南海中部全新世以来海山深潜区有孔虫的地球化学记录及反映的气候变化

杨俊，赵彦彦,3，吴佳庆，魏浩天，龙海燕，李三忠,3，毕乃双

1. 海底科学与探测技术教育部重点实验室和中国海洋大学海洋高等研究院，青岛 266100

2. 中国海洋大学海洋地球科学学院，青岛 266100

3. 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室，青岛 266061

有孔虫是微小的真核单细胞动物，其大小一般在1 mm 以下，属于原生动物门肉足纲中的有孔虫目，其中浮游有孔虫属于抱球虫超科。有孔虫从中侏罗世开始出现，壳壁主要由方解石组成。由于浮游有孔虫壳体在生长发育过程中能够捕获或黏附周围水体的钙质或硅质颗粒，所以其壳体记录了诸多的物理海洋和海洋化学信息，能够用来反演古海洋状态和环境变化[1]。有孔虫的主微量元素含量和同位素组成记录了当时的海洋和气候条件[2-4]，常用浮游有孔虫的Mg/Ca 和氧同位素值恢复古海水表层温度（SST）[5]。

南海位于太平洋和亚洲大陆之间，受热带西太平洋和大陆气候的共同影响[6]。近年来，南海的古气候演化、快速气候事件、大洋碳储库的长周期变化、深海地层学以及海平面变化等方面的研究都产生了一系列成果[7-9]。然而，南海全新世气候变化的进程还存在很多争议。根据沉积物记录，一些学者认为全新世的SST 是持续上升的，也有学者认为全新世的SST 多变。如17940 站位记录了SST 从早全新世开始升高，在5.5 ka 出现峰值[10]；珠江口盆地远岸斜坡GHE27L 站位的沉积物Mg/Ca 比恢复的全新世SST 持续上升，直到3.9 ka 达到峰值（27.7 ℃），随后下降，直到0.6 ka[11]；Zhou 等[12]认为南海从早全新世SST 一直升高，直到6～7 ka 才达到峰值，随后的中全新世，SST 一直很稳定。Wu 等[13]认为南海北部全新世SST 变化可分为4 个阶段，在8.9 ～8.7 ka 达到峰值（27.3 ℃），而且在中晚全新世又出现几次峰值（27.3 和27.7 ℃）。不过，也有人认为不同海域所记录的气候变化过程是不同的：Tian 等[14]通过分析浮游有孔虫的Mg/Ca 和氧同位素，发现南海南部MD052896 站位在全新世SST 持续升高，平均SST 为28.5 ℃；而南海 北部ODP1145 的SST 在全新世略微降低，平均SST 为26 ℃[14]。为了解决这些争议，我们于2017 年在南海中部珍贝海山底部用蛟龙号载人深潜器精准地采集了柱状样品，并对其中的有孔虫地球化学特征进行分析。

珍贝海山位于南海中部黄岩岛海域，不论在冰期还是间冰期，该区域水体都较深，属于深水区[15]，受降水和周围河流的影响较少。样品是由蛟龙号载人深潜器在珍贝海山底部精准采集（图1），无任何扰动和混合，而且海山底部沉积物表面平坦，深水底流弱。因此，浮游有孔虫应该忠实地记录了研究区表层海水的变化。浮游有孔虫的Mg/Ca 比记录了海水温度，δ18O 配合Mg/Ca 比恢复的温度能够反映盐度变化，而δ13C 值能够反映生产力的变化。结合AMS14C 测年，可以重建该地区自新仙女木事件以来SST 和生物生产力的演化过程，为研究南海地区的古海洋学、再造该地区气候演化历史并预测未来气候变化提供依据。

图1 南海东部黄岩岛海域采样位置以及本文涉及的其他站位位置Fig.1 The sample location on the Huangyan Island in the eastern part of the South China Sea （SCS）and other stations mentioned in this paper

1 材料与方法

本研究的样品来自黄岩岛海域，位于南海中沙群岛，处于吕宋冷涡（13°～20°N、115°～120°E）范围内[19]，是2017 年由蛟龙号第136 潜次在珍贝海山底部2 500 m 水深处取得的柱状样。该柱状样长28 cm，样品采集到甲板后，立即以1 cm 间隔分样，共获得29 个湿样，然后在4 ℃下保存。

