引用本文
赵绍华, 刘志飞. 海洋沉积物陆源碎屑粒度分析预处理方法研究. 地球科学进展, 2017, 32(7): 769-780
Zhao Shaohua, Liu Zhifei. A Study of Pretreatment Methods for Terrigenous Grain-Size Analysis of Marine Sediments. Advances in Earth Science, 2017, 32(7): 769-780  
Doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2017.07.0769
Permissions
Copyright©2017, 地球科学进展 编辑部
海洋沉积物陆源碎屑粒度分析预处理方法研究
赵绍华, 刘志飞
同济大学海洋地质国家重点实验室,上海 200092

作者简介:赵绍华(1987-),男,安徽亳州人,博士研究生,主要从事海洋沉积与古气候研究.E-mail:zsh55228@126.com

基金:国家自然科学基金重大研究计划集成项目“南海深海沉积过程与机制”(编号:91528304); 国家自然科学基金重点项目“南海中央海盆中新世以来深水沉积作用及其区域构造与环境演化意义”(编号:41530964)资助
摘要

如何有效去除海洋沉积物中的非陆源物质,同时又能完好保存陆源碎屑,是获得陆源碎屑粒度变化信息的先决条件。利用南海MD190航次的深海岩芯沉积物样品,进行了不同预处理条件下的生源物质去除效果和陆源碎屑粒度分析结果的对比研究。结合显微镜和扫描电镜观察,获得了海洋沉积物陆源碎屑粒度分析预处理方法的新认识。结果显示,对于海洋沉积物中的有机质、碳酸盐和生物硅3种生源组分,依次使用浓度为30%的H2O2水浴60 ℃震荡3 h,0.5%的HCl充分反应1 h,2 mol/L的Na2CO3水浴85 ℃震荡5 h,可以有效去除,并能兼顾去除效率以及相对完好地保存陆源碎屑。研究认为,针对不同类型的沉积物样品进行陆源碎屑粒度分析时,应考虑生源碎屑对粒度结果的实际影响,从而选择合适的预处理方案。即在确保陆源碎屑的粒度分析结果更接近真实分布的情况下,沉积物样品的预处理步骤越少越好,并非一定要去除所有的生源成分。如当生物硅含量低于2%时,其对陆源碎屑粒度分析结果的影响很小,可不用去除。另外,超声可导致部分陆源碎屑的破碎,在粒度分析预处理过程中全程不宜使用。

关键词: 陆源碎屑; 粒度分析; 预处理方法; 生源碎屑; 超声
中图分类号:P736.21 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2017)07-0769-12
A Study of Pretreatment Methods for Terrigenous Grain-Size Analysis of Marine Sediments
Zhao Shaohua, Liu Zhifei
State Key Laboratory of Marine Geology, Tongji University, Shanghai 200092,China

First author:Zhao Shaohua (1987-), male, Bozhou City, Anhui Province, Ph.D student. Research areas include marine sedimentoloy and palaeoclimatology.E-mail:zsh55228@126.com

Fund:Project supported by the National Natural Science Foundation of China “Deep-sea sedimentation process and mechanism in the South China Sea” (No.91528304) and “Deepwater sedimention since the miocene in the central basin of the South China Sea and its regional tectonic and environmental evolution significance” (No.41530964)
Abstract

The prerequisite for obtaining variations of terrigenous grain-size of marine sediments is how to effectively remove non-terrigenous matters and preserve terrigenous particles synchronously. Combined with observations under biological microscope and scanning electron microscope, a comparative study of biogenic debris removal effect and terrigenous grain-size analysis under different pretreatment condition was performed on core sediments, which were retrieved in the South China Sea during the MD190 cruise. Our new results showed that the main three biogenic particles, namely, organic matter, carbonate, and opal in marine sediments could be removed effectively by 30% H2O2 in a stirring water bath at 60 ℃ for 3 h, 0.5% HCl for 1 h, and 2 mol/L Na2CO3 in a stirring water bath at 85 ℃ for 5 h, in turn. Such pretreatments achieved the goals of biogenic debris removal efficiency and relatively well-preserved terrigenous particles. Prior to selecting an appropriate pretreatment method, this study suggested that the actual effects of biogenic detritus on grain-size results of diverse marine sediment samples should be taken into account. If the laboratory data are ensured to be closer to the natural grain-size distribution of terrigenous particles, the removals of all biogenic debris are not always needed, and the less pretreatment processes the better. For example, opal particles have little effect on terrigenous grain-size distribution when their percentage is lower than 2%. Thus, there is no use to remove them from marine sediments before laboratory grain-size analysis of terrigenous particles. Additionally, ultrasonic is not suggested through the whole process of terrigenous grain-size analysis because the strong energy of ultrasonic can lead to the fragmentation of some fragile terrigenous particles.

Keyword: Terrigenous particle; Grain-size analysis; Pretreatment method; Biogenic debris; Ultrasonic.
1 引言

陆源碎屑是世界大洋沉积的重要成分, 其粒度特征是衡量源汇沉积搬运过程中动力强弱最为直接的证据, 也常用于识别海洋沉积环境类型、判定物质运动方式方向和恢复古气候环境演化等[1~7]。在海洋环境中, 陆源碎屑与生源碎屑以及海洋自生矿物混杂堆积在一起, 形成成分复杂且类型不同的沉积物。其中, 生源碎屑主要包括碳酸盐、生物硅和有机质。因此, 若想获得准确可靠的海洋沉积物陆源碎屑粒度变化信息, 就要考虑选择合适的粒度分析预处理方法, 即如何把这些生源碎屑和海洋自生矿物一一有效去除。

