DEPOSITIONAL FEATURES ANG PALAEOENVIRONMENTAL RECORDS OF THE MUD DEPOSITS IN MIN-ZHE COASTAL MUD AREA,EAST CHINA SEA
-
摘要: 2007-2009年执行"我国近海海洋综合调查与评价"专项过程中,对东海闽浙沿岸泥质区进行了系统的底质调查,取得表层沉积物样品2 949个、柱状沉积物样品148个。基于上述样品的研究,得到以下认识:(1)以6.5 Φ粒径为界线详细划分出泥质区的分布范围,主要位于26°~29°N之间,水深90 m以浅的区域。(2)粒径趋势分析结果表明泥质区现代沉积物总体趋势是由东北向西南运移,但研究区的两侧又稍有不同,均表现出明显的向外偏转趋势;南部闽江河口外沉积物运移模式大致表现为由河口向周围呈散射状的输运趋势,最北影响可到27°N附近。(3)泥质区黏土矿物可明显划分为2个组合区,Ⅰ区覆盖了从长江口到南部闽江口外的大片海域,富集伊利石(平均含量为64%),沉积物主要来自于长江;Ⅱ区主要集中在闽江口附近的小区域,富集高岭石和绿泥石(两者平均含量之和为50%),推断其沉积物可能主要来自于闽江。(4)常量元素的R型因子分析表明闽浙沿岸泥质区沉积主要以陆源碎屑沉积为主,伴有少量生物沉积。(5)利用210Pb法测试了研究区百年来沉积速率,结果表明闽浙沿岸泥质区近百年来沉积速率介于0.79~3.34 cm/a之间,平均值为1.97 cm/a,属于东海次高沉积强度区,明显低于长江口泥质区沉积速率。(6)对闽浙沿岸泥质区南部的MZ01孔进行了综合分析,恢复了中全新世以来泥质区的古环境演变过程,识别出10次极值事件,可能主要由东亚冬季风的增强所引起,推测中全新世以来泥质区东亚冬季风演化过程大致可以分为4个阶段:8 400~6 300 aBP为季风较强且波动期、6 300~3 800 aBP为季风较弱且稳定期、3 800~1 400 aBP为季风高波动期、1 400 aBP以来为季风稳定增强期。Abstract: During the systemic investigation carried out in the Min-Zhe coastal mud area in 2007-2009 by the "Project on Coastal Investigation and Research", 2949 surface sediment samples and 148 gravity cores were collected. The following results have been achieved based on the detailed study of the samples:(1) As defined by the mean grain size finer than 6.5Φ, the Min-Zhe coastal mud area is distributed between 26°N and 29°N, with a water depth less than 90 m. (2) Gao-Collins grain size trend analysis was carried out to delineate the net sediment transport patterns of the mud area. It indicates that the sediments were mostly transported from northeast towards southwest. The sediments off the Minjiang River mouth were moved in a radiated pattern from the river mouth, upto the area around 27 N as the farthest. (3) The clay minerals in the Min-Zhe coastal mud area could be partitioned into two classes. RegionⅠdistributed from the Yangtze River estuary to the area off the Minjiang River is characterized by high content of illite (64% on average), indicating a provenance from the Yangtze River. Region Ⅱ, located in the Minjiang River estuary, is characterized by high content of kaolinite and chlorite (sum of the two averages 50%), suggesting the source of sediments possibly coming from the Minjiang River. (4) R-factor analysis of macroelements reveals that the mud area is dominated by terrigenous detrital materials instead of biological and marine chemistry materials. (5) The210Pb data from seven gravity cores demonstrates that the sedimentation rates change between 0.79 and 3.34 cm/a, with 1.97 cm/a on average. It is lower than the figure from the mud area around the Yangtze River estuary. (6) Based on the environmentally sensitive grain size, clay mineralogy, macroelement assemblages and AMS14C dating data of the Core MZ01 from the Min-Zhe coastal mud area, 10 extreme values corresponding to contemporaneous cooling events could be recognized since mid-Holocene, and the extreme values are likely to be caused by the enhancement of the East Asia winter monsoon. Furthermore, it is deduced that the East Asia winter monsoon could be divided into four stages, i.e., 8 300~6 300 aBP, strong and unstable; 6300~3800 aBP, strong but stable; 3 800~1 400 aBP, weak and unstable; and after 1 400 aBP, weak but stable.
