西太平洋風(fēng)塵沉積記錄研究進(jìn)展*

萬(wàn)世明 徐兆凱

(1. 中國(guó)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 青島 266071; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋地質(zhì)過(guò)程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室 青島 266061)

風(fēng)塵, 即由大氣環(huán)流攜帶的陸源碎屑物質(zhì), 是許多深海沉積物的重要組成部分(Rea, 1994)。自 1846年達(dá)爾文在 Beagle號(hào)考察船上觀測(cè)風(fēng)塵開(kāi)始, 科學(xué)家對(duì)風(fēng)塵顆粒搬運(yùn)和深海沉積的興趣已經(jīng)有一百七十余年的歷史(Rea, 2007)。據(jù)估計(jì), 每年約有二十億噸風(fēng)塵物質(zhì)從陸地被釋放到大氣中, 最終有約 75%的風(fēng)塵會(huì)沉降到附近陸地, 形成了黃土高原等特殊地形, 而其余的 25%則被傳輸并沉積到海洋(Shaoet al, 2011)。作為全球第二大風(fēng)塵源區(qū), 亞洲內(nèi)陸每年向東南方向的黃土高原地區(qū)(Porteret al, 1995)、西北太平洋(Reaet al, 1988; Nagashimaet al, 2007)及熱帶西太平洋地區(qū)(Winckleret al, 2008)提供了大量的風(fēng)塵物質(zhì)。其中, 每年輸送到西北太平洋的粉塵達(dá)到七千萬(wàn)噸之多(Shaoet al, 2011)。因此, 源自于亞洲內(nèi)陸的風(fēng)塵物質(zhì)被認(rèn)為在陸地和海洋沉積過(guò)程乃至全球尺度氣候變化方面起著非常重要的作用(Porteret al,1995; Jickellset al, 2005; Winckleret al, 2008; Shaoet al, 2011; Xionget al, 2013)。

這些釋放到大氣和沉積到海洋的粉塵顆粒會(huì)參與一系列物理、化學(xué)和生物地質(zhì)過(guò)程。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)明確提出, 大氣粉塵通過(guò)反射和吸收地球所接受的太陽(yáng)輻射, 可直接影響大氣頂層和表層的輻射通量以及大氣的加熱速率和穩(wěn)定性,從而是影響全球輻射平衡的重要組成部分(Forsteret al, 2007)。此外, 風(fēng)塵中的鐵是大洋生產(chǎn)力的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)鹽元素, 從而可對(duì)海洋-大氣 CO2交換產(chǎn)生重要影響(Cassaret al, 2007)。近些年來(lái), 越來(lái)越多的工作揭示出粉塵在大洋生物地球化學(xué)循環(huán)中的重要作用。冰期階段中陸源風(fēng)塵物質(zhì)及其蘊(yùn)含的鐵營(yíng)養(yǎng)元素的增多會(huì)刺激大洋高營(yíng)養(yǎng)鹽低葉綠素海區(qū)中的生物生產(chǎn)力, 這一生物泵效應(yīng)可導(dǎo)致大氣 CO2被轉(zhuǎn)移到深海沉積物中埋藏起來(lái)從而可影響碳循環(huán), 其貢獻(xiàn)被估計(jì)為可降低冰期CO2濃度約30ppmv (Falkowskiet al,1998), 這就是著名的“鐵假說(shuō)”(Martin, 1990)?！拌F假說(shuō)”自提出以來(lái), 已經(jīng)得到了大量海上實(shí)驗(yàn)及巖芯記錄工作的證實(shí)(Jickellset al, 2005; Boydet al, 2007;Hanet al, 2011; Murrayet al, 2012)。除了粉塵的物理和生物化學(xué)效應(yīng)外, 粉塵本身作為來(lái)自干旱源區(qū)的產(chǎn)物并隨后被風(fēng)遠(yuǎn)程攜帶, 因此與氣候因素密切相關(guān), 從而粉塵沉積在古氣候研究中如源區(qū)古環(huán)境和古大氣環(huán)流強(qiáng)度/模式重建中有著重要的科學(xué)價(jià)值(Reaet al, 1998)。

相對(duì)于陸相粉塵記錄, 海洋風(fēng)塵沉積物的研究有許多優(yōu)勢(shì)。首先, 其分布廣泛, 有更好的代表性和區(qū)域?qū)Ρ刃? 其次, 海洋沉積相對(duì)陸相沉積來(lái)說(shuō), 沉積序列更為連續(xù); 再者, 海洋沉積物在定年上有絕對(duì)優(yōu)勢(shì), 有孔蟲(chóng)的氧同位素、230Th/232Th、火山灰層、微體古生物化石及古地磁等多種技術(shù)針對(duì)不同的時(shí)間尺度, 可以提供高分辨率的年代框架; 最后, 海洋巖芯還可以同時(shí)對(duì)風(fēng)塵同層位樣品的其他海洋自生指標(biāo)如海洋初級(jí)生產(chǎn)率、海水pH值和碳酸根離子濃度、表層海水溫度、鹽度等進(jìn)行綜合研究, 從而提供一些風(fēng)塵與大洋生物地球化學(xué)過(guò)程相互作用的關(guān)鍵信息, 這也是陸地風(fēng)塵記錄所不具備的(Muhs,2013)。