湿样运回实验室后，先自然晾干、称重，然后将样品置于500 mL 烧杯中加入浓度为10% 的H2O2浸泡48 h。随后将泡好的样品过240 目（孔径0.063 mm）的不锈钢筛，除去细粒组分，并将粗粒组分在40 ℃下烘干、称重，最后用100目（孔径0.154 mm）不锈钢筛干筛，第二次分离出粗粒组分。第二次分离的粗粒组分在双目镜下（OLYMPUS SZ61，×120）分别挑出G.ruber 和G.sacculifer 有孔虫。其中，每一个样品挑选出250～350 μm 完整且无填充物的G.ruber （白色）壳体约30 枚，质量约2 mg，用于Mg/Ca比值的测定。再挑选出大于154 μm 的G.ruber （白色）和G.sacculifer 各15～20 枚，用于碳氧同位素测试。另外，挑选清洁无损的G.ruber 约10 mg，送至美国BETA 实验室进行AMS14C 测年。测试仪器为250 Kev NEC single stage 加速器质谱仪，测试精度为±0.001～0.004。为了获得真实可靠的实验结果，每次测试之前，需要对所挑选的有孔虫样品进行清洗，用以去除样品中可能存在的有机和无机杂质。本文通过CALIB 7.0 程序中的Marine13校正曲线对所测得的AMS14C 年龄进行校正[20]，结果见表1。

表 1 南海蛟龙号第136 号潜次pushcore 柱状样的AMS14C 测年数据和校正年龄Table 1 AMS14C dating data and corrected age of the pushcore columnar sample of Jiaolong 136th dive in the SCS

1.1 Mg/Ca

通过扫描电镜、双目镜的观察，我们的有孔虫样品并无明显的铁-锰-氧化物污染。因此，借鉴前人的清洗方法，采用“Mg 清洗”法进行清洗[21]。清洗后样品的Mg/Ca 比测试在中国科学院南海所边缘海与大洋重点实验室碳酸盐岩元素地球化学实验室Arian 720ES ICP-OES 上完成。分析过程中，先称取180～230 μg 清洗过的有孔虫壳体，用2% HNO3溶解，并用外标法标定，选Ca 183.944 nm，Sr 216.596 nm，Mg 279.553 nm 作为标定谱线，分别配置[Ca]为19、30、40和49 μL/L，[Mg]为0.05、0.08、0.10和0.13 μL/L，[Sr]为0.3、0.5、0.7 和0.9 μL/L 的4 个标液作为标准溶液用于计算元素的含量，然后再计算Sr/Ca、Mg/Ca比值。除此之外，实验室还配备了两种Sr/Ca、Mg/Ca比值不同的监控溶液，用于检测、校正仪器造成的测试偏差。根据监控溶液的相对偏差，最终测定的Mg/Ca 精度达到了0.51%，Sr/Ca 达到了0.21% （重复次数n=162）。

1.2 碳氧同位素

有孔虫样品经破碎后，用10% 的双氧水浸泡30 min，然后用去离子水超声清洗3 次。随后加入浓度＞99.7%的无水乙醇，在震荡频率为40 kHz 的超声波中清洗30 s 左右，吸出浊液，再用去离子水超声清洗2—3 次[22]。碳氧同位素测试是在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室的连续流质谱仪上完成。测试时称取30～70 μg 粉末样放入样品瓶中，然后在70 ℃下经磷酸溶解释放出CO2，输入Delta Plus XP 质谱仪中测定δ18O 和δ13C值，二者的精度分别高于0.23‰和0.11‰，标样为TTB-1。

2 结果

2.1 年龄框架

基于6 个浮游有孔虫样品AMS14C 的测年结果，采用线性插值法建立年代框架，其顶部年龄约为2.3 ka，底部年龄为12.6 ka（图2），平均沉积速率为2.2 cm/ka。其中0～5 cm 平均沉积速率为1.6 cm/ka，5～17 cm 为9 cm/ka，17 cm 以下为1.8 cm/ka。

2.2 Mg/Ca 比恢复的SST 与G.ruber 氧同位素的变化

整个样品柱G.ruber 壳体的Mg/Ca 为3.3～5.2 mmol/mol，平均值为3.9 mmol/mol，与现代活体有孔虫的Mg/Ca 3.0～6.0 mmol/mol 相近[9]。利用Hasting等[23]和Whito 等[20]在中国南海建立的G.ruber 壳体Mg/Ca 比和温度关系式：

