白令海盆17 ka以来的古海洋与古气候记录

王磊 王汝建 陈志华 陈建芳 程振波 孙烨忱

0 引言

白令海位于亚北极太平洋，是北太平洋最大的边缘海，其北部通过白令海峡连接北冰洋的楚科奇海，是亚北极太平洋重要的组成部分。白令海季节性海冰形成于北部陆架区［1］，是全球大洋温盐循环终端，因此白令海的古海洋学研究对理解全球温盐循环在地质历史时期的变化有着重要的意义［2-4］。白令海沉积物记录的古海洋学、古气候信息变化可以为北半球冰盖演变及高频率气候事件 D／O（Dansgaard-Oeschger）和 Heinrich事件等提供信息［4-7］，是研究北半球气候变化的理想素材。

白令海是北太平洋水汽能量交换重要场所［4-5，8］，被认为是冰期 NPIW （Northern Pacific Intermediate Water：北太平洋中层水）的主要发源地［9-12］，其深度在末次冰消期可能达到 2 500—3 000 m水深之间［13-14］。研究白令海海冰扩张和消融历史对理解北太平洋水汽交换和D／O、Heinrich气候事件成因机制有着重要意义［15-16］。白令海现代海冰以季节性海冰为主，主要受到北太平洋暖水团和冬季气旋影响［17］，在年际尺度上不断发生变化，海冰在3月可达最大覆盖范围（图1）［18］，6月受到白令海南部太平洋暖水团增强的影响，海冰融化并后退至白令海峡以北，白令陆坡流经白令海峡输入北冰洋。在冰期白令海海冰受北半球变冷影响，海冰向南扩张，在YD和H1时期海冰可延伸至白令海西北部希尔绍夫脊最南端［14］，东南部鲍尔斯脊也为海冰覆盖。钻孔研究表明，冰筏碎屑（ice-rafted detritus，IRD）在末次冰盛期（Last Glacial Maximum，LGM）受到北半球冰盖发育的影响，堆积速率明显较 H2期高，并高于 H1、B／A和 YD时期［6］。

目前，白令海的古海洋学研究主要集中在北部陆坡、南部鲍尔斯脊、西部希尔绍夫脊等相对水深较浅的区域（水深 ＜3 000 m）［5-6，9，11，14，19］，对白令海盆沉积物的研究却非常稀少，这是因为白令海盆水深较深（一般＞3 000 m），受到白令海现代碳酸盐溶跃深度和碳酸盐补偿深度（carbonate compensation depth，CCD）影响［20-21］，沉积物中的碳酸钙难以保存，难以获取足量的钙质生物壳体用以AMS14C测年，建立地层年代框架，从而也难以建立多种环境替代指标的沉积记录。本文拟通过白令海盆08BR02钻孔沉积特征和IRD记录的综合研究，试图重建白令海盆LGM以来海冰与水团的变化历史并进而探讨其对全球气候变化的响应。

1 材料来源与研究方法

1.1 材料来源

本文采用的材料来源于2008年中国第3次北极科学考察航次在白令海盆中部利用重力取样器所钻取的柱状样沉积物08BR02孔，该钻孔经纬度为57°0.06′N，174°29.97′E，水深 3 805 m（图 1）。该钻孔长196 cm，以2 cm为间隔取样，共计获得98个样品。

图1 白令海盆08BR02钻孔与相关钻孔位置［6，14，18，22］、白令海现代表层环流及3 000 m水深深层流分布以及洋流与海冰分布［17，19，23］.AS—阿拉斯加沿岸流；BSC—白令陆坡流；KC—勘察加流；BR—鲍尔斯脊；SR—希尔绍夫脊；UP—乌姆纳克海台Fig.1.Location of core 08BR02 in the Bering basin and referenced cores［6，14，18，22］.Oceanographic settings and March sea ice edge are indicated［17，19，23］.AS—Alaskan Stream；BSC—Bering Slope Current；KC—Kamchatka Current；BR—Bowers Ridge；SR—Shirshov Ridge；UP—Umnak Plateau

1.2 研究方法

本文对白令海盆08BR02钻孔进行了颜色反射率测试，有孔虫丰度统计，粒径＞63、154和250μm的IRD含量统计，粒度组分分析，以及有机碳和浮游有孔虫 Neogloboquadrina pachyderma（sin.）的AMS14C测年分析。

