普里兹湾陆架表层沉积物粒度特征及其环境指示意义

王豪壮 陈志华 王春娟 刘合林 赵仁杰 唐正 黄元辉

(国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266061)

0 引言

沉积物粒度特征及其参数分析是恢复沉积环境变化的有效指标。沉积物粒度分布特征可以反映沉积环境的水动力特点,并以此为基础来推断沉积发生时的自然地理环境特征[1-4]。粒度参数(平均粒径、分选、偏态和峰态)被广泛用来分析沉积趋势和环境[4-7]。

南极地区包括南极洲和南大洋,集中了地球表面90%的冰,是地球上最大的冷源和全球气候变化的主要驱动器之一。由于东南极冰盖的体积占整个南极大陆冰盖的90%以上[8],对东南极地区的研究有助于我们系统了解南极与全球气候、海平面变化之间的内在联系。由于东南极沿岸冰架的温度非常低,长期以来人们认为其对气候变化的响应较西南极和南极半岛地区慢,甚至有观点认为现阶段东南极冰盖的变化是末次盛冰期气候变化的延续;然而,最新观测资料表明,东南极海岸区域对全球气候变化响应速度较快[9]。1981年至2007年间观测表明,南极地区冰盖的温度变化趋势说明其对全球气候变化响应最快的便是沿海地区的冰架变化。这些冰架及入海冰川是南极大陆周边海域沉积物中陆源物质的主要携带介质,它们在运动过程中将其内部、上部和下部的沉积物带入南大洋,直接影响了南极大陆周边海域沉积物的组成。因此,对东南极陆架沉积物的研究可以用来反演东南极冰盖-冰架演化历史,并进行与此相关的一系列物源、水动力、生物群落变化等方面的研究。Harries等[10]将普里兹湾表层沉积物划分为五种类型,提出影响普里兹湾海域沉积作用的主要因素有埃默里冰架及其相邻冰川的扩张与收缩、冰川扰动的最大水深、环流类型和海冰分布。Diekmann[11]强调了海水温度梯度、风场类型和海洋温盐环流等对沉积过程的影响。Borchers等[12]通过研究粘土矿物和重矿物,初步探讨了研究区沉积物物源及其搬运过程。但是,现阶段对研究区表层沉积物的研究却很少,这是因为这些沉积物携带的沉积环境信息复杂,且这些环境因素具有模糊不清、定性不定量的特点[11]。本文利用中国第24次和29次南极科考采集的表层沉积物样品,分析了普里兹湾陆架表层沉积物类型及粒度参数特征,在前人研究基础上探讨了影响研究区沉积作用的主要因素及其空间分布特征。

1 区域背景

普里兹湾范围为 67°45′S—69°30′S,70°E—80°E,位于兰伯特冰川/埃默里冰架系统的末端[13-14]。海湾呈喇叭状,湾外为科奥珀雷申海,东北部为凯尔盖朗海岭。普里兹湾陆架由北向南水深逐渐加深。陆架东、西两侧分别为四夫人浅滩和弗拉姆浅滩,其最浅处水深均小于200m;两浅滩之间是普里兹水道,呈东南—西北走向,其水深大于500 m,是湾内外物质交换的主要通道。普里兹水道南端与埃默里海盆相连,而埃默里海盆西端和南端又分别是兰伯特深槽和Svenner水道,它们是普里兹湾内水深最大的区域,最深处达1100 m以上(图1)。

图1 普里兹陆架区表层沉积物站位图.绿色实线为沿岸流运动路径;深蓝色虚线为水深50—500 m湾内海流运动路径;五角星代表Hodgkinson等[17-19]近海底(高于海底10 m)流速测量站位Fig.1.Sites of surface sediments on the shelf of the Prydz Bay.Green line denotes the coastal current;dark blue dashed line denotes circulation atdepth of50—500m;red stars denotes the stations atwhich the near-bottom(10m above sea floor)current velocitiesweremeasured by Hodgkinson et al.[17-19]

研究区海冰以季节性海冰为主,其存在大的季节和年际变化[15]。在冬季,普里兹湾海域全部被海冰封住,冰厚可达2 m,浮冰向北延伸,甚至可以到达60°S附近地区;在夏季,海冰部分消融,但浮冰的覆盖率仍然很高。研究区内存在三个大的冰间湖,分别是埃默里冰架前缘的冰间湖、达恩利角西侧的达恩利角冰间湖和位于海湾西侧的普里兹湾冰间湖。

