西北冰洋中更新世以來黏土礦物變化特征及其反映的洋流和冰蓋演化

徐仁輝，王汝建*，肖文申，董林森，劉焱光

( 1. 同濟大學 海洋地質國家重點實驗室，上海 200092；2. 自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266061)

1 引言

北極作為全球系統(tǒng)的重要組成部分，通過多種氣候反饋機制在全球氣候變化中起到關鍵性作用[1–7]。更新世以來，北冰洋周圍冰蓋的進退對大氣環(huán)流、反照率以及海平面的升降有非常大的影響[8–9]，進而通過洋流模式和冰川排泄改變沉積區(qū)域的沉積環(huán)境[7，10–12]。因此，對西北冰洋沉積物組成的研究，不僅能確定沉積物的物源供給和洋流模式的變化，還能為重建周圍冰蓋的演化歷史提供可靠依據(jù)[13–15]。對西北冰洋周圍冰蓋的研究已經(jīng)取得了很大的進展，例如，深海氧同位素（MIS）1～6 期西伯利亞冰蓋的發(fā)育范圍和影響程度[16–17]、末次盛冰期勞倫冰蓋的演化[18–19]等。研究主要集中在MIS 6 期以來，這是因為一次大的冰期能將之前冰蓋留下的大部分信息抹掉[20]。因此，至今人們對MIS 6 期以前的北冰洋周圍冰蓋的長期演化歷史知之甚少，尤其是東西伯利亞冰蓋和北美冰蓋[21]。

北冰洋現(xiàn)代表層環(huán)流主要由穿極流和順時針流動的波弗特環(huán)流組成，波弗特環(huán)流控制著西北冰洋的沉積物分布[22–24]。地質歷史時期，波弗特環(huán)流和穿極流會隨著氣候和環(huán)境條件的改變，其強度也會發(fā)生變化，此消彼長[10–25]。研究認為，間冰期溫暖的氣候條件使得冰蓋崩解、海冰融化，波弗特環(huán)流的影響范圍加大。而冰期氣候轉冷，冰蓋體積增大，海平面下降，穿極流增強，波弗特環(huán)流減弱[13，26–27]。

西北冰洋周圍的陸地上，碎屑碳酸巖露頭主要分

布在加拿大北極群島[6–7，10，28–29]，尤其是班克斯島和維多利亞島東側分布著厚達50 m 的古生代碳酸鹽地層[30–31]，是西北冰洋周邊唯一的碳酸巖來源[6，29，32]。冰筏碎屑（Ice Rafted Debris，IRD）是崩解的冰川或大冰塊，將陸源物質搬運并卸載到深海中沉積下來[33]，一般認為粒徑大于154 μm 的IRD 主要由大冰塊或冰山搬運[13,32]。因此，地質歷史時期北冰洋沉積物中的碎屑碳酸巖含量的高峰可作為勞倫冰蓋大規(guī)模排泄的重要證據(jù)[30]。相較于IRD 僅能被冰山搬運，黏土礦物（粒徑小于2 μm）主要的搬運方式是海冰[21，34]。同時，黏土礦物沉積后，礦物和化學性質相對穩(wěn)定，不會發(fā)生改變，因此被作為物源的指標之一[34–40]。前人對西北冰洋周圍黏土礦物分布的研究已經(jīng)取得了很大的進展。研究認為高嶺石主要分布在加拿大北部海岸和阿拉斯加[41–44]，東西伯利亞的科雷馬河和因迪吉爾河也有少量高嶺石輸入西北冰洋[37–38，42]。蒙脫石含量高的區(qū)域主要集中在西伯利亞的拉普捷夫海和喀拉海[21，34，38，43]，白令海的蒙脫石在白令海峽打開時也會隨白令入流水進入北冰洋[14]。而伊利石和綠泥石是典型的高緯地區(qū)黏土礦物，在北冰洋周圍分布較為均勻，東西伯利亞和阿拉斯加含量較高[14，34–35]。通過分析黏土礦物組合特征，對于判定沉積物來源和搬運路徑有非常大的幫助。

本文研究的沉積物巖芯ARC7-LIC 位于西北冰洋阿爾法脊南部（圖1），現(xiàn)在主要受波弗特環(huán)流影響。在地質歷史時期冰期、間冰期旋回中，冰蓋的發(fā)育會影響洋流環(huán)境，進而影響該區(qū)域的沉積環(huán)境。因此，本文試圖通過該巖芯的黏土礦物組成等分析，研究歷史時期物源的轉變和洋流的變化模式，重建西北冰洋周圍冰蓋的演化歷史。

