南黄海沉积物磁性特征及其对物源变化的指示——以南黄海中部泥质区YSC-10孔为例

刘庚，韩喜彬，陈燕萍，胡邦琦，易亮

1.自然资源部第二海洋研究所，自然资源部海底科学重点实验室，杭州 310012

2.中国地质调查局青岛海洋地质研究所，自然资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室，山东青岛 266071

3.同济大学海洋与地球科学学院，海洋地质国家重点实验室，上海 200092

0 引言

气候变化和环境过程控制着磁性矿物的形成、搬运、沉积和改造，因此，沉积物磁性性质可作为环境变化和气候过程的有效代用指标[1]，在陆地[2-3]和海洋沉积物[4]的研究中应用广泛。中国东部陆架海是研究海陆相互作用的良好靶区，磁学指标在黄、东海海区沉积物研究中的应用增进了人们对古环境和古气候变化的认识[5-7]。

黄海是一个半封闭的陆架海，被中国大陆和朝鲜半岛所包围，黄海的物源主要来自长江、黄河以及朝鲜半岛的部分河流[8]。这些入海碎屑物质在海洋水动力的作用下，形成了多个泥质区[9]，南黄海中部泥质区是其中最大的一个（图1）。该泥质区的物源受诸多因素影响，如海平面变化[15]、冬季风驱动的沿岸流[16]、黄海暖流[12]、东亚夏季风[8,17]、河口三角洲发育[10]及河流改道[13,18]等。因此，研究南黄海物源可以反映全新世以来的古气候、古海洋变化及海陆相互作用等区域古环境演化特征。

图1 黄东海流系[8]与 YSC-10，YDZ-3[10]，YSDP 102[11]，YSDP 103[12]，38002 和 31003[13]站位示意图灰色区域表示黄海全新世沉积[14]Fig.1 Current systems in the Yellow Sea and East China Sea[8]and geographic location of boreholesLocation of sites YSC-10,YDZ-3[10],YSDP 102[11],YSDP 103[12],38002 and 31003[13];grey area represents Holocene deposition of the Yellow Sea[14]

河流入海物质的输运和沉积受控于海洋环流，黄海暖流和两侧的沿岸流构成了南黄海的主要环流体系[19]。黄海暖流对黄海海域的物质搬运、沉积环境变化有着重要影响，其演化历史与环境效应受到广泛关注[20-22]。由于不同环境代用指标的响应和记录站位的位置不同，关于黄海暖流的形成时间前人研究有较大差异。Konget al.[12]基于地球化学证据和有孔虫分布规律推断约4.3 ka B.P.黄海暖流进入黄海东南部。刘健等[20]的研究表明约6 ka B.P.黄海暖流的进入改变了南黄海东南侧泥质区的化学组成、沉积磁组构特征和有孔虫分布。南黄海东南部YSDP 102孔的有孔虫记录显示黄海暖流及与其相伴的冷水团形成于距今6.4 ka B.P.[21]。YE-2孔的海表温度升高表明黄海暖流于6.9 ka B.P.进入南黄海中部泥质区[22]。本文将通过磁学指标、岩性粒度等的综合对比，分析影响南黄海中部YSC-10孔磁学指标强弱变化的主要因素，进而探讨南黄海物源变化及其环境意义。

1 区域背景

南黄海陆架宽缓，平均水深55 m，以水深80 m为界有一西北—东南走向的海槽[15]（图1）。南黄海水文环境主要受周围入海河流和源自西太平洋的暖流影响[19]，南黄海入海淡水主要来自长江（6.0×1011t/a）和黄河（3.0×1010t/a），朝鲜半岛河流的影响较小[12]。全新世以来海平面快速上涨，8～9 ka B.P.海平面比现在低约15 m，海平面的快速上涨止于7 ka B.P.[23]。

南黄海存在由黄海暖流和沿岸流构成的环流体系[19]。在冬季风的驱动下沿岸流将黄河入海物质向南搬运，此外在夏季风和黄海暖流的影响下，长江冲淡水携带的物质向西北输运，共同影响南黄海沉积环境过程[24]。