颜色反射率的测试：在沉积物柱状样剖开之后，使用Minolta CM2002光谱测色计测量沉积物表面的反射光谱数据，获得参数L*，a*，b*。测试间隔为1 cm。

有孔虫丰度和IRD含量分析方法：本文采用过筛冲洗的方法，将10—15 g干样用水浸泡，用 ＞63μm筛子过筛水洗，然后收集屑样，烘干，称重，并分别用154和250μm筛子干筛，然后称重记录。在100倍显微镜下统计浮游有孔虫和底栖有孔虫丰度。本文将冲洗后＞63μm的组分统称为粗组分，由于样品中生物壳体的数量较少，未将有孔虫、放射虫、硅藻等生物壳体从中屑样挑出，以＞63μm的组分百分含量近似为砂组分IRD百分含量［6］，同理计算出＞154和250μm的IRD百分含量。IRD是指通过海冰、大冰山和冰川等搬运方式输入海洋，并沉积到海底的陆源碎屑物质，可用以指示海冰或冰山的分布状况［6，24］。

粒度组成分析：先称取0.15 g干样，分别用H2O2、HCl和NaOH去除有机质、碳酸盐和生物硅后，加入0.3 g六偏磷酸钠作为分散剂，待煮沸1 min后在Beckman Coulter230全自动激光粒度分析仪上测试粒度组分，该仪器的测试范围为 0.04—2 000μm，重复性测试偏差≤1%。

AMS14C测年：包括4个全样的有机碳测年和1个浮游有孔虫N.pachyderma（sin.）测年（壳体＞154μm，数量约1 200个）。

除AMS14C测年是在美国Beta实验室测试外，以上分析测试均在同济大学海洋地质国家重点实验室完成。

2 地层年代框架

地层年代框架是古环境研究中最为重要的环节之一，由于CCD的影响，有孔虫的AMS14C测年一般只能运用在CCD以上的浅水区域。而白令海盆08BR02钻孔所处水深3 805 m，有孔虫数量较少，因此，本文同时采用全样有机碳和有孔虫的AMS14C测年来建立地层年代框架，共得到5个AMS14C年龄控制点（表1）。

有机碳和有孔虫N.pachyderma（sin.）的AMS14C年龄用Calib Rev 6.0软件和Marine 09校正曲线进行日历年计算［25-26］。白令海有孔虫的碳储库年龄在冰消期中波动较大，对于不同14C年龄需用不同的碳储库年龄进行校正，14C年龄在12.3 ka、12.8—13.4 ka和 14.9—15.3 ka等区间内的数据分别需用850、700和1 550 a的碳储库年龄进行校正［27-29］，本文的测年数据没有处在这些范围内，因此本文用700 a作为有孔虫碳储库校正年龄［14］。同时，由于对白令海区域性有机碳碳储库年龄的研究较少［30-31］，本文采用的有机碳碳储库年龄为700 a，与有孔虫碳储库年龄一致（表1）。

由于08BR02钻孔柱状样深度84—190 cm之间缺乏可信的测年数据，本文利用08BR02钻孔与NGRIP氧同位素曲线［32］，北太平洋 SO201-2-12、SO201-2-101、SO201-2-77、SO201-2-114多个钻孔的颜色反射率曲线进行对比［14］，确定其年代框架（图2）。颜色反射率由3个分量 L*、a*、b*组成，分量L*是反应沉积物的灰度变量，而a*，b*分别表示从红色到绿色和从蓝色到黄色颜色变化的变量。其中，颜色反射率分量b*被认为是一种可以用来反应缺氧环境下沉积物中生物硅和有机碳含量变化的指标［33］，并在白令海多个钻孔的研究中被用来作为地层划分和对比的工具，确定地层年代框架［6］。本文通过对比 08BR02和 SO201-2-12、SO201-2-101、SO201-2-77、SO201-2-114钻孔 b*的变化，确定了08BR02钻孔的两个年龄控制点，同时也可以看出08BR02钻孔的AMS14C测年数据是可靠的（图2）。

表1 白令海盆08BR02钻孔的AMS 14 C年龄数据与控制点Table 1.AMS 14 C dating data and age control points of core 08BR02 in the Bering Basin

通过7个年龄控制点数据之间的插值计算，得到08BR02钻孔顶部沉积物年龄为4.2 ka，底部沉积物年龄为17.0 ka。图2中实心三角形所标示的位置为有机碳和有孔虫AMS14C年龄控制点，空心三角形所标示的位置为SO201-2-12、SO201-2-101、SO201-2-77、SO201-2-114钻孔颜色反射率曲线进行对比后确定的年龄控制点。