然而, 在世界不同海域进行的沉积物陆源碎屑粒度分析, 其预处理过程去除哪些非陆源物质, 选择什么方式, 遵循什么准则, 不同学者使用的预处理方法不同[4~12]。在去除同一种生源组分时, 也有不同的方法及条件, 如去除碳酸盐有使用盐酸(HCl)和醋酸(HAc)之分[7, 8, 13, 14], 去除生物硅的试剂也有碳酸钠(Na2CO3)和氢氧化钠(NaOH)的区别[5, 6, 10, 15, 16], 而且部分研究也没有检测生源碎屑的去除是否彻底。即使在同一研究海域, 海洋沉积物粒度分析的预处理方法非常多样, 没有固定标准, 这里以南海海洋沉积物陆源碎屑粒度分析为例进行具体分析(表1)[4~28]。

南海海洋沉积物中自生矿物含量很小[29], 在陆源碎屑粒度分析预处理过程中一般不考虑去除。对于3种主要生源碎屑, 有学者选择全部去除[13, 17, 18, 20], 也有学者选择完全不除[12, 28], 而大部分学者则选择去除其中的2种或者1种[6~8, 21, 22, 26]。甚至基于南海北部同一个ODP 1144站位沉积物进行的粒度分析, 不同学者的预处理方法也不尽相同[6, 12, 23, 26]。而陆源碎屑粒度分析预处理方法的不同, 势必引起数据结果的差异[30], 尤其在研究同一海域时, 预处理方法的多样性直接导致不同的研究结果之间难以进行有效的对比分析。因此, 有必要进行深入的预处理方法试验研究, 探讨如何处理才能获得最接近陆源碎屑粒度真实分布的粒度分析结果。

本文利用南海MD190航次采集的晚第四纪以来的深海沉积物样品, 使用不同浓度的化学试剂进行去除相关生源碎屑的试验, 并通过控制反应时间, 探索去除生源物质的相对最优条件。同时, 通过对比不同沉积物样品、不同预处理方法条件下陆源碎屑激光粒度分析结果的差异, 试图说明如何选择合适预处理方法及其对海洋沉积物陆源碎屑粒度分析结果的重要性。

表1 南海及世界其他海域沉积物粒度分析预处理方法总结 Table 1 A review of pretreatment methods of sediment grain-size analysis in the South China Sea and other regions
2 材料与方法

为了探索海洋沉积物陆源碎屑粒度分析预处理的合理方案, 本文选择南海北部陆坡断面上2个高质量CASQ(Calypso Square-Cores)沉积岩芯MD12-3428(20° 08.48'N, 115° 49.80'E, 水深903 m)和MD12-3434(18° 49.84'N, 116° 18.89'E, 水深2 995 m)为研究材料。2个岩芯长度分别为10.15 m和8.33 m, 由2012年实施的中法合作航次“ MD190-CIRCEA” (Circulation in East Asian Seas)使用Marion-Dufresne科考船采集。岩芯沉积物为均匀连续且无明显扰动的泥质或者粉砂质沉积, 代表了南海北部正常海洋环境的稳定沉积记录[31]。陆坡上部MD12-3428岩芯由均一的灰色黏土质粉砂组成, 偶见破碎贝壳; 陆坡下部MD12-3434岩芯则由浅灰色— 深灰色黏土组成, 有机质含量相对较高。本次研究所有样品的实验分析均在同济大学海洋地质国家重点实验室完成。

2.1 生源碎屑处理试验

海洋沉积物陆源碎屑粒度分析预处理过程中, 一般优先使用H2O2去除有机质[9, 10, 30, 32]。H2O2在室温(25℃)下与有机质反应缓慢, 而高温时其自身又容易分解产生氧气。为了两者兼顾, 我们选择水浴60℃, 轻微震荡去除有机质。对于反应时间的选择, 通过对比沉积物与H2O2在不同反应时间下烧失量的大小变化来确定。选取陆坡上部MD12-3428岩芯140 cm和560 cm处的2个样品用来测试, 其有机质含量相对较高, 分别为1.0%和1.4%。每个样品称取5份放入150 mL烧杯, 每份湿重约0.2 g, 烘干。加入10 mL去离子水分散后, 再加入10 mL 30%的H2O2放入60 ℃恒温震荡水槽, 轻微震荡以确保充分反应, 反应时间控制依次为1, 2, 3, 4和5 h。反应结束后迅速转入离心管离心, 倒掉上清液, 把残留样品60 ℃烘干、称重。然后磨成粉末装入坩埚, 490 ℃灼烧2 h, 再次称重, 计算烧失量。

海洋沉积物中碳酸盐的去除, 存在使用强酸HCl和弱酸HAc之别。选择使用强酸性的HCl, 反应迅速且去除效果好[10, 14, 16, 30], 但高浓度的HCl有可能同时破坏部分陆源碎屑。相对地, 使用HAc对硅酸盐矿物的损伤较小, 但反应较慢, 需要加热煮沸[8, 13, 15, 17]。考虑到在碳酸盐补偿深度以上的深海沉积物碳酸盐含量很高, 而MD12-3428和MD12-3434这2个岩芯碳酸盐含量平均值分别高达28%和16%[33], 所以我们借鉴黏土矿物分析预处理过程中使用强酸HCl去除碳酸盐的方法[34, 35]。0.5%的稀HCl被证实可以有效地去除沉积物中的碳酸盐成分, 同时也基本上不会破坏陆源碎屑的结构和成分。选取陆坡上部MD12-3428岩芯40 cm和600 cm处2个碳酸盐含量相对较高的沉积物样品(35%和36%), 进一步测试反应所需时间。同样称取约0.2 g湿样, 放入150 mL烧杯, 烘干分散后去除有机质。加入过量0.5%的HCl进行反应, 并使用磁力搅拌器适度搅拌, 以确保充分反应。每10 min提取迅速沉降下来的粗颗粒沉积物, 使用生物显微镜观察碳酸盐去除情况。