可恢复研究区的SST 变化范围为24.4～29.3 ℃，平均SST 为26.2 ℃。由于SST 在全新世存在接近4 ℃的温差变化，为了验证所恢复的SST 真实可靠，通过查找WOD 数据库（World Ocean Databases：www.nodc.noaa.gov），获得研究区1923—2007 年的表层海水温度实测数据。经处理分析发现，该地区近几十年来表层海水温度波动范围较大，存在温差达到4 ℃的情况，并且在1980—2007 年间，表层海水的温度波动也高达2.5 ℃，因此，认为全新世以来 研究区可能存在4 ℃的温差变化（图3f）。

图2 南海黄岩岛海域柱状样年龄框架Fig.2 The age frame of the core on the Huangyan Island in SCS

研究区浮游有孔虫G.ruber 的Mg/Ca 比恢复的SST 变化可分为12.6～11.8、11.8～9.1、9.1～6.3、6.3～2.3 ka 四个时间段，其中12.6～11.8 ka，SST 降低了约2.3 ℃；11.8～9.1 ka，SST 略有波动，在11.3～10.7和9.7～9.1 ka 时段内，SST 有两次下降过程，但变化范围较小（＜0.5 ℃）；9.1～6.3 ka，SST 自24.5 ℃迅速升至29.3 ℃，平均SST 为27.3 ℃，6.7 ka 出现低SST，最低可达25.3 ℃，随后的6.5 ka 达到全新世最高温度29.3 ℃；6.3～2.3 ka SST 整体呈降低趋势，局部有波动，在6.3～5.3 ka，SST 自27.7 ℃降至24.8 ℃；5.3～2.3 ka 总体温度为上升趋势，但是在3 ka 存在25.3 ℃的低温（图3d）。δ18O 在11.8 ka 发生第一次降低，并保持相对低值直到5.8 ka，第二次快速降低发生在5.3 ka，持续了约1.8 ka 之后开始上升（图3c）。

2.3 碳同位素记录

浮游有孔虫G.ruber 和G.sacculifer 的碳同位素值变化趋势一致：G.ruber 的δ13C 值为1.42‰～2.40‰，平 均为2.05‰，G.sacculifer 的δ13C 值为1.42‰～2.58‰，平均为2.10‰。总体上G.sacculifer 的δ13C值高于G.ruber，但是出现了几次异常值，导致G.ruber 的δ13C 值偏高（图3e）。值得注意的是最顶端样品中G.ruber 和G.sacculifer 的δ13C 值最低。

3 讨论

3.1 原始地球化学记录的保存

浮游有孔虫化石属于钙质超微化石，而大洋沉积物中钙质化石的保存直接受到碳酸盐补偿深度（CCD）的影响[24]。南海的CCD 通常为3 500 m[25]，采样地点水深约为2 500 m，而且样品中的G.ruber和G.sacculifer 未见明显的溶蚀（图4），表明样品的原始地球化学记录保存较好。

3.2 SST 变化

图3 南海黄岩岛海域有孔虫壳体碳氧同位素组成、Mg/Ca-SST 记录及与其他地区氧同位素记录的对比Fig.3 Carbon and oxygen isotopes and Mg/Ca-SST records of foraminifera shell in the Huangyan Island in SCS and their correlation.

有孔虫壳体在形成过程中会受到周围海水的影响，导致其Mg/Ca 比发生变化[26]，由于碳酸盐晶格中Mg2+交代Ca2+是吸热过程，因此，温度的升高会促使有孔虫壳体的Mg 含量增加，Mg/Ca 比也会随之增高[27]。自12.6 ka 以来，研究区的SST 变化可识别出12.6～11.8、11.8～9.1、9.1～6.3、6.3～2.3 ka 4 个温度明显变化的时段（图5d），而且这些温度变化在时间上可与南海南部MD01-2390 站位和南海北部17940 站位的SST 进行很好地对比（图5）[30-31]：3 个站位的SST 都在12.6～11.8 ka 之间大幅降低，11.8～9.1 ka 略有升高，9.1～6.3 ka 达到全新世最大值并稳定波动，6.3～2.3 ka 呈波动下降，整体变化趋势具有很好的一致性。然而，3 个站位SST 变化的具体时间和幅度仍存在较大差异。如MD01-2390和17940 站位清晰地记录了全新世早期11.3 和9.7 ka两次短暂的降温事件，尽管黄岩岛海域的Mg/Ca比也记录了这次降温事件，但是其降温幅度并不明显（图5d）。另外，5.3～4.1 ka 三个站位均记录了SST 升高，但17940 站位的SST 变化幅度较小。3.5～2.3 ka，黄岩岛海域有孔虫所记录的SST 先降低再上升，MD01-2390 站位记录了稳定上升的趋势，而17940 站位则记录了波动下降的趋势（图5）。

