海南岛东方外海域表层沉积物常量元素地球化学特征

Geochemical Characteristics of Major Elements in Surface Sediments from the Offshore Area of Dongfang City, Hainan Island

摘要: 对海南岛东方外海域57个站位表层沉积物的常量元素分析结果表明，研究区表层沉积物常量元素组分以SiO₂、Al₂O₃、CaO为主。在空间分布上，研究区常量元素基本遵循“元素的粒度控制律”，与Al₂O₃密切相关的常量元素，代表了陆源细粒沉积物的特征，SiO₂则表现出相反的特征；除受粒控效应控制外，CaO、MnO和碳酸钙空间分布受海洋生源沉积和自生沉积作用的控制，Na₂O和K₂O代表了区域地质背景对元素分布的控制。研究区物质主要来源于海南岛西南部河流的输入及沿岸的侵蚀。

Abstract: The analysis of major elements in surface sediments from 57 sampling stations in the offshore area of Dongfang, Hainan Island, indicates that the major components of surface sediments in the study area are dominated by SiO₂, Al₂O₃, and CaO. In terms of spatial distribution, the major elements in the study area generally follow the “grain-size control law of elements.” The major elements closely associated with Al₂O₃ represent the characteristics of terrigenous fine-grained sediments, while SiO₂ exhibits the opposite trend. In addition to being controlled by the grain-size effect, the spatial distributions of CaO, MnO, and calcium carbonate are influenced by marine biogenic sedimentation and authigenic deposition. Na₂O and K₂O reflect the control of regional geological background on element distribution. The material in the study area mainly originates from the input of rivers in southwest Hainan Island and coastal erosion.

1. 引言

海洋沉积地球化学研究是海洋地质学研究的重要手段，地球化学元素特征和元素组合与沉积环境和物质来源有着密切的关系，加之由源到汇过程中经历的复杂多样的物理、化学、生物作用催生了丰富的地质信息，使其对海陆源汇过程及沉积环境研究具有重要意义[1]-[3]，东方市八所港是海南岛西部最大深水良港，是重要开放口岸，具有独特的资源优势和区位优势，该海域在海底表层沉积物地球化学方面的研究较为薄弱，采样密度偏低，本文通过对该海域57站位的海底表层地质取样进行地球化学分析，研究了区内表层沉积物的常量元素地球化学含量、分布特征及其控制因素，探讨了研究区表层沉积物物源，丰富了地化数据，还可为深入了解该海域的沉积作用和沉积环境提供基础资料。

2. 材料与方法

2.1. 样品采集

研究区范围位于海南岛西南部东方市外海域(见图1)，水深介于20~50 m之间，2022年5月，海南省地质局在该海域开展了表层地质取样等工作，按照2 km × 2 km采样间距，采用蚌式取样器获取了57站位的表层样，本次分析样品就来自于该57站位。

2.2. 样品加工与分析

对57件表层沉积物样品的Na₂O、MgO、Al₂O₃、SiO₂、K₂O、CaO、Fe₂O₃、TiO₂、P₂O₅和MnO共10种常量组分，以及酌减量、碳酸钙、有机质、硫化物、石油类、Eh、pH和Fe³⁺/Fe²⁺共8个项目进行了测试分析。具体步骤如下：

(a) 取100克样品过200目筛后于108℃烘箱中烘1小时，置于干燥器中。试样用塑料环压制成样片，置于样杯中于X-荧光光谱仪上进行测定。加入烧失量结果，对测量数据进行加总处理，计算各分析项目含量(SiO₂、Al₂O₃、TFe₂O₃、CaO、MgO、MnO、TiO₂、P₂O₅、K₂O、Na₂O)。

Figure 1. Location of the research area and surface sample station map

图1. 研究区位置和表层样站位图

(b) 称取1.0000 g样品放入已灼烧至恒重的瓷方舟中。将瓷方舟放于马弗炉中，使样品在炉内先低温加热，再逐渐升温至950℃，并保温40 min。取出稍冷约2分钟，将瓷方舟放于干燥器中冷却至室温，称重，计算烧失量。

