南極半島鮑威爾海盆南部氧同位素3期以來沉積動力環(huán)境演變

王百順 陳志華 王西蒙 吳少林 戴清清

0 引言

沉積物研究已有70多年的歷史。Wadell首先提出沉積學(xué)概念；Shepard［1］、Fork等［2］基于沉積物結(jié)構(gòu)，即粒度的三元組成，對碎屑沉積物提出了系統(tǒng)的分類。Spencer［3］對碎屑物粒度曲線進(jìn)行了解譯；Klovan［4］研究了粒度與環(huán)境的關(guān)系；Visher［5］研究了粒度分布與沉積過程的關(guān)系，認(rèn)為粒度概率累積曲線上的每一直線段對應(yīng)一個沉積總體，并與特定搬運(yùn)方式有關(guān)。Shahu［6］認(rèn)為沉積機(jī)理（過程）與粒度之間存在一定關(guān)系，并采用多元判別分析法，建立了典型沉積環(huán)境的粒度判別函數(shù)。Friedman等［7-8］認(rèn)為特定的沉積環(huán)境對應(yīng)特定的粒度參數(shù)散點(diǎn)圖，并建立了各種沉積環(huán)境下的粒度參數(shù)散布圖。Passega［9］認(rèn)為沉積物的結(jié)構(gòu)能反映沉積營力，自從1957年提出CM圖后，至1964年CM圖的有效性經(jīng)過了對不同地質(zhì)年代、多個地區(qū)一系列沉積環(huán)境的驗(yàn)證。

國內(nèi)外在威德爾海及相鄰海域做過一些調(diào)查研究。Howea等［10］根據(jù)痕量元素、放射性元素地球化學(xué)和沉積物結(jié)構(gòu)、構(gòu)造，研究了威德爾海沉積作用，其中，北威德爾盆地深海平原主要為半深海、細(xì)粒沉積，并夾有細(xì)顆粒濁積巖。Brian等［11］研究了南極半島西側(cè)別林斯高晉海（Bellinsgauzen Sea）沉積，發(fā)現(xiàn)碎屑物成因與濁流有關(guān)。中國首次、第7次南極科學(xué)考察對布蘭斯菲爾德海峽（靠近南設(shè)得蘭群島）進(jìn)行過海洋地質(zhì)調(diào)查；吳能友等［12］認(rèn)為自更新世以來，布蘭斯菲爾德海峽為冰海沉積，沉積物演化階段與冰期-間冰期，或低水位-高水位有關(guān)。李志珍［13］通過南設(shè)得蘭群島西側(cè)海域一個沉積柱狀樣的研究，認(rèn)為沉積物源與火山活動等有關(guān)，沉積作用以細(xì)碎屑沉降為主；所夾單一砂層具有遞變層理，相應(yīng)粒度概率累計(jì)曲線為低斜率一段式，為濁流成因。

前人研究表明，除洋流攜帶之外，南大洋新生界碎屑物最特征的物源來自冰筏作用［14］與火山活動［15-17］，沉積階段劃分常與古生物、古地磁、測年和穩(wěn)定同位素階段等聯(lián)系起來。本文應(yīng)用粒度資料對D3-7巖芯古沉積環(huán)境進(jìn)行研究，并根據(jù)沉積方式來劃分沉積階段，其中CM圖對沉積方式和沉積階段的劃分更詳細(xì)，也更明確。

1 實(shí)驗(yàn)分析與資料

D3-7沉積巖芯是中國第28次南極科學(xué)考察搭載“雪龍”號考察船于2012年1月采集的，巖芯樣長319 cm，直徑121 mm。D3-7位于南極半島鮑威爾海盆南部，距離南極半島岬角約 350 km，50°10.71′W，62°52.55′S，水深 3 429 m（圖 1）。樣品于2012年4月送到中國極地研究中心的沉積物樣品庫，國家海洋局東海分局于8月獲取樣品、并對巖芯進(jìn)行現(xiàn)場描述。樣品預(yù)處理后送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行各種分析，其中粒度數(shù)據(jù)用于古沉積（動力）環(huán)境及沉積演化研究。

圖1 D3-7沉積巖芯地理位置示意圖Fig.1. The site of D3-7 sedimentary column

粒度分析采用綜合法，即對粒徑＞0.063 mm的粗粒組分采用篩析法，粒徑＜0.063 mm的細(xì)粒組分采用沉析法（吸管法）。實(shí)驗(yàn)按照國家標(biāo)準(zhǔn)《海洋調(diào)查規(guī)范》GB／T12763.8-2007進(jìn)行。粒度數(shù)據(jù)處理中的礫石是指細(xì)礫，不包括局部層段出現(xiàn)的中、粗礫。

