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Journal of Tropical Oceanography >

2026 , Vol. 45 >Issue 1: 73 - 80

DOI: https://doi.org/10.11978/2025001

Calcium carbonate composition of surface sediments and influencing factors in the 90°E Ridge of the northeastern Indian Ocean*

  • DU Shuhuan , 1, 2, 3 ,
  • XIANG Rong , 1, 2, 3 ,
  • SU Xiang , 1, 2, 3 ,
  • ZHANG Lanlan 1, 2, 3 ,
  • PAN Zirui 1, 3 ,
  • XIE Jinwo 4 ,
  • LUO Chuanxiu 1, 2, 3 ,
  • WAN Sui 1, 2, 3
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  • 1State Key Laboratory of Tropical Oceanography, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 511458, China
  • 2Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 511458, China
  • 3University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 4School of Geography and Remote Sensing, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China
XIANG Rong, email: ;
SU Xiang, email:

Editor: SUN Cuici

Received date: 2025-01-01

  Revised date: 2025-02-06

  Online published: 2025-03-10

Supported by

Hainan Provincial Joint Project of Sanya Yazhou Bay Science and Technology City(2021JJLH0048)

Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation(2023A1515010705)

Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation(2023A1515011955)

Independent Integration Program, South China Sea Institute of Oceanography, Chinese Academy of Sciences(SCSIO2023HC07)

National Natural Science Foundation of China(42176082)

Shiptime Sharing Project of National Natural Science Foundation of China (NSFC)(42149910)

Shiptime Sharing Project of National Natural Science Foundation of China (NSFC)(42249910)

Fold

Abstract

This study addresses the scientific question of the spatial differentiation mechanisms of calcium carbonate (CaCO3) in surface sediments across the 90°E Ridge in the northeastern Indian Ocean, employing a multi-scale analytical approach to elucidate controlling factors and biogeochemical processes. Through bulk and size-fractionated ( > 150 μm, 63-150 μm, 38-63 μm, 25-38 μm, < 25 μm) CaCO3 contribution analyses of surface sediments from 10 stations, combined with quantitative statistical analysis of scanning electron microscopy (SEM) microfeatures, the following findings were obtained: (1) The CaCO3 content exhibits significant spatial variability (36.95%-74.76%, mean 56.05%), forming a tripartite gradient pattern of 30%-45%, 45%-60%, and 60%-75%. (2) In regions with water depths above 3000 m, the dominant CaCO3 component is planktonic foraminiferal shells (> 150 μm, contributing > 65%), while stations near or above the lysocline are dominated by the < 25 μm fine-grained fraction (contribution > 58%). (3) Quantitative microfeature analysis reveals, for the first time, a co-deposition pattern of calcareous dinoflagellate fossils (relative abundance up to 73.68%) with coccoliths and foraminiferal fragments in the 25-38 μm fraction. Further investigations demonstrate that CaCO3 distribution is governed by a ternary regulatory mechanism involving water depth-dependent dissolution effects, terrigenous clastic input, and siliceous biological dilution. This study innovatively establishes an integrated methodology of “grain-size separation-microscopic statistics-environmental interpretation”, which not only refines theoretical models of CaCO3 distribution in seamount geomorphic units but also expands the understanding of deep-sea inorganic carbon reservoirs by identifying calcareous dinoflagellate fossils as a novel carbon source. The findings provide a critical case study for comparative research on CaCO3 preservation mechanisms in global ridge systems and offer vital scientific insights for parameterizing marine carbon cycle models through improved algorithms for size-specific CaCO3 flux calculations.

