700年以來(lái)沖繩海槽南部黏土礦物來(lái)源及其對(duì)沉積環(huán)境的響應(yīng)

楊婭敏, 曾志剛, 殷學(xué)博, 陳 帥, 裴文強(qiáng), 朱博文

700年以來(lái)沖繩海槽南部黏土礦物來(lái)源及其對(duì)沉積環(huán)境的響應(yīng)

楊婭敏1, 3, 曾志剛1, 2, 3, 4, 殷學(xué)博1, 4, 陳 帥1, 4, 裴文強(qiáng)1, 朱博文1, 3

(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, 山東 青島 266071; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266061; 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 4. 中國(guó)科學(xué)院 海洋大科學(xué)研究中心, 山東 青島 266071)

本文對(duì)沖繩海槽南部HOBAB4-S2站700年以來(lái)的黏土礦物組成及結(jié)晶學(xué)特征進(jìn)行了研究和分析, 并對(duì)該區(qū)的物質(zhì)來(lái)源以及黏土礦物所記錄的東亞季風(fēng)的演化歷史進(jìn)行了探討。研究發(fā)現(xiàn)沖繩海槽南部HOBAB4-S2站黏土礦物組合總體是以伊利石(59%～77%, 平均含量69%)和綠泥石(11%～17%, 平均含量14%)為主, 蒙脫石(5%～23%, 平均含量12%)和高嶺石含量(2%～6%, 平均含量4%)則相對(duì)較低。通過(guò)黏土礦物研究對(duì)物源進(jìn)行分析, 發(fā)現(xiàn)沖繩海槽南部研究站位的黏土礦物中, 伊利石、綠泥石以及高嶺石主要來(lái)自于臺(tái)灣島上的河流, 尤其是蘭陽(yáng)溪, 蒙脫石則主要是來(lái)自于長(zhǎng)江和東海大陸架的懸浮再沉積。蒙脫石/(伊利石+綠泥石)比值可以用來(lái)大致反映長(zhǎng)江和東海大陸架與臺(tái)灣島對(duì)研究區(qū)物質(zhì)輸入的相對(duì)貢獻(xiàn)。其相對(duì)貢獻(xiàn)量的變化很好地記錄了小冰期(1405 A.D.—1850 A.D.)東亞夏季風(fēng)的減弱和臺(tái)灣島東北部-沖繩海槽南部地區(qū)相對(duì)濕潤(rùn)的氣候特征。而該比值所指示的現(xiàn)代暖期(1960 A.D.)夏季風(fēng)強(qiáng)度的減弱則可能主要是受到人類活動(dòng)的影響。

黏土礦物; 物源; 東亞夏季風(fēng); 沖繩海槽南部

沖繩海槽位于東海大陸架和西太平洋之間的過(guò)渡地帶, 其快速連續(xù)的沉積記錄了晚第四紀(jì)以來(lái)的陸源物質(zhì)輸入、海平面變化、氣候變化以及古環(huán)境演化等信息[1], 是研究東亞古環(huán)境變化和海陸相互作用的理想靶區(qū)[2-3]。利用沉積記錄進(jìn)行古環(huán)境、古氣候研究的前提是識(shí)別沉積物物源[3-4]。然而, 沖繩海槽尤其是海槽南部地震、火山以及熱液活動(dòng)頻繁[5-6], 加上黑潮以及沿岸流等對(duì)物質(zhì)搬運(yùn)的影響, 使得本區(qū)沉積物來(lái)源異常復(fù)雜。

前人通過(guò)礦物學(xué)、元素地球化學(xué)以及沉積學(xué)等多種方法對(duì)沖繩海槽南部的沉積物物源進(jìn)行了示蹤[2-3, 7-9]。目前, 對(duì)晚全新世以來(lái)沖繩海槽南部的黏土沉積物物源及沉積過(guò)程的認(rèn)識(shí)仍然存在較多爭(zhēng)議, 主要分為以下兩種認(rèn)識(shí): 一種觀點(diǎn)認(rèn)為自全新世中期約7.3 ka BP高海平面以來(lái), 黑潮主軸又重新進(jìn)入到?jīng)_繩海槽, 阻礙了長(zhǎng)江和黃河等所攜帶的陸源沉積物的跨陸架輸運(yùn), 因此臺(tái)灣島上的河流成為沖繩海槽南部沉積物主要的物源區(qū)[3, 9]。至于物源主要來(lái)自臺(tái)灣島東部河流[9]還是西部河流[3]還尚無(wú)定論。另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為晚全新世以來(lái)除臺(tái)灣島物質(zhì)來(lái)源外, 長(zhǎng)江物質(zhì)隨沿岸流的輸入和東海大陸架堆積物質(zhì)的再懸浮輸入也是該區(qū)沉積物的重要來(lái)源[10]。此外, 研究發(fā)現(xiàn)除了長(zhǎng)江和臺(tái)灣島的物源輸入之外, 可能還有亞洲風(fēng)塵以及呂宋島弧物質(zhì)的貢獻(xiàn)[11]。因此, 亟需高分辨率的沉積物巖芯樣品以及可靠的物源指標(biāo)來(lái)更加準(zhǔn)確地識(shí)別沖繩海槽南部沉積物的來(lái)源。

