刘春莲, 吴洁, 杨婷婷, FranzTF#cod#x000fc;rsich, 张素青. (2011)珠江三角洲南部晚第四纪环境变化的稀土元素记录* [J]. 古地理学报, １３(２): 221-228
Liu Chunlian, Wu Jie, Yang Tingting, Franz T F#cod#x000fc;rsich, Zhang Suqing. (2011)Rare earth element records from core sediments of southern Pearl River Delta: Geochemical response to palaeoenvironmental changes during the Late Quaternary[J]. Journal Of Palaeogeography, １３(２): 221-228. DOI:  
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珠江三角洲南部晚第四纪环境变化的稀土元素记录*
刘春莲1,2, 吴洁1,2, 杨婷婷1, FranzTFürsich3, 张素青1
1 中山大学地球科学系,广东广州 510275
2 广东省地质过程与矿产资源探查重点实验室,广东广州 510275
3 Geozentrum Nordbayern,FG Paläoumwelt der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen,D-91954 Erlangen,Germany

第一作者简介：刘春莲,女,1956年生,毕业于南京大学,在德国Würzburg大学获得博士学位。现为中山大学地球科学系教授,博士生导师。目前主要从事古生态学与古环境学研究。E-mail: eeslcl@mail.sysu.edu.cn。

收稿日期:2010-06-15
基金:*国家自然科学基金项目(编号:40872024、40331007),德国学术交流中心(DAAD)与中国国家留学基金委(CSC)国际合作交流项目联合资助
摘要

珠江三角洲南部平原 PRD05孔稀土元素( REE)的分布特征与晚第四纪沉积环境变化密切相关。随着不同时期沉积环境的波动,稀土元素分布也发生相应的变化。约 31000 cal a BP 以前,研究区发育河流环境,受矿物组成和沉积物粒度的影响,􀰐 REE含量偏低,且重稀土元素( HREE)相对富集。 31000— 16600 cal a BP 期间,􀰐 REE含量明显高于前一阶段,并显示轻稀土元素( LREE)富集;稀土元素分布模式表现为河口半咸水环境特征;其上部沉积物经历了末次冰盛期的风化作用,稀土元素分布模式与下部近平行,但 LREE的富集程度略高。 16600— 10300 cal a BP 为冰后期海平面上升初期,研究区发育沼泽环境,由于有机质含量高而导致稀土元素含量普遍较高。 10300— 5600 cal a BP 为全新世海侵期,研究区持续发育河口湾—浅海环境,其􀰐 REE含量总体较高,并显示 LREE富集;随着水体深度和盐度条件发生多次波动,稀土元素分布特征也表现出小幅度变化。 5600 cal a BP 以来,河流作用逐渐增强,并受到潮汐作用间歇性影响,其􀰐 REE含量显著下降,但波动频繁。

关键词: 珠江三角洲; 稀土元素; 晚第四纪; 古环境
中图分类号:P534.63 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2011)02-0221-08
Rare earth element records from core sediments of southern Pearl River Delta: Geochemical response to palaeoenvironmental changes during the Late Quaternary
Liu Chunlian1,2, Wu Jie1,2, Yang Tingting1, Franz T Fürsich3, Zhang Suqing1
1 Department of Earth Sciences, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275,Guangdong
2 Guangdong Provincial Key Laboratory of Mineral Resources & Geological Processes,Guangzhou 510275,Guangdong
3 Geozentrum Nordbayern,FG Paläoumwelt der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen,D-91954 Erlangen,Germany

About the first author：Liu Chunlian,born in 1956,is a professor of the Department of Earth Sciences,Sun Yat-sen University,with a Ph.D.degree obtained from the University Würzburg,Germany.She is currently engaged in palaeoecology and palaeoenvironment.E-mail: eeslcl@mail.sysu.edu.cn >.