生物硅的去除与碳酸盐的去除情况相似, 也存在使用强碱NaOH和弱碱Na2CO3之争, 但相对更为复杂、困难。因为不论是强碱还是弱碱, 对硅酸盐矿物都有不同程度的溶解作用。强碱性的NaOH可以有效去除生物硅[10, 13, 14, 16], 但对陆源碎屑的破坏也相对较强。而弱碱Na2CO3的去除效果可能相对有限, 且需要较长的反应时间[5~7, 15, 20], 但陆源碎屑的破坏也相对较小。由于南海第四纪以来的深海沉积物生物硅含量相对较小, 平均值小于6%[36, 37], 而MD12-3428和MD12-3434这2个岩芯生物硅含量平均值分别仅有2.1%和5.3%[33], 所以这里选择使用弱碱性的Na2CO3去除沉积物中的生物硅, 以尽可能降低对陆源碎屑的损伤。根据Boulay等[5, 6]、Liu等[7]、拓守廷[23]和吴家望[38]等进行粒度分析时选择的生物硅去除条件, 利用MD12-3428岩芯样品, 设计试验进一步探讨更为合适的去除条件。选取400和880 cm处的2个沉积物样品, 其生物硅含量分别为2.7%和2.9%。每个样品称取24份平行湿样, 每份约0.2 g并烘干, 依次去除有机质和碳酸盐。分成3组, 每组8份。3组样品分别加入25 mL的1, 1.5和2 mol/L的Na2CO3溶液, 放入恒温震荡水槽, 控制合适震荡速度保证样品充分反应。每一组8个样品的反应时间分别设定为4, 5, 6, 7, 8, 9, 10和11 h, 反应结束后, 生物显微镜下迅速观察生物硅去除情况。挑选部分反应后的样品清洗至上清液呈中性, 烘干后使用扫描电镜再次确认去除效果。

2.2 粒度分析预处理试验

通过对上述试验结果的分析, 可以确定去除海洋沉积物中每一种生源颗粒的相对最优条件, 但是每个步骤或多或少都会对陆源碎屑造成一定的损伤。如果在不去除某些生源成分的条件下, 也能得到比较接近陆源碎屑粒度的真实分布, 这样就可以在节约实验成本、增加实验效率的同时, 避免过多预处理步骤而产生的误差。本文利用陆坡上部MD12-3428和下部MD12-3434 2个岩芯不同深度的沉积物样品, 又设计了2组对比试验, 进一步确定更为合适的粒度分析预处理方法。所有样品的粒度上机测试, 均使用Beckman Coulter LS230型全自动激光粒度仪完成, 其测量范围为0.4~2 000 μ m。

针对陆坡上部陆源碎屑颗粒相对较粗的MD12-3428岩芯沉积物样品, 依次选取100, 200, 300, 500和700 cm处5个层位的样品进行粒度分析, 其沉积物成分组成见表2。因为碳酸盐含量比较高, 是沉积物中必须要去除的组分, 这里仅设计去除有机质和蛋白石的粒度试验。每个样品分别取5份平行样, 每份湿样约0.2 g, 烘干。第1组只去除碳酸盐; 第2组加入H2O2, 室温放置48 h去除有机质, 然后去除碳酸盐; 第3组恒温水浴震荡去除有机质后, 再去除碳酸盐; 第4组去除所有生源碎屑, 去除有机质条件同第3组; 第5组不去除有机质, 直接去除碳酸盐和生物硅, 去除条件同第4组。

图1 扫描电镜及生物显微镜下的陆源碎屑颗粒及生物碎屑
(a)MD12-3428岩芯沉积物去除生源碎屑后生物显微镜下陆源碎屑颗粒; (b)MD12-3428岩芯沉积物中生物硅和陆源碎屑颗粒生物显微镜下的大小比较; (c)和(d)MD12-3434岩芯沉积物中生物硅和陆源碎屑扫描电镜下的大小比较Fig.1 Terrigenous and biogenic particles under biological microscope and scanning electron microscope
(a) Terrigenous particles of core MD12-3428 after removed biogenic particles under biological microscope; (b) Terrigenous VS. opal particles of Core MD12-3428 under biological microscope; (c) and (d) Terrigenous VS. opal particles of Core MD12-3434 under scanning electron microscope

表2 MD12-3428岩芯陆源碎屑粒度分析试验样品沉积物组成 Table 2 Sediment compositions of selected samples from Core MD12-3428 for grain-size analysis

陆坡下部MD12-3434岩芯生物硅含量明显增高, 一个较大的放射虫或者硅藻可能与数十至数百个陆源碎屑颗粒大小相当(图1b, c)。对此又设计一组对比试验, 进一步研究生物硅对陆源碎屑粒度分析结果的影响。依次选取MD12-3434岩芯0, 200, 400, 600和800 cm处5个层位的样品, 其沉积物成分组成如表3所示。每个样品取4份平行样, 同样每份湿样约0.2 g, 烘干。第1组去除有机质和碳酸盐, 第2~4组统一去除所有生源颗粒, 其中第3组生物硅去除条件同MD12-3428岩芯第4组。考虑到MD12-3428岩芯沉积物中的生物硅含量较低(约2%), 去除生物硅所需反应时间可能相对较少; 而深水MD12-3434岩芯生物硅含量较高, 可能会因为反应时间不足而影响生物硅的去除结果。因此, 对于第3和第4组样品, 生物硅的去除又适当延长了反应时间。

表3 MD12-3434岩芯陆源碎屑粒度分析试验样品沉积物组成 Table 3 Sediment compositions of selected samples from Core MD12-3434 for grain-size analysis
2.3 超声对粒度结果的影响试验

针对预处理过程中是否需要超声及其对陆源碎屑粒度分布的影响, 本文利用MD12-3428岩芯沉积物样品设计试验并进行比较分析。随机选取该岩芯80~92 cm这一段沉积物, 每2 cm一个样品, 共7个样品。每个样品取平行样2份, 按照2.1节的研究结果, 一一去除生源碎屑组分。然后第一组样品在上机测样之前, 充分超声3 min; 另外一组直接上机测试。

