700年以来冲绳海槽南部黏土矿物来源及其对沉积环境的响应
2021-12-09杨娅敏曾志刚殷学博裴文强朱博文
杨娅敏, 曾志刚, 殷学博, 陈 帅, 裴文强, 朱博文
700年以来冲绳海槽南部黏土矿物来源及其对沉积环境的响应
杨娅敏1, 3, 曾志刚1, 2, 3, 4, 殷学博1, 4, 陈 帅1, 4, 裴文强1, 朱博文1, 3
(1. 中国科学院 海洋研究所 海洋地质与环境重点实验室, 山东 青岛 266071; 2. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室, 山东 青岛 266061; 3. 中国科学院大学, 北京 100049; 4. 中国科学院 海洋大科学研究中心, 山东 青岛 266071)
本文对冲绳海槽南部HOBAB4-S2站700年以来的黏土矿物组成及结晶学特征进行了研究和分析, 并对该区的物质来源以及黏土矿物所记录的东亚季风的演化历史进行了探讨。研究发现冲绳海槽南部HOBAB4-S2站黏土矿物组合总体是以伊利石(59%～77%, 平均含量69%)和绿泥石(11%～17%, 平均含量14%)为主, 蒙脱石(5%～23%, 平均含量12%)和高岭石含量(2%～6%, 平均含量4%)则相对较低。通过黏土矿物研究对物源进行分析, 发现冲绳海槽南部研究站位的黏土矿物中, 伊利石、绿泥石以及高岭石主要来自于台湾岛上的河流, 尤其是兰阳溪, 蒙脱石则主要是来自于长江和东海大陆架的悬浮再沉积。蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值可以用来大致反映长江和东海大陆架与台湾岛对研究区物质输入的相对贡献。其相对贡献量的变化很好地记录了小冰期(1405 A.D.—1850 A.D.)东亚夏季风的减弱和台湾岛东北部-冲绳海槽南部地区相对湿润的气候特征。而该比值所指示的现代暖期(1960 A.D.)夏季风强度的减弱则可能主要是受到人类活动的影响。
黏土矿物; 物源; 东亚夏季风; 冲绳海槽南部
冲绳海槽位于东海大陆架和西太平洋之间的过渡地带, 其快速连续的沉积记录了晚第四纪以来的陆源物质输入、海平面变化、气候变化以及古环境演化等信息[1], 是研究东亚古环境变化和海陆相互作用的理想靶区[2-3]。利用沉积记录进行古环境、古气候研究的前提是识别沉积物物源[3-4]。然而, 冲绳海槽尤其是海槽南部地震、火山以及热液活动频繁[5-6], 加上黑潮以及沿岸流等对物质搬运的影响, 使得本区沉积物来源异常复杂。
前人通过矿物学、元素地球化学以及沉积学等多种方法对冲绳海槽南部的沉积物物源进行了示踪[2-3, 7-9]。目前, 对晚全新世以来冲绳海槽南部的黏土沉积物物源及沉积过程的认识仍然存在较多争议, 主要分为以下两种认识: 一种观点认为自全新世中期约7.3 ka BP高海平面以来, 黑潮主轴又重新进入到冲绳海槽, 阻碍了长江和黄河等所携带的陆源沉积物的跨陆架输运, 因此台湾岛上的河流成为冲绳海槽南部沉积物主要的物源区[3, 9]。至于物源主要来自台湾岛东部河流[9]还是西部河流[3]还尚无定论。另一种观点则认为晚全新世以来除台湾岛物质来源外, 长江物质随沿岸流的输入和东海大陆架堆积物质的再悬浮输入也是该区沉积物的重要来源[10]。此外, 研究发现除了长江和台湾岛的物源输入之外, 可能还有亚洲风尘以及吕宋岛弧物质的贡献[11]。因此, 亟需高分辨率的沉积物岩芯样品以及可靠的物源指标来更加准确地识别冲绳海槽南部沉积物的来源。
黏土矿物是指母岩经风化和成壤作用形成的<2 μm的颗粒, 广泛分布在海洋中, 是深海沉积物的主要组成部分[12]。受原岩性质、岩石风化程度、构造运动以及气候变化等因素的影响, 黏土矿物组合会产生相应的变化。因此, 可以通过黏土矿物组合判别其物质来源[13]。近年来, 黏土矿物已被广泛应用于多个海区的沉积物源研究中[14]。此外, 黏土矿物组合还记录了搬运、再沉积以及环境演化等重要信息, 为研究晚全新世以来的古海洋、古环境演化, 提供了新的思路[15-16]。
