2018, Vol. 48
2. 中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100;
3. 海洋科学与技术青岛协同创新中心，山东 青岛 266100;
4. 国家海洋局第一海洋研究所海洋生态中心，山东 青岛 266237
同近海沉积相比，深海沉积远离大陆，受河流和人类影响相对较小。因此，深海沉积物更加完好地记录和保存了地球气候、环境、地质、生物的演化信息。追踪深海沉积物中的元素含量、组合、分布及其存在形式是研究沉积物的来源、搬运形式、沉积的物理、化学乃至气候环境、沉积机理等方面的主要方法[1]。深海沉积物中的有机碳既是研究古生产力、古气候和古环境变化的关键参数，也是研究全球碳循环不可或缺的组成部分[2]。深海沉积物中的微体化石是划分地层确定地质年代的重要依据，也是了解深海环境和海盆发育历史的重要手段[3]。
雅浦海沟位于菲律宾海板块、太平洋板块和卡罗琳板块的交界处，北邻马里亚纳海沟，西南接帕劳海沟，东侧面向卡罗琳海岭，最深点达8 527 m，是世界最深的海沟之一。海沟内存在低温流体和冷泉生物群落[4]，是研究生物群落对极端环境适应机制和生命过程的理想场所。自二十世纪七十年代以来，国内外先后对雅浦海沟的岩石组成、水流运动、地质构造与演化等方面进行了研究[5-8]。作为深渊生物群落最重要的底栖环境，雅浦海沟沉积物对其中特有的生态系统不断地提供着物质和能量。因此，雅浦海沟深渊(水深4 000~6 000 m)和超深渊(水深6 000 m以下)沉积物组成和分布的分析对海沟内底栖生物的研究具有重要意义。然而，由于取样困难，雅浦海沟沉积物的生物地球化学特征至今仍未有相关报道。
本文首次对取自雅浦海沟深渊和超深渊的2个柱状沉积物的含水率、化学元素、总有机碳和生物化石等参数进行了测定，掌握了它们的垂直分布规律，并进一步分析了这些沉积物的物质来源和氧化还原环境，讨论了生物化石变化与地形结构、深海环流和地质运动的关系。本研究能够为中国深渊和超深渊的生物地球化学研究提供一定的技术借鉴和基础数据积累。
1 样品的采集与分析 1.1 样品的采集2016年5月“向阳红09”号科考船搭载的“蛟龙号”载人潜水器执行中国大洋37航次(蛟龙号实验性应用航次)考察，在雅浦海沟北段采用金属多管和下潜方式分别获取37I-Yap-S02站位(138°49.2′E, 9°38.7′N, 4 568 m)和Dive113站位(138°39.41′E, 9°51.93′N, 6 578 m)的沉积物样品，图 1是研究区域的地理信息与站位分布图。
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图 1 研究区域地理信息、站位分布和地形剖面图[9] Fig. 1 Geographic information of the study area, the sampling stations and topographic profile[9] |
“蛟龙号”由“向阳红09”回收后，采集的沉积物样品在现场立即以1 cm每层的方式切分置于密封袋中，混匀后于-20 ℃冷冻保存。37I-Yap-S02站位和Dive113站位均位于雅浦海沟东侧坡壁，卡罗琳海岭一侧，其中37I-Yap-S02站位坡度较缓，在4 000~4 750 m的宽大平面上；Dive113站位坡度较大，在6 000 m以下的超深渊地带。除37I-Yap-S02站位最上层含有少量的黑色锰结核矿物外，沉积物整体较松散，呈黄褐色，手感滑腻，无粗糙感。
1.2 沉积物各参数的分析 1.2.1 含水率取5 g左右的湿样沉积物，在1-4LDPLUS型真空冷冻干燥机中干燥48 h，恒重，计算含水率。干燥后，Dive113站位沉积物呈土黄色，37I-Yap-S02站位沉积物自上而下由土黄色逐渐变为白色。将研磨后的样品分为两组，一组过100目塑料筛用于元素含量的测定，一组过100目钢筛用于总有机碳和扫描电镜分析。
