Searching Physical Indicators of Carbonate Contents of Deep Sea Sediments
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摘要: 运用岩心物理性质求取深海碳酸盐沉积的相对含量, 是古海洋学研究中一种“多快好省”的办法, 在低分辨率研究中取得成功, 但在较高分辨率的研究中精度问题十分突出. 采用大洋钻探(ODP) 184航次船上颜色反射率和磁化率数据, 结合实验室碳酸盐化学分析实测结果, 运用最小二乘法等数理分析方法, 分别建立颜色反射率和磁化率与碳酸盐含量之间的拟合方程, 估算碳酸盐含量. 结果表明, 根据颜色反射率蓝色光波段值及其平方作为控制变量来拟合的碳酸盐含量, 同实测值具有较高的一致性, 误差较小; 但是, 用磁化率推算的碳酸盐含量同实测值比较则误差相当大. 用岩心物理性质推测的拟合方程是在开展一定量实测分析的基础上建立的, 不同站位的这种拟合关系不能套用, 只有当其他影响成分含量相当稳定或有规律变化时, 运用岩心物理性质求取深海碳酸盐沉积含量的方法才具有相当高的应用价值.
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关键词:
- 碳酸盐 /
- 颜色反射率 /
- 磁化率 /
- 南海 /
- 大洋钻探(ODP)184航次
Abstract: Physical property of deep-sea sediment core is useful to make an efficient calculation of the percent carbonate, which has been successful in low resolution research rather than in high resolution research. Multiple regression equations are generated based on the comparing diffuse reflectance and magnetic susceptibility records from ODP Leg 184 with carbonate contents measured in our laboratory. It is found that percent carbonate estimated with diffuse reflectance is closer to the measured one than that estimated with magnetic susceptibility, and the multiple regression equation varies in different sites.-
Key words:
- carbonate /
- color reflectance /
- magnetic susceptibility /
- South China Sea /
- ODP Leg 184
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深海碳酸盐沉积覆盖世界洋底总面积的一半以上[1], 是地球表面巨大的碳储库.因此, 查明深海碳酸盐的时空分布对于研究过去大气CO2浓度随海洋碳-碳酸盐体系波动而发生的变化具有重要意义[2].前人对深海碳酸盐记录的定量研究已经发现, 大西洋碳酸盐含量几乎与氧同位素曲线平行, 冰期时碳酸盐值最低, 而间冰期时碳酸盐值最高[3]; 但太平洋碳酸盐含量则基本相反, 冰期时碳酸盐值最高, 而间冰期时碳酸值最低[4].目前, 深海碳酸盐沉积不仅应用于深海地层对比[5, 6]、还广泛地应用在生物生产力[7]、海洋和大气碳循环[8]等方面.然而, 碳酸盐沉积的这些古气候学和古海洋学应用要求对较长的钻孔做高分辨率的定量分析, 在方法上, 即要快又要相对经济.近年来, 岩心物理性质在深海碳酸盐地层学上的应用就符合长钻孔的高分辨率研究要求, 因而越来越受到人们重视[9].
岩心物理性质是大洋钻探(ODP) 等深海钻探计划采用的一种地层分析对比的高效方法, 包括颜色反射率、磁化率、伽玛射线衰减孔隙率密度(GRAPE) 等, 在深海钻探过程中或船上岩心物理分析时首先开展的分析项目, 分辨率可以高达2 cm.同碳酸盐含量分析的地球化学方法相比, 在所需时间和费用上具有巨大的优越性.前人通过大洋钻探(ODP) 117航次应用磁化率研究印度洋碳酸盐溶解度[10]、大洋钻探(ODP) 138航次应用颜色反射率研究东太平洋的岩性特征[11]、大洋钻探(ODP) 164航次应用颜色反射率研究西大西洋的碳酸盐含量[12]等实例表明, 岩心物理性质对于定性或定量确定深海碳酸盐含量研究具有巨大的应用前景.
我国深海古海洋学研究正处在起步阶段, 寻求“多快好省”的分析手段属于当务之急.本文运用岩心的颜色反射率和磁化率定量计算大洋钻探(ODP) 184航次南海深海碳酸盐沉积含量, 并将计算结果同笔者的实测值进行对比, 分析这种方法的可行性和一些不确定因素.