研究区海流特征表现为顺时针方向运动的普里兹环流,其影响范围遍及整个海湾:中心位于海湾西北部的普里兹水道,向北汇入南极辐散带[16];向南该环流沿海岸自东向西流动,并在达恩利角流出海湾[16](图1)。在近岸地区,夏季表层水(＜50 m)运动无明显规律[16]。在水深50—500 m,观测到自陆架坡折中段和东部流入湾内的海流。该海流向南流动,在海湾东南部遇阻分流:一部分向东运动,在四夫人浅滩处形成小型逆时针环流;另一部分则继续沿着海岸向西运动,最终绕过弗拉姆浅滩流出海湾。该海流在弗拉姆浅滩流出海湾时流速达到1 m·s-1,在冰架前缘海流平均速度为0.03 m·s-1,在普里兹湾中部观测到的数据显示,海流流速很少超过0.1 m·s-1[16]。Hodkinson等[17-19]在该海湾地区进行了近海底(距海床10 m)流速的观测,在站位CM87/2处,近海底平均海流流速为5 cm·s-1;在CM86/1站位,近海底平均海流流速为14 cm·s-1。

2 样品及处理

沉积物样品来自中国第24次(2008年11月—2009年4月)和第29次南极科学考察(2012年11月—2013年4月)在普里兹湾获得的表层沉积物样品。其中,第24次南极科学考察采集的样品包括P3-14、P3-15、P4-11、P4-12、P4-13、IS-02、IS-05、IS-09、IS-11、 N08-2、N08-3、N08-4,其余为第29 次南极考察样品。样品粒度分析采用筛析法和激光粒度分析法相结合的方法。首先在样品中加入浓度为15%的过氧化氢(H2O2)以除去样品中的有机质,其次加入浓度为1%的焦磷酸钠溶液使样品充分分散,使其混合均匀,并放置12 h。之后,加入浓度为0.25 mol·L-1的HCl以除去样品中的CaCO3,接着加入浓度为1 mol·L-1的 Na2CO3在80°C的水浴锅内连续加入4 h除去蛋白石。再使用蒸馏水洗盐,烘干。最后将样品中＞2 mm部分筛出、称重,并计算其百分含量。对＜2 mm沉积物粒度分析采用Malvern公司的Mastersizer 2000激光粒度分析仪进行分析,仪器测量范围是0.02—2 000μm,分辨率为0.01Φ,重复测量范围相对误差＜3%。砾石、砂、粉砂和粘土含量重新计算,并将其归一化。

粒级统一使用Udden-Wentworth等比值Φ粒级标准表示,使用矩阵法计算沉积物粒度参数:平均粒径(μ)、分选系数(δ)、偏态(Sk)和峰态(Ku),所有实验在国家海洋局第一海洋研究所沉积与环境海洋局重点实验室进行。

本文采用Fork(福克)沉积物命名方案进行命名,此方案可以很好地反应陆架浅海区沉积物的水动力环境及其成因。在依据Udden-Wentworth粒度划分标准进行粒级划分和沉积组分比值的基础上对沉积物进行命名。其中,对于含砾石的沉积物,将粉砂和粘土百分含量之和作为泥的百分含量,应用福克含砾沉积物的三角分类命名;对于不含砾石的沉积物,使用无砾石福克三角形分类命名。

3 结果

普里兹湾陆架表层沉积物可划分为:砾(G)、泥质砂质砾(msG)、砾质泥(gM)、砾质泥质砂(gmS)、含砾泥((g)M)、含砾泥质砂((g)mS)、砂(S)、砂质粉砂(sZ)和粉砂(Z)九种类型(图2)。

图2 普里兹湾陆架表层沉积物的福克三角分类图.(a)含砾;(b)无砾Fig.2.Folk’s triangle diagram classification of the surface sediments on Prydz Bay shelf.(a)Gravel;(b)No-gravel

研究区表层沉积物中普遍含砾石,N08-3站砾石含量接近100%。依据沉积物类型可以将研究区分为东西两部分:在东部的埃默里海盆、普里兹水道、Svenner水道和四夫人浅滩区,沉积物以含砾泥为主,仅在埃默里海盆中部几处站位和普里兹水道南部表层沉积物以粉砂为主。在研究区北部(埃默里海盆和普里兹水道),沉积物粒径相对较小,为粉砂和含砾泥(图3)。在研究区西部的弗拉姆浅滩沉积物以含砾泥质砂为主,而埃默里冰架前缘沉积物类型多样,包括泥质砂质砾、含砾泥质砂和粉砂。