圖1 研究站位以及北冰洋洋底地形和冰架分布Fig. 1 Research stations and distribution of ocean floor topography and ice shelf in the Arctic Ocean紅色圓點為本文研究站位ARC7-LIC，黑色圓點為對比站位；透明箭頭表示表層洋流大致位置及方向（波弗特環(huán)流和穿極流）；黃色箭頭指示河流入海口大致位置；白色區(qū)域表示更新世冰期時推測的北冰洋最大冰蓋范圍[11，20]The red dot is Core ARC7-LIC in this paper, and the black dots are referenced sediment cores. Transparent arrows indicate the approximate location and direction of surface ocean currents (Transpolar Drift and Beaufort Gyre). Large circum-Arctic rivers are indicated by yellow arrows. White shaded areas indicate themaximum extent of Pleistocene glaciations around the Arctic Ocean[11, 20]

2 材料與方法

2.1 材料來源

本文的研究材料為中國第七次北極科學考察期間在西北冰洋阿爾法脊南部鉆取的重力巖芯樣ARC7-LIC（82°49′37″N，159°08′51″W，水深3 018 m）（圖1，表1）。ARC7-LIC 巖芯總長317 cm，沉積物主要為黏土質粉砂和粉砂質黏土，整體呈現(xiàn)明顯的灰色?深褐色旋回變化。按2 cm 間隔取樣，共獲得159個樣品。

表1 本文中研究巖芯信息Table 1 Studied and referenced cores information in this paper

2.2 研究方法

本文對ACR7-LIC 巖芯開展了顏色反射率、XRF元素相對含量掃描、粗組分含量、浮游和底棲有孔蟲豐度、黏土礦物分析以及浮游有孔蟲AMS14C 測年，其分析步驟分別如下：

顏色反射率測試：在沉積物柱狀樣剖開后，使用Minolta CM2002 光譜測色計測量沉積物表面的反射光譜數(shù)據(jù)，分別獲得參數(shù)L*、a*、b*，測試深度間隔為1 cm。顏色反射率L*表示樣品的亮度值，a*表示從綠色到紅色的顏色分量，b*表示從藍色到黃色的顏色分量。

XRF 元素相對掃描：將巖芯各段表面處理平整并覆蓋專用測試薄膜后，用AVAATECH 公司生產(chǎn)的X 熒光光譜巖芯掃描儀（XRF Core Scanner）進行1 cm分辨率的元素相對含量掃描分析，獲得巖芯中Al–U元素的相對含量，數(shù)據(jù)單位為counts/30 s。

粗組分含量測定：稱取10～15 g 干樣置于坩堝中，用沸水泡開，待樣品冷卻后加入濃度為30%的過氧化氫溶液去除有機質，倒入63 μm 的網(wǎng)篩中用清水反復沖洗干凈，放入58℃的烘箱中烘干，稱重。再用154 μm 的網(wǎng)篩干篩屑樣，分別得到粒徑為63～154 μm和>154 μm 兩個粗組分的百分含量。由于該巖芯中有孔蟲等生源組分含量較低，因此，將該粗組分含量作為冰筏碎屑含量。

浮游和底棲有孔蟲豐度統(tǒng)計：在光學顯微鏡下對篩樣后大于154 μm 的粗組分進行浮游和底棲有孔蟲數(shù)量統(tǒng)計，然后除以該樣品總重量，分別得到浮游和底棲有孔蟲豐度（單位：枚/g）。

黏土礦物分析：取若干沉積物干樣用去離子水自然分散，加稀釋的過氧化氫去除有機質后，再加0.5%的稀鹽酸除去碳酸鈣。靜置至澄清，然后用去離子水多次將其洗至中性，并發(fā)生抗絮凝作用。根據(jù)斯托克斯（Stokes）沉降原理，提取小于2 μm 的沉積物，采用刮片法制成定向薄片。樣品經(jīng)過預處理和定向薄片的 制 作 后，使 用PANalytical X’Pert PRO 衍 射 儀，在CuKα 輻射、Ni 濾波器、管壓45 kV、管流40 mA 條件，對自然環(huán)境、乙二醇環(huán)境（蒸汽熏蒸飽和24 h）和加熱環(huán)境（490℃、加熱2 h）下的定向薄片分別進行測試[46–47]。