1. 基本原理
1.1 颜色反射率
颜色反射率是物质表面所反射的光波能量与源照射光波能量的比值.按照国际协定的CIE (commission internationale d'eclairage) 标准(1986), 颜色反射波谱可以归类为3色值系统: 其中, 大洋钻探岩心分析采用的是L*a*b*系统, L*是样品亮度值, 变化范围从0~100%;a*和b*是色度值, a*的变化从绿色(负值) 到红色(正值), b*的变化从蓝色(负值) 到黄色(正值). 同时, 大洋钻探还分波段测量了可见光谱(波长在400~700 nm之间) 的反射率, 按波长10 nm的分辨率保存为31列(400~700 nm) 数据.
岩心颜色反射资料有2种主要用途: 其一, 反射参数L*a*b*提供岩心物质组成相对变化的精细时间序列, 常用来进行钻孔与钻孔、岩心与岩心之间的对比, 进行岩性变化的旋回性分析; 其二, 光谱反射率数据可用来估测某些特定物质成分的含量.由于不同物质对特定可见光波段具有较高的反射率, 因此, 可见光的光谱分析可以估测碳酸盐、蛋白石、有机质、绿泥石以及其他一些粘土矿物成分[6].
大洋钻探许多航次的研究结果都表明颜色反射率与碳酸盐含量有着很好的相关性[6, 11, 12].其中, 亮度L*同碳酸盐含量的相关性最好; 参数a*和b*对碳酸盐含量的响应不明显.因此, 可以通过建立颜色反射率与碳酸盐含量之间的非线性拟合方程, 来定量计算深海碳酸盐沉积含量, 是既高效又经济的有效途径, 这种计算已经在大洋钻探(ODP) 162航次中成功地运用[6].
1.2 磁化率
磁化率是感应磁化强度与磁场强度的比值.沉积物的总磁化率是其所含各种矿物的磁化率总和, 包括铁磁性矿物的磁化率κfer (如磁铁矿)、弱反铁磁性矿物的磁化率κafer (如赤铁矿、针铁矿)、顺磁性矿物的磁化率κpara (如含铁的硅质岩) 和抗磁性矿物的磁化率κdia (如碳酸盐、石英) [9, 10].
在第四纪沉积物中, 铁磁性矿物(约57×10-6 m3/kg) 的磁化率是弱反铁磁性矿物(约0.5×10-6 m3/kg)、顺磁性矿物(约0.4×10-6 m3/kg) 和抗磁性矿物(约0.005×10-6 m3/kg) 磁化率的几个数量级[13], 因此, 铁磁性矿物的磁化率是沉积物总磁化率的主要成分.但是, 在铁磁性矿物缺乏的沉积物中, 其他磁性成分则对总磁化率的变化起重要作用, 特别是深海沉积物中抗磁性矿物碳酸盐的变化, 可以造成总磁化率变化的“稀释效应”[10].因此, 通过磁化率与碳酸盐含量的这种反相关系, 可以建立两者之间的经验拟合方程, 进而通过磁化率计算出深海碳酸盐沉积的含量.深海研究磁化率的测量通常在船上进行, 具有快速、简便、便宜、无破坏性等特征, 这种计算曾在南大西洋的Meteor航次中成功地运用[9].
2. 材料和方法
本文采用大洋钻探(ODP) 184航次南海南部1143站(9°21.72′N、113°17.11′E, 水深2 772 m) 和北部1148站(18°50.17′N、116°33.94′E, 水深3 294 m) 船上颜色反射率和磁化率数据[14], 结合笔者实验室碳酸盐化学分析结果, 运用最小二乘法等数理分析方法, 分别建立颜色反射率和磁化率与碳酸盐含量之间的拟合方程, 并将估算值同化学分析实测结果进行对比.
2.1 应用颜色反射率拟合碳酸盐含量
ODP184航次船上颜色数据采用Minolta CM-2002型分光光度计测量, 1143站的1143A孔和1143B孔测量精度为2 cm, 1143C孔和1148站的测量精度为4 cm[15].由于颜色反射率数据保存为31个波段, 如果把这些数据都作为控制变量, 所拟合的经验公式必将十分复杂.根据Mix等[11]的反射光谱研究, 碳酸盐在蓝色光波段(波长为470 nm、530 nm、550 nm) 具有最大的漫反射光谱反射率值.因此选择这些波段的反射率值及其平方作为控制变量来拟合碳酸盐含量, 通过选取同一深度的颜色反射率数据与碳酸盐含量进行比较, 使用最小二乘法得到利用颜色反射率推算碳酸盐含量的拟合方程如下:
(1) 
(2) 式中: R550、R530和R470分别为颜色反射波长为550, 530和470 nm时的反射率.
