西太平洋暖池區(qū)沉積物源示蹤研究進展

顏鈺，蔣富清,4，曾志剛,4

1. 中國科學院海洋研究所海洋地質與環(huán)境重點實驗室，青島 266071

2. 中國科學院海洋大科學研究中心，青島 266071

3. 中國科學院大學，北京 100049

4. 嶗山實驗室海洋地質過程與環(huán)境功能實驗室，青島 266061

西太平洋暖池區(qū)是全球海洋能量最集中的區(qū)域，對調節(jié)現(xiàn)代全球氣候發(fā)揮著極為重要的作用[1-3]，同時作為亞洲大陸沉積物重要的“匯”又可以為源區(qū)氣候變化提供高分辨率且連續(xù)的沉積記錄。其巨厚的沉積物記錄了晚新生代以來眾多分辨率較高的海洋環(huán)境變化信息（海平面變化、熱帶輻合帶（ITCZ）遷移歷史等），使西太平洋暖池區(qū)成為研究晚新生代古氣候和古環(huán)境演化的理想海區(qū)。

已有研究者開展了暖池區(qū)黏土礦物[4-7]、石英單礦物[8-9]、常量元素[10]、稀土元素[11-13]以及同位素[6,14-16]等指標的研究，并取得了豐碩的成果（表1，圖1）。目前大部分研究者認為暖池區(qū)沉積物主要來源于亞洲大陸和火山島弧，盡管不同區(qū)域的具體物源組成往往存在顯著差異[7,16,17]。目前對暖池區(qū)沉積物源區(qū)的研究主要集中在北緣和西緣，時間跨度也較短，尚缺乏較長時間跨度的研究（表1）。

表1 西太平洋暖池區(qū)各站位指標信息Table 1 Core locations and palaeoclimate proxies of the Western Pacific Warm Pool sites

圖1 西太平洋暖池區(qū)洋流模式及周邊物源區(qū)示意圖黃色圓點代表本文提及的暖池區(qū)站位；紅色實線代表28 ℃等溫線；白色箭頭代表表層流流向；深藍色箭頭代表底層水流向[18-19]；紅色箭頭代表東亞冬季風，黃色箭頭代表盛行西風帶，紫色箭頭代表澳大利亞冬季風，綠色箭頭代表潛在源區(qū)沉積物的輸入量。NEC：北赤道流，NECC：北赤道逆流，SEC：南赤道流，KC：黑潮，MC：棉蘭老流，UCDW：上層繞極深層水，LCDW：下層繞極深層水，EAWM：東亞冬季風，PW：盛行西風帶，AWM：澳大利亞冬季風。Fig.1 Map of ocean currents and potential provenance of Western Pacific Warm PoolYellow dots represent stations in the Western Pacific Warm Pool mentioned in this article. The solid red line represents the 28 ℃ isotherm. The surface flow and bottom water trajectories [18-19] are shown with white and blue arrows, respectively. The East Asian Winter Monsoon, Prevailing Westerlies and Australian Winter Monsoon are shown with red, yellow, and purple arrows, respectively. Also shown are the sediment inputs from potential source areas with green arrows. NEC: North Equatorial Current, NECC: North Equatorial Counter Current, SEC: South Equatorial Current, KC: Kuroshio Current, MC: Mindanao Current, UCDW: Upper Circumpolar Deep Water, LCDW: Lower Circumpolar Deep Water, EAWM: East Asian Winter Monsoon, PW: Prevailing Westerlies,AWM: Australian Winter Monsoon.

本文旨在回顧西太平洋暖池區(qū)代表性地質記錄，重點從不同示蹤指標所指示的暖池區(qū)沉積物的來源出發(fā)，分析不同古氣候示蹤指標記錄源區(qū)變化的異同，探討暖池區(qū)沉積物來源研究中存在的問題，以期獲得關于西太平洋暖池區(qū)沉積物來源的更全面的認識，并為后續(xù)的研究工作提供建議和展望。

1 西太平洋暖池區(qū)沉積物的潛在源區(qū)