黏土礦物的鑒定和解釋主要依據(jù)3 種測試條件下獲得的XRD 疊加波的綜合對比，每個波峰參數(shù)的半定量計算使用MacDiff 軟件在乙二醇曲線上進行。黏土礦物的相對含量主要使用（001）晶面衍射峰的面積比，蒙脫石（含伊利石/蒙脫石隨機混層礦物）采用1.7 nm（001）晶面，伊利石采用其1 nm（001）晶面，高嶺石（001）和綠泥石（002）使用0.7 nm 疊加峰，它們的相對比例通過擬合0.357 nm/0.354 nm 峰面積比確定。同時，根據(jù)乙二醇曲線計算出伊利石的礦物學特征。伊利石化學指數(shù)為0.5 nm/1 nm 峰面積比，伊利石結晶度為1 nm 半峰寬。

AMS14C 測年：在ARC7-LIC 巖芯深度0～2 cm、6～8 cm 和10～12 cm 沉積物粒徑大于154 μm 的粗組分中，分別挑出浮游有孔蟲Neogloboquadrina pachydema(sin.)（Nps）的殼體10 mg 左右，送美國加州大學爾灣分校地球系統(tǒng)科學系放射性碳實驗室（Radiocarbon Laboratory of Earth System Science Department, University of California Irvine）進 行AMS14C 測年。北冰洋的AMS14C 測年運用碳儲庫標準為末次冰期1 400年，全新世700年[48]。

本文中的分析指標除了AMS14C 測年以外，其他的分析測試均在同濟大學海洋地質國家重點實驗室完成。

3 結果

3.1 地層年代框架

因為北冰洋中部沉積速率低、生產(chǎn)力低、成巖作用復雜等因素，巖芯沉積物的年齡框架的建立一直以來都是北冰洋古海洋學研究中的主要難題之一[27]，低緯大洋常用的有孔蟲同位素地層學在北冰洋無法應用。巖芯上部年齡較新的沉積可以通過AMS14C 測年的手段確定沉積物的年齡，其余部分則需要根據(jù)沉積物顏色旋回、XRF Ca 和Mn 元素相對含量或Ca/Al和Mn/Al 比值變化、IRD 含量變化以及有孔蟲地層標志種等多種指標結合建立年齡框架[6，49–50]。

北冰洋沉積物巖芯上部，Mn 含量高的褐色層有相當豐富的有孔蟲殼體，代表間冰期和間冰段，而Mn 含量低的黃色?灰色層幾乎不含有孔蟲，代表冰期和冰段[6，51–54]。由于ARC7-LIC 巖芯頂部0～18 cm 不平整，XRF 掃描時數(shù)據(jù)缺失。沉積物顏色a*/b*值和Mn 元素含量變化具有很好的相關性，R2為0.72，變化趨勢基本一致，因此可用a*/b*值輔助Mn 元素含量變化并結合有孔蟲豐度的變化，作為地層年代劃分的依據(jù)[55]（圖2）。浮游有孔蟲Neogloboquadrina pachyderma(s.) (Nps)的AMS14C 測年結果顯示（表2），ARC-LIC巖芯頂部0～2 cm年齡約為7.7 ka BP，屬于MIS 1 期；

6～8 cm、10～12 cm年齡分別為40.8 ka BP 和44.7 ka BP，屬于MIS 3 期。

由有孔蟲豐度與XRF-Ca 的信號不匹配可知，沉積物中Ca 元素的來源主要是陸源的碎屑碳酸巖。碎屑碳酸巖主要來自北美勞倫冰蓋對加拿大北極群島的侵蝕和冰筏輸運，前人研究標定了西北冰洋幾次顯著的碳酸巖沉積時間，分別在MIS 7/8 期、MIS 5d 和MIS 3 期，命名為PWL1、PWL2 和W3，由此成為特殊的 巖 性 地 層 學 對 比 指 標[6，53–54]。對 照ARC-LIC 巖 芯，在44 cm 處的第一個Ca/Al 比值高峰確定為Ca2/PWL2，對應于MIS 5d。在96 cm 處出現(xiàn)第二個Ca/Al 比值高峰為Ca3/PWL1，將其確定為MIS 8 期[6，53]。