2.2 应用磁化率拟合碳酸盐含量
船上岩心磁化率采用Bartington MS2C型磁力仪测量, 测量精度平均为5 cm[15].根据岩心总磁化率的组成, κafer和κpara居于次要地位并与κfer成正比, κdia主要反映碳酸盐的磁化率, 接近为常数, 可以根据Schmieder等[9]建立的经验公式求出κfer:
κfer主要反映沉积物中磁铁矿含量, 可以利用下列公式表示:
其中: φmag为磁铁矿的体积分数, κmag为磁铁矿的磁化率(值为3.1), ρ为样品的干样密度(值为5.2 g/cm3), wmag为磁铁矿的质量分数, χmag为磁铁矿的质量磁化率(6×10-4 m3/kg). 在标准沉积条件下, 没有次生磁铁矿和较少硅质沉积, wmag与陆源物质含量(wter) 成正比, 因此与碳酸盐含量(wcar) 具有负相关关系:
相关系数c是一个区域性常数, 可以通过测量陆源物质中磁铁矿的含量得出.因此, 通过磁化率计算的碳酸盐的含量为:
(3) 大洋钻探(ODP) 184航次船上已经开展了质量磁化率(χmag) 和干样密度(ρ) 的测量, 而c值通过运用最小二乘法多次拟合实测碳酸盐含量的实验方法, 确定ODP 1143站上部75 m (目前碳酸盐含量的实测深度) 的c=0.000 1;而ODP 1148站由于时间跨度长, 呈现出分段性(表 1), 总体趋势是随深度的增加, c值逐渐变小.
表 1 ODP 1148站通过最小二乘法拟合的c值Table Supplementary Table Coffieteuts for the ODP site 1148
2.3 化学分析实测碳酸盐含量
ODP 1143, 1148站碳酸盐含量的化学分析采用国际标准的气体定量分析技术测得, 分析误差小于2%.ODP 1143站分析了上部76 m深度的760块样品, 平均采样间距为10 cm①.ODP 1148站分析了上部500 m深度的1 707块样品, 平均采样间距为30 cm.
① Liu Z. Quaternary carbonate stratigraphy in the southern South China Sea and its paleoceanographic implications, 2001.in preparing for submission.
3. 结果和讨论
ODP 1143, 1148站实测碳酸盐含量、船上颜色反射率和磁化率及其推算的碳酸盐含量结果和相关性如图 1, 2所示.ODP 1143站实测碳酸盐含量在5%~40%之间, 但多数值稳定在10%~25%之间, 呈现比较固定的周期性变化(图 1a). 颜色反射率(亮度L*) 曲线同实测碳酸盐含量基本平行, 表明它们之间具有较好的相关性, 即碳酸盐含量增大时, 反射率也相应增加.整个站位的L*值在40%~55%之间, 但主要集中在40%~50%之间(图 1a). 根据蓝色光波段反射率(波长为470, 530, 550 nm) 及其平方作为控制变量来拟合碳酸盐含量, 并将结果同实测值进行比较得到的公式(1), 据(1) 式推算出碳酸盐含量(图 1a) 同实测值具有很大程度上的一致性, 它们的相关系数为58.5%.碳酸盐的反射率推测值同实测值相比较, 平均误差约为20.6%.ODP 1143站磁化率曲线的总体趋势同实测碳酸盐含量具有负相关性, 即碳酸盐含量增大时, 磁化率值减小.整个站位的磁化率值在10×10-5~40×10-5之间, 随深度增加, 磁化率值略有上升, 主要分布在15×10 -5~25 ×10-5之间, 但在16~30 m和72~75 m深度, 磁化率为高值(图 1a). 根据公式(3) 和拟合的c值(0.000 1), 计算出的碳酸盐含量(图 1a) 变化范围为-10%~40% (图 1a). 磁化率的碳酸盐推测值同实测值相比较, 相关系数较低, 仅为26.2%, 总体误差很大, 特别是在上部30 m和底部5 m深度处出现负值情况, 平均误差大于50%.
ODP 1148站实测碳酸盐含量在10%~60%之间, 基本可以分为3段: 上部0~120 m之间, 碳酸盐含量基本保持稳定, 大约在10%~15%;中部120~410 m之间, 碳酸盐含量随深度的增加总体有升高趋势, 但呈现周期性摆动, 平均值约25%;下部410~500 m之间, 碳酸盐含量值达到40%~60%, 最大值> 60% (图 1b). 颜色反射率(L*) 曲线同实测碳酸盐含量也基本平行, 即碳酸盐含量增大时, 反射率也相应增加.整个站位的L*值在35%~60%之间, 也相应地分为3段: 上部约42% (0~120 m)、中部约50% (120~410 m)、下部约55% (410~500 m) (图 1b). 由于L*值的测量精度为2~4 cm, 因此可以看出颜色反射率比碳酸盐含量的实测值具有更高的分辨率.根据蓝色光波段反射率及其平方作为控制变量来拟合的公式(2), 笔者推算出碳酸盐含量(图 1b) 同实测值具有很大程度上的一致性, 它们的相关系数达到82.7% (图 2). 碳酸盐的反射率推测值同实测值相比较, 平均误差仅约为10%.
