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冲绳海槽南部沉积物碎屑锆石U-Pb年代学特征及物源示踪意义

朱博文 曾志刚

朱博文,曾志刚. 冲绳海槽南部沉积物碎屑锆石U-Pb年代学特征及物源示踪意义[J]. 海洋地质前沿,2022,38(1):14-23 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.190
引用本文: 朱博文,曾志刚. 冲绳海槽南部沉积物碎屑锆石U-Pb年代学特征及物源示踪意义[J]. 海洋地质前沿,2022,38(1):14-23 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.190
ZHU Bowen, ZENG Zhigang. Characteristic of detrital zircon U-Pb geochronology in the southern Okinawa Trough and its implication for sediment provenance[J]. Marine Geology Frontiers, 2022, 38(1): 14-23 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.190
Citation: ZHU Bowen, ZENG Zhigang. Characteristic of detrital zircon U-Pb geochronology in the southern Okinawa Trough and its implication for sediment provenance[J]. Marine Geology Frontiers, 2022, 38(1): 14-23 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.190

冲绳海槽南部沉积物碎屑锆石U-Pb年代学特征及物源示踪意义

doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.190
基金项目: 国家自然科学基金“西太平洋俯冲体系中岩浆活动及其对热液物质供给的制约”(91958213);中国科学院国际合作局对外合作重点项目“冲绳海槽热液活动成矿机理及其沉积效应”(133137KYSB20170003);山东省泰山学者工程专项“特聘专家资助计划项目”(ts201511061);中国大洋协会项目课题“海底多金属硫化物及金属软泥的成矿机理”(DY135-G2-1-02)
详细信息
    作者简介:

    朱博文(1994—),男,在读博士,主要从事海洋沉积学方面的研究工作. E-mail:zhubowen@qdio.ac.cn

    通讯作者:

    曾志刚(1968—),男,博士,研究员,博士生导师,主要从事海洋地质学方面的研究工作. E-mail:zgzeng@ms.qdio.ac.cn

  • 中图分类号: P736;P313

Characteristic of detrital zircon U-Pb geochronology in the southern Okinawa Trough and its implication for sediment provenance

  • 摘要: 冲绳海槽南部作为冲绳海槽全新世以来沉积速率最快的区域,其沉积物记录了物源区、黑潮及东亚季风演化等多方面的信息。通过碎屑锆石年代学,对冲绳海槽南部H4-S2孔沉积物开展了物源示踪研究。结合核密度估计图解(Kernel Density Estimation,KDE)、累积年龄分布(Cumulative Age Distribution,CAD)及其相关性分析,进行了研究层位和潜在物源区的可视化分析与相似性检验,揭示了研究样品中2个层位碎屑锆石的年代学特征及物质来源。物源分析结果显示,近200 a来冲绳海槽南部沉积物中的碎屑锆石记录了东海陆架、长江以及兰阳河来源的物质,指示了除兰阳河外,东海陆架及长江在晚全新世对冲绳海槽南部的沉积物质来源具有重要贡献。
  • 图  1  东海与冲绳海槽地形示意图

    图中红色十字为潜在物源区样品所在位置,红色三角为本研究样品所在位置,钓鱼岛与赤尾屿的位置为紫色六角星

    Figure  1.  Topographic map of the East China Sea and Okinawa Trough

    图  2  H4-S2沉积物碎屑锆石Th/U值

    Figure  2.  Plot of Th/U ratios versus U-Pb ages of detrital zircons from the H4-S2

    图  3  H4-S2沉积物中碎屑锆石阴极发光照片

    Figure  3.  Cathodoluminescence of detrital zircon in H4-S2

    图  4  H4-S2沉积物碎屑锆石U-Pb年龄谐和图

    2σ为数据点椭圆误差,n为碎屑锆石U-Pb年龄的统计数量。图右下角小图分别为OTS-1样品中的碎屑锆石U-Pb年龄在0~1 400 Ma内的谐和图和OTS-2样品中的碎屑锆石U-Pb年龄在0~1 800 Ma内的谐和图。