1.2.2 元素分析元素含量的测定采用改进的微波等离子体原子发射光谱法[10]。具体步骤如下：取100 mg研磨过筛后的样品于MDS-6G型多通量密闭微波仪中，加入5 mL硝酸、2 mL高氯酸和2 mL氢氟酸，以10 ℃/min升温程序加热至200℃，维持10 min。冷却后加入2 mL盐酸，于电热板上加热，根据消解情况，适量补加氢氟酸，直至消解完全。将溶液蒸发到不足1 mL，此时溶液呈现淡黄色，冷却后为白色结晶物，用稀硝酸(V硝酸:V水=1:7)定容至10 mL，由ICAP-6300等离子体发射光谱仪测定其含量。元素标准为多金属元素混标溶液(GSB 04-1767-2004，国家有色金属及电子材料分析测试中心)和钙离子单标溶液(GSB 04-1720-2004，国家钢铁材料测试中心钢铁研究总院)。
1.2.3 总有机碳(TOC)总有机碳的测定采用原位酸洗法[11]和元素分析仪相结合的方法。具体步骤如下：取研磨过筛后的粉末100 mg左右于玻璃离心管中，滴加稀盐酸(V盐酸:V水=1:5)，至不再产生气泡或粉末被液体恰好完全浸没，轻轻晃动使反应充分，然后在鼓风干燥箱中60 ℃烘干，24 h后取出并恒重，轻轻研磨后用铝箔纸包裹，存于干燥器中备用。测定时，迅速称取10~30 mg样品于锡杯中，用EA2000元素分析仪测定含量。因去除无机碳前后，粉末质量发生变化，有稍微增加，TOC含量需要进行质量因子校正，公式如下：
| $ {\omega _{{\rm{TOC}}}} = \frac{{m' }}{m} \times \omega 。$ |
式中：ωTOC为海洋沉积物的TOC含量，%；m为称取的沉积物质量，g；m′为去除无机碳的沉积物质量，g；ω为元素分析仪直接测定的TOC含量，%。
1.2.4 沉积物样品的扫描电镜观察取少量样品于铅块上，经过吹扫、吸尘、喷金，利用Quanta 200型环境扫描电镜对沉积物的大致形貌进行观察，加速电压为20 kV，选取合适的放大倍数对多个视野进行扫描，并保存图像。根据化石的形貌，对化石进行鉴别。
2 结果 2.1 含水率37I-Yap-S02站位沉积物(0~8 cm)含水率范围为54%~75%，平均值为64%；Dive113站位沉积物(0~8 cm)含水率范围为74%~81%，平均值为77%，见表 1。
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表 1 雅浦海沟37I-Yap-S02站位和Dive113站位柱状沉积物六种常量元素含量表 Table 1 The contents of six major elements of the columnar sediments from the 37I-Yap-S02 and Dive113 stations in the Yap Trench |
图 2是37I-Yap-S02站位和Dive113站位沉积物含水率的垂直分布图。从图中可知，37I-Yap-S02站位沉积物含水率随深度增加不断减小，且变化范围较大，在4 cm处发生突然转折，含水率减小近10%；Dive113站位沉积物含水率随深度增加先缓慢减小后维持不变，整体变化范围很小。
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图 2 雅浦海沟37I-Yap-S02站位和Dive113站位柱状沉积物含水率的垂直分布图 Fig. 2 Vertical distribution of the water content of the columnar sediments from the 37I-Yap-S02 and Dive113 stations in the Yap Trench |
本研究共测定了Al、Ca、Fe、Mg、Mn、Ti、Ba、Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Sr、V和Zn共15种金属元素在沉积物中的含量，见表 1和2。其中Al、Ca、Fe、Mg、Mn和Ti是沉积物中的常量元素，其余属于微量元素(包括痕量元素)。
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表 2 雅浦海沟37I-Yap-S02站位和Dive113站位柱状沉积物9种微量元素含量表 Table 2 The contentsof nine trace elements of columnar sediments from the 37I-Yap-S02 and Dive113 stations in the Yap Trench |
