近4 400 a南海北部陸架沉積物的東亞季風(fēng)記錄

田 旭, 徐方建, 徐 微, 劉喜玲

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院, 江蘇 徐州 221116； 2. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 青島 266580； 3. 中海油研究總院新能源研究中心, 北京100028； 4. 中國(guó)海洋石油國(guó)際有限公司, 北京100027)

近海陸架沉積有效地記錄了海陸變遷、海平面變化、河流入海和氣候變化等地質(zhì)與環(huán)境信息, 對(duì)全球環(huán)境變化十分敏感, 因此陸架沉積研究備受關(guān)注。近年來(lái)對(duì)渤海[1]、黃海[2]、東海陸架[3]、臺(tái)灣海峽[4]等多處沉積體進(jìn)行了研究, 在沉積物的區(qū)域分布[2]、物質(zhì)來(lái)源[5-8]、沉積演化歷史及其古氣候、季風(fēng)演化信息的提取[9-12]等方面取得了較大進(jìn)展。

南海作為東亞大陸物質(zhì)剝蝕的主要沉積區(qū), 已經(jīng)開(kāi)展了大量的工作。深水區(qū)以其沉積連續(xù)、信號(hào)記錄穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)而備受海洋地質(zhì)學(xué)者的關(guān)注[13-15],但其沉積速率較慢, 總體分辨率較低[16-18]。而淺水陸架區(qū)沉積速率快, 地層分辨率較高, 這為我們進(jìn)行高分辨率的古環(huán)境研究提供了材料。但由于淺水陸架區(qū)沉積環(huán)境可能不穩(wěn)定而導(dǎo)致信號(hào)記錄不穩(wěn)定,目前對(duì)南海陸架的研究較為滯后[19-20], 其主要研究對(duì)象也多為孢粉和藻類(lèi)[21-22], 部分研究分辨率較低[23],少見(jiàn)海南島南部陸架區(qū)沉積物特別是柱狀沉積物中季風(fēng)信息研究的相關(guān)報(bào)道。本文對(duì)位于南海北部陸架的S20孔粒度、年代以及微量元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析,初步探討了該區(qū)沉積物中蘊(yùn)含的亞洲季風(fēng)信息。

1 材料與方法

海南島及其鄰近海區(qū)有諸多河流注入南海, 海南島東岸環(huán)流也存在季節(jié)性變化特點(diǎn), 即夏季由于盛行西南風(fēng)而為東北向流, 冬季盛行東北風(fēng)而盛行西南向流[24](圖1a、圖1b)。研究所用的S20孔于2003年9月利用重力取樣器采自于海南島南部(110°03.22′E,17°41.57′N(xiāo), 水深 127.3 m, 圖 1), 長(zhǎng) 222 cm。該孔沉積物以灰色、深灰色黏土質(zhì)粉砂為主, 未見(jiàn)明顯的事件性沉積間斷。粒度和元素分析樣品個(gè)數(shù)均為23個(gè),取樣間隔為10 cm。

粒度分析樣品先后用濃度為 30%的過(guò)量雙氧水和3 mol/L的鹽酸去除有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽, 加蒸餾水離心清洗 3次。處理后的樣品在中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所用英國(guó)Malvern 2000型激光粒度儀進(jìn)行粒度測(cè)量, 測(cè)量范圍為0.02～2 000 μm, 測(cè)試誤差小于2%。

Zr、Rb元素分析樣品洗鹽后在60 ℃下烘干, 研磨至小于 250目, 送中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所用全自動(dòng) X-射線(xiàn)熒光光譜儀進(jìn)行粉末壓片法分析, 儀器型號(hào)為 PW2440, 由荷蘭菲利普公司生產(chǎn), 元素檢出限為2 μg/g。為了監(jiān)控測(cè)試精度和準(zhǔn)確度, 分別進(jìn)行了若干樣品的重復(fù)分析與標(biāo)樣分析, 標(biāo)樣類(lèi)型為國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) GSD-9和GSD-10, 重復(fù)樣與一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)合格率均為100%。

圖1 南海北部季節(jié)性流系路徑和相關(guān)站位圖Fig.1 Seasonal current variations in northern South China Sea and core locations

