品分選系數(shù)相應(yīng)減小, 說(shuō)明沉積物分選整體上相對(duì)變好, 但總的來(lái)看, 兩組結(jié)果均顯示沉積物分選較差。偏態(tài)值結(jié)果顯示(圖3c), A組沉積物主要表現(xiàn)為極正偏(29)、負(fù)偏(22)、極負(fù)偏(20), 其次為正偏(11); B組沉積物粒度偏態(tài)主要表現(xiàn)為極正偏(41), 其次為正偏(18)、負(fù)偏(16)、極負(fù)偏(6), 表明去除生物硅后的沉積物粒度有偏粗的趨勢(shì)。普里茲灣沉積物峰態(tài)都屬于寬平和很寬平, 去除生物硅前后有 21個(gè)沉積物樣品峰態(tài)由寬平變?yōu)楹軐捚?。沉積物偏態(tài)和峰態(tài)主要反映沉積環(huán)境對(duì)粒度的改造結(jié)果[45], 表明B組粒度結(jié)果所揭示的沉積環(huán)境較A組更穩(wěn)定。

圖2 同一前處理方法兩臺(tái)激光粒度儀沉積物粒度測(cè)量結(jié)果對(duì)比

Fig.2. Comparison of sediment grain-size measurement using two laser particle size with the same pretreatment method

Fig.3. Comparison of the grain size parameters and the volume percentage of clay, silt and sand with different pretreatment methods. a)average grain size and variations of its difference (Φ); b)sorting and variations of its difference; c)skewness and variations of its difference; d)kurtosis and variations of its difference; e)clay content and sorting variations of its difference (%); f)silt content and sorting variations of its difference (%); g)sand content and sorting variations of its difference (%)

為了更直觀地說(shuō)明兩組粒度實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異, 本文對(duì)兩組實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)性分析(圖4)。結(jié)果顯示, 硅質(zhì)生物對(duì)沉積物的平均粒徑影響較小(2=?0.9), 對(duì)分選、偏態(tài)及峰態(tài)的影響較顯著,2分布在0.47—0.64范圍內(nèi)(圖4), 表明去除生物硅前后的粒度結(jié)果對(duì)沉積物的來(lái)源信息、沉積動(dòng)力強(qiáng)弱變化信息的判別影響較小, 而對(duì)沉積環(huán)境分析結(jié)果有影響。

3.1.2 沉積物組分

沉積物組分結(jié)果顯示, B組粒度實(shí)驗(yàn)結(jié)果相較于A組分別有79.5%沉積物樣品中黏土組分體積百分含量有所增加, 72.3%的樣品沉積物中粉砂組分體積百分含量也有不同程度的增加, 而約79.5%的沉積物樣品砂組分體積百分含量減少。普里茲灣區(qū)域黏土和粉砂組分(<63 μm)主要由區(qū)域海流搬運(yùn), 砂組分(>63 μm)多為海冰或冰山所攜帶[46-47]。研究區(qū)沉積物中黏土和粉砂組分主要代表了水動(dòng)力強(qiáng)弱信息, 分別反映弱、強(qiáng)水動(dòng)力環(huán)境, 砂組分則反映了區(qū)域海冰的發(fā)育程度?？傮w上, 兩種前處理方法獲得的粒度各組分含量變化趨勢(shì)相同(圖4e-f), 區(qū)別僅表現(xiàn)在量上。另外, 通過(guò)對(duì)兩種不同前處理方法得到的同一樣品沉積物組分相關(guān)性分析(圖4)可以看出, 沉積物中硅質(zhì)生物對(duì)三組分(黏土、粉砂、砂)的影響不大,2可以達(dá)到0.9左右(圖4), 表明兩種方法獲得的沉積物粒度結(jié)果對(duì)沉積環(huán)境的判別以及其所揭示的水動(dòng)力強(qiáng)弱變化特征影響不大。