但是, 海洋風(fēng)塵沉積研究也有其自身的難點(diǎn), 其中一個(gè)主要困難在于如何準(zhǔn)確定量沉積物中風(fēng)塵的比例。尤其對(duì)于邊緣海沉積更是如此, 河流沉積物、火山灰甚至冰筏碎屑都可能提供物源到研究站位,從而稀釋風(fēng)塵的貢獻(xiàn)。為了避開(kāi)這些干擾, 風(fēng)塵研究站位常常都選取在遠(yuǎn)離大陸河流的開(kāi)放大洋中的海山頂部(Rea, 1994)。盡管如此, 也無(wú)法避開(kāi)火山玻璃或自生礦物的影響。通常有兩種方法分離風(fēng)塵組分和非風(fēng)塵組分, 一種是物理分離, 另一種是數(shù)學(xué)分離(萬(wàn)世明等, 2004)。前者主要采用一系列前處理手段如化學(xué)溶蝕去掉自生碳酸鈣、生物硅等提取出“準(zhǔn)風(fēng)塵”組分(Reaet al, 1981), 在分離完成后, 礦物顆粒就可以用來(lái)計(jì)算/測(cè)量通量(物質(zhì)堆積速率=風(fēng)塵含量×線性沉積速率×干容重)及粒度、礦物學(xué)和地球化學(xué)組成。這一方法被廣泛應(yīng)用于90年代之前的海洋風(fēng)塵沉積研究工作中(Reaet al, 1998), 并被延續(xù)至今,但現(xiàn)在更多發(fā)展成為物理的分離并結(jié)合 Sr-Nd-Pb同位素技術(shù)定量估計(jì)風(fēng)塵組分的含量(Xuet al, 2015;Shenet al, 2017)。數(shù)學(xué)分離方法則?；诩す饬６葦?shù)據(jù)的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法來(lái)模擬各個(gè)潛在端元的粒度分布從而定量不同端元如風(fēng)塵、河流、冰筏碎屑等的貢獻(xiàn)。這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于大西洋(Stuutet al, 200; Stuutet al, 2004), 東地中海(Hamannet al, 2008)和中國(guó)南海(Wanet al, 2007)。該技術(shù)操作簡(jiǎn)單, 但解釋的可靠性還需要其他證據(jù)謹(jǐn)慎檢驗(yàn)。

海洋風(fēng)塵沉積參數(shù)的古氣候解釋通常基于這樣一種基本假設(shè)(Rea, 1994), 即風(fēng)塵由高空氣流長(zhǎng)途搬運(yùn), 當(dāng)距離風(fēng)塵源區(qū)超過(guò)兩千公里時(shí), 風(fēng)塵的粒度和成分已與大氣流的能量趨于平衡而保持穩(wěn)定, 因此風(fēng)塵的粒度可以反映搬運(yùn)風(fēng)力強(qiáng)度的變化; 而風(fēng)塵的通量則指示源區(qū)的古氣候; 風(fēng)塵的礦物組分則可以提供風(fēng)塵源區(qū)的信息。故此, 保存在海洋沉積物中的風(fēng)塵的組成、粒度和物質(zhì)通量可以作為長(zhǎng)尺度源區(qū)古環(huán)境和大氣循環(huán)歷史研究的代用指標(biāo)。

在上述基本認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上, 本文主要回顧在西太平洋風(fēng)塵沉積記錄研究領(lǐng)域取得的一些主要認(rèn)識(shí),并重點(diǎn)闡述近幾年來(lái)我們?cè)谖鞣坡少e海和日本海風(fēng)塵記錄研究中取得的一些新進(jìn)展及簡(jiǎn)要展望未來(lái)的研究方向。