本文主要通过对冲绳海槽南部近千年来黏土矿物的分析, 利用4种黏土矿物(蒙脱石、伊利石、绿泥石以及高岭石)组合特征与含量变化, 探讨海槽南部沉积物的来源及其对环境变化的指示。
1 区域概况
冲绳海槽是位于琉球岛弧和东海大陆架之间的西边缘海盆地。南北长约1 200 km, 东西宽约100～ 150 km, 形状上为一狭长的带状地堑[17]。水深自海槽北部向南部不断增加, 南部最深可达2 000 m以上。该区洋流系统较为复杂, 其中最主要的洋流是黑潮。黑潮是西太平洋北赤道暖流的北向分支, 经吕宋岛东部、台湾岛东部向冲绳海槽北部流动, 最后终止于日本海沿岸附近。它是低纬度向中高纬度输送大量水汽和能量的重要洋流[18], 影响着全球和区域气候的变化[19]。在台湾岛以东区域, 黑潮的最大流速约为150 cm/s, 水体宽度为125～170 km, 水深约为500 m[20]。当黑潮在台湾岛东北沿岸向北流动时, 遇到陆架坡折带, 黑潮的流向会发生偏转[21], 主流沿着陆架坡折带向东北方向流动, 而部分黑潮则流向西南, 在棉花峡谷上方形成反向涡流[22], 这些反向涡流会影响悬浮颗粒的运移和沉积。冲绳海槽周边的陆地河流对其贡献了大量沉积物质。长江的年径流量为4.7×108t[23], 台湾岛上的河流总的年径流量为4.36 ×1010m3左右, 年输沙量约为2.63×108t。其中, 兰阳溪平均每年向冲绳海槽南部的径输入量为6×106～9×106t[24-26]。
研究区气候主要受东亚季风系统的控制, 其中降水、气温以及大气环流都呈现出明显的季节性波动特征[9, 27-28]并影响研究区的水文环境以及洋流的变化[3, 9, 27]。东亚季风主要由湿润的东亚夏季风和干燥的东亚冬季风组成[28-29], 夏季时, 东南风携带着来自太平洋温暖潮湿的气流向中国大陆和台湾岛移动, 丰富的季风降水会导致台湾岛上的河流径流量增加[30-33], 进而导致入海沉积物通量增加。冬季则相反, 盛行的西北风将欧亚大陆的干冷气流带到太平洋, 使气候变得相对干冷。季风气候的季节性波动不仅会导致冲绳海槽的水文状况发生显著的变化, 同时也对黑潮的强度产生重要的影响[9, 27, 34], 主要表现为: 夏(冬)季时, 以东亚夏(冬)季风为主, 风会在热带太平洋区域形成负(正)的风应力旋度, 使得北赤道流分支点向南(北)偏移, 导致黑潮强度增加(减弱)[35-36]。
2 研究材料与方法
2.1 研究材料
沉积物岩芯HOBAB4-S2(24°52′49.9″N, 122°37′19.7″E, 水深1 505 m)由中国科学院海洋研究所“科学号”考察船于2016年5月在冲绳海槽南部通过重力取样器获得, 岩芯全长4.77 m。分析表明, 岩性主要以泥质粉砂岩为主, 偶见几厘米到十几厘米不等的砂质粉砂夹层。显微镜下鉴定显示, 沉积物主要由黏土矿物、石英、云母、长石、有孔虫、少量的硅质放射虫以及黄铁矿等硫化物颗粒组成①YANG Y, ZENG Z, LIU X, et al. Fine-grained turbidites in the southern Okinawa Trough and its implication for earthquakes activity in the past 700 years[J]. Geological Journal, 2021, Under Revision.。在实验室内对岩芯以1 cm间隔进行取样, 共获得了474个样品。
2.2 研究方法
2.2.1 AMS14C测年
为建立较为可靠的沉积地层年代框架, 本文选取6个沉积层位的浮游有孔虫(,和)进行AMS14C测年分析, 测试工作在美国Beta实验室完成。根据Marine 13的标准利用CALIB 7.0软件将测试获得的14C年龄进行日历年龄的校正。为消除区域性海洋储库效应, 本文采用日本南部Ishigaki岛上的珊瑚确定的Δ=35±25[26, 37]进行了放射性碳年龄的校正, 并利用OxCal 4.4建立了HOBAB4-S2站位的地层年代模型。
