Sedimentation and environment evolution of the Sea of Japan since the Last Glaciation and its driving forces
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摘要: 基于对日本海南部、中部和西部3个沉积岩芯的综合研究，探讨了末次冰期以来日本海不同区域的沉积作用、环境演化特征及其控制因素。结果发现：在距今8ka以前，日本海南部、中部和西部陆源碎屑物质分别由河流物质、西风携带的风尘物质和海冰输运的物质组成；8ka以来日本海西部沉积物中存在连续分布的火山物质，推测与利曼寒流形成有关，标志着现代日本海表层环流格局的形成。在末次冰期，日本海中部和南部因为水体层化较强，导致底层水通风较弱，而日本海西部则由于盐析作用，通风较强。在冰消期早期，随着海平面上升，东海北部高盐水团再次入侵日本海，改善了日本海深层水体通风条件，但在日本海西部因受到常年海冰覆盖的影响，沉积物氧含量显著减小；在冰消期晚期和早全新世，日本海南部深层水体通风减弱，而在日本海中部和西部通风较好；但8ka以来日本海通风普遍增强。日本海的沉积作用和环境演化受海平面、东亚季风(西风环流)和对马暖流控制，但不同海域对上述3个因子的响应程度存在差异。海平面变化是控制日本海环境变化的首要因子，它直接制约着日本海与周围水体的交换程度；东亚夏季风影响日本海表层水体层化，而东亚冬季风则控制着日本海西部海冰的形成和深层水体垂向对流；8ka以来对马暖流成为控制日本海环境演化的重要因子，它的入侵增强了表层和底层水体交换，提高了日本海深层水体和沉积物溶解氧的更新速率。Abstract: Sedimentation processes, environmental variations and driving mechanisms of the Sea of Japan since the Last Glaciation are discussed in this paper on the basis of a comprehensive study of three sediment cores retrieved from the southern, central and western parts of the Sea of Japan. The main findings are as follows. (1) Before 8 ka, terrigenous materials in the southern, central and western parts of the Sea of Japan were mainly coming from rivers, westerly wind and sea ice, respectively. The continuous distribution of volcanic materials in the sediments of the western Sea of Japan since 8 ka is probably related to the formation of the Liman Cold Current, which marks the formation of modern surface circulation pattern of the Sea of Japan. (2) The variations in ventilation characterized by oxygen-depletion in the south and central owe its origin to the strong surface stratification, while well-ventilated condition in the western Sea of Japan related to the active winter sea ice formation. With the eustatic sea level rising after the Last Glacial Maximum, cold and salty waters from the northern East China Sea intruded into the Sea of Japan through the Tsushima Strait during the Heinrich Stadial 1, that facilitate the deep ventilation in the south and central Sea of Japan. However, due to the perennial sea ice cover at the western part of the Sea of Japan, the sedimentary oxygenation declined significantly. During the Late Deglaciation and earlier Holocene, the deep ventilation of the Sea of Japan was dampened in the south but well maintained in the central and west. Generally, the deep ventilation in the entire Sea of Japan has been ameliorated since 8 ka due to the invasion of the high-salinity Tsushima Warm Current. Main driving factors controlling the sedimentary processes and environmental changes in the Sea of Japan are sea level changes, East Asian monsoon (and the westerly wind) and the Tsushima Warm Current, but the responses to the three factors are distinct from place to place. Sea level is the first-order factor that constraints the water exchange between the Sea of Japan and surrounding sea waters. The East Asian summer monsoon brings large amounts of freshwater to the Sea of Japan, while the East Asian winter monsoon controls the sea ice formation and thus the deep water convection. Since 8ka, the Tsushima Warm Current, a more important determinant factor, intruded into the Sea of Japan, which enhanced the exchange between surface and deep waters and thus the renewal rate of oxygen in the deep water and sediments.