本次样品的分析，均插入标准样品和加标回收，进行准确度控制；按样品总数的20%进行重复分析测定，以控制精密度。样品分析质量控制结果表明，插入的标准样品、加标回收测定合格率均为100%，化学成分分析重复分析相对偏差合格率为99.7%，符合要求。

3. 结果与分析

3.1. 常量元素地球化学特征

对57件表层沉积物样品的Na₂O、MgO、Al₂O₃、SiO₂、K₂O、CaO、Fe₂O₃、TiO₂、P₂O₅和MnO共10个常量元素，以及烧失量、碳酸钙进行了测试分析。根据测试结果对以上各项的含量变化、平均值、变异系数等分别进行了统计分析，统计结果见表1。

由表1可知，常量元素中，含量最高的是SiO₂，平均值高达68.62%，远远高于其它常量元素，其变异系数很小，仅为0.13，表明SiO₂在研究区的分布较为均匀；Al₂O₃的含量排第二位，平均值为8.79%，变异系数相对较大，为0.5，表明其在研究区内含量分布不均；SiO₂和Al₂O₃的含量之和高于75%，排第三位的是CaO，其平均值为5.73%，变异系数较大，为0.41，表明其含量分布在研究区内不太均匀；排第四位的是Fe₂O₃，其平均值为2.62%，其变异系数大，为0.52，表明其含量分布在研究区内波动明显；排第五位的是K₂O，其平均值为2.53%，其变异系数小，为0.15，表明其含量分布在研究区内较为均匀；其余常量元素的平均含量均在2%以下。

把研究区元素含量与中国浅海、海南岛水系沉积物、海南岛表层土壤、海南岛深层土壤、海南岛花岗岩、红河、珠江、湄公河数据进行对比(见表2)，发现研究区SiO₂与海南岛表层土壤、海南岛花岗岩

Table 1. Statistical data of major element geochemistry indicators of bottom surface sediments in the study area

表1. 研究区海底表层沉积物常量元素地球化学指标统计数据一览表

元素	样品数量(件)	最小值(%)	最大值(%)	平均值(%)	标准偏差	变异系数
SiO2	57	49.32	86.10	68.62	9.04	0.13
Al2O3	57	2.88	15.52	8.79	4.43	0.50
Fe2O3	57	0.98	5.18	2.62	1.35	0.52
MgO	57	0.33	2.59	1.48	0.77	0.52
CaO	57	2.41	18.39	5.73	2.37	0.41
Na2O	57	0.63	2.13	1.43	0.34	0.24
K2O	57	1.43	3.49	2.53	0.37	0.15
TiO2	57	0.05	0.83	0.39	0.28	0.72
P2O5	57	0.04	0.12	0.08	0.03	0.36
MnO	57	0.08	0.99	0.16	0.14	0.85
烧失量	57	2.61	17.61	6.97	2.24	0.32
碳酸钙	57	3.54	26.96	8.85	3.57	0.40

Table 2. Comparison of constant component content of bottom surface sediments in the study area with constant component content in other regions

表2. 研究区海底表层沉积物常量组分含量与其他地区常量组分含量对比表

元素	最小值(%)	最大值(%)	平均值(%)	中国浅海[1]	海南岛水系沉积物[6]	海南岛表层土壤[2]	海南岛深层土壤[2]	海南岛花岗岩[7]	红河[8]	湄公河[4]
SiO2	49.32	86.10	68.62	62.51	57.8	69	63.1	70.66	62.8	65.2
Al2O3	2.88	15.52	8.79	11.09	10.1	12.92	17.35	13.62	15.7	15.78
Fe2O3	0.98	5.18	2.62	4.43	—	2.66	3.55	3.37	7.38	7.38
MgO	0.33	2.59	1.48	1.82	0.52	0.32	0.42	0.71	1.71	0.04
CaO	2.41	18.39	5.73	5.08	0.67	0.19	0.2	1.95	0.79	0.38
Na2O	0.63	2.13	1.43	2.00	0.67	0.34	0.36	2.79	0.84	0.72
K2O	1.43	3.49	2.53	2.32	1.87	2.42	2.52	3.56	2.71	2.30
TiO2	0.05	0.83	0.39	0.58	—	—	—	0.28	0.97	0.87
P2O5	0.04	0.12	0.08	—	—	—	—	0.08	0.18	0.16
MnO	0.08	0.99	0.16	0.07	—	—	—	0.08	1.71	0.04