2 結(jié)果分析

2.1 沉積物類型

剖面下部和上部呈黃灰色，層理不明顯。中部呈灰色，水平層理。剖面上沉積連續(xù)，未發(fā)現(xiàn)沖刷痕跡。207—208 cm處有機(jī)質(zhì)豐富，呈深灰-黑；186—208 cm呈米黃色，推斷硅藻豐富（由天津師范大學(xué)古生物鑒定證實(shí)）。在剖面上礫石被周圍細(xì)粒泥質(zhì)沉積物所裹（圖2），礫石大小、成分、結(jié)構(gòu)差異較大，結(jié)合區(qū)域環(huán)境以及圍泥，推斷為冰筏礫石。

圖2 剖面中下部及其冰筏礫石Fig.2.Lowermiddle portion of D3-7，some ice-rafted gravels

分析結(jié)果表明，D3-7沉積巖芯沉積物由礫石、砂、粉砂和黏土組成，以細(xì)粒沉積物為主。礫石含量0.0%—8.1%，平均值為 0.7%；砂含量 0.4%—19.1%，平均值為6.6%；粉砂含量20.9%—56.1%，平均值為34.7%；黏土含量29.0%—75.7%，平均值為 58.0%。

細(xì)礫與砂分布規(guī)律相似，主要分布于剖面中部159—244 cm和頂部0—40 cm處。粉砂在剖面上分布規(guī)律性不明顯。黏土含量剖面規(guī)律性明顯，兩高含量段對應(yīng)細(xì)礫石、砂兩低含量區(qū)，而兩低含量段對應(yīng)礫石、砂兩高含量區(qū)。D3-7剖面有兩種沉積物類型：粉砂質(zhì)黏土（TY）和黏土質(zhì)粉砂（YT）。黏土質(zhì)粉砂分布于D3-7沉積巖芯頂部和中部，總厚36 cm，其余均為粉砂質(zhì)黏土（圖3）。

圖3 D3-7沉積巖芯組成.G—礫石；S—砂；T—粉砂；Y—黏土Fig.3.Composition＆ sedimentary type of D3-7.G—gravel；S—sand；T—silt；Y—clay

2.2 粒度參數(shù)

D3-7沉積巖芯沉積物中值粒徑（Md）6.79Φ—9.36Φ；剖面上中值粒徑呈兩高兩低特征；兩低分布在中段150—180 cm和上段0—30 cm處，對應(yīng)礫石、砂高含量段。偏態(tài)（Ski）為 －0.75— 0.33，平均值為－0.33；正偏態(tài)位于剖面局部，與中值粒徑低值區(qū)對應(yīng)性良好。峰態(tài)值（Kg）為 0.50—1.29，平均值為0.75，總體扁平；僅局部層段（200 cm處）起伏明顯，其對應(yīng)的粒度也較粗。分選系數(shù)σi為1.87Φ—3.93Φ，平均值為2.50Φ，分選差；中、上段分選系數(shù)相對更高，對應(yīng)礫石、砂高值區(qū)（圖4）。

圖4 D3-7沉積巖芯沉積物粒度參數(shù)Fig.4.Profile of grain size parameters，D3-7

3 D3-7巖芯古沉積動力環(huán)境

3.1 古沉積環(huán)境

沉積物粒度差異大，從礫級至黏土級，D3-7沉積巖芯92個樣品粒度概率累計(jì)曲線呈一段式或斜率相似的有多段式（圖5、圖6）。在實(shí)驗(yàn)測試中，傳統(tǒng)分析法對于粒徑＞10Φ的黏土難以細(xì)分。＞10Φ數(shù)據(jù)參考激光粒度資料，粒度儀為英國馬爾文MS-2000，可測試到 14.5Φ，數(shù)據(jù)間隔0.5Φ。

概率累計(jì)曲線反映的搬運(yùn)方式為一種總體，含多個次總體，反映各粒級沉積水動力存在一定程度的差異。

從概率累計(jì)曲線看，碎屑物到達(dá)沉積區(qū)至海底前為單一搬運(yùn)方式，或?yàn)樘S，或?yàn)閼腋〉?，僅從粒度概率累計(jì)曲線難判斷具體搬運(yùn)或沉積方式。濁流具有一段式特點(diǎn)，根據(jù)薩胡判別函數(shù)，濁流Y平均值為 7.979 1［6］，而巖芯 Y最大值僅 6.963；現(xiàn)場巖芯也未發(fā)現(xiàn)遞變層理或其他鮑瑪序列［18］，因此，D3-7整個剖面不含濁流沉積。中低緯度深海懸浮碎屑沉積概率曲線斜率較大，而D3-7巖芯概率曲線斜率偏小，D3-7沉積巖芯的古水動力過程具有一定的特殊性。

