東營港附近海域植硅體特征及其古環(huán)境指示意義

南學良，杜 軍，李培英，劉世昊，李 平

（國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061）

植硅體是植物通過根系把土壤中的硅經過維管束傳送到植物細胞內腔或細胞之間不斷沉淀形成的水合硅，最終以難溶的微晶型硅酸顆粒存在于植物體內［1］。植硅體的直徑從一微米到幾十微米不等，不同種屬植物來源的植硅體在形態(tài)上也各有差異［2］。植硅體能在一定的程度上記錄植物細胞的形態(tài)，通過不同的植硅體組合可以恢復研究區(qū)的古環(huán)境［3］。另外，植硅體可以在氧化環(huán)境中較好的保存，因此，植硅體的形態(tài)組合經常被用于古環(huán)境重建、考古和古生物學等研究領域［4－11］，對于研究古環(huán)境和古地理形態(tài)有重要意義。

東營港附近海域是我國第二大油田——勝利油田主產區(qū)，油氣資源豐富，具有良好的開發(fā)遠景。第四紀以來，研究區(qū)歷經多次海、陸交互作用，對古環(huán)境及氣候變化較為敏感。本文以東營港附近海域GYDY鉆孔地層中發(fā)育的植硅體作為主要研究對象和古環(huán)境氣候變化的替代性指標，對植硅體特征所反映的古環(huán)境氣候的演化過程進行研究，對于研究區(qū)海域地層劃分和對比，地殼演化研究以及礦產資源成因和探測都有指導意義。

1 材料與方法

GYDY鉆孔巖芯是國家海洋局第一海洋研究所2012－08在現代黃河口西北側約45km處，東營海港東北約15km處（119°09′E，38°42′N）使用XY－2型鉆機連續(xù)取芯所得，以國家85高程為基準，孔口高程為－10.55m，最大取芯深度40.2m，取芯率82.17%。由于所取樣品在31m以下有擾動，因此選取上31m為主要研究對象。鉆孔位置如圖1所示。

1.1 植硅體的提取與鑒定

GYDY鉆孔巖芯每20cm間隔取樣，部分層位加密取樣。通過分析從地層中提取植硅體的方法［12－15］，總結出從海域鉆孔地層中提取與鑒定植硅體的具體過程。

圖1 GYDY鉆孔位置Fig.1 Geographic position of GYDY core

提取植硅體時，將1g樣品放入試管中低溫烘干，并加入體積分數為10%稀鹽酸，用超聲波振蕩儀震蕩試樣使黏粒完全分散；然后加入蒸餾水，離心處理15min，以清洗鹽酸，待樣品沉淀完全后，倒出上清液；再加入純硝酸，水浴加熱，待溶液澄清時，說明有機質去除完全，在試管中加入蒸餾水，離心處理，倒掉上清液，重復操作2～3次，以洗去多余的硝酸；接著在試管中加入剩余液體體積2倍的2.3g／cm3的重液，攪拌均勻后離心處理20min，將上層液倒入相應的試管中；并在重液試管中加入蒸餾水，離心處理，去除上清液，重復多次，直至含植硅體的溶液呈中性，再用無水乙醇離心清洗一次，保留最終溶液。

植硅體制片鑒定時，將含有植硅體的最終溶液振蕩均勻，每個載玻片滴液2～3滴，酒精燈均勻加熱，待乙醇蒸發(fā)后，滴上1～2滴中性樹膠，蓋上蓋玻片，制成固定片。將制片在MOTIC 2.0生物顯微鏡下鑒定統(tǒng)計樣品，各樣品植硅體鑒定個數如圖2所示。