注：表中SiO₂至MnO等10项测试项目的含量单位为%。

含量接近，Fe₂O₃与海南岛表层土壤含量接近，K₂O与海南岛表层土壤和海南岛深层土壤含量接近，TiO₂、P₂O₅与海南岛花岗岩含量接近，海南岛西南部沿岸有数条河流入海，这些河流流经区域大部分为花岗岩发育地区，陆源碎屑物质随河流输入到近海沿岸地区，这些河流除感恩河外，北黎河、罗带河、通天河及南港河均为山溪性河流，流域面积相对较小，河流径流量年际变化大，输水、输沙量有限，这些河流输入物质与沿岸侵蚀物质在近海经潮流的搬运沉积改造，形成了研究区元素分布格局，因此，推测研究区内物源应以河流输入和沿岸侵蚀为主，这与很多学者的研究成果也相符合[4] [5]。

3.2. 常量元素分布特征

为了更直观地了解研究区表层沉积物常量元素含量的平面分布情况，根据测试数据结果，绘制了空间分布等值线图(见图2)。

Figure 2. Spatial distribution contour map of constant element content in surface sediments of the study area

图2. 研究区表层沉积物常量元素含量空间分布等值线图

从等值线图上可以看出，SiO₂分布比较均匀，高值区主要分布于沙脊上粗粒沉积区，低值区主要分布在沙脊间的沟槽中，基本上与砂粒级分布区相一致。

Al₂O₃、Fe₂O₃、MgO、TiO₂、P₂O₅的分布具有相同的变化趋势，高值区主要分布沙脊间沟槽的细粒沉积物区，与SiO₂分布，刚好相反，与粉砂粒级和粘土粒级分布区一致。Al₂O₃是大陆化学风化产物富铝硅酸盐的主要成分，在地壳中较稳定。风化过程中淋漓出来的Fe³⁺、Ti⁴⁺等离子非常容易被吸附到细粒的富铝黏土矿物中，一起迁移和沉淀。这些元素含量随粒度的变化呈现出明显的规律性，反映出它们在沉积物形成过程中具有相近的迁移、富集规律。

K₂O和Na₂O分布特征大致相似，但K₂O的高值区主要分布在沙脊上粗粒沉积区，而Na₂O高值区既在粗粒沉积区有分布，在细粒沉积区也有分布。

CaO和MnO₂的分布特征一致，与以上元素明显不同，其高值区仅一处，小面积分布于研究区西南角，其余区域为相对低值区。

4. 讨论

4.1. 表层沉积物常量元素相关性分析

为进一步了解研究区元素分布的特征，采用SPSS软件对所分析的常量元素及表层沉积物的平均粒径Mz进行了相关性分析(见表3)，可以看出，SiO₂除与K₂O有明显正相关关系外，与TiO₂、P₂O₅、平均粒径Mz有着明显或稍弱的负相关关系，与其它测试元素或项目基本为不相关或极弱的相关关系。SiO₂与平均粒径Mz为明显的负相关关系，这说明SiO₂主要赋存在粗粒沉积物中。同时SiO₂与K₂O具有明显的正相关关系，而K₂O又与Na₂O为明显的正相关关系。前文已提到，海南岛西南部海域海底物质主要来源于海南岛南部河流的输入及沿岸的侵蚀，海南岛南部河流流经区域主要为二长花岗岩区，岩石中除石英外，还富含斜长石和钾长石矿物，因此，研究区SiO₂、K₂O、Na₂O的相关关系，应该是沉积物中含有较多花岗岩风化产生且因搬运距离较短而残存的斜长石和钾长石矿物所致。