3個(gè)AMS14C年代數(shù)據(jù)在中國(guó)科學(xué)院黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成測(cè)試。原始測(cè)年數(shù)據(jù)利用CALIB 5.0.1軟件[25]進(jìn)行日歷年齡校正(表1), 其他深度年代數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)插或是外推獲得(本文所指的年齡均為日歷年齡)。

2 結(jié)果

粒度測(cè)試結(jié)果顯示, S20孔主要為黏土質(zhì)粉砂,以粉砂為主(71%), 平均含量變化范圍為 67.6%～77.3%, 其次為黏土(16%), 平均含量變化范圍為12.5%～22.8%, 再次為砂(13%), 平均含量變化范圍為 4.9%～18.9%。從底部向上, 黏土和粉砂含量逐漸增大, 砂含量逐漸降低。其中黏土和粉砂平均含量變化趨勢(shì)相同, 而與砂平均含量變化趨勢(shì)相反。粒度頻率曲線(xiàn)分布多數(shù)近于對(duì)數(shù)正態(tài)分布, 以粉砂粒級(jí)(30 μm)峰為主(圖2)。

S20孔R(shí)b質(zhì)量比平均為112×10-6, 變化范圍為105×10-6～127×10-6, Zr質(zhì)量比平均為226×10-6, 變化范圍為 208×10-6～240×10-6, 平均粒徑為 28.07 μm,變化范圍為17.42～35.77 μm。其中, Zr質(zhì)量比與平均粒徑大小變化趨勢(shì)相似, 而與Rb質(zhì)量比變化趨勢(shì)近乎于呈鏡像關(guān)系(圖3)。

依據(jù) AMS14C測(cè)年結(jié)果, 結(jié)合沉積速率線(xiàn)性外插法獲得該柱狀沉積物底部的年齡大約為4 400 a BP。4 118～2 354 a BP期間沉積速率較為穩(wěn)定, 約為77 cm/ka, 2 354 a BP以來(lái)沉積速率明顯降低, 約為29 cm/ka。

3 元素比值與敏感粒度組分平均粒徑的地質(zhì)意義

中晚全新世以來(lái)研究區(qū)海平面變化不大[26-28],因此本段可以看作海侵結(jié)束后高海平面以來(lái)的淺海沉積, 其對(duì)應(yīng)的動(dòng)力條件和沉積環(huán)境與現(xiàn)今基本一致。而 S20孔近于對(duì)數(shù)正態(tài)分布的粒度頻率曲線(xiàn)也表明其沉積動(dòng)力條件相對(duì)穩(wěn)定(圖2)。陳麗蓉[24]通過(guò)對(duì)碎屑礦物(63～250 μm)研究認(rèn)為, 海南島以東以及以南的近岸區(qū)物質(zhì)主要為沿岸沖刷及沿岸河流帶來(lái)的, 黏土礦物卻表現(xiàn)出與珠江口沉積物相似。如圖1所示, 研究區(qū) 2月份主要受到東北-西南向沿岸流影響, 8月份方向相反[24]。考慮到地形和流系因素, 海南島東部河流和珠江物質(zhì)是影響 S20孔區(qū)域最為可能的兩個(gè)來(lái)源。而西南部河流, 如越南沿岸河流輸出的沉積物, 主要在越南沿岸流的作用下向南輸送[29], 很難到達(dá)我們的研究區(qū), 因此它們對(duì)本研究站位的貢獻(xiàn)可以忽略?？梢哉J(rèn)為, 研究區(qū)沉積物主要是在冬季沿岸流作用下搬運(yùn)沉積而成。

表1 S20孔AMS14C年齡數(shù)據(jù)Tab.1 AMS14C dating of Core S20

圖2 S20孔黏土、粉砂、砂含量與粒度頻率分布曲線(xiàn)Fig.2 The content of clay, silt and sand and frequency distributions of sediment grain-size in Core S20

圖3 S20孔R(shí)b、Zr質(zhì)量比及平均粒徑分布圖Fig.3 Profiles of contents of Rb, Zr and mean grain size in Core S20