2 样品与方法

研究站位 YSC-10（122°25′E，35°58′N，水深56.8 m）位于南黄海中部泥质区西缘，由中国地质调查局青岛海洋地质研究所于2015年以重力取样法取得，岩芯长454 cm。YSC-10孔岩性均一，沉积物表面呈灰色、青灰色，以黏土、粉砂颗粒为主，部分层位砂粒含量较高。岩芯0～150 cm按5 cm间隔取样，150～454 cm按2 cm间隔取样。

取浮游有孔虫（混合种）用于14C定年，在美国Beta Analytic Inc以加速器质谱法（AMS）测得其年龄。为消除碳储库影响[25]，用Calib7.1 program校正[26]，区域碳库为-138 ± 68 a。

磁学实验在中国科学院地质与地球物理研究所古地磁与年代学实验室完成。样品低频（976 Hz,χlf）、高频（15616 Hz,χhf）磁化率和磁化率—温度（χ-T）曲线用卡帕桥磁化率仪（KLY-3S/CS-3）测得。频率磁化率（χfd）由χlf和χhf差值的百分比计算获得。因YSC-10孔岩性较为一致，等间距选取10个样品，在氩气环境下测量其χ-T曲线（室温至700℃）。非磁滞剩磁（ARM）和等温剩磁（IRM）利用2G-760岩石超导磁力仪测得，χARM由ARM值经直流场矫正获得。其中，ARM的交变场强和直流场强分别设定为100 mT和0.05 mT；IRM的外加场强为1 T、-0.1 T、-0.3 T，这里以1 T的IRM为饱和等温剩磁（SIRM）。

样品粒度测试在南京大学地理与海洋科学学院进行。将0.2 g干样置于烧杯之中，加入20 mL去离子水溶解；然后向烧杯中加入30%的足量过氧化氢以去除有机质，直至不再产生气泡；再加入浓度为0.25 mol/L的盐酸于样品中，以除去钙质胶结物和生物壳体（CaCO3），直到无气泡产生。然后加入去离子水静置24 h，用吸管吸取上层清液，重复此过程，直到溶液接近中性。加5～10 mL浓度为0.5 mol/L的六偏磷酸钠于烧杯中，搅拌后静置24 h。在上机测试前用超声波震荡1 min使样品充分分散，处理后的样品用Malvern Mastersizer 2000型激光粒度仪测试。

3 结果

3.1 粒度特征与年龄框架

YSC-10孔岩性变化较为均一，粒度偏细，中值粒径（M）为（6.57±0.65）μm，黏土、粉砂和砂含量分别为（63.22±4.22）%、（34.51±3.17）%和（2.28±1.57）%。依据沉积物黏土—粉砂—砂三组分含量和中值粒径随深度的变化特征（图2），可将YSC-10孔以～250 cm深度分为上下两个单元。其中，YSC-10孔下段（250 cm以深），粒度较粗且变化较大，中值粒径为（7.02±0.55）μm，黏土、粉砂和砂含量分别为（60.35±3.53）% 、（36.63±2.69）% 和（3.03±1.91）% ；YSC-10孔上段（250 cm以浅），粒度相对较细且变化较小，中值粒径为（6.01±0.26）μm，黏土、粉砂和砂含量分别为（66.78±1.95）%、（31.88±1.68）%和（1.34±0.67）%。

图2 YSC-10孔粒度与磁学参数垂直变化图（a）黏土（<8 μm）、粉砂（8～63 μm）和砂（>63 μm）百分含量；（b）年龄框架；（c）中值粒径；（d）低频质量磁化率；（e）频率磁化率；（f）非磁滞剩磁；（g）饱和等温剩磁；（h）非磁滞剩磁与饱和等温剩磁的比值Fig.2 Profiles of proxies in sediment of core YSC-10(a)clay percentage(<8 μ m),silt(8-63 μ m)and sand(>63 μ m);(b)chronological framework;(c)median grain size;(d)low-frequency mass susceptibility;(e)frequency susceptibility;(f)anhysteretic remanent magnetization(ARM);(g)saturation isothermal remanent magnetization(SIRM);and(h)ARM:SIRM ratio

