近70年來南黃海中部泥質(zhì)沉積物源的變化及其與東亞季風(fēng)強(qiáng)度變化的響應(yīng)關(guān)系?

安郁輝， 陳 彬， 張 欣， 陳立雷， 盛 琛,6， 楊 磊， 董 超， 劉 健

(1. 山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266590； 2. 中國地質(zhì)調(diào)查局 青島海洋地質(zhì)研究所， 山東 青島 266071； 3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室， 山東 青島 266237； 4. 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074； 5. 中國地質(zhì)科學(xué)院， 北京 100032； 6. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)海洋學(xué)院， 北京 100083； 7. 浙江省水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊， 浙江 寧波 315012)

河流輸送和大氣搬運(yùn)作為全球物質(zhì)循環(huán)中的重要一環(huán)，是陸源物質(zhì)進(jìn)入海洋的主要途徑[1-2]。河流輸送在陸源物質(zhì)進(jìn)入大型河口灣及其毗鄰陸架地區(qū)的過程中占據(jù)主導(dǎo)地位[3]。陸源碎屑物質(zhì)通常在河口快速堆積，經(jīng)波浪、潮汐的作用再懸浮，在水團(tuán)的作用下，在陸架區(qū)進(jìn)行長距離搬運(yùn)，最終在河口或陸架地區(qū)沉降下來形成泥質(zhì)區(qū)[4]。因此，大型河口灣及其毗鄰陸架的碎屑沉積物除受控于大河的輸入外，還受水團(tuán)搬運(yùn)的影響。

作為中國東部半封閉型邊緣海，南黃海接收了大量的來自周邊河流所輸送的陸源物質(zhì)，這些物質(zhì)經(jīng)長距離搬運(yùn)最終在南黃海中部形成泥質(zhì)區(qū)。大量的研究表明南黃海中部泥質(zhì)區(qū)的陸源物質(zhì)主要來自黃河和長江[5-8]，而進(jìn)入到泥質(zhì)區(qū)的長江陸源物質(zhì)主要是依賴相應(yīng)水團(tuán)(如蘇北沿岸流、長江沖淡水和黃海暖流等)的搬運(yùn)[9-10]。這些水團(tuán)的北向擴(kuò)展明顯受風(fēng)場的影響[11-15]。此外在中國東部海域，風(fēng)場的強(qiáng)度與季風(fēng)的強(qiáng)度關(guān)系密切[16]。因此東亞季風(fēng)在長江入海的細(xì)顆粒物質(zhì)進(jìn)入到南黃海中部泥質(zhì)區(qū)起到重要作用。前人利用沉積物中的敏感粒級和地球化學(xué)指標(biāo)對千年尺度上東亞季風(fēng)強(qiáng)度變化進(jìn)行了大量的反演工作，其結(jié)果表明沉積物中的地球化學(xué)特征與東亞季風(fēng)強(qiáng)度的變化具有緊密的關(guān)系。例如，賈培蒙運(yùn)用沉積物中敏感粒級組分的變化重建了7.5 ka BP以來東亞冬季風(fēng)和夏季風(fēng)的演化過程[17]；王琳淼對南黃海中部泥質(zhì)區(qū)沉積物的地球化學(xué)元素分析后發(fā)現(xiàn)，化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)和Rb/Sr以及敏感粒級所揭示的東亞冬季風(fēng)演化基本一致[18]。這些工作大都集中在長時間尺度上，在短時間尺度上探討南黃海沉積物記錄與東亞季風(fēng)強(qiáng)度之間關(guān)系的研究工作開展較少。

近幾十年來，東亞季風(fēng)強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的階段性變化：夏季風(fēng)在1960—1980年代期間偏弱，1980年代之后進(jìn)一步明顯變?nèi)鮗19]；冬季風(fēng)在1960—1970年代初期減弱，其后有所增強(qiáng)，1980年代初期以后又開始減弱[20]。這種階段性的變化是否會對南黃海沉積物的粒度和地球化學(xué)特征產(chǎn)生影響？目前對這一問題的研究尚不充分。因此，我們選取位于南黃海中部泥質(zhì)區(qū)西側(cè)的F0306柱狀樣，測定其粒度、210Pb活度和沉積物的常量元素含量，研究其垂向分布特征，進(jìn)而分析了近70年來沉積物在粒度組成和地球化學(xué)參數(shù)方面的變化，并深入探討該變化與東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度變化之間存在的聯(lián)系。這將有助于對該區(qū)域海氣相互作用的理解。