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Keywords:
- sedimentation /
- environmental evolution /
- driving mechanisms /
- the last glaciation /
- Sea of Japan
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西太平洋集中发育了全球75%的边缘海[1]。在这些边缘海中，日本海非常独特，它位于东亚季风下垫面，南北向和东西向气候差异显著，西接欧亚大陆，东被日本列岛环绕，仅通过4个较浅的海峡与外海相连。这些独特的地形地貌特征和气候背景，决定了日本海对区域和全球的气候变化响应十分敏感，其巨厚的沉积物记录了丰富的气候和环境变化信号，受到国际海洋学界的高度关注[2]。迄今为止，已在日本海已实施了3个深海钻探航次(DSDP Leg 31、ODP 127/128和IODP346航次)[3-5]和1个古海洋全球变迁计划航次(IMAGES 2001航次)[6]。
日本海古环境古海洋研究始于20世纪60年代[6]，因为该区沉积物中缺乏用于定年的钙质生物，研究进展较为缓慢。20世纪90年代，Oba等[7]首次发现末次盛冰期日本海表层海水盐度显著下降，在冰期沉积物中发育独特的暗色富有机质层和亮色贫有机质层交替出现的沉积结构，据此推断末次冰期以来日本海底层水氧含量变化与黄河入侵(27~20ka)、亲潮入侵(20~10ka)和对马暖流入侵(10ka以来)有关。IODP346航次的研究则进一步证实日本海这种独特的沉积结构可以追溯到1.5Ma，形成于间冰期的高海平面时期[8]。Tada提出了末次冰期日本海暗层和亮层分别对应于D-O旋回的暖期和冷期[2]，其形成与东亚季风的发育密切相关[9]。另一方面，由于日本海位于西风带下方，西风带调节东亚季风锋面的位置和携带大量风尘物质输运到日本海[6]。Nagashima通过对沉积物中石英矿物的结晶度和电子自旋特征的分析，认为日本海细粉砂沉积物可能来源于风尘沉积，并且提出日本海风尘沉积物存在黄土高原—塔克拉玛干沙漠和西伯利亚—中国东北地区两个源区，其源区变化与西风轴的南北迁移密切相关[10]。目前普遍认为日本海第四纪轨道和千年尺度海洋环境的剧烈变化主要受全球海平面和东亚季风控制[2, 7, 9, 11, 12]。
上述研究极大地提高了对日本海古海洋和古环境演化过程的认识，但是这些研究主要来自日本海的东部和南部，而对日本海西部古气候和古环境的研究还十分匮乏，这限制了我们对日本海过去全球变化的全面认识。另外，关于日本海环境的研究还有很多重要问题没有解决，例如海峡开闭程度如何影响日本海的环境演化，东亚冬季风对日本海海洋环境有何影响，日本海各个区域环境的演化过程及驱动机制是否相似?
本文通过对日本海南部、中部和西部3个代表性沉积岩芯的沉积学和地球化学指标的对比研究，发现末次冰期以来日本海不同海域海洋环境演化过程存在显著差异，认为这受控于不同海域对海平面、东亚季风和对马暖流(黑潮)3个因子响应的差异。
1. 区域背景
日本海是西太平洋封闭程度最高的边缘海，它与欧亚大陆分离的时间大约发生在20~25Ma[13]。日本海通过对马海峡、津轻海峡、宗谷海峡和鞑鞑海峡与东海、北太平洋和鄂霍茨克海相连，由于海峡最大水深为130m，因此在冰盛期日本海几乎与外海分隔，只能与外海进行有限的水体交换。对马暖流作为黑潮的一个分支，穿过对马海峡沿着日本海东部向北流经日本海，通过津轻海峡和宗谷海峡流出日本海。在日本海西部，来自鄂霍茨克海的利曼寒流向南流动，在40°N左右受极地风带的影响向东偏转，在日本海中部与对马暖流相遇形成极地锋面，在锋面南北形成剧烈的温度和盐度梯度。
日本海由于背靠欧亚大陆，冬季盛行的东亚冬季风导致日本海西北部海域表层海水急剧冷却，并在西北部形成海冰。伴随着表层水的冷却和海冰的形成，日本海水体的垂向对流十分活跃，极大地促进了底层水体的通风，导致日本海成为西太平洋唯一发育深层水的边缘海。在夏季，增强的东亚夏季风导致日本海和东海上空降水增加，减小了表层海水盐度。东亚季风也影响黑潮的强弱，进而影响对马暖流注入日本海的通量。