黏土礦物是指母巖經(jīng)風(fēng)化和成壤作用形成的<2 μm的顆粒, 廣泛分布在海洋中, 是深海沉積物的主要組成部分[12]。受原巖性質(zhì)、巖石風(fēng)化程度、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及氣候變化等因素的影響, 黏土礦物組合會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因此, 可以通過(guò)黏土礦物組合判別其物質(zhì)來(lái)源[13]。近年來(lái), 黏土礦物已被廣泛應(yīng)用于多個(gè)海區(qū)的沉積物源研究中[14]。此外, 黏土礦物組合還記錄了搬運(yùn)、再沉積以及環(huán)境演化等重要信息, 為研究晚全新世以來(lái)的古海洋、古環(huán)境演化, 提供了新的思路[15-16]。

本文主要通過(guò)對(duì)沖繩海槽南部近千年來(lái)黏土礦物的分析, 利用4種黏土礦物(蒙脫石、伊利石、綠泥石以及高嶺石)組合特征與含量變化, 探討海槽南部沉積物的來(lái)源及其對(duì)環(huán)境變化的指示。

1 區(qū)域概況

沖繩海槽是位于琉球島弧和東海大陸架之間的西邊緣海盆地。南北長(zhǎng)約1 200 km, 東西寬約100～ 150 km, 形狀上為一狹長(zhǎng)的帶狀地塹[17]。水深自海槽北部向南部不斷增加, 南部最深可達(dá)2 000 m以上。該區(qū)洋流系統(tǒng)較為復(fù)雜, 其中最主要的洋流是黑潮。黑潮是西太平洋北赤道暖流的北向分支, 經(jīng)呂宋島東部、臺(tái)灣島東部向沖繩海槽北部流動(dòng), 最后終止于日本海沿岸附近。它是低緯度向中高緯度輸送大量水汽和能量的重要洋流[18], 影響著全球和區(qū)域氣候的變化[19]。在臺(tái)灣島以東區(qū)域, 黑潮的最大流速約為150 cm/s, 水體寬度為125～170 km, 水深約為500 m[20]。當(dāng)黑潮在臺(tái)灣島東北沿岸向北流動(dòng)時(shí), 遇到陸架坡折帶, 黑潮的流向會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)[21], 主流沿著陸架坡折帶向東北方向流動(dòng), 而部分黑潮則流向西南, 在棉花峽谷上方形成反向渦流[22], 這些反向渦流會(huì)影響懸浮顆粒的運(yùn)移和沉積。沖繩海槽周邊的陸地河流對(duì)其貢獻(xiàn)了大量沉積物質(zhì)。長(zhǎng)江的年徑流量為4.7×108t[23], 臺(tái)灣島上的河流總的年徑流量為4.36 ×1010m3左右, 年輸沙量約為2.63×108t。其中, 蘭陽(yáng)溪平均每年向沖繩海槽南部的徑輸入量為6×106～9×106t[24-26]。

研究區(qū)氣候主要受東亞季風(fēng)系統(tǒng)的控制, 其中降水、氣溫以及大氣環(huán)流都呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性波動(dòng)特征[9, 27-28]并影響研究區(qū)的水文環(huán)境以及洋流的變化[3, 9, 27]。東亞季風(fēng)主要由濕潤(rùn)的東亞夏季風(fēng)和干燥的東亞冬季風(fēng)組成[28-29], 夏季時(shí), 東南風(fēng)攜帶著來(lái)自太平洋溫暖潮濕的氣流向中國(guó)大陸和臺(tái)灣島移動(dòng), 豐富的季風(fēng)降水會(huì)導(dǎo)致臺(tái)灣島上的河流徑流量增加[30-33], 進(jìn)而導(dǎo)致入海沉積物通量增加。冬季則相反, 盛行的西北風(fēng)將歐亞大陸的干冷氣流帶到太平洋, 使氣候變得相對(duì)干冷。季風(fēng)氣候的季節(jié)性波動(dòng)不僅會(huì)導(dǎo)致沖繩海槽的水文狀況發(fā)生顯著的變化, 同時(shí)也對(duì)黑潮的強(qiáng)度產(chǎn)生重要的影響[9, 27, 34], 主要表現(xiàn)為: 夏(冬)季時(shí), 以東亞夏(冬)季風(fēng)為主, 風(fēng)會(huì)在熱帶太平洋區(qū)域形成負(fù)(正)的風(fēng)應(yīng)力旋度, 使得北赤道流分支點(diǎn)向南(北)偏移, 導(dǎo)致黑潮強(qiáng)度增加(減弱)[35-36]。