1　西太平洋的風(fēng)塵沉積記錄

我們對(duì)于太平洋地區(qū)風(fēng)塵沉積的了解, 很大程度上來(lái)自美國(guó)密西根大學(xué)的David Rea教授和他的學(xué)生及同事數(shù)十年的開(kāi)拓性工作。他們還開(kāi)展了一個(gè)專門(mén)針對(duì)北太平洋風(fēng)塵記錄研究的大洋鉆探計(jì)劃(ODP)145航次(包括 885/886站, 圖 1)(Rea, 1994,2007), 通過(guò)風(fēng)塵通量及風(fēng)塵中值粒徑分別指示風(fēng)塵源區(qū)干旱度和風(fēng)力強(qiáng)度, 并將這一方法用于太平洋地區(qū)大量的巖芯研究, 成為后人學(xué)習(xí)的典范。但限于條件, 有些問(wèn)題當(dāng)時(shí)并沒(méi)有被很好解決, 如深海硅酸鹽碎屑組分中, 不僅包含風(fēng)塵, 還有火山灰及少量自生礦物, 尤其在靠近島弧的研究區(qū), 火山灰組分含量很高, 如果把去掉碳酸鹽剩下的組分都當(dāng)成風(fēng)塵, 會(huì)大大高估風(fēng)塵的貢獻(xiàn)。因此, 在閱讀David Rea教授的論著時(shí), 要特別注意文中的風(fēng)塵通量或粒度很多實(shí)際上并非“純風(fēng)塵”, 而是硅酸鹽組分(可能含風(fēng)塵、火山玻璃、自生礦物等), 甚至還有難溶的硅質(zhì)生物殼體。

圖1　本文提到的海洋和陸地風(fēng)塵記錄的研究站位圖Fig.1 Location Map showing marine and terrestrial sediment cores mentioned in this study

圖2　衛(wèi)星照片顯示的亞洲風(fēng)塵向西太平洋的傳輸(修改自Muhs, 2013)Fig.2 Satellite image showing dust moving eastward from source areas in mainland Asia to the Sea of Japan and west Pacific Ocean(from Muhs, 2013)

北太平洋沉積的風(fēng)塵主要來(lái)自亞洲內(nèi)陸干旱地區(qū), 為西風(fēng)攜帶而來(lái), 但東亞冬季風(fēng)也可以攜帶大量風(fēng)塵到西太平洋邊緣海包括日本海和西菲律賓海等鄰近東亞大陸的海域(圖2)(Wanet al, 2012; Xuet al,2015; Shenet al, 2017)。亞洲粉塵源區(qū)存在的歷史可追溯至二千二百萬(wàn)年到三千四百萬(wàn)年之前, 被認(rèn)為與青藏高原隆起有關(guān)(Guoet al, 2002; Zhenget al,2015)?？梢曰謴?fù)至中新世之前的海洋風(fēng)塵堆積的長(zhǎng)期記錄主要來(lái)自于西風(fēng)盛行的北太平洋的沉積物巖芯。這些記錄中最長(zhǎng)的一個(gè)代表性巖芯是LL44-GPC3(30.3°N, 157.8°W), 該孔建立了七千萬(wàn)年以來(lái)的大陸干旱和風(fēng)力強(qiáng)度記錄(圖3)(Janeceket al, 1983)。粉塵通量數(shù)據(jù)顯示出在漸新世和更老的時(shí)候粉塵輸入很少,而在二千四百萬(wàn)年左右粉塵通量增加為 2倍, 伴隨著晚新生代的變冷和北半球干旱, 粉塵大幅度增加。而該孔的風(fēng)塵粒度顯示在晚始新世變粗, 并且到現(xiàn)在仍然階段性地持續(xù)增加。粉塵粒度在古新世-始新世邊界的變化也見(jiàn)于其他北太平洋鉆孔, 可能指示了當(dāng)時(shí)西風(fēng)環(huán)流強(qiáng)度的加強(qiáng)(Rea, 2007)。晚新生代亞洲干旱和風(fēng)力強(qiáng)度的更詳細(xì)記錄來(lái)自于北太平洋 ODP885/886站(44.7°N, 168.3°W), 可追溯至晚中新世一千二百萬(wàn)年以來(lái)(圖3)(Reaet al, 1998)。其巖芯為生物軟泥, 有好的地磁反轉(zhuǎn)地層記錄, 相比更南部的LL44-GPC3孔有更好的年代控制。該孔顯示了晚新生代氣候變化的許多重要信息(Reaet al, 1998)。尤其三百六十萬(wàn)年以來(lái), 粉塵通量有一個(gè)數(shù)量級(jí)的增加, 反映了青藏高原北部中亞盆地的快速變干, 被認(rèn)為是青藏高原北部快速隆升的結(jié)果。但是, 來(lái)自O(shè)DP885/886站的風(fēng)塵粒度信息則展示了不同于LL44-GPC3孔的另外一種情形。粒度和通量數(shù)據(jù)各自獨(dú)立變化, 相關(guān)性較少。粒度數(shù)據(jù)顯示出四百五十萬(wàn)年左右西風(fēng)環(huán)流強(qiáng)度的加強(qiáng), 這領(lǐng)先粉塵通量增加約一百萬(wàn)年, 可能指示北半球熱力梯度的變化(Reaet al, 1998)。但是, 最近來(lái)自Shatsky隆起上的 ODP1208站(36.13°N, 158.2°E) 記錄的二千五百萬(wàn)年以來(lái)的陸源物質(zhì)通量卻總體上逐漸增加(Zhanget al, 2016), 沒(méi)有ODP885/886站所展示的階段性顯著增加趨勢(shì)(Reaet al, 1998)。