有孔蟲的特定種的變化特征指示了海洋環(huán)境的特殊變化，這些“生物事件地層”可在大范圍的北冰洋沉積物中找到，并綜合對比了北大西洋沉積物地層，獲得相對可靠的年齡控制，例如Oridorsalis tener出現(xiàn)在MIS 1～5 期[57]，Turborotalita egelida含量的高峰出現(xiàn)在MIS 11 期等[4,54]。在ARC7-LIC 巖芯中底棲有孔蟲O. tener在深度48 cm以下消失，可大致判斷深度0～48 cm 屬于MIS 1～5 期。在深度134～156 cm，出現(xiàn)T. egelida的高峰，因此我們將Mn 高含量的深度133～169 cm 確定為MIS 11 期。

結合已建立的北冰洋阿爾法脊MIS 1～15 期的年齡框架[6]，將ARC7-LIC 巖芯上部0～224 cm 的各參數(shù)與之進行對比，確定該巖芯這段地層為MIS 1～15 期（圖2）。

圖2 全球大洋底棲有孔蟲LR04-δ18O 曲線[56]、阿爾法脊巖芯Ca 和Mn 合成標準曲線[6]與ARC7-LIC 巖芯XRF 元素掃描Ca/Al 和Mn/Al、顏色反射率L*和a*/b*、粗組分粒徑>63 μm 和>154 μm 百分含量、底棲和浮游有孔蟲豐度的對比Fig. 2 Stratigraphic assignments of Core ARC7-LIC, based on XRF-Ca/Al, -Mn/Al, color index, IRD content, foraminiferal abundances and AMS 14C dating, correlation to Alpha Ridge stacked Ca and Mn records[6], and global benthic LR04-δ18O record[56]

勞倫冰蓋首次向北冰洋和北大西洋排泄富含碎屑碳酸巖的冰筏出現(xiàn)在MIS 16 期[53,58–59]，該沉積事件也廣泛記錄在西北冰洋至羅蒙諾索夫脊的沉積物中[54，60]。在本文ARC-LIC 巖芯XRF 元素掃描中，Ca元素出現(xiàn)的第一個明顯的高值可以確定為MIS 16期，作為ARC-LIC 孔較為可靠的地層標定。但是在MIS 16 期之前的地層中，由于缺乏鈣質微體化石、IRD 含量和Ca/Al 值變化不明顯等原因，目前只能通過Mn 元素曲線與LR04-δ18O 曲線進行對比，大致劃出深度256～317 cm 為MIS 19～29 期。根據(jù)年齡模式計算的沉積速率符合前人在西北冰洋的研究[61–62]。

表2 ARC7-LIC 巖芯的Nps-AMS14C 測年數(shù)據(jù)校正Table 2 AMS14C chronology of Core ARC7-LIC based on planktonic foraminifera Nps

3.2 IRD 含量變化

西北冰洋ARC7-LIC 巖芯的IRD 組分含量中，>63 μm 組分含量的變化范圍為2.2%～32.0%，平均值為9.7%；>154 μm 組 分 含 量 的 變 化 范 圍 為0.2%～20.3%，平均值為4.5%。這兩個組分的變化趨勢基本一致（圖2），共出現(xiàn)14 個較為明顯的IRD 含量的高峰，分別位于MIS 3 期、MIS 5 的始末期、MIS 6 期、MIS 7 末期（出現(xiàn)兩個高峰）、MIS 10 期（出現(xiàn)3 個高峰），以及MIS 12、16 和18 期IRD 含量均有明顯的升高。其中MIS 5 初期IRD 含量的高峰與PWL2 層對應，PWL1 層的Ca/Al 的高值與MIS 8 期的第一個IRD 含量的高峰對應。在MIS 19～29 期，IRD 含量較低，基本無變化。

3.3 Ca/Al 比值的變化

西北冰洋ARC7-LIC 巖芯的Ca/Al 比值變化規(guī)律明顯。在MIS 29～17 期，其比值較低，基本無變化。MIS 16 期其比值首次出現(xiàn)升高，但并不明顯。從MIS 12 起開始，Ca/Al 比值的變化幅度增大，高值主要出現(xiàn) 在MIS 12 期、10 期、8 期、7 期 及5 期。由 于ARX7-LIC 巖芯上部0～18 cm 不平整，XRF 掃描時數(shù)據(jù)缺失，因此，與之對應的MIS 4～1 期沒有Ca/Al 比值數(shù)據(jù)。