西太平洋暖池區(qū)一般指熱帶西太平洋多年平均海表溫度（SST）在28 ℃以上的暖水區(qū)[25]（圖1）。該區(qū)域北鄰亞洲大陸，南鄰澳大利亞大陸，東部與南、北美洲隔東太平洋相望，可能成為這些大陸風塵物質的“匯”；此外，西太平洋暖池區(qū)還與南沙群島、美拉尼西亞群島等島嶼相接，可能接收這些島嶼河流輸入的物質。西太平洋暖池區(qū)沉積環(huán)境相對穩(wěn)定[26]，沉積物中蘊含著豐富的區(qū)域環(huán)境以及全球氣候變化信息，這些信息通過黏土礦物[4-7]、石英單礦物[8-9]、常量元素[10]、稀土元素[11-13]以及同位素[6,14-16]等記錄下來。

暖池區(qū)洋流系統(tǒng)非常復雜，南赤道流（SEC）可將南太平洋熱帶水（SPTW）和南極中層水（AAIW）輸送至暖池區(qū)，并在澳大利亞南岸分叉形成向北的新幾內亞沿岸流和向南的東澳大利亞流。北赤道流（NEC）在菲律賓沿岸也會分叉形成向北的黑潮（KC）和向南的棉蘭老流（MC）。除了對暖池形成非常重要的南北赤道流，暖池區(qū)還有北赤道逆流（NECC）、南赤道逆流（SECC）、上層繞極深層水（UCDW）、下層繞極深層水（LCDW）、赤道潛流（EUC）、次表層南赤道逆流（SSCC）、次表層北赤道逆流（NSCC）和赤道中層流（EIC）等一系列洋流，這些洋流不僅對熱量的輸送意義重大，而且對沉積物的搬運也可能起著一定的作用。暖池區(qū)風場也比較復雜，東亞冬季風和盛行西風可以將來源于亞洲大陸的沉積物攜帶至暖池區(qū)并沉降下來[9,15]；澳大利亞季風可以將來源于澳大利亞的沉積物輸送至暖池區(qū)[27]；此外，東北信風和東南信風也可以將中南美洲的沉積物搬運至暖池區(qū)[16]。

復雜的地理位置、洋流系統(tǒng)和風場等決定了西太平洋暖池區(qū)沉積物的來源也相對復雜。已有研究表明，西太平洋暖池區(qū)風塵沉積物主要來源于亞洲大陸，尤其是中國中西部沙漠和中國東部沙漠[6,15]，中國黃土對暖池區(qū)風塵沉積物也有一定量的貢獻[21]。新幾內亞這一降水豐富的地區(qū)也會通過河流向西太平洋暖池輸送陸源碎屑物質[7]。中南美洲與西太平洋暖池隔東太平洋相望，因此，中南美洲的沉積物可以通過風等搬運介質到達西太平洋暖池區(qū)[16]。另外，由于澳大利亞位于澳大利亞冬季風的上風向，澳大利亞也可以將沉積物輸送至西太平洋暖池區(qū)[16]。除以上源區(qū)外，構造活動對暖池區(qū)沉積物的來源也產(chǎn)生了很大的影響，由于晚新生代以來火山活動頻發(fā)[14]，因而研究區(qū)附近的火山島弧物質也會向西太平洋暖池提供一定量的碎屑沉積物[6,9,14-15]。

2 沉積物物源示蹤的礦物學指標

2.1 黏土礦物

目前，大部分研究者認為西太平洋暖池區(qū)黏土礦物主要來源于亞洲大陸和火山島弧[5-6]，其西南部物源還包括新幾內亞[7]，各物源區(qū)黏土礦物含量見表2。不同源區(qū)的黏土礦物組合有不同的特征（圖2），其中澳大利亞大陸高嶺石含量較高[28]，伊利石結晶度指數(shù)較高，變化范圍為0.38°～1.48°Δ2θ[29-30]；新幾內亞和呂宋島蒙皂石含量較高，伊利石和綠泥石含量較低[7,31-32]；亞洲大陸的伊利石和綠泥石含量較高[33-36]，伊利石結晶度指數(shù)較低，變化范圍為0.22°～0.42°Δ2θ[37]。亞洲大陸還可以進一步劃分為中國中西部沙漠、中國北方沙漠和中國東部沙漠3 個風塵源區(qū)[38]，這3 個風塵源區(qū)黏土礦物的組成也存在一定的差異[39]（圖3）。中國中西部沙漠伊利石/高嶺石比值（平均為9.4）較高，高嶺石/綠泥石比值（平均為0.4）較低；中國東部沙漠伊利石/高嶺石比值（平均為5.0）較低，高嶺石/綠泥石比值（平均為0.7）較高；中國北方沙漠伊利石/高嶺石比值（平均為8.2）和高嶺石/綠泥石比值（平均為0.6）介于中國中西部沙漠和中國東部沙漠之間。