Fig.4. Correlation of grain size results of sediments from group A and group B

3.2 生物硅對(duì)沉積物粒度揭示的環(huán)境信息的影響

沉積物粒度頻率曲線和概率累計(jì)曲線能夠直觀、準(zhǔn)確、定量地顯示沉積物粒度組成, 并且能夠很好地反映各特征組分的分選性, 對(duì)了解研究區(qū)沉積動(dòng)力條件變化具有重要意義。A組實(shí)驗(yàn)得到的頻率曲線表現(xiàn)為單峰或雙峰分布形態(tài), B組實(shí)驗(yàn)頻率曲線表現(xiàn)為單峰、雙峰或多峰分布形態(tài)。極地陸架邊緣沉積物通常分選很差(圖3), 除了區(qū)域海流所攜帶的細(xì)顆粒物質(zhì)之外, 最主要是冰架崩解下來(lái)的冰山所攜帶的粗細(xì)碎屑混雜沉積物。通過(guò)兩組實(shí)驗(yàn)粒度頻率曲線對(duì)比我們發(fā)現(xiàn)(圖5), 生物硅的存在掩蓋了沉積物粒度特征所揭示的真實(shí)的物源信息。總體上, B組沉積物最大粒徑較A組明顯偏細(xì)(圖5), 累計(jì)曲線分布特征反映了B組沉積物粒度結(jié)果所揭示的沉積環(huán)境較A組復(fù)雜。

圖5 沉積物中不同生物硅含量對(duì)應(yīng)的粒度頻率曲線和累計(jì)曲線分布特征. A組和B組實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別用黑線和紅線表示

Fig.5. The grain size frequency distribution and probability accumulation curves of the sample for different range of Biogenic Silica content. The experimental results of group A and group B are shown by black and red lines, respectively.

3.3 生物硅對(duì)沉積物分類和命名的影響

Shepard[46]和Folk等[47]的沉積物結(jié)構(gòu)分類是目前較為常用的沉積物分類和命名方法, 其中謝帕德分類方法只是單純的描述性分類, 而福克分類方法包含了動(dòng)力強(qiáng)度以及介質(zhì)渾濁度的信息, 具有明顯的動(dòng)力學(xué)意義[48]。我們分別用這兩種方法借助兩組實(shí)驗(yàn)粒度結(jié)果對(duì)沉積物進(jìn)行命名, 進(jìn)而對(duì)比兩者之間的差異(圖6)。

兩組粒度數(shù)據(jù)分別借助?？嗣椒ǖ玫匠练e物類型, 結(jié)果顯示兩組沉積物均主要以粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)泥、泥為主, B組部分沉積物樣品中砂、粉砂成分所占比例明顯較A組小, 說(shuō)明去除生物硅之后的沉積物粗組分有減少趨勢(shì)。謝帕德分類方法得到的沉積物類型兩組結(jié)果均表現(xiàn)為以粉砂質(zhì)砂、黏土質(zhì)粉砂以及砂-粉砂-黏土為主, 其中B組實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出砂、粉砂成分所占比例的減少。兩種不同前處理方法獲得的沉積物分類總體上均沒(méi)有很明顯的變化, 僅少數(shù)樣品命名發(fā)生了改動(dòng)或樣品中各成分所占比例有細(xì)微的變化。因此, 兩種不同前處理方法對(duì)沉積物類型的劃分以及物質(zhì)來(lái)源解釋影響不大。

圖6 兩種前處理方法得到的?？朔诸?a)和謝帕德分類(b)結(jié)果對(duì)比

Fig.6. Folk (a) and Shepard (b) classifications with different pretreatment methods

