南极菲尔德斯半岛西海岸海滩沉积物环境磁学特征及其控制因素

唐怀能，王永红，黄清辉

1. 中国海洋大学海洋地球科学学院，海底科学与探测技术教育部重点实验室，青岛 266100

2. 同济大学环境科学与工程学院，长江水环境教育部重点实验室，上海 200092

南极地区因其独特的环境系统，成为研究人类活动对全球变化及生态环境变化响应的天然实验室，是国际全球变化研究的核心区域之一[1-2]。菲尔德斯半岛作为南极最大的无冰区之一，是世界各国研究南极环境变化的起点和焦点地区，近几十年国内外学者对菲尔德斯半岛上的湖泊沉积物、海洋沉积物、冰水沉积物、冰芯等古环境记录载体进行了大量的研究，如Sun等[3]、Wang等[4]通过对企鹅海豹粪土层有机地球化学的分析（图1中Y2湖、G湖），恢复了半岛过去生物数量和生态环境变化情况；Lu等[5]、Fabri-Jr等[6]通过分析半岛表层土壤、陆生植物（地衣、苔藓）中重金属污染指标，以及Na等[7-8]、Li等[9]通过分析半岛冰雪、土壤中有机污染物含量指标，指出了由于受人类活动影响半岛冰雪土壤、植被中重金属元素（Pb、Cr、Hg）和有机污染物（PHAs）含量显著增加；此外，谢周清等[10]通过对半岛西湖沉积物中的部分稀土元素和微量元素的分析重建了该地区近2 000年来的气候演变情况（图1），李小梅等[11]通过对湖泊沉积物常微量元素含量变化的分析恢复了全新世以来半岛的环境变化情况。综上可知对半岛研究已经比较详细，但研究环境变化需要了解沉积物本身的性质和控制因素。该岛主体为火山岩，主要由玄武岩和玄武质安山岩组成，因而岸滩沉积物不同于一般海滩，因此对于该岛上沉积物本身的性质有待深入的研究。

图 1 采样点位置图图中采样点为本文研究样品点位，Y2湖、H湖、地质湾海滩剖面、HN1柱样、西湖为前人研究点位。Fig.1 sample location mapThe sampling points in the figure are those studied in this paper,and the sampling points of Y2 Lake,H Lake,Dizhiwan beach profile and HN1 column sample are the points of previous researches.

环境磁学测量具有快速、无损、经济的特点，还可以检测到沉积环境中的微小变化[12-16]，通过研究磁性矿物颗粒的搬运、沉积和转化，可以建立研究对象与沉积环境变化之间的关系。本文以南极菲尔德斯半岛西海岸岸滩沉积物柱样为载体，通过测试沉积物柱样磁学参数，结合粒度分析和210Pb测试数据以及稳定碳同位素值，在分析沉积物磁性特征的基础上，为探究南极地区海滩沉积物特征以及环境变化提供理论基础。

1 研究区域概况

南设得兰群岛位于南极半岛北面约120 km，由11个大岛和若干小岛组成[17]。菲尔德斯半岛是群岛最大的无冰区（图1）[18]，南北长约8 km，东西宽2.5～4.5 km，总面积约38 km2。该地区属于亚南极海洋性气候，年平均气温约为-2.1℃[19]。地表植物以隐花植物地衣、苔藓和藻类为主，以象海豹为优势种，多集中在西南海岸区以北海滩（如生物湾）[1]。菲尔德斯半岛火山岩主要为玄武岩和玄武质安山岩，安山岩和英安岩所占的比例较小，且次火山岩的化学成分与熔岩的区别很小。在半岛东海岸一般有4～6级海岸堆积阶地，且均为砾质或砂砾质堆积物，半岛西海岸多为陡峭的基岩海岸，仅在较大的海湾内才有明显的砾砂质海相堆积物，且海拔多在18 m以下[20]。