2 研究材料與方法

2.1 研究材料

沉積物巖芯HOBAB4-S2(24°52′49.9″N, 122°37′19.7″E, 水深1 505 m)由中國(guó)科學(xué)院海洋研究所“科學(xué)號(hào)”考察船于2016年5月在沖繩海槽南部通過(guò)重力取樣器獲得, 巖芯全長(zhǎng)4.77 m。分析表明, 巖性主要以泥質(zhì)粉砂巖為主, 偶見(jiàn)幾厘米到十幾厘米不等的砂質(zhì)粉砂夾層。顯微鏡下鑒定顯示, 沉積物主要由黏土礦物、石英、云母、長(zhǎng)石、有孔蟲、少量的硅質(zhì)放射蟲以及黃鐵礦等硫化物顆粒組成①YANG Y, ZENG Z, LIU X, et al. Fine-grained turbidites in the southern Okinawa Trough and its implication for earthquakes activity in the past 700 years[J]. Geological Journal, 2021, Under Revision.。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)巖芯以1 cm間隔進(jìn)行取樣, 共獲得了474個(gè)樣品。

2.2 研究方法

2.2.1 AMS14C測(cè)年

為建立較為可靠的沉積地層年代框架, 本文選取6個(gè)沉積層位的浮游有孔蟲(,和)進(jìn)行AMS14C測(cè)年分析, 測(cè)試工作在美國(guó)Beta實(shí)驗(yàn)室完成。根據(jù)Marine 13的標(biāo)準(zhǔn)利用CALIB 7.0軟件將測(cè)試獲得的14C年齡進(jìn)行日歷年齡的校正。為消除區(qū)域性海洋儲(chǔ)庫(kù)效應(yīng), 本文采用日本南部Ishigaki島上的珊瑚確定的Δ=35±25[26, 37]進(jìn)行了放射性碳年齡的校正, 并利用OxCal 4.4建立了HOBAB4-S2站位的地層年代模型。

2.2.2 黏土礦物分析

本文共對(duì)125個(gè)黏土粒級(jí)礦物樣品(<2 μm)進(jìn)行了定向薄片的X射線衍射(XRD)分析。樣品測(cè)試前先加入15 %的H2O2和25 %醋酸, 以除去沉積物中的有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽, 隨后加入去離子水清洗離心2遍[7-8]。根據(jù)Stoke沉降原理提取小于2 μm的懸浮液, 利用涂片法制成定向薄片, 自然風(fēng)干。上機(jī)測(cè)試前先將薄片在60 ℃恒溫乙二醇蒸汽中飽和處理12 h, 測(cè)試是在中國(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)室完成, 所用儀器是產(chǎn)自德國(guó)的D8 A.D.VANCE型X射線衍射儀, 工作條件為: CuKα 輻射, 40 kV電壓, 40 mA電流。每個(gè)樣品分別掃描兩次, 第一次掃描角度(2)為3°～30°, 步長(zhǎng)0.02°, 第二次掃描角度則為24°～26°, 步長(zhǎng)為0.01°。

通過(guò)對(duì)比自然片、乙二醇飽和片的X射線衍射圖譜, 識(shí)別出黏土礦物種類。利用Topas 2P軟件對(duì)主要的衍射峰進(jìn)行擬合。然后根據(jù)Biscayer的方法[38], 將乙二醇飽和片衍射圖譜上蒙脫石(17 ?, (1 ?=10–10m))、伊利石(10 ?)和高嶺石+綠泥石(7 ?)的衍射峰的峰面積作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 按照1︰4︰2的權(quán)重因子計(jì)算出4種黏土礦物(蒙脫石、伊利石、綠泥石和高嶺石)的相對(duì)含量。之后再利用3.54 ?/3.58 ?的衍射峰面積的比值確定綠泥石和高嶺石的含量。伊利石的化學(xué)指數(shù)(Esquevin-Index)由乙二醇飽和片衍射圖譜上5 ?/10 ?的峰面積比計(jì)算獲得[39], 可用來(lái)指示不同的風(fēng)化程度。當(dāng)指數(shù)大于0.5, 代表的是經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈風(fēng)化水解作用所形成的富Al的伊利石; 而當(dāng)指數(shù)小于0.5, 則代表物理剝蝕作用形成的富Fe-Mg的伊利石[40]。伊利石的結(jié)晶度則根據(jù)衍射圖譜上10 ?衍射峰的半高寬(FWHM)來(lái)確定, 蒙脫石的結(jié)晶度由17 ?衍射峰處的FWHM確定。其中FWHM值越小, 表示結(jié)晶度越好。

3 結(jié)果

沉積物巖芯HOBAB4-S2的黏土礦物自然片、乙二醇飽和片的X-射線衍射圖譜中可以識(shí)別出蒙脫石、伊利石、綠泥石和高嶺石4種黏土礦物組合(圖1)。

圖1 HOBAB4-S2 巖芯中典型的黏土礦物X-射線衍射圖譜(16～17 cm)

黏土礦物組成及其結(jié)晶學(xué)的參數(shù)隨深度的變化如圖2所示。黏土礦物主要由伊利石和綠泥石組成, 其次是蒙脫石和高嶺石。伊利石和綠泥石的含量為59%～77%和11%～17%, 平均含量分別為69%和14%。而含量較少的蒙脫石和高嶺石的變化范圍為5%～23%和2%～6%, 平均含量分別為12%和4%。此外, 巖芯中伊利石結(jié)晶度相對(duì)較小, 變化范圍為0.21°～ 0.35°Δ2, 平均值為0.26°Δ2(<0.4), 指示其伊利石結(jié)晶度極好; 蒙脫石結(jié)晶度為0.52°～1.81°Δ2, 平均值為1.35°Δ2, 指示蒙脫石結(jié)晶度為中等—好。伊利石的化學(xué)指數(shù)在0.29～0.57之間, 平均值為0.41(<0.5), 代表的是經(jīng)過(guò)物理剝蝕作用所形成的富Fe-Mg的伊利石[8, 39, 41]。