-
Keywords:
- Min-Zhe coastal mud area /
- sedimentary features /
- paleoenvironment /
- East China Sea
-
西菲律宾海盆地处西太平洋边缘地带、西太平洋暖池北部，是黑潮流系的发源地，又受到东亚季风影响，其沉积记录保存着区域乃至全球环境变化的历史信息，对全球气候变化的研究具有重要意义[1-3]。东亚季风在现代气候系统中起着非常重要的作用，其变化控制着亚洲东部各地风力、降水、河流径流量的季节性差异以及陆地植被覆盖等气候环境变化[4-5]。西菲律宾海盆四周被大量海岭及海沟环绕，阻挡了河流搬运陆源物质的输入，是亚洲风尘重要的“汇”。因此，该区域被认为是研究风尘记录及其所蕴含古气候意义的理想靶区，开展沉积物中风尘组分演化特征的研究对于理解东亚季风演化过程具有重要意义。海盆内沉积物主要为黄色、褐色或红褐色深海黏土，并含有少量火山或岩浆岩碎屑物质，同时还存在一定比例的生物残渣，而钙质组分较少[6]。前人通过粒度[7-8]、黏土矿物[9-12]、地球化学[13-17]等指标对西菲律宾海盆沉积物的来源进行了大量研究，查明该海区沉积物主要受到周边岛弧火山物质和远端亚洲大陆风尘输入的控制，并明确了第四纪风尘物质对菲律宾海的输入，而东亚冬季风在这些风尘物质向西北太平洋输运过程中扮演了重要角色[1-3,11,14-15]。
由于西菲律宾海盆水深较大，沉积速率较低，以往的研究多以百万年尺度为主，而高分辨率沉积记录的研究较为缺乏[1,3,7,11,18-19]。同时，针对西菲律宾海盆沉积物的研究主要集中在菲律宾海沟附近临近吕宋岛的区域[12]，而对西菲律宾海盆中部的研究多以表层沉积物的组成和物质来源为主[6,9,20]，对于历史时期沉积记录演化的研究仍较为薄弱。为此，本文通过对西菲律宾海盆中部的两根柱状沉积物（MC09、MC13）的研究，在AMS14C年代学分析的基础上，建立了高分辨率的沉积物粒度和常量元素沉积记录，提取了反映亚洲风尘输入的替代性指标，进而揭示了近50 kaBP以来西菲律宾海盆沉积记录对东亚季风演化的响应。这一研究对深入认识西菲律宾海盆沉积物的沉积过程、理解古环境和古气候变化对边缘海沉积作用的影响具有重要科学价值。
1. 材料和方法
1.1 研究区概况和样品采集
西菲律宾海盆的范围为0°～31°N、120°～137°E [21]，是全球物质和能量交换的重要场所[22-25]。研究所用沉积物样品是由“深海一号”科学考察船在执行中国大洋第66航次任务过程中利用可视多管取样器获取的，样品沉积连续，未见明显的沉积间断和浊流沉积层。西菲律宾海盆位置和洋流及取样站位点见图1。
![]()
图 1 西菲律宾海盆位置、洋流[26]及取样站位Figure 1. Location of the West Philippine Basin and sampling stationsMC09柱状沉积物取自西菲律宾海盆中部，靠近中央海岭，水深5 837 m，柱长40 cm，主要由黄褐、黄绿色粉砂质黏土和泥组成，部分层位见棕褐色团块。MC13柱状沉积物取自西菲律宾海盆西北部，靠近琉球海沟和冲大东海岭，水深4 628 m，长31 cm，主要由黄褐色砂质粉砂组成。由于取样水深较大，均处于太平洋碳酸盐补偿深度（4 000～4 600 m）以下[21]，因而沉积物中未见钙质生物壳体。
1.2 样品处理和测试
柱状沉积物样品获取后置于−20℃冷冻库中保存，直至进行分样。柱状沉积物的分样工作在中国海洋大学海洋地球科学学院完成。分样时根据不同测试的需求，同时兼顾沉积层的垂向变化，以 0.25 cm或1 cm为间隔取样。
由于沉积物中没有提取到足量的钙质生物壳体，无法使用常规的碳氧同位素来确定年代，因此本文挑选特定层位进行全样有机质的AMS14C年代测试。测试所用仪器为美国国家静电公司NEC（National Electrostatics Corporation）生产的0.5MV串列加速器质谱仪，所用Modern化合物标准为国际上通用的oxalic acid, OXII（SRM 4990C），并通过二级标准物质14C进行空白校正，每个样品的测试次数至少为6次。数据处理采用NEC公司的“abc”数据处理软件和美国劳伦斯利弗莫尔（Lowrance Livermore）国家实验室开发的“Fudger”数据处理软件。所有样品的数据原始结果为国际通用的Fraction Modern （FM）。最终根据测定的FM(F14C)计算得到14C含量、∆14C (‰)和14C年龄（year before present, yrBP），同时计算出误差值(σ值)。样品前期处理、制靶及测试工作在崂山实验室完成。
粒度分析以0.25 cm为间隔进行分样，每个待测样品先加入双氧水去除有机质，再加入1 mol/L的盐酸溶液去除生源碳酸盐组分。为避免硅质生物碎屑可能对测试结果造成的影响，尽可能地提取沉积物中的陆源组分信息，在常规粒度前处理基础上再加入2 mol/L的碳酸钠溶液并于85℃下恒温水浴5 h，去除沉积物中的生物硅。上机测试前，加入六偏磷酸钠溶液并于超声波振荡仪内完全分散。粒度的测试分析在中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室完成，采用的仪器是Mastersizer 2000型激光粒度仪（英国Malvern公司生产），仪器测试范围为0.02～2 000 μm，重复测量相对误差小于3%。
常量元素采用1 cm间隔分样，将沉积物样品（全样）以106℃烘干约48 h至样品完全干燥后研磨至小于200目，称取4.0 g样品，放置于标准的样品杯（直径32 mm）中压制成片，之后上机进行测试。分析测试工作在中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室完成，测试仪器为台式偏振X射线荧光光谱仪（德国SPECTRO公司，SPECTRO XEPOS型）。测试过程中采用国家海洋沉积物标准物质GBW07315和平行样做质量监控，测试误差和标准偏差均小于5%。
2. 结果
2.1 测年结果及年代框架