表2 西太平洋暖池區(qū)沉積物潛在源區(qū)的黏土礦物組成Table 2 Clay minerals composition of the Western Pacific Warm Pool and potential provenance

圖2 西太平洋暖池沉積物潛在源區(qū)黏土礦物端元圖潛在源區(qū)包括亞洲大陸[33-36]、澳大利亞大陸[28]、新幾內亞[7]和呂宋島[31-32]。Fig.2 Ternary diagram of clay minerals in sediments from the potential source areas of the Western Pacific Warm PoolThe potential source areas include Asian continent[33-36], Australia continent [28], New Guinea [7], and Luzon Island [31-32].

圖3 亞洲大陸不同源區(qū)高嶺石/綠泥石比值-伊利石/高嶺石比值二元圖[39]Fig.3 Kaolinite to chlorite ratio versus illite to kaolinite ratio from different sources of the Asian continent [39]

目前，對黏土礦物的源區(qū)識別主要以黏土礦物含量、黏土礦物特征參數(shù)及黏土礦物含量比值為主，以黏土礦物形貌特征和能譜分析為輔。大部分研究者認為暖池區(qū)黏土礦物主要來源于亞洲大陸和火山島弧，但對其來源于亞洲大陸的哪個具體源區(qū)仍存在爭議。Seo 等使用伊利石/高嶺石比值和高嶺石/綠泥石比值對暖池邊緣PC631 孔沉積物進行物源識別，高的伊利石/高嶺石比值以及低的高嶺石/綠泥石比值表明黏土礦物主要來源于中國中西部沙漠，低的伊利石/高嶺石比值以及高的高嶺石/綠泥石比值表明黏土礦物主要來源于中國東部沙漠[6]。靳寧對暖池邊緣區(qū)PV090102 孔的伊利石結晶度指數(shù)和化學指數(shù)進行研究分析，認為該孔伊利石主要來源于中國黃土，蒙皂石主要來源于周圍火山島弧[20]。Wan 等則認為西太平洋暖池邊緣區(qū)MD06-3 050 孔黏土礦物中的伊利石、綠泥石和高嶺石主要來源于中國東部沙漠和黃土，蒙皂石主要來源于呂宋島火成巖的風化作用[21]。Wu 等通過對黏土礦物含量、黏土礦物形貌特征和能譜的分析，認為暖池邊緣區(qū)KX21-2 孔黏土礦物來源于新幾內亞島[7]。

對暖池區(qū)黏土礦物源區(qū)的認識不同可能是多種原因造成的。首先，站位的選擇不同是最主要的原因，這是由于研究區(qū)的地理位置（如距離源區(qū)的遠近，受洋流、風場影響等情況）會對黏土礦物的輸入產(chǎn)生影響，如位于新幾內亞島附近的KX21-2 孔黏土礦物主要來源于新幾內亞島，這是因為新幾內亞的河流攜帶大量黏土礦物輸入研究區(qū)造成的[7]。其次，所選樣品的時間尺度也是影響源區(qū)不同的重要原因。再次，黏土礦物的差異沉降（如顆粒分選、絮凝作用）也會對源區(qū)的判斷產(chǎn)生影響。此外，不同實驗室以及不同站位之間樣品前處理方法和使用的儀器也不盡相同，這些差別造成了不同的系統(tǒng)誤差，并且增加了不同站位之間對比的難度。