在中世紀(jì)暖期后期1326 A.D.—1405 A.D., 蒙脫石呈現(xiàn)略升高的特征, 而伊利石含量隨時(shí)間變化表現(xiàn)為逐漸降低, 高嶺石和綠泥石則呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)(圖2)。而在小冰期時(shí)期1405A.D.—1850 A.D., 沉積物中的蒙脫石整體呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì), 而伊利石則顯示出升高的變化, 高嶺石和綠泥石變化范圍相對(duì)較小, 且在同一時(shí)期兩者基本表現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)(圖2)。值得注意的是, 在1670A.D.—1750 A.D.左右, 蒙脫石含量出現(xiàn)最低值, 而伊利石含量在該時(shí)期則表現(xiàn)為最大值, 且伊利石化學(xué)風(fēng)化指數(shù)則發(fā)生明顯降低。而現(xiàn)代暖期1850 A.D.以來(lái), 蒙脫石隨著時(shí)間的變化相繼呈現(xiàn)出先升高、后降低的變化趨勢(shì), 相反伊利石的變化曲線則表現(xiàn)為先降低后升高。高嶺石和綠泥石變化波動(dòng)不大, 綠泥石整體呈現(xiàn)出升高的趨勢(shì), 而高嶺石正好相反, 呈現(xiàn)略降低的趨勢(shì)。伊利石的化學(xué)風(fēng)化指數(shù)和結(jié)晶度在該時(shí)期表現(xiàn)為逐漸增大的特征。

圖2 沉積物巖芯HOBAB4-S2 的黏土礦物組合(蒙脫石、伊利石、高嶺石和綠泥石)、伊利石化學(xué)指標(biāo)、伊利石結(jié)晶度以及蒙脫石結(jié)晶度等參數(shù)隨深度的變化圖

注: 粗實(shí)線為局部加權(quán)回歸曲線

4 討論

4.1 黏土礦物物源分析

沖繩海槽南部位于邊緣海盆地, 其沉積物主要來(lái)自周圍河流的輸入, 臺(tái)灣島上的河流、長(zhǎng)江等均為其潛在物源。此外, 由于東海大陸架距離研究站位較近, 其沉積物經(jīng)再懸浮搬運(yùn)也可能對(duì)研究區(qū)內(nèi)的物質(zhì)組成有一定貢獻(xiàn)。盡管中國(guó)大陸風(fēng)塵輸入也可能為研究區(qū)沉積物貢獻(xiàn)了部分物質(zhì), 但考慮到研究區(qū)較高的沉積速率, 以及周邊眾多河流物質(zhì)的巨量輸入[42], 風(fēng)塵物質(zhì)對(duì)研究區(qū)的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)。受控于氣候、基巖以及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等因素的影響, 不同河流輸入的沉積物中黏土礦物含量存在明顯差異(表1)。臺(tái)灣島地層中廣泛分布著第三紀(jì)沉積巖以及變質(zhì)巖(板巖、千枚巖), 由于地形陡峭、構(gòu)造活動(dòng)頻繁、臺(tái)風(fēng)頻發(fā)[43], 氣候又非常溫暖潮濕, 使得本區(qū)具有較高剝蝕率, 導(dǎo)致其出露的巖石主要遭受物理風(fēng)化作用[44]。因此, 臺(tái)灣島地區(qū)沉積物具有相對(duì)較高的伊利石和綠泥石含量, 而高嶺石和蒙脫石的含量則很低[9, 43, 45-46]。長(zhǎng)江由于氣候較暖濕, 且構(gòu)造活動(dòng)較穩(wěn)定, 所以源區(qū)母巖化學(xué)風(fēng)化程度要強(qiáng)于臺(tái)灣島上的河流, 因此長(zhǎng)江端元黏土礦物較臺(tái)灣島端元含有更多的蒙脫石和高嶺石[47-49](表1)。東海大陸架伊利石+綠泥石含量稍高于長(zhǎng)江, 而蒙脫石含量與長(zhǎng)江的相當(dāng)或稍高, 高嶺石/綠泥石和蒙脫石/伊利石比值相對(duì)于臺(tái)灣島上的河流一般較高。為進(jìn)一步限定HOBAB4-S2巖芯中的沉積物來(lái)源, 利用(高嶺石+蒙脫石)-綠泥石-伊利石三角圖(圖3a)和蒙脫石/伊利石-高嶺石/綠泥石比值投點(diǎn)圖(圖3b)與潛在物源端元進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 HOBAB4-S2巖芯中黏土礦物組合及潛在的沉積物源區(qū)