3 结果

3.1 IRD与粒度组分变化

白令海盆08BR02钻孔中IRD＞63μm组分的变化在0.1%—39.1%之间，平均值为3.6% （图3），其含量最高值出现在H1时期 （15.4 ka）。本文以10%为界限，凡IRD＞63μm组分大于10%的层位记为陆源碎屑物质输入事件。自17.0 ka以来，IRD＞63μm组分含量分别在 15.6—14.8 ka，13.7—13.2 ka及12.5—12.3 ka超过10%，记录了3次陆源碎屑物质输入事件，分别记为IRD 3，IRD 2，IRD 1，其峰值依次降低。12 ka以来，IRD＞63μm组分含量均小于3%。IRD＞154μm组分的变化范围在0.01%—3.3%之间，平均值为0.36%，其含量分布整体上与IRD＞63μm组分峰值一致，仅在H1时期有所差别，其含量在15.6—14.8 ka之间快速增加，而IRD＞63μm组分含量在该时间段快速下降。IRD＞250μm组分含量的变化范围在0—1.2%之间，平均值为0.06%，其整体变化趋势几乎与IRD＞154μm组分完全一致。

图2 白令海盆08BR02孔的颜色反射率b*与北太平洋SO201-2-12、SO201-2-101、SO201-2-77、SO201-2-114钻孔颜色反射率b*［14］以及NGRIP氧同位素记录的对比［32］.实心三角形和空心三角形分别为AMS 14 C测年和颜色反射率b*控制点Fig.2.Correlation of color b*between core 08BR02 in Bering Basin and core SO201-2-12，SO201-2-101，SO201-2-77 and SO201-2-114［14］in North Pacific and NGRIPδ18 O record［32］.AMS 14 C data（solid triangle）and age control points based on color b*（hollow triangle）are given H1—Heinrich event 1；B／A—Bølling／Allerød；YD—Younger Dryas

图3 白令海盆08BR02钻孔17 ka以来IRD含量与粒度组分的变化Fig.3.Changes of IRD，mean and median grain sizes，and grain components in core 08BR02 in the Bering Basin over the last17 ka

白令海盆08BR02孔沉积物平均粒径变化范围在10.4—60.5μm之间（图3），平均值为30.5μm。17 ka以来，共经历3次平均粒径增大的过程，分别对应的时间段为 15.6—14.8 ka，13.7—13.2 ka及8.8 ka，前两次分别与 IRD 3和 IRD 2事件同步，IRD 2事件后平均粒径整体呈逐渐下降的趋势。在YD时期，平均粒径的增加略微滞后于IRD＞63μm组分的增加，IRD＞63μm组分的高峰出现在YD和B／A界限上，而平均粒径的增加发生在YD中期。该孔沉积物的中值粒径变化范围在13.4—51.1μm之间，平均值为24.4μm，其高峰和变化趋势与平均粒径的近乎一致。

将08BR02钻孔沉积物的粒度组成划为黏土组分（＜4μm）、粉砂组分（4—63μm）、砂组分（＞63 μm）［34］。其中黏土组分百分含量的变化范围为4.3%—38.5%；粉砂组分为 45.5%—91.5%；砂组分为 0.1%—35.1%，其平均值分别为 13.6%、77.9%和8.5%。砂组分与黏土组分变化趋势相反，与平均粒径和中值粒径的变化趋势近乎一致。

本文尝试采用粒径-标准偏差方法对沉积物粒度组分进行分析，提取对环境敏感的不同粒级组分（图4）。08BR02孔样品中各粒级的标准偏差数据结果呈现明显的双峰态，标志自17 ka以来08BR02钻孔中对沉积环境敏感的组分分别为8—14μm和33—63μm，其中较粗的33—63μm敏感组分含量变化范围为2.2%—48.0%，最高值出现在16.7—16.5 ka，整体变化趋势与平均粒径相同，但在15.6—14.8 ka期间，平均粒径呈现下降的趋势，而33—63μm敏感组分逐步增加。较细的8—14μm敏感组分含量变化范围为5.0%—25.2%，与33—63μm和平均粒径变化趋势相反。

图4 白令海盆08BR02钻孔17 ka以来敏感组分及砂组分（＞63μm）和平均粒径的变化Fig.4.Variations of sensitive components，sand component（＞63μm）and mean grain size in core 08BR02 in the Bering Basin over the last17 ka