根据获得的有孔虫14C年龄（表1），可以计算YSC-10孔的沉积速率变化：9.0～6.4 cal ka B.P.，沉积速率为88～99 cm/ka；6.4～5.1 cal ka B.P.，沉积速率降低 至 52 cm/ka；5.1～4.5 cal ka B.P.，沉积速率为YSC-10全孔最高时段，达到111 cm/ka；4.5～2.0 cal ka B.P.，沉积速率最低，仅为29 cm/ka；全孔平均沉积速率为63.65 cm/ka。尽管沉积速率发生了较大变化，但14C年龄总体随深度的增加而增大，且时深关系较为稳定（r=0.97，p<0.01）。考虑到陆架沉积物有孔虫14C的测年本身具有一定的不确定性[27]，去掉最后一个定年数据后，利用一元线性回归分析获得时深转换关系，以线性内插的方式建立YSC-10孔的年龄框架（图2b）。根据这一年龄模式，推测YSC-10岩芯表层沉积物的年龄为1 881 cal a B.P.，底部年龄始于9 075 cal a B.P.。YSC-10孔表层沉积物的缺失，可能与研究站位处于南黄海中部泥质区的边缘且靠近山东半岛南侧侵蚀区[28]有关。

表1 YSC-10孔14C定年结果Table 1 Radiocarbon dates of materials from core YSC-10

3.2 沉积物磁性矿物

磁性矿物在加热和冷却过程中，磁化率会随温度的变化而发生改变，而不同磁性矿物的磁化率温度特性具有显著差异[29]。YSC-10孔样品的χ-T曲线显示从室温加热至280℃，磁化率呈缓慢衰减趋势（图3），指示了顺磁性矿物的贡献[30]；280℃～480℃磁化率逐渐上升，可能存在含铁硅酸盐矿物、黏土矿物、针铁矿、水铁矿等转化成磁铁矿[31]；480℃～520℃磁化率缓慢下降，可能受到了磁赤铁矿转变为赤铁矿的影响[1]；在加热至540℃以上时磁化率急剧下降，在580℃达到低值，反映了磁铁矿的特征[32]；580℃～650℃磁化率缓慢降低，表明少量赤铁矿的存在[33]。样品在冷却至580℃、540℃和320℃时磁化率出现上升，最后冷却至室温。样品经过加热冷却后的磁化率是加热前的8倍以上，反映了加热—冷却过程中有较多其他含铁矿物转化为磁铁矿[33]。由于各深度的χ-T曲线形态相似，我们认为YSC-10孔沉积物样品中的磁性矿物以磁铁矿和磁赤铁矿为主，且在该孔沉积时段并未发生明显改变。

图3 YSC-10孔代表性样品的χ-T曲线（红色为升温曲线，蓝色为降温曲线）Fig.3 Representative χ-T curves of core YSC-10(red=warming curve,blue=cooling curve)

3.3 环境磁学指标变化

根据YSC-10孔沉积物磁学参数的变化可将岩芯以110 cm深度分为上下两层（图2）。

Ⅰ层（110 cm以深，时代为9.0～4.8 cal ka B.P.）。低频质量磁化率（χlf）、频率磁化率（χfd）、非磁滞剩磁（χARM）、饱和等温剩磁（SIRM）、非磁滞剩磁与饱和等温剩磁的比值（χARM/SIRM）在110 cm以深处值较低且变化较小，分别为（9.20±1.15）×10-8m3/kg、（1.77±0.49）%、（7.96±3.86）×10-9m3/kg、（2.87±0.93）×10-4Am2/kg和（2.75±0.92）×10-5m/A。

Ⅱ层（110 cm以上，时代为4.8～2.4 cal ka B.P.）。χlf、χfd和SIRM的值向上急剧增大，分别是（12.98±2.02）×10-8m3/kg、（2.63±0.48）% 和（12.01±4.92）×10-4Am2/kg。χARM和χARM/SIRM的值在110～50 cm明显增大，50～15 cm处逐渐降低，其值分别为（81.16 54.68）×10-9m3/kg、（6.04±2.92）×10-5m/A。