圖2 植硅體數量在剖面中的分布Fig.2 Distribution of phytolith amount in the peat profile

1.2 樣品測年分析

美國貝塔分析實驗室（Beta Analytic Inc）對選取的10份代表性樣品做了AMS14C測年分析，并將其做了年齡校準，所得結果如表1所示。

表1 GYDY孔測年結果Table 1 Dating results for GYDY core

利用SPSS軟件對測年數據做線性回歸分析，建立測年數據與取樣深度的線性關系（圖3），所建立線性關系為：

然后利用內插法得出由植硅體組合所劃分各層面的估計年齡，即按東營港海域GYDY孔不同時間區(qū)間內沉降速率的不同獲得所劃分的不同地層的估計年齡，對所劃分的不同地層加以具體的斷代。

圖3 測年數據線性關系圖Fig.3 Liner relationship between the dating data and sample＇s depths

2 結果分析

2.1 植硅體組合特征及指示

植硅體具有分類學上重要的形態(tài)差異，并且生產量巨大［16］，在一定程度上可以代表來源物種的種屬，進而利用植物的種屬對環(huán)境的要求可以較為理想地恢復出古環(huán)境情況。

禾本科植物植硅體中，光滑棒型和尖型大多來自于草本植物的表皮細胞，可以代表寒冷氣候；帽型和齒型主要來自早熟禾亞科，也是代表寒冷氣候的主要植硅體類型；啞鈴型、十字型、多鈴型主要來自于禾本科中的黍亞科，常作為溫暖氣候的植硅體指示類型。

木本植物植硅體中，棱條型、方塊型、團塊型大多源于高大喬木，常作為溫暖氣候的代表類型；突起棒型、凹槽棒型和星型主要來源于低矮的闊葉灌木，用于指示溫暖氣候的類型；鞍型、扇型、三棱棒型、光滑片型和環(huán)狀植硅體源于濕潤環(huán)境下的植物。其中，鞍型和扇型來源于蘆葦；三棱棒型來源于蕨類植物；海綿骨針是海綿的硅化骨骼；光滑片型和環(huán)狀植硅體的來源植物推測可能是一些水生植物。具體如表2所示：

表2 不同植物類型植硅體形態(tài)的氣候指示［12，17］Table 2 Different types of plants form phytoliths and its climate indicators［12，17］

東營港GYDY孔共鑒定植硅體16 785個，樣品植硅體平均鑒定數量為182個。植硅體分析結果顯示，該剖面中植硅體含量豐富，主要包括平滑棒形、齒形、帽形、尖形、刺狀棒形、長方形、正方形、扇形、鞍形，含有少量的啞鈴形、多鈴形、不規(guī)則多邊形、不規(guī)則齒輪狀、三棱柱形（圖4）。

圖4 GYDY鉆孔典型植硅體形態(tài)Fig.4 Phytoliths morphologic types in GYDY core

通過東營港GYDY孔植硅體百分含量變化曲線及有序聚類分析結果（圖5），將研究鉆孔分為4個組合帶，各帶的植硅體組合特征：

1）組合帶IV（31.0～19.4m，36.17～19.50ka BP）

此組合帶中，僅有植硅體302個，存在較多的植硅體缺失情況，只有20.00和25.21m處發(fā)現植硅體，也就是說在此組合帶存在兩段植硅體空白區(qū)域。這一階段的植硅體組合中，草本植物類型植硅體百分含量優(yōu)勢明顯，占了73.9%，也說明這是一個草本植硅體大區(qū)。其中，組成比例為尖形51%～53%，平滑棒形10%～12%，刺狀棒形3%～5%，帽形3%～7%，齒形1%～2%。整體上，示冷植硅體百分含量從71%增加到79%，示暖植硅體百分含量從29%降到21%。由于溫暖指數可用于反映植硅體組合與溫度之間的關聯(lián)性［18］，在此區(qū)域，溫暖指數從0.3變化到0.2。這種植硅體組合特征說明此階段氣候寒冷而且干旱。