3.4 黏土礦物含量變化

中更新世以來ARC7-LIC 巖芯黏土礦物組合（圖3）以伊利石為主，其含量變化范圍為14.5%～45.7%，平均值為38.2%。在MIS 12 期，伊利石含量突然由43%大幅度降低至14.5%。自MIS 11 期以來其總體上呈現(xiàn)間冰期含量高，冰期含量低的變化趨勢，但在MIS 12 期、8 期和6 期的早期，以及2 期也出現(xiàn)較高的含量。在MIS 29～13 期，伊利石含量變化出現(xiàn)相反的變化趨勢，整體上冰期含量高，間冰期含量低。綠泥石含量次之，其含量變化范圍為5.7%～31.4%，平均值為24.1%。在MIS 12 期，綠泥石含量由30.2%突然降到5.7%。自MIS 11 期以來其總體上沒有表現(xiàn)出明顯的冰期?間冰期旋回變化規(guī)律，只在MIS 10/11 期界限和MIS 7 期明顯的降低，其他期次含量均較高，沒有出現(xiàn)大幅度的變化。在MIS 29～13 期，綠泥石的變化趨勢與伊利石基本一致，呈現(xiàn)冰期含量低、間冰期含量高的變化規(guī)律。值得注意的是，MIS 12 期前后綠泥石含量出現(xiàn)明顯的差異，MIS 12 期以來其含量明顯低于MIS 12 期之前。蒙脫石含量略低于綠泥石，其變化范圍為5.9%～63.7%，平均值為20.9%，總體變化趨勢與伊利石和綠泥石呈現(xiàn)負相關關系。在MIS 12 期，蒙脫石含量出現(xiàn)異常高值，最高可達63.7%。在MIS 11～1 期，除MIS 5/4 界限與MIS 6 期蒙脫石含量增加外，總體上呈現(xiàn)間冰期含量高、冰期含量低的變化趨勢。在MIS 29～13 期，蒙脫石含量呈現(xiàn)明顯的間冰期含量高、冰期含量低的變化規(guī)律，尤其以MIS 29～19 期含量變化幅度較大。高嶺石含量最低，其變化范圍為7.7%～48.3%，平均值為16.8%，總體上呈現(xiàn)上升趨勢。在MIS12 期，高嶺石含量由12.2%上升到20.2%。在MIS 11～1 期，高嶺石含量變化幅度明顯，在MIS 11/10 期界限和10 期、8 期、7 期中期、6 期、4 期、3 期和1 期均明顯增加。在MIS 29～13期，高嶺石含量較低，變化幅度較小，平均值大約為11.1%。但MIS 16 期，高嶺石含量首次出現(xiàn)明顯的升高，超過20%。根據(jù)高嶺石含量最低值的變化規(guī)律，可以將其大致分為4 個階段，分別為：MIS 29 期至17 期 末 期、MIS 16 期 至11 期 末 期、MIS 10 末 期 至6 期初期以及MIS 6 期末期至1 期，含量逐漸升高。同 時，高 嶺 石 的 含 量 與IRD 粒 徑>154 μm 組 分 及Ca/Al 比值變化趨勢基本一致。

4 討論

4.1 黏土礦物來源及其所指示的洋流變化

ARC7-LIC 巖芯的黏土礦物在MIS 12 期都出現(xiàn)明顯變化，例如，蒙脫石含量出現(xiàn)異常高值，而伊利石和綠泥石含量突然降低，并且綠泥石含量在MIS 12 期前后出現(xiàn)明顯差異，高嶺石的含量從此時開始變化幅度增大。針對這一現(xiàn)象，我們將黏土礦物以MIS 12 期為界限，分為MIS 29～13 期、MIS 12 期以及MIS 11～1 期3 個階段，并計算出其平均含量變化。如表3 所示，MIS 11～1 期較MIS 29～13 期，高嶺石平均含量升高了10%，蒙脫石平均含量降低了6%。同時，在MIS 12 期，蒙脫石含量出現(xiàn)異常高值，平均值為33%，高嶺石含量也顯著升高，平均值達到16%。因此，推斷MIS 12 期北冰洋的氣候環(huán)境發(fā)生非常大的變化，改變了黏土礦物的來源，對北冰洋MIS 12 前后的沉積環(huán)境產(chǎn)生重大影響。查清現(xiàn)代表層黏土礦物組合的分布特征，對于判斷歷史時期黏土礦物的來源有著重要的意義。本文將收集到的前人已發(fā)表的表層黏土礦物數(shù)據(jù)做成三角圖，然后識別出各區(qū)域的黏土礦物組合。在此基礎上，將ARC7-LIC 巖芯中黏土礦物數(shù)據(jù)投射到此三角圖中，具體情況如圖4所示。根據(jù)黏土礦物的變化特征，以MIS 12 期為界限分為前后兩部分，再按照冰期和間冰期細分?？梢钥吹剑琈IS 29～13 期，黏土礦物組合符合東西伯利亞海和拉普捷夫海黏土礦物組合特征，這一特征主要受到蒙脫石含量變化的影響。MIS 12 期黏土礦物呈現(xiàn)拉普捷夫海和喀拉海組合特征。而MIS 11 期以來，黏土礦物組合特征變化較大，主要以拉普捷夫海和北美物源為主，黏土礦物組合受高嶺石含量變化影響，呈現(xiàn)逐漸向北美物源轉變的趨勢。初步推斷，MIS 13 期之前，西北冰洋黏土礦物主要來自西伯利亞，而MIS 11 期以來，黏土礦物組合逐漸向北美物源轉變。

