楚科奇海盆M04柱晚更新世以来沉积古环境记录

章伟艳，于晓果，刘焱光，金路，叶黎明，许冬，边叶萍，张德玉，姚旭莹，张富元

(1.国家海洋局海底科学重点实验室，浙江 杭州 310012；2.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；3.国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061)

楚科奇海盆M04柱晚更新世以来沉积古环境记录

章伟艳1，2，于晓果1，2，刘焱光3，金路1，2，叶黎明1，2，许冬1，2，边叶萍1，2，张德玉3，姚旭莹2，张富元1，2

(1.国家海洋局海底科学重点实验室，浙江 杭州 310012；2.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；3.国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061)

对“中国第五次北极科考”采自楚科奇海盆的M04柱进行粒度、冰筏碎屑、黏土矿物、岩心XRF扫描、沉积物颜色分析，初步建立了楚科奇海盆晚更新世MIS4期以来的沉积地层框架。MIS4期以来，楚科奇海盆M04柱沉积物粒度和黏土矿物组成具有明显的冰期/间冰期变化特征，冰期沉积物粒度分布以双峰态为主，由洋流搬运和海冰搬运沉积组分组成，伊利石含量高、高岭石含量低；间冰期沉积物具有三峰态粒度分布特征，由海冰搬运、洋流搬运和冰山搬运沉积组分组成，伊利石含量低、高岭石含量高。通过M04柱黏土矿物组合类型与北冰洋边缘海盆的表层沉积物黏土矿物组合类型对比表明，晚更新世以来楚科奇海盆沉积环境发生显著变化：温暖的间冰期受波弗特涡流驱动，波弗特海为研究区的物源输入提供了主要贡献；寒冷的冰期表层环流呈反向输运，细颗粒物源碎屑以东西伯利亚海的输入为主。

北极；楚科奇海盆；粒度；冰筏碎屑；黏土矿物；古环境

1 引言

近年来全球气候变化广受关注，海气温度上升引起海冰和冰川融化，进一步导致海平面上升[1—3]，北冰洋不仅对气候变化反应灵敏，而且具有全球放大效应，第四纪以来北冰洋大冰盖的多次形成和海平面波动，水团和环流系统发生巨大变化，强烈影响沉积环境，为了解气候变化所引起的潜在环境影响以及不同因素对气候系统的响应提供了有利的条件。北冰洋主要由表层水(小于250 m)、中层水(250～1 700 m)和深层水(大于1 700 m)3个不同深度的水层组成。表层水由低盐极地混层水及其以下50 m的盐跃层组成[4—6]。最主要的两个表层流是波弗特涡流和穿极漂流，前者主要控制美亚海盆，后者主要作用于欧亚海盆。波弗特涡流和穿极漂流的现代锋面紧邻罗蒙诺索夫海岭[7—8]，但它的位置在地质历史上是变化的，特别是受北极涛动指数的影响[9]。北大西洋暖流到达北冰洋后变冷下沉形成中层水，中层水和深层水逆时针环流通过北冰洋海盆[8]。楚科奇海盆地位于太平洋低盐水与波弗特涡流及穿极漂流等环流交汇作用的楚科奇台地与门捷列夫海岭之间[10](见图1)，它记录了晚第四纪以来洋流驱动所引起的欧亚大陆与北美大陆物源输入的变化特征，是研究晚第四纪以来沉积古环境变迁的理想海域。黏土矿物是沉积物黏土组分比较敏感的物质，特别是对物质来源、洋流及气候的变化等具有一定的示踪作用。目前北极地区古环境研究主要集中在北冰洋东侧，较少涉及北冰洋西侧。本文对“中国第五次北极科考”取得的西北冰洋楚科奇海盆M04柱的沉积物粒度、冰筏碎屑、黏土矿物组成进行分析，结合有关资料对其沉积物质来源和古环境变化进行探讨。

2 材料与方法

M04柱位于楚科奇海水深2 003 m的海盆(72°11.955′N，175°58.918′W)(图1)，柱长551 cm。沉积物以粉砂质黏土为主，表层棕黄色，半流动状，弱黏性。底部呈灰色，结构均一，强黏性，致密状。上部0～200 cm粒度按1 cm间隔取样；冰筏碎屑、黏土矿物按2 cm间隔采样；200～551 cm粒度、冰筏碎屑、黏土矿物按10 cm间隔取样。

图1 北冰洋表层环流与研究区柱样站位分布Fig.1 Distribution of the core in the study area and surface circulation in the Arctic Ocean大西洋暖流；冷的低盐极地流；低盐输送流；BG.波弗特涡流；TPD.穿极漂流[5-6]；M03柱数据引自文献[11]；南波弗特海数据来自文献[12]；东北冰洋数据来自文献[13]；东西伯利亚海数据来自文献[14]；楚科奇海陆架和楚科奇海陆坡数据据文献[15]数据按Biscaye[16]参数重新计算Warm Atlantic currents;cold less saline polar and Arctic currents;low salinity transformed currents; BG.Beaufort Gyre;TPD.Transpolar Drift[5-6]; Core M03 from reference [11]; Southern Beaufort Sea data from reference[12]；East Arctic Ocean data from reference [13]；East Siberian Sea data from reference [14]；Chukchi Sea shelf and Chukchi Sea slope data from reference[15] recalculated with Biscaye’s method [16]

1)国家海洋局.极地地质与地球物理考察技术规程(第1部分：海洋考察)，2014.