    Figure  4.  Concordia diagram of the single zircon grains from H4-S2

    图  5  H4-S2及潜在物源区碎屑锆石的U-Pb年龄谱

    兰阳河口与浊水溪口数据引自[5860];长江口数据引自[53-54];东海陆架、闽江口及瓯江口数据引自[55-56];n为碎屑锆石U-Pb年龄的统计数量。

    Figure  5.  U-Pb age distribution of sediment core H4-S2 and potential provenances

    图  6  H4-S2及潜在物源区碎屑锆石U-Pb年龄累积分布图

    兰阳河口、浊水溪口数据引自[5860];长江口数据引自[53-54];东海陆架、闽江口及瓯江口数据引自[55-56]。

    Figure  6.  The cumulative age distribution for U-Pb age of sediment core H4-S2 and potential provenances

    表  1  H4-S2碳同位素测定年龄

    Table  1.   Radiocarbon dating of H4-S2

    深度/cm属种AMS14C测试年龄/a BP校正年龄/a BP数据来源
    中间年龄范围/2σ
    125浮游有孔虫混合种560±30159260~47参考文献 [40]
    283690±30304424~230
    387730±30346432~268
    4771 090±30624682~541
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    表  2  H4-S2样品粒度特征

    Table  2.   Grain-size parameters of H4-S2

    样品号深度/cm沉积年代分选系数偏度峰度平均粒径/μm黏土含量/%粉砂含量/%砂含量/%
    OTS-126~661954—1993年1.341.015.1717.3611.988.00.2
    OTS-2112~1521828—1879年1.490.674.2322.2011.482.95.7
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    表  3  潜在物源区地理位置及数据来源

    Table  3.   Location and data source of potential provenance area

    潜在物源区经度(E)纬度(N)数据来源
    兰阳河口121.80°24.70°文献[58,60]
    浊水溪口120.20°23.80°文献[58,60]
    长江口121.98°31.19°文献[53]
    东海陆架-1122.16°26.79°文献[55]
    东海陆架-2121.82°26.45°文献[55]
    东海陆架-3121.06°25.80°文献[55]
    瓯江口118.00°24.50°文献[56]
    闽江口119.60°26.00°文献[56]
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    表  4  H4-S2与潜在物源区碎屑锆石年龄主要分布区间占比

    Table  4.   Percentage of the major zircon U-Pb age groups of the H4-S2 and potential provenance area

    样品号主要年龄分布区间及比例
    200~100 Ma300~200 Ma500~300 Ma1100~600 Ma2 200~1 700 Ma2 800~2 400 Ma
    OTS-117.24%14.94%13.79%28.74%16.09%9.20%
    OTS-25.80%24.64%11.59%37.68%11.59%8.70%
    兰阳河口22.22%15.56%22.22%15.56%15.56%8.89%
    浊水溪口20.69%13.79%9.20%11.49%25.29%19.54%
    长江口11.22%20.41%5.05%39.39%20.20%3.03%
    瓯江口86.57%1.49%0.00%0.00%12.31%0.00%
    闽江口28.63%20.78%31.13%13.23%4.67%1.17%
    东海陆架18.05%21.55%13.78%29.32%10.78%6.52%
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    表  5  H4-S2与潜在物源区碎屑锆石年龄分布相关性分析结果

    Table  5.   Correlation analysis results of age distribution for detrital zircon between H4-S2 and potential provenance areas

    OTS-1OTS-2兰阳河口浊水溪口长江口瓯江口闽江口东海陆架
    OTS-11.00
    OTS-20.781.00
    兰阳河口0.21−0.171.00
    浊水溪口−0.30−0.55−0.271.00
    长江口0.910.88−0.07−0.181.00
    瓯江口0.04−0.470.540.42−0.181.00
    闽江口0.10−0.080.90−0.53−0.150.421.00
    东海陆架0.870.830.28−0.530.820.040.361.00
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-12-01
  • 录用日期:  2021-11-26
  • 网络出版日期:  2022-01-19
  • 刊出日期:  2022-01-24

冲绳海槽南部沉积物碎屑锆石U-Pb年代学特征及物源示踪意义

doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.190
    基金项目:  国家自然科学基金“西太平洋俯冲体系中岩浆活动及其对热液物质供给的制约”(91958213);中国科学院国际合作局对外合作重点项目“冲绳海槽热液活动成矿机理及其沉积效应”(133137KYSB20170003);山东省泰山学者工程专项“特聘专家资助计划项目”(ts201511061);中国大洋协会项目课题“海底多金属硫化物及金属软泥的成矿机理”(DY135-G2-1-02)
    作者简介:

