近2 Ma帕里西-維拉海盆沉積物中碎屑組分粒度特征及其物源和古氣候意義

周 宇 , 蔣富清 , 徐兆凱 , 方海超 , 張 晉 李安春

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071； 2. 中國科學(xué)院 海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071；3. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049； 4. 海洋國家實(shí)驗(yàn)室海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266061)

深海沉積物中的風(fēng)成沉積敏感地記錄了地質(zhì)歷史時期大氣環(huán)流和風(fēng)塵源區(qū)的古氣候狀況, 提供了風(fēng)塵源區(qū)古氣候變化的重要線索[1-4]。帕里西-維拉海盆處在盛行西風(fēng)帶的下風(fēng)向, 并受東亞季風(fēng)的影響[5],對亞洲大陸古氣候變化極其敏感, 其風(fēng)成沉積為研究亞洲大陸的古氣候變化提供了良好載體。

放射性成因的 Sr、Nd同位素[6-7]研究結(jié)果表明帕里西-維拉海盆及北部的四國海盆中沉積物主要是亞洲大陸風(fēng)塵物質(zhì)以及周圍海脊和島弧的火山物質(zhì)；沉積物黏土礦物證據(jù)[8-9]表明研究區(qū)沉積物中伊利石主要來源于亞洲風(fēng)塵, 蒙皂石則源于火山物質(zhì)的蝕變； 深海黏土粒度和稀土元素的綜合研究[10]證明研究區(qū)沉積物受風(fēng)塵輸入陸源物質(zhì)的影響； 海盆內(nèi)的鐵錳結(jié)殼[11]和層狀硅藻席[12]也記錄了風(fēng)塵的輸入。以上研究均表明帕里西-維拉海盆存在著風(fēng)塵沉積,但是對于沉積物中風(fēng)塵組分的粒度組成和分布特征,風(fēng)塵組分的含量, 及其所蘊(yùn)含的古氣候意義等, 目前仍缺乏系統(tǒng)研究。

由于沉積物的粒度對大氣環(huán)流系統(tǒng)的變化比較敏感, 因此常被用于重建第四紀(jì)以來季風(fēng)和西風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)的強(qiáng)度和演化過程[1-2,13-17]。海洋沉積物往往是多種物源或動力過程混合的產(chǎn)物, 它的粒度頻率分布曲線表現(xiàn)為多峰、連續(xù)光滑的特征, 其分布函數(shù)可以表示為各組分原型函數(shù)與其百分比乘積的和函數(shù)[13-14,18]。西北太平洋的風(fēng)塵沉積一般都經(jīng)歷了長距離的搬運(yùn), 具有相似的粒度分布特征[2], 據(jù)此可定性識別出風(fēng)塵組分。選擇合適的原型函數(shù)來擬合粒度頻率分布函數(shù)可以定量獲取單一粒度組分(如風(fēng)塵)的信息[13-16]。Weibull分布函數(shù)由于自由度較大且可塑性較強(qiáng), 可作為沉積物粒度分布的原型函數(shù),從而獲得不同端元的粒度組分的特征(如眾數(shù)值、分布范圍和含量等)[13-16], 進(jìn)而用于探討各端元組分的沉積學(xué)意義。這一方法已被成功地應(yīng)用于中國黃土中不同成因組分的分離和判別[13-16], 獲得了亞洲大陸古氣候變化的信息[15-16]。

迄今對帕里西-維拉海盆沉積物粒度的研究工作較少, 徐兆凱等[10]利用近代深海黏土粒度作為輔助手段探討了海盆沉積物特征和物質(zhì)來源； 明潔[9]運(yùn)用粒徑-標(biāo)準(zhǔn)偏差法分離出的敏感粒級組分研究了海盆內(nèi)底流的活動； 孟慶勇[19]闡述了帕里西-維拉海盆全樣沉積物的粒度分布特征。但是, 對于研究區(qū)沉積物中不同粒級組分代表的物源信息, 以及它們在古氣候研究中的意義缺乏系統(tǒng)研究。