3.4 生物硅的粒徑分布范圍

為了定量表征生物硅對(duì)普里茲灣沉積物粒度的影響, 本文計(jì)算了兩種預(yù)處理方法測(cè)得的沉積物粒度平均粒徑之間所產(chǎn)生的差值(圖7)。文中采用下式分別計(jì)算了去除生物硅前后沉積物各粒徑平均百分含量、黏土、粉砂以及砂組分含量的差值: X=XA?XB, 式中X為去除生物硅前后的數(shù)據(jù)差值, XA、XB分別為未去除生物硅和去除生物硅測(cè)得的粒度相關(guān)參數(shù)值。差值結(jié)果為正, 說(shuō)明該組分在去除生物硅之后含量減少; 差值的絕對(duì)值越大說(shuō)明去除生物硅以后的沉積物中該組分含量變化幅度越大?？紤]到本文主要是探討生物硅的存在對(duì)沉積物粒度測(cè)量結(jié)果的影響, 因此我們更多地關(guān)注去除生物硅樣品相較于未去除生物硅樣品含量減少的組分分布特征。

粒度差值結(jié)果顯示, 整個(gè)柱狀樣去除生物硅沉積物平均粒徑均表現(xiàn)出不同程度的減小, 僅有幾個(gè)層位沉積物較未去生物硅時(shí)表現(xiàn)出粒度變粗的變化特征(圖3a), 平均粒徑最大變化值可達(dá)127.46 μm。普里茲灣區(qū)域沉積物不同前處理過(guò)程對(duì)后期粗組分含量的測(cè)定影響較大, 說(shuō)明受到硅質(zhì)生物影響未去除生物硅的測(cè)量結(jié)果會(huì)比實(shí)際礦物顆粒粒徑測(cè)量結(jié)果偏粗。同時(shí)對(duì)比了沉積物中黏土、粉砂、砂組分的變化值隨深度的變化特征, 整體上來(lái)看, 黏土、粉砂、砂組分含量隨深度變化均表現(xiàn)出不同程度的增加或減少, 與去除生物硅樣品結(jié)果相比, 各層位均表現(xiàn)為粗組分含量減小, 細(xì)組分含量增加的變化特征, 僅部分層位沉積物細(xì)組分含量減小, 粗組分含量相應(yīng)增多。例如, 118—192 cm層段沉積物樣品砂組分含量減少, 對(duì)應(yīng)黏土、粉砂組分含量增多; 82—115 cm層段沉積物樣品中黏土組分含量減少, 對(duì)應(yīng)粉砂和砂組分含量略有增加; 0—26 cm層段樣品粉砂組分含量明顯減少, 對(duì)應(yīng)黏土組分含量增多(圖7)。這一結(jié)果說(shuō)明硅質(zhì)生物的生長(zhǎng)粒徑多分布在沉積物砂組分粒徑范圍, 少量分布在粉砂和黏土組分粒徑范圍, 這就說(shuō)明生物硅的粒徑范圍分散。

圖7 沉積物各參數(shù)差值分布特征(A組?B組). a)去除生物硅(紅線)和未去生物硅(藍(lán)線)兩種前處理方法獲得的平均體積頻率曲線以及其差值分布柱狀圖, 藍(lán)線和紅線分別代表A組和B組沉積物粒徑平均頻率分布曲線; b)黏土、粉砂、砂百分含量差值, 差值為正代表該組分含量在去除生物硅之后減少

Fig. 7. Distribution characteristics of different values of particle-size parameter (A?B). a)Mean volume frequency curves obtained by two pre-processing methods and the difference of average percentage content of sediment particle size. Blue line and Red line represent the average frequency distribution curves of grain size for group A and B, respectively. b)Difference of clay, silt and sand content (%); positive difference means that the content of this component decreases after removing Bio-Silicon

