楚科奇海盆M04柱晚更新世以來沉積古環(huán)境記錄

章偉艷，于曉果，劉焱光，金路，葉黎明，許冬，邊葉萍，張德玉，姚旭瑩，張富元

(1.國家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；2.國家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；3.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

楚科奇海盆M04柱晚更新世以來沉積古環(huán)境記錄

章偉艷1，2，于曉果1，2，劉焱光3，金路1，2，葉黎明1，2，許冬1，2，邊葉萍1，2，張德玉3，姚旭瑩2，張富元1，2

(1.國家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；2.國家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；3.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

對(duì)“中國第五次北極科考”采自楚科奇海盆的M04柱進(jìn)行粒度、冰筏碎屑、黏土礦物、巖心XRF掃描、沉積物顏色分析，初步建立了楚科奇海盆晚更新世MIS4期以來的沉積地層框架。MIS4期以來，楚科奇海盆M04柱沉積物粒度和黏土礦物組成具有明顯的冰期/間冰期變化特征，冰期沉積物粒度分布以雙峰態(tài)為主，由洋流搬運(yùn)和海冰搬運(yùn)沉積組分組成，伊利石含量高、高嶺石含量低；間冰期沉積物具有三峰態(tài)粒度分布特征，由海冰搬運(yùn)、洋流搬運(yùn)和冰山搬運(yùn)沉積組分組成，伊利石含量低、高嶺石含量高。通過M04柱黏土礦物組合類型與北冰洋邊緣海盆的表層沉積物黏土礦物組合類型對(duì)比表明，晚更新世以來楚科奇海盆沉積環(huán)境發(fā)生顯著變化：溫暖的間冰期受波弗特渦流驅(qū)動(dòng)，波弗特海為研究區(qū)的物源輸入提供了主要貢獻(xiàn)；寒冷的冰期表層環(huán)流呈反向輸運(yùn)，細(xì)顆粒物源碎屑以東西伯利亞海的輸入為主。

北極；楚科奇海盆；粒度；冰筏碎屑；黏土礦物；古環(huán)境

1 引言

近年來全球氣候變化廣受關(guān)注，海氣溫度上升引起海冰和冰川融化，進(jìn)一步導(dǎo)致海平面上升[1—3]，北冰洋不僅對(duì)氣候變化反應(yīng)靈敏，而且具有全球放大效應(yīng)，第四紀(jì)以來北冰洋大冰蓋的多次形成和海平面波動(dòng)，水團(tuán)和環(huán)流系統(tǒng)發(fā)生巨大變化，強(qiáng)烈影響沉積環(huán)境，為了解氣候變化所引起的潛在環(huán)境影響以及不同因素對(duì)氣候系統(tǒng)的響應(yīng)提供了有利的條件。北冰洋主要由表層水(小于250 m)、中層水(250～1 700 m)和深層水(大于1 700 m)3個(gè)不同深度的水層組成。表層水由低鹽極地混層水及其以下50 m的鹽躍層組成[4—6]。最主要的兩個(gè)表層流是波弗特渦流和穿極漂流，前者主要控制美亞海盆，后者主要作用于歐亞海盆。波弗特渦流和穿極漂流的現(xiàn)代鋒面緊鄰羅蒙諾索夫海嶺[7—8]，但它的位置在地質(zhì)歷史上是變化的，特別是受北極濤動(dòng)指數(shù)的影響[9]。北大西洋暖流到達(dá)北冰洋后變冷下沉形成中層水，中層水和深層水逆時(shí)針環(huán)流通過北冰洋海盆[8]。楚科奇海盆地位于太平洋低鹽水與波弗特渦流及穿極漂流等環(huán)流交匯作用的楚科奇臺(tái)地與門捷列夫海嶺之間[10](見圖1)，它記錄了晚第四紀(jì)以來洋流驅(qū)動(dòng)所引起的歐亞大陸與北美大陸物源輸入的變化特征，是研究晚第四紀(jì)以來沉積古環(huán)境變遷的理想海域。黏土礦物是沉積物黏土組分比較敏感的物質(zhì)，特別是對(duì)物質(zhì)來源、洋流及氣候的變化等具有一定的示蹤作用。目前北極地區(qū)古環(huán)境研究主要集中在北冰洋東側(cè)，較少涉及北冰洋西側(cè)。本文對(duì)“中國第五次北極科考”取得的西北冰洋楚科奇海盆M04柱的沉積物粒度、冰筏碎屑、黏土礦物組成進(jìn)行分析，結(jié)合有關(guān)資料對(duì)其沉積物質(zhì)來源和古環(huán)境變化進(jìn)行探討。

2 材料與方法

M04柱位于楚科奇海水深2 003 m的海盆(72°11.955′N，175°58.918′W)(圖1)，柱長(zhǎng)551 cm。沉積物以粉砂質(zhì)黏土為主，表層棕黃色，半流動(dòng)狀，弱黏性。底部呈灰色，結(jié)構(gòu)均一，強(qiáng)黏性，致密狀。上部0～200 cm粒度按1 cm間隔取樣；冰筏碎屑、黏土礦物按2 cm間隔采樣；200～551 cm粒度、冰筏碎屑、黏土礦物按10 cm間隔取樣。