4 讨论

4.1 磁性指标—粒度关系

磁性指标与沉积物粒度关系有可能反映了物质来源、沉积后期改造等环境要素的变化[34-35]。根据磁性参数的物理意义[35]，一般χ和磁性矿物的含量有关；χfd指示样品中的超顺磁（SP）亚铁磁性颗粒含量；χARM则反映单畴（SD）颗粒含量；χARM/SIRM可指示磁性颗粒大小的变化，其高值指示较细的单畴（SD）颗粒含量较高，且不受SP颗粒的影响。因此，根据YSC-10孔沉积物环境磁学指标的变化特征，对磁学指标—粒度之间的相关性进行分析（图4）。结果显示：Ⅰ层中（9.0～4.8 cal ka B.P.），沉积物中值粒径（M）与χlf、χfd、χARM和SIRM均表现为负相关关系（r=-0.58～-0.16），表明磁性矿物大多赋存于较细的沉积颗粒中；Ⅱ层中（4.8～2.4 cal ka B.P.），沉积物M值与χlf、χfd、χARM、SIRM和χARM/SIRM均为正相关关系（r=0.21～0.39），表明磁性矿物更多赋存于较粗的沉积物中。

图4 YSC-10孔低频质量磁化率（χlf）、频率磁化率（χfd）、非磁滞剩磁（χARM）、饱和等温剩磁（SIRM）、非磁滞剩磁与饱和等温剩磁比值（χARM/SIRM）与中值粒径（M）散点图红色对应Ⅱ层（4.8～2.4 cal ka B.P.）；蓝色对应Ⅰ层（9.0～4.8 cal ka B.P.）Fig.4 Relationship between magnetic proxies and median grain size of core YSC-10[Red=layer II(4.8-2.4 cal ka B.P.);blue=layer I(9.0-4.8 cal ka B.P.)]

由于各环境磁学指标的变化具有较好的一致性，我们以χlf为研究对象，进一步分析YSC-10孔沉积物磁性特征与各粒径组分含量之间的关系（图5）。结果显示，Ⅰ层沉积物χlf明显强于II层，反映了较高的磁性矿物含量，χlf与<8 μm的细颗粒含量为正相关关系，与8～63 μm含量为负相关，而与＞ 63 μm组分相关关系不显著，指示了这些沉积物中的磁性矿物可能主要富集于<8 μm的细颗粒组分中。另一方面，Ⅱ层沉积物χlf与16～63 μm颗粒含量呈正相关关系，指示了磁性矿物可能更多富集于粉砂颗粒中。

图5 YSC-10孔沉积物χlf与各粒级含量散点图红色对应Ⅱ层（4.8～2.4 cal ka B.P.）；蓝色对应Ⅰ层（9.0～4.8 cal ka B.P.）Fig.5 Relationship between low-frequency mass susceptibility and grain size of core YSC-10Red=layer II(4.8-2.4 cal ka B.P.);blue=layer I(9.0-4.8 cal ka B.P.)

4.2 不同来源的沉积物磁学特征差异

Qiaoet al.[36]指出在百年尺度上风尘输入仅占南黄海泥质区物源的1%～2%。考虑到朝鲜半岛的河流输入对南黄海泥质区的物源贡献较小[12]，加之本文研究站位偏向中国大陆一侧，以下仅讨论长江和黄河的可能影响。

长江河口沉积物的磁性明显强于黄河河口，在χ、χARM和SIRM数值上，长江河口沉积物是后者的2倍以上（图6）。这一特征与两大河流的流域地质特征及气候类型差异密切相关[35]，因而可以利用磁性特征判别两者在沉积物供给中的差异。此外，黄河与长江沉积物的磁化率—粒度关系显著不同，据此也可推测陆架沉积物的物源变化[13,35]。例如，由于黄土中磁性矿物主要赋存于与成土作用有关的细颗粒组分中[37]，北黄海38002孔的物源主要来自黄河搬运的黄土物质，该孔中值粒径与磁化率呈现为显著的负相关关系（图7）。相反的，长江口31003孔沉积物的中值粒径与磁化率为正相关（图7），可能指示了长江流域的风化过程与河口水动力状况[13]。这些已有的研究为本文利用沉积物磁性特征的环境判别提供了基础。通过对比（图6，7），我们发现YSC-10孔的χ、χARM和SIRM等磁性指标的变化在中全新世前后（～4.8 cal ka B.P.）具有显著差异，此后分别为之前的1.4倍、10.2倍和4.2倍，指示了中全新世以来南黄海中部泥质区沉积物的磁性显著增强、磁性矿物含量明显增多。同时，YSC-10孔沉积物的磁化率和中值粒径的相关关系也在4.8 cal ka B.P.由之前的负相关转变为正相关。这些环境磁学参数及磁化率—粒度相关关系的变化与长江、黄河河口沉积物的相关特征一致，指示了南黄海中部泥质区沉积环境或物质供给等要素在中全新世前后的显著差异。

