近4 400 a南海北部陸架沉積物的東亞季風記錄

田 旭, 徐方建, 徐 微, 劉喜玲

(1. 中國礦業大學 資源與地球科學學院, 江蘇 徐州 221116； 2. 中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院,山東 青島 266580； 3. 中海油研究總院新能源研究中心, 北京100028； 4. 中國海洋石油國際有限公司, 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與環境信息, 對全球環境變化十分敏感, 因此陸架沉積研究備受關注。近年來對渤海[1]、黃海[2]、東海陸架[3]、臺灣海峽[4]等多處沉積體進行了研究, 在沉積物的區域分布[2]、物質來源[5-8]、沉積演化歷史及其古氣候、季風演化信息的提取[9-12]等方面取得了較大進展。

南海作為東亞大陸物質剝蝕的主要沉積區, 已經開展了大量的工作。深水區以其沉積連續、信號記錄穩定的優勢而備受海洋地質學者的關注[13-15],但其沉積速率較慢, 總體分辨率較低[16-18]。而淺水陸架區沉積速率快, 地層分辨率較高, 這為我們進行高分辨率的古環境研究提供了材料。但由于淺水陸架區沉積環境可能不穩定而導致信號記錄不穩定,目前對南海陸架的研究較為滯后[19-20], 其主要研究對象也多為孢粉和藻類[21-22], 部分研究分辨率較低[23],少見海南島南部陸架區沉積物特別是柱狀沉積物中季風信息研究的相關報道。本文對位于南海北部陸架的S20孔粒度、年代以及微量元素數據進行分析,初步探討了該區沉積物中蘊含的亞洲季風信息。

1 材料與方法

海南島及其鄰近海區有諸多河流注入南海, 海南島東岸環流也存在季節性變化特點, 即夏季由于盛行西南風而為東北向流, 冬季盛行東北風而盛行西南向流[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, 水深 127.3 m, 圖 1), 長 222 cm。該孔沉積物以灰色、深灰色黏土質粉砂為主, 未見明顯的事件性沉積間斷。粒度和元素分析樣品個數均為23個,取樣間隔為10 cm。

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

Zr、Rb元素分析樣品洗鹽后在60 ℃下烘干, 研磨至小于 250目, 送中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所用全自動 X-射線熒光光譜儀進行粉末壓片法分析, 儀器型號為 PW2440, 由荷蘭菲利普公司生產, 元素檢出限為2 μg/g。為了監控測試精度和準確度, 分別進行了若干樣品的重復分析與標樣分析, 標樣類型為國家一級標準物質 GSD-9和GSD-10, 重復樣與一級標準物質合格率均為100%。

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

3個AMS14C年代數據在中國科學院黃土與第四紀地質國家重點實驗室完成測試。原始測年數據利用CALIB 5.0.1軟件[25]進行日歷年齡校正(表1), 其他深度年代數據通過內插或是外推獲得(本文所指的年齡均為日歷年齡)。

2 結果

粒度測試結果顯示, S20孔主要為黏土質粉砂,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相同, 而與砂平均含量變化趨勢相反。粒度頻率曲線分布多數近于對數正態分布, 以粉砂粒級(30 μm)峰為主(圖2)。

S20孔Rb質量比平均為112×10-6, 變化范圍為105×10-6～127×10-6, Zr質量比平均為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質量比與平均粒徑大小變化趨勢相似, 而與Rb質量比變化趨勢近乎于呈鏡像關系(圖3)。

依據 AMS14C測年結果, 結合沉積速率線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定, 約為77 cm/ka, 2 354 a BP以來沉積速率明顯降低, 約為29 cm/ka。

3 元素比值與敏感粒度組分平均粒徑的地質意義

中晚全新世以來研究區海平面變化不大[26-28],因此本段可以看作海侵結束后高海平面以來的淺海沉積, 其對應的動力條件和沉積環境與現今基本一致。而 S20孔近于對數正態分布的粒度頻率曲線也表明其沉積動力條件相對穩定(圖2)。陳麗蓉[24]通過對碎屑礦物(63～250 μm)研究認為, 海南島以東以及以南的近岸區物質主要為沿岸沖刷及沿岸河流帶來的, 黏土礦物卻表現出與珠江口沉積物相似。如圖1所示, 研究區 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是影響 S20孔區域最為可能的兩個來源。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], 很難到達我們的研究區, 因此它們對本研究站位的貢獻可以忽略。可以認為, 研究區沉積物主要是在冬季沿岸流作用下搬運沉積而成。

表1 S20孔AMS14C年齡數據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Fig.2 The content of clay, silt and sand and frequency distributions of sediment grain-size in Core S20