圖1 北冰洋表層環(huán)流與研究區(qū)柱樣站位分布Fig.1 Distribution of the core in the study area and surface circulation in the Arctic Ocean大西洋暖流；冷的低鹽極地流；低鹽輸送流；BG.波弗特渦流；TPD.穿極漂流[5-6]；M03柱數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[11]；南波弗特海數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[12]；東北冰洋數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[13]；東西伯利亞海數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[14]；楚科奇海陸架和楚科奇海陸坡數(shù)據(jù)據(jù)文獻(xiàn)[15]數(shù)據(jù)按Biscaye[16]參數(shù)重新計(jì)算Warm Atlantic currents;cold less saline polar and Arctic currents;low salinity transformed currents; BG.Beaufort Gyre;TPD.Transpolar Drift[5-6]; Core M03 from reference [11]; Southern Beaufort Sea data from reference[12]；East Arctic Ocean data from reference [13]；East Siberian Sea data from reference [14]；Chukchi Sea shelf and Chukchi Sea slope data from reference[15] recalculated with Biscaye’s method [16]

1)國家海洋局.極地地質(zhì)與地球物理考察技術(shù)規(guī)程(第1部分：海洋考察)，2014.

2.1 粒度與冰筏碎屑(IRD)分析方法

粒度由國家海洋局第一海洋研究所測(cè)試完成，分別去除有機(jī)質(zhì)、鈣質(zhì)生物組分、硅質(zhì)生物組分后應(yīng)用英國馬爾文2000型激光粒度分析儀進(jìn)行粒度分析，參數(shù)計(jì)算方法依據(jù)《極地地質(zhì)與地球物理考察技術(shù)規(guī)程(第1部分：海洋考察)》1)規(guī)定的矩法計(jì)算樣品的平均粒徑(Mz)和分選系數(shù)(δi)。

冰筏碎屑分析由國家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。分析方法是使用萬分之一電子天平稱取5～15 g干樣，采用篩析法分別提取63～125 μm、125～250 μm、大于250 μm的顆粒樣品，然后烘干稱重，計(jì)算各級(jí)組分顆粒樣品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.2 巖心掃描分析方法

將柱樣沿中軸線切割，保證切面平整，由國家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用X射線熒光巖心掃描儀(XRF)分析沉積物中的元素相對(duì)含量，分析方法參考L?wemark等[17]，儀器型號(hào)為Itrax，Mo管，曝光時(shí)間5 s，掃描步長(zhǎng)2 mm，X射線寬度4 mm，即掃描結(jié)果為2 mm×4 mm面積內(nèi)元素的平均含量，含量以計(jì)數(shù)強(qiáng)度cps表示，重復(fù)分析偏差小于3%。

柱狀樣剖開并清理表面后，由國家海洋局第一海洋研究所利用Minolta CM22002 分光測(cè)色計(jì)以1 cm分辨率測(cè)量沉積物的光譜特征，獲得顏色參數(shù)分別為L(zhǎng)*，a*，b*。

2.3 礦物分析方法

黏土礦物分析應(yīng)用沉降法提取小于2 μm沉積物組分，用10%H2O2去除有機(jī)質(zhì)、1 mol/L HCl去除CaCO3。對(duì)處理后小于2 μm的黏土樣品采用“涂抹法”制成定向片。將該定向片分別進(jìn)行自然風(fēng)干、乙二醇蒸氣飽和、加熱300°C和550°C等處理。分析所用儀器為荷蘭X’Pert PRO X 射線衍射儀，采用Cu靶輻射，管電壓為45 kV，管電流為40 mA，掃描范圍為(3°～35°)/(2θ)，掃描速度為1.8°/min，每個(gè)樣品均在上述同一條件由國家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試完成。黏土礦物半定量分析用Biscaye參數(shù)方法[16]，主要是依據(jù)其(001)晶面峰的積分強(qiáng)度(峰面積)，選用乙二醇飽和片圖譜上蒙皂石(17?)、伊利石(10?)、綠泥石(7?)+高嶺石(7?)4種礦物的3個(gè)特征衍射峰的峰面積作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算；權(quán)因子確定為蒙皂石重量因子為1，伊利石重量因子為4，綠泥石+高嶺石重量因子為2，高嶺石與綠泥石的含量比例以綠泥石(004)晶面的3.54 ?和高嶺石(002)晶面的3.58 ?衍射峰高比值求得，衍射數(shù)據(jù)和圖件整理均由MDI Jade軟件進(jìn)行處理。

碎屑礦物使用瑪瑙研缽磨至粒徑小于10 μm，由國家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用荷蘭X’Pert PRO X射線衍射儀分析，掃描步長(zhǎng)0.0167°2θ，掃描范圍(5°～80°)/(2θ)，應(yīng)用Rietveld全譜擬合定量分析方法進(jìn)行礦物組成定量分析。