Key words： 90°E Ridge; surface sediments; calcium carbonate composition; particle size of calcium carbonates

Cite this article

DU Shuhuan , XIANG Rong , SU Xiang , ZHANG Lanlan , PAN Zirui , XIE Jinwo , LUO Chuanxiu , WAN Sui . Calcium carbonate composition of surface sediments and influencing factors in the 90°E Ridge of the northeastern Indian Ocean*[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2026 , 45(1) : 73 -80 . DOI: 10.11978/2025001

东北印度洋90°E海岭是印度洋重要地形之一, 高于洋底1000m以上。其远洋沉积记录物质组成相对单一, 形成过程简单, 通常是海洋物理、化学和生命活动的直接产物, 或者受控于海气条件及其相互作用下的非碳酸钙组分。而这些非碳酸钙物质是风力和表层流共同搬运的结果(方念乔 等, 2001; 张振国 等, 2007), 直接受海气相互作用影响, 真实记录季风信号的即时性, 可以用来追踪古气候即时变化(Gupta, 2003; Murgese et al, 2005), 此外, 海岭本身的地形地貌条件极少受到浊流活动的改造, 保证了海岭远洋沉积记录的连续性和稳定性。因此, 在重建南亚古季风演化和全球气候变化方面, 海岭具有独特的优越性(Klootwijk et al, 1992; 丁旋 等, 1999; 方念乔 等, 2001)。
有关90°E海岭的研究, 前人的关注点更多集中在古海洋和古环境重建方面。方念乔 等(2001, 2004)对海岭区远洋沉积进行有孔虫、碳酸钙含量及微量元素分析, 指出远洋沉积受控于海气相互作用, 记录了南亚冬季风的强度变化信号, 推测其与源区物源侵蚀风化作用相关。Divakar 等(1999)对位于赤道印度洋西部Madingley中脊顶峰ODP 709A站位的样品进行了碳酸钙分析测试, 结果显示, 该站位过去1370ka以来CaCO3含量范围为84.2%~94.5%, 并且指出钙质超微化石的生产率比浮游有孔虫高, 但有孔虫对沉积物通量的贡献相对更大。国内也有学者关注过东北印度洋表层沉积物碳酸钙含量(Qiu et al, 2021; Zhang et al, 2022)。但并未对海岭区表层沉积样碳酸钙组成及其影响因子进行深入的探讨, 从而缺乏对海岭区这一特殊地理单元沉积物碳酸钙的系统研究。
本文选取东北印度洋90°E海岭及其邻近海域表层沉积物, 进行全样碳酸钙及分粒级碳酸钙分析, 结合扫描电镜显微特征及定量统计信息, 试图查明海岭区表层沉积物碳酸钙组成及制约沉积物碳酸钙含量的影响因子, 厘清沉积物中不同粒径碳酸钙生源物质的构成, 为深入研究和探讨全球海岭、海山等海底地貌体碳酸钙分布规律和海洋环境提供重要基础数据。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

位于东北印度洋海域的90°E海岭, 形成于白垩纪南印度洋热点活动, 伴随印度板块的快速北移沿90°E线构筑起长约5000km, 宽约185~450km, 高1000~3500m的巨型山链, 海岭水深约2000~2500m, 远在碳酸钙补偿深度(carbonate compensation depth, CCD)之上, 有利于钙质软泥的堆积和连续记录的保存。海岭区沉积以远洋-半远洋为主, 浮游生物壳在水体中降落, 构成了远洋沉积物中最活跃的组分和气候信号的优良载体。
研究区海岭属于典型的季风气候, 冬季干冷, 夏季湿热。夏季(5—10月)强劲的西南风带来海洋温暖潮湿的气流, 导致南亚次大陆降雨量剧增, 形成鲜明特点的雨季。冬季(10—翌年4月), 亚洲大陆上空形成的冷高压气流向邻近印度洋上空低压区流动, 形成东北季风。季风影响下研究区形成特殊的北印度洋季风环流, 夏季在西南季风的影响下形成顺时针大洋环流圈; 冬季在东北季风的影响下形成逆时针大洋环流圈(Shankar et al, 2002; 官玉龙 等, 2022)(图1)。
图1 研究区季风洋流及其表层沉积物样品分布图

该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)2937的标准地图制作

Fig. 1 Monsoons and ocean currents in the northeastern Indian Ocean and distribution of surface sediment samples