由于海洋沉积物有机质来源复杂，外源有机质的输入会导致沉积物全样有机质AMS14C年代学测定的结果与实际存在差异[27]。西菲律宾海盆四周环绕的海沟、海脊有效阻挡了陆源有机质的输入[28]，沉积物中的有机质多以原生为主，一定程度上减小了外源输入的影响[24]。经计算得出，2根柱状沉积物的平均沉积速率分别为0.86和0.99 cm/ka，与开阔大洋[29]及本研究区的沉积速率相近[11,30-31]，因此可以证明测年结果的可信度。在此基础上，利用线性内插法和外推法分别构建出柱状沉积物的年代学框架，获得了记录近50 kaBP以来西菲律宾海盆的沉积年代序列（图2）。
![]()
图 2 基于线性内插法和外推法得出的柱状沉积物年代框架Figure 2. Chronological framework based on linear interpolation and extrapolation methods2.2 沉积物粒度特征
MC09、MC13柱状沉积物的平均粒径、分选系数、偏度和峰度等4项粒度参数的垂向变化如图3所示。整体来看，2根柱状沉积物均以粉砂为主，各项粒度参数呈阶段性波动变化。MC09柱状沉积物中粉砂组分平均含量可达55.1%，黏土组分次之，砂含量最低，平均仅为7.2%；平均粒径整体波动较大，为3.15～26.82 μm，平均值为7.57 μm；分选较差，分选系数的平均值为1.83；偏态呈阶段性变化，变化范围为−1.93～1.76，平均值为−0.75；峰态的平均值为2.31，表明粒度频率分布曲线窄而高。MC13柱状沉积物中粉砂的含量最高，平均为59.3%；砂和黏土次之，平均含量均在20%左右；平均粒径的波动较大，平均值为17.02 μm；分选系数的平均值为2.07，分选差；偏态的变化范围为1.17～1.86，平均值为1.54，为正偏态；峰态很窄，垂向分布稳定。
![]()
图 3 柱状沉积物岩性变化和粒度参数变化曲线Figure 3. The variation of grain-size composition and parameters of the columnar samples2.3 常量元素
对2根柱状沉积物的10种常量元素分布特征进行研究（图4）。MC09柱状沉积物中，SiO2含量最高，平均含量为19.93%；其次为Al2O3和Fe2O3，平均含量分别为7.96%和5.19%；CaO、MnO、TiO2和P2O5的含量相对较低，均＜1%，其中P2O5的平均含量最低，为0.11%。从垂向变化来看，Al2O3、Fe2O3、TiO2和K2O的含量基本呈现出同步变化，而SiO2、MgO、P2O5和Na2O的含量变化趋势与之相反，CaO含量基本保持稳定，MnO含量的变化趋势与其他元素存在一定差异。
![]()
图 4 柱状沉积物常量元素垂向变化图图中元素含量单位为%。Figure 4. Depth profiles of major elements of the columnar samplesThe unit for the elements is %.MC13柱状沉积物中，SiO2含量最高，平均为19.26%；其次为Al2O3和Fe2O3，平均含量分别为7.05%和3.27%；MnO、P2O5和TiO2的含量极低，均＜0.5%，其中P2O5的含量最低，平均仅为0.08%。从垂向变化来看，SiO2、Al2O3、MgO和K2O的含量基本呈现出同步变化，Na2O的含量变化趋势与之相反，同时Fe2O3、P2O5、TiO2和MnO的含量基本呈现出同步变化，CaO含量基本保持稳定。
3. 讨论
3.1 沉积物陆源风尘组分敏感粒级的提取
沉积物粒度分布展示出显著的多峰态，可能表示有多种不同来源物质的混合，也可能表示同一物源但受到不同动力条件的作用，其敏感的粒级组分及特征可用于有效反映不同影响因素的作用，成为古环境研究的重要手段[32]。前人采用Weibull拟合函数、端元粒度模型和粒径-标准偏差法等方法对沉积物粒度的敏感粒级进行了提取，识别出了河流输入、风尘、浊流及火山物质的敏感粒级，开展了沉积物来源和沉积环境演变的研究[33-35]。其中粒级-标准偏差法使用最为广泛，且易于获取更全面的信息，因此本文采用该方法分别对2根柱状沉积物的陆源风尘碎屑的敏感粒级组分进行了提取。
本文对共计284个沉积物粒度数据（其中MC09 160个、MC13 124个）进行分析后得出标准偏差随粒级组分变化的规律，曲线呈现出典型的“多峰分布”，表明沉积物粒度受到了多种因素的影响（图5）。对于MC09柱状沉积物来说，4个明显的标准偏差峰值分别对应的粒级为0.90、3.61、48.98、550.60 μm，据此将MC09划分为超细粒组分（＜1.51 μm）、细粒组分（1.51～12.21 μm）、粗粒组分（12.21～230.41 μm）和超粗粒组分（＞230.41 μm）。MC13柱状沉积物中存在4个明显的标准偏差峰值，对应粒级为0.90、3.61、34.28、115.48 μm。根据以上特征点，将MC13划分为4部分，分别为超细粒组分（＜1.27 μm）、细粒组分（1.27～12.21 μm）、粗粒组分（12.21～41.13 μm）和超粗粒组分（＞41.13 μm）。
![]()
图 5 柱状沉积物粒径-标准偏差曲线Figure 5. Curves of standard deviation vs the grain size of the columnar samples一般认为，深海沉积物中的粗粒组分和超粗粒组分是近源形成的产物，而西菲律宾海盆是一个封闭的沉积环境，缺乏大规模的洋流活动，远离大陆和河口[28]。利用粒级-标准偏差法分离出的粗粒级组分均为＞30 μm，与研究区附近海域分布的代表喷发性火山物质的组分（众数约40 μm）相似[8]。因此，本文认为西菲律宾海盆沉积物中的粗粒组分和超粗粒组分主要为附近海脊和岛弧的火山物质。
以往大量研究表明，适合由风进行长距离输运的物质颗粒粒径一般小于16 μm，众数粒径为2～4 μm[36]。经对比发现，本文提取到的2个细粒组分与之粒度分布特征相似，均表现为粒度较细、变化范围较窄等特征。因此，本文认为西菲律宾海盆沉积物中的细粒组分主要是来自亚洲大陆的风尘物质。
