全新世高海平面以來(lái)東海陸架泥質(zhì)沉積的東亞季風(fēng)記錄

葛 倩, 劉敬圃, 初鳳友, 薛 佐, 劉春秋

(1. 國(guó)家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 國(guó)家海洋局第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012; 2. Department of Marine, Earth and Atmospheric Sciences, North Carolina State University, Raleigh, NC 27695, USA)

全新世高海平面以來(lái)東海陸架泥質(zhì)沉積的東亞季風(fēng)記錄

The records of the East Asian monsoon from mud area on the East China Sea shelf since the Holocene sea-level highstand

葛 倩1, 劉敬圃2, 初鳳友1, 薛 佐2, 劉春秋1

(1. 國(guó)家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 國(guó)家海洋局第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012; 2. Department of Marine, Earth and Atmospheric Sciences, North Carolina State University, Raleigh, NC 27695, USA)

東亞季風(fēng)作為全球大氣環(huán)流的重要組成部分,不僅深刻地影響和控制著中國(guó)的氣候[1-2], 在全球氣候系統(tǒng)中也占有重要的分量, 所以對(duì)于東亞季風(fēng)演化歷史的研究具有十分重要的意義。而全新世作為地質(zhì)時(shí)代的最新階段, 其氣候變化與人類社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著非常密切的聯(lián)系, 因此全新世以來(lái)東亞季風(fēng)的演變歷史具有極為重要的研究意義。從大尺度上來(lái)看, 相對(duì)于末次冰期的大幅度氣候波動(dòng), 全新世的氣候通常被認(rèn)為是穩(wěn)定的[3-5]。然而, 最近的十多年來(lái), 學(xué)者通過(guò)研究不同的載體發(fā)現(xiàn), 全新世氣候波動(dòng)幅度遠(yuǎn)比想象中的要大[6-8]。冰芯[9-12]、泥炭[13-14]、石筍[15-17]、湖泊沉積物[18-21]等均被用于全新世古氣候的研究, 分辨率也越來(lái)越高, 有的已經(jīng)達(dá)到十年際或者年際尺度, 甚至更高。目前, 隨著取樣技術(shù)和測(cè)年手段的改進(jìn), 古海洋學(xué)研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,南海陸坡沉積物已達(dá)到了 20a等級(jí)的分辨率[22-23],但是與陸地載體相比仍有一定的差距。因而, 尋找更高分辨率的海洋載體就顯得尤為迫切。一些學(xué)者將目光轉(zhuǎn)向了東海的淺水陸架區(qū), 以期找到突破口。