1 區(qū)域背景

南黃海位于中國大陸與朝鮮半島之間，膠東半島成山角至朝鮮半島長山串連線以南、長江口至濟(jì)州島連線以北。作為我國東部邊緣海的一部分，南黃海每年都接收大量的黃河、長江顆粒物以及少量的來自朝鮮半島泥沙，其中朝鮮半島沉積物主要影響南黃海的東部，西部沉積物和中部細(xì)顆粒物質(zhì)主要來源于黃河和長江[5-8]。長江入海泥沙主要是在蘇北沿岸流、長江沖淡水和黃海暖流等水團(tuán)的遠(yuǎn)距離搬運(yùn)下進(jìn)入南黃海中部泥質(zhì)區(qū)[9-10]。

黃海暖流自濟(jì)州島西南側(cè)海域呈舌狀伸向黃海，具有高溫、高鹽的特點，通常沿黃海海槽西側(cè)北上，在此過程中在35°N附近向西分出一個分支并與黃海沿岸流匯合南下[21]。黑潮是產(chǎn)生黃海暖流的根本動力，但作為一種補(bǔ)償流，黃海暖流會受到局地風(fēng)場的影響：冬季的強(qiáng)北風(fēng)能夠誘生較強(qiáng)的蘇北沿岸流，黃海暖流隨之增強(qiáng)；夏季由于蘇北沿岸流受季風(fēng)控制向北流動，使得黃海暖流很微弱甚至觀測不到[13]。

蘇北沿岸流大致沿海州灣40～50 m等深線向南流動，至33°N～32°N附近海域轉(zhuǎn)向東南，其前鋒可達(dá)30°N附近[21]。在夏季，江蘇沿岸流向北流動，主要受季風(fēng)控制[12-13]，其在30 m水深左右垂向平均流速約3.4 cm/s，北向最大流速8 cm/s,北向流的變化與南北風(fēng)速的大小關(guān)系密切[11]。

長江沖淡水作為輸運(yùn)長江物質(zhì)的重要的水團(tuán)，具有明顯的季節(jié)性變化特征。其流向在7～10月，有小部分長江沖淡水沿著江蘇沿岸(鹽度<30)向北流動[23]。與蘇北沿岸流相似，在夏季向北流動的長江沖淡水同樣會受到夏季風(fēng)場的影響[14-15]。

2 材料及方法

F0306孔(34°59′N，122°30′E；水深65 m)位于南黃海中部泥質(zhì)區(qū)西側(cè)(見圖1)，由中國海洋大學(xué)“東方紅2號”科考船于2007年采得。柱狀樣全長37 cm，在室內(nèi)以1 cm為間隔進(jìn)行了連續(xù)分樣。

(據(jù)文獻(xiàn)[24]修改。Modified after [24].)圖1 F0306孔取樣站位及區(qū)域洋流體系圖

2.1 210Pb測試

在南京地理與湖泊研究所沉積與環(huán)境國家重點實驗室內(nèi)對該柱狀樣品進(jìn)行210Pb測定。采用美國EG&ORTEC公司生產(chǎn)的γ譜分析系統(tǒng)測定210Pb以及226Ra的比活度，測試方法依據(jù)文獻(xiàn)[25]。將樣品的總210Pb含量減去226Ra含量即為210Pbex，實驗結(jié)果相對誤差<10%。

2.2 粒度測試

在中國海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室內(nèi)，使用英國Mastersizer2000型激光粒度儀對沉積物粒度進(jìn)行測試。樣品加入0.1 mol/L的鹽酸和10%的雙氧水去除貝殼和有機(jī)質(zhì)后，超聲震蕩約30 s，然后上機(jī)進(jìn)行測試[26]。該儀器的測試范圍為0.02～2 000 μm，粒級分辨率為0.01φ，數(shù)據(jù)采集間隔為1φ，重復(fù)測試相對誤差<3%。

2.3 元素地球化學(xué)測試

在中國海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室內(nèi)，利用能量色散型臺式偏振X熒光光譜儀(XRF)對沉積物中的常量元素進(jìn)行測試，采用TurboQuant-Geo測試方法。樣品在60℃溫度下烘干24 h以上，研磨到200目以下，壓制成片然后上機(jī)測試[27]。采用水系沉積物國家標(biāo)準(zhǔn)GSMS-2控制測試精度和準(zhǔn)確度。測試過程中每測定10個樣品后加一個標(biāo)樣，常量元素的測試誤差小于5%。

2.4 判別函數(shù)DF的計算

判別函數(shù)(DF)可以形象的展示所研究的沉積物與其物源的接近程度，計算公式為：

DF=∣(E/Al)樣品/(E/Al)端元-1∣。

其中：(E/Al)樣品為所研究的樣品中某種元素E與Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值；(E/Al)端元為物質(zhì)端元沉積物中的某種元素E與Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值。當(dāng)DF越接近與0時表明兩種沉積物物源越接近[28]。