图6 YSC-10孔、长江和黄河沉积物[35]磁学特征差异长江样品取自目前主流河道的南支河道；黄河样品取自黄河口门附近河道Fig.6 The difference of the magnetic characteristics of the sediment in the core YSC-10,the Changjiang River and the Yellow River[35]Samples from Yangtze River taken from southern branch of the current main river;samples of the Yellow River taken from the channel near the mouth of the Yellow River

图7 YSC-10孔、北黄海38002孔和东海31003孔（中值粒径M<20 μm的沉积物）[13]质量磁化率—中值粒径（χ-M）散点图Fig.7 Relationship between mass susceptibility and median grain size of core YSC-10 at 4.8-2.4 cal ka B.P.(red),core YSC-10 at 9.0-4.8 cal ka B.P.(blue),core 38002 in the North Yellow Sea(yellow)and sediments with M(median grain size)<20 μm in core 31003 in the East China Sea(green)[13]

4.3 早期成岩作用的可能影响

沉积物在还原条件下发生的早期成岩作用会导致磁性矿物的溶解和相变[38-40]，并与沉积物中有机质含量密切相关[41]。有机质的分解将消耗水体中的溶解氧，形成还原环境，促使含铁矿物发生溶解和/或转化[42]，导致沉积物磁化率值降低[43]。前人研究显示，4.5～2.0 cal ka B.P.时，南黄海YSDP 103孔总有机碳（TOC）含量为0.55%～1.04%，显著高于早中全新世（图8c），指示南黄海底层沉积环境可能处于贫氧状态。不过，此时YSC-10孔环境磁学代用指标也有较高数值（图8a，b），由此推测底层环境的还原作用对研究区沉积物磁性矿物的影响较弱。此外，更早期的沉积物受成岩作用影响较大，磁铁矿在氧化环境中将向赤铁矿转化[45]。虽然本文的χ-T曲线的分析结果指示了赤铁矿的存在（图3），但各样品χ-T曲线高温段（580℃～650℃）的变化特征基本一致，指示YSC-10孔各层沉积物中的赤铁矿含量相对其他磁性矿物未有明显差异。这些特征共同说明YSC-10孔的环境磁学参数值在4.8 cal ka B.P.以来明显升高可能是由不同时期长江和黄河物质输运对研究区沉积堆积的贡献差异所造成。

图8 （a）YSC-10孔低频质量磁化率（χlf）；（b）YSC-10孔非磁滞剩磁与饱和等温磁化率比值（χARM/SIRM）；（c）YSDP 103孔总有机碳（TOC）[12]；（d）YSDP 102孔浮游有孔虫暖水种G.ruber[11]；（e）台湾 Retreat湖TOC含量[44]；（f）YZD-3孔粒度参数 GSC-12[10]；（g）YSC-10孔沉积速率Fig.8 (a)Low-frequency mass susceptibility(χlf)of core YSC-10;(b)ratio of anhysteretic remanent magnetization(ARM):saturation isothermal remanent magnetization(SIRM)(χARM/SIRM)of core YSC-10;(c)total organic carbon(TOC)of core YSDP 103[12];(d)planktonic foraminifera warm water species G.ruber in core YSDP 102[11];(e)TOC content in Retreat Lake,Taiwan[44];(f)grain size parameter GSC-12 in core YZD-3[10];and(g)sedimentation rate of core YSC-10