2.1 粒度与冰筏碎屑(IRD)分析方法

粒度由国家海洋局第一海洋研究所测试完成，分别去除有机质、钙质生物组分、硅质生物组分后应用英国马尔文2000型激光粒度分析仪进行粒度分析，参数计算方法依据《极地地质与地球物理考察技术规程(第1部分：海洋考察)》1)规定的矩法计算样品的平均粒径(Mz)和分选系数(δi)。

冰筏碎屑分析由国家海洋局海底科学重点实验室完成。分析方法是使用万分之一电子天平称取5～15 g干样，采用筛析法分别提取63～125 μm、125～250 μm、大于250 μm的颗粒样品，然后烘干称重，计算各级组分颗粒样品的质量分数。

2.2 岩心扫描分析方法

将柱样沿中轴线切割，保证切面平整，由国家海洋局海底科学重点实验室利用X射线荧光岩心扫描仪(XRF)分析沉积物中的元素相对含量，分析方法参考Löwemark等[17]，仪器型号为Itrax，Mo管，曝光时间5 s，扫描步长2 mm，X射线宽度4 mm，即扫描结果为2 mm×4 mm面积内元素的平均含量，含量以计数强度cps表示，重复分析偏差小于3%。

柱状样剖开并清理表面后，由国家海洋局第一海洋研究所利用Minolta CM22002 分光测色计以1 cm分辨率测量沉积物的光谱特征，获得颜色参数分别为L*，a*，b*。

2.3 矿物分析方法

黏土矿物分析应用沉降法提取小于2 μm沉积物组分，用10%H2O2去除有机质、1 mol/L HCl去除CaCO3。对处理后小于2 μm的黏土样品采用“涂抹法”制成定向片。将该定向片分别进行自然风干、乙二醇蒸气饱和、加热300°C和550°C等处理。分析所用仪器为荷兰X’Pert PRO X 射线衍射仪，采用Cu靶辐射，管电压为45 kV，管电流为40 mA，扫描范围为(3°～35°)/(2θ)，扫描速度为1.8°/min，每个样品均在上述同一条件由国家海洋局海底科学重点实验室测试完成。黏土矿物半定量分析用Biscaye参数方法[16]，主要是依据其(001)晶面峰的积分强度(峰面积)，选用乙二醇饱和片图谱上蒙皂石(17Å)、伊利石(10Å)、绿泥石(7Å)+高岭石(7Å)4种矿物的3个特征衍射峰的峰面积作为基础数据进行计算；权因子确定为蒙皂石重量因子为1，伊利石重量因子为4，绿泥石+高岭石重量因子为2，高岭石与绿泥石的含量比例以绿泥石(004)晶面的3.54 Å和高岭石(002)晶面的3.58 Å衍射峰高比值求得，衍射数据和图件整理均由MDI Jade软件进行处理。

碎屑矿物使用玛瑙研钵磨至粒径小于10 μm，由国家海洋局海底科学重点实验室采用荷兰X’Pert PRO X射线衍射仪分析，扫描步长0.0167°2θ，扫描范围(5°～80°)/(2θ)，应用Rietveld全谱拟合定量分析方法进行矿物组成定量分析。

3 结果

3.1 粒度与冰筏碎屑(IRD)组成

粒度是沉积物颗粒大小及其组成情况的反映，粒径大小指示了总体沉积环境变化，粒度参数代表了在总体沉积环境下搬运动力与能量的差异，利用粒度参数可以区分不同的沉积动力环境。M04柱沉积物粒度组成见图2。砂(S)含量为0～15.49%，平均含量为1.13%；粉砂(T)变化范围29.11%～67.40%，平均含量50.22%；黏土(Y)含量28.27%～70.89%，平均48.65%。平均粒径(Mz)6.59～8.71Φ，均值8.01Φ。分选系数(σi)1.17～2.51Φ，均值1.51Φ，分选差。粒度组成分成两种类型：第一类如14～15 cm、38～39 cm、250～251 cm粒度分布，基本以双峰态为主，主峰在4.3 μm，次峰在0.9 μm；第二类如3～4 cm、166～167 cm粒度分布，沉积物具有三峰态组成特征，主峰在4.3 μm，次峰在0.9 μm，还有第三个小峰在460 μm左右，明显不同于第一类的个体组成和水动力搬动条件。Clark和Hanson[18]对北冰洋中部沉积物粒度分析认为，海冰搬运沉积以2～8 μm的黏土和极细粉砂为主，因此4.3 μm主峰应主要为海冰搬运沉积。次峰0.9 μm的组分主要为小于2 μm的黏土组分，推测主要为洋流搬运结果。至于460 μm小峰应是冰山作用引起的冰筏碎屑沉积。沉积物粒级组成、粒度参数随柱样深度的变化具有明显的差异性，呈现旋回变化，显示出地质历史时期该地区沉积环境的显著变化。