運(yùn)用判別函數(shù)判定物源時，所選取的元素應(yīng)具備地球化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，在風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積等過程中幾乎被等量地轉(zhuǎn)移到碎屑沉積物中的特點，由此能更好地反映物源的信息[29]。

3 測試結(jié)果

3.1 沉積物測年

柱狀樣中的210Pbex比活度隨深度的變化如圖2。210Pbex比活度的對數(shù)值在4.0～5.4 Bq/kg之間，隨深度的增加含量明顯的線性關(guān)系(見圖2(a))。此外，柱狀樣中細(xì)顆粒組分含量很高且變化較小(見圖2(b))，這表明研究區(qū)域在近70的時間內(nèi)水動力環(huán)境相對穩(wěn)定。采用常量初始濃度(CIC)模式對柱狀樣的沉積速率進(jìn)行計算，F(xiàn)0306柱狀樣的沉積速率為0.53 cm/a。

圖2 F0306孔 (a) 210Pbex比活度垂直分布曲線;(b)粒徑百分比的垂向變化

3.2 粒度特征

F0306孔中沉積物主要以粉砂質(zhì)組分為主，黏土組分次之，砂質(zhì)沉積組分最少，其平均含量分別為63.4%、31.8%和4.8%。根據(jù)砂、粉砂和黏土質(zhì)組分的含量以及各粒度參數(shù)的變化情況，可將F0306孔沉積物自23 cm處將整個柱狀樣劃分為2個部分(見圖3)。下部分(35～23 cm)沉積物中各組分的變化程度相對較小，其中砂組分含量呈現(xiàn)小幅度的減小趨勢；黏土組分含量、平均粒徑和偏態(tài)有較小的升高趨勢；粉砂質(zhì)組分含量和分選系數(shù)呈現(xiàn)波動性變化；峰態(tài)先減小后升高。上部分(23～0 cm)中沉積物各組分含量開始出現(xiàn)較為明顯的變化，其中砂質(zhì)組分和粉砂質(zhì)組分含量升高，黏土組分含量和平均粒徑降低；分選系數(shù)、偏態(tài)和峰態(tài)在23～15 cm層位中數(shù)值較大且基本不變，而在15～0 cm層位中數(shù)值呈現(xiàn)顯著增大。

圖3 沉積物各組分含量及相關(guān)粒度參數(shù)垂向變化曲線

3.3 常量元素特征

F0306孔中常量元素含量如表1和圖4所示。Mn元素僅在上部表層3 cm的層位中含量迅速增大，在其余層位中含量都很穩(wěn)定。其它常量元素的波動程度較大，在柱狀樣的35～23 cm層位中Fe、K、Ti元素含量呈升高趨勢，P和Mn元素含量穩(wěn)定，Na、Si、Al元素含量均呈現(xiàn)減小的趨勢。在25～3 cm層位中，P、Al元素呈現(xiàn)較大的波動，無明顯變化趨勢；其余各常量元素含量都呈升高趨勢，且變化程度較大。在3～0 cm的層位中各元素的含量呈現(xiàn)快速升高趨勢。

表1 F0306孔沉積物中常量元素含量

圖4 柱狀樣沉積物常量元素含量垂向變化曲線

4 討論

4.1 F0306孔中沉積物源變化

F0306孔沉積物中常量元素的含量分布在垂向上存有明顯的變化。而中國東部近海海域中陸源碎屑沉積是控制沉積物化學(xué)成分的最主要因素[30]。因此，研究樣品中常量元素的含量變化可能與陸源碎屑的輸入有關(guān)。前人研究表明，南黃海中部泥質(zhì)區(qū)沉積物主要受來自現(xiàn)代黃河、老黃河和長江物質(zhì)的影響[5-8]?，F(xiàn)代黃河和老黃河沉積物質(zhì)主要來自于黃土，兩者的常量元素組成基本相似[31]。而長江與黃河由于流域內(nèi)地質(zhì)、氣候等方面的不同，沉積物在Fe、Mg、Ti等元素組成特征具有顯著的差異[32](見圖5)。此外，東海內(nèi)陸架沉積物中的Fe、Mg、Ti元素的含量幾乎不受沉積物類型的影響[33]。在本研究中，F(xiàn)e/Mg和Ti/Al與沉積物平均粒徑(Mz)的相關(guān)性較弱(見圖6)，這同樣證明兩者在垂向上的變化幾乎不受沉積物粒徑的影響。因此，本研究中Fe/Mg和Ti/Al的變化可能更多的是與樣品中長江和黃河物質(zhì)的相對貢獻(xiàn)量有關(guān)。

(長江、黃河以及老黃河數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[31]，上地殼數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[34]。The dates of Yangtze River, Yellow River and Old Yellow River are from[31] and the UCC dates are from [34].)

