近4 400 a南海北部陆架沉积物的东亚季风记录

田 旭, 徐方建, 徐 微, 刘喜玲

(1. 中国矿业大学 资源与地球科学学院, 江苏 徐州 221116； 2. 中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院,山东 青岛 266580； 3. 中海油研究总院新能源研究中心, 北京100028； 4. 中国海洋石油国际有限公司, 北京100027)

近海陆架沉积有效地记录了海陆变迁、海平面变化、河流入海和气候变化等地质与环境信息, 对全球环境变化十分敏感, 因此陆架沉积研究备受关注。近年来对渤海[1]、黄海[2]、东海陆架[3]、台湾海峡[4]等多处沉积体进行了研究, 在沉积物的区域分布[2]、物质来源[5-8]、沉积演化历史及其古气候、季风演化信息的提取[9-12]等方面取得了较大进展。

南海作为东亚大陆物质剥蚀的主要沉积区, 已经开展了大量的工作。深水区以其沉积连续、信号记录稳定的优势而备受海洋地质学者的关注[13-15],但其沉积速率较慢, 总体分辨率较低[16-18]。而浅水陆架区沉积速率快, 地层分辨率较高, 这为我们进行高分辨率的古环境研究提供了材料。但由于浅水陆架区沉积环境可能不稳定而导致信号记录不稳定,目前对南海陆架的研究较为滞后[19-20], 其主要研究对象也多为孢粉和藻类[21-22], 部分研究分辨率较低[23],少见海南岛南部陆架区沉积物特别是柱状沉积物中季风信息研究的相关报道。本文对位于南海北部陆架的S20孔粒度、年代以及微量元素数据进行分析,初步探讨了该区沉积物中蕴含的亚洲季风信息。

1 材料与方法

海南岛及其邻近海区有诸多河流注入南海, 海南岛东岸环流也存在季节性变化特点, 即夏季由于盛行西南风而为东北向流, 冬季盛行东北风而盛行西南向流[24](图1a、图1b)。研究所用的S20孔于2003年9月利用重力取样器采自于海南岛南部(110°03.22′E,17°41.57′N, 水深 127.3 m, 图 1), 长 222 cm。该孔沉积物以灰色、深灰色黏土质粉砂为主, 未见明显的事件性沉积间断。粒度和元素分析样品个数均为23个,取样间隔为10 cm。

粒度分析样品先后用浓度为 30%的过量双氧水和3 mol/L的盐酸去除有机质和碳酸盐, 加蒸馏水离心清洗 3次。处理后的样品在中国科学院南海海洋研究所用英国Malvern 2000型激光粒度仪进行粒度测量, 测量范围为0.02～2 000 μm, 测试误差小于2%。

Zr、Rb元素分析样品洗盐后在60 ℃下烘干, 研磨至小于 250目, 送中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所用全自动 X-射线荧光光谱仪进行粉末压片法分析, 仪器型号为 PW2440, 由荷兰菲利普公司生产, 元素检出限为2 μg/g。为了监控测试精度和准确度, 分别进行了若干样品的重复分析与标样分析, 标样类型为国家一级标准物质 GSD-9和GSD-10, 重复样与一级标准物质合格率均为100%。

图1 南海北部季节性流系路径和相关站位图Fig.1 Seasonal current variations in northern South China Sea and core locations

3个AMS14C年代数据在中国科学院黄土与第四纪地质国家重点实验室完成测试。原始测年数据利用CALIB 5.0.1软件[25]进行日历年龄校正(表1), 其他深度年代数据通过内插或是外推获得(本文所指的年龄均为日历年龄)。

2 结果

粒度测试结果显示, S20孔主要为黏土质粉砂,以粉砂为主(71%), 平均含量变化范围为 67.6%～77.3%, 其次为黏土(16%), 平均含量变化范围为12.5%～22.8%, 再次为砂(13%), 平均含量变化范围为 4.9%～18.9%。从底部向上, 黏土和粉砂含量逐渐增大, 砂含量逐渐降低。其中黏土和粉砂平均含量变化趋势相同, 而与砂平均含量变化趋势相反。粒度频率曲线分布多数近于对数正态分布, 以粉砂粒级(30 μm)峰为主(图2)。