圖3 ARC7-LIC 巖芯Ca/Al 比值、IRD（>154 μm）百分含量、高嶺石、蒙脫石、伊利石和綠泥石百分含量及其與BN05 巖芯參數(shù)[21]，以及全球大洋底棲有孔蟲LR04-δ18O[56]和海平面變化[22]對比Fig. 3 Ca/Al ratio, IRD (> 154 μm) content, kaolinite, montmorillonite, illite, and chlorite contents in Core ARC7-LIC, compared to the same proxies in Core BN05[21], and global benthic LR04-δ18O [56] and sea level curve[22]

MIS 29～13 期，蒙脫石的平均含量為23%，呈現(xiàn)間冰期含量高，冰期含量低的趨勢。其變化趨勢與氣候和海平面的變化趨勢具有很強的一致性（圖3），說明蒙脫石的搬運主要受氣候和海平面升降的影響。雖然該段巖芯沉積速率較低，黏土在冰期?間冰期旋回尺度上的變化呈現(xiàn)微小的差異，但不影響總體上的變化趨勢。同時，黏土礦物組合特征以西伯利亞類型為主，而西北冰洋現(xiàn)代表層黏土礦物含量與之相近的區(qū)域主要為拉普捷夫海[24,66]。因此，MIS 13 期之前，ARC7-LIC 巖芯的黏土礦物可能主要來自拉普捷夫海，同時也反映了在MIS 13 期之前穿極流對西北冰洋的沉積貢獻。然而，這個結果與現(xiàn)代北冰洋環(huán)境，ARC7-LIC 站位主要受到波弗特環(huán)流影響的情況相悖。波弗特海全新世記錄發(fā)現(xiàn)，在北極濤動正相位時，洋流可將拉普捷夫海和喀拉海的沉積物搬運到西北冰洋[67]。需要指出的是，氣候重建顯示，更新世以來北冰洋逐步變冷，在中布容事件（MIS 12～11 期）和MIS 7 期逐漸由季節(jié)性海冰向永久性海冰轉變[60]。因此，MIS 13 期之前間冰期北極的氣侯條件可類比于全新世甚至比全新世更暖。北極濤動影響下沉積物由西伯利亞輸送到西北冰洋的搬運機制是否在MIS 13 期之前的沉積過程中發(fā)揮重要作用，尚有待進一步研究。

表3 ARC7-LIC 巖芯MIS 12 期及其前后時期黏土礦物平均含量Table 3 Averaged claymineral content in Core ARC7-LIC before and after MIS 12

MIS 12 期，蒙脫石含量出現(xiàn)異常高值，大約從10%突然上升到64%左右，同時高嶺石含量也顯著上升，從12%上升到20%。與之變化相同的沉積記錄出現(xiàn)在BN05 巖芯中，蒙脫石含量大約從3%上升到15%左右，而高嶺石含量大約從10%上升到20%左右（圖3）[21]。雖然ARC7-LIC 與BN05 巖芯兩者的蒙脫石和高嶺石含量差異很大，但兩者的變化趨勢相同，說明兩個巖芯中的黏土礦物所指示的來源和古環(huán)境變化一致。該時期蒙脫石含量的高峰甚至超過了拉普捷夫海和喀拉海沉積物的含量，說明蒙脫石并非來自這些區(qū)域。相比較，羅蒙諾索夫脊的PS2185 站位，在MIS 12 期并未接收到蒙脫石含量明顯升高的信號[45,68]，說明蒙脫石并非來自西伯利亞，有其他源區(qū)存在。在該層位中，蒙脫石含量的高峰對應于Ca/Al和高嶺石的高峰，指示北美物源對該研究區(qū)的貢獻。MIS 12 期是勞倫冰蓋大發(fā)展的時期，在西北冰洋楚科奇邊緣地、門捷列夫脊和阿爾法脊都出現(xiàn)碎屑碳酸鈣的高峰，說明該時期西北冰洋主要受北美物源輸入的控制[6，21]。但是，現(xiàn)代環(huán)境下西北冰洋周邊的表層沉積物中并未發(fā)現(xiàn)明顯的高蒙脫石含量的區(qū)域。我們推斷在MIS 12 期，西北冰洋蒙脫石含量的高峰，可能來源于該時期勞倫冰蓋大發(fā)展的時期一個目前尚未確認的北美物源。