Table 3. Correlation coefficients between constant elements in surface sediments

表3. 表层沉积物常量元素间相关系数表

元素	Na2O	MgO	Al2O3	SiO2	K2O	CaO	Fe2O3	TiO2	P2O5	MnO	灼减量	碳酸钙	MZ
Na2O	1.00
MgO	0.68	1.00
Al2O3	0.67	0.96	1.00
SiO2	0.15	−0.31	−0.21	1.00
K2O	0.73	0.37	0.47	0.53	1.00
CaO	0.31	0.17	0.03	0.18	0.25	1.00
Fe2O3	0.61	0.97	0.97	−0.24	0.36	0.10	1.00
TiO2	0.51	0.93	0.91	−0.50	0.19	−0.01	0.93	1.00
P2O5	0.13	0.50	0.40	−0.67	−0.19	−0.01	0.44	0.71	1.00
MnO	−0.13	−0.15	−0.29	−0.14	−0.06	0.57	−0.21	−0.08	0.35	1.00
灼减量	0.58	0.60	0.48	0.04	0.43	0.86	0.55	0.41	0.19	0.37	1.00
碳酸钙	0.29	0.12	−0.01	0.21	0.27	0.99	0.06	−0.06	−0.05	0.57	0.85	1.00
MZ	0.60	0.88	0.90	−0.79	0.36	−0.20	0.90	0.90	0.82	−0.32	0.39	−0.23	1.00

Al₂O₃与SiO₂、CaO、MnO和碳酸钙基本无相关性，与K₂O、P₂O₅具有稍弱的正相关性，与其它测试元素或项目，包括平均粒径Mz，基本都存在着明显或极强的正相关关系。Al作为黏土矿物的特征元素，这些元素与Al₂O₃和细粒沉积物的显著正相关关系，反映了它们都具有亲黏土性[9] [10]。这些元素之间的显著的相关性，揭示它们可能具有相同的物源。

研究区内CaO与CaCO₃、酌减量、MnO都存在良好的正相关指示，尤其是与CaCO₃相关系数达到0.99，而与Al₂O₃等其它大部分元素及平均粒径Mz均没有明显的相关关系，推测本区CaO有可能是以生源钙质沉积为主，至于MnO，推测除陆源碎屑来源外，还可能与其在富氧区域的自生沉积有关。

本区酌减量与CaO和CaCO₃均存在显著的正相关关系(相关系数分别为0.86和0.85)，说明其主要与碳酸钙(生物贝壳)有关。但我们也注意到，本区酌减量与Na₂O、MgO、Al₂O₃、Fe₂O₃、K₂O、TiO₂等6种元素均为明显或稍弱的正相关关系，而这6种元素中均与平均粒径Mz为显著正相关关系，有机质和硫化物之间也为显著的正相关关系。这说明，本区沉积物的酌减量除与碳酸钙(生物贝壳)有关外，应该还与细粒沉积物质有关，比如黏土矿物的结晶水等。

4.2. 常量元素组合特征及控制因素

为了进一步了解、验证区域常量元素组合的控制因素，以及物质来源或沉积环境，采用SPSS软件对所分析的常量元素进行R型因子分析，选用最大方差旋转法，数据通过KMO (KMO = 0.445)和Bartlett球形度检验(df = 78, sig. < 0.001)，共提取出初始特征值大于1的公因子3个，累计方差贡献率为92.62% (见表4)，效果比较明显。

Table 4. Analysis of major elemental factors in surface sediments of the eastern outer sea area of Hainan island

表4. 海南岛东方外海域表层沉积物主量元素因子分析表

元素	F1	F2	F3
Na2O	0.61	0.03	0.58
MgO	0.99	−0.05	0.12
Al2O3	0.94	−0.27	0.19
SiO2	−0.94	−0.29	−0.15
K2O	0.15	−0.09	0.96
CaO	0.06	0.97	−0.15
Fe2O3	0.97	−0.20	0.03
TiO2	0.97	−0.20	0.11
P2O5	0.98	0.11	0.08
MnO	−0.31	0.81	0.19
碳酸钙	−0.01	0.97	−0.11
平粒径Mz	0.87	−0.20	0.23
方差贡献量(%)	56.74	23.70	12.17
累计贡献(%)	56.74	80.44	92.62