本文對西北太平洋帕里西-維拉海盆近 2 Ma以來的一個沉積剖面中碎屑組份的粒度進(jìn)行了分析,通過Weibull分布函數(shù)進(jìn)行了不同端元的分離, 探討了端元組分的物質(zhì)來源及其貢獻(xiàn), 進(jìn)而通過不同粒級和端元組分的含量變化, 探討了其古氣候意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

帕里西-維拉海盆是西北太平洋的一個弧后盆地(圖 1), 東鄰西馬里亞納海脊, 北接四國海盆, 西部是九州-帕勞海脊, 南部是復(fù)雜的島弧、海溝和斷裂帶系統(tǒng)[8-9,19]。以中部的帕里西-維拉裂谷為界, 海盆東部地形平緩, 西部則很不平坦。海盆的擴(kuò)張于12 Ma前停止[20], 第四紀(jì)以來處在緩慢的沉降中[21]。

海底沉積物主要為黃褐色、紅褐色或褐色遠(yuǎn)洋黏土[8-9,19]。由于海盆普遍位于CCD以下, 所以不含鈣質(zhì)組分, 部分站位含較豐富的硅藻、放射蟲及硅質(zhì)海綿骨針[8-9,12,19]。海盆內(nèi)普遍存在火山成因物質(zhì)和鐵錳結(jié)殼(核)[8-9,11,19]。

圖1 采樣點(diǎn)地理位置圖Fig.1 Geological map of the study area and the sampling site

帕里西-維拉海盆最主要的表層洋流——北赤道流, 是低緯度地區(qū)長期盛行的東北信風(fēng)所產(chǎn)生的風(fēng)海流, 受地轉(zhuǎn)偏向力的影響, 在 10°～20°N 之間自東向西流動[22]。在四國海盆和帕里西-維拉海盆里呈逆時針流向的南極底層水[23]是海盆內(nèi)最主要的底層流。

2 材料和方法

本文的研究樣品(PV090102孔)取自西北太平洋帕里西-維拉海盆西部。由中國科學(xué)院海洋研究所的“科學(xué)一號”考察船于2003年用重力取樣器采集(圖 1)。柱狀樣總長度為388 cm, 取樣水深4 350 m。沉積物主要由黃褐色黏土組成, 并含紅褐色與褐色黏土夾層。沉積物涂片分析表明, 長英質(zhì)礦物含量普遍在80%以上[8-9,19], 其次為自生礦物和火山玻璃, 含少量硅藻和放射蟲。

柱狀樣年代學(xué)框架采用孟慶勇古地磁分析結(jié)果[19],其它層位年代學(xué)數(shù)據(jù)利用線性內(nèi)插與外推計(jì)算獲得。古地磁分析結(jié)果表明該孔記錄了帕里西-維拉海盆近2 Ma的沉積歷史[19]。由于底部樣品取樣時擾動較大, 因此僅對上部378 cm的樣品進(jìn)行了研究。每隔 4 cm取樣, 共計(jì)取樣 108個(其中 13個重復(fù)樣),用于粒度分析。

為了獲得沉積物中的碎屑組分, 通過順序淋濾方法, 依次去除海鹽, Fe-Mn氧化物和氫氧化物[11]、生物硅[12]和有機(jī)質(zhì)。具體方法為[24]： (1)稱取全樣約200 mg, 用超純水洗鹽兩次； (2)加入0.25 mol/L 鹽酸羥胺10 mL, 室溫下在搖床上震蕩(速度為125 r/min)反應(yīng)12 h, 然后離心, 倒去上清液, 用超純水反復(fù)清洗3次； (3)加入1 mol/L NaOH 10 mL, 室溫下在搖床上震蕩(速度為125 r/min)反應(yīng)12 h, 離心后倒去上清液, 用超純水反復(fù)清洗3次； (4)加5% H2O210 mL,室溫下在搖床上震蕩(速度為125 r/min)反應(yīng)12 h, 離心后倒去上清液, 用超純水反復(fù)清洗3次, 最終獲得碎屑組分。最后加六偏磷酸鈉(0.05 mol/L)2.5 mL分散樣品, 以用于上機(jī)測試碎屑組分的粒度組成。