3.1 Zr/Rb元素比值

研究表明, 中國(guó)淺海陸架沉積物地球化學(xué)元素含量變化遵從“元素的粒度控制律”, Rb主要賦存在細(xì)粒物質(zhì)中, 而 Zr常趨于在粗粒級(jí)中[30]。而 S20孔平均粒徑與Zr質(zhì)量比變化趨勢(shì)相同, 與Rb質(zhì)量比變化趨勢(shì)呈較好的鏡像關(guān)系, 也符合這一規(guī)律(圖 3)。在表生地球化學(xué)過(guò)程中, 各種沉積物的化學(xué)成分會(huì)受到原巖組成、源區(qū)風(fēng)化、搬運(yùn)遷移分選和沉積后的變化等諸多因素影響, 但也有研究發(fā)現(xiàn), 有些元素的變化只受單一因素控制[31], 對(duì)黃土、湖泊、海洋沉積等的研究也表明, Zr/Rb值不受沉積后作用的影響[32-34]。由于碳酸鈣幾乎不含 Zr和 Rb[32], 因此用Zr/Rb值可以消除樣品中碳酸鹽含量變化的影響。所以, 可將Zr/Rb值近似的作為主要富集于相對(duì)粗粒和細(xì)粒物質(zhì)的陸源元素比值。將 S20孔沉積物平均粒徑和 Zr/Rb值進(jìn)行 Spearman相關(guān)分析, 二者在a=0.01(置信度P=0.99)水平上僅表現(xiàn)為微弱相關(guān)(相關(guān)系數(shù)R=0.21), 因此, 主要富集于相對(duì)粗粒和細(xì)粒物質(zhì)的 Zr/Rb值與沉積物平均粒徑并無(wú)明顯的關(guān)系,這可能因?yàn)橛糜跍y(cè)試的沉積物還受到了部分自生礦物顆粒的影響, 因此經(jīng)過(guò)量雙氧水和鹽酸預(yù)處理后的沉積物全巖樣粒度不能有效反映搬運(yùn)水動(dòng)力條件的強(qiáng)弱, 而幾乎全部陸源的Zr/Rb值弱化或是消除了自生礦物顆粒的影響, 這兩種陸源元素比值可以有效的作為搬運(yùn)動(dòng)力強(qiáng)弱的代用指標(biāo)[35]。

3.2 敏感粒度組分平均粒徑

近年來(lái), 粒徑-標(biāo)準(zhǔn)偏差法在中國(guó)海沉積物古季風(fēng)信息提取中得到了良好的應(yīng)用[3,10,12,36]。本文利用該方法獲得了各粒級(jí)組分標(biāo)準(zhǔn)偏差隨粒徑的變化曲線(xiàn)(圖4), 較大的標(biāo)準(zhǔn)偏差值分別對(duì)應(yīng)于8 μm和71 μm,較低值為19 μm。本文以19 μm為界線(xiàn)劃分出細(xì)、粗兩個(gè)粒度組分。

圖4 S20孔粒徑-標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線(xiàn)Fig.4 Standard deviation vs. grain-size of Core S20

將S20孔沉積物敏感粒度組分平均粒徑和Zr/Rb值對(duì)比發(fā)現(xiàn), 二者具有相似的變化趨勢(shì)(圖 5), 進(jìn)行Spearman相關(guān)分析發(fā)現(xiàn), 二者在a=0.01(置信度P=0.99)水平上表現(xiàn)為顯著相關(guān)(相關(guān)系數(shù)R=0.63),這與未進(jìn)行敏感粒度組分提取前的平均粒徑相比,二者相關(guān)性明顯增強(qiáng), 因此可以認(rèn)為, S20孔沉積物敏感粒度組分平均粒徑有效的弱化了自生礦物顆粒的影響。因此, S20孔沉積物主要賦存于粗、細(xì)粒級(jí)的Zr/Rb陸源元素比值和小于19 μm的細(xì)粒組分平均粒徑可以作為冬季沿岸流、進(jìn)而作為東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度的代用指標(biāo)。