2 样品和实验方法

沉积柱样是2015年1月中国第31次南极科学考察活动期间用洁净PVC管采自南极菲尔德斯半岛西海岸海滩上，地理坐标为62°12′39″S、59°00′45″W（图1）。总长为26 cm，现场按1 cm间距分割后装入不同的聚乙烯袋中，再用锡箔密封放入低温环境下避光保存。

磁学测试：样品前处理，将样品置于50℃以下低温环境烘干后，用玛瑙研磨成粉末状，称取约5 g样品用聚乙烯保鲜膜包裹后，置于10 cm3的塑料样品盒中，压实固定进行磁性测量。环境磁学实验在华东师范大学河口海岸学国家重点实验室完成，首先使用英国Bartington MS2磁化率仪测量低频（0.47 kHz）和高频（4.7 kHz）磁化率（χlf、χhf），其次选用Dtech2000交变退磁仪，将样品置于交变磁场峰值100 mT、直流磁场0.04 mT下处理获得非磁滞剩磁（ARM），利用捷克AGICO JR-6A旋转岩石剩磁测量仪进行测量，再次进行等温剩磁测量，将样品在PPMP10脉冲磁化仪中经2 T磁场磁化获得饱和等温剩磁（SIRM），然后将具有饱和等温剩磁的样品在强度300 mT的反向磁场中获得等温剩磁IRM-300mT，各步骤获得的剩磁用AGICO JR-6A测定。上述实验完成后，利用MMVFTB选择典型样品进行热磁分析，测量样品从室温加热至700℃再冷却至室温的磁化强度-温度（M-T）曲线，测量在空气环境中进行[21]。由于ARM与所加的弱直流场强（HDC=0.04 mT=31.84 Am-1）成正比，不同的HDC会造成ARM的值无法直接对比，为消除影响，将其归一化[22]，即χARM=ARM/HDC。然后根据上述测试结果计算相关磁学参数[23]：

式中，χfd%—磁化率频率百分比；χlf—低频磁化率；χhf—高频磁化率；HIRM—硬剩磁；SIRM—饱和等温剩磁；IRM-300mT—300 mT反向磁场中获得的等温剩磁。

稳定碳同位素测试：将样品冷冻干燥24 h，称取约0.5 g的样品放入离心管中，然后加10 mL的1 mol·L-1的 盐 酸 充 分 摇 均 后 静 置48 h以 去 除 无 机碳，将反应后的样品在3 500 r·min-1下离心10 min，倒掉上清液，然后加入超纯水，重复上述操作5遍将酸性样品稀释为中性，然后再将处理好的样品放在50℃的烘箱中将其烘干，称取烘干后的样品8 mg左右放入锡杯中[24-25]，在青岛海洋科学与技术国家实验室使用稳定同位素比质谱仪（IRMS）进行测试。计算公式为δ13C=[R样品/R标准-1]×1 000，其中R样品为13C/12C的相对比率，R标准为国际标准物质PDVB的碳同位素比值，实验分析结果的相对误差为±0.1‰。

210Pb-137Cs测试：称取2～5 g冷冻干燥的沉积物样品装入特定的测试样盒密封15天，然后在中国科学院南京地理与湖泊研究所使用美国EG&G Ortec公司生产的由高纯锗井型探测器（Ortec HPGe GWL）与Ortec919型谱控制器和IBM微机构成的16 k道多道分析器所组成的γ谱分析系统[26]进行测试分析。

粒度测试及镜下观察：在中国海洋大学海洋地球科学学院粒度测试分析实验室将样品充分搅匀后，采用四分法原理取样品的四分之一，在低温下烘干后称重。用标准粒级筛（粒级间隔为1ф）筛分，然后计算出各个粒级所占的百分含量。挑选全样及0.063～0.125 mm粒级的样品在体视显微镜（OLYMPUS-SZ61）下观察。