冰川所携带的碎屑物质搬运到海洋后形成的沉积物称为冰筏沉积。目前冰筏碎屑的确定尚没有一个统一的标准。大于63 μm的陆源碎屑都可定义为IRD，而大于200 μm或250 μm的碎屑定义为冰漂砾[19]。本文对M04柱分别开展大于63 μm、125 μm、250 μm 3种粒级的冰筏碎屑分析(见图2)，各粒级冰筏碎屑组分平均含量分别为1.44%、0.78%、0.39%。大于63 μm、125 μm的冰筏碎屑组分变化完全一致，大于250 μm的冰筏碎屑组分在0～200 cm的变化与大于63 μm、125 μm的IRD组分完全一致，但200 cm以下稍有不同。海冰的主要贡献是细砂级以下的IRD(小于250 μm)，大冰块或者冰山的主要贡献是粗的IRD(大于250 μm)[20—21]。M04柱大于250 μm的IRD变化范围为0～14.46%，在0～36 cm、164～240 cm有5次大的冰块或冰山作用引起的冰筏碎屑事件，冰筏碎屑主要由透明矿物和暗色矿物组成，矿物颗粒棱角分明(图2)。除了大冰块或冰山引起的冰筏碎屑事件外，在225～235 cm、325～335 cm还有2次海冰搬运的冰筏碎屑事件。

图2 M04柱沉积物粒度组成及粒级参数、X射线荧光岩心扫描仪的元素扫描及颜色反射率垂直分布图Fig.2 Components of particle size，grain size parameters，typical grain size frequency and ice-rafted debris，element content measured by Itrax XRF scanning and color reflectance in core M04 sediments

3.2 颜色反射率与X射线荧光岩心扫描结果

沉积物的颜色通常采用的是L*，a*，b*色空间对颜色进行标定，其中a*为红色指数，它的值越高代表沉积物颜色越红[22]，沉积时气温越高，铁质沉积物的氧化程度也越高。X射线荧光(XRF)岩心扫描分析可以同时扫描得出多种元素的含量。M04柱的XRF元素及颜色反射率值呈现旋回性变化(图2)，Mn元素与颜色反射率a*和b*具有良好的同步变化特征，其中0～60 cm、155～324 cm Mn含量，a*和b*值高，60～155 cm、324～551 cm刚好相反，指示沉积环境发生了明显变化。

3.3 黏土矿物组成与结晶学参数

海洋中的黏土矿物是沉积物的重要组分，不仅能用其识别沉积物的来源，而且还可以了解沉积物的扩散途径。M04柱小于2 μm黏土组分的X射线衍射曲线见图3，根据(001)衍射峰的特征进行黏土矿物鉴定。10Å、5Å和3.3Å处出现的3个衍射峰，乙二醇蒸气处理36 h未发生变化，加热300℃ 2 h和550℃ 2 h后，位置未见明显改变，说明样品中有伊利石。14Å处的衍射峰乙二醇处理后强度减小，同时17Å附近出现一个衍射峰，加热300℃后该峰消失，14Å处的衍射峰面积减小，加热550℃后该峰消失，而10Å峰强度增强，反映蒙皂石的存在，并且可能有部分分解。14Å、7Å、4.72Å和3.54Å处出现4个衍射峰，乙二醇处理后14Å峰更加清晰，其余各峰未变化，550℃加热后其余各峰减弱或消失，但14Å峰仍清晰，说明有绿泥石，并可能有部分绿泥石分解。高岭石鉴定是依据7Å 和3.58Å两衍射峰。其中7Å峰与绿泥石的(002)峰重叠，但3.58Å峰能够与绿泥石的3.54Å峰区分开，加热550℃后上述两峰消失，确定样品中有高岭石。除黏土矿物的衍射峰外，各样品中常见有4.26Å及3.24Å和3.19Å 3个较弱但却清晰的衍射峰，说明黏土组分中普遍存在石英(Q)和斜长石(PL)。鉴定表明M04柱黏土矿物是伊利石(I)、蒙皂石(S)、高岭石(K)和绿泥石(Ch)，与文献报导基本一致[15]。