4 近4 400 a東亞季風(fēng)信息

將南海北部陸架S20孔沉積物小于19 μm的細(xì)粒組分平均粒徑(圖5a)、Zr/Rb值(圖5b)與東海內(nèi)陸架 PC-6孔沉積物細(xì)粒組分平均粒徑(圖 5c, 站位見(jiàn)圖 1c)[12]進(jìn)行對(duì)比, 可以看出, 在測(cè)年誤差和數(shù)據(jù)精度范圍內(nèi), 三者揭示的冬季沿岸流強(qiáng)弱變化趨勢(shì)較為一致。將前二者進(jìn)一步與鄰近的南海 17940孔海水表層溫度(SST, 圖5d, 站位見(jiàn)圖1c)[26-27]進(jìn)行對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn), S20孔沉積物Zr/Rb值和細(xì)粒敏感粒度組分平均粒徑揭示出的4 400 a以來(lái)東亞冬季風(fēng)的變化趨勢(shì), 在南海17940孔也有著相似的記錄。這在另外一個(gè)角度說(shuō)明, S20孔沉積物Zr/Rb值和小于19 μm的細(xì)粒組分平均粒徑可以作為良好的冬季沿岸流強(qiáng)弱替代指標(biāo), 進(jìn)而可以作為驅(qū)動(dòng)其變化的冬季風(fēng)強(qiáng)弱代用指標(biāo)。

圖5 不同代用指標(biāo)對(duì)比Fig.5 Comparison of different proxies

研究表明, 東亞冬季風(fēng)是東亞冬-夏季風(fēng)系統(tǒng)中的主動(dòng)因子[37], 也是北半球冬季最活躍的環(huán)流系統(tǒng),強(qiáng)的冬季風(fēng)爆發(fā)后能夠向南傳播侵入南海抵達(dá)赤道地區(qū), 爾后越過(guò)赤道轉(zhuǎn)為南半球的夏季風(fēng)[38]。東亞冬季風(fēng)活動(dòng)最明顯的地區(qū)是中國(guó)大陸東岸和西太平洋到印度尼西亞一帶, 因此冬季風(fēng)以冷空氣的形式使其經(jīng)過(guò)的區(qū)域產(chǎn)生不同程度的降溫。除此之外, 冬季沿岸流把低溫的冷水從中國(guó)東部海域源源不斷地輸送到南海, 使得南海的水溫進(jìn)一步降低。東海內(nèi)陸架PC-6孔沉積物敏感粒度組分平均粒徑[12]、南海北部陸架 S20孔沉積物Zr/Rb值和細(xì)粒敏感粒度組分平均粒徑, 以及南海 17940孔海水表層溫度[26-27]表現(xiàn)出的相似性說(shuō)明, 中國(guó)東南部不同地區(qū)季風(fēng)代用指標(biāo)揭示出的東亞冬季風(fēng)演化具有一致性。另外, 海南島南部陸架區(qū)可能具有相對(duì)穩(wěn)定的物質(zhì)來(lái)源(珠江以及海南島物質(zhì))或是物源變化對(duì)該區(qū)域影響不明顯,因此, 該區(qū)沉積物蘊(yùn)含了豐富的亞洲季風(fēng)變化信息。

5 結(jié)論

南海北部陸架 S20孔巖性較均一, 其沉積作用受相對(duì)穩(wěn)定的水動(dòng)力條件控制。S20孔沉積物主要賦存于粗、細(xì)粒級(jí)的Zr/Rb陸源元素比值和小于19 μm的細(xì)粒組分平均粒徑可以作為冬季沿岸流和東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度的代用指標(biāo)。近4 400 a以來(lái), S20孔沉積物Zr/Rb值和細(xì)粒敏感粒度組分平均粒徑揭示的冬季沿岸流強(qiáng)弱和東亞冬季風(fēng)變化與東海內(nèi)陸架PC-6孔以及南海 17940孔海水表層溫度變化表現(xiàn)出良好的相似性, 說(shuō)明中國(guó)東南部不同地區(qū)季風(fēng)代用指標(biāo)揭示出的東亞冬季風(fēng)演化具有一致性?？梢?jiàn), 南海陸架沉積物中同樣蘊(yùn)含著豐富的季風(fēng)演化信息, 然而,限于樣品精度問(wèn)題, 沉積環(huán)境以及東亞季風(fēng)的詳細(xì)演化信息無(wú)法深入探討, 后續(xù)高分辨率研究工作亟待開(kāi)展。

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