粒度分析是在中國科學(xué)院海洋研究所海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室使用 Cilas-940L型激光粒度儀完成。該粒度儀的測試范圍為0.3～2 000 μm, 粒度間距Φ為1/4, 重復(fù)測量的相對誤差小于2%。沉積物粒度參數(shù)采用McManus矩法公式[25]計(jì)算得出。

粒度組分分離使用Sediment Component Analysis 2.0軟件完成[13-16]。其原理是利用Weibull分布函數(shù)對實(shí)測粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合, 以擬合殘差最小為目標(biāo), 從數(shù)學(xué)上分離出不同的粒級組分[13-16]。本文所有數(shù)據(jù)擬合殘差在0.7～1.65之間, 平均為1.12。

3 結(jié)果

PV090102孔沉積物中碎屑組分的粒度分析結(jié)果如圖2所示, 其中粗、細(xì)組分眾數(shù)粒徑和百分含量由Weibull分布函數(shù)擬合所得。碎屑組分主要由黏土組成, 其次為粉砂； 粒度總體較細(xì), 平均粒徑變化范圍為3～3.4 μm, 平均為3.2 μm。近2 Ma以來, 碎屑組分的粒度參數(shù)隨深度增加呈現(xiàn)出規(guī)律性變化, 2～0.5 Ma(約116 cm 處), 碎屑組分的平均粒徑逐漸減小,黏土的含量逐漸增加, 粉砂的含量逐漸減少； 0.5 Ma以來的變化則相反, 平均粒徑逐漸增加, 黏土的含量逐漸減少, 而粉砂的含量逐漸增加。

圖2 PV090102孔碎屑組分粒度組成和分布Fig.2 Grain size composition and distribution of detrital sediment for core PV090102

PV090102孔碎屑組分的粒度頻率曲線如圖3所示(典型樣品： 124～126 cm, 圖中還分別給出了碎屑組分的Weibull擬合曲線和組成它的兩個組分的分布曲線)。近2 Ma以來, 幾乎所有樣品中碎屑組分的粒度頻率分布都具有雙峰(雙眾數(shù))特征, 呈負(fù)偏態(tài)。粒徑總體分布范圍為0.5～32 μm。

圖3還示出利用 Weibull分布函數(shù)對實(shí)測粒度數(shù)據(jù)擬合后的結(jié)果。從圖3中可以看出, PV090102孔碎屑組分雙峰態(tài)的粒度分布曲線可以分解為兩條不同曲線。其中細(xì)粒組分粒度分布在0.5～16 μm之間, 它的平均粒徑和與之相近的眾數(shù)粒徑范圍約為1.7～2.4 μm(平均約為2 μm), 在碎屑組分中的含量一般在60%～90%(圖2), 這一組分的基本特征是粒度細(xì)、粒度分布范圍較窄, 且含量較高(圖3)。粗粒組分的粒度大致分布在1.6～32 μm之間, 其平均粒徑和與之相近的眾數(shù)粒徑范圍約為8.2～13.7 μm(平均在10 μm 左右), 其含量占碎屑組分的10%～40%(圖2), 粗粒組分的基本特征是粒度粗、峰較扁平、分布峰度低且有著更寬的分布范圍(圖3)。

圖3 PV090102孔一個典型樣品的粒度頻率曲線Fig.3 Frequency curve of one typical sample from core PV090102

4 討論

4.1 物源分析

對于一個沉積體系, 雙峰態(tài)的粒度分布可能是由兩種原因造成的, 一是兩種不同來源物質(zhì)的混合,二是同一物源但不同動力條件作用的結(jié)果[26]。基于Rb-Sr和Nd同位素研究結(jié)果, 帕里西-維拉海盆[6]及其西部的西菲律賓海盆[24]和北部的四國海盆[7]沉積物是由同位素特征截然不同的兩種來源物質(zhì)的二端元混合物, 一是古老的亞洲大陸來源的風(fēng)塵, 另一個是新生島弧來源的火山物質(zhì)。因此我們推測PV090102孔沉積物中碎屑組分的粒度雙峰是由于亞洲大陸風(fēng)塵物質(zhì)和周圍海脊及島弧的火山物質(zhì)這兩種不同的物質(zhì)來源的混合造成的, 而并非同一物源在不同動力條件下作用的結(jié)果, 兩個峰分別代表了這兩個不同來源的端元組分。