黏土矿物的伊利石含量占绝对优势，平均65%、其次是绿泥石(21%)、高岭石(11%)，蒙皂石含量极低(3%)。黏土矿物中的伊利石与高岭石呈现互补式交替变化(见图4)。0～36 cm、164～235 cm伊利石含量低、高岭石含量高，36～164 cm、235～551 cm伊利石含量增高、高岭石含量降低。结晶度(ICR)用来表征黏土矿物的有序度和晶体颗粒的大小，利用Kübler提出伊利石10Å衍射峰的半高宽反映伊利石的结晶度(ICR)。M04柱伊利石结晶度变化范围0.29°～0.49°△2θ，平均为0.35△2θ，指示其主要形成于干冷气候条件环境。伊利石化学指数(ICHI)通过5Å/10Å峰面积比获得。M04柱伊利石化学指数变化范围为0.23～0.50，平均0.39，主要为富Mg-Fe伊利石，形成于比较强烈的物理风化气候环境。

图3 典型样品黏土矿物图谱Fig.3 Typical XRD pattern of clay minerals in core M04 I.伊利石，S.蒙皂石，K.高岭石，Ch.绿泥石，Q.石英，PL.斜长石I. Illite，S. Smectite，K. Kaolinite，Ch. Chlorite，Q. Quartz，PL. Plagioclase

图4 M04柱黏土矿物组成特征Fig.4 Distribution of clay minerals in core M04 sedimentsI. 伊利石，Ch. 绿泥石，K. 高岭石，S. 蒙皂石，ICHI. 伊利石化学指数，ICR. 伊利石结晶度I. Illite，Ch. Chlorite，K. Kaolinite，S. Smectite，ICHI. Illite chemical index，ICR. Illite crystallinity

4 讨论

4.1 地层框架

由于北冰洋的冰海环境使碳酸盐溶解作用较强，生物生产力低下，导致深海沉积物中能够用来测年的钙质生物壳体相对匮乏，给有孔虫氧碳同位素地层学和生物地层学的应用带来一定的困难[12，23]。冰筏碎屑是北冰洋沉积物中常见的组分，不受成岩作用的影响，它的含量高低用来指示陆源冰筏的多少，与气候的冷暖有很好的对应关系，常作为北冰洋沉积物地层划分的依据，成为北冰洋地层对比的重要指标[10，20，24]。近年来逐渐采用测年法与冰筏碎屑事件、沉积物颜色旋回等相结合建立地层框架[25]。通常沉积物中的IRD应该在冷期含量较高，但北冰洋楚科奇海盆晚第四纪的冰筏碎屑事件出现在间冰期和冰消期[25]。

M04柱上部0～36 cm有3次IRD(大于250 μm)事件，分别是2～4 cm、16～18 cm、26～28 cm 3个层位，IRD含量分别为8.70%、5.27%、2.57%。向下36～164 cm沉积物中缺失IRD，166～200 cm中再次出现IRD事件。该柱的IRD旋回变化与其北部紧邻的M03柱(76°32′13″N，171O55′52″W，水深2 300 m)的IRD事件频次极为相似。王汝建等[25]对楚科奇海M03柱的冰筏碎屑分析表明，IRD大于154 μm与IRD大于250 μm组分变化一致。Wang等[11]根据N. pachyderma(S)和腐植酸馏份测年资料结合冰筏碎屑事件、沉积物颜色旋回及Mn含量变化特征将M03柱347 cm长的岩心划分为Marine Isotope Stage(MIS)4(？)～MIS 1的时间序列：MIS1(0～8 cm)、MIS2(8～18 cm)、MIS3(18～330 cm)、MIS4 (？)(330～347 cm)。从图5看出：M04柱的0～6 cm与M03柱的0～8 cm的IRD变化特征相似，均有一个IRD事件，沉积物具有三峰态，为MIS1期沉积。M04柱6～16 cm层位IRD含量较低或缺失，与M03柱的8～18 cm的IRD分布特征一致，将M04柱的6～16 cm归为MIS2期，该层沉积物粒度基本上以双峰态为主，缺少冰筏组份特征。M04柱的16～325 cm层位的IRD与M03柱18～330 cm层位中的IRD事件频数一致，将M04柱的16～325 cm归于MIS3期沉积。图5看出，MIS3期楚科奇海盆沉积环境发生较大变化，有两次气候变暖引起的冰筏碎屑事件，即16～36 cm、164～235 cm两个层位的冰筏碎屑事件，应是末次间冰期的MIS3.1和MIS3.3产物。M04柱169～170 cm有孔虫壳体的AMS14C测年大于43.5 ka，MIS3.3期的年代为53 ka[26]，表明164～235 cm归于MIS3.3期是合理的。325 cm以下由于缺少明显的变化特征，均归为MIS4(？)期沉积。