Abstract

The rare earth element(REE)distribution in Core PRD05 is closely related to sedimentary environmental changes during the Late Quaternary in the southern Pearl River Delta.Before approximately 31 000 cal a BP,a fluvial setting developed in the study area.The sediments have a lower REE concentration and show HREE enrichment,which are effects of grain size and heavy mineral concentration.The sediments dated to 31000 to 16600 cal a BP were possibly deposited in a brackish-water environment,with a high REE and a clear enrichment of LREE relative to HREE.The upper part of these sediments underwent subaerial weathering and erosion during the last glacial maximum.Their REE pattern is subparallel to that of the lower part of sediments,with a slightly higher enrichment of LREE.During the first phase of the postglacial sea-level rise(from around 16600 to 10300 cal a BP),a swamp environment developed in the study area.Organic-rich conditions resulted in high REE concentrations.Since 10300 cal a BP,an estuarine environment with short-term fluctuations developed and persisted until 5600 cal a BP.Correspondingly,the sediments generally exhibit an enrichment of REE,particularly LREE.A fluvial environment developed at around 5600 cal a BP,and was succeeded by an alluvial plain setting with occasional tidal influence.REE concentrations strikingly decreased and frequently fluctuated.

Key words: Pearl River Delta; rare earth element; Late Quaternary; palaeoenvironment

河口区处于海陆过渡地带, 河、海两大动力作用所导致的物理化学过程对控制该地区沉积物地球化学特征发挥了重要作用(Borrego et al., 2005; Hannigan et al., 2010)。对河口沉积物稀土元素(REE)的分析有助于认识河口系统海陆相互作用及其所引起的一系列环境变化(Hannigan et al., 2010)。在河口地区, 沉积物稀土元素含量不仅受物源、粒度和矿物组成等因素的影响, 而且海陆相互作用也发挥了重要作用。研究区晚第四纪期间物源大致相同, 故河水与海水的混合过程影响更为显著。由于盐导胶体絮凝作用, 大量稀土元素、尤其是轻稀土元素(LREE)从水体中去除而转入沉积物中, 从而导致沉积物中稀土元素富集(Hoyle et al., 1984; Sholkovitz, 1995; Nozaki et al., 2000)。具体而言, 在水体盐度相对较低的条件下, 轻稀土元素通常优先从水体中去除; 在水体盐度相对较高的条件下, 重稀土元素(HREE)易于沉淀进入沉积物中(Sholkovitz and Szymezak, 2000)。因而, 在河口沉积物中, 稀土元素、尤其是轻稀土元素含量往往表现为高值。珠江口地区晚第四纪期间经历了多次古环境变迁, 其中包括两次海侵旋回, 分别发生于晚更新世和全新世, 形成了两套海侵层序(M1、M2)(徐明广等, 1986; 赵焕庭等, 1987; 蓝先洪, 1996; Zong et al., 2009)。海侵期间, 广泛发育半咸水河口湾环境。尽管以往对珠江口地区晚第四纪以来的海平面与古环境变化已做过不少工作(黄镇国等, 1982; 徐明广等, 1986; 马道修等, 1988; 方国祥等, 1991; 蓝先洪, 1991, 1996; 李平日等, 1991; Zong et al., 2009), 但从稀土元素地球化学角度揭示该地区晚第四纪以来的古环境变化仍是空白。文中以取自珠江三角洲南部平原的岩心沉积物为分析材料, 结合沉积特征和微体古生物证据, 首次对珠江口地区晚第四纪沉积物的稀土元素分布特征及其与环境变化的关系进行了研究。

1 采样与方法

在珠江三角洲南部的大鳌平原获得2个钻孔(PRD04和PRD05), 其中, 仅PRD05孔(113° 11'02″E, 22° 31'24″N)(图 1)揭穿了第四系, 因而, 文中选择其作为分析对象。PRD05孔深34.99m, 其中34.56m以下为基岩。

图1 珠江三角洲南部PRD05钻孔位置Fig.1 Location of Core PRD05 in the southern Pearl River Delta