3 结果

3.1 磁学实验结果

3.1.1 磁性矿物含量

磁化率是沉积物中磁性矿物，包括亚铁磁性矿物、反铁磁性矿物、顺磁性矿物、抗磁性矿物磁化率值的总和，亚铁磁性矿物的磁化率值较高，而顺磁性矿物和抗磁性矿物的磁化率值较小或为负值，故样品磁化率一般反映了亚铁磁性矿物含量的多少[22]。柱状样的χlf为（1 315～1 781）×10-8m3·kg-1，平均值为1 597×10-8m3·kg-1，柱样中较高的磁化率均值反映了亚铁磁性矿物含量较高。SIRM不受顺磁、抗磁性物质的影响，主要由亚铁磁性矿物和不完整反铁磁性矿物贡献[27]。柱样SIRM值为（156 706～215 261）×10-6Am2·kg-1，平均值为188 536×10-6Am2·kg-1。

根据磁性综合参数，柱样可以划分为3段（图2），其中第I段（1～5 cm），χlf和SIRM值变化较小而且相对较高，表示磁性矿物含量较高；第II段（6～16 cm），χlf和SIRM值也相对较高但呈锯齿状波动变化，说明磁性矿物含量高但各层位之间存在差异性；第III段（17～26 cm），χlf和SIRM值随着深度的增加不断减小，说明磁性矿物含量有一定的减少。

3.1.2 磁性矿物粒径大小

磁性矿物的磁畴结构随晶粒大小而变化，通常分为多畴（MD，＞10μm）、假单畴（PSD，0.1～10μm）、稳定单畴（SSD，0.03～0.1μm）和超顺磁（SP，＜0.03μm）晶粒。沉积物的磁性特征随磁畴结构而改变，因此，通过磁畴可以获取磁性矿物晶粒大小信息[28]。非磁滞磁化率（χARM）一般指示样品中稳定单畴（SSD）矿物颗粒的含量[29-30]。柱样的χARM为（1 693～3 666）×10-8m3·kg-1，平均值为2 766×10-8m3·kg-1，随着深度的不断增加而逐渐减小。χARM/SIRM、χARM/χlf、SIRM/χlf的值都可以反映样品中磁性矿物颗粒的大小，其中χARM/SIRM、χARM/χlf的值和磁性矿物颗粒的粒径大小呈负相关关系，即其比值越高而磁性矿物颗粒越细。而细的磁性矿物具有较高的SIRM/χlf的值。

从图2中可知χARM/SIRM、χARM/χlf在第I段为高值，且相对稳定，磁性矿物颗粒较细；第II段既有高值又有低值，相对变化较大，既有细颗粒的磁性矿物层又有粗颗粒的矿物层；第III段随着深度的增加其值相对减小，即其磁性矿物颗粒随着深度的增加逐渐变粗。

图2 柱状样的磁学参数及其比值随深度变化曲线Fig.2 Variation of magnetic parameters and their ratios with depth

此外，频率磁化率百分比（χfd%）是超顺磁矿物颗粒相对含量的指标，柱样的χfd%值为0.09%～1.47%，说明超顺磁矿物颗粒比例很小。Day[31]等指出用Mrs/Ms和Hrc/Hc可以确定磁性矿物的粒度。根据磁学参数综合特征在各段共选择4个样品（5、8、20、23 cm），从图3上可以看出所选的几个样品的磁性矿物的粒度都落在了假单畴磁性矿物颗粒区域范围内，说明样品的磁性矿物颗粒基本上为PSD颗粒，或者是SD与MD的混合，但明显以MD颗粒为主。

图3 所选样品的Day图[31-33]SD—单畴颗粒，PSD—假单畴颗粒，MD—多畴颗粒。Fig.3 Day diagram of the selected samplesSD-Single domain particles，PSD-Pseudo-single domain particles，MDMultiple domain particles.