我們利用Weibull 分布函數(shù)獲得的PV090102孔碎屑組分細(xì)粒端元的組分粒度分布范圍在 0.5～16 μm,眾數(shù)為2 μm左右, 這與北太平洋風(fēng)塵沉積的粒度組成和分布特征非常類似[2](圖4, PV090102樣品： 312～314 cm, 北太平洋風(fēng)塵樣品： ODP885/886孔[2], 圖例中的數(shù)據(jù)為各組分眾數(shù)粒徑, 圖中還分別給出了碎屑組分的Weibull擬合曲線和組成它的兩個組分的分布曲線)。孫東懷等[14]通過 Weibull分布函數(shù)對中國黃土雙峰態(tài)的粒度分布進(jìn)行了定量分離, 認(rèn)為中國黃土中粗粒組分是短距離懸移組分, 通常搬運(yùn)距離不超過1 000 km, 主要是由低空環(huán)流系統(tǒng)——東亞季風(fēng)搬運(yùn)的, 而細(xì)粒組分是長距離懸移的產(chǎn)物, 是由高空環(huán)流系統(tǒng)——西風(fēng)帶搬運(yùn)的, 其分布特征與日本海、北太平洋風(fēng)塵的粒度分布類似。盡管北太平洋中部遠(yuǎn)離亞洲大陸, 但其中的陸源組分被認(rèn)為主要來源于亞洲大陸的風(fēng)成沉積, 通過西風(fēng)急流被搬運(yùn)至北太平洋, 由于是長距離搬運(yùn)的產(chǎn)物, 其粒度組成很少大于 16 μm[2]。帕里西-維拉海盆距離亞洲大陸粉塵源區(qū)超過 3 000 km, 缺少河流來源的沉積物[27], 細(xì)粒端元的粒度組成與北太平洋中部沉積物相似, 說明PV090102孔沉積物中的細(xì)粒組分主要是亞洲大陸風(fēng)塵物質(zhì)。研究區(qū)內(nèi)黏土礦物分析結(jié)果也表明, 黏土粒級組分主要是由亞洲風(fēng)塵來源的伊利石組成[8-9], 這有力地證明細(xì)粒端元主要來源于亞洲風(fēng)塵。此外, Weibull函數(shù)分離結(jié)果表明, 細(xì)粒端元組分在碎屑中的百分含量在 60%～90%, 說明碎屑組分中大部分物質(zhì)來源于亞洲大陸風(fēng)塵, 這與本孔黏土礦物的半定量分析結(jié)果一致[8]。

由于依據(jù)放射性成因的 Rb-Sr同位素的證據(jù)已經(jīng)證明該海區(qū)的碎屑組分除了亞洲大陸風(fēng)塵外, 還有一個火山物質(zhì)端元[6], 因此我們判斷, 經(jīng)過Weibull分布函數(shù)擬合后分離出的粗粒端元主要代表了來自周圍島弧和海脊的火山物質(zhì)。研究區(qū)內(nèi)沉積物涂片鑒定結(jié)果也顯示, 除風(fēng)塵組分的細(xì)粒長英質(zhì)礦物外, 碎屑組分中還普遍含有部分粗?；鹕讲Ａ8-9,19],這進(jìn)一步證明粗粒端元主要來自于火山物質(zhì)。

圖4 PV090102孔碎屑組分和北太平洋風(fēng)塵粒度分布特征對比Fig.4 Comparison of grain-size distribution characteristics between PV090102 detrital sediment and Aeolian dust from the northern Pacific Ocean