北冰洋西部沉积物棕褐色层(B层)通常被认为是间冰期/间冰段沉积[27—30]，B1单元对应于MIS1，B2单元对应着MIS3[30—31]。M04柱颜色反射率a*值看出(见图5)，表层的0～6 cm、164～235 cm的a*值较高，与其北部紧邻的M03柱的B1、B2层相对应，可以归为MIS1、MIS3。Polyak和Jakobsson[32]总结认为，北冰洋冰期沉积物是典型的橄榄灰到微黄色，具有高的L*和低的a*，并且缺少生物组分物质，M04柱325～551 cm恰有此特征，应为冰期沉积，因此可以归为MIS4。本柱的a*值与IRD分布具有良好的同步性，指示了楚科奇海盆在冰期和间冰期沉积环境的氧化还原条件变化。

图5 北极楚科奇海盆M04柱综合地层剖面(M03柱数据引自文献[11])Fig.5 Integrated stratigraphic section of core M04 in the Chukchi Sea Basin (data of core M03 from reference[11])

元素含量作为沉积地球化学的指标用来记录沉积环境的变化。Löwemark等将XRF扫描结果获得的Mn含量成功地应用到北冰洋海域地层分析中[17]。M04柱岩心XRF扫描的Mn含量与a*值变化相关性非常好(图5)，与北部紧邻的M03柱MnO含量变化特征一致，表现为暖期Mn含量和a*值高，冷期时低的特征。这是由于间冰期高海平面时氧化作用强，底层富氧水致使更多的Mn沉积，形成Mn含量高的深褐色[17]。Mn含量的周期性变化能够佐证M04柱的地层划分。此外，Ca元素与IRD大于250 μm呈同步变化，与其北部紧邻的M03柱浮游有孔虫丰度(Foram Abundance)和IRD大于154 μm对应(图5)，镜下观察M04柱表层10 cm沉积物中大于125 μm粒级碎屑中的生物壳体比较丰富，推断M04柱的Ca元素含量可能部分反映了海洋自生沉积作用。北冰洋的Ca元素含量主要受两种物源输入影响：一是海洋生物成因的钙质生物来源，二是受周边陆源输入。为进一步了解Ca元素的陆源碎屑输入特征，本次挑选0～2 cm、10～12 cm、20～22 cm、30～32 cm、40～42 cm、70～72 cm、126～126 cm、188～190 cm、240～241 cm、310～321 cm、400～411 cm、500～511 cm共12层位沉积物进行XRD分析，因研究区粗颗粒组分样品(大于63 μm)含量较少，因此只能挑选2～63 μm粒级沉积物进行分析，结果见图5、图6。0～200 cm均有白云石(Dolomite)(即2θ在30.9°、41.1°、51.1°出现峰值)，含量0.3%～9.7%，200 cm以下白云石含量较少或未见(2θ在30.9°、41.1°、51.1°未见峰值或仅有小峰)。从0～200 cm的白云石含量与IRD事件对比看出，白云石含量较高层位基本对应着IRD事件层位。已有研究表明：波弗特环流控制下的美亚海盆以碳酸盐岩碎屑沉积为特征，特别是其中的白云石，来源单一，主要来自于加拿大北极群岛的碳酸盐露头，是指示陆源物质源区及其变化的主要标志[33—34]。北冰洋西部的IRD沉积主要来自于北美冰盖，包括冰消期的几次IRD事件[17]。从M04柱白云石高含量出现的层位看，基本上在MIS3期以前的间冰期，这可能是由于北极气候变暖，引起劳伦冰盖融化，崩解的冰山会携带有来自于加拿大北极群岛的陆源物质经波弗特涡流搬入西北冰洋。综上分析表明，Ca元素含量主要反映了气候变暖条件下海洋自生生物增加及冰盖裂解作用增强引起的陆源物质输入增加，可以用于研究区的地层划分。

图6 M04柱典型层位XRD分析图谱Fig.6 Typical XRD pattern of debris minerals in core M04 sediments

黏土矿物高岭石/伊利石(K/I)、高岭石/绿泥石(K/Ch)比值取决于气候和源区的变化，在较短的地质历史时期发生变化，可以反映其形成时的环境气候条件，已广泛应用于末次冰期及全新世以来古气候与环境变化研究[35—36]。M04柱的K/I、K/Ch比值具有明显的周期变化，与IRD事件具有同步变化特征，0～6 cm、16～36 cm、164～235 cm出现IRD事件层段的K/I、K/Ch比值高，反映高岭石黏土矿物输入增加；6～16 cm、36～164 cm、235～551 cm缺少IRD事件层段K/I、K/Ch比值低，指示高岭石黏土矿物来源减少。北冰洋海洋沉积物中高岭石潜在源区非常有限，楚科奇海盆周边只有北美阿拉斯加和加拿大北部海岸的一些中生代和新生代地层表现出较高的高岭石含量(大于25%)，东西伯利亚海高岭石含量较低(小于8%)[37—40]，研究区柱样高岭石含量增加反映了研究区古气候变化引起的北美冰盖的物源输入增加，表明该比值可以用于研究区地层的划分(见图5)。