圖3 S20孔Rb、Zr質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, 中國淺海陸架沉積物地球化學元素含量變化遵從“元素的粒度控制律”, Rb主要賦存在細粒物質中, 而 Zr常趨于在粗粒級中[30]。而 S20孔平均粒徑與Zr質量比變化趨勢相同, 與Rb質量比變化趨勢呈較好的鏡像關系, 也符合這一規律(圖 3)。在表生地球化學過程中, 各種沉積物的化學成分會受到原巖組成、源區風化、搬運遷移分選和沉積后的變化等諸多因素影響, 但也有研究發現, 有些元素的變化只受單一因素控制[31], 對黃土、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粗粒和細粒物質的陸源元素比值。將 S20孔沉積物平均粒徑和 Zr/Rb值進行 Spearman相關分析, 二者在a=0.01(置信度P=0.99)水平上僅表現為微弱相關(相關系數R=0.21), 因此, 主要富集于相對粗粒和細粒物質的 Zr/Rb值與沉積物平均粒徑并無明顯的關系,這可能因為用于測試的沉積物還受到了部分自生礦物顆粒的影響, 因此經過量雙氧水和鹽酸預處理后的沉積物全巖樣粒度不能有效反映搬運水動力條件的強弱, 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動力強弱的代用指標[35]。

3.2 敏感粒度組分平均粒徑

近年來, 粒徑-標準偏差法在中國海沉積物古季風信息提取中得到了良好的應用[3,10,12,36]。本文利用該方法獲得了各粒級組分標準偏差隨粒徑的變化曲線(圖4), 較大的標準偏差值分別對應于8 μm和71 μm,較低值為19 μm。本文以19 μm為界線劃分出細、粗兩個粒度組分。

圖4 S20孔粒徑-標準偏差曲線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值對比發現, 二者具有相似的變化趨勢(圖 5), 進行Spearman相關分析發現, 二者在a=0.01(置信度P=0.99)水平上表現為顯著相關(相關系數R=0.63),這與未進行敏感粒度組分提取前的平均粒徑相比,二者相關性明顯增強, 因此可以認為, 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、細粒級的Zr/Rb陸源元素比值和小于19 μm的細粒組分平均粒徑可以作為冬季沿岸流、進而作為東亞冬季風強度的代用指標。

4 近4 400 a東亞季風信息

將南海北部陸架S20孔沉積物小于19 μm的細粒組分平均粒徑(圖5a)、Zr/Rb值(圖5b)與東海內陸架 PC-6孔沉積物細粒組分平均粒徑(圖 5c, 站位見圖 1c)[12]進行對比, 可以看出, 在測年誤差和數據精度范圍內, 三者揭示的冬季沿岸流強弱變化趨勢較為一致。將前二者進一步與鄰近的南海 17940孔海水表層溫度(SST, 圖5d, 站位見圖1c)[26-27]進行對比,可以發現, S20孔沉積物Zr/Rb值和細粒敏感粒度組分平均粒徑揭示出的4 400 a以來東亞冬季風的變化趨勢, 在南海17940孔也有著相似的記錄。這在另外一個角度說明, S20孔沉積物Zr/Rb值和小于19 μm的細粒組分平均粒徑可以作為良好的冬季沿岸流強弱替代指標, 進而可以作為驅動其變化的冬季風強弱代用指標。

圖5 不同代用指標對比Fig.5 Comparison of different proxies

研究表明, 東亞冬季風是東亞冬-夏季風系統中的主動因子[37], 也是北半球冬季最活躍的環流系統,強的冬季風爆發后能夠向南傳播侵入南海抵達赤道地區, 爾后越過赤道轉為南半球的夏季風[38]。東亞冬季風活動最明顯的地區是中國大陸東岸和西太平洋到印度尼西亞一帶, 因此冬季風以冷空氣的形式使其經過的區域產生不同程度的降溫。除此之外, 冬季沿岸流把低溫的冷水從中國東部海域源源不斷地輸送到南海, 使得南海的水溫進一步降低。東海內陸架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]表現出的相似性說明, 中國東南部不同地區季風代用指標揭示出的東亞冬季風演化具有一致性。另外, 海南島南部陸架區可能具有相對穩定的物質來源(珠江以及海南島物質)或是物源變化對該區域影響不明顯,因此, 該區沉積物蘊含了豐富的亞洲季風變化信息。

5 結論

南海北部陸架 S20孔巖性較均一, 其沉積作用受相對穩定的水動力條件控制。S20孔沉積物主要賦存于粗、細粒級的Zr/Rb陸源元素比值和小于19 μm的細粒組分平均粒徑可以作為冬季沿岸流和東亞冬季風強度的代用指標。近4 400 a以來, S20孔沉積物Zr/Rb值和細粒敏感粒度組分平均粒徑揭示的冬季沿岸流強弱和東亞冬季風變化與東海內陸架PC-6孔以及南海 17940孔海水表層溫度變化表現出良好的相似性, 說明中國東南部不同地區季風代用指標揭示出的東亞冬季風演化具有一致性。可見, 南海陸架沉積物中同樣蘊含著豐富的季風演化信息, 然而,限于樣品精度問題, 沉積環境以及東亞季風的詳細演化信息無法深入探討, 后續高分辨率研究工作亟待開展。

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