圖4 現(xiàn)代北極部分海域表層黏土礦物分布[34，38，63-65]（a）和西北冰洋ARC7-LIC 巖芯黏土礦物分布（b）三角圖Fig. 4 Triangular diagram of clay mineral composition in modern Arctic surface sediments[34，38，63-65] (a) and Core ARC7-LIC (b)

從MIS 12 期開始，高嶺石整體上呈現(xiàn)冰期含量高，間冰期含量低的變化趨勢，且變化幅度增大（圖3）。此現(xiàn)象指示了在中布容事件之后，冰期?間冰期幅度變大的情況下[69]，勞倫冰蓋擴大，北美物源對西北冰洋沉積物的輸入的貢獻增加。而相對應的，西伯利亞物源的貢獻減少。

從MIS 29 期以來，ARC7-LIC 站位沉積物的物源從西伯利亞向北美物源的轉變過程與更新世北冰洋逐漸變冷的過程相一致。因此，ARC7-LIC 巖芯物源的變化與北極和北冰洋整體的氣候環(huán)境逐漸變冷是一個有機的整體，同時反映了北極冰蓋的演化過程。

4.2 沉積物物源指示的北冰洋周邊冰蓋演化歷史

中更新世氣候轉型持續(xù)時間大概是1.25～0.7 Ma BP，表現(xiàn)為全球氣候變化幅度增大，氣候的主導周期由41 ka 向100 ka 轉變，北半球冰蓋逐漸增大[56]。對西北冰洋沉積物的研究表明，中更新世以來冰蓋的發(fā)育對西北冰洋的沉積環(huán)境的影響在逐漸增加[70]。

MIS 29～13 期，IRD 的平均含量在1%左右，變化幅度非常小，只在MIS 18 期明顯增加到了5%，同時Ca/Al 比值和高嶺石含量較低，且無明顯變化（圖3）。在此期間，西北冰洋周圍冰蓋發(fā)育較小，冰川較穩(wěn)定，整個西北冰洋沒有出現(xiàn)大規(guī)模冰川排泄事件。MIS 16 期，勞倫冰蓋首次向周圍海域排泄冰川，在北大西洋和西北冰洋均有碎屑碳酸巖層的相關沉積記錄[59–60]。雖然在MIS 16 期，ARC7-LIC巖芯中Ca/Al 比值的增加并不明顯，但是，高嶺石含量首次增加，超過之前的10%，而IRD 含量也明顯增加，足以說明ARC7-LIC巖芯記錄了MIS 16期勞倫冰蓋的排泄。MIS 16 期Ca/Al 比值增加不明顯可能與冰期波弗特環(huán)流的減弱有關。MIS 16 期，波弗特環(huán)流在西北冰洋中的影響范圍縮小，ARC7-LIC 巖芯所在區(qū)域處于波弗特環(huán)流能夠影響的邊緣，因此，勞倫冰蓋崩解的冰山所攜帶的碎屑碳酸巖在此處的沉積記錄相應的會有很大程度的減少。MIS 15～13 期，ARC7-LIC 巖芯中Ca/Al比值、IRD、高嶺石以及蒙脫石含量均未出現(xiàn)明顯的增加，說明在此期間北冰洋周圍冰蓋發(fā)育較小，沒有出現(xiàn)冰山排泄事件。