3 结果与讨论
3.1 生源碎屑去除条件选择

海洋沉积物中有机质的去除条件, 可根据样品和H2O2在不同的反应时间内残留样品烧失量的变化获得。试验结果显示, MD12-3428岩芯的2个样品去除有机质后的残留物烧失量, 都是在反应时间为3 h时达到平衡(表4, 图2), 说明有机质与H2O2的反应在此时达到平衡。当反应时间为1 h时, 烧失量最小; 反应时间为2 h时, 烧失量已接近稳定; 而反应时间为4 h和5 h时, 烧失量基本稳定, 与3 h的结果相似。但是对于560 cm的沉积物样品, 与H2O2反应5 h后残留物的烧失量仅为6.18%, 数值大小异常, 可能是样品分布不均匀造成的, 不影响整体实验的结果。所以, 最终选择去除有机质的条件为:10 mL 30% H2O2, 60 ℃恒温水浴3 h。

从理论上来讲, 沉积物中有机质与过量H2O2反应生成水、CO2和营养盐之后, 残留样品烧失量应该呈减小趋势, 但本文的试验结果却显示增加趋势(图2), 这说明去除有机质的氧化过程中物质转换可能与理论不符。实际上烧失量的增加, 可能是由于某些矿物颗粒在有机质氧化的过程中形成水合物晶体而引起的, 这部分结晶水只有在高温(600 ℃)条件下才能流失, 而低温(60 ℃)则仅能让残留样品干燥。同时, 在有机质的分解过程中, 也可能发生有机质分子碎片与黏土矿物的嵌合, 即部分有机质进入黏土矿物层间, 形成稳定的有机质黏土复合体[39, 40]。这种复合体与结晶水类似, 也是在高温条件下才能分解, 如蒙脱石层间的有机质, 中低浓度的H2O2并不能将其分解, 升温至350 ℃以后才能逐步把有机质从黏土层内赶出来。因此, 结晶水合物和有机质黏土复合体的存在, 都可能导致残留样品烧失量的增加, 但具体过程如何, 还需要进一步详细研究。

表4 MD12-3428岩芯沉积物样品去除有机质后残留样品烧失量随反应时间的变化及试验过程记录 Table 4 Temporal variations of loss on ignition of residual sediments at Core MD12-3428 after removing organic matter under different reaction time and the procedure record

根据不同反应时间内MD12-3428岩芯沉积物样品与过量0.5% HCl的残留物, 直接通过镜下观察其钙质生物壳体的残留情况, 可以确定沉积物中碳酸盐的去除条件。试验结果表明, 随着反应时间的增加, 钙质生物壳体残留越来越少, 直至消失不见。当反应时间在40 min以内时, 仍然发现有部分有孔虫壳体没有完全溶解。而反应时间为50 min时, 碳酸盐基本完全去除(图1a)。考虑到碳酸含量较高, 为了保证碳酸盐去除干净, 反应时间又适当延长至1 h以上, 即碳酸盐的去除条件为:与过量0.5%的HCl充分反应, 反应时间控制为1 h以上。

图2 MD12-3428岩芯样品去除有机质后残留样品烧失量的时间序列变化Fig.2 Temporal variations of loss on ignition of residual sediments at Core MD12-3428 after removing organic matter under different reaction time

MD12-3428岩芯沉积物样品去除生物硅的试验结果显示, 随着反应时间的增加和Na2CO3浓度的增加, 生物硅的去除效果越来越明显。第1组Na2CO3浓度为1 mol/L的情况, 当反应时间大于11 h时, 镜下显示硅质生物壳体基本去除。第2组Na2CO3浓度为1.5 mol/L的情况, 当反应时间大于7 h时, 镜下显示硅质生物壳体基本去除。第3组Na2CO3浓度为2 mol/L的情况, 当反应时间大于5 h时, 镜下显示硅质生物壳体基本去除。此时, 2 mol/L Na2CO3的浓度(约等于26.9 g/100 g水)已经趋于Na2CO3室温下溶解度的最大值(25 ℃时为33 g/100 g水), 说明反应浓度已接近室温上限。另外, 随着浓度的增加, 反应后样品出现絮凝现象的概率增加, 因此也没有必要继续增加Na2CO3浓度, 再进行去除生物硅的进一步试验。所以, 对于生物硅含量相对较低的MD12-3428岩芯沉积物, 去除生物硅的相对最优条件为:恒温水浴85 ℃, 过量2 mol/L的Na2CO3, 反应时间为5 h。同时, 对反应后的样品进行进一步的扫描电镜检查, 结果也表明该条件下不仅生物硅得到有效去除, 而且陆源碎屑结构也保存良好(图1d)。这种去除生物硅的方法, 在其他海域也有广泛应用[15, 38]。

3.2 沉积物中生源碎屑含量变化与陆源碎屑粒度分析预处理方法选择

陆坡上部MD12-3428岩芯沉积物不同预处理条件下陆源碎屑的粒度分析结果表明, 有机质的影响显著, 是粒度分析必须要除掉的成分; 而蛋白石的影响并不明显, 可以忽略。对比第1组和第3组的粒度分析结果(图3), 可以看出其使有机质含量很低(小于1%, 表2), 但对粒度分析结果的影响也非常显著。以100 cm处陆源碎屑粒度分析结果为例, 2组样品中值粒径相差近10倍, 在300 cm处也有明显差别。有机质通常具有较强的黏附能力, 可以把颗粒较小且具有较强吸附能力的黏土级陆源碎屑聚合在一起, 形成大颗粒物质, 从而引起粒度分析结果显著正偏, 导致陆源碎屑粗组分明显增加的假象。通过第2组和第3组粒度分析结果的对比, 发现常温48 h去除有机质的效果明显差于水浴加热震荡, 即常温下H2O2与有机质的反应极其缓慢, 难以达到完全去除有机质的目的。通过对比第3组和第4组试验的结果, 发现生物硅的存在对陆源碎屑粒度的影响很小, 表现为2组样品粒度频率分布曲线相似(图3)。这可能是因为MD12-3428岩芯沉积物中生物硅颗粒大小, 与陆源碎屑粒径大小相当, 分布区间相似; 同时, 也由于生物硅本身含量相对较低(大部分小于2%), 对陆源碎屑粒度分析结果没有明显影响。前人研究结果也表明当生物硅含量比较低时, 可以忽略生物硅颗粒对沉积物陆源碎屑粒度分析结果的影响[21, 27]。最后, 第5组在不除有机质的条件下, 直接去除碳酸盐和生物硅的结果与第3组和第4组粒度分布相似(图3)。这可能是因为在去除生物硅时, 有机质在85 ℃的相对高温和碱性条件下, 因发生变性而失去黏合能力。同时, 原本聚合在一起的部分陆源碎屑又来不及充分分散, 造成粒度频率分布曲线在中值之后还显示一定的起伏, 表明优先去除有机质的效果比较好。因此, 对于MD12-3428岩芯沉积物样品, 进行陆源碎屑粒度分析时, 直接去除有机质和碳酸盐即可, 可以忽略生物硅的影响。