    朱博文(1994—),男,在读博士,主要从事海洋沉积学方面的研究工作. E-mail:zhubowen@qdio.ac.cn

    通讯作者: 曾志刚(1968—),男,博士,研究员,博士生导师,主要从事海洋地质学方面的研究工作. E-mail:zgzeng@ms.qdio.ac.cn
  • 中图分类号: P736;P313

摘要: 冲绳海槽南部作为冲绳海槽全新世以来沉积速率最快的区域,其沉积物记录了物源区、黑潮及东亚季风演化等多方面的信息。通过碎屑锆石年代学,对冲绳海槽南部H4-S2孔沉积物开展了物源示踪研究。结合核密度估计图解(Kernel Density Estimation,KDE)、累积年龄分布(Cumulative Age Distribution,CAD)及其相关性分析,进行了研究层位和潜在物源区的可视化分析与相似性检验,揭示了研究样品中2个层位碎屑锆石的年代学特征及物质来源。物源分析结果显示,近200 a来冲绳海槽南部沉积物中的碎屑锆石记录了东海陆架、长江以及兰阳河来源的物质,指示了除兰阳河外,东海陆架及长江在晚全新世对冲绳海槽南部的沉积物质来源具有重要贡献。

English Abstract

朱博文,曾志刚. 冲绳海槽南部沉积物碎屑锆石U-Pb年代学特征及物源示踪意义[J]. 海洋地质前沿,2022,38(1):14-23 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.190
引用本文: 朱博文,曾志刚. 冲绳海槽南部沉积物碎屑锆石U-Pb年代学特征及物源示踪意义[J]. 海洋地质前沿,2022,38(1):14-23 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.190
ZHU Bowen, ZENG Zhigang. Characteristic of detrital zircon U-Pb geochronology in the southern Okinawa Trough and its implication for sediment provenance[J]. Marine Geology Frontiers, 2022, 38(1): 14-23 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.190
Citation: ZHU Bowen, ZENG Zhigang. Characteristic of detrital zircon U-Pb geochronology in the southern Okinawa Trough and its implication for sediment provenance[J]. Marine Geology Frontiers, 2022, 38(1): 14-23 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.190
    • 作为西太平洋的边缘海之一,东海自全新世以来接受了大量来源于长江和黄河的沉积物[1]。冲绳海槽是发育在东海东南部的地质构造体[2],是西太平洋典型的弧后盆地,具有频繁的岩浆作用和热液活动[3-16],海底沉积及热液环境中生物分布广泛[17-20]。冲绳海槽发育了巨厚的沉积层,记录了晚第四纪以来东亚大陆边缘沉积物源、海平面、黑潮、东亚季风及人类活动等多方面的演化历史[21-24],是开展海-陆相互作用、海洋沉积物“源-汇”过程研究的重要区域[22,25]。前人通过矿物学、地球化学及环境磁学等方法,对冲绳海槽地区沉积物来源与沉积环境演化等科学问题进行了大量的研究工作[26-32]。先前的观点认为,长江、黄河及台湾河流对冲绳海槽发育的陆源碎屑物质具有显著贡献,同时,东海外陆架沉积物也是冲绳海槽沉积物质的重要来源之一[21-22,31,33-40]。除河流沉积物的主要贡献外,冲绳海槽的沉积物还来源于火山活动产物、海底热液活动产物、风尘物质及由地震触发的浊流所供给的内源物质等[30,41-45]

      由于冲绳海槽南部具有复杂的水动力条件和较快的沉积速率(最快可达到10 m/ka)[31],其沉积物质来源备受关注。前人通过黏土矿物、全岩地球化学特征进行的物源示踪研究结果虽然指示了冲绳海槽南部在全新世以来的沉积物源主要为台湾河流[23-24,31],但使用的示踪指标都存在端元重合的问题:如长江沉积物与台湾河流沉积物在微量元素组成上难以区分,台湾西部河流和台湾东部河流(兰阳河)沉积物在Sr-Nd同位素组成的端元重合[24]等。因此,使用如上指标进行物源示踪研究时,难免存在无法精确限定物源的问题,需要通过新的指标加以判定。本研究尝试用碎屑锆石年代学对冲绳海槽南部的沉积物源进行判别。