S20孔Rb质量比平均为112×10-6, 变化范围为105×10-6～127×10-6, Zr质量比平均为226×10-6, 变化范围为 208×10-6～240×10-6, 平均粒径为 28.07 μm,变化范围为17.42～35.77 μm。其中, Zr质量比与平均粒径大小变化趋势相似, 而与Rb质量比变化趋势近乎于呈镜像关系(图3)。

依据 AMS14C测年结果, 结合沉积速率线性外插法获得该柱状沉积物底部的年龄大约为4 400 a BP。4 118～2 354 a BP期间沉积速率较为稳定, 约为77 cm/ka, 2 354 a BP以来沉积速率明显降低, 约为29 cm/ka。

3 元素比值与敏感粒度组分平均粒径的地质意义

中晚全新世以来研究区海平面变化不大[26-28],因此本段可以看作海侵结束后高海平面以来的浅海沉积, 其对应的动力条件和沉积环境与现今基本一致。而 S20孔近于对数正态分布的粒度频率曲线也表明其沉积动力条件相对稳定(图2)。陈丽蓉[24]通过对碎屑矿物(63～250 μm)研究认为, 海南岛以东以及以南的近岸区物质主要为沿岸冲刷及沿岸河流带来的, 黏土矿物却表现出与珠江口沉积物相似。如图1所示, 研究区 2月份主要受到东北-西南向沿岸流影响, 8月份方向相反[24]。考虑到地形和流系因素, 海南岛东部河流和珠江物质是影响 S20孔区域最为可能的两个来源。而西南部河流, 如越南沿岸河流输出的沉积物, 主要在越南沿岸流的作用下向南输送[29], 很难到达我们的研究区, 因此它们对本研究站位的贡献可以忽略。可以认为, 研究区沉积物主要是在冬季沿岸流作用下搬运沉积而成。

表1 S20孔AMS14C年龄数据Tab.1 AMS14C dating of Core S20

图2 S20孔黏土、粉砂、砂含量与粒度频率分布曲线Fig.2 The content of clay, silt and sand and frequency distributions of sediment grain-size in Core S20

图3 S20孔Rb、Zr质量比及平均粒径分布图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, 中国浅海陆架沉积物地球化学元素含量变化遵从“元素的粒度控制律”, Rb主要赋存在细粒物质中, 而 Zr常趋于在粗粒级中[30]。而 S20孔平均粒径与Zr质量比变化趋势相同, 与Rb质量比变化趋势呈较好的镜像关系, 也符合这一规律(图 3)。在表生地球化学过程中, 各种沉积物的化学成分会受到原岩组成、源区风化、搬运迁移分选和沉积后的变化等诸多因素影响, 但也有研究发现, 有些元素的变化只受单一因素控制[31], 对黄土、湖泊、海洋沉积等的研究也表明, Zr/Rb值不受沉积后作用的影响[32-34]。由于碳酸钙几乎不含 Zr和 Rb[32], 因此用Zr/Rb值可以消除样品中碳酸盐含量变化的影响。所以, 可将Zr/Rb值近似的作为主要富集于相对粗粒和细粒物质的陆源元素比值。将 S20孔沉积物平均粒径和 Zr/Rb值进行 Spearman相关分析, 二者在a=0.01(置信度P=0.99)水平上仅表现为微弱相关(相关系数R=0.21), 因此, 主要富集于相对粗粒和细粒物质的 Zr/Rb值与沉积物平均粒径并无明显的关系,这可能因为用于测试的沉积物还受到了部分自生矿物颗粒的影响, 因此经过量双氧水和盐酸预处理后的沉积物全岩样粒度不能有效反映搬运水动力条件的强弱, 而几乎全部陆源的Zr/Rb值弱化或是消除了自生矿物颗粒的影响, 这两种陆源元素比值可以有效的作为搬运动力强弱的代用指标[35]。

3.2 敏感粒度组分平均粒径

近年来, 粒径-标准偏差法在中国海沉积物古季风信息提取中得到了良好的应用[3,10,12,36]。本文利用该方法获得了各粒级组分标准偏差随粒径的变化曲线(图4), 较大的标准偏差值分别对应于8 μm和71 μm,较低值为19 μm。本文以19 μm为界线划分出细、粗两个粒度组分。