对于生物硅含量相对较高的陆坡下部MD12-3434岩芯沉积物, 其陆源碎屑粒度分析除了要去除有机质和碳酸盐之外, 生物硅的影响也不可忽视, 应一并去除。MD12-3434岩芯的碳酸盐平均含量达16%[33], 属于粒度分析必须去除的生源组分。有机质含量虽小, 但对于陆源碎屑颗粒相对更为偏细的陆坡下部MD12-3434岩芯, 有机质对粒度的影响可能更为显著, 也必须除掉。根据MD12-3434岩芯沉积物的对比试验结果, 表明生物硅的存在与否对粒度分析的结果影响非常显著, 表现为频率分布曲线和粒度参数数值大小都有明显差别(图4和表5)。

图3 MD12-3428岩芯陆源碎屑不同预处理方法粒度分析结果Fig.3 Results of terrigenous grain-size analysis under different pretreatment procedure at Core MD12-3428

图4 MD12-3434岩芯陆源碎屑不同预处理方法粒度分析结果Fig.4 Results of terrigenous grain-size analysis under different pretreatment procedures at Core MD12-3434

表5 MD12-3434岩芯沉积物中生物硅除与不除陆源碎屑粒度分析结果对比 Table 5 Comparison between grain-size analysis results of opal-free and opal-within terrigenous particles at Core MD12-3434

去除生物硅后, 陆源碎屑颗粒粒度明显偏小, 黏土含量相对较高, 中值粒径和平均粒径均较小。相比之下, 不去除生物硅时, 频率分布曲线有明显的拖尾现象, 在100 μ m前后多出1个粗颗粒峰。陆源碎屑平均粒径明显变大, 数值增加近1倍, 中值粒径也有一定程度的增加。同时, 试验结果也显示, 当去除生物硅的反应时间为5, 7和9 h时, 粒度频率分布曲线整体上没有显著差别(图4)。但是, 考虑到当反应时间较长时, 高温高浓度的Na2CO3溶液可能会导致部分小颗粒硅酸盐矿物的溶解, 以200 cm处的样品粒度结果较为明显。随着反应时间的增加, 该样品陆源碎屑细颗粒组分含量有一定减小, 表现为频率分布曲线在0.4~3.0 μ m粒度区间内的积分面积明显变小。所以, MD12-3434岩芯沉积物样品去除生物硅时, 反应时间设定为5 h即可。综上, 对于深水MD12-3434站位生物硅含量相对较高的岩芯沉积物, 在进行陆源碎屑粒度分析时应去除所有的生源组分。

通过对MD12-3428和MD12-3434 2个岩芯沉积物样品展开的粒度分析预处理方法研究, 可以看出当针对不同类型的沉积物样品进行陆源碎屑粒度分析时, 应根据其生源碎屑含量的差异来选择不同过程的预处理方法。海洋沉积物粒度分析的主要目的是获得陆源碎屑颗粒粒径大小变化的信息, 进而探讨其蕴含的沉积动力及环境变化信息。为了使获得的沉积环境变化信息更为准确, 就要求粒度分析预处理过程中, 要尽量避免破坏陆源碎屑原有形态及颗粒大小[13]。但是, 在去除不同生源碎屑的过程中, 不论是酸处理去除碳酸盐, 还是碱处理去除生物硅, 或多或少都会对陆源碎屑颗粒造成一定的损伤。因此, 在可以确保陆源碎屑的粒度分析比较准确的情况下, 样品的预处理过程越少越好, 不是一定要去除所有的生源碎屑颗粒。以MD12-3428岩芯样品为例, 少量生物硅的存在并没有显著影响到陆源碎屑的粒度组成, 其粒度分析的预处理过程就没有必要必须去除生物硅。

另外, 既然海洋沉积物中生源碎屑含量的多少对陆源碎屑粒度有显著影响, 尤其是有机质, 那么当一种或者多种生源碎屑含量发生变化时, 其去除条件也需要作出相应调整, 即预处理过程发生变化。陆坡下部MD12-3434岩芯沉积物中碳酸盐含量(约16%)明显低于上部MD12-3428岩芯(约28%), 若MD12-3428岩芯沉积物使用过量0.5%的HCl、反应1 h可以完全去除碳酸盐, 那么MD12-3434岩芯样品去除碳酸盐时, 可能只需要50 min就可以完成。而那些分布在碳酸盐补偿深度界面之下的深海沉积物, 由于钙质生物壳体几乎溶解殆尽, 其陆源碎屑粒度分析也就不再需要除碳酸盐。而在硅质生物比较活跃的海域, 沉积物中可能大量存在硅质生物碎屑, 如在南大洋地区[41]。此时, 沉积物陆源碎屑粒度分析的预处理过程, 再使用弱碱Na2CO3去除生物硅, 效率和效果可能都不太理想, 则可以换成强碱NaOH来达到目的。总的来说, 海洋沉积物陆源碎屑粒度分析预处理过程, 即使在同一海域, 也难以唯一。同样以南海北部为例, 研究表明陆坡断面上随着水深的增加, 沉积物中生源碎屑成分组成发生显著变化[33]。而各生源组分含量的相对变化又主导了对陆源碎屑粒度的影响作用大小, 进一步引起陆源碎屑粒度分析预处理方法的改变, 一切以获得陆源碎屑最接近真实分布的颗粒大小变化信息为准则。