注: 表中所引用的黏土礦物數(shù)據(jù)用Biscaye方法[38]校正過(guò)

圖3 研究區(qū)樣品及相關(guān)海域河流沉積物黏土礦物潛在的物源區(qū), 包括長(zhǎng)江[51, 53-54], 東海大陸架[52], 臺(tái)灣島上的河流(西部和東部河流)[43]以及臺(tái)灣島蘭陽(yáng)溪[43, 50]

在黏土礦物(伊利石+綠泥石)-高嶺石-蒙脫石三角圖解上, 黏土礦物樣品投點(diǎn)主要落在臺(tái)灣島上的河流、東海大陸架以及長(zhǎng)江范圍之內(nèi), 且靠近臺(tái)灣島上的河流(圖3a)。其中, 沉積物中蒙脫石含量相對(duì)較高, 為5%～23%, 平均值達(dá)12%左右, 明顯高于臺(tái)灣島上的河流表層沉積物中的蒙脫石含量(0～1%)[43, 50], 因此推測(cè)該站位蒙脫石并非主要來(lái)自于臺(tái)灣島上的河流, 可能有來(lái)自長(zhǎng)江和東海大陸架蒙脫石的加入。研究還發(fā)現(xiàn)HOBAB4-S2樣品中蒙脫石結(jié)晶度為0.52°～1.81°Δ2, 平均值為1.36°Δ2, 與長(zhǎng)江入?？诒韺映练e物中的蒙脫石結(jié)晶度相當(dāng)(1.30°～ 1.44°Δ2)[51, 53], 推測(cè)長(zhǎng)江物質(zhì)可能是研究區(qū)蒙脫石的重要物源。盡管前人認(rèn)為自～7.5 ka高海平面以來(lái), 由于長(zhǎng)江河口與沖繩海槽之間的距離增加, 以及黑潮活動(dòng)的增強(qiáng), 阻斷了長(zhǎng)江物質(zhì)向外海的跨陸架輸運(yùn), 認(rèn)為研究區(qū)全新世以來(lái)物源全部來(lái)自于臺(tái)灣島上的河流[3, 9]。但其實(shí)黑潮并未完全阻斷長(zhǎng)江物質(zhì)的跨陸架輸運(yùn), 長(zhǎng)江每年排放約470 Mt的沉積物至東海大陸架[23], 其中很大一部分被潮汐或者長(zhǎng)江沿岸流攜帶搬運(yùn)至臺(tái)灣海峽附近[55], 隨后受到海峽中部高地形的阻隔以及由南向北的臺(tái)灣暖流的影響, 沿岸流轉(zhuǎn)向陸架并將大量的沉積物運(yùn)移至陸架[56]。黑潮在進(jìn)入沖繩海槽后, 由于受到海槽北部陸坡的阻隔, 會(huì)在棉花峽谷、北棉花峽谷的上方形成一反向渦流[22], 不斷侵蝕以長(zhǎng)江物質(zhì)組成為主的東海大陸架的東南部[57], 東海大陸架在受到侵蝕后, 其沉積物經(jīng)再懸浮不斷向沖繩海槽南部搬運(yùn)并沉積, 這也已通過(guò)沉積物中的稀土元素分析得到證實(shí)[10]。此外, 沖繩海槽南部-臺(tái)灣島東部海域火山活動(dòng)頻繁, 巖石類型以玄武巖和流紋巖為主[17], 其化學(xué)風(fēng)化也可能為研究區(qū)提供部分蒙脫石。但由于在海底缺氧以及相對(duì)低溫的環(huán)境下, 火山物質(zhì)較難被風(fēng)化為蒙脫石[58]。而且沉積物巖芯中蒙脫石含量高的層位也并未發(fā)現(xiàn)有火山物質(zhì), 因此我們認(rèn)為原位基性火山物質(zhì)蝕變可能并不是造成研究區(qū)蒙脫石含量高的原因。盡管呂宋島也具有高含量的蒙脫石[59], 但考慮到呂宋島距離研究區(qū)較遠(yuǎn)(>200 km), 其對(duì)沖繩海槽南部的沉積物貢獻(xiàn)可能非常有限, 且海槽南部沉積物的εNd(–11.84～–10.78)和87Sr/86Sr比值(0.719 956～ 0.725 072)[3]與呂宋島弧火山巖中的值(εNd = –6.1～+9.5,87Sr/86Sr=0.703 35～0.706 22)[60]明顯不同, 也證實(shí)了該觀點(diǎn)。綜上, 我們認(rèn)為長(zhǎng)江和東海大陸架侵蝕再沉積物質(zhì)的加入可能是研究區(qū)沉積物中蒙脫石含量相對(duì)較高的主要原因。