总之，楚科奇海盆M04柱的地层框架通过IRD事件、柱样岩心颜色反射率及元素扫描数据、黏土矿物比值、有孔虫壳体的AMS14C测年等综合分析并结合北部紧邻的M03柱的地层框架对比获得。

4.2 黏土矿物组合变化及其古环境意义

黏土矿物是由母岩在特定古气候条件下风化蚀变形成，温暖气候与寒冷气候条件下所形成的黏土矿物组合不同，古气候变化直接影响沉积区海平面变化，导致沉积区水动力条件变化和地球化学环境变化；水动力是控制黏土矿物迁移沉积的重要因素，不同水动力条件下沉积的黏土矿物组合特征是不同的。极地和亚极地区域，寒冷的气候至少在晚第三纪和第四纪时期占优势，这期间物理风化作用占主导地位，M04柱的伊利石结晶度和伊利石化学指数反映研究区黏土矿物主要形成于干冷气候条件下的物理风化作用，化学成岩过程的改变是微不足道的，因此其黏土矿物是可以作为识别物质来源和陆源沉积物运输途径的一项有价值的指标。研究表明，楚科奇海的黏土矿物是西伯利亚和阿拉斯加的火山岩、变质岩以及一些含高岭石的沉积物和古土壤等，经河流搬运，在北太平洋的3股洋流及西伯利亚沿岸流的作用下沉积形成的；西北冰洋深水区黏土矿物以穿极漂流和波弗特涡流控制的海冰搬运为主，来源分别为欧亚陆架和加拿大北极群岛周缘海域[41]。本文在此基础上，搜集整理欧亚大陆东西伯利亚海沿岸和北美大陆的阿拉斯加与加拿大沿岸陆源黏土矿物组合特征，与研究区矿物组合特征进行综合判别分析M04柱地质历史时期物源输入变化特征。

M04柱MIS4(？)期黏土矿物表现为伊利石(66%)-绿泥石(22%)-高岭石(10%)-蒙皂石(2%)组合(见表1)，与东西伯利亚海沿岸的黏土矿物组合伊利石(69%)-绿泥石(20%)-高岭石(8%)-蒙皂石(4%)相似[14，42]，东西伯利亚海的黏土矿物数据是采用Biscaye[16]参数方法进行半定量计算，与本文的黏土矿物半定量计算方法相同，在蒙皂石-伊利石-高岭石三角图上二者分布范围基本重叠(见图7)。Viscosi-Shirley 等利用黏土矿物与元素化学分析相结合的方法对西伯利亚-北冰洋陆架表层沉积物研究表明，富Al、K和REE元素的西伯利亚陆地页岩风化物质由勒拿河(Lena River)、亚纳河(Yana River)、因迪吉尔卡河(Indigirka River)和科雷马河(Kolyma River)搬运至东西伯利亚海陆架区[43]。董林森等人对楚科奇海黏土矿物西部矿物组合分析认为，西伯利亚陆地物源在西伯利亚沿岸流的作用下搬运到楚科奇海[41]。因此，可以推断寒冷冰期西伯利亚海沿岸流作用较强，西伯利亚沿岸流将科雷马河和因迪吉尔卡河等搬运至东西伯利亚海的陆地岩石风化物质输送至楚科奇海盆[15]，从而黏土矿物表现为受到的东西伯利亚海物源输入影响。