3.3 超声对陆源碎屑粒度分析结果的影响

海洋沉积物陆源碎屑粒度预处理过程中超声与否, 一直以来都存在较大争议, 但不可否认的是超声对粒度分析结果具有很显著的影响。样品上机测试之前超声, 可以使陆源碎屑颗粒充分分散[12, 13, 21, 22]。但是, 同时造成易碎矿物的破碎, 如黏土矿物和云母等, 也可以导致含有捕获水矿物颗粒的分解, 如火山玻璃, 从而影响到陆源碎屑粒度的分析结果[6, 42]。根据MD12-3428岩芯80~92 cm这段沉积物陆源碎屑粒度的对比试验结果, 可以看出超声对粒度分析结果影响显著, 频率分布曲线形态及粒度参数在超声前后变化明显(图5, 表6)。当不进行超声时, 7个样品陆源碎屑的粒度频率分布曲线峰态相对尖锐, 粒度分布范围为0.4~200 μ m, 在100 μ m处存在一个小峰, 中值粒径和平均粒径平均值分别为10.61 μ m和16.75 μ m。相比之下, 超声之后的陆源碎屑粒度分布范围略有变窄, 为0.4~130 μ m, 100 μ m处小峰消失, 说明大于100 μ m的部分陆源碎屑颗粒因超声而破碎。而粒度频率分布曲线峰态在超声之后也明显相对更为平坦, 最大体积百分比均有一定减小, 1~2 μ m的细颗粒成分明显增加(图5), 暗示超声可能造成所有陆源碎屑组分均有不同程度的破碎。同时, 中值粒径和平均粒径均明显变小, 平均值分别仅为6.77和12.59 μ m, 平均粒径平均值减小幅度(4.16 μ m)略大于中值粒径(3.84 μ m), 表现为中值/平均粒径比呈现减小趋势(表6), 说明超声之后陆源碎屑分布形态整体向颗粒变细方向迁移, 也说明了超声对粒度分析结果的显著影响。然而, 镜下观察发现, 陆源碎屑经过预处理过程中的适度震荡, 已经充分分散(图1a, b)。这说明即使不超声, 也不会因陆源碎屑的不充分分散而影响到粒度分析结果。所以, 对于第四纪的松散沉积物来说, 陆源碎屑粒度分析与处理过程中不需要进行超声。

表6 超声对MD12-3428岩芯沉积物陆源碎屑粒度分析结果的影响 Table 6 Effect of ultrasound on grain size analysis of terrigenous particles at Core MD12-3428

图5 MD12-3428岩芯陆源碎屑超声后与不超声粒度分析结果Fig.5 Results of terrigenous grain-size analysis under ultrasonic or without ultrasonic at Core MD12-3428

4 结论

利用南海MD190航次采集的深海沉积物样品, 进行了不同预处理条件下的生源物质去除效果和陆源碎屑粒度分析结果的对比研究, 主要获得以下结论:

(1) 南海北部沉积物陆源碎屑粒度分析的预处理过程中, 可按以下顺序及相对最优条件依次去除各生源碎屑:30%的H2O2水浴60 ℃震荡3 h去除有机质, 0.5%的HCl搅拌1 h去除碳酸盐, 2 mol/L的Na2CO3水浴85 ℃震荡5 h去除生物硅, 酸反应或者碱反应之后均需要清洗样品至中性。镜下观察证实, 在有效去除生源碎屑的同时, 又可兼顾效率、避免陆源碎屑的损伤。

(2) 针对不同类型的沉积物样品进行陆源碎屑粒度分析时, 应考虑生源碎屑对粒度结果的实际影响, 进而选择合适的预处理方案。在确保陆源碎屑的粒度分析比较准确的情况下, 样品的预处理过程越少越好, 并非一定要去除所有的生源碎屑颗粒。当生物硅的含量较小时(低于2%), 其对陆源碎屑粒度影响很小, 可不用去除。