2）組合帶Ⅲ（19.4～12.7m，19.50～8.16ka BP）

此組合帶中，有植硅體3 009個，草本植物植硅體百分含量為74.13%，較組合帶VI有所增加，尖形百分含量仍為最高，但有所減少，扇形、啞鈴形、平滑棒型、刺狀棒形都有不同程度增加，發(fā)現了鞍形和三棱柱形植硅體。組成比例為尖型35%～64%，刺狀棒形2%～20%，平滑棒形6%～29%，扇形2%～22%，正方形3%～17%，鞍形0～3%，三棱柱形0～3%。草本植物類型植硅體百分含量有所增加，從73.9%增加到74.1%，百分含量最高可達96.7%，表明在此組合帶草本植物仍為優(yōu)勢種；木本植物類型植硅體百分含量下降明顯，從18.4%到12.8%，百分含量最高可達28.3%；濕生植物類型植硅體百分含量增加，以扇形、鞍形為主，最高可達12.5%。溫暖指數的變化范圍為0.1～0.4，說明在此階段氣候變化幅度較大，存在劇烈的氣候變化過程。在這一階段，深度為12.9m大約10ka BP時示冷植硅體百分含量為97.8%，達到全孔最大，確定此時可能受到新仙女木事件的影響［19］，以示冷植硅體為主。也就是說，在此階段，研究區(qū)古氣候雖有多次波動，但仍存在一個從溫暖向急速降溫再緩慢回升的過程。

3）組合帶Ⅱ（12.7～2.9m，8.16～5.90ka BP）

此組合帶中，有植硅體10 163個，草本植物植硅體較組合帶Ⅲ有所增加，達到76.7%，木本植物植硅體較組合帶Ⅲ也有增加，濕生植物植硅體下降幅度最大，百分含量從13.21%下降到9.36%。尖形植硅體百分含量仍為最高，但較組合帶Ⅲ下降3%。平滑棒形、刺狀棒形、長方形、鞍形和三棱柱形都有所增加，增加程度不太明顯，扇形、齒形和不定形都略有降低。其中，組成比例為尖形27%～57%，刺狀棒形0～17%，平滑棒形3%～36%，扇形2%～16%，長方形2%～24%，正方形0～8%，啞鈴形0～3%，帽形2%～13%，鞍形0～11%。草本植物類型植硅體百分含量的變化范圍為55%～90%，說明草本植物植硅體仍然為優(yōu)勢物種，木本植物植硅體百分含量從12.79%增加到13.97%，說明木本植物數量有所增加，而在此組合帶中濕生植物植硅體百分含量下降了3.85%，說明此階段氣候不利于濕生植物發(fā)展。溫暖指數的變化范圍為0.09～0.40，研究區(qū)古氣候先緩慢降溫，然后通過多次冷暖波動后趨于穩(wěn)定。從整體來看，該階段研究區(qū)古氣候以溫暖為主。

4）組合帶Ⅰ（2.9～0.0m，5.90ka BP）

此組合帶中，有植硅體2 912個，是植硅體最豐富的組合帶，植硅體百分含量最高的仍為草本植物，百分含量比其他組合帶都高，達到78.9%；木本植物類型植硅體減少較多，百分含量比其他組合帶均低，達到11.85%，濕生植物類型植硅體較組合帶Ⅱ下降不太明顯。尖形植硅體百分含量為37.37%，較組合帶Ⅱ下降明顯，但仍為最高；刺狀棒形、長方形、扇形、齒形和三棱柱形均有下降，未發(fā)現不規(guī)則齒輪形；平滑棒形、啞鈴形、帽形和鞍型均有增加；不定形較組合帶Ⅱ變化不大。百分含量組成比例為尖形32%～50%，扇形2%～13%，長方形2%～12%，正方形0～7%，啞鈴形0～3%，多鈴形0～2%，帽形2%～13%，鞍形0～11%，齒形0～3%，不規(guī)則多邊形1%～10%。草本植物類型植硅體百分含量為65%～89%，木本植物類型植硅體百分含量為4%～27%，濕生植物類型植硅體百分含量為5%～17%。溫暖指數的變化范圍為0.09～0.30，說明整體區(qū)域比組合帶Ⅱ帶氣候有所變冷。