判別函數(shù)(DF)作為一種有效的判別沉積物源的方法，在中國東部海域沉積物的物源判別工作中已經(jīng)有了大量的應(yīng)用[28-29]。因而，本研究采用Ti元素和Fe/Mg相對于長江沉積物的判別函數(shù)來反映長江陸源碎屑對研究區(qū)沉積物的影響(見圖7)。結(jié)果表明：在1964—2006年期間DF(Fe/Mg)和DF(Ti)總體表現(xiàn)為增大趨勢，在1942—1964年中則表現(xiàn)為減小趨勢。判別函數(shù)的增大體現(xiàn)了沉積物中的化學(xué)組成與對比的物質(zhì)端元差異的增大。因此，F(xiàn)0306孔中沉積物中長江物質(zhì)的含量在1964—2006年內(nèi)持續(xù)降低，在1942—1964年內(nèi)逐漸增加。

4.2 東亞夏季風(fēng)變化對長江入海泥沙北上輸運(yùn)的影響

長江入海泥沙具有“夏儲冬輸”的特征。在夏季，長江物質(zhì)主要被保存在長江口泥質(zhì)區(qū)，少量的泥沙可以在長江沖淡水和蘇北沿岸流的作用下進(jìn)入到研究海域[9,35]。在冬季，由于臺灣暖流的阻礙作用，直接由長江沖淡水輸送的長江物質(zhì)被約束在123°E以西的東海近岸陸架，基本不能被輸送到124°E以東海域[36]。但冬季時蘇北近岸的表層沉積物(包括該地區(qū)在夏季沉降的長江物質(zhì))會在蘇北沿岸流和黃海沿岸流的作用下發(fā)生再懸浮并向東南方向輸運(yùn)，在黃海暖流的作用下進(jìn)入到南黃海甚至北黃海地區(qū)[35]。由于冷渦和上升流的存在，這些細(xì)顆粒物質(zhì)有利于匯聚到南黃海中部泥質(zhì)區(qū)，而且，該區(qū)域弱潮流的動力環(huán)境，也有助于這些細(xì)顆粒物質(zhì)沉降[37-40]。由于上升流的速率小于懸浮體沉降的速率(懸浮物凈運(yùn)移方向向下)[41]，因而上升流的變化對沉積物組分的影響較小。此外，南黃海中部的弱潮流并不利于沉積物組分的再次分選[37]，因此，該沉積環(huán)境有利于保存沉積物本身物源變遷和沉積物輸運(yùn)的信息。

如前文所述，冬季時進(jìn)入到南黃海地區(qū)的長江物質(zhì)主要為經(jīng)過蘇北沿岸流再懸浮、搬運(yùn)的蘇北近岸沉積物。長江細(xì)顆粒物質(zhì)進(jìn)入到南黃海主要受黃海暖流、蘇北沿岸流和長江沖淡水的影響。在夏季，蘇北沿岸流向北流動，主要受南風(fēng)的驅(qū)動[11-13]。數(shù)值模擬結(jié)果證明夏季風(fēng)在長江沖淡水的向北擴(kuò)散過程中起到了重要的作用，經(jīng)向風(fēng)風(fēng)速越大，長江沖淡水向北擴(kuò)散的范圍越大[14-15]。在冬季，蘇北沿岸流向東南方向流動，會受到冬季風(fēng)的影響[42]，冬季風(fēng)增強(qiáng)可以導(dǎo)致沿岸流加強(qiáng)。黃海暖流同樣會受到東亞冬季風(fēng)的影響，冬季風(fēng)增強(qiáng)時，黃海暖流隨之增強(qiáng)并且流軸西移[43]。因此，夏季風(fēng)和冬季風(fēng)強(qiáng)弱的變化均會對長江入海泥沙的北向輸送產(chǎn)生一定程度的影響，引起南黃海沉積物中長江組分含量發(fā)生變化，從而使它的物源組成特征發(fā)生一定程度的改變。另一方面，考慮到南黃海泥質(zhì)區(qū)上部沉積物的黏土組分中長江物質(zhì)占據(jù)優(yōu)勢地位[8]。因此，它可能會使沉積物中的黏土組分的含量也發(fā)生明顯的變化。

圖6 Fe/Mg和Ti/Al與Mz的相關(guān)性

(長江沉積物數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[32]。The datas of Yangtze Rivers are from[32].)