4.2 古氣候意義

根據(jù)物源分析和 Weibull分布函數(shù)的擬合結(jié)果(圖4), 可以判斷＜2 μm組分主要來源于亞洲大陸的風(fēng)塵, ＞10 μm 組分主要來源于火山島弧和海脊。PV090102孔＜2 μm組分百分含量在2～0.5 Ma呈逐漸增加的趨勢, 而＞10 μm火山組分百分含量的變化則與其相反, 呈逐漸減少的趨勢, 表明此階段東亞大陸風(fēng)塵物質(zhì)對碎屑組分的貢獻(xiàn)逐漸增強(qiáng), 而火山物質(zhì)的貢獻(xiàn)則相對減弱。沉積物中反映低矯頑力磁性礦物(如磁鐵礦)和高矯頑力磁性礦物(如赤鐵礦)含量相對比例的參數(shù) S300[19](圖 5)和黏土礦物伊利石[8-9]的證據(jù)表明, 近 2 Ma以來帕里西-維拉海盆沉積物中源于亞洲大陸的風(fēng)塵物質(zhì)輸入逐漸增加。這與中國靈臺黃土粉塵堆積速率[28]和北太平洋中部風(fēng)塵通量[3]以及黃土石英粒徑(相對于趙家川黃土剖面進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化)[17]的變化趨勢一致(圖5)。近2 Ma來黃土粉塵堆積速率及北太平洋風(fēng)塵通量的增加反映了亞洲內(nèi)陸干旱化趨勢的增加[3,28], 而黃土高原石英平均粒徑的增大表明東亞大氣環(huán)流系統(tǒng)的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)[17]。通過以上對比分析, 我們認(rèn)為PV090102孔粒度組分中＜2 μm 粒級含量的變化對這一時期東亞氣候變化具有明顯的響應(yīng), 很好的指示了源區(qū)干旱化強(qiáng)弱以及東亞大氣環(huán)流系統(tǒng)強(qiáng)度的變化, 因此可以作為亞洲大陸古氣候狀況的一個示蹤指標(biāo)。

圖5 PV090102孔各粒級組分百分含量和S300比值, 黃土石英平均粒徑, 黃土堆積速率和北太平洋ODP885/886孔風(fēng)塵通量對比Fig.5 Comparison between grain-size populations and S300 of core PV090102, mean grain-size of loess quartz, mass accumulation rate of Chinese loess and eolian dust flux of core ODP 885/886 in the North Pacific