自孔深3.30m至31.38m采集126个样品用于稀土元素分析。样品处理流程为:样品干燥后, 研磨成分析级粉末; 称取粉末样品0.2 g, 置入烧杯中; 加入HNO3(5, mL)、HF(10 mL)和HClO4(2 mL); 将样品加热并蒸干至白烟冒尽; 再加入HNO3(5 mL), 定容至容量瓶中。稀土元素测试在中国地质大学(北京)地学实验中心采用电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)完成, 相对标准偏差一般小于5%。

共取204个样品用于粒度分析。将50 g湿样置于烧杯中, 加入双氧水和稀盐酸, 然后用水清洗、烘干。对于粒径小于2000μ m的组分, 采用Mastersizer 2000激光粒度分析仪测试。取干样2, g, 加水稀释, 用仪器自带超声波振荡15 min后上机测试。每个样品测试3次, 测试结果取平均值。对于粒径大于2000μ m的组分, 采用筛分法分析。两部分数据利用仪器仿真文件合并获得完整的粒度数据。

微体化石分析方法以及14C年代测试方法见刘春莲等(2008)。

采用14C-age calibration program CalPal(www.calpal.de)对14C年龄进行校正, 文中讨论使用校正年龄。

2 结果分析
2.1 沉积特征与微体生物分布概况

PRD05孔岩心沉积物的岩性、粒度和微体生物分布特征简述如下(图 2):

34.56~29.12 m:下部为粗颗粒的黄褐色沙砾, 向上渐变为黄褐色细沙, 未见有孔虫和介形类。下伏地层为花岗岩风化层。

29.12~26.81 m:下部(29.12~27.63 m)为灰色、深灰色粉砂质黏土; 上部(27.63~26.81, m)为花斑状黏土, 应为下伏沉积物在末次冰盛期风化而成, 未见有孔虫和介形类。

26.81~24.78 m:底部1层厚约17cm的泥炭层, 为冰后期初期形成的沼泽沉积; 向上变为深灰色黏土质粉沙, 含有大量的植物碎片及少量黄褐色结核。未见有孔虫和介形类。

24.78~12.42 m:以深灰色黏土质粉沙为主, 发育脉状层理和水平层理, 局部夹有细砂质粉沙或粉砂质细沙。自24.78m开始出现有孔虫和介形类, 向上其丰度逐渐上升。孔深20.10~17.40 m微体生物最为繁荣。每100 g沉积物中有孔虫丰度最高达5029枚, 平均为2903枚, 介形类丰度最高达5486瓣, 平均为2440瓣, 指示最大海侵时期。17.40~12.42 m微体生物丰度总体上逐渐下降, 但波动较大。微体生物均以广盐性类型为主, 在海侵盛期出现少量中外陆架分子。其中有孔虫以Ammonia beccarii var.最为丰富, 占总数的48.7%; 其次为A.tepida, A.pauciloculata, Quinqueloculina akneriana rotunda, Q.seminula, Elphidium advenum, Cavarotalia annectens, Protelphidium granosum, Cribrononion asiaticum和Massilina laevigata, 相对丰度均在1%以上。介形类以Sinocytheridea impressa, Bicorncythere leizhouensis和Neomonoceratina delicate为主, 分别占总数的26.3%, 23.3%和23.2%, 其他相对丰度在1%以上的属种包括B.bisanensis、Pistocythereis bradyformis、Neosinocythere elongata、Spinileberis quadriaculeata、Sinocythere sinensis、Alocopocythere kendengensis和Keijella hodyii。微体生物分析结果表明, 这一段沉积物形成于水深和盐度波动较强的河口湾— 浅海环境。

12.42~0 m:底部(12.42~10.48 m)沉积物粒度略粗, 为灰— 灰黄色含小砾石的中沙, 含较多贝壳碎片。向上变为灰— 灰黄色沙、粉砂质沙夹砂质粉沙, 发育斜层理。3.30m以上为人工扰动层。仅见零星微体生物壳体。有孔虫仅见Ammonia beccarii var.; 介形类为适应低盐度条件的种类, 如Sinocytheridea impressa、Perissocytheridea japonica。顶部出现少量的陆相介形类, 包括Eucypris、Candona、Heterocypris和Ilyocypris等属的分子。