浮游有孔虫Mg/Ca 所记录的SST 变化不仅在南海的南北海域之间可以进行对比，还可以与东亚夏季风所控制的董哥洞石笋δ18O 记录进行对比[25]：12.6～11.8 ka，南海3 个站位的SST 均降低，对应着董哥洞石笋δ18O 值的升高；11.8～6.3 ka，3 个站位的SST 均升高，与此同时，董哥洞石笋的δ18O 值降低且稳定在-8‰以下；6.3～2.3 ka，SST 整体呈下降趋势，同时董哥洞石笋δ18O 值升高（图5a）。

图4 浮游有孔虫扫描电镜Fig.4 SEM photos of the planktonic foraminifera

图5 12.6 ka 以来南海附近海域古气候变化曲线对比Fig.5 Correlation of paleoclimatic patterns from different regions since 12.6 ka

此外，厄瓜多尔南部的ENSO 记录表明，自11.8 ka以来，ENSO 事件发生的频数逐渐增加，6.3 ka 之后，ENSO 事件发生频数最多[32]。黄岩岛海域与南部MD01-2390 站位的浮游有孔虫记录了该时期SST变化幅度比较高（图5），但南海北部SST 变化幅度不大（图5b），这说明ENSO 事件可能对南海南部的影响较大，而对南海北部的影响较小。

3.3 气候变化的驱动机制

南海属于边缘海，位于典型的东亚季风区，其洋流有夏季风驱动的顺时针反气旋环流和冬季风驱动的逆时针气旋式环流[33]，季节性的季风场形成了独特的表层洋流格局（图1）。此外南海的区域地质构造复杂，在地质历史时期，随着海平面的升降，海陆格局的分布及其与大洋之间海水的交换通道都曾发生巨大变化[34-35]。因此，南海的气候变化受多种机制的控制。

研究区浮游有孔虫壳体Mg/Ca 比记录了自12.6 ka以来南海经历了几次快速降温事件，包括12.6～11.8 ka 的新仙女木事件和全新世东亚夏季风突变事件。这些突变事件可与来自北大西洋深海沉积物记录的千年周期降温事件相对应[36-37]。因此，这些降温事件指示了东亚夏季风的演化可能受到北大西洋冰筏事件的制约[38-39]。在过去12.6 ka 内，南海的海平面上升了将近60 m，尤其自11.8 ka 开始，海平面快速上升，至6.3 ka 达到最高海平面，之后又略有降低（图6g）[34-35]。海平面的升降可能会影响底流活动，从而影响海洋物质的搬运能力以及沉积速率[40-41]。前人研究认为，南海底流来源于东部台湾-吕宋岛弧之间的巴士海峡，经西沙群岛向东部的中央海盆传递[42]，甚至能够穿越西沙海槽，到达南海西南部（图1）[43]。但是，到目前为止，均未有研究指出研究区存在底流活动，说明海平面的变化不是研究区气候变化的驱动机制。

珍贝海山底部G.ruber 记录的SST 与中国华南董哥洞石笋氧同位素记录进行对比（图6）[29]，结果表明12.6～11.8 ka SST 较低，石笋氧同位素组成较重，指示了气候寒冷干燥；11.8～6.3 ka 石笋氧同位素组成显现出波动降低的变化，气候开始变得湿润[44-45]，尤其是自11.3 ka 开始，SST 为上升趋势，石笋氧同位素组成为稳定低值，且浮游有孔虫δ18O 值也显示为稳定低值（图6e），为较稳定的暖湿气候，指示了东亚夏季风增强，中国华南地区和南海可能进入了全新世适宜期[46-47]，而且此时其他地区仍处于干燥寒冷的气候[48]；在6.3 ka 之后，SST 波动降低，石笋的氧同位素记录有增大的趋势，气候向寒冷干燥转变。一些研究者认为，轨道尺度上东亚夏季风变化主要受北半球太阳辐射的驱动[49-50]。Zhou等[12]认为20°N 夏季光照强度从13 ka 开始增强，在9 ka 达到最大值，之后开始降低；Berger 和Loutre[51]及Selvaraj 等[52]认为25°N 夏季光照强度在10 ka 具有异常高值。研究区有孔虫的δ18O 记录表明：夏季风的最大强度出现在6.5 ka，比9 ka 的光照强度最大值滞后了将近2 500 年，这证明了季风变化可能滞后于光照强度约1 500～3 000 年[53]。