3.2 有孔虫丰度

自17 ka以来，浮游有孔虫和底栖有孔虫丰度分布大致相同（图5），浮游有孔虫丰度的变化范围为0—215枚·g－1，出现3个高峰，其时间段分别为15.4—14.9 ka、13.4 ka和 12.8—12.6 ka，几乎与 3次IRD事件相对应。自全新世以来浮游有孔虫丰度无明显高峰，其丰度几乎为零。底栖有孔虫丰度的变化范围为0—979枚·g－1，在15.4—14.8 ka出现一个明显的高峰，时间与IRD 3事件相对应，而13.4 ka和12.8—12.6 ka出现的2个小峰分别对应IRD 2、IRD 1事件，其丰度均在60枚·g－1以下，全新世以来无明显高峰。

图5 白令海盆08BR02钻孔17 ka以来IRD含量与有孔虫丰度变化Fig.5.Variations of IRD and foraminifera abundance in core 08BR02 in the Bering Basin over the last17 ka

4 讨论

4.1 气候变化与海冰扩张

硅藻研究结果显示白令海在LGM时期，就海冰分布形式可以分为三个区域：北部为季节性海冰覆盖区域；海盆中部为流动性海冰覆盖区域；南部鲍尔斯脊以南区域为无冰的开阔海域［35］，同时也有数据显示LGM时期乌姆纳克海台为永久性海冰覆盖，并在17—10 ka期间海冰从永久性海冰过度为季节性海冰［18］。本次研究的白令海盆08BR02钻孔所处位置为流动性海冰覆盖区域，在冰期可能接受海冰或冰山所携带的IRD沉积，因此，08BR02钻孔IRD（＞63μm、＞154μm和 ＞250μm）、粒度中的砂组分等粗颗粒组分含量的变化可能反映海冰的扩张历史。

自 H1至全新世的转变过程中，白令海盆08BR02钻孔的 IRD（＞63μm、＞154μm和 ＞250 μm）含量，粒度的砂组分含量，及其中值与平均粒径都逐渐降低，反映了海冰从扩张到消融的过程，其变化基本上与鲍尔斯脊上G11和G13钻孔的IRD记录一致［6］。但是，IRD（＞63μm）含量的变化与 IRD（＞154μm和＞250μm）含量变化存在一定差异，可能是由于从H1向B／A转变过程中IRD的输送模式发生变化。对比H1时期的3种不同粒径大小的IRD，发现IRD（＞154μm和＞250μm）含量的高峰明显滞后于IRD（＞63μm）的高峰，说明IRD由海冰输送转变为冰山输送，因为海冰、大冰块或者冰山都能夹带和搬运一些粗的IRD，但是海冰的主要贡献是砂级以下的IRD（＜250μm），而大冰块或者冰山的主要贡献是粗的 IRD（＞250μm）［36-37］，因此白令海盆08BR02钻孔不同粒级的IRD含量的变化说明：IRD的搬运模式在H1向B／A转变过程中由海冰输送模式为主转变为大冰块或冰山搬运为主。在B／A中期08BR02钻孔IRD（＞63μm）含量明显增加（图3）。白令海盆西部希尔绍夫脊和乌姆纳克海台上多个钻孔中的海水表层温度（sea surface temperature：SST）记录都显示，在 B／A中期存在一次变冷事件［14，18，38］，这次降温事件与 08BR02钻孔的IRD（＞63μm和＞154μm）与粒度的砂组分含量，以及中值与平均粒径明显增加的时间一致，说明在B／A中期存在一次冷事件，这一冷事件可能是Bølling与 Allerød暖事件之间的 Older Dryas（OD）冷事件［39］，该事件是一次周期短，振幅小的冷事件，并广泛分布在北半球［40］。在OD期间，白令海海冰扩张，海冰所携带粗颗粒沉积物在08BR02站位卸载并沉积。

白令海盆IRD（＞63μm和＞154μm）含量在B／A与YD界限附近的显著增加明显超前于北太平洋许多钻孔的 IRD记录［6，23，41］，同时 08BR02钻孔的砂组分、中值粒径、平均粒径滞后于IRD含量的变化，在YD期间增加。导致这一差异的原因可能来自两个方面：（1）本文采用的IRD分析方法并未去除有孔虫壳体、生物硅和有机质等生源组分，而粒度分析中已去除这些生源物质，因此IRD含量中包含反映B／A晚期表层生产力的生源组分；（2）本文IRD实验样品用量10—15 g，而粒度分析的样品用量仅0.15 g，两者相差近100倍，使得粒度分析难以获取较多粗颗粒物质，导致最终结果可能存在一定的差异。尽管两者用量存在差异，但是粒度中的砂组分含量及中值与平均粒径的变化同样反映了从B／A至YD时期北半球气候由暖变冷，海冰扩张，由海冰搬运至08BR02站位的粗颗粒沉积物增加。全新世以来，气候逐渐变暖，海冰后退至白令海陆架，白令海盆08BR02站位接受的粗颗粒沉积物减少，IRD（＞63μm）含量减少至5%以下，而粒度中的砂组分含量不超过10%，中值与平均粒径逐渐减小，黏土组分增加，显示相对温暖、稳定的气候和沉积环境。