圖3　北太平洋LL44-GPC3(Janecek et al, 1983)和ODP885/886孔(Rea et al, 1998)記錄的新生代以來(lái)風(fēng)塵通量和中值粒徑變化Fig.3 Dust accumulation rate and grain size of dust and quartz grains extracted from core LL44-GPC3 (Janecek et al, 1983) and ODP Sites 885/886 (Rea et al, 1998) in the North Pacific Ocean

在第四紀(jì)以來(lái), 已有大量工作揭示了冰期-間冰期時(shí)間尺度上北太平洋風(fēng)塵通量的變化。其中最具研究代表性的一個(gè)巖芯為V21-146 (37.7°N, 163.0°E),位于日本島弧以東的 Shatsky隆起上, 離中國(guó)粉塵源區(qū)約三千五百公里, 該巖芯顯示五十萬(wàn)年以來(lái)風(fēng)塵通量在冰期時(shí)相對(duì)間冰期增加 3.5倍左右, 這是首次有關(guān)海洋風(fēng)塵沉積記錄可以與中國(guó)陸地黃土序列和深海氧同位素曲線直接對(duì)比的報(bào)道(圖4)(Hovanet al, 1989)。有意思的是, 在十萬(wàn)年周期譜段, 該孔風(fēng)塵粒度在間冰期較粗, 卻在冰期較細(xì),這與黃土序列記錄的東亞冬季風(fēng)變化正好相反(Dinget al, 2002), 有可能指示西風(fēng)強(qiáng)度不同于冬季風(fēng)在冰期尺度的變化特征。Shatsky隆起站位以東一千五百公里的 Hess隆起上的另一個(gè)巖芯H3571 (34.9°N, 179.7°E)也顯示出類(lèi)似的風(fēng)塵通量變化模式, 只是通量最大值的時(shí)間和幅度有所差異(Rea, 1994), 可能由于年代框架或其他因素(如源區(qū)差異或遠(yuǎn)近不同)所致。

圖4　北太平洋V21-146孔記錄的50萬(wàn)年以來(lái)風(fēng)塵通量變化和中國(guó)黃土及深海氧同位素記錄對(duì)比(修改自Rea, 2007)Fig.4 Dust accumulation record since 500 ka from core V21-146 in the northwestern Pacific Ocean (from Rea, 2007)

在赤道太平洋地區(qū), 沉積物中風(fēng)塵含量因?yàn)檩^低而很難定量, 常常有火山灰混入, 而且其風(fēng)塵物源也不是單一來(lái)源, 可能包括了亞洲、澳大利亞甚至南美的混合風(fēng)塵(Maheret al, 2010)。正因如此, 早期赤道太平洋地區(qū)的風(fēng)塵通量定量存在困難, 沒(méi)有觀察到明顯的冰期-間冰期風(fēng)塵通量變化, 直到“230Th標(biāo)準(zhǔn)化”技術(shù)的應(yīng)用才解決了這一問(wèn)題(Andersonet al,2006)。該方法基于這樣的假設(shè)前提: 即含230Th的風(fēng)塵顆粒沉降到海底的延遲速率等于其上覆水層中234U衰變成230Th的形成速率。因此, 通量可以通過(guò)沉積物中清掃自水體的230Th濃度除以上覆水體中230Th的形成速率得到。此外,232Th堆積速率通常被用于風(fēng)塵堆積速率的代用指標(biāo)。不同于230Th主要來(lái)自水體中234U的原位放射性衰變,232Th主要來(lái)自大陸風(fēng)塵(Th含量平均16ppm), 其濃度高出島弧火山物質(zhì)一個(gè)數(shù)量級(jí)(平均1.2ppm), 且在海水中幾乎不溶解,不會(huì)遭受沉積后氧化還原影響, 從而可作為風(fēng)塵顆粒的一種可靠指標(biāo)(Andersonet al, 2006)。從西赤道太平洋到東赤道太平洋的一系列232Th指標(biāo)的巖芯記錄揭示出赤道太平洋風(fēng)塵通量在過(guò)去五十萬(wàn)年來(lái)冰期階段相對(duì)間冰期高出近2倍, 且和南極冰芯粉塵通量變化一致(圖5)(Winckleret al, 2008)。

因此, 越來(lái)越多的數(shù)據(jù)揭示出, 至少在晚第四紀(jì)以來(lái)的冰期-間冰期時(shí)間尺度上, 從高緯度到赤道甚至南極的全球范圍, 風(fēng)塵的產(chǎn)生和傳輸過(guò)程具有驚人的一致性響應(yīng)。粉塵通量值跨越赤道太平洋從北到南的變化可能響應(yīng)于熱帶輻合帶(ITCZ)的強(qiáng)度或經(jīng)度位置的改變(Rea, 1994; Reaet al, 1995; McGeeet al,2007; Ziegleret al, 2008)。