研究区浮游有孔虫所记录的这种气候变化，可能与末次冰期热带辐合带（ITCZ）移动有关。在亚轨道尺度上，北半球夏季太阳辐射的变化会影响ITCZ 位置的纬向移动与ENSO 的活动频率，进而制约着东亚夏季风强度的变化[54-55]。ITCZ 的纬向移动，会导致北半球低纬地区夏季降水发生变化，体现在沉积物的氧同位素组成上[56]。早—中全新世，北半球夏季太阳辐射强，强迫ITCZ 向北移动，研究区夏季降水增加，浮游有孔虫的δ18O 值降低[54]；晚全新世，北半球夏季太阳辐射减弱，导致ITCZ 向南移动，研究区夏季降水减少，浮游有孔虫的δ18O 值增大（图6）[29]。此外，Haug 等[54]和Clement 等[55]认为中—晚全新世，由于热带大气对流与南方振荡的相互作用增强，使得ITCZ 的南移与ENSO 活动频率的增强有着密切的关系。Moy 等[32]认为ENSO活动频率变化是东南亚地区气候年际变化的主要驱动力，ENSO 活动频率的增加会导致东亚夏季风的减弱，反之则相反。前人研究表明自中全新世开始ENSO 活动频率逐渐增加（图6h）[55]。ENSO 活动频率较强的时期，大量温暖的海水会流入热带东太平洋，导致热带西太平洋海表温度降低，使热带西太平洋向亚洲大陆季风区输送的水汽减少，最终导致东亚夏季风减弱[57-58]。因此，全新世北半球太阳辐射强度、ITCZ 平均位置的纬向移动和ENSO 活动频率的变化可能是引起研究区全新世气候变化的主要原因[59]。12.6～11.8 ka，为新仙女木时期，ITCZ 平均位置向南移动，导致降水减少，浮游有孔虫的δ18O 值较大[54]；11.8～6.3 ka 为早—中全新世，北半球夏季太阳辐射强，导致ITCZ 向北移动，东亚夏季风增强，降水增加，有孔虫δ18O 值减小[59]；6.3～2.3 ka，太阳辐射变弱，导致ITCZ 向南移动，同时ENSO 活动频率增强，进一步加强了ITCZ 的南移[60]，东亚夏季风的强度也随之发生了减弱，降水减少，浮游有孔虫的δ18O 值增大。

图6 南海黄岩岛海域有孔虫和其他地区古环境指标变化曲线对比Fig.6 The comparison of palaeoenvironmental proxies between the Huangyan Island of SCS and other locations

此外，发现南海黄岩岛海域浮游有孔虫G.sacculifer 和G.ruber 的碳同位素分馏值Δ13CG.s-G.r出现几次负偏移，这些负偏移在时间上与全新世东亚夏季风突变事件具有一定的对应关系（图6），SST 降低时，Δ13CG.sacculifer-G.ruber呈负偏；而在SST 升高时，Δ13CG.sacculifer-G.ruber呈正偏。推测全新世Δ13CG.s-G.r可能受SST 变化的影响，但能否作为全新世东亚夏季风突变事件的一个新的指标及其具体的控制机制还有待进一步研究探讨。

4 结论

对南海珍贝海山底部的沉积物样品进行了Mg/Ca 比及碳氧同位素组成测试分析，发现研究区沉积物完整地记录了自12.6 ka 以来的气候变化，在时间范围上，能够与新仙女木事件以及全新世东亚夏季风突变事件相对应，可能与北大西洋冰筏事件有关。通过分析认为研究区的气候变化可能主要受到北半球夏季太阳辐射变化控制的ITCZ 的纬向移动和ENSO 活动强度的控制。此外，发现研究区全新世期间浮游有孔虫G.sacculifer 和G.ruber 的碳同位素分馏值Δ13CG.sacculifer-G.ruber与SST 变化有关，但能否作为全新世东亚夏季风突变事件的一个新的指标及其具体的控制机制还需进一步的研究探讨。

致谢：感谢中国大洋38 航次第二航段的首席科学家石学法研究员及所有参加人员在样品采集和保存上的指导和帮助，感谢中国科学院边缘海与大洋重点实验室碳酸盐岩元素地球化学实验室陈天然老师协助有孔虫Mg/Ca 比值测试分析。