白令海盆08BR02钻孔敏感组分的分析发现，其较粗的33—63μm组分含量变化与平均粒径的变化完全一致，与砂组分的变化相似，说明该组分可能与砂组分一样是通过海冰、大冰块或者冰山搬运卸载至08BR02站位（图4）。而较细的8—14μm组分与33—63μm敏感组分变化趋势相反，可能是通过洋流等搬运模式搬运卸载至08BR02站位，但这一解释需要进一步的研究来证实。

4.2 钙质生物生产力与海冰融化关系

白令海南部鲍尔斯脊上的沉积记录研究显示，有孔虫丰度在H1和YD冷期都出现低值，而在B／A暖期出现高峰［6］，这与北太平洋、鄂霍次克海和白令海的其他研究结果一致［19，23，42-43］。这是由于气候转暖过程中，海水表层温度的上升和海冰的减少促进了表层生产力的增加［6，23，26，44］。但是，白令海盆08BR02钻孔的浮游和底栖有孔虫丰度的变化与上述研究结果显然不一致。南部鲍尔斯脊上GC13和GC11钻孔中浮游和底栖有孔虫，以及硅藻和放射虫丰度高峰出现在B／A暖期，低值出现在H1和YD冷期［6，45］。而白令海盆08BR02钻孔的浮游和底栖有孔虫丰度高峰值出现在H1晚期、B／A中期以及B／A与 YD界限附近，几乎与IRD（＞63μm和 ＞154μm）和粒度中的砂组分含量以及中值与平均粒径的变化同步。由于08BR02钻孔几乎位于海盆中央，浮游和底栖有孔虫的镜下观察显示，其壳体完整，生物组合相对稳定，基本上可以排除浊流和再沉积。因此，这三个钻孔之间浮游和底栖有孔虫丰度在时间上的差异可能与区域性的表层生产力的变化有关。

现代白令海东北和西北陆坡至陆架边缘的上部水体中存在一个高生产力带，被称为“白令海绿带”［46-47］，由融冰水和沿岸的上升流为该区域生物的勃发提供营养物质。在冰期，海冰向南扩张至海盆并融化［35］，为海盆区域生物的勃发提供可能。因此从H1至YD时期，08BR02钻孔浮游有孔虫丰度高峰在时间上与各粒级的IRD高峰几乎一一对应，可能反映海冰融化为表层水提供营养物质，导致钙质浮游生物的勃发和繁盛，并且表层有机物被进一步输出至海底，为底栖生物提供营养物质［48］。

5 结论

本文通过白令海盆08BR02孔的颜色反射率b*，IRD，粒度及其敏感组分，有孔虫丰度和 AMS14C测年数据的分析得出以下结论：

（1）通过白令海盆08BR02孔的AMS14C测年数据和颜色反射率b*记录与NGRIP氧同位素、北太平洋的多个钻孔的颜色反射率b*记录的对比，建立该孔的地层年代框架，其顶部年龄为4.2 ka，底部年龄为 17.0 ka。

（2）白令海盆08BR02孔17 ka以来的IRD、粒度的砂组分以及敏感组分中的33—63μm含量在H1、B／A和YD期间明显增加，对应于全球性的H1、B／A中期和 YD冷事件。这些 IRD、砂组分以及33—63μm的敏感组分主要来源于海冰、冰山或者大冰块搬运，其含量的变化反映了白令海盆17 ka以来的海冰扩张和消融的历史。

（3）白令海盆08BR02孔的IRD与有孔虫丰度在H1、B／A和YD期间同步增加，可能反映海冰融化为表层水提供营养物质，导致钙质浮游生物的勃发和繁盛，并且表层有机物被进一步输出至海底，为底栖生物提供营养物质。

致谢 本工作是国家财政部、国家海洋局极地考察办公室组织实施的“中国第三次北极科学考察项目（CHINARE-2008）”的一部分，样品由中国极地研究中心沉积物库提供。感谢中国第三次北极科学考察队全体队员为采集沉积物样品所付出的艰辛努力，感谢肖文申、李文宝、张海峰、王寿刚、胡正莹、章陶亮、刘雨萌、梅静及刘伟男对本文实验和写作给予的帮助。

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