MIS3期黏土矿物组合中绿泥石和蒙皂石含量变化较小，伊利石和高岭石含量波动较大。根据其变化特征，细分为4个亚期(见表1)：MIS3.4和MIS3.2亚冰期黏土矿物组合继承了MIS4冰期的黏土矿物组合特征，高岭石含量约10%，伊利石含量大于65%，在蒙皂石-伊利石-高岭石三角图上与东西伯利亚海的黏土矿物分布范围重叠；而MIS3.3和MIS3.1亚间冰期黏土矿物的伊利石含量略有下降，约63%，高岭石含量增加，约14%～18%，黏土矿物组合特征与楚科奇海陆坡表层黏土矿物伊利石(61%)-绿泥石(23%)-高岭石(14%)-蒙皂石(3%)组合特征相似，在蒙皂石-伊利石-高岭石三角图上位于波弗特海分布范围内，由于波弗特海的黏土矿物含量文献中并未注明黏土矿物半定量计算方法，且波弗特海黏土矿物分布比较零散，多个河流入海物质叠加以及明显的洋流搬运作用[37]导致其与研究区数据难以进行良好对比，但与使用Biscaye[16]的方法计算的波弗特海的主要入海河流马更些河的伊利石(66%)-绿泥石(15%)-高岭石(13%)-蒙皂石(6%)及马更些河三角洲的伊利石(64%)-绿泥石(19%)-高岭石(12%)-蒙皂石(5%)[37]黏土矿物组成非常相似，表明二者具有一定的亲缘性；也与利用Biscaye[16]方法计算的楚科奇海陆坡表层黏土矿物分布区重叠。波弗特海的高岭石含量高达22%[12]，主要为美洲大陆加拿大和阿拉斯加的古土壤中的高岭石风化产物[37—38]，白令海北部和楚科奇海中部黏土矿物主要来自北美育空河[37]。推断温暖的亚间冰期高海平面时期，经波弗特海沿岸流和波弗特涡流将源于美洲大陆古土壤风化物质搬运至楚科奇海盆；此外，经白令海而入的太平洋水团携带的北美洲育空河的入海物质可能也有一定影响[15，41—42，44—46]。因此，MIS3期的亚间冰期与亚冰期波弗特海及东西伯利亚海分别为楚科奇海盆陆源输入提供了贡献。

MIS2期存在部分沉积间断[11]，目前保存的沉积记录显示其矿物组合与MIS3.3、MIS3.1期组合类似，二者应有相同的物源供应，本期沉积记录不全，本文未做深入讨论。

MIS1期全新世黏土矿物组合为伊利石(59%)-绿泥石(24%)-高岭石(16%)-蒙皂石(2%)，与楚科奇海陆坡表层黏土矿物组合非常相似。从图7黏土矿物三角图上看出，楚科奇海陆坡表层黏土矿物与东北冰洋欧亚海盆黏土矿物分布区部分重叠，东北冰洋欧亚海盆区的黏土矿物数据是采用Biscaye方法进行半定量估算[13]，指示二者具有一定的亲缘性，由现代环流看出，穿极漂流及波弗特涡流将细颗粒物质从美亚海盆向欧亚海盆输送中或许起到了一定的作用。

图7 M04柱蒙皂石-伊利石-高岭石三角图(数据来源说明见图1)Fig.7 Triangle diagram of smectite-illite-kaolinite in core M04 sediments(data source seen Fig.1)

综上分析，自MIS4期以来，M04柱黏土矿物中的绿泥石含量变化不大，基本上在20%左右，伊利石含量由MIS4期的66%逐渐降低到MIS1期的59%，高岭石呈相反的变化，由MIS4期的10%逐渐升高到MIS1期的16%，蒙皂石含量呈现高低震荡变化(见表1)。MIS3.3、MIS3.1亚间冰期和MIS1期楚科奇海盆黏土矿物组合与楚科奇海陆坡表层沉积物黏土矿物组合相似，主要来自于加拿大马更些河的入海物质及太平洋水团携入的北美洲育空河入海物质；MIS4期、MIS3.4和MIS3.2亚冰期的黏土矿物组合与东西伯利亚海组合相似，主要来自于科雷马河和因迪吉尔卡河等河流搬运的西伯利亚页岩物质。MIS2期现存的黏土矿物继承了MIS3.1期的黏土矿物组合特征。黏土矿物组合特征不仅反映了物质来源特征，也间接指示了物质输运途径。自MIS4期至MIS1期，楚科奇海盆黏土矿物组合特征发生了根本性变化，指示晚更新世以来研究区的两个主要物源供应以及不同的沉积物扩散路径。白令海峡水深50 m，末次冰期时(22 000～19 000 a)海平面下降120 m，晚更新世冰期MIS2及MIS3和MIS4期的部分时段海平面也极低，白令海峡关闭[47—48]，太平洋水未能进入北冰洋，东西伯利亚沿岸流作用较强，楚科奇海盆表现为东西伯利亚物源输入特征；温暖的间冰期高海平面时，白令海峡打开，太平洋水流入北冰洋，波弗特涡流及太平洋水团控制了源区的物质搬运，楚科奇海盆表现为北美陆源输入特征。已有研究表明，波弗特涡流是全新世现象[33—34]，晚更新世冰期美亚海盆东部的表层环流可能是反方向的或者波弗特环流不存在，与本次黏土矿物组合物源分析结果一致。但需要指出的是，由于黏土颗粒较小，即使絮凝颗粒也是非常小的，以致于它们在水柱中长期停留，较弱的洋流也能将其进行长距离运输，因此研究区沉积物的黏土矿物组合也可能是多种来源混合的信号。

