自16千年前以来，阿拉伯海东北部沉积物中整合的古岩石生成与氧化还原信号：一种主要元素地球化学研究方法

《Journal of Asian Earth Sciences》：Integrated paleo lithogenic and redox signals in NE Arabian Sea sediments since 16?ka: A major element geochemistry approach

　　

Sruthy Rose Baby | Kuppusamy Mohan

印度金奈600127，韦洛尔理工学院高级科学学院

摘要

阿拉伯海东北部是一个对气候变化极为敏感的边缘海洋环境，其沉积过程受到季风驱动的河流输沙、风尘输入、海洋生产力、海平面波动以及氧气最小带动态之间复杂相互作用的影响。为了重建沉积物的来源和沉积条件，我们分析了SK240/473岩芯的主要元素地球化学特征，该岩芯的形成时间约为16,000至174,000年。主要元素的浓度及铝标准化比值（Ti/Al、K/Al、Mg/Al、Si/Al）可作为岩石来源、源岩组成、风化强度以及碳酸盐稀释程度的可靠指标。通过估算钙衍生的CaCO₃含量来评估生物成因碳酸盐的累积情况。Al₂O₃、SiO₂、K₂O和Fe₂O₃之间的强正相关性表明陆源物质占主导地位，而CaO与P₂O₅之间的弱相关性则表明海洋生产力和成岩作用相对独立。研究识别出三个地球化学阶段（P1–P3）：P1阶段（16,000 –13,000年前）表现出较低的陆源元素浓度和较低的CaCO₃含量，反映了末次冰期间海平面上升期间碎屑供给不足和生产力下降的情况；P2阶段（13,000 – 8,000年前）以Ti/Al、Mg/Al和K/Al比值升高以及CaCO₃含量增加为特征，表明全新世早期河流输沙量增强和碳酸盐生成增加；P3阶段（8,000 –174年前）则显现出Si/Al和Ti/Ca比值上升、硅质碎屑输入增多以及碳酸盐含量下降的趋势，反映出陆源物质稀释作用加剧和大陆架沉积模式的变化。由于成岩作用的干扰较小，原始沉积信号得以较好保留，沉积物成分主要受海平面调控的空间因素影响，其次受季风变化的影响。

引言

海洋沉积物的主要元素地球化学特征为研究沉积物来源、陆源物质通量、化学风化过程及沉积氧化还原条件提供了基础依据。碎屑沉积物的组成反映了风化、侵蚀、运输和埋藏过程中的各种作用（Flood等人，2016年）。进入海洋盆地的陆源物质包括风成和河流成因的部分，随后会经过水动力分选和早期成岩作用的影响（Stuut等人，2014年）。由于不同源岩具有独特的元素特征，主要元素及其比值（如Ti/Al、Fe/Al、K/Al、Si/Al）被广泛用于识别沉积物来源及追踪碎屑输入的变化（Taylor & McLennan，1985年；Armstrong-Altrin等人，2014年）。铝因其在水化和早期成岩过程中的相对稳定性而被常用作标准化元素（Horowitz，1991年）。像Ti/Al和Fe/Al这样的相对不活动元素的比值在区分基性岩源与长英质岩源方面特别有效（Rollinson，1993年；Kurian等人，2013年）。此外，碳酸盐相关元素（Ca）与岩石成因元素之间的差异有助于了解生物成因产物与陆源物质之间的稀释效应，尤其是在受季风径流影响的陆缘区域（Limmer等人，2012年；Clift等人，2014年）。对氧化还原反应敏感的元素（如Fe、Mn和P）还能反映底水氧饱和度及早期成岩过程（Tribovillard等人，2006年）。总体而言，主要元素的分布为重建沉积物来源稳定性、沉积动力学和环境变化提供了可靠的框架。

阿拉伯海东北部是热带地区对气候变化最敏感的海洋区域之一，因为该区域大陆气候、季风环流和海洋过程之间耦合极为紧密。印度夏季季风的季节性变化调控着风生上升流、初级生产力、陆源沉积物通量以及氧气最小带（OMZ）的强度（Qasim，1982年；Schott等人，2009年）。该区域拥有世界上最明显的氧气最小带之一，非常适合研究沉积物供给、生产力和氧化还原条件之间的相互作用（Reichart等人，1998年）。阿拉伯海东北部的沉积物输入主要来自流经德干地堑和索拉什特拉火山带的西向河流，包括纳尔马达河、塔皮河、萨巴尔马蒂河和马希河（Mishra等人，2004年；Kurian等人，2013年；Chaudhuri等人，2022年）。这些玄武岩地貌富含Fe–Mg–Ti氧化物，为沉积物带来了独特的地球化学特征。以往在阿拉伯海的研究主要集中在碳酸盐生产力、同位素指标（δ¹⁸O、δ¹³C、εNd）和有机地球化学方面，以重建季风变化（Prasad等人，1998年；Ivanochko等人，2005年；Clemens等人，2018年；Cai等人，2019年）。然而，在阿拉伯海东北部大陆架上，整合碎屑–碳酸盐变化、来源敏感的元素比值及氧化还原指标的高分辨率主要元素数据集仍相对缺乏（Diniz等人，2018年；Acharya和Dey，2024年）。Acharya（2020年）指出，索拉什特拉海岸沉积物记录了气候、海平面变化和构造活动的综合影响。鉴于该区域对季风驱动的沉积物供给、海平面波动和氧气最小带动态的敏感性，阿拉伯海东北部是评估第四纪晚期沉积物来源稳定性和陆源物质通量变化的关键地点。