為了進(jìn)一步說(shuō)明這一點(diǎn), 我們統(tǒng)計(jì)了沉積物樣品各粒徑范圍所占的平均百分含量差值(圖7a), 結(jié)果表明黏土、粉砂、砂組分測(cè)量結(jié)果均受到生物硅不同程度的影響, 但其影響的粒徑范圍有一定規(guī)律可循。P7-09柱狀樣沉積物各粒徑百分含量減小的范圍主要分布在<3Φ、5.25Φ—7.25Φ、8.75Φ—9.75Φ三個(gè)區(qū)段, 表明普里茲灣海域沉積物中生物硅的賦存對(duì)這幾個(gè)粒徑范圍測(cè)量結(jié)果影響最大。因此, 普里茲灣區(qū)域保存在沉積物中的生物硅的粒級(jí)范圍主要分布在<3Φ、5.25Φ— 7.25Φ、8.75Φ—9.75Φ三個(gè)區(qū)間內(nèi)。另外, 通過(guò)對(duì)比各粒徑范圍累積百分含量減小值, 發(fā)現(xiàn)生物硅對(duì)沉積物砂、粉砂以及黏土組分的影響程度依次遞減。

3.5 生物硅含量與兩組粒度結(jié)果差異的關(guān)系

P7-09柱狀樣中生物硅含量變化較大, 變化范圍為0.05%—9.75%, 垂向分布特征表現(xiàn)為從底部向頂部含量逐漸增多。其中, 62—192 cm層位生物硅含量較低, 平均含量穩(wěn)定在0—2%之間; 24—62 cm層位生物硅含量相較于上一段略有增加, 平均值穩(wěn)定在2%—4%之間; 0—24cm層位生物硅含量明顯增加, 并在13 cm位置處達(dá)到峰值(圖8)。為了探討不同生物硅含量與硅質(zhì)生物對(duì)沉積物粒度結(jié)果造成的影響之間的關(guān)系, 我們將生物硅濃度以1%為間隔劃分為十組, 最終樣品統(tǒng)計(jì)量分別為50(0—1%)、18(1%—2%)、13(2%— 3%)、5(3%—4%)、0(4%—5%)、0(5%—6%)、4(6%—7%)、2(7%—8%)、3(8%—9%)、1(9%— 10%)。

本文選取了10個(gè)生物硅濃度等級(jí)得到的粒度實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論(圖5), 結(jié)果顯示, 兩組粒度結(jié)果之間的差異變化與生物硅濃度之間沒(méi)有明顯的規(guī)律可循, 不同濃度生物硅都對(duì)沉積物樣品顆粒有不同程度的影響。另外, 我們將生物硅濃度與各粒度參數(shù)變化差值做了相關(guān)性分析, 發(fā)現(xiàn)生物硅濃度與平均粒徑、分選、峰態(tài)值以及偏態(tài)值相關(guān)性均較低, 并且生物硅含量與沉積物組分之間的相關(guān)性也很差(圖9)。該結(jié)果說(shuō)明生物硅含量與其對(duì)沉積物粒度結(jié)果的影響沒(méi)有規(guī)律可循, 因此我們不能提出可以劃定兩種粒度實(shí)驗(yàn)預(yù)處理方法的臨界生物硅含量或范圍。根據(jù)前面分析, 普里茲灣海域生物硅生長(zhǎng)的粒徑范圍大, 測(cè)定的生物硅含量不僅取決于硅質(zhì)生物的大小, 還取決于硅質(zhì)生物的數(shù)量多少以及硅質(zhì)生物種類。因此, 研究區(qū)生物硅生長(zhǎng)粒徑的非集中性, 使得生物硅含量在粒度實(shí)驗(yàn)前處理過(guò)程中不具有參考價(jià)值。

圖8 P7-09柱狀樣沉積物中生物硅含量分布特征. 圖中標(biāo)注的數(shù)字代表每個(gè)生物硅等級(jí)統(tǒng)計(jì)的樣品量

Fig. 8. Distribution characteristics of Biogenic Silica content in P7-09 core sediments. Numbers labeled to represent the statistical sample size