4.4 影响沉积过程的可能因素

全新世以来海平面快速上涨，8～9 ka B.P.东海海平面比现在低约15 m[23]，约7 ka B.P.到达现今海平面高度[15]。东亚季风是气候变化的重要影响因素，台湾Retreat湖TOC含量可以指示台湾夏季降雨强度[44]。南黄海早全新世至4.3 ka B.P.的河口沉积环境可能指示了夏季风增强导致河流入海淡水的影响增大[12]（图8）。高温高盐的黄海暖流是黑潮的重要分支，与沿岸流组成了黄海环流体系，影响着南黄海沉积环境[19]。南黄海YSDP 103孔TOC从4.5 ka B.P.开始明显增加（图8c），由于冰后期海平面不断上涨使得YSDP 103孔由滨海转为浅海沉积环境，河流输入的陆源有机质减少，因此Konget al.推断TOC主要受控于海水表层生物生产力，由此推测黄海暖流在4.5 ka B.P.进入南黄海[12]。南黄海YSDP 102孔浮游有孔虫暖水种G.ruber的数量自4.3 ka B.P.以来也明显增多（图8d），同样指示了黄海暖流的影响增大[11]。此外，济州岛西南泥质区B3孔从6 ka B.P.开始出现白云石，显示出长江的显著影响及现代黄、东海环流体系的发育[46-47]。Liuet al.[48]还通过对北黄海NYS-101孔的微量和稀土元素分析推测8.2～6.5 ka B.P.物源主要来自沿岸流搬运的黄河物质，此后则增加了长江和朝鲜半岛河流输运物质的贡献。

在综合考虑这些区域环境过程的基础上，本研究基于环境磁学参数变化及磁化率—粒度相关性分析，推测9.0～4.8 cal ka B.P.南黄海中部YSC-10孔物源可能主要来自黄河，4.8～2.4 cal ka B.P.时期则更多地受长江物源影响，且与黄海暖流的发育密切相关。

此前关于黄海暖流的形成时间还存在一定争议，大致有 4.3 ka B.P.[12]、6 ka B.P.[20]、6.4 ka B.P.[21]和6.9 ka B.P.[22]等观点。由于YSC-10孔位于南黄海中部泥质区西缘，离岸较近，受沿岸流作用较大，因此YSC-10孔对黄海暖流演化的响应可能较晚。另一方面，基于浮游有孔虫的区域分布特征，Kimet al.推断全新世黄海暖流并未入侵至35°N以北[49-50]，与现代观测中黄海暖流可向北延伸至渤海[19]的情况存在较大差异。由于在受河流影响大的陆架海区浮游有孔虫丰度低且易溶解[12]，基于有孔虫分析的黄海暖流的演化重建可能存在一定偏差。考虑到本研究站位已位于35°N以北，本文基于环境磁学的研究结果，推测中全新世以来黄海暖流对黄海35°N以北海域的沉积过程已产生重要影响，与现代观测基本吻合，从而为弥补黄海暖流重建的不足提供了新的验证指标。

此外，渤海西岸的YDZ-3孔粒度参数指示6.2 ka B.P.以来渤海黄河三角洲不断发育[10]（图8f），黄河搬运的碎屑物质可能主要堆积于渤海西岸，造成向外输运量的减少。同时中晚全新世以来，季风降雨带南移[51]，黄河入海物质通量减少[17]。这些区域环境要素的关键过程，可能是4.8 cal ka B.P.以来YSC-10孔沉积速率的降低、沉积过程受长江入海物质影响增大的主要原因。

5 结论

长江与黄河物质在质量磁化率、非磁滞剩磁、饱和等温剩磁等环境磁学参数以及粒度—相关关系上的差异为研究南黄海物源变化提供了新证据。结果表明，9.0～4.8 cal ka B.P.，YSC-10孔的物源可能主要受黄河控制；4.8 cal ka B.P.以来，长江物源的影响则相对较大。随着中晚全新世以来东亚季风降雨带的南移和黄河三角洲的不断发育，YSC-10孔的黄河物质减少，沉积速率降低；自4.8 cal ka B.P.以来，与黄海暖流有关的长江影响逐渐增加。受限于本文利用的研究站位与环境代用指标，相关结论尚需该区域更多站位和多指标分析的共同检验。