图3 普里兹湾表层沉积物类型图.灰色虚线为研究区沉积物类型分界线Fig.3.Distribution patterns of surface sediments in Prydz Bay.White dashed line denotes boundary of different sediments

图4为普里兹湾各区域不同站位沉积物粒度频率曲线图。在四夫人浅滩,沉积物中砾石含量范围为0—2.45%,平均含量为1.00%,砂含量范围为12.19%—44.57%,平均含量为31.83%。沉积物粒度频率曲线(图4b)以含有三个波峰为特征,但各站位沉积物粒度频率曲线峰值所在位置不同:如P7-14和N08-4站的峰值出现在粗砂和粉砂区间,而PA-05和P6-08站最高峰值出现在粉砂区。在Svenner水道,沉积物粒度频率曲线均含有三个波峰,峰值最高处位于砂区,其次为粗粘土,而在粗砂处仅有一个很低的波峰;沉积物中砾石含量范围0—0.82%,平均0.36%,＞63μm沉积物含量范围为11.68%—30.98%,平均含量为20.00%。在普里兹水道,沉积物中砾石含量范围为0—1.21%,平均值为0.26%,砂含量范围为10.50%—35.31%,平均含量为17.96%;沉积物粒度频率曲线(图4c)均含有三个峰值,分别位于粗砂、粗粉砂和粗粘土处,其中粗粉砂部分频率值最高,其后依次为粗砂和粘土。在埃默里海盆,沉积物中砾石含量范围0—2.77%,平均0.92%,＞63μm沉积物含量范围4.60%—31.79%;沉积物粒度频率曲线(图4d)以含三个波峰为特点,最高峰位于粗粉砂区。

在弗拉姆浅滩,沉积物中砾石含量范围为0—0.47%,平均值为0.18%;砂含量范围为46.69%—76.47%,平均值为66.90%。沉积物粒度频率曲线(图4a)以单峰为特征,峰值位于中砂至细砂区。在PA-01站,沉积物粒度频率曲线的两个峰值分别位于中砂和粗粉砂。此外,各站位沉积物在粗、细粘土分界线处均有一低峰值。在埃默里冰架前缘,沉积物中砾石含量介于2.90%—47.01%之间,平均含量20.64%,砂含量范围为14.59%—83.08%,平均含量为58.65%。沉积物粒度频率曲线(图4e)为单峰,峰值最高处位于粗砂区(IS-09除外),说明该区域内沉积物粒径较粗。而在IS-02站位,沉积物粒度频率曲线在粗砂和细砂区分别含一个高峰值。

沉积物粒度参数(表1)显示研究区沉积物分选系数均大于1,分选性为差到较差。平均粒径主要集中在砂和粉砂区:其中弗拉姆浅滩和埃默里冰架前缘沉积物平均粒径位于细砂区;普里兹水道、四夫人浅滩、Svenner水道和埃默里海盆区沉积物位于粗粉砂区。偏态值表现为极正偏和极负偏,除四夫人浅滩及附近站位偏负值(0.37)外,其余区域沉积物粒径偏态均极正偏,指示四夫人浅滩区内沉积物整体偏向于细粒径。整个区域内沉积物粒度峰态值显示出一致性,数值均大于2.0,波峰窄到非常窄,研究区域内沉积物高峰值与低峰值之间含量差别较大。

图4 普里兹湾表层沉积物粒度频率图.(a)弗拉姆浅滩;(b)四夫人浅滩;(c)普里兹水道;(d)埃默里海盆;(e)埃默里冰架前缘;(f)Svenner水道Fig.4.The grain size distribution curves of surface sediments in Prydz Bay.(a)Fram Bank;(b)Four Ladies Bank;(c)Prydz Channel;(d)Amery Basin;(e)Front of Amery Ice Shelf;(f)Svenner Channel