      锆石广泛存在于各种沉积岩、岩浆岩及变质岩之中。因其具有长周期的放射性元素U、Th,且对U-Th-Pb系统有极高的封闭温度[46],同时,锆石抗风化能力极强,因而是理想的测年对象。近20年来,伴随着分析测试技术的进步,开展了LA-ICP-MS对单颗粒锆石的精确定年,使得碎屑锆石成为物源示踪、古地理重建及恢复区域构造演化历史的重要研究方法[47-48]。近年来,有关学者通过碎屑锆石年代学,开展了现代河流沉积物、黄土及海洋沉积物物质来源的研究[49-60],为揭示研究区域沉积物质来源与气候演化提供了新的思路和方法,但在冲绳海槽区域尚未开展碎屑锆石年代学的研究工作。本研究以冲绳海槽南部岩芯沉积物H4-S2为研究对象,选取了2个层位进行碎屑锆石年代学及物源判别研究,并与潜在物源区台湾河流、长江、闽江、瓯江及东海陆架的碎屑锆石年代学数据进行了比对,探讨了不同物源端元对冲绳海槽南部沉积物的物质贡献。

    • 本文选用的岩芯沉积物H4-S2位于冲绳海槽南部陆坡(图1),总长477 cm,水深1 505 m。

      图  1  东海与冲绳海槽地形示意图

      Figure 1.  Topographic map of the East China Sea and Okinawa Trough

      本研究选取了H4-S2中26~66 cm及112~152 cm 2个层位进行锆石挑选及分析。在样品完全混合烘干后,随机选取400 g进行碎屑锆石的挑选,样品编号分别为OTS-1、OTS-2。选取了H4-S25个层位进行了浮游有孔虫挑选及AMS14C测年[40],测年结果通过Calib7.1软件校正后显示其底部沉积年龄为624 a BP(表1)。

      表 1  H4-S2碳同位素测定年龄

      Table 1.  Radiocarbon dating of H4-S2

      深度/cm属种AMS14C测试年龄/a BP校正年龄/a BP数据来源
      中间年龄范围/2σ
      125浮游有孔虫混合种560±30159260~47参考文献 [40]
      283690±30304424~230
      387730±30346432~268
      4771 090±30624682~541

      对如上年代学数据进行逐次线性内插法计算,本研究中OTS-1层位的沉积年代为1954—1993年,OTS-2层位的沉积年代为1828—1879年(表2)。本研究对OTS-1及OTS-2样品进行了粒度测试:取绿豆大小的样品(大约0.3 g),先加入浓度15%的双氧水10 mL(分析纯),置于60 ℃恒温水浴加热1 h直至不再反应,以去除有机质;在去除有机质的基础上,加入浓度25%的醋酸10 mL(分析纯,保证酸过量),置于60 ℃恒温水浴加热1 h,直至不再反应,以去除碳酸盐;加入30 mL蒸馏水,然后离心(转速3 500,时间6 min),离心至上清液澄清透明(视觉下无颗粒物)为止;倒掉上清液并超声,再次加入60 mL蒸馏水并重复离心过程;加入0.05 g六偏磷酸钠,并进行超声使其完全分散并上机测试。粒度测试工作在中国科学院海洋研究所海洋地质与环境重点实验室使用Cilas 940L激光粒度分析仪进行。检出限于0.04~2 500 μm,测试时间在1 min内,仪器的测量重复性和分析精度分别为0.5%和优于2%。根据粒度分类,计算了黏土(<4 μm),粉砂(4~63 μm)和砂(> 63 μm)的体积百分含量,结果如表2所示。

      表 2  H4-S2样品粒度特征

      Table 2.  Grain-size parameters of H4-S2

      样品号深度/cm沉积年代分选系数偏度峰度平均粒径/μm黏土含量/%粉砂含量/%砂含量/%
      OTS-126~661954—1993年1.341.015.1717.3611.988.00.2
      OTS-2112~1521828—1879年1.490.674.2322.2011.482.95.7