東海陸架是世界上最為寬闊的陸架之一, 該陸架在砂質(zhì)沉積區(qū)的背景下分布著呈斑塊狀出現(xiàn)的近岸泥質(zhì)沉積區(qū)和遠(yuǎn)端濟(jì)州島西南泥質(zhì)沉積區(qū), 這些泥質(zhì)區(qū)主要形成于全新世高海平面以來(lái)(～ 7.0 ka B.P.)[24],沉積環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定。其中近岸泥質(zhì)區(qū)是長(zhǎng)江入海沉積物的堆積區(qū), 具有很高的沉積速率(最高可達(dá) 5.4 cm/a[25], 一般站位也有1 ～ 3 cm/a[26-27]), 而濟(jì)州島西南泥質(zhì)區(qū)來(lái)源于蘇北老黃河口的水下三角洲再懸浮泥沙, 也有較高的沉積速率。東海受東亞季風(fēng)影響亦十分明顯, 冬季偏北風(fēng)盛行, 夏季西南季風(fēng)盛行, 冬季風(fēng)驅(qū)動(dòng)?xùn)|海沿岸流形成重要的環(huán)流體系, 為高分辨率全新世東亞季風(fēng)演變的研究提供了很好的載體。以往對(duì)海洋沉積物的研究認(rèn)為, 泥質(zhì)沉積物主要來(lái)自河流輸入,河流輸入強(qiáng)度在某種程度上可以直接指示夏季風(fēng)的強(qiáng)度。強(qiáng)盛的夏季風(fēng)帶來(lái)的暖濕氣流有利于降雨的形成和土壤的發(fā)育, 致使河流攜帶大量陸源碎屑入海[28]。但是前人[29-31]對(duì)于東海陸架泥質(zhì)沉積區(qū)的研究卻發(fā)現(xiàn)這之間的關(guān)系并非如此。東海陸架的泥質(zhì)沉積物主要來(lái)自長(zhǎng)江(黃河)的懸浮體, 由冬季沿岸流以懸移方式輸運(yùn)而沉積[31]。夏季長(zhǎng)江(黃河)攜帶的物質(zhì)主要沉積于長(zhǎng)江(黃河)口門及其附近區(qū)域, 冬季在強(qiáng)烈的冬季風(fēng)驅(qū)動(dòng)下, 南下的沿岸流將夏季沉積的物質(zhì)再懸浮, 再搬運(yùn), 然后在河口的南部沉降[32]。由于東海懸浮體存在著“夏儲(chǔ)冬輸”的季節(jié)性輸運(yùn)格局[30-33], 決定了到達(dá)泥質(zhì)區(qū)的沉積物主要由冬季沿岸流的強(qiáng)度控制。本文對(duì)近年來(lái)發(fā)表的東海陸架泥質(zhì)沉積區(qū)的全新世東亞季風(fēng)演化研究進(jìn)行綜述, 其中包括浙閩陸架泥質(zhì)區(qū)的PC-6[31-35]、DD2[36-37]、30[38]、EC2005[39-40]和MD06-3040孔[41-42]以及濟(jì)州島西南泥質(zhì)區(qū)的 B2[43]和FJ04孔[44](圖1), 以全新世大暖期、隋唐暖期、中世紀(jì)暖期和小冰期等幾個(gè)重要的氣候變化階段為軸,整理出全新世高海平面以來(lái)東海陸架泥質(zhì)沉積的東亞季風(fēng)演化記錄。

圖1 東海陸架泥質(zhì)沉積區(qū)站位圖Fig. 1 Location of cores from mud area on the East China Sea shelf

1 全新世大暖期

從末次冰期進(jìn)入全新世, 氣溫升高, 東亞季風(fēng)增強(qiáng), 降雨增多, 整體基調(diào)為溫暖濕潤(rùn), 但是在大約8.2 ka B.P., 出現(xiàn)了一次非常明顯的降溫事件[6]。而經(jīng)過(guò)8.2 ka B.P.冷事件的震蕩之后, 全新世進(jìn)入一個(gè)總體較為溫暖的時(shí)期, Hafsten[45]將此定義為全新世大暖期(Holocene Megathermal), 并指出它主要發(fā)生在8.2 ～ 3.5 ka B.P.。吳錫浩等[46]和 An 等[47]將全新世濕度最大值出現(xiàn)的時(shí)期稱為全新世氣候適宜期(Holocene Optimum), 也就是全新世大暖期。而施雅風(fēng)等[11]將中國(guó)全新世大暖期限定在8.5 ～ 3.0 ka B.P.,并將其分為4個(gè)階段： 8.5 ～ 7.3 ka B.P.為溫度不穩(wěn)定,由暖變冷階段; 7.2 ～ 6.0 ka B.P.為穩(wěn)定溫?zé)釟夂? 即全新世大暖期的鼎盛階段; 6.0 ～ 5.0 ka B.P.為氣候波動(dòng)激烈, 環(huán)境較差階段; 5.0 ～ 3.0 ka B.P.為溫度波動(dòng)緩和氣候。