图2 珠江三角洲南部PRD05孔沉积特征和微体生物分布与年代Fig.2 Sedimentary characters and microfaunal distribution and calibrated dates in Core PRD05 of the southern Pearl River Delta

2.2 稀土元素

稀土元素在PRD05孔的垂直分布特征和经北美页岩(NASC)标准化后获得的REE配分模式见图3和图4。PRD05孔的总稀土元素(REE)含量波动较大, 变化于67.84~309.96 μ g/g之间, 平均值为189.76 μ g/g。轻稀土元素(LREE: La-Eu)相对较富集, 平均值为168.85 μ g/g, 约占总稀土含量的89%; 重稀土元素(HREE: Gd-Lu)丰度较低, 平均值为20.91μ g/g, 约占总稀土含量的11%。孔深31.38~29.12 m, REE含量较低, 平均值为131.8 μ g/g; LREE/HREE比值全岩心最低, 平均值仅6.6。自孔深29.12m向上, REE含量逐渐上升, 并在孔深27.80m达到峰值(309.96 μ g/g)。孔深29.12~27.63 m的REE平均值达234.2 μ g/g, LREE/HREE比值为7.6。孔深27.63~26.81 m为花斑黏土层, 其REE 含量平均值为254.6 μ g/g; LREE/HREE比值上升至8.1。孔深26.81~12.42 m的REE含量尽管略低于下伏沉积物, 但仍保持较高的水平, 有小幅波动, 平均值为223.2 μ g/g; LREE/HREE比值为8.1。孔深12.42m以上REE含量显著下降。孔深12.42~3.30 m的REE平均值为130.8 μ g/g, 期间偶见高值层位; LREE/HREE比值却较高, 平均为8.5。3.30m以上受人工扰动影响, REE数据不甚可靠。

对REE数据进行北美页岩(NASC)标准化已被广泛应用于海洋地球化学分析中(Taylor and Mclennan, 1985), 文中也采用这一标准化处理。从图4可见, 各岩段稀土元素富集程度虽有不同, 但是, 除岩心最下部(31.38~29.12 m)外, 其他各岩段的REE配分模式相近, 均具负斜率, 并显示Ce和Eu弱负异常。表明其具有大致相同的物源。岩心最下部(31.38~29.12 m)的REE含量低于北美页岩, 显示HREE相对富集, 可能是受矿物组成和沉积物粒度的影响所致; 中部(29.12~12.42, m)的REE含量略高于北美页岩, 各岩段的分布模式近平行, 且均显示LREE相对富集; 上部(12.42m以上)的REE含量与下部相似, 明显低于北美页岩, 但表现为LREE富集。

图3 珠江三角洲南部PRD05孔稀土元素各项评估指标的垂直分布与相应的古环境阶段Fig.3 Distribution of evaluation indexes of REE with corresponding paleoenvironmental stages in Core PRD05 of the southern Pearl River Delta

图4 珠江三角洲南部PRD05孔北美页岩标准化REE分布模式Fig.4 NASC-normalized REE distribution patterns in Core PRD05 of the southern Pearl River Delta

3 讨论

研究区处于海陆过渡地区, 受河流作用和海平面变化的影响, 晚第四纪期间经历了多次环境变化、尤其是水体盐度和深度的变化。PRD05孔的介形类(刘春莲等, 2008)和有孔虫微体生物群分布特征也证明了这一点。随着不同时期沉积环境的波动, 稀土元素分布特征也发生相应的变化(图 3)。在物源大致相同的情况下, 这些变化主要受咸、淡水混合作用的影响, 矿物组成和沉积物粒度也发挥了一定作用。

3.1 约16600 cal a BP 以前(孔深34.56~26.81 m)