      从沉积物中挑选重矿物及锆石样品的具体分离步骤为:用去离子水对样品进行淘洗并烘干,再利用三溴甲烷(密度2.89 g/cm3)进行轻、重矿物分离;对于重矿物部分,用强磁铁选出强磁部分,剩余的用电磁仪选出电磁部分和重无磁部分,分别包装。然后利用体式显微镜、偏光显微镜对分离好的重无磁、电磁及强磁3种矿物组分进行定性和半定量鉴定,同时挑选锆石这一目标矿物,每一个样品中挑选出的碎屑锆石数量均多于1 000粒。碎屑锆石挑选由廊坊地科勘探服务有限公司按照行业标准及本研究要求完成。

      随后对挑选出的锆石进行制靶。在双目镜下随机挑选出400粒锆石,固定于环氧树脂靶并抛光使其核心暴露。完成制靶后,进行透反射及阴极发光(CL)图像拍摄,用以获取锆石的内部结构以便进行测年点位的选取。上述工作在河北省地质测绘院岩矿实验测试中心及中国地质科学院资源研究所完成。

      锆石U-Pb定年在中国地质科学院地质研究所矿物/包裹体微区分析实验室使用激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)完成。激光剥蚀平台采用NWR 193uc型193 nm深紫外激光剥蚀进样系统(Elemental Scientific Lasers,美国)。质谱仪采用Agilent 7900型电感耦合等离子体质谱仪(Agilent,美国)。测量前,使用外置能量计测量到达样品池的实际能量,以保证到达样品表面的实际能量与预设的能量密度相一致。将锆石靶置于超纯水中超声清洗,分析前用分析纯甲醇擦拭样品表面。采用5个激光脉冲对每个剥蚀区域进行预剥蚀(剥蚀深度为0.3 μm),以去除样品表面可能的污染。由于本研究中的碎屑锆石粒径较细,故在束斑直径25 μm、剥蚀频率5 Hz、能量密度2 J/cm2的激光条件下分析样品。数据处理采用Iolite程序,锆石91500作为主标,GJ-1、Plesovice作为副标,每隔10~12个样品点分析2个91500标样及1个GJ-1、Plešovice标样。通常采集20 s的气体空白,35~40 s的信号区间进行数据处理,按指数方程进行深度分馏校正。以NIST 610 作为外标,91Zr作为内标计算微量元素含量。本次实验过程中测定的91500(1 061.5±3.2 Ma,2σ)、GJ-1 (604±6 Ma,2σ)、Plešovice(340±4 Ma,2σ)年龄在不确定范围内与推荐值一致。

      通过上述方法所获取的实验数据,利用ICPMSDataCal9.2进行处理,对于207Pb/206Pb年龄<1 000 Ma的碎屑锆石选用谐和度>80%的206Pb/238U年龄,对于207Pb/206Pb年龄>1 000 Ma的碎屑锆石选用谐和度>90%的207Pb/206Pb年龄[61-62]

      为了识别H4-S2中碎屑锆石的不同来源,本研究对冲绳海槽南部沉积物潜在物源区长江口[53-54]、兰阳河口、浊水溪口[58,60]、闽江口、瓯江口及东海陆架东南侧[55-56]的碎屑锆石数据进行了整理,年龄数据的选取标准与OTS-1、OTS-2一致,潜在物源区共计获取1063个年龄数据,各潜在物源区的位置如图1表3所示。

      表 3  潜在物源区地理位置及数据来源

      Table 3.  Location and data source of potential provenance area

      潜在物源区经度(E)纬度(N)数据来源
      兰阳河口121.80°24.70°文献[58,60]
      浊水溪口120.20°23.80°文献[58,60]
      长江口121.98°31.19°文献[53]
      东海陆架-1122.16°26.79°文献[55]
      东海陆架-2121.82°26.45°文献[55]
      东海陆架-3121.06°25.80°文献[55]
      瓯江口118.00°24.50°文献[56]
      闽江口119.60°26.00°文献[56]
    • 锆石的Th、U质量分数、Th/U值及岩相学特征可以指示其不同的成因类型。一般来说,岩浆锆石具有较高的Th、U质量分数、>0.3的Th/U值以及环带状、长柱状的阴极发光特征;变质锆石具有较低的Th、U质量分数、<0.1的Th/U值及弱分带、冷杉叶状的阴极发光特征。本研究中碎屑锆石的Th/U值大多>0.3,仅有少数<0.1,并且大量的锆石颗粒表现为环带状的阴极发光特征(图23),如上结果指示了本研究中的碎屑锆石大多为岩浆成因,选用岩浆成因的锆石可以用来准确反映锆石颗粒的结晶年龄。