4 讨论

南极大陆因气候极端、缺少河流,沿海沉积物主要是由冰川和冰架搬运,将其上部、内部和底部的碎屑物搬运至海边。冰架/入海冰川与海水的相互作用使得冰架/入海冰川融化、坍塌,形成冰山。这些冰山携带碎屑物质随海流运动,在此过程中逐渐融化,将碎屑物质释放并沉积下来。前人在研究中将粒径大于4Φ(63μm)的沉积物作为冰筏碎屑[20]。从前面的分析来看,研究区表层沉积物中均有砾石,分选为差到很差,说明该研究区沉积物为典型的冰海沉积物;调查测得研究区域中部的海流流速为0.1 m·s-1[16],说明海流无法携带砂粒级沉积物。此外,Gross和 Williams[20]、McCave和 Hall等人[21]研究表明,在水流流速＜13 cm·s-1时,沉积物组成中粘土和细粉砂含量明显较高,当水流流速范围为13—20 cm·s-1时,沉积物组成中可分选粉砂(10—63μm)含量明显增加。因此,在普里兹湾,沉积物中的砂只能被冰山携带并随海流漂流,然后随着冰山的融化而逐渐沉积下来;而研究区海流对沉积的影响则是使沉积物中的粘土和细粉砂含量发生改变。依据沉积物粒度特征,可将研究区划分为两个区域:东部含砾泥沉积区和西部含砾砂质沉积区。

表1 普里兹湾表层沉积物粒度参数Table 1.Grain size parameters of surface sediments in Prydz Bay

4.1 东部含砾泥质沉积区

该区包括四夫人浅滩、Svenner水道、普里兹水道和埃默里海盆,沉积物中普遍含砾石,分选差,主要为含砾泥和粉砂,沉积作用主要受海流影响,冰山和浮冰的影响相对较小。

四夫人浅滩区沉积物粒度曲线显示该区沉积物粒径偏细,粗粉砂含量较高。在水深较浅的P6-08和PA-05站,沉积物粒度频率曲线波峰位于粉砂区间,峰态值较大,沉积物分选相对较好,这是因为该处海流流速较快,且受到逆时针水流[18]的影响,细颗粒组分聚集。而在N08-4和P7-14处,水深较大,海流流速减缓,冰山随水流移动速度减缓,其融化后砂和粉砂可以沉积下来,所以其沉积物粒度频率曲线具有两个波峰,分别位于砂和粉砂区。与此相对应,Harris等[10]在该地区海底发现了冰山的刨蚀痕迹,而冰山对海底的刨蚀增加了其在该地区的停留时间,使冰山得以融化,携带的碎屑物质得以沉积下来。浅滩北部和南部沉积物中粘土含量无明显区别,这是由于海流对粘土组分的影响相同导致。在Svenner水道,各站位(N08-3除外)沉积物类型相同,其粒度频率曲线的高波峰出现在粗粉砂到细粉砂区,较低的波峰位于细粘土区。尽管卫星观测表明,该水道区海面上冰山较多,但较大的水深使冰山不可能着底,从而冰山的停留时间短,融化少,故沉积物中不含砾石,且砂含量少甚至为零。与埃默里冰架前缘区和四夫人浅滩区沉积物相比,Svenner水道区沉积物砂含量较低,分选稍好,波峰稍宽,说明海流作用在此处较前两处影响更加明显,冰山的作用相对较小。在N08-3站位处,沉积物几乎为砾石,可能由于此处邻近基岩海岸,近源粗碎屑沉积物相对发育。

在研究区北部的普里兹水道区,沉积物主要是含砾泥,其南部的埃默里海盆区沉积物为粉砂和含砾泥,这两个区域的沉积物粒径相对于研究区内其它地区的沉积物偏细,沉积物粒度频率曲线的波峰位于粉砂区,峰态很窄,沉积物分选相对较好。Hodgkins等人[17-19]在埃默里海盆地区(图1)测得的近海底流速＜10 cm·s-1,随着普里兹湾环流中心流速的降低,从周边陆架搬运而来的粘土和粉砂得以在埃默里海盆和普里兹水道区沉积下来。除此之外,因研究区靠近南极大陆,强烈的下行风也可以影响冰山和浮冰顺风由南向北运动,部分被普里兹湾环流捕获,故沉积物中也含有少量的砾石。