由于缺乏大型河流的注入，日本海沉积速率相对较低。另一方面由于日本海特征水团的存在，二者共同导致该海域碳酸盐补偿深度较浅，沉积物中普遍缺乏钙质生物沉积，而以陆源沉积为主。陆源碎屑物质主要通过周边河流、风、海冰输运入海。另外，日本海沉积物中还存在源自周边火山喷发产生的大量火山碎屑物质。
2. 材料与方法
本文研究的3个沉积岩芯KCES-1(35°56.150′N、130°41.915′E)、LV53-23(40°18′N、134°19′E)和LV53-18-2(42°56′N、134°44′E)分别位于日本海南部、中部和西部(图 1)，采样水深分别为1463、1284和551m。其中KCES1岩芯长10.15m，主要以黏土质粉砂和粉砂为主，偶可见硅质和钙质生物碎屑，在730cm以深为浊流沉积物，从上至下发有4层厚度不一的火山灰层[14]。LV53-23岩芯长7.53m，沉积物类型以粉砂为主，含少量砂质粉砂[15]；LV53-18-2岩芯长393cm，主要以灰绿、灰褐色粉砂为主。LV53-18和LV53-23岩芯由2010年中俄首次日本海联合调查航次采集，而KCES1岩芯由韩国海洋科学技术研究院(KIOST)提供。
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图 1 日本海现代表层环流示意图及研究站位分布图Figure 1. Schematic map of surface ocean circulation in the Sea of Japan and the location of studied sediment cores在前期的研究中，我们基于有孔虫壳体AMS 14C、沉积纹层比对、光释光定年、火山灰层等多个指标分别建立了3个岩芯的年龄框架[14-16]，其中KCES1、LV53-23和LV53-18岩芯的底部年龄分别约为48、60和30ka。对KCES1岩芯的沉积学、元素地球化学、环境磁学、孢粉和表层海水温度等指标进行了研究[11, 12, 14, 17-19]，近期又对LV53-23和LV53-18两个岩芯的粒度和主、微量元素进行了测试分析。沉积物粒度分析和元素测试都在自然资源部第一海洋研究所海洋沉积与环境地质重点实验室完成，主微量元素分别用ICP-OES和ICP-MS进行测试，测试方法和质量控制见文献[11]。本文主要基于这3个岩芯的沉积学和地球化学指标分析研究了日本海不同海域物质来源、沉积动力和深层水体通风演化过程，探讨未次冰期以来(30ka至今)日本海环境变化的主要控制要素。
3. 结果
3.1 平均粒径
沉积物粒度分析结果显示，日本海末次冰期以来3个岩芯的平均粒径都呈现剧烈的波动，但呈现不同的变化模式(图 2)。日本海西部的LV53-18岩芯沉积物平均粒径为10~40μm，高值主要出现在冰消期晚期(15~8ka)和末次盛冰期(LGM)(18~21ka)，低值出现在冰消期早期(HS1)，而在末次冰期晚期(26~21ka)，沉积物平均粒径也较低(略高于HS1期)。日本海中部的LV53-23岩芯沉积物平均粒径为7~14μm，自末次冰期晚期(26~21ka)到LGM期一直保持低值，最低值出现在18ka，而18ka以来沉积物平均粒径逐渐增加。日本海南部的KCES1岩芯沉积物平均粒径为7~16μm，高值主要出现在HS1时期和早全新世(11~9ka)，在其他时期则保持相对稳定的低值。总体上看，在末次冰消期晚期，日本海西部沉积物平均粒径要大于南部和中部；在冰消期早期，西部岩芯沉积物粒径与南部和中部呈现反相位变化；在末次冰期，西部岩芯沉积物中粗碎屑组分含量显著高于南部和中部。
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图 2 沉积物平均粒径时间序列剖面灰色条带指示重要气候事件，EH，YD，B-A，HS1和LGM分别指早全新世、新仙女木事件、Bølling/Allerod事件、Heinrich Stadial 1事件和末次盛冰期Figure 2. Mean grain size of sediments and time seriesGray solid bars indicate the duration of important climate events EH, YD, B-A, HS1 and LGM refer to Early Holocene, Younger Dryas, Bolling/Allerod, Heinrich Stadial 1 and Last Glacial Maximum, respectively海洋沉积物粒径与沉积动力环境密切相关。日本海南部、中部和西部3个岩芯分别位于对马海峡入口、日本海亚极地锋带和季节性海冰覆盖边缘地带，因此沉积物粒径的相对变化与海平面升降(影响对马暖流入侵和河口位置)、极锋位置(西风主轴和强度)和海冰覆盖变化(东亚冬季风)导致的动力变化有关。