海洋沉积物中的超细粒组分通常有2种成因：一是来自中国黄土高原的黄土和古土壤粘附在较粗的风尘颗粒表面被搬运到沉积区[37-39]，二是热液成因或安山质碎屑的海洋自生黏土[40-42]。在MC09柱状沉积物中，超细粒组分（＜1.51 μm）含量变化与代表火山物质的粗粒组分（12.21～230.41 μm）存在一定的负相关性（R2=0.711）（图6），因此认为超细粒组分为海洋自生黏土[8]。而在MC13柱状沉积物中，超细粒组分（＜1.27 μm）含量变化与代表亚洲风尘的细粒组分（1.27～12.21 μm）之间存在强正相关性（R2=0.966）（图6），因此认为超细粒组分为中国黄土和古土壤中的超细组分。
![]()
图 6 柱状沉积物不同粒级组分的相关性图解Figure 6. Correlation between different size fractions of the columnar samples3.2 沉积物陆源风尘组分因子的提取
沉积物的元素地球化学特征是研究沉积物物质组成的重要指标之一，不同的元素及其组合特征反映了不同的沉积环境条件和变迁，是气候地质事件内在成因和环境信息的综合体现和良好标志。本文应用SPSS 26软件对2根柱状沉积物共计71个样品的常量元素含量进行了R型因子分析，根据特征值大于1的原则，经方差极大正交旋转后，2根柱状沉积物均获得3个主因子，其累计方差贡献率分别为90.36%和87.86%，表明此次因子分析的效果比较理想（表1）。
表 1 柱状沉积物常量元素R型因子分析结果Table 1. Results of R-mode factor analysis for major and trace elements of the columnar samples编号 公因子 SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO CaO Na2O K2O TiO2 MnO P2O5 方差贡献 MC09 F1 0.04 0.88 0.70 0.06 0.77 −0.70 0.94 0.66 0.25 −0.80 43.66% F2 −0.39 0.47 0.68 0.31 0.20 −0.56 0.09 0.70 0.84 −0.43 26.52% F3 0.89 0.005 0.09 0.93 0.06 0.38 0.22 0.10 −0.06 0.37 20.18% MC13 F1 −0.31 0.76 0.99 0.87 −0.03 −0.14 0.21 0.94 0.88 0.92 49.80% F2 0.66 0.41 −0.12 0.03 −0.76 0.07 0.96 −0.26 0.42 0.19 23.99% F3 0.52 0.46 0.03 0.46 0.17 −0.82 0.08 0.05 −0.10 −0.03 14.07% MC09柱状沉积物的R型因子分析结果显示，F1主因子的方差贡献为43.66%，对沉积物的影响占主导地位，元素组合为正载荷的K2O、Al2O3、CaO、Fe2O3和TiO2，负载荷的Na2O和P2O5。Al2O3与TiO2通常被认为是陆源物质的代表[20,43-44]，K2O则与沉积物中的黏土矿物（如伊利石）有关[20,45]，前人研究也证明了该区域的伊利石主要来自于亚洲风尘[1,13]，负载荷的元素组合常为火山物质指征，说明该因子主要代表的是陆源风尘的影响。F2主因子的方差贡献为26.52%，元素组合为正载荷的MnO、TiO2和Fe2O3。一般认为，沉积物中MnO含量变化主要受热液作用[46]和海底沉积物早期成岩作用的影响[47]，在研究区附近的沉积物中发现了一定量的铁锰结核，因此认为该因子主要代表了海洋自生物质。F3主因子的方差贡献为20.18%，元素组合为正载荷的MgO和SiO2。MgO常赋存于火山碎屑物质（如玄武岩）中[48-49]，而SiO2在黏土类矿物和碎屑矿物中都有赋存，结合二者在F1端元（代表陆源风尘）中较低的含量，认为该因子主要代表了附近火山碎屑物质。
MC13柱状沉积物的R型因子分析结果显示，F1主因子的方差贡献率为49.80%，其组合是Al2O3、Fe2O3、TiO2、P2O5、MnO和MgO，且均为正载荷。研究表明，研究区沉积物中的Fe2O3、MgO和TiO2多赋存于表生环境下地球化学性质比较稳定的火山碎屑物质中[48-49]。一般认为，P2O5常以重要的营养元素形式出现，但其在铁锰结核中也大量富集[50]，且P2O5与MnO、Fe2O3都具有非常高的相关性，因此本文认为该因子中P2O5和MnO代表的是海洋自生铁锰结核。因此，F1因子主要代表了火山源物质和海洋自生物质的影响。F2主因子的方差贡献为23.99%，其组合是K2O和CaO，其中K2O为正载荷，CaO为负载荷。如前文所述，K2O的富集多与陆源黏土矿物密切相关，因此认为该因子主要代表了陆源风尘物质的影响。而负载荷的 CaO可能说明了生物成因碳酸盐组分对陆源风尘物质的稀释作用对陆源风尘物质的稀释作用[20]。F3主因子的方差贡献为14.07%，元素组合为负载荷的Na2O，前人研究表明其峰值与火山活动之间存在着较好的指示关系[51]，因此认为该因子主要代表了火山碎屑物质的影响。
由常量元素R型因子分析结果可知，研究区沉积物主要来自于附近火山碎屑物质及陆源风尘物质，生物及海洋自生作用的影响则相对较小。同时，从结果中还可以看出MC09柱状沉积物受到东亚季风的影响更为显著，而MC13柱状沉积物则更多地受到来自火山物质的影响。这与2根柱状沉积物的取样位置相一致，即远离岛弧的沉积物更多受到季风搬运的陆源风尘组分的影响，而距离岛弧较近的沉积物则更多受到火山物质的影响。不同位置的两个柱状沉积物岩心的综合分析，可以更为全面地反映研究区沉积作用的影响因素。
3.3 西菲律宾海盆沉积记录对东亚冬季风演化的响应
西菲律宾海盆沉积物中的陆源风尘组分主要来源于亚洲内陆干旱地区的碎屑沉积物，由东亚冬季风携带至此。当东亚冬季风增强时，风尘源区的干旱程度及物理风化强度增加，导致物质汇聚区海洋沉积物中的陆源风尘物质比例增加；相反，当东亚冬季风减弱时，风尘源区的干旱程度及物理风化强度降低，物质汇聚区海洋沉积物中的陆源风尘物质比例降低[16,43-44]。