3 結(jié)果

3.1 粒度與冰筏碎屑(IRD)組成

粒度是沉積物顆粒大小及其組成情況的反映，粒徑大小指示了總體沉積環(huán)境變化，粒度參數(shù)代表了在總體沉積環(huán)境下搬運(yùn)動(dòng)力與能量的差異，利用粒度參數(shù)可以區(qū)分不同的沉積動(dòng)力環(huán)境。M04柱沉積物粒度組成見圖2。砂(S)含量為0～15.49%，平均含量為1.13%；粉砂(T)變化范圍29.11%～67.40%，平均含量50.22%；黏土(Y)含量28.27%～70.89%，平均48.65%。平均粒徑(Mz)6.59～8.71Φ，均值8.01Φ。分選系數(shù)(σi)1.17～2.51Φ，均值1.51Φ，分選差。粒度組成分成兩種類型：第一類如14～15 cm、38～39 cm、250～251 cm粒度分布，基本以雙峰態(tài)為主，主峰在4.3 μm，次峰在0.9 μm；第二類如3～4 cm、166～167 cm粒度分布，沉積物具有三峰態(tài)組成特征，主峰在4.3 μm，次峰在0.9 μm，還有第三個(gè)小峰在460 μm左右，明顯不同于第一類的個(gè)體組成和水動(dòng)力搬動(dòng)條件。Clark和Hanson[18]對(duì)北冰洋中部沉積物粒度分析認(rèn)為，海冰搬運(yùn)沉積以2～8 μm的黏土和極細(xì)粉砂為主，因此4.3 μm主峰應(yīng)主要為海冰搬運(yùn)沉積。次峰0.9 μm的組分主要為小于2 μm的黏土組分，推測(cè)主要為洋流搬運(yùn)結(jié)果。至于460 μm小峰應(yīng)是冰山作用引起的冰筏碎屑沉積。沉積物粒級(jí)組成、粒度參數(shù)隨柱樣深度的變化具有明顯的差異性，呈現(xiàn)旋回變化，顯示出地質(zhì)歷史時(shí)期該地區(qū)沉積環(huán)境的顯著變化。

冰川所攜帶的碎屑物質(zhì)搬運(yùn)到海洋后形成的沉積物稱為冰筏沉積。目前冰筏碎屑的確定尚沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。大于63 μm的陸源碎屑都可定義為IRD，而大于200 μm或250 μm的碎屑定義為冰漂礫[19]。本文對(duì)M04柱分別開展大于63 μm、125 μm、250 μm 3種粒級(jí)的冰筏碎屑分析(見圖2)，各粒級(jí)冰筏碎屑組分平均含量分別為1.44%、0.78%、0.39%。大于63 μm、125 μm的冰筏碎屑組分變化完全一致，大于250 μm的冰筏碎屑組分在0～200 cm的變化與大于63 μm、125 μm的IRD組分完全一致，但200 cm以下稍有不同。海冰的主要貢獻(xiàn)是細(xì)砂級(jí)以下的IRD(小于250 μm)，大冰塊或者冰山的主要貢獻(xiàn)是粗的IRD(大于250 μm)[20—21]。M04柱大于250 μm的IRD變化范圍為0～14.46%，在0～36 cm、164～240 cm有5次大的冰塊或冰山作用引起的冰筏碎屑事件，冰筏碎屑主要由透明礦物和暗色礦物組成，礦物顆粒棱角分明(圖2)。除了大冰塊或冰山引起的冰筏碎屑事件外，在225～235 cm、325～335 cm還有2次海冰搬運(yùn)的冰筏碎屑事件。

圖2 M04柱沉積物粒度組成及粒級(jí)參數(shù)、X射線熒光巖心掃描儀的元素掃描及顏色反射率垂直分布圖Fig.2 Components of particle size，grain size parameters，typical grain size frequency and ice-rafted debris，element content measured by Itrax XRF scanning and color reflectance in core M04 sediments

3.2 顏色反射率與X射線熒光巖心掃描結(jié)果

沉積物的顏色通常采用的是L*，a*，b*色空間對(duì)顏色進(jìn)行標(biāo)定，其中a*為紅色指數(shù)，它的值越高代表沉積物顏色越紅[22]，沉積時(shí)氣溫越高，鐵質(zhì)沉積物的氧化程度也越高。X射線熒光(XRF)巖心掃描分析可以同時(shí)掃描得出多種元素的含量。M04柱的XRF元素及顏色反射率值呈現(xiàn)旋回性變化(圖2)，Mn元素與顏色反射率a*和b*具有良好的同步變化特征，其中0～60 cm、155～324 cm Mn含量，a*和b*值高，60～155 cm、324～551 cm剛好相反，指示沉積環(huán)境發(fā)生了明顯變化。

3.3 黏土礦物組成與結(jié)晶學(xué)參數(shù)

海洋中的黏土礦物是沉積物的重要組分，不僅能用其識(shí)別沉積物的來源，而且還可以了解沉積物的擴(kuò)散途徑。M04柱小于2 μm黏土組分的X射線衍射曲線見圖3，根據(jù)(001)衍射峰的特征進(jìn)行黏土礦物鑒定。10?、5?和3.3?處出現(xiàn)的3個(gè)衍射峰，乙二醇蒸氣處理36 h未發(fā)生變化，加熱300℃ 2 h和550℃ 2 h后，位置未見明顯改變，說明樣品中有伊利石。14?處的衍射峰乙二醇處理后強(qiáng)度減小，同時(shí)17?附近出現(xiàn)一個(gè)衍射峰，加熱300℃后該峰消失，14?處的衍射峰面積減小，加熱550℃后該峰消失，而10?峰強(qiáng)度增強(qiáng)，反映蒙皂石的存在，并且可能有部分分解。14?、7?、4.72?和3.54?處出現(xiàn)4個(gè)衍射峰，乙二醇處理后14?峰更加清晰，其余各峰未變化，550℃加熱后其余各峰減弱或消失，但14?峰仍清晰，說明有綠泥石，并可能有部分綠泥石分解。高嶺石鑒定是依據(jù)7? 和3.58?兩衍射峰。其中7?峰與綠泥石的(002)峰重疊，但3.58?峰能夠與綠泥石的3.54?峰區(qū)分開，加熱550℃后上述兩峰消失，確定樣品中有高嶺石。除黏土礦物的衍射峰外，各樣品中常見有4.26?及3.24?和3.19? 3個(gè)較弱但卻清晰的衍射峰，說明黏土組分中普遍存在石英(Q)和斜長(zhǎng)石(PL)。鑒定表明M04柱黏土礦物是伊利石(I)、蒙皂石(S)、高嶺石(K)和綠泥石(Ch)，與文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)基本一致[15]。