2.2.2 黏土矿物分析
本文共对125个黏土粒级矿物样品(<2 μm)进行了定向薄片的X射线衍射(XRD)分析。样品测试前先加入15 %的H2O2和25 %醋酸, 以除去沉积物中的有机质和碳酸盐, 随后加入去离子水清洗离心2遍[7-8]。根据Stoke沉降原理提取小于2 μm的悬浮液, 利用涂片法制成定向薄片, 自然风干。上机测试前先将薄片在60 ℃恒温乙二醇蒸汽中饱和处理12 h, 测试是在中国科学院海洋研究所海洋地质与环境重点实验室完成, 所用仪器是产自德国的D8 A.D.VANCE型X射线衍射仪, 工作条件为: CuKα 辐射, 40 kV电压, 40 mA电流。每个样品分别扫描两次, 第一次扫描角度(2)为3°～30°, 步长0.02°, 第二次扫描角度则为24°～26°, 步长为0.01°。
通过对比自然片、乙二醇饱和片的X射线衍射图谱, 识别出黏土矿物种类。利用Topas 2P软件对主要的衍射峰进行拟合。然后根据Biscayer的方法[38], 将乙二醇饱和片衍射图谱上蒙脱石(17 Å, (1 Å=10–10m))、伊利石(10 Å)和高岭石+绿泥石(7 Å)的衍射峰的峰面积作为基础数据, 按照1︰4︰2的权重因子计算出4种黏土矿物(蒙脱石、伊利石、绿泥石和高岭石)的相对含量。之后再利用3.54 Å/3.58 Å的衍射峰面积的比值确定绿泥石和高岭石的含量。伊利石的化学指数(Esquevin-Index)由乙二醇饱和片衍射图谱上5 Å/10 Å的峰面积比计算获得[39], 可用来指示不同的风化程度。当指数大于0.5, 代表的是经过强烈风化水解作用所形成的富Al的伊利石; 而当指数小于0.5, 则代表物理剥蚀作用形成的富Fe-Mg的伊利石[40]。伊利石的结晶度则根据衍射图谱上10 Å衍射峰的半高宽(FWHM)来确定, 蒙脱石的结晶度由17 Å衍射峰处的FWHM确定。其中FWHM值越小, 表示结晶度越好。
3 结果
沉积物岩芯HOBAB4-S2的黏土矿物自然片、乙二醇饱和片的X-射线衍射图谱中可以识别出蒙脱石、伊利石、绿泥石和高岭石4种黏土矿物组合(图1)。
图1 HOBAB4-S2 岩芯中典型的黏土矿物X-射线衍射图谱(16～17 cm)
黏土矿物组成及其结晶学的参数随深度的变化如图2所示。黏土矿物主要由伊利石和绿泥石组成, 其次是蒙脱石和高岭石。伊利石和绿泥石的含量为59%～77%和11%～17%, 平均含量分别为69%和14%。而含量较少的蒙脱石和高岭石的变化范围为5%～23%和2%～6%, 平均含量分别为12%和4%。此外, 岩芯中伊利石结晶度相对较小, 变化范围为0.21°～ 0.35°Δ2, 平均值为0.26°Δ2(<0.4), 指示其伊利石结晶度极好; 蒙脱石结晶度为0.52°～1.81°Δ2, 平均值为1.35°Δ2, 指示蒙脱石结晶度为中等—好。伊利石的化学指数在0.29～0.57之间, 平均值为0.41(<0.5), 代表的是经过物理剥蚀作用所形成的富Fe-Mg的伊利石[8, 39, 41]。
在中世纪暖期后期1326 A.D.—1405 A.D., 蒙脱石呈现略升高的特征, 而伊利石含量随时间变化表现为逐渐降低, 高岭石和绿泥石则呈现出先升高后降低的趋势(图2)。而在小冰期时期1405A.D.—1850 A.D., 沉积物中的蒙脱石整体呈现出逐渐降低的趋势, 而伊利石则显示出升高的变化, 高岭石和绿泥石变化范围相对较小, 且在同一时期两者基本表现出相反的变化趋势(图2)。值得注意的是, 在1670A.D.—1750 A.D.左右, 蒙脱石含量出现最低值, 而伊利石含量在该时期则表现为最大值, 且伊利石化学风化指数则发生明显降低。而现代暖期1850 A.D.以来, 蒙脱石随着时间的变化相继呈现出先升高、后降低的变化趋势, 相反伊利石的变化曲线则表现为先降低后升高。高岭石和绿泥石变化波动不大, 绿泥石整体呈现出升高的趋势, 而高岭石正好相反, 呈现略降低的趋势。伊利石的化学风化指数和结晶度在该时期表现为逐渐增大的特征。