近年来，大量研究结果表明利用菲律宾海沉积物敏感粒级和常量元素R型因子分析来指示东亚季风的演化历史是可行的。于兆杰等[7]运用粒级-标准偏差方法对西菲律宾海陆源沉积物组成及其对过去一百万年以来东亚季风和亚洲内陆气候的指示进行了探讨；王晨等[17]利用R型因子分析对西菲律宾海盆XT-4孔沉积物指示的陆源物质输入和东亚冬季风的演化历史进行了研究。因此，本文结合沉积物敏感粒级和常量元素R型因子分析两个角度对沉积物指示的陆源物质进行综合研究，进一步揭示东亚冬季风的演化历史。
如前文3.1节所述，2根柱状沉积物中的细粒组分可以代表陆源风尘物质，本文将其组分的平均粒径作为反映东亚冬季风强度变化的指标。如前文3.2节所述，MC09柱状沉积物中，Al2O3和K2O等与陆源风尘物质密切相关的元素在F1因子中均表现为正载荷，因此 F1因子得分增高（降低）则说明了沉积物中陆源风尘物质比例的增高（减少），进而指示风尘源区干旱程度的加剧（减小）和东亚冬季风的增强（减弱）。同理可知，MC13柱状沉积物中与陆源风尘物质密切相关的K2O为正载荷，因此F2因子得分的变化趋势也同样可以指示风尘源区和东亚冬季风的演化，本文分别提取出2根柱状沉积物各自的陆源因子得分，进而指示东亚冬季风的演化。
中国黄土、深海沉积物和风尘通量是目前进行季风演化研究的基础性指标。中国黄土序列以其粒度细、沉积速率高和良好的连续性等特征，被认为是蕴含丰富古环境信息的晚新生代陆相沉积物之一[52]；而风尘通量不会受到构造、洋流、海平面等因素影响，它的变化能够更加真实地反映出季风强度及对应风尘源区的气候变化信息[36]。为进一步验证本文提取的替代性指标指示东亚冬季风强度变化的可行性，将其与中国黄土高原泾源黄土剖面沉积物的中值粒径[53]及北太平洋V21-146风尘通量[54]进行了系统对比（图7）。通过对比发现，替代指标与这二者的变化趋势总体上一致，均表现出显著的冰期-间冰期旋回特征，从而表明了本文提取出的多种替代性指标的有效性。当然，需要指出的是，陆源因子得分指标和全球氧同位素曲线[55]、相对海平面[54]、黄土中值粒径[53]及北太平洋风尘通量[54]之间在某些变化细节上仍然存在有一定的差异，这可能是因为受到年代控制点以及沉积序列中可能出现的沉积速率变化的影响。
![]()
Figure 7. Comparison of mean grain size and eolian dust factor of the columnar samples to the global oxygen isotope curves, relative sea level fluctuation, mean grain size of the Jingyuan Loess section and the eolian flux基于上述分析，本文综合运用指示风尘组分的敏感粒级组分平均粒径和常量元素陆源因子得分作为东亚季风演化的替代性指标，进一步分析上述指标所代表的亚洲大陆风尘输入及东亚冬季风强度的变化情况，将近50 kaBP以来的变化分为4个阶段（图7）。
（1）47～26 kaBP：该阶段处于末次冰期，对应深海氧同位素第3阶段晚期（MIS 3a）和第2阶段（MIS 2）早期的一部分，海平面较低并且在不断波动下降。此时全球气候处于弱暖期，气温较此前的MIS 4和之后的MIS 2有所升高，但上升的幅度较弱，与末次间冰期仍有一定差距[55]。大约29 ka时的MIS 3 /MIS 2转换阶段，东亚冬季风强度显著增大，这一变化在黄土中有着一致的记录。该阶段风尘组分的敏感粒级平均粒径波动增大，与泾源黄土中值粒径曲线的变化趋势高度一致，常量元素陆源因子得分呈现波动下降趋势，表现出陆源物质输入的波动下降，但整体来看陆源物质输入量为最大。本文分析认为，可能是由于此时较弱的东亚季风无法携带大颗粒的陆源物质，只能将细颗粒风尘物质搬运至研究区。而Al、Ti等典型的指示陆源的元素又受到“粒度控制律”的作用[56]，大量富集在细粒物质中，导致了该阶段沉积记录中陆源因子得分的高值。
（2）26～19 kaBP：该阶段包括了整个末次冰盛期，对应深海氧同位素第2阶段（MIS 2），海平面剧烈降低达到最低值，低于现在海平面120 m左右。该阶段风尘组分的敏感粒级平均粒径继续升高，常量元素因子得分呈现稳定上升趋势，表现出陆源物质供给丰富。此时，海平面显著降低，东亚冬季风强度显著增强，亚洲大陆气候也开始向寒冷干燥转变，随着亚洲内陆干旱化程度进一步加剧，研究区沉积的亚洲风尘物质也逐渐增多。
（3）19～12 kaBP：该阶段是从末次冰盛期向全新世过渡的时期，对应深海氧同位素第2阶段（MIS 2），全球气温和海平面都逐渐升高。该阶段风尘组分的敏感粒级平均粒径呈现波动增加趋势，常量元素因子得分呈现波动升高趋势。同时，大致在13 kaBP左右替代指标出现明显的波动，尤其是反映风尘组分的敏感粒级有显著的增大，应该与新仙女木事件有关，这一末次冰消期持续升温过程中的突然降温事件导致了陆源风尘组分的增加和平均粒径的增大。
（4）12 kaBP以来：该阶段是末次冰期结束后至今的一段时期，即全新世，对应深海氧同位素第1阶段（MIS 1），全球气温和海平面继续升高。进入全新世后，全球气候逐渐变暖，海平面迅速上升，全新世高海平面的形成使得研究区相对远离亚洲大陆，东亚季风强度减弱。该阶段风尘组分的敏感粒级平均粒径呈现波动减小趋势，常量元素因子得分基本稳定，表现出该阶段东亚冬季风强度基本保持稳定但仍存在小幅度波动减弱。
需要注意的是不同替代性指标在对气候演变的指示上存在一定的差异，这主要是由于古环境、古气候对不同指标的影响机制和程度不尽相同所导致的，且存在较多干扰因素，如物源的变化、海平面的波动等。因此，建立高精度的年代学框架，明确研究区沉积物物源及水动力条件的变化，有效提取沉积物中古气候、古环境信息是进一步研究的关键。
4. 结论
（1）沉积物敏感粒级的平均粒径、常量元素陆源组分因子得分具有较为相似的变化趋势，共同记录了东亚冬季风的演化历史。本研究表明了采用沉积学、地球化学的综合替代性指标对于恢复海洋古环境的有效性，可在一定程度上弥补单一指标的局限性。