4.2 西部含砾砂质沉积区

该区包括埃默里冰架前缘和弗拉姆浅滩。在埃默里冰架前缘区,除IS-09站沉积物波峰位于6Φ外,其余各站沉积物粒度频率曲线的波峰均位于1Φ左右。沉积物中砂含量占绝对优势,沉积物分选较差,沉积物粒径偏粗,峰态非常窄。由于埃默里冰架前缘海流平均实测流速为0.03 m·s-1[16],有利于粘土和粉砂沉积,故该区沉积物中粘土和粉砂含量的偏低与海流的簸选无关,总体反映了沉积物的冰筏碎屑成因。由于埃默里冰架是普里兹湾地区冰山的主要源区,大量冰山在埃默里冰架前缘聚集;随着冰架的解体和冰山的融化,其所携带的无分选的、颗粒较粗的陆源碎屑物质在冰架前缘沉积下来。在埃默里冰架东南侧的IS-02站,沉积物粒度频率曲线在粗砂和细砂区间有两个大致等高的波峰,这是由于IS-02位于冰架前缘和Svenner水道的过渡区,向南运动的海流对沉积物有明显的簸选作用。IS-09站位于埃默里冰架北侧的冰间湖内。冰间湖是海冰的重要生产区,在海冰形成的同时,析出大量的盐分,使海水盐度增加,形成密度较大的高盐陆架水;该水团在下沉过程中,可能将部分粉砂和粘土带到海底并沉积下来,因而造成该站沉积物粉砂含量高,砂含量低。

弗拉姆浅滩区沉积物为含砾泥质砂,沉积物分选较差,粒度频率曲线的波峰(PA-01除外)位于粗砂区,峰态非常窄。Hodgkison等人[17-19]在普里兹水道前端陆坡处(图1,站位CM86/1)测得的近海底底流平均流速为14 cm·s-1,而在研究区西北部大约63°E附近陆坡区测得的近海底流流速最高达20 cm·s-1,故推断弗拉姆浅滩区底流流速大体位于两者之间。在该流速下,粘土和细粉砂可能被冲走,而粗粉砂则沉积下来。中国南极科考在该地区获得的海冰密集度数据表明,该地区海冰密集度较高,其延缓了冰山随洋流漂移的速度;同时,该地区水深较浅,大量的冰山在该浅滩区着底滞留,所以冰山与海水长时间相互作用使得冰山融化,较多的冰筏碎屑在海区沉积下来。这与Harris等人[22]在该地区海底观测到的冰山侵蚀地貌相一致。海流和冰山的共同作用使得该浅滩沉积物中粘土含量较低、砂含量较高、粉砂次之。

5 结论

普里兹湾陆架表层沉积物普遍含有砾石,沉积物分选差或很差,是典型的冰海沉积作用区。该陆架沉积物类型变化大,包含砾(G)、泥质砂质砾(msG)、砾质泥(gM)、砾质泥质砂(gmS)、含砾泥((g)M)、含砾泥质砂((g)mS)、砂(S)、砂质粉砂(sZ)和粉砂(Z)九种类型。依据沉积物粒度特征与地形变化,可将研究区划分为东部含砾泥质沉积区和西部含砾砂质沉积区。

在东部砾质泥质沉积区,沉积作用主要受海流影响,冰筏碎屑的影响有限。其中,四夫人浅滩和Svenner水道区沉积作用的主要受沿岸流影响,而普里兹水道和埃默里海盆区主要受普里兹环流影响。随着普里兹湾环流中心流速的降低,从周边陆架搬运而来的粘土和粉砂得以在埃默里海盆和普里兹水道区沉积下来,从而使该区沉积物粘土和细粉砂含量较高,粗粉砂和砂含量较低。

在西部含砾砂质沉积区,沉积作用主要受冰山、海流和埃默里冰架影响。在弗拉姆浅滩,海流经该地流出海湾,水深较浅,流速较大,粘土和细粉砂不易沉积,但粗粉砂含量增加;与此同时,冰山的富集使大量的冰筏碎屑在该浅滩区沉积下来,因此沉积物中砂含量较高。在埃默里冰架前缘地区,沉积作用受埃默里冰架的影响较为明显,沉积物中粘土含量较低,砂和砾石含量较高,但也有个别站位(IS-09站)可能受冰间湖的影响,沉积物粒度偏细。

致谢感谢中国第24次和第29次南极科学考察队,特别是后甲板工作组为样品的获取付出了艰辛的劳动,感谢中国极地研究中心极地沉积物样品库提供样品。

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