圖5　赤道太平洋232Th指標(biāo)合成記錄的50萬(wàn)年以來(lái)風(fēng)塵通量變化和南極冰芯風(fēng)塵記錄對(duì)比(修改自Winckler等,2008)Fig.5 Time series of 232Th-based dust flux of the central equatorial Pacific and the Antarctic ice core (after Winckler et al,2008, modified)

2　西菲律賓海的風(fēng)塵沉積記錄

西菲律賓海是熱帶西太平洋地區(qū)的一個(gè)典型風(fēng)塵匯聚區(qū), 同時(shí)也是黑潮暖流的發(fā)源地。該海區(qū)的重要地質(zhì)意義早在二十世紀(jì)七十年代就引起了全球科學(xué)家們的高度關(guān)注, 至今已進(jìn)行了六個(gè)航次的深海鉆探(DSDP)和大洋鉆探(ODP)研究。

基于西菲律賓海表層沉積物黏土礦物組成中伊利石含量的分布趨勢(shì)(西北-東南遞減), 科學(xué)家早在二十世紀(jì)六十年代和八十年代就指出了亞洲內(nèi)陸風(fēng)塵物質(zhì)對(duì)菲律賓海沉積物組成的潛在貢獻(xiàn)(Griffmet al, 1963; Kollaet al, 1980)。這隨后得到了西菲律賓海表層和柱狀沉積物中粒度、礦物、化學(xué)元素及Rb-Sr同位素等工作的證實(shí)(Asaharaet al, 1995, 1999; 秦蘊(yùn)珊等, 1995; 石學(xué)法等, 1995)。更直接的證據(jù)則來(lái)自四國(guó)海盆沉積物捕獲器(29.5°N, 135.25°E)近兩年時(shí)間連續(xù)觀測(cè)的結(jié)果, 發(fā)現(xiàn)春季時(shí)亞洲內(nèi)陸粉塵事件與菲律賓海沉積物中高風(fēng)塵及生物組分通量間存在密切的聯(lián)系(Liet al, 2004)。

最近幾年, 國(guó)內(nèi)外對(duì)菲律賓海第四紀(jì)沉積物中風(fēng)塵物質(zhì)貢獻(xiàn)定量化、源區(qū)識(shí)別及其搬運(yùn)動(dòng)力的研究達(dá)到了一個(gè)高潮。一方面, 基于對(duì)菲律賓海柱狀沉積物中碎屑態(tài)的粒度、黏土礦物、化學(xué)元素和Sr-Nd同位素以及硅藻席的Si同位素等大量指標(biāo)的系統(tǒng)研究,國(guó)內(nèi)外科學(xué)家從定性、半定量及定量等不同層面上明確了第四紀(jì)亞洲內(nèi)陸風(fēng)塵物質(zhì)對(duì)菲律賓海的輸入(Wanet al, 2012; Xuet al, 2012, 2013, 2014, 2015; 于兆杰等, 2012; Jianget al, 2013; Xionget al, 2013; Seoet al, 2014)(圖6—8)。但是, 對(duì)于菲律賓海中亞洲風(fēng)塵物質(zhì)的具體源區(qū)究竟是亞洲東部沙漠地帶還是亞洲中部沙漠地帶以及其具體攜帶動(dòng)力究竟是東亞冬季風(fēng)還是西風(fēng)帶, 迄今仍存在爭(zhēng)議。

無(wú)論是從現(xiàn)代觀測(cè)還是從地質(zhì)歷史時(shí)期風(fēng)塵物質(zhì)來(lái)源重建的角度出發(fā), 菲律賓?，F(xiàn)有的基于黏土礦物、元素及Sr-Nd-Si同位素等指標(biāo)的絕大部分研究工作都支持研究區(qū)的風(fēng)塵物質(zhì)主要來(lái)自于亞洲東部沙漠地帶, 其主要攜帶動(dòng)力為東亞冬季風(fēng)(戴璐等,2010; Shaoet al, 2011; Wanet al, 2012; Xuet al, 2012,2013, 2014, 2015; Jianget al, 2013; Xionget al, 2013)。與之相反, Seo等(2014)僅基于菲律賓海中部地區(qū)一根六十萬(wàn)年以來(lái)的沉積物巖芯PC631(12.5°N, 135°E)中十七個(gè)樣品黏土礦物組成提出了一種不同的觀點(diǎn):即研究區(qū)的風(fēng)塵物質(zhì)主要來(lái)自于亞洲中部沙漠地帶,其主要攜帶動(dòng)力是西風(fēng)帶和信風(fēng), 而非傳統(tǒng)意義上所認(rèn)為的東亞冬季風(fēng)。該觀點(diǎn)雖然新穎, 但卻存在著非常明顯的問(wèn)題。其一, 相同樣品的碎屑態(tài)Sr-Nd同位素組成這一相對(duì)黏土礦物組成更為有效的物源判別指標(biāo)所得出的物源結(jié)論明顯不支持該觀點(diǎn)。具體來(lái)說(shuō), 這些樣品的87Sr/86Sr和εNd值明顯偏離呂宋島和亞洲中部沙漠地帶風(fēng)塵物質(zhì)的混合曲線, 表明亞洲中部沙漠并非所研究沉積物中風(fēng)塵組分的主要來(lái)源(圖7)(Xuet al, 2016)。相反, 這些樣品的87Sr/86Sr和εNd值[εNd=(143Nd/144Nd樣品/0.512638-1)×10000]更接近呂宋島和亞洲東部沙漠(鄂爾多斯)風(fēng)塵物質(zhì)的混合曲線, 表明東亞冬季風(fēng)攜帶下的亞洲東部沙漠(鄂爾多斯)地帶粉塵物質(zhì)為研究區(qū)沉積物中風(fēng)塵組分的主要貢獻(xiàn)者(Xuet al, 2016)。其二, 基于西菲律賓海MD06-3047 孔(17.0°N, 124.8°E)(Xuet al, 2012)和MD06-3050 孔(15.95°N, 124.78°E)(Wanet al, 2012)沉積物黏土礦物組成數(shù)據(jù)也明顯不支持Seo等(2014)的觀點(diǎn)(Xuet al, 2016)。