2.2 石英單礦物

石英作為物理化學性質穩(wěn)定的重要風塵沉積物，可以用來識別源區(qū)[41]。目前，對石英單礦物源區(qū)的識別主要以氧同位素和結晶度指數(shù)為主，粒度和形貌特征為輔。由于石英的氧同位素分餾只受其形成時溫度的影響[42]，并且可以用來區(qū)分具體源區(qū)（如塔克拉瑪干沙漠、蒙古戈壁、毛烏素沙漠、騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠）[43]（圖4），因此是很好的源區(qū)識別指標。

圖4 西太平洋暖池沉積物潛在源區(qū)石英的δ18O 值-結晶度指數(shù)二元圖潛在源區(qū)包括塔克拉瑪干沙漠[43-44]、蒙古戈壁[43-44]、毛烏素沙漠[43-44]、騰格里沙漠[43-44]、巴丹吉林沙漠[43-44]和火山島弧[8]。Fig.4 δ18O values and crystallinity index of quartz in the sediment of possible sources of the Western Pacific Warm PoolThe potential source areas include Taklimakan Desert[43-44], Mongolian Gobi[43-44], Mu Us Desert[43-44], Tengger Desert[43-44], Badain Jaran Desert[43-44],and volcanic materials[8].

目前對暖池區(qū)碎屑沉積物中石英來源的研究較少，僅有幾篇文章對暖池邊緣區(qū)風塵石英源區(qū)進行了研究。如朱瀟等和Yan 等分別對暖池北緣區(qū)域表層和2.1 Ma 以來沉積物中的石英進行了研究，通過研究石英的粒度、形貌特征、氧同位素和結晶度指數(shù)等指標，并與可能源區(qū)進行對比，認為暖池北緣石英主要來源于塔克拉瑪干沙漠、蒙古戈壁和周圍火山島弧物質[8-9]。

盡管不同源區(qū)石英的氧同位素和結晶度指數(shù)存在差異，但并不具備“排他性”，無法較好地對塔克拉瑪干沙漠和蒙古戈壁來源的石英單礦物進行區(qū)分（圖4）。但相比于其他古氣候示蹤指標，石英單礦物對沉積物源區(qū)的識別不僅更加具體（可以區(qū)分具體沙漠），而且更加穩(wěn)定，因此今后可以嘗試開展暖池區(qū)其他位置石英單礦物的研究。遺憾的是，目前對于暖池區(qū)石英單礦物的研究很少，這可能是由于有些站位石英含量極低，無法提取足量的石英單礦物進行測試導致的。

3 沉積物物源示蹤的地球化學指標

3.1 常量元素

常量元素在陸地風塵以及深海沉積物源區(qū)識別等研究中得到了廣泛的應用，是示蹤地質歷史時期沉積物來源的可靠手段，目前對暖池區(qū)及其潛在源區(qū)的沉積物元素地球化學研究已取得了豐碩的成果（表3）。一些化學性質不活潑的常量元素（如Ti、Al）在風化、搬運、沉積以及沉積后成壤成巖過程中基本不受表生過程的影響，能夠反映碎屑源區(qū)的地球化學特征，可以作為物源示蹤的可靠指標[45-46]。目前常用的常量元素分析方法主要有直接對比法[12,17]、典型元素比值法[10,47]和R 型因子分析法[10]。

表3 西太平洋暖池及其潛在源區(qū)沉積物常量元素組成Table 3 Major elements composition of sediments in the Western Pacific Warm Pool and potential provenances%

由于常量元素相對穩(wěn)定，因此可以將沉積物的常量元素組成直接與潛在源區(qū)進行對比，進而對沉積物源區(qū)進行識別。已有研究者通過直接對比法對暖池區(qū)沉積物的來源進行識別，并取得了一定成果[12,17]。如Wu 等通過對380 ka 以來西太平洋暖池西緣KX21-2 孔沉積物中的常量元素進行研究，并與潛在源區(qū)進行對比，認為該孔沉積物主要來源于新幾內亞[17]。

由于Ti、Al 等元素在沉積過程中相對穩(wěn)定，一般不參與生物介質，主要賦存于鋁硅酸鹽碎屑礦物中，可以代表碎屑來源物質[10,45-46]。因此利用某元素與Ti 或Al 元素的比值可以消除沉積物中粒度變化對該元素的影響，進而判斷此元素在海洋環(huán)境中的物源和轉化過程[47,53-54]。典型元素比值法（如Fe/Al）已被成功應用于識別暖池區(qū)沉積物的來源[10],徐兆凱等通過將西太平洋暖池北緣700 ka 以來MD06-3047 孔的Fe/Al 比值與潛在源區(qū)進行對比，認為暖池區(qū)北緣沉積物主要來源于亞洲大陸和周圍火山島弧[10]。