      图  2  H4-S2沉积物碎屑锆石Th/U值

      Figure 2.  Plot of Th/U ratios versus U-Pb ages of detrital zircons from the H4-S2

      图  3  H4-S2沉积物中碎屑锆石阴极发光照片

      Figure 3.  Cathodoluminescence of detrital zircon in H4-S2

      此外,H4-S2沉积物碎屑锆石U-Pb年龄谐和图(图4)指示了90%及以上的碎屑锆石U-Pb年龄均谐和,本研究使用的锆石年龄均为谐和年龄。

      图  4  H4-S2沉积物碎屑锆石U-Pb年龄谐和图

      Figure 4.  Concordia diagram of the single zircon grains from H4-S2

      基于获取的H4-S2中2个层位的碎屑锆石年龄数据及潜在物源区的年龄数据,本研究使用核密度估计图解(Kernel Density Estimation,KDE)方法绘制其年龄谱[63-65]图5)。结果显示,H4-S2中2个层位的碎屑锆石年龄呈多峰态的分布特征,年龄分布区间较为一致,表现为6个主要的年龄区间:200~100 Ma、300~200 Ma、500~300 Ma、1 100~600 Ma、2 200~1 700 Ma和2 800~2 400 Ma。此外,OTS-1层位碎屑锆石的主要年龄峰值出现在120 Ma、221 Ma和1 870 Ma,OTS-2的主要年龄峰值则出现在217 Ma、435 Ma和700 Ma。

      图  5  H4-S2及潜在物源区碎屑锆石的U-Pb年龄谱

      Figure 5.  U-Pb age distribution of sediment core H4-S2 and potential provenances

      为了更好地表现2个研究层位与潜在物源区锆石年龄组成的差异,本研究统计了其主要分布区间的占比(表4)。整体来看,2个层位的碎屑锆石主要分布在显生宙和新元古代,而老于古元古代的碎屑锆石较少。其中,二者在500~300 Ma及2 800~2 400 Ma范围内的比例近似相同,但OTS-1比OTS-2有更多的锆石年龄分布在200~100 Ma(17.24%)和2 200~1 700 Ma(16.09%)区间内,OTS-2则在300~200 Ma(26.09%)和1 100~600 Ma(37.68%)区间内具有更高比例的锆石。

      表 4  H4-S2与潜在物源区碎屑锆石年龄主要分布区间占比

      Table 4.  Percentage of the major zircon U-Pb age groups of the H4-S2 and potential provenance area

      样品号主要年龄分布区间及比例
      200~100 Ma300~200 Ma500~300 Ma1100~600 Ma2 200~1 700 Ma2 800~2 400 Ma
      OTS-117.24%14.94%13.79%28.74%16.09%9.20%
      OTS-25.80%24.64%11.59%37.68%11.59%8.70%
      兰阳河口22.22%15.56%22.22%15.56%15.56%8.89%
      浊水溪口20.69%13.79%9.20%11.49%25.29%19.54%
      长江口11.22%20.41%5.05%39.39%20.20%3.03%
      瓯江口86.57%1.49%0.00%0.00%12.31%0.00%
      闽江口28.63%20.78%31.13%13.23%4.67%1.17%
      东海陆架18.05%21.55%13.78%29.32%10.78%6.52%
    • 作为冲绳海槽南部的潜在物源区,台湾河流(兰阳河口和浊水溪口)、长江口、闽江口、瓯江口及东海陆架沉积物中碎屑锆石的U-Pb年代学特征具有明显的差异(图5表4)。