(3) 超声造成部分陆源碎屑的破碎, 引起细粒组分显著增加, 在粒度分析预处理过程中全程不宜使用。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] Gao S, Collins M. Net sediment transport patterns inferred from grain-size trends, based upon definition of “tranport vectors”[J]. Sedimentary Geology, 1992, 81(1/2): 47-60. [本文引用:1]
[2] Gao S, Collins M, Lanckneus J, et al. Grain size trends assoc iated with net sediment transport patterns: An example from the Belgian continental shelf[J]. Marine Geology, 1994, 121(3/4): 171-185. [本文引用:1]
[3] McCave I N, Manighetti B, Beveridge S. Changes in circulation of the North Atlantic during the last 25, 000 years inferred from grain size measurements[J]. Nature, 1995, 374(6 578): 149-152. [本文引用:1]
[4] McCave I N, Crowhurst J, Kuhn G, et al. Minimal change in Antarctic circumpolar current flow speed between the last glacial and Holocene[J]. Nature Geoscience, 2014, 7(2): 113-116. [本文引用:2]
[5] Boulay S, Colin C, Trentesaux A, et al. Mineralogy and sedimentology of Pleistocene sediment in the South China Sea (ODP Site 1144)[C]∥Prell L, Wang P X, Blum P, et al, eds. Proceedings of the Ocean Drilling Program, 2003, 184: 1-21. [本文引用:3]
[6] Boulay S, Colin C, Trentesaux A, et al. Sedimentary responses to the Pleistocene climatic variations recorded in the South China Sea[J]. Quaternary Research, 2007, 68(1): 162-172. [本文引用:5]
[7] Liu Z F, Colin C, Trentesaux A, et al. Late Quaternary climatic control on erosion and weathering in the eastern Tibetan Plateau and the Mekong Basin[J]. Quaternary Research, 2005, 63(3): 316-328. [本文引用:4]
[8] Wang L J, Sarnthein M, Erlenkeuser H, et al. East Asian monsoon climate during the Late Pleistocene: High-resolution sediment records from the South China Sea[J]. Marine Geology, 1999, 156(1/4): 245-284. [本文引用:3]
[9] Prins M, Postma G, Weltje G. Controls on terrigenous sediment supply to the Arabian Sea during the late Quaternary: The Makran continental slope[J]. Marine Geology, 2000, 169(3/4): 351-371. [本文引用:1]
[10] Prins M, Bouwer L, Beets C, et al. Ocean circulation and iceberg discharge in the glacial North Atlantic: Inferences from unmixing of sediment size distributions[J]. Geology, 2002, 30(6): 555-558. [本文引用:4]
[11] Praetorius S, McManus J, Oppo D, et al. Episodic reductions in bottom-water currents since the last ice age[J]. Nature Geoscience, 2008, 1(7): 449-452, doi: 10.1038/ngeo227. [本文引用:1]
[12] Hu D K, Böning P, Köhler C, et al. Deep sea records of the continental weathering and erosion response to East Asian monsoon intensification since 14 ka in the South China Sea[J]. Chemical Geology, 2012, (326/327): 1-18, doi: 10.1016/j.chemgeo.2012.07.024. [本文引用:4]
[13] Xie Xin, Zheng Hongbo, Chen Guocheng, et al. Pretreatment method of grain size measurement of marine sediments in paleoenvironment research[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2007, 25(5): 684-692.
[谢昕, 郑洪波, 陈国成, 等. 古环境研究中深海沉积物粒度测试的预处理方法[J]. 沉积学报, 2007, 25(5): 684-692. ] [本文引用:6]
[14] Tjallingii R, Claussen M, Stuut J B, et al. Coherent high- and low-latitude control of the northwest African hydrological balance[J]. Nature Geoscience, 2008, 1(10): 670-675. [本文引用:3]
[15] Hall I, McCave I, Zahn R, et al. Paleocurrent reconstruction of the deep Pacific inflow during the middle Miocene: Reflections of East Antarctic Ice Sheet growth[J]. Paleoceanography, 2003, 18(2): 1 040, doi: 10.1029/2002PA000817. [本文引用:4]
[16] Deplazes G, Lückge A, Stuut J B, et al. Weakening and strengthening of the Indian monsoon during Heinrich events and Dansgaard-Oeschger oscillations[J]. Paleoceanography, 2014, 29, doi: 10.1002/2013PA002509. [本文引用:3]
[17] Chen Guocheng, Zheng Hongbo, Li Jianru, et al. Dynamic control on grain-size distribution of terrigenous sediments in the western South China Sea: Implication for East Asian monsoon evolution[J]. Chinese Science Bulletin, 2008, 53(10): 1 533-1 543.
[陈国成, 郑洪波, 李建如, 等. 南海西部陆源沉积粒度组成的控制动力及其反映的东亚季风演化[J]. 科学通报, 2007, 52(23): 2 768-2 776. ] [本文引用:2]
[18] Zheng Hongbo, Chen Guocheng, Xie Xin, et al. Grain size distribution and dynamic control of late Quaternary terrigenous sediments in the South China Sea and their implication for East Asian monsoon evolution[J]. Quaternary Sciences, 2008, 28(3): 414-424.
[郑洪波, 陈国成, 谢昕, 等. 南海晚第四纪陆源沉积: 粒度组成、动力控制及反映的东亚季风演化[J]. 第四纪研究, 2008, 28(3): 414-424. ] [本文引用:1]
[19] Yang Wenguang, Zheng Hongbo, Wang Ke, et al. Sedmientary characteristic of terrigenous clast of Site MD05-2905 in the northeastern part of South China Sea after 36 ka and evolution of East Asian monsoon[J]. Advances in Earth Science, 2007, 22(10): 1 012-1 018.
[杨文光, 郑洪波, 王可, 等. 南海东北部MD05-2905站36 ka BP以来的陆源碎屑沉积特征与东亚季风的演化[J]. 地球科学进展, 2007, 22(10): 1 012-1 018. ] [本文引用:1]
[20] Zhong Y, Chen Z, Li L, et al. Bottom water hydrodynamic provinces and transport patterns of the northern South China Sea: Evidence from grain size of the terrigenous sediments[J]. Continental Shelf Research, 2017, 40: 11-26, doi: 10.1016/j.csr.2017.01.023. [本文引用:2]
[21] Wan S M, Li A C, Stuut J B, et al. Grain-size records at ODP Site 1146 from the northern South China Sea: Implications on the East Asian monsoon evolution since 20 Ma[J]. Science in China (Series D), 2007, 50(10): 1 536-1 547. [本文引用:3]