F1因子的方差贡献率为56.74%，远高于其他因子，是控制研究区常量元素分布的最主要因素。该因子的组合的元素包括Na₂O、MgO、Al₂O₃、Fe₂O₃、TiO₂、P₂O₅及中值粒径Mz，均为强正载荷(0.61~0.99)，组合中的常量元素与Al₂O₃及MZ呈强或极强的正相关关系。Al₂O₃是大陆化学风化产物富铝硅酸盐的主要成分，在地壳中较稳定，风化过程中淋漓出来的Fe³⁺、K⁺、Na⁺、Ti⁴⁺非常容易被吸附到细粒的富铝黏土矿物中，一起迁移和沉淀[11]。Fe₂O₃、Na₂O、MgO、TiO₂等常量元素及平均粒径Mz，与Al₂O₃都存在良好的正相关指示，研究区这些元素自然来源占主要贡献，以Al₂O₃密切相关的这一组元素应该代表了陆源细粒沉积物的特征。而在F1因子中，SiO₂表现为较强的负载荷(−0.94)，SiO₂在浅海沉积中，一般代表以石英和硅酸盐矿物为主的粗粒陆源碎屑沉积[1]，综合以上分析，可认为F1因子代表了粒控效应对研究区主量元素分布的控制[12]。

F2因子的方差贡献率为23.70%，该因子的组合的元素包括CaO、MnO和碳酸钙，均为强正载荷(0.81~0.97)，自然界含钙矿物甚多，重要的如斜长石、辉石、磷灰石、方解石等[1]，钙也是许多海洋生物壳体的重要组成物质(如软体动物-贝壳)，即CaO绝大部分以CaCO₃的形式构成钙质生物碎屑的主体。至于MnO，推测除陆源碎屑来源外，还可能与其在富氧区域的自生沉积有关，结合其与CaO和CaCO₃的正相关关系，有可能是其自生沉积环境与珊瑚或贝类的生长环境为富氧环境的一种区域重合关系的反映。因此，F2因子应该代表了海洋生源沉积和自生沉积作用对元素分布的控制。

F3因子的方差贡献率为12.17%，该因子的组合的元素主要为Na₂O和K₂O，均为强正载荷(0.58、0.96)，K₂O、Na₂O主要赋存在钾长石、斜长石中，结合研究区SiO₂、K₂O、Na₂O的相关关系，应该是海南岛西南部花岗岩风化并通过河流输入所致。因此，F3因子可能代表了以花岗岩为主的区域地质背景的影响。

综上所述，研究区的主量元素分布主要受到粒度控制，我国近海沉积物中元素的含量分布明显受粒度控制，不同粒级沉积物中，元素在其中的含量各异，这称之为“元素粒度控制规律”，由赵一阳率先提出[1]，并被很多学者证实[13] [14]，有三种模式，即①大多数元素的含量随粒度变细(砂 → 粉砂 → 泥)而升高；②少数元素的含量随粒度变细而降低；③个别元素的含量随粒度变细先升后降而在中等粒度粉砂中达到最大值[15]。结合相关性分析和因子分析，研究区Al₂O₃、MgO、Fe₂O₃、TiO、Na₂O含量分布遵循“元素的粒度控制律”的第一种模式，SiO₂含量分布符合“元素的粒度控制律”的第二种模式，其次研究区的主量元素分布受到海洋生源沉积和自生沉积作用影响，第三控制因素为陆源物质输入。

5. 结论

(1) 研究区主量元素平均含量从高到低分别为SiO₂ (68.62%)、Al₂O₃ (8.79%)、CaO (5.73%)、Fe₂O₃ (2.62%)，K₂O (2.53%)、MgO (1.48%)、Na₂O (1.43%)、TiO₂ (0.39%)、MnO (0.16%)、P₂O₅ (0.08%)。其中，Al₂O₃、MgO、Fe₂O₃、TiO₂的含量分布具有较高的一致性，与SiO₂含量分布相反。

(2) 元素的相关性和因子分析结果表明，研究区大部分主量元素(SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、Na₂O、MgO、TiO₂)受到沉积物粒度控制，遵循“元素粒度控制规律”；CaO和MnO₂代表了海洋生源沉积和自生沉积作用对元素分布的控制；Na₂O和K₂O代表了区域地质背景对元素分布的控制。

(3) 通过与中国浅海、海南岛水系沉积物、海南岛表层土壤、海南岛深层土壤、海南岛花岗岩、红河、珠江、湄公河数据进行对比，表明海南岛东方外海域的物质主要来源于海南岛南部河流的输入及沿岸的侵蚀。

基金项目

海南省海洋地质资源与环境重点实验室开放课题(22-HNHYDZZYHJKF026)。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。