图2 沉积物岩芯HOBAB4-S2 的黏土矿物组合(蒙脱石、伊利石、高岭石和绿泥石)、伊利石化学指标、伊利石结晶度以及蒙脱石结晶度等参数随深度的变化图
注: 粗实线为局部加权回归曲线
4 讨论
4.1 黏土矿物物源分析
冲绳海槽南部位于边缘海盆地, 其沉积物主要来自周围河流的输入, 台湾岛上的河流、长江等均为其潜在物源。此外, 由于东海大陆架距离研究站位较近, 其沉积物经再悬浮搬运也可能对研究区内的物质组成有一定贡献。尽管中国大陆风尘输入也可能为研究区沉积物贡献了部分物质, 但考虑到研究区较高的沉积速率, 以及周边众多河流物质的巨量输入[42], 风尘物质对研究区的贡献可以忽略不计。受控于气候、基岩以及构造运动等因素的影响, 不同河流输入的沉积物中黏土矿物含量存在明显差异(表1)。台湾岛地层中广泛分布着第三纪沉积岩以及变质岩(板岩、千枚岩), 由于地形陡峭、构造活动频繁、台风频发[43], 气候又非常温暖潮湿, 使得本区具有较高剥蚀率, 导致其出露的岩石主要遭受物理风化作用[44]。因此, 台湾岛地区沉积物具有相对较高的伊利石和绿泥石含量, 而高岭石和蒙脱石的含量则很低[9, 43, 45-46]。长江由于气候较暖湿, 且构造活动较稳定, 所以源区母岩化学风化程度要强于台湾岛上的河流, 因此长江端元黏土矿物较台湾岛端元含有更多的蒙脱石和高岭石[47-49](表1)。东海大陆架伊利石+绿泥石含量稍高于长江, 而蒙脱石含量与长江的相当或稍高, 高岭石/绿泥石和蒙脱石/伊利石比值相对于台湾岛上的河流一般较高。为进一步限定HOBAB4-S2岩芯中的沉积物来源, 利用(高岭石+蒙脱石)-绿泥石-伊利石三角图(图3a)和蒙脱石/伊利石-高岭石/绿泥石比值投点图(图3b)与潜在物源端元进行对比分析。
表1 HOBAB4-S2岩芯中黏土矿物组合及潜在的沉积物源区
注: 表中所引用的黏土矿物数据用Biscaye方法[38]校正过
图3 研究区样品及相关海域河流沉积物黏土矿物潜在的物源区, 包括长江[51, 53-54], 东海大陆架[52], 台湾岛上的河流(西部和东部河流)[43]以及台湾岛兰阳溪[43, 50]
在黏土矿物(伊利石+绿泥石)-高岭石-蒙脱石三角图解上, 黏土矿物样品投点主要落在台湾岛上的河流、东海大陆架以及长江范围之内, 且靠近台湾岛上的河流(图3a)。其中, 沉积物中蒙脱石含量相对较高, 为5%～23%, 平均值达12%左右, 明显高于台湾岛上的河流表层沉积物中的蒙脱石含量(0～1%)[43, 50], 因此推测该站位蒙脱石并非主要来自于台湾岛上的河流, 可能有来自长江和东海大陆架蒙脱石的加入。研究还发现HOBAB4-S2样品中蒙脱石结晶度为0.52°～1.81°Δ2, 平均值为1.36°Δ2, 与长江入海口表层沉积物中的蒙脱石结晶度相当(1.30°～ 1.44°Δ2)[51, 53], 推测长江物质可能是研究区蒙脱石的重要物源。尽管前人认为自～7.5 ka高海平面以来, 由于长江河口与冲绳海槽之间的距离增加, 以及黑潮活动的增强, 阻断了长江物质向外海的跨陆架输运, 认为研究区全新世以来物源全部来自于台湾岛上的河流[3, 9]。但其实黑潮并未完全阻断长江物质的跨陆架输运, 长江每年排放约470 Mt的沉积物至东海大陆架[23], 其中很大一部分被潮汐或者长江沿岸流携带搬运至台湾海峡附近[55], 随后受到海峡中部高地形的阻隔以及由南向北的台湾暖流的影响, 沿岸流转向陆架并将大量的沉积物运移至陆架[56]。黑潮在进入冲绳海槽后, 由于受到海槽北部陆坡的阻隔, 会在棉花峡谷、北棉花峡谷的上方形成一反向涡流[22], 不断侵蚀以长江物质组成为主的东海大陆架的东南部[57], 东海大陆架在受到侵蚀后, 其沉积物经再悬浮不断向冲绳海槽南部搬运并沉积, 这也已通过沉积物中的稀土元素分析得到证实[10]。