孔深34.56~29.12 m(约31000 cal a BP 以前), 底部以粗颗粒沉积为主, 向上逐渐变细, 反映水动力条件由强渐弱的河流相环境。代表晚更新世末次间冰期初期的沉积记录。由于这一阶段主要受河流作用影响, 其沉积物的REE含量低, 平均值为131.8 μ g/g, 低于北美页岩的REE含量。其配分模式有别于其他岩段, 显示HREE相对富集(图 4)。LREE/HREE、(La/Yb)N和(La/Gd)N比值全岩心最低, 分别为6.6、0.88和1.02。从现代河流沉积物的稀土元素分析结果来看, 其REE配分模式大多显示HREE亏损(Singh and Rajamani, 2001; Yang et al., 2002)。PRD05孔底部沉积物显示的HREE相对富集可能与粒度和矿物组分有关。沉积物粒度对REE的分布有显著影响(Vital et al., 1999; Yang et al., 2002; Li et al., 2009)。一般来说, 细粒沉积组分富集REE, 而粗粒沉积组分REE亏损。这一岩段以粗粒沉积为主, 因而REE 偏低。但其Zr含量高于其他岩段。由于锆石中含有较高的HREE含量, 沉积物中大于5%的HREE来自锆石(Condie, 1991; Yang et al., 2002), 因而可能影响沉积物的REE分布模式(Munksgaard et al., 2003)。

孔深29.12~26.81 m(约31000— 16600 cal a BP)的岩性变为以细粒沉积为主。下部(29.12~27.63 m)为灰色、深灰色粉沙质黏土, 未见任何微体生物化石, 因而曾推测为三角洲平原相沉积(刘春莲等, 2008)。但根据一些地球化学指标分析, 如沉积物的Rb/K值, 应属受海洋作用影响的沉积条件。Yim 和Li(2000)认为, 末次冰期酸性条件下的风化作用对下伏沉积中的微体化石有显著的溶蚀作用, 因此, 这一岩段微体化石的缺失可能是由此所致。其REE含量显著高于前一阶段, REE含量达234.2 μ g/g。同时, 分布模式也发生显著变化, 表现为明显的LREE富集。LREE/HREE、(La/Yb)N 和(La/Gd)N值分别为7.6、1.47、和1.13, 显示半咸水河口湾环境特征。上部(27.63~26.81, m)的花斑状黏土层应是由下伏沉积物在末次冰盛期风化而成(蓝先洪, 1991, 1996; 温孝胜等, 1997; 董艺辛等, 2007; 黄镇国和蔡福祥, 2007)。其稀土元素分布模式与下部近平行, 但LREE的富集程度略高些。表明末次冰盛期在珠江三角洲地区盛行的化学风化作用对REE分布模式有一定的影响。

3.2 16600— 10300 cal a BP(孔深26.81~24.78 m)

这一岩段的底部为泥炭层, 向上变为富含植物碎屑的黏土质粉沙, 不含微体生物。泥炭沉积被作为温暖气候条件的可靠标志(Kim and Kennett, 1998), 可代表冰后期海平面上升初期在研究区形成的沼泽环境。其稀土元素含量普遍较高, REE平均值达260.5 μ g/g。除Gd外, 其余稀土元素的富集程度均高于其他岩段。有机质含量高可能是导致高REE含量的原因之一。有研究表明, REE的变化与沉积物有机质之间存在较好的正相关性(史基安等, 2003)。高有机碳含量的样品常具有高REE含量, 反映温暖潮湿的气候条件。此外, 由于研究区所处的地理位置, 这一时期虽尚未遭受大规模海侵, 但仍有可能偶受潮汐作用的影响, 发育低盐度半咸水, 因而, 也有利于稀土元素的富集。

3.3 10300— 5600 cal a BP(孔深24.78~12.42 m)

自孔深24.78 m(10300 cal a BP)向上, 开始出现海相— 半咸水相有孔虫和介形类分子, 且丰度和分异度逐渐增加。表明南海海平面开始迅速上升, 海水经磨刀门侵入研究区(何志刚等, 2007)。钻孔中微体生物连续出现, 岩性以黏土质粉沙为主, 表明这一阶段钻孔所在地持续发育河口湾— 浅海环境。期间微体生物的丰度和分异度发生波动, 反映水体深度和盐度条件的变化。这一岩段的REE含量总体较高, 平均值为218.9 μ g/g, LREE/HREE 比值为8.1。如前所述, 其REE富集, 是由于河口咸淡水混合区的盐导胶体絮凝作用使稀土元素从水体中去除而转入沉积物中, 从而导致沉积物中稀土元素得到大量富集(洪华生等, 1998)。富集度表现为LREE大于HREE(图 3)。