ODP 1148站磁化率则表现为另一种特征, 曲线的总体趋势同实测碳酸盐含量具有负相关性, 即碳酸盐含量增大时, 磁化率值减小.整个站位的磁化率值在20×10-5~150×10-5之间, 也可以分为3段: 上部0~200 m之间, 磁化率值从约20 ×10-5逐渐升高到约180 m处的150×10-5, 然后在约200 m处降为80×10-5, 但整个过程发生高频周期性波动; 中部200~410 m之间, 磁化率逐渐周期性降低, 平均值在40×10-5~50 ×10-5左右; 下部410~500 m之间, 磁化率值极低, 基本保持在20×10-5 (图 1b). 根据公式(3) 和表 1拟合的c值, 计算出的碳酸盐含量(图 1b) 变化范围为-10%~60%, 同实测值相比较, 除200~300 m和410~500 m大体一致外, 其他深度处均有较大误差, 特别是在100~180 m和300~320 m处出现负值, 平均误差大于85%.
ODP 1143和1148站颜色反射率和磁化率同碳酸盐含量之间的正、负相关性, 为运用岩性的物理性质推测碳酸盐含量提供了可靠基础.上述结果显示, 两个站位的颜色反射率推算的碳酸盐含量同实测值具有较高的一致性, 误差分别为20%和5%.这主要是由于碳酸盐成分对颜色反射率具有很大的控制作用, 同时说明其他成分(如粘土矿物、蛋白石、有机质等) 相对比较稳定或同碳酸盐含量的变化呈同步变化.但是, 用磁化率推算的碳酸盐含量同实测值比较则误差相当大, 一般大于100%, 特别是出现负值偏差.这是因为碳酸盐是抗磁性矿物, 它对磁化率的影响是通过其含量变化对磁化率起“稀释作用”而影响的, 而磁化率的变化规律从根本上还是受铁磁性矿物控制(如磁铁矿), 在深海沉积中主要来自陆源碎屑物[16].因此, 碳酸盐“稀释作用”对磁化率的影响因地而异.例如同是热带大西洋, 西区的影响较强(如GeoB 1523站[17, 18]), 东区的影响较弱(如V22-196[19]), 虽然大体上磁化率与w (CaCO3) 曲线都呈负相关趋势.南海沉积物中的铁磁性矿物也主要由陆源供应, 本身随时间有较大的变化, 仅用拟合的常量c值运用于公式(3) 中, 必然造成很大的误差.深海陆源沉积的磁化率受陆地源区地质、气候和输运途径等诸多因素影响, 比单纯的陆源物所占百分比要复杂得多, 因此与w (CaCO3) 的对应关系也比颜色反射率为差.
4. 结论
本文采用大洋钻探(ODP) 184航次南海南坡1143站位和北坡1148站位船上颜色反射率和磁化率数据, 结合实验室碳酸盐化学分析实测结果, 运用最小二乘法等数理分析方法, 分别建立颜色反射率和磁化率与碳酸盐含量之间的拟合方程, 并将估算值同化学分析实测结果进行对比, 得出如下基本结论:
(1) 根据ODP 1143和1148站位颜色反射率蓝色光波段(波长为470, 530, 550 nm) 及其平方作为控制变量来拟合的碳酸盐含量, 同实测值具有较高的一致性, 误差分别为20.6%和10%;但是, 用磁化率推算的碳酸盐含量同实测值比较则误差相当大, 一般大于50%.这表明影响碳酸盐含量的岩心物理性质种类很多, 只有当其他影响成分含量相当稳定或有规律变化时, 推测的结果才相对可靠. (2) 用岩心物理性质推测的拟合方程是在开展一定量实测分析的基础上建立的, 不同站位的这种拟合关系不能套用.一旦这种关系建立, 运用岩心物理性质求取深海碳酸盐沉积含量的方法将具有相当高的应用价值, 并将大大提高研究效率.
致谢: 本文使用的全部样品和岩心物理性质数据由大洋钻探计划(ODP)提供, 特此致谢. -
表 1 ODP 1148站通过最小二乘法拟合的c值
Table 1. Coffieteuts for the ODP site 1148
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