3.2 氧化还原敏感元素
沉积物氧化还原敏感元素指示沉积物孔隙水氧供给与氧消耗之间的平衡，主要受深层水体通风和表层生产力两个因素控制。海洋沉积物中Mo和Mn的地球化学行为十分复杂，Mo一般在还原环境中富集，而Mn则在还原环境中贫化[20]，但是在某些环境中，Mo也可以和Mn共生，呈现共同富集的现象[21]。本研究中，我们采用Mo/Mn比值来判别沉积物氧化还原条件的相对变化，其值越大则指示沉积物贫氧程度越高，反之则越低。另一方面为了揭示生产力变化与沉积物氧化还原条件变化，我们采用TOC[22]和Cd/Al[23]比值来指示生产力变化。
图 3显示，日本海沉积物氧含量发生了显著变化，冰期时期日本海南部和中部的沉积物呈缺氧状态，但是在西部(LVS3-18)未观测到沉积物贫氧的现象。HS1以来，日本海南部和中部沉积物氧含量明显得到改善，但是在日本海西部沉积物氧含量显著减小。在冰消期晚期—全新世早期，日本海南部沉积物氧含量显著减小，但是在日本海中部和西部沉积物中并没有出现贫氧现象。图 3显示，3个岩芯中生产力变化模式并不相同，且同一沉积岩芯中与对应的Mo/Mn比值变化模式也存在差异，这表明在区域尺度上生产力输出并不是诱发日本海深层水体的主要因素。
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3.3 稀土元素
稀土元素在风化、搬运和沉积的过程中地球化学性质较稳定，不易受变质、蚀变和风化作用的影响，被广泛应用于物源示踪和古环境重建研究[24]。日本海南部KCES-1岩芯中稀土元素含量(ΣREE、LREE和HREE)及相关参数在末次冰期和末次冰消期(30~11ka)变化幅度较大，在HS1时期含量明显减小，在全新世(0~11ka)保持相对稳定(图 4)。18ka以来沉积物中ΣREE的含量增加约15%，表明陆源物质输入较多。稀土元素后太古代页岩(PAAS)[25]标准化结果显示，沉积物中没有δEu异常和δCe异常(图 4)，表明主要是陆源物质。日本海中部的LV53-23岩芯远离陆地，沉积物中稀土元素含量和相关参数没有呈现剧烈的变化(图 5)，与日本海南部KCES1岩芯稀土特征存在显著差异。KCES1岩芯沉积物中也不存在显著的δEu异常和δCe异常，表明同样以陆源物质为主。日本海西部LV53-18岩芯沉积物中稀土元素含量(ΣREE、LREE和HREE)在末次冰期和冰消期变化幅度要小于全新世的(图 6)。在中全新世(7~3ka)稀土元素含量显著减小。PAAS[25]标准化结果显示沉积物中不存在δCe异常，但是在中晚全新世存在显著的正δEu异常，这可能是受到火山物质影响的结果(图 6)。
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4. 讨论
4.1 沉积物来源和沉积动力
海洋沉积物碎屑组分与源区母岩性质密切相关。微量元素Cr、Sc多富集在基性和超基性岩中，Th主要富集在酸性岩中，而且在风化、剥蚀、搬运和沉积过程中它们的地球化学行为一般不会发生改变，是示踪源区母岩特征的良好指标[25]。Cr与Th/Sc相关性图解(图 7)显示，3个岩芯沉积物碎屑组分更偏向于长英质，即沉积物碎屑组分母岩成分主要由富含SiO2的岩石组成。以上地壳元素含量值为参考[24]，3个岩芯的成分也呈现一些差异，如KES1岩芯所有数据都位于上地壳之上，而LV53-23和LV53-18岩芯样品数值则位于上地壳之下，表明KCES1岩芯沉积物中含有更多的铁镁质物质。