黏土礦物的伊利石含量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，平均65%、其次是綠泥石(21%)、高嶺石(11%)，蒙皂石含量極低(3%)。黏土礦物中的伊利石與高嶺石呈現(xiàn)互補(bǔ)式交替變化(見圖4)。0～36 cm、164～235 cm伊利石含量低、高嶺石含量高，36～164 cm、235～551 cm伊利石含量增高、高嶺石含量降低。結(jié)晶度(ICR)用來表征黏土礦物的有序度和晶體顆粒的大小，利用Kübler提出伊利石10?衍射峰的半高寬反映伊利石的結(jié)晶度(ICR)。M04柱伊利石結(jié)晶度變化范圍0.29°～0.49°△2θ，平均為0.35△2θ，指示其主要形成于干冷氣候條件環(huán)境。伊利石化學(xué)指數(shù)(ICHI)通過5?/10?峰面積比獲得。M04柱伊利石化學(xué)指數(shù)變化范圍為0.23～0.50，平均0.39，主要為富Mg-Fe伊利石，形成于比較強(qiáng)烈的物理風(fēng)化氣候環(huán)境。

圖3 典型樣品黏土礦物圖譜Fig.3 Typical XRD pattern of clay minerals in core M04 I.伊利石，S.蒙皂石，K.高嶺石，Ch.綠泥石，Q.石英，PL.斜長(zhǎng)石I. Illite，S. Smectite，K. Kaolinite，Ch. Chlorite，Q. Quartz，PL. Plagioclase

圖4 M04柱黏土礦物組成特征Fig.4 Distribution of clay minerals in core M04 sedimentsI. 伊利石，Ch. 綠泥石，K. 高嶺石，S. 蒙皂石，ICHI. 伊利石化學(xué)指數(shù)，ICR. 伊利石結(jié)晶度I. Illite，Ch. Chlorite，K. Kaolinite，S. Smectite，ICHI. Illite chemical index，ICR. Illite crystallinity

4 討論

4.1 地層框架

由于北冰洋的冰海環(huán)境使碳酸鹽溶解作用較強(qiáng)，生物生產(chǎn)力低下，導(dǎo)致深海沉積物中能夠用來測(cè)年的鈣質(zhì)生物殼體相對(duì)匱乏，給有孔蟲氧碳同位素地層學(xué)和生物地層學(xué)的應(yīng)用帶來一定的困難[12，23]。冰筏碎屑是北冰洋沉積物中常見的組分，不受成巖作用的影響，它的含量高低用來指示陸源冰筏的多少，與氣候的冷暖有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，常作為北冰洋沉積物地層劃分的依據(jù)，成為北冰洋地層對(duì)比的重要指標(biāo)[10，20，24]。近年來逐漸采用測(cè)年法與冰筏碎屑事件、沉積物顏色旋回等相結(jié)合建立地層框架[25]。通常沉積物中的IRD應(yīng)該在冷期含量較高，但北冰洋楚科奇海盆晚第四紀(jì)的冰筏碎屑事件出現(xiàn)在間冰期和冰消期[25]。

M04柱上部0～36 cm有3次IRD(大于250 μm)事件，分別是2～4 cm、16～18 cm、26～28 cm 3個(gè)層位，IRD含量分別為8.70%、5.27%、2.57%。向下36～164 cm沉積物中缺失IRD，166～200 cm中再次出現(xiàn)IRD事件。該柱的IRD旋回變化與其北部緊鄰的M03柱(76°32′13″N，171O55′52″W，水深2 300 m)的IRD事件頻次極為相似。王汝建等[25]對(duì)楚科奇海M03柱的冰筏碎屑分析表明，IRD大于154 μm與IRD大于250 μm組分變化一致。Wang等[11]根據(jù)N. pachyderma(S)和腐植酸餾份測(cè)年資料結(jié)合冰筏碎屑事件、沉積物顏色旋回及Mn含量變化特征將M03柱347 cm長(zhǎng)的巖心劃分為Marine Isotope Stage(MIS)4(？)～MIS 1的時(shí)間序列：MIS1(0～8 cm)、MIS2(8～18 cm)、MIS3(18～330 cm)、MIS4 (？)(330～347 cm)。從圖5看出：M04柱的0～6 cm與M03柱的0～8 cm的IRD變化特征相似，均有一個(gè)IRD事件，沉積物具有三峰態(tài)，為MIS1期沉積。M04柱6～16 cm層位IRD含量較低或缺失，與M03柱的8～18 cm的IRD分布特征一致，將M04柱的6～16 cm歸為MIS2期，該層沉積物粒度基本上以雙峰態(tài)為主，缺少冰筏組份特征。M04柱的16～325 cm層位的IRD與M03柱18～330 cm層位中的IRD事件頻數(shù)一致，將M04柱的16～325 cm歸于MIS3期沉積。圖5看出，MIS3期楚科奇海盆沉積環(huán)境發(fā)生較大變化，有兩次氣候變暖引起的冰筏碎屑事件，即16～36 cm、164～235 cm兩個(gè)層位的冰筏碎屑事件，應(yīng)是末次間冰期的MIS3.1和MIS3.3產(chǎn)物。M04柱169～170 cm有孔蟲殼體的AMS14C測(cè)年大于43.5 ka，MIS3.3期的年代為53 ka[26]，表明164～235 cm歸于MIS3.3期是合理的。325 cm以下由于缺少明顯的變化特征，均歸為MIS4(？)期沉積。