研究區(qū)HOBAB4-S2樣品沉積物中伊利石+綠泥石含量(85%)明顯低于臺(tái)灣島上的河流中的含量(97%)。伊利石化學(xué)指數(shù)平均值為0.41(0.29～0.57)為富Fe-Mg的伊利石, 經(jīng)歷了較為快速的物理剝蝕作用。該指數(shù)與臺(tái)灣島西部河流(0.4)以及臺(tái)灣島東部蘭陽(yáng)溪(0.45)中的伊利石化學(xué)指數(shù)相當(dāng), 均明顯低于臺(tái)灣島東部其他河流(0.51)以及長(zhǎng)江中的伊利石化學(xué)指數(shù)(0.62～0.72)[51, 53-54], 指示其主要來(lái)自于臺(tái)灣島蘭陽(yáng)溪以及西部河流, 而臺(tái)灣島東部其他河流以及長(zhǎng)江貢獻(xiàn)相對(duì)較少。樣品伊利石結(jié)晶度極好(0.21°～0.35°Δ2, 平均值為0.26°Δ2)與蘭陽(yáng)溪(0.30°Δ2)較為接近[43, 50], 而稍低于臺(tái)灣島西部河流(0.35°Δ2)[43, 53], 指示其礦物可能經(jīng)歷搬運(yùn)、快速沉積的過(guò)程, 化學(xué)風(fēng)化和水解作用不充分。因此, HOBAB4-S2巖芯中伊利石主要是來(lái)源于臺(tái)灣島上的河流尤其是蘭陽(yáng)溪。由于沖繩海槽西南端靠近蘭陽(yáng)溪, 臺(tái)灣島地區(qū)豐富的降雨以及陡峻的地形, 導(dǎo)致山脈的剝蝕速率非常高, 每年有1.0×107t的沖積物通過(guò)蘭陽(yáng)溪向宜蘭外海輸入[43], 也側(cè)向說(shuō)明其是重要物源。

綠泥石是風(fēng)化作用的初始產(chǎn)物, 和伊利石的形成環(huán)境類似。HOBAB4-S2樣品中綠泥石含量為11%～17%, 平均值為14%, 稍高于長(zhǎng)江入?？谔幍木G泥石含量(13%～14%), 而與蘭陽(yáng)溪(17%)中的綠泥石含量較為接近, 說(shuō)明蘭陽(yáng)溪可能是研究區(qū)沉積物中綠泥石的一個(gè)重要源區(qū)。此外, 黏土礦物組合變化曲線顯示綠泥石與伊利石隨時(shí)間變化具有良好的一致性(圖2), 表明其可能與伊利石來(lái)自相同的源區(qū)-蘭陽(yáng)溪。盡管有研究認(rèn)為臺(tái)灣暖流可以將臺(tái)灣島西部河流中的沉積物向西北攜帶輸運(yùn)至沖繩海槽南部沉積[61], 但其沉積物輸運(yùn)量還尚需進(jìn)一步的研究, 西部河流對(duì)沖繩海槽南部黏土礦物的貢獻(xiàn)量可能十分有限。所以, 綜合分析我們認(rèn)為臺(tái)灣島上的河流尤其是蘭陽(yáng)溪是研究區(qū)沉積物中伊利石和綠泥石的主要物源, 其次可能有少量的臺(tái)灣島西部河流的加入。

高嶺石是鐵鎂質(zhì)巖石在溫暖濕潤(rùn)氣候條件下發(fā)生強(qiáng)烈水解作用的產(chǎn)物, 源區(qū)沉積物中高嶺石含量指示其化學(xué)風(fēng)化的強(qiáng)弱[62]。沖繩海槽南部HOBAB4-S2站位高嶺石含量較低, 為2%～6%, 平均值為4%, 而長(zhǎng)江中的高嶺石含量較高(14%～15%), 蘭陽(yáng)溪中的高嶺石含量(6%)較為接近。此外, 高嶺石遇到堿性的海水會(huì)因?yàn)榘l(fā)生絮凝作用而發(fā)生沉降, 易在河口沉積[63], 不易被遠(yuǎn)距離遷移。因此, 沖繩海槽南部HOBAB4-S2站位樣品中的高嶺石可能主要來(lái)自蘭陽(yáng)溪。

綜合以上沖繩海槽南部沉積物黏土礦物來(lái)源的分析, 認(rèn)為該研究區(qū)沉積物中的蒙脫石主要是來(lái)長(zhǎng)江和東海大陸架上再懸浮物質(zhì)的輸入。伊利石和綠泥石以及高嶺石主要是來(lái)自臺(tái)灣島蘭陽(yáng)溪, 也可能有部分臺(tái)灣島西部河流來(lái)源物質(zhì)的加入。

4.2 古環(huán)境響應(yīng)

研究表明, 黏土礦物的組成、含量和結(jié)晶學(xué)特征不僅可以用來(lái)指示沉積物中細(xì)粒組分的物質(zhì)來(lái)源, 還可以反映沉積物源區(qū)氣候環(huán)境的信息[64]。本研究利用沉積物巖芯反映了該區(qū)700 a以來(lái)的沉積記錄, 時(shí)間跨度較短, 風(fēng)化作用對(duì)沉積物中黏土礦物組合的影響相對(duì)較小, 因此黏土礦物參數(shù)的變化可能主要受控于沉積物物源輸入的變化。