1.2 样品采集

研究样品依托中国科学院南海海洋研究所“实验6”科考船在2022年、2023年期间东印度洋科考航次获得, 沉积物使用多管取样器和箱式取样器进行采集, 取0~1cm深度的表层沉积物共计10个样品。采样区域位于86°43′11″E—91°27′00″E, 1°59′23″N—5°00′36″N, 水深变化在2553~4208m之间, 主要集中在东北印度洋海岭区, 具体站位信息见图1和表1。
表1 东北印度洋90°E海岭表层沉积物样品信息

Tab. 1 Information of surface sediment samples from the 90°E Ridge in the northeastern Indian Ocean

样品号 经度 纬度 水深/m
22HN01 90°10′12″E 5°00′36″N 3573
22HN02 90°00′00″E 4°06′36″N 3830
22HN09 90°55′12″E 2°58′11″N 3083
23EI-01-BOX 89°33′36″E 4°40′48″N 3937
23EI-03 91°27′00″E 3°15′00″N 4157
23HN03 89°54′00″E 3°01′12″N 2553
23HN04 89°43′48″E 1°59′23″N 2746
23HN05 86°43′11″E 3°17′24″N 4208
23HN07 88°58′11″E 3°04′12″N 3733
23MG-04 90°14′23″E 3°58′11″N 2636

1.3 碳酸钙分析

对海岭区表层沉积物样品进行碳酸钙含量分析, 包括全样碳酸钙含量及分粒级碳酸钙含量测试。海岭表层样品经60℃烘干后, 对同一个样品进行取样, 分别称取全样0.2g、分粒级样品5g (分析天平的感量为0.0001g)。用150、63、38和25μm四套型号的W.S.Tyler标准筛依次对样品进行分粒级湿筛, 得> 150μm、63~150μm、38~63μm、25~38μm和< 25μm共5级组分, 再次烘干, 称重备用。
沉积物碳酸钙含量分析采用CO2气量法——气体体积法(赵建青, 1996)。首先, 建立标准曲线: 称取0.02、0.04、0.06、0.08、0.10g分析纯Na2CO3, 与过量的1mol·L−1 盐酸进行反应, 记录通过Na2CO3+2HCl→ 2NaCl+H2O+CO2↑所产生的CO2体积, 再以Na2CO3重量为横坐标, 产生的CO2体积为纵坐标, 绘制标准曲线(R2≥0.98)。然后, 使用同样方法分析海岭沉积物样品中碳酸钙含量, 每测定5个沉积样品就测定一次Na2CO3标样。根据样品产生的CO2体积数, 对照标准曲线计算得出对应的Na2CO3含量, 然后根据Na2CO3和CaCO3分子量差值以及样品的重量换算出沉积物样品中CaCO3的百分含量(%), 具体公式如下:
CaCO 3 % = m r × V s m s × V r × 100 %
式中: m r为碳酸钠标准物质量(g), m s为沉积物质量(g), V r为碳酸钠产生的CO2体积(ml), V s为沉积物产生的CO2体积(ml)。经计算, 该方法的相对误差小于3%。

1.4 扫描电镜分析

选取分粒级筛取的细颗粒(25~38μm)组分进行扫描电镜分析(scanning electron microscopy, SEM) (S3400, 日本日立)。样品经烘干、制片、喷金后上机观测。对每个沉积物样品进行多视野扫描拍照, 定量统计视野内200个颗粒数(包括陆源颗粒和生源物质), 以确保定量统计的代表性。统计钙质生物(有孔虫、钙质沟鞭藻、颗石藻)及硅质生物(放射虫、硅藻)比例。实验在中国科学院南海海洋研究所完成。

2 结果

2.1 全样碳酸钙含量

研究区表层沉积物碳酸钙结果如图2所示, 海岭区全样碳酸钙含量变化在36.95%~74.76%之间, 平均含量56.05%。其中, 碳酸钙含量最高和最低的样品分别是23HN04和22HN-01(图2a)。碳酸钙含量可分为3个等级, 分别是30%~45%、45%~60%以及60%~75%。碳酸钙含量在60%~75%之间的样品主要出现在海岭顶部, 包括23MG-04、23HN03、22HN09和23HN04, 平均含量为69.75%; 30%~45%含量样品分布在海岭通道处: 22HN01、23EI-01-BOX、22HN02以及海岭东侧的23EI-03, 平均含量41.43%; 而海岭西侧样品, 23HN07和23HN05的碳酸钙含量在45%~60%之间, 平均值为57.87%, 具体分布见图2b。
图2 东北印度洋90°E海岭区表层沉积物碳酸钙含量图

a. 全样碳酸钙百分含量; b. 碳酸钙含量分布图

Fig. 2 Calcium carbonate content in surface sediments of the 90°E Ridge area, northeastern Indian Ocean. (a) Percentage of calcium carbonate in bulk samples; (b) distribution map of calcium carbonate content