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图 7 KCES1，LV53-23和LV53-18沉积岩芯Cr-Th/Sc相关散点图Figure 7. Scatter plots between Cr and Th/Sc in cores KCES1, LV53-23 and LV53-18为了进一步分析不同时段沉积物中碎屑沉积物的来源，采用(Sm)N-(Nd)N相关散点图来讨论。图 8显示，在末次冰期和末次冰消期，碎屑物质源区没有显著差异，即每一个岩芯中的碎屑物质的来源都是稳定的。在LV53-18岩芯，全新世与其他时段的差异可能表明沉积物中存在火山物质的贡献，这与此时段岩芯中存在显著的δEu正异常相对应。但是这并不能说明3个岩芯沉积物的来源是相似的。我们已有的研究指出日本海南部、中部和西部陆源碎屑物质的组成存在差异，其中南部KCES1岩芯沉积物主要源自中国、韩国的河流和对马暖流携带的物质[11]，中部LV53-23岩芯沉积物主要源自西风携带的亚洲内陆粉尘[15]，西部LV53-18岩芯沉积物在冰期和冰消期主要源自海冰搬运的冰筏沉积，在全新世则有利曼寒流携带的火山物质。
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图 8 KCES1，LV53-23和LV53-18沉积岩芯(Sm)N-(Nd)N相关散点图(N代表PAAS标准化)Figure 8. Scatter plots between Cr and Th/Sc in cores KCES1, LV53-23 and LV53-18 N indicates PAAS normalization海洋动力条件也可影响沉积物中碎屑组分含量的变化，因而碎屑物质的分选效应可以反映水动力搬动的强度和条件，通常用Zr/Sc和Th/Sc相关图解来判断沉积物的分选效应[24]。图 9显示，日本海南部(KCES-1岩芯)沉积动力在HS1时期(15~18ka)显著增加，日本海中部(LV53-23岩芯)沉积动力在全新世增强，日本海西部(LV53-18岩芯)沉积动力在冰消期和末次冰期沉积较强。在HS1时期，随着海平面快速上升，KCES1岩芯中Zr/Sc比值的增加指示对马暖流开始入侵日本海，这与末次盛冰期以后海平面快速上升有关。LV53-23岩芯碎屑沉积物主要源自西风携带的亚洲内陆风尘物质，较高的粗碎屑含量显示增加的西风强度或者西风轴的北移[15]。LV53-18的特征则指示，日本海西部在末次冰期和冰消期，存在大量海冰搬运的沉积物，而全新世海冰贡献则显著减小，末次冰期增强的沉积动力表明海冰活动增加。
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图 9 KCES1，LV53-23和LV53-18沉积岩芯Zr/Sc和Th/Sc相关散点图Figure 9. Scatter plots between Zr/Sc and Th/Sc in cores KCES1, LV53-23 and LV53-184.2 底层水通风演化
日本海一个最为显著的沉积特征是在沉积物中发育富有机质的暗色沉积层，这被视为日本海深层水体通风减弱的直接证据[26, 27]。多项指标如沉积物氧化还原敏感元素已被广泛用于重建日本海沉积物氧化还原条件和底层水体的通风状态[11, 28]。沉积物Mo/Mn比值显示(图 3)，末次冰期和末次冰消期日本海南部、中部和西部沉积物氧化还原和底层水通风模式在时间上并不同步，而8ka以来日本海沉积物含氧量显著增加，表明通风增强。已有的研究指出，日本海现代环流格局的形成始于8ka[7, 11, 29]，自此开始高盐温暖的对马暖流已经完全入侵日本海，这必然会提高日本海上层和下层水体的交换，增强深层水体的通风，进而提高沉积物氧含量。
在日本海南部(KCES1)和中部(LV53-23岩芯)，冰期和早全新世时较高的Mo/Mn比值暗示沉积物缺氧增强，这与沉积物中广泛发育暗色富有机质的沉积层相对应；在HS1时期，沉积物氧含量显著增加，这也得到日本海放射虫深栖种C.davisiana丰度增加的佐证[30, 31]。在早全新世日本海南部沉积物含氧量显著减小，而在日本海中部没有观测到这种现象。浮游有孔虫壳体δ18O显示[7, 32, 33]，在末次盛冰期δ18O值明显变轻，表明冰期时日本海表层海水为低盐条件，这可能与古长江/古黄河淡水注入[7]或者增加的净降水[34]或者黑龙江流入日本海[33]有关。另一方面，增加的层化也有利于浮游生物营养盐吸收，提高表层生产力输出，促进次表层水体氧消耗，最终导致深层水体和沉积物氧含量减少。在HS1时期，随着海平面上升，对马海峡逐渐被淹没，东海北部低温高盐水团开始入侵日本海，提高了日本海深层水体的通风。同时，HS1时期盛行的东亚冬季风也将提高水体的垂直混合，提高深层水体的氧供给。