圖5 D3-7巖芯粒度概率累計(jì)曲線，48號樣品Fig.5.Profile cumulative curve of D3-7，No.48

圖6 D3-7巖芯粒度概率累計(jì)曲線，15號樣品Fig.6.Profile cumulative curve of D3-7，No.15

在D3-7沉積巖芯σi-Kg圖上（圖7），散點(diǎn)分布于圖右下方，與碎屑流沉積部分重疊［7］，說明搬運(yùn)作用缺乏機(jī)械分異；如果是正常牽引流的搬運(yùn)，則在搬運(yùn)過程中會產(chǎn)生分異［19］；但總體上看，隨著粒度標(biāo)準(zhǔn)偏差（分選系數(shù)）增加，偏態(tài)值增加，推斷是深水環(huán)境下，在沉積過程中產(chǎn)生重力分異。第一、第三沉積階段相似，散點(diǎn)較集中；第二、第四沉積階段散點(diǎn)較為分散。剖面Kg-Ski圖上（圖8），散點(diǎn)集中于圖左上方，分布規(guī)律明顯，反映各階段沉積成因一致或相似。

圖7 D3-7巖芯弗里德曼散點(diǎn)圖（σi-K g）Fig.7.Scatter diagram of D3-7（σi vs K g）

根據(jù)CM圖判斷，D3-7沉積巖芯均為靜水懸浮沉積（HSS），分為4個亞類，分別為Ⅷ HSS：C＜1 000μm，M＜15μm；Ⅶ HSS：C＜1 000μm，15μm≤M＜100μm；Ⅸ HSS：C≥1 000μm，M＜15μm；ⅢHSS：C≥1 000μm，15μm≤M＜100μm。其中C值為概率累計(jì)曲線上1%對應(yīng)的粒徑，M值為概率累計(jì)曲線上50%對應(yīng)的粒徑。D3-7沉積巖芯CM圖有以下幾個特征：點(diǎn)值均分布于CM圖左上角，C值大，M值小。與河流、沙漠、濱淺海、湖泊沉積相比，粗組分仍然呈懸浮狀態(tài)，其搬運(yùn)需要較大的能量；而冰筏作用、火山作用等均有較大的啟動和搬運(yùn)能量，推斷冰筏碎屑發(fā)育，也可能有火山灰沉積。

圖8 D3-7巖芯弗里德曼散點(diǎn)圖（Kg-S ki）Fig.8.Scatter diagram of D3-7（K g vs S ki）

3.2 沉積演化

有機(jī)質(zhì)AMS14C測年 （由美國Woods Hole海洋研究所測定）表明，D3-7沉積巖芯屬于氧同位素3期（MIS 3，晚更新世后期）以來的沉積。自從Passega［9］1964年完善CM圖以來，CM圖在碎屑巖研究上得到了廣泛應(yīng)用［20-23］，說明了CM圖的有效性。本文根據(jù)CM圖來劃分D3-7沉積演化階段，結(jié)果表明，巖芯為靜水懸浮沉積（包含5個亞類），可劃分成4個沉積階段（圖9—12），年代界線為測年數(shù)據(jù)在剖面上的插值。

第一階段：沉積時間33.4—35.0 ka，位于 D3-7巖芯319（底部）至241 cm處，沉積厚度78 cm。屬于靜水懸浮沉積Ⅷ亞類，平均沉積速率4.9 cm·（100 a）－1。推斷沉積環(huán)境較為穩(wěn)定（圖9）。

第二階段：沉積時間29.6—33.4 ka，位于 D3-7巖芯143—241 cm處，沉積厚度98 cm。屬于靜水懸浮沉積Ⅷ、Ⅶ和Ⅸ亞類，平均沉積速率2.6 cm·（100 a）－1。顆粒相對較粗，冰筏作用影響較大（圖10）。

第三階段：沉積時間26.8—29.6 ka，位于 D3-7巖芯52—143 cm處，沉積厚度91 cm。屬于靜水懸浮沉積Ⅷ亞類，平均沉積速率 3.6 cm·（100 a）－1。與第一階段沉積方式類似，沉積環(huán)境較為穩(wěn)定（圖11）。