肖尚斌等[35]對(duì)位于東海內(nèi)陸架浙閩沿岸泥質(zhì)沉積區(qū)的PC-6孔(圖1)進(jìn)行了AMS14C年齡測(cè)試和粒度分析, 提取出對(duì)沉積環(huán)境敏感的粒級(jí), 并以此來(lái)反映東亞古季風(fēng)的演化歷史(圖 2)。根據(jù)對(duì) PC-6孔的研究, Xiao等[31]認(rèn)為穩(wěn)定的泥質(zhì)沉積大約形成于7.6 ka B.P., 而對(duì)于粒徑分析發(fā)現(xiàn),7.6 ～ 5.1 ka B.P.處于一個(gè)夏季風(fēng)相對(duì)較強(qiáng), 而冬季風(fēng)并不太強(qiáng)盛的時(shí)期, 體現(xiàn)的是全新世大暖期的鼎盛階段[35]。但在其中還是記錄了 6.0 ka B.P.前后三次較強(qiáng)的冬季風(fēng)活動(dòng)期, 即 6 050 a B.P., 5 880 a B.P.和 5 770 a B.P.(圖2)。這些冬季風(fēng)增強(qiáng)的記錄在格陵蘭冰芯[48]、金川泥炭[14]以及紅原泥炭[49]中有相對(duì)應(yīng)的降溫指示。但是需要指出的是, 對(duì)于全球第 2次新冰期(約 5.6 ～5.3 ka B.P.), PC-6孔卻呈現(xiàn)出了完全相反的狀況, 冬季風(fēng)強(qiáng)度幾乎減至最弱。與其類似, 該時(shí)期沖繩海槽北部不但沒(méi)有降溫, 反而為一段溫暖期[50]。而徐方建等[40]對(duì)于 EC2005孔進(jìn)行高分辨率的粒度分析發(fā)現(xiàn) 5.9 ～ 5.2 ka B.P.的 700 a間存在東亞冬季風(fēng)的10次增強(qiáng)記錄, 與GRIP氧同位素的揭示的冷期有著良好的對(duì)應(yīng)。而這些中全新世冬季風(fēng)變化存在著62,11, 6和5 a的周期性, 分別對(duì)應(yīng)著太陽(yáng)活動(dòng)和ENSO周期[40]。

圖2 PC-6孔粒度序列(據(jù)肖尚斌等[35])Fig. 2 Grain-size time series of core PC-6 (after Xiao et al[35])

同時(shí), 肖尚斌等[35]還發(fā)現(xiàn)從5.1 ka B.P.開(kāi)始, 冬季風(fēng)顯著增強(qiáng), 且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)而穩(wěn)定。在4610 a B.P.前后出現(xiàn)了近 7.6 ka以來(lái)最強(qiáng)的冬季風(fēng)信號(hào), 其后又在 3.5 ka B.P.發(fā)現(xiàn)了全球性的東亞冬季風(fēng)增強(qiáng)記錄(圖2), 這與格陵蘭冰芯[48]、青海湖沉積物[51]、紅原泥炭[49]以及金川泥炭[13-14]有著很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系?？傮w來(lái)看, 5.1 ka B.P.是全新世大暖期衰退的開(kāi)始,氣候波動(dòng)非常明顯, 沉積速率增大[31], 冬季風(fēng)強(qiáng)度明顯增強(qiáng), 反映在冬季風(fēng)百年尺度的變化周期上以 78 a和70 a為主[31-34]。而趙泉鴻等[41-42]對(duì)MD06-3040孔的浮游有孔蟲(chóng)豐度進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)Globigerina bulloides作為表層海水富氧和低溫的指示種在5.1 ka B.P.豐度明顯增加, 作為黑潮暖流體系的標(biāo)志種Globigerinoides ruber豐度則明顯較低, 表明當(dāng)時(shí)冬季風(fēng)明顯增強(qiáng), 從而導(dǎo)致了較強(qiáng)的沿岸流, 從長(zhǎng)江口帶來(lái)了更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 尤其是在5.1 ～ 2.8 ka B.P.最為明顯。而東海陸架介形蟲(chóng)內(nèi)生種Bolivina cochei和Bulimina marginata在當(dāng)時(shí)也出現(xiàn)高值, 驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)[41]。