中国东部石笋记录显示早全新世时期夏季风强度显著增加[35]，这一方面会增强日本海上空的降水，降低表层海水的盐度；另一方面大量陆源营养盐物质将被河流输运至日本海，诱发表层生产力勃发。在日本海中部此时段并没有观测到沉积物氧含量减少，因此东亚夏季风增强引起的淡水供给增加可能并不是导致早全新世日本海南部沉积物氧含量减少的唯一因素。
日本海西部沉积物氧含量变化模式与南部和中部不一致，沉积物氧含量减少主要出现在HS1时期，而在末次冰期和冰消期晚期并没有观测到缺氧的现象。LV53-18岩芯粒度特征显示，在末次冰期和冰消期，沉积岩芯中存在大量冰筏沉积，表明岩芯所在位置频繁地受到海冰活动的影响。现代观测指出，随着冬季海冰的形成和东亚冬季风的盛行，大量深层水在日本海西北部形成。随着日本海深层水的形成，它将增强深层水溶解氧的供给，增加沉积物含氧量。但是在HS1时期，LV53-18位置可能被常年海冰覆盖，隔绝了大气与海水的气体交换，导致沉积物氧含量减少。在HS1时期也发现IRD含量几乎减小到零(图 9)，这为上述推断提供了佐证。
4.3 环境演化的驱动机制
现今日本海环境与东亚冬季风、夏季风和对马暖流有关[36]。由于日本海仅通过4个较浅海峡(最大海槛深度约130 m)与外部水体进行交换，因此在第四纪冰期循环时期，除了东亚季风和黑潮之外，海平面的升降必然对其环境起着重要的调控作用。30ka以来，日本海沉积环境发生了显著变化，并在不同区域呈现不同的变化模式，表明日本海沉积环境的复杂性和驱动机制的复杂性。
最近的研究表明，全球海平面自约29ka以来开始逐渐下降，并在20.5ka达到最低值(-125m~-130m)[37]。然后随着北半球日照和大气CO2浓度上升，全球海平面快速上升，并发生多次海面快速跃升事件[38]。与之相对应，随着全球海平面下降(30~18ka)(图 10)，周围水体，尤其是通过对马海峡入侵日本海的水体也必然减小。这将减小日本海深层水体的更新速率，导致日本海在末次冰期和冰盛期暗色纹层沉积广泛发育，具有较高的Mo/Mn比值。与此同时，北半球冰川体积和范围的增加将提高西伯利亚高压的强度，导致西风主轴向南移。西伯利亚高压的增强造成东亚冬季风强度增加，导致日本海西北部表层海水急剧冷却和大范围海冰的形成。这一过程将增加深层水体的垂向对流，改善日本海底部水体和沉积物的氧含量。此外，西风主轴南移带来的风尘沉积也将影响日本海中部沉积物组成[39]。另一方面，日本海深层水体形成对日本海深层水体通风的影响仅局限在深层水体形成区域，并不影响海盆尺度上日本海深层水体的通风状态。
LGM以后，随着海平面快速上升(图 10)，东海北部大量的高盐水团通过对马海峡形成对马暖流，在HS1时期再次入侵日本海，破坏了表层水体层化，增强了表层和底层水体交换，增加了日本海深层水体和沉积物氧的更新速率。这在日本海南部KCES1沉积岩芯表现的尤为明显：在HS1时期沉积物粗组分含量快速增加，沉积物Mo/Mn比值快速减小。在日本海中部LV53-23岩芯，同样发现此时段Mo/Mn比值减小，表明对马暖流入侵对日本海深层水体通风影响已经延伸至日本海中部。日本海西部LV53-18岩芯沉积物Mo/Mn比值在HS1冷事件时期增加则显示其他因子也对日本海局地深层水体通风状态产生影响。中国黄土平均粒径记录显示[40]，在HS1时段随着北大西洋经向翻转环流(AMOC)停滞[41]，东亚冬季风强度显著增加，可能导致日本海西北部海冰范围急剧扩张，常年海冰覆盖在岩芯所在区域，抑制海洋与大气氧交换，减小了沉积物氧含量。