由于黏土礦物含量是相對(duì)變化的, 為了進(jìn)一步消除黏土礦物間的稀釋效應(yīng), 利用黏土礦物組合及其比值指示環(huán)境的變化[16]。黏土礦物物源分析表明, HOBAB4-S2孔中伊利石和綠泥石主要是來(lái)源于臺(tái)灣島上的河流-蘭陽(yáng)溪, 可將其代表臺(tái)灣島來(lái)源物質(zhì)端元。蒙脫石則主要來(lái)自長(zhǎng)江和東海大陸架受到黑潮侵蝕懸浮再沉積。因此, 蒙脫石/(伊利石+綠泥石)比值大致代表了長(zhǎng)江/東海大陸架與臺(tái)灣島對(duì)研究區(qū)物質(zhì)輸入的相對(duì)貢獻(xiàn)。而東海大陸架物質(zhì)的輸入則主要受控于黑潮強(qiáng)度, 黑潮越強(qiáng), 其對(duì)東海大陸架侵蝕和再懸浮搬運(yùn)能力越強(qiáng), 其對(duì)研究區(qū)的物質(zhì)輸入也就越多。而黑潮則主要受控于夏季風(fēng)強(qiáng)度變化[34, 65],因此長(zhǎng)江/東亞大陸架物質(zhì)的輸入與東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系。而研究區(qū)的伊利石和綠泥石的含量主要由蘭陽(yáng)溪等臺(tái)灣島上的河流貢獻(xiàn)[42], 其輸入量大小也取決于臺(tái)灣島當(dāng)?shù)氐慕涤炅? 研究表明, 當(dāng)夏季風(fēng)增強(qiáng)時(shí), 華南和臺(tái)灣島地區(qū)降雨量反而減少[66], 因此, 臺(tái)灣島上的河流向研究區(qū)的物質(zhì)輸入量與夏季風(fēng)強(qiáng)度呈反相關(guān)關(guān)系?；诖? 蒙脫石/(伊利石+綠泥石)比值可大致反映東亞夏季風(fēng)的強(qiáng)度, 比值升高, 則夏季風(fēng)強(qiáng)度增強(qiáng), 反之, 則減弱。

將蒙脫石/(伊利石+綠泥石)比值(圖4A)和董哥洞δ18O曲線[67]圖4B將相對(duì)比, 發(fā)現(xiàn)兩者之間具有十分相似的變化趨勢(shì), 并識(shí)別出兩個(gè)東亞夏季風(fēng)減弱階段: 1405 A.D.—1850 A.D.和1960 A.D.以來(lái)。小冰期(1405 A.D.—1850 A.D.)呈現(xiàn)出夏季風(fēng)強(qiáng)度減弱的趨勢(shì)(圖4A), 這也與周秀驥等數(shù)值模擬結(jié)果一致[68]。1405 A.D.—1850 A.D.董哥洞δ18O曲線顯示該時(shí)期為寒冷期, 蒙脫石/(伊利石+綠泥石)比值也表現(xiàn)為低值, 表明夏季風(fēng)強(qiáng)度在此階段減弱, 黑潮強(qiáng)度也因此減弱[69], 侵蝕東海大陸架再沉積的物質(zhì)相對(duì)減少, 同時(shí)由于夏季風(fēng)強(qiáng)度減弱, 季風(fēng)雨帶難以向北移動(dòng), 降水多集中在華東、臺(tái)灣島東北部[70](圖4C), 利于蘭陽(yáng)溪攜帶更多臺(tái)灣島的物質(zhì)向沖繩海槽南部輸送, 海槽中臺(tái)灣島來(lái)源的沉積物明顯增多, 這也通過(guò)沉積物中的總有機(jī)碳(TOC)含量得到證實(shí)[71](圖4D)。該期季風(fēng)強(qiáng)度的減弱認(rèn)為可能與熱帶輻合帶南移(ITCZ)有關(guān)[72]。此外, 1960 A.D.以來(lái), 蒙脫石/(伊利石+綠泥石)比值為低值, 說(shuō)明此時(shí)夏季風(fēng)較弱, 這與現(xiàn)代氣候要素觀測(cè)結(jié)果相一致[73]。該時(shí)期季風(fēng)氣候減弱的原因認(rèn)為可能是受人類活動(dòng)影響氣溶膠排放量增加[74], 導(dǎo)致熱帶海溫異常增溫有關(guān)。

圖4 700年以來(lái)黏土礦物參數(shù)變化及其環(huán)境影響因素指標(biāo)對(duì)比

注: HOBAB4-S2孔物源指標(biāo)A曲線分別代表蒙脫石/(伊利石+綠泥石)比值; 環(huán)境指標(biāo)B—D分別為董哥洞石筍δ18O曲線[67]; 沖繩海槽南部MD05-2908孔中淡水硅藻所占百分比[70]; 中國(guó)臺(tái)灣島東部黑潮區(qū)沉積物中總有機(jī)碳(TOC)含量百分比[71]; MWP: 中世紀(jì)暖期; LIA: 小冰期; CWP: 現(xiàn)代暖期