為了進(jìn)一步深入探討上述可能解釋，本文將東亞季風(fēng)的觀測結(jié)果與沉積物來源的階段性變化進(jìn)行了對比。前人的觀測結(jié)果表明最近40年來東亞季風(fēng)的階段性變化：東亞夏季風(fēng)在1960—1980年代期間偏弱，1980年代之后進(jìn)一步明顯變?nèi)鮗16,19,44]，東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度在1960—1970年代初期減弱，其后有所增強(qiáng)，1980年代初期以后又開始減弱[20](見圖8)。為了探索東亞季風(fēng)強(qiáng)度的變化對沉積物物源的影響，筆者將夏、冬季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)與DF(Fe/Mg)、DF(Ti)和沉積物中的黏土組分含量的變化進(jìn)行對比(見圖8)，結(jié)果表明四者具有良好的對應(yīng)關(guān)系。在1965—1975年期間，東亞冬季風(fēng)和東亞夏季風(fēng)都呈現(xiàn)由強(qiáng)變?nèi)醯淖兓?，對?yīng)著南黃海沉積物中DF(Fe/Mg)和DF(Ti)普遍升高，黏土組分含量降低。在1975—1980年期間，東亞冬季風(fēng)呈減弱趨勢，東亞夏季風(fēng)在該階段總體較弱，對應(yīng)著南黃海沉積物中DF(Fe/Mg)和DF(Ti)普遍升高， 黏土組分含量降低。結(jié)合前文所述，東亞季風(fēng)強(qiáng)度的變化可能是導(dǎo)致本研究中沉積物的地球化學(xué)特征和粒度組成發(fā)生階段性變化的重要原因。夏季，夏季風(fēng)減弱導(dǎo)致蘇北沿岸流和長江沖淡水向北的擴(kuò)散能力減弱，致使進(jìn)入到南黃海中部的長江的細(xì)顆粒物質(zhì)減少。此外，夏季風(fēng)的減弱還會導(dǎo)致在蘇北近岸沉降的長江物質(zhì)含量減少，使得冬季時黃海暖流所輸運(yùn)的物質(zhì)中的長江物質(zhì)所占比例降低。冬季，冬季風(fēng)減弱導(dǎo)致蘇北沿岸流和黃海暖流強(qiáng)度減弱，致使蘇北近岸地區(qū)沉積物的再懸浮減弱、向北輸運(yùn)的長江物質(zhì)含量減少，進(jìn)入到南黃海中部地區(qū)的細(xì)顆粒長江物質(zhì)降低。綜上所述，東亞季風(fēng)的減弱導(dǎo)致研究柱狀樣中的長江組分所占比例降低，這體現(xiàn)在沉積物中黏土組分含量減小、沉積物與長江沉積物相比在Fe/Mg比值和Ti元素含量方面的差異性增大。

(夏季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)和冬季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)分別根據(jù)文獻(xiàn)[19]和[20]改繪。Summer Monsoon Index modified by [19], the East Asian Winter Monsoon Index modified by[20].)

5 結(jié)論

(1)F0306孔沉積物的粒度組分特征存在階段性的變化。在35～23 cm層位中沉積物的砂質(zhì)組分含量增加，粉砂質(zhì)組分含量減小，黏土組分含量略有增大；在23～0 cm層位中沉積物中砂質(zhì)組分和粉砂質(zhì)組分含量升高，黏土質(zhì)組分含量降低。

(2)1942年以來，F(xiàn)0306孔沉積物中的地球化學(xué)特征存在明顯的變化。1964年以來，F(xiàn)0306孔沉積物與長江沉積物的判別函數(shù)DF(Ti)和DF(Fe/Mg)逐漸升高體現(xiàn)了1964年以來沉積物中長江組分逐漸降低。

(3)東亞季風(fēng)的強(qiáng)弱變化可能是該沉積物的粒度組分和地球化學(xué)特征變化的重要原因。1964年以來，東亞夏、冬季風(fēng)的強(qiáng)度逐漸減弱，進(jìn)入到研究海域中的長江物質(zhì)含量減少，致使沉積物中的黏土組分含量逐漸降低，地球化學(xué)特征與長江物質(zhì)的差異逐漸增大。

致謝：感謝東方紅2號科考船工作人員在采樣過程中給予的大力支持，中國海洋大學(xué)劉明老師、中國海洋大學(xué)周揚(yáng)老師在實驗測試和論文撰寫過程中提供的幫助。