      图5表4可知,浊水溪口与长江口以更高比例的老于古元古代的碎屑锆石颗粒为特征,而兰阳河口、瓯江口、闽江口及东海陆架则含有更多的显生宙及新元古代碎屑锆石颗粒。具体来看,在200~100 Ma区间,长江口仅有11.22%的颗粒,兰阳河口、浊水溪口及东海陆架的占比均为约20%,而闽江口和瓯江口的占比相对较高(分别为28.63%和86.57%);在300~200 Ma区间,除瓯江口(1.49%)外,其余各物源区含量大致相似;在500~300 Ma区间,各物源区之间有较大差异:瓯江口为0%,长江口为5.05%,浊水溪口为9.2%,东海陆架为13.78%,而占比较高的物源区为兰阳河口(22.22%)和闽江口(31.13%);在1 100~600 Ma区间,各物源区之间亦有较大差异:瓯江口为0%,浊水溪口、闽江口和兰阳河口占比较为类似(分别11.49%、13.23%和15.56%),东海陆架和长江口占比最高(分别为29.32%和39.39%);在2 200~1 700 Ma区间内,各物源区的分布比例也各有不同,但都低于30%,其中浊水溪口和长江口最高(分别为25.29%和20.20%),兰阳河口、瓯江口及东海陆架次之(分别为15.56%、12.31%和10.78%),闽江口最低(4.67%);在2 800~2 400 Ma区间,除浊水溪口外(19.54%),其他所有物源区占比均低于10%。

    • 依据不同潜在物源区沉积物碎屑锆石U-Pb年代学特征,并通过累积年龄分布图进行验证其年龄分布情况[63-65],本研究样品表现为与长江口、兰阳河口以及东海陆架具有相类似的年龄分布,可认为其物质来源受到长江、兰阳河及东海陆架的共同影响(图56)。

      图  6  H4-S2及潜在物源区碎屑锆石U-Pb年龄累积分布图

      Figure 6.  The cumulative age distribution for U-Pb age of sediment core H4-S2 and potential provenances

      其中,OTS-1样品在200~100 Ma、500~300 Ma和1 100~600 Ma区间内的比例与东海陆架类似;在300~200 Ma区间内,与兰阳河口和浊水溪口相似;在2 200~1 700 Ma和2 800~2 400 Ma区间,均与兰阳河口类似。OTS-2与OTS-1在年龄组成上具有较大差异。在200~100 Ma、300~200 Ma区间与各潜在物源区差异较大;在500~300 Ma区间内,其组成情况与东海陆架类似;在1 100~600 Ma区间,与长江口更为类似;在2 200~1 700 Ma区间与东海陆架相近;在2 800~2 400 Ma区间,则表现为与兰阳河口相近的分布特征。

      此外,本研究通过相关性分析进一步揭示了研究区与潜在物源区碎屑锆石年龄区间比例的相关关系(表5),相关系数0.1~0.3为弱相关,0.3~0.5为中等相关,0.5~1.0为强相关。由其结果可知,OTS-1与长江口和东海陆架为强相关,与兰阳河口及闽江口为弱相关;OTS-2与长江口和东海陆架为强相关,并与其他潜在物源区均无相关关系。

      表 5  H4-S2与潜在物源区碎屑锆石年龄分布相关性分析结果

      Table 5.  Correlation analysis results of age distribution for detrital zircon between H4-S2 and potential provenance areas

      OTS-1OTS-2兰阳河口浊水溪口长江口瓯江口闽江口东海陆架
      OTS-11.00
      OTS-20.781.00
      兰阳河口0.21−0.171.00
      浊水溪口−0.30−0.55−0.271.00
      长江口0.910.88−0.07−0.181.00
      瓯江口0.04−0.470.540.42−0.181.00
      闽江口0.10−0.080.90−0.53−0.150.421.00
      东海陆架0.870.830.28−0.530.820.040.361.00