黃土石英粒徑[17]變化曲線顯示最近0.5 Ma東亞大氣環(huán)流系統(tǒng)的強(qiáng)度明顯增強(qiáng)(圖 5)。黃土高原的粉塵堆積速率[5,16,28]和北太平洋風(fēng)塵通量[1,3-4]等結(jié)果表明最近0.5 Ma亞洲內(nèi)陸干旱化程度進(jìn)一步加劇(圖5), 這一演化趨勢在黃土高原孢粉的演化中也存在記錄[29]。此外, 前人對PV090102孔S300比值[19]以及帕里西-維拉海盆西部本哈姆隆起風(fēng)塵通量[30]的研究結(jié)果也證實(shí)了0.5 Ma以來亞洲大陸風(fēng)塵物質(zhì)輸入的增加以及東亞大氣環(huán)流強(qiáng)度的增強(qiáng)。與之矛盾的是0.5 Ma以來PV090102孔碎屑組分中＜2 μm的風(fēng)塵組分逐漸減少, 而＞10 μm的火山組分逐漸增加(圖 5), 這表明本階段內(nèi)亞洲大陸風(fēng)塵對碎屑組分的相對貢獻(xiàn)逐漸減少, 而火山物質(zhì)的貢獻(xiàn)卻逐漸增加,與 Asahara等[6]利用 Sr同位素比值計(jì)算出的西北太平洋風(fēng)塵物質(zhì)的相對百分含量變化趨勢一致。我們認(rèn)為產(chǎn)生這一現(xiàn)象可能有兩個原因, 其一： 仔細(xì)對比 PV090102孔細(xì)粒組分的眾數(shù)粒徑, 可以發(fā)現(xiàn) 0.5 Ma來以來細(xì)粒組分的眾數(shù)粒徑(平均 2.18 μm)較2～0.5 Ma(平均 2.09 μm)有增大的趨勢(圖 2), 這與黃土石英粒徑的變化一致, 很可能說明由于0.5 Ma來東亞大氣環(huán)流強(qiáng)度的進(jìn)一步增強(qiáng), 導(dǎo)致了風(fēng)塵組分粒度增加, 從而使＜2 μm 粒級組分含量降低。然而,由于帕里西-維拉海盆遠(yuǎn)離風(fēng)塵源區(qū), 這種由于風(fēng)力增強(qiáng)而導(dǎo)致的沉積物粒度增加十分有限。其二： 這可能與這一時期西太平洋火山活動的增強(qiáng)有關(guān)。構(gòu)造學(xué)和巖石學(xué)證據(jù)[31]表明位于帕里西-維拉海盆北部四國海盆以東的伊豆-小笠原海脊在本階段存在明顯的火山活動。中更新世以來, 全球氣候變冷, 活動性逐步增強(qiáng)南極底層水[9,32]不僅能攜帶更多物質(zhì)進(jìn)入研究區(qū), 還可以加強(qiáng)對周圍海脊的剝蝕, 使得輸入帕里西-維拉海盆的火山物質(zhì)增加, 導(dǎo)致了碎屑組分中粗粒組分(＞10 μm)的含量增加, 從而使得＜2 μm的風(fēng)塵組分的相對含量降低。此外, 由于 PV090102孔中的風(fēng)塵組分的分布范圍是0.5～16 μm, 因此＜2 μm的風(fēng)塵組分并不代表從亞洲大陸輸入到研究區(qū)的所有風(fēng)塵組分, ＜2 μm 風(fēng)塵組分相對含量的減少,并不意味著亞洲風(fēng)塵輸入的減弱； 相反, 正如上文所述0.5 Ma以來細(xì)粒組分(＜2 μm)的減少恰是對亞洲大氣環(huán)流增強(qiáng), 從而帶來更多粗粒風(fēng)塵物質(zhì)的一種響應(yīng)。

因此, PV090102孔中的不同粒度組分近2 Ma以來的變化規(guī)律, 不僅記錄了大氣環(huán)流狀況及亞洲大陸干旱歷史, 同時還指示了西太平洋火山活動的強(qiáng)弱和火山物質(zhì)的輸入歷史。

5 結(jié)論

本文分析了 PV090102孔沉積物中碎屑組分的粒度特征, 得出了如下結(jié)論。

1) 近2 Ma以來PV090102孔沉積物的粒度頻率分布呈雙峰負(fù)偏態(tài)分布特征, 兩個峰分別代表不同的物源。利用Weibull分布函數(shù)對實(shí)測粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合, 分離出粗、細(xì)兩個不同的端元組分, 其中細(xì)粒端元的眾數(shù)約為2 μm, 代表來自亞洲大陸的風(fēng)塵組分, 它的碎屑組分中的含量在 60%～90%, 是碎屑組分的主要物質(zhì)來源； 而粗端元的眾數(shù)在 10 μm 左右,主要是來自于周圍海脊和島弧的火山物質(zhì)。

2) PV090102孔中不同粒度組分不僅記錄了近2 Ma以來亞洲大陸干旱化程度和東亞大氣環(huán)流系統(tǒng)增強(qiáng)的趨勢, 還指示了0.5 Ma以來更多火山物質(zhì)的輸入,為研究第四紀(jì)以來東亞大氣環(huán)流系統(tǒng)的強(qiáng)弱和路徑、亞洲大陸干旱歷史以及西北太平洋火山活動歷史提供了長時間序列的示蹤指標(biāo)。

致謝：本文粒度數(shù)據(jù)的Weibull分布函數(shù)擬合是蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫東懷教授幫助分析的, 在此深表感謝?！翱茖W(xué)一號”科考船上的全體科學(xué)家和船員在樣品采集過程中付出了辛勤勞動； 中國科學(xué)院海洋研究所王紅莉?qū)嶒?yàn)師在粒度分析中給予了大力支持和幫助, 在此一并致謝。

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