2.2 分粒级碳酸钙含量

为了进一步分析研究区表层沉积物碳酸钙分布情况, 根据粒径谱对沉积物进行分粒级碳酸钙测试, 不同粒径组分(> 150μm、63~150μm、38~63μm、25~38μm和< 25μm)的占比及其碳酸钙贡献量如图3所示。其中, < 25μm组分所占全样的比重和碳酸钙贡献量都最为突出, 平均值分别为65.65%和59.10%; 其次为> 150μm组分, 平均值分别为22.61%和27.39%。其他3个组分, 63~150μm、38~63μm和25~38μm占比和贡献量平均值依次为9.26%和10.86%、 2.41%和2.50%以及0.06%和0.15%。
图3 东北印度洋90°E海岭区表层沉积物分粒径组分碳酸盐百分比含量图

a. 不同粒径组分占沉积物全样百分比; b. 不同粒径组分碳酸钙对全样碳酸钙贡献量百分比

Fig. 3 Percentage of carbonate content by grain size fraction in surface sediments from the 90°E Ridge area, northeastern Indian Ocean. (a) Percentage of different grain size fractions relative to the whole sediment sample; (b) percentage contribution of calcium carbonate from different grain size fractions to the whole calcium carbonate sample

2.3 扫描电镜结果

海岭区表层沉积物扫描电镜结果如图4所示, 25~38μm组分中生源物主要包括钙质和硅质两大类。钙质生物的构成, 除了钙质超微化石和有孔虫碎片外, 还首次出现钙质沟鞭藻(图4)。扫描电镜显微特征定量统计结果显示, 该组分中钙质生物含量介于3.50%~42.50%, 平均24.50%; 其中钙质沟鞭藻为主要成分, 平均占53.65%。硅质生物含量介于2.00%~48.00%, 平均26.00%。
图4 东北印度洋90°E海岭区表层沉积物样品扫描电镜图

a. 钙质超微化石; b. 钙质沟鞭藻(Calciodinellum albatrosianum)和有孔虫壳体碎片; c. 钙质沟鞭藻(Calciodinellum arctica)和放射虫壳体; d. 23HN04样品的低倍扫描电镜图

Fig. 4 Scanning electron microscope (SEM) images of surface sediment samples from the 90°E Ridge area, northeastern Indian Ocean. (a) Calcareous nannofossils; (b) calcareous gourami (Calciodinellum albatrosianum) and foraminiferal shell fragments; (c) calcareous gourami (Caracomia arctica) and radiolarians shells; (d) zoomed-out SEM micrographs of sample 23HN04