2 隋唐暖期和中世紀(jì)溫暖期

隋唐暖期和中世紀(jì)溫暖期這兩個(gè)階段是中國(guó)全新世研究爭(zhēng)論的焦點(diǎn)之一。竺可楨[52]將中國(guó)近五千年以來(lái)的氣候變遷劃分為4個(gè)溫暖期和4個(gè)寒冷期,隋唐暖期即其中第 3個(gè)溫暖時(shí)期。但是在敦德冰芯和古里雅冰芯中卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)隋唐暖期的記錄, 相反在敦德冰芯中顯示此時(shí)間段為冷期[12,53]。Yancheva等[21]對(duì)于湖光巖瑪珥湖的沉積物分析發(fā)現(xiàn)了隋唐暖期和中世紀(jì)溫暖期的記錄(圖3)。劉禹等[54]對(duì)于青藏高原的樹(shù)輪記錄進(jìn)行了分析, 重建了青藏高原第一條具有年際分辨率的溫度記錄, 發(fā)現(xiàn)604 ～ 609 AD、864 ～ 882 AD和965 ～ 994 AD存在溫暖階段(圖3),對(duì)應(yīng)于東部發(fā)現(xiàn)的隋唐暖期和中世紀(jì)暖期。來(lái)自金川[13]和紅原泥炭[49]的記錄表明在1100 ～ 1300 AD期間氣候溫暖。葛全勝等[55]根據(jù)歷史文獻(xiàn)記載重建的中國(guó)東部地區(qū)過(guò)去2 000 a冬半年的溫度序列顯示,930 ～ 1310 AD為中國(guó)東部的中世紀(jì)暖期。而竺可楨[52]卻認(rèn)為10 ～ 13世紀(jì)之間沒(méi)有明顯的暖期。那么,中國(guó)到底是否存在中世紀(jì)暖期呢？施雅風(fēng)等[12]認(rèn)為這些氣候差異是由于地理因素引起的, 中國(guó)中世紀(jì)溫暖期在東部表現(xiàn)明顯而西部表現(xiàn)不足。王紹武等[56]分析了800 a以來(lái)中國(guó)東、西部和全國(guó)平均溫度, 也發(fā)現(xiàn)中世紀(jì)溫暖期東部明顯而西部表現(xiàn)不足。

圖3 研究區(qū)各孔粒度序列[35-36,43-44]、湖光巖瑪珥湖沉積物Ti含量[21]以及青藏高原中東部溫度變化[54]的對(duì)比陰影部分為東海陸架泥質(zhì)區(qū)小冰期中的三次冷事件Fig. 3 Comparison among grain-size time series of cores from the study area [35-36,43-44], Ti content from a sediment core recovered in Lake Huguang Maar[21], and variation of the temperature in the mid-eastern Tibetan Plateau[54]

在東海陸架的泥質(zhì)沉積區(qū), 這兩次暖期都有很好的體現(xiàn)。Xiang等[43]對(duì)于濟(jì)州島西南泥質(zhì)區(qū)的 B2孔(圖 1)進(jìn)行了粒度分析, 提取了對(duì)沉積環(huán)境變化敏感的粒度組分, 平均分辨率達(dá)到了 13 a, 并發(fā)現(xiàn)在500 ～ 825 AD為一個(gè)冬季風(fēng)減弱的溫暖階段, 恰好對(duì)應(yīng)了隋唐暖期(圖 3)。值得注意的是, 這一溫暖時(shí)期并不是沒(méi)有氣候波動(dòng)的, 在728 ～ 825 AD時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)了明顯的降溫, 氣候寒冷程度堪比小冰期。而這一現(xiàn)象也不是僅在B2孔中被發(fā)現(xiàn), 在濟(jì)州島西南的FJ04孔[44]中也有反映(圖1, 3)。但是在浙閩陸架泥質(zhì)沉積區(qū)的 PC-6[31,35]和 DD2孔[36-37]中卻并未出現(xiàn)如此強(qiáng)烈的冬季風(fēng)增加信號(hào)(圖1, 3)。這可能是由于此次冬季風(fēng)增強(qiáng)事件在影響范圍上存在地理差異, 在北方尤其是黃河流域比較明顯, 而對(duì)于長(zhǎng)江流域而言則表現(xiàn)得比較輕微, 故僅僅在以黃河源為主的濟(jì)州島西南泥質(zhì)沉積物中有所體現(xiàn)。張曉東等[38]應(yīng)用沉積物粒度端元分析模型對(duì)浙閩陸架區(qū) 30孔(圖 1)的高分辨率粒度數(shù)據(jù)序列進(jìn)行反演, 發(fā)現(xiàn)600～780 AD為高溫期, 對(duì)應(yīng)于隋唐暖期。