（2）MC09、MC13柱状样沉积物风尘组分的敏感粒级组分平均粒径和陆源因子得分的变化表明：47～26 kaBP，全球气候处于弱暖期，东亚冬季风强度相对较弱；26～19 kaBP，东亚冬季风显著增强，且亚洲风尘源区干旱程度加剧；19～12 kaBP，东亚季风强度波动减弱；12 kaBP以来，东亚冬季风强度相对稳定但仍小幅波动减弱。
-
[1] 秦蕴珊,赵一阳,陈丽蓉,等.东海地质[M].北京,科学出版社,1987.[QIN Yunshan, ZHAO Yiyang, CHEN Lirong, et a1.Geology of the East China Sea[M].Beijing:Science Press, 1987.] [2] 金翔龙. 东海海洋地质[M]. 北京,海洋出版社, 1992.[JIN Xianglong. Marine Geology of the East China Sea[M].Beijing:China Ocean Press, 1992.] [3] Milliman J D and Syvitski J P M. Geomorphic/tectonic control of sediment discharge to the ocean:The importance of small mountainous rivers[J]. Journal of Geology, 1992, 100:525-544.
[4] 秦蕴珊,郑铁民.东海大陆架沉积物分布特征的初步探讨[M]//.中国科学院海洋研究所海洋地质研究室编. 黄、东海地质. 北京:科学出版社, 1982:39-51.[QIN Yunshan, ZHENG Tiemin. Preliminary study on sediments distribution in the continental shelf of the East China Sea[M]//Division of Marine Geology of Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences. Geology of the Yellow Sea and the East China Sea. Beijing:Science Press, 1982:39 -51.]
[5] Alexander C R, DeMaster D J and Nittrouer C A. Sediment accumulation in a modern epicontinental-shelf setting:The Yellow Sea. Marine Geology, 1991, 98(1):51-72.
[6] 刘锡清. 中国边缘海的沉积物分区[J]. 海洋地质与第四纪地质, 199616(3):1-11.[LIU Xiqing. Sedimentary division in marginal seas of China[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 1996 , 16(3):1-11.]
[7] 李广雪, 杨子赓,刘勇. 中国东部海域海底沉积环境成因研究[M]. 北京:科学出版社,2005.[LI Guangxue, YANG Zigeng, LIU Yong. Origins of Seafloor Sedimentary Environments in Eastern China Sea Regions[M]. Beijing:Science Press, 2005.] [8] Nittrouer C A, DeMaster D J, McKee B A. Fine-scale stratigraphy in proximal and distal deposits of sediment dispersal systems in the East China Sea. Marine Geology, 1984, 61(1):13-24.
[9] Shepard F P.Distribution of sediments of East Asiatic continental shelf[J]. Allan Hancok Found Occ Paper, 1949, (9):51-58.
[10] Niino H,Emery K O.Sediments of shallow portions of the East China Sea and South China Sea[J]. Geol Soc American Bull, 1961, 72:731-762.
[11] 秦蕴珊. 中国陆架海的地形及沉积类型的初步研究[J].海洋与湖沼,1963,5(1):71-86. [QIN Yunshan. Primary study on the topography and the sedimentation type in continental shelf sea of China[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 1963, 5(1):71-86.]
[12] 郭志刚,杨作升,范德江.东海陆架北部表层细粒级沉积物的级配及意义[J].青岛海洋大学学报,2002,32(5):741-747. [GUO Zhigang, YANG Zuosheng, FAN Dejiang. Distributions and significance of the fine-grained surface sediments on the northern East China Sea shelf[J]. Journal of Ocean University of Qingdao, 2002, 32(5):741-747.]
[13] Liu J P, Xu K H, Li A C, et al. Flux and fate of Yangtze River sediment delivered to the East China Sea[J]. Geomorphology, 2007, 85:208-224.