圖6　基于Sr-Nd同位素和黏土礦物組成的西菲律賓海MD06-3047孔沉積物來(lái)源判別圖解(修改自Xu et al, 2015)Fig.6 Discrimination plots showing variations in Sr-Nd isotopes and clay mineral assemblages of Core MD06-3047 sediments in the western Philippine Sea (from Xu et al, 2015)

圖7　基于Sr-Nd同位素組成的西菲律賓海MD06-3047孔和菲律賓海中部PC631孔沉積物來(lái)源判別圖解(修改自Xu et al,2016)Fig.7 Discrimination plot showing variations in Sr-Nd isotopes of Core MD06-3047 sediments in the western Philippine Sea and Core PC631 sediments in the central Philippine Sea (from Xu et al, 2016)

此外, 通過(guò)高、低緯太平洋海區(qū)陸源風(fēng)塵物質(zhì)輸入通量的系統(tǒng)對(duì)比, 研究還發(fā)現(xiàn)它們?cè)谥?晚第四紀(jì)以來(lái)的變化非常一致, 幾乎可以進(jìn)行峰與峰或谷與谷間的一一對(duì)比, 表明高、低緯太平洋海區(qū)風(fēng)塵物質(zhì)輸入通量演化的主控因素為全球氣候變化, 而區(qū)域性因素的影響則可能很小(Wanet al, 2012; Xuet al,2015)。而中-晚第四紀(jì)以來(lái)西菲律賓海中亞洲風(fēng)塵物質(zhì)輸入量與當(dāng)?shù)毓派a(chǎn)力水平乃至南極冰芯所記錄到的大氣二氧化碳濃度間隨時(shí)間變化的一致性(圖8), 則可能指示著冰期時(shí)低緯西太平洋地區(qū)亞洲內(nèi)陸沙漠來(lái)源風(fēng)塵物質(zhì)輸入的增加刺激了當(dāng)?shù)毓派a(chǎn)力水平的提高, 進(jìn)而將更多大氣二氧化碳帶入海底埋藏下來(lái), 從而表明低緯西太平洋地區(qū)對(duì)冰期時(shí)大氣二氧化碳濃度降低的可能貢獻(xiàn)(Xionget al, 2013; Xuet al, 2015)。

圖8　七十萬(wàn)年來(lái)的西菲律賓海亞洲風(fēng)塵物質(zhì)輸入及其古生產(chǎn)力和碳循環(huán)效應(yīng)(灰色陰影區(qū)指示冰期階段)(修改自Xu et al,2016)Fig.8 Asian dust input into the western Philippine Sea since 700 ka and its significance for paleo-productivity and carbon cycle (the shaded bars indicate glacial periods) (after Xu et al, 2016, modified)

3　日本海的風(fēng)塵沉積記錄

日本海是位于太平洋西北部的由郁陵海盆(Tsushima/Ulleung Basin)、大和海盆(Yamato Basin)以及日本海盆(Japan Basin)等三個(gè)海盆組成的一個(gè)半封閉的邊緣海, 通過(guò)對(duì)馬海峽、津輕海峽、宗谷海峽以及韃靼海峽等四個(gè)海檻深度低于一百三十五米的海峽分別與東海、太平洋以及鄂霍次克海等相鄰海域相連(Tadaet al, 2015)。日本海東側(cè)為日本島弧, 西側(cè)毗鄰朝鮮半島、中國(guó)東北部和俄羅斯東南部。相比其他東亞邊緣海(如黃渤東海和南海)都有世界級(jí)大河輸入巨量陸源物質(zhì), 日本海東西側(cè)的朝鮮半島和日本島弧只發(fā)育了一些很小的河流(如Nakdong, Seumjin,Agano, Mogami等), 各自每年分別向?qū)︸R海峽和日本海輸送的沉積物僅有約一千萬(wàn)噸(Millimanet al,2011)。正因如此, 日本海的風(fēng)塵輸入信號(hào)不容易被河流輸入掩蓋。并且, 因?yàn)槿毡竞Ｕ梦挥趤喼揎L(fēng)塵通過(guò)西風(fēng)帶向北太平洋傳輸?shù)穆窂缴? 因此日本海是來(lái)自亞洲大陸風(fēng)塵的主要沉降區(qū)(圖1, 2)。