此外, 冲绳海槽南部-台湾岛东部海域火山活动频繁, 岩石类型以玄武岩和流纹岩为主[17], 其化学风化也可能为研究区提供部分蒙脱石。但由于在海底缺氧以及相对低温的环境下, 火山物质较难被风化为蒙脱石[58]。而且沉积物岩芯中蒙脱石含量高的层位也并未发现有火山物质, 因此我们认为原位基性火山物质蚀变可能并不是造成研究区蒙脱石含量高的原因。尽管吕宋岛也具有高含量的蒙脱石[59], 但考虑到吕宋岛距离研究区较远(>200 km), 其对冲绳海槽南部的沉积物贡献可能非常有限, 且海槽南部沉积物的εNd(–11.84～–10.78)和87Sr/86Sr比值(0.719 956～ 0.725 072)[3]与吕宋岛弧火山岩中的值(εNd = –6.1～+9.5,87Sr/86Sr=0.703 35～0.706 22)[60]明显不同, 也证实了该观点。综上, 我们认为长江和东海大陆架侵蚀再沉积物质的加入可能是研究区沉积物中蒙脱石含量相对较高的主要原因。
研究区HOBAB4-S2样品沉积物中伊利石+绿泥石含量(85%)明显低于台湾岛上的河流中的含量(97%)。伊利石化学指数平均值为0.41(0.29～0.57)为富Fe-Mg的伊利石, 经历了较为快速的物理剥蚀作用。该指数与台湾岛西部河流(0.4)以及台湾岛东部兰阳溪(0.45)中的伊利石化学指数相当, 均明显低于台湾岛东部其他河流(0.51)以及长江中的伊利石化学指数(0.62～0.72)[51, 53-54], 指示其主要来自于台湾岛兰阳溪以及西部河流, 而台湾岛东部其他河流以及长江贡献相对较少。样品伊利石结晶度极好(0.21°～0.35°Δ2, 平均值为0.26°Δ2)与兰阳溪(0.30°Δ2)较为接近[43, 50], 而稍低于台湾岛西部河流(0.35°Δ2)[43, 53], 指示其矿物可能经历搬运、快速沉积的过程, 化学风化和水解作用不充分。因此, HOBAB4-S2岩芯中伊利石主要是来源于台湾岛上的河流尤其是兰阳溪。由于冲绳海槽西南端靠近兰阳溪, 台湾岛地区丰富的降雨以及陡峻的地形, 导致山脉的剥蚀速率非常高, 每年有1.0×107t的冲积物通过兰阳溪向宜兰外海输入[43], 也侧向说明其是重要物源。
绿泥石是风化作用的初始产物, 和伊利石的形成环境类似。HOBAB4-S2样品中绿泥石含量为11%～17%, 平均值为14%, 稍高于长江入海口处的绿泥石含量(13%～14%), 而与兰阳溪(17%)中的绿泥石含量较为接近, 说明兰阳溪可能是研究区沉积物中绿泥石的一个重要源区。此外, 黏土矿物组合变化曲线显示绿泥石与伊利石随时间变化具有良好的一致性(图2), 表明其可能与伊利石来自相同的源区-兰阳溪。尽管有研究认为台湾暖流可以将台湾岛西部河流中的沉积物向西北携带输运至冲绳海槽南部沉积[61], 但其沉积物输运量还尚需进一步的研究, 西部河流对冲绳海槽南部黏土矿物的贡献量可能十分有限。所以, 综合分析我们认为台湾岛上的河流尤其是兰阳溪是研究区沉积物中伊利石和绿泥石的主要物源, 其次可能有少量的台湾岛西部河流的加入。
高岭石是铁镁质岩石在温暖湿润气候条件下发生强烈水解作用的产物, 源区沉积物中高岭石含量指示其化学风化的强弱[62]。冲绳海槽南部HOBAB4-S2站位高岭石含量较低, 为2%～6%, 平均值为4%, 而长江中的高岭石含量较高(14%～15%), 兰阳溪中的高岭石含量(6%)较为接近。此外, 高岭石遇到碱性的海水会因为发生絮凝作用而发生沉降, 易在河口沉积[63], 不易被远距离迁移。因此, 冲绳海槽南部HOBAB4-S2站位样品中的高岭石可能主要来自兰阳溪。
综合以上冲绳海槽南部沉积物黏土矿物来源的分析, 认为该研究区沉积物中的蒙脱石主要是来长江和东海大陆架上再悬浮物质的输入。伊利石和绿泥石以及高岭石主要是来自台湾岛兰阳溪, 也可能有部分台湾岛西部河流来源物质的加入。
4.2 古环境响应