3.1.3 磁性矿物类型

柱样S-300的值为98.5%～99.8%，平均值为99.3%（表1），其值非常接近于1，由此可知亚铁磁性矿物主导了样品的磁性特征。SIRM/χlf可用于区分磁性矿物类型，对于低矫顽力的磁性矿物，磁黄铁矿的SIRM/χlf值很高，多为100 kA·m-1；胶黄铁矿和磁赤铁矿的SIRM/χlf值中等，主要集中于10～40 kA·m-1；而磁铁矿的SIRM/χlf值通常小于20 kA·m-1，多为10 kA·m-1[34]。从图2中可知，柱状样从上到下的SIRM/χlf值 基 本 上 都 小 于10 kA·m-1，范 围 为8～10 kA·m-1，故样品中的亚铁磁性矿物以磁铁矿为主导。

表1 柱样各段测试参数结果Table 1 Test parameters for each section of the core

由磁滞回线可以直观地确定饱和磁化强度、饱和磁化外场、饱和剩余磁化强度、矫顽力、剩磁矫顽力等磁性参数，由这些磁性参数可以确定磁性矿物的种类和粒度[35]。由图4可知样品在200 mT时，其回线就已经闭合了，而且5、8、20 cm样品的矫顽力分别为7.9、8.8、8.7 mT，均小于10 mT，剩磁矫顽力分别为29.5、29.4、30.8 mT。而单畴磁铁矿矫顽力和剩磁矫顽力的理论值分别为10和33 mT，多畴磁铁矿的矫顽力和剩磁矫顽力的理论值分别为2和15 mT，赤铁矿的矫顽力和剩磁矫顽力的理论值分别为400和700 mT[36]。由此可见，沉积物主要磁性矿物的矫顽力和剩磁矫顽力与磁铁矿较吻合，实验值比单畴磁铁矿的理论值偏低，主要原因可能与含有粗粒度的假单畴及多畴磁性矿物颗粒有关，与前面Day图所反映出来的样品磁性矿物颗粒的磁畴状态较为一致。居里温度是鉴定磁性矿物类型的方法之一[37]。从图4可以看出，所有样品的热磁曲线均显示了600℃的居里温度，指示了氧化的磁铁矿的存在。

图4 所选样品的磁滞回线（左）和热磁曲线（右）Fig.4 Hysteresis loops and thermo-magnetic curves of selected samples

3.2 稳定碳同位素（δ13C）

稳定碳同位素指标已经较为广泛地应用于南极无冰区生态环境变化的研究上。Sun等[3]对南极阿德雷岛一湖泊过去3 000年企鹅粪土沉积物的元素地球化学特征和碳同位素进行分析发现，碳同位素和生物标型元素一样可以作为企鹅粪输入的有效指标，这是因为湖泊藻类内源和企鹅外源输入的有机碳等不同碳源具有不同δ13C值，企鹅输入的有机碳δ13C低至约-30‰，而藻类有机碳δ13C仅仅略低于-10‰，基岩风化产物的δ13C值在-20‰上下波动。

由 图5可 知，本 文 柱 样 第I段 的δ13C值 为-26.8‰～-21.6‰，平均值为-23.8‰，其值较接近南极地衣和南极苔藓；第II段的δ13C值为-23.6‰～-21.5‰，平均值为-22.5‰，其值和基岩风化物、南极海藻等较为接近；第III段的δ13C值为-27.5‰～-22.0‰，平均值为-24.69‰，其值在三段中最低且和南极海洋浮游动物、新鲜的南极动物粪便相近。

图5 沉积物柱样δ13C值横线表示南极地区不同起源的有机物δ13C值的范围，据文献[38]。Fig.5δ13C value of sediment columnThe horizontal line indicates the range of δ13C values of organics of different origins in the Antarctic region,according to reference[38].