从稀土元素的垂直分布来看, 可划分为3个亚阶段。孔深24.78~22.30 m, LREE/HREE比值、(La/Yb)N和(La/Gd)N值相对较高。孔深22.30~17.40 m沉积物粒度、组分与前一岩段相似, 但LREE/HREE、(La/Yb)N和(La/Gd)N值却相对较低, 表明LREE富集程度有所降低。现代河口、近海沉积物稀土元素分布的研究结果表明, 尽管均表现为LREE富集, 但浅海沉积物的LREE富集倍数要低于河口区沉积物(刘岩等, 1999)。这应与水体盐度的差异有关。河口半咸水环境的盐度变化大。在相对较低盐度的水体条件下, LREE优先转入沉积物中; 而在相对高盐度水体条件下, HREE易于沉淀进入沉积物中(Sholkovitz and Szymezak, 2000)。根据微体生物研究结果, 这一阶段的有孔虫和介形类丰度和分异度均达最高值, 代表研究区全新世最大海侵时期。钻孔所在地的水体条件接近浅海环境, 其LREE富集度的降低与现代近海沉积物表现的模式相似。孔深17.40~12.42 m 的REE含量稍低于前一阶段, 可能是由于沉积物粒度略有增大所致。LREE/HREE和(La/Yb)N值却高于前一阶段, 表明LREE富集度有所增加, 应反映水深和盐度降低的河口半咸水环境。其有孔虫和介形类丰度和分异度均大大低于前一阶段, 也支持了这一推论。

3.4 5600 cal a BP 以来(孔深12.42m以上)

孔深12.42 m(5600 cal a BP)以上, 沉积物以沙与粉沙互层为特征, 有孔虫和介形类极为贫乏, 偶见零星壳体, 含软体动物碎片和藤壶碎片, 顶部见有淡水轮藻。反映河流作用影响显著、但仍受到潮汐作用间歇性影响的三角洲平原环境。随着河流作用的加强, REE含量显著下降, 但波动频繁。REE含量变化于67.8~262.6 μ g/g之间, 平均为130.8 μ g/g。可能由于受潮水影响, 在一些层位出现低盐半咸水条件, 而致使REE在这些层位的富集。其LREE/HREE、(La/Yb)N和La/Gd值也相应出现波动。

4 结论

珠江三角洲在晚第四纪期间经历了多次环境变化, 随着不同时期沉积环境的波动, 稀土元素分布也发生相应的变化。研究区在大约31000 cal a BP 以前主要受河流作用影响, 其沉积物以粗颗粒为主, REE含量偏低, HREE相对富集, LREE/HREE、(La/Yb)N和(La/Gd)N值全岩心最低。31000— 16600 cal a BP 期间, 稀土元素分布模式显示半咸水环境的特征。REE含量显著高于前一阶段, 并显示LREE富集。其上部沉积物经历了末次冰盛期的风化作用, REE分布模式与下部近平行, 但LREE的富集程度略高。16600— 10300 cal a BP 为冰后期海平面上升初期, 研究区发育沼泽环境, 由于有机质含量高而导致REE含量普遍较高。10300— 5600 cal a BP 为全新世海侵期, 研究区持续发育河口湾— 浅海环境。其REE 含量总体较高, 并显示LREE富集; 随着水体深度和盐度条件发生多次波动, REE分布特征也表现小幅度变化。在全新世最大海侵时期, 研究区水体条件接近浅海环境, 其LREE富集度低于水体盐度相对较低的河口半咸水环境。5600 cal a BP 以来, 河流作用逐渐增强, 仍受到潮汐作用间歇性影响。REE 含量显著下降, 但波动频繁。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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