研究表明, 黏土矿物的组成、含量和结晶学特征不仅可以用来指示沉积物中细粒组分的物质来源, 还可以反映沉积物源区气候环境的信息[64]。本研究利用沉积物岩芯反映了该区700 a以来的沉积记录, 时间跨度较短, 风化作用对沉积物中黏土矿物组合的影响相对较小, 因此黏土矿物参数的变化可能主要受控于沉积物物源输入的变化。
由于黏土矿物含量是相对变化的, 为了进一步消除黏土矿物间的稀释效应, 利用黏土矿物组合及其比值指示环境的变化[16]。黏土矿物物源分析表明, HOBAB4-S2孔中伊利石和绿泥石主要是来源于台湾岛上的河流-兰阳溪, 可将其代表台湾岛来源物质端元。蒙脱石则主要来自长江和东海大陆架受到黑潮侵蚀悬浮再沉积。因此, 蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值大致代表了长江/东海大陆架与台湾岛对研究区物质输入的相对贡献。而东海大陆架物质的输入则主要受控于黑潮强度, 黑潮越强, 其对东海大陆架侵蚀和再悬浮搬运能力越强, 其对研究区的物质输入也就越多。而黑潮则主要受控于夏季风强度变化[34, 65],因此长江/东亚大陆架物质的输入与东亚夏季风强度呈正相关关系。而研究区的伊利石和绿泥石的含量主要由兰阳溪等台湾岛上的河流贡献[42], 其输入量大小也取决于台湾岛当地的降雨量, 研究表明, 当夏季风增强时, 华南和台湾岛地区降雨量反而减少[66], 因此, 台湾岛上的河流向研究区的物质输入量与夏季风强度呈反相关关系。基于此, 蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值可大致反映东亚夏季风的强度, 比值升高, 则夏季风强度增强, 反之, 则减弱。
将蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值(图4A)和董哥洞δ18O曲线[67]图4B将相对比, 发现两者之间具有十分相似的变化趋势, 并识别出两个东亚夏季风减弱阶段: 1405 A.D.—1850 A.D.和1960 A.D.以来。小冰期(1405 A.D.—1850 A.D.)呈现出夏季风强度减弱的趋势(图4A), 这也与周秀骥等数值模拟结果一致[68]。1405 A.D.—1850 A.D.董哥洞δ18O曲线显示该时期为寒冷期, 蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值也表现为低值, 表明夏季风强度在此阶段减弱, 黑潮强度也因此减弱[69], 侵蚀东海大陆架再沉积的物质相对减少, 同时由于夏季风强度减弱, 季风雨带难以向北移动, 降水多集中在华东、台湾岛东北部[70](图4C), 利于兰阳溪携带更多台湾岛的物质向冲绳海槽南部输送, 海槽中台湾岛来源的沉积物明显增多, 这也通过沉积物中的总有机碳(TOC)含量得到证实[71](图4D)。该期季风强度的减弱认为可能与热带辐合带南移(ITCZ)有关[72]。此外, 1960 A.D.以来, 蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值为低值, 说明此时夏季风较弱, 这与现代气候要素观测结果相一致[73]。该时期季风气候减弱的原因认为可能是受人类活动影响气溶胶排放量增加[74], 导致热带海温异常增温有关。
图4 700年以来黏土矿物参数变化及其环境影响因素指标对比
注: HOBAB4-S2孔物源指标A曲线分别代表蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值; 环境指标B—D分别为董哥洞石笋δ18O曲线[67]; 冲绳海槽南部MD05-2908孔中淡水硅藻所占百分比[70]; 中国台湾岛东部黑潮区沉积物中总有机碳(TOC)含量百分比[71]; MWP: 中世纪暖期; LIA: 小冰期; CWP: 现代暖期
5 结论
本文对冲绳海槽南部HOBAB4-S2站位的岩芯样品进行了黏土矿物分析, 并与周围的潜在物源区的黏土矿物进行了对比, 同时对700 a以来冲绳海槽南部地区物质来源以及环境变化进行了探讨, 基本得出以下几点结论:
(1) HOBAB4-S2站位沉积物黏土矿物主要由伊利石、绿泥石以及少量的蒙脱石和高岭石组成。伊利石结晶度变化范围为0.21°～0.35°Δ2, 平均值为0.26°Δ2, 指示其结晶度极好。伊利石化学指数为0.29～0.57, 平均值为0.41, 主要是经物理剥蚀作用形成的富Fe-Mg伊利石。
(2) 岩芯黏土矿物特征与周围潜在物源区对比分析表明, 蒙脱石主要是来自长江/东海大陆架悬浮再沉积物质。而伊利石、绿泥石和高岭石则主要是来自台湾岛上的河流, 尤其是兰阳溪。
(3) 蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值代表了长江和东海大陆架输入与台湾岛物源相对贡献量的变化, 可大致反映东亚夏季风的强弱变化。该指标变化显示出东亚夏季风强度在小冰期(1405 A.D.—1850 A.D.)减弱, 指示当时气候相对湿润强降雨的环境, 结果可以与董哥洞石笋δ18O记录很好对比。此外, 该指标还显示1960 A.D.以来夏季风强度也发生明显减弱, 可能是与人类活动影响有关。
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Sediment provenance and its response to the paleoenvironment in the southern Okinawa Trough over the past 700 years
YANG Ya-min1, 3, ZENG Zhi-gang1, 2, 3, 4, YIN Xue-bo1, 4, CHEN Shuai1, 4, PEI Wen-qiang1, ZHU Bo-wen1, 3
(1. Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Laboratory for Marine Mineral Resources, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266061, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)
The clay mineral composition and crystallographic characteristics of core HOBAB4-S2 from the southern Okinawa Trough (SOT) over the past 700 years were studied and analyzed in this paper using x-ray diffraction. In addition, the sediment provenance and the history of the East Asian monsoon recorded by clay minerals in this area were discussed. It was found that the clay mineral assemblages in the SOT were mainly composed of illite (59%～77%, mean 69%), chlorite (11%～17%, mean 14%), minor smectite (5%～23%, mean 12%), and kaolinite contents (2%～6%, mean 4%). The provenance analysis of clay minerals showed that illite, chlorite, and kaolinite were mainly from rivers in Taiwan island, especially