本研究分析了来自阿拉伯海东北部索拉什特拉大陆架的SK240/473岩芯的主要元素地球化学特征，时间跨度为约16,000年。通过分析主要氧化物浓度、铝标准化元素比值（Ti/Al、Fe/Al、K/Al、Si/Al）及它们之间的双变量关系，本研究旨在：（1）重建印度夏季季风的变化和相对海平面的长期变化；（2）量化岩石成因沉积物与碳酸盐沉积物之间的贡献变化；（3）探讨受氧气最小带（OMZ）影响的氧化还原敏感元素的行为。通过将主要元素分布与岩芯内部变化相结合，本研究为了解索拉什特拉大陆架沉积物来源的持久性和碎屑通量的变化提供了新的依据。本研究重点关注不活动元素的比值及其在沉积物中的分布模式，而非化学风化指数，以此作为阿拉伯海东北部环境变化的主要指示指标。

章节摘要

研究地点与区域背景

索拉什特拉近海区域是一个异断块沉积盆地，其范围延伸至深水区域，海底深度从大约400米骤增至3000米。该盆地与北部库奇近海地区由索拉什特拉拱体分隔开来（图1），这是印度西海岸最显著的地貌特征。这一区域代表了由基底抬升形成的广泛区域性抬升现象，可能与……同时形成

样品采集、二次采样与处理

SK240/473重力沉积岩芯（坐标：21°18.00′N，68°38.00′E；水深121米）是在2007年10月，由R/V Sagar Kanya号调查船进行的第240次考察中采集的。该岩芯位于阿拉伯海东北部大陆架，从表层到100厘米深度采用1厘米的采样间隔，从100厘米到430厘米深度采用2厘米的采样间隔。共采集了162个代表性沉积物样本，用于X射线荧光（XRF）分析。所有样本均经35°C烘干处理

元素组成与比值

岩芯沉积物主要由富含碳酸盐的物质组成，其中掺杂少量碎屑成分。主要元素的最大浓度顺序为：Ca（39%）> Na（38%）> Si（14.7%）> Fe（5%）> Al（3.5%）> Mg（1.7%）> K（1.1%）> Ti（0.5%）。岩芯深度变化揭示了两个不同的沉积相。根据主要元素和元素比值的地层趋势，SK240/473岩芯的记录可划分为三个阶段（P1–P3）

阿拉伯海东北部的古环境变化

SK240/473岩芯中主要元素的分布特征以及Si、Al、K、Fe、Mg和Ti之间的强正相关性表明这些元素来源于同一岩石成因组分（图3）。这与SK240/485岩芯已发表的数据中的陆源元素百分比特征一致（Rahaman等人，2023年）。Al₂O₃与SiO₂（R² = 0.99）、K₂O（R² = 0.98）以及Fe₂O₃（R² = 0.92）之间非常强的相关性进一步证实了这一特征（图5）

结论

阿拉伯海东北部SK240/473岩芯的主要元素地球化学特征为了解第四纪晚期的沉积过程及过去约16,000年的沉积控制机制提供了新见解。三个不同的地球化学阶段（P1–P3）表征了该岩芯区域的沉积演化过程。

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第1阶段（16,000 –13,000年前）：碎屑供给减少，碳酸盐含量低，反映了冰消期海平面上升期间沉积物供应不足和生产力下降的情况。

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第2阶段（13,000–8,000年前）

Ahmad等人，1998年；Armstrong-Altrin和Natalhy-Pineda，2014年；Banerji等人，2022年；Mir等人，2013年；Kumar等人，2020年；Li等人，2022年；Mir等人，2022年；Naidu和Malmgren，1996年；Nesbitt和Young，1982年；Rashid，1985年；Schnetger等人，2000年。

Sruthy Rose Baby： 负责撰写初稿、开展研究及数据分析。Kuppusamy Mohan： 参与数据分析。

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

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