从表 1中可得，37I-Yap-S02站位沉积物常量元素中Ca含量随深度的增加而增加，其余元素含量随深度增加而减小，从上到下元素含量变化范围较大；Dive113站位常量元素含量随深度增加基本不变。
由表 2可得，37I-Yap-S02站位沉积物中的微量元素，除Ba和Sr外，其余元素含量随深度增加而减小。随着深度增加，Sr含量一直增加，Ba含量先增加后减小。Dive113站位沉积物中的的微量元素含量随深度增加基本不变。
总体上，37I-Yap-S02站位沉积物Ca、Sr和Ba含量远大于Dive113站位站位Ca、Sr和Ba元素含量。
2.3 总有机碳经过元素分析仪的测定，总有机碳含量如表 1所示，实验中并未检测到有机氮，说明有机氮含量低于检测限或含氮有机物已经完全分解。37I-Yap-S02站位沉积物总有机碳含量范围为0.07%~0.36%，平均值为(0.16±0.01)%；Dive113站位沉积物总有机碳含量范围为0.30%~0.39%，平均值为(0.35±0.02)%。
图 3是雅浦海沟37I-Yap-S02站位和Dive113站位柱状沉积物总有机碳含量的垂直分布图。从图上可知，37I-Yap-S02站位总有机碳随深度增加先迅速减小，之后在深度4~7 cm保持基本不变，到7 cm时又开始增加。Dive113站位总有机碳含量随深度增加变化不大，且有一定的波动性，但其含量明显高于37I-Yap-S02站位。
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图 3 雅浦海沟37I-Yap-S02站位和Dive113站位柱状沉积物总有机碳含量的垂直分布图 Fig. 3 Vertical distribution of total organic carbon content of the columnar sediments from the 37I-Yap-S02 and Dive113 stations in the Yap Trench |
图 4是37I-Yap-S02站位和Dive113站位沉积物表层(0~1 cm)和底层(7~8 cm)的扫描电镜图像。自上而下沉积变化如下：37I-Yap-S02站位沉积物由含硅质黏土逐渐向钙质软泥过渡，Dive113站位沉积物始终是硅质软泥。37I-Yap-S02站位沉积物具体的变化规律如下：0~2 cm，沉积物主要是黏土，含有硅藻、放射虫和海绵骨针，以Ethmodiscus rex硅藻碎片为主，有少量的圆筛藻、蜂窝三角藻；2~4 cm，钙质化石出现，而硅质化石不断减少；5~8 cm，是由盘星石、角状石和颗石构成的钙质软泥。沉积物中有块状碳酸钙，自上而下逐渐增加；未发现海洋沉积物中常见的有孔虫。Dive113站位沉积物是以硅藻、放射虫和海绵骨针为主的硅质软泥。硅藻主要是Ethmodiscus rex碎片，放射虫以罩笼状、球形为主，海绵骨针主要是单轴和四轴骨针。
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图 4 雅浦海沟37I-Yap-S02和Dive113站位沉积物表层(a/c)和底层(b/d)扫面电镜图 Fig. 4 Images of the surface(a/c) and bottom(b/d) sediments from 37I-Yap-S02 and Dive113 stations in the Yap Trench by scanning electron microscopy |
37I-Yap-S02站位和Dive113站位沉积物相比，前者含水率明显低于后者。如果仅考虑海水对沉积物的压力作用，Dive113站位沉积物较37I-Yap-S02站位沉积物所承受的压力高出近200个大气压，沉积物应更加密实，含水率应该较低。由此可见，海水压力并不是两站位沉积物含水率的决定性因素。沉积物的含水率还受其组成、粒度、空隙大小和水流方向等因素的影响。因此，两站沉积物的组成、粒度或空隙大小应有很大的差异。此现象的原因可能是37I-Yap-S02站位和Dive113站位沉积物的平均粒径相差较大引起，尤其是37I-Yap-S02站位沉积物在4 cm深度时平均粒径发生了很大变化。这与图 4中扫描电镜的结果也是一致的，2个站位的黏土和化石含量以及化石组成差异较大。