the Lanyang River, while smectite was mainly from the suspended re-deposition of the Yangtze River and the East China Sea shelf. The smectite/(illite + chlorite) ratio can be used to roughly reflect the relative contribution of the Yangtze River, East China Sea shelf, and Taiwan island to the sediment input of the SOT. The variation of its relative contribution reflects the weakening of the East Asian summer monsoon well during the Little Ice Age (1405 A.D.−1850 A.D.) and the relatively wet climate in the SOT-northeast Taiwan island. In contrast, the weakening of the summer wind intensity during the modern warm period (1960 A.D.) indicated by this ratio may have been mainly influenced by human activities.
clay minerals; sediment provenance; East Asian summer monsoon; southern Okinawa Trough
Jan. 3, 2021
736.4
A
1000-3096(2021)11-0042-12
10.11759/hykx20210103002
2021-01-03;
2021-03-28
国家自然科学基金(91958213); 全球变化与海气相互作用专项(GASI-GEOGE-02); 中国科学院国际合作局对外合作重点项目(133137KYSB20170003); 大洋“十三五”深海资源潜力评估项目(DY135-G2-1-02); 泰山学者工程专项(ts201511061); 国家重点基础研究发展计划(973计划)项(2013CB429700)
[National Natural Science Foundation of China, No. 91958213; National Program on Global Change and Air-Sea Interaction, No. GASI-GEOGE-02; International Partnership Program of the Chinese Academy of Sciences, No. 133137KYSB20170003; National Special Fund for the 13th Five Year Plan of COMRA, No. DY135-G2-1-02; Special Fund for the Taishan Scholar Program of Shandong Province, No. ts201511061; National Key Basic Research Program of China, No. 2013CB429700]
杨娅敏(1990—), 女, 博士研究生, 主要从事海洋沉积学研究, E-mail: yanngyalem13@mails.ucas.ac.cn; 曾志刚(1968—),通信作者, 博士生导师, 研究员, 主要从事海底热液活动研究, E-mail: zgzeng@ms.qdio.ac.cn
(本文编辑: 赵卫红)