表1 北冰洋表层/柱状样沉积物黏土矿物组合特征

注：表中黏土矿物含量除南波弗特海的数据文献中未注明黏土矿物半定量计算方法，其他数据均是采用Biscaye[16]的方法计算。

5 结语

通过北冰洋楚科奇海盆M04柱的沉积学与矿物学综合分析，得出以下几点认识：

(1)综合M04柱冰筏碎屑、沉积物颜色旋回、Mn元素特征和黏土矿物比值分析，初步建立了北冰洋楚科奇海盆晚更世MIS4期以来的地层框架：MIS1期0～6 cm，MIS2期6～16 cm，MIS3期16～325 cm，MIS4(？)期325～551 cm；

(2)楚科奇海盆MIS4期以来沉积物粒度有两种类型：一类是冰期沉积物，粒度基本上以双峰态为主，由洋流搬运和海冰搬运沉积组分组成；另一类是间冰期沉积物，粒度具有三峰态组成特征，由海冰搬运、洋流搬运和冰山搬运沉积组分组成；

(3)楚科奇海盆MIS4期以来沉积物中的绿泥石含量变化不大，基本上在20%左右，伊利石含量由MIS4期的66%逐渐降低到MIS1期的59%，高岭石呈相反的变化，由MIS4期的10%逐渐升高到MIS1期的16%，蒙皂石含量呈现高低震荡变化；

(4)楚科奇海盆MIS4期以来黏土矿物组合特征显示研究区具有两个主要物源供应以及不同扩散路径：温暖的间冰期楚科奇海盆黏土矿物组合与楚科奇海陆坡表层沉积物黏土矿物组合相似，主要来自于加拿大马更些河的入海物质及太平洋水团携入的北美洲育空河入海物质，物源输入受现代表层环流模式控制；寒冷的冰期黏土矿物组合与东西伯利亚海组合相似，具有与现代不同的表层环流模式。

致谢：感谢“中国第五次北极科考”全体人员的辛勤劳动!对文章提出宝贵意见的两位审稿人表示感谢!感谢王汝建老师在论文成图方面给予的帮助!

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Paleoenvironmental record of core M04 in the Chukchi Sea Basin during Late Pleistocene

Zhang Weiyan1，2，Yu Xiaoguo1，2，Liu Yanguang3，Jin Lu1,2，Ye Liming1，2，Xu Dong1，2，Bian Yeping1，2，Zhang Deyu3，Yao Xuying2，Zhang Fuyuan1，2

(1.LaboratoryofsubmarineGeosciences，StateOceanicAdministration，Hangzhou310012，China;2.SecondInstituteofOceangraphy，StateOceanicAdministration，Hangzhou310012，China; 3.FirstInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Qingdao266061，China)

A gravity core M04 was taken from the Chukchi Sea Basin during the fifth Chinese National Arctic Research Expedition in 2012. All samples were analyzed for grain size，ice-raft detritus，clay mineral，XRF scanning and sediment color features. The stratigraphic framework of core M04 since Marine Isotope Stage 4 was established by synthesizing results of IRD，color cycles，clay proxies (kaolinite to illite and kaolinite to chlorite ratios)，AMS14C ages，as done previously for other cores. It is clearly distinguished between sediments deposited during glacial and interglacial with the grain size and clay mineral composition of sediments. During glacial，the grain size distribution is bimodal components of the sediment through the current transport and sea ice transport process，with high content of illite and low content of kaolinite. In contrast，during interglacial，the grain size distribution is trimodal components of the sediment through the current transport and sea ice and iceberg transport process，with content of illite reducsing and content of kaolinite increasing. Clay-mineral association in core M04 and the adjacent marginal continental shelf areas are compared to identify source areas and transport pathways of terrigenous material in the Chukchi Sea Basin during the Late Pleistocene. Based on the above study，it is indicated that sedimentary environment has been significantly changed from the late Pleistocene.During the interglacial stage，terrestrial sources input into the study area from the Beaufort Sea driven by Beaufort Gyre，but during the glacial stage，fine particulate terrigenous input from the East Siberian Sea driven by the opposite direction circulation．

Arctic; Chukchi Sea; grain size; ice-raft detritus; clay mineral; paleoenvironment

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.07.009

2014-08-18；

2015-04-15。

南北极环境综合考察与评估专项——2014年度北极海域海洋地质考察(CHINARE2014—03—02)；国家自然科学基金项目(41106050，41106048)。

章伟艳(1972—)，女,浙江省诸暨市人，研究员，主要从事海洋沉积学研究。E-mail：zwy885@163.com

P736.2

A

0253-4193(2015)07-0085-12

章伟艳，于晓果，刘焱光，等. 楚科奇海盆M04柱晚更新世以来沉积古环境记录[J]. 海洋学报，2015，37(7): 85-96，

Zhang Weiyan，Yu Xiaoguo，Liu Yanguang，et al. Paleoenvironmental record of core M04 in the Chukchi Sea Basin during Late Pleistocene[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(7): 85-96，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.07.009