海洋沉积物中，Ca主要存在形式是硅酸盐和碳酸钙，而硅酸盐为主的深海黏土Ca含量远低于37I-Yap-S02站位沉积物Ca含量平均值9.83%。沈华悌等[12]通过对中太平洋海盆(7°N~12°N，166°N~178°W)的碳酸钙含量测定，发现碳酸盐补偿深度(CCD线)在5 200 m附近。因此，该站位Ca应以碳酸钙为主，即雅浦海沟的CCD线应位于4 568 m以深。在CCD线以上的海洋沉积物，大量的碳酸钙沉积往往导致其他元素含量的降低，即碳酸钙的“稀释作用”，尤其是钙质软泥沉积，碳酸钙含量大于30%[13]。Dive113站位对应深度远大于CCD线，Ca的存在形式只能是硅酸盐，沉积物中六种常量元素随深度增加基本保持不变。若37I-Yap-S02站位消除碳酸钙的干扰，元素含量与Dive113站位表层沉积物更为接近，这种现象表明该站位可能受地形影响发生了重力流沉积，导致表层沉积物的堆积。Dive113站位的有机碳随深度变化不大的特征也表明可能发生了重力流沉积。此外，Dive113站位沉积物总有机碳明显高于37I-Yap-S02站位，表明海沟的“V”型地形有利于有机碳的埋藏[14-15]。由于板块的俯冲作用，这部分有机碳可能会进入到地球内部，使海沟成为有机碳从生物圈进入地球内部的重要通道。
3.2 沉积物源和氧化还原环境深海沉积物的来源主要包括生物源、火山源、陆源、自生源和宇宙源。因常量元素占比较大，所以常用于海洋沉积的物源分析。在深海沉积中，Al主要是以铝硅酸盐的形式存在，是典型的陆源碎屑元素。雅浦海沟37I-Yap-S02和Dive113站位柱状沉积物中Al元素的平均值分别为3.91%和5.16%，显著低于太平洋深海黏土铝含量的平均值8.79%[16]，因此雅浦海沟沉积物并非典型的深海黏土沉积。37I-Yap-S02沉积物中“亲生物元素”Ca、Sr和Ba含量较高，表明沉积物中生物源占比较大[17-18]。
为了避免个别物质(如碳酸钙)含量较大产生的“稀释作用”，采用元素比值法进一步分析沉积的物质来源。若以太平洋深海黏土(PPC)指示陆源，以太平洋拉斑玄武岩(ATP)指示火山来源，以太平洋底栖附浊层(BNL)指示生物源[19]，则雅浦海沟37I-Yap-S02和Dive113站位柱状沉积物中部分元素比值如表 3。以Fe/Al=0.61代表陆源，0.73代表火山源，1.56代表生物源，可以看出37I-Yap-S02和Dive113站位Fe/Al的值都介于0.70~0.92之间，但更偏向0.73，尤其是37I-Yap-S02站位平均值即为0.73，因此该区的沉积物来源主要是火山源和生物源。其中，火山源物质可能来自附近相对活跃的马里亚纳火山弧。而以Ti/Al=0.06代表陆源，0.10代表火山源，0.12代表生物源，37I-Yap-S02和Dive113站位沉积物应该来自陆源。扫描电镜分析发现沉积物中生物残体比重较大，而铁是生物的半微量元素，铝和钛受生物影响较小，因此导致Fe/Al比值较Ti/Al比值偏向生物源。
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表 3 雅浦海沟沉积物的部分元素比值表 Table 3 Comparisons of the proportion of some elements in the Yap Trench sediments |
沉积物的微量元素沉积过程受到生物的和非生物的干扰，而非生物的沉积因水体的氧化还原环境不同，导致了不同的元素富集程度不同[20]。因此，可以利用微量元素的比值来重构古沉积的氧化还原条件。常常把Ni/Co=5、V/Cr=2作为氧化环境和贫氧环境的界限[21-22]，低于此值为氧化环境，高于此值为贫氧环境。由表 3得到，37I-Yap-S02和Dive113站位沉积物Ni/Co值上下变化不大，平均值分别为3.27和3.01，均低于5；V/Cr的平均值分别为1.35和1.62，均低于2。所以，雅浦海沟37I-Yap-S02和Dive113站位沉积环境均是氧化环境，这可能跟南极富氧底层水的流入有关[6]。