3.3 210Pb测试结果

本文由于样品量的原因未检测到137Cs的比活度，而且210Pbexc未出现理想型的活度衰变模式（图6），所以并不能根据210Pbexc计年模式（CIC模式或CRS模式）来准确计算沉积物的年龄及沉积速率，只用来判断沉积速率的相对变化情况。结合图6可知，第I段210Pbexc活度和深度呈负相关关系，说明岸滩沉积速率相对稳定；第II段柱样大致表现为在6～12 cm段210Pbexc活度较高且与深度呈正相关关系，说明岸滩沉积速率有所增加，而13～16 cm段210Pbexc活度随着深度的增加而减小，说明岸滩沉积速率又恢复到相对稳定状态；对于第III段整体呈现摆动型的下降，表明岸滩沉积环境相对动荡。

图6 210Pbexc（过剩210Pb）比活度-深度曲线Fig.6 210Pbexc（surplus 210Pb）specific activity-depth curve

3.4 粒度特征及矿物镜下观察

总的来看柱样沉积物主要由砂粒级物质组成，其含量为55.2%～98.0%，平均为78.9%。由表1可知，第I、II段的砂含量相对较高，平均值分别为82.8%、81.5%，而第III段的砂含量较上两段小，其平均值为74.4%（图2、7）。

样品的岩性特征表现为：第I段主要为黑灰色细 粒 玄 武 质 砂，在1、2、3 cm层 位 分 别 发 现约2～3根动物毛发；第II段主要为黑色至浅黄色的细砂，在其下部含有部分颗粒较大的砾石碎屑；第III段主要为浅灰色至暗黄色粒径较大的砂砾碎屑，21 cm层 位 挑 出1根 动 物 毛 发、25 cm层 位 挑出11根动物毛发和2块植物碎片、26 cm层位挑出15根动物毛发，其他层位未见有动物毛发和植物碎片（图8）。挑选3、12、21 cm层位的全样和筛分后的0.063～0.125 mm粒级的沉积物进行镜下观察（图7），从图中可以看出沉积物大多为不透明矿物，而且磁铁矿所占的比例相对较高。在3、12 cm层位中不透明矿物含量不论是全样还是0.063～0.125 mm粒级都要高于21 cm层位，其下层21 cm磁铁矿所占比例要小于3、12 cm层位。

图7 所选层位矿物组合Fig.7 Mineral comositions in selected layers

4 讨论

4.1 沉积物磁性矿物来源及强磁性原因

沉积物中磁性矿物可能来源有母岩风化作用产生的碎屑磁性矿物、盆地中原地化学沉淀作用或改造已有矿物、由生物控制或诱导生成的新矿物[39-40]。一般当χARM/SIRM的值高于200×10-5m·A-1时、χARM/χlf大于40时、χARM/χfd大于1 000时指示为菌铁磁性矿物存在[22]。从上述分析结果来看，柱样的磁学参数均远小于指示生物成因磁性矿物的阈值，样品磁性矿物的生物来源可能性不大。菲尔德斯半岛西海岸主要是由安山玄武岩组成，属于侵蚀性海岸，而且南极半岛及边缘群岛海滩和无冰区出现的大部分碎屑物质是由冻融差异作用引起基岩破碎所致[41]，结合镜下矿物鉴定可知沉积物中的主要矿物为辉石、角闪石、斜长石，并含有许多磁铁矿（图8），由此可知沉积物中磁性矿物主要来自于海岸周围安山质玄武岩岩屑，其磁性矿物主要是假单畴的磁铁矿且含有少量的赤铁矿。

图8 样品中所含的主要矿物及动植物残体Fig.8 Main minerals of the sample

前人研究表明玄武岩中磁铁矿、钛磁铁矿等的副矿物含量较高[42]，整个柱样的磁学参数较其他岩性类型沉积物偏高的原因与沉积区周围基岩的岩性类型有较高的相关关系。通过将本文和其他不同类型沉积物的磁性参数进行比较发现（表2），不论是黄河、长江和东海陆架沉积物还是南极摩西岛土壤和湖泊沉积物的磁化率、饱和等温剩磁和非磁滞磁化率均远远小于本文沉积物，但同时也可以看出印度尼西亚东部的玄武岩、安山岩的磁化率值和本文沉积物的值大致相同，甚至略高于本文。