圖9 D3-7沉積巖芯第一沉積階段CM圖.TC—牽引流；GF—重力流；HSS—靜水懸浮沉積；T—遠(yuǎn)洋懸浮Fig.9.CM pattern of the 1st sedimentary stage，D3-7.TC—tractive current；GF—gravity flow；HSS—hydrostatic suspended sediment；T—pelagic suspended sediment

圖10 D3-7沉積巖芯第二沉積階段CM圖.TC—牽引流；GF—重力流；HSS—靜水懸浮沉積；T—遠(yuǎn)洋懸浮Fig.10.CM pattern of the 2nd sedimentary stage，D3-7.TC—tractive current；GF—gravity flow；HSS—hydrostatic suspended sediment；T—pelagic suspended sediment

第四階段：沉積時間0—26.8 ka，位于D3-7巖芯頂部至52 cm處，沉積厚度52 cm。屬于靜水懸浮沉積Ⅷ、Ⅸ、Ⅲ和Ⅶ亞類，變化趨勢為Ⅷ→Ⅸ→Ⅲ→Ⅶ亞類，全新世為懸浮沉積Ⅶ亞類。沉積速率0.2 cm·（100 a）－1，沉積速率明顯變慢（圖12）。與第二階段沉積方式類似，顆粒相對較粗，推斷沉積物有包括冰筏沉積在內(nèi)的多種來源。

圖11 D3-7沉積巖芯第三沉積階段CM圖.TC—牽引流；GF—重力流；HSS—靜水懸浮沉積；T—遠(yuǎn)洋懸浮Fig.11.CM pattern of the 3rd sedimentary stage，D3-7.TC—tractive current；GF—gravity flow；HSS—hydrostatic suspended sediment；T—pelagic suspended sediment

晚更新世以來南極大陸冰川處于變化之中［24］。這可能影響到冰筏作用，進(jìn)而影響到D3-7沉積巖芯的物質(zhì)構(gòu)成和演化；當(dāng)然沉積演化不只是與古氣候有關(guān)，還與威德爾海古洋流、沉積物源等因素相關(guān)；對比 Emiliani Cesare同位素階段［25-26］，D3-7沉積巖芯第一、第二、第三沉積階段以及第四沉積階段早期對應(yīng)MIS 3，與同位素階段相比，深海水動力變化更敏感，或許能將氣候變化的細(xì)微跡象（提前）表現(xiàn)出來。第四沉積階段中期對應(yīng)MIS2，晚期對應(yīng)MIS 1。

4 結(jié)論

圖12 D3-7沉積巖芯第四沉積階段CM圖.TC—牽引流；GF—重力流；HSS—靜水懸浮沉積；T—遠(yuǎn)洋懸浮Fig.12.CM pattern of the 4th sedimentary stage，D3-7.TC—tractive current；GF—gravity flow；HSS—hydrostatic suspended sediment；T—pelagic suspended sediment

D3-7巖芯古沉積環(huán)境研究表明，半島鮑威爾海盆南部自MIS 3后期（35 ka BP）以來，沉積環(huán)境總體穩(wěn)定，為靜水懸浮沉積，沉積物由粗-細(xì)碎屑組成。演化序列上，靜水懸浮沉積從單一沉積方式→多種沉積方式→單一沉積方式→多種沉積方式，對應(yīng)四個沉積階段，具有循環(huán)性特征，全新世以來處于第四沉積階段。深海水動力變化與同位素階段有一定的關(guān)系，但比后者更敏感。CM圖能較好地反映出水動力特點(diǎn)及演化趨勢；與一般深海沉積相比，威德爾海沉積概率曲線和散點(diǎn)圖特征非常明顯，是由粗碎屑造成的。粗碎屑而其中的部分搬運(yùn)需要很大的啟動能量，推斷屬于冰筏作用和火山作用的產(chǎn)物。

致謝 D3-7沉積巖芯由中國第28次南極科學(xué)考察隊(duì)隊(duì)員宋普慶、陳帥、闞光明、裴延良、韓喜彬、黃元輝采集，其中韓喜彬和黃元輝還分別是記錄者和校對者，樣品由中國極地研究中心沉積物庫提供。在樣品分割處理過程中得到了中國極地研究中心的蔡明紅博士的幫助，國家海洋局第一海洋研究所陳志華研究員提供了測年資料，在此深表謝意。

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