根據(jù)B2孔的研究[43]還發(fā)現(xiàn), 825 ～ 1170 AD期間為此時(shí)的第二個(gè)溫暖期, 粒徑和敏感粒級(jí)含量指示了這一溫暖期內(nèi)冬季風(fēng)有明顯的高頻波動(dòng), 由兩個(gè)溫暖階段和一個(gè)較為寒冷階段組成(圖 3)。其中825 ～ 1010 AD的溫暖程度與隋唐暖期相當(dāng), 1110 ～1170 AD為一相對(duì)較弱的溫暖階段, 兩個(gè)溫暖階段之間存在一個(gè)相對(duì)較為寒冷的階段, 這與中世紀(jì)溫暖期的氣候特征基本一致。王順華等[37]通過(guò)對(duì)DD2孔的 Rb/Sr變化進(jìn)行了分析, 同樣發(fā)現(xiàn)了類似的氣候變化特征, 在1030 ～ 1180 AD為中世紀(jì)溫暖期,在這期間同樣存在一個(gè)相對(duì)寒冷的階段。而在 30孔的記錄中僅僅發(fā)現(xiàn)了920 ～ 1100 AD存在高溫記錄[38]。

3 小冰期

小冰期泛指16 ～ 19世紀(jì)廣泛發(fā)生的寒冷氣候現(xiàn)象, 是由Lamb[57]最先提出的。那時(shí)北半球中緯度地區(qū)年平均氣溫的30 a平均值約比20世紀(jì)中后期的暖期低 1.0℃左右, 北半球高緯度及南極地區(qū)可能低1.5 ～ 2.0℃[53]。中國(guó)進(jìn)入小冰期的時(shí)間有所差異, 有的認(rèn)為是13世紀(jì), 有的認(rèn)為是14世紀(jì), 甚至15, 16世紀(jì)。竺可楨[52]指出中國(guó)小冰期有3個(gè)寒冷階段, 出現(xiàn)于 1470～1520 AD, 1620～1720 AD, 1840～1890 AD。施雅風(fēng)等[12]研究得出的小冰期中也包含了 3個(gè)寒冷階段。

根據(jù)Xiang等[43]對(duì)B2孔的研究發(fā)現(xiàn), 東海陸架濟(jì)州島西南泥質(zhì)沉積區(qū)在此時(shí)記錄了 3次明顯的冬季風(fēng)增強(qiáng)的事件, 分別出現(xiàn)在1350 AD, 1590 AD和1700 AD(圖 3)。但 Xiao等[36]和王順華等[37]分別對(duì)DD2孔進(jìn)行粒度和Rb, Sr含量分析發(fā)現(xiàn), 在1510 ～1520 AD, 1670 AD和1840 ～ 1850 AD存在3次明顯的冬季風(fēng)增強(qiáng)事件。這與B2孔的研究有所不同, 尤其是1350 AD的冷事件是否應(yīng)該歸于小冰期筆者認(rèn)為值得商榷。但綜合小冰期東海陸架泥質(zhì)沉積的研究[35-36,43-44], 我們可以認(rèn)為 1510 ～ 1590 AD, 1650 ～1710 AD和1830 ～ 1850 AD期間在東海陸架泥質(zhì)沉積區(qū)存在 3次較為明顯的冬季風(fēng)增強(qiáng)的冷事件(圖 3陰影部分), 這與中國(guó)東部其他地區(qū)的小冰期記錄有比較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4 結(jié)語(yǔ)