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(灰色条带代表意义与图 2一致)Figure 10. Time series based on sediment mean grain size and Mo/Mn ratio for cores KCES1, LV53-23 and LV53-18 and comparison with records of Chinese Stalagmite δ18O[35], summer insolation at 30°N[44], sea level[45] and the ratio of diatom abundance from Huguang Maar Lake[43]Gray bars are the same as that in Figure 2在HS1冷事件以后，随着AMOC的迅速恢复，加速了北半球增暖，东亚夏季风强度也迅速增加。特别是在MWP-1A时期(14.6~14.3ka)，全球海平面跃升14~18m [42]，这将进一步提高周围水体入侵日本海的数量。随着日本海与周围水体交换增加，日本海深层水体溶解氧更新速率也随之增加。在日本海中部LV53-23沉积岩芯中持续出现低Mo/Mn比值，直至8ka日本海现代环流格局形成，这与该过程有关。这也表明MWP1A时期海平面可能是制约日本海环境变化的一个关键点(图 10)。伴随着北半球增暖，西风主轴可能也恢复到现今位置，这被LV53-23岩芯中增加的粗颗粒碎屑物质证实。
在冰消期晚期和早全新世，日本海南部KCES1岩芯显示沉积物氧含量显著减小，并发育暗色沉积层[14]，但是并没有在日本海中部和西部观察到类似的现象。这表明此时段日本海南部海洋环境较为独特，可能类似于河口型环境，即KCES1岩芯位于低盐淡水和高盐对马暖流水交汇区。低盐水主要源自增加的东亚夏季风，可以提高朝鲜半岛和中国河流的入海径流量。当其与高盐对马暖流水团在对马海峡入口处相遇时，将诱发表层生产力勃发，导致局地底层水体出现缺氧现象。
与此同时，在日本海西部LV53-18沉积岩芯中观测到了活跃的海冰形成，这与此时期东亚冬季风强度的增加有关。前人的研究指出，在轨道尺度上东亚冬季风与东亚夏季风在全新世发生同相位变化[43]，并与30°N太阳辐射量的高值相对应[44](图 10)。华南湖光岩玛珥湖淡水藻相对丰度比值(A.granulata / C.stelligera)显示[43]，东亚冬季风强度从冰消期晚期到晚全新世逐渐减小(图 10)，这与LV53-18沉积岩芯所记录的增加的冰筏碎屑含量记录一致。伴随着海冰活跃的形成，深层水垂向对流也显著增强。需要指出的是，此时期对马暖流持续入侵日本海也对改善日本海西部深层水体通风状态产生影响。简言之，东亚冬季风对日本海西部沉积物组成和深层水体通风的影响可能比日本海其他区域更为显著。
8ka以来，对马暖流发育成熟，海平面也与现今接近[45]。日本海南部、中部和西部沉积物氧含量显著增加，表明高温高盐对马暖流成为控制日本海环境的主要因素。日本海西部LV53-18沉积岩芯中存在显著的正Eu异常，推测这与利曼寒流持续携带的富火山源物质有关。尽管目前关于利曼寒流形成演化信息还十分匮乏，但是火山物质持续出现表明利曼寒流自8ka也开始发育成熟。可以认为利曼寒流的形成真正标志着日本海现代表层环流格局的形成。
5. 结论
(1) 通过对日本海南部、中部和西部不同海域3个代表性沉积岩芯的对比研究，阐述了末次冰期以来日本海沉积作用、环境演化特征及其驱动因素。在8ka以前，日本海南部、中部和西部陆源碎屑物质分别主要由河流、西风环流和海冰输入的沉积物组成，并且物源相对稳定；8ka以来日本海西部沉积物中存在连续分布的火山物质，推测与利曼寒流形成有关，标志着现代日本海表层环流格局的形成。
(2) 在末次冰期，日本海中部和南部因为水体层化较强，导致底层水通风较弱，而日本海西部由于盐析作用，通风较强。在冰消期早期(Heinrich 1时期)，随着海平面升高，东海北部高盐水团再次入侵日本海，改善了深层水体通风条件，但是日本海西部因为受到常年海冰覆盖的影响导致沉积物氧含量显著减小。在冰消期晚期和早全新世，日本海南部深层水体由于表层高生产力和上层水体层化，导致局部出现通风减弱的现象，而在日本海中部和西部通风较好。8ka以来对马暖流形成，日本海通风普遍增强。
(3) 末次冰期以来日本海的环境演化受海平面、东亚季风(西风)和对马暖流控制，且不同海域对上述3个因子的响应程度存在差异。海平面变化是控制日本海环境变化的首要因子，它直接制约日本海与周围水体交换程度；东亚夏季风影响日本海表层水体层化，而东亚冬季风则控制着日本海西部海冰的形成和深层水体垂向对流；对马暖流的入侵提高了表层和底层水体交换，增加了日本海深层水体和沉积物溶解氧的更新速率，在8ka以来成为控制日本海环境的重要因子。