图4 S20孔粒径-标准偏差曲线Fig.4 Standard deviation vs. grain-size of Core S20

将S20孔沉积物敏感粒度组分平均粒径和Zr/Rb值对比发现, 二者具有相似的变化趋势(图 5), 进行Spearman相关分析发现, 二者在a=0.01(置信度P=0.99)水平上表现为显著相关(相关系数R=0.63),这与未进行敏感粒度组分提取前的平均粒径相比,二者相关性明显增强, 因此可以认为, S20孔沉积物敏感粒度组分平均粒径有效的弱化了自生矿物颗粒的影响。因此, S20孔沉积物主要赋存于粗、细粒级的Zr/Rb陆源元素比值和小于19 μm的细粒组分平均粒径可以作为冬季沿岸流、进而作为东亚冬季风强度的代用指标。

4 近4 400 a东亚季风信息

将南海北部陆架S20孔沉积物小于19 μm的细粒组分平均粒径(图5a)、Zr/Rb值(图5b)与东海内陆架 PC-6孔沉积物细粒组分平均粒径(图 5c, 站位见图 1c)[12]进行对比, 可以看出, 在测年误差和数据精度范围内, 三者揭示的冬季沿岸流强弱变化趋势较为一致。将前二者进一步与邻近的南海 17940孔海水表层温度(SST, 图5d, 站位见图1c)[26-27]进行对比,可以发现, S20孔沉积物Zr/Rb值和细粒敏感粒度组分平均粒径揭示出的4 400 a以来东亚冬季风的变化趋势, 在南海17940孔也有着相似的记录。这在另外一个角度说明, S20孔沉积物Zr/Rb值和小于19 μm的细粒组分平均粒径可以作为良好的冬季沿岸流强弱替代指标, 进而可以作为驱动其变化的冬季风强弱代用指标。

图5 不同代用指标对比Fig.5 Comparison of different proxies

研究表明, 东亚冬季风是东亚冬-夏季风系统中的主动因子[37], 也是北半球冬季最活跃的环流系统,强的冬季风爆发后能够向南传播侵入南海抵达赤道地区, 尔后越过赤道转为南半球的夏季风[38]。东亚冬季风活动最明显的地区是中国大陆东岸和西太平洋到印度尼西亚一带, 因此冬季风以冷空气的形式使其经过的区域产生不同程度的降温。除此之外, 冬季沿岸流把低温的冷水从中国东部海域源源不断地输送到南海, 使得南海的水温进一步降低。东海内陆架PC-6孔沉积物敏感粒度组分平均粒径[12]、南海北部陆架 S20孔沉积物Zr/Rb值和细粒敏感粒度组分平均粒径, 以及南海 17940孔海水表层温度[26-27]表现出的相似性说明, 中国东南部不同地区季风代用指标揭示出的东亚冬季风演化具有一致性。另外, 海南岛南部陆架区可能具有相对稳定的物质来源(珠江以及海南岛物质)或是物源变化对该区域影响不明显,因此, 该区沉积物蕴含了丰富的亚洲季风变化信息。

5 结论

南海北部陆架 S20孔岩性较均一, 其沉积作用受相对稳定的水动力条件控制。S20孔沉积物主要赋存于粗、细粒级的Zr/Rb陆源元素比值和小于19 μm的细粒组分平均粒径可以作为冬季沿岸流和东亚冬季风强度的代用指标。近4 400 a以来, S20孔沉积物Zr/Rb值和细粒敏感粒度组分平均粒径揭示的冬季沿岸流强弱和东亚冬季风变化与东海内陆架PC-6孔以及南海 17940孔海水表层温度变化表现出良好的相似性, 说明中国东南部不同地区季风代用指标揭示出的东亚冬季风演化具有一致性。可见, 南海陆架沉积物中同样蕴含着丰富的季风演化信息, 然而,限于样品精度问题, 沉积环境以及东亚季风的详细演化信息无法深入探讨, 后续高分辨率研究工作亟待开展。

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