MIS 12～1 期，ARC7-LIC 巖芯和BN05 巖芯中的沉積記錄基本一致，Ca/Al 比值、IRD 和高嶺石含量的變化幅度較大，指示氣候變化的加劇。中布容事件是一個主要的氣候轉型期[69,71]，對應于北極中布容事件開始的放大作用[72]，反映西北冰洋周邊冰蓋體積增大，更加不穩(wěn)定，并且進退幅度增大[23]。MIS 11 期與10 期的界線、10 期、8 期、5 期早期以及3 期，Ca/Al比值、IRD 和高嶺石的含量三者同時升高，說明自MIS 11 期以來，勞倫冰蓋的體積增大，從而大規(guī)模的向西北冰洋排泄冰川。在MIS 6 期，ARC7-LIC 巖芯和BN05 巖芯的高嶺石和IRD 含量都有所增加，但蒙脫石含量增加不明顯。而MIS 4 初期，ARC7-LIC 巖芯與BN05 巖芯在高嶺石和IRD 含量增加的同時，蒙脫石含量明顯升高。我們認為，這一時期西北冰洋的沉積環(huán)境不僅受到勞倫冰蓋排泄的影響，西伯利亞冰蓋也向西北冰洋排泄大量冰川。前人研究表明，MIS 6 期東西伯利亞存在一個獨立的冰蓋[20]，在MIS 4 期歐亞冰蓋進一步擴張到達拉普捷夫海和喀拉海[52,73]，這與ARC7-LIC 和BN05 巖芯的黏土礦物指示的西伯利亞冰蓋擴張結果一致。而MIS 3 期，兩個巖芯的IRD 和高嶺石含量都同時增加，可能反映勞倫冰蓋的冰川排泄。

雖然碎屑碳酸巖和高嶺石都可作為北美冰蓋排泄的指標[6–7，30，32，42–44]，但從ARC7-LIC 與BN05 巖芯的沉積記錄來看，Ca/Al 比值和高嶺石含量在歷史時期的升高并不總是同步的，尤其以MIS 6 期、4 期和3 期最為顯著。二者在西北冰洋周圍的具體分布區(qū)域不同，碎屑碳酸巖主要分布在班克斯島?維多利亞島[30–31]，而高嶺石主要分布在麥肯齊河口三角洲區(qū)域和阿拉斯加北部陸坡[41–44]。因此，我們推測北美冰蓋在歷史時期各部分發(fā)育和消退不一致。在MIS 6 期、4 期和3 期，IRD 和高嶺石含量升高，而Ca/Al 比值沒有明顯增加，說明北美冰蓋位于阿拉斯加和麥肯齊河流域發(fā)育較大，而位于班克斯島?維多利亞島區(qū)域的冰蓋發(fā)育較小。因此，出現(xiàn)高嶺石含量和Ca/Al 比值未同時升高的現(xiàn)象。

5 結論

本文通過中國第7 次北極考察在西北冰洋阿爾法脊南部鉆取的ARC7-LIC 巖芯沉積物的顏色反射率、XRF 元素相對含量掃描、粗組分含量、浮游和底棲有孔蟲豐度、浮游有孔蟲AMS14C 測年以及黏土礦物的綜合分析，得出以下結論：

（1）通過ARC7-LIC 巖芯沉積物的多項地層指標分析，結合全球大洋底棲有孔蟲LR04-δ18O 曲線[56]和阿爾法脊3 個巖芯Ca 和Mn 合成平均值標準曲線[6]進行對比，建立了ARC7-LIC 巖芯的年代地層框架，深度0～255 cm 為MIS 1～18 期；深度256～317 cm為MIS 19～29 期。

（2）根據(jù)ARC7-LIC 巖芯中黏土礦物組合的變化特征，MIS 29～13 期，其黏土礦物組合以西伯利亞類型為主穿極流作為物質搬運的主要媒介。MIS 12 期之后，隨著中布容事件后冰期?間冰期旋回的增強，北美物源成為西北冰洋主要的沉積物貢獻來源。

（3）根據(jù)ARC7-LIC 巖芯中沉積物組成及其含量變化，在MIS 16 期，IRD 和高嶺石含量顯著升高，證實了勞倫冰蓋首次向西北冰洋排泄冰山；MIS 12 期，Ca/Al 比值、高嶺石和IRD 含量同時增加，對應蒙脫石含量突然上升，揭示該蒙脫石高峰可能來自于北美物源。中布容事件以來，北冰洋氣候變化加劇，西北冰洋周圍冰蓋進退幅度增大。IRD、Ca/Al 和高嶺石含量的變化對比說明，位于阿拉斯加和麥肯齊河流域的冰蓋與加拿大北極群島一側的冰蓋的發(fā)育存在差異。

致謝：感謝中國第7 次北極科考隊的全體科考隊員和“雪龍”號全體船員為沉積物樣品的采集所付出的艱辛努力。