北冰洋西部沉積物棕褐色層(B層)通常被認(rèn)為是間冰期/間冰段沉積[27—30]，B1單元對(duì)應(yīng)于MIS1，B2單元對(duì)應(yīng)著MIS3[30—31]。M04柱顏色反射率a*值看出(見圖5)，表層的0～6 cm、164～235 cm的a*值較高，與其北部緊鄰的M03柱的B1、B2層相對(duì)應(yīng)，可以歸為MIS1、MIS3。Polyak和Jakobsson[32]總結(jié)認(rèn)為，北冰洋冰期沉積物是典型的橄欖灰到微黃色，具有高的L*和低的a*，并且缺少生物組分物質(zhì)，M04柱325～551 cm恰有此特征，應(yīng)為冰期沉積，因此可以歸為MIS4。本柱的a*值與IRD分布具有良好的同步性，指示了楚科奇海盆在冰期和間冰期沉積環(huán)境的氧化還原條件變化。

圖5 北極楚科奇海盆M04柱綜合地層剖面(M03柱數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[11])Fig.5 Integrated stratigraphic section of core M04 in the Chukchi Sea Basin (data of core M03 from reference[11])

元素含量作為沉積地球化學(xué)的指標(biāo)用來記錄沉積環(huán)境的變化。L?wemark等將XRF掃描結(jié)果獲得的Mn含量成功地應(yīng)用到北冰洋海域地層分析中[17]。M04柱巖心XRF掃描的Mn含量與a*值變化相關(guān)性非常好(圖5)，與北部緊鄰的M03柱MnO含量變化特征一致，表現(xiàn)為暖期Mn含量和a*值高，冷期時(shí)低的特征。這是由于間冰期高海平面時(shí)氧化作用強(qiáng)，底層富氧水致使更多的Mn沉積，形成Mn含量高的深褐色[17]。Mn含量的周期性變化能夠佐證M04柱的地層劃分。此外，Ca元素與IRD大于250 μm呈同步變化，與其北部緊鄰的M03柱浮游有孔蟲豐度(Foram Abundance)和IRD大于154 μm對(duì)應(yīng)(圖5)，鏡下觀察M04柱表層10 cm沉積物中大于125 μm粒級(jí)碎屑中的生物殼體比較豐富，推斷M04柱的Ca元素含量可能部分反映了海洋自生沉積作用。北冰洋的Ca元素含量主要受兩種物源輸入影響：一是海洋生物成因的鈣質(zhì)生物來源，二是受周邊陸源輸入。為進(jìn)一步了解Ca元素的陸源碎屑輸入特征，本次挑選0～2 cm、10～12 cm、20～22 cm、30～32 cm、40～42 cm、70～72 cm、126～126 cm、188～190 cm、240～241 cm、310～321 cm、400～411 cm、500～511 cm共12層位沉積物進(jìn)行XRD分析，因研究區(qū)粗顆粒組分樣品(大于63 μm)含量較少，因此只能挑選2～63 μm粒級(jí)沉積物進(jìn)行分析，結(jié)果見圖5、圖6。0～200 cm均有白云石(Dolomite)(即2θ在30.9°、41.1°、51.1°出現(xiàn)峰值)，含量0.3%～9.7%，200 cm以下白云石含量較少或未見(2θ在30.9°、41.1°、51.1°未見峰值或僅有小峰)。從0～200 cm的白云石含量與IRD事件對(duì)比看出，白云石含量較高層位基本對(duì)應(yīng)著IRD事件層位。已有研究表明：波弗特環(huán)流控制下的美亞海盆以碳酸鹽巖碎屑沉積為特征，特別是其中的白云石，來源單一，主要來自于加拿大北極群島的碳酸鹽露頭，是指示陸源物質(zhì)源區(qū)及其變化的主要標(biāo)志[33—34]。北冰洋西部的IRD沉積主要來自于北美冰蓋，包括冰消期的幾次IRD事件[17]。從M04柱白云石高含量出現(xiàn)的層位看，基本上在MIS3期以前的間冰期，這可能是由于北極氣候變暖，引起勞倫冰蓋融化，崩解的冰山會(huì)攜帶有來自于加拿大北極群島的陸源物質(zhì)經(jīng)波弗特渦流搬入西北冰洋。綜上分析表明，Ca元素含量主要反映了氣候變暖條件下海洋自生生物增加及冰蓋裂解作用增強(qiáng)引起的陸源物質(zhì)輸入增加，可以用于研究區(qū)的地層劃分。

圖6 M04柱典型層位XRD分析圖譜Fig.6 Typical XRD pattern of debris minerals in core M04 sediments

黏土礦物高嶺石/伊利石(K/I)、高嶺石/綠泥石(K/Ch)比值取決于氣候和源區(qū)的變化，在較短的地質(zhì)歷史時(shí)期發(fā)生變化，可以反映其形成時(shí)的環(huán)境氣候條件，已廣泛應(yīng)用于末次冰期及全新世以來古氣候與環(huán)境變化研究[35—36]。M04柱的K/I、K/Ch比值具有明顯的周期變化，與IRD事件具有同步變化特征，0～6 cm、16～36 cm、164～235 cm出現(xiàn)IRD事件層段的K/I、K/Ch比值高，反映高嶺石黏土礦物輸入增加；6～16 cm、36～164 cm、235～551 cm缺少IRD事件層段K/I、K/Ch比值低，指示高嶺石黏土礦物來源減少。北冰洋海洋沉積物中高嶺石潛在源區(qū)非常有限，楚科奇海盆周邊只有北美阿拉斯加和加拿大北部海岸的一些中生代和新生代地層表現(xiàn)出較高的高嶺石含量(大于25%)，東西伯利亞海高嶺石含量較低(小于8%)[37—40]，研究區(qū)柱樣高嶺石含量增加反映了研究區(qū)古氣候變化引起的北美冰蓋的物源輸入增加，表明該比值可以用于研究區(qū)地層的劃分(見圖5)。