5 結(jié)論

本文對(duì)沖繩海槽南部HOBAB4-S2站位的巖芯樣品進(jìn)行了黏土礦物分析, 并與周圍的潛在物源區(qū)的黏土礦物進(jìn)行了對(duì)比, 同時(shí)對(duì)700 a以來(lái)沖繩海槽南部地區(qū)物質(zhì)來(lái)源以及環(huán)境變化進(jìn)行了探討, 基本得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1) HOBAB4-S2站位沉積物黏土礦物主要由伊利石、綠泥石以及少量的蒙脫石和高嶺石組成。伊利石結(jié)晶度變化范圍為0.21°～0.35°Δ2, 平均值為0.26°Δ2, 指示其結(jié)晶度極好。伊利石化學(xué)指數(shù)為0.29～0.57, 平均值為0.41, 主要是經(jīng)物理剝蝕作用形成的富Fe-Mg伊利石。

(2) 巖芯黏土礦物特征與周圍潛在物源區(qū)對(duì)比分析表明, 蒙脫石主要是來(lái)自長(zhǎng)江/東海大陸架懸浮再沉積物質(zhì)。而伊利石、綠泥石和高嶺石則主要是來(lái)自臺(tái)灣島上的河流, 尤其是蘭陽(yáng)溪。

(3) 蒙脫石/(伊利石+綠泥石)比值代表了長(zhǎng)江和東海大陸架輸入與臺(tái)灣島物源相對(duì)貢獻(xiàn)量的變化, 可大致反映東亞夏季風(fēng)的強(qiáng)弱變化。該指標(biāo)變化顯示出東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度在小冰期(1405 A.D.—1850 A.D.)減弱, 指示當(dāng)時(shí)氣候相對(duì)濕潤(rùn)強(qiáng)降雨的環(huán)境, 結(jié)果可以與董哥洞石筍δ18O記錄很好對(duì)比。此外, 該指標(biāo)還顯示1960 A.D.以來(lái)夏季風(fēng)強(qiáng)度也發(fā)生明顯減弱, 可能是與人類活動(dòng)影響有關(guān)。

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Sediment provenance and its response to the paleoenviron-ment in the southern Okinawa Trough over the past 700 years

YANG Ya-min1, 3, ZENG Zhi-gang1, 2, 3, 4, YIN Xue-bo1, 4, CHEN Shuai1, 4, PEI Wen-qiang1, ZHU Bo-wen1, 3

(1. Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Laboratory for Marine Mineral Resources, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266061, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

The clay mineral composition and crystallographic characteristics of core HOBAB4-S2 from the southern Okinawa Trough (SOT) over the past 700 years were studied and analyzed in this paper using x-ray diffraction. In addition, the sediment provenance and the history of the East Asian monsoon recorded by clay minerals in this area were discussed. It was found that the clay mineral assemblages in the SOT were mainly composed of illite (59%～77%, mean 69%), chlorite (11%～17%, mean 14%), minor smectite (5%～23%, mean 12%), and kaolinite contents (2%～6%, mean 4%). The provenance analysis of clay minerals showed that illite, chlorite, and kaolinite were mainly from rivers in Taiwan island, especially the Lanyang River, while smectite was mainly from the suspended re-deposition of the Yangtze River and the East China Sea shelf. The smectite/(illite + chlorite) ratio can be used to roughly reflect the relative contribution of the Yangtze River, East China Sea shelf, and Taiwan island to the sediment input of the SOT. The variation of its relative contribution reflects the weakening of the East Asian summer monsoon well during the Little Ice Age (1405 A.D.?1850 A.D.) and the relatively wet climate in the SOT-northeast Taiwan island. In contrast, the weakening of the summer wind intensity during the modern warm period (1960 A.D.) indicated by this ratio may have been mainly influenced by human activities.

clay minerals; sediment provenance; East Asian summer monsoon; southern Okinawa Trough

Jan. 3, 2021

736.4

A

1000-3096(2021)11-0042-12

10.11759/hykx20210103002

2021-01-03;

2021-03-28

國(guó)家自然科學(xué)基金(91958213); 全球變化與海氣相互作用專項(xiàng)(GASI-GEOGE-02); 中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作局對(duì)外合作重點(diǎn)項(xiàng)目(133137KYSB20170003); 大洋“十三五”深海資源潛力評(píng)估項(xiàng)目(DY135-G2-1-02); 泰山學(xué)者工程專項(xiàng)(ts201511061); 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)(2013CB429700)

[National Natural Science Foundation of China, No. 91958213; National Program on Global Change and Air-Sea Interaction, No. GASI-GEOGE-02; International Partnership Program of the Chinese Academy of Sciences, No. 133137KYSB20170003; National Special Fund for the 13th Five Year Plan of COMRA, No. DY135-G2-1-02; Special Fund for the Taishan Scholar Program of Shandong Province, No. ts201511061; National Key Basic Research Program of China, No. 2013CB429700]

楊婭敏(1990—), 女, 博士研究生, 主要從事海洋沉積學(xué)研究, E-mail: yanngyalem13@mails.ucas.ac.cn; 曾志剛(1968—),通信作者, 博士生導(dǎo)師, 研究員, 主要從事海底熱液活動(dòng)研究, E-mail: zgzeng@ms.qdio.ac.cn

(本文編輯: 趙衛(wèi)紅)