[22] Huang J, Li A C, Wan S M. Sensitive grain-size records of Holocene East Asian summer monsoon in sediments of northern South China Sea slope[J]. Quaternary Research, 2011, 75(3): 734-744. [本文引用:2]
[23] Tuo Shouting. High Resolution Sedimentological Record and Its Paleoclimate Study during the Mid-Pleistocene Climate Transition in the Northern South China Sea[D]. Shanghai: Tongji University, 2008.
[拓守廷. 南海北部中更新世气候转型期高分辨率沉积学记录及其古气候研究[D]. 上海: 同济大学, 2008. ] [本文引用:2]
[24] Liu J G, Xiang R, Kao S J, et al. Sedimentary responses to sea-level rise and Kuroshio Current intrusion since the Last Glacial Maximum: Grain size and clay mineral evidence from the northern South China Sea slope[J]. Palaeogeography Palaeoclimatology Palaeoecology, 2016, 450: 111-121, doi: 10.1016/j.palaeo.2016.03.002. [本文引用:1]
[25] Hamann Y, Ehrmann W, Schmied G, et al. Sedimentation processes in the Eastern Mediterranean Sea during the Late Glacial and Holocene revealed by end-member modelling of the terrigenous fraction in marine sediments[J]. Marine Geology, 2008, 248(1/2): 97-114. [本文引用:1]
[26] Tamburini F, Adatte T, Föllmi K, et al. Investigating the history of East Asian monsoon and climate during the last glacial interglacial period (0-140000 years): Mineralogy and geochemistry of ODP Sites 1143 and 1144, South China Sea[J]. Marine Geology, 2003, 201(1/3): 147-168. [本文引用:2]
[27] Zhao Y L, Liu Z F, Colin C, et al. Turbidite deposition in the southern South China Sea during the last glacial: Evidence from grain-size and major elements records[J]. Chinese Science Bulletin, 2011, 56(33): 3 558-3 565. [本文引用:1]
[28] Chen Muhong, Zheng Fan, Lu Jun, et al. Original component of grain size index in core sediment from southwestern slope of the South China Sea and its paleoenvironmental implication[J]. Chinese Science Bulletin, 2005, 50(9): 896-902.
[陈木宏, 郑范, 陆钧, 等. 南海西南陆坡区沉积物粒级指标的物源特征及古环境意义[J]. 科学通报, 2005, 50(7): 684-690. ] [本文引用:2]
[29] Wang P X, Li Q Y, Li C F. Geology of the China Seas[M]. Amsterdam: Elsevier, 2014: 232-259. [本文引用:1]
[30] Konert M, Vand enberghe J. Comparison of laser grain size analysis with pipette and sieve analysis: A solution for the underestimation of the clay fraction[J]. Sedimentology, 1997, 44(3): 523-535. [本文引用:3]
[31] Kissel C, Jian Z, Leau H, et al. MD190-CIRCEA Cruise Report[R]. Les Rapports de Campagne la Mer, IPEV, ref: OCE/2012/01. [本文引用:1]
[32] Gee G, Or D. Particle size analysis[M]∥Dane J, Topp D, eds. Methods of Soil Analysis: Part 4 Physical Methods. Madison, USA: Soil Science Society of America, Inc. , 2002: 255-293. [本文引用:1]
[33] Zhao Shaohua, Liu Zhifei, Chen Quan, et al. Spatiotemporal variations of deep-sea sediment components and their fluxes since the last glaciation in the northern South China Sea[J]. Science China: Earth Science, 2017, 60(7): 1 368-1 381, doi: 101007/s11430-016-9058-6.
[赵绍华, 刘志飞, 陈全, 等. 南海北部末次冰期以来深水沉积物组成及其堆积速率的时空变化特征[J]. 中国科学: 地球科学, 2017, 47(9): 958-971, doi: 10.1360/N072016-00276. ] [本文引用:4]
[34] Liu Z F, Trentesaux A, Clemens S, et al. Clay mineral assemblages in the northern South China Sea—Implications for East Asian monsoon evolution over the past 2 million years[J]. Marine Geology, 2003, 201(1/3): 133-146. [本文引用:1]
[35] Liu Z F, Colin C, Trentesaux A, et al. Erosional history of the eastern Tibetan Plateau over the past 190 kyr: Clay mineralogical and geochemical investigations from the southwestern South China Sea[J]. Marine Geology, 2004, 209(1/4): 1-18. [本文引用:1]
[36] Wang Rujian, Li Jian. Quaternary high-resolution opal record and its paleoproductivity implication at ODP Site 1143, southern South China Sea[J]. Chinese Science Bulletin, 2003, 48(4): 363-367.
[王汝建, 李建. 南海ODP 1143站第四纪高分辨率的蛋白石记录及其古生产力意义[J]. 科学通报, 2003, 48(1): 74-77. ] [本文引用:1]
[37] Wang Rujian, Jian Zhimin, Xiao Wenshen, et al. Quaternary biogenic opal records in the South China Sea linkages to East Asian monsoon, global ice volume and orbital forcing[J]. Science in China (Series D), 2007, 50(5): 710-724.
[王汝建, 翦知湣, 肖文申, 等. 南海第四纪的生源蛋白石记录: 与东亚季风、全球冰量和轨道驱动的联系[J]. 中国科学: D辑, 2007, 37(4): 521-533. ] [本文引用:1]
[38] Wu Jiawang. Sedimentology and Element Geochemistry Records in the Western Pacific Warm Pool during Late Quaternary and Their Paleoenvironmental Significances[D]. Shanghai: Tongji University, 2012.
[吴家望. 西太平洋暖池晚第四纪的沉积学和地球化学记录及其古环境意义[D]. 上海: 同济大学, 2012. ] [本文引用:2]
[39] Schuhen H, Leinweber P, Theng B. Characterization of organic matter in an interlayer clay-organic complexe from soil by pyrolysis methylation-mass spectrometry[J]. Geoderma, 1996, 69(1/2): 105-118. [本文引用:1]
[40] Cai Jingong, Bao Yujin, Yang Shouye, et al. Research on preservation and enrichment mechanisms of organic matter in muddy sediment and mudstone[J]. Science in China (Series D), 2007, 50(5): 765-775.
[蔡进功, 包于进, 杨守业, 等. 泥质沉积物和泥岩中有机质的赋存形式与富集机制[J]. 中国科学: D辑, 2007, 37(2): 234-243. ] [本文引用:1]
[41] Dutkiewicz A, Callaghan S, Müller R. Controls on the distribution of deep-sea sediments[J]. Geochemistry Geophysics Geosystems, 2016, 17(8): 3 075-3 098, doi: 10.1002/2016GC006428. [本文引用:1]
[42] Trentesaux A, Recourt P, Bout-Roumazeilles V, et al. Cabonate grain-size distribution in hemipelagic sediments from a laster particle sizer[J]. Journal of Sediment Research, 2001, 71(5): 858-862. [本文引用:1]