東海陸架泥質(zhì)沉積物由于其特殊的地理位置以及較高的沉積速率, 已經(jīng)成為研究高分辨率全新世東亞季風(fēng)的良好載體。學(xué)者通過(guò)對(duì)東海陸架泥質(zhì)沉積中的粒度、有孔蟲(chóng)、介形蟲(chóng)豐度以及Rb, Sr含量的分析, 整理出全新世高海平面以來(lái)的東亞季風(fēng)演化記錄, 發(fā)現(xiàn)7.6 ～ 5.1 ka B.P.總體來(lái)看夏季風(fēng)較強(qiáng),是全新世大暖期的鼎盛階段。但對(duì)于全球第 2次新冰期的記錄PC-6與EC2005孔的記錄存在差異, 筆者認(rèn)為主要是柱狀樣空間分布的原因, EC2005遠(yuǎn)離長(zhǎng)江河口, 對(duì)于冬季風(fēng)的變化更為敏感; 5.1 ka B.P.之后冬季風(fēng)開(kāi)始強(qiáng)盛, 全新世大暖期進(jìn)入衰退階段;到了500 ～ 825 AD, 冬季風(fēng)出現(xiàn)一個(gè)明顯的減弱過(guò)程, 中國(guó)東部開(kāi)始進(jìn)入隋唐暖期, 期間在728～825 AD也出現(xiàn)了短暫的降溫, 幅度堪比小冰期。但此次降溫事件僅僅出現(xiàn)在北部的濟(jì)州島西南泥質(zhì)沉積記錄中,而在浙閩陸架泥質(zhì)區(qū)卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn), 筆者認(rèn)為主要是由于此次冬季風(fēng)增強(qiáng)的影響范圍存在著地理位置上的差異, 在北方尤其是黃河流域表現(xiàn)的比較明顯,而在長(zhǎng)江流域則較為輕微。825 ～ 1170 AD期間中國(guó)東部進(jìn)入了中世紀(jì)暖期階段, 而1010 ～ 1110 AD是該溫暖期當(dāng)中的寒冷階段。小冰期的記錄比較明顯,在泥質(zhì)區(qū)的大部分沉積物中都有很好的體現(xiàn)。1510 ～1590 AD, 1650 ～ 1710 AD 和 1830 ～ 1850 AD 為小冰期3個(gè)顯著的冬季風(fēng)增強(qiáng)的階段。

以上這些記錄與中國(guó)東部地區(qū)歷史記錄及其他研究載體反映的氣候冷暖變化有著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,但與西北部和青藏高原的冰芯、樹(shù)輪、泥炭等記錄相比卻存在一定的差異。比如說(shuō), 隋唐暖期在東海陸架泥質(zhì)區(qū)表現(xiàn)明顯, 但在西部的記錄中基本不存在,或者存在的時(shí)間較短(如青藏高原樹(shù)輪的記錄), 甚至反映出的是一個(gè)較為寒冷的階段。這種區(qū)域差異普遍存在, 其原因一方面可能是由于氣候系統(tǒng)內(nèi)部的響應(yīng)和傳輸機(jī)制有明顯的地域差異, 其次可能是用于氣候重建的代用指標(biāo)存在明顯的指示差異。同時(shí), 這些區(qū)域與東海陸架泥質(zhì)沉積區(qū)可能受不同的氣候系統(tǒng)影響, 反映了不同的古氣候信息, 學(xué)者需要從這些氣候變化的機(jī)制上去分析, 才能獲得相對(duì)準(zhǔn)確的結(jié)論。但總體來(lái)說(shuō), 東海陸架的泥質(zhì)沉積物對(duì)于指示中國(guó)東部東亞季風(fēng)的演化歷史是一個(gè)良好的指標(biāo)。另外, 除了泥質(zhì)沉積物中陸源碎屑組分的粒度指標(biāo)、有孔蟲(chóng)、介形蟲(chóng)豐度和Rb/Sr之外, 有機(jī)質(zhì)含量、黏土礦物以及沉積物其他的元素地球化學(xué)指標(biāo)等都蘊(yùn)含著豐富的古氣候信息, 這也將是下一步東海陸架泥質(zhì)沉積古氣候研究的發(fā)展方向。

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P736.2

A

1000-3096(2011)07-0101-06

2009-11-11;

2011-04-18

國(guó)家海洋局第二海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(JG0702,JT1102)

葛倩(1983-), 男, 浙江東陽(yáng)人, 博士, 主要從事古海洋學(xué)研究, E-mail： gq980447@hotmail.com

劉珊珊)