總之，楚科奇海盆M04柱的地層框架通過IRD事件、柱樣巖心顏色反射率及元素掃描數(shù)據(jù)、黏土礦物比值、有孔蟲殼體的AMS14C測(cè)年等綜合分析并結(jié)合北部緊鄰的M03柱的地層框架對(duì)比獲得。

4.2 黏土礦物組合變化及其古環(huán)境意義

黏土礦物是由母巖在特定古氣候條件下風(fēng)化蝕變形成，溫暖氣候與寒冷氣候條件下所形成的黏土礦物組合不同，古氣候變化直接影響沉積區(qū)海平面變化，導(dǎo)致沉積區(qū)水動(dòng)力條件變化和地球化學(xué)環(huán)境變化；水動(dòng)力是控制黏土礦物遷移沉積的重要因素，不同水動(dòng)力條件下沉積的黏土礦物組合特征是不同的。極地和亞極地區(qū)域，寒冷的氣候至少在晚第三紀(jì)和第四紀(jì)時(shí)期占優(yōu)勢(shì)，這期間物理風(fēng)化作用占主導(dǎo)地位，M04柱的伊利石結(jié)晶度和伊利石化學(xué)指數(shù)反映研究區(qū)黏土礦物主要形成于干冷氣候條件下的物理風(fēng)化作用，化學(xué)成巖過程的改變是微不足道的，因此其黏土礦物是可以作為識(shí)別物質(zhì)來源和陸源沉積物運(yùn)輸途徑的一項(xiàng)有價(jià)值的指標(biāo)。研究表明，楚科奇海的黏土礦物是西伯利亞和阿拉斯加的火山巖、變質(zhì)巖以及一些含高嶺石的沉積物和古土壤等，經(jīng)河流搬運(yùn)，在北太平洋的3股洋流及西伯利亞沿岸流的作用下沉積形成的；西北冰洋深水區(qū)黏土礦物以穿極漂流和波弗特渦流控制的海冰搬運(yùn)為主，來源分別為歐亞陸架和加拿大北極群島周緣海域[41]。本文在此基礎(chǔ)上，搜集整理歐亞大陸東西伯利亞海沿岸和北美大陸的阿拉斯加與加拿大沿岸陸源黏土礦物組合特征，與研究區(qū)礦物組合特征進(jìn)行綜合判別分析M04柱地質(zhì)歷史時(shí)期物源輸入變化特征。

M04柱MIS4(？)期黏土礦物表現(xiàn)為伊利石(66%)-綠泥石(22%)-高嶺石(10%)-蒙皂石(2%)組合(見表1)，與東西伯利亞海沿岸的黏土礦物組合伊利石(69%)-綠泥石(20%)-高嶺石(8%)-蒙皂石(4%)相似[14，42]，東西伯利亞海的黏土礦物數(shù)據(jù)是采用Biscaye[16]參數(shù)方法進(jìn)行半定量計(jì)算，與本文的黏土礦物半定量計(jì)算方法相同，在蒙皂石-伊利石-高嶺石三角圖上二者分布范圍基本重疊(見圖7)。Viscosi-Shirley 等利用黏土礦物與元素化學(xué)分析相結(jié)合的方法對(duì)西伯利亞-北冰洋陸架表層沉積物研究表明，富Al、K和REE元素的西伯利亞陸地頁巖風(fēng)化物質(zhì)由勒拿河(Lena River)、亞納河(Yana River)、因迪吉爾卡河(Indigirka River)和科雷馬河(Kolyma River)搬運(yùn)至東西伯利亞海陸架區(qū)[43]。董林森等人對(duì)楚科奇海黏土礦物西部礦物組合分析認(rèn)為，西伯利亞陸地物源在西伯利亞沿岸流的作用下搬運(yùn)到楚科奇海[41]。因此，可以推斷寒冷冰期西伯利亞海沿岸流作用較強(qiáng)，西伯利亞沿岸流將科雷馬河和因迪吉爾卡河等搬運(yùn)至東西伯利亞海的陸地巖石風(fēng)化物質(zhì)輸送至楚科奇海盆[15]，從而黏土礦物表現(xiàn)為受到的東西伯利亞海物源輸入影響。