      综上所述,H4-S2中近200年来的碎屑锆石主要来源于东海陆架和长江,兰阳河、闽江对H4-S2亦有物质贡献。

      前人对于冲绳海槽南部沉积物的研究工作,提出早全新世以来(约7.2 ka),以高温、高盐、高流速为特征的黑潮将台湾河流沉积物带入冲绳海槽并且隔绝了东海陆架和长江物质,从而将冲绳海槽南部沉积物的主要物源由古长江和东海陆架演变为台湾河流的观点[22-24]。ODP-1202B孔沉积物的Sr-Nd-Pb特征指示了台湾西部河流沉积物可能在台湾沿岸流的作用下到达冲绳海槽南部[22-24]。不同的是,我们研究指示了近200 a来,海槽南部记录了一定的东海陆架及长江来源的物质,而台湾河流沉积物对研究区的物质贡献并不显著。根据前人的研究结果,长江来源的碎屑锆石在长江冲淡水及闽浙沿岸流的作用下可以广泛分布在东海陆架中[55]。本研究中的相关性分析也指示了长江口与东海陆架的碎屑锆石年龄组成具有极高的相关性(表5),指示了东海陆架沉积物中的碎屑锆石受到长江的显著影响。此外,研究样品与闽江口的碎屑锆石年龄分布具有弱相关性,表明部分闽江沉积物能够进入冲绳海槽南部;海槽南部槽底沉积物的重矿物组成特征也与长江物质及东海陆架类似[66],均指示了长江/东海陆架的沉积物可以通过一定的运移机制到达海槽南部。值得注意的是,冲绳海槽南部在近年来的调查研究中发现了海底热液活动和火山活动,但南部海底热液活动的产物以方铅矿、闪锌矿及黄铁矿为主[67],未见有关锆石的相关报道。同时,海槽南部处于初步扩张阶段,研究区周围存在的火山活动产物主要为基性岩[68]。一般认为,岩浆演化至中酸性时才会产生锆石[69],而在基性火山岩中,锆石并不发育。因此,冲绳海槽南部存在的热液活动与火山活动及其产物对本研究中碎屑锆石的来源不会造成影响,换而言之,本研究中的碎屑锆石均为陆源碎屑物质。

      前人的研究结果认为冲绳海槽南部在近200 a来发生了多次浊流事件[40]。因此,本研究样品记录的长江来源的沉积物可能是通过长江冲淡水和闽浙沿岸流的共同作用,搬运至东海陆架,在重力流的输运下,通过海底峡谷进入海槽南部。由此可知,在冲绳海槽南部的不同区域,其沉积物质来源及物质输运机制可能存在显著差异。浊水溪与研究区样品的负相关表明台湾西部河流对冲绳海槽南部的碎屑锆石不具有物质贡献(表5),这也指示了台湾沿岸流对砂粒级组分沉积物的搬运能力有限。需要着重强调的是,碎屑锆石可能仅指示了砂粒级组分的来源,与前人进行的黏土矿物、全岩地球化学等工作存在认识上的差异并不意味着绝对的物源差异,具体结果仍需要通过结合其他指标进行综合分析。

      碎屑锆石的“源-汇”关系表明,东海陆架既是长江沉积物的“汇”,又是冲绳海槽南部沉积物的“源”。如何在冲绳海槽南部沉积物中区分东海陆架和长江口的物源信号,需要进一步的探讨。

    • (1)冲绳海槽南部沉积物岩芯H4-S2中OTS-1与OTS-2层位的碎屑锆石年龄呈多峰态分布特征,年龄分布区间较为一致,表现为6个主要的年龄区间:200~100 Ma、300~200 Ma、500~300 Ma、1100~600 Ma、2200~1700 Ma和2800~2400 Ma。

      (2)对冲绳海槽南部沉积物岩芯H4-S2中2个层位及潜在物源区的碎屑锆石进行物源判别,认为H4-S2样品在近200 a来记录了一定的东海陆架及长江来源的物质,同时台湾河流沉积物对该样品亦有物质贡献。

      (3)近200 a来东海陆架及长江物质在冲绳海槽南部的出现,指示了该区域存在多种沉积物输运机制,重力流可能是将东海陆架及长江物质由东海陆架搬运至冲绳海槽南部的原因。东海陆架既是长江沉积物的“汇”,也是冲绳海槽南部沉积物的“源”。

      (4)碎屑锆石作为判别现代海洋沉积物质来源的“指针”,因其丰度不高、端元组分不完善,在示踪边缘海沉积物质来源的研究中存在一定困难,但其指示了海洋沉积物中砂粒级组分的物质来源,可能具有特殊的物源指示意义。该“指针”在冲绳海槽南部的应用可以有效结合先前进行的黏土矿物、全岩地球化学等指标的研究结论,有望形成对冲绳海槽南部沉积物质来源的整体认识。

参考文献 (69)

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