R 型因子分析是根據(jù)沉積物中某些元素的賦存特征，如Fe、Mg 和Ti 主要賦存于表生環(huán)境下地球化學性質比較穩(wěn)定的火山碎屑物質中，Al 和K 主要代表了陸源風塵物質的影響，Na 含量的高值往往對應著火山活動的影響，Mn 可能與熱液作用和/或早期成巖作用有關來區(qū)分沉積物的源區(qū)[10]。R 型因子分析已被成功應用于識別暖池區(qū)沉積物的來源，徐兆凱等通過對西太平洋暖池北緣MD06-3 047 孔沉積物常量元素的R 型因子分析，認為700 ka 以來該孔沉積物主要來自于附近火山碎屑物質及陸源風塵物質，生物作用和熱液活動的影響相對較小[10]。

盡管不同源區(qū)沉積物的常量元素存在差異，但其差異并不顯著，因而在物源示蹤時存在多解性，其結論的可靠性需要更多的示蹤指標來驗證。此外，不同研究使用的樣品是否進行了前處理，前處理方法的差異也會對結果產(chǎn)生較大影響。在后續(xù)的研究中，需要加強各實驗室的溝通和數(shù)據(jù)對比，進一步開展暖池區(qū)相同前處理方法對常量元素的研究，并盡量結合其他指標，使源區(qū)識別結果更加可靠。

3.2 稀土元素

稀土元素組成及配分模式主要受控于源巖，稀土元素在風化過程中不活潑，因此是海洋沉積物物源示蹤的理想指標[55-56]。由于陸源碎屑中稀土元素含量（REE）比海水高得多，且富集輕稀土，因此輕稀土的富集一般被認為是陸源碎屑輸入的標志[57]。已有研究者通過對稀土元素的研究，對西太平洋暖池區(qū)沉積物的源區(qū)進行了識別（表4），徐兆凱等發(fā)現(xiàn)暖池區(qū)北緣表層沉積物重稀土元素富集程度遠大于1，輕稀土元素富集程度略大于1，認為研究區(qū)沉積物主要來源于周圍火山物質，少量來源于陸源物質[13]。Liu 等通過對22 ka 以來西太平洋暖池區(qū)西緣DY12 孔稀土元素進行研究，并與潛在源區(qū)對比分析，認為研究區(qū)沉積物主要來源于新幾內亞和亞洲大陸[11]。Peng 等通過對4 Ma 以來西太平洋暖池區(qū)西緣U1489 孔稀土元素進行研究，認為其主要來源于新幾內亞[12]。

表4 西太平洋暖池及其潛在源區(qū)沉積物稀土元素組成Table 4 REE composition of sediments in the Western Pacific Warm Pool and potential provenances10-6

可以發(fā)現(xiàn)，不同研究者對暖池區(qū)沉積物的來源存在爭議，這可能是由于不同研究者選取的研究站位以及時間尺度不同造成的。稀土元素分析結果的多解性也是造成暖池區(qū)沉積物源區(qū)存在爭議的重要因素之一。此外，不同研究的前處理方法也不盡相同，這些差別造成了不同的系統(tǒng)誤差，并且增加了不同站位之間對比的難度。

3.3 放射性成因Sr-Nd 同位素

放射性成因的Sr 和Nd 同位素組成是沉積物源區(qū)的良好替代指標，它不僅可以將亞洲大陸來源、澳大利亞大陸來源和西太平洋火山島弧來源的沉積物進行區(qū)分，而且可以將亞洲大陸來源的沉積物源區(qū)進一步劃分為中國中西部沙漠、中國北方沙漠和中國東部沙漠的沉積物[38]。