根據(jù)電子自旋共振(electron spin resonance, ESR)以及石英結(jié)晶度, 日本海中沉積的風(fēng)塵物質(zhì)的可能源區(qū)包括黃土高原及其周邊土壤、包括塔克拉瑪干沙漠在內(nèi)的中東亞內(nèi)陸干旱區(qū)以及中國(guó)東北部的西伯利亞地區(qū), 主要由西風(fēng)或東亞冬季風(fēng)攜帶而來(lái)(Nagashimaet al, 2007)。研究表明, 日本海的風(fēng)塵堆積速率為 0.2—4.5g/cm2/ky, 是介于 30°—40°N 之間的太平洋地區(qū)的十倍以上(Irinoet al, 2002), 據(jù)此估計(jì)日本海風(fēng)塵輸入量約每年三千萬(wàn)噸, 主要沉降在靠近中國(guó)大陸且位于西風(fēng)路徑上的日本海西南部。沉積物捕集器研究估測(cè)日本海南部現(xiàn)今的風(fēng)塵通量為23—45g/m2/y(Otosakaet al, 2004), 這和日本海ODP797 站(38.6°N, 134.5°E) (Irinoet al, 2002)和IODP U1430 站(37.9°N, 131.54°E)(Shenet al, 2017)在第四紀(jì)時(shí)期的陸源物質(zhì)通量幾乎相當(dāng), 暗示風(fēng)塵對(duì)日本海第四紀(jì)沉積物的重要貢獻(xiàn)。

日本海晚第四紀(jì)的風(fēng)塵沉積記錄已有較多工作。與搬運(yùn)到太平洋中的風(fēng)塵相似, 日本海沉積物中的風(fēng)塵物質(zhì)也大致顯示出了冰期-間冰期旋回變化特征,在末次冰期冰盛期(LGM)時(shí)日本海中的風(fēng)塵在千年尺度上的堆積速率達(dá)到了最大, 為其他時(shí)期的 2—4倍(Irinoet al, 2002)。并且, 在冰期時(shí)搬運(yùn)至日本海中的風(fēng)塵物質(zhì)顆粒粒徑也通常大于間冰期時(shí)期的粒徑(Irinet al, 2000; Nagashimaet al, 2007)。顏色韻律變化是日本海晚第四紀(jì)沉積物的最顯著特征, 通常深色層較淺色層的風(fēng)塵含量偏低(Irinet al, 2000)、粒度偏細(xì)(Nagashimaet al, 2007)。

相比之下, 日本海構(gòu)造時(shí)間尺度(百萬(wàn)年)的風(fēng)塵沉積記錄非常少。最近, 來(lái)自日本海南部郁陵海盆的國(guó)際綜合大洋鉆探計(jì)劃(IODP)U1430站長(zhǎng)達(dá)兩百五十八米巖芯的黏土礦物和 Sr-Nd-Pb同位素地球化學(xué)研究建立了過(guò)去一千五百萬(wàn)年以來(lái)亞洲內(nèi)陸風(fēng)塵輸入到日本海的長(zhǎng)期記錄(圖 9), 并進(jìn)而揭示了亞洲內(nèi)陸干旱化歷史及其與青藏高原隆升和新生代全球變冷的聯(lián)系(Shenet al, 2017)。物源分析表明研究區(qū)黏土粒級(jí)碎屑物質(zhì)主要來(lái)自亞洲內(nèi)陸的風(fēng)塵和日本島弧河流物質(zhì)的二端元混合。亞洲風(fēng)塵提供了高87Sr/86Sr、低εNd而富含伊利石的物質(zhì), 而日本島弧端元供應(yīng)了低87Sr/86Sr、高εNd而富蒙脫石的物質(zhì)。伊利石/蒙脫石比值以及εNd值用以指示亞洲內(nèi)陸風(fēng)塵輸入的強(qiáng)度, 從而指示風(fēng)塵源區(qū)的干旱歷史。結(jié)果顯示, 亞洲內(nèi)陸自中新世以來(lái)整體逐漸變干, 尤其在約一千一百八十萬(wàn)年、八百萬(wàn)年、三百五十萬(wàn)年和一百二十萬(wàn)年發(fā)生了階段性干旱化增強(qiáng)(圖 9)。與新生代主要構(gòu)造-氣候事件的對(duì)比表明, 一千一百八十萬(wàn)年左右的亞洲干旱為青藏高原隆升和全球變冷(南極冰蓋擴(kuò)展)共同驅(qū)動(dòng), 八百萬(wàn)年左右的干旱為青藏高原北部進(jìn)一步隆起驅(qū)動(dòng), 而三百五十萬(wàn)年以來(lái)全球變冷(北極大冰蓋擴(kuò)展)則是晚上新世亞洲內(nèi)陸干旱化增強(qiáng)的主導(dǎo)因素(Shenet al, 2017)。有意思的是, 在日本海的風(fēng)塵記錄和北太平洋 ODP885/886站(Reaet al,1998)、南海北部ODP1146站(Wanet al, 2007)及黃土記錄(Guoet al, 2002)可以很好地對(duì)比, 但卻不同于西北太平洋Shatsky隆起上的ODP1208站單調(diào)逐漸增加的陸源輸入(Zhanget al, 2016)。