结合扫描电镜的结果表明，雅浦海沟37I-Yap-S02和Dive113站位表层(0~8 cm)沉积物主要来自生物源、陆源和火山源，表层有少量的自生锰结核生成，海沟底部可能存在南极深层水的输送，6 500 m深度以上均为氧化水体，这与航次中采取的4 000~5 917 m水样溶解氧浓度范围为5.1~5.8 mg/L相一致。
3.3 沉积历史CCD线以上的37I-Yap-S02站位下层(下4 cm)均出现了明显的盘星石和角状石沉积。盘星石是划分第三纪和第四纪沉积的标志化石[23]，因此37I-Yap-S02站位下层沉积为第三纪沉积。在超过450个大气压压力下，碳酸钙遇热很容易溶解甚至分解。因此，钙质化石能大量沉积并保存下来，既表明了第四纪以来雅浦海沟没有大规模的火山活动，也表明了卡罗琳海岭向菲律宾海板块俯冲导致了水深增加，这与目前的研究成果是一致的[24]。沉积物中盘星石以六枝为主，枝长且弯曲，似伞状，根据盘星石的演化过程和形态分析应为布劳沃盘星石(Discoaster brouweri)。Discoaster brouweri在地层中首次出现是在第三纪的中新世时期，刚开始以六星占绝大多数，到上新世三星、四星、五星已普遍存在，在其彻底灭绝前，即上新世末期，又突然变为六星占优势[25]。角状石最早出现在晚中新世时期，至早更新世后就灭绝，是中新世和上新世的典型化石。因此，本研究的沉积上限应该是第三纪的上新世末期到第四纪的更新世早期，大约250万年前。
37I-Yap-S02站位上层和Dive113站位硅藻化石是以Ethmodiscus rex藻碎片为主，Ethmodiscus rex藻属于暖水远洋种，是典型的巨型“树荫种”硅藻，有很强的抗溶性，能沉积到很深的海沟中[26-28]。西北太平洋Ethmodiscus rex藻沉积范围较广，附近的帕里西维拉盆地、马里亚纳海沟等均有发现，已取得大量的研究资料。王开发等[26]研究了JL7KGC05孔的硅藻化石及其组合，认为Ethmodiscus rex沉积形成于晚第四纪；熊志方和翟滨等[27-28]通过帕里西维拉盆地的硅藻席沉积样品，并对其进行定年分析，认为Ethmodiscusrex沉积形成于末次冰期晚期，并且主要产生于末次冰期的极盛期。所以，雅浦海沟37I-Yap-S02和Dive113站位上层沉积层可能是更新世末期以来的沉积。
综上所述，雅浦海沟沉积层出现了第三纪末期到末次冰期近250万年的沉积间断。沉积间断的产生往往与深海环流和滑坡有密切的关系，雅浦海沟狭窄陡峭的地形决定了两者对沉积层影响都较大。更新世最典型的特点就是冰期和间冰期之间深海环流存在明显的交替变化，当间冰期时，深海环流强；冰期时，深海环流弱[29]。冰期和间冰期不断的循环，不利于沉积层在海沟坡壁的堆积。最新的研究表明，深海环流在270万年突然变化，转变成目前的深海环流模式[30]，这有可能就是雅浦海沟底层流形成的时间点。而末次冰期，深海环流较弱，有利于沉积发生，尤其是“新仙女木”事件的发生，很多学者认为深海环流突然中断[31]。考虑到雅浦海沟的“V”型地形结构，有可能发生大规模的滑坡，但恰好留下第三纪末期的钙质超微化石沉积，可能性较低。因此认为雅浦海沟内存在的深海流不利于沉积发生，其沉积速率很低，而上层的硅质沉积很容易受到重力流影响而再堆积于更深处，海沟内的沉积可能是深海环流和重力流共同影响的结果。
4 结论(1) 雅浦海沟沉积物主要来自生物源、陆源和火山源，海沟底层属于氧化环境，可能跟南极底层水的输入有关。
(2) 雅浦海沟CCD线位于4 568 m以深。随深度增加，37I-Yap-S02站位沉积物由硅质黏土沉积向钙质软泥沉积过渡，4 cm以下保存大量的第三纪末期的盘星石、颗石和角状石，表明了第四纪以来雅浦海沟无大规模的火山地震活动；Dive113站位沉积物始终是硅质软泥(0~8 cm)，主要由硅藻、放射虫和海绵骨针构成，可能是海沟“V”形结构导致的重力流沉积。
(3) 海沟“V”型地形结构有利于有机碳埋藏，板块间的俯冲作用可能使海沟成为生物圈层有机碳进入地球内部的重要通道。
(4) 根据典型的Discoaster brouweri和大量的Ethmodiscus rex藻碎片判断沉积层存在第三纪末期到末次冰期的沉积间断，这可能与深海环流或重力流滑坡有关，也可能是两者共同作用的结果。
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