[14] 成都地质学院陕北队.沉积岩(物)粒度分析及其应用[M].北京,地质出版社,1978.[Shanbei group, Geology College of Chengdu. Grain size analysis of sediment and their application[M]. Beijing:Geological Publication House, 1978.] [15] 刘升发,刘焱光,朱爱美,等.东海内陆架表层沉积物粒度及其净输运模式[J].海洋地质与第四纪地质,2009a,29(1):1-6. [LIU Shengfa, LIU Yanguang, ZHU Aimei, et al. Grain size trends and net transport patterns of surface sediments in the East China Sea inner continental shelf[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2009a, 29(1):1-6.]
[16] 王可,郑洪波,Maarten P,等.东海内陆架泥质沉积反映的古环境演化[J].海洋地质与第四纪地质,2008,28(4):1-10. [WANG Ke, ZHENG Hongbo, Maarten P, et al. High-resolution paleoenvironmental record of the mud sediments of the East China Sea inner shelf[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2008, 28(4):1-10.]
[17] Liu S F, Shi X F, Liu Y G, et al. Records of the East Asian winter monsoon from the mud area on the inner shelf of the East China Sea since the mid-Holocene[J]. Chinese Science Bulletin, 2010, 55(21):2306-2314.
[18] Gao S, Collins M.The use of grain size trends in marine sediment dynamics:a review[J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 2001, 19(3):265-271.
[19] Gao S, Collins M.Analysis of Grain Size trends, for defining sediment transport pathways in marine environments[J]. Journal of Coastal Research, 1994, 10(1):70-78.
[20] Gao S, Collins M, Lanckneus J, et al.Grain size trends associated with net sediment transport patterns:an example from the Belgian continental shelf[J]. Marine Geology, 1994, 171-185.
[21] Pedreros R, Howa H L, Michel D. Application of grain size trend analysis for the determination of sediment transport pathways in intertidal areas[J]. Marine Geology, 1996, 135:35-49.
[22] 程鹏,高抒.北黄海西部海底沉积物的粒度特征和净输运趋势[J].海洋与湖沼,2000,31(6):604-615. [CHENG Peng, GAO Shu. Net sediment transport patterns over the northwestern Yellow Sea, based upon grain size trend analysis[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 2000, 31(6):604-615.]
[23] 石学法,陈春峰,刘焱光,等.南黄海中部沉积物粒径趋势分析及搬运作用[J].科学通报,2002,47(6):452-456. [SHI Xuefa, CHEN Chunfeng, LIU Yanguang, et al.Trend analysis of sediment grain size and sedimentary process in the central south Yellow Sea[J]. Chinese Science Bulletin, 2002, 47(6):452-456.]
[24] 王国庆,石学法,刘焱光,等.粒径趋势分析对长江南支口外沉积物输运的指示意义[J].海洋学报,2007,29(6):161-166. [WANG Guoqing, SHI Xuefa, LIU Yanguang, et al. Grain-size trend analysis on the south branch of the Changjiang estuary in China and its implication to sediment transportation[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2007, 29(6):161-166.]
[25] 汪亚平,高抒,贾建军.胶州湾及临近海域沉积物分布特征和运移趋势[J].地理学报,2000,55(4):449-458. [WANG Yaping, GAO Shu, JIA Jianjun. Sediment distribution and transport patterns in Jiaozhou Bay and adjoining areas[J]. Acta Geographica Sinica, 2000, 55(4):449-458.]
[26] 鲍献文,林霄沛,吴德星,等.东海陆架环流季节变化的模拟与分析[J].中国海洋大学学报,2005,35(3):349-356. [BAO Xianwen, LIN Xiaopei, WU Dexing, et al. Simulation and analysis of shelf circulation and its seasonal variability in the East China Sea[J]. Periodical of Ocean University of China, 2005, 35(3):349-356.]
[27] 龙海燕,庄振业,刘升发,等.扬子浅滩沙波底形活动性评估[J].海洋地质与第四纪地质,2007,27(6):17-24. [LONG Haiyan, ZHUANG Zhenye, LIU Shengfa, et al. Activity magnitude of the small-medium subaqueous dunes in the Yangtze shoal[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2007, 27(6):17-24.]
[28] Liu J P, Li A C, Xu K H, et al.Sedimentary features of the Yangtze River-derived along-shelf clinoform deposit in the East China Sea[J]. Continental Shelf Research, 2006, 26:2141-2156.
[29] 金元欢.我国入海河口的基本特点[J].东海海洋,1988,6(3):1-11. [JIN Yuanhuan. The characteristics of estuaries in China[J]. Dong-hai Marine Science, 1988, 6(3):1-11.]
[30] 曾允季,夏文杰.沉积岩石学[M].北京,地质出版社,1986.[ZENG Yunji, XIA Wenjie. Sedimentary Petrology[M]. Beijing:Geological Publication House, 1986.] [31] 程捷,唐德翔,张绪教,等.黏土矿物在黄河源区古气候研究中的应用[J].现代地质,2003,17(1):47-50. [CHENG Jie, TANG Dexiang, ZHANG Xujiao, et al. Research on the Holocene climate in the source area of the Yellow river by clay minerals[J]. Geoscience, 2003, 17(1):47-50.]
[32] 范德江,杨作升,毛登,等.长江与黄河沉积物中黏土矿物及地化成分的组成[J].海洋地质与第四纪地质, 2001, 21(4):7-12. [FAN Dejiang, YANG Zuosheng, MAO Deng, et al. Clay minerals and geochemistry of the sediments form the Yangtze and Yellow Rivers[J].Marine Geology & Quaternary Geology, 2001, 21(4):7-12.]
[33] Xu K H, Milliman J D, Li A C, et al.Yangtze-and Taiwan-derived sediments on the inner shelf of East China Sea[J]. Continental Shelf Research, 2009, 29(18):2240-2256.