目前對西太平洋暖池區(qū)沉積物中放射性成因Sr 和Nd 同位素的研究多集中于暖池北緣，研究結果表明，亞洲大陸是暖池區(qū)碎屑組分的重要源區(qū)[6,14-15,22-23]（圖5）。Seo 等通過對暖池區(qū)PC631 孔0.6 Ma 以來放射性成因Sr、Nd 同位素進行研究，進一步將暖池風塵源區(qū)細化為中國中部沙漠[6]。對暖池區(qū)不同粒級碎屑組分的放射性成因Sr、Nd 同位素分析結果表明，位于西太平洋暖池北部邊緣PV090102 孔沉積物中的亞洲風塵主要來源于中國中西部沙漠[15]，位于暖池西北邊緣的Ph05-5 孔沉積物中的亞洲風塵也主要來源于中國中西部沙漠，但有少部分來源于中國黃土[14]。對暖池核心區(qū)放射性成因Sr、Nd 同位素也有一定的研究，如Seo 等通過對暖池核心區(qū)PC932 孔放射性成因Sr、Nd 同位素進行研究，認為1.1～0.8 Ma 研究區(qū)沉積物來源于澳大利亞大陸和中南美洲，0.8 Ma 以來沉積物主要來源于亞洲大陸[16]。

圖5 西太平洋暖池與潛在源區(qū)沉積物87Sr/86Sr-εNd (0)關系圖潛在源區(qū)包括：中國黃土[59-61]、中國北方沙漠[38]、中國中西部沙漠[38]、中國東部沙漠[38]、澳大利亞大陸[62]和火山島弧[63-80]；暖池區(qū)數(shù)據(jù)包括暖池北緣[15]和暖池核心區(qū)[16]。Fig.5 87Sr/86Sr vs εNd (0) values of the detrital fraction of the Western Pacific Warm Pool sediments and potential source areasThe potential source areas include Chinese Loess Plateau[59-61], northern Chinese deserts[38], western and central Chinese deserts[38], eastern Chinese deserts[38],Australia continent[62], and volcanic materials[63-80]. Western Pacific Warm Pool data include the northern margin of the Western Pacific Warm Pool[15] and the core area of the Western Pacific Warm Pool[16].

不同研究者對西太平洋暖池風塵來源認識的差異可能是多種原因造成的，其中最重要的原因可能是不同研究者選取的研究站位以及時間尺度不同。不同研究選取的樣品粒級不同，也會對放射性成因Sr-Nd 同位素以及源區(qū)的判斷造成影響。此外，放射性成因Sr-Nd 同位素對源區(qū)的判別有時不具備“排他性”，如無法將中國中西部沙漠、中國東部沙漠和中國黃土完全區(qū)分，使得對源區(qū)的識別具有多解性。

4 結語

近年來，通過多種物源指標，如黏土礦物、石英單礦物、常量元素、稀土元素以及碎屑組分的放射性成因Sr-Nd 同位素等，已在西太平洋暖池區(qū)北部和西部第四紀以來的沉積物源識別方面取得了重要進展。研究表明，暖池區(qū)沉積物主要來源于亞洲大陸和火山島弧，部分源于澳大利亞和/或新幾內亞。

然而，目前暖池區(qū)沉積物源研究中還存在一些問題，有待今后的研究工作改進：

（1）在樣品處理時，不同實驗室采取的前處理方法存在差異，使用的試劑存在差別；在樣品選擇時，不同研究對測試樣品粒級的選擇不同；在樣品分析時，不同研究采用的分析儀器也存在較大差異；這些差異都給物源對比分析帶來了困難。

（2）盡管不同源區(qū)沉積物的特征存在差異，但不同研究者采用的物源示蹤指標和樣品的代表性往往會對物源判別的準確性和可靠性產(chǎn)生影響，導致在進行物源識別時會出現(xiàn)多解性。建議在今后的研究中對研究區(qū)和潛在源區(qū)的沉積物，通過多物源示蹤指標開展系統(tǒng)研究，以增加沉積物源區(qū)識別的準確性和可靠性。

（3）目前對西太平洋暖池區(qū)沉積物來源的研究是孤立的，并且不同研究樣品的時間跨度和時間尺度不同，不利于開展系統(tǒng)的對比研究，建議今后對暖池區(qū)沉積物源區(qū)示蹤工作開展同一時間尺度的橫向對比研究。