3 讨论

东北印度洋90°E海岭水深2000~2500m, 远高于现代印度洋CCD (约5000m), 且因海底地貌特征原因, 陆源组分在其沉积记录中所占比例较小, 利于钙质生物壳体堆积保存。生源碳酸钙主要由有孔虫、钙质超微化石、翼足类、双壳类和介形类等贡献(张兰兰 等, 2010)。表层沉积物碳酸钙含量36.95%~74.76%, 平均56.05%, 并呈显著区域差异: 自东北向西南递增, 30%~45%、45%~60%及60%~75%三个级别依次出现, 表明受多重因素共同控制。
前人研究指出, 90°E海岭的远洋-半远洋沉积以有孔虫和超微化石软泥为主(刘勇勤, 2002)。本研究区碳酸钙含量60%~75%的站位集中于水深< 3100m的相对浅水区, 该区域有孔虫丰度更高(胡昱洁等, 2023)。Qiu 等(2021)和Zhang 等(2022)分别测得海岭表层及钻孔顶部碳酸钙含量为40%~75%和40%~80%, 与本研究结果一致。相比之下, Divakar 等(1999)报道的赤道西印度洋Madingley中脊顶峰ODP709A孔(水深3038m)在地质时期的平均碳酸钙含量高达89.13%, 明显超过本次平均值(69.75%)。该差异并非溶解作用所致: 两区水深(ODP709A: 3038m; 本研究区平均水深2754.5m)均位于碳酸盐溶跃面(约3900m)之上(Slotnick et al, 2015), 而709A位于小盆地, 地形更利于碳酸钙软泥保存; 且不同地质时期海洋沉积物碳酸钙保存具有差异性, 如Naik 等(2016)记录印度洋北部约17.5—14.5ka期间有孔虫壳体重量峰值, 碳酸钙的保存远比其他时期高。由此可见, 水深3000m左右海岭区表层样碳酸钙含量普遍较高, 但随地质时期变化存在时间差异性。
水深超过3500m的站位, 碳酸钙含量呈现出不同等级的分布。碳酸钙含量在30%~45%的站位, 除了位于海岭通道处的22HN01、23EI-01-BOX和22HN02外, 还有海岭东侧海盆的23EI-03站位, 而最大水深4208m处23HN05站位碳酸钙含量高达55.77%, 可见, 影响研究区碳酸钙含量的分布, 水深的溶解作用并非唯一要素。从研究区站位的分布情况可以看到, 碳酸钙含量较低的站位, 主要位于海岭区东北部, 且这类站位沉积物的陆源物平均含量可达30.86%, 明显高于海岭顶部样品陆源物质平均值8.81%, 尤其是东侧海盆的23EI-03样品, 陆源物含量高达40.38%。Bretschneider 等(2021)指出海岭区陆源碎屑沉积物主要来自孟加拉湾北部喜马拉雅山脉及缅甸源区, 以及通过风力搬运、季节性表层洋流搬运的印度半岛、安达曼海和苏门答腊岛沿岸物质(张振芳 等, 2004; 齐文菁 等, 2022)。不难想象, 东侧海盆距离物源近, 接受到更多陆源物质的稀释作用。而海岭通道处的站位, 同样比海岭顶部站位更容易受陆源物质的干扰, 其搬运可能与底层流有关。Ye 等(2023)基于印度洋东经90°海岭赤道缺口处底层锚系观测资料, 发现该位置存在一支强劲的向西的底层流动。受海洋表面风强迫, 东印度洋赤道海域上层海洋开尔文波产生并向东传播, 并在东边界反射生成西传的罗斯贝波, 能够将上层海洋季节内振荡信号传播至海洋深层, 从而引起东经90°海岭赤道缺口处底层流季节内振荡信号的增强。考虑到此类样品同样位于东经90°海岭通道处, 又在季风影响范围下, 海岭通道附近的站位可在底层流作用下, 接受更多的陆源物质, 从而稀释了碳酸钙含量。而海岭西侧的23HN05和22HN07站位, 受到陆源物质稀释作用相对较弱, 碳酸钙平均含量可达57.87%。
研究区水深接近碳酸盐溶跃面的沉积物, 碳酸钙受到的溶解效应随水深增加而增强。但由于有孔虫和钙质超微化石抗溶能力不同, 有孔虫溶跃面比颗石溶跃面浅。因此, 随着水深变化, 研究区沉积物中碳酸钙的生源组分也会相应改变。为深入了解水深对海岭区沉积物碳酸钙的溶解作用, 以及不同深度碳酸钙生源的主要构成情况, 本研究利用不同粒径碳酸钙在沉积物中的贡献量, 结合扫描电镜显微特征, 对沉积物碳酸钙生源组分特征进行追踪。通常情况下, 深海沉积物最主要的钙质生物包括有孔虫和钙质超微化石, 而有孔虫壳体粒径普遍大于150μm, 钙质超微化石小于25μm。从碳酸钙含量与水深关系图(图5)中可以看到, 水深小于3500m的海岭顶部样品碳酸钙含量超过60%, 其分粒级碳酸钙贡献量中, 碳酸钙最主要的来源为> 150μm组分, 含量大都在40%以上(图3), 可见有孔虫是海岭顶部最重要的钙质生物来源, 这与海岭浅水区域拥有更高的浮游有孔虫丰度息息相关(胡昱洁 等, 2023); 而水深接近或超过3900m的22HN01、23EI-01-BOX、23EI-03和23HN05站位, < 25μm组分的碳酸钙贡献量高达80%以上(图3), 细粒径组分成为最主要的碳酸钙来源。关于< 25μm组分的碳酸钙组成, 对709A站位的研究表明, 其主来源为钙质超微化石(Divakar et al, 1999)。但由于研究区这些站位水深接近或超过方解石溶跃面深度(Cullen et al, 1984), 粗粒径的有孔虫壳体受到海水的溶解作用, 也有可能破碎成为细颗粒的碳酸钙来源。考虑到有孔虫和钙质超微化石相对固定的粒径范围, 对沉积物中粒径25~38μm组分展开扫描, 获取该粒径组的显微特征(图4)。扫描电镜结果显示, 沉积物中除了钙质超微化石外(图4a), 有孔虫壳体碎片(图4b)平均含量达12%, 可见水深溶解作用确实会影响碳酸钙的生物构成。海岭区表层沉积物中首次鉴定出不同属种的钙质沟鞭藻, Calciodinellum albatrosianum (图4b)和Caracomia arctica arctica (图4c), 其占钙质生物比例最高可达73.68%, 构成了研究区碳酸钙生物组成的重要因子。此外, 扫描电镜统计结果还显示, 25~38μm组分中的硅质生物壳体(放射虫和硅藻)最高可达48%, 与Qiu 等(2021)统计的海岭区表层沉积物中较高的放射虫丰度(14.35×104 ind.·g−1)一致, 这或许同样是海岭区表层沉积物碳酸钙含量被稀释的原因之一。
图5 东北印度洋90°E海岭区表层样品碳酸钙含量(柱状)和水深(折线)关系图