圖5 植硅體百分含量圖示Fig.5 Percentage of different type phytoliths in sediments

2.2 古環(huán)境降溫事件的對比

基于對不同植硅體組合特征的分析，引入青海湖孢粉總濃度［20］、古里雅冰芯δ18O［21］與植硅體溫暖指數進行對比，以確定研究區(qū)古環(huán)境降溫事件［22］。植硅體溫暖指數是用示暖型植硅體在植硅體中所占比例來表示，利用溫暖指數＝示暖型植硅體／（示暖型植硅體＋示冷型植硅體）進行定量計算［17］。GYDY孔中示暖型植硅體包括扇形、長方形、正方形、啞鈴形、多鈴形、鞍形和三棱形；示冷型植硅體包括刺狀棒形、平滑棒形，齒形，尖形、帽形、不規(guī)則多邊形和不規(guī)則齒輪形。通過計算得到GYDY孔植硅體溫暖指數，并與青海湖孢粉總濃度及古里雅冰芯δ18O的比較，結果如圖5所示。

圖6 GYDY孔植硅體溫暖指數、青海湖孢粉總濃度及古里雅冰芯δ18 O的比較Fig.6 Comparisons of phytoliths in the GYDY core，Pollen concentration in the Qinghai Lakeδ18 O values in the Guliya ice－core

由圖可知，新仙女木事件、9～10ka降溫事件和6～7ka降溫事件這3次全球性的冷事件在東營港GYDY孔植硅體溫暖指數曲線上均有顯著體現。

新仙女木事件，在東營港GYDY孔植硅體溫暖指數表現非常明顯，降溫幅度大。青海湖孢粉總濃度所呈現的新仙女木事件最大冷峰大致出現于12.8ka，古里雅冰芯中記錄的最大冷峰出現于12.0ka，GYDY孔植硅體溫暖指數中反映該事件冷峰出現于12.7ka，3個地區(qū)不同指示方式對新仙女木事件的表現相差不大。

9～10ka降溫事件在東營港GYDY孔和青海湖地區(qū)表現更為明顯，降溫幅度較大，發(fā)生時間比較一致，最大冷峰在9.4ka左右出現。古里雅冰芯記錄的該事件降溫幅度較小，持續(xù)時間也很短。

對6～7ka降溫事件而言，東營港GYDY孔植硅體溫暖指數所呈現的最大冷峰出現在6.4ka，古里雅冰芯最大冷峰出現在6.2ka，青海湖孢粉總濃度最大冷峰出現在7.0ka左右，也就是說，青海湖孢粉總濃度對該事件表現更強烈，不僅發(fā)生時間較早而且降溫幅度也較大。

通過對比分析東營港GYDY孔植硅體溫暖指數與青海湖孢粉總濃度、古里雅冰芯δ18O對3次降溫事件的響應，可以看出，東營港GYDY孔植硅體對3次全球性降溫事件的響應都比較明顯，發(fā)生時間與青海湖孢粉總濃度和古里雅冰芯δ18O較為接近。

3 結論

東營港GYDY孔中植硅體類型豐富，草本植物類植硅體百分含量占76.4%、木本植物類植硅體百分含量占13.5%、濕生植物類植硅體百分含量占10.1%。依據植硅體的不同組合特征，利用有序聚類分析法將整個剖面劃分為4個組合帶，來指示4個不同的氣候演化過程。也就是說，東營港GYDY孔植硅體組合揭示出在東營港地區(qū)古環(huán)境經歷了干冷－變暖－濕潤溫暖－溫涼的變化過程。

通過驗證東營港GYDY孔植硅體對環(huán)境的指示，選取青海湖孢粉總濃度和古里雅冰芯δ18O與東營港GYDY孔植硅體進行對比研究，可以看出東營港GYDY孔植硅體對新仙女木事件、9～10ka降溫事件和6～7ka降溫事件這3次全球性降溫事件都有很好的指示，因此，東營港GYDY孔植硅體對古環(huán)境的指示較為準確，可作為該海域古氣候變化新指示性指標。

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