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图 1 日本海现代表层环流示意图及研究站位分布图
Figure 1. Schematic map of surface ocean circulation in the Sea of Japan and the location of studied sediment cores
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图 2 沉积物平均粒径时间序列剖面
灰色条带指示重要气候事件，EH，YD，B-A，HS1和LGM分别指早全新世、新仙女木事件、Bølling/Allerod事件、Heinrich Stadial 1事件和末次盛冰期
Figure 2. Mean grain size of sediments and time series
Gray solid bars indicate the duration of important climate events EH, YD, B-A, HS1 and LGM refer to Early Holocene, Younger Dryas, Bolling/Allerod, Heinrich Stadial 1 and Last Glacial Maximum, respectively
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图 7 KCES1，LV53-23和LV53-18沉积岩芯Cr-Th/Sc相关散点图
Figure 7. Scatter plots between Cr and Th/Sc in cores KCES1, LV53-23 and LV53-18
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图 8 KCES1，LV53-23和LV53-18沉积岩芯(Sm)N-(Nd)N相关散点图
(N代表PAAS标准化)
Figure 8. Scatter plots between Cr and Th/Sc in cores KCES1, LV53-23 and LV53-18 N indicates PAAS normalization
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图 9 KCES1，LV53-23和LV53-18沉积岩芯Zr/Sc和Th/Sc相关散点图
Figure 9. Scatter plots between Zr/Sc and Th/Sc in cores KCES1, LV53-23 and LV53-18
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图 10 沉积岩芯中平均粒径和氧化还原敏感指标时间序列与中国石笋δ18O[35]、30°N夏季日照[44]，海平面[45]和湖光玛珥湖硅藻丰度比值[43]曲线对比
(灰色条带代表意义与图 2一致)
Figure 10. Time series based on sediment mean grain size and Mo/Mn ratio for cores KCES1, LV53-23 and LV53-18 and comparison with records of Chinese Stalagmite δ18O[35], summer insolation at 30°N[44], sea level[45] and the ratio of diatom abundance from Huguang Maar Lake[43]
Gray bars are the same as that in Figure 2
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