Fig. 5 Relationship between calcium carbonate content (bars) and bathymetric data (polyline) in surface samples from the 90°E Ridge area, northeastern Indian Ocean

分粒级碳酸钙方法的使用, 结合扫描电镜显微特征统计分析, 不仅厘清了东北印度洋90°海岭区表层沉积物钙质生物构成, 查明了影响碳酸钙含量变化的重要因子, 也为揭示研究区碳酸钙变化机制研究提供了新手段。粒径谱显微特征方法的利用, 同样适用于探索沉积物中不同粒径生物的构成及其特征, 可深化对海洋埋藏无机碳以及海洋溶解作用的理解, 为全球海洋碳循环研究提供新的信息与方法。

4 结论

1) 研究区表层沉积物碳酸钙含量介于36.95%~74.76%, 平均为56.05%。碳酸钙含量分为30%~45%、45%~60%和60%~75%三个等级, 其分布具有一定的区域性。其中, 海岭顶部碳酸钙含量等级最高, 受溶解作用和陆源物质影响少, 碳酸钙生源构成主要来自粒径> 150μm组分的有孔虫壳体; 而水深接近或超过碳酸钙溶跃面的站位中, 碳酸钙含量受溶解作用的影响, 粒径< 25μm的生源成为最主要的贡献者。
2)海岭区表层沉积物样品扫描电镜结果显示, 细颗粒组分中的钙质生物, 除了钙质超微化石外, 还有溶解作用下的有孔虫壳体碎片, 以及首次在表层沉积物中鉴定出的不同属种钙质沟鞭藻。此外, 扫描电镜还发现了大量出现的硅质生物壳体, 某些站位中硅质生物最高可达48%, 成为影响海岭区碳酸钙的重要因子。
3)表层沉积物碳酸钙含量受到多方面的制约, 除了溶解效应和硅质生物的稀释外, 还与陆源物质的冲淡有关。海岭东侧离物源近, 接受了更多的陆源物质, 而海岭通道处的沉积物, 在底层流的搬运作用下, 受到陆源物质的稀释作用增强。

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