[34] 陈弘,刘坚,王宏斌.琼东南海域表层沉积物常量元素地球化学及其地质意义[J].海洋地质与第四纪地质,2007,6(27):39-45. [CHEN Hong, LIU Jian, WANG Hongbin. Geochemical characteristics and geological significance of major elements in surface sediments in Qiongdaongnan areas[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2007, 6(27):39-45.]
[35] 刘广虎,李军,陈道华,等.台西南海域表层沉积物元素地球化学特征及其物源指示意义[J].海洋地质与第四纪地质,2006,5(26):61-68. [LIU Guanghu, LI Jun, CHEN Daohua, et al. Geochemistry of surface sediments in the Taixinan(southwestern Taiwan) Sea area in the northeastern South China Sea[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2006, 5(26):61-68.]
[36] 刘升发,石学法,刘焱光,等.东海内陆架泥质区表层沉积物常量元素地球化学及其地质意义[J].海洋科学进展,2010,28(1):80-86. [LIU Shengfa, SHI Xuefa, LIU Yanguang, et al. Geochemical characteristics and geological significance of major elements in the surface sediments from the inner shelf mud area of the East China Sea[J]. Advances in Marine Science, 2010, 28(1):80-66.]
[37] 赵一阳,鄢明才.中国浅海沉积物地球化学[M].北京:科学出版社,1994.[ZHAO Yiyang, YAN Mingcai. Geochemistry of sediments of the China shelf sea[M].Beijing:Science Press, 1994.] [38] 庄振业,叶银灿,刘杜鹃,等.东海全新世沉积强度分区[J].青岛海洋大学学报,2002,32(6):941-948. [ZHUANG Zheye, YE Yincan, LIU Dujuan, et al. Holocene depositional strength zoning in the East China Sea[J]. Journal of Ocean University of Qingdao, 2002, 32(6):941-948.]
[39] 刘升发,石学法,刘焱光,等.东海内陆架泥质区沉积速率[J].海洋地质与第四纪地质,2009b,29(6):1-7. [LIU Shengfa, SHI Xuefa, LIU Yanguang, et al. Sedimentation rate of mud area in the East China Sea inner continental shelf[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2009b, 29(6):1-7.]
[40] 肖尚斌,李安春,陈木宏,等. 近8ka东亚冬季风变化的东海内陆架泥质沉积记录[J]. 地球科学-中国地质大学学报, 2005,30:573-581.[XIAO Shangbin, LI Anchun, CHEN Muhong, et al. Recent 8 ka mud records of the East Asian Winter Monsoon from the inner shelf of the East China Sea[J]. Earth Science-Journal of China University of Geosciences, 2005, 30:573-581.]
[41] Xiao S B, Li A C, Liu J P, et al. Coherence between solar activity and the East China Asian winter monsoon variability in the past 8000 years from Yangtze River-derived mud in the East China Sea[J]. Palaeogeogr, Palaeoclimatol, Palaeoecol, 2006, 237:293-304.
[42] 张晓东,许淑梅,翟世奎,等. 东海内陆架沉积气候信息的端元分析模型反演[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2006, 26:25-32.[ZHANG Xiaodong, XU Shumei ZHAI Shikui, et al. The Inversion of Climate Information from the Sediment of Inner Shelf of East China Sea using End-Member Model[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2006 , 26:25-32.]
[43] 刘升发,石学法,刘焱光,等. 近2ka以来东海内陆架泥质区高分辨率的生物硅记录及其古生产力意义[J].沉积学报,2010b,刊印中.[LIU Shengfa, SHI Xuefa, LIU Yanguang, et al. High-resolution record of biogenic silica and its paleoproductivity implication in mud area, East China Sea inner shelf over the last 2000 years BP[J]. Acta Sedimentologica Scinica, 2010b, in press.] [44] 郭志刚,杨作升,张东奇,等.冬、夏季东海北部悬浮体分布及海流对悬浮体输运的阻隔作用[J].海洋学报,2002,24(5):71-80. [GUO Zhigang, YANG Zuosheng, ZHANG Dongqi, et al. Seasonal distribution of suspended matter in the northern East China Sea and barrier effect of current circulation on its transport (in Chinese). Acta Oceanologica Sinica, 2002, 24(5):71-80.]
[45] 杨作升, 郭志刚, 王兆祥, 等. 黄东海陆架悬浮体及其向东部深海区输送的宏观格局[J]. 海洋学报,1992,14:81-90.[YANG Zuosheng, GUO Zhiang, WANG Zhaoxiang, et al. Suspended sediments on the Yellow and East China Sea shelf and macro-pattern of their being transported to the eastern deeper sea[J]. Acta Oceanologica Sinica, 1992 , 14:81-90.]
[46] 孙效功,方明,黄伟. 黄东海陆架区悬浮体输运的时空变化规律[J]. 海洋与湖沼, 2000, 31:581-587.[SUN Xiaogong, FANG Ming, HUANG Wei. Spatial and temporal variations in suspended particulate matter transport on the Yellow and East China Sea shelf[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 2000 , 31:581-587.]
[47] 施雅风,孔昭宸,王苏民,等. 中国全新世大暖期的气候波动与重要事件[J]. 中国科学(B辑), 1992, 22(12):1300-1308.[Shi Y F, Kong Z C, Wang S M., et al. The climate fluctuation and important events during the Holocene Megathermal in China[J]. Science in China (Series B), 1994, 37:353-365.] [48] Stuiver M, Grootes P M, Braziunas T F. The GISP2 δ18O climate record of the past 16500 years and the role of the sun, ocean and volcanoes[J]. Quat Res, 1995, 44:341-354.
下载:
计量
- 文章访问数: 1934
- HTML全文浏览量: 267
- PDF下载量: 30