MIS3期黏土礦物組合中綠泥石和蒙皂石含量變化較小，伊利石和高嶺石含量波動(dòng)較大。根據(jù)其變化特征，細(xì)分為4個(gè)亞期(見表1)：MIS3.4和MIS3.2亞冰期黏土礦物組合繼承了MIS4冰期的黏土礦物組合特征，高嶺石含量約10%，伊利石含量大于65%，在蒙皂石-伊利石-高嶺石三角圖上與東西伯利亞海的黏土礦物分布范圍重疊；而MIS3.3和MIS3.1亞間冰期黏土礦物的伊利石含量略有下降，約63%，高嶺石含量增加，約14%～18%，黏土礦物組合特征與楚科奇海陸坡表層黏土礦物伊利石(61%)-綠泥石(23%)-高嶺石(14%)-蒙皂石(3%)組合特征相似，在蒙皂石-伊利石-高嶺石三角圖上位于波弗特海分布范圍內(nèi)，由于波弗特海的黏土礦物含量文獻(xiàn)中并未注明黏土礦物半定量計(jì)算方法，且波弗特海黏土礦物分布比較零散，多個(gè)河流入海物質(zhì)疊加以及明顯的洋流搬運(yùn)作用[37]導(dǎo)致其與研究區(qū)數(shù)據(jù)難以進(jìn)行良好對(duì)比，但與使用Biscaye[16]的方法計(jì)算的波弗特海的主要入海河流馬更些河的伊利石(66%)-綠泥石(15%)-高嶺石(13%)-蒙皂石(6%)及馬更些河三角洲的伊利石(64%)-綠泥石(19%)-高嶺石(12%)-蒙皂石(5%)[37]黏土礦物組成非常相似，表明二者具有一定的親緣性；也與利用Biscaye[16]方法計(jì)算的楚科奇海陸坡表層黏土礦物分布區(qū)重疊。波弗特海的高嶺石含量高達(dá)22%[12]，主要為美洲大陸加拿大和阿拉斯加的古土壤中的高嶺石風(fēng)化產(chǎn)物[37—38]，白令海北部和楚科奇海中部黏土礦物主要來自北美育空河[37]。推斷溫暖的亞間冰期高海平面時(shí)期，經(jīng)波弗特海沿岸流和波弗特渦流將源于美洲大陸古土壤風(fēng)化物質(zhì)搬運(yùn)至楚科奇海盆；此外，經(jīng)白令海而入的太平洋水團(tuán)攜帶的北美洲育空河的入海物質(zhì)可能也有一定影響[15，41—42，44—46]。因此，MIS3期的亞間冰期與亞冰期波弗特海及東西伯利亞海分別為楚科奇海盆陸源輸入提供了貢獻(xiàn)。

MIS2期存在部分沉積間斷[11]，目前保存的沉積記錄顯示其礦物組合與MIS3.3、MIS3.1期組合類似，二者應(yīng)有相同的物源供應(yīng)，本期沉積記錄不全，本文未做深入討論。

MIS1期全新世黏土礦物組合為伊利石(59%)-綠泥石(24%)-高嶺石(16%)-蒙皂石(2%)，與楚科奇海陸坡表層黏土礦物組合非常相似。從圖7黏土礦物三角圖上看出，楚科奇海陸坡表層黏土礦物與東北冰洋歐亞海盆黏土礦物分布區(qū)部分重疊，東北冰洋歐亞海盆區(qū)的黏土礦物數(shù)據(jù)是采用Biscaye方法進(jìn)行半定量估算[13]，指示二者具有一定的親緣性，由現(xiàn)代環(huán)流看出，穿極漂流及波弗特渦流將細(xì)顆粒物質(zhì)從美亞海盆向歐亞海盆輸送中或許起到了一定的作用。

圖7 M04柱蒙皂石-伊利石-高嶺石三角圖(數(shù)據(jù)來源說明見圖1)Fig.7 Triangle diagram of smectite-illite-kaolinite in core M04 sediments(data source seen Fig.1)

綜上分析，自MIS4期以來，M04柱黏土礦物中的綠泥石含量變化不大，基本上在20%左右，伊利石含量由MIS4期的66%逐漸降低到MIS1期的59%，高嶺石呈相反的變化，由MIS4期的10%逐漸升高到MIS1期的16%，蒙皂石含量呈現(xiàn)高低震蕩變化(見表1)。MIS3.3、MIS3.1亞間冰期和MIS1期楚科奇海盆黏土礦物組合與楚科奇海陸坡表層沉積物黏土礦物組合相似，主要來自于加拿大馬更些河的入海物質(zhì)及太平洋水團(tuán)攜入的北美洲育空河入海物質(zhì)；MIS4期、MIS3.4和MIS3.2亞冰期的黏土礦物組合與東西伯利亞海組合相似，主要來自于科雷馬河和因迪吉爾卡河等河流搬運(yùn)的西伯利亞頁巖物質(zhì)。MIS2期現(xiàn)存的黏土礦物繼承了MIS3.1期的黏土礦物組合特征。黏土礦物組合特征不僅反映了物質(zhì)來源特征，也間接指示了物質(zhì)輸運(yùn)途徑。自MIS4期至MIS1期，楚科奇海盆黏土礦物組合特征發(fā)生了根本性變化，指示晚更新世以來研究區(qū)的兩個(gè)主要物源供應(yīng)以及不同的沉積物擴(kuò)散路徑。白令海峽水深50 m，末次冰期時(shí)(22 000～19 000 a)海平面下降120 m，晚更新世冰期MIS2及MIS3和MIS4期的部分時(shí)段海平面也極低，白令海峽關(guān)閉[47—48]，太平洋水未能進(jìn)入北冰洋，東西伯利亞沿岸流作用較強(qiáng)，楚科奇海盆表現(xiàn)為東西伯利亞物源輸入特征；溫暖的間冰期高海平面時(shí)，白令海峽打開，太平洋水流入北冰洋，波弗特渦流及太平洋水團(tuán)控制了源區(qū)的物質(zhì)搬運(yùn)，楚科奇海盆表現(xiàn)為北美陸源輸入特征。已有研究表明，波弗特渦流是全新世現(xiàn)象[33—34]，晚更新世冰期美亞海盆東部的表層環(huán)流可能是反方向的或者波弗特環(huán)流不存在，與本次黏土礦物組合物源分析結(jié)果一致。但需要指出的是，由于黏土顆粒較小，即使絮凝顆粒也是非常小的，以致于它們?cè)谒虚L(zhǎng)期停留，較弱的洋流也能將其進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)輸，因此研究區(qū)沉積物的黏土礦物組合也可能是多種來源混合的信號(hào)。