4　問(wèn)題與展望

綜上所述, 近幾年在西菲律賓海和赤道太平洋第四紀(jì)風(fēng)塵物源及通量變化方面取得了重要的進(jìn)展。但是, 毋庸置疑, 總體上西太平洋風(fēng)塵沉積的研究基礎(chǔ)和程度其實(shí)是非常低的, 尤其突出反映在以下幾個(gè)方面:

(1) 缺乏風(fēng)塵從源到匯搬運(yùn)和沉積過(guò)程的現(xiàn)代觀測(cè)。這導(dǎo)致風(fēng)塵的物源、傳輸機(jī)制及其生物地球化學(xué)效應(yīng)只能通過(guò)海洋沉積巖芯樣品的礦物地球化學(xué)工作來(lái)間接判別, 這顯然存在很大不確定性甚至誤判。如果有更大空間跨度(如從源頭的亞洲內(nèi)陸沙漠地帶到物質(zhì)匯聚區(qū)——西太平洋特定海區(qū)的大剖面)的沉積物捕集器或粉塵收集器的長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)和分析, 顯然可以給大洋巖芯的風(fēng)塵沉積記錄的解釋提供更加直接而有力的證據(jù)。

(2) 風(fēng)塵組分含量及通量定量化中存在誤區(qū)。如前所述, 早期海洋風(fēng)塵沉積研究的兩個(gè)重要參數(shù)——風(fēng)塵通量和粒度數(shù)據(jù)的質(zhì)量嚴(yán)重依賴于所提取出“準(zhǔn)風(fēng)塵”的可靠性, 而這一所謂“準(zhǔn)風(fēng)塵”即使經(jīng)過(guò)常規(guī)的化學(xué)前處理, 其實(shí)往往還包含有大量細(xì)粒級(jí)火山玻璃、難溶的生物硅(硅藻、海綿骨針等)和自生黏土礦物, 因此這種物理分離不是可靠的, 可能會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)論。需要配合分粒級(jí)、顯微鏡觀察及Sr-Nd-Pb同位素等技術(shù)手段才能獲取更真實(shí)的風(fēng)塵含量和通量。

(3) 西太平洋風(fēng)塵沉積長(zhǎng)期記錄的工作非常缺乏, 甚至有些記錄互相矛盾的, 這造成新生代以來(lái)西太平洋風(fēng)塵沉積長(zhǎng)期演變特征及機(jī)制方面的研究程度甚低, 而在風(fēng)塵長(zhǎng)期輸入對(duì)大洋生產(chǎn)力及全球碳循環(huán)潛在影響方面更是幾乎沒(méi)有。未來(lái)計(jì)劃通過(guò)國(guó)際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃(IODP)在西北太平洋鉆取關(guān)鍵站位形成南北和東西斷面對(duì)比, 展開(kāi)長(zhǎng)時(shí)間尺度、綜合性的風(fēng)塵物源、通量及生物地球化學(xué)效應(yīng)方面的研究, 揭示新生代亞洲內(nèi)陸干旱歷史/西風(fēng)/東亞冬季風(fēng)長(zhǎng)期演化歷史及機(jī)制, 及亞洲風(fēng)塵對(duì)構(gòu)造時(shí)間尺度大洋生產(chǎn)力和全球碳循環(huán)的貢獻(xiàn)。

圖9　過(guò)去一千五百萬(wàn)年以來(lái)亞洲內(nèi)陸干旱演化的海陸記錄及其與全球氣候變化和青藏高原主要隆升事件的對(duì)比 (修改自Shen et al, 2017)Fig.9 Marine and terrestrial records since 15 Ma showing the evolution of stepwise aridity in Central Asia, global climate and major uplifts in the Tibetan Plateau (after Shen et al, 2017, modified)

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