4 結(jié)論

本文通過(guò)設(shè)置兩組不同的粒度前處理實(shí)驗(yàn), 對(duì)南極普里茲灣P7-09重力柱狀樣沉積物進(jìn)行了粒度分析, 探討了生物硅對(duì)普里茲灣沉積物粒度測(cè)量結(jié)果的影響。兩組不同前處理方法獲得的粒度參數(shù)結(jié)果及其相關(guān)性分析表明, 生物硅對(duì)沉積物的平均粒徑以及黏土、粉砂、砂組分的影響不大, 而對(duì)沉積物的分選、偏態(tài)及峰態(tài)的影響較顯著。生物硅對(duì)沉積物各粒度組分含量均產(chǎn)生了不同程度的影響, 其中生物硅主要影響沉積物中粗組分的含量, 從而導(dǎo)致未去除生物硅的沉積物粒度測(cè)量結(jié)果總體上偏粗。另外, 各粒徑范圍平均頻率累計(jì)含量的變化特征揭示了砂、粉砂、黏土組分受生物硅影響逐漸減弱。生物硅含量對(duì)沉積物分類的影響較小, 基于兩種前處理方法獲得的各粒徑平均百分含量分布特征, 普里茲灣沉積物中生物硅主要分布在<3Φ、5.25Φ—7.25Φ、8.75Φ—9.75Φ三個(gè)粒徑范圍。極地沉積物粒度信息通常被用來(lái)反映搬運(yùn)介質(zhì)類型以及水動(dòng)力強(qiáng)弱信息, 因此沉積物粒度測(cè)試研究中去除生物硅的前處理過(guò)程對(duì)重建普里茲灣及周邊海域環(huán)境的演化過(guò)程有積極作用。另外, 研究區(qū)鉆孔揭示的生物硅含量低(<10%), 不同范圍生物硅的含量與粒度參數(shù)以及各組分相關(guān)性差, 表明普里茲灣海域生物硅含量不能作為粒度實(shí)驗(yàn)前處理流程中是否需要去除生物硅的判斷依據(jù)。

圖9 生物硅與粒度參數(shù)、各組分體積百分含量差值相關(guān)性

Fig. 9. Correlation between Biogenic Silica content and the difference in particle size parameters and volume percentages of each component

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INFLUENCE OF BIOGENIC SILICA ON MEASUREMENTS OF SEDIMENT GRAIN SIZE IN PRYDZ BAY, ANTARCTICA

Wang Liyan, Li Guangxue

(Ocean University of China, College of Marine Geosciences, Key Lab of Submarine Sciences & Prospecting Techniques, MOE, Qingdao 266100, China)

Samples obtained from a gravity core from Prydz Bay were pretreated by the removal of biogenic silica. Sediment grain size and volume percentages of particles of different sizes were measured; results between treated and untreated samples were compared. Main grain size distribution of biogenic silica in the sediments of Prydz Bay is <3Φ, 5.25—7.25Φ, and 8.75—9.75Φ. We conducted a correlation analysis on the grain size parameters and the percentage content of each component obtained from the two sets of experiments, and inferred that biogenic silica has little influence on the average particle size, sand, silt and clay fractions in the sediment, but has a clear influence on the sorting, skewness and kurtosis of grain size distribution; as a result, in untreated samples, measured particle size is larger than actual particle size. Study results indicate that removal of biogenic silica from sediments is a prerequisite for grain size studies and provenance analyses in polar regions.

Grain size, Biogenic silica, Pretreatment methods, Prydz Bay

2019年4月收到來(lái)稿, 2019年6月收到修改稿

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局我國(guó)海域關(guān)鍵地質(zhì)問(wèn)題跟蹤分析與研究專題項(xiàng)目(DD20160147、GZH201100202)、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41030856)資助

王麗艷, 女, 1990年生。博士研究生, 主要從事海洋沉積學(xué)研究。E-mail: zywly90@163.com

李廣雪, E-mail: estuary@ouc.edu.cn

10. 13679/j.jdyj.20190017