表1 北冰洋表層/柱狀樣沉積物黏土礦物組合特征

注：表中黏土礦物含量除南波弗特海的數(shù)據(jù)文獻(xiàn)中未注明黏土礦物半定量計(jì)算方法，其他數(shù)據(jù)均是采用Biscaye[16]的方法計(jì)算。

5 結(jié)語

通過北冰洋楚科奇海盆M04柱的沉積學(xué)與礦物學(xué)綜合分析，得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1)綜合M04柱冰筏碎屑、沉積物顏色旋回、Mn元素特征和黏土礦物比值分析，初步建立了北冰洋楚科奇海盆晚更世MIS4期以來的地層框架：MIS1期0～6 cm，MIS2期6～16 cm，MIS3期16～325 cm，MIS4(？)期325～551 cm；

(2)楚科奇海盆MIS4期以來沉積物粒度有兩種類型：一類是冰期沉積物，粒度基本上以雙峰態(tài)為主，由洋流搬運(yùn)和海冰搬運(yùn)沉積組分組成；另一類是間冰期沉積物，粒度具有三峰態(tài)組成特征，由海冰搬運(yùn)、洋流搬運(yùn)和冰山搬運(yùn)沉積組分組成；

(3)楚科奇海盆MIS4期以來沉積物中的綠泥石含量變化不大，基本上在20%左右，伊利石含量由MIS4期的66%逐漸降低到MIS1期的59%，高嶺石呈相反的變化，由MIS4期的10%逐漸升高到MIS1期的16%，蒙皂石含量呈現(xiàn)高低震蕩變化；

(4)楚科奇海盆MIS4期以來黏土礦物組合特征顯示研究區(qū)具有兩個(gè)主要物源供應(yīng)以及不同擴(kuò)散路徑：溫暖的間冰期楚科奇海盆黏土礦物組合與楚科奇海陸坡表層沉積物黏土礦物組合相似，主要來自于加拿大馬更些河的入海物質(zhì)及太平洋水團(tuán)攜入的北美洲育空河入海物質(zhì)，物源輸入受現(xiàn)代表層環(huán)流模式控制；寒冷的冰期黏土礦物組合與東西伯利亞海組合相似，具有與現(xiàn)代不同的表層環(huán)流模式。

致謝：感謝“中國第五次北極科考”全體人員的辛勤勞動(dòng)!對(duì)文章提出寶貴意見的兩位審稿人表示感謝!感謝王汝建老師在論文成圖方面給予的幫助!

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Paleoenvironmental record of core M04 in the Chukchi Sea Basin during Late Pleistocene

Zhang Weiyan1，2，Yu Xiaoguo1，2，Liu Yanguang3，Jin Lu1,2，Ye Liming1，2，Xu Dong1，2，Bian Yeping1，2，Zhang Deyu3，Yao Xuying2，Zhang Fuyuan1，2

(1.LaboratoryofsubmarineGeosciences，StateOceanicAdministration，Hangzhou310012，China;2.SecondInstituteofOceangraphy，StateOceanicAdministration，Hangzhou310012，China; 3.FirstInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Qingdao266061，China)

A gravity core M04 was taken from the Chukchi Sea Basin during the fifth Chinese National Arctic Research Expedition in 2012. All samples were analyzed for grain size，ice-raft detritus，clay mineral，XRF scanning and sediment color features. The stratigraphic framework of core M04 since Marine Isotope Stage 4 was established by synthesizing results of IRD，color cycles，clay proxies (kaolinite to illite and kaolinite to chlorite ratios)，AMS14C ages，as done previously for other cores. It is clearly distinguished between sediments deposited during glacial and interglacial with the grain size and clay mineral composition of sediments. During glacial，the grain size distribution is bimodal components of the sediment through the current transport and sea ice transport process，with high content of illite and low content of kaolinite. In contrast，during interglacial，the grain size distribution is trimodal components of the sediment through the current transport and sea ice and iceberg transport process，with content of illite reducsing and content of kaolinite increasing. Clay-mineral association in core M04 and the adjacent marginal continental shelf areas are compared to identify source areas and transport pathways of terrigenous material in the Chukchi Sea Basin during the Late Pleistocene. Based on the above study，it is indicated that sedimentary environment has been significantly changed from the late Pleistocene.During the interglacial stage，terrestrial sources input into the study area from the Beaufort Sea driven by Beaufort Gyre，but during the glacial stage，fine particulate terrigenous input from the East Siberian Sea driven by the opposite direction circulation．

Arctic; Chukchi Sea; grain size; ice-raft detritus; clay mineral; paleoenvironment

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.07.009

2014-08-18；

2015-04-15。

南北極環(huán)境綜合考察與評(píng)估專項(xiàng)——2014年度北極海域海洋地質(zhì)考察(CHINARE2014—03—02)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41106050，41106048)。

章偉艷(1972—)，女,浙江省諸暨市人，研究員，主要從事海洋沉積學(xué)研究。E-mail：zwy885@163.com

P736.2

A

0253-4193(2015)07-0085-12

章偉艷，于曉果，劉焱光，等. 楚科奇海盆M04柱晚更新世以來沉積古環(huán)境記錄[J]. 海洋學(xué)報(bào)，2015，37(7): 85-96，

Zhang Weiyan，Yu Xiaoguo，Liu Yanguang，et al. Paleoenvironmental record of core M04 in the Chukchi Sea Basin during Late Pleistocene[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(7): 85-96，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.07.009