表2 不同类型沉积物的磁学参数Table 2 Magnetic parameters of different types of sediments

4.2 磁性参数垂向变化特征及控制因素

本文根据磁学参数变化特征将柱样分为3段（图2）。

第III段（17～26 cm）：该段磁学参数整体比上两段小，且随深度增加不断减小。沉积物磁学参数一般会受到粒径大小的影响[48-49]。整个柱样的磁学参数和中值粒径呈现负相关关系（图2），磁化率和中值粒径负相关系数R2高达0.71，同时从图7中可知该段的中值粒径以及砾石含量明显大于上段沉积物，因此该段沉积物磁学参数的减小一定程度上是由于沉积物粒径增加所致。χARM/χlf和χARM/SIRM等指示磁性矿物粒径大小的参数以及χlf、SIRM指示磁性矿物含量多寡的参数随深度增加呈减小的趋势，说明磁性矿物含量不断减少，磁性矿物粒径逐渐变粗。黄婧等[1]在研究南极菲尔德斯半岛西海岸生物湾海滩阶地上海豹粪土层时，通过分析有机地球化学指标曾指出柱样的底层真菌和微生物的活动要远强于表层，刘健等[50]曾指出在铁氧化物还原阶段，碎屑成因的亚铁磁性矿物（如磁铁矿）按粒级先小后大的顺序有选择性地被溶解。在镜下发现21、25、26 cm含有一定数量的动物皮毛和植物碎片（图8），其他层位均未发现，而δ13C值可以用来追踪有机质的来源[38]，从图5可知该段δ13C值比较接近南极新鲜的动物粪便以及南极地衣、苔藓的值，这都表明该段沉积物尤其是底层沉积物一定程度受到陆源动植物有机质输入的影响。因此该段可能会出现上述溶解反应导致底部细粒磁性矿物含量减少，磁性矿物粒径变粗。该段粒度数据显示沉积物的中值粒径整体比上两段大，同时210Pb结果显示该段沉积速率相对稳定，随着海岸水动力条件加强，在波浪作用下磁铁矿等重矿物在沉积区附近被反复冲刷磨蚀，使得较粗的磁性矿物被保存下来。

第I段和第II段：χlf、SIRM指示磁性矿物含量多寡的参数值较高，说明磁性矿物含量相对较高，χARM、χARM/χlf和χARM/SIRM等指示磁性矿物粒径大小的参数也相对较高，说明柱样磁性矿物粒径较细。由于采样点位于菲尔得斯半岛西侧一级海岸阶地，对沉积环境的水动力条件变化较为敏感，由210Pb结果可知沉积速率相对于下段加快，同时样品的中值粒径较细且变化较小，表明海滩的沉积动力相对稳定，有利于细颗粒的磁性矿物保存。

5 结论

（1）柱样主要是假单畴的亚铁磁性矿物（磁铁矿）且含有少量的反铁磁性矿物（赤铁矿、针铁矿）。由于海滩基岩为玄武岩和玄武质安山岩，柱样表现出较强的磁学特征，其磁化率均值（χlf）高达1 597.1×10-8m3·kg-1，约为一般海滩磁化率值的3～4倍。

（2）根据磁学参数将其分为3段，第III段由于受到粒度增加和成岩过程中有机质分解的影响，磁学参数整体比上两段小，且随深度增加不断减小。第II段和第I段χlf、SIRM指示磁性矿物含量多寡的参数值相对较高，表明磁性矿物含量较高，指示磁性矿物粒径的磁学参数χARM/χlf、χARM/SIRM和χARM值也相对较高，表明磁性矿物颗粒较细，结合210Pb和粒度结果可知，由于沉积水动力条件相对较弱，沉积环境相对稳定，有利于细颗粒的磁性矿物快速保存下来。

致谢：感谢王双实验员、陈莹璐硕士在磁学参数测试分析过程中给予的帮助，感谢夏威岚研究员、范迪实验员在铅测年和稳定碳同位素测试